JP4396939B2

JP4396939B2 - コジェネレーション装置

Info

Publication number: JP4396939B2
Application number: JP2005099620A
Authority: JP
Inventors: 信行由利
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006275490A

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、地球環境問題に対する取り組みにおいて、エネルギの有効利用を図る観点で、運転に伴って発生する熱を回収利用するコジェネレーション装置が注目されており、家庭用等に使用する数キロワット出力の比較的小型のコジェネレーション装置も普及し始めている。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、排気熱交換器および排気経路で排気ガス中の水蒸気が冷却されたときに凝縮水を生じる。そこで、排気ガス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ガス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、凝縮水が排気ガス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経路を閉塞してしまい、運転不能となることがあり得る。

また、外気温が極めて低い、いわゆるコールドソーク状態からの運転では、排気経路の大きな熱容量によって凍結した凝縮水が融けにくくなるという問題がある。

本発明の目的は、上記課題に対してなされたものであり、排気ガス中の水蒸気の凍結が排気経路内で凍結するのを抑制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を目的とする。

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、前記循環路に設けられた前記熱媒体の循環ポンプとを有するコジェネレーション装置において、エンジン始動時に前記エンジンの排気系の環境温度が、排気ガス中の水蒸気の凍結が予想される温度の場合に前記循環ポンプの作動を禁止する手段を備えた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、エンジンの排気ガス温度が排気ガス中の水蒸気の凝縮温度近傍に設定された排気ガス基準温度以上で前記循環ポンプの作動禁止を解除するように構成した点に第２の特徴がある。

さらに、本発明は、前記循環ポンプの作動禁止解除後は該循環ポンプによる循環量を所定値まで徐々に増大させるように構成した点に第３の特徴がある。

排気経路の環境温度が０°Ｃ以下のような排気ガス中の水蒸気の凍結が予想される低温環境では、エンジン始動直後の排気ガスが有する熱量は、排気経路で吸収されるだけでなく冷え切っている熱交換器経路でその大きい熱容量によっても吸収されてしまうので、排気経路は低温環境のまま長い時間運転されることになる。

これに対して、上記特徴を有する本発明によれば、環境温度が０°Ｃ以下のような低温時には循環ポンプを作動させないので、熱交換器部分での熱量の吸収を少なくして排気経路を中心に暖機することができる。その結果、始動直後の排気ガス温度の大きな低下は抑制され、熱交換器のフィン等に一部氷結が発生したとしてもその氷結はすぐに融解温度まで引き上げられるので、排気ガスの圧力で吹き飛ばすことが可能になる。

特に、第２の特徴を有する本発明によれば、排気ガス温度が排気ガス中の水蒸気の凝縮温度まで上昇した後に循環ポンプを作動するようにして、排気経路中の凝縮水の発生が少ない状態で熱交換を開始することができる。

また、第３の特徴を有する本発明によれば、熱媒体の循環量をゆっくりと増大することにより、熱交換器における吸熱による排気ガスの急激な温度低下を抑制することができる。

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。排熱回収装置を有するコジェネレーション装置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。

コジェネレーション装置１は全体が筐体Ｃによってすっぽりと覆われており、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、図示のようにエンジン２の熱影響を受けにくくするため、さらに仕切板Ｐ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。

コジェネレーション装置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の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コジェネレーション装置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。

コジェネレーション装置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。この庫内温度センサ３５は、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。なお、本実施形態における環境温度とは、前記筐体Ｃ内（庫内）の空間のうち、排気系の周囲温度であり、庫内温度センサ３５の感知温度で代表される値をいう。

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からの排気ガス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。シリンダヘッド６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の弁が切り替わって熱媒体をシリンダヘッド６に循環させないようにすることができる。シリンダヘッド６の過度の冷却を防止してエンジン２の始動性能を向上させるためである。

一方、エンジン２からの排気ガスは、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（図３参照）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。コジェネレーション装置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、排気ガス温度センサ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、その上端はコジェネレーション装置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ガス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に矢印で示す排気ガスの流れを説明する。エンジン２の排気ガスは、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ガスは第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ガスは第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ガス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、排気ガスはダクト２７４から外部に放出される。

エンジン２の排気ガス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。このときに排気ガス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ガスの流れに従って第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。

本実施形態では、特に、コールドソーク状態の運転で冷え切った排気経路の熱容量を減少させてできるだけ凍結が発生しないように、また、仮に凍結が発生したとしても、一旦発生した凍結状態が、エンジンの運転開始後にできるだけ速やかに改善されるようにした。

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２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。排気ガス温度センサ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ガス温度を検出する。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。排気ガス中の水蒸気の凍結が予想される温度になっているかどうかを判断するためである。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。

排気ガス温度判断部３９は、排気ガス温度センサ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ガス温度の基準値である。排気ガス中の水蒸気は６３°Ｃ以下になったときに凝縮を始めるので、排気ガス温度が凝縮開始温度に達する直前の温度を判断するため、基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆは、一例として６０°Ｃとした。排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度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、環境低温信号ＡＬがハイレベルであれば、エンジン２を定格回転数に制御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、排気経路内に残っていた凝縮水も吹き飛ばし易くすることができ、凍結防止効果がある。所定時間のアイドリング運転の後、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、排気ガス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以下の低温でないときは、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。

