JP4223696B2

JP4223696B2 - デュアルフューエル・ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP4223696B2
Application number: JP2001115820A
Authority: JP
Inventors: 正敏熊川; 宗洙朴; 從三松田
Original assignee: 省電システム株式会社; 正敏熊川; 宗洙朴; 從三松田
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002309979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデュアルフューエル・ディーゼルエンジンに関し、更に詳しくは、軽油と有機廃棄物の嫌気性発酵により発生するバイオガスとを燃料として高効率運転が可能なデュアルフューエル・ディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家畜糞尿、生ゴミ等の有機廃棄物を嫌気性発酵させたときに発生するメタンガス等のバイオガスを有効に利用する方法として、例えば発電機駆動用のディーゼルエンジンの燃料として、このバイオガスを軽油と共に使用するようにしたものがある。しかしながら、有機廃棄物から発生するバイオガスは、メタンガスの濃度が激しく変化するため、バイオガス中のメタンガスの濃度をあらかじめ調節したり、バイオガスと軽油の両方を制御する複雑な制御法を採用しなければ、デュアルフューエル・ディーゼルエンジンを安定運転することができないという問題があった。
【０００３】
また、２種類の燃料を使用するデュアルフューエル・ディーゼルエンジンでは性能の向上のため、燃料供給系にターボチャージャーを使用する場合が多いが、ターボチャージャーで過給すると吸気温が非常に高くなるためインタークーラーを併用して吸気量を増加するようにしている。しかし、バイオガス中のメタンガスは、温度が下がると燃焼効率が低下するため、未燃メタンガスが排気ガス中に大量に残存し、大気中に放出されるという問題があった。
【０００４】
また、デュアルフューエル・ディーゼルエンジンに供給したバイオガスは完全燃焼が困難であるため、一部未燃焼のガスが排気ガス中に残存し、これがそのまま大気に放出されるという問題もあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、軽油と有機廃棄物の嫌気性発酵により発生するバイオガスとを燃料とする場合に、簡単な燃料供給制御で、安定的に高効率運転を可能にするデュアルフューエル・ディーゼルエンジンを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、軽油とバイオガスを燃料として併用する場合、排気ガス中の燃料メタンガスを低減するようにしたデュアルフューエル・ディーゼルエンジンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のデュアルフューエル・ディーゼルエンジンは、主燃料の軽油と有機廃棄物の嫌気性発酵より発生するメタンガス等を含有するバイオガスとを燃料として運転するディーゼルエンジンにおいて、前記ディーゼルエンジンの吸気管にバイオガスプラントより供給されるバイオガスの供給管を連結し、該吸気管の空気と前記バイオガスとの混合気体をインタークーラーを装備しないターボチャージャーで過給して前記ディーゼルエンジンの燃焼室に供給するようにし、かつ前記バイオガスの供給管の流量調節弁を開度一定にし、前記軽油の供給量の調節により前記ディーゼルエンジンの回転数を一定にするようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
このように、空気を吸入する吸気管にバイオガスの供給管を連結するだけで、バイオガスを燃料として使用できるようにしたため、バイオガス噴射装置等のバイオガス供給用の特別のシステム等を必要とせず、簡単な改造でバイオガスを供給することが可能となる。
