JPH02302520A - バーナの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナの燃焼
制御装置に関するものである。

（従来の技術） 液体または気体の燃料を燃焼させるバーナにおいては、
燃焼中その燃焼状態を最適に維持することが望ましい。

このためバーナの火炎が発生する光強度信号をフォトト
ランジスタ、フォトダイオードあるいは太陽電池等の半
導体を使用して電気信号に変換し、その振動波形の周波
数解析の結果前たパワースペクトルの積分値を利用して
燃焼制御を行なうものがある。しかしながらこのように
火炎から発生する光を利用する方法では、複数個のバー
ナな用いるときにその配置如何によっては良好な火炎検
出が行なえなかったり、バーナの火炎が被加熱物に直接
当てられていた場合に、光センサによって光の検出がで
きないことになることがあった。さらに火炎からの光を
電気信号に変換するためのフォトダイオード等の素子を
必要とするので、これら破損しやすい素子への特別の配
慮も必要となった。

そこで本発明者らによって光の利用に代え、火炎中のイ
オン電流を捉えてバーナの燃焼量（卸を行なうようにし
た装置が堤案されている（特願昭６３−３３４６１９号
）。これが本発明の先行技術となる。これを図を用いて
説明する。第３図において符号ｌで示すものは金属製品
等を加熱処理するための炉である。この炉ｌにはバーナ
２が取付けられており、火炎３を発生するようになって
いる。

バーナ２には燃料供給管４および燃焼用空気供給管５が
接続されている。そして燃料供給管４には流デ調節弁６
および流量計７が設けられ、燃焼用空気供給菅５には、
流量調節弁８が設けられている。燃料の流量調節弁６の
開度は、温度調節器９によって制（卸されるようになっ
ている。すなわち、炉ｌには温度計１０が設置されてお
り、温度調節器９はこの温度計ｌＯからの信号と上記流
量計７からの信号を得て炉内温度と設定温度との差から
設定温度を得るに必要な燃焼量（燃料流量）を演算し、
出力するようになっている。

この出力は燃料の流量調節弁６と燃焼用空気の流量調節
弁８に対して与えられる。このため設定温度から炉内温
度がずれると設定温度に戻るように燃料および燃焼用空
気の空気が加減される。

燃料の流量に対する燃焼用空気の流量は、温度調節器８
により、燃料流量を基に算出されるが、その値が、その
まま燃焼用空気の流量調節弁８に対して成されるのは好
ましくない、たとえば炉ｌの扉（図示せず）が開けられ
て炉ｌ内に空気が侵入した場合に、燃料流量を基に算出
した出力でそのまま流量調節弁８がコントロールされる
と排ガス損失が増大してしまうし、またバーナ２の異常
により燃料の微粒化状態が悪化した場合には、そのまま
にしてお（と燃焼不良により、すすが大量に発生してし
まうことになる。このような不都合を解消するために、
温度調節器９からの出力は燃焼用空気流量補正器１１に
て補正した後、流量調節弁８に出力するようになってい
る。

燃焼用空気流量補正器ＩＩは、温度調節器９と共に燃焼
用空気の流量調節部１２を構成する。燃焼用空気ｍｌ補
正器１１に対する補正用出力は次のような燃焼制御装置
において作られる。これを説明する。炉ｌのバーナ２に
よって生成される火炎３に１１Ｅむ位置に電極棒１３が
取付けられており、バーナ２の火炎放射部１４には端子
１５が設けられている。

電極棒１３はイオンＴｉ流遮断装置１６の入力側に接続
され、イオン電流遮断装置１６の出力側は検出器１７の
入力端に接続されている。検出器１７には端子１５も接
続されており、これによって検出器１７は火炎３中のイ
オン電流を検出するようになっている。

