JP5345590B2

JP5345590B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP5345590B2
Application number: JP2010158516A
Authority: JP
Inventors: 芳彦高須
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: JP2012021678A

Description

本発明は、複数のバーナと、これらバーナに一次空気を供給する燃焼ファンとを備え、これら全てのバーナを燃焼させる全面燃焼と、一部のバーナのみを燃焼させる部分燃焼とに切換え自在な燃焼装置に関する。

従来、燃焼装置の排気経路に酸素濃度センサを設置し、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、理論空燃比よりも一次空気が過剰になるように混合気の目標空燃比が設定されている場合、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度は、混合気に含まれる燃焼に必要な酸素以外の過剰酸素に応じた濃度になる。従って、酸素濃度センサの検出酸素濃度とバーナに供給する混合気の空燃比との間に所定の相関性が成立し、検出酸素濃度に基づいて混合気の空燃比を判定できる。そして、排気閉塞等で一次空気の供給量が減少すると、酸素濃度センサの検出酸素濃度も低下し、この低下分だけ一次空気の供給量を増加し、或いは、燃料ガスの供給量を減少させて、混合気の空燃比を調節することにより、燃焼不良の発生を防止することができる。

然し、複数のバーナを全て燃焼させる全面燃焼と、一部のバーナのみを燃焼させる部分燃焼とに切換え自在な燃焼装置では、部分燃焼時に、燃焼していないバーナに供給される一次空気が排気経路に流れて、酸素濃度センサの検出酸素濃度が大幅に上昇してしまい、燃焼中の一部のバーナに供給する混合気の空燃比の変化による検出酸素濃度の変化率が微小になってしまう。従って、部分燃焼時には、検出酸素濃度に基づいて混合気の空燃比を適正に調節することが困難になる。

また、従来、バーナの火炎温度を検出する熱電対等の火炎温度センサを設け、火炎温度センサの検出温度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、混合気の空燃比と火炎温度との間には、空燃比が理論空燃比になったときに火炎温度が最大となる、上方に凸の曲線状の相関性（空燃比を横軸、火炎温度を縦軸としてグラフ化した場合）が成立する。従って、理論空燃比よりも一次空気が過剰になるように混合気の目標空燃比が設定されている場合、排気閉塞等で一次空気の供給量が減少すると、火炎温度センサの検出温度が上昇し、この上昇分だけ一次空気の供給量を増加し、或いは、燃料ガスの供給量を減少させて、混合気の空燃比を調節することにより、燃焼不良の発生を防止することができる。

然し、火炎温度センサは、火炎に晒されるため、劣化し易い。そして、火炎温度センサの劣化によって、その検出温度が実際の火炎温度からずれた場合には、混合気の空燃比を適正に調節することができなくなる。

特開平７−１２３３３号公報特開２００４−１１９３７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、全面燃焼時と部分燃焼時の何れにおいても混合気の空燃比を適正に調節できるようにした燃焼装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のバーナと、これらバーナに一次空気を供給する燃焼ファンとを備え、これら全てのバーナを燃焼させる全面燃焼と、一部のバーナのみを燃焼させる部分燃焼とに切換え自在な燃焼装置であって、燃焼装置の排気経路に設置した酸素濃度センサと、部分燃焼時に燃焼するバーナの火炎温度を検出する火炎温度センサとを備え、全面燃焼時には、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節し、部分燃焼時には、火炎温度センサの検出温度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節すると共に、全面燃焼時に、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて基準火炎温度を算出し、この基準火炎温度と火炎温度センサの検出温度とを比較して、両温度の偏差に応じた補正係数を求め、部分燃焼時の空燃比調節に用いる火炎温度センサの検出温度を補正係数により補正することを特徴とする。

本発明によれば、全面燃焼時には、酸素濃度センサの検出酸素濃度に基づく空燃比調節が行われるため、混合気の空燃比を適正に調節できる。一方、酸素濃度センサの検出酸素濃度では混合気の空燃比の判定が困難になる部分燃焼時には、火炎温度センサの検出温度に基づく空燃比の調節が行われる。

ここで、基準火炎温度は、酸素濃度センサの検出酸素濃度から判定される混合気の空燃比に対応する火炎温度として算出される。全面燃焼時には、酸素濃度センサの検出酸素濃度から混合気の空燃比を正確に判定できるから、検出酸素濃度に基づいて算出される基準火炎温度は実際の火炎温度に極近い温度になる。従って、火炎温度センサの劣化でその検出温度が実際の火炎温度からずれても、基準火炎温度と火炎温度センサの検出温度との偏差から、検出温度を実際の火炎温度に一致させるのに必要な補正係数を求めることができる。そして、この補正係数で検出温度を補正することにより実際の火炎温度からのずれを可及的に小さくすることができ、部分燃焼時も混合気の空燃比を適正に調節できる。

