JP7402019B2 - combustion system - Google Patents
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Description
本発明は、発電用ボイラ等のバーナを備えた内燃機関に供給する混合気において、空気と燃料の比率である空燃比を制御する空燃比制御装置に関し、内燃機関の燃焼によって発生するイオン電流に基づいて空燃比制御を行うものである。 The present invention relates to an air-fuel ratio control device that controls the air-fuel ratio, which is the ratio of air to fuel, in a mixture supplied to an internal combustion engine equipped with a burner such as a power generation boiler. The air-fuel ratio is controlled based on this.
近年、火花点火式の内燃機関において、検出した空燃比に基づいて内燃機関に供給される燃料を制御し、燃費や出力の向上を図っている。空燃比を検出する方法としては、酸素O2センサ、又は、空燃比センサを用いて検出しているが、内燃機関のコールドスタート時のようなO2センサ及び空燃比センサが不活性時の状態にあるときは測定値が安定せず、空燃比制御の精度を維持することができない。この問題を解決するために、内燃機関の燃焼室内の燃焼によって発生するイオンに対応するイオン電流を用いて空燃比を検出する方法が一般に知られている。 In recent years, in spark ignition internal combustion engines, the fuel supplied to the internal combustion engine is controlled based on the detected air-fuel ratio to improve fuel efficiency and output. The air-fuel ratio is detected using an oxygen O2 sensor or an air-fuel ratio sensor, but the O2 sensor and air-fuel ratio sensor are in an inactive state, such as during a cold start of an internal combustion engine. At times, the measured values are unstable and the accuracy of air-fuel ratio control cannot be maintained. In order to solve this problem, a method is generally known in which the air-fuel ratio is detected using an ion current corresponding to ions generated by combustion in the combustion chamber of an internal combustion engine.
しかしながら、イオン電流を検出するための印加用電極及び接地用電極それぞれの表面積の大きさの個体差によって検出されるイオン電流の大きさにばらつきが生じてしまうため、イオン電流に基づいて空燃比に対する燃焼状態を正確に判定することが困難となる問題が生じてしまう。また、印加用電極及び接地用電極の表面上にカーボンが堆積してしまうと、印加用電極と接地用電極との間を流れるイオン電流にばらつきが生じてしまうため、イオン電流に基づいて空燃比に対する燃焼状態を正確に判定することが困難となる問題が生じてしまう。このような正確に燃焼状態が判定できないと、現在の空燃比に対して燃料が不足している等と誤った判断をしてしまい、本来は不要な燃料を消費してしまうことが生じる。 However, the magnitude of the detected ionic current varies due to individual differences in the surface area of the applying electrode and the grounding electrode for detecting the ionic current, so the air-fuel ratio is A problem arises in which it is difficult to accurately determine the combustion state. In addition, if carbon is deposited on the surfaces of the application electrode and the grounding electrode, the ionic current flowing between the application electrode and the grounding electrode will vary. A problem arises in which it is difficult to accurately determine the combustion state of the fuel. If the combustion state cannot be determined accurately, it may be incorrectly determined that there is insufficient fuel for the current air-fuel ratio, resulting in unnecessary fuel consumption.
本発明の目的は上記の問題点を解決し、イオン電流を検出するイオン電流検出装置の構成素子の個体差によって検出されるイオン電流の大きさが変化しても、さらには各電極にカーボンが堆積してしまったとしても、イオン電流に基づいて空燃比に対する燃焼状態を正確に判定し最適な燃焼状態を継続させる燃焼システムを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and even if the magnitude of the detected ion current changes due to individual differences in the constituent elements of the ion current detection device that detects the ion current, carbon It is an object of the present invention to provide a combustion system that accurately determines the combustion state with respect to the air-fuel ratio based on the ion current and maintains the optimum combustion state even if the fuel is deposited.
