JP2011007177A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの耐久性や性能に悪影響を与えることなく、排ガスの潜熱をも回収可能として排熱回収効率を高める。
【解決手段】エンジン１を冷却させるエンジン冷却部１２と排熱回収熱交換器１３との間でエンジン冷却水Ｂを循環させるエンジン冷却回路１４を備え、排熱回収回路４には、排熱回収媒体Ａの通流方向の上流側から順に、エンジン１の排ガスＣと排熱回収媒体Ａとを熱交換させる排ガス熱交換器１９、エンジン冷却部１２を通過したエンジン冷却水Ｂと排ガス熱交換器１９を通過した排熱回収媒体Ａとを熱交換させる排熱回収熱交換器１３が備えられ、排ガス熱交換器１９に導入させる排熱回収媒体Ａの温度がエンジン１の排ガスＣの露点以下に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排熱を回収する排熱回収媒体を通流させる排熱回収回路を備えたエンジンの排熱回収装置に関する。

従来のエンジンの排熱回収装置では、例えば、コージェネレーション装置にて動力源に用いられているエンジンからその排熱を回収するために、エンジン冷却回路のエンジン冷却水と排熱回収媒体との間で直接熱交換させる排熱回収熱交換器が排熱回収回路に備えられている。エンジン冷却回路には、エンジン冷却水とエンジンの排ガスとの間で熱交換させる排ガス熱交換器と、排ガス熱交換器を通過したエンジン冷却水にてエンジンを冷却させるエンジン冷却部とが備えられ、排ガス熱交換器及びエンジン冷却部にてエンジンの排熱をエンジン冷却水にて回収し、その回収した排熱を有するエンジン冷却水と貯湯タンクの湯水等の排熱回収媒体を排熱回収熱交換器にて熱交換させることにより、エンジンの排熱を排熱回収媒体にて直接回収している（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１に記載の装置では、排ガス熱交換器に導入されるエンジン冷却水の温度を、熱交換されるエンジンの排ガスの露点よりも低温になるようにすることで、排ガスの潜熱を回収し、排熱回収効率を高めている。

特許第３７６７７８５号公報

上記特許文献１に記載の装置では、排ガスの潜熱をも回収するために、排ガス熱交換器に導入されるエンジン冷却水の温度を低く設定しているので、排ガス熱交換器を通過してエンジン冷却部に導入されるエンジン冷却水の温度も低くなる。説明を加えると、例えば、回収した排熱を給湯や暖房に用いるためには、エンジン出口のエンジン冷却水温度は高温（例えば８０℃程度）な方が好ましい。よって、上記特許文献１に記載の装置では、エンジン冷却水について、排ガス熱交換器への入口温度を排ガスの露点よりも低くすることが求められるととともに、エンジン出口の温度を高温にすることが求められる。しかしながら、排ガス熱交換器及びエンジン冷却部にてエンジン冷却水が回収可能な熱量には限度があることから、双方の要求を満たすためには、エンジン冷却水の循環流量を少なくして、排ガス熱交換器への入口とエンジン出口とでエンジン冷却水の温度差を大きくするしかない。その結果、エンジン入口とエンジン出口とでエンジン冷却水の温度差が大きくなるので、エンジン入口でのエンジン冷却水温度が低下することになり、エンジン冷却部に導入されるエンジン冷却水の温度が低温となる。
このように、エンジン冷却部に導入されるエンジン冷却水が低温化すると、燃焼室からクランクケース内に混入する燃焼ガス中の水分が凝縮しやすくなる。凝縮した水分がエンジンオイルと混合し攪拌されると、エンジンオイルが乳化しマヨネーズ状のスラッジとなり、潤滑性能が著しく劣化し、エンジンの耐久性に問題が生じる。また、エンジンの燃焼室内とエンジン冷却部の間の温度勾配が高くなり、材料への熱応力が大きくなり、耐久性に問題が生じる。また、エンジン冷却水をエンジンのオイルクーラに導入させた後、排ガス熱交換器に導入するものでは、オイルクーラに導入されるエンジン冷却水が低温になるので、オイル温度が低下することからオイルの粘度が高まり、潤滑性能の悪化、エンジンの効率の低下につながる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エンジンの耐久性や性能に悪影響を与えることなく、排ガスの潜熱をも回収可能として排熱回収効率を高めることができるエンジンの排熱回収装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るエンジンの排熱回収装置の特徴構成は、エンジンの排熱を回収する排熱回収媒体を通流させる排熱回収回路を備えたエンジンの排熱回収装置において、
前記エンジンを冷却させるエンジン冷却部と排熱回収熱交換器との間でエンジン冷却水を循環させるエンジン冷却回路を備え、前記排熱回収回路には、前記排熱回収媒体の通流方向の上流側から順に、前記エンジンの排ガスと前記排熱回収媒体とを熱交換させる排ガス熱交換器、前記エンジン冷却部を通過したエンジン冷却水と前記排ガス熱交換器を通過した排熱回収媒体とを熱交換させる前記排熱回収熱交換器が備えられ、前記排ガス熱交換器に導入させる排熱回収媒体の温度が前記エンジンの排ガスの露点以下に設定されている点にある。

