JP2006233770A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系の環境温度が氷点下で運転した場合に、排気熱交換器または排気経路で発生した凝縮水が排気経路内で凍結するのを防止する。
【解決手段】 環境温度判断部３８は、排気系の環境温度が０°Ｃ以下かどうかを判断する。排気温度判断部３９は、排気温度が基準排気温度以上かどうかを判断する。水温判断部４０は、冷却水温度が基準冷却水温度以上かどうかを判断する。エンジン制御部３７は、エンジン始動時に、環境温度が０°Ｃ以下であればアイドリング運転を開始する。所定時間後、排気温度および冷却水温度のうち少なくとも一方が、それぞれの基準温度より高くなったときに、アイドリング運転を中止してエンジン回転数を定格回転数にする制御（通常運転）に移行し、発電を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コジェネレーション装置に関し、特に、熱交換によって発生した凝縮水の凍結を防止する手段を有するコジェネレーション装置に関する。

近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置等に使用される排熱回収装置では、排気熱交換器で排気が冷却されたときに凝縮水を生じる。そこで、排気が通過するマフラの底部に排水トラップを設けておき、この排水トラップに溜まった凝縮水をドレイン通路を介して放出するように構成した排熱回収装置が提案されている（例えば、特開平１１−７２０１８号公報）。
特開平１１−７２０１８号公報

コジェネレーション装置で熱回収した媒体が通常の安定した温度に上昇している状態で発生した凝縮水は排気の勢いで吹き飛ばされるので、そこで運転を停止したとしても排気経路上には凝縮水がほとんど残らない。

また、設置環境温度が氷点下の状態で運転を開始した場合に、発生した凝縮水が運転当初に排気系の経路内壁に付着し、それが凍結することがある。しかし、凍結した凝縮水は、排気経路が閉塞される前に排気によって温められて融けてしまうので、この場合にも排気系の経路上に凝縮水はほとんど残らない。

ところが、氷点下の状態で運転開始した直後になんらかの事情で運転を停止することがあると、凝縮水が排気で吹き飛ばされないで排気経路上に残ってしまうことがある。このまま氷点下の環境に放置すると、排気経路上に残っている凝縮水は凍結してしまう。そして、その後に運転を開始すると、今度はこの凍結した凝縮水の上に新たに発生した凝縮水が付着して凍結する。その結果、凍結した凝縮水が排気回路を閉塞してしまい、運転不能となることがあり得る。

本発明の目的は、上記課題に対してなされたものであり、排気経路で凍結した凝縮水で排気経路が閉塞するのを防止することができるコジェネレーション装置を提供することにある。

本発明は、エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンの排熱から熱エネルギを回収する熱交換器と、この熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する熱媒体の循環路と、前記エンジンの排気および排気中の凝縮水を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、エンジンの始動指示検出部と、前記排気経路の環境温度を感知するために、例えば排気系が収容された架構底部に配置された環境温度センサと、エンジン始動指示時に感知された環境温度が０°Ｃ以下の場合、所定時間経過するまでエンジンをアイドリング運転させるエンジン制御部とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジンの排気温度を感知する排気温度センサと、前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサとを備え、前記エンジン制御部が、前記所定時間経過後、感知された排気温度が所定の基準排気温度以上になった時点および感知された熱媒体温度が所定の基準熱媒体温度以上になった時点のうち、少なくとも一方の時点でアイドリング運転を通常の運転に移行させるように構成された点に第２の特徴がある。

また、本発明は、エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンの排熱から熱エネルギを回収する熱交換器と、この熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する熱媒体の循環路と、前記エンジンの排気および排気中の凝縮水を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、エンジンの始動指示検出部と、前記排気経路の環境温度を感知する環境温度センサと、前記エンジンの排気温度を感知する排気温度センサと備え、前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサと、エンジン始動指示時に感知された環境温度が０°Ｃ以下の場合、アイドリング運転を開始し、感知された排気温度が所定の基準排気温度以上になった時点および感知された熱媒体温度が所定の基準熱媒体温度以上になった時点のうち、少なくとも一方の時点までアイドリング運転を継続した後、通常の運転に移行させるエンジン制御部とを具備した点に第３の特徴がある。

