JP2002317697A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンで発生した熱の回収効率を向上させ
ること。 【解決手段】 エンジン２の冷却部６Ａおよびエンジン
２の排気を利用した排気熱交換器９に熱媒体を循環させ
る循環経路１２を設ける。循環経路１２の出力側は貯湯
タンクなどに設けられる出力熱交換器に接続される。ポ
ンプ１０で導入された熱媒体は排気熱交換器９、オイル
熱交換器５，ウォータジャケット（冷却部）６Ａを順に
循環して出力される。排気熱交換器９に導入される熱媒
体は、流量などを調整して、排気中の水蒸気がその露点
以下になるよう低温に設定される。熱媒体は排気が有し
ている熱および排気の凝縮熱を回収した後、冷却部６Ａ
に導かれて更に温度上昇する。こうして、エンジンの排
熱は効率よく回収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排熱回
収装置に関し、特に、コジェネレーション装置等の動力
源に用いられるエンジンの排熱回収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境問題に対する取り組みの
必要性が高まり、エネルギの有効利用を図る観点で、コ
ジェネレーション装置のように、運転に伴って発生する
熱を回収利用することに注目が集まっている。この種の
コジェネレーション装置では、動力源に用いられている
エンジン本体の高温部よりも、排気温度の方が高温であ
ることから、その排熱を回収する際、熱の回収媒体（一
般にはエンジン冷却水）をエンジン冷却部に導入して熱
を回収し、その後、排気熱交換器に回収媒体を導入して
さらに熱の回収を行なっている（特許第２６９１３７２
号、特開平８−４５８６号参照）。

【０００３】図５は従来の排熱回収装置における熱回収
媒体（以下、「熱媒体」という）および排気の温度変化
を示す図であり、縦軸は温度、横軸は熱媒体および排気
の流れの方向を示す。熱媒体の温度変化は線Ｌｍで示
し、排気熱交換器内での排気の温度変化は線Ｌｇａおよ
びＬｇｂ（並流形式の場合を線Ｌｇａ、向流形式の場合
を線Ｌｇｂ）で示す。向流形式の場合の排気の方向は点
線矢印で示す。

【０００４】熱媒体はエンジン冷却部を通過する間にエ
ンジンから熱を回収してその温度がｐ´からｑ´まで上
昇する。続いてこの熱媒体は排気熱交換器を通過して排
気から熱を回収し、その温度がｒ´まで上昇する。一
方、排気は熱媒体に熱を奪われてその温度がｇ´からｒ
´近傍まで低下する。このように、熱媒体の循環経路の
上流にエンジン冷却部を配し、下流に排気熱交換器を配
した場合、熱媒体は排気熱交換器においてエンジンの本
体より温度が高い排気と熱交換されるため、熱回収前後
の温度差Δｔは大きい（ただし、並流形式の場合よりも
向流形式の方が温度差Δｔは少し大きくなる）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】熱媒体の流量が決定さ
れれば、回収熱量は、排熱回収装置の入口および出口に
おける熱媒体のそれぞれの温度の差Δｔと流量との積に
比例する。したがって、流量が小さい場合は図５のよう
に大きい温度差（回収温度）Δｔになるが、熱媒体の流
量が大きい場合は、次のように温度差Δｔは小さくな
る。

【０００６】図６は熱媒体の流量が図５の例より大きい
ときの熱媒体の温度変化を示す図であり、排気熱交換器
入口での熱媒体の温度が排気の露点Ｗより低い場合の熱
媒体の温度変化は線Ｌｍ１、同じく排気の露点Ｗより高
い場合の熱媒体の温度変化は線Ｌｍ２で示す。また、排
気の温度はそれぞれ線Ｌｇ１，Ｌｇ２で示す。なお、説
明を簡単にするために排気の方向は並流形式についての
み記述する。

【０００７】排気の露点Ｗより低い温度ａ”でエンジン
に導入された熱媒体はエンジンから熱を回収してその温
度がｃ”まで上昇する。続いてこの熱媒体は排気熱交換
器を通過するときにその温度が２段階で上昇する。ま
ず、排気は熱媒体に熱を奪われてその温度がｇから急激
に下降する。一方、熱媒体は排気から熱を回収し、排気
が露点Ｗにまで温度低下したときに熱媒体の温度はｂ”
まで上昇している。その後、排気が露点Ｗに達すると排
気組成（排気中の水蒸気）が凝縮して凝縮熱を発生する
ので、その熱を回収してさらに熱媒体の温度はｆ”まで
上昇する。最終的に温度差Δｔ１を生じさせる熱が回収
される。

