JP2022094574A - バイオガスエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率に優れるバイオガスエンジンシステムを提供すること。【解決手段】バイオガスエンジンシステム１は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジン２と、有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部３と、バイオガスエンジン２を冷媒により冷却するための冷媒循環ライン４と、バイオガス発生部を熱媒により加熱するための熱媒循環ライン５と、冷媒循環ライン４および熱媒循環ライン５の間で熱交換する熱交換器６と、温度センサ８と制御ユニット７とを備え、制御ユニット７は、発酵槽３２の温度が所定値以上である場合、バイオガスエンジン２を所定のタイミングで点火させかつ冷媒循環ライン４に所定の流量で冷媒を循環させ、発酵槽３２の温度が所定値未満である場合、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを所定のタイミングよりも遅らせおよび／または冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジンを備えるバイオガスエンジンシステムに関する。

近年、バイオガスエンジンが注目されている。バイオガスエンジンは、バイオガスとして、有機性廃棄物（例えば、生ごみ、下水、家畜排泄物および食品廃棄物）のメタン発酵によって生じるバイオガスを、燃料として使用するエンジンである。

バイオガスは、カーボンニュートラルに対応しているため、バイオガスの使用により、環境負荷を低減できる。一方、有機性廃棄物のメタン発酵では、発酵を活性化させるために、有機性廃棄物を加熱することが要求される。

そこで、バイオガスエンジンの熱エネルギーを使用して、有機性廃棄物を加熱することが提案されている。例えば、以下のエネルギー回収システムが提案されている。このエネルギー回収システムは、食品廃棄物を含むスラリーをメタン発酵してバイオガスを生成させるメタン発酵槽と、バイオガスを燃料として電力および高温高圧水蒸気を発生させるコジェネレーション機関とを備えている。そして、このエネルギー回収システムでは、コジェネレーション機関から排出された高温高圧水蒸気が、メタン発酵槽の保温に使用される（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９－３４５６９号公報

一方、エネルギー回収システムでは、さらに効率よくエネルギーを回収および再利用することが要求される。

本発明は、エネルギー効率に優れるバイオガスエンジンシステムである。

本発明［１］は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジンと、有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部と、前記バイオガスエンジンを冷媒により冷却するための冷媒循環ラインと、前記バイオガス発生部を熱媒により加熱するための熱媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインおよび前記熱媒循環ラインの間で熱交換する熱交換器と、前記バイオガス発生部の温度を検知する温度センサと、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度に応じて、前記バイオガスエンジンおよび前記冷媒循環ラインの作動を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、前記バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、前記冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる保温運転モードと、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、前記バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、前記所定のタイミングよりも遅らせ、および／または、前記冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる加熱運転モードとを、切り替え可能としている、バイオガスエンジンシステムを、含んでいる。

本発明のバイオガスエンジンシステムでは、バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、制御ユニットは、保温運転モードとして、バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる。また、バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、制御ユニットは、加熱運転モードとして、バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅らせ、および／または、冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる。

これにより、本発明のバイオガスエンジンシステムでは、バイオガス発生部の温度が所定値以上の場合には、バイオガス発生部を保温し、バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合にのみ、バイオガス発生部を加熱できる。そのため、本発明のバイオガスエンジンシステムは、システム全体のエネルギー効率に優れる。

図１は、本発明のバイオガスエンジンシステムの一実施形態を示す概略図である。 図２は、本発明のバイオガスエンジンシステムの他の実施形態を示す概略図である。

１．バイオガスエンジンシステムの構成
図１において、バイオガスエンジンシステム１は、例えば、発電装置１００（図１破線参照）に接続される動力源である。バイオガスエンジンシステム１は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジン２と、有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部３と、バイオガスエンジン２を冷媒により冷却するための冷媒循環ライン４と、バイオガス発生部３を熱媒により加熱するための熱媒循環ライン５と、冷媒循環ライン４および熱媒循環ライン５の間で熱交換する熱交換器６と、バイオガス発生部３の温度を検知する温度センサ８と、温度センサ８により検知されるバイオガス発生部３の温度に応じて、バイオガスエンジン２、冷媒循環ライン４および熱媒循環ライン５の作動を制御する制御ユニット７とを備えている。