上記特徴を有する本発明によれば、凝縮水が凍結するおそれがある０°Ｃ以下の環境下に排気経路が置かれている状況を環境温度センサで正確に感知できる。そしてこの状況では、排気温度が高く、かつ発生凝縮水量が少ないアイドリング運転を所定時間行うことで凝縮水の発生を抑えるとともに、排気経路を暖気して、すでにある凝縮水を暖めて吹き飛ばし易くなる。

第２および第３の特徴によれば、排気が基準排気温度以上になれば、排気経路内の冷え切った状態は十分解消され、凍結していた凝縮水ががあっても暖められて解凍されるため、凝縮水は排気経路から排出され易くなる。この状態で通常の運転に移行されるので、凝縮水が凍結するのを抑止することができる。また、冷却水温度が基準冷却水温度以上であれば、冷却水の温度上昇の熱源となっている排気温度も十分に高くなっていると判断されるので、排気温度を直接感知して通常運転に移行するのと同様の効果がある。

第４の特徴によれば、排気系の環境温度が０°Ｃ以下であれば、アイドリング運転開始し、排気温度および冷却水温度を監視する。そして、排気温度および冷却水温度の少なくとも一方が十分に高くなっていると判断されれば、その時点で通常運転に移行する。

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２はコジェネレーション装置に使用さ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２およびエンジン２で駆動される発電機３を備える。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にはオイルパン４内のオイルと熱媒体との熱交換を行うオイル熱交換器（オイルクーラ）５が設けられる。

排熱回収装置１の上部には、エンジン２のシリンダヘッド６に取り入れられる空気を清浄にするエアフィルタ７、並びにＥＣＵ３０、電源ユニット３１、モータドライバユニット３２等の制御機器が設けられる。ＥＣＵ３０は、エンジン２の回転数を目標値に収斂させる電子ガバナ装置を有する。ＥＣＵ３０等の制御機器はエンジン２の熱影響を受けにくくするため仕切板で下部の空間と仕切られた部屋に設置されるのが望ましい。

排熱回収装置１はエンジン２の運転に伴って発生する排熱を回収するために熱媒体つまり冷却水の循環経路１２を備える。循環経路１２は、エンジン２の排熱を効率よく回収するため、冷却水がオイル熱交換器５、排気熱交換器９、排気マニホルド８およびエンジン２のシリンダヘッド６の順に搬送されるように設定されている。

冷却水の循環経路１２には冷却水の温度を感知する水温センサ（熱媒体センサ）３３，３４が設けられる。水温センサ３３はシリンダヘッド６に設けられ、水温センサ３４は、水温センサ３３の設置位置より下流、例えば外部熱負荷へ給湯するための排熱回収装置１の出口近くに設けられる。２個所に水温センサ３３，３４を設けるのは、循環経路１２内の冷却水の有無や不足を検出するためである（特開２００３−２１３９３号公報参照）。したがって、他の手段によって冷却水の有無等を検出する場合は、水温センサ３３，３４のいずれか一方は省略することができる。また、水温センサの設定位置はこれらの位置に限定されない。

排熱回収装置１には、庫内温度を感知する庫内温度センサ３５が設けられる。排熱回収装置１では、電動ファンを用いて外部から架構内つまり庫内に空気を導入し、かつ内部の冷却ファンとホースとで空気を上方に案内して天井付近のダクトから外部に排出する換気システムを採用する。したがって、庫内底部は低温になりやすい。そこで、排熱回収装置１の庫内で最も低温になると予想される庫内底部にあって、排気熱交換器９の排気出口近くに庫内温度センサ３５を設定すれば、排気系の環境温度を感知して排気系での凍結判断をするための条件データを得るのに好都合である。