【０００９】
さらに、流量調節弁の開度を一定にし、軽油の供給量を調節するだけで、ディーゼルエンジンの回転数を一定になるように制御する構成にすることで一層安定的に運転をすることができる。
【００１０】
また、上述した主要構成に加えて、インタークーラーを有しないターボチャージャーで過給するようにしたため、混合気体の温度を冷やさずにバイオガスの燃焼を促進するため、システムの性能向上と共に排気ガス中の未燃バイオガスの含有量を低下させることができる。
【００１１】
また、ディーゼルエンジンの排気ガス系に排気熱交換器を設けた場合には、排気ガスを再燃焼させるため、排気ガス中に残存する未燃バイオガスを低減し、地球温暖化ガスであるメタンの大気中への放出量を少なくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のデュアルフューエル・ディーゼルエンジンを装備したコジェネレーション装置（発電装置）を例示したものである。
【００１３】
図１において、ディーゼルエンジン１に発電機２が連結され、その回転駆動によって発電するようになっている。
【００１４】
ディーゼルエンジン１は、実線矢印で示される燃料・空気吸入系の、吸気管８より空気が、バイオガス供給管９よりバイオガスが、そして軽油供給系５より軽油がそれぞれ供給されるようになっている。
【００１５】
本発明で補助燃料として使用されるバイオガスは、家畜糞尿、生ゴミ等の有機廃棄物を嫌気性発酵させたときに発生するメタンガス等を含有するガスであり、バイオガスプラントより供給される。バイオガスは原料が家畜糞尿や生ゴミ等の組成が一定しないものであるため、発生量やメタン含有量の変動が大きい。
【００１６】
上記バイオガスを供給するバイオガス供給管９は吸気管８の途中に連結され、このバイオガス供給管９から供給されたバイオガスが吸気管８に吸引される空気と混合するようになっている。吸気管８とバイオガス供給管９との連結は、吸気管８に穴を開けて、バイオガス吸入管９の端部を接合させるだけでよい。バイオガスの供給量は流量調節弁１０の開度に応じて供給される。
【００１７】
流量調節弁１０の開度は、ディーゼルエンジン１の運転が可能な最大値になるように一定に固定することが好ましい。これにより、バイオガスは最大限の供給量を維持することができる。バイオガスの変動により供給量が減少した場合には、減量した量がそのまま吸気管８に吸入される。しかし、軽油供給系５では、後述するように、ディーゼルエンジン１の回転数が常に一定になるように軽油の供給量を制御するようになっているため、バイオガスの供給系は供給量の変動の如何にかかわらず、上記のように流量調節弁１０を一定開度に設定するだけで、特に制御を必要としない。このように、バイオガス供給用の設備は複雑な装置を必要としない。
【００１８】
軽油供給系５は、電磁式ガバナ４により流量が制御され、軽油噴射系６を通り、軽油噴射ノズル７よりディーゼルエンジン１内に噴射される。電磁式ガバナ４はディーゼルエンジン１の負荷の変動に応じて、常に回転数を一定に維持するように自動的に燃料の供給量を調整する装置である。
【００１９】
この自動制御装置は、ディーゼルエンジン１の回転軸に設置されている回転数測定器３で回転数を測定し、ガバナ制御用マイコムセット３−１で測定した回転数より制御信号値を計算し、得られた制御信号を電磁式ガバナ４に転送し、この電磁式ガバナ４の作動によって軽油供給量が回転数を一定にするように制御される。このとき、供給される燃料の１００％が軽油となってもよい。すなわち、バイオガスが生産できない場合にも軽油のみでシステムの運転が可能である。ディーゼルエンジン１の回転数を一定にすることにより、発電機２で安定的に発電を行うことができる。
【００２０】
このように流量調節弁１０の開度は一定にしたまま、ディーゼルエンジン１の回転数を一定にするように軽油の供給量を変化させるように制御するため、バイオガスの発生量やバイオガス中のメタン濃度が変化しても、バイオガスの発生量やバイオガス中のメタンガスの濃度に関係なく安定的にデュアルフューエル・ディーゼルエンジンの運転をすることができる。
