(57)【要約】【課題】エンジンの始動時や外気温度に拘らず、予混合圧縮着火燃焼エンジンを安定駆動させて作動し、これにより予混合圧縮着火燃焼エンジンを用いて効率よく熱電併給を行うことができる定置型熱電併給システムを提供すること。【解決手段】エンジン２から発生した熱を蓄熱タンク３によって回収して蓄熱し、この蓄熱タンク３に蓄熱された熱を配管Ｈ１及びポンプＰ１から成る熱供給手段と、配管Ｈ２、ポンプＰ２及び熱交換器２１から成る熱供給手段とによってエンジン２に供給する。従って、エンジン２が十分に暖機されていないエンジン２の始動時や、寒冷地等の外気温度が低い場所での使用時等に、エンジン２を自着火可能な温度まで昇温することが可能となり、エンジン２の始動時や外気温度に拘らず、エンジン２を安定駆動させて作動し、熱効率を高めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合圧縮着火燃焼が可能な予混合圧縮着火燃焼エンジンと、
前記予混合圧縮着火燃焼エンジンから発生する熱を回収して蓄熱する蓄熱手段と、
前記蓄熱手段に蓄熱された熱を前記予混合圧縮着火燃焼エンジンに供給する熱供給手段と、
を備える定置型熱電併給システム。
【請求項２】
前記予混合圧縮着火燃焼エンジンから排出される排ガスを浄化する酸化触媒を備え、
前記酸化触媒は、前記蓄熱手段の内部に設けられている、
請求項１に記載の定置型熱電併給システム。
【請求項３】
前記予混合圧縮着火燃焼エンジンから排出される排ガスを浄化する酸化触媒と、
前記蓄熱手段に蓄熱された熱を利用して前記酸化触媒を加熱する酸化触媒加熱手段と、を備える請求項１に記載の定置型熱電併給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定置型熱電併給システムに関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体燃料や都市ガス等を燃料とするエンジンで発電機を駆動して電力を得ると共に、エンジンからの排熱を回収し熱源として利用する熱電併給システム（コージェネレーションシステム）が知られている。近年、このコージェネレーションシステムはＣＯ２削減や省エネ等の見地から注目されている。例えば、以下の特許文献１に記載のエンジンコージェネレーションシステムは、予混合圧縮着荷燃焼が可能なエンジンと発電機との組み合わせからなる複数のエンジン発電機、照明器具等の家電機器からなる電力負荷、エンジン冷却熱回収用の熱交換器、エンジン排ガス熱回収用の熱交換器、及び、家庭内にある給湯設備や空調設備等の熱負荷を備えており、各エンジンを回転動作して各々の発電機を駆動し、これにより得られた電力を電力負荷に供給すると共に、各熱交換器で回収された排熱を熱負荷に供給する。そして、発電効率及び排熱量の異なる複数の運転モード（火花着火燃焼モード、点火時期リタード燃焼モード及び予混合圧縮着火燃焼モード）で各エンジンを回転動作することで、このエンジンコージェネレーションシステムによる電力出力と熱出力との比である熱電比を制御して電力需要及び熱需要の変化に追従し、効率のよいエンジンコージェネレーションシステムを得ることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６３６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような予混合圧縮着火燃焼が可能な予混合圧縮着火燃焼エンジンでは、その燃焼が可能な温度の範囲が通常の燃焼よりも限られており、特に、エンジンが十分に暖機されていないエンジンの始動時や、寒冷地等の外気温度が低い場所での使用時等には、自着火が困難な場合があり、予混合圧縮着火燃焼ができないおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