バイオガスエンジン２は、シリンダーブロック１１と、クランクシャフト１０と、ピストン１２と、シリンダヘッド１３と、オイルパン２３と、バイオガス供給部１４と、空気供給部１５と、ガス排出部１６とを備えている。

シリンダーブロック１１は、シリンダー部１１ａとクランクケース１１ｂとを備えている。シリンダー部１１ａは、ピストン１２を収容している。クランクケース１１ｂは、シリンダー部１１ａの鉛直方向下方に配置される。クランクケース１１ｂの下方端は、オイルパン３２（後述）に連通している。クランクケース１１ｂは、クランクシャフト１０（後述）を収容している。

シリンダーブロック１１の形状は、特に制限されず、気筒数に応じて設計されている。すなわち、バイオガスエンジン２は、単気筒型または多気筒型のバイオガスエンジンである。

ピストン１２は、シリンダー部１１ａ内で空気を圧縮するために、設けられている。ピストン１２は、シリンダー部１１ａ内に、摺動可能に収容されている。ピストン１２には、クランクシャフト１０が接続されている。クランクシャフト１０は、クランクケース１１ｂ内に、回転可能に収容されている。

シリンダヘッド１３は、シリンダーブロック１１の鉛直方向上側において、シリンダーブロック１１を封止している。ピストン１２とシリンダヘッド１３との間には、燃焼室２０が形成されている。燃焼室２０では、バイオガス供給弁１９（後述）から噴射されたバイオガスと空気とが混合および燃焼可能とされている。

また、シリンダヘッド１３は、空気供給部１５（後述）から供給される空気を燃焼室２０に導入するための吸気ポートと、燃焼室２０で生成された排ガスをガス排出部１６（後述）に排出するための排気ポート２２と、吸気ポート２１を開閉可能とする吸気弁２４と、排気ポート２２を開閉可能とする排気弁２５とを備えている。吸気弁２４および排気弁２５は、図示しないが、制御ユニット７（後述）に接続されており、任意に開閉可能とされている。

オイルパン２３は、エンジンオイルを貯留するための容器である。オイルパン２３は、クランクケース１１ｂの鉛直方向下端部と連通している。オイルパン２３には、エンジンオイルが貯留されている。エンジンオイルは、公知の方法で、ピストン１２に供給可能とされている。エンジンオイルの供給方法としては、例えば、ドライサンプ方式、ウェットサンプ方式およびセミウェットサンプ方式が挙げられる。また、クランクシャフト１０をエンジンオイルに接触させ、クランクシャフト１０の回転によって、エンジンオイルをバイオガスエンジン２に供給することもできる。エンジンオイルをピストン１２に供給することにより、ピストン１２の昇降運動が可能とされ、例えば、吸気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程が順次実施可能とされる。

バイオガス供給部１４は、燃焼室２０にバイオガスを供給するユニットである。バイオガス供給部１４は、バイオガス供給管１８と、バイオガス供給弁１９とを備えている。

バイオガス供給管１８は、バイオガスを、バイオガス貯留槽３４（後述）から燃焼室２０に供給するための管である。バイオガス供給管１８の上流側端部は、バイオガス貯留槽３４（後述）に接続されている。また、バイオガス供給管１８の下流側端部は、バイオガス供給弁１９に接続されている。バイオガス供給管１８には、図示しないポンプが介装されている。ポンプの駆動により、バイオガス貯留槽３４（後述）内のバイオガスが、バイオガス供給弁１９に供給される。

バイオガス供給弁１９は、バイオガスを燃焼室２０に噴射するための噴射弁である。バイオガス供給弁１９は、燃焼室２０内に臨むように、シリンダー部１１ａに接続されている。また、バイオガス供給弁１９は、図示しないが、制御ユニット７（後述）に接続されており、任意のタイミングで、バイオガスを噴射可能とされている。

空気供給部１５は、燃焼室２０に空気を導入するためのユニットである。空気供給部１５は、吸気管３０を備えている。

吸気管３０は、バイオガスエンジン２の燃焼室２０へ空気を導入するための管である。吸気管３０の上流側は、外部（外気）に開放されている。吸気管３０の下流側は、シリンダヘッド１３の吸気ポート２１に接続されている。なお、バイオガスエンジン２が複数のシリンダーブロック１１を有する場合、吸気管３０は、下流側が分岐する分岐多岐管として形成され、その分岐末端が、各シリンダヘッド１３の吸気ポート２１に接続される。

