三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016) 船舶・海洋特集

技 術 論 文37

次期環境規制 IMO NOx TierⅢ規制に適合した
UE エンジンの世界初の低圧 EGR 実船試験
The World’s First Onboard Verification Test of UE Engine with Low Pressure EGR
complied with IMO’s NOx Tier III Regulations

平 岡 直 大 *1

三 柳 晃 洋 *2

Naohiro Hiraoka

Akihiro Miyanagi

黒 田 健 太 郎 *3

伊 藤 和 久 *4

Kentaro Kuroda

Kazuhisa Ito

中 川 貴 裕 *5

上 田 哲 司 *6

Takahiro Nakagawa

Takashi Ueda

当社の開発した“三菱低圧（LP-）EGR システム”はエンジンの過給機出口から排出される低圧の排ガスを EGR スクラバで洗浄した後，過給機吸込みに再循環させるシステムである。エンジン搭載型の LP-EGR システムを 6UEC45LSE-Eco-B2 エンジンに適用し，IMO NOx TierⅢ規制適合を確認した。さらに，34000DWT のばら積み運搬船にこのシステムを搭載し，海上試運転と商用実航海を通じて，現在長期耐久信頼性確認を実施中である。IMO NOx TierⅢ規制に適合した
LP-EGR システムを実船に搭載するのは世界初である。

|1. はじめにIMO（注１）による船舶から排出される大気汚染物質に関する規制は年々厳しくなり，2010 年７月に MARPOL73/78 条約（注２）の附属書 VI 改正案が発効し，特に NOx TierⅢ規制（注３）に関しては日本が主導となり，ロシアの反対提案等の紆余曲折も経た上で，MEPC66（注４）にて図１に示すように最終決定している。2016 年１月１日以降に起工の新造船に適用される IMO NOx TierⅢ規制では，NECA（注５）において TierⅡ規制値に対し約 76％の NOx 削減が必要となる。 この厳しい規制に対応するため，当社においても従来より様々な NOx 低減技術の開発を行ってきた。本稿では，当社が開発してきた NOx 低減技術の中でも他に類を見ない独自開発技術であり，非常に高い優位性を持つ低圧 EGR（Exhaust Gas Recirculation）システムの開発について述べる。
（注１） International Maritime Organization：国際海事機関（注２） 1973 年の船舶による汚染の防止のための国際条約に関する 1978 年の議定書（注３） 窒素酸化物（NOx）の排出量に関する第３次規制，TierⅡは第２次規制（注４） 66th Marine Environment Protection Committee：第 66 回海洋環境保護委員会（注５） NOx Emission Control Area：NOx 排出規制海域*1 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部技術統括・プロジェクト MEET 推進室 主席技師
*2 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部舶用エンジン事業部 次長*3 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部舶用エンジン事業部 主席チーム統括*4 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部舶用エンジン事業部 上席主任
*5 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部舶用エンジン事業部 主任*6 三菱重工舶用機械エンジン(株)事業統括本部舶用エンジン事業部

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図１ IMO, CARB（注６）による NOx 及び燃料中硫黄分規制（注６） California Air Resources Board：カリフォルニア州大気資源局|2. NOx 低減技術

一般的に NOx を低減する技術としては，図２および表１に示す通りである。多々ある NOx 低減技術の中で，TierⅡ規制までは燃料噴射タイミングリタード，燃料弁噴孔アレンジや掃排気系の最適化等の所謂エンジン内部のチューニングで対応してきた。しかしながら，大幅な NOx 削減が必要な TierⅢ規制では従来のエンジンチューニングレベルでは適合できないため，表１にある通り低減効果の大きい２つの方式で対応することとなる。
１つは排ガス後処理技術である SCR（Selective Catalytic Reduction：選択還元脱硝），もう１つはエンジン内の燃焼状態を変化させて NOx を低減する EGR である。

