JP3018833B2 - 燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は石油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、この種の燃焼制御装置は図８に示
すように、運転開始と共にヒータ６４に通電され、気化
筒５４が設定温度に達するとバーナファン５２が駆動
し、電磁ポンプ５３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、酸素
センサー６５からの出力に基づきセンサー制御部６６が
排気ガス中の酸素濃度を検出し、空燃比設定部６７で予
め設定された空燃比との比較により空燃比制御部６８が
バーナモータ５１または電磁ポンプ５３の動作補正を行
い、最適な空気量、燃焼量を設定して、燃焼量の可変巾
拡大および各種要因による燃焼への影響を軽減し、安定
燃焼を確保するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の燃焼制御装置では、酸欠状態ではないものの供給空気
の酸素濃度が薄い状態の時には最適空燃比に合わそうと
バーナモータ５１の回転数が上がっていくので、通常時
の空気量よりは多くなり、そのため炎が吹き飛んでしま
うという現象が発生する。すなわち、折角空燃比制御を
しているのにもかかわらず酸素濃度があまり低下しない
状態で燃焼が吹き消えする早切れ現象を起こすという課
題があった。

【０００４】上記空気中の酸素濃度が低下し酸欠状態に
至る場合は、これを極力早く検出して燃焼を停止させる
ことが望ましいが、酸欠の検出方法を燃焼状態つまり、
フレームロッドの出力変化で検出している現状において
は酸欠検出レベルを高精度で設定することが困難であ
る。安全性を考えて正常燃焼時との差をあまり確保せず
酸欠レベルを設定すると少しの燃焼状態の変動や部品の
ばらつき、使用環境の変化ですぐに酸欠検知が作動して
燃焼が停止するという非常に使い勝手の悪いものとな
る。そこで一般的に酸欠レベルの設定は人体への影響、
許容燃焼変動範囲、部品のばらつき、使用環境の変動範
囲等を考慮して、約１７％程度に設定している。

【０００５】しかし、従来の燃焼制御方式においては、
多少酸素濃度が薄くなってきても予め設定した空燃比目
標値でバーナモータの回転数に補正を行うので燃焼を継
続させることができるのであるが、そのときの空気量は
通常時の空気量よりはるかに多くなり、そのために炎が
吹き飛んで酸素濃度があまり低下しない１９％程度でも
燃焼が停止するという早切れ現象を起こすのである。

【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、フレ
ームロッド出力に応じて空燃比制御動作の停止、開始を
制御することで酸欠検知の早切れを防止することを第１
の目的とし、そして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可変幅を拡大することを第２の目的
とし、さらにその制御精度の向上を第３の目的とするも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記従来の目的
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、前記酸素センサーからの出力を空燃比目標
値と比較し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、前記バ
ーナの燃焼状態をフレームロッドで検出して燃焼状態を
確認する燃焼検知部と、この燃焼検知部からの出力に基
づき前記酸素センサーからの出力による空燃比制御を解
除するとともに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出力を出す補正動作制御部と
を設けた構成としてあり、そして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を設け、かつ上記燃焼用空気
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は上記空燃比目標値設定部で設定し
た目標値と酸素センサーからの出力とを比較して制御用
出力を出すように構成してあり、そしてさらに酸素セン
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ある。

【０００８】

【作用】本発明は上記構成によって、酸素センサーによ
り排気ガス中の酸素濃度を一定に保つように燃料量と燃
焼用空気量のバランスを調整する空燃比制御を行いつ
つ、燃焼火炎中に配置したフレームロッドにより燃焼状
態を検出し、フレームロッド出力の変化状態で室内酸素
濃度の低下状態を判断し、前記空燃比制御の動作を制御
するので、空燃比制御時における酸欠状態での早切れを
解消することができ、また、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、さらに酸素センサーの
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。