、エンジンの始動時や外気温度に拘らず、予混合圧縮着火燃焼エンジンを安定駆動させて作動し、これにより予混合圧縮着火燃焼エンジンを用いて効率よく熱電併給を行うことができる定置型熱電併給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の定置型熱電併給システムは、予混合圧縮着火燃焼が可能な予混合圧縮着火燃焼エンジンと、予混合圧縮着火燃焼エンジンから発生する熱を回収して蓄熱する蓄熱手段と、蓄熱手段に蓄熱された熱を前記予混合圧縮着火燃焼エンジンに供給する熱供給手段とを備える。
【０００７】
本発明では、予混合圧縮着火燃焼エンジンから発生した熱が蓄熱手段によって回収されて蓄熱され、この蓄熱手段に蓄熱された熱が熱供給手段によって予混合圧縮着火燃焼エンジンに供給される。従って、エンジンが十分に暖機されていないエンジンの始動時や、寒冷地等の外気温度が低い場所での使用時等に、予混合圧縮着火燃焼エンジンを自着火可能な温度まで昇温することが可能となり、エンジンの始動時や外気温度に拘らず、予混合圧縮着火燃焼エンジンを安定駆動させて作動させることができる。これにより、予混合圧縮着火燃焼エンジンを用いて効率よく熱電併給を行うことができる。
【０００８】
ここで、予混合圧縮着火燃焼エンジンから排出される排ガスを浄化する酸化触媒を備え、酸化触媒は、蓄熱手段の内部に設けられていることが好ましい。また、予混合圧縮着火燃焼エンジンから排出される排ガスを浄化する酸化触媒と、蓄熱手段に蓄熱された熱を利用して酸化触媒を加熱する酸化触媒加熱手段とを備えるようにしても良い。こうすると、酸化触媒を加熱して当該酸化触媒を活性化することが可能となり、予混合圧縮着火燃焼エンジンから排出される排ガスを良好に浄化することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンジンの始動時や外気温度に拘らず、予混合圧縮着火燃焼エンジンを安定駆動させて作動し、これにより予混合圧縮着火燃焼エンジンを用いて効率よく熱電併給を行うことができる定置型熱電併給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示す定置型熱電併給システムの要部を示すブロック図である。
【図３】従来のエネルギーシステムを示すブロック図である。
【図４】図１に示す定置型熱電併給システムにおける予混合圧縮着火燃焼エンジンの熱効率とＣＯ２削減係数との関係を示す線図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムの要部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明の定置型熱電併給システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。
【００１３】
定置型熱電併給システム１Ａは、オフィスや住宅等に設置され、液体燃料や都市ガス等を燃料とするエンジンを運転することで、オフィスや住宅等に電力及び熱を供給するためのシステムである。この定置型熱電併給システム１Ａは、住宅Ｈ用に設置されており、エンジン（予混合圧縮着火燃焼エンジン）２、蓄熱タンク（蓄熱手段）３、発電機４、太陽電池５、電力分配器６及びヒートポンプ７を備えている。
【００１４】
エンジン２は、液体燃料や都市ガス等を燃焼して動力を得るためのものである。このエンジン２は、予混合圧縮着火燃焼が可能な予混合圧縮着火燃焼エンジンとなっており、通常のエンジンに比して燃費が良く、ＮＯｘの排出量が少ない。エンジン２には、ノックセンサ等のノイズメータ（不図示）が設けられており、このノイズメータで測定されるノイズレベルに合わせて、エンジン２の運転条件を設定することが可能となっている。具体的には、ノイズメータで測定されるノイズレベルが一定値以上になると、燃焼開始時期を遅角させるために、詳しくは後述する配管Ｈ１及び配管Ｈ２を介して蓄熱タンク３に貯留されている水をエンジン２に供給し（図２参照）、冷却ジャケットや吸気される空気の温度を低下させる等の操作を行うことが可能となっている。なお、エンジン２は、単気筒であっても多気筒であっても良い。
