CN1247937C - 用氧探头控制燃烧的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的蓄热燃烧装置是由蓄热用燃烧器和在其给排气路径中所设的氧探头构成的。所述蓄热用燃烧器具有蓄热体和在给排气之间进行切换的机构，所述氧探头设置在所述蓄热体和所述切换装置之间。

Description

用氧探头控制燃烧的方法及装置
本申请是发明名称为“用氧探头控制燃烧的方法及装置”、申请日为1997年5月21日、申请号为97111600.8号申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及利用氧浓度检测探头(氧探头)对炉子或燃烧器的燃烧进行控制的技术。具体地说涉及蓄热燃烧装置。
背景技术
在对炉子或蓄热燃烧系统的燃烧进行控制的方法中，现在使用的方法计有：(1)通过对于在燃料系统中所装的电磁阀以及在供气系统中所装的电磁阀进行开、关运作，使燃料及供气通、断方法；(2)同时对于分别在燃料系统及供气系统中分别装设的压力控制阀进行控制的方法，以及在两个压力控制阀之间的关联方法；(3)用流量控制阀代替压力控制阀的方法。在这些方法中，蓄热燃烧系统是通过日本专利公报4-270819号公报等为人所知的系统。在该系统中，使高温排气通过蓄热体排出，将该排气的热量积蓄在蓄热体中，接着在通过给、排切换，使供气在经过蓄热体时，通过蓄热热量的释放对供气进行预热。通过这种办法，使热效率得以大幅度提高。
但是，不论是那种方法，在提高控制精度的同时，就会带来装置的复杂化，和成本的提高。
要想提高精度，虽然可以根据排气中的氧浓度对空气比进行控制，但是，由于现有的探头成本高、以及不可能对探头劣化或者其他故障进行自诊断，存在可靠性等方面的问题。
特别是以蓄热体为控制对象的时候，由于：(1)蓄热体堵塞、(2)在给排气切换机构中由供气向排气方向的漏气、(3)由温度(发生的体积流量的变化)造成的压变动(压力损失变化)等，使空气比发生变化，从而使燃烧难以长时间在最佳空气比的条件下持续进行等一类的问题。
另外，即使根据排气中的氧浓度对控制比进行控制，也不能对排气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)等未燃成分的浓度进行检测。因此，在排气中采用将氧浓度控制在规定值的方法对空气比进行控制，仍然不能掌握排气中所含的容许量以上的未燃成分。为了防止未燃成分的排出，除了氧探头以外，还必须要设置检测其他未燃成分浓度的检测系统，这些设备费用也是必须的。
发明内容
本发明的目的是提供低成本、高可靠性、根据氧浓度能够控制空气比的蓄热燃烧装置。
为了达到本发明的目的，本发明提供了一种蓄热燃烧装置，包括蓄热用燃烧器、设置在该蓄热用燃烧器中的氧探头，其特征在于，所述蓄热用燃烧器备有蓄热体和在给排气之间进行切换的机构，在设有上述氧探头的蓄热燃烧用燃烧器、或在其给排气的路径中形成有在上述蓄热燃烧用燃烧器或给排气路径内作为导流用的凹槽，所述氧探头设置在上述凹槽内。
利用上述蓄热燃烧装置，由于是以输出电流值为基准来检测氧浓度，所以能够降低成本、提高响应性和提高可靠性。另外，在设有自诊断功能的场合下，由于能够对于探头劣化、燃烧装置的故障进行自诊断，提高了可靠性。
在本发明的上述蓄热燃烧装置中，由于是利用控制空气比的同一个氧探头，在外加电压接近0伏的条件下根据氧探头的输出电流检测排气中的未燃成分量的多少，校验排气中的未燃成分。从而就不再需要另设未燃成分探头。
附图说明
现参照以下附图，通过对本发明实施例进行的说明，借以对上述本发明的目的、结构和效果作进一步了解。
图1A是为实现本发明的第1、第3实施例的控制方法所用的装置的概略断面图。
图1B是本发明第2、第3实施例的蓄热燃烧装置的概略断面图。
图2是在本发明的第1、第2实施例的燃烧控制方法、装置中所用的检测探头的断面图。
图3是采用图2所示的探头时表示输出电流(mA)与外加电压(V)的关系曲线图。
图4是采用图2所示的探头时表示输出电流(mA)与空气比(空气/燃料)的关系曲线图。
图5是表示在本发明的第1、第2实施例的燃烧控制方法、装置中所用的氧浓度检测探头的检测原理用的、在固体电解质近旁的断面图。
图6是表示在本发明的第1、第2实施例的燃烧控制方法、装置中所用的检测探头的检测元件的输出电流/外加电压和输出电流/氧浓度的关系曲线图。
图7是在本发明的第1、第2实施例的、具有自诊断功能的燃烧控制方法、装置中燃烧控制程序的流程图。
图8是在本发明的第2、第3实施例的蓄热燃烧装置中所用的单燃烧器的断面图。
图9是在本发明的第2、第3实施例的蓄热燃烧装置中所用的双燃烧器的断面图。
图10是在本发明的第2实施例的蓄热燃烧装置中的氧探头设置部位近旁的断面图。
图11是图10的装置部分的平面图。
图12是图10的装置部分的下凹底面为圆弧状的断面图。
图13是图10的装置部分的下凹底面为锥体状的断面图。
图14是在本发明的第3实施例的方法、装置中所用的氧探头在贫燃料、富燃料的各种状态下表示氧离子流动部分的断面图。
