JP6199400B2 - Air-fuel ratio measurement system including optical sensor - Google Patents

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Description

本発明は計測システムに関し、より詳しくは燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持する光センサを含む空燃比計測システムに関する。   The present invention relates to a measurement system, and more specifically, after detecting only an ultraviolet wavelength region generated in a process in which a fuel in a combustor is burned by a flame provided from the combustor, it is optimized through an analysis and calculation process. The present invention relates to an air-fuel ratio measurement system including an optical sensor that maintains an air-fuel ratio.

一般的な燃焼システムにおいて、火炎部の空燃比は燃料の消費及びエネルギー効率に直接つながるパラメータであるが、これを計測することは非常に難しい。大部分の大型燃焼システムは、排気端で酸素の濃度を測定することによって火炎部の空燃比を推測し、一部のエンジンの予混合燃焼器は、火炎の化学発光による光反射を光計測することによって空燃比を判定する場合がある。   In a general combustion system, the air-fuel ratio of the flame part is a parameter directly related to fuel consumption and energy efficiency, but it is very difficult to measure this. Most large combustion systems infer the air / fuel ratio of the flame by measuring the oxygen concentration at the exhaust end, and some engine premix combustors optically measure the light reflections from the chemiluminescence of the flame Thus, the air-fuel ratio may be determined.

例えば、光学検波器の前に波長フィルタを設置する方法は、基本的にOH、CH、C及びCOなどの特定の励起状態の各化学種のからの総光反射の部分寄与率を識別するために使用される。 For example, the method of installing a wavelength filter in front of an optical detector basically identifies the partial contribution of total light reflection from each species in a particular excited state such as OH, CH, C 2 and CO 2. Used to do.

これにより、1つ以上のこのような化学種の信号比を空燃比や発熱率、ガス温度等の様々な燃焼器パラメータと従来の方法に関連付けることができる。   This allows the signal ratio of one or more such chemical species to be associated with various combustor parameters, such as air-fuel ratio, heat rate, gas temperature, and conventional methods.

即ち、前記に関連した計測技術は、単純な光センサ機構及びカメラ装置が使用されるため、空間分解能において燃焼流が複雑な場合、三次元での空間分解性能を持つように計測を行うことによって、システム性能の最適化が困難であるという問題点があった。   That is, the measurement technique related to the above uses a simple optical sensor mechanism and camera device, and therefore, when the combustion flow is complicated in spatial resolution, the measurement is performed so as to have three-dimensional spatial resolution performance. There is a problem that it is difficult to optimize the system performance.

したがって、前記のように燃焼プロセスの制御を改善し、システムの性能を最適化することは、当該分野において非常に重要であり、空燃比の最適化のための燃焼器内部の計測方法が求められているのが実情である。   Therefore, improving the control of the combustion process and optimizing the system performance as described above is very important in the field, and a measurement method inside the combustor for the optimization of the air-fuel ratio is required. It is the actual situation.

特開2010-101615号公報JP 2010-101615 A

前記のような問題点を解決するための本発明の目的は、燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持する光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。   An object of the present invention to solve the above problems is to detect and analyze only the ultraviolet wavelength region generated in the process of burning the fuel in the combustor by the flame provided from the combustor. An air-fuel ratio measurement system including an optical sensor that maintains an optimized air-fuel ratio through a process is provided.

また、本発明の目的は、紫外線波長領域のうち250〜600nmに該当する波長領域のみを感知して、実際の火炎とノイズを区別することによって、燃焼室内部の状態を正確に認知することができる光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。   Further, the object of the present invention is to accurately recognize the state of the combustion chamber by sensing only the wavelength region corresponding to 250 to 600 nm in the ultraviolet wavelength region and distinguishing the actual flame from noise. It is an object to provide an air-fuel ratio measurement system including an optical sensor that can be used.

また、本発明の目的は、光センサによって感知された光信号に基づいて分析及び演算した後、空気制御装置を制御し最適化された空燃比のための空気量を調節する光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。   Another object of the present invention is to include an optical sensor that controls and controls the air control device to adjust the air amount for the optimized air-fuel ratio after analyzing and calculating based on the optical signal sensed by the optical sensor. It is to provide a fuel ratio measurement system.