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。この配置により、ウォータポンプ１０と高温の熱媒体との接触が避けられるので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オイル熱交換器５、排気熱交換器９、排気マニホルド８、およびエンジン２のシリンダヘッド６を順に循環し、エンジン２の排熱を回収する。すなわち、熱媒体はオイルパン４内のオイル熱交換器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。続いて熱媒体は排気熱交換器９でエンジン２からの排気と熱交換して熱を得る。オイル熱交換器５および排気熱交換器９で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。

排熱を回収して温度上昇した熱媒体は、ボイラユニット等、外部の熱負荷へ循環して利用される。排熱回収装置１にはサーモスタットを内蔵するサーモカバー１６が設けられており、サーモスタットの作用により、予め設定した温度以下ではサーモカバー１６が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。

一方、エンジン２からの排気は、排気マニホルド８、排気熱交換器９、および複数の排気マフラを通って外部へ排出される。

図３は、排気系の構成を示す斜視図である。排気系には、複数の排気マフラ２３，２５，２７が設けられる。排気熱回収装置１の下部に配置される排気熱交換器９の底部から引き出された第１排気ホース１７は、排気パイプ１８を介して排気温度センサホース１９に接続される。排気温度センサホース１９は排気温度センサパイプ２０を介して第２排気ホース２１に接続される。排気温度センサパイプ２０には、排気温度センサ２２が取り付けられる。ほぼ真上に延長される第２排気ホース２１の上端は第１排気マフラ２３の上部に接続される。

第１排気マフラ２３の下部には、第３排気ホース２４の上端が接続される。第３排気ホース２４の下端は、第２排気マフラ２５に接続される。第２排気マフラ２５の下部には第４排気ホース２６の下端が接続される。第４排気ホース２６は上方に延長され、その上端は排熱回収装置１の上部に位置する第３排気マフラ２７の上部に接続される。第３排気マフラ２７の上部には排気口を有するダクト２７４が付属される。第３排気マフラ２７の下面にはドレーンホース２８およびドレーンパイプ２９からなるドレーン通路が接続される。

排気熱交換器９のシェルつまりハウジングはステンレス鋼等の金属材料で形成されるが、第１および第２排気マフラ２３，２５や第３排気マフラ２７は温度が低下した排気の通路を構成するのでそれぞれ樹脂材料（例えば、ポリプロピレン）のブロー成形品で形成されるのがよい。

図３に矢印で示す排気の流れを説明する。エンジン２の排気は、上方から排気熱交換器９に導入される。排気熱交換器９では、内部に配管された前記循環路１２の排気熱交換器部分を搬送される冷却水と熱交換される。排気熱交換器９内で冷却された排気は第１排気ホース１７、排気パイプ１８、排気温度センサホース１９、排気温度センサパイプ２０、および第２排気ホース２１を経て第１排気マフラ２３に導入されて第１段階の消音がなされる。

第１排気マフラ２３から排出された排気は第２排気マフラ２５に導入されて第２段階に消音される。第２排気マフラ２５から排出された排気はさらに上方に案内されて第３排気マフラ２７に至り、第３排気マフラ２７で３段階に消音され、排気はダクト２７４から外部に放出される。

エンジン２の排気は上述の各熱交換部で熱交換により熱を奪われて冷却する。このときに排気中の水分が凝縮して凝縮水を発生する。排気系で発生した凝縮水は排気の流れに従って第３排気マフラ２７まで搬送され、ドレーンホース２８およびドレーンパイプ２９を通って外部に排出される。

ところで、この凝縮水は試運転等、短時間の運転後は排気系に溜まったままとなることがあり、排気系の環境温度が０°Ｃになった時にこれが凍結するおそれがある。凍結した凝縮水の上に、さらに運転再開によって発生した凝縮水が付着すると凍結範囲が拡大することがあり、排気系に設けられる複数のマフラ間、並びにマフラおよび排気熱交換器９間をつなぐホースの接続部を閉塞することも考えられる。そこで、本実施形態では、この凍結を防止する策を以下のように講じている。

