JP3063463B2 - 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等の燃焼制
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、燃料ポンプ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からの出力を受けてセンサー制御部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または燃料ポンプ５３の動作補正を行
って、最適な空気量設定、燃焼量設定で燃焼量の可変巾
拡大および各種要因による燃焼への影響を軽減し、安定
燃焼の確保を実現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の燃
焼制御装置では酸欠気味状態の時には供給空気の酸素濃
度が薄い状態で最適空燃比に合わそうとバーナモータ５
１の回転数に補正をかけるため、通常の最適空燃比にお
ける空気量より多く供給するようになり、炎が吹き飛ん
でしまうという現象が発生する。つまり、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と
なる。

【０００４】酸欠状態が発生した場合は、極力早くこれ
を検出して燃焼を停止す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。しかし、従来の燃焼制御方式において
は、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ため、通常時
の設定空燃比における空気量よりはるかに多くなり、炎
が吹き飛んでしまうという現象が発生し、酸素濃度があ
まり低下しない１９％程度で燃焼が停止してしまうので
ある。

【０００５】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における燃焼量
を変更することで酸欠検知の早切れを防止し、所定の酸
欠検知レベルを確保して、安全で使い勝手のよい燃焼制
御装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記従来の課題
を解決するため、まずバーナと、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、燃焼時の空燃比目標値を設定する空燃
比目標設定部と、前記酸素センサーからの出力と空燃比
目標値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、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
に基づき前記燃焼制御部で設定した燃焼量を変更する酸
欠補正部とで構成し、酸欠補正部は空燃比制御を行って
いるにもかかわらず燃焼検知部の出力が低下し、予め定
めた所定レベルを下回るとき、前記燃焼制御部で設定し
た燃焼量を低下方向に変更するようにしている。そし
て、さらに上記空燃比目標設定部の空燃比目標値は燃焼
制御部からの燃焼量出力に応じて適正な値に補正するＫ
値補正部、あるいは燃焼前の酸素センサー出力と予め設
定している標準特性値よりセンサー出力を補正する自己
補正部からの出力に基づいて補正するように構成してあ
る。

【０００７】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焼量
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、この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ている。そして、前記空
燃比制御を行っているにもかかわらずフレームロッド出
力が低下するときは、室内酸素濃度が低下し制御出力部
が燃焼用空気量を増大するように制御しているため燃焼
火炎がリフト気味になっていると判断し、酸欠補正部を
介してその時の燃焼量より少ない燃焼量に変更するよう
にしているため、供給空気量を少なくすることができ、
リフト気味の燃焼火炎を正常な状態に回復させることが
できるので、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、上記空燃比目標値は燃焼
量に応じて適正な値に補正するので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、燃焼前の
酸素センサー出力と予め設定している標準特性値よりセ
ンサー出力を補正する自己補正部からの出力に基づいて
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。

【０００８】

【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
は燃焼用空気を供給するバーナファンで、モータ１Ａと
ファン２からなる。３はバーナで、この実施例では燃料
を気化して燃焼用空気と混合し燃焼させる方式のバーナ
が用いてあり、燃料を気化させる気化筒にはヒータ３Ａ
ならびに温度検知センサー８が埋設されている。５は前
記バーナ３の気化筒内に燃料を供給する燃料ポンプ、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。

【０００９】９は限界電流型の酸素センサーで、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の出力を制御部に入力するために増幅する。

【００１０】１４は空燃比（ｍ値）の目標設定部、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、
この補正演算部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、停止させるものである。
１８はバーナモータ駆動回路である。

【００１１】２０は後述する燃焼制御部からの燃焼量出
力、すなわち室温と設定温度等で定まる燃焼量に応じた
空燃比の目標値に設定するための補正出力を出すＫ値補
正部で、空燃比目標値を燃焼量に応じて適正な値に補正
することで各燃焼量における燃焼状態を最適に制御する
ようにしている。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所定の範囲を外れた場合、停
止させる。２２は自己補正部で、燃焼前の酸素センサー
出力を読み込み、この値と予め設定してある標準特性値
より標準特性に対するズレを求め、このズレの具合に応
じて空燃比目標値の補正出力を出す。２３は電磁ポンプ
駆動回路である。