図２ NOx 低減技術マップ
表１ NOx 低減技術比較項目
機関仕様最適化（機械式機関）電子制御機関

水噴射装置

EGR
SCR

NOx 低減効果（TierⅠ比）

燃費悪化

技術レベル

初期投資

ランニングコスト⊿20％＋2～＋3％

現存技術

小小

⊿20％
水エマルジョン燃料：⊿50％
独立水噴射：⊿80％
層状水噴射：⊿80％（燃料ポンプ容量他の制限により実質は⊿40％程度まで）

0～＋1％＋2～＋3％＋7～＋10％

現存技術
開発済
開発済

中中
中

小
中
中

約＋10％

開発済

中

中

⊿80％
⊿80～90％

＋1～3％
0～＋2％

開発中（実船試験実施中）
開発済

大大

中
大

三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016)39|3. 低圧 EGR システム
3.1 EGR システムの概要
近年，EGR システムは陸用で中・小型エンジンに適用されている。EGR システムを搭載したエンジンは排ガスの一部を吸気に戻すことで燃焼室内の酸素濃度を下げ，且つ排ガスに含まれるCO2（二酸化炭素）等の不活性ガスの割合を増し熱容量を大きくすることで，燃焼ガス温度の上昇を抑えサーマル NOx 生成反応を抑制する。

3.2 舶用ディーゼルエンジンにおける EGR
EGR システムを舶用ディーゼルエンジンに適用した際，その排ガスを取込む位置によって，図３に示すように低圧と高圧 EGR の２つの種類に分類することができる。

図３ 低圧 EGR と高圧 EGR のシステム構成

低圧 EGR システムにおいては，排ガスは過給機のタービン後流より分岐され過給機吸込み側に戻す。一方で，高圧 EGR システムにおいては，排ガスは過給機タービン上流で分岐され，掃気トランクへ戻すシステムの構成となっている。
これらの EGR システムの特徴は，分岐位置における排ガスの性状によって決定される。低圧
EGR システムは，排ガスが比較的低圧，低温であるため，EGR システムの構成がより簡易である利点がある。また，過給機吸込み側でガスを誘引するため，高圧 EGR と比較して EGR ブロア容量が小さくできる。しかしながら，低圧ゆえに排ガス容積が大きくなり，装置が大きくなってしまう短所がある。これに対し高圧 EGR システムでは，高圧ゆえに排ガスの容積が小さく装置がコンパクトにできるという利点があるが，高温，高圧であるため，排ガス洗浄装置であるスクラバをはじめとして，装置が複雑になり，また，EGR ガス圧力を掃気圧レベルまで昇圧する必要があるため，EGRブロアの容量が大きくなってしまう短所がある。当社は，シンプル且つランニングコストで有利な低圧 EGR システムを選択し，開発してきた[1]。

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3.3 低圧 EGR システムの概要
低圧 EGR システムの概要は以下の通りである。
①過給機もしくは排ガスエコノマイザ（排ガスの持っている温度を利用して蒸気を生成する排熱回収装置）後流より，排ガスの一部が EGR ガスとして分岐される。
②分岐された EGR ガスは EGR ラインへと導かれ，それ以外の排ガスは，煙突から船外へ排出される。
③EGR ガスは，排ガス洗浄装置であるスクラバで PM（Particulate Matter：粒子状物質）と SOx（硫黄酸化物）が除去される。
④その後，EGR ガスは，EGR ブロアにより過給機吸込み側へ導かれる。
⑤過給機のコンプレッサで EGR ガスと新気は混合，圧縮され，エンジン内部へと導入される。
舶用ディーゼルエンジンは，重油等の残渣を含んだ燃料を使用しており，排ガスは多くの PMや SOx を含む。加えて，その排ガス量は膨大な量であるため，EGR ガスを洗浄するスクラバは，非常に重要な装置である。そのため，当社は陸用及び舶用でも実績のあるスクラバをベースとした新型スクラバを開発した。このスクラバでは，水を使用し排ガスを洗浄する。排ガスを洗浄した後の水は，水処理装置で PM を分離，pH を調整した後，循環再利用する。

|4. 試験エンジン 4UE-X3 による開発経緯
低圧 EGR システムの概要は既述の通りであるが，実際の低速２ストロークディーゼルエンジンに適用するに当たっては，単筒試験エンジン NC33 とフルスケール試験エンジン 4UE-X3 を使用して，基礎構造から開発を積み上げた。