本発明に係る燃焼システムは、少なくとも主燃料を含有する混合気を燃焼させる燃焼システムであって、前記混合気を燃焼させる燃焼筒と、前記燃焼筒内において前記混合気の燃焼により発生したイオンを検出するプローブと、前記プローブにより検出されたイオンに基づいてイオン電流をイオン電流検出信号として検出するイオン電流検出手段と、前記イオン電流検出信号を前記燃焼筒内における前記主燃料の燃焼状態を示す燃焼状態量を算出する制御手段と、前記制御手段は、前記燃焼状態量に基づいて、前記混合気における主燃料の空燃比を調整する。 A combustion system according to the present invention is a combustion system that combusts an air-fuel mixture containing at least a main fuel, and includes a combustion tube that burns the air-fuel mixture and ions that are generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion tube. a detection probe; an ion current detection means for detecting an ion current as an ion current detection signal based on the ions detected by the probe; and an ion current detection means for detecting an ion current detection signal based on the ions detected by the probe, and the ion current detection signal indicating a combustion state of the main fuel in the combustion cylinder. A control means for calculating a combustion state quantity, and the control means adjust the air-fuel ratio of the main fuel in the air-fuel mixture based on the combustion state quantity.
この発明の燃焼システムでは、イオン電流から主燃料の燃焼状態を示す燃焼状態量を算出し、この燃焼状態量に基づいて、混合気における主燃料の空燃比を調整する。従って、イオン電流を検出するための印加用電極及び接地用電極それぞれの表面積の大きさの個体差によって検出されるイオン電流の大きさのばらつきに依存することなしに、主燃料の燃焼状態を正確に判定することが可能となるので、最適な燃焼状態を継続させることが可能となる。 In the combustion system of the present invention, a combustion state quantity indicating the combustion state of the main fuel is calculated from the ion current, and the air-fuel ratio of the main fuel in the air-fuel mixture is adjusted based on this combustion state quantity. Therefore, the combustion state of the main fuel can be accurately determined without depending on variations in the size of the detected ion current due to individual differences in the surface area of the applying electrode and the grounding electrode for detecting the ion current. Since it becomes possible to make a determination as to whether the combustion conditions are the same or not, it becomes possible to continue the optimum combustion state.
一実施形態の燃焼システムでは、前記プローブは、前記混合気の旋回流の主流より外側の外部再循環領域に位置する。 In one embodiment of the combustion system, the probe is located in an external recirculation region outside the mainstream of the swirling flow of the mixture.
この発明の燃焼システムでは、燃焼筒の出力口の下側に生成される内部再循環領域の周囲の外部再循環領域における燃焼状態を直接的に検出することができるので、スワラからの未燃の主燃料(例えば、難燃性のアンモニアガス)が燃焼筒の周壁に沿って出力口から噴出されることをより抑制することが可能となる。従って、主燃料をより効率良く燃焼させて出力口からの火炎をより広げることが可能となる。 In the combustion system of the present invention, the combustion state in the external recirculation area around the internal recirculation area generated below the output port of the combustion tube can be directly detected, so that the unburnt gas from the swirler can be directly detected. It becomes possible to further suppress the main fuel (for example, flame-retardant ammonia gas) from being ejected from the output port along the peripheral wall of the combustion cylinder. Therefore, it becomes possible to burn the main fuel more efficiently and spread the flame from the output port.
一実施形態の燃焼システムでは、前記制御手段は、前記イオン電流検出信号をフーリエ変換処理により周波数スペクトルに変換し、前記周波数スペクトルを前記燃焼状態量として用いて前記混合気における前記主燃料の空燃比を調整する。 In the combustion system of one embodiment, the control means converts the ion current detection signal into a frequency spectrum by Fourier transform processing, and uses the frequency spectrum as the combustion state quantity to determine the air-fuel ratio of the main fuel in the air-fuel mixture. Adjust.
この発明の燃焼システムでは、イオン電流検出信号をフーリエ変換法により変換された周波数スペクトルを用いたので、イオン電流を検出するための印加用電極及び接地用電極それぞれの表面積の大きさの個体差によって検出されるイオン電流の大きさのばらつきに依存することなしに、主燃料の燃焼状態をより正確に判定することが可能となる。従って、最適な燃焼状態をより継続させることが可能となる。 In the combustion system of this invention, the frequency spectrum converted by the Fourier transform method is used for the ion current detection signal. It becomes possible to more accurately determine the combustion state of the main fuel without depending on variations in the magnitude of the detected ion current. Therefore, it becomes possible to continue the optimum combustion state.