【０００８】一方、排気の露点Ｗより高い温度ｐ”でエ
ンジンに導入された熱媒体はエンジンから熱を回収して
温度がｑ”まで上昇する。続いてこの熱媒体は排気熱交
換器を通過するときに温度がｒ”まで上昇する。このと
きの熱回収によって温度差Δｔ２が生じる。

【０００９】図５と図６とを比較して理解されるよう
に、従来の排熱回収装置において比較的大流量の熱媒体
で熱回収する場合、小流量の熱媒体で熱回収する場合と
比較すると、回収温度差が小さい。導入される熱媒体の
温度が露点Ｗより低い場合は排気組成の凝縮熱による温
度上昇をある程度期待できる。しかし、排気熱交換器の
入口に至るまでにエンジンの冷却部から熱回収している
熱媒体の温度はすでに上昇している。したがって、導入
される熱媒体の温度は露点Ｗより十分に低いとはいえな
いため、排気が露点Ｗに達するのに時間がかかりすぎ、
結果的に凝縮熱を十分効率的に回収できていない。排気
の温度を早期に露点Ｗ以下に低下できれば、より多くの
凝縮熱を回収することができると考えられるが、従来、
この課題は解決されていない。

【００１０】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、排気熱交換器で発生する排
気組成の凝縮熱を有効に利用することができるエンジン
の排熱回収装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンの冷
却部およびエンジン排気を熱源とする排気熱交換器にウ
ォータポンプで熱媒体を循環させて熱回収し、該熱媒体
から熱出力を得るように構成したエンジンの排熱回収装
置において、前記エンジン用のエンジンオイルと前記熱
媒体との熱交換を行うオイル熱交換器を設け、前記熱媒
体を、前記排気熱交換器に供給して排気中の水蒸気が露
点以下になるよう熱交換により受熱させた後、前記オイ
ル熱交換器に供給し、その後、前記エンジンの冷却部に
供給して熱交換により受熱させる熱媒体循環経路を設定
した点に第１の特徴がある。

【００１２】また、本発明は、前記排気熱交換器におけ
る熱交換で、運転時間中、排気中の水蒸気が露点以下に
維持されるように、前記熱媒体の温度および／または流
量を設定した点に第２の特徴がある。

【００１３】また、本発明は、前記排気熱交換器におけ
る熱交換で、運転時間中の予定割合以上の時間、排気中
の水蒸気が露点以下になるように、前記熱媒体の温度お
よび／または流量を設定した点に第３の特徴がある。

【００１４】また、本発明は、前記熱媒体循環経路を経
た熱媒体を出力熱交換器へ供給することにより、熱出力
を取り出すよう構成した点に第４の特徴があり、前記ウ
ォータポンプが、前記排気熱交換器の入口側に配置され
た点に第５の特徴がある。

【００１５】第１〜第５の特徴によれば、排熱交換器内
に導入される熱媒体により排気の水蒸気を露点以下に温
度低下させる。したがって、熱媒体は排気が有している
熱および排気の凝縮熱を回収した後、循環経路の下流に
配されたエンジン冷却部に導かれてさらに温度上昇す
る。こうして、十分に熱回収した熱媒体が出力熱交換器
に循環させられる。

【００１６】特に、熱媒体が排気熱交換器を経由してそ
れ以外の熱交換手段に供給される経路が設定されるの
で、排気からは十分に温度が低い状態の熱媒体で熱回収
される。すなわち、排気の凝縮による潜熱を熱媒体で最
大限回収することができる。

【００１７】また、第３の特徴によれば、排熱回収運転
のあいだじゅう、排気の水蒸気が露点以下に維持され、
第４の特徴によれば、排気回収運転のうちに、水蒸気が
排気熱交換器内で露点以下になるようにした運転時間が
予定割合以上含まれる。