ポンプ制御部４１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、環境低温信号ＡＬがハイレベルであれば、循環ポンプ１０に駆動禁止指令をオンにして循環ポンプ１０を作動させないようにする。一方、ポンプ制御部４１は、排気暖信号ＥＸを監視し、排気暖信号ＥＸがハイレベルになれば、駆動禁止指令をオフにして循環ポンプ１０の作動禁止を解除する。

このように、本実施形態では、排気ガス中の水蒸気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。また、排気ガス中の水蒸気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、冷却水の循環を開始させないようにする一方、排気ガス温度Ｔ２が基準温度に達したときに冷却水の循環を開始させるようにした。

なお、エンジン制御部３７は、排気ガス温度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。

また、エンジン始動時は、排気ガス温度Ｔ２の温度上昇に遅れて冷却水温度Ｔ３が上昇するのであるから、ポンプ制御部４１は、排気ガス温度の判断によらず、例えば、冷却水温度Ｔ３によって排気ガス温度Ｔ２を推定できる。したがって、冷却水温度Ｔ３が所定の温度に到達したときに循環ポンプ１０の駆動を開始させるようにしてもよい。

図４は、エンジン制御部３７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が入力されれば、ステップＳ２で排気系の環境温度Ｔ１が０°Ｃか否かを判断する。環境温度Ｔ１が０°Ｃでない場合はステップＳ６に進んでエンジン回転数目標値を定格運転用の値に設定し、エンジン２を通常に運転して発電を開始する。

環境温度Ｔ１が０°Ｃ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の場合は、直ちに通常の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。次に、ステップＳ４に進んで排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上か否かを判断する。排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上であれば、ステップＳ６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。排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上でなければ、ステップＳ５に進んで、冷却水温度Ｔ３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、アイドリング運転を停止し、ステップＳ６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。

図５は、ポンプ制御部４１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Ｓ１０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が入力されれば、ステップＳ１１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Ｓ１３に進んで、循環ポンプ１０を始動させる。

環境温度Ｔ１が０°Ｃ以下の場合は、排気経路内で凝縮水が凍結するおそれがあるので、ステップＳ１２に進んで、排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ（６０°Ｃ）以上か否かを判断する。排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上であれば、ステップＳ１３に進む。排気ガス温度Ｔ２が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上でなければ、ステップＳ１４に進んで循環ポンプ１０の始動を禁止する。循環ポンプ１０の始動を禁止にした後も、排気ガス温度Ｔ２を監視して、排気ガス温度Ｔ３が基準排気ガス温度ＴＧｒｅｆ以上になれば、ステップＳ１３に進んで循環ポンプ１０を始動する。

循環ポンプ１０を始動させる際、熱媒体の循環量が徐々に増大するように、循環ポンプ１０の駆動速度を段階的に増大させて通常の速度にするのが好ましい。排気熱交換器９での熱回収量の増大によって排気ガス温度が急激に低下するのを防止するためである。

本実施形態では、環境温度Ｔ１と排気ガス温度Ｔ３との双方を判断して循環ポンプ１０の始動を禁止するようにしたが（ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４）、環境温度Ｔ１の判断（ステップＳ１１）のみによってこの判断が肯定であった場合に循環ポンプ１０の始動を禁止するように構成できる。

なお、本実施形態で示した環境温度や基準排気ガス温度等の具体的な値は一例であり、これらに限定されない。例えば、環境温度Ｔ１の判断はそれが０°Ｃ以下であるかどうかに限らず、冷却水の凍結範囲という観点で実質的に０°Ｃと判断される温度以下であるかどうかで行ってもよい。但し、環境温度の判断基準温度を高く設定するほど、冷却水の循環が停止されるので、効率の良い熱回収と排気系の凍結防止という観点から、０°Ｃにできるだけ近い温度設定とするのが好ましい。

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。エンジン制御部の要部処理を示すフローチャートである。ポンプ制御部の要部処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…コジェネレーション装置、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…排気ガス温度センサ、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…排気ガス温度判断部、４０…水温判断部、４１…ポンプ制御部

Claims

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、前記循環路に設けられた前記熱媒体の循環ポンプ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、
前記エンジンの排気系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排気系の環境温度が、排気ガス中の水蒸気の凍結が予想される温度の場合に前記循環ポンプの作動を禁止する手段を具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
前記エンジンの排気ガス温度を感知する排気ガス温度センサを具備し、
エンジンの排気ガス温度が排気ガス中の水蒸気の凝縮温度近傍に設定された排気ガス基準温度以上で前記循環ポンプの作動禁止を解除するように構成し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。
前記循環ポンプの作動禁止解除後は該循環ポンプによる循環量を所定値まで徐々に増大させるように構成したことを特徴とする請求項２記載のコジェネレーション装置。
前記環境温度センサが、エンジンの排気系が収容されている筐体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。