前記のような問題点を解決するための本発明による光センサを含む空燃比計測システムは、燃料が供給される燃焼室;前記燃焼室と連通して火炎を提供する燃焼器;前記燃料が前記火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号を受信した後、電気的信号を発生させる光センサ;前記燃焼器に供給される燃料量を測定する燃料測定センサ;前記光センサと電気的に連結されて前記電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換する分析モジュール;及び前記分析モジュールから受信された前記変換信号及び前記燃料測定センサから受信された燃料測定信号を分析して空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール;とを含むことを特徴とする。   An air-fuel ratio measurement system including an optical sensor according to the present invention for solving the above-described problems includes a combustion chamber to which fuel is supplied; a combustor that provides a flame in communication with the combustion chamber; An optical sensor for generating an electrical signal after receiving an optical signal generated as it is burned by a flame; a fuel measuring sensor for measuring an amount of fuel supplied to the combustor; and electrically connected to the optical sensor An analysis module for converting an electrical signal into a convertible signal; and analyzing the conversion signal received from the analysis module and the fuel measurement signal received from the fuel measurement sensor to determine an air-fuel ratio and a thermal load. And an arithmetic module for calculating.

好ましくは、前記光センサは、フォトダイオード(Photodiode、PD)またはフォトマルチプライヤーチューブ(Photomultiplier tube、PMT)であり、前記光信号は、250〜600nmの紫外線波長領域であることを特徴とする。   Preferably, the optical sensor is a photodiode (Photodiode, PD) or a photomultiplier tube (PMT), and the optical signal is in an ultraviolet wavelength region of 250 to 600 nm.

好ましくは、前記空燃比計測システムは、前記演算モジュールに連結され、前記燃焼器に供給される空気量を制御する空気制御装置;をさらに含むことを特徴とする。   Preferably, the air-fuel ratio measurement system further includes an air control device that is connected to the calculation module and controls an amount of air supplied to the combustor.

好ましくは、前記演算モジュールは、前記計算された空燃比に基づいて前記空気制御装置を調節して、前記燃焼器に供給される空気量を制御することによって最適化された空燃比領域を維持することを特徴とする。   Preferably, the arithmetic module adjusts the air control device based on the calculated air-fuel ratio to maintain an optimized air-fuel ratio region by controlling the amount of air supplied to the combustor. It is characterized by that.

好ましくは、前記演算モジュールは、前記変換信号と前記燃料測定信号を受けて分析する解析装置;及び前記解析装置で分析されたデータに基づいて前記空気制御装置から供給される前記空気量を制御するコントローラ;とを含むことを特徴とする。   Preferably, the arithmetic module controls the amount of air supplied from the air control device based on an analysis device that receives and analyzes the conversion signal and the fuel measurement signal; and data analyzed by the analysis device And a controller.

前述のような本発明は、燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持することができる。   In the present invention as described above, the air-fuel ratio optimized through the analysis and calculation process after detecting only the ultraviolet wavelength region generated in the process of burning the fuel inside the combustor by the flame provided from the combustor. Can be maintained.

さらに、本発明は、紫外線波長領域のうち、250〜600nmに該当する波長領域のみを感知して、実際の火炎とノイズを区別することによって、燃焼室内部の状態を正確に認知するので、可視光線や赤外線の波長領域を受信する場合よりも、ノイズによる影響が少ないという効果がある。   Further, the present invention accurately recognizes the state of the combustion chamber by sensing only the wavelength region corresponding to 250 to 600 nm in the ultraviolet wavelength region and distinguishing the actual flame from noise, so that it is visible. There is an effect that the influence of noise is less than when receiving the wavelength region of light rays or infrared rays.

また、本発明は、光センサによって感知された光信号に基づいて分析及び演算した後、最適化された空燃比のための空気量を調節するために空気制御装置を制御することにより、最適化された空燃比を維持する効果がある。   In addition, the present invention optimizes by controlling the air control device to adjust the air amount for the optimized air-fuel ratio after analyzing and calculating based on the optical signal sensed by the optical sensor. This has the effect of maintaining the air / fuel ratio.