【００１８】さらに、第５の特徴によれば、熱媒体の温
度が低い場所にウォータポンプを配置することにより、
熱媒体はエンジンから熱回収する前にポンプ内を通過
し、高温の熱媒体とポンプの構成部品との接触が避けら
れるので、ウォータポンプのシール部材等が劣化しにく
くなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一
実施形態を詳細に説明する。図１はコジェネレーション
装置に含まれる排熱回収装置の構成を示すブロック図で
ある。排熱回収装置１はエンジン発電機のエンジン部か
ら排熱を回収するよう構成される。排熱回収装置１には
エンジン２およびエンジン２に機械的に連結された発電
機３が設けられている。発電機３はエンジン回転数に応
じた交流を発生する。エンジン２には潤滑オイルを溜め
るオイルパン４が設けられる。オイルパン４にはオイル
クーラ（オイル熱交換器）５が接続されており、オイル
熱交換器５はオイルパン４内のオイルと熱媒体（冷却
水）との熱交換を行う。エンジン２のシリンダヘッド６
にはエアフィルタ７から空気が取入れられる。エンジン
２からの排気は排気マニホルド８および排気熱交換器９
を通って外部へ排出される。

【００２０】エンジン２で発生した熱を効率よく回収す
るための熱媒体の循環経路１２が設定されている。熱媒
体を循環させるためのウォータポンプ１０が熱媒体の循
環経路１２の入口側に設けられる。このように熱媒体の
温度が低い場所に配置することにより高温の熱媒体との
接触が避けられるので、ウォータポンプ１０のシール部
材等が劣化しにくくなり、ウォータポンプ１０の長寿命
化が図られる。ウォータポンプ１０で給送された熱媒体
は、まず排気熱交換器９に給送され、続いて、オイルパ
ン４内のオイル熱交換器５、エンジン２、シリンダヘッ
ド６、サーモカバー１６を順に経て、後述の熱負荷へ循
環する。サーモカバー１６はサーモスタットを内蔵して
いて、予め設定した温度以下では閉弁して熱媒体を循環
させないようにすることができる。

【００２１】熱媒体が循環経路１２を循環することによ
ってエンジン２で発生した熱が回収されて熱負荷へ供給
される。すなわち、熱媒体は、その温度が低いうちに排
気熱交換器９に給送されてエンジン２からの排気と熱交
換して効率的に熱を得る。続いて熱媒体はオイル熱交換
器５に導入され、エンジン２から回収されたオイルと熱
交換してオイルを冷却するとともにそれから熱を得る。
排気熱交換器９およびオイル熱交換器５を順に通過する
ことによって、熱を得て温度上昇した熱媒体は、さらに
エンジン２のシリンダ壁やシリンダヘッド６に設けられ
た管路つまりウォータジャケット６Ａからなる冷却部お
よびシリンダヘッド６を通って熱回収し、その温度がさ
らに上昇させられる。

【００２２】図２は上記エンジン発電機を商用電力系統
に連系させたコジェネレーション装置の構成を示すブロ
ック図である。電力変換装置１３は発電機３から出力さ
れた交流電力を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波
数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統
の位相と同期をとって連系させる機能を有する。具体的
には、発電機３から出力された交流を直流に変換するコ
ンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用電
力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するインバ
ータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等の
機能を有している。系統連系用電力変換装置の一例は特
公平４−１０３０２号公報に開示されている。電力変換
装置１３で変換された発電機３の出力交流は商用電力系
統１４と連系して電気負荷１５に接続されている。

【００２３】発電機３の運転に伴って発生したエンジン
２の熱は、エンジン２の冷却部や排気熱交換器９等の熱
交換部（集合的に符号１１で示す）で回収される。熱交
換部１１で熱回収した熱媒体つまり冷却水は管路１８を
通って貯湯タンク１７に熱量を運搬する。貯湯タンク１
７には管路１８に接続された出力熱交換器（以下、「第
１熱交換器」という）２０が設けられ、図示しない水供
給源から貯湯タンク１７に供給された水はこの第１熱交
換器２０から熱を得て温水になる。貯湯タンク１７に蓄
えられた温水は、第１熱負荷としての給湯器２１に供給
されて利用される。

【００２４】水供給源と貯湯タンク１７との間にはバル
ブ（図示せず）が設けられ、貯湯タンク１７内の水量が
基準値以下になったときに、このバルブが開かれて給水
される。ポンプ１０はエンジン２の運転に連動して起動
する一方、エンジン２が停止すると、その時点から予定
時間（タイマによって設定される）経過後に停止するよ
うにするのがよい。