一実施形態の燃焼システムでは、前記制御手段は、前記周波数スペクトルにおいて、特定周波数付近において所定のしきい値以上の大きさを有する周波数スペクトルが存在するか否かを判断することにより前記混合気における前記主燃料の空燃比を調整する。 In one embodiment of the combustion system, the control means controls the air-fuel mixture by determining whether or not there is a frequency spectrum having a magnitude equal to or greater than a predetermined threshold near a specific frequency in the frequency spectrum. Adjusting the air-fuel ratio of the main fuel.
この発明の燃焼システムでは、特定周波数における周波数スペクトルの大きさのみを判定するので、主燃料の燃焼状態を簡単に判定することが可能となる。 In the combustion system of the present invention, since only the magnitude of the frequency spectrum at a specific frequency is determined, it is possible to easily determine the combustion state of the main fuel.
一実施形態の燃焼システムでは、前記制御手段は、前記周波数スペクトルにおいて、特定周波数付近において所定のしきい値以上の大きさを有する周波数スペクトルが存在するか否かを判断し、存在しないときには引き続き前記混合気における前記主燃料の空燃比を調整し、存在するときには前記主燃料が最適な燃焼状態に到達したと判断して前記主燃料の空燃比の調整を停止する。 In the combustion system of one embodiment, the control means determines whether or not there is a frequency spectrum having a magnitude equal to or greater than a predetermined threshold value near a specific frequency in the frequency spectrum, and if there is no frequency spectrum, the control means continues to The air-fuel ratio of the main fuel in the air-fuel mixture is adjusted, and when the main fuel exists, it is determined that the main fuel has reached an optimal combustion state, and the adjustment of the air-fuel ratio of the main fuel is stopped.
この発明の燃焼システムでは、特定周波数における周波数スペクトルの大きさのみを判定するので、主燃料の燃焼状態を簡単に判定することが可能となる。さらに、主燃料の燃焼状態が最適な燃焼状態に到達した時点で空燃比の調整を停止するので、無駄な主燃料の消費を削減することが可能となる。 In the combustion system of the present invention, since only the magnitude of the frequency spectrum at a specific frequency is determined, it is possible to easily determine the combustion state of the main fuel. Furthermore, since adjustment of the air-fuel ratio is stopped when the combustion state of the main fuel reaches the optimum combustion state, it is possible to reduce wasteful consumption of the main fuel.
本発明に係る燃焼システムによれば、イオン電流を検出するイオン電流検出装置の構成素子の個体差によって検出されるイオン電流の大きさが変化しても、さらには各電極にカーボンが堆積してしまったとしても、イオン電流に基づいて空燃比に対する燃焼状態を正確に判定し最適な燃焼状態を継続させることが可能となる。 According to the combustion system according to the present invention, even if the magnitude of the detected ion current changes due to individual differences in the constituent elements of the ion current detection device that detects the ion current, carbon may be deposited on each electrode. Even if the fuel burns, it is possible to accurately determine the combustion state with respect to the air-fuel ratio based on the ion current and continue the optimum combustion state.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施形態1.