前述のイオン電流遮断装置１６は、イオン電流信号を周
期的に遮断する作用をする。

検出器１７の出力側は、検出されたイオン電流信号を増
幅する増幅器１８を介して、ＦＦＴアナライザ等からな
る周波数解析器１９に接続され、イオン′：ｒｉ流信号
の周波数解析が行なわれるようになっている。周波数解
析器１９の出力側にはイオン電流振動調節計２０が接続
されている。このイオン電流振動調節計２０は、周波数
解析器１９が出力したパワースペクトラム信号とイオン
電流遮断装置１６の出力信号から燃焼状態の検出を行な
い、これをあらかじめ記憶している最適燃焼状態と比較
して、その偏差により空気ａＦｆｌ補正係数を求め、そ
の信号により流を調節計１２により偏差を解消するに必
要な燃焼用空気の流量を得るための出力を流量調節弁８
に発することになる。

ここで５イオン電流振動′ｊＡ節計２０に人力されるイ
オン電流遮断装置１６からの信号について説明する。イ
オン電流遮断装置１６は前述したように、電Ｖｉ４１５
からの信号を周期的に遮断するもので、この遮断を行な
うことにより、システムへのノイズの影響を知るために
使用される。すなわち、遮断したとき、イオン電流振動
調節計２０に遮断中であることを知らせ、そのとき求め
られたパワースペクトラム信号をノイズであると判断し
、遮断されていないときのパワースペクトラム信号より
その分を除くことにより、ノイズの影響を除去すること
になる。このためイオン電流遮断装置１６からは、現在
遮断中であるか否かをイオン電流振動調節計２０に知ら
せるようになっている。

次に作用説明をする。この装置は前述のように、燃焼装
置において液体および気体燃料の燃焼を行なう場合に、
その燃焼火炎中のイオン電流の振動周波数が燃焼状態に
よって変化する特性を利用したものである。燃焼火炎中
のイオン電流の変化を検出する方法としては、その電流
レベルを検出する方法もあるが、この装置においては次
のようにする。すなわち、燃焼により生ずる火炎３中の
イオン電流を検出するため、第５図に示すように火炎３
の先の部分に２本の電極棒１３ａ　、　１３ｂを平行に
設け、その間を流れるイオン電流を１ｌｌｌ＋定するか
、あるいは第６図に示すように火炎３中に１本の電極棒
３を設け、この電極棒３とバーナ２の火炎放射部１４に
設けた端子１５との間に生ずるイオン電流を検出するか
になる（後者については第３図公魚）。

これらいずれかの方法によって得たイオン電流信号は、
第７図に示すような振動したものとなる。この信号は、
周波数解析器１９に人力され、第８図に示すようなパワ
ースペクトラムが求められる。このようにして求められ
たパワースペクトラムは、第８図に示すように燃焼状態
の一つの指標である空燃比を変化させることにより、高
い側の周波数成分のレベルが変化する。この変化を制御
信号に変える方法としては、第９図に示すようなものが
ある。これは、燃焼状態の変化によりパワースペクトラ
ムが大きく変化する特定周波数帯の積分値Ｂと全周波数
帯の積分値への比Ｂ／Ａを使用する方法である。

第１０図は上記方法により求めた値の変化を表わしてい
る。この図から明らかなように、この方式により求めた
値は、燃焼状態の一指標である排ガス０２の排出量（％
）の変化に追従して変化することになる。したがって、
この値を使用することにより燃焼状態の制御をすること
が可能である６また燃焼に起因するイオン電流の振動周
波数を基に計測しているため、火炎がなければ出力はゼ
ロとなる。この減少により火炎の有無を検知する手段と
しても使用することができる。

次に、イオン電流振動調節計２０内での処理内容を、第
４図を用いて説明する。まずステップ４−１でパワース
ペクトラム信号を人力し、次のステップ４−２でイオン
電流遮断装置１６からの信号により、現在イオン電流信
号線が遮断されているか否かを判断し、遮断されている
ときにはステップ４−３に進み、第１５図に示すような
装置外部からくるノイズと装置内部で発生しているノイ
ズ等により求められた信号をメモリーに記憶する。また
ステップ４−２において遮断されていないと判断された
場合にはステップ４−４に進み、現状の火炎から得た信
号から求めたパワースペクトラム信号からステップ４−
３においてメモリーに記憶されたパワースペクトラム成
分を除き、真の火炎からのパワースペクトラム信号を得
る。

