JP3871193B2 - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents
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Description
【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に動力源として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等から、エネルギーの有効利用を図る観点で、動力源の運転に伴って発生する熱(排熱)を回収して利用するコジェネレーション装置が注目されている。コジェネレーション装置では、例えば、都市ガス等を燃料とするガスエンジンを動力源として使用し、発電および給湯等が行われる。コジェネレーション装置等に使用されるエンジンの排熱回収装置では、エンジン冷却用のウォータジャケットおよびエンジンの排気を熱源とする排気熱交換器に、ウォータポンプによって水等の熱媒体を循環させて熱回収し、この熱回収により温度上昇した熱媒体から熱量(熱出力)取り出す。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記排熱回収装置において、何らかの原因で熱媒体の循環系統に十分な量の熱媒体が確保されないことがあると、受熱部(エンジン)およびその近辺の温度が上昇して、エンジンに接触している部品等の故障を引き起こすおそれがある。例えば、施工時とかメンテナンス時における熱媒体の注入忘れや、故障による漏れ、空気混入等があると熱媒体が不足する。一方冷却水の温度が設定温度異常に上昇したときエンジン保護回路が作動する排熱回収システムが知られる。例えば、特開平7−247834号公報には、エンジン冷却部に供給される冷却水の温度が設定温度に維持されるようにしてエンジン保護回路が必要以上に作動しないようにしたものが開示されている。
【0004】
このような従来の保護回路を有するシステムでは、循環路の受熱部近辺に配置した水温センサの検出温度が所定値以上となったときに異常状態と判別することで、このセンサを上記のような異常状態の検出用として兼用することも行なわれている。しかしながら、この場合は実際の温度上昇に対してセンサの検出温度が所定値を越えるまでのタイムラグが大きく十分な保護が行なえない可能性があり、しかも異常状態の判別のしきい値温度は熱媒体液の上限温度より大きな値に設定する必要がある。
【0005】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な量の熱媒体が循環していないことを早期に検知して、受熱部の保護を確実なものに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。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンを冷却するウォータジャケットに熱媒体液を循環させてエンジンの排熱を回収するエンジンの排熱回収装置において、前記熱媒体液の循環経路上で、排熱回収位置に設けた第1の温度センサと、前記第1の温度センサよりも下流で前記循環経路上に設けた第2の温度センサと、前記第1および第2の温度センサによる検知温度差が予定値を超えたときに熱媒体液不足信号を出力する手段とを具備した点に第1の特徴があり、前記熱媒体液を、エンジン排気を熱源とする排気熱交換器にさらに循環させる点に第2の特徴がある。
【0007】
第1または第2の特徴によれば、循環経路に熱媒体液が無いと、第1および第2のセンサ間では空気を介して熱伝導が行われることになるので、熱媒体液が十分に循環している場合と比べて両温度センサによる検出温度差が大きくなる。したがって、この検出温度差が予定値を超えたか否かによって熱媒体の有無ないし不足を検出することができる。
【0008】
また、本発明は、前記第1および第2の温度センサのうち少なくとも一方は、前記循環経路のうち空気が溜まりやすい位置に配置した点に第3の特徴がある。熱媒体の不足量が少ない場合、空気が溜まりやすい位置に第1および第2の温度センサの少なくとも一方を配置することにより、両センサ間に熱伝導率の小さい空気層が介在しやすくなる。したがって、熱媒体液の不足分が少ない場合でも、両温度センサの検知温度差が生じて熱媒体液不足を早期に検出することができる。
【0009】
さらに、本発明は、前記第1および第2の温度センサが、フェールセーフシステムを構成する2つの温度センサである点に第4の特徴がある。第4の特徴によれば、フェールセーフシステム用に設ける2つの温度センサを、第1および第2の温度センサとして使用することにより、追加のセンサを要しないで、熱媒体液の有無ないし不足を検出することができる。