图15是在本发明的第3实施例的方法、装置中所用的氧探头的外加电压(V)负输出电流(i)的特性图。
图16是在本发明的第3实施例的方法、装置中所用的氧探头的断面图和外加电压电路图。
图17是在本发明的第3实施例的方法、装置中的空气比控制、未燃成分校验的控制程序的流程图。
图18是表示在本发明的第3实施例的方法、装置中的探头再生控制程序的流程图。
图19是表示本发明的第3实施例的方法、装置在进行燃烧控制时氧探头输出电流和时间关系的曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的第1、第2、第3实施例进行说明。
本发明的第1实施例是关于使用氧探头的炉子的燃烧控制方法，如图1A、图2～图7所示。
本发明的第2实施例是关于使用氧探头的燃烧器(蓄热燃烧的燃烧器可用通常所用的燃烧器)装置的控制装置，如图1A、图1B、图6、图8、图9、及图14～图19所示。
凡是在本发明的全部实施例中的共同部分，在本发明的全部实施例中一律标注同样的符号。
第1实施例
首先参照图1A、图2～图7对于在本发明的第1实施例中使用氧探头的炉子的燃烧控制方法进行说明。
图1A是适用于本发明的第1实施例的控制方法的装置的一个示例。在图1中，在炉子11中设有燃烧器13，在燃烧器13上连接着燃料(例如气态燃料)供给系统14和供气供给系统15。符号12表示火焰。在供气系统中设有鼓风机16，和在鼓风机16和燃烧器13之间的连接通路中所设的控制阀17；控制阀17的开度由来自控制箱18的信号进行控制。在炉子内部或在烟道19中设有氧浓度检测探头20。探头20的输出送到控制箱18，在控制箱18中，根据探头20的输出算出燃料所用的必要给气量，该信号被送入控制阀17的控制电动机17a，对控制阀的开度进行控制，将给气量调到必要的给气量。
检测元件20可以是(比方说)根据输出电流值检测氧浓度型的检测元件(氧探头)。在此情况下，其结构如图2所示。检测元件20具有：试管形成型的氧化锆固体电解质21、在氧化锆固体电解质21内外表面上设置的铂电极22、23、在外侧电极23的外表面上用陶瓷材料做成的加速扩散层24、将元件(由21、22、23、24构成的部分)温度保持在650℃以上用的加热器(例如陶瓷加热器)25、在元件外侧装设护套26。标号27是加热器的引线，标号28是内侧电极的引线，标号29是外侧电极的引线。
现参照图3～图6说明根据输出电流检测氧浓度型的检测元件20的氧浓度检测原理。
在一定值的温度条件下(例如650℃)向氧化锆固体电解质21施加电压，强制流过电流，如图5所示，通过电解质21产生O-2离子的移动。随同作为电流值检出的外加电压的增加，该O-2离子移动量按直线比率增加。然而，阴极端设有加速扩散层，使氧分子扩散加速，也使外加电压增加，使输出电流值达到一定值后饱和(参照图6)。于是，在输出电流值饱和的范围之内，当外加电压(VO)恒定时，浓度和饱和输出电流大致成直线关系(参照图6)。
图2所示检测元件的特性与图5的元件和图6的关系相同，如图3所示。当外加电压有变化时，在大范围的空气比的条件下，取得稳定的电流特性。图4是在元件温度为700℃，外加电压为0.7V的条件下的输出电流特性，在富空气燃烧气氛中大致成直线关系。图3、图4是在内燃机中使用时的特性图，空燃比是以汽油为基准求出的值。图4的范围是比理论空燃比大的范围，是在富空气条件下的范围。
一般情况下，在使用燃烧器的炉子燃烧时，不是在富燃气气氛中燃烧，而是在富空气气氛中燃烧，在那样的情况下，O2必须在理论空燃比的量以上，要在多半要有21％程度范围的余量的条件下燃烧。因而是处于检测元件20的运作范围以内。在此情况下，通过检测元件20根据检出的炉内的氧浓度对控制阀17的控制电动机17a进行的控制，能够在未燃成分发生临界氧浓度附近进行低O2燃烧。
采用上述装置实施本发明的第1实施例的燃烧控制方法包括：在炉内或烟道内装设能够根据输出电流值检测氧浓度的检测探头，通过来自该检测探头20的电流值信号检测氧浓度的步骤；根据检测到的浓度，控制空气比(完全燃烧时必要的理论空气量与给气空气的比)的步骤。根据需要，控制空气量，显示空气量的控制情况，以此作为对空气比的控制，同时也作为对燃气比的控制。
在该燃烧控制方法中所用的检测探头，可以采用汽车用的贫燃气混合物传感器或者其改良型产品，由于是大量生产的产品，价格便宜；而且由于结构紧凑，在炉内或烟道内装设时不会在占用空间方面产生问题，再加上这是电流输出型的产品，应答性能高，控制应答可靠性也有所提高。
现以在恒温环境条件下采用HI-LO-OFF燃烧法进行燃烧的控制方法[在设定温度条件下进行HI和LO的切换，在设定温度+α(α为小的正值)的条件下进行LO和OFF的切换]为例，叙述如下。另外，HI表示高燃烧，LO表示低燃烧，OFF表示主燃料切断。
(1)冷炉进行暖炉升温时：进行HI或LO燃烧。控制电动机全开。检测探头在未到一定的温度或者未到一定时间时不运作。在此以后，由检测探头20对空气(给气)流量进行控制(这是指通过检测探头20的输出信号被送到控制箱中，在控制箱中的运算信号被送到控制电动机进行的控制)。