図1Aは本発明の実施形態に係る燃焼システム1の一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図1Aの燃焼システム1は、筒状の周壁3の上下端に上壁5及び底壁4を有する燃焼筒2と、底壁4の中央に形成された燃料投入用の投入口6の下側に配置された旋回流形成用のスワラ(旋回羽根)10と、スワラ10の下側に接続されて主燃料である難燃性のアンモニアガス及び空気の混合気をスワラ10に供給する燃料供給部11と、該スワラ10から噴出された混合気に点火させる点火プラグ12と、燃料供給部11内へのアンモニアガス及び空気の供給量をそれぞれ調整するバルブ34、36とを備えて構成される。
FIG. 1A is a partially cutaway side view of a
さらに、図1Aの燃焼システム1は、燃焼筒2内における混合気の燃焼により発生したイオンを検出するイオン検出用のイオンプローブ21と、該イオンプローブ21により検出されたイオンに基づいてイオン電流として検出するイオン電流検出手段であるイオン検出回路51とを有するイオン検出器61と、点火プラグ12の点火動作及びイオンプローブ21からの情報に基づいてバルブ34、36の開閉及び開度を制御する制御手段である制御装置53とを備えて構成される。ここで、図1Aの燃焼システム1は、少なくとも主燃料であるアンモニアガスを含有する混合気を燃焼させる燃焼システムである。
Furthermore, the
図1Bは、図1Aのスワラ10の平面図であり、複数の傾斜羽根10aが周方向に等間隔をおいて配置されており、また、筒軸心線C1にスワラ10の中心が位置するように、底壁4の中央に配置されている構成を明確に図示している。
FIG. 1B is a plan view of the
スワラ10は、燃料供給部11から供給されるアンモニアガスと空気との混合気を、燃焼筒2内に旋回流として送り込む。投入口6から燃焼筒2内に送り込まれる旋回流の主流S0は、筒軸心線C1回りに旋回し、かつ、上方に向けて概ね円錐状に広がりながら上方に進む。
The
図1Aのイオンプローブ21は、底壁4と平行な同一直線上で相対向する印加用電極21a及び接地用電極21bから構成されると共に、後述する外部再循環領域Z2内に配置されている。また、印加用電極21a及び接地用電極21bは、燃焼筒2の底壁4に立設された一対の支持脚25、25により支持されている。印加用電極21aに接続された電線41は、支持脚25内を絶縁状態で通って燃焼筒2の外部に導出され、イオン検出回路51に電気的に接続される。ここで、接地用電極21bは、底壁4を介して、接地用電線43に接続している。
The
図1Aの制御装置53はイオン検出回路51により検出されたイオン電流に基づいて、燃焼筒2内における主燃料であるアンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態量を算出し、該算出された燃焼状態量に基づいて、混合気におけるアンモニアガスの空燃比を調整する。ここで、制御装置53は、検出されたイオン電流に基づいて、アンモニアガスの燃焼状態を判定し、最適な燃焼状態を継続させるように該バルブ34、36の開閉及び開度の調整を行う。この構成により、可視し難いアンモニアガスの燃焼状態を把握し、アンモニアガスの燃焼を安定して継続させるように制御することが可能となる。詳細には、制御装置53は以下の処理1から処理3を実行する。
The
処理1:イオン電流を示すイオン電流検出信号をAD変換して該イオン電流検出信号をデジタル信号に変化する。 Processing 1: A/D converting the ion current detection signal indicating the ion current to convert the ion current detection signal into a digital signal.
処理2:処理1によりデジタル信号に変換されたイオン電流検出信号に対してFFT(高速フーリエ変換)処理を施してアンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態量として周波数スペクトルを算出する。
Processing 2: Perform FFT (Fast Fourier Transform) processing on the ion current detection signal converted into a digital signal in
処理3:特定周波数(本実施形態では13Hz)付近において所定のしきい値以上の周波数スペクトルが存在する場合には周波数スペクトルの突出部(ピーク)が存在すると判定し、バルブ34、36の開度調節を停止する。また、特定周波数(本実施形態では13Hz)付近において所定のしきい値以上の周波数スペクトルが存在しない場合には周波数スペクトルの突出部が存在しないと判定し、バルブ34、36の開度調整が引き続き行われる。
Process 3: If a frequency spectrum equal to or higher than a predetermined threshold exists near a specific frequency (13 Hz in this embodiment), it is determined that a protrusion (peak) of the frequency spectrum exists, and the opening degree of the