【００２５】第１熱交換器２０の上方には第２熱交換器
２２が設けられる。第２熱交換器２２に接続された管路
２３にはセントラルヒーティングシステムや床暖房シス
テム等、第２熱負荷としての暖房装置２４が接続されて
おり、貯湯タンク１７内の温水を給湯器２１に供給する
温水経路とは独立した第２の温水経路を構成している。
この第２の温水経路によって、貯湯タンク１７から２次
的に効率よく熱を回収することができる。

【００２６】第２熱交換器２２を第１熱交換器２０より
も上方の位置に配置したのは、第１熱交換器２０から熱
量を得た温度の高い水は、対流により第１熱交換器２０
よりも上方に移動しているためである。第１熱交換器２
０よりも第２熱交換器２２を上方に配置することによ
り、対流して上方に移動した高温の温水から多くの熱量
を取出すことができる。

【００２７】前記第２の温水経路には追い焚きボイラ２
５と三方弁２６とが設けられている。追い焚きボイラ２
５には第２の温水経路内で温水を循環させるためのポン
プ２７が設けられている。三方弁２６はバイパス２８側
または暖房装置２４側に温水を循環させるための切り替
え手段である。この三方弁２６を制御することによっ
て、次のような経路を形成できる。三方弁２６を暖房装
置２４側に切り替えると、貯湯タンク１７から出た温水
が追い焚きボイラ２５および暖房装置２４を経て貯湯タ
ンク１７に戻る温水経路が形成される。一方、三方弁２
６をバイパス２８側に切り替えると、貯湯タンク１７か
ら出た温水が、追い焚きボイラ２５を通過した後、暖房
装置２４を経由せず、バイパス２８を経て貯湯タンク１
７に戻る温水経路が形成される。

【００２８】前記貯湯タンク１７内には熱負荷経路の熱
媒体温度検出手段としての温度センサＴＳ１が設けら
れ、温度センサＴＳ１で検知された温水の温度情報Ｔ１
はコントローラ２９に供給される。温度センサＴＳ１は
貯湯タンク１７内の、第１熱交換器２０の上端近傍から
第２熱交換器２２の下端近傍までの適当な高さに設置さ
れることができるが、最も好ましくは、第１熱交換器２
０と第２熱交換器２２との中間位置に設置されるのがよ
い。貯湯タンク１７内では、対流により最下端付近では
温度が低くなり、最上端近傍では温度が高くなる温度勾
配を生じる傾向があるため、上記位置に温度センサＴＳ
１を設けて貯湯タンク１７内の平均的な温度を検出でき
るようにしたものである。

【００２９】コントローラ２９は温度情報Ｔ１に基づい
てエンジン２の始動および停止の制御を行う。すなわ
ち、温度情報Ｔ１は、貯湯タンク１７の温水を直接的に
利用している給湯器２１や、第２熱交換器２２を介して
間接的に温水を利用している暖房装置２４等の熱需要を
代表しているので、コントローラ２９は、この温度情報
Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以下であれば熱需要が大きいと
判断してエンジン２を駆動し、熱量を発生させる。ま
た、温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以上になれば、貯
湯タンク１７内には十分な熱量が蓄えられたと判断して
エンジン２を停止させる。

【００３０】基準温度Ｔref-1 は熱負荷の種類や大きさ
（つまり給湯器２１や暖房装置２４の種類や大きさ）、
熱交換部１１の熱出力、および貯湯タンク１７の容量等
に基づいて決定される。基準温度Ｔref-1 はエンジン２
の安定運転のため、つまり頻繁な起動・停止を回避する
ためのヒステリシスを有している。

【００３１】エンジン２は、前記温度情報Ｔ１に基づい
て駆動する場合、発電機３が一定の発電電力を出力する
ように運転してもよいし、電力負荷１５の大きさに応じ
た発電電力を出力するように、電力負荷追随型で運転し
てもよい。一定発電出力型においては、駆動源であるエ
ンジン２は、その回転数がほぼ一定となる定格運転にす
ることができるので、燃料消費量が少なくかつ排気ガス
の状態も良好な、高い効率の運転が可能である。ここ
で、大きい電力需要が生じて発電機３による発電電力に
不足が生じた場合は、商用電源１４からの電力で不足分
をまかなうことができる。