【００１５】
蓄熱タンク３は、エンジン２から発生する熱を回収して蓄熱するためのものであり、その内部には水が貯留されている。また、加熱されて熱湯となった水は、住宅Ｈの暖房装置や給湯装置に供給される。また、詳しくは後述する太陽電池５のパネルを冷却するため、蓄熱タンク３に貯留されている水は、冷却水として蓄熱タンク３と太陽電池５との間を循環するようになっている。
【００１６】
発電機４は、エンジン２によって得られる動力で駆動し発電を行うためのものであり、発電機４で発電された電力は、電力分配器６に供給される。
【００１７】
太陽電池５は、太陽光発電を行うためのものであり、太陽電池５で発電された電力は、電力分配器６に供給される。また、太陽電池５は、高温になると発電効率が低下するため、蓄熱タンク３から供給された冷却水でパネルを冷却する。
【００１８】
電力分配器６は、発電機４及び太陽電池５から供給された電力をヒートポンプ７や住宅Ｈに設けられている電気機器等（不図示）に供給すると共に、商用電力ラインＥによって電力会社に供給し売電する。なお、電力分配器６は、商用電力ラインＥから商用電力を取り込むことが可能であり、取り込んだ商用電力をヒートポンプ７や住宅Ｈに設けられている電気機器等に供給する。
【００１９】
ヒートポンプ７は、電力分配器６から供給された電力によって駆動し、これによって住宅Ｈの冷房装置を運転する。
【００２０】
次に、定置型熱電併給システム１Ａの要部について詳細に説明する。
【００２１】
図２は、図１に示す定置型熱電併給システムの要部を示すブロック図であり、図１中の枠Ａ内を詳細に示すものである。
【００２２】
蓄熱タンク３には、配管Ｈ１が接続されており、この配管Ｈ１にはポンプＰ１が取り付けられている。配管Ｈ１は、エンジン２の冷却ジャケットに接続されており、ポンプＰ１を駆動すると、蓄熱タンク３に貯留されている水が、蓄熱タンク３とエンジン２との間を循環するようになっている。そして、エンジン２が運転中の場合には、水を循環させることでエンジン２を冷却し、エンジン２から発生する熱を回収して蓄熱することが可能となっている。また、エンジン２の始動時や外気温度が低い場合には、熱湯となった水を循環させることで、蓄熱タンク３に蓄熱されている熱をエンジン２に供給することが可能となっている。このように、配管Ｈ１及びポンプＰ１が、蓄熱タンク３に蓄熱された熱をエンジン２に供給する熱供給手段として機能する。
【００２３】
また、蓄熱タンク３には、配管Ｈ２が接続されており、この配管Ｈ２にはポンプＰ２が取り付けられている。配管Ｈ２は、エンジン２の吸気管に取り付けられた熱交換器２１に接続されており、ポンプＰ２を駆動すると、蓄熱タンク３に貯留されている水が、蓄熱タンク３と熱交換器２１との間を循環するようになっている。そして、エンジン２が運転中の場合には、水を循環させることで熱交換器２１を通る空気を冷却し、空気の熱を回収して蓄熱することが可能となっている。また、エンジン２の始動時や外気温度が低い場合には、熱湯となった水を循環させることで、熱交換器２１を通る空気を加熱することが可能となっている。そして、この加熱された空気をエンジン２が吸気することで、蓄熱タンク３に蓄熱されている熱をエンジン２に供給することが可能となっている。このように、このように、配管Ｈ２、ポンプＰ２及び熱交換器２１が、蓄熱タンク３に蓄熱された熱をエンジン２に供給する熱供給手段として機能する。
【００２４】