ところで、火炎温度センサの劣化が進行すると、所要の検出精度が確保できなくなり、火炎温度センサの検出温度を補正係数で補正しても、実際の火炎温度からかなりずれてしまう。そのため、補正係数が所定の上限値を超えた場合には、表示手段によりエラー表示を行うことが望ましい。これによれば、火炎温度センサの劣化が進行した場合、エラー表示により修理を促すことができ、安全である。

本発明の実施形態の燃焼装置を示す模式的断面図。実施形態の燃焼装置のコントローラが行う空燃比制御を示すフロー図。

図１に示す本発明の実施形態の燃焼装置は、燃焼筐１を備えており、燃焼筐１の下部に、横方向中央の第１バーナ２_１と、第１バーナ２_１の右側の第２バーナ２_２と、第１バーナ２_１の左側の第３バーナ２_３との３個のバーナが収納されている。また、燃焼筐１の上部には、給湯用の熱交換器３が収納されており、各バーナ２_１，２_２，２_３の燃焼排ガスが熱交換器３を経由して燃焼筐１の上端の排気筒４に流れる。

各バーナ２_１，２_２，２_３は、多数の炎孔（図示せず）を有する燃焼プレート２ａを上面に装着した全一次燃焼式バーナで構成されている。そして、単一の燃焼ファン５からの空気が一次空気として各バーナ２_１，２_２，２_３に供給されるようにしている。

また、これらバーナ２_１，２_２，２_３に燃料ガスを供給するガス供給路６には比例弁７が介設されている。更に、比例弁７の下流側には、第１バーナ２_１に燃料ガスを供給する第１能力切換え弁８_１と、第２バーナ２_２に燃料ガスを供給する第２能力切換え弁８_２と、第３バーナに燃料ガスを供給する第３能力切換え弁８_３とが設けられている。

燃焼ファン５、比例弁７、各能力切換え弁８_１，８_２，８_３は燃焼装置に設けたコントローラ９により制御される。コントローラ９は、給湯負荷に応じた要求燃焼量を演算し、要求燃焼量が小さな場合には、第１能力切換え弁８_１を開弁させて第１バーナ２_１のみを燃焼させ、その燃焼量を比例弁７により制御する。要求燃焼量が第１バーナ２_１の最大燃焼量以上になった場合には、第２能力切換え弁８_２を開弁させて、第１バーナ２_１に加え第２バーナ２_２も燃焼させ、第１と第２の両バーナ２_１，２_２の合計燃焼量が要求燃焼量になるように比例弁７を制御する。要求燃焼量が第１と第２の両バーナ２_１，２_２の合計最大燃焼量以上になった場合には、第３能力切換え弁８_３を開弁させて、第１と第２の両バーナ２_１，２_２に加え第３バーナ２_３も燃焼させ、第１乃至第３バーナ２_１，２_２，２_３の合計燃焼量が要求燃焼量になるように比例弁７を制御する。

また、コントローラ９は、各バーナ２_１，２_２，２_３に供給される混合気（燃料ガスと一次空気との混合ガス）の空燃比が、理論空燃比よりも一次空気が過剰になるように設定される所定の目標空燃比になるように、燃焼ファン５の回転数を制御する。具体的には、混合気の空気過剰率（一次空気量／理論空燃比の一次空気量）が１を上回る所定の目標値（例えば１．３程度）になるように、燃焼ファン５の回転数を制御する。

ところで、熱交換器３のフィン詰りや排気筒４のごみ詰りといった排気閉塞等で一次空気の供給量が減少して、混合気の空気過剰率が目標値よりも減少してしまうことがある。そこで、本実施形態では、熱交換器３よりも上方の排気経路の部分に酸素濃度センサ１０を設置すると共に、第１バーナ２_１上に臨ませて、第１バーナ２_１の火炎温度を検出する熱電対等から成る火炎温度センサ１１を設けている。これらセンサ１０，１１の検出出力はコントローラ９に入力される。そして、コントローラ９は、酸素濃度センサ１０で検出される燃焼排ガス中の酸素濃度λと火炎温度センサ１１で検出される火炎温度Ｔとに基づいて、混合気の空燃比を調節する空燃比制御を行う。以下、空燃比制御について図２を参照して説明する。