【００３２】貯湯タンク１７内の水温は温水消費量つま
り熱需要の大きさや、発電機３の運転方法つまり一定発
電出力型であるか電力負荷追随型であるかによって大き
く左右される。例えば、温水消費量が少ない場合は、温
度センサＴＳ１で検出された水温に基づいて発電機３を
運転すれば水温は８０°Ｃ程度に維持できる。しかし、
給湯器２１および暖房装置２４の双方で熱需要が発生し
た場合のように温水が急激に大量に使用された場合や、
システムの立上げ時には、貯湯タンク１７内の温水の温
度は低下し、給水される水の温度程度にしかならないこ
とがある。

【００３３】貯湯タンク１７内の水温をエンジン２から
の回収熱のみでは基準温度に維持できないときに、追い
焚きボイラ２５が有効に機能する。温水コントローラ３
０は、追い焚きボイラ２５と三方弁２６に追い焚き指令
Ｂと切替え指令Ｃを供給する。温水コントローラ３０に
は前記基準温度Ｔref-1 よりも低い下方基準温度Ｔref-
L が設定されており、貯湯タンク１７内の水温Ｔ１がこ
の下方基準温度Ｔref-L を下回った場合に追い焚き指令
Ｂおよび切替え指令Ｃをともにオンにする。追い焚き指
令Ｂがオンのときは追い焚きボイラ２５が駆動され、切
替え指令Ｃがオンのときは三方弁２６はバイパス２８側
に切り替えられる。これにより、追い焚きボイラ２５で
加熱された温水が管路２３を循環し、この温度が高めら
れた温水は第２熱交換器２２を通じて貯湯タンク１７内
の水の温度を上昇させる。

【００３４】貯湯タンク１７内の水温が下方基準温度Ｔ
ref-L を超えたならば追い焚き指令Ｂおよび切替え指令
Ｃはともにオフにし、追い焚きボイラ２５を稼働させ
ず、三方弁２６を暖房装置２４側に切り替えて暖房需要
に応えられるよう制御する。下方基準温度Ｔref-L も基
準温度Ｔref-1 と同様ヒステリシスを有する。

【００３５】三方弁２６をバイパス２８側に切り替える
ことによって温水は暖房装置２４に循環しなくなる。し
かし、給湯器２１からの給湯需要が風呂や台所用の給湯
であれば、たいていの場合長時間連続して給湯されるこ
とは少ない。また、熱負荷が暖房装置２４の場合、一旦
室内の温度が上昇した後は、熱需要の変化が比較的緩慢
であるため、室温が低くなり過ぎるということは少な
く、実用上の問題は発生しにくい。

【００３６】また、暖房装置２４の熱需要の増大に応じ
て、三方弁２６を暖房装置２４側に切り替えたまま、追
い焚きボイラ２５を駆動させることができる。これによ
り、暖房装置２４に十分な温度の温水をすみやかに供給
することができる。暖房装置２４の熱需要の増大は、例
えば、暖房装置２４の暖房設定温度に応じて判断するこ
とができる。なお、三方弁２６による切り替えにより、
すべての温水の流れを変えるのに限らず、三方弁２６の
開度を可変とし、管路２３の温水の少なくとも一部を第
２熱交換器２２に戻すようにしてもよい。

【００３７】排気熱交換器において排気の温度が排気組
成の露点Ｗ以下になるようにすれば、より効率的に凝縮
熱を回収できる。図３は、排気熱交換器９の入口ないし
シリンダヘッド６間での熱媒体の温度を示す図である。
熱媒体の温度変化は線Ｌｍ０で示し、排気の温度は線Ｌ
ｇ０で示す。排気熱交換器９は、熱媒体および排気の流
れが互いに対向する向流形式に構成されているので、排
気と熱媒体の流れの方向は互いに逆方向で示している。

【００３８】排気熱交換器９の熱媒体の出口つまり排気
の入口で温度ｇであった排気が、排気熱交換器９の熱媒
体の入口つまり排気の出口では、排気の露点Ｗ以下の温
度ｇ´に低下している。したがって、排気熱交換器９に
導入された熱媒体は直ちに排気の凝縮熱を回収して短時
間で温度ａから温度ａ´まで急激に温度上昇する。熱媒
体が急激に温度上昇するときの勾配（線分ａａ´の勾
配）は、排気熱交換器９へ導入される熱媒体の流量や温
度（温度ａ）に左右され、流量が大きいほど、また導入
される熱媒体の温度が低いほど急である。