【0010】
【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は本発明の一実施形態に係るエンジンの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。排熱回収装置1は、仕切板100で仕切られた上下2つの部屋からなり、この仕切板100によって2つの部屋は互いに空気の流通が遮断されている。2つの部屋のうち、下方の部屋にはエンジン2およびエンジン2に機械的に連結駆動される発電機3が設けられる。発電機3はエンジン2で駆動されて交流を発生する。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。
【0011】
エンジン2が収容された部屋から隔離してエンジン2の熱の影響を受けにくくした上の部屋には、エアフィルタ7ならびにバッテリ25やECU26などの電装機器が設けられる。エアフィルタ7を経由して導入される空気はエンジン2のシリンダヘッド6に取入れられる。エンジン2の排気は排気マニホルド8および排気熱交換器9を通り、サイレンサ31を経て外部へ排出される。
【0012】
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。
【0013】
ウォータポンプ10で外部から排熱回収装置1に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、外部へ循環する。循環経路12を通った熱媒体は、排熱回収装置1の外部で給湯タンク等の熱負荷を経由することができる。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し、シリンダの温度低下を防ぐことができる。
【0014】
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。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、熱を回収し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。
【0015】
循環経路12には、熱媒体の温度を検知するための温度センサTW1,TW2が設けられる。温度センサTW1は受熱部つまりエンジン2の近傍に設けられ、温度センサTW2は温度センサTW1より下流に設けられる。これらの温度センサTW1,TW2は循環経路12内の熱媒体の有無や不足を検出するために設けられる。これらの配置や作用はさらに後述する。
【0016】
図2は上記排熱回収装置の外観を示す右側斜視図、図3は同左側斜視図である。図2および図3において、排熱回収装置1は上板13A、底板13B、および側板13Cからなる防音ケース13に収納されている。底板13Bには脚14が設けられ、側板13Cの右側には電気入出力用端子配置部15や取手17等が設けられる。さらに側板13Cの右側には熱媒体入口パイプ18、熱媒体出口パイプ19、および凝縮水ドレーンパイプ20、ならびに燃料ガス入口パイプ21がそれぞれ貫通する孔が形成されている。上板13Aには吸気管22および排気管23がそれぞれ貫通する孔が形成されている。
【0017】
側板13Cの左側には入力制御パネル15Aや取手17Aが設けられる。側板13Cの左側には前記熱媒体入口パイプ18および熱媒体出口パイプ19とそれぞれつながる熱媒体左入口パイプ47および熱媒体左出口パイプ48がそれぞれ貫通する孔が形成される。熱媒体入口パイプ18および熱媒体左入口パイプ47、ならびに熱媒体出口パイプ19および熱媒体左出口パイプ48は、ケース13の左右任意の側から熱媒体の出入れが可能なように、それぞれ図示しないホースでつながれる。図3に示すように、本実施例では熱媒体を右側から出し入れする設定になっていて、熱媒体左入口パイプ47および熱媒体左出口パイプ48は栓で塞がれている。
【0018】
続いて、排熱回収装置1の内部構造をさらに説明する。図4はケースを一部取り外した状態の排熱回収装置の正面図、図5は同右側面図、図6は同左側面図である。図4〜図6において、排熱回収装置1の上部にはエアフィルタ7、バッテリ25、およびECU26が配置される。なお、排熱回収装置1の上部には、自動電圧レギュレータ(AVR)や燃料ガスの調圧器(いずれも図示せず)等も配置される。さらに、最下部には排気熱交換器9が、中間部にはエンジン2がそれぞれ配置される。
【0019】
エンジン2はクランク軸(図示しない)が垂直に設定されたバーチカルタイプであり、クランク軸には発電機3が結合される。エンジン2の下部にはオイルパン4が配置される。エンジン2のシリンダヘッドの上方にはミキサ27が設けられ、ミキサ27にはエアフィルタ7から延びた吸気用ホース28と、調圧器を経て燃料ガス入口パイプ21から延びたガスパイプ29とが接続される。
