JP7024675B2 - 水分含有量の推定方法、推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスに含まれている水分含有量を推定する水分含有量の推定方法、推定装置に関する。

従来、例えばエンジンやガス給湯器などの燃焼装置において、排気経路にセンサを設けて排気ガス中のガス濃度、例えば酸素濃度、一酸化炭素濃度あるいは窒素酸化物濃度などを計測し、燃焼装置の燃焼状態を制御するシステム等が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平９－３１０８４４号公報 特許第３０８０００９号公報

ところで、排気ガスには燃焼反応により生成された水が気体となって含まれており、その気体となっている水は、温度が低下することによって凝縮して液体になる。そして、気体として存在している水は、検出されるガス濃度に影響を与えることになる。

この場合、水の蒸発量が一定となる範囲、例えば燃焼室内の排気ガスの温度が１００℃よりも高く全ての水が蒸発していると考えられる範囲にセンサを設置すれば、水の影響を受けないと考えられる。

しかしながら、燃焼室内は高温になるために、センサの許容温度を超えるおそれがある。また、燃焼室内においてセンサの許容温度を超えない設置位置の検証は、非常に困難である。これは、例えば熱の対流等によって予期しない温度上昇が発生した場合にはセンサが損傷してしまうことから、そのような温度上昇が発生しない位置を探す必要があるものの、例えばある燃焼装置において適した設置位置が判明したとしても、構造が異なる他の燃焼装置ではその設置場所を適用することができないことが想定されるためである。

また、例えばガス給湯器のような熱交換器を有する燃焼装置の場合には、排気ガスの温度は急激に低下して１００℃以下になることから、排気経路にセンサを設けた場合、排気ガスの温度が低下するにつれて排気ガス中の水蒸気が凝縮して液体となっていくことにより、センサを設ける位置によってガス濃度が変化してしまい、正しい検出ができなくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス濃度センサを設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出するための排気ガス管内の水分含有量の推定をガス濃度センサで行うことができる推定方法、推定装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、燃焼装置からの排気ガスが流れる排気経路において、排気ガスの濃度を検出すべき検出位置において検出された排気ガスの濃度である検出ガス濃度と、排気ガスの温度が１００℃未満となる位置であって検出位置よりも下流側に設定されている判定位置において検出された排気ガスの濃度である判定ガス濃度と、判定位置において検出された排気ガスの温度である判定ガス温度とを取得する。

燃料が燃焼した際には水が生成され、その水は、排気ガスの温度が１００℃以上であれば水蒸気となっている一方、排気ガスの温度が１００℃未満になると、一部が凝縮して排気ガス中から排出される。そのため、検出対象となっているガスの絶対量が一定であっても、その濃度は、排気ガス中の水分量が多ければ相対的に低く検出され、水分量が少なければ相対的に高く検出されることになる。つまり、生成される水は、排気ガスの温度が変化すると、検出されるガス濃度に影響を与えることになり、排気ガスの温度に応じて真値とずれることになる。

この場合、例えば１００℃を超える燃焼室のように水が全て蒸発していると考えられる位置にセンサを設置すれば水の影響を受けないと考えられるものの、上記したようにセンサが損傷するおそれがある。また、排気経路にセンサを設置する場合には、排気ガスの温度が急激に低下することが想定され、その場合には、排気ガス中の水蒸気量が変化することによる水の影響を受ける可能性が高くなる。

そこで、検出位置とは別に、検出位置から下流側に設定されている位置、つまりは、検出位置から所定の距離だけ離間しており、検出ガス濃度に対して変化が生じると考えられる位置に判定位置を設定し、その判定位置において排気ガスに含まれる水分量を、判定ガス温度における飽和水蒸気量として求める。これにより、判定位置における排気ガス中の水分含有量を特定することができる。

そして、燃焼装置に供給される混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、判定位置における水分含有量と判定ガス濃度とから、燃焼装置に供給された混合気の過剰空気量を求める。この過剰空気量は、検出位置においても判定位置においても同一の値であることから、過剰空気量を求めることができれば、検出位置における燃焼時の化学反応式に基づいて、検出位置での水分含有量を推定することができる。