【００３９】本実施形態では、熱媒体が排熱回収装置１
に導入されて最初にこの排気熱交換装置に導入されるの
で、熱媒体の温度が低いうちに排気熱交換器９で排気と
熱交換される。したがって、勾配ａａ’を急にするのに
好適である。

【００４０】露点Ｗ以上の排気との熱交換においては、
前記勾配ａａ´のように急激ではないが、緩やかな勾配
ａ´ｃに沿って熱媒体は徐々に加温される。温度ｃまで
温度上昇した熱媒体は、続いてオイルクーラ５で熱回収
して温度上昇し、さらにエンジン２の冷却部で熱回収し
て最終的に温度ｆで排熱回収装置から排出される。結果
的に、排気熱交換器９に導入されてエンジン２の冷却部
から排出されるまでの間に温度差Δｔ３を得ている。

【００４１】なお、上述の循環経路を採った場合、各部
での熱媒体の温度は、一例として、排気熱交換器９の入
口で７５°Ｃ、オイルパン４の入口で７８°Ｃ、同出口
では７８．５°Ｃ、ウォータジャケット６Ａ出口では８
５°Ｃであった。通常運転時において、エンジンオイル
の温度は、一例として９０°Ｃ程度に維持する必要があ
るが、この熱媒体の温度の例から見られるように、排気
熱交換器９で熱交換した後、熱媒体をオイルクーラ５に
導入した場合でも、十分にエンジンオイルの冷却効果が
維持されている。

【００４２】排気組成の凝縮熱を利用して効率的に排気
から熱回収するためには、排気熱交換器９から排出され
る排気の温度が常に露点Ｗ以下になるように熱媒体の流
量および／または温度を設定するのが好ましい。まず、
排気熱交換器９へ導入される熱媒体の温度（入口温度）
が固定ならば、熱媒体の流量が大きいときは排気からの
回収熱量が大きく、流量が小さいときは排気からの回収
熱量が小さい。したがって、熱負荷側の要求温度が決定
されたならば、その要求温度に対応する熱媒体の温度に
基づいて、排気の温度を露点Ｗ以下に維持できるような
目標流量を予め実験等によって設定する。設定された目
標流量は、ウォータポンプ１０の回転数制御により得る
ことができる。

【００４３】排気が常に露点Ｗ以下になるように目標流
量を設定すると、熱負荷側の要求温度が高い場合、その
要求を満足する熱媒体の温度が得られないことがある。
この場合は熱媒体の流量を低減させて入口温度を高く
し、凝縮熱の利用程度を小さくする。但し、この場合で
も、できるだけ効率よく熱回収するため、機器運転時間
のうちに、排気が露点Ｗ以下になるような熱媒体の流量
によって運転する時間がなるべく多く含まれていること
が好ましい。

【００４４】一方、熱媒体の流量を固定した状態で、入
口温度を制御して排気を露点Ｗ以下にすることができ
る。まず、排気を露点Ｗ以下にするための入口温度の基
準温度Ｔw を設定する。そして、入口温度がこの基準温
度Ｔw を超えて、熱回収の効率が低下するようになれば
エンジン２を停止させる。エンジン２を停止させて、入
口温度が基準温度Ｔw 以下になれば、再びエンジン２の
運転を始める。この制御により、熱媒体の入口温度は基
準温度Ｔw に維持され、高い効率で熱回収を行うことが
できる。入口温度制御のための温度センサは排気熱交換
器９の入口に配置するのが望ましいが、熱媒体の循環経
路上において、ウォータポンプ１０の上流直近や、シリ
ンダヘッド６の前後に設けることもできる。

【００４５】エンジン２の運転および停止の切替制御
は、上述の温度情報Ｔ１の基準温度Ｔref-1 の設定によ
っても行うことができる。すなわち、熱媒体の入口温度
と温度情報Ｔ１との関係を予め調査しておき、この関係
に従って基準温度ＴW に対応する基準温度Ｔref-1 を設
定する。こうして設定した基準温度Ｔref-1 に従ってエ
ンジン２の運転および停止を行うことにより、排気を露
点Ｗ以下にすることができる。

