JPH0378639A - 燃焼評価装置及び燃焼制御装置 - 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、火炎の発光を採光し、その光情報から空気比
、温度等の情報を得て燃焼性を評価する装置及び制御す
る装置に関する。

〔従来の技術〕

ボイラ、ガスタービン燃焼器等の火炎について、最適燃
焼に常に維持するために、火炎の諸パラメータを検出し
て閉ループ制御することがこれまで多数公開されている
。特に火炎の発光を検出する方法についての提案がある
。内燃機関に関しては。

例えば特開昭５７−１０８７３４号公報や特開昭５７−
１０８７３５号公報において、ねじケーシング内の燃焼
室側に石英ガラス捧、他方端に光ファイバを配して火炎
光を検出している。また、特開昭５７−１６３８４２号
公報では、上述の検出装置の石英ガラス捧の軸心部に中
心電極を挿入し。

ねじケーシング部を対地電極として点火プラグの機能を
かねた装置が提案されている。類似のものとして、特開
昭６１−５４４１６号公報も掲げられる。また、基礎実
験として火炎の光を採光し、レンズミラー、フィルタ等
で構成された光学装置を用いて空気比を求めている例が
日本機械学会論文集（８編）５２巻　３３６２ページ（
昭６ｌ−９）に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、燃焼火炎の全波長域の光を検出して
いるため、着火時間、失火時間、火炎の継続時間、輝度
等の情報は得られる。しかし、空気比や火炎温度等の物
理量が得られない。ここで、空気比とは供給されたある
量の燃料を燃焼させるために供給された実際の空気量Ｑ
Ｒと供給されたある量の燃料を完全燃焼させるのに必要
な理論空気量ＱＯとの比ＱＲ／ＱＯをいう。その理由は
、空気比や火炎温度と相関の強い特定の波長を検出して
いないからであり、全発光を採っているからである。ま
た、内燃機関内までの燃料及び空気の供給ライン中で、
それらの流れが一様でなくなることは避けられず、従っ
て供給ベースでの空気比と実際の内燃機関内での空気比
とが一致しないため、単純に特定波長の発光強度を測定
して、その値から空気比を求めると、上記不一致の影響
を受けて正確に求めることができないからである。更に
は公害防止の見地からＮＯｘの低減を優先し、従来は空
気比を１より少し小さめに設定する傾向にあったが、こ
の場合Ｃ○を生じるため、それを触媒によりＣＯ□に変
えて排気することになるが、この状態は燃料の利用効率
を低下させることとなる。

このような事情から、より精度の高い燃焼評価をできる
ことが切望されていた。

また、レンズミラー、フィルタ等で構成されている光学
装置の事例では、内燃機関への適用方法等について示さ
れてはおらず基礎実験装置にとどまっている。

本発明の目的は、火炎の発光を採光し、眩光より該火炎
の空気比、温度等の物理量を得て、以って内燃機関内火
炎のより精度の高い燃焼評価及び内燃機関の制御を行う
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係る燃焼評価装置は
、内燃機関の火炎の発光を採光する採光部と、この採光
部で採光した発光を２個以上に分岐すると共に分岐され
た端部にそれぞれ出射部を有する光ファイバと、前記各
出射部から出射された光の光路に各々設けられ各々異な
る波長の光を通過させる光フィルタと、この光フィルタ
を通過した光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電素
子と、各光電素子からの出力の比をとって火炎の燃焼性
を評価する物理量を演算する演算手段と、を備えたもの
である。ここで、燃焼性を評価する物理量の一つは、各
光電素子からの出力の比と一定の相関を有し、下記定義
で規定される空気比である。

空気比とは供給されたある量の燃料を燃焼させるために
供給された実際の空気量（ＱＲ）と供給されたある量の
燃料を完全燃焼させるに必要な理論空気量（ＱＯ）との
比（ＱＲ／ＱＯ）をいう。

