JP3008735B2 - 燃焼制御装置 - Google Patents

燃焼制御装置

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JP3008735B2
JP3008735B2 JP5155101A JP15510193A JP3008735B2 JP 3008735 B2 JP3008735 B2 JP 3008735B2 JP 5155101 A JP5155101 A JP 5155101A JP 15510193 A JP15510193 A JP 15510193A JP 3008735 B2 JP3008735 B2 JP 3008735B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は各種燃焼器具の燃焼制御
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば石油燃焼器具の燃焼制御装
置は図5に示すように、運転開始と共にヒータ51に通
電され、気化筒52が設定温度に達するとバーナファン
54、が駆動し、燃料ポンプ55に通電され、点火装置
により点火動作を行い、燃焼へ移行する。燃焼が開始さ
れると、予め設定された空燃比になるよう燃焼制御部5
7がバーナモータ56と燃料ポンプ55を制御して燃焼
を行うようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが上記構成の燃
焼制御では燃焼量の可変巾全域において、燃焼効率、熱
的な問題、NOx排出量等の特性バランス等を考慮する
と、その燃焼量の可変巾をあまり大きくとることができ
ないという課題があった。
【0004】すなわち、一般的に燃焼状態は空燃比つま
り、一次空気量によって決定され、熱効率を高めるため
に空燃比を1近傍に設定すると、火炎温度が高くなり、
逆火や部品の耐熱性に問題が生じ、燃焼量が少ない領域
においては排気温度の低下による結露が生じる。またN
Oxの排出量が極めて多くなる。一方、火炎温度を低下
させるために空燃比を1.6程度に設定するとNOx排
出量も減少し、熱的な問題も軽減するが、燃焼効率の低
下を招いたり、燃焼量が少ない領域において吹き消えす
るという問題が発生する。
【0005】このため、上記従来の構成においては空燃
比の設定を中間的な値1.4程度に設定し、上記のよう
な問題が発生しない燃焼範囲に燃焼量の可変巾を設定す
ることで対応している。そのため、燃焼量の可変巾が極
端に小さいものであった。また、燃焼状態に影響を及ぼ
す要因である電磁ポンプの流量変動やモータ回転数、フ
ァンのばらつきおよび給気経路の詰まり等による燃焼用
空気量の変動時においても、空燃比が固定値であるため
バーナ能力の許容範囲でしか適正な燃焼が確保できず、
それ以上の変動量になると異常燃焼になる。
【0006】本発明は上記課題を解決するもので、燃焼
量に応じて最適の空燃比に設定することにより燃焼量の
可変巾を拡大することを第1の目的とし、そして制御精
度の向上を第2の目的とし、さらに安全性の向上を第3
の目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、バーナと、このバーナの排気経路に設けた酸
素センサーと、前記バーナの燃焼量を制御する燃焼制御
部と、この燃焼制御部からの燃焼量出力に基づいて空燃
比の補正出力を出すK値補正部と、このK値補正部から
の出力に基づいて空燃比を設定する空燃比目標値設定部
と、上記空燃比目標値設定部からの出力と前記酸素セン
サーからの出力に基づいて燃焼用空気量あるいは燃料量
の少なくともいずれか一方の制御用出力を出す制御出力
部とを設けた構成としてあり、そして前記構成に前記酸
素センサーの特性劣化等によりセンサー出力を補正する
自己補正部を設け、かつ前記空燃比目標値設定部はこの
自己補正部と前記K値補正部からの出力に基づいて空燃
比を設定するように構成して、上記空燃比目標値設定部
