JP4548722B2

JP4548722B2 - コジェネレーション装置

Info

Publication number: JP4548722B2
Application number: JP2005034740A
Authority: JP
Inventors: 博行木谷; 信行由利; 孝一浅井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006220076A

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のエンジン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等に使用される排熱回収装置では、排気熱交換器で排気が冷却されたときに凝縮水を生じる。そこで、排気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て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回路を閉塞してしまい、運転に支障をきたすことがあり得る。

本発明は、上記課題に対してなされたものであり、その目的は、排気経路で凍結した凝縮水で排気経路が閉塞するのを防止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にある。

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、前記エンジンの排気を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、エンジンの停止要求検出部と、前記排気経路の環境温度を感知する環境温度センサと、前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサと、感知された前記環境温度が氷点下であり、かつ感知された前記熱媒体の温度が予め設定した基準温度以下であるときにエンジンの停止要求の実行を保留してエンジンの運転を継続させるエンジン制御部とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジン制御部が、前記熱媒体の温度が前記基準温度を超えたときに前記停止要求の保留を解除する点に第２の特徴がある。

さらに、本発明は、前記エンジン制御部が、前記停止要求の保留中は、エンジンの回転数目標値をアイドリング用にする点に第３の特徴がある。

上記特徴を有する本発明によれば、凝縮水が凍結するおそれがある氷点下に排気経路が置かれている状況で、かつ排気温度が凝縮水を吹き飛ばすことができるのに十分な温度になっていることを示す基準温度に熱媒体の温度が到達していないときはエンジンが停止されない。つまり短時間で停止する運転が回避され、凝縮水が排気経路に残らないので、凝縮水が凍結して排気経路が閉塞されるのを防止することができる。

第２の特徴によれば、熱媒体の温度が基準温度より高くなるまで、エンジンの運転が継続されるので、エンジンは暖機されて排気は排気経路から凝縮水を吹き飛ばすのに十分な温度になっていると判断される。したがって、排気温度が十分に高い通常の運転時の温度になっているので、排気経路上に凝縮水が残留しない。

第３の特徴によれば、エンジンのアイドリングでは、排気温度が高くなるし、発生する凝縮水の量も少ないので、より効果的に排気経路の凍結防止が可能である。したがって、凍結を防止できる運転を最小のエネルギ消費で果たすことができる。

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はコジェネレーション装置に使用さ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。

排熱回収装置１の上部には、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等の制御機器はエンジン２の熱影響を受けにくくするため仕切板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。

排熱回収装置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に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排熱回収装置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。

排熱回収装置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。排熱回収装置１では、電動ファンを用いて外部から庫内に空気を導入し、かつ内部の冷却ファンとホースとで空気を上方に案内して天井付近のダクトから外部に排出する換気システムを採用する。したがって、庫内底部は低温になりやすい。そこで、排熱回収装置１の庫内で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の排気出口近くに庫内温度センサ３５を設置すれば、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。

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。

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。排熱回収装置１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が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。

一方、エンジン２からの排気は、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。排気熱回収装置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、その上端は排熱回収装置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が付設される。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に矢印で示す排気の流れを説明する。エンジン２の排気は、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、排気はダクト２７４から外部に放出される。

エンジン２の排気は上述の各熱交換部で熱交換により熱を奪われて冷却される。このときに排気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と、凍結した凝縮水が排気回路を閉塞してしまい、運転に支障をきたすことがあり得る。そこで、本実施形態では、この凍結による接続部や狭隘部の閉塞を防止する策を以下のように講じている。

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。停止要求入力部３６は、外部熱負荷からの熱要求が無くなったときや、コントロールパネルから運転停止の指示が入力されたときにエンジン停止要求ＳＴＯＰ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が氷点下（０°Ｃ以下）かどうかを判断する。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。

水温判断部３９は、水温センサ３４で感知された冷却水温度Ｔ２が基準温度Ｔｒｅｆ以下かどうかを判断する。基準温度Ｔｒｅｆは排気温度が排気経路に凝縮水を生じさせないで、かつ凝縮水を吹き飛ばすことができる程度になっていることを判断できる温度であり、予め設定される。基準温度Ｔｒｅｆは、一例として７５°Ｃである。排気温度ではなく冷却水温を基準温度Ｔｒｅｆと比較するようにしたのは、冷却水の温度変化の方が緩やかであり、排気温度に基づく判断より確実だからである。冷却水温度Ｔ２が温度Ｔｒｅｆ以下であれば、冷却水低温信号ＣＬをハイレベル（Ｈ）にする。

