JP3871193B2 - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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