JP5781771B2

JP5781771B2 - エンジンの排熱回収装置

Info

Publication number: JP5781771B2
Application number: JP2011000762A
Authority: JP
Inventors: 大樹田中; 薬師寺　新吾; 新吾薬師寺; 良胤 ▲高▼島
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: JP2012140921A

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、エンジンを冷却するエンジン冷却水を通流するエンジン冷却回路と、当該エンジン冷却水と排熱回収媒体とを熱交換させる排熱回収熱交換器と、排熱回収媒体を排熱回収熱交換器へ導くように通流する排熱回収回路とを備えている。
上記エンジン冷却回路は、排ガスの排熱を効率的に回収して排熱回収効率を向上させる観点から、排熱回収熱交換器の出口を出たエンジン冷却水を、エンジンの排ガスと熱交換する排ガス熱交換器に導いた後、エンジンのシリンダヘッドと熱交換するエンジン冷却部に導き、排熱回収熱交換器の入口に導くように配設されている（特許文献１を参照）。

特許第３７６７７８５号公報

上述のようなコージェネレーション装置では、熱需要に対し、不足なく十分な温水（排熱回収媒体）を供給できるように、例えば、排熱回収媒体が回収した熱を十分に蓄熱可能な蓄熱容量の大きい貯湯槽が使用される。しかしながら、装置のコンパクト化の観点からは、貯湯槽の貯湯容量を小さくすることが好ましい。このような貯湯容量の小さい貯湯槽においても、十分な蓄熱容量を確保するためには、貯湯される排熱回収媒体の温度を極力高くする必要があり、そのためには、排熱回収媒体と熱交換するエンジン冷却水の温度を極力高くする必要がある。
エンジンの排熱回収源のうち、排ガスからの熱回収を考えた場合、高温の回収温度が期待できるのは排ガスであることから、例えば、排ガス熱交換器の入口のエンジン冷却水の温度を高く設定する、又はエンジン冷却水の循環流量を少なくすることで、排ガス熱交換器の出口のエンジン冷却水の温度を高めることができる。
しかしながら、上記特許文献１に開示の構成では、エンジン冷却水が、排ガス熱交換器を通流した後に、エンジン冷却部を通流するように構成されているため、排ガス熱交換器の出口にてエンジン冷却水の温度が高温になりすぎると、エンジン冷却部に高温のエンジン冷却水が導かれることとなる。この場合、エンジン冷却能力が低下するとともに、エンジンの潤滑油が昇温しすぎて、潤滑油が劣化し易くなる虞があった。また、エンジンのシリンダブロックが高温となり、ノッキング等の異常燃焼が起きる虞があった。このため、上記特許文献１に開示の構成では、単純に排ガス熱交換器の出口のエンジン冷却水の温度を高めることはできないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの排熱回収効率を高めることができながらも、回収した熱の蓄熱容量を高めるべく排熱回収媒体の温度を高めることができると共に、エンジンの潤滑油の高温化を抑制してその劣化を防止しながらも、エンジンのシリンダブロックの高温化を防止してノッキング等の異常燃焼を抑制できるエンジンの排熱回収装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明の排熱回収装置は、
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であって、その特徴構成は、
前記エンジンのシリンダブロックとエンジン冷却水とを熱交換させるエンジン冷却部と、前記エンジンの排ガスとエンジン冷却水とを熱交換させる排ガス熱交換器とに、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、前記エンジン冷却部及び前記排ガス熱交換器の双方を通流した後のエンジン冷却水と排熱回収媒体とを熱交換させる排熱回収熱交換器を備え、
エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器を通流した後に前記エンジン冷却部を通流する第１運転状態を実行可能、且つエンジン冷却水が前記エンジン冷却部を通流した後に前記排ガス熱交換器を通流する運転状態又は前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する運転状態の何れか一方の運転状態である第２運転状態を実行可能に構成され、
前記第１運転状態と前記第２運転状態を切替制御する制御手段を備え、
前記排熱回収回路に、前記排熱回収媒体を成層貯湯可能な貯湯槽を備え、
当該貯湯槽の鉛直方向で下方側の部位に、当該貯湯槽に貯湯された排熱回収媒体の温度を測定可能な第１温度計測手段を備え、
前記制御手段は、前記第１温度計測手段にて計測される第１計測温度が、貯湯槽の貯湯温度が低い第１閾値温度以上となったときに、前記第１運転状態から前記第２運転状態へと切り替える点にある。