本特徴構成によれば、排熱回収回路では、排熱回収媒体が排ガス熱交換器に導入されて排ガスにて加熱され、排ガス熱交換器を通過した排熱回収媒体が排熱回収熱交換器に導入されてエンジン冷却水にて加熱されることになり、排ガス熱交換器及び排熱回収熱交換器にてエンジンの排熱を回収する。そして、排ガス熱交換器に導入させる排熱回収媒体の温度を排ガスの露点以下としているので、排ガス熱交換器において排ガスの潜熱をも回収することができる。また、エンジン冷却回路では、エンジン出口のエンジン冷却水温度を高温にすることで、排熱回収熱交換器への入口温度を排熱回収熱交換器に導入される排熱回収媒体を加熱可能な高温とすることができる。よって、本発明では、エンジン冷却水についてエンジン出口のエンジン冷却水温度を高温にすることが求められるだけであるので、上記特許文献１の如く、エンジン冷却水の循環流量を少なくする必要がないので、エンジン入口とエンジン出口とでエンジン冷却水の温度差が大きくならず、エンジン入口でのエンジン冷却水温度が低下するのを防止できる。そして、エンジン出口のエンジン冷却水温度を高温にすることにより、例えば、回収した排熱を給湯や暖房に用いるときにも好適なものとすることができる。以上のことから、エンジン冷却部に導入されるエンジン冷却水の過度の温度低下を防止してエンジンの耐久性や性能に悪影響を与えることなく、エンジンの排熱として排ガスの潜熱をも回収して排熱回収効率を高めることができるエンジンの排熱回収装置を実現できる。

本発明に係るエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、前記エンジンにて駆動される発電装置と、前記発電装置の発電電力を電力負荷に供給自在で、且つ、前記発電装置の発電電力の前記電力負荷に対する余剰分である余剰電力を熱に変換自在な電気ヒータに供給自在な電力供給手段とを備え、前記電気ヒータは、前記排熱回収回路において前記排熱回収熱交換器を通過した前記排熱回収媒体を加熱自在に配置されている点にある。

本特徴構成によれば、余剰電力が発生すると、電気ヒータによりその余剰電力を熱に変換し、その変換した熱により排熱回収媒体を加熱することができる。よって、エンジンの排熱に加えて、余剰電力を熱として回収することができ、熱の回収効率を向上させることができる。しかも、電気ヒータは、排熱回収回路において排熱回収熱交換器を通過した排熱回収媒体を加熱するので、電気ヒータにて発生した熱を直接排熱回収媒体に与えることができ、電気ヒータにて発生した熱を効率よく排熱回収媒体に与えることができる。

本発明に係るエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、前記エンジンは、燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率がストイキ範囲内に設定され、前記排ガス熱交換器に三元触媒が配置されている又は前記エンジンの排ガスの通流方向において前記排ガス熱交換器よりも上流側に三元触媒が配置されている点にある。

本特徴構成によれば、混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定してエンジンをストイキ燃焼させているので、排ガス熱交換器に配置された又は排ガス熱交換器よりも上流側に配置された三元触媒により炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の３物質を同時に除去することができる。これにより、排ガス熱交換器において炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の３物質が除去された排ガスを凝縮させて排ガスの潜熱をも回収しても、排ガスを凝縮させた凝縮水に腐食等の問題が生じることがなく、有用なものとなる。

本発明のエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、
前記排熱回収回路に、前記排ガス熱交換器と前記排熱回収熱交換器との間に上流端を有すると共に前記排熱回収熱交換器の下流側に下流端を有する状態で前記排熱回収熱交換器をバイパスするバイパス路を備え、
前記排熱回収回路を通流する前記排熱回収媒体の流量を、前記排熱回収熱交換器と前記バイパス路との何れか一方又は両方に分配して導く流量分配手段が備えられている点にある。

これまで説明してきたように、本発明では、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体が、排ガス熱交換器にて排ガスの排熱を回収すると共に、排熱回収熱交換器にてエンジン冷却水の排熱を回収して、排熱回収効率を向上させている。
そして、エンジン冷却水は、エンジン冷却回路を循環しているときで、その温度が排熱回収熱交換器に導入される排熱回収媒体の温度よりも高い場合に、排熱回収熱交換器にて熱を排熱回収媒体に回収すると共にエンジン冷却部にてエンジンの排熱を回収する形態で、エンジンを冷却している。
ここで、エンジンが低温で暖機運転を行うときで、エンジンの暖機時間を短縮したい場合、エンジン冷却水が、エンジン冷却部からエンジン排熱を回収することを抑制する必要がある。一方、排熱回収効率の低下を抑制するためには、当該暖機運転時においても、排ガスの排熱を、適切に回収することが望まれる。
上記特徴構成によれば、エンジンが低温で暖機運転が行われ、エンジンの暖機時間を短縮させたい場合には、流量分配手段が、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体のうち、排熱回収熱交換器へ分配して導かれる排熱回収媒体の流量を減少させることで、排熱回収熱交換器にて回収されるエンジン冷却水の熱量を、排熱回収媒体の流量の減少量だけ低減できる。これにより、排熱回収熱交換器にて回収が抑制されたエンジン冷却水の熱量分が、エンジンの暖機に用いられることとなり、エンジンの暖機を優先させて、その暖機時間を短縮することができる。
更に、上述の如く、流量分配手段が、排熱回収媒体の流量を、排熱回収熱交換器の側とバイパス路の側とで分配しても、排ガス熱交換器を通流する排熱回収媒体の流量は変化しないので、排ガスの排熱は、排ガス熱交換器にて排熱回収媒体により適切に回収することができる。
以上より、エンジンの暖機運転時において、その暖機時間を短縮させながらも、排ガスの排熱を適切に回収して、排熱回収効率の低下を抑制できるエンジンの排熱回収装置を実現できる。