空燃比制御では、先ず、燃焼開始前のプリパージ中に、ＳＴＥＰ１で酸素濃度センサ１０の初期チェックを行うと共に、ＳＴＥＰ２で火炎温度センサ１１の断線、短絡等の故障の有無を判別する初期チェックを行う。酸素濃度センサ１０の初期チェックに際しては、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λと大気中の酸素濃度とを比較し、検出酸素濃度λと大気中の酸素濃度との偏差に応じた補正係数を求める。そして、以後、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λに補正係数を乗算して、検出酸素濃度λを補正する。このように補正した検出酸素濃度λと実際の酸素濃度とのずれは可及的に小さくなる。尚、以下の説明において、検出酸素濃度λは補正した値を意味する。

プリパージが完了して燃焼が開始されると、ＳＴＥＰ３に進み、第１乃至第３バーナ２_１，２_２，２_３を全て燃焼させる全面燃焼であるか否かを判別する。全面燃焼であれば、ＳＴＥＰ４に進んで、混合気の空燃比が目標空燃比であるときの燃焼排ガス中の酸素濃度を目標酸素濃度λｍとして算出する。次に、ＳＴＥＰ５に進んで、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λに基づく混合気の空燃比調整を行う。

この空燃比調節に際しては、先ず、目標酸素濃度λｍと酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λとの偏差Δλｍを求める。ここで、排気閉塞等による一次空気の供給量の減少で混合気の空気過剰率が減少すると、偏差Δλｍが大きくなる。そこで、偏差Δλｍに応じて燃焼ファン５の回転数を増加或いは比例弁７の開度を減少（燃焼量を減少）させ、混合気の空燃比が目標空燃比になるように調節する。

次に、ＳＴＥＰ６に進み、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λに基づいて基準火炎温度Ｔｓを算出する。基準火炎温度Ｔｓは、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λから判定される混合気の空燃比に対応する火炎温度として算出される。全面燃焼時には、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λから混合気の空燃比を正確に判定できるから、検出酸素濃度λに基づいて算出される基準火炎温度Ｔｓは実際の火炎温度に極近い温度になる。

次に、ＳＴＥＰ７に進み、基準火炎温度Ｔｓと火炎温度センサ１１の検出温度Ｔとの偏差ΔＴｓが所定の閾値Ｙ以上であるか否かを判別する。ΔＴｓ＜Ｙであれば、ＳＴＥＰ８で温度補正係数Ｋの値を１にして、ＳＴＥＰ３に戻る。

一方、火炎温度センサ１１の劣化でΔＴｓ≧Ｙになったときは、ＳＴＥＰ９に進んで、火炎温度センサ１１の検出温度Ｔを実際の火炎温度に一致させるのに必要な温度補正係数Ｋを偏差ΔＴｓから求める。具体的には、温度補正係数Ｋを次式、Ｋ＝１＋ΔＴｓ／Ｔで算出する。次に、ＳＴＥＰ１０で補正係数Ｋが所定の上限値ＬｉｍＫを超えたか否かを判別する。そして、Ｋ≦ＬｉｍＫの場合は、ＳＴＥＰ３に戻る。

また、Ｋ＞ＬｉｍＫの場合は、ＳＴＥＰ１１に進み、表示手段たる図外のリモコンの表示画面でエラー表示を行い、使用者に警告する。尚、エラー表示は、表示画面に加え、リモコンのスピーカで音声により行ってもよい。

ＳＴＥＰ３で全面燃焼でないと判別されたとき、即ち、部分燃焼であると判別されたときは、ＳＴＥＰ１２に進んで、火炎温度センサ１１の検出温度Ｔを温度補正係数Ｋにより補正する。具体的には、検出温度Ｔに補正係数Ｋを乗算して補正検出温度Ｔ´を算出する。ここで、火炎温度センサ１１の劣化により検出温度Ｔが実際の火炎温度からずれても、補正検出温度Ｔ´は、実際の火炎温度に極近い温度になる。

次に、ＳＴＥＰ１３に進んで、混合気の空燃比が目標空燃比であるときの火炎温度を目標火炎温度Ｔｍとして算出する。そして、ＳＴＥＰ１４で補正検出温度Ｔ´に基づく空燃比調節を行った後、ＳＴＥＰ３に戻る。

この空燃比調節に際しては、先ず、補正検出温度Ｔ´と目標火炎温度Ｔｍとの偏差ΔＴｍを求める。ここで、排気閉塞等による一次空気の供給量の減少で混合気の空燃比が理論空燃比に近づくと、火炎温度が上昇して偏差ΔＴｍが大きくなる。そこで、偏差ΔＴｍに応じて燃焼ファン５の回転数を増加或いは比例弁７の開度を減少（燃焼量を減少）させ、混合気の空燃比が目標空燃比になるように調節する。