上記特徴構成によれば、エンジンの排熱回収効率を高める場合には、制御手段が、エンジン冷却水が排ガス熱交換器を通流した後にエンジン冷却部を通流する第１運転状態に切り替えて、低温のエンジン冷却水を、エンジン冷却部に導く前に、排ガス熱交換器に導いて、エンジン冷却水と排ガスとを互いの温度差が大きい状態で熱交換させることができ、排熱回収効率を高めることができる。
一方、回収した熱の蓄熱容量を高めるべく排熱回収媒体の温度を高める場合には、制御手段が、エンジン冷却水がエンジン冷却部を通流した後に排ガス熱交換器を通流する運転状態、又はエンジン冷却水がエンジン冷却部と排ガス熱交換器とに並列に通流する運転状態との何れか一方の運転状態である第２運転状態に切り替える。これにより、エンジン冷却水は、エンジン冷却部に導いた後又はエンジン冷却部に導くと同時に、高温の回収温度が期待できる排ガス熱交換器に導くことで、エンジン冷却水の温度を高くできる。これにより、例えば、当該排熱回収媒体を貯湯槽等に貯湯する場合には、高温貯湯を実現でき、結果的に貯湯槽の蓄熱容量を向上させることができる。尚、第２運転状態にあっては、エンジン冷却部に導かれるエンジン冷却水は、排ガス熱交換器にて熱交換する前の比較的低温のものであるので、エンジンの潤滑油の劣化やエンジンの異常燃焼を抑制できる。
加えて、上記特徴構成によれば、制御手段は、貯湯槽の鉛直方向で下方側の部位にて貯湯槽に貯湯された排熱回収媒体の温度を測定する第１温度計測手段にて計測された第１計測温度、即ち、貯湯槽に貯湯されている排熱回収温度の低温側の温度が、貯湯槽の貯湯温度が低い第１閾値温度以上となったときに、第１運転状態から第２運転状態へと切り替えることとなる。これにより、貯湯槽が十分に高温となっていない場合には、第１運転状態として、排熱の回収効率を優先させ、貯湯槽が十分に高温となっている場合には、第２運転状態として、排熱回収媒体を更に高温にして、貯湯槽に高温の排熱回収媒体を導き、貯湯槽の蓄熱容量を増加させることができる。
また、別の特徴構成は、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、
前記エンジンのシリンダブロックとエンジン冷却水とを熱交換させるエンジン冷却部と、前記エンジンの排ガスとエンジン冷却水とを熱交換させる排ガス熱交換器とに、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、前記エンジン冷却部及び前記排ガス熱交換器の双方を通流した後のエンジン冷却水と排熱回収媒体とを熱交換させる排熱回収熱交換器を備え、
エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器を通流した後に前記エンジン冷却部を通流する第１運転状態を実行可能、且つエンジン冷却水が前記エンジン冷却部を通流した後に前記排ガス熱交換器を通流する運転状態又は前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する運転状態の何れか一方の運転状態である第２運転状態を実行可能に構成され、
前記第１運転状態と前記第２運転状態を切替制御する制御手段を備え、
前記エンジン冷却回路における前記排熱回収熱交換器の入口又は出口を通流するエンジン冷却水の温度を測定する第２温度計測手段を備え、
前記制御手段が、前記エンジンが定格運転を行っているときに、前記第２温度計測手段にて計測される第２計測温度が、第２閾値温度以上となったときに、前記第１運転状態から前記第２運転状態へと切り替える点にある。
上記特徴構成によれば、エンジンの排熱回収効率を高める場合には、制御手段が、エンジン冷却水が排ガス熱交換器を通流した後にエンジン冷却部を通流する第１運転状態に切り替えて、低温のエンジン冷却水を、エンジン冷却部に導く前に、排ガス熱交換器に導いて、エンジン冷却水と排ガスとを互いの温度差が大きい状態で熱交換させることができ、排熱回収効率を高めることができる。
一方、回収した熱の蓄熱容量を高めるべく排熱回収媒体の温度を高める場合には、制御手段が、エンジン冷却水がエンジン冷却部を通流した後に排ガス熱交換器を通流する運転状態、又はエンジン冷却水がエンジン冷却部と排ガス熱交換器とに並列に通流する運転状態との何れか一方の運転状態である第２運転状態に切り替える。これにより、エンジン冷却水は、エンジン冷却部に導いた後又はエンジン冷却部に導くと同時に、高温の回収温度が期待できる排ガス熱交換器に導くことで、エンジン冷却水の温度を高くできる。これにより、例えば、当該排熱回収媒体を貯湯槽等に貯湯する場合には、高温貯湯を実現でき、結果的に貯湯槽の蓄熱容量を向上させることができる。尚、第２運転状態にあっては、エンジン冷却部に導かれるエンジン冷却水は、排ガス熱交換器にて熱交換する前の比較的低温のものであるので、エンジンの潤滑油の劣化やエンジンの異常燃焼を抑制できる。
加えて、上記特徴構成によれば、制御手段は、エンジン冷却回路における排熱回収熱交換器の入口又は出口を通流するエンジン冷却水の温度を測定する第２温度計測手段にて計測された第２計測温度、即ちエンジン冷却水の温度が第２閾値温度以上となったときに、第１運転状態から第２運転状態へと切り替える。これにより、第１運転状態から第２運転状態との切り替えは、排熱回収媒体の温度に関わらず、エンジン冷却水の温度のみに基づいて行われるので、例えば、排熱回収媒体を貯湯する貯湯槽を備えている場合には、当該貯湯槽の貯湯状態に関わらず、比較的高温の排熱回収媒体を貯湯できる。
結果、例えば、高温の湯水が必要な熱需要があった場合でも、当該熱需要に対して、高温の湯水を適切に供給することができる。