このように、判定位置を設定したことにより、検出位置において排気ガス中に水が飽和した状態であるか否かによらず、検出位置の水分量を推定することが可能になる。そのため、検出位置は、水の影響を受けないように排気ガスの温度が１００℃よりも高くなる位置に設置する必要がなく、検出用センサが損傷するおそれを低減することができる。また、検出位置が水の影響を受ける位置に設定されたとしても、判定位置に判定用のセンサを設けたことによって、検出位置の排気ガスの状態によらず水分含有量を推定することができるため、検出位置を任意の位置に設定することができ、また、検出位置が適切であるか否かの検証も容易に行うことができる。
したがって、ガス濃度センサを設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出するための排気ガス管内の水分含有量の推定をガス濃度センサで行うことができる。

また、請求項２に係る発明は、上記した推定方法により水分含有量を推定する推定装置であって、検出ガス濃度を検出する検出用センサと、判定ガス濃度を検出する判定用センサと、判定ガス温度を検出する温度センサと、燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて検出位置における水分含有量を推定する推定部とを備えており、上記した推定方法と同様に、検出用センサを設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出することができる。

実施形態による水分量推定装置の構成を模式的に示す図 燃焼装置の構成の一例を模式的に示す図 飽和水蒸気曲線を示す図 演算に用いる式を示す図その１ 演算に用いる式を示す図その２

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気ガスの水分含有量の推定装置１は、検出用センサ２、判定用センサ３、温度センサ４、および、推定部５を有する制御装置６を備えている。検出用センサ２は、排気ガスが流れる排気経路７において、排気ガスの濃度を検出すべき検出位置（ＰＡ）に設けられ、当該検出位置（ＰＡ）における排気ガスの濃度である検出ガス濃度を検出する。この検出位置（ＰＡ）は排気経路７において排気ガスの温度が１００℃以下となる位置に設定されている。

判定用センサ３は、検出位置（ＰＡ）よりも排気ガスの流れにおいて検出位置（ＰＡ）から所定の距離（Ｌ）離間した下流側に設定されている判定位置（ＰＢ）に設けられている。この距離（Ｌ）は、判定位置（ＰＢ）で検出されるガス濃度と検出位置（ＰＡ）で検出されたガス濃度とが変化することが想定される長さ、換言すると、検出位置（ＰＡ）から判定位置（ＰＢ）までの間で水が凝縮すると考えられる長さに設定されている。そして、判定用センサ３は、判定位置（ＰＢ）における排気ガスの濃度である判定ガス濃度を検出する。このとき、判定ガス濃度と検出ガス濃度には差分が生じることになる。

また、判定位置（ＰＢ）には温度センサ４が設けられており、判定位置（ＰＢ）における排気ガスの温度である判定ガス温度（Ｔｂ）を検出する。このとき、排気ガスの温度が１００℃以下となる位置は、燃焼装置の排気経路７の構造や想定される燃焼状態等、燃焼装置や周辺構造の機械的あるいは制御状態等に基づいて設定することができる。なお、燃焼試験時等に排気ガスの温度を実測することにより判定位置を設定することもできる。

推定部５は、例えばマイクロコンピュータにより構成されており、詳細は後述するが、検出位置（ＰＡ）における水分含有量を推定する処理を実行する。また、推定部５は、燃焼装置（図２参照）の燃焼制御の処理も実行する。つまり、本実施形態では、推定装置１は、燃焼装置の制御装置６に水分含有量の推定する機能を持たせた構成となっている。

この推定装置１は、例えばガス給湯器１０のような燃焼装置の排気経路７におけるガス濃度を検出する。推定装置１は、例えば酸素濃度、一酸化炭素濃度あるいは窒素酸化物濃度など、所定のガス成分の濃度を検出する。本実施形態では、推定装置１は、酸素濃度を検出することを想定している。

ガス給湯器１０は、周知のように、燃料と空気とが混合された混合気が供給され、燃焼室１１内のバーナー１２によって混合気が燃焼され、高温のガスが熱交換器１３内を流れてタンク１４内に給水された水を加熱することにより給湯が可能となっている。そして、推定装置１は、このガス給湯器１０の燃焼制御を行うために、所定の検出位置においてガス濃度を検出している。