次に、ステップ４−５では第１３図のようにパワースペ
クトラム信号信号の全周波数帯の積分１＋ｆｉ　Ａを算
出し、ステップ４−６で特定周波数帯の積分値Ｂを算出
する。ここで特定周波数帯は、燃焼状態の変化によりパ
ワースペクトラムが最も大きく変化する周波数帯である
０次にステップ４−７にて積分値比Ｊ−Ｂ／　（Ａ−Ｂ
）を求める。一方、各種燃料流〒に対する最適燃焼状態
の積分値比（パワースペクトラム比）Ｋがあらかじめ求
められており、そのデータは、イオン電流振動調節計２
０内に設定されており、ステップ４−８にて現状の積分
値比Ｊとの差Ｌ−Ｊ−Ｋを求め、ステップ４−９でその
偏差りより燃焼用空気流量補正係数Ｍを算出する。

このようにして求められた燃焼用５空気流〒補正係数Ｍ
は、イオン電流振動調節計２０から燃焼用空気滝川補正
器１１に出力される。燃焼用空気流量補正器１１は、燃
焼用空気流量補正係数Ｍの他に温度調節器９から基準空
気滝尾信号Ｎを受ける。この基帛空気ａｆｆｔ信号Ｎは
温度調節器９にて燃料流主信号を基に算出される。そし
て燃焼用空気流量補正器ＩＩは信号Ｍ、Ｎを得、これに
よって補正演算を行ない、その結果を流量調節弁８に出
力し、その開度を調節する。

（発明が解決しようとする課題） 以上説明した本発明の先行技術では、従来の火炎から発
生する光を利用する方法が有していた欠点を除去できる
大きな効果はあるものの、その構成が、各種工業炉に適
合させるための様々な制（卸テーブルを内蔵し、さらに
周波数解析器をも有しているので回路が複雑となる。こ
のため、たとえばオン、オフのみの簡易的な燃焼制ｉ卸
を行なう小規枝の工業炉にこの燃焼制御装置を設置する
場合、それによって得られる効果に対し、設備コストが
高くなる問題が生じた。本発明は先行技術のものと同様
に、火炎燃焼状態の検出手段としてイオン電流を利用す
るものである。ここでイオン電流を利用した場合につい
て述べるが、本発明は他の検出手段、たとえば光センサ
による火炎の光パワー信号、炉内圧力の振動等を利用す
ることも可能である。

ここでイオン電流による火炎燃焼状態の検出方法を説明
する。ある燃焼状態での時間軸に対するイオン電流の変
化は、第７図に示すような振動波形となる。前述した先
行技術のものにおいては、この振動波形を周波数分析器
により第８図に示すようなパワースペクトラムとして得
る。このパワースペクトラムは、第８図に示すように空
燃比の変化に伴って変化するため、第９図に示すように
全周波数帯Ａと特定周波数帯Ｂの積分比を求めることで
、第１Ｏ図に示すような排ガス０２と積分比（パワース
ペクトラム比）の比例関係を得て、０２％に代わる指標
であるパワースペクトラム比により燃焼制御を天施して
いた。

本発明がその特徴とするところは、先行技術のものが用
いていた周波数分析器を用いずに、フィルター、積分器
等の回路を利用して先行技術とほぼ同様の制御を行なう
ことである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するための手段として、バー
ナ２が発する火炎３の先の部分に入るように設けた電碓
棒Ｉ３とバーナ２の火炎放射部１４に設けた端子１５と
の間に生ずるイオン電流、または火炎３を監視する位置
に設けた光センサ３７の検出する光振動を変換した電気
信号を増幅する増幅器１８を設け、該増幅器１８の出力
側にイオン電流中の高周波成分を除去するローパスフィ
ルタ２１を接続し、該ローパスフィルタ２１の後段を二
つの系路に分けて、そのうちの一方の系路にはローパス
フィルタ２１を通った信号電流を整流し直流化する回路
（整流器２２および積分回路２３）を接続し、他方の系
路には前記ローパスフィルタ２１を通過した信号電流中
の低周波成分を除去するハイパスフィルタ２４と該ハイ
パスフィルタ２４を通過した信号電流を整流し直流化す
る回路（整流器２５および積分回路２６）を接続し、こ
れら二つの系路の出力側を、全周波数帯に対する特定周
波数帯との関係を演算する演算器２７に接続し、該演算
器２７の出力側に、該出力を受けて燃焼制御を行う燃焼
制御計として機能する空気流量補正調節計２８を接続し
た構成としである。