【００２１】
図１において、破線矢印で示されるディーゼルエンジン１の排気系では、排気ガスが排気系１５を通り、インタークーラーを有しないターボチャージャー１３に入り、ターボチャージャー１３内のタービン１３−１を回転させて排出される。排気ガスの一部は、排気系１６から分岐した排気ガス再循環系１１を通り、再循環排気ガス調節バルブ１２の開度により流量調節され、吸気管８に供給される。このように排気ガスを再供給させることにより、未燃バイオガス量を低減することができる。また、排気ガスにより吸気管８に吸入される空気の温度を上昇させるため、バイオガスの燃焼効率が向上し、それにより燃料消費率を低減させることが可能となる。
【００２２】
ターボチャージャー１３は、上記排気ガスにより回転するタービン１３−１の回転駆動力によりコンプレッサ１３−２が回転駆動する。このコンプレッサ１３−２により、空気とバイオガスおよび排気ガスの混合気体を混合気吸入系１４を通してディーゼルエンジン１に過給する。また、バイオガス吸入の動力は、ターボチャージャー１３の吸引力を利用するため、バイオガス供給のための特別な装置が不要である。
【００２３】
ターボチャージャー１３はインタークーラーを装備していないため、空気、バイオガスおよび排気ガスの混合気体の温度を上昇させ、バイオガス中のメタンガスの燃焼効率をより向上させることが可能となる。
【００２４】
図２においてターボチャージャー１３のタービン１３側から排出された排気ガス３１は、排気系１６を経由して排気熱交換器１８に入り、ここで排気ガス中の未燃焼バイオガスが燃焼する。排気ガス３１中の未燃バイオガスの燃焼方法はとくに限定されないが、以下に説明するように、排気再燃焼式の排気熱交換器１８を利用することが好ましい。
【００２５】
排気ガス３１は、通路が狭くなったベンチュリ管３５を通るとき、速度が速くなり圧力が低くなるため、挿入管３６から圧力差により空気がベンチュリ管３５内に供給され、排気熱交換器１８内に入る。その結果、排気熱交換器１８の内部では排気ガスと空気が混合された状態となる。この排気混合気が排気熱交換器１８内で形成する波形は排気ガスの波３３のような形になり、排気熱交換器１８の壁と衝突し、反射により衝撃波３４が発生する。この衝撃波３４により急速に温度が上昇するため、再燃焼領域３２内で空気と排気ガス３１中の未燃バイオガスが再燃焼を起こした後、最終排気ガス３１となって排気熱交換器１８の排気管２９から排気マフラ３０を経て大気中に排出される。このように、排気ガス中のバイオガスが完全に燃焼されるので、大気中にバイオガス（メタンガス）を放出することはなくなり、環境汚染を防止することができる。
【００２６】
２点鎖線矢印で表される冷却水循環系では、図１に示すように、冷却水は、ディーゼルエンジン１で発生する熱をウォータージャケットで１次回収し、そのウォータージャケットから冷却水系１７を通って排気熱交換器１８に入り、排気ガスの熱を２次回収する。高温になった冷却水は熱負荷２２に送られ、その熱負荷２２に冷却水の熱が供給される。
【００２７】
排気熱交換器１８は、ディーゼルエンジン１を冷却した冷却水が流れるジャケットまたはコイルを有する。したがって、排気熱交換器１８で排気ガスの熱および未燃バイオガスの燃焼により発生した熱を、その冷却水により回収するようになっている。
【００２８】
熱を回収した冷却水は熱負荷２２に供給されるようになっている。熱負荷２２は２次熱交換器を用いた温水の生産、ロードヒーティングおよび暖房等に使用できる。
【００２９】
熱負荷２２により温度が低下した冷却水は、冷却水系１９−１を通り冷却水循環ポンプ２１によりエンジンのウォータージャケットに戻り再び循環するが、熱負荷２２の負荷に応じてバルブ１９の開度が変化し、冷却水の一部又は全部が冷却水系１９−２を通りラジエータ２０に入って一定温度まで冷却された後に、冷却水循環ポンプ２１により冷却水系２３を通りディーゼルエンジン１のウォータジャケットに入る。
【００３０】