(2)由HI到LO的切换：在控制电动机原样不动的条件下进行LO燃烧切换(为了不会因为不完全燃烧而产生CO)。此后，由检测探头20对空气(给气)流量进行控制。
(3)由LO到OFF的切换：切断主燃料。通过控制电动机流入适量的空气进行清炉。
(4)由OFF到LO的切换：控制电动机全开，然后LO燃烧点火，进行LO燃烧(为了不会因为不完全燃烧而产生CO)。此后，通过检测探头20对空气(给气)流量进行控制。
(5)由LO到HI的切换：控制电动机全开，然后HI燃烧点火，进行HI燃烧(为了不会因为不完全燃烧而产生CO)。此后，通过检测探头20对空气(给气)流量进行控制。
通过上述的燃烧，在不产生未燃成分的浓度范围内进行低燃烧，发现能够控制CO的大气排放。
图7所示，是在上述燃烧控制方法中的空气比控制程序中能够进一步进行自诊断(检测探头劣化、燃烧装置不完善等一类的自诊断)的燃烧控制方法和装置。图7中的控制程序储存在控制箱18(例如，计算机)中。
图7中的燃烧装置的自诊断装置具有：判断燃烧是否关断的第1装置101(构成步101的装置，以下同此)；当在第1装置中判定燃烧未关断时，判断氧探头20的输出电流值是否大于规定值B的第2装置102；当判定第2装置氧探头20的输出电流值大于规定值B时，指示降低空气比的第3装置；当判定第2装置氧探头20的输出电流值在规定值B以下时，指示提高空气比的第4装置104；，在第4装以后，判断氧探头20的输出电流是否小于规定值C以下的第5装置105；当在第5装置中判定氧探头20的输出电流是小于规定值C以下时，指示关断系统的第6装置106；当在第1装置中判定燃烧已关断时，判断氧探头20的输出电流值是否大于规定值A的第7装置107；当在第7装置中判定氧探头20的输出电流值大于比规定值B大的规定值A时，指示继续运转的第8装置108；当在第7装置中判定氧探头20的输出电流值是在规定值A以下时，显示探头20劣化的警告，如有必要，指示关断系统的第9装置。
图7的程序每隔一定的ΔT的时间间隔中断一次。在步101中判断燃烧是否关断(如果判定为否，燃烧是HI还是LO)。
当燃烧关断、且鼓风机打开时，炉内或烟道内处于富空气状态(O2的浓度大)。另外，当HI或LO时，炉内或烟道内的氧浓度小。
当处于HI或LO的状态时，进入步102。此时，判断检测探头(氧探头)的输出电流值是(O2量多)否(O2量少)大于规定值B(例如3Ma)。如果是大，由于这意味着给气量过多，进入步103，指示给气减量；控制阀转到关闭的一侧，然后进END步骤。另外，如果是小的时候，由于这意味着给气量减量太多，进入步104，指示给气增量，控制阀转到打开的一侧。接着由步104进入步105，此时，判断检测探头20的输出电流值是否在设定值C(较B小的值)以下。如果大于设定下限值，立即进入END步骤。然而，如果在步105中判定检测探头20的输出电流在设定下限值以下时，由于在步104中虽然指示给气增量，而给气却仍然处于未曾增加到大过设定下限值的程度，这就意味着给气系统有某种不完善的情况(例如鼓风机故障)，于是进入步106，关断系统。这就是说，进入步106的路径这件事实就是由于通过自检发现系统发生了异常情况造成的，这就是自检。
另外，在步101中，如果燃烧已关断而鼓风机打开时，炉内或烟道内就处于富空气状态，进入步107，此时，判断检测探头20(氧探头)的输出信号是否大于规定值A(大于上述的B，例如35mA)。
当主燃料关断时，炉内或烟道内处于富空气状态，由于炉子正常，当然要输出不同于规定值A的异常值；当在步107中判定较比A大时，进入步108，继续进行运作，进入END。
然而，当在步107中判定在A以下时，则说明尽管在炉内是处于富空气状态，检测探头20的输出信号业已不能输出与量相对应的输出，这就意味着由于检测探头自身的传感能力劣化而成为不完善的探头。于是，进入步109，发出探头劣化的警告(报警等)，另外，如有必要，会将系统关断。但是，由于尽管检测探头20劣化，达到必须要关断系统的时候不多，当遇到发出劣化警告(报警等)时，经过适当的时间以后，也可以将系统关断，或者是将控制阀全开，即不再对O2进行控制，仍在富O2状态下继续运转，在此期间即可进行检测探头的更换工作。无论如何，通过步109的路径，就意味着检测探头已经出现异常，从而自诊断出检测探头20(氧探头)劣化(或异常)。
由于具有这样的自诊断功能，本实施例的燃烧控制方法运作的可靠性得以提高。另外，纵然发生异常，仍然能够对鼓风机的异常和探头的异常采取适当的对策。除此以外，还有在炉子的运作过程中进行常规自诊断的优点。
采用本发明的第1实施例的燃烧控制方法，由于是根据输出电流的基准值检测氧浓度，所以能够降低成本、紧凑化、提高应答性和可靠性。
另外，如果设置自诊断功能，通过自诊断功能，能够自诊断探头劣化、燃烧装置故障，可靠性得以提高。
第2实施例
以下参照图1B、图2～图7(图2～图7与第1实施例通用)、以及图8～13，说明本发明利用氧探头的蓄热燃烧装置的控制装置。