次に、上記した構成の作用について説明する。
ガス給湯器１０は、例えばいわゆる都市ガスであれば燃料として天然ガス（メタン。ＣＨ_４）を利用している。さて、ガス給湯器１０には、燃料と空気とを混合した混合気が供給されるものの、空気は、不完全燃焼を防ぐために燃料の供給量に対して過剰に供給されている。以下、空気が過剰となる割合を、過剰空気量（Ｎ）として説明する。ただし、ガス給湯器１０の場合、過剰空気量（Ｎ）の目標値は概ね１．３に設定されているものの、実際にどのような値になっているかは計測されていない。

さて、供給される空気が酸素（Ｏ_２）と窒素（Ｎ_２）とが１：３．７６の比で含まれた気体であるとすると、燃料であるメタンが完全燃焼した際の化学反応式は、図４に（１）式として示すものとなる。この（１）式で示すように、燃料が完全燃焼した場合には、水（Ｈ_２Ｏ）が生成されることになる。

ただし、水は、周知のように１００℃で蒸発することから、例えば図２に領域（Ｒ１）として示すような排気ガスの温度が１００℃以上となる場所では気体として存在する一方、領域（Ｒ２）として示すような排気ガスの温度が１００℃以下となる場所では一部が凝縮して液体となる。そのため、期待している水の量つまりは排気ガス中の水分含有量によって、ガス成分の濃度が変化する。例えば、気体になっている水のモル数をαとすると、（１）式から求めた酸素濃度（Ｏ_２Ｃ）は、図４の（２）式のように求まる。なお、αは、温度によって０≦α≦２の範囲で変化する。

そのため、任意の位置における酸素濃度を正しく求めるためには、水分含有量つまりはαを求めること、ならびに、未知数である過剰供給量（Ｎ）を求める必要がある。そこで、推定装置１は、任意に設定される検出位置（ＰＡ）における水分含有量を、以下のようにして求めている。

まず、検出位置（ＰＡ）における酸素濃度（Ｏ_２ＣＡ）は、検出位置（ＰＡ）において気体になっている水のモル数をαＡとすると図４に示す（３）式のように求まることから、αＡは、図４に示す（４）式のように求めることができる。また、検出位置（ＰＡ）における水分含有量（Ｗ_ＣＡ）は、（１）式と（３）式あるいは（４）式とから、図４に示す（５）式のように求まる。

また、判定位置（ＰＢ）における酸素濃度（Ｏ_２ＣＢ）は、判定位置（ＰＢ）において気体になっている水のモル数をαＢとすると図５に示す（６）式のように求まることから、αＢは、図５に示す（７）式のように求めることができる。また、判定位置（ＰＢ）における水分含有量（Ｗ_ＣＢ）は、（１）式と（６）式あるいは（７）式とから、図５に示す（８）式のように求まる。

さて、判定位置（ＰＢ）は、排気ガスの温度が１００℃未満になる位置に設定されている。例えばガス給湯器１０の場合、排気ガスが燃焼室で発生後、すぐに熱交換器によって周囲の水に熱が奪われるものの、給湯器のタンク内の水温は７０～８０℃程度で一定に保つように燃焼制御されおり、タンク式の場合には排気ガスの熱量に対して制御対象の水量が多いため、排ガス温度は急速に奪われて１００℃以下になる。そのため、判定位置（ＰＢ）では、燃焼によって生成された水の一部が凝縮した状態で存在していると考えられる。換言すると、判定位置（ＰＢ）では、図３に示す飽和水蒸気曲線（Ｇ）のように、排気ガス中では水が飽和した状態になっていると考えられる。

ただし、１００℃以下になったとしても、水分が飽和していない可能性があることから、本実施形態では、検出ガス濃度と判定ガス濃度との差分を求め、検出ガス濃度と判定ガス濃度とに差分がある場合に、判定位置（ＰＢ）において水蒸気が飽和状態にあるとして、当該判定位置における飽和水蒸気量を判定位置における水分含有量として求めている。これは、検出位置（ＰＡ）と判定位置（ＰＢ）とにおいてガス濃度に差分がある場合、その差分は、排気ガス中の水分量が変化したことによって生じたと考えることができるためである。