また、図1Aの燃焼筒2には、該燃焼筒2の上壁5の中央部には火炎が噴出する出力口9が形成されている。スワラ10は円筒状に構成されると共に、その軸心線が燃焼筒2の筒軸心線C1と同心で、上下方向に沿うように配置されている。なお、投入口6の範囲内には、点火プラグ12が配置される。
Further, in the
この点火プラグ12は、先端部が鉤状である放電極12aと、先端部が鉤状である接地電極12bとを有し、放電極12a及び接地電極12bは燃焼筒2の底壁4から燃焼筒2の内部に突出するようにそれぞれ形成される。なお、放電極7aには、制御装置53から高電圧が印加され、これにより、放電極12aの先端部と接地電極12bの先端部との間に火花が発生し、スワラ10から噴出されたアンモニアガスと空気との混合気に点火される。
The
図1Aの燃料供給部11には、燃料供給管31が接続され、該燃料供給管31の上流側は2つの分岐管32a、32bに分岐している。一方の分岐管32aには、アンモニアガスを格納する燃料タンク33がバルブ34を介して接続され、他方の分岐管32bには、エアコンプレッサ35がバルブ36を介して接続されている。ここで、バルブ34、36はアンモニアガス及び空気の供給量をそれぞれ調整するように制御装置53により開閉及び開度が制御される。
A
イオン検出回路51は、制御装置53に接続されている。制御装置53の信号出力部は、電線54、55を介して、バルブ34、36の駆動アクチュエータ34a、36aに接続されている。制御装置53の出力信号を各駆動アクチュエータ34a、36aに送ることにより、バルブ34、36の開閉及び開度を制御し、燃料タンク33からのアンモニアガス(主燃料)及びエアコンプレッサ35からの圧縮空気の吐出量を調節できる。
図2はイオン検出器61の回路図であり、イオン検出回路51は、電源51a、抵抗51b、及び電圧計測部51cを備えて構成される。電源51aは、抵抗51bを介してイオンプローブ21の印加用電極21aに電圧を印加する。この実施形態では、負の電圧が印加されるように電源51aが配置されている。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
電源51aの電圧は、例えば、-200Vである。イオンプローブ21の周辺にイオンが存在する時には、このイオンが印加用電極21aに引き寄せられ、電流(イオン電流)が流れる。燃焼により発生したイオンが多い程、大きな電流が流れる。電圧計測部51cは、イオン電流により抵抗51bの両端部に発生した電位差を検出し、この電位差に基づいてイオン電流の値が算出される。
The voltage of the
図3は図1Aの燃焼システム1の燃焼筒2を模式的に示す縦断面簡略図である。ここで、旋回流の主流S0、内部再還流S1及び外部再還流S2を、直線及び楕円の単純な形状で表すことにより、内部再循環領域Z1及び外部再循環領域Z2の構成をより詳細に図示している。図1A及び図3に示すように、燃焼筒2内の空間は、旋回流の主流S0により、該主流S0より内側(筒軸心線C1側)の内部再循環領域(Inner Recirculation zone、IRZ)Z1と、主流S0より外側の外部再循環領域(Outer Recirculation zone、ORZ)Z2と、に区画されている。内部再循環領域Z1では、燃焼中、前述の旋回流の主流S0の移動に伴い、混合気が主流S0に引っ張られ、矢印S1のように、上方外方へと流れると共に、上部で筒軸心線C1側に渦巻き状に湾曲する内部再還流が生じる。一方、外部再循環領域Z2では、燃焼中、前述の旋回流の主流S0の移動に伴い、混合気が主流S0に引っ張られ、矢印S2のように、上方外方へと流れると共に、上部で下方に渦巻き状に湾曲する外部再還流S2が生じる。
FIG. 3 is a simplified vertical cross-sectional view schematically showing the
ここで、燃焼筒2の出力口9の下側に生成される内部再循環領域Z1の周囲に外部再循環領域Z2を生成し、外部再循環領域Z2において火炎が形成される。従って、スワラ10からの未燃のアンモニアガスが燃焼筒2の周壁3に沿って出力口9から噴出されることを抑制することができ、アンモニアガスを効率良く燃焼させることが可能となる。さらに、燃焼筒2の周壁3に沿って火炎が発生するので、外部再循環領域Z2において形成された火炎の分だけ出力口9からの火炎を広げることが可能となる。従って、図1Aの制御装置53は外部再循環領域Z2に火炎が形成されるように制御する。
Here, an external recirculation area Z2 is generated around the internal recirculation area Z1 generated below the
以上のように構成された燃焼システム1の動作について以下に説明する。ここで、燃焼システム1による燃焼処理は制御装置53により制御されることにより実行される。
The operation of the
図1Aの燃焼システム1の燃焼処理が開始されると、先ずバルブ34、36が閉じられる(ステップS100)。次に、燃料タンク33から供給されたアンモニアガスと、エアコンプレッサ35から供給された空気とが燃料供給部11内で混合されて混合気となり、該混合気がスワラ10でガイドされて旋回流として燃焼筒2内に送り込まれる(ステップS101)。ここで、燃焼筒2内では、旋回流の主流S0により、内部再循環領域Z1と、外部再循環領域Z2と、に区画され、内部再循環領域Z1では内部再還流S1が生じ、外部再循環領域Z2では外部再還流S2が生じる。