（作用） 上記構成とすれば、炉ｌのバーナ２が火炎３を放射する
とき、この火炎３の先の部分に入るように設けた電極棒
１３とバーナ２の火炎放射部１４に設けた端子１５との
間に生ずるイオン電流、または火炎３を監視する位置に
設けた光センサ３７の検出する光振動を変換した電気信
号を電気的な処理を１−ることによって、前述した先行
技術のものに比して簡単な構造により、確実に火炎３の
調節を行なうことができることになる。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を第１図について、第３図のも
のと同一部材には同一の符号を付し、本発明特有の部分
を中心にして説明する。炉１のバーナ２が発する火炎３
の先の部分には、この火炎３の先の部分に入るように電
極棒１３が取付けられており、バーナ２の火炎放射部１
４には端子１５が設けられている。電極棒１３は、バー
ナ２の火炎放射部１４に設けられた端子１５とともに、
゛これらの間に生ずるイオン電流を増幅する増幅器１８
の入力測に接続されている。この増幅器１８の出力側に
は、イオン電流中の高周波成分を除去するローパスフィ
ルタ２１が接続されており、その出力側である後段は、
二つの系路に分けである。

この二つの系路のうちの一方の系路にはローパスフィル
タ２１を通った信号電流を整流する整流器２２とこの整
流後の脈流を平滑して直流化する積分回路２３が接続さ
れている。二つの系路中の他方の系路には前記ローパス
フィルタ２１を通過した信号電流中の低周波成分を除去
するハイパスフィルタ２４と５このハイパスフィルタ２
４を通過した信号電流を整流する？！！流器２５ならび
に整流後の脈流を平滑して直流化する積分回路２６が接
続されている。

これら二つの系路は、積分回路２３．２６の出力側で合
流し、全周波数帯に対する特定周波数帯との関係を演算
する演算器２７の入力側に接続されている。そしてこの
演算器２７の出力側には、この出力信号を受けて燃焼制
御を行う燃焼制御計として機能する空気流量補正調節計
２８が接続されている。

この空気流量補正調節計２８の出力側はモジュトロール
モータ２９に接続されている。バーナ２には、燃焼空気
送給ファン３０によって空気を送給するための燃焼用空
気供給管３１が接続されており、この燃焼用空気供給管
３１内には半固定ダンパ弁３２と、前述のモジュトロー
ルモータ２９によって開閉駆動される補正ダンパ弁３３
とが設けられている。

燃料供給管４の途中で、流量計７の上流ｔｌｌ１１には
燃料噴射ポンプ３４が接続され、また流量計７の下流側
には燃料遮断弁３５が接続されている。そしてこれら燃
料噴射ポンプ３４と燃料遮断弁３５および燃焼空気送給
ファン３０とは、温度計ＩＯの出力信号を受けてこれを
演算処理するマスターコントローラ３６の出力側に接続
されている。

このように構成されたバーナの燃焼制御装置は、次のよ
うに作動する。炉ｌにおけるバーナ２が燃焼していると
き、温度計１３は類１内の温度を検出してマスターコン
トローラ３６に送り、電極棒１３はバーナ２の火炎放射
部１４に設けられた端子１５との間にイオン電流を検出
することになる。温度計１３からの信号がマスターコン
トローラ３６に人力されると、このマスターコントロー
ラ３６は、その値を、あらかじめその内部に設定されて
いる設定温度と比較し、人力が設定温度の上限となれば
、燃焼空気送給ファン３０と、燃料供給管４の途中に接
続された燃料噴射ポンプ３４と燃料遮断弁３５に停止に
信号を発信し、これらの運転を停止する。そして温度計
１３の検出した温度が設定温度の下限になれば、上記運
転停止をしたそれぞれの機器３０゜３４、３５には起動
信号が９．侶される。これにより運転は再開される。