図1は、本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システムを示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an air-fuel ratio measurement system including an optical sensor according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1の構成要素間のメカニズムを示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the mechanism between the components of FIG. 図3は、特定の波長(250〜600nm)領域を選定するための波長に応じた感度を示す過剰空気比のグラフである。FIG. 3 is a graph of excess air ratio showing sensitivity according to the wavelength for selecting a specific wavelength (250 to 600 nm) region. 図4は、空燃比測定及び計算のための波長に応じた対数スペクトルの応答変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a change in logarithmic spectrum response according to the wavelength for air-fuel ratio measurement and calculation. 図5(a)は、燃焼後の排気ガス中の酸素濃度(O)に応じたフォトダイオード信号の変化を示すグラフである。図5(b)は、図5(a)をリニアフィット(linear fit)したグラフである。FIG. 5A is a graph showing changes in the photodiode signal according to the oxygen concentration (O 2 ) in the exhaust gas after combustion. FIG. 5B is a graph obtained by linearly fitting FIG. 5A. 図6は、空燃比の測定及び計算のために圧力に応じた燃料量(熱負荷)を示したグラフである。FIG. 6 is a graph showing the fuel amount (heat load) according to the pressure for the measurement and calculation of the air-fuel ratio. 図7は、燃焼室壁面の温度に応じたフォトダイオードの感度変化を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a change in sensitivity of the photodiode in accordance with the temperature of the combustion chamber wall surface. 図8(a)は、過剰空気比に応じたフォトダイオードの出力信号(mV)の変化を示すグラフである。図8(b)は、図8(a)をリニアフィット(linear fit)したグラフである。FIG. 8A is a graph showing changes in the output signal (mV) of the photodiode according to the excess air ratio. FIG. 8 (b) is a graph obtained by linearly fitting FIG. 8 (a).

本発明の光センサを含む空燃比計測システムを構成する構成要素は、必要に応じて一体型で使用するか、または、それぞれ分離して使用してもよい。また、使用形態に応じて、一部の構成要素を省略して使用することもできる。   The components constituting the air-fuel ratio measurement system including the optical sensor of the present invention may be used in an integrated form as necessary, or may be used separately. Depending on the usage pattern, some components may be omitted.

本発明による光センサを含む空燃比計測システム100の好適な実施例を図1〜図8を参照して説明する。この過程で図面に図示された線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張して図示される。また、後述される用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であり、これは使用者、運用者の意図または慣例によって異なる。したがって、これらの用語に対する定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて記述されるべきであろう。   A preferred embodiment of an air-fuel ratio measurement system 100 including an optical sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In this process, the thickness of lines and the size of components shown in the drawings are exaggerated for the sake of clarity and convenience. Moreover, the term mentioned later is a term defined in consideration of the function in this invention, and this differs with the intention or practice of a user and an operator. Accordingly, definitions for these terms should be written based on the content throughout this specification.

以下、図1〜図2を参照して、本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システム100を説明すると、次の通りである。   Hereinafter, an air-fuel ratio measurement system 100 including an optical sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システム100は、燃料が供給される燃焼室110、燃焼室110に火炎を提供する燃焼器120、燃焼室110に挿入されて燃料が火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号を受信した後、電気的信号を発生させる光センサ130、燃焼器120に供給される燃料量を測定する燃料測定センサ140、燃焼器120と対向するように配置されて、燃焼器120に供給される空気量を制御する空気制御装置150、光センサ130と電気的に連結されて電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換させる分析モジュール160、及び分析モジュール160から受信された変換信号及び燃料測定センサ140から受信された燃料測定信号を分析して空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール170を含む。   An air-fuel ratio measurement system 100 including an optical sensor according to an embodiment of the present invention includes a combustion chamber 110 to which fuel is supplied, a combustor 120 that provides a flame to the combustion chamber 110, and a fuel that is inserted into the combustion chamber 110 by the flame. After receiving the optical signal generated as it burns, the optical sensor 130 that generates an electrical signal, the fuel measurement sensor 140 that measures the amount of fuel supplied to the combustor 120, and the combustor 120 are arranged to face each other. An air control device 150 that controls the amount of air supplied to the combustor 120, an analysis module 160 that is electrically connected to the optical sensor 130 to convert the electrical signal into a conversion signal in an analyzable form, and the analysis module 160 And an arithmetic module 170 for calculating the air-fuel ratio and the thermal load by analyzing the conversion signal received from the fuel measurement signal received from the fuel measurement sensor 140.