图1B所示是本发明的装置的一个示例。在图1B中，在炉子11中设有蓄热燃烧用燃烧器13。在燃烧器13上连接燃料(例如，气态燃料)的供给系统14、给气路径15和排气路径19。标号12是表示由蓄热燃烧器13形成的火焰。在给气路径15中，连接向蓄热燃烧用燃烧器13输送燃烧用空气用的鼓风机16。在连接鼓风机16和蓄热燃烧用燃烧器13的路径部分上设有控制阀17。控制阀的开度由来自控制箱18的信号进行控制。
在蓄热燃烧用燃烧器13或者蓄热燃烧用燃烧器13的给、排气路径15、19中设有检测氧浓度用的氧探头(氧探头，称作检测探头)20。氧探头20的输出(输出电流)被送往燃烧控制箱18。在控制箱18中根据氧探头20的输出，对燃料的必要给气量进行运算，并将该信号送至控制阀17的控制电动机17a。通过控制阀17的开度将给气量控制到必要的给气量。
蓄热燃烧用燃烧器13，可以是如图8所示的、备有给排气互相交替切换机构40的单燃烧器，或者也可以是如图9所示的、通过所装切换阀70互相交替切换类型的双燃烧器。
蓄热燃烧器13在采用单燃烧器的场合，如图8所示，蓄热燃烧器13是由外壳34、在外壳34内配置的多个圆筒31以内所装的、具有多条通路的蓄热体30(是由用金属棒之类的耐热材料棒绑扎的蜂窝型陶瓷体构成的)、在蓄热体30一端所设的燃烧器瓦62、在蓄热体30另一端所设的给排气切换机构40以及贯通给排气切换机构40和蓄热体30一直延伸到燃烧器瓦62的燃料喷嘴60构成的。61是点火空气供给管。
蓄热体30在排气通过时用来回收该热量进行蓄热，在燃烧用主空气通过时释放蓄热热量，对主空气进行预热。在蓄热体30内部燃气流通的范围中，沿燃烧器周向划分成多个扇区，当排气从其中的一个扇区流过时，通过另一个扇区流过主空气给气。流过蓄热体30的给排气通过给排气机构40进行互相交替切换。
燃烧器62是由陶瓷材料或者耐热金属构成的，具有给排气面63、面向给排气面开口的多个给排气开口66和从给排气面63外延突出的突出部64。突出部64从内侧到前端形成燃料扩散面65，面向给排气面63所对的突出部64的外侧开口。给排气孔和蓄热体30的扇区沿燃烧器的周向相对应。当多个给排气66的一部分中有排气气体流过时，另一部分的给排气孔66中有主空气流过。
给排气切换机构40具有可动部件44和固定部件46。可动部件44具有隔开给气和排气用的隔板41。固定部件46具有与蓄热体30的多个扇区相对应的多个贯通孔47。活动部件44在隔板41的一端设有开口部42、在隔板41的另一端设有开口部43。一边的开口部42和给气口51连通，另一边的开口部43和排气口52连通。可动部件44通过驱动装置(电动机、汽缸等)45向一个方向或者往复运动，直到使原来与开口部42重合的贯通孔变为与开口部43一致时为止，借此对蓄热体30与给排气孔66的给气、排气流进行切换。
当蓄热燃烧用燃烧器13是由单燃烧器构成的场合下，氧探头20要设置在切换机构40(更详细地说是设置在切换机构40的固定部件46与可动部件44的动作面上)与蓄热体30之间的部位上。在图8所示的示例中，设置有氧探头20，该氧探头以把氧探头检测部插入在固定部件46的加厚的壁上由贯通孔形成的凹槽48内的状态设置。由于氧探头设在沿排气流动方向的蓄热体的下游，所以是处于排气温度在蓄热体30中脱热后大约300℃的以下的部位上。由于氧探头不是暴露在高温之下，得以提高氧探头20的耐久性。另外，由于氧探头20的设置位置位于沿着给气流方向在切换机构40的固定部件46和可动部件44的动作面的下游，在该位置上即使在固定部件46和可动部件44的动作面上产生由给气向排气的漏气，也不会受到影响，所以，其设置位置是在能够测到真正的排气氧浓度的位置上。因此，能够检测到高精度的浓度，并且在这样的基础上进行空气比的控制，能够进行高精度、高可靠性的控制。
蓄热用的燃烧器13，如图9所示，也可以是由一对燃烧交替切换式燃烧器构成的。在这种类型的系统中，由于给气、排气的切换是通过设置在连接在燃烧器13上的给气路径15和排气路径19之间的途径上的切换阀(例如，四通切换阀)70进行的，如果燃烧器13是单燃烧器，在燃烧器内部就不再设置以前所设的切换机构40。另外，这种类型的燃烧器13虽然具有蓄热体30，但是，蓄热体并没有必要在燃烧器的周向上再划分出多个扇区。至于其他的燃烧器瓦、燃料供给管等，则仍应以单燃烧器为准。
如图9所示在具有一对燃烧器的系统中，氧探头20是设在给、排气路径15、19之中、在蓄热体30和具有给排气切换机构的切换阀70之间。采用这种方式，就可以取得与采用单燃烧器相同的效果(氧探头的设置部位是处于比较低温的部位，其耐久性得以提高，而且具有不会受到给、排气之间漏气的影响的效果)。
在设有探头的蓄热燃烧用燃烧器13或者在其给、排气路径15、19中，最好是如图10～13所示，在其给、排气路径内的给、排气的流路上做出凹槽，将氧探头20的检测部(检测元件)20a设在该凹槽之中。在本发明中虽然包括以外伸的方式将检测部设在给、排气的流路上，但是最好还是以内缩的方式将其设在凹槽48中。
