JP3767785B2

JP3767785B2 - エンジンの排熱回収装置

Info

Publication number: JP3767785B2
Application number: JP30103299A
Authority: JP
Inventors: 一宏戸川; 博行木谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: CN1116511C; DE60022842D1; EP1094214B1; DE60022842T2; CN1295186A; US6324849B1; JP2001123885A; EP1094214A3; EP1094214A2

Description

【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では、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の排気を利用した排気熱交換器に熱媒体を循環させる循環経路と、前記循環経路の出力側を出力熱交換器に接続する管路とを有するエンジンの排熱回収装置において、前記循環経路上で前記エンジンの冷却部の上流に前記排気熱交換器を配するとともに、前記排気熱交換器に導入される熱媒体を、該熱媒体と熱交換される排気中の水蒸気がその露点以下になるよう低温に設定した点に第１の特徴がある。
【００１２】
また、本発明は、排熱回収運転のあいだ、前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下に維持されるよう、前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方が設定されている点に第２の特徴がある。
【００１３】
また、本発明は、前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下になるよう、排気温度または熱媒体温度または熱負荷の大きさに基づいて前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方を制御する運転時間を排熱回収運転時間内に含んでいる点に第３の特徴がある。また、本発明は、前記熱負荷に応じた前記エンジンの運転および停止によって前記熱媒体の温度を制御する点に第４の特徴がある。
【００１４】
さらに、本発明は、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部を具備し、前記オイル熱交換部が、前記循環経路上で前記排気熱交換器の上流に設けられている点に第５の特徴があり、前記オイル熱交換器の熱媒体入口側に該熱媒体を循環経路に循環させるためのポンプを設けた点に第６の特徴がある。
【００１５】
第１〜第６の特徴によれば、排熱交換器内には排気の水蒸気を露点以下に温度低下させるように設定された熱媒体が導入される。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、第２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３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含まれる。
【００１７】
さらに、第５の特徴によれば、エンジンの熱によって温度上昇したエンジンオイルから熱回収される。エンジンオイルから回収される熱量は、エンジン本体や排気から回収される熱量と比べてわずかであるため、ここでの熱媒体の温度上昇は小さい。したがって、前記凝縮熱回収の作用は損なうことなく熱回収効率が高められるとともに、エンジンオイルの冷却効果も得られる。
【００１８】
第６の特徴によれば、熱媒体はエンジンから熱回収する前にポンプ内を通過するのでポンプは比較的低温に維持される。このために、パッキン等の経時劣化が抑制され、ポンプ自体の寿命を長くすることができる。
【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。この配置により、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パン４内のオイル熱交換器５、排気熱交換器９、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。
【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１７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２０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２５と三方弁２６とが設けられている。追い焚きボイラ２５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２６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１７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２０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ＴＳ１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３０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Ｔref-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Ｌｇ０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の温度ｇであった排気は、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】
露点Ｗ以上の排気との熱交換においては、前記温度ａから温度ａ´までの急激な勾配とは異なるが、緩やかな勾配で熱媒体は温度ａ´から温度ｃまで徐々に加温される。温度ｃにまで加温された熱媒体はエンジン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、結果的に温度差Δｔ３を得ている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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Ｔref-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Ｔref-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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、熱媒体は急激な勾配で温度上昇する（線分ｂｃの勾配）。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。
【００５２】
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。
【００５３】
【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８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、エンジン冷却部の前に排気熱交換器をおいたので、比較的低温の熱媒体によって排気中の水蒸気を凝縮させることができ、その凝縮熱をも回収することができる。
【００５４】
請求項３〜請求項５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。
【００５５】
また、請求項７の発明によれば、エンジンの熱によって温度上昇したエンジンオイルから熱回収される。オイルから回収される熱量は、エンジン本体や排気から回収される熱量と比べてわずかであるため、ここでの熱媒体の温度上昇は小さい。したがって、前記凝縮熱回収の作用は損なうことなく熱回収効率が高められるとともに、エンジンオイルの冷却効果も得られる。また、請求項８の発明によれば熱媒体を循環させる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

Claims

エンジンの冷却部およびエンジンの排気熱を回収する排気熱交換器に熱回収用の熱媒体を循環させる循環経路と、前記循環経路の出力側を出力熱交換器に接続する管路とを有するエンジンの排熱回収装置において、
前記循環経路上で前記エンジンの冷却部の上流に前記排気熱交換器を配置するとともに、
前記排気熱交換器に導入される熱媒体を、該熱媒体と熱交換される排気中の水蒸気が露点以下になるよう低温に設定することにより、前記排気熱交換機内を通過する排気ガスの凝縮熱を回収可能に構成したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
排熱回収運転のあいだ、前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下に維持されるよう、前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方を制御する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。
前記排気熱交換器前後にわたる予定位置での排気温度を検出する排気温度検出手段を具備し、
前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下になるよう、前記排気温度検出手段で検出された排気温度に基づいて前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方を制御する運転時間を排熱回収運転時間内に含んでいる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。
前記循環経路上で熱媒体温度を検出する熱媒体温度検出手段を具備し、
前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下になるよう、前記熱媒体温度検出手段で検出された熱媒体温度に基づいて前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方を制御する運転時間を排熱回収運転時間内に含んでいる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。
前記出力熱交換器を通じて接続された熱負荷の大きさを検出する熱負荷検出手段を具備し、
前記排気熱交換器内における排気中の水蒸気が露点以下になるよう、前記熱負荷検出手段で検出された熱負荷の大きさに基づいて前記熱媒体の温度および流量の少なくとも一方を制御する運転時間を排熱回収運転時間内に含んでいる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。
前記熱負荷に応じた前記エンジンの運転および停止によって前記熱媒体の温度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。
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部を具備し、
前記オイル熱交換部が、前記循環経路上で前記排気熱交換器の上流に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。
前記オイル熱交換器の熱媒体入口側に該熱媒体を循環経路に循環させるためのポンプを設けたことを特徴とする請求項７記載のエンジンの排熱回収装置。