本発明の排熱回収装置の更なる特徴構成は、
前記第１運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器と前記エンジン冷却部とに記載順に直列に通流する第１回路とすると共に、前記第２運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とに記載順に直列に通流する第２回路とする弁機構を備えている点にある。

上記特徴構成によれば、弁機構が、第１運転状態においては、エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が排ガス熱交換器とエンジン冷却部とに記載順に直列に通流する第１回路とすると共に、第２運転状態においては、エンジン冷却回路を、エンジン冷却水がエンジン冷却部と排ガス熱交換器とに記載順に直列に通流する第２回路とするので、弁機構によるエンジン冷却回路の第１回路と第２回路との切り替えという、比較的簡易な構成により、第１運転状態と第２運転状態とを切り替えることができる。

本発明の排熱回収装置の更なる特徴構成は、
前記第１運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器と前記エンジン冷却部とに記載順に直列に通流する第３回路とすると共に、前記第２運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する第４回路とする弁機構を備えている点にある。

上記特徴構成によれば、弁機構が、第１運転状態においては、エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が排ガス熱交換器とエンジン冷却部とに記載順に直列に通流させる第３回路とすると共に、第２運転状態においては、エンジン冷却回路を、エンジン冷却水がエンジン冷却部と排ガス熱交換器とを並列に通流する第４回路とするので、弁機構という比較的簡易な構成により、エンジン冷却回路を第３回路と第４回路との間で切り替えて、第１運転状態と第２運転状態とを実現できる。

本発明の第１実施形態での第１運転状態における概略構成図である。本発明の第１実施形態での第２運転状態における概略構成図である。本発明の第２実施形態での第１運転状態における概略構成図である。本発明の第２実施形態での第２運転状態における概略構成図である。

本発明に係るエンジンの排熱回収装置を適用させたコージェネレーションシステムの実施形態について図面に基づいて説明する。尚、本発明は、エンジンの排熱効率を優先させる第１運転状態と、排熱回収媒体Ｍの高温回収及びそれによる蓄熱容量の増加を優先させる第２運転状態とを実現すべく、エンジン冷却回路１０の回路構成を切り替えられる点に特徴がある。以下では、まず、上記コージェネレーションシステムの基本構成について説明した後、エンジン冷却回路１０の回路構成の切り替えについて説明する。

〔第１実施形態〕
このコージェネレーションシステムは、図１、２に示すように、エンジン１１にて駆動された電力負荷１２に供給する電力を発生させる発電装置１３と、エンジン１１のエンジン冷却部３０とエンジン１１の排ガスＥの排熱を回収する排ガス熱交換器２７と排熱回収熱交換器２６とにエンジン冷却水Ｗを通流させるエンジン冷却回路１０と、エンジン１１の排熱を回収する排熱回収媒体Ｍを排熱回収熱交換器２６に通流させる排熱回収回路１４とを備え、排熱回収回路１４の排熱回収媒体Ｍにて回収した熱を熱負荷１５に供給自在に構成されている。

発電装置１３の出力側には、系統連系用のインバータ１６が設けられ、そのインバータ１６には、発電装置１３の出力電力を商用系統１７から供給される電力と同じ電圧及び同じ周波数にするように構成されている。商用系統１７は、電力供給ライン１８を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機等の電力負荷１２に電気的に接続されている。

インバータ１６は、コージェネ用電力供給ライン１９を介して電力供給ライン１８に電気的に接続され、発電装置１３からの発電電力がインバータ１６及びコージェネ用電力供給ライン１９を介して電力負荷１２に供給自在に構成されている。電力供給ライン１８には、図示は省略するが、電力負荷１２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１８を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かを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１６により発電装置１３から電力供給ライン１８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２０に供給されるように構成されている。