そして、排気ガス中の水分量が変化するのは、水蒸気が凝縮して水になった場合であり、その状態では、排気ガス中の水分量が飽和した場合であると考えられる。そのため、検出ガス濃度と判定ガス濃度とに差分があるか否かを判定することにより、判定位置（ＰＢ）において水が凝縮した状態であるか否か、つまりは、飽和水蒸気量＝水分量として演算に用いることができるか否かを判定している。これにより、水蒸気が飽和していない状態で誤って水分量を演算してしまうことを防止することができる。

そして、判定位置（ＰＢ）では排気ガスの温度を判定ガス温度（ＴＢ）として検出していることから、例えば図５に（９）式として示すテレンスの式により、検出した判定ガス温度（ＴＢ）における飽和水蒸気量（Ｖ（ＴＢ））として求めることができ、この飽和水蒸気量（Ｖ（ＴＢ））は（８）式に示す水分含有量（Ｗ_ＣＢ）に等しいことから、（８）式から過剰供給量（Ｎ）を求めることができる。

このとき、求めた過剰供給量（Ｎ）は、供給された空気の過剰量であることから、検出位置（ＰＡ）においても同一の値となる。そのため、求めた過剰供給量（Ｎ）を上記した（４）式や（５）式に代入することにより、検出位置（ＰＡ）において気体となっている水のモル数（αＡ）や検出位置（ＰＡ）における水分含有量（Ｗ_ＣＡ）を求めることができる。つまり、検出位置（ＰＡ）における排気ガスの温度（ＴＡ）が不明であっても、また、検出位置（ＰＡ）において水蒸気が飽和状態になっているか否かにかかわらず、検出位置（ＰＡ）における水分含有量を求めることができる。

そして、検出位置（ＰＡ）における水のモル数（αＡ）や水分含有量（Ｗ_ＣＡ）が求まれば、実測した酸素濃度（Ｏ_２ＣＡ）を補正したり、推定した水分含有量を燃焼制御にフィードバックしたりすること等により、適切な燃焼制御を行うことが可能となる。このようにして、推定装置１は、検出した酸素濃度と温度とに基づいて、検出位置における水分含有量の推定を行っている。

以上説明した排気ガスの水分含有量の推定方法、推定装によれば、次のような効果を得ることができる。
水分含有量の推定方法では、検出位置（ＰＡ）における検出ガス濃度である例えば酸素濃度（Ｏ_２ＣＡ）と、判定位置（ＰＢ）における判定ガス濃度である例えば酸素濃度（Ｏ_２ＣＢ）と、判定位置（ＰＢ）における排気ガスの判定ガス温度（ＴＢ）とを取得し、判定ガス温度（ＴＢ）に基づいて判定位置（ＰＢ）における飽和水蒸気量（Ｖ（ＴＢ））を求め、燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、判定位置（ＰＢ）における水分含有量（Ｖ（ＴＢ）＝（Ｗ_ＣＢ））と判定ガス濃度（Ｏ_２ＣＢ）とから、燃焼装置に供給された混合気の過剰空気量（Ｎ）を求め、求めた過剰空気量（Ｎ）と検出ガス濃度（Ｏ_２ＣＡ）とから、検出位置（ＰＡ）における水分含有量（Ｗ_ＣＢ）、あるいは、検出位置（ＰＡ）において気化している水のモル数（αＡ）を推定する。

これにより、水蒸気が飽和している判定位置（ＰＢ）において過剰供給量（Ｎ）を特定でき、それによって、検出位置（ＰＡ）において検出した酸素濃度（Ｏ_２ＣＡ）から、検出位置（ＰＡ）における水分含有量（Ｗ_ＣＡ）や気化している水のモル数（αＡ）を求めることができる。

このとき、検出位置（ＰＡ）は、酸素濃度を検出できればよいことから、つまりは、水蒸気が飽和していても飽和していなくてもよいことから、排気経路７の任意の位置に設定することができる。そのため、検出位置（ＰＡ）を蒸発量が一定となる１００℃を超える位置に設定する必要がなくなって設置位置の検証が容易になるとともに、検出用センサ２が損傷して燃焼制御に不具合をおよぼすおそれも低減される。

したがって、検出用センサ２を設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出するための排気ガス管内の水分含有量の推定を、ガス濃度を検出するためのセンサで行うことができる。また、上記した構成の推定装置１によっても同様に、検出用センサ２を設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出することができる。