１点鎖線矢印で表されるオイル循環系では、図１に示すように、エンジンオイルはオイル循環路２４を通って補助オイルタンク２５に入り、補助オイルタンク２５内のオイルがオイルフィルタ２６を通して浄化された後、オイル循環ポンプ２７によって、オイル循環路２８を通ってエンジンに再注入される。オイル補助タンクとフィルタを設けオイルを循環させる理由は、バイオガスには硫化水素が含まれているため、エンジン部品の腐食が予想されオイル循環によって腐食を防止する効果があり、フィルタの数はオイル循環に支障のない範囲で多いほうが好ましい。
【００３１】
なお、本発明は軽油を主燃料とし、バイオガスを補助燃料とするものであるが、この補助燃料として、プロパンガスや天然ガス等の他の可燃性ガスを併用するようにしてもよい。
【００３２】
また、デュアルフューエルエンジンは、発電機を駆動するほか、冷暖房装置等のコンプレッサ、工作機械その他の動力源として使用するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ディーゼルエンジンの吸気管にバイオガス供給管を連結するだけで、空気とバイオガスとを混合するようにしたため、バイオガス噴射装置等のバイオガス供給用のシステム等を必要とせず、簡単な改造でバイオガスを吸入することが可能となる。
【００３４】
特に、バイオガス供給量調節弁の開度を一定にし、軽油の供給量の制御だけでディーゼルエンジン回転数を一定にするため、バイオガスの供給量やバイオガス中のメタン濃度が変化しても、軽油の供給量だけをコントロールすればよいので、安定的にディーゼルエンジンの運転をすることができる。
【００３５】
また、空気とバイオガスとの混合気体をインタークーラーを有しないターボチャージャーにより過給するようにしたので、混合気体の温度を下げないため、バイオガスの燃焼効率が向上し、排気ガス中の未燃バイオガスの含有量を低下させることができる。
【００３６】
さらに、ディーゼルエンジンの排気系に排気熱交換器を設けた場合には、再燃焼により、排気ガス中に含まれる未燃のメタンガスを燃焼させることができるため、メタンガスによる環境汚染を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態からなるデュアルフューエル・ディーゼルエンジンを示す概略図である。
【図２】本発明のデュアルフューエル・ディーゼルエンジンで使用する排気熱交換器を示す概略図である。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
２発電機
３回転数測定器
３−１ガバナ制御用マイコムセット
４電磁式ガバナ
５軽油供給系
６軽油噴射系
７軽油噴射ノズル
８吸気管
９バイオガス供給管
１０流量調節弁
１３ターボチャージャー
１４混合気吸入系
１５排気系
１６排気系
１７冷却水系
１８排気熱交換器
２２熱負荷
２９排気管
３０マフラ
３１排気ガス

Claims

主燃料の軽油と有機廃棄物の嫌気性発酵より発生するメタンガス等を含有するバイオガスとを燃料として運転するディーゼルエンジンにおいて、前記ディーゼルエンジンの吸気管にバイオガスプラントから供給されるバイオガスの供給管を連結し、該吸気管の空気と前記バイオガスとの混合気体をインタークーラーを装備しないターボチャージャーで過給して前記ディーゼルエンジンの燃焼室に供給するようにし、かつ前記バイオガスの供給管の流量調節弁を開度一定にし、前記軽油の供給量の調節により前記ディーゼルエンジンの回転数を一定にするようにしたデュアルフューエル・ディーゼルエンジン。
排気系に排気再燃焼式の排気熱交換器を設け、該排気熱交換器で排気ガスを再燃焼させると共に排気から熱を回収する請求項１に記載のデュアルフューエル・ディーゼルエンジン。
排気ガスの一部を前記吸気管に還流させるようにした請求項１又は２に記載のデュアルフューエル・ディーゼルエンジン。
前記燃料として前記バイオガス以外の可燃性ガスを併用するようにした請求項１〜３のいずれかに記載のデュアルフューエル・ディーゼルエンジン。
前記可燃性ガスがプロパンガスまたは天然ガスである請求項４に記載のデュアルフューエル・ディーゼルエンジン。