図１は、本発明の一実施形態に係るＥＣＵの要部機能を示すブロック図である。図１において、庫内温度センサ３５は上述のように排気熱交換器９の近傍に設置されて排気系の環境温度を感知する。水温センサ３４は最下流の熱交換部（エンジンのシリンダヘッド６）より下流で冷却水の温度を検出する。排気温度センサ２２は上述のように排気熱交換器９および第１排気マフラ２３間の排気系に設けられて排気温度を検出する。エンジン始動指示検出部３６は、コントロールパネルから運転開始の指示が入力されたときにエンジン始動指令ＳＴＡＲＴをエンジン制御部３７に入力する。

環境温度判断部３８は、庫内温度センサ３５で感知された排気系の環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下かどうかを判断する。環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下であれば、環境低温信号ＡＬをハイレベル（Ｈ）にする。

排気温度判断部３９は、排気温度センサ２２で感知された排気温度Ｔ２が基準排気温度ＴＧｒｅｆ以上かどうかを判断する。基準排気温度ＴＧｒｅｆは暖機完了の第１条件として設定した排気温度の基準値である。基準排気温度ＴＧｒｅｆは、一例として６０°Ｃである。排気温度Ｔ２が基準排気温度ＴＧｒｅｆ以上であれば、排気暖信号ＥＸをハイレベル（Ｈ）にする。

水温判断部４０は、水温センサ３４で感知された冷却水温度Ｔ３が基準冷却水温度ＴＷｒｅｆ以上かどうかを判断する。基準冷却水温度ＴＷｒｅｆは暖機完了の第２条件として設定した冷却水温度の基準値である。基準冷却水温度ＴＷｒｅｆは、一例として３０°Ｃである。冷却水温度Ｔ３が基準冷却水温度ＴＷｒｅｆ以上であれば、冷却水暖信号ＣＬをハイレベル（Ｈ）にする。

エンジン制御部３７は、エンジン始動指令ＳＴＡＲＴが入力されたときに、環境低温信号ＡＬを読み込み、環境低信号ＡＬがハイレベルであれば、エンジン２を通常運転するのではなく所定時間、アイドリング運転を行う。つまり、回転数制御のための目標値をアイドリング運転時の値にしてエンジンの速度制御（電子ガバナ制御）を行う。アイドリング運転では、燃料（ガス）消費量が少ないために、発生する凝縮水量が少ない。しかも、燃焼温度は高いので、排気経路内に残留して凍結した凝縮水を解凍して吹き飛ばし易くすることができ、凍結防止効果がある。アイドリング運転を所定時間後、直ちにエンジン回転数を定格回転数に制御するための通常の運転に移行してもよいが、さらに凍結防止の効果を確実なものにするため、排気温度と冷却水温度を判断基準として追加するのが好ましい。

つまり、前記所定時間のアイドリング運転後、排気暖信号ＥＸおよび冷却水低温信号ＣＬを読み込み、これらの双方がローレベルであればアイドリング運転を維持する。排気暖信号ＥＸおよび冷却水暖信号ＣＬの少なくとも一方がハイレベルであるときは、アイドリング運転を中止してエンジン回転数を定格回転数にする制御に移行し、発電を行う。

環境温度信号ＡＬがローレベル、つまり０°Ｃ以下でないときは、エンジン始動指令ＳＴＡＲＴが入力されたときの排気暖信号ＥＸおよび冷却水暖信号ＣＬのレベル如何によらず通常の運転を開始する。

このように、本実施形態では、排気系が凍結するおそれがあることを排気系の環境温度で判断して、通常の運転に移行する時期を決定している。なお、エンジン制御部３７は、排気温度Ｔ２および冷却水温度Ｔ３を判断基準にするのではなく、少なくとも一方によって判断してもよいし、双方が基準温度以下の間はアイドリング運転を持続するようにしてもよい。

図４は、図１の機能に対応する処理のフローチャートである。ステップＳ１では、エンジン始動指令ＳＴＡＲＴの有無を判断する。エンジン始動指令ＳＴＡＲＴがあれば、ステップＳ２で排気系の環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下か否かを判断する。環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下でない場合は、排気経路内で凝縮水が凍結するおそれがないので、ステップＳ７に進んで、エンジン回転数目標値を通常運転用の値に設定してエンジン２を通常の運転として、発電を開始する。