本発明のエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、
前記流量分配手段は、三方弁であり、
前記三方弁は、前記排熱回収回路を通流する前記排熱回収媒体の通流状態を、前記排熱回収熱交換器へ導入させる第１通流状態と、前記排熱回収媒体を前記バイパス路に通流させる第２通流状態とに切り替え可能に構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、三方弁を設けるという比較的簡易な構成により、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体を、排熱回収熱交換器へ導入させる第１通流状態と、バイパス路を通流させる第２通流状態との切り替えを実現できる。
これにより、例えば、エンジンが低温で暖機運転状態であるときで、エンジンの暖機を優先させて、エンジンの暖機時間を短縮したい場合、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体がバイパス路を通流する第２通流状態となるように、三方弁の開閉状態を切り替えて、排熱回収熱交換器によるエンジン冷却水の熱量が回収されない状態とする。これにより、エンジン冷却水の熱量が、排熱回収熱交換器にて、回収されることを防止できる。この結果、排熱回収熱交換器にて回収が防止されたエンジン冷却水の熱量分が、エンジンの暖機に用いられることとなり、エンジンの暖機を優先して、その暖機時間を短縮できる。
一方、このように、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体の通流状態を、バイパス路を通流する第２通流状態にした場合であっても、排ガス熱交換器に導入される排熱回収媒体の流量は変動しないので、排ガスの排熱は排ガス熱交換器にて排熱回収媒体により適切に回収して、排熱回収効率の低下を抑制できる。
尚、エンジンが暖機運転状態以外の定常運転状態等であるときは、エンジンの排熱を適切に回収すべく、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体が、排熱回収熱交換器を通流する第１通流状態となるように、三方弁の開閉状態を切り替えて、排熱回収熱交換器にてエンジン冷却水の排熱を排熱回収媒体により適切に回収できる。

本発明のエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、
エンジンオイルの温度、前記エンジン冷却回路の前記エンジン冷却部と前記排熱回収熱交換器との間の前記エンジン冷却水の温度、及び前記排ガス熱交換器にて前記排ガスと熱交換した後の前記排熱回収媒体の温度のうち、少なくとも１つを測定する温度測定手段と、前記温度測定手段の測定温度に基づいて、前記エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
前記運転状態判定手段が前記エンジンの運転状態が暖機運転状態であると判定したときに、前記排熱回収媒体の通流状態を前記第２通流状態とするように、前記三方弁の開閉状態を切り替える切替制御手段とを備えた点にある。

エンジンオイルの温度、エンジン冷却回路のエンジン冷却部と排熱回収熱交換器との間のエンジン冷却水の温度、及び排ガス熱交換器にて排ガスと熱交換した後の排熱回収媒体の温度は、エンジンの運転状態に伴って変化する。具体的には、エンジンが暖機運転状態にあるときは、それらの温度は比較的低温であり、エンジンが暖機運転状態以外の定常運転状態等にあるときは、それらの温度は比較的高温である。
即ち、上記特徴構成によれば、運転状態判定手段は、上記エンジンオイルの温度、上記エンジン冷却水の温度、及び上記排熱回収媒体の温度を測定する温度測定手段の測定温度に基づいて、エンジンの運転状態が暖機運転状態であるか否かを判定できる。そして、運転状態判定手段が、エンジンの運転状態が暖機運転状態であると判定したときに、切替制御手段が、三方弁の開閉状態を制御して、排熱回収媒体の通流状態を第２通流状態に切り替える。これにより、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体の通流状態を、エンジンの運転状態に伴わせた状態で適切に切り替えることができ、特に、エンジンが暖機運転状態であるときには、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体をバイパス路に通流する第２通流状態として、エンジンの暖機を優先させ、暖機時間を短縮させることができる。

本発明のエンジンの排熱回収装置の更なる特徴構成は、
前記三方弁が、前記排熱回収媒体の温度を感知して開閉状態を切り替える感温式の三方弁を備え、前記感温式の三方弁は、前記排ガス熱交換器にて前記排ガスと熱交換した後の前記排熱回収媒体の温度が、所定値より高い場合に前記第１通流状態とし、所定値以下の場合に前記第２通流状態とする点にある。

上記特徴構成によれば、感温式の三方弁が、上述の排ガス熱交換器にて排ガスと熱交換した後の排熱回収媒体の温度を直接感知する形態で、排熱回収回路を通流する排熱回収媒体の通流状態を、第１通流状態と第２通流状態とに切り替えるので、その切り替えを、エンジンの運転状態に追従した状態で、他から電気的な制御を加える必要なく、自立的に実行できる。

本発明の第１実施形態を示すコージェネレーションシステムの概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態を示すコージェネレーションシステムの概略構成を示す図である。

本発明に係るエンジンの排熱回収装置を適応させたコージェネレーションシステムの第１実施形態について図面に基づいて説明する。
このコージェネレーションシステムは、図１に示すように、エンジン１にて駆動されて電力負荷３に供給する電力を発生させる発電装置２と、エンジン１の排熱を回収する排熱回収媒体Ａを通流させる排熱回収回路４とを備え、排熱回収回路４の排熱回収媒体Ａにて回収した熱を熱負荷５に供給自在に構成されている。