尚、火炎温度は、主として混合気の空燃比に応じて変化するが、燃焼量によっても変化する。従って、基準火炎温度Ｔｓや目標火炎温度Ｔｍの算出及び偏差ΔＴｍに応じた空燃比の調節は、燃焼量による火炎温度の変化分を加味して行う。

上述したように、本実施形態によれば、全面燃焼時には、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λに基づく空燃比調節が行われるため、混合気の空燃比を目標空燃比になるように適正に調節できる。尚、部分燃焼時には、燃焼していないバーナに供給される一次空気が排気経路に流れて、酸素濃度センサ１０の検出酸素濃度λが大幅に上昇する。そのため、燃焼中の一部のバーナに供給する混合気の空燃比の変化による検出酸素濃度λの変化率が微小になって、検出酸素濃度λに基づいて混合気の空燃比を適正に調節することが困難になる。

これに対し、本実施形態では、部分燃焼時は、火炎温度センサ１１の検出温度Ｔに基づく空燃比の調節が行われるため、上記の不具合は生じない。一方、火炎温度センサ１１は劣化し易いという問題がある。然し、本実施形態では、火炎温度センサ１１の劣化でその検出温度Ｔが実際の火炎温度からずれても、上記の如く求める補正係数Ｋで検出温度Ｔを補正することにより、実際の火炎温度からのずれを可及的に小さくすることができ、部分燃焼時も混合気の空燃比を適正に調節できる。

尚、火炎温度センサ１１の劣化が進行すると、所要の検出精度が確保できなくなり、火炎温度センサ１１の検出温度Ｔを温度補正係数Ｋで補正しても、実際の火炎温度からかなりずれてしまう。そのため、部分燃焼時の混合気の空燃比を適正に調節することができなり、燃焼不良が発生してしまう。然し、本実施形態では、火炎温度センサ１１の劣化が進行して、温度補正係数Ｋが上限値ＬｉｍＫを超えた場合には、エラー表示を行って修理を促すことができ、安全である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、燃焼状態を、第１バーナ２_１のみを燃焼させる部分燃焼状態と、第１と第２の両バーナ２_１，２_２を燃焼させる部分燃焼状態と、第１乃至第３の全てのバーナ２_１，２_２，２_３を燃焼させる全面燃焼状態との３段階に切換え自在としているが、第２バーナ２_２のみを燃焼させる部分燃焼状態を含めて４段階に切換え自在とすることも可能である。この場合、第１バーナ２_１の火炎温度を検出する上記火炎温度センサ１１に加えて第２バーナ２_２の火炎温度を検出する火炎温度センサを設ける。そして、全面燃焼時に後者の火炎温度センサの補正係数も算出し、第２バーナ２_２のみを燃焼させる部分燃焼時に、後者の火炎温度センサの検出温度を補正係数で補正して、補正検出温度に基づく混合気の空燃比調節を行う。また、バーナの本数は２本或いは４本以上であってもよい。

２_１，２_２，２_３…バーナ、５…燃焼ファン、９…コントローラ、１０…酸素濃度センサ、１１…火炎温度センサ、λ…酸素濃度センサの検出酸素濃度、Ｔ…火炎温度センサの検出温度、Ｔ´…補正検出温度、Ｔｓ…基準火炎温度、ΔＴｓ…火炎温度センサの検出温度と基準火炎温度との偏差、Ｋ…補正係数。

Claims

複数のバーナと、これらバーナに一次空気を供給する燃焼ファンとを備え、これら全てのバーナを燃焼させる全面燃焼と、一部のバーナのみを燃焼させる部分燃焼とに切換え自在な燃焼装置であって、
燃焼装置の排気経路に設置した酸素濃度センサと、部分燃焼時に燃焼するバーナの火炎温度を検出する火炎温度センサとを備え、
全面燃焼時には、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節し、
部分燃焼時には、火炎温度センサの検出温度に基づいて、バーナに供給する混合気の空燃比を調節すると共に、
全面燃焼時に、酸素濃度センサで検出される燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて基準火炎温度を算出し、この基準火炎温度と火炎温度センサの検出温度とを比較して、両温度の偏差に応じた補正係数を求め、
部分燃焼時の空燃比調節に用いる火炎温度センサの検出温度を補正係数により補正することを特徴とする燃焼装置。
前記補正係数が所定の上限値を超えた場合には、表示手段によりエラー表示を行うことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。