エンジン２には、排ガスを排出するための排気管Ｇが取り付けられており、この排気管Ｇの途中には、排ガス中の未燃炭化水素やＣＯを浄化するための酸化触媒Ｃが設けられている。なお、エンジン２は予混合圧縮着火燃焼エンジンであり、ＮＯｘの排出量は通常のエンジンに比して少ないため、酸化触媒Ｃは、通常のエンジンの排気管に設けられている高価な三元触媒等である必要はなく、未燃炭化水素やＣＯが浄化できる安価な酸化触媒で良い。排気管Ｇは蓄熱タンク３の内部を貫通しており、排気管Ｇの蓄熱タンク３内の部分には、熱交換器３１が設けられている。そして、蓄熱タンク３に貯留されている水によって熱交換器３１を通る排ガスを冷却し、排ガスの熱を回収して蓄熱することが可能となっている。
【００２５】
蓄熱タンク３には、配管Ｈ３が接続されており、この配管Ｈ３にはポンプＰ３が取り付けられている。配管Ｈ３は、排気管Ｇの酸化触媒Ｃが設けられている部分の外壁面に接するように設けられており、ポンプＰ３を駆動すると、蓄熱タンク３に貯留されている水が、触媒Ｃの周囲を流れて循環する。そして、熱湯となった水を循環させることで、酸化触媒Ｃを加熱することが可能となっている。このように、配管Ｈ３及びポンプＰ３が、蓄熱タンク３に蓄熱された熱を利用して酸化触媒Ｃを加熱する酸化触媒加熱手段として機能する。
【００２６】
なお、蓄熱タンク３には、随時、補充水が補充される。また、発電機４には、電力メータ４１が取り付けられており、発電機４で発電された電力量を測定し、この電力量をエンジン２にフィードバックすることが可能となっている。
【００２７】
次に、定置型熱電併給システム１Ａの動作について説明する。
【００２８】
ここで、図３は、従来のエネルギーシステムを示すブロック図である。
【００２９】
図３に示すように、従来のシステム５０は、商用電力ラインＬ１から供給される商用電力によってヒートポンプ７を駆動し、これによって住宅Ｈの冷房装置を運転する。また、従来のシステム５０は、都市ガスや灯油等の燃料をボイラー８で燃焼し、この燃焼によって熱湯を得て、この熱湯を住宅Ｈに供給する。ボイラー８で熱湯を得る工程は、熱効率が通常１０％程度と低い。
【００３０】
従来のシステム５０を本発明に係る定置型熱電併給システム１Ａに置き換えると、商用電力ラインＬ１の接続先である発電所と定置型熱電併給システム１Ａとにおける総括的なエネルギの節約代Ｓは、次の式（１）のようになる。ここで、Ｑ０は定置型熱電併給システム１Ａにおける熱使用量であり、ｎ１はエンジン２における熱効率であり、ｎ２は発電所における熱効率であり、ＪはＣＯ２削減係数である。
Ｓ＝Ｑ０・（ｎ１／（１−ｎ１））・（（１−ｎ２）／ｎ２）＝Ｑ０・Ｊ…（１）
【００３１】
また、図４は、図１に示す定置型熱電併給システムにおける予混合圧縮着火燃焼エンジンの熱効率とＣＯ２削減係数との関係を示す線図である。図４に示すように、エンジン２の熱効率ｎ１が高いほど、ＣＯ２削減係数Ｊも大きくなり、エネルギの節約代Ｓを大きくすることができる。
【００３２】
従って、定置型熱電併給システム１Ａは、エネルギの節約代Ｓを大きくすべく熱効率をできるだけ高めるために、電力需要よりも熱需要を優先して運転する。すなわち、電力及び熱の両方について需要がある場合には、必要な熱が得られるまでエンジン２を駆動し、この際に発電機４で発電された電力は住宅Ｈで使用し、余った電力は商用電力ラインＥによって電力会社に供給し売電する。また、電力のみについて需要がある場合には、エンジン２を駆動することなく、商用電力ラインＥから商用電力を取り込み、商用電力を使用する。また、熱のみについて需要がある場合には、必要な熱が得られるまでエンジン２を駆動し、この際に発電機４で発電された電力は全て商用電力ラインＥによって電力会社に供給し売電する。
【００３３】