另外，如图10和11所示，当在蓄热用燃烧器13中装设具有整流功能的蓄热体时，要在氧探头20设置部位的附近装设产生紊流用的部件(例如当板)49，在本发明中虽然包括不设部件49的方式，但是最好还是要装设部件49。
其理由如下所述：
如果将氧探头20以外伸的方式在给、排气的流路上设置，由于氧探头20忠实地检测到排气氧浓度的不稳状态，输出电流呈现微细的波动，从而使其再现性和稳定性不强。另外，在给气时，由于大量空气直接与氧探头接触，从而使检测元件的温度大幅度降低，于是就必须要提高加热器的电压。如果将氧探头20的检测元件以内缩方式装设在凹槽48之内，就能够防止探头20的过敏反应和给气时的探头温度大幅度降低。
当氧探头20的检测部(检测元件)20a是以内缩的方式装设在凹槽48之内时，给气能够毫无问题地进入凹槽以内与检测部(检测元件)接触。但是，刚出蓄热体30的排气有方向性(层流)，少量的不能流入；给气时进入凹槽48中停滞不动的空气不能完全清扫。结果，氧探头20的输出电流比实际的炉内氧浓度高，因而在控制空燃比的过程中使燃烧空气(给气)受到钳制，造成空气不足，不能令人满意。然而，通过装设使排气产生紊流的部件(例如，挡板)49，使气流因遇到挡板49的阻挡而产生紊流，紊流绕过部件49的内侧流入凹槽48中，与探头20的检测部20a接触。然后在给气时起到清扫气的作用迅速将凹槽内的滞留空气清扫而绕过氧探头，接着由排气潜入槽内。结果，氧探头的输出电流显示恒定值，该值与实际的炉内氧浓度的值大致一致。
另外，为了在给排气经过切换之后立即使给气顺利起到清扫气的作用，除了将凹槽48的底部的形状做成平面形状以外，还可以如图12、13所示，将其做成R状或锥体形状。
探头20的结构与采用图2对本发明的第1实施例所做的说明相同。
通过输出电流检测氧浓度类型的探头20的浓度检测原理与采用图3～图6对本发明的第1实施例所做的说明相同。
正如在本发明中所做的说明那样，图2中探头的输出特性如图3所示。图4是在元件温度为700℃、外加电压为0.7伏的输出电流特性，其特性与在富空气燃烧气氛中的大致成直线关系。
正如在本发明第1实施例中所做的说明那样，利用氧探头20进行反馈控制，可能在未燃成分临界氧浓度附近进行低燃烧。
利用上述装置实施燃烧的控制方法包括：通过来自设在蓄热燃烧用燃烧器13中的、和设在其给、排气路径中的氧探头20的电流值信号检测氧浓度的步骤；和根据检出的氧浓度对空气比(完全燃烧时必要的理论空气量与给气空气之比)进行控制的步骤。
在该燃烧控制中，在所用的氧探头20中，能够使用汽车所用的贫混合物探头或者其改良型探头。由于这是大量生产的产品，价格便宜、体积紧凑、在炉内或者烟道内设置都不会出现空间方面的问题，除次此以外，由于是电流输出型的，应答性高、控制应答可靠性有所提高。
在本发明第1实施例中所述的HI-LO-OFF燃烧的示例在本发明的第2实施例中也能够适用。通过这种燃烧控制方法，了解到在低O2燃烧和CO大气排放的控制。除此以外，还取得低NOx化、高效率化(由于过剩空气少，使排气总量减少，通过排气浪费的热量少)、无氧化加热的使用用途方面的效果。
图7所示的燃烧控制装置除了能够在上述燃烧控制中执行空气比的控制步骤以外，还能够进行自诊断(探头20的劣化、燃烧控制装置不完善等的自诊断)。图7中的控制程序储存在控制箱18(例如计算机)中。
图7的程序的说明与本发明的第1实施例的说明相同。
由于具有这样的自诊断功能，本发明的蓄热燃烧装置及其燃烧控制的可靠性有所提高。另外，纵然发生异常，可以查明系统发面的异常和探头方面的异常，能够采取适当的对策。此外，还有在炉子的运行过程中进行常规自诊断的优点。
本发明的第2实施例的效果如下所述：
首先，在燃烧中或者在该给、排气路径中设置氧探头，检测氧浓度，由于是以该输出电流值为基准对空气比进行的控制，所以空气比稳定。
另外，将氧探头设置在排气通过蓄热体之后的位置上，处于较低的温度环境，探头的耐久性得以提高。此外，给排气的切换机构沿着给气流的方向的下游设置氧探头，因而不会受从给气向排气方向漏气的影响，因而控制的可靠性得以提高。
另外，通过采用车载式氧探头，除了低成本和体积紧凑以外，应答性提高，应答可靠性也得以提高。
另外，蓄热燃烧装置中增添了自诊断功能，能够自行诊断探头的劣化、蓄热体堵塞、切换机构漏泻和鼓风机不完善。
另外，将氧探头设在凹槽以内，能够防止在有给气流过氧探头时，大量给气接触氧探头会使元件温度过度降低。另外，还能够防止在有排气流过氧探头时，由于氧探头忠实地检测到排气氧浓度的不稳状态，输出电流呈现过敏的波动，从而使其稳定性不强。
另外，通过在探头设置部位的近旁装设使来自蓄热体的排气产生紊流的部件，使排气容易流入凹槽以内，能够清扫在给气时在凹槽内滞留的给气，从而使氧探头能够输出与炉内氧浓度相等的电流值。
第3实施例
以下参照图1A、图1B、图6、图8、图9和图14～图19，说明本发明第3实施例中的使用氧探头控制燃烧的方法和装置。