また、燃焼性を評価する他の物理量は、各光電素子から
の出力の比と一定の相関を有する温度である。ここで、
光フィルタは、ＯＨラジカル、ＯＨラジカル、Ｃ２ラジ
カルのうち少くとも２つ以上のラジカルの発光として火
炎の発光を分離分光することが出来る複数枚の光フィル
タであるのがよい。又、ＯＨラジカルの発光には３１０
ｎｍの波長の光を含み、ＯＨラジカルの発光には４３１
ｎｍの波長の光を含み、各々同時に他の化学種による発
光を含まない発光であり、Ｃ２ラジカルの発光は、５０
０ｎｍ以下の波長の光で４７４ｎｍの波長の光を含み同
時に他の化学種による発光を含まない発光、５５０ｎｍ
以下の波長の光で５１７ｎｍの波長の光を含み同時に他
の化学種による発光を含まない発光、５９０ｎｍ以下の
波長の光で５６４ｎｍの波長の光を含み同時に他の化学
種による発光を含まない発光である事がよい。光ファイ
バは３個以上に分岐されたものであり、各光電素子から
の一対の出力の比により前記空気比を演算し、他の一対
の出力の比により前記温度を演算するものがよい。前記
装置において、各光フィルタはＯＨラジカル、ＯＨラジ
カル又はＣ２ラジカルのうち少くとも２つ以上のラジカ
ルの発光として火炎の発光を分離する組合せであるもの
がよい。また、空気比はＯＨラジカルの光信号による光
電素子からの電気信号出力とＣ２ラジカル又はＯＨラジ
カルの光信号による光電素子からの電気信号出力との比
、又はＯＨラジカルの光信号による光電素子からの電気
信号出力と０２ラジカルの光信号による光電素子からの
電気信号出力の比に基いて演算されるものがよい。

また、本発明に係る燃焼制御装置は、燃料と空気が供給
されて燃焼する内燃機関と、前記のいずれかの燃焼評価
装置と、を備え、燃焼評価装置から制御信号を出力して
前記内燃機関内の燃焼状態を変更制御するようにしたも
のである。

〔作用〕

火炎の発光は、光ファイバで複数に分割され、光フィル
タによってそれぞれ異なる波長の光になってそれぞれの
光電素子に入射する。演算装置で各光電素子からの出力
の比をとる。すなわち、ある波長の発光強度に相当する
電気信号の値と、他の波長の発光強度に相当する電気信
号の値の比をとる。この比をとることにより、供給燃料
や供給空気の量が乱れて火炎の大きさが変動しても、そ
の影響が相殺され、空気比や温度を正しく求めることが
できる。

また、ある温度における発光強度は波長変化と一定の相
関を有している事実がある（後で詳しく説明する）。従
って各波長の発光強度比をとることによって火炎の温度
を求めることができる。

光ファイバを３分割のものにして３つの波長の発光強度
を求めれば、一対の組合せから空気比を、他の一対の組
合せから温度を求めることができる。

上記空気比又は温度を検出して制御信号を出力すれば、
実際の内燃機関内における空燃比等の燃焼性を最適状態
に維持できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図を用いて説明する。

複数に分岐した光ファイバの採光端面２０を内燃機関１
１の火炎１ｏが観察される位置に挿着し、火炎１０の発
光を採光する。眩光は、上記光ファイバ３０の複数の出
射端面４０から複数に分岐されて出射される。出射され
た光は、各出射端面４０毎に異った波長の光のみを透過
する光フィルタ５０．５１．５２によって、特定波長の
光に分光されて光電素子６０へと入射する。光電素子６
゜からは入射した光の強さに対応して電気信号が出力さ
れて、該信号は演算装置７０へと導かれる。

電気信号が弱い場合には増幅装置６１を経てから演算装
置７０へと導かれる。演算装置７ｏでは、該複数の光電
素子６０からの出力を以ってそれらの比を求め、その比
から空気比及び温度を求める演算を行い、その信号を評
価装置８０へ出力する。

評価装置では該出力を以って、燃焼火炎の空気比、温度
等の物理量を評価する。

なお、これらの空気比、温度の情報は、監視装置８１へ
出力される。またそれらの情報は制御装置８２へ感びか
れ、最適燃焼状態となるような制御信号８３を出力する
。内燃機関の場合では、例えば燃料の噴射量、チョーク
の開度、点火プラグの放電時期等である。本実施例によ
れば、内燃機関の発光をとらえて、燃焼性を監視でき、
最適燃焼状態に制御、維持出来る効果がある。