【００４６】排気が常に露点Ｗ以下になるように熱媒体
の基準温度ＴW を設定すると、熱負荷側の要求温度が高
い場合、その要求を満足する熱媒体の温度が得られない
ことがある。この場合は、熱媒体の基準温度ＴW を高め
に設定しておく。基準温度ＴW は、排気が露点Ｗ以下に
ならない時間を含みつつ、運転時間全体にわたって熱回
収効率を大きく損なうことなく熱負荷側の要求を満たす
ことができるよう予め実験等に基づいて設定する。前記
基準温度Ｔref-1 のヒステリシスを調節することによ
り、エンジン２の運転および停止のタイミングを制御す
ることによっても同様の作用を行わせることができる。

【００４７】貯湯タンク１７を有している場合には、こ
の貯湯タンク１７内の温水温度を熱負荷の要求に対応さ
せて所望の温度に維持させるのが望ましい。上述のよう
に、温度センサＴＳ１からの温度情報Ｔ１が基準温度Ｔ
ref-1 より高いときにエンジン２を停止させるようにし
ている場合は、このエンジン２の運転状況を勘案して熱
媒体の流量を決定すればよい。すなわち、基準温度Ｔre
f-1 に従ってエンジン２の運転・停止が制御されている
ときは、この運転・停止の状況からエンジン２の排熱を
経験的に割り出し、この排熱との関連で基準温度Ｔw を
超えないように熱媒体Ｗの流量を決定する。こうしてお
けば、流量を固定した状態で、エンジン２の断続運転に
対応して熱媒体の温度を基準温度Ｔw に維持することが
でき、排気温度を露点Ｗ以下にすることができる。

【００４８】熱媒体の温度を基準にして排気の温度を露
点Ｗ以下にする場合も、流量を基準にして排気の温度を
露点Ｗ以下にする場合と同様、機器運転時間中に排気の
温度が露点Ｗ以下になる運転時間をなるべく多く含むよ
う熱媒体の温度を設定することが好ましい。

【００４９】なお、熱媒体の流量および温度のいずれか
一方を固定して他方を制御するのに限らず、双方を可変
として制御してもよい。要は、熱負荷側の要求を満足さ
せつつ排気熱交換器９に導入される排気から効率的に熱
を回収できるよう排気熱交換器９に導入される熱媒体の
保有熱量を制御すればよい。

【００５０】また、排気が露点Ｗ以下になるように、熱
媒体の流量や温度を検出してこれらを基準値に制御する
のに代えて、排気の温度を直接検出し、この排気の温度
を基準値に収斂するように熱媒体の温度や流量を制御し
てもよい。この場合、排気温度センサは排気熱交換器９
の内部およびその上下流直近（排気出口近傍が好まし
い）に設置するとよい。

【００５１】上述のように、熱媒体の流量および排気熱
交換器９への導入温度を、排気熱交換器内で排気が露点
Ｗ以下になるように設定することにより、排気の凝縮熱
によって熱媒体の熱回収効率を高めることができる。最
終的に、熱媒体が回収した熱による熱媒体の温度上昇分
（温度差Δｔ３）は、図５に示した従来装置よりも大き
い。エンジン冷却部よりも先に排気熱交換器に熱媒体を
通すことによって、特に、排気熱交換器９へ導入される
熱媒体の温度が排気の露点Ｗより低い場合に効果が大き
い。

【００５２】なお、上述の例では、排気熱交換器９が向
流形式に構成されているが、並流形式でも同様に作用す
る。図４は、並流形式の排気熱交換器９の入口ないしシ
リンダヘッド６間での熱媒体の温度を示す図である。排
気熱交換器入口での熱媒体の温度が排気の露点Ｗより低
い場合の熱媒体の温度変化は線Ｌｍ１、排気の温度はそ
れぞれ線Ｌｇ１で示す。