【０００９】

【実施例】以下本発明の実施例を図１〜図４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
はモータ、２はファンで、これら両者で燃焼用空気を供
給するバーナファンを構成している。３は燃料を気化し
燃焼用空気と混合させて燃焼させるバーナで、ヒータな
らびに温度検知センサー８を埋設した気化筒３Ａを有し
ている。５は前記気化筒３Ａ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送風用モー
タ、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。

【００１０】９は限界電流式の酸素センサーで、前記排
気経路７に取り付けてあり、燃焼ガス中の酸素濃度を測
定する。１０は酸素センサー９のヒータ用電源で、酸素
センサー９に内蔵されたヒータを加熱するためのもので
ある。１０Ａ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の出力を増幅する。

【００１１】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と
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。
１７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、運転動作を停止させるもので
ある。１８はバーナモータ駆動回路、２０は燃焼量に応
じて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、運
転動作を停止させる。

【００１２】２２は自己補正部で、酸素センサー９の初
期出力特性を検出し、その特性に応じて空燃比目標値の
補正値を出力する。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。

【００１３】２６はフレームロッドで、バーナ３の燃焼
火炎に曝される場所に取り付けてある。２７は燃焼検知
部で、前記フレーロッド発生する炎電流で燃焼状態を判
断し燃焼制御信号を出力するようになっている。２８は
補正動作制御部で、前記燃焼検知部２７からの燃焼制御
信号によりバーナモータ回転数補正部１６と燃焼制御部
２４に出力を出して、空燃比制御を停止したり、開始さ
せたりするようになっている。

【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、図４のフローチャートを用いて説明す
る。まず室内環境が正常な状態においては、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５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２０
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。

【００２０】なお、図５にセンサー特性と二酸化炭素特
性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】次に、室内酸素濃度が低下して酸欠気味状
態になった場合は、上記で説明した空燃比制御動作によ
りバーナモータ回転数を上方に補正し、空気量を増大さ
せることにより設定空燃比になるよう制御を行うわけで
あるが、供給空気の酸素濃度が低い状態においては、正
常な酸素濃度における補正に比べ、その補正量が大きく
なるためバーナモータ回転数も高くなって供給空気量も
増大することになる。

【００２２】つまり、給気経路の詰まり等で空気量が減
少して補正がかかった場合は、バーナモータ回転数が高
くなっても設定空燃比における供給空気量は変化しない
ため燃焼状態は設定空燃比における正常燃焼を維持す
る。しかし、酸欠気味状態での空燃比制御時は上記で説
明したように、供給空気量が増大するため燃焼バランス
の悪化によるものではなく、燃焼火炎の吹き飛びにより
失火するという現象になる。

【００２３】そこで本発明では、酸素センサー９による
燃焼状態の確認以外にフレームロッド２６と燃焼検知部
２７による燃焼検知も併せて行い、フレームロッド２６
による燃焼検知信号で補正動作制御部２８を介して、空
燃比制御部２５のバーナモータ回転数補正部１６を制御
させる。

【００２４】この具体的な動作を図４および図７を用い
て説明する。室内酸素濃度が低下してくると、空燃比制
御域においてはフレームロッド出力は徐々に低下し、あ
るポイントを経過すると極端に低下し始める。そのまま
の状態にしておくと吹き消え状態となるが、ここでフレ
ームロッド出力が所定レベルＫ点（５０ｍＶ）まで低下
し、所定時間経過した場合は空燃比制御を停止し、通常
の燃焼制御に戻す。これにより燃焼炎の吹き消え状態は
解消され正常火炎に回復する。よって、フレームロッド
出力も増大方向に変化する。このフレームロッド出力が
所定レベルＪ点（８０ｍＶ）まで回復し、その状態が所
定時間以上経過すると再度、空燃比制御を開始して燃焼
制御を行う。

【００２５】そして上記動作を繰り返しセンサー出力の
下限側に設けた酸欠検出レベル以下になるか、フレーム
ロッド出力の下限側に設けた酸欠検出レベル以下になっ
た場合、燃焼を停止する。