【００１２】２４は室温検出部からの室温と室温設定部
からの設定温度とに基づいて燃焼量を設定する燃焼制御
部で、その燃焼量を燃焼係数設定部２９を介して前記バ
ーナモータ駆動回路１８並びに電磁ポンプ駆動回路２３
へ出力するようになっている。ここで、燃焼係数とは燃
焼量に対応させて２進数で表したもので、最小燃焼量か
ら最大燃焼量の間を２５６段階に分割し、ＦＦ（最小燃
焼量）から００（最大燃焼量）で表示するようにしてい
る。以下、燃焼量を表す表現として燃焼係数を用いてい
る。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、バーナヘッドに
対向した燃焼火炎に曝される場所に取り付けてある。２
７は燃焼検知部で、前記フレームロッド２６で発生する
炎電流を燃焼制御信号に変換する。２８は酸欠補正部
で、前記燃焼検知部２７の燃焼制御信号と予め設定して
いる所定レベルを比較し、前記燃焼制御信号が所定レベ
ルを下回ったとき、燃焼量を下げる方向に変更するため
の補正出力を燃焼制御部１８に出す。つまり、空燃比制
御を行っているにもかかわらず、フレームロッド出力が
低下してきた場合は、酸欠状態と判断して燃焼量を下げ
る方向に補正し、供給空気量を減らすことで、火炎がリ
フト状態になるのを抑え、空燃比のアンバランスを修正
する。

【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を行い、同時にセンサー用
ヒータおよびセンサーに所定の電圧を印加する。センサ
ー用ヒータの電源は電源切り替え部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。これはセン
サーの初期応答性を向上するために行う。

【００１５】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燃焼前のセンサー出力を読み取り、
予め設定してある標準出力特性と比較して、そのズレの
具合に応じ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停止させる。
つまり、劣化等による出力特性のずれを補正する目的で
行うもので、この種のセンサーは劣化時に初期特性（傾
き）はほぼ保持したまま全体的にずれるという性質を利
用したもので、具体的には図５に示すように標準特性の
傾きＤ／Ｃと燃焼前のセンサー読み込み値Ｅより空燃比
初期値Ｄに補正をかける。つまり燃焼前のセンサー出力
Ｅに標準特性の傾き（Ｄ／Ｃ）を乗じることで補正後の
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点で制御されると
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Ｋ値制御動作に入ると、Ｋ
値補正部２０は燃焼制御部２４より送られる燃焼量情報
（Ｋ値）に応じて、更に空燃比目標値をその時の燃焼量
に適した値に補正するための補正出力を空燃比目標設定
部１４に出力し、新たな空燃比目標値として設定する。
同時に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、空燃比制御のための燃焼用空気量あるいは
燃焼量の少なくともいずれか一方の補正動作を行う。本
実施例では燃焼用空気量を補正した場合の補正動作につ
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、センサー出力が空燃比目標値−比較量Ｘより下回っ
た場合は、モータ回転数の補正量として＋Ｙ％（２％）
を設定、反対にセンサー出力が空燃比目標値＋比較量Ｘ
より上回った場合は、モータ回転数の補正量として−Ｙ
％（２％）を設定、また、センサー出力の読み込み値が
比較量Ｘ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
態を平均化してバーナモータ駆動回路１８に出力する補
正量を決定するようにしている。

【００１７】次に、補正量が決定するとリミッター１７
により、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、許容内の場合は駆動回路へ出力を送
り、モータまたは電磁ポンプを制御し、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。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。

【００１８】以上の動作を繰り返すことにより、センサ
ー特性の変化を補正し、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、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る。

【００１９】図６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。

【００２０】次に、室内酸素濃度が低下して酸欠状態に
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。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。すなわち、二酸化炭素は設定
された状態で維持されながら失火するという現象とな
る。

【００２１】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による燃焼状態の確認を併せて行い、フレームロッ
ド２６による燃焼検知信号で酸欠補正部２８を介して、
燃焼制御部２４の燃焼量を補正している。この具体的な
動作を図４、図７および図８を用いて説明する。