燃料量１００％の固定状態での運転中の燃料詞書は、燃
焼用空気供給菅３１内に設けられた半固定ダンパ弁３２
によって、安全サイドでややエアーリッチとなるように
調整される。調整後の半固定ダンパ弁３２は固定される
。一方、バーナ２の火炎放射■〜１４に設けられた端子
１５と電礪棒１３との間に流れる火炎イオン電流は、増
幅器１８で増幅され、ローパスフィルタ２１によって信
号中の高周波成分が除去され、その後信号は二つの系路
に分岐される。

二つの系路のうちの一方の系路に流れた信号電流は、ロ
ーパスフィルタ２１からの出力信号が整流器２２によっ
て整流され、整流後は積分回路２３によって平滑されて
直流化される（積分値Ａ）。この積分値Ａの信号は演算
器２７に入力される。

−系統中の他の一系統は、ハイパスフィルタ２４で信号
中の低周波成分が除去され、その後整流器２５で整流さ
れ、積分回路２６で平滑されて直流化され（積分値Ｂ）
た後、演算器２７に人力される。演算器２７内ではＢ／
　（Ａ−Ｂ）の演算が行なわれ、その結果が空気流量補
正調節計２８に入力される。

この空気流量補正調節計２８はこの信号から、先行技術
について示した第４図のフローチャートにおけるステッ
プ４−８以降の処理により得られた空気流項補正係散に
見合う信号を、モジュトロールモータ２９に送ることに
なる。モジュトロールモータ２ｇはこれによって補正ダ
ンパ弁３３を調整し、最適な燃焼制御を行なうことにな
る。なお、この実施例においては補正ダンパ弁３３を半
固定ダンパ弁３２と別体にしているが、これらは兼用形
にすることも可能である。

この燃焼制御装置においては、燃焼に起因するイオン電
流を計測しているため、火炎３がなければ出力はＯとな
る。このことより、火炎の有無を検知する手段としても
機能を、燃焼制御とあわせて利用することもできる。こ
こでオン、オフの燃焼制ｉ卸を行なう工業炉等の一般的
な初期空燃比調整について説明する。オン、オフ制御で
は、その燃料用も当然に０か　１００％のどちらかであ
り、通常はその　１００％燃料流量に合わせて燃焼空気
量をダンパ弁等で調整し、固定する。この場合、安全サ
イトとなるように最適空気量よりもややエアーリッチに
設定するのが一般的である１年間を通じて運転する場合
、夏季と冬季とではその温度差により空気密度が変化す
るため、通常は空気密度が小さくなる夏季に合わせて空
気量の設定をする。

この場合にもエアーリッチにして安全サイドに入るよう
にする。

夏季と冬季での空気の温度差が３０ｄｅｇであり、夏季
での排ガス中のｏｔｆｆｌが５％であるとすると、空気
容積は夏季を１とした場合、冬季は０９に減少する。こ
のため夏季と冬季とでは、同じダンパ開度では、冬季は
夏季に対してさらにエアーリッチになり、排ガス中の０
２の里も約６．６％となって排ガス損失が大きくなって
しまう。これに対して本発明の燃焼制御装置を用いれば
、この点が大幅に改汚されることになる。