【００２６】以上のように空燃比制御の動作をフレーム
ロッド出力の状態で制御することにより、室内酸素濃度
の低下による早切れ現象を解消し、所定の酸欠レベルで
燃焼を停止させると共に最適空燃比での燃焼制御により
燃焼量の可変巾を拡大し、各燃焼量での燃焼状態を最適
に保つことができる。

【００２７】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。

【００２８】

【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、酸素センサーにより排気ガス中の酸素濃度を一定
に保つように燃料量と燃焼用空気量のバランスを調整す
る空燃比制御を行いつつ、燃焼火炎中に配置したフレー
ムロッドにより燃焼状態を検出し、フレームロッド出力
の変化状態で室内酸素濃度の低下状態を判断し、前記空
燃比制御の動作を制御するので、空燃比制御時における
酸欠状態での早切れを解消することができ、部品のばら
つき、使用環境条件の変化、経時的な要因による燃焼ト
ラブルを軽減して、安全性の高い、使い勝手のよい燃焼
器を提供することができる。

【００２９】また、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。

【００３０】さらに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。

【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

【図２】同装置の動作を示すフローチャート図

【図３】同装置の燃焼空気量補正動作を示すフローチャ
ート図

【図４】同装置の空燃比制御とフレームロッド制御との
切り替えを示すフローチャート図

【図５】同装置による酸素センサーの特性図

【図６】同装置による酸素濃度制御状況を示す特性図

【図７】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は同装置による室内酸素濃
度とセンサー及びフレームロッド出力を示す特性図

【図８】従来の燃焼制御装置の構成図

【符号の説明】

３ バーナ ３Ａ 気化筒 ７ 排気経路 ９ 酸素センサー １４ 空燃比目標設定部 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 ２６ フレームロッド ２７ 燃焼検知部 ２８ 補正動作制御部

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、前記酸素センサーからの出力を空燃比目標値
   と比較し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、前記バー
   ナの燃焼状態をフレームロッドで検出して燃焼状態を確
   認する燃焼検知部と、この燃焼検知部からの出力に基づ
   き前記酸素センサーからの出力による空燃比制御を解除
   するとともに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出力を出す補正動作制御部とか
   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、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、前記バーナの燃焼状態をフレームロッドで検
   出して燃焼状態を確認する燃焼検知部と、この燃焼検知
   部からの出力に基づき前記酸素センサーからの出力によ
   る空燃比制御を解除するとともに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出力を出す
   補正動作制御部とからなる燃焼制御装置。
3. 【請求項３】 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、前記
   バーナの燃焼状態をフレームロッドで検出して燃焼状態
   を確認する燃焼検知部と、この燃焼検知部からの出力に
   基づき前記酸素センサーからの出力による空燃比制御を
   解除するとともに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出力を出す補正動作制御部
   とからなる燃焼制御装置。
4. 【請求項４】 燃料を気化する気化筒を有しこの気化筒
   からの気化ガスを燃焼させるバーナと、前記気化筒へ燃
   料を供給する電磁ポンプ及び同気化筒へ燃焼用空気を供
   給するバーナファンと、前記電磁ポンプ、バーナファン
   を駆動して燃焼量を制御する燃焼制御部と、燃焼火炎中
   に設けたフレームロッドと、前記フレームロッドにより
   発生する炎電流を検出して燃焼状態を確認する燃焼検知
   部と、前記バーナの排気経路に設けた限界電流式の酸素
   センサと、酸素センサーのセンサー特性の劣化等を補正
   する自己補正部と、燃焼制御部からの燃焼量制御出力に
   基づき空燃比目標値を補正するＫ値補正部と、前記自己
   補正部とＫ値補正部からの出力に基づいて空燃比目標値
   を設定する空燃比目標値設定部と、酸素センサーからの
   出力と空燃比目標値設定部からの出力とを比較して燃焼
   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、上記燃焼検知部からの出
   力に基づき前記制御出力部からの出力による空燃比制御
   を解除し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出力を出す補正動作制御部とから
   なる燃焼制御装置。