からの出力と前記酸素センサーからの出力に基づいて燃
焼用空気量あるいは燃料量の少なくともいずれか一方を
制御するように構成してあり、そして上記燃焼用空気量
あるいは燃料量の少なくともいずれか一方の制御用出力
を出す制御出力部からの制御用出力が予め定められてい
る出力範囲外であると燃焼停止出力を出すリミッターを
設けて構成してある。
【0008】
【作用】本発明は上記構成によって、燃焼量に応じて空
燃比目標値の補正を行い、その設定空燃比になるように
酸素センサーの出力により燃焼用空気量あるいは燃料量
を補正する制御を行うことにより、各燃焼量において最
適な燃焼状態を確保することができる。つまり、燃焼状
態に応じて自動的に空気量または燃料量を変更して燃焼
状態を調整するため部品のばらつき、使用環境条件の変
化による影響や経時変化による燃焼条件の変動を所定範
囲内でカバーできるため、燃焼量可変巾の拡大が可能と
なる。
【0009】また酸素センサーの出力特性の変化に応じ
空燃比目標値の補正を行なうことができるので、酸素セ
ンサーの経時変化等による誤動作も防止することがで
き、高精度な制御が可能となる。
【0010】そして制御出力部からの燃焼空気量あるい
は燃料量の制御用出力が予め定められている出力範囲外
であると燃焼停止出力を出すリミッターを備えたものに
あっては正常燃焼範囲に制御できない場合は燃焼を停止
することになり、安全性も向上する。
【0011】
【実施例】以下本発明の実施例を図1〜図3を参照して
説明する。まず図1を用いてその構成を説明すると、1
はバーナ、2はモータで、ファン2Aとで燃焼用空気を
供給するバーナファンを構成している。3は燃料を気化
して燃焼用空気と混合させる気化筒で、この気化筒には
ヒータ4ならびに温度検知センサー8が埋設されてい
る。5は前記気化筒3内に燃料を供給する電磁ポンプ、
6は燃焼ガスを熱交換させるための熱交換器、7は熱交
換された燃焼ガスを排出するための排気経路である。
【0012】9は限界電流式の酸素センサーで、前記排
気経路7に取り付けて燃焼ガス中の酸素濃度を測定す
る。10は酸素センサーのヒータ用電源で、酸素センサ
ーに内蔵されたヒータを加熱するためのものである。1
0Aはヒータ印加電圧を所定のシーケンスに基づき、切
り替えるための電圧切り替え部、11はセンサー用の電
源で、酸素濃度に応じて限界電流を発生させるための電
源である。12は調整抵抗で、前記酸素センサー9の出
力調整用である。13は増幅器で、前記酸素センサー9
の出力を空燃比制御部に入力するために増幅する。
【0013】14は空燃比の目標値設定部、15は補正
演算部で、前記酸素センサー9の出力と空燃比目標値を
比較して補正値を演算する。16はバーナモータ回転数
補正部で、前記補正演算部15の計算結果に基づきバー
ナモータ回転数の出力値を決定するものであり、前記補
正演算部15とで制御出力部16Aを構成している。1
7はリミッターで、前記バーナモータ回転数の出力値が
所定の範囲を外れた時、停止させるものである。18は
バーナモータ駆動回路、19は気化筒温度設定部、20
は空燃比の目標値を補正するK値補正部で、燃焼制御部
24からの燃焼量出力に基づき空燃比の目標値を補正演
算する。21は自己補正部で、酸素センサーの初期出力
特性を検出し、その特性に応じて空燃比の目標値の補正
値を出す。22はリミッターで、空燃比の目標値補正結
果を制限する部分であり、所定の範囲を外れた場合、停
止させる。23は電磁ポンプ駆動回路、24は燃焼制御
部、25は前記各要素により構成された空燃比制御部で
ある。
【0014】上記構成における燃焼制御装置の動作につ
いて図2、図3のフローチャートを用いて説明する。ま
ず運転開始により空燃比目標値の初期設定が行われ、同
時にセンサー用ヒータおよび酸素センサー9に所定の電
圧を印加する。センサー用ヒータ電源10は電源切り替
え部10Aにより所定の時間が経過すると電圧レベルを
切り替える。これは酸素センサー9の初期応答性を向上