【0020】
底板13Bには、側板13Cに沿って右ステー30が立設される。右ステー30には熱媒体入口パイプ18、熱媒体出口パイプ19、および凝縮水ドレーンパイプ20が取付けられる。排気熱交換器9からの排気音を吸収するサイレンサ31は右ステー30に沿って設けられる。サイレンサ31は排気管23に接続され、吸気管22はエアフィルタ7に接続される。サイレンサ31には、その入口側に曲管部32が設けられていて、排気熱交換器9からの排気は曲管部32を経てサイレンサ31に導入される。
【0021】
このように、エンジン2をバーチカルタイプにし、作業機である発電機3を縦軸に配置したクランク軸に連結するとともに、排気熱交換器9は水平に横たわるエンジン2のシリンダの下方に配置している。こうして、排熱回収装置1は全体として縦長にしたので、設置面積を小さくできるとともに、仕切板100の下面に設けられる換気装置110による自然対流を利用した換気も能率よく行うことができる。なお、換気装置110は、防音ケース13の底板13Bに設けられた空気取入孔から取込んだ空気を防音ケース13外へ排出するためのラビリンス構造の通路を有する。
【0022】
図7は排熱回収装置の拡大斜視図であり、図1〜図6と同符号は同一または同等部分を示す。図7において、熱媒体つまり冷却水は、前記熱媒体入口パイプ18につながるパイプ181によって排気熱交換器9に導入される。エンジン2のシリンダヘッド6に隣接して熱媒体の循環経路に設けられるサーモカバー16には、パイプ191が結合され、このパイプ191は前記熱媒体出口パイプ19に結合される。排気熱交換器9に導入された熱媒体は図1に関して説明した循環経路12を循環し、エンジン2のシリンダヘッド6を通過後、サーモカバー16、パイプ191および熱媒体出口パイプ19を経由して外部の熱負荷(例えば給湯タンク)に循環される。
【0023】
エンジン2および熱媒体出口パイプ19間の熱媒体体循環経路上に設定された2カ所の測定位置に、熱媒体の温度を検知するための温度センサTW1、TW2を設ける。第1の温度センサTW1を受熱部に近い位置であるシリンダヘッド6つまりサーモカバー16の上流側に設け、第2の温度センサTW2をパイプ191の下流位置つまり前記熱媒体出口パイプ19の近傍に設ける。この2カ所の温度差により、循環経路12内の熱媒体があるかどうかまたは不足していないかどうかを後述のアルゴリズムにより判断する。なお、温度センサTW1,TW2の設置位置は、図1や図7に示した位置に限らない。温度センサTW1を受熱部つまりエンジン2側、温度センサTW2をセンサTW1から離れた、循環経路12の下流に設置してあればよい。
【0024】
図8は、温度センサTW1,TW2による温度検知結果に基づく熱媒体有無判断のための要部機能を示すブロック図である。なお、この機能はマイクロコンピュータによって実現できる。温度センサTW1の出力T1および温度センサTW2の出力T2は、A/D変換された後、温度差検出部40に入力される。温度差検出部40は、出力T1,T2の差ΔTを算出する。温度差ΔTは比較部41に入力され、予め設定される基準温度差ΔTrefと比較される。比較部41は温度差ΔTが基準温度差ΔTrefを超えたときに検出信号(熱媒体液不足信号)Dを出力する。この検出信号Dに応答して、エンジン2を停止したり、異常検知を知らせるアラームをならしたりすることができる。
【0025】
図9は、熱媒体を循環させないときの温度センサTW1,TW2の出力T1,T2の変化を調査した結果を示す図である。エンジン回転数Neは2000rpm一定とした。この図のように、時間tの経過とともに出力T1とT2との差は大きくなる。これは、熱媒体としての冷却水がない場合、熱は気体を伝わることになるため、その熱伝導率は冷却水と違って低いからである。したがって、エンジン2の出口付近つまり温度センサTW1の設置位置では温度が上昇しているにもかかわらず、熱源であるエンジン2から離れた位置では、温度上昇程度が小さい。
【0026】
熱媒体が循環経路12内に存在してはいるが、その循環量が不足している場合には、温度差ΔTが生じにくく、基準温度差ΔTrefを超えるまでの時間が長くなることがある。したがって、短時間で熱媒体の不足を検出できるよう、温度センサTW1,TW2の設置位置を、循環経路12のうち空気の溜まりやすい位置に決定するのがよい。そうすることにより、各温度センサ間での熱の伝導時間が遅くなって短時間で温度差ΔTが大きくなり、熱媒体の不足を早期に検出可能となる。
【0027】