発電装置２の出力側には、系統連系用のインバータ６が設けられ、そのインバータ６は、発電装置２の出力電力を商用系統７から供給される電力と同じ電圧および同じ周波数にするように構成されている。商用系統７は、電力供給ライン８を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機等の電力負荷３に電気的に接続されている。

インバータ６は、コージェネ用電力供給ライン９を介して電力供給ライン８に電気的に接続され、発電装置２からの発電電力がインバータ６及びコージェネ用電力供給ライン９を介して電力負荷３に供給自在に構成されている。電力供給ライン８には、図示は省略するが、電力負荷３の負荷電力を計測する電力負荷計測手段が設けられ、この電力負荷計測手段は、電力供給ライン８を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。そして、逆潮流が生じないように、インバータ６により発電装置２から電力供給ライン８に供給される電力が制御され、発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に変換自在な電気ヒータ１０に供給されるように構成されている。これにより、電力供給手段は、インバータ６及びコージェネ用電力供給ライン９から構成されている。

電気ヒータ１０は、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａを加熱自在に設けられている。電気ヒータ１０は、余剰電力の大きさが大きくなるほど消費電力を大きくして排熱回収媒体Ａの加熱量が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて排熱回収媒体Ａの加熱量を調整自在に構成されている。

エンジン１の運転は、制御装置１１により制御されている。エンジン１は、通常の４サイクルエンジンと同様の構成を有しており、燃料ガス（例えば天然ガス）と空気の混合気を燃焼室に吸気したのち、燃焼室において混合気を圧縮し、その後、燃焼室において混合気を点火して燃焼膨張させ、燃焼により発生した排ガスＣを排気路２２に排気させる。図示は省略するが、エンジン１の排気路２２には、排ガスＣの酸素濃度を検出する酸素センサが設けられている。そして、制御装置１１は、酸素センサで検出される排ガスＣの酸素濃度が略ゼロとなるように燃料ガスの供給量を調整している。これにより、エンジン１は、燃焼室に供給される混合気の空気過剰率を略１．０程度のストイキ範囲内に設定されている。ここで、空気過剰率は、混合気の空燃比を理論空燃比で割ったものを示している。

エンジン１を冷却させるためのエンジン冷却水Ｂを循環させる回路として、エンジン冷却部１２と排熱回収熱交換器１３との間でエンジン冷却水Ｂを循環させるエンジン冷却回路１４が備えられている。エンジン冷却部１２は、例えば、シリンダヘッドやシリンダブロック等にエンジン冷却水Ｂを通流させることによりエンジン１を冷却させるように構成されている。エンジン冷却回路１４には、エンジン冷却水Ｂの通流方向の上流側から順に、エンジン冷却部１２、排熱回収熱交換器１３、エンジン冷却水Ｂを貯留自在な膨張タンク１５、エンジン冷却水循環ポンプ１６が備えられている。

排熱回収回路４は、貯湯タンク１７の湯水を排熱回収媒体Ａとし、貯湯タンク１７から取り出した排熱回収媒体Ａを通流させてエンジン１の排熱を回収し、その排熱を有する排熱回収媒体Ａを貯湯タンク１７に戻すように構成されている。そして、排熱回収回路４には、排熱回収媒体Ａの通流方向の上流側から順に、排熱回収媒体循環ポンプ１８、エンジン１の排ガスＣと排熱回収媒体Ａとを熱交換させる排ガス熱交換器１９、エンジン冷却水Ｂと排熱回収媒体Ａとを熱交換させる排熱回収熱交換器１３、電気ヒータ１０が備えられている。

排ガス熱交換器１９は、エンジン１から排気路２２に排気された排ガスＣと貯湯タンク１７から取り出した排熱回収媒体Ａとを熱交換させている。そして、排ガス熱交換器１９は、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持してなる三元触媒２３が一体的に配置された触媒一体型の熱交換器にて構成されている。そして、上述の如く、エンジン１は、燃焼室に供給される混合気の空気過剰率を略１．０程度のストイキ範囲内に設定されていることから、排ガス熱交換器１９に一体的に配置された三元触媒２３により排ガスＣから炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の３物質を同時に除去することができる。

排熱回収回路４は、排熱回収媒体Ａを排ガス熱交換器１９においてエンジン１の排ガスＣにて加熱したのち、排熱回収熱交換器１３においてエンジン冷却部１２を通過したエンジン冷却水Ｂにて更に加熱して排熱回収媒体Ａの温度を所望温度（例えば７５℃）まで昇温させ、その所望温度の排熱回収媒体Ａを貯湯タンク１７の上部に戻すように構成されている。また、排熱回収回路４では、排熱回収熱交換器１３を通過した排熱回収媒体Ａを電気ヒータ１０にて加熱自在としており、エンジン１の排熱に加えて、余剰電力が変換された熱によっても排熱回収媒体Ａを加熱自在に構成されている。貯湯タンク１７は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯するように構成されており、排熱回収回路４は、エンジン１の排熱にて加熱して所望温度まで昇温させた排熱回収媒体Ａを貯湯タンク１７に貯湯するように構成されている。