燃焼室110は、燃料が供給されて燃焼する場所であり、中空形状を有し、このような燃焼室110は公知技術に該当するので、具体的な説明は省略する。   The combustion chamber 110 is a place where fuel is supplied and combusts, and has a hollow shape. Since the combustion chamber 110 corresponds to a known technique, a detailed description thereof will be omitted.

燃焼器120は、燃焼室110と連通するように配置される。この時、火炎の強さは調節可能であり、このような燃焼器120は、燃焼室110内部の燃料を燃焼させるための火炎を提供する役割を果たす。   Combustor 120 is arranged to communicate with combustion chamber 110. At this time, the intensity of the flame is adjustable, and the combustor 120 serves to provide a flame for burning the fuel inside the combustion chamber 110.

光センサ130は、フォトダイオード(PD)131またはフォトマルチプライヤーチューブ(PMT)132のいずれかが適用される。   As the optical sensor 130, either a photodiode (PD) 131 or a photomultiplier tube (PMT) 132 is applied.

フォトダイオード131は、光がダイオードに触れると、電子と正の電荷である正孔が生じて電流が流れ、電圧の大きさは光の強度にほぼ比例する。このように、光電効果の結果、半導体の接合部に電圧が現われる現象を光起電力効果という。   In the photodiode 131, when light touches the diode, electrons and holes that are positive charges are generated, current flows, and the magnitude of the voltage is substantially proportional to the light intensity. Thus, a phenomenon in which a voltage appears at a semiconductor junction as a result of the photoelectric effect is referred to as a photovoltaic effect.

このようなフォトダイオード131は、応答速度が速く、感度波長が広く、光電流の直進性が良好であるという特徴がある。主としてCDプレーヤーや火災警報器、テレビのリモコン受信部のような電子機器の素子に用いられ、光の強さを正確に測定するためにも活用される。   Such a photodiode 131 is characterized in that the response speed is fast, the sensitivity wavelength is wide, and the straightness of the photocurrent is good. It is mainly used for elements of electronic devices such as CD players, fire alarms, and remote control receivers for televisions, and is also used to accurately measure the intensity of light.

フォトマルチプライヤーチューブ132は、一般にフォトカソード(Photocathode)、ダイノード、アノードで構成されている。フォトカソードは、光電効果により一定の周波数以上の光を受けると電子を放出する。この電子は、ダイノードを通過しながら増幅され、アノードに到達して外部装備で読み取れる程度の電流信号が作られるという原理である。外部装置を通過せず、直ちに信号が増幅されるので、非常に弱い光信号を感知するために広く用いられている。通常、光電効果は可視光線以上の周波数に対して発生するので、それ以下の周波数の光に対しては用いることができない。   The photomultiplier tube 132 is generally composed of a photocathode, a dynode, and an anode. A photocathode emits electrons when it receives light of a certain frequency or more due to a photoelectric effect. The electrons are amplified while passing through the dynodes, and the principle is that a current signal is generated that reaches the anode and can be read by external equipment. Since the signal is amplified immediately without passing through an external device, it is widely used for sensing very weak optical signals. Usually, the photoelectric effect occurs for frequencies above visible light, so it cannot be used for light below that frequency.

シンチレータ(Scintillator)は、フォトマルチプライヤーを用いて高エネルギーの光、即ち、X線やガンマ線を測定するために用いられる検出器の一種であり、フォトマルチプライヤーとは異なる概念である。しかし、X線やガンマ線を測定する場合、シンチレータをフォトマルチプライヤーに取り付けて使用する。これにより、高エネルギーの光子がシンチレータと反応して可視光線領域の光子束に変わり、これをフォトマルチプライヤーが測定する。このような方法の光子エネルギーの測定は粒子物理学実験に非常に広く使用される。   A scintillator is a type of detector used to measure high-energy light, that is, X-rays or gamma rays using a photomultiplier, and is a concept different from a photomultiplier. However, when measuring X-rays or gamma rays, a scintillator is attached to a photomultiplier. As a result, the high energy photons react with the scintillator and change into photon flux in the visible light region, which is measured by the photomultiplier. This method of photon energy measurement is very widely used in particle physics experiments.