電気ヒータ２０は、後述するエンジン冷却回路１０を通流するエンジン冷却水Ｗを加熱自在に設けられている。電気ヒータ２０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エンジン冷却水Ｗ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エンジン冷却水Ｗの加熱量を調整自在に構成されている。

エンジン１１の運転は、制御装置２２により制御されている。エンジン１１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（図示せず）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Ｅを排気路２３に排気させる。図示は省略するが、エンジン１１の排気路２３には、排ガスＥ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２２は、酸素センサで検出される排ガスＥの酸素濃度が略ゼロとなるように燃料ガスの供給量調整している。これにより、エンジン１１は、燃焼室に供給される混合気の空気過剰率を略１．０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１１の排気路２３には、エンジン１１から排気路２３に排気された排ガスＥと後述するエンジン冷却回路１０を通流するエンジン冷却水Ｗとを熱交換させる排ガス熱交換器２７を備えている。そして、排ガス熱交換器２７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３４が一体的に配設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１１は、燃焼室（図示せず）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２７に一体的に配置された三元触媒３４により、排ガスＥ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１４は、貯湯槽２４の湯水を排熱回収媒体Ｍとし、貯湯槽２４から取り出した排熱回収媒体Ｍを通流させてエンジン１１の排熱を回収し、その排熱を有する排熱回収媒体Ｍを貯湯槽２４に戻すように構成されている。そして、排熱回収回路１４には、排熱回収媒体Ｍの通流方向の上流側から順に、排熱回収媒体循環ポンプ２５、後述するエンジン冷却回路１０を通流するエンジン冷却水Ｗと排熱回収媒体Ｍとを熱交換させる排熱回収熱交換器２６が備えられている。

貯湯槽２４には、貯湯槽２４に給水する給水路２８、貯湯槽２４に貯湯されている高温の排熱回収媒体Ｍを床暖房装置や浴室暖房装置等の熱負荷１５に供給する熱負荷供給路２９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Ｍを熱負荷供給路２９にて熱負荷１５に供給自在に構成されている。

制御装置２２は、例えば、電力負荷１２での要求電力量及び熱負荷１５での要求熱量について、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２２は、電力負荷１２での要求電力量及び熱負荷１５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１１の運転を制御するように構成されている。このとき、制御装置２２は、上記排熱回収媒体循環ポンプ２５を駆動するとともに、後述するエンジン冷却水循環ポンプ３６を作動させて、エンジン１１の排熱を排熱回収媒体Ｍにて回収するように構成されている。

以上が、本発明の排熱回収装置を適用させたコージェネレーションシステムの基本構成であるが、以下では、本発明の特徴的な構成であるエンジン冷却回路１０に係る構成について、図１、２に基づいて説明する。尚、以下で示す実施形態では、電気ヒータ２０には、余剰電力が供給されておらず、電気ヒータ２０は、エンジン冷却水Ｗを加熱していないものとする。

エンジン冷却回路１０は、エンジン１１の排ガスＥとエンジン冷却水Ｗとを熱交換させる排ガス熱交換器２７と、エンジン１１のシリンダブロックとエンジン冷却水Ｗとを熱交換させるエンジン冷却部３０と、電気ヒータ２０と、エンジン冷却部３０と排ガス熱交換器２７と電気ヒータ２０との全てを通流した後のエンジン冷却水Ｗと排熱回収媒体Ｍとを熱交換する排熱回収熱交換器２６とに、エンジン冷却水Ｗを循環させるように配設されている。
尚、エンジン冷却回路１０には、排熱回収熱交換器２６の下流側で四方弁３３の上流側に、エンジン冷却水Ｗを貯留自在な膨張タンク３２と、エンジン冷却水Ｗを圧送自在なエンジン冷却水循環ポンプ３６とが備えられている。当該エンジン冷却水循環ポンプ３６は、制御装置２２にて適切に駆動制御される。

そして、当該エンジン冷却回路１０には、四方弁３３（弁機構の一例）が設けられており、制御装置２２が当該四方弁３３を切り替えることにより、エンジン冷却回路１０は、図１にて太線で示される第１回路Ｃ１と、図２にて太線で示される第２回路Ｃ２との間で切替自在に構成されている。
即ち、四方弁３３は、エンジン１１の排熱回収効率を高める第１運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、排ガス熱交換器２７、エンジン冷却部３０、電気ヒータ２０を記載順に直列に通流させ熱を回収させ、その後、排熱回収熱交換器２６に導いて排熱回収媒体Ｍと熱交換させる第１回路Ｃ１（図１にて太線で示す回路）とする。一方、貯湯槽２４に高温貯湯して蓄熱容量を高める第２運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、エンジン冷却部３０、排ガス熱交換器２７、電気ヒータ２０を記載順に直列に通流させ熱を回収させ、その後、排熱回収熱交換器２６に導いて排熱回収媒体Ｍと熱交換させる第２回路Ｃ２（図２にて太線で示す回路）とするように働く。