如果采用本发明的第1、第2实施例的氧探头控制空气比，要在固体电解质中所设的氧探头上施加规定的外加电压。然而，发明人发现，在对氧探头施加的外加电压接近0V时，氧探头的输出电流随排气中的未燃成分的量发生变化。本发明的第3实施例就是利用这种现象来检测排气中的未燃成分，提出对燃烧器燃烧的控制方法和装置的方案。
首先对于在控制空气比用电压的外加电压下氧浓度的检测原理和在接近0V的未燃成分用电压下未燃成分的检测原理作以下的说明。
首先参照图14、图15、图6(第1、第2实施例通用)说明在控制空气比用电压的外加电压下氧浓度的检测原理。
在贫燃料气范围内，在某一恒定值(例如650℃以上)的温度条件下，对氧化锆固体电解质21施加外加电压，强制电流流过。在图14上半个图所示的汽油燃料范围中产生O-2离子由阴极向阳极的移动(在图14中所示，i是由于O-2离子移动产生的电流)。将这种O-2离子的移动(通过图16所示的电流检测器)作为电流值检出，该电流值随同外加电压的增加作直线性增加。然而，由于在阴极端24设有扩散层使氧分子的扩散速度增大，从而使外加电压增加，输出电流呈现为恒值的饱和特性(参照图6的左半图)。于是，在输出电压进入饱和范围的状态下，外加电压恒定时(例如V0为0.7V)，氧浓度和饱和输出电流值大致成直线关系(参照图6的右半边图)。
因此，当施加恒定的外加电压时，如果将氧探头的输出电流值控制到规定的电流值(采用的办法是：当电流值大于规定值时，压缩空气的供给量；当电流值小于规定值时，增加空气的供给量)就能够将排气中的氧浓度控制到目标值。利用这种氧探头特性，就能够对空气比进行控制。然而，当对空气比进行控制时，必须要采用对氧探头施加恒定电压，使输出电流进入到饱和范围的办法。
以下说明未燃成分的检测原理。在如图14下半图所示的富燃料气的范围内，排气中没有氧分子，在排气中的未燃成分中含有HC、H2、CO等。在贫燃料气范围内以同样的条件进行测试时，通过固体电解质21出现O-2离子由阳极向阴极的移动，产生电动势V1。由于这种O-2离子的移动在贫燃料气的场合是逆向移动，当V1＞V(V是对探头施加的外加电压)时，电流i的流向反向。在图15的外加电压对电流的特性曲线中，图15的i呈现在负值区(空气比与图14、12相对应)。
当采用燃烧器燃烧时，与上述的贫燃料状态和富燃料状态不同。由于燃烧器燃烧的空气比(完全燃烧时空气比为1)要在比1大，在燃烧器燃烧的排气气体中含有O2和HC、H2、CO等，图14下半图的情况是所含比O2要多的状态。在此情况下，凡是本来不含HC等未燃成分的燃料都在与贫气范围同样的条件下进行试验。在图15中所示，据本发明人认为，是略低于V-i特性的特性(点横虚线的特性)。该低下的份额δ就是未燃成分的效果。δ是未燃成分的量中多出的部分。
然而，在该点划线表示的特性中，不能够判断出在外加电压(0.7V)一定的范围内V-i特性的低下分额δ是由于低于空燃比A/F产生的，还是由于在排气气体中所含的HC、H2、CO产生的。因此，在现有的外加电压恒定的条件下检出的V-i特性不能够作为控制之用。
可是，据本发明人发现，如果外加电压为0(所谓外加电压为0等于切断外来电压)或在0附近，则能够使用该V-i特性来检测排气中所含的HC、H2、CO等的未燃成分量。
其理由如下所述：
在图15中，在排气中有O2存在的范围内(大致等于电流i为正的范围)，纵然改变空燃比A/F，特性线经常穿过0点(原点)，在接近0V形成一条线。此线是外加电压为0或在接近0V、不受空燃比影响的V-i特性，也就意味着是在排气中含有O2、但不受其影响。此外，当外加电压接近0V时，据认为由于未燃成分使V-i特性低下，并且低下的份额δ是与未燃成分相关的残余量。因此，如果在外加电压为0或接近0V时，测定输出电流，则不会受空燃比的影响，也就是不受空气比的影响，从而能够检出排气中的未燃成分的概略量。
本发明就是根据这种发现形成的。
以下参照图16～图19说明本发明实施例的燃烧器的燃烧控制方法。本发明实施例中所用的氧探头的元件本身虽然是和汽车用的贫气混合物探头相同的结构，但是却可对其所加的外来电压进行切换，能够利用同一个氧探头控制空气比并且检测未燃成分；而且设有对其进行控制用的控制箱；还能够对探头的劣化进行再生等；这些方面是与利用汽车用贫气混合物探头控制空燃比不同之处。
如图16所示，本实施例的燃烧器的燃烧控制装置具有：氧探头20，其中装有固体电解质21；外加电压切换装置2，用来对氧探头20施加的外来电压进行切换，即对控制空气比用的控制电压和在接近0V施加未燃检测用电压进行切换；未燃成分浓度校验装置(与用来向控制箱18储存图17中控制程序的步112相对应的装置)，用来在处于未燃成分检测电压的外加电压的状态下对排气中的未燃成分浓度进行校验。
本发明实施例的燃烧器的燃烧控制装置除了具有用来判断氧探头输出是否出现异常以外还有对出现异常的氧探头进行再生用的氧探头再生执行装置(与用来向控制箱18储存图18中控制程序相对应的装置)。
如图16所示，氧探头20具有：试管形成型的氧化锆固体电解质21、在氧化锆固体电解质21内外表面上设置的铂电极22、23、在外侧电极23的外表面上用陶瓷材料做成的加速扩散层24、将元件(由21、22、23、24构成的部分)温度保持在650℃以上用的加热器(例如陶瓷加热器)25、在元件外侧装设的护套26。标号27所示是加热器的引线。