前記のフォトダイオード131やフォトマルチプライヤーチューブ132は、火炎による光の波長のうち、250〜600nmの紫外線波長領域である光信号のみを受信して適用する。その理由は、赤外線による波長の光信号の場合、燃焼室110の壁面などが加熱されて発生することもあるが、これは実際の火炎信号と周辺ノイズの区別が難しいため、精度低下の原因となるからである。   The photodiode 131 and the photomultiplier tube 132 receive and apply only an optical signal in the ultraviolet wavelength region of 250 to 600 nm out of the wavelength of light due to the flame. The reason is that in the case of an optical signal with an infrared wavelength, the wall surface of the combustion chamber 110 may be heated, which is difficult to distinguish between the actual flame signal and ambient noise, which may cause a decrease in accuracy. Because it becomes.

一方、可視光線に応じた波長の光信号の場合、一般の自然光やその他の人工光によっても多くのノイズ発生のリスクがあるため、実際の火炎から提供される光信号と類似した信号を獲得するためには、紫外線波長領域のみを選択的に受け取って使用することが好ましい。   On the other hand, in the case of an optical signal having a wavelength corresponding to visible light, there is a risk of generating a lot of noise even with general natural light or other artificial light, so a signal similar to the optical signal provided from an actual flame is obtained. For this purpose, it is preferable to selectively receive and use only the ultraviolet wavelength region.

即ち、本発明によるフォトダイオード131又はフォトマルチプライヤーチューブ132は、紫外線波長領域に該当する光信号のみを感知してノイズのリスクを最小限に抑えるので、実際の火炎に最も類似した光信号の感知が可能となる。   That is, the photodiode 131 or the photomultiplier tube 132 according to the present invention senses only the optical signal corresponding to the ultraviolet wavelength region and minimizes the risk of noise, and thus senses the optical signal most similar to an actual flame. Is possible.

燃料測定センサ140は、燃焼器120に供給される燃料量を測定する。このような燃料測定センサ140は、圧力式または熱式などの流量計測が可能なセンサであれば限定されないことは言うまでもない。   The fuel measurement sensor 140 measures the amount of fuel supplied to the combustor 120. It goes without saying that the fuel measuring sensor 140 is not limited as long as it is a sensor capable of measuring a flow rate such as a pressure type or a thermal type.

空気制御装置150は、燃焼器120に供給される空気量を制御する装置であり、バルブまたはゲートの形態で燃焼器120への空気供給量を調節することができる。   The air control device 150 is a device that controls the amount of air supplied to the combustor 120, and can adjust the amount of air supplied to the combustor 120 in the form of a valve or a gate.

分析モジュール160は、光センサ130と電気的に連結され、電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換する役割を果たし、このような分析モジュール160としては、変換器(signal converter)や増幅器(Amplifier)を用いてもよい。   The analysis module 160 is electrically connected to the optical sensor 130 and serves to convert an electrical signal into a conversion signal in a form that can be analyzed. The analysis module 160 includes a signal converter and an amplifier. (Amplifier) may be used.

本発明では、変換器と増幅器の両方を用いるか、又はいずれか一方を用いることができるが、必要に応じて変換器と増幅器の両方を省略してもよい。   In the present invention, both the converter and the amplifier can be used, or one of them can be used, but both the converter and the amplifier may be omitted if necessary.

演算モジュール170は、計算された空燃比に基づいて、空気制御装置150を調節して燃焼器120に供給される空気量を制御することによって、最適化された空燃比領域を維持し、このような演算モジュール170は、変換信号と燃料測定信号を受けて分析する解析装置(Analyzer)及び解析装置で分析されたデータに基づいて、空気制御装置150から供給される空気量を制御するコントローラ(Controller)を含むことができる。   The arithmetic module 170 maintains the optimized air-fuel ratio region by adjusting the air control device 150 based on the calculated air-fuel ratio and controlling the amount of air supplied to the combustor 120. The calculation module 170 includes an analysis device (Analyzer) that receives and analyzes the conversion signal and the fuel measurement signal, and a controller (Controller) that controls the amount of air supplied from the air control device 150 based on the data analyzed by the analysis device. ) Can be included.