エンジン制御部３７は、エンジン停止要求ＳＴＯＰが入力されたときに、環境低温信号ＡＬおよび冷却水低温信号ＣＬを読み込み、これらのうち、少なくとも一方がローレベルであったときは、エンジン停止指令を出力してエンジン２を停止する。環境温度が０°Ｃ以下でなければ、エンジン２を停止しても発生した凝縮水が凍結するおそれがないからである。また、冷却水温が７５°Ｃ以下でなければ排気温度は高くなっていて凝縮水は生じにくいし、生じていた凝縮水も吹き飛ばされて排気経路内残っていない状況にあると判断されるからである。

これに対して、環境低温信号ＡＬおよび冷却水低温信号ＣＬがいずれもハイレベルであったときは、凝縮水の発生や凍結が予想されるので、エンジン制御部３７は環境低温信号ＡＬおよび冷却水低温信号ＣＬのいずれかがローレベルになるまでエンジン停止指令を出力しない。つまりエンジン停止要求が保留され、エンジン２の回転状態が維持される。なお、エンジン停止要求保留時は、エンジン回転数の目標値をアイドル回転数用に設定して、最小の消費エネルギで運転する。エンジン２のアイドリング時は発電機は出力を停止して無負荷運転とする。

図４は、図１の機能に対応するフローチャートである。ステップＳ１では、エンジン停止要求ＳＴＯＰの有無を判断する。停止要求ＳＴＯＰがあれば、ステップＳ２で排気系の環境温度Ｔ１が氷点下か否かを判断する。環境温度Ｔ１が氷点下であれば、ステップＳ３に進んで冷却水温度Ｔ２が予定の基準温度Ｔｒｅｆ以下か否かを判断する。ステップＳ３が否定、もしくはステップＳ２が否定であれば、凝縮水の凍結のおそれがなかったり、凝縮水が排気系から排出されていると判断して、ステップＳ４に進み、エンジン停止指令を出力する。これによって、エンジン２は直ちに停止する。

ステップＳ３が肯定、つまり環境温度Ｔ１が氷点下であり、冷却水温度Ｔ２も基準温度Ｔｒｅｆ以下の低温であった場合は、エンジン停止指令を出力せず、ステップＳ５に進んで、アイドリング中か否かつまりアイドリング用のエンジン回転数目標値になっているかどうかを判断する。アイドリング中であればステップＳ２に進む。アイドリング中でなければ、ステップＳ６に進んでエンジン回転数目標値をアイドリング用に切り替える。なお、ステップＳ５およびステップＳ６を省略して、ステップＳ３が肯定の場合はステップＳ２に進むようにしてもよい。

本実施形態では、凝縮水が残っていても凍結のおそれがない環境温度の時、および凝縮水が高温になって排気系から外部へ吹き飛ばされているであろうと判断される場合には、エンジン停止要求に即座に応じる。これに対して、凝縮水が残っていると凍結のおそれがある環境温度の時、および凝縮水が比較的低温で排気系から外部へ吹き飛ばされないであろうと判断される場合には、エンジン停止要求を保留してエンジンの回転を維持する。これによって、凝縮水が凍結するおそれを生じさせる短時間運転が回避される。

なお、エンジン停止要求が緊急度の高い場合に限ってエンジン停止を優先させる機能をもたせることも、本発明の範囲内の適用例の一つである。

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。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処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…排熱回収装置、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…水温判断部

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、前記エンジンの排気を外部へ排出する排気経路とを有するコジェネレーション装置において、
エンジンの停止要求検出部と、
前記排気経路の環境温度を感知する環境温度センサと、
前記熱交換器より下流で熱媒体の温度を感知する熱媒体センサと、
感知された前記環境温度が氷点下であり、かつ感知された前記熱媒体の温度が予め設定した基準温度以下であるときにエンジンの停止要求の実行を保留してエンジンの運転を継続させるエンジン制御部とを具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
前記エンジン制御部が、前記熱媒体の温度が前記基準温度を超えたときに前記停止要求の保留を解除する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。
前記エンジン制御部が、前記停止要求の保留中は、エンジンの回転数目標値をアイドリング用にすることを特徴とする請求項１または２記載のコジェネレーション装置。