When the combustion process of the
次に、スワラ10により噴出された混合気を点火プラグ12により点火し燃焼筒2内で混合気が燃焼し、火炎が形成される(ステップS102)。この燃焼及び火炎の形成により、燃焼筒2内にイオンが発生する。
Next, the air-fuel mixture ejected by the
燃焼時、イオンプローブ21において、印加用電極21a、22aにそれぞれ電圧が印加される(ステップS103)。これにより、イオンプローブ21近傍のイオンが印加用電極21aに引き寄せられ、イオン検出回路51にイオン電流が流れる。
During combustion, a voltage is applied to each of the
次に、制御装置53は、イオン検出回路51からイオン電流を示すイオン電流検出信号を受信してAD変換してデジタル形式の中間周波数信号に変換し(ステップS104)、該デジタル形式の中間周波数信号に対してFFT(高速フーリエ変換)の演算処理を施して周波数スペクトルを算出し、各周波数ごとのスペクトル強度をメモリ(図示せず)内に格納する(ステップS105)。
Next, the
図4Aは図2のイオン検出回路51から出力されたイオン電流検出信号の時間に対するイオン電流の変化を示す時間軸波形図であり、図4Bは図4Aのイオン電流検出信号の周波数に対するスペクトル強度の変化を示すスペクトル波形図である。ここで、図4Bは高速フーリエ変換法を用いて、図4Aに示すイオン電流検出信号をイオン電流スペクトル情報である周波数スペクトルに変換した波形図を示している。
4A is a time axis waveform diagram showing the change in ion current with respect to time of the ion current detection signal output from the ion
図4Bに示すように、制御装置53は、13Hz付近において所定のしきい値以上の周波数スペクトルが存在する場合には周波数スペクトルの突出部が存在すると判定し、バルブ34、36の開度調節を停止する。すなわち、13Hz付近における周波数スペクトルの突出部が現れた時点において、制御装置53は難燃性の高いアンモニアガスが最適な燃焼状態に到達したと判断し、バルブ34、36の開度調整を停止する。ここで、アンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。
As shown in FIG. 4B, when a frequency spectrum equal to or higher than a predetermined threshold exists in the vicinity of 13 Hz, the
また、制御装置53は、13Hz付近において所定のしきい値以上の周波数スペクトルが存在しない場合には周波数スペクトルの突出部が存在しないと判定し、バルブ34、36の開度調整が引き続き行われ、13Hz付近における周波数スペクトルの突出部が現れるまで開度調整を行う(ステップS106)。
Further, if there is no frequency spectrum equal to or higher than a predetermined threshold value around 13 Hz, the
図5は図1Aの燃焼システム1を用いたときの燃焼状態を示した2次元平面図である。図5において、横軸が当量比を、縦軸をスワラ10から噴出される混合気の流速を示している。ここで、●印は燃焼筒2内に火炎が形成されて維持された条件であることを示しており、×印は燃焼筒2内に火炎が維持できずに消えてしまった条件を示しおり、斜線領域は外部再循環領域に火炎が形成された領域を示している。この斜線領域は、当量比が1.0~1.1及びスワラ10からの流速が3~7(m/s)の範囲を示している。
FIG. 5 is a two-dimensional plan view showing a combustion state when the
図5において、当量比が0.8までの燃料希薄側及び当量比が1.4を超えた燃料過濃側では内部再循環領域Z1では火炎が発生せず、当量比が0.8から燃料過濃側に変化すると、内部再循環領域Z1で火炎が発生する傾向にある。上述した当量比は以下で表される。 In Fig. 5, no flame is generated in the internal recirculation region Z1 on the fuel lean side where the equivalence ratio is up to 0.8 and on the fuel rich side where the equivalence ratio exceeds 1.4, and when the equivalence ratio is 0.8, the fuel If it changes to the rich side, there is a tendency for flame to occur in the internal recirculation zone Z1. The above-mentioned equivalent ratio is expressed below.