吸気管３０には、図示しないコンプレッサが介装されていてもよい。コンプレッサ（図示せず）は、空気を外部から吸入するための装置である。コンプレッサ（図示せず）は、図示しないが、制御ユニット７（後述）に接続されており、任意に作動可能とされている。

ガス排出部１６は、燃焼室２０において生じる排ガス（バイオガスの燃焼ガス）を、燃焼室２０から排出するユニットである。ガス排出部１６は、排気管３１を備えている。

排気管３１は、バイオガスエンジン２の燃焼室２０から排ガスを外部へ排出するための管である。排気管３１の上流側は、シリンダヘッド１３の排気ポート２２に接続されている。排気管３１の下流側は、外部（外気）に開放されている。なお、バイオガスエンジン２が複数のシリンダーブロック１１を有する場合、排気管３１は、上流側が分岐する分岐多岐管として形成され、その分岐末端が、各シリンダヘッド１３の排気ポート２２に接続される。

また、バイオガスエンジン２は、点火プラグ２９を備えている。点火プラグ２９は、バイオガスおよび空気の混合気に点火するための電気部品である。点火プラグ２９としては、例えば、スパーククラブおよびグロークラブが挙げられる。点火プラグ２９は、燃焼室２０に臨むように設けられている。また、点火プラグ２９は、制御ユニット７に接続されており、任意に作動可能とされている（図１太破線参照）。

バイオガスエンジン２は、冷媒（後述）を供給可能な冷媒供給口３５と、冷媒（後述）を排出可能な冷媒排出口３６とを備えている。これにより、バイオガスエンジン２は、冷媒（後述）により冷却可能とされている。

バイオガス発生部３は、有機性廃棄物をメタン発酵させ、バイオガスを発生させるために備えられている。より具体的には、バイオガス発生部３は、発酵槽３２と、バイオガス輸送管３３と、バイオガス貯留槽３４とを備えている。

発酵槽３２は、有機性廃棄物をメタン発酵させるための槽である。発酵槽３２は、耐熱耐圧容器からなる。発酵槽３２には、有機性廃棄物をメタン発酵可能な微生物が、格納されている。

発酵槽３２は、熱媒（後述）を供給可能な熱媒供給口３７と、熱媒（後述）を排出可能な熱媒排出口３８とを備えている。これにより、発酵槽３２は、熱媒（後述）により加熱可能とされている。

バイオガス輸送管３３は、バイオガスを発酵槽３２からバイオガス貯留槽３４に輸送するための管である。バイオガス輸送管３３の一方側端部は、発酵槽３２に接続されている。また、バイオガス輸送管３３の他方側端部は、バイオガス貯留槽３４に接続されている。また、図示しないが、バイオガス輸送管３３の流れ方向途中には、ポンプおよび弁が介在されている。そして、ポンプの駆動および弁の開閉により、バイオガスを発酵槽３２からバイオガス貯留槽３４に輸送可能とされている。

また、図示しないが、バイオガス輸送管３３の流れ方向途中には、バイオガスを任意の方法で前処理するための処理装置が介在されている。処理装置としては、脱硫装置および脱シロキサン装置が挙げられる。

バイオガス貯留槽３４は、バイオガスを貯留する貯留タンクである。バイオガス貯留槽３４は、耐熱耐圧容器からなる。バイオガス貯留槽３４は、バイオガス輸送管３３の他方側端部が接続されている。これにより、発酵槽３２で生成したバイオガスが、バイオガス貯留槽３４に輸送され、貯留される。また、バイオガス貯留槽３４は、バイオガス供給管１８に接続されている。これにより、バイオガス貯留槽３４内のバイオガスが、任意のタイミングで、バイオガスエンジン２の燃焼室２０に供給可能とされている。