第２図に示すものは本発明の他の実施例である。この実
施例においては、燃焼状態の検出手段として火炎のイオ
ン電流検出に代え、光センサを使用してバーナの火炎中
の光の振動を電気信号に変換して回路を＋４成している
。信号処理系および制御耳糸の内容は先の実施例のもの
と同様であるので、光信号の検出部の構成についてのみ
説明する。炉ｌの先端部でバーナ２の火炎３に対向する
部分、すなわち火炎３を監視できる位置に光センサ３７
が設けられている。この先センサ３７は、炉１に直接取
り付けることをせず、炉ｌに設けたセンサ取付窓３８に
光ファイバ３９の一端を固定し、その他端に光センサ３
７を固定しである。この構造によって、光センサ３７の
熱破損を防止する。光センサ３７としては、たとえばフ
ォトダイオードあるいはフォトトランジスタを使用し、
火炎３の光振動を電気信号に変換するようにしている。

光センサ３７には、その出力である。電気信号を増幅す
る増幅器１８が接続されている。その後の回路は第１図
のものと同様である。この実施例においては、バーナ２
が燃焼して火炎３が発生したとき、光センサ３７がその
火炎３中光振動を捉え、これを電気信号に変換して増幅
器１８に入力することになる。増幅器１８からの信号処
理過程は５第１図のものと変るところがない。

（９，明の効果） 本発明は以上説明したように構成したバーナの燃焼制御
装置であるから、同一の目的を達成するために開発され
た前述の先行技術のものに比して、非常に簡単な構造で
ありながら、同様の機能を得ることができることになる
。したがって、たとえばオン、オフのみの簡易的な燃焼
制御を行なう、小規模の工業炉に設置°することによっ
て、設備コストを著しく低減させることができることに
なる。

４図面の簡単な説明 第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は第１図中
の一部を変更した本発明の他の実施例の回路図、第３図
は本発明に対して先行技術となるものの回路図、第４図
は第３図のうちのイオン電流振動調節計内での処理内容
を説明するフローチャート図、第５図および第６図はバ
ーナと電極棒との位置関係を示す側面図、第７図は時間
経過とイオン電流の変化状態を示すグラフ、第８図はパ
ワースペクトラムの周波数との関係を示すグラフ、第９
図は空燃比を変化させることにより、変化する高い側の
周波数成分のレベルの変化を制ｉ卸信号に変える方法を
説明するためのグラフ、第１０図は排ガス中の０２とパ
ワースペクトラム比との関係を示すグラフである。

ｌ・・・炉 ２・・・バーナ ３・・・火炎 １３・・・電罎棒 ｌ４・・・故＋１部 １５・・・端子 １８・・・ｔｆｉ幅器 ２１・−・ローパスフィルタ ２２、２５・・・整流器 ２３、２１１・・・積分回路 ２４・・・ハイパスフィルタ ２７・・・演算器 ２８・・・空気流〒補正調節計 ２９・・・モジュトロールモータ ３１・・−燃焼用空気供給管 ３３・・・補正ダンパ弁 ３７・・・光センサ 特　許　出願人　トヨタ自動車株式会社第１図 ２２、、’ｂ・・・整ｊ亮谷 第２　囚 第３図 第４図 第　６　図 第７図 時　　　　間 篇８図 同波数（にＨｚ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）バーナが発する火炎の先の部分に入るように設け
   た電極棒とバーナの火炎放射部に設けた端子との間に生
   ずるイオン電流、または火炎を監視する位置に設けた光
   センサの検出する光振動を変換した電気信号を増幅する
   増幅器を設け、該増幅器の出力側にイオン電流中の高周
   波成分を除去するローパスフィルタを接続し、該ローパ
   スフィルタの後段を二つの系路に分けて、そのうちの一
   方の系路にはローパスフィルタを通った信号電流を整流
   し直流化する回路を接続し、他方の系路には前記ローパ
   スフィルタを通過した信号電流中の低周波成分を除去す
   るハイパスフィルタと該ハイパスフィルタを通過した信
   号電流を整流し直流化する回路を接続し、これら二つの
   系路の出力側を、全周波数帯に対する特定周波数帯との
   関係を演算する演算器に接続し、該演算器の出力側に、
   該出力を受けて燃焼制御を行う燃焼制御計を接続したこ
   とを特徴とするバーナの燃焼制御装置。