【００５３】同図において、排気熱交換器９に導入され
た温度ａの熱媒体は温度ｇの排気から熱回収して徐々に
排気の温度を低下させる。排気の温度が露点Ｗまで低下
した時点（熱媒体は温度ｂに上昇している）で、排気組
成が凝縮して凝縮熱を発生するので、熱媒体は急勾配ｂ
ｃで温度上昇する。最終的に温度差Δｔ３´が得られて
いる。この勾配は、向流形式と同様、排気熱交換器９へ
導入される熱媒体の流量や温度（温度ａ）によって決定
され、流量が大きいほど、また導入される熱媒体の温度
が低いほど急である。熱交換器の形式としては並流形
式、向流形式の他、直交流形式と呼ばれるものやこれら
の変形についても成立しうる。

【００５４】なお、上記実施形態では、オイル熱交換器
５を用いてオイルパン４内のオイルからも熱回収するよ
うにした。これは、極寒地のように熱媒体が容易に温度
上昇しない場合に有効であり、オイルの温度を下げる効
果もあるが、使用環境等によっては必ずしもオイル熱交
換器５を設けることはない。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜請求項５の発明によれば、エンジンで発生した熱を
効率よく回収することができる。特に、熱媒体が、その
温度の最も低い状態で排気熱交換器へ導入されるので、
排気からの潜熱の回収をより最大にすることができる。
この熱回収の高効率化により、ランニングコストの低減
を図ることができる。

【００５６】また、冷間始動時には、排気熱交換器で回
収した熱をエンジンオイルに伝達することができるの
で、エンジンオイルをいち早く温度上昇させて定常運転
状態に移行できるので、エンジンオイルのフリクション
ロスを低減することができる。

【００５７】また、請求項３の発明によれば、排気中の
水蒸気を露点以下にして凝縮熱を利用するために、熱媒
体の温度および／または流量を制御する運転を部分的に
含むことができるので、熱回収の効率を高めながら熱媒
体の温度を高くすることができる。

【００５８】さらに、請求項５の発明によれば、熱媒体
を循環させるウォータポンプの寿命を長くすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の要
部構成を示すブロック図である。

【図２】 本発明の一実施形態に係る排熱回収装置を含
むコジェネレーション装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】 熱媒体および排気の温度変化を示す図であ
る。

【図４】 並流形式の排熱交換器における熱媒体および
排気の温度変化を示す図である。

【図５】 従来技術における熱媒体の温度変化を示す図
である。

【図６】 従来技術における熱媒体および排気の温度変
化を示す図である。

【符号の説明】

１…排熱回収装置、 ２…エンジン、 ３…発電機、
４…オイルパン、 ５…オイル熱交換器、 ９…排気熱
交換器、 １０…熱媒体用ポンプ、 １１…熱交換部、
１２…循環経路、 １３…電力変換装置、 １４…商
用電力系統、 １５…電気負荷、 １７…貯湯タンク、
２０…第１熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２４Ｈ 1/00 ６３１ Ｆ２４Ｈ 1/00 ６３１Ｃ ６３１Ｄ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの冷却部およびエンジン排気を
   熱源とする排気熱交換器にウォータポンプで熱媒体を循
   環させて熱回収し、該熱媒体から熱出力を得るように構
   成したエンジンの排熱回収装置において、 前記エンジン用のエンジンオイルと前記熱媒体との熱交
   換を行うオイル熱交換器を設け、 前記熱媒体を、前記排気熱交換器に供給して排気中の水
   蒸気が露点以下になるよう熱交換により受熱させた後、
   前記オイル熱交換器に供給し、その後、前記エンジンの
   冷却部に供給して熱交換により受熱させる熱媒体循環経
   路を設定したことを特徴とするエンジンの排熱回収装
   置。
2. 【請求項２】 前記排気熱交換器における熱交換で、運
   転時間中、排気中の水蒸気が露点以下に維持されるよう
   に、前記熱媒体の温度および／または流量を設定したこ
   とを特徴とする請求項１記載のエンジンの排熱回収装
   置。
3. 【請求項３】 前記排気熱交換器における熱交換で、運
   転時間中の予定割合以上の時間、排気中の水蒸気が露点
   以下になるように、前記熱媒体の温度および／または流
   量を設定したことを特徴とする請求項１記載のエンジン
   の排熱回収装置。
4. 【請求項４】 前記熱媒体循環経路を経た熱媒体を出力
   熱交換器へ供給することにより、熱出力を取り出すよう
   構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
   載のエンジンの排熱回収装置。
5. 【請求項５】 前記ウォータポンプが、前記排気熱交換
   器の入口側に配置されたことを特徴とする請求項１〜４
   のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。