当量比=理論空燃比/実際の空燃比 Equivalence ratio = theoretical air-fuel ratio / actual air-fuel ratio
上述した式において、混合気の実際の空燃比が理論空燃比と一致すると、当量比は1.0となる。そして、実際の空燃比が理論空燃比よりも燃料希薄側であると、当量比は1.0より小さく、実際の空燃比が理論空燃比よりも燃料過濃側であると、当量比は1.0より大きくなる。 In the above equation, when the actual air-fuel ratio of the air-fuel mixture matches the stoichiometric air-fuel ratio, the equivalence ratio becomes 1.0. When the actual air-fuel ratio is on the fuel lean side than the stoichiometric air-fuel ratio, the equivalence ratio is less than 1.0, and when the actual air-fuel ratio is on the fuel-rich side than the stoichiometric air-fuel ratio, the equivalence ratio is 1.0. .0 becomes larger.
従って、図1Aの制御装置53は、13Hz付近において所定のしきい値以上の周波数スペクトルが存在しない場合には周波数スペクトルの突出部が存在しないと判定し、バルブ34、36の開度調整が引き続き行われ、当量比が、1.0~1.1の最適な値となるように、バルブ34、36の開度を制御する。すわわち、理論空燃比に近い最適な燃焼状態となるように、燃料タンク33のアンモニアガス及びエアコンプレッサ35の空気の量を制御する。
Therefore, the
以上説明したように本実施形態によると、イオン電流を検出するイオン電流検出装置の構成素子の個体差によって検出されるイオン電流の大きさが変化しても、さらには各電極にカーボンが堆積してしまったとしても、イオン電流に基づいて空燃比に対する燃焼状態を正確に判定することができるので、最適な燃焼状態を維持させるために、当量比や空燃比等を的確に制御することができる。 As explained above, according to this embodiment, even if the magnitude of the detected ion current changes due to individual differences in the constituent elements of the ion current detection device that detects the ion current, carbon is not deposited on each electrode. Even if combustion occurs, the combustion state relative to the air-fuel ratio can be accurately determined based on the ion current, making it possible to accurately control the equivalence ratio, air-fuel ratio, etc. in order to maintain the optimal combustion state. .
(変形例1)
本実施形態では、イオン検出回路51の電源51aは、印加用電極21aに、負の電圧を印加するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオン検出回路51の電源51aは、印加用電極21aに、正の電圧(例えば200V)を印加するように構成されてもよい。この場合には、イオンプローブ21の周辺に存在する電子が印加用電極21aに引き寄せられ、イオン電流が流れる。存在するイオンが多い程、すなわち電子が多い程、大きな電流が流れる。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(Modification 1)
In this embodiment, the
(変形例2)
本実施形態では、イオン検出用のイオンプローブは、外部再循環領域Z2内に配置されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオン検出用のイオンプローブは、底壁と平行な同一直線上で相対向する印加用電極及び接地用電極から構成されると共に、内部再循環領域内で、筒軸心線C1近傍に配置されるように構成されてもよい。この場合には、印加用電極及び接地用電極は、燃焼筒の底壁に立設された一対の支持脚により支持され、印加用電極に接続された電線は、支持脚内を絶縁状態で通って燃焼筒の外部に導出され、イオン検出回路に接続される。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(Modification 2)
In this embodiment, the ion probe for ion detection was placed within the external recirculation area Z2, but the invention is not limited thereto. For example, an ion probe for ion detection is composed of an application electrode and a grounding electrode that face each other on the same straight line parallel to the bottom wall, and is placed near the cylinder axis C1 within the internal recirculation area. It may be configured so that In this case, the application electrode and the grounding electrode are supported by a pair of support legs installed on the bottom wall of the combustion tube, and the electric wire connected to the application electrode is passed through the support legs in an insulated state. is led out of the combustion tube and connected to an ion detection circuit. Even in this case, the same effects as in this embodiment can be obtained.