上述の光フィルタ５０，５１．５２の波長選定について
第２図を用いて説明する。第２図は、炭化水素系の燃料
を燃焼させた際の火炎の発光を分光分析したものである
。いくつかのスペクトル線がＲ察されているが、その中
でも特に強い５つの発光９０，９１，９２，９３，９４
を分難して透過するように光フィルタを選定する。短波
長側から３１０ｎｍ付近の発光スペクトル９ｏはＯＨラ
ジカル、４３１ｎｍ付近の発光スペクトル９１はＯＨラ
ジカル、４７４ｎｍ付近の発光スペクトル９２及び５１
７ｎｍ付近の発光スペクトル９３更に５６４ｎｍ付近の
発光スペクトル９４はＣ２ラジカルによる。光フィルタ
の透過波長のバンド幅は、他の発光を含まない程度で良
い。

第３図には、第２図に示した３１０ｎｍのＯＨラジカル
の発光強度と、４３１ｎｍのＯＨラジカルの発光強度と
、５１７ｎｍの６２ラジカルの発光強度と空気比との関
係をそれぞれ曲線１００゜１０１．１０２で示す。それ
ぞれの発光強度は、第１図に示す光電素子６ｏあるいは
増幅装置６１からの出力である。空気比とは、投入した
燃料を完全燃焼させるに必要な理論空気量ＱＯと実際に
投入した空気量ＱＲの比ＱＲ／ＱＯであり、１．０以上
が空気過剰、１．０以下が空気不足、１．０で当量の状
態を示す。すなわち、第３図では、発光強度の変化を測
定すれば燃焼火炎の空気比が求め得る事を示している。

ところが、例えば曲線１００や１０１を用いる場合には
、１つの発光強度に対して２つの空気比の値を示す事が
あり、発光強度と空気比は１対１に対応していない。ま
た、曲線１０２を用いる場合には、発光強度と空気比と
は１対１に対応しているが、火炎全体の大きさが負荷量
の変化等で小さくなった場合には、空気比が変化しない
にもかかわらず、発光強度が減少し、あたかも空気比が
高くなってしまった様な値を示す欠点を有する。

従って、上記欠点に対して、各発光強度間での関係を用
いて発光強度と空気比とが１対１に対応するような工夫
を要す。その一実施例を第４図に示す。曲線１０３及び
１０４は第３図を基に、曲線１０３は空気比に対するＯ
Ｈラジカルの発光強度と０２ラジカルの発光強度との比
、曲線１０４は空気比に対するＯＨラジカルの発光強度
とＣ２ラジカルの発光強度との比を示す。第４図に示す
結果により上記欠点は比をとることによって相殺される
ということが出来る。なお、この比を求める計算は演算
装置７ｏにより行なわれ、該値を用いて、評価装置８０
内で空気比を求め燃焼性を評価する。

次に温度測定の原理について第５図を用いて説明する。

火炎温度が上昇して来ると、可視領域から赤外領域にか
けての発光が増加しベースラインが上昇して来る傾向に
なる。第５図において、温度が低い方から曲線１０５，
１０６，１０７と傾きが増加しておりその様子を示して
いる。従って、任意の２波長における発光強度の比は、
曲線の傾きを示している事になり、傾きが大きい程温度
が高い事を示す。ここでは、任意の波長として、１つは
、空気比を求める際にも使用した５１７ｎｍ付近のＣ２
ラジカルの発光波長であり、他の１つは、同じ化学種Ｃ
２ラジカルであるが遷移状態の異る４７４ｎｍあるいは
５６４ｎｍ付近の波長とした。同様に、任意の波長の１
つとして４７４ｎｍを選定し、他の１つとして５６４ｎ
ｍの波長としてもよい。なおこれは、３箇所の波長域（
４７４ｎｍ、５１７ｎｍ、５６４ｎｍ）間の強弱関係は
、空気比よりも温度の方が支配的であるがために可能で
ある。

第１図においては、３つの光フィルタ５０，５１，５２
に、採光中心波長が４３１ｎｍ、５．６４ｎｍ、５１７
ｎｍである光フィルタを用いることにより、一対の４３
１ｎｍの発光強度と５１７ｎｍの発光強度の比、すなわ
ち、ＣＨラジカルと０２ラジカルの発光強度の比を演算
装置７ｏにて求めて、該装置からの出力に基づいて評価
装置８０にて空気比を求めることができ、同時に他の対
の５６４ｎｍの発光強度と５１７　ｎｍの発光強度の比
を演算装置７０にて求めて、該装置からの出力に基づい
て評価装置８０にて温度を求めることができる。