環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下の場合は、排気経路内の凝縮水が凍結するおそれがある。そこで、環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下の場合は、直ちに通常運転は開始しないで、ステップＳ３に進んでアイドリング運転を行う。つまりアイドリング運転用のエンジン回転数目標値を設定してエンジン回転を制御する。ステップＳ４では、アイドリング運転時間が予め設定したアイドリング時間を経過したか否かを判断する。アイドリング時間が経過したならば、ステップＳ５に進んで排気温度Ｔ３が基準排気温度ＴＧｒｅｆ以上か否かを判断する。排気温度ＴＧｒｅｆが基準排気温度ＴＧｒｅｆ以上であれば、ステップＳ７に進み、アイドリング運転を停止して通常の運転を開始する。排気温度Ｔ２が基準排気温度ＴＧｒｅｆ以上でなければ、ステップＳ６に進んで、冷却水温度ＴＷｒｅｆが基準冷却水温度ＴＷｅｆ以上か否かを判断する。冷却水温度Ｔ３が基準冷却水温度ＴＷｒｅｆ以上であれば、ステップＳ７に進み、アイドリング運転を停止して通常の運転を開始する。

なお、本実施形態では、排気系の環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下の場合にアイドリング運転を所定時間行うようにしたが、環境温度が０°Ｃ以下であった場合、アイドリング運転を開始し、所定時間の経過を待たずに直ちに排気温度および冷却水温度の少なくとも一方が基準温度より高いかどうかによって通常運転に移行するかを判断してもよく、こうすれば余分なアイドリングを行う必要がなくなる。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る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。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置のエンジン排気系の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…排熱回収装置、 ２…エンジン、 ３…発電機、 ５…オイル熱交換器、 ６…シリンダヘッド、 ８…排気マニホルド、 ９…排気熱交換器、 １２…循環経路、 １９、２１，２４，２６…排気ホース、 ２２…排気温度センサ、 ２３…第１排気マフラ、 ２５…第２排気マフラ、 ２７…第３排気マフラ、 ３０…ＥＣＵ、 ３４…水温センサ、 ３５…庫内温度センサ、 ３７…エンジン制御部、 ３８…環境温度判断部、 ３９…排気温度判断部、 ４０…水温判断部

Claims (4)

1. エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンの排熱から熱エネルギを回収する熱交換器と、この熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する熱媒体の循環路と、前記エンジンの排気および排気中の凝縮水を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、
   エンジンの始動指示検出部と、
   前記排気経路の環境温度を感知する環境温度センサと、
   エンジン始動指示時に感知された環境温度が、０°Ｃ以下の場合、所定時間経過するまでエンジンをアイドリング運転させるエンジン制御部とを具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記エンジンの排気温度を感知する排気温度センサと、
   前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサとを備え、
   前記エンジン制御部が、前記所定時間経過後、感知された排気温度が所定の基準排気温度以上になった時点および感知された熱媒体温度が所定の基準熱媒体温度以上になった時点のうち、少なくとも一方の時点でアイドリング運転を通常の運転に移行させるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
3. エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンの排熱から熱エネルギを回収する熱交換器と、この熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する熱媒体の循環路と、前記エンジンの排気および排気中の凝縮水を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、
   エンジンの始動指示検出部と、
   前記排気経路の環境温度を感知する環境温度センサと、
   前記エンジンの排気温度を感知する排気温度センサと、
   前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサと、
   エンジン始動指示時に感知された環境温度が、０°Ｃ以下の場合、アイドリング運転を開始し、感知された排気温度が所定の基準排気温度以上になった時点および感知された熱媒体温度が所定の基準熱媒体温度以上になった時点のうち、少なくとも一方の時点までアイドリング運転を継続した後、通常の運転に移行させるエンジン制御部とを具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
4. 前記環境温度センサが、排気系が収容されている架構の底部に設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコジェネレーション装置。

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