以下、図3〜図8を参照して、本発明の光センサを含む空燃比計測システムに適用される測定波長領域の選定、空燃比の測定、計算方法及び温度に応じた各波長別のフォトダイオードの信号測定値を説明する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 3 to 8, selection of a measurement wavelength region applied to the air-fuel ratio measurement system including the optical sensor of the present invention, measurement of the air-fuel ratio, calculation method, and photo for each wavelength according to temperature The measured signal value of the diode will be described.

まず、測定波長領域の選定において、250〜650nmは火炎から発生する主なラジカル(OH/CH/C2)などが光を放射する領域であり、このような特定のひとつの波長ポイントを指定せずに範囲として指定した理由は次の通りである。   First, in the selection of the measurement wavelength region, 250 to 650 nm is the region where the main radicals (OH / CH / C2) generated from the flame emit light, and this specific wavelength point is not specified. The reason for designating as a range is as follows.

第1に、図3に示すように、ひとつの波長値だけではなく、一定範囲の波長値を積分しても、空燃比に反比例するという特性を導出することができる。   First, as shown in FIG. 3, even if not only one wavelength value but also a certain range of wavelength values are integrated, a characteristic that is inversely proportional to the air-fuel ratio can be derived.

第2に、大部分の低コストのフォトダイオードなど、使用可能な経済的なフォトダイオードセンサは、特定の範囲にわたって信号を受信し、その数値全体を電気的信号で表現するため、ひとつの波長ポイントのみを選択するためには、むしろ、より多くのフィルタリングの役割をする光学装置がさらに必要である。   Second, the economical photodiode sensors that can be used, such as most low-cost photodiodes, receive a signal over a specific range and represent the entire number as an electrical signal, so that one wavelength point. In order to select only, rather, more optical devices are needed that serve more filtering.

第3に、600nm以上の波長領域は可視光線、赤外線などの形態であり、燃焼システムの壁面や燃焼器先端などが加熱されて発生する光は可視光線や赤外線であるため、純粋な火炎の信号にこれらの信号がノイズとしてセンサ(PD 、PMT)に伝達されることがある。   Third, the wavelength region above 600nm is in the form of visible light, infrared light, etc., and the light generated by heating the combustion system wall or the tip of the combustor is visible light or infrared light. In addition, these signals may be transmitted to the sensors (PD, PMT) as noise.

前記に関連して、温度に応じた各波長別フォトダイオード信号の測定値は、図7に示すように、対象中心波長の異なる3つのフォトダイオードを使用して信号値を測定した結果として、火炎の生成後、燃焼炉内の壁面の温度が上昇する過程で測定された各フォトダイオードの信号値をグラフに示した。   In relation to the above, as shown in FIG. 7, the measured value of each wavelength-specific photodiode signal according to the temperature is determined as a result of measuring the signal value using three photodiodes having different target center wavelengths. The graph shows the signal value of each photodiode measured in the process in which the temperature of the wall surface in the combustion furnace rises after the generation of.

図7に示すように、紫外線領域(290nm)のフォトダイオードの信号は、燃焼炉の壁面の温度に関係なく一定であるが、他の波長領域の(760nm、920nm)フォトダイオードの信号は、壁面の温度に応じて異なることを確認することができる。   As shown in FIG. 7, the signal of the photodiode in the ultraviolet region (290 nm) is constant regardless of the temperature of the wall of the combustion furnace, but the signal of the photodiode in the other wavelength region (760 nm, 920 nm) It can be confirmed that the temperature varies depending on the temperature.

これは、壁面から放射した光が760mm、920mmの波長領域に該当し、純粋に火炎だけから発生する760mm、920mmの波長領域の信号の強さを区別することが難しいことを示す。   This indicates that the light emitted from the wall corresponds to the wavelength range of 760 mm and 920 mm, and it is difficult to distinguish the intensity of the signal in the wavelength range of 760 mm and 920 mm generated purely from the flame.

結局、760mm、920mmの波長領域を用いると、壁面温度が上昇するにつれて放射する輻射効果によりノイズが発生するようになる。   Eventually, when the wavelength regions of 760 mm and 920 mm are used, noise is generated due to the radiation effect radiated as the wall surface temperature rises.