貯湯タンク１７には、貯湯タンク１７に給水する給水路２０、貯湯タンク１７に貯湯されている高温の排熱回収媒体Ａを床暖房装置や浴室暖房装置等の熱負荷５に供給する熱負荷供給路２１が設けられている。これにより、回収したエンジン１の排熱を有する排熱回収媒体Ａを熱負荷供給路２１にて熱負荷５に供給自在に構成されている。

制御装置１１は、所定のコンピュータプログラムを実行することによりエンジン１の運転等を制御するように構成されている。例えば、電力負荷３での要求電力量及び熱負荷５での要求熱量について、制御装置１１は、過去の要求電力量及び過去の要求熱量に基づいて、将来の要求電力量及び要求熱量を予測自在に構成されている。そして、制御装置１１は、電力負荷３での要求電力量又は熱負荷５での要求熱量を賄うために、予測した将来の要求電力量又は要求熱量に応じてエンジン１の運転を制御するように構成されている。制御装置１１は、エンジン１を運転させるときに、エンジン冷却水循環ポンプ１６及び排熱回収媒体循環ポンプ１８を作動させて、エンジン１の排熱を排熱回収媒体Ａにて回収するように構成されている。

排熱回収媒体循環ポンプ１８の作動により排熱回収回路４では、貯湯タンク１７の底部から取り出した排熱回収媒体Ａが通流される。排熱回収媒体Ａが、排ガス熱交換器１９、排熱回収熱交換器１３、電気ヒータ１０の順に通過され、電気ヒータ１０を通過した排熱回収媒体Ａが貯湯タンク１７の上部に戻される。排ガス熱交換器１９には、排気路２２を通流する排ガスＣが導入されており、排ガスＣにて排熱回収媒体Ａが加熱される。貯湯タンク１７は、温度成層を形成する状態で排熱回収媒体Ａを貯湯するので、低温の排熱回収媒体Ａは貯湯タンク１７の下部に存在することになる。これにより、貯湯タンク１７の貯湯量が満杯状態（貯湯タンク１７に貯湯されている排熱回収媒体Ａの略全量が所望温度になっている状態）になるまで、貯湯タンク１７の底部から取り出す排熱回収媒体Ａは低温となる。そこで、排熱回収回路４は、貯湯タンク１７の底部から取り出した低温の排熱回収媒体Ａを排ガス熱交換器１９に導入させて、排ガス熱交換器１９に導入される排熱回収媒体Ａの温度がエンジン１の排ガスＣの露点（例えば６０℃）以下の温度（例えば、２０℃程度）に設定されている。これにより、排ガス熱交換器１９では、排ガスＣの潜熱をも排熱回収媒体Ａにて回収でき、排熱回収効率の向上を図ることができる。

エンジン冷却水循環ポンプ１６の作動によりエンジン冷却回路１４では、エンジン冷却部１２と排熱回収熱交換器１３との間でエンジン冷却水Ｂが循環される。排熱回収熱交換器１３には、エンジン冷却部１２にてエンジン１を冷却することにより加熱されたエンジン冷却水Ｂが導入されるとともに、排ガス熱交換器１９を通過した排熱回収媒体Ａが導入され、排熱回収媒体Ａがエンジン冷却水Ｂにて加熱される。

上述の如く、制御装置１１は、電力負荷３での要求電力量又は熱負荷５での要求熱量を賄うために、予測した将来の要求電力量又は要求熱量に応じてエンジン１の運転を制御するが、例えば、熱負荷５での要求熱量を賄うために、予測した将来の要求熱量に応じてエンジン１の運転を制御する所謂熱主運転を行う場合等に、発電装置２の発電電力の電力負荷３に対する余剰分である余剰電力が発生する。このとき、余剰電力は、インバータ６により電気ヒータ１０に供給される。これにより、電気ヒータ１０は、余剰電力により排熱回収熱交換器１３を通過した排熱回収媒体Ａを加熱することになり、エンジン１の排熱を回収することに加えて、余剰電力を熱に変換してその変換した熱をも回収自在に構成されている。

制御装置１１は、エンジン冷却水循環ポンプ１６の回転速度を調整することにより、エンジン冷却回路１４におけるエンジン冷却水Ｂの循環量が調整自在に構成されている。また、制御装置１１は、排熱回収媒体循環ポンプ１８の回転速度を調整することにより、排熱回収回路４における排熱回収媒体Ａの循環量が調整自在に構成されている。これにより、エンジン冷却回路１４におけるエンジン冷却水Ｂの循環量や排熱回収回路４における排熱回収媒体Ａの循環量を調整することにより、排ガス熱交換器１９を通過した排熱回収媒体Ａの温度や、排熱回収熱交換器１３を通過した排熱回収媒体Ａ及びエンジン冷却水Ｂの温度を調整自在に構成されている。