これにより、排熱回収効率を高める第１運転状態にあっては、比較的低温のエンジン冷却水Ｗを、最初に、高い回収温度の期待できる排ガス熱交換器２７へ導き、その後、エンジン冷却部３０に導いて排熱回収することで、エンジン冷却水Ｗと排ガスＥの温度差を大きくして、排熱回収効率を向上させている。
一方、貯湯槽２４に高温貯湯して蓄熱容量を高める第２運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、最初に、エンジン冷却部３０にて余熱した後、高い回収温度の期待できる排ガス熱交換器２７へ導いて更に排熱回収することで、エンジン冷却水Ｗの温度を十分に高温にでき、貯湯槽２４への高温貯湯を行って蓄熱容量を向上させている。

尚、上記四方弁３３の切り替えは、制御装置２２が、貯湯槽２４の鉛直方向で下方に設けられている第１温度センサ３５（第１温度計測手段の一例）にて計測される第１計測温度に基づいて行う。
まず最初に、制御装置２２は、貯湯槽２４内の排熱回収媒体Ｍの温度が低い状態では、回収熱量が大きい第１運転状態として、排熱回収効率を優先する。
そして、制御装置２２は、貯湯槽２４の鉛直方向で下方側に貯湯されている排熱回収媒体Ｍの温度として、第１温度センサ３５にて測定される第１計測温度が、貯湯温度が低い第１閾値温度（例えば、４０℃）以上となったときに、四方弁３３を切り替えて、第１運転状態から第２運転状態への切り替え、即ち、エンジン冷却回路１０を第１回路Ｃ１（図１にて太線で示す回路）から第２回路Ｃ２（図２にて太線で示す回路）へと切り替える。
一方、制御装置２２は、第１計測温度が第１閾値温度未満となったときには、四方弁３３を切り替えて、第２運転状態から第１運転状態への切り替え、即ち、エンジン冷却回路１０を第２回路Ｃ２（図２にて太線で示す回路）から第１回路Ｃ１（図１にて太線で示す回路）へと切り替える。

ここで、第１運転状態において、本発明の各部位における温度の一例を示すと、エンジン１１が定格運転を行っており、シリンダヘッドの温度が１００℃であり、排ガス熱交換器２７の入口の排ガスＥの温度が５００℃、排ガス熱交換器２７の出口の排ガスＥの温度が７５℃の場合であって、貯湯槽２４から排熱回収熱交換器２６の入口に導かれる排熱回収媒体Ｍの温度が２０℃、排熱回収媒体Ｍの流量が５Ｌ／ｍｉｎのときには、エンジン冷却水Ｗの温度は、排熱回収熱交換器２６の出口及び排ガス熱交換器２７の入口にて、７０℃、排ガス熱交換器２７の出口及びエンジン冷却部３０の入口にて７７℃、エンジン冷却部３０の出口及び電気ヒータ２０の入口にて８０℃、電気ヒータ２０の出口及び排熱回収熱交換器２６の入口にて８０℃となる。尚、上述したように、当該電気ヒータ２０は、当該実施形態において、エンジン冷却水Ｗを加熱していないものとする。
このとき、排熱回収熱交換器２６の出口の排熱回収媒体Ｍの温度は７５℃、貯湯槽２４に貯湯される排熱回収媒体Ｍの温度も７５℃となる。

一方、第２運転状態において、本発明の各部位における温度の一例を示すと、エンジン１１が定格運転を行っており、シリンダヘッドの温度が１００℃であり、排ガス熱交換器２７の入口の排ガスＥの温度が５００℃、排ガス熱交換器２７の出口の排ガスＥの温度が７５℃の場合であって、貯湯槽２４から排熱回収熱交換器２６の入口に導かれる排熱回収媒体Ｍの温度が２０℃、排熱回収媒体Ｍの流量が５Ｌ／ｍｉｎのときには、エンジン冷却水Ｗの温度は、排熱回収熱交換器２６の出口及びエンジン冷却部３０の入口にて７７℃、エンジン冷却部３０の出口及び排ガス熱交換器２７の入口にて８０℃、排ガス熱交換器２７の出口及び電気ヒータ２０の入口にて８５℃、電気ヒータ２０の出口及び排熱回収熱交換器２６の入口にて８５℃となる。
このとき、排熱回収熱交換器２６の出口の排熱回収媒体Ｍの温度は８０℃、貯湯槽２４に貯湯される排熱回収媒体Ｍの温度も８０℃となる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態は、基本的な構成については、第１実施形態と同一であり、エンジン冷却回路１０に係る構成が異なる。そこで、以下では、特に、その点について、図３、４に基づいて説明し、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を割愛することがある。