4.1 EGR ユニットの開発
NC33 と 4UE-X3 での当初試験では，タンカー等で実績の豊富なイナートガススクラバ（IGS）システムのスクラバ構造を踏襲し，EGR システム全体の性能と併せて試験を実施した。この IGS タイプのスクラバは図４に示す通り２段階の構造に分かれており，前段のベンチュリ（スロートにより流速を向上させる装置）で煤塵を除去し，後段の洗浄塔で SOx を吸収するという役割分担から，特に洗浄塔が内部流速を低く抑えるために装置サイズが大きくなる欠点を持っている。

図４ IGS タイプスクラバ （手前）ベンチュリ，（奥）洗浄塔

NC33 および 4UE-X3 において，IGS タイプのスクラバを組み合わせて実施した試験結果は非常に良好で，上述したサイズの問題を除いては実用化に際して十分な性能を有していることが分かった。そこで，スクラバ構造をシンプル且つコンパクトなものとすることを目指し，その後も種々の試験を実施した結果，洗浄塔なしで高い SOx 吸収性能を実現しつつ，エンジン上に搭載できるサイズにまで小型化した EGR ユニットを開発した。EGR ユニットの詳細については後述する。

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4.2 水処理システム
スクラバで排ガスを洗浄した後の水は，元が貴重な清水であるために循環再利用するが，循環再利用するために水を処理するシステムについても三菱化工機㈱と共同で開発を進めてきた。
水処理システムの主な役割は，酸性の排ガスに噴霧した後に酸性側に傾くスクラバ水を中和して pH 調整することと，スクラバ水が捕集した PM を分離して汚れた水を再びスクラバ水として使用できるようにすることである。pH 調整には pH センサと NaOH 水溶液（苛性ソーダ）注入制御を行い，PM 分離にはセラミックフィルタ方式等の種々の処理方式を検討および試験した結果を総合的に評価した結果，遠心分離機からなる水処理装置を採用することで全体システムとして確立した。
水処理装置にてスクラバ水を処理することで，図５に示す通り非常に透明度の高い処理水と，PM が濃縮したスラッジとに分離でき，処理水は排ガス洗浄装置の排水に関するガイドライン（EGCS ガイドライン）基準値を満たし，船外へ排出することが可能である。

処理前

処理後スラッジ

図５ 水処理装置試験結果|5. 実船搭載試験
フルスケール試験エンジン 4UE-X3 での試験成果を基に，実船搭載による検証試験を実施中
である[2]。本試験は（一財）日本海事協会（NK）の“業界要望による共同研究”スキームによる支援を受けて長期運転検証を目的としており，その概要を以下に示す。

5.1 実機向け低圧 EGR システム開発
関係各位と調整をした結果，対象船は敷島汽船(株)が函館どつく(株)にて建造する34000DWT のバルクキャリア（船名：DREAM ISLAND）となり，主機は 6UEC45LSE-Eco-B2 と決まった。本エンジンはシリンダボア径 45cm で，ハンディサイズバルクキャリアにおいて圧倒的なシェアを誇るベストセラーUE エンジンである。
4UE-X3 において，改造ベースながら低圧 EGR ユニットをエンジン上に搭載し，性能検証が済んでいることから，本実船試験においても低圧 EGR ユニットはエンジン上搭載を前提とし，諸タンクを含めた水処理装置は船側に搭載することを基本方針とした。EGR ガスの分岐点は当社として最も性能が高いと考えられる排ガスエコノマイザ出口とし，EGR ユニットまで排ガス管を敷設することで基本構成を確定した。
図６に示す通り，低圧 EGR ユニットは EGR スクラバ，デミスタ，EGR ブロア，および EGR 出口バルブから構成され，想定した EGR ガス量から各部流速を最適化した結果，エンジン上に搭載することが可能なコンパクトさで且つ高性能を実現している。水処理装置は図７に示す通り，プライマリ，セカンダリ各１台の計２台の遠心分離機をユニット化せずに個別配置し，諸タンク，ポンプとともに既存船型内に収めるべく配置を決定した。制御系については，低圧 EGR システム全体を司る EGR 制御盤を頭に，EGR ブロアインバータ盤や水処理装置を制御するスクラバ制御盤等を下にぶら下がる形で構成し，本船側には一括で警報を出すシステムとした。