するために行う。
【0015】次にその状態でセンサー出力の安定性を待
ち、所定時間経過するとセンサー出力を読み取り、予め
定められている酸素センサー9の標準出力特性と比較し
て空燃比目標の初期値に自己補正を行い、リミッター範
囲内であれば目標値設定部14で空燃比目標値の更新を
行う。また、リミッター範囲より外れている場合は運転
動作を停止させる。つまり、酸素センサー9の劣化等に
よる出力特性のずれを補正する。これは図4に示すよう
に標準特性の傾きD/Cとセンサー読み込み値Eより空
燃比初期値Dに補正をかけ、空燃比目標値F点を求め
る。この自己補正動作がない場合、出力特性がずれた状
態で空燃比D点で制御される燃焼排ガス中の酸素濃度が
大きくなる。つまり、二酸化炭素設定が低いリフト気味
の燃焼になる訳である。そこで、空燃比をF点に補正す
ることにより正規の酸素濃度で燃焼するようにする。
【0016】次に燃焼制御部24により所定の燃焼シー
ケンスで燃焼動作に入り、その後燃焼が安定するまで所
定の条件で燃焼を行う。所定時間が経過し、設定温度と
室温の差で燃焼量を制御する動作(以下K値制御動作と
称す)に入ると、更に空燃比目標値を燃焼量に適した値
に補正をし、空燃比目標値として設定する。すなわち、
燃焼制御部24からの燃焼量出力に基づきK値補正部2
0が燃焼量に応じた空燃比を算出し、その補正出力を目
標値設定部14が受けて空燃比目標値を設定する。そし
てセンサー出力の読み込みを行い、前記空燃比目標値と
比較し、この実施例では燃焼空気量の補正動作を行う。
【0017】その補正動作について、図3を用いて説明
すると、補正は空燃比目標値に対して所定の巾(比較量
X)をもって行うようにしており、空燃比目標値−比較
量Xの場合は、補正量として+Y%(2%)を設定、反
対に空燃比目標値+比較量Xの場合は、補正量として−
Y%(2%)を設定、また、センサー出力の読み込み値
が比較量の範囲内の場合は補正量を0%に設定する。こ
の補正量の設定サイクルを所定の時間(400ms)で
繰り返し行わせ、更に所定の時間(2秒)が経過すると
補正量として決定する。また、上記補正量の設定サイク
ルによる補正量演算は積算方式で行い、2秒間の燃焼状
態を平均化して補正をかけるようにしている。
【0018】次に、燃焼空気量の補正量が決定するとリ
ミッター17により、その補正量が予め設定した許容範
囲内であるかどうかをチェックし、許容内の場合はバー
ナモータ駆動回路18へ出力を送り、モータ1を制御
し、設定空燃比で燃焼するように調整する。許容外の場
合は異常使用状態とみなし停止状態とする。そして前
記、一連の補正動作が完了すると、再度センサー出力を
読み込み同様の補正動作を繰り返す。
【0019】以上の動作を繰り返すことにより、燃焼量
に応じて最適の空燃比に設定し燃焼量の可変巾を拡大す
ると共に各要因による燃焼への影響を補正し、しかもセ
ンサー特性の変化を補正して各燃焼量における燃焼状態
を精度よく最適に制御することができる。
【0020】なお、図5にセンサー特性と二酸化炭素と
の関係について記す。空燃比を目標値±比較量Xで制御
することにより、いかなる燃焼条件変動においても二酸
化炭素を規定の設定巾で制御可能となる。
【0021】なお、上記実施例は本発明を効果的に具現
化したものとして例示したものであって、例えば酸素セ
ンサーやバーナ形態は実施例のものに限定されるもので
はなく、また燃焼用空気量を制御するのではなく燃料量
あるいはその両方を制御するようにしてもよく、本発明
の目的を達成する範囲のものであればどの様に構成して
もよいものである。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明の燃焼制御装
置は、酸素センサーの出力を燃焼量に応じて補正するこ
とにより各燃焼量における燃焼状態を最適に制御するこ
とができ、燃焼量の可変巾を大幅に拡大することができ
ると共に、各種要因による燃焼量や燃焼用空気量が変動