エンジン冷却回路１０は、第１実施形態と同様に、エンジン１１のシリンダブロック（図示せず）とエンジン冷却水Ｗとを熱交換させるエンジン冷却部３０と、エンジン１１の排ガスＥとエンジン冷却水Ｗとを熱交換させる排ガス熱交換器２７と、電気ヒータ２０と、エンジン冷却部３０と排ガス熱交換器２７と電気ヒータ２０の全てを通流した後のエンジン冷却水Ｗと排熱回収媒体Ｍとを熱交換する排熱回収熱交換器２６とに、エンジン冷却水Ｗを循環させるように配設されている。尚、エンジン冷却回路１０には、排熱回収熱交換器２６の下流側で、且つ排ガス熱交換器２７とエンジン冷却部３０と電気ヒータ２０の上流側に、エンジン冷却水を貯湯自在な膨張タンク３２と、エンジン冷却水Ｗを圧送自在なエンジン冷却水循環ポンプ３６とが備えられている。当該エンジン冷却水循環ポンプ３６は、制御装置２２にて適切にその駆動が制御される。

エンジン冷却回路１０には、弁機構として２つの第１三方弁３７ａと第２三方弁３７ｂとが設けられている。エンジン冷却回路１０は、制御装置２２が当該第１三方弁３７ａ及び第２三方弁３７ｂを切り替えることにより、図３にて太線で示される第３回路Ｃ３と、図４にて太線で示される第４回路Ｃ４との間で切替自在に構成されている。
ここで、第１三方弁３７ａは、その上流側から排熱回収熱交換器２６を通流した後のエンジン冷却水Ｗを受け入れると共に、その下流側でエンジン冷却水Ｗを排ガス熱交換器２７とエンジン冷却部３０の何れか一方に導くように設けられている。第２三方弁３７ｂは、その上流側から排ガス熱交換器２７を通流した後のエンジン冷却水Ｗを受け入れると共に、その下流側でエンジン冷却水Ｗをエンジン冷却部３０とバイパス路３８との何れか一方に導くように設けられている。
即ち、第１三方弁３７ａ及び第２三方弁３７ｂは、エンジン１１の排熱回収効率を高める第１運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、排ガス熱交換器２７、エンジン冷却部３０、電気ヒータ２０を記載順に直列に通流させ熱を回収させ、その後、排熱回収熱交換器２６へ導いて排熱回収媒体Ｍと熱交換させる第３回路Ｃ３（図３で太線で示す回路）とする。一方、貯湯槽２４に高温貯湯して蓄熱容量を高める第２運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、排ガス熱交換器２７とエンジン冷却水Ｗとの双方に並列に通流させた後、電気ヒータ２０を通流させて熱を回収させ、その後、排熱回収熱交換器２６へ導いて排熱回収媒体Ｍと熱交換させる第４回路Ｃ４（図４で太線で示す回路）とする。

これにより、排熱回収効率を高める第１運転状態にあっては、比較的低温のエンジン冷却水Ｗを、最初に、高い回収温度の期待できる排ガス熱交換器２７へ導き、その後、エンジン冷却部３０へ導いて排熱回収することで、排ガス熱交換器２７において、エンジン冷却水Ｗと排ガスＥとの温度差を大きくとる形態で、排熱回収効率を向上させている。
一方、貯湯槽２４に高温貯湯して蓄熱容量を高める第２運転状態にあっては、エンジン冷却水Ｗを、高い回収温度の期待できる排ガス熱交換器２７とエンジン冷却部３０とに並列に導いて排熱回収することで、エンジン冷却水Ｗの温度を十分に高温にでき、貯湯槽２４への高温貯湯を行って蓄熱容量を向上させている。

尚、上記第１三方弁３７ａ及び第２三方弁３７ｂの切り替えは、制御装置２２が、貯湯槽２４の鉛直方向で下方側に設けられている第１温度センサ３５（第１温度計測手段の一例）にて計測される第１計測温度に基づいて行う。

即ち、制御装置２２は、貯湯槽２４の鉛直方向で下方側に貯湯されている排熱回収媒体Ｍの温度として、第１温度センサ３５にて測定される第１計測温度が、貯湯温度が低い第１閾値温度（例えば、４０℃）以上となったときに、四方弁３３を切り替えて、第１運転状態から第２運転状態への切り替え、即ち、エンジン冷却回路１０を第３回路Ｃ３（図３で太線で示す回路）から第４回路Ｃ４（図４で太線で示す回路）へと切り替える。
一方、制御装置２２は、第１計測温度が第１閾値温度未満となったときには、四方弁３３を切り替えて、第２運転状態から第１運転状態への切り替え、即ち、エンジン冷却回路１０を第４回路Ｃ４（図４にて太線で示す回路）から第３回路Ｃ３（図３にて太線で示す回路）へと切り替える。