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図６ 6UEC45LSE-Eco-B2 低圧 EGR 仕様概要

図７ 水処理システム

5.2 陸上試験結果
上述のように，6UEC45LSE-Eco-B2 実機に搭載可能な低圧 EGR システムを設計・製作できたため，最大の関心事である IMO NOx TierⅢ規制適合の確認を当該主機の製造メーカ（UE 機関ライセンシ）である神戸発動機㈱にて行った。陸上試験では，これまでの試験エンジンとは異なり，実船に搭載されるシステムであることから，システムとしての安全性等の確認も行い，通常動作，異常時のトリップ動作等についても問題ないことを確認した。

図８ 6UEC45LSE-Eco-B2 陸上試験状況

2015 年４月に実施したその陸上試験の状況を図８に，結果を図９，10 に示す。図９からも分かる通り，EGR 率と NOx 低減率の関係は過去の試験結果と同様であり，E3 モードでの TierⅢ規制
値 3.4g/kWh に対し，当日の結果は 3.2g/kWh と，若干の余裕を持って規制値をクリアできた。こ三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016)

43のときの主機燃費悪化は概ね１％以内であり，過去の試験結果と同様，低圧 EGR システムの優れた性能を再確認した。

図９ EGR 率と NOx 低減率（過去の試験結果との比較）

図 10 各負荷での燃費悪化

5.3 海上試験結果
2015 年８月に実施した海上試運転においても，陸上試験と同様，低圧 EGR トータルシステムの評価，NOx および主機性能評価，水処理装置の評価を実施した。本船搭載状況を図 11 に示す。

図 11 低圧 EGR システム実船搭載状況

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２日間にわたる海上試運転の結果，主機の NOx・燃費の性能としては陸上とほぼ同じレベルであることを確認した。また，水処理装置については事前に NK にて鑑定済みのマニュアル類と併せ，Test Procedure および Test Report につき本海上運転立会の結果により鑑定を頂き，システムとして IMO の EGCS ガイドラインに準拠した装置であることを確認し，旗国（パナマ）の排水許可承認も取得している。
陸上試験での TierⅢ適合と併せ，当社の低圧 EGR システムが期待した性能および機能を有していることを公的にも確認できた[3]。

|6. 長期実証試験と今後の展望
2015 年８月の本船就航後には実航海環境下での実証試験を続けており，初期トラブル対策を含めた種々の改善および運転パラメータの最適化等を実施した。本実船試験の主目的である，実使用環境下での長期実証試験によって得られた知見を低圧 EGR システム全体の更なる改善へとつなげる活動を継続して展開中である。
また，本低圧 EGR システムは既述の通り非常に優位性の高いシステムであり，低圧の排ガスを活用することから当社ライセンスの UE エンジンのみならず，他社ライセンスのエンジンにも広く組み合わせることが可能な技術であるため，今後積極的に普及させることを計画している。優れた技術が広く普及することで，経済活動が活発であっても地球環境全体への影響を抑えることが出来るため，持続可能な発展に寄与すると考える。

|7. まとめ
これまで実施してきた試験エンジンでの性能検証及び 6UEC45LSE-Eco-B2 実機を使用した実船搭載試験により，IMO NOx TierⅢ規制に適合し，その特性上から他システムに比べて優位性の高い，他に類を見ない低圧 EGR システムを開発することができた。
現在実施中の実船試験により，長期信頼性の評価，操作性の評価に加え，港湾での作業性等の実運用性を検証することにより，より良いシステムの玉成に努めて行く所存である。
本開発に当たり，既述の関係各位の他にも本船の運航管理会社や多くの関係者のご協力により優れた成果を上げてこられたことに改めて感謝致します。

参考文献(1) Ueda T. et al., Development of Exhaust Gas Recirculation System for Exhaust Gas Emission Control of
Mitsubishi UE Diesel Engine, Proc. of ISME Harbin, (2014), PID:129(2) 平岡, IMO NOx TierⅢ対応 低圧 EGR システム, 第 85 回 JIME 学術講演会, 富山, (2015), S2-2(3) 三菱重工舶用機械エンジン(株), Press Information No.MME0042, (2015),
https://www.mhi-mme.com/jp/news/0042.html