冷媒循環ライン４は、冷媒循環管４１と、ラジエータ４２と、冷媒循環ポンプ４３とを備えている。

冷媒循環管４１は、内部を冷媒が循環する管である。冷媒としては、例えば、水、ＬＬＣ（エチレングリコール水溶液）またはオイルが挙げられる。冷媒循環管４１の一端部は、バイオガスエンジン２の冷媒供給口３５に接続されている。冷媒循環管４１の他端部は、バイオガスエンジン２の冷媒排出口３６に接続されている。

ラジエータ４２は、冷媒循環管４１の流れ方向途中に介在されている。これにより、ラジエータ４２は、バイオガスエンジン２との熱交換により温度上昇した比較的高温の冷媒を、熱交換により冷却可能としている。なお、冷却された冷媒は、冷媒循環管４１を循環し、再度、バイオガスエンジン２に供給される。

冷媒循環ポンプ４３は、ラジエータ４２よりも下流側、かつ、熱交換器６よりも上流側において、冷媒循環管４１に介在されている。冷媒循環ポンプ４３としては、公知の送液ポンプが挙げられる。送液ポンプとしては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプ、ピストンポンプおよびダイヤフラムポンプが挙げられる。送液ポンプは、バイオガスエンジン２の内部に格納されていてもよい。

そして、冷媒循環ライン４は、バイオガスエンジン２を冷却可能としている（図１一点鎖線参照）。より具体的には、冷媒循環ライン４は、比較的低温の冷媒を、バイオガスエンジン２の冷媒供給口３５から供給可能としている（図１細矢印Ｃ１参照）。供給された冷媒は、バイオガスエンジン２と熱交換し、バイオガスエンジン２が冷却される。なお、冷媒は、熱交換により比較的高温になり、冷媒排出口３６から排出され、熱交換器６（後述）に供給される（図１太矢印Ｈ１参照）。

熱媒循環ライン５は、熱媒循環管５１と、熱媒循環ポンプ５２とを備えている。

熱媒循環管５１は、内部を熱媒が循環する管である。熱媒としては、例えば、水、ＬＬＣ（エチレングリコール水溶液）またはオイルが挙げられる。熱媒循環管５１の一端部は、発酵槽３２の熱媒供給口３７に接続されている。熱媒循環管５１の他端部は、発酵槽３２の熱媒排出口３８に接続されている。

熱媒循環ポンプ５２は、熱媒循環管５１に介在されている。熱媒循環ポンプ５２としては、公知の送液ポンプが挙げられる。

そして、熱媒循環ライン５は、発酵槽３２を、加熱可能としている。より具体的には、熱媒循環ライン５は、比較的高温の熱媒を、発酵槽３２の熱媒供給口３７から供給可能としている（図１太矢印Ｈ２参照）。供給された熱媒は、発酵槽３２と熱交換し、発酵槽３２が加熱される。なお、熱媒は、熱交換により比較的低温になり、熱媒排出口３８から排出される（図１細矢印Ｃ２参照）。

熱交換器６は、公知の熱交換器である。熱交換器６は、冷媒循環ライン４および熱媒循環ライン５の間で熱交換するために、備えられている。より具体的には、熱交換器６は、ラジエータ４２よりも上流側かつ冷媒循環ポンプ４３よりも下流側において、冷媒循環管４１に介在されている。つまり、熱交換器６には、バイオガスエンジン２で熱交換した比較的高温の冷媒が供給可能とされている。また、熱交換器６は、熱媒循環ポンプ５２の下流側、かつ、発酵槽３２の上流側において、熱媒循環管５１に介在されている。つまり、熱交換器６には、発酵槽３２で熱交換した比較的低温の熱媒が供給可能とされている。

温度センサ８は、発酵槽３２の温度を検知するためのセンサである。温度センサ８としては、例えば、赤外放射温度計および熱電対温度計が挙げられる。温度センサ８の配置は、特に制限されないが、例えば、温度センサ８のセンサ部分が、発酵槽３２の内部に配置されている。これにより、温度センサ８は、発酵槽３２の内部温度を検知可能とされている。また、温度センサ８は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１太破線参照）。これにより、温度センサ８により検知された発酵槽３２の内部温度が、制御ユニット７（後述）に入力可能とされている。