定常回転状態にある内燃機関について計測した一例を第
６図に示す。グラフ１０８，１０９，１１０は発光強度
の時間変化の一例、グラフ１１１゜１１２はそれら発光
強度の時間変化を基に評価装置８０にて求めた、温度及
び空気比の時間変化を示す。実際には、定常回転状態に
ある内燃機関であるので、グラフ１１１や１１２は直線
に近い程、安定燃焼をしている事になるはずだが直線に
はなっていない。そのため、これらの信号出力を基に。

燃料の噴射量、チョークの開度、点火の時期等を制御す
る事になる。本実施例によるならば、１サイクル毎の火
炎の発光を基に、温度や空気比を算出し、その値によっ
て内燃料機関の燃焼を制御するので、安定した燃焼状態
を維持出来る効果がある。制御の点からは、温度や空気
比の絶対値も必要要件ではあるが相対値として一定に保
れる事が重要となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、火炎の発光を採光して、眩光を複数の
波長に同時に分光し、それら複数の波長域における発光
強度の比を用いた演算結果より該火炎の空気比、温度を
非接触で求める事が出来、以って精度良く内燃機関の燃
焼性を高速で評価できる効果がある。また、従って、充
分な監視や、制御を行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は炭化
水素系燃料を燃焼させた火炎の発光スペクトルを示す図
、第３図は発光強度と空気比の関係を示す図、第４図は
発光強度の比と空気比の関係を示す図、第５図は発光ス
ペクトルに対する温度の影響を示す図、第６図は内燃機
関について計測した発光強度と空気比及び温度との関係
を示す図である。 ２０・・・採光端面、３０・・・複数分岐光ファイバ、
４０・・・出射端面、 ５０．５１．５２・・・光フィルタ、 ６０・・・光電素子、６１・・・増幅器、７０・・・演
算装置、８０・・・評価装置、８１・・・監視装置、８
２・・・制御装置、８３・・・制御信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の火炎の発光を採光する採光部と、この採
   光部で採光した発光を２個以上に分岐すると共に分岐さ
   れた端部にそれぞれ出射部を有する光ファイバと、前記
   各出射部から出射された光の光路に各々設けられ各々異
   なる波長の光を通過させる光フィルタと、この光フィル
   タを通過した光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電
   素子と、各光電素子からの出力の比をとって火炎の燃焼
   性を評価する物理量を演算する演算手段と、を備えたこ
   とを特徴とする燃焼評価装置。 ２、請求項１において、燃焼性を評価する物理量は、各
   光電素子からの出力の比と一定の相関を有し、Ｑ＿Ｒ／
   Ｑ＿Ｏで規定される空気比であることを特徴とする燃焼
   評価装置。ここでＱ＿Ｒは供給されたある量の燃料を燃
   焼させるために実際に供給した空気量、Ｑ＿Ｏは供給さ
   れたある量の燃料を完全燃焼させるのに必要な理論空気
   量。 ３、請求項１において、燃焼性を評価する物理量は、各
   光電素子からの出力の比と一定の相関を有する温度であ
   ることを特徴とする燃焼評価装置。 ４、請求項１において、光ファイバは３個以上に分岐さ
   れたものであり、各光電素子からの一対の出力の比によ
   り前記空気比を演算し、他の一対の出力の比により前記
   温度を演算するものであることを特徴とする燃焼評価装
   置。 ５、請求項１において、各光フィルタはＯＨラジカル、
   ＣＨラジカル又はＣ＿２ラジカルのうち少くとも２つ以
   上のラジカルの発光として火炎の発光を分離する組合せ
   であることを特徴とする燃焼評価装置。 ６、請求項２において、空気比はＣＨラジカルの光信号
   による光電素子からの電気信号出力とＣ＿２ラジカル又
   はＯＨラジカルの光信号による光電素子からの電気信号
   出力との比、又はＯＨラジカルの光信号による光電素子
   からの電気信号出力とＣ＿２ラジカルの光信号による光
   電素子からの電気信号出力の比に基いて演算されるもの
   であることを特徴とする燃焼評価装置。 ７、燃料と空気が供給されて燃焼する内燃機関と、請求
   項１〜６のいずれかに記載の燃焼評価装置と、を備え、
   燃焼評価装置から制御信号を出力して前記内燃機関内の
   燃焼状態を変更制御するようにしたことを特徴とする燃
   焼制御装置。