また、検出ガス濃度と判定ガス濃度との差分を求め、検出ガス濃度と判定ガス濃度とに差分がある場合、判定位置において水蒸気が飽和状態にあるとして、当該判定位置における飽和水蒸気量を判定位置における水分含有量として求める。検出位置と判定位置とにおいてガス濃度に差分がある場合、それは、排気ガス中の水分量が変化したことによって生じたと考えることができる。そして、排気ガス中の水分量が変化するのは、水蒸気が凝縮して水になった場合であり、その状態では、排気ガス中の水分量が飽和した場合であると考えられる。そのため、検出ガス濃度と判定ガス濃度とに差分があるか否かを判定することにより、判定位置における飽和水蒸気量が、演算に用いることができる正しい値であるか否かを判断することができる。

ところで、実施形態では検出用センサ２により酸素濃度を検出する例を示したが、検出するガス成分は、酸素に限らず、窒素であってもよい。この場合、酸素濃度を求める上記した（２）式は、窒素の濃度（Ｎ_２Ｃ）を求める場合には図５に示す（１０）式のようになる。この（１０）式と（１）式とから検出位置（ＰＡ）における窒素濃度（Ｎ_２ＣＡ）が（１１）式のように求まり、判定位置（ＰＢＡ）における窒素濃度（Ｎ_２ＣＢ）が（１２）式のように求まることから、実施形態と同様の推定方法により、検出位置（ＰＡ）における水分含有量（Ｗ_ＣＡ）や気化している水のモル数（αＡ）を求めることが可能となり、検出用センサ２を設置する位置の自由度が高く、且つ、ガス濃度を適切に検出することができる。

また、検出位置（ＰＡ）よりも排気ガスの流れにおいて下流側であって、検出位置（ＰＡ）から所定の距離（Ｌ）離間した位置に判定位置を設定しているため、判定位置（ＰＢ）において水が飽和する状態、つまりは、水分含有量を特定可能な位置に適切に設定することができる。
また、実施形態では燃焼装置としてガス給湯器１０を例示したが、エンジン等の他の燃焼装置に適用することもできる。

図面中、１は推定装置、２は検出用センサ、３は判定用センサ、４は温度センサ、５は推定部、７は排気経路、１０はガス給湯器（燃焼装置）を示す。

Claims (2)

1. 排気ガスに含まれている水分含有量を推定する水分含有量の推定方法であって、
   燃焼装置からの排気ガスが流れる排気経路において、排気ガスの濃度を検出すべき検出位置において検出された排気ガスの濃度である検出ガス濃度と、排気ガスの温度が１００℃未満となる位置であって前記検出位置よりも下流側に設定されている判定位置において検出された排気ガスの濃度である判定ガス濃度と、前記判定位置において検出された排気ガスの温度である判定ガス温度とを取得し、
   前記判定ガス温度における飽和水蒸気量を前記判定位置における水分含有量として求め、
   前記燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、前記判定位置における水分含有量と前記判定ガス濃度とから、前記燃焼装置に供給された混合気の過剰空気量を求め、
   前記燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、前記過剰空気量と前記検出ガス濃度とから、前記検出位置における水分含有量を推定することを特徴とする水分含有量の推定方法。
2. 排気ガスに含まれている水分含有量を推定する水分含有量の推定装置であって、
   燃焼装置からの排気ガスが流れる排気経路において、排気ガスの濃度を検出すべき検出位置に設けられ、当該検出位置における排気ガスの濃度である検出ガス濃度を検出する検出用センサと、
   排気ガスの温度が１００℃未満となる位置であって前記検出位置よりも下流側に設定されている判定位置に設けられ、当該判定位置における排気ガスの濃度である判定ガス濃度を検出する判定用センサと、
   前記判定位置に設けられ、当該判定位置における排気ガスの温度である判定ガス温度を検出する温度センサと、
   前記判定ガス温度における飽和水蒸気量を前記判定位置における水分含有量として求め、前記燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、前記判定位置における水分含有量と前記判定ガス濃度とから、前記燃焼装置に供給された混合気の過剰空気量を求め、前記燃焼装置に供給された混合気が燃焼する際の化学反応式に基づいて、前記過剰空気量と前記検出ガス濃度とから、前記検出位置における水分含有量を推定する推定部と、
   を備えることを特徴とする水分含有量の推定装置。

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