ここで、第１運転状態において、排熱回収装置の各部位における温度の一例を示すと、エンジン１１が定格運転を行っており、シリンダヘッドの温度が１００℃であり、排ガス熱交換器２７の入口の排ガスＥの温度が５００℃、排ガス熱交換器２７の出口の排ガスＥの温度が７５℃の場合であって、貯湯槽２４から排熱回収熱交換器２６の入口に導かれる排熱回収媒体Ｍの温度が２０℃、排熱回収媒体Ｍの流量が５Ｌ／ｍｉｎのときには、エンジン冷却水Ｗの温度は、排熱回収熱交換器２６の出口及び排ガス熱交換器２７の入口にて７０℃、排ガス熱交換器２７の出口及びエンジン冷却部３０の入口にて７７℃、エンジン冷却部３０の出口及び電気ヒータ２０の入口にて８０℃、電気ヒータ２０の出口から排熱回収熱交換器２６の入口にて８０℃となり、排熱回収熱交換器２６の出口の排熱回収媒体Ｍの温度は７５℃、貯湯槽２４に導かれる排熱回収媒体Ｍの温度も７５℃となる。

一方、第２運転状態において、排熱回収装置の各部位における温度の一例を示すと、エンジン１１が定格運転を行っており、シリンダヘッドの温度が１００℃であり、排ガス熱交換器２７の入口の排ガスＥの温度が５００℃、排ガス熱交換器２７の出口の排ガスＥの温度が７５℃の場合であって、貯湯槽２４から排熱回収熱交換器２６の入口に導かれる排熱回収媒体Ｍの温度が２０℃、排熱回収媒体Ｍの流量が５Ｌ／ｍｉｎのときには、エンジン冷却水Ｗの温度は、排熱回収熱交換器２６の出口及び排ガス熱交換器２７の入口及びエンジン冷却部３０の入口にて７７℃、排ガス熱交換器２７の出口にて８７℃、エンジン冷却部３０の出口にて８３℃、電気ヒータ２０の入口にて８５℃、電気ヒータ２０の出口にて８５℃となる。尚、上述したように、当該電気ヒータ２０は、当該実施形態において、エンジン冷却水Ｗを加熱していないものとする。
このとき、排熱回収熱交換器２６の出口の排熱回収媒体Ｍの温度は８０℃、貯湯槽２４へ導かれる排熱回収媒体Ｍの温度は８０℃となる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態において、四方弁３３、第１三方弁３７ａ、及び第２三方弁３７ｂの制御は、制御装置２２が、第１温度センサ３５にて計測され第１計測温度に基づいて行う構成を示した。しかしながら、四方弁３３、第１三方弁３７ａ、及び第２三方弁３７ｂの制御は、制御装置２２が排熱回収熱交換器２６の入口又は出口でのエンジン冷却水Ｗの温度に基づいて行うように構成しても構わない。
即ち、制御装置２２は、排熱回収熱交換器２６の入口において、第２温度センサ３９（第２温度計測手段の一例）にて計測される第２計測温度としてのエンジン冷却水Ｗの温度が、入口側での第２閾値温度（例えば、８０℃）以上となったときに、第１運転状態から第２運転状態へ切り替え、入口側での第２閾値温度未満となったときに、第２運転状態から第１運転状態へ切り替えるように、四方弁３３、第１三方弁３７ａ、及び第２三方弁３７ｂ切り替える。
若しくは、制御装置２２は、排熱回収熱交換器２６の出口において、第３温度センサ４０（第２温度計測手段の一例）にて計測される第２計測温度としてのエンジン冷却水Ｗのエンジン冷却水Ｗの温度が、出口側での第２閾値温度（例えば、７０℃）以上となったときに、第１運転状態から第２運転状態へ切り替え、出口側での第２閾値温度未満となったときに、第２運転状態から第１運転状態へと切り替えるように、四方弁３３、第１三方弁３７ａ、及び第２三方弁３７ｂ切り替える。

（２）上記実施形態では、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）排熱回収媒体Ｍは、排熱回収回路１４に備えた排熱回収媒体循環ポンプ２５の作動により通流させているが、例えば、給水路２８の給水の水圧を利用して排熱回収媒体Ｍを通流させることもできる。