第4に、ひとつの熱負荷においてではなく、複数の熱負荷における空燃比分析のための式を導出するためには、各熱負荷における「PD信号対空燃比」の関係グラフの勾配が一定でなければならないが、250〜650nm以上の波長では、これを確保することが困難であるという問題がある。   Fourth, in order to derive an equation for air-fuel ratio analysis at multiple thermal loads rather than at one thermal load, the slope of the “PD signal versus air-fuel ratio” relationship graph at each thermal load must be constant. However, there is a problem that it is difficult to ensure this at a wavelength of 250 to 650 nm or more.

これに関連し、図5には、フォトダイオードセンサ信号と空燃比の関係について示している。   In this regard, FIG. 5 shows the relationship between the photodiode sensor signal and the air-fuel ratio.

即ち、各熱負荷別空燃比に応じた変化量の勾配が類似しており、同じ勾配でリニアフィットをしても誤差が少なく、これにより、熱負荷に関係なく空燃比を求めることができる空燃比式の導出が可能となる。   That is, the gradient of the amount of change according to the air-fuel ratio for each thermal load is similar, and even if linear fitting is performed with the same gradient, there is little error, and thus the air-fuel ratio can be obtained regardless of the thermal load. It is possible to derive the fuel ratio formula.

一方、図8の(a)及び(b)は、それぞれ主な反応波長領域が650〜700nm、900nm〜1000nmであるフォトダイオードセンサを用いて測定した結果であり、熱負荷変動に伴う「フォトダイオードの信号対空燃比」の勾配が異なり、同じ勾配でリニアフィットをすると誤差があまりにも大きくなり、最終的には空燃比式の導出が困難となる。   On the other hand, (a) and (b) of FIG. 8 are the results of measurement using photodiode sensors whose main reaction wavelength regions are 650 to 700 nm and 900 nm to 1000 nm, respectively. The slope of “signal to air-fuel ratio” is different, and linear fitting with the same slope makes the error too large, and ultimately it becomes difficult to derive the air-fuel ratio equation.

一方、空燃比測定及び計算方法は次の通りである。
まず、使用するフォトダイオードセンサを選定するものとして、図4に示すように、主に230〜335nmの波長領域の光に反応するフォトダイオード選定をすることが好ましい。
On the other hand, the air-fuel ratio measurement and calculation method is as follows.
First, as a selection of the photodiode sensor to be used, it is preferable to select a photodiode that mainly responds to light in the wavelength region of 230 to 335 nm, as shown in FIG.

次に、センサ活用のためのデータベースを構築するものとして、燃料の空燃比及び熱負荷別の信号を計測する。   Next, a signal for each fuel air-fuel ratio and heat load is measured as a database for sensor utilization.

次に、各負荷別の「空燃比対フォトダイオードの信号値」の勾配が類似しているので、これらを平均勾配でリニアフィットを行う。   Next, since the gradient of “air-fuel ratio vs. signal value of photodiode” for each load is similar, linear fitting is performed with an average gradient.

次に、燃料供給部の圧力センサを用いて、圧力と燃料量(熱負荷)の関係を実験によって計測し、その結果をデータベースとして構築する。   Next, using the pressure sensor of the fuel supply unit, the relationship between the pressure and the fuel amount (heat load) is measured by experiment, and the result is constructed as a database.

次に、図5の(a)と(b)のデータベースを利用して、以下の[数式1]のような空燃比式を導出するが、前記の空燃比式はここで排気ガスOを求める方式で導出し、空燃比への変換も可能である。また、前記式の係数はセンサの位置や燃焼器の種類によって異なることもある。 Then, by utilizing the database of FIGS. 5 (a) and (b), the following is derived fuel ratio type, such as [Equation 1], the exhaust gas O 2 fuel ratio equation of the here It can be derived by a desired method and converted to an air-fuel ratio. In addition, the coefficient of the above equation may vary depending on the position of the sensor and the type of combustor.