そして、このような定置型熱電併給システム１Ａでは、予混合圧縮着火燃焼エンジンであるエンジン２を駆動する場合に、エンジン２から発生した熱が蓄熱タンク３によって回収されて蓄熱され、この蓄熱タンク３に蓄熱された熱が、配管Ｈ１及びポンプＰ１から成る熱供給手段と、配管Ｈ２、ポンプＰ２及び熱交換器２１から成る熱供給手段とによってエンジン２に供給される。従って、エンジン２が十分に暖機されていないエンジン２の始動時や、寒冷地等の外気温度が低い場所での使用時等に、予混合圧縮着火燃焼における自着火が可能な温度までエンジン２を昇温することが可能となり、エンジン２の始動時や外気温度に拘らず、エンジン２を安定駆動させて作動させることができる。これにより、エンジン２を用いて効率よく熱電併給を行うことができる。
【００３４】
また、エンジン２から排出される排ガスを浄化する酸化触媒Ｃと、蓄熱タンク３に蓄熱された熱を利用して酸化触媒Ｃを加熱する配管Ｈ３及びポンプＰ３から成る酸化触媒加熱手段とを備えるため、酸化触媒Ｃを加熱してこの酸化触媒Ｃを活性化することが可能であり、エンジン２から排出される排ガスを良好に浄化することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムについて説明する。
【００３６】
図５は、本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムの要部を示すブロック図である。
【００３７】
定置型熱電併給システム１Ｂが、図２に示す第１実施形態に係る定置型熱電併給システム１Ａと異なる点は、酸化触媒Ｃが排気管Ｇの蓄熱タンク３内にある部分に設けられており、これによって酸化触媒Ｃが蓄熱タンク３の内部に設けられている点、配管Ｈ３及びポンプＰ３は設けられていない点、及び、遮断弁３２，３３が設けられている点である。
【００３８】
定置型熱電併給システム１Ｂでは、酸化触媒Ｃが蓄熱タンク３の内部に設けられていることにより、酸化触媒Ｃが蓄熱タンク３に蓄熱された熱によって常に加熱され、一定温度以上に維持されるようになっている。また、排気管Ｇの蓄熱タンク３の入口側及び出口側にそれぞれ遮断弁３２，３３が設けられていることにより、熱の損失が防止されるようになっている。
【００３９】
このような定置型熱電併給システム１Ｂでは、第１実施形態に係る定置型熱電併給システム１Ａと同様に、予混合圧縮着火燃焼エンジンであるエンジン２を駆動する場合に、エンジン２から発生した熱が蓄熱タンク３によって回収されて蓄熱され、この蓄熱タンク３に蓄熱された熱が、配管Ｈ１及びポンプＰ１から成る熱供給手段と、配管Ｈ２、ポンプＰ２及び熱交換器２１から成る熱供給手段とによってエンジン２に供給される。従って、エンジン２が十分に暖機されていないエンジン２の始動時や、寒冷地等の外気温度が低い場所での使用時等に、予混合圧縮着火燃焼における自着火が可能な温度までエンジン２を昇温することが可能となり、エンジン２の始動時や外気温度に拘らず、エンジン２を安定駆動させて作動させることができる。これにより、エンジン２を用いて効率よく熱電併給を行うことができる。
【００４０】
また、定置型熱電併給システム１Ｂは、エンジン２から排出される排ガスを浄化する酸化触媒Ｃを備え、酸化触媒Ｃは、蓄熱ランク３の内部に設けられているため、酸化触媒Ｃを加熱してこの酸化触媒Ｃを活性化することが可能となり、エンジン２から排出される排ガスを良好に浄化することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１Ａ，１Ｂ…定置型熱電併給システム、２…エンジン（予混合圧縮着火燃焼エンジン）、３…蓄熱タンク（蓄熱手段）、Ｃ…酸化触媒、Ｈ１，Ｈ２…配管（熱供給手段）、Ｈ３…配管（酸化触媒加熱手段）、Ｐ１，Ｐ２…ポンプ（熱供給手段）、Ｐ３…ポンプ（酸化触媒加熱手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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