（４）上記実施形態において、電気ヒータ２０は、余剰電力が発生した場合にエンジン冷却水Ｗを加熱するものとしたが、高温貯湯を行う第２運転状態においては、余剰電力の有無に関わらず、エンジン冷却水Ｗを加熱するものとしても構わない。

（５）上記第１実施形態において、制御装置２２は、貯湯槽２４に貯湯されている排熱回収媒体Ｍの温度が低い場合には、排熱回収効率を優先させるべく、第１運転状態にする制御を行うものとした。しかしながら、高温貯湯を優先させる場合には、制御装置２２は、貯湯槽２４に貯湯されている排熱回収媒体Ｍの温度が低い場合であっても、第２運転状態にする制御を行うものとしても構わない。

本発明のエンジンの排熱回収装置は、エンジンの排熱回収効率を高めることができながらも、回収した熱の蓄熱容量を高めるべく排熱回収媒体の温度を高めることができると共に、エンジンの潤滑油の高温化を抑制してその劣化を防止しながらも、エンジンのシリンダブロックの高温化を防止してノッキング等の異常燃焼を抑制できるエンジンの排熱回収装置として、有効に利用可能である。

Ｍ：排熱回収媒体
Ｗ：エンジン冷却水
Ｅ：排気ガス
１０：エンジン冷却回路
１１：エンジン
１４：排熱回収回路
２２：制御装置
２４：貯湯槽
２６：排熱回収熱交換器
２７：排ガス熱交換器
３０：エンジン冷却部
３３：四方弁
３５：第１温度センサ
３７ａ：第１三方弁
３７ｂ：第２三方弁

Claims

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、
前記エンジンのシリンダブロックとエンジン冷却水とを熱交換させるエンジン冷却部と、前記エンジンの排ガスとエンジン冷却水とを熱交換させる排ガス熱交換器とに、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、前記エンジン冷却部及び前記排ガス熱交換器の双方を通流した後のエンジン冷却水と排熱回収媒体とを熱交換させる排熱回収熱交換器を備え、
エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器を通流した後に前記エンジン冷却部を通流する第１運転状態を実行可能、且つエンジン冷却水が前記エンジン冷却部を通流した後に前記排ガス熱交換器を通流する運転状態又は前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する運転状態の何れか一方の運転状態である第２運転状態を実行可能に構成され、
前記第１運転状態と前記第２運転状態を切替制御する制御手段を備え、
前記排熱回収回路に、前記排熱回収媒体を成層貯湯可能な貯湯槽を備え、
当該貯湯槽の鉛直方向で下方側の部位に、当該貯湯槽に貯湯された排熱回収媒体の温度を測定可能な第１温度計測手段を備え、
前記制御手段は、前記第１温度計測手段にて計測される第１計測温度が、貯湯槽の貯湯温度が低い第１閾値温度以上となったときに、前記第１運転状態から前記第２運転状態へと切り替えるエンジンの排熱回収装置。
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、
前記エンジンのシリンダブロックとエンジン冷却水とを熱交換させるエンジン冷却部と、前記エンジンの排ガスとエンジン冷却水とを熱交換させる排ガス熱交換器とに、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、前記エンジン冷却部及び前記排ガス熱交換器の双方を通流した後のエンジン冷却水と排熱回収媒体とを熱交換させる排熱回収熱交換器を備え、
エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器を通流した後に前記エンジン冷却部を通流する第１運転状態を実行可能、且つエンジン冷却水が前記エンジン冷却部を通流した後に前記排ガス熱交換器を通流する運転状態又は前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する運転状態の何れか一方の運転状態である第２運転状態を実行可能に構成され、
前記第１運転状態と前記第２運転状態を切替制御する制御手段を備え、
前記エンジン冷却回路における前記排熱回収熱交換器の入口又は出口を通流するエンジン冷却水の温度を測定する第２温度計測手段を備え、
前記制御手段が、前記エンジンが定格運転を行っているときに、前記第２温度計測手段にて計測される第２計測温度が、第２閾値温度以上となったときに、前記第１運転状態から前記第２運転状態へと切り替えるエンジンの排熱回収装置。
前記第１運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器と前記エンジン冷却部とに記載順に直列に通流する第１回路とすると共に、前記第２運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とに記載順に直列に通流する第２回路とする弁機構を備えている請求項１又は２に記載のエンジンの排熱回収装置。
前記第１運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記排ガス熱交換器と前記エンジン冷却部とに記載順に直列に通流する第３回路とすると共に、前記第２運転状態において、前記エンジン冷却回路を、エンジン冷却水が前記エンジン冷却部と前記排ガス熱交換器とを並列に通流する第４回路とする弁機構を備えている請求項１又は２に記載のエンジンの排熱回収装置。