舶用大型低速ディーゼル機関の CO2削減技術の研究開発 平成21年度成果

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1 舶用大型低速ディーゼル機関の CO2削減技術の研究開発 平成21年度成果
平成22年4月6日 三井造船株式会社 機械・システム事業本部 機械工場 ディーゼル設計部

2 図１ 大型低速ディーゼル機関（MAN-B&W機関）の熱効率(燃費)の推移
１．事業概要 企業名：三井造船 １．目的：　大型低速ディーゼル機関の熱効率は最高50%を超えるまでに至ったが、熱効率向上の余地は少なく、その開発スピードは鈍っている。また、今後NOx排出規制は強化されるが、一般的にはNOx削減率と熱効率はトレードオフ関係にあり、CO2削減とは相反するのが実状である。　一方、排気エネルギは投入燃料発熱量の約25%を占める。そこで、燃料噴射あるいは排気弁駆動を電子制御化した機関を対象に、機関単体のみならず排熱回収も含め、総合熱効率を向上させるとともに、脱硝装置（EGR/SCR等）とも組合せ、NOx排出量を増やすことなく、CO2削減を図る技術を開発する。 従来技術の延長上 燃費 図3　NOxと燃費(CO2）の関係 NOx 50% 図2　大型低速機関の ヒートバランス図 図１　大型低速ディーゼル機関（MAN-B&W機関）の熱効率(燃費)の推移 西暦

3 ２．開発内容 （１）部分負荷性能改善：２％削減 （２）総合熱効率改善（排熱回収）：５％ 負荷パターン全域でのCO2削減：２％
①THSによる動力回収 　　THS：Turbo Hydraulic System 　　安価・コンパクトな油圧での動力回収システム ②EGSによる回収率増加 　　EGS： Exhaust Gas Separation System 　　エンジン熱効率を変えずに回収率を増加させ、 　　過給機後流側へのコンパクトなSCRを装備する 　　ことが可能（NOx三次規制対応） ①可変機構の電子制御化 　・燃料噴射、排気弁開閉タイミング、EGR　　可変弁、過給機可変ノズル（VTA）等の各負荷毎の最適な制御 ②低負荷域での燃焼最適化技術開発 　・可変噴孔噴射ノズル 　・複数燃料噴射弁のタイミング差設定 　・PCCI（予混合圧縮自着火）燃焼技術 　　部分負荷　　　　　　　　　　　　　排熱回収　　　　　　　　　　　　　（過給機可変ノズル：VTA）　　　　（THS+EGS) 燃料噴射・排気弁開閉タイミング、EGR率 機械式 電子制御式 燃費 負荷 50% 75% 100% （３）低炭素燃料適用：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＿＿留出油適用技術開発：２％　　　　　　　　　　　　　　　　＿＿電子制御式ｶﾞｽｲﾝｼﾞｪｸｼｮﾝ機関検討：２０％ 低炭素燃料適用時の技術的課題の検証 ガスインジェクション機関の燃焼最適化基礎検討 VTA適用時（部分負荷）

4 2.1 THS（Turbo hydraulic System）開発
過給機余剰エネルギーを利用した、コンパクト・安価な油圧での動力回収システム 油圧ポンプにて発生した油圧により、クランク軸に装備した 油圧モータを駆動させ、動力回収を行なうシステム 減速機 油圧ポンプ 過給機　　　　　　　　　　　サイレンサ 減速機 ・コンパクト化　　　　　　　　　　　　　　　（過給機に装備）　　　　　　　　＿→共通台不要 ・クランク軸付モータ開発 ・油圧制御システム開発 油圧ポンプ（航空転用） 油圧モータ 単体試験完了済 共通台装備　　　　　→スペース大 THSイメージ

5 2.2 高低温排気分離システム：EGS（Exhaust Gas Separation System）開発
掃排気行程の前半では高温の燃焼ガスが、後半では燃焼ガスと空気が混合された低温のガスが、一つの排気管に排出されて混合し、中温の排ガスとなる。前半部を高温・高圧排ガスとして、後半部の低温排ガスと分離する。 ・排熱回収量増加：１～２％ ・過給機出口温度の上昇：触媒劣化領域温度レベルより高温 　　　　　　　　　　　　　　　　　→SCRの過給機後への設置が容易　 ・低温ガスの掃気への再循環：過給機容量コンパクト化　及び 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　EGR効果によるNOx低減（若干） SCR　　　　　　　（＆ﾊﾞｰﾅｰ） SCR　　　　　　　 現状 排ｶﾞｽ温度（11K98MC(Mk7)／ISO条件） 触媒劣化領域 EGS適用時

6 ３．事業全体計画 平成21年度：試験機関での検証試験（平成23,24年度）に向けた基礎試験等の実施 ①燃焼最適化技術：基礎試験実施
平成21年度：試験機関での検証試験（平成23,24年度）に向けた基礎試験等の実施　　　　　　　　　　　 ①燃焼最適化技術：基礎試験実施 ②THS：油圧ポンプ・モータ単体性能確認 ③EGS：単気筒試験機関での基礎試験実施 平成22年度：試験機関適用技術・システム仕様決定・試運転開始　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ①燃焼最適化技術：大型機関への適用指針確定 ②THS：油圧ポンプ・モータ総合試験による性能・耐久性評価 ③EGS：分離性能改善・試験機関用部品仕様決定 ④試験機関製作・試運転開始（基本性能確認） 平成23年度～平成24年度：試験機関による総合性能試験実施 電子制御エンジン・排熱回収システム（THS／EGS)及び脱硝装置（EGR／SCR）を 組合せた総合性能試験の実施 　

7 ４． 平成21年度実施内容 １．部分負荷性能改善（各負荷での燃焼最適化） ２．排気エネルギー動力回収システムの適用による機関総合熱効率の向上
４．　平成21年度実施内容 １．部分負荷性能改善（各負荷での燃焼最適化） 　　　（１）燃料噴射パターン、排気弁開閉タイミング等の最適化による各負荷での燃焼最適化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　（２）電子制御式低速大型試験機関　・・・　本体設計及び補機設計・製作 ２．排気エネルギー動力回収システムの適用による機関総合熱効率の向上 　　　（１）THS設計・製作 ①油圧ポンプ設計・製作 ②クランク軸結合モータ設計・製作及びポンプ・モータ試運転開始 　　　（２）EGS設計・製作 ①単気筒試験機関での基礎試験実施 ②試験機関用EGS基本設計実施 ３．低炭素燃料への転換技術検討

8 ５． 平成21年度成果 （1）THS 過給機 単体性能：90%以上 単体性能：90%以上 減速装置 油圧モータ（クランク軸付）
５．　平成21年度成果 （1）THS 過給機 減速装置 油圧モータ（クランク軸付） 航空転用油圧ポンプ（過給機付） 単体性能：90%以上 単体性能：90%以上 定格回転速度 5,000　 ｒｐｍ 入力軸動力 110　 ｋＷ 定格回転速度 120　 ｒｐｍ 最大軸出力 400 ｋＷ

9 排気ガス量（Conventional＝１００％）
５．　平成21年度成果 （2）EGS：　　単気筒試験結果　　　　　　　　 　　　 約80℃上昇　　　　　　　　　　 従来 高温側 低温側 電子制御による任意比率での分離確認 排気ガス温度 ｶﾞｽ量60%まで減 排気ガス量（Conventional＝１００％）