した場合、また部品のばらつき、使用環境条件の変化等
による燃焼トラブルを軽減することができる。
【0023】また酸素センサーの出力状態に応じて空燃
比目標値を補正する自己補正動作を行うので酸素センサ
ーの経時変化があっても高精度な燃焼制御ができる。
【0024】さらに正常燃焼範囲に制御できない場合は
燃焼を停止させるので、安全性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における燃焼制御装置の構成
【図2】同装置の動作を示すフローチャート図
【図3】同装置による燃焼空気量補正動作を示すフロー
チャート図
【図4】同装置による酸素センサーの特性図
【図5】同装置による制御状況を示す特性図
【図6】従来例の燃焼制御装置の構成図
【符号の説明】
1 バーナ 7 排気経路 9 酸素センサー 10 ヒータ電源部 10A 電源切り替え部 11 センサー電源部 14 空燃比目標値設定部 16A 制御出力部 17 リミッター 20 K値補正部 21 自己補正部 24 燃焼制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F23N 5/00 F23N 1/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バーナと、このバーナの排気経路に設け
    た酸素センサーと、前記バーナの燃焼量を制御する燃焼
    制御部と、この燃焼制御部からの燃焼量出力に基づいて
    空燃比の補正出力を出すK値補正部と、このK値補正部
    からの出力に基づいて空燃比を設定する空燃比目標値設
    定部と、上記空燃比目標値設定部からの出力と前記酸素
    センサーからの出力に基づいて燃焼用空気量あるいは燃
    料量の少なくともいずれか一方の制御用出力を出す制御
    出力部とからなる燃焼制御装置。
  2. 【請求項2】 バーナと、このバーナの排気経路に設け
    た酸素センサーと、前記バーナの燃焼量を制御する燃焼
    制御部と、この燃焼制御部からの燃焼量出力に基づいて
    空燃比の補正出力を出すK値補正部と、前記酸素センサ
    ーの特性劣化等によりセンサー出力を補正する自己補正
    部と、この自己補正部と前記K値補正部からの出力に基
    づいて空燃比を設定する空燃比目標値設定部と、上記空
    燃比目標値設定部からの出力と前記酸素センサーからの
    出力に基づいて燃焼用空気量あるいは燃料量の少なくと
    もいずれか一方の制御用出力を出す制御出力部とからな
    る燃焼制御装置。
  3. 【請求項3】 酸素センサーは限界電流式の酸素センサ
    ーとし、センサー加熱用ヒータの電源部とヒータ電圧を
    所定シーケンスで切り替える電源切り替え部と限界電流
    を発生するためのセンサー電源部とを具備せしめ、セン
    サー特性の劣化等を補正する自己補正部はバーナの燃焼
    開始前に得たセンサー出力を予め設定してあるセンサー
    出力と比較して出力補正を行うように構成した請求項2
    記載の燃焼制御装置。
  4. 【請求項4】 バーナと、このバーナの排気経路に設け
    た酸素センサーと、前記バーナの燃焼量を制御する燃焼
    制御部と、この燃焼制御部からの燃焼量出力に基づいて
    空燃比の補正出力を出すK値補正部と、このK値補正部
    からの出力に基づいて空燃比を設定する空燃比目標値設
    定部と、上記空燃比目標値設定部からの出力と前記酸素
    センサーからの出力に基づいて燃焼用空気量あるいは燃
    料量の少なくともいずれか一方の制御用出力を出す制御
    出力部と、制御出力部からの制御用出力が予め定められ
    ている出力範囲外であると燃焼停止出力を出すリミッタ
    ーとからなる燃焼制御装置。
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