制御ユニット７は、バイオガスエンジンシステム１における電気的な制御を実行するコントロールユニットである。制御ユニット７は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えている。制御ユニット７は、バイオガスエンジン２の点火プラグ２９に電気的に接続されている（図１太破線参照）。これにより、制御ユニット７は、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、任意に制御可能としている。

また、制御ユニット７は、温度センサ８に電気的に接続されている（図１太破線参照）。これにより、温度センサ８により検知される発酵槽３２の温度が、制御ユニット７に電気信号として入力可能とされている。また、制御ユニット７は、冷媒循環ポンプ４３および熱媒循環ポンプ５２に電気的に接続されている（図１太破線参照）。これにより、制御ユニット７は、冷媒循環ポンプ４３および熱媒循環ポンプ５２の作動および停止を、制御可能としている。また、制御ユニット７は、冷媒循環ポンプ４３の制御により、冷媒循環ライン４を循環する冷媒の流量を、任意に制御可能としている。また、制御ユニット７は、熱媒循環ポンプ５２の制御により、熱媒循環ライン５を循環する熱媒の流量を、任意に制御可能としている。

そして、制御ユニット７は、詳しくは後述するように、温度センサ８により検知される発酵槽３２の温度に応じて、バイオガスエンジン２および冷媒循環ポンプ５２の作動を制御することにより、バイオガスエンジンシステム１の運転モードを、保温運転モード（後述）と加熱運転モード（後述）とに切り替え可能としている。

２．バイオガスエンジンシステムの駆動
バイオガスエンジンシステム１では、バイオガス発生部３において、バイオガスが発生する。より具体的には、発酵槽３２に、有機性廃棄物（例えば、生ごみ、下水、家畜排泄物および食品廃棄物）が投入され、発酵槽３２において、有機性廃棄物がメタン発酵する。その結果、メタンガスを主成分とするバイオガスが生じる。バイオガスは、必要に応じて前処理（脱硫処理および脱シロキサン処理）され、バイオガス輸送管３３を介して、バイオガス貯留槽３４に輸送される。

そして、バイオガスが、バイオガスエンジン２に供給されることにより、吸気行程、圧縮行程、爆発行程および排気行程が順次実施される。

より具体的には、バイオガスエンジン２では、吸気弁２４が吸気を開始し、吸気ポート２１が開状態とされることにより、空気が吸気管３０を通過して、燃焼室２０に供給される（吸気行程）。

その後、吸気弁２４が作動され、シリンダヘッド１３の吸気ポート２１が閉状態とされ、各シリンダーブロック１１中を昇降運動（上昇）するピストン１２によって、空気が圧縮される（圧縮行程）。

そして、ピストン１２の上昇時において、バイオガス貯留槽３４中のバイオガスが、バイオガス供給管１８およびバイオガス供給弁１９を介して、燃焼室２０に供給される。これにより、空気およびバイオガスの混合気が、圧縮される。そして、圧縮された混合気は、所定のタイミング（すなわち、空気圧縮率が所定値に至ったタイミング）で点火プラグ２９により点火され、爆発する（爆発行程）。

その結果、バイオガスが燃焼され、燃焼室２０内に、水蒸気および排ガスが生じる。

その後、排気弁２５が作動され、排気ポート２２が開状態とされることにより、燃焼室２０内の水蒸気および排ガスが、排気管３１を通過して、外部に排出される（排気行程）。

そして、発電装置１００（図１破線参照）では、上記のバイオガスエンジン２の運動エネルギーが使用され、磁石またはコイルが回転する。これにより、電力が生じる。

３．発酵槽の保温および加熱
上記のように、バイオガスエンジンシステム１では、発酵槽３２において、有機性廃棄物がメタン発酵し、バイオガスを発生させる。そして、バイオガスが、バイオガスエンジン２において、空気と混合され、燃焼する。

一方、バイオガスエンジン１において、バイオガスの発生では、比較的高温であることが要求される。そのため、発酵槽３２の内部温度が比較的低温（例えば、４０℃未満）である場合には、発酵槽３２の内部温度が比較的高温（例えば、４０℃以上）である場合に比べて、メタン発酵の効率が低下する。

そこで、上記バイオガスエンジンシステム１では、バイオガスエンジンシステム１の運転モードを、保温運転モード（後述）と加熱運転モード（後述）とに切り替えて、バイオガスエンジン２の熱エネルギーにより、発酵槽３２を保温または加熱し、バイオガスの発生効率を向上させる。