(変形例3)
本実施形態では、アンモニアガスの燃焼状態を高速フーリエ変換法を用いて判定するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオンプローブにより検出されたイオンによるイオン電流に対して所定のしきい値を用いてパルス信号に変換し該パルス信号の周期を用いてアンモニアガスの燃焼状態を判定するように構成されてもよい。この場合には、イオン電流が所定のしきい値よりも大きい場合にはハイレベル信号が出力し、イオン電流が所定のしきい値以下のときにはローレベル信号が出力するように構成される。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(Modification 3)
In this embodiment, the combustion state of ammonia gas is determined using the fast Fourier transform method, but the present invention is not limited to this. For example, it may be configured to convert the ion current caused by the ions detected by the ion probe into a pulse signal using a predetermined threshold value, and use the period of the pulse signal to determine the combustion state of the ammonia gas. good. In this case, a high level signal is output when the ion current is larger than a predetermined threshold value, and a low level signal is output when the ion current is below the predetermined threshold value. Even in this case, the same effects as in this embodiment can be obtained.
(変形例4)
本実施形態では、アンモニアガスの燃焼状態を高速フーリエ変換法を用いて判定するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオンプローブにより検出されたイオンによるイオン電流に対して特定周波数(13Hz)のみ通過させるバンドパスフィルタ(BPF)をかけてその出力波形においてアンモニアガスの燃焼状態を判定するように構成されてもよい。この場合には、BPF後の出力波形において所定の大きさよりも大きいピークを有するとき、もしくは出力波形において所定の面積より大きい面積を有するときにアンモニアガスの燃焼状態が良好であると制御装置により判定されるように構成される。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(Modification 4)
In this embodiment, the combustion state of ammonia gas is determined using the fast Fourier transform method, but the present invention is not limited to this. For example, it may be configured to apply a band pass filter (BPF) that passes only a specific frequency (13 Hz) to the ion current caused by the ions detected by the ion probe, and determine the combustion state of the ammonia gas based on the output waveform. good. In this case, the control device determines that the combustion state of ammonia gas is good when the output waveform after BPF has a peak larger than a predetermined size or when the output waveform has an area larger than a predetermined area. configured so that Even in this case, the same effects as in this embodiment can be obtained.
本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although embodiments of the present invention have been described, the above embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1 燃焼システム
2 燃焼筒
6 投入口
10 スワラ
11 燃料供給部
12 点火プラグ
21 イオンプローブ
33 燃料タンク
34,36 バルブ
35 エアコンプレッサ
51 イオン検出回路
53 制御装置
61 イオン検出器
Z1 内部再循環領域
Z2 外部再循環領域
S0 旋回流の主流
S1 内部再還流
S2 外部再還流
1
Claims (2)
前記混合気を燃焼させる燃焼筒と、
前記燃焼筒内において前記混合気の燃焼により発生したイオンを検出するプローブと、
前記プローブにより検出されたイオンに基づいてイオン電流をイオン電流検出信号として検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出信号を用いて前記燃焼筒内における前記主燃料の燃焼状態を示す燃焼状態量を算出する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記イオン電流検出信号をフーリエ変換処理により周波数スペクトルに変換し、前記周波数スペクトルを前記燃焼状態量として用い、前記周波数スペクトルにおいて、特定周波数付近において所定のしきい値以上の大きさを有する周波数スペクトルが存在するか否かを判断し、存在しないときには引き続き前記混合気における前記主燃料の空燃比を調整し、存在するときには前記主燃料が最適な燃焼状態に到達したと判断して前記主燃料の空燃比の調整を停止する、燃焼システム。 A combustion system that burns a mixture containing at least a main fuel,
a combustion tube that burns the air-fuel mixture;
a probe that detects ions generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion cylinder;
ion current detection means for detecting an ion current as an ion current detection signal based on the ions detected by the probe;
a control means for calculating a combustion state quantity indicating a combustion state of the main fuel in the combustion cylinder using the ion current detection signal;
Equipped with
The control means converts the ion current detection signal into a frequency spectrum by Fourier transform processing, uses the frequency spectrum as the combustion state quantity, and detects a magnitude of a predetermined threshold value or more in the vicinity of a specific frequency in the frequency spectrum. determine whether a frequency spectrum having a frequency spectrum of A combustion system that stops adjusting the air-fuel ratio of the main fuel .
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