内侧电极22分别通过引线28、29与外加电压的电源连接。外加电压电源1通过作为外加电压切换装置使用的外加电压切换器2在空气比控制用电压(例如0.6～0.7V)和在接近0V的未燃成分检测用电压之间进行切换。该切换通过来自控制箱18的指令信号执行(或者也可以采用手动方式执行)。在内侧电极22、外侧电极23和外加电压电源1连接的电路中，设有与外加电压电源1串联的、用来检测氧探头20的输出电流、并将其输出到控制箱18用的氧探头输出电流检测器3。
在控制箱18中，存储了图17的控制程序和图18的控制程序。
在开始执行燃烧器的燃烧时，按规定的时间间隔中断图17的控制程序。在步111中判断定时器是否接通。该定时器是由T1、断开时间T2进行循环运作的方式构成的。当在步111中判定定时器已接通时，进入步112，向氧探头20施加接近0V(包括0V)的外加电压，进行未燃成分的校验；当在步111中判定定时器已断开时，进入步113，向氧探头20施加外加电压(例如，0.7V)，执行空气比控制。由步112、113进入结束。通过该空气比控制程序，反复循环执行利用氧探头控制空气比和利用氧探头校验未燃成分的运作。
燃烧器开始执行燃烧时，在图18的控制程序中，按规定时间中断运作。在步201中，通过时间计数器判断校验时间是否已到，当校验时间未到时，原样不动进入结束；当判定校验时间已经到来时，进入步202。在步202中，判断氧探头的输出电流是否异常。例如，当切断燃料气、仅有空气流入时，排气气体中的氧浓度为21％时，判断氧探头是否能够输出正好与氧浓度为21％相对应的基准电流，当输出电流偏离基准电流的幅度大于规定幅度时则判为异常。如果不为异常，原样不动的进入结束。如果判定为异常，进入步203。异常是因为，例如，有异物附着在氧探头的表面，经过热分解发生使输出电流值降低的现象。
在步203中，向氧探头20送入清洗空气流，接通氧探头内藏陶瓷加热器进行加热，执行对元件表面附着的有机物进行烧灼。如果是蓄热燃烧式燃烧器，清洗空气可以利用对给气进行切换的给气。还可以采用对探头进行强制吹风、或者通过从烟道抽气接触探头等一类的其他方法。通过有机物的烧灼，使氧探头20恢复到接近原来的状态再生。接着进入步204，将计时器的校验即时计时清零，然后再为再生的目的进行计时计数。
以下对本发明第3实施例的、通过氧探头对燃烧器的燃烧进行控制的方法加以说明。
本发明第3实施例的利用氧探头对燃烧器的燃烧控制方法具有：对具有固体电解质的氧探头20的外加电压进行切换控制，即在空气比控制用电压和在接近0V的未燃成分检测电压之间进行切换控制的步骤，以及在外加电压切换到空气比控制电压期间对空气比进行控制，和在外加电压切换到未燃成分检测用电压期间对未燃成分进行控制的步骤。
此外，本发明实施例利用氧探头对燃烧器的燃烧进行控制的方法还有：因氧探头20在燃烧反应中附着有机物，从而使输出电流的初期值发生变化时，在清洗状态下向氧探头20的加热器25通电，对附着的有机物进行烧灼的步骤。再者，此处所说的清洗状态是指在氧探头附近排气气体极少的环境气氛。
图19所示，是在蓄热式单燃烧器中反复循环进行外加电压为0.7伏的空气比控制和外加电压为0伏的未燃成分校验控制。再者，当外加电压为0.7伏、输出电流为9时，在给气中通过给、排气切换，输出电流呈现脉冲变化。外加电压为0V的场合与此相同。
当外加电压被切断时(或外加电压在接近0V时)，在完全燃烧的状态下，如果氧探头20的输出电流值为-2.3mA(毫安)，那就产生了不完全燃烧，在排气中开始混有CO、HC等，从而使氧探头20的输出电流值降低。在此情况下，该降低值如果超过(虚线下方的部分)容许值(图19中所示的虚线)，则由控制箱18采取以下至少一种的对策：(1)发出警告、(2)增大供气量、(3)限制或阻断燃气供气量。
图1B、图8、图9、图1A是使用于本发明采用氧探头的燃烧器的燃烧控制方法和装置的多个示例。
图1B、图8所示是在炉子11中设置单蓄热式燃烧器13，并在燃烧器13的蓄热体30及其给、排气切换机构之间设置氧探头20的示图。炉子11的结构和蓄热式燃烧器13的结构在本发明的第2实施例中已有说明。
在蓄热燃烧用燃烧器13中的氧探头20的输出被送往控制箱18，当外加电压打开时，根据控制箱18中氧探头的输出电流值，对燃料的必要给气量进行运算，将该信号送往控制阀17的控制电动机，通过对控制阀17开度所做的控制，使给气量达到必要的给气量。
通过设置的氧探头20，就能够监视外加电压在接近0V的输出电流值，检出高可靠性的未燃成分。
图9所示，是在炉子11中设置一对交替切换式蓄热燃烧器13的系统，其结构在本发明的第2实施例中已有说明。
当采用交替切换式蓄热式燃烧器系统时，在给、排气路径15、19中、在蓄热体30中、和给、排气切换机构中所设的切换阀70之间的部分设置氧探头20。通过采用这种办法，和当采用单燃烧器的情况相同，也取得由于温度低使耐久性得以提高、不受漏泻影响的效果。另外，通过在该位置上所设的氧探头20监视外加电压在接近0V的输出电流值，能够检出高可靠性的未燃成分。