より具体的には、バイオガスエンジンシステム１では、まず、発酵槽３２の温度が、温度センサ８により検知され、制御ユニット７に入力される。そして、制御ユニット７では、発酵槽３２の温度が、所定値未満であるか、または、所定値以上であるかが判断される。温度の所定値は、例えば、４０℃である。

そして、発酵槽３２の温度が、所定値（例えば、４０℃）以上である場合には、制御ユニット７は、バイオガスエンジンシステム１を保温運転モードで運転する。保温運転モードでは、制御ユニット７は、バイオガスエンジン２を所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ライン４に所定の流量で冷媒を循環させる。

すなわち、保温運転モードでは、制御ユニット７は、まず、バイオガスエンジン２を所定のタイミングで点火させる。点火のタイミングは、通常、バイオガスエンジン２の出力が最大となるタイミングであり、例えば、ピストン１２が上死点に至ったタイミングである。また、制御ユニット７は、冷媒循環ポンプ４３を作動させ、所定の流量の冷媒を、冷媒循環ライン４に循環させる。冷媒の流量は、例えば、２５～５０Ｌ／ｍｉｎである。

これにより、駆動中のバイオガスエンジン２の冷媒供給口３５に、比較的低温の冷媒が供給され、バイオガスエンジン２と熱交換する。その結果、バイオガスエンジン２は冷却される。一方、冷媒は温度上昇し、バイオガスエンジン２の冷媒排出口３６から排出され、熱交換器６に供給される。

また、保温運転モードでは、制御ユニット７は、熱媒循環ポンプ５２を作動させ、所定の流量の熱媒を、熱媒循環ライン５に循環させる。熱媒の流量は、例えば、３０～１００Ｌ／ｍｉｎである。

これにより、比較的高温の熱媒が、発酵槽３２の熱媒供給口３７に供給され、発酵槽３２と熱交換する。その結果、発酵槽３２が加熱され、効率よく有機性廃棄物がメタン発酵される。一方、熱媒は温度低下し、発酵槽３２の熱媒排出口３８から排出され、熱交換器６に供給される。

そして、熱交換器６では、バイオガスエンジン２から排出された比較的高温の冷媒と、発酵槽３２から排出された比較的低温の熱媒とが、熱交換する。その結果、比較的高温の冷媒が温度低下し、比較的低温の熱媒が温度上昇する。換言すれば、バイオガスエンジン２において発生した熱エネルギーは、冷媒によって回収され、その後、熱媒に熱移動する。

そして、温度上昇した熱媒は、熱媒循環ポンプ５２の駆動により、熱媒循環管５１を還流する。その結果、比較的高温の熱媒が、再度、発酵槽３２に供給される。すなわち、バイオガスエンジン２で発生する熱により、有機性廃棄物が、比較的高温（例えば、４０～８０℃）に保温される。その結果、エネルギー効率よく、バイオガスを発生させることができる。

一方、温度低下した冷媒は、冷媒循環ポンプ４３の駆動により、冷媒循環管４１を還流する。その結果、比較的低温の冷媒が、再度、バイオガスエンジン２に供給される。その結果、冷媒によって、再度、バイオガスエンジン２が冷却される。

これに対して、発酵槽３２の温度が所定値（例えば、４０℃）未満である場合には、制御ユニット７は、バイオガスエンジンシステム１を加熱運転モードで運転する。加熱運転モードでは、制御ユニット７は、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、上記保温運転モードにおける所定のタイミングよりも遅らせ、および／または、冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させる。

例えば、加熱運転モードでは、制御ユニット７は、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、上記保温運転モードにおける所定のタイミングよりも遅らせる。つまり、加熱運転モードでは、バイオガスエンジン２は、遅角で点火される。

バイオガスエンジン２では、バイオガスおよび空気の混合気に点火するタイミングに応じて、バイオガスエンジン２の内部温度および排ガス温度が異なる。そして、バイオガスに点火するタイミングが、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅い場合、バイオガスエンジン２の内部温度および排ガス温度が、比較的高温になる。加熱運転モードにおける点火のタイミングは、例えば、ピストン１２が上死点に至り、所定時間（例えば、クランク角において５～１５°）が経過した後である。