【００２２】室内酸素濃度が低下してくると、上記した
如く燃焼用空気量を増大することで空燃比を目標値に合
わそうとしてバーナモータ回転数を上方側に補正するわ
けであるが、このとき火炎は空気量の増大に伴いリフト
燃焼気味となって、フレームロッド出力は当初の値ＦＲ
１から徐々に低下し、あるポイントを経過すると極端に
低下し始める。そのままの状態で補正動作を継続すると
燃焼用空気は更に増大し火炎は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ＦＲ２まで低下
し所定時間経過した場合は、燃焼量出力である燃焼係数
を００からＡ０に変更、すなわち燃焼量を低下方向へ変
更、つまりモータ回転数を低下して空気量を減少させ
る。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安定また
は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ＦＲ２まで回復し、その状態が所定時間以上経過
すると再度、燃焼係数を元の値（００）に戻し経過を確
認する。そして、フレームロッド出力が再度、所定レベ
ルＦＲ２を下回り、その状態が所定時間以上経過すると
再度、燃焼係数をＡ０に設定する。

【００２３】しかし、燃焼係数をＡ０に変更してもフレ
ームロッド出力が回復せず、フレームロッド出力が低下
し続け所定レベルＦＲ３まで低下し所定時間経過した場
合は、さらに燃焼量を低下させるため、燃焼係数をＦＦ
に変更する。この燃焼量補正動作によりフレームロッド
出力が所定レベルＦＲ３以上に回復すると、燃焼係数を
Ａ０に戻してフレームロッド出力の変化を見る。フレー
ムロッド出力がさらに回復してＦＲ２以上になった場合
は、燃焼係数を元の値（００）まで戻すように補正す
る。反対に、燃焼係数をＦＦまで変更してもフレームロ
ッド出力が回復せず、所定レベルＦＲ４以下に低下した
場合は酸欠検知と見なし動作を停止させる。

【００２４】以上のように燃焼係数すなわち燃焼量をフ
レームロッド出力の状態で補正することにより、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。

【００２５】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。

【００２６】

【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て酸欠気
味になれば、燃焼量設定を変更して制御するので、空燃
比制御時における供給空気量大のために酸欠状態時に早
切れを起こすようなことがなくなり、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。

【００２７】また、空燃比目標値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。

【００２８】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ブロ
ック図

【図２】同装置の動作を示すフローチャート図

【図３】同装置の動作を示すフローチャート図

【図４】同装置の酸欠制御動作を示すフローチャート図

【図５】同装置の酸素センサーの特性図

【図６】同装置によるセンサー出力と二酸化炭素との関
係を示す特性図

【図７】同装置による室内酸素濃度、燃焼計数（燃焼
量）、フレームロッド出力の関係を示す特性図

【図８】従来の燃焼制御装置を示すブロック図

【符号の説明】

１ バーナファン ３ バーナ ５ 電磁ポンプ 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 ２０ Ｋ値補正部 ２１ 自己補正部 ２６ フレームロッド ２７ 燃焼検知部 ２８ 酸欠補正部

Claims (2)

(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、燃焼時の空燃比目標値を設定する空燃比目標設
   定部と、前記酸素センサーからの出力と空燃比目標値を
   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、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
   前記燃焼制御部で設定した燃焼量を変更する酸欠補正部
   とを備え、前記酸欠補正部は空燃比制御を行っているに
   もかかわらず燃焼検知部の出力が低下し、予め定めた所
   定レベルを下回るとき、前記燃焼制御部で設定した燃焼
   量を低下方向に変更するようにした燃焼制御装置。
2. 【請求項２】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、燃焼前の酸素センサー出力と予め設定している
   標準特性値よりセンサー出力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応じた空燃比目標値
   を設定するための補正出力を出す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設定部と、酸素センサーからの
   出力と空燃比目標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
   に基づき前記燃焼制御部で設定した燃焼量を変更する酸
   欠補正部とを備え、前記酸欠補正部は空燃比制御を行っ
   ているにもかかわらず燃焼検知部の出力が低下し、予め
   定めた所定レベルを下回るとき、前記燃焼制御部で設定
   した燃焼量を低下方向に変更するようにした燃焼制御装
   置。