图1B所示是在炉子11中设置非蓄热燃烧式的常规燃烧器13。其结构在本发明第1实施例中已有说明。
氧探头20的输出被送往控制箱18，在控制箱内根据氧探头20的输出对燃料的必要给气量进行运算，并将该信号送往控制阀17的控制电动机，对控制阀17的开度进行控制，使给气量达到必要的给气量。
通过氧探头20能够对外加电压在接近0V的输出电流值、以及检出高可靠性的未燃成分的运作进行控制。
如果采用本发明的第3实施例，会取得下列的效果。
将氧探头的外加电压取在接近0V(含取在0V的场合)，根据在该时刻氧探头输出的电流值，校验燃烧器燃烧的排气中的未燃成分的浓度，就能够在不受空气比的比值的影响下对排气中的未燃成分浓度进行校验，并进行高可靠性的燃烧。
另外，只要能够对外加电压进行切换，就能够用一个氧探头对空气比和对未燃成分进行两种控制。
另外，当由于氧探头经过燃烧反应附着氧化物而使输出电流值的初期值有所变化时，通过在处于清洗状态下向氧探头的加热器通电，对附着有机物进行灼烧，能够使氧探头的性能恢复到初期状态再生。当然，未燃成分少就能够进行高可靠性的燃烧。
在以上任何一个实施例中，虽然是说明通过氧探头的输出对空气流量进行的控制，但是，也可以采用对燃料量进行控制的办法，或者是采用对空气和燃料两个方面进行控制的办法。因此，当增高空气比和给气量时，燃料就会减少；如果从两个方面同时进行，其中的任何一方都可能出现这样的现象。空气比的下降的情况同此。
以上虽以实施例进行的说明，但本发明并不以实施例为限，只要宗旨不变，各种各样的改良例和变更例都不出本发明专利的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种蓄热燃烧装置，包括蓄热用燃烧器、设置在该蓄热用燃烧器中的氧探头，其特征在于，所述蓄热用燃烧器备有蓄热体和在给排气之间进行切换的机构，
在设有上述氧探头的蓄热燃烧用燃烧器、或在其给排气的路径中形成有在上述蓄热燃烧用燃烧器或给排气路径内作为导流用的凹槽，所述氧探头设置在上述凹槽内。
2.如权利要求1中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于，所述氧探头根据输出电流检测氧浓度。
3.如权利要求1中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于：
所述氧探头具有固体电解质；
所述蓄热燃烧装置包括外加电压切换装置和未燃成分浓度校验装置，
所述外加电压切换装置用于对氧探头上的外加电压在空气比控制电压和0V的未燃成分校验电压之间进行切换；以及
所述未燃成分浓度校验装置在外加电压为未燃成分检测用电压时、根据氧探头的负输出电流的大小校验排气中未燃成分的浓度。
4.如权利要求3中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于还包括：
空气比控制装置，用于在所述外加电压为空气比控制电压时、进行空气比控制。
5.如权利要求4中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于还包括：
氧探头再生装置，用于判断氧探头的输出是否发生异常，如果发生异常，则进行氧探头的再生操作。
6.如权利要求1或2中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于，设有自诊断装置。
7.如权利要求6中所述的蓄热燃烧装置，其中，所述自诊断装置为诊断氧探头劣化的装置。
8.如权利要求6中所述的蓄热燃烧装置，其中，所述自诊断装置为诊断燃烧装置的不完善的装置。
9.如权利要求6中所述的蓄热燃烧装置，其中，所述自诊断装置还包括：
第1装置，用于判断燃烧是否关断；
第2装置，用于在第1装置判定燃烧未关断时、判断氧探头的输出电流是否大于规定值B；
第3装置，用于在第2装置判定氧探头的输出电流值大于规定值B时，指示降低空气比；
第4装置，用于在第2装置判定氧探头的输出电流值在规定值B以下时，指示提高空气比；
第5装置，用于在第4装置操作完成后、判断氧探头的输出电流是否在比B小的规定值C以下；
第6装置，用于在第5装置判定氧探头的输出电流在规定值C以下时，指示关断系统；
第7装置，用于在第1装置判定燃烧已关断时，判断氧探头的输出电流值是否大于比规定值B大的规定值A；
第8装置，用于在第7装置判定氧探头的输出电流值大于规定值A时，指示继续运转；以及
第9装置，用于在第7装置判定氧探头的输出电流值在规定值A以下时，显示探头劣化的警告，并在需要时指示关断系统。
10.如权利要求1中所述的蓄热燃烧装置，其特征在于：上述蓄热体为具备整流功能的蓄热体，在上述氧探头的设置位置的近旁设有使来自上述蓄热体的排气气流产生紊流的部件。
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