つまり、バイオガスエンジン２が遅角で点火されると、バイオガスエンジン２の内部温度および排ガスの温度が、上記保温運転モードに対して上昇する。

そのため、加熱運転モードにおける冷媒循環ライン４の冷媒は、保温運転モードの冷媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン２から回収できる。そして、冷媒の熱エネルギーは、熱交換器６において、熱媒循環ライン５を循環する熱媒に移される。つまり、加熱運転モードにおける熱媒の温度は、保温運転モードにおける熱媒の温度よりも、高くなる。そして、加熱運転モードでは、より高温の熱媒によって、発酵槽３２が加熱される。

また、例えば、加熱運転モードでは、制御ユニット７は、冷媒循環ポンプ４３を作動させ、冷媒循環ライン４を循環する冷媒の流量を、保温運転モードの冷媒の流量よりも増加させる。加熱運転モードにおける冷媒の流量は、保温運転モードの冷媒の流量を超過し、例えば、５０～１００Ｌ／ｍｉｎである。また、加熱運転モードにおける冷媒の流量は、保温運転モードの冷媒の流量に対して、例えば、１５０％～２００％である。

これにより、冷媒循環ライン４によるバイオガスエンジン２の冷却効率が上昇する。換言すれば、加熱運転モードにおける冷媒循環ライン４の冷媒は、保温運転モードの冷媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン２から回収できる。そして、冷媒の熱エネルギーは、熱交換器６において、熱媒循環ライン５を循環する熱媒に移される。つまり、加熱運転モードにおける熱媒の温度は、保温運転モードにおける熱媒の温度よりも、高くなる。そして、加熱運転モードでは、より高温の熱媒によって、発酵槽３２が加熱される。その結果、バイオガスの発生量を増加させることができる。

そして、制御ユニット７は、上記の加熱運転モードを、発酵槽３２の温度が所定値（例えば、４０℃）以上になるまで繰り返す。発酵槽３２の温度が所定値（例えば、４０℃）以上になると、制御ユニット７は、バイオガスエンジンシステム１の運転モードを、保温運転モードに切り替える。

４．作用・効果
このようなバイオガスエンジンシステム１では、発酵槽３２の温度が所定値以上である場合に、制御ユニット７は、保温運転モードとして、バイオガスエンジン２を所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ライン４に所定の流量で冷媒を循環させる。また、発酵槽３２の温度が所定値未満である場合に、制御ユニット７は、加熱運転モードとして、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅らせ、および、冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させる。

これにより、上記のバイオガスエンジンシステム１では、発酵槽３２の温度が所定値以上の場合には、発酵槽３２を保温し、バイオガスエンジン２単体の高い熱効率を維持しつつ、バイオガス発生量を維持させることができる。また、上記のバイオガスエンジンシステム１では、発酵槽３２の温度が所定値未満である場合にのみ、発酵槽３２を加熱できる。この場合、バイオガスエンジン２単体の熱効率は低下するが、バイオガスの発生量を増加させることができるため、出力低下を抑制でき、出力を維持できる。そのため、上記のバイオガスエンジンシステム１は、システム全体のエネルギー効率に優れる。

５．変形例
上記した実施形態では、熱交換器６において、バイオガスエンジン２から排出された比較的高温の冷媒と、発酵槽３２から排出された比較的低温の熱媒とを、熱交換して、バイオガスエンジン２において発生した熱エネルギーを回収しているが、バイオガスエンジンシステム１では、バイオガスエンジン２において発生した熱エネルギーを、排ガスから回収することもできる。

図２において、バイオガスエンジンシステム１は、上記の構成に加えて、排熱回収ライン９を備えている。

排熱回収ライン９は、排熱回収管８１および排熱交換器８２を備えている。

排熱回収管８１は、内部を熱媒が循環する管である。熱媒としては、例えば、水、ＬＬＣ（エチレングリコール水溶液）またはオイルが挙げられる。排熱回収管８１の一端部は、熱媒循環管５１の、熱交換器６の下流側かつ発酵槽３２の上流側に、接続されている。排熱回収管８１の他端部は、熱交換器６の上流側かつ発酵槽３２の下流側において、熱媒循環ポンプ５２に接続されている。