このような温度センサの設置位置の決定基準は、特に熱負荷が大きくて、センサ検出部でのエンジン2からの受熱量より持ち去り熱量が大きい場合に有効である。空気の溜まりやすい位置に温度センサTW1,TW2を設置する場合、双方が空気の溜まりやすい位置にある必要はない。両センサ間で熱の伝達がしにくいよう、熱媒体が不足したときに、温度センサTW1,TW2の少なくとも一方が熱媒体に接触しないようになればよい。例えば、図7の位置Pに温度センサTW2を配置すればよい。熱媒体の不足が生じたときにパイプ191の上部分には、他に先立って空気層が生じやすいからである。
【0028】
なお、温度センサTW1,TW2は、熱媒体の有無検出用に専用で設けるものでなくてもよい。排熱回収装置1の熱媒体の温度管理に通常に使用する温度センサを利用することができる。また、熱媒体の有無検出用に特に温度センサを2つ設けるのではなく、フェールセーフ等、他の目的で使用される2つの温度センサを熱媒体の有無検出用に利用すればよい。
【0029】
例えば、熱媒体の温度検出用センサが単一の場合、センサ故障時に誤った検出信号が出力されるが、それを誤った信号と判断できない。そこで、複数のセンサを設けて、いずれかが異常温度を検知すればシステムを止める処置が行われる。このように、温度センサTW1,TW2として、一般にフェールセーフシステム用に設けられるセンサを使用することができるので、センサの追加を必要とせず、きわめて経済的に循環経路12内の熱媒体の有無を判断することができる。
【0030】
【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4の発明によれば、第1および第2の温度センサによる検出温度差が正常時を超えているかどうかを判断するための予定値は、正常時の検出温度差よりわずかに大きく設定しておけばよいので、異常検出までのタイムラグが小さく、エンジンに隣接している部品等の十分な保護が可能である。
【0031】
また、請求項3の発明によれば、熱媒体液の不足分が少ない場合でも、熱媒体液が無い空気層を介して第1および第2センサが存在するようになるので、熱媒体液不足を検出することができる。
【0032】
さらに、請求項3の発明によれば、フェールセーフシステム用に複数設けられる温度センサの出力を利用して、温度センサを追加することなく熱媒体液有無の判断をすることができる。
【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】 排熱回収装置の右外観斜視図である。
【図3】 排熱回収装置の左外観斜視図である。
【図4】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の正面図である。
【図5】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の右側面図である。
【図6】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の左側面図である。
【図7】 排熱回収装置の要部拡大斜視図である。
【図8】 熱媒体有無判断のための要部機能を示すブロック図である。
【図9】 温度センサの検知出力の推移を示す図である。
【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、 7…エアフィルタ、 9…排気熱交換器、 10…熱媒体用ポンプ、 12…循環経路、 13…防音ケース、 18…熱媒体入口パイプ、19…熱媒体出口パイプ、 TW1…第1の温度センサ、 TW2…第2の温度センサ
Claims (4)
- エンジンを冷却するウォータジャケットに熱媒体液を循環させてエンジンの排熱を回収するエンジンの排熱回収装置において、
前記熱媒体液の循環経路上で、排熱回収位置に設けた第1の温度センサと、
前記第1の温度センサよりも下流で前記循環経路上に設けた第2の温度センサと、
前記第1および第2の温度センサによる検知温度差が予定値を超えたときに熱媒体液不足信号を出力する手段とを具備したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。 - 前記熱媒体液を、エンジン排気を熱源とする排気熱交換器にさらに循環させ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。
- 前記第1および第2の温度センサのうち少なくとも一方は、前記循環経路のうち空気が溜まりやすい位置に配置したことを特徴とする請求項1または2記載のエンジンの排熱回収装置。
- 前記第1および第2の温度センサが、フェールセーフシステムを構成する2つの温度センサであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の、エンジンの排熱回収装置。
Priority Applications (5)
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