以下、排熱回収媒体Ａ、エンジン冷却水Ｂ及び排ガスＣの夫々の温度について例示しながら、本発明におけるエンジンの排熱回収装置について説明を加える。
例えば、ストイキ燃焼を行うエンジン１から排気される排ガスＣの温度が５００〜６００℃となっており、その５００〜６００℃の排ガスＣが排ガス熱交換器１９に導入される。一方、貯湯タンク１７に所望温度の排熱回収媒体Ａがほとんど貯湯されていないときには、貯湯タンク１７の底部から取り出した排熱回収媒体Ａの温度が排ガスＣの露点以下の２０℃程度になっており、その２０℃程度の排熱回収媒体Ａが排ガス熱交換器１９に導入される。そして、排ガス熱交換器１９では排ガスＣの潜熱をも回収されて、排ガス熱交換器１９を通過した排ガスＣの温度は２５℃程度まで低下する。一方、排ガス熱交換器１９を通過した排熱回収媒体Ａの温度は６０℃程度まで上昇され、その６０℃程度の排熱回収媒体Ａが排熱回収熱交換器１３に導入される。エンジン冷却部１２を通過したエンジン冷却水Ｂは８０℃程度まで上昇されており、その８０℃程度のエンジン冷却水Ｂが排熱回収熱交換器１３に導入される。排熱回収熱交換器１３を通過した排熱回収媒体Ａの温度は７５℃程度まで上昇され、その７５℃程度の排熱回収媒体Ａが貯湯タンク１７の上部に供給されて貯湯される。一方、排熱回収熱交換器１３を通過したエンジン冷却水Ｂの温度は７８℃程度まで低下され、その７８℃程度のエンジン冷却水Ｂがエンジン冷却部１２に導入される。

排熱回収熱交換器１３に導入される排熱回収媒体Ａは、既に排ガス熱交換器１９にて排ガスＣの潜熱をも回収して比較的高温（例えば６０℃程度）となった排熱回収媒体Ａであるので、排熱回収熱交換器１３を通過したエンジン冷却水Ｂの温度は比較的高温（例えば７８℃程度）となって過度に低温となるのを防止できる。よって、エンジン冷却部１２に導入されるエンジン冷却水Ｂが過度に低温になるのを防止することができ、エンジン１の耐久性や性能に悪影響を与えてしまうのを防止できる。
エンジン冷却部１２に導入されるエンジン冷却水Ｂの温度については、エンジン冷却回路１４におけるエンジン冷却水Ｂの循環量を調整することにより、排熱回収熱交換器１３を通過したエンジン冷却水Ｂの温度を調整することで調整することができる。そして、制御装置１１は、エンジン冷却部１２に導入されるエンジン冷却水Ｂの温度がエンジン１の耐久性や性能に悪影響を与えない温度範囲（例えば、６５℃〜８５℃の温度範囲）となるように、エンジン冷却水循環ポンプ１６の回転速度を制御してエンジン冷却回路１４におけるエンジン冷却水Ｂの循環量を調整している。

次に、本発明に係るエンジン１の排熱回収装置を適応させたコージェネレーションシステムの第２実施形態を図２に基づいて説明する。以下の第２実施形態の説明では、上記第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すこととし、その説明を割愛することがある。当該第２実施形態に係るコージェネレーションシステムでは、エンジン１が暖機運転状態である場合に、エンジン１の暖機時間を短縮しながらも、排熱回収効率の低下を抑制することを目的とするものである。

このコージェネレーションシステムでは、排熱回収回路４に、排ガス熱交換器１９と排熱回収熱交換器１３との間に上流端（分岐部）を有すると共に排熱回収熱交換器１３の下流側（電気ヒータ１０の上流側で、貯湯タンク１７の上流側）に下流端（合流部）を有する状態で排熱回収熱交換器１３をバイパスするバイパス路３０を備えると共に、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの流量を、排熱回収熱交換器１３とバイパス路３０とに分配して導く三方弁３１（流量分配手段の一例）が、バイパス路３０の上流端に設けられている。
より詳細には、三方弁３１は、その開閉状態を切り替えることにより、制御装置１１からの制御信号によりその開閉状態を制御可能な電磁式のものから成り、排熱回収回路４を循環する排熱回収媒体Ａの通流状態を、排熱回収熱交換器１３へ導入させる第１通流状態（図２で点線で示す状態）と、バイパス路３０に通流させる第２通流状態（図２で二点鎖線で示す状態）とを、切り替え可能に構成されている。

当該第２実施形態のコージェネレーションシステムは、上述したように、エンジン１が暖機運転状態であるときに、その暖機時間を短縮するため、エンジン１が暖機状態であるか否かを判定する機能を有している。以下、その機能を発揮するための構成について説明する。
エンジン冷却回路１４には、エンジン冷却部１２と排熱回収熱交換器１３との間のエンジン冷却水Ｂの温度を測定する温度センサ３２（温度測定手段）が設けられており、当該温度センサ３２の測定温度は、エンジン１の運転状態に伴って変動する。具体的には、エンジン１の運転状態が暖機運転状態である場合、比較的低い温度（例えば、６５℃以下の温度）となり、暖機運転状態以外の定常運転状態等である場合、比較的高い温度（例えば、６５℃より高い温度）程度となる。
当該温度センサ３２の測定温度に基づいて、制御装置１１は、エンジン１の運転状態を判定する運転状態判定手段として機能する。具体的には、制御装置１１は、エンジン１が起動している状態において、温度センサ３２により測定されたエンジン冷却水Ｂの測定温度と暖機運転判定閾値（例えば、６５℃）とを比較し、エンジン冷却水Ｂの測定温度が暖機運転判定閾値以下の温度である場合、エンジン１が暖機運転状態であると判定し、エンジン冷却水Ｂの測定温度が暖機運転判定閾値よりも高い温度である場合、エンジン１が暖機運転状態以外の定常運転状態等であると判定する。