熱媒循環ポンプ５２は、三方ポンプである。つまり、熱媒循環ポンプ５２は、発酵槽３２から排出された比較的低温の熱媒を、熱媒循環管５１を介して熱交換器６に供給可能とし、さらに、排熱回収管８１を介して排熱交換器８２に供給可能としている。

排熱交換器８２は、公知の熱交換器である。排熱交換器８２は、排気管３１および排熱回収管８１の間で熱交換するために、備えられている。より具体的には、排熱交換器８２は、排熱回収管８１に介在されている。つまり、排熱交換器８２には、発酵槽３２で熱交換した比較的低温の熱媒が供給可能とされている。また、排熱交換器８２は、排気管３１に介在されている。つまり、排熱交換器８２には、バイオガスエンジン２で発生した排ガスが供給可能とされている。

このようなバイオガスエンジンシステム１では、発酵槽３２から排出された比較的低温の熱媒が、熱媒循環ポンプ５２を介して、熱媒循環管５１と排熱回収管８１とに供給される。そして、排熱回収管８１に供給された熱媒は、排熱交換器８２に供給される（図１矢印Ｃ３参照）。一方、バイオガスエンジン２で発生した比較的高温の排ガスが、排気管３１を介して、排熱交換器８２に供給される。これにより、比較的低温の熱媒と、比較的高温の排ガスが、排熱交換器８２において熱交換する。

その結果、排ガスは冷却され、外気に排出される。一方、熱媒は温度上昇し、排熱交換器８２から排出される（図１矢印Ｈ３参照）。そして、熱媒は、熱媒循環管５１において、熱交換器６から排出された比較的高温の熱媒と合流し、発酵槽３２に供給される（図１矢印Ｈ２参照）。そのため、上記のバイオガスエンジンシステム１によれば、保温運転モードにおいて、より効率よく、発酵槽３２を保温できる。

また、加熱運転モードにおいて、バイオガスエンジン２を遅角で点火すると、排ガスの温度が、保温運転モードにおける排ガスの温度よりも高くなる。そのため、加熱運転モードにおける排熱回収管８１の熱媒は、保温運転モードの熱媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン２から回収できる。

また、加熱運転モードにおいて、例えば、排熱回収管８１を循環する熱媒の流量を、保温運転モードにおける熱媒の流量よりも増加させると、排熱交換器における熱交換効率が上昇する。つまり、加熱運転モードにおける排熱回収管８１の熱媒は、保温運転モードの熱媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン２から回収できる。

このような実施形態によれば、バイオガスエンジン２の排ガスの熱エネルギーを回収して、その熱エネルギーによって発酵槽３２を加熱することができるため、エネルギー効率のさらなる向上を図ることができる。

なお、加熱運転モードでは、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、所定のタイミングよりも遅らせ、かつ、冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させてもよい。また、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを、所定のタイミングよりも遅らせて、冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させなくともよい。また、冷媒循環ライン４の冷媒の流量を増加させて、バイオガスエンジン２における点火のタイミングを遅らせなくともよい。

１ バイオガスエンジンシステム
２ バイオガスエンジン
３ バイオガス発生部
４ 冷媒循環ライン
５ 熱媒循環ライン
６ 熱交換器
７ 制御ユニット
８ 温度センサ

Claims (1)

1. バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジンと、
   有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部と、
   前記バイオガスエンジンを冷媒により冷却するための冷媒循環ラインと、
   前記バイオガス発生部を熱媒により加熱するための熱媒循環ラインと、
   前記冷媒循環ラインおよび前記熱媒循環ラインの間で熱交換する熱交換器と、
   前記バイオガス発生部の温度を検知する温度センサと、
   前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度に応じて、前記バイオガスエンジンおよび前記冷媒循環ラインの作動を制御する制御ユニットとを備え、
   前記制御ユニットは、
   前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、前記バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、前記冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる保温運転モードと、
   前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、前記バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、前記所定のタイミングよりも遅らせ、および／または、前記冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる加熱運転モードと
   を、切り替え可能としている、バイオガスエンジンシステム。
   

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