[数式1]
排気ガス中の酸素濃度(O)=9.615384615×フォトダイオード信号×-7.9409435052E-3×P‐12.60726623
[Formula 1]
Oxygen concentration in exhaust gas (O 2 ) = 9.615384615 × photodiode signal × −7.9409435052E-3 × P 2 -12.60726623

最後に、前記数式を利用すれば、紫外線センサ(ここではフォトダイオードセンサを使用)と燃料ラインの圧力センサの数値が分かれば空燃比を求めることができ、所望の空燃比を得るために燃料ラインの圧力調節などの燃焼制御が可能である。   Finally, using the above formula, the air-fuel ratio can be obtained if the numerical values of the ultraviolet sensor (here, the photodiode sensor is used) and the pressure sensor of the fuel line are known, and the fuel line is obtained in order to obtain a desired air-fuel ratio. Combustion control such as pressure adjustment is possible.

前記では、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当業界における通常の知識を有する者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更可能であることを理解し得るであろう。   The foregoing has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention. However, those skilled in the art will not depart from the spirit and scope of the present invention as described in the following claims. It will be understood that various modifications and changes can be made within the scope of the present invention.

Claims (6)

燃料が供給される燃焼室と、
前記燃焼室と連通して火炎を提供する燃焼器と、
前記燃料が前記火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号の紫外線波長領域のみを受信した後、電気的信号を発生させる光センサと、
前記燃焼器に供給される燃料量を測定する燃料測定センサと、
前記光センサと電気的に連結されて前記電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換させる分析モジュール、及び
前記分析モジュールから受信された前記変換信号及び前記燃料測定センサから受信された燃料測定信号を分析して、紫外線波長領域の波長値を積分することによって、空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール、とを含むことを特徴とする、空燃比計測システム。
A combustion chamber supplied with fuel;
A combustor in communication with the combustion chamber to provide a flame;
An optical sensor for generating an electrical signal after receiving only the ultraviolet wavelength region of the optical signal generated as the fuel is burned by the flame;
A fuel measurement sensor for measuring the amount of fuel supplied to the combustor;
An analysis module that is electrically connected to the optical sensor to convert the electrical signal into a conversion signal in a form that can be analyzed; and the conversion signal received from the analysis module and the fuel measurement received from the fuel measurement sensor An air-fuel ratio measurement system comprising: an arithmetic module that calculates an air-fuel ratio and a heat load by analyzing a signal and integrating a wavelength value in an ultraviolet wavelength region .
前記光信号が、250〜600nmの紫外線波長領域であることを特徴とする、
請求項1に記載の空燃比計測システム。
The optical signal is in an ultraviolet wavelength region of 250 to 600 nm,
The air-fuel ratio measurement system according to claim 1.
前記空燃比計測システムが、前記演算モジュールに連結されて前記燃焼器に供給される空気量を制御する空気制御装置をさらに含むことを特徴とする、
請求項1に記載の空燃比計測システム。
The air-fuel ratio measurement system further includes an air control device that is connected to the calculation module and controls the amount of air supplied to the combustor.
The air-fuel ratio measurement system according to claim 1.
前記演算モジュールが、前記計算された空燃比に基づいて前記空気制御装置を調節して、前記燃焼器に供給される空気量を制御することによって最適化された空燃比領域を維持することを特徴とする、
請求項3に記載の空燃比計測システム。
The arithmetic module adjusts the air control device based on the calculated air-fuel ratio to maintain an optimized air-fuel ratio region by controlling the amount of air supplied to the combustor. And
The air-fuel ratio measurement system according to claim 3.
前記演算モジュールが、
前記変換信号と前記燃料測定信号を受けて分析する解析装置、及び
前記解析装置で分析されたデータに基づいて前記空気制御装置から供給される前記空気量を制御するコントローラを含むことを特徴とする、
請求項1に記載の空燃比計測システム。
The arithmetic module is
An analysis device that receives and analyzes the conversion signal and the fuel measurement signal, and a controller that controls the amount of air supplied from the air control device based on data analyzed by the analysis device. ,
The air-fuel ratio measurement system according to claim 1.
前記光センサが、フォトダイオード(Photodiode、PD)またはフォトマルチプライヤーチューブ(Photomultiplier tube、PMT)であることを特徴とする、
請求項1に記載の空燃比計測システム。
The light sensor is a photodiode (Photodiode, PD) or a photomultiplier tube (PMT),
The air-fuel ratio measurement system according to claim 1.
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