以下、エンジン１の運転状態に基づく排熱回収媒体Ａの通流状態の切り替えについて、説明を加える。尚、以下の説明では、エンジン１は、起動された後の状態にあるものとする。
制御装置１１は、温度センサ３２により測定されたエンジン冷却水Ｂの測定温度が暖機運転判定閾値（例えば、６５℃）以下の温度である場合、エンジン１が暖機運転状態であると判定し、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの通流状態を、バイパス路３０を通流する第２通流状態（図２にて二点鎖線で示す状態）となるように、三方弁３１の開閉状態を切り替える。これにより、排熱回収媒体Ａは、排熱回収熱交換器１３に通流していない状態となる。結果、エンジン冷却回路１４にて、エンジン冷却部１２と排熱回収熱交換器１３との間を循環するエンジン冷却水Ｂの熱量が、排熱回収熱交換器１３にて回収されることを防止できる。これにより、エンジン冷却水Ｂが排熱回収熱交換器１３にて回収が防止された熱量分をエンジン１の暖機に用いる状態で、エンジン１の排熱の量を抑制でき、エンジン１の暖機を優先させて、その暖機時間を短縮できる。
尚、このように、制御装置１１が、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの通流状態を、バイパス路３０を通流する第２通流状態（図２にて二点鎖線で示す状態）にするように、三方弁３１の開閉状態を制御する場合であっても、排ガス熱交換器１９に導入される排熱回収媒体Ａの流量は変動しないので、排ガスＣの排熱は、排ガス熱交換器１９にて排熱回収媒体Ａにより適切に回収され、排熱回収効率の低下を抑制できる。

一方、制御装置１１は、温度センサ３２により測定されたエンジン冷却水Ｂの測定温度が暖機運転判定閾値（例えば、６５℃）より高い場合、エンジン１が暖機運転状態以外の定常運転状態等であると判定し、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの通流状態を、排熱回収熱交換器１３に導入される第１通流状態（図２にて点線にて示す状態）となるように、三方弁３１の開閉状態を切り替える。即ち、制御装置１１は、排熱回収回路４の回路状態を、第１実施形態のコージェネレーションシステムでの回路状態と同様の状態として、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａが、排熱回収熱交換器１３にてエンジン冷却水Ｂの排熱を適切に回収しながらも、排ガス熱交換器１９にて排ガスＣの排熱をも適切に回収して、高い排熱回収効率を維持することができる。
このように、制御装置１１は、エンジン１の運転状態が暖機運転状態である場合に、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの通流状態を、バイパス路３０を通流する第２通流状態（図２にて二点鎖線で示す状態）に切り替える切替制御手段として機能する。

〔別実施形態〕
（１）上記第１及び第２実施形態において、エンジン冷却回路１４に、エンジン冷却水Ｂの通流方向でエンジン冷却部１２よりも上流側にエンジン１のオイルクーラを設け、エンジン冷却水Ｂをオイルクーラに導入させたのち、オイルクーラを通過したエンジン冷却水Ｂをエンジン冷却部１２に導入させることもできる。

（２）上記第１実施形態では、エンジン１は、燃焼室に供給される混合気の空気過剰率を略１．０程度のストイキ範囲内に設定されているが、例えば、空気過剰率を１．０よりも大きいリーン範囲内に設定することもできる。

（３）上記第１及び第２実施形態では、排熱回収回路４が、貯湯タンク１７の湯水を排熱回収媒体Ａとして、排ガス熱交換器１９、排熱回収熱交換器１３、電気ヒータ１０の順に排熱回収媒体Ａを通流させているが、排熱回収媒体Ａについては、貯湯タンク１７の湯水に限らず、その他の熱媒体を適応することもできる。
また、排熱回収回路４に備えた排熱回収媒体循環ポンプ１８の作動により排熱回収媒体Ａを通流させているが、例えば、給水路２０における上水の水圧を利用して排熱回収媒体Ａを通流させることもできる。

（４）上記第１実施形態では、排ガス熱交換器１９を三元触媒２３が一体的に配置された触媒一体型の熱交換器として、三元触媒２３を排ガス熱交換器１９に配置しているが、排ガスＣの通流方向において排ガス熱交換器１９よりも上流側の排気路２２の途中に三元触媒２３を配置することもできる。

（５）上記第２実施形態において、制御装置１１が、エンジン冷却水Ｂの温度を測定する温度センサ３２の測定温度に基づいて、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの通流状態を、第１通流状態（図２に点線で示す状態）と、第２通流状態（図２に二点鎖線で示す状態）とに切り替えるように、三方弁３１の開閉状態を制御する構成を示した。
しかしながら、制御装置１１は、エンジン１の暖機状態に伴って変動する温度であれば、エンジン冷却水Ｂ以外の温度に基づいて、三方弁３１の開閉状態を制御しても、本発明の機能を良好に発揮する。例えば、エンジン１のエンジンオイルの温度等に基づいて、三方弁３１の開閉状態を制御することができる。

（６）上記第２実施形態において、三方弁３１は、制御装置１１により制御される電動式のものを示した。例えば、三方弁３１は、排熱回収回路４を通流する排熱回収媒体Ａの温度を感知して、その開閉状態を切り替える感温式の三方弁により構成しても良い。当該感温式の三方弁は、それを通流する排熱回収媒体Ａの温度に伴って、内部のワックスエレメントが膨張・収縮する形態で、その開閉状態が自律的に切り替えられるものである。即ち、三方弁３１を感温式のものとすることにより、排熱回収熱交換器１３に排熱回収媒体Ａを導入させる第１通流状態（図２に点線で示す状態）と、バイパス路３０に排熱回収媒体Ａを通流させる第２通流状態（図２に二点鎖線で示す状態）とを、感温式の三方弁を通流する排熱回収媒体Ａの温度に基づいて、自律的に切り替えることができる。この様な自立的な切り替えを行う場合、感温式の三方弁は、弁に到達する排熱回収媒体Ａの温度が、暖機運転が完了したときの排熱回収媒体Ａの温度である所定値（例えば、６０℃）より高い場合に上記第１通流状態となり、所定値以下の場合に上記第２通流状態となる様に構成しておけばよい。

（７）上記第２実施形態において、三方弁３１（流量分配手段の一例）は、バイパス路３０の上流端（分岐部）に設けられるものとしたが、別にバイパス路３０の下流端（合流部）に設けても良い。この場合でも、排熱回収媒体Ａを排熱回収熱交換器１３とバイパス路３０とに分配して導くことができる。

本発明は、エンジンの排熱を回収する排熱回収媒体を通流させる排熱回収回路を備え、エンジンの耐久性や性能に悪影響を与えることなく、排ガスの潜熱をも回収可能として排熱回収効率を高めることができる各種のエンジンの排熱回収装置に適応可能である。

１ エンジン
２ 発電装置
３ 電力負荷
４ 排熱回収回路
１０ 電気ヒータ
１２ エンジン冷却部
１３ 排熱回収熱交換器
１４ エンジン冷却回路
１９ 排ガス熱交換器
３０ バイパス路
３１ 三方弁（切替手段の一例）
３２ 温度センサ（温度測定手段の一例）
Ａ 排熱回収媒体
Ｂ エンジン冷却水
Ｃ 排ガス

Claims (7)

1. エンジンの排熱を回収する排熱回収媒体を通流させる排熱回収回路を備えたエンジンの排熱回収装置において、
   前記エンジンを冷却させるエンジン冷却部と排熱回収熱交換器との間でエンジン冷却水を循環させるエンジン冷却回路を備え、前記排熱回収回路には、前記排熱回収媒体の通流方向の上流側から順に、前記エンジンの排ガスと前記排熱回収媒体とを熱交換させる排ガス熱交換器、前記エンジン冷却部を通過したエンジン冷却水と前記排ガス熱交換器を通過した排熱回収媒体とを熱交換させる前記排熱回収熱交換器が備えられ、前記排ガス熱交換器に導入させる排熱回収媒体の温度が前記エンジンの排ガスの露点以下に設定されているエンジンの排熱回収装置。
2. 前記エンジンにて駆動される発電装置と、前記発電装置の発電電力を電力負荷に供給自在で、且つ、前記発電装置の発電電力の前記電力負荷に対する余剰分である余剰電力を熱に変換自在な電気ヒータに供給自在な電力供給手段とを備え、前記電気ヒータは、前記排熱回収回路において前記排熱回収熱交換器を通過した前記排熱回収媒体を加熱自在に配置されている請求項１に記載のエンジンの排熱回収装置。
3. 前記エンジンは、燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率がストイキ範囲内に設定され、前記排ガス熱交換器に三元触媒が配置されている又は前記エンジンの排ガスの通流方向において前記排ガス熱交換器よりも上流側に三元触媒が配置されている請求項１又は２に記載のエンジンの排熱回収装置。
4. 前記排熱回収回路に、前記排ガス熱交換器と前記排熱回収熱交換器との間に上流端を有すると共に前記排熱回収熱交換器の下流側に下流端を有する状態で前記排熱回収熱交換器をバイパスするバイパス路を備え、
   前記排熱回収回路を通流する前記排熱回収媒体の流量を、前記排熱回収熱交換器と前記バイパス路との何れか一方又は両方に分配して導く流量分配手段が備えられている請求項１乃至３の何れか一項に記載のエンジンの排熱回収装置。
5. 前記流量分配手段は、三方弁であり、
   前記三方弁は、前記排熱回収回路を通流する前記排熱回収媒体の通流状態を、前記排熱回収熱交換器へ導入させる第１通流状態と、前記排熱回収媒体を前記バイパス路に通流させる第２通流状態とに切り替え可能に構成されている請求項４に記載のエンジンの排熱回収装置。
6. エンジンオイルの温度、前記エンジン冷却回路の前記エンジン冷却部と前記排熱回収熱交換器との間の前記エンジン冷却水の温度、及び前記排ガス熱交換器にて前記排ガスと熱交換した後の前記排熱回収媒体の温度のうち、少なくとも１つを測定する温度測定手段と、前記温度測定手段の測定温度に基づいて、前記エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
   前記運転状態判定手段が前記エンジンの運転状態が暖機運転状態であると判定したときに、前記排熱回収媒体の通流状態を前記第２通流状態とするように、前記三方弁の開閉状態を切り替える切替制御手段とを備えた請求項５に記載のエンジンの排熱回収装置。
7. 前記三方弁が、前記排熱回収媒体の温度を感知して開閉状態を切り替える感温式の三方弁を備え、前記感温式の三方弁は、前記排ガス熱交換器にて前記排ガスと熱交換した後の前記排熱回収媒体の温度が、所定値より高い場合に前記第１通流状態とし、所定値以下の場合に前記第２通流状態とする請求項５に記載のエンジンの排熱回収装置。

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