JPH06265140A

JPH06265140A - 燃焼装置

Info

Publication number: JPH06265140A
Application number: JP4848993A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Ishikawa; 善克石川; Hiroshi Kamiya; 宏神谷; Kazuyuki Morimoto; 和幸森本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Harman Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Harman Co Ltd
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】目的は、ＣＯセンサ等を別途設けることな
く、加熱式の酸素センサの検出値に基づいて、燃焼部の
局部的な燃焼不良を検出することのできる燃焼装置を提
供することにある。【構成】バーナを備える燃焼部に燃焼用空気を供給す
る通風手段と、その通風手段による前記燃焼部への空気
供給量を検出する加熱式の酸素センサと、その加熱式の
酸素センサの検出値が前記バーナに供給される燃料供給
量に応じて決められる目標値に維持されるよう前記通風
手段を制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、
前記制御手段が、前記加熱式の酸素センサの検出値の
変動幅に基づいて前記燃焼部の燃焼状態を判定するよう
に構成されている燃焼装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バーナを備える燃焼部
に燃焼用空気を供給する通風手段と、その通風手段によ
る前記燃焼部への空気供給量を検出する加熱式の酸素セ
ンサと、その加熱式の酸素センサの検出値が前記バーナ
に供給される燃料供給量に応じて決められる目標値に維
持されるよう前記通風手段を制御する制御手段とを備え
る燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる燃焼装置は、不完全燃焼を防止す
るために、排ガス中の酸素濃度を測定し、その測定結果
に基づいて通風手段を制御して空燃比を最適に維持しよ
うとするものである。このため、排ガス中の酸素濃度を
測定するセンサとして、加熱式のジルコニア酸素センサ
が広く一般的に使用されている。

【０００３】この加熱式の酸素センサは、ディスク状の
安定化ジルコニアの両面に設けた電極間に直流電圧を印
加したときに、酸素イオンをキャリアとして流れる電流
が酸素濃度によって変化することを利用して酸素濃度を
検出するものである。尚、この加熱式の酸素センサには
ヒータが一体形成されており、通電により５００℃程度
に加熱される。これは、上記限界電流が５００℃程度の
高温下で発生するからである。

【０００４】かかる燃焼装置において、例えば、バーナ
が局部的に熱変形して局部的に空気不足が生じた場合、
又はバーナにホコリ等が部分的に詰まり局部的に空気不
足が生じた場合には、燃焼部においてＣＯ，Ｈ₂等の未
燃焼ガスが局部的に発生するため、燃焼装置全体として
は、少量の未燃焼ガスが発生することとなる。従って、
かかる燃焼装置においては、上記のような局部的な燃焼
不良状態をいち早く検出する必要があるが、従来では、
ＣＯセンサ等を別途設けてＣＯ等の量を検出することに
より、上記のような局部的な燃焼不良状態を検出してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、上記の如く、
ＣＯ等の未燃焼ガス成分の発生量が比較的少ない場合の
燃焼不良を検出するためには、ＣＯセンサ等を別途設け
なければならないので、燃焼装置全体が高価になる、と
いう問題がある。

【０００６】ちなみに、かかる加熱式の酸素センサは、
ＣＯ，Ｈ₂等の未燃焼ガス成分により、異常出力を生じ
ることが一般に知られている。つまり、ＣＯが多量に存
在する場合には、ＣＯとＯ₂とが化学反応を起こしてＯ
₂が全て消費されると、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が電気分解さ
れてＯ₂の供給源となり、その結果加熱式の酸素センサ
の出力が急激に上昇する。従って、特開平４−１３６６
１７号公報に示されるように、加熱式の酸素センサの検
出値の単位時間あたりの上昇度（時間勾配）を算出し
て、センサの検出値が急激に上昇する状態を検出するこ
とにより、ＣＯが多量に発生するような燃焼不良状態を
検出することも考えられる。

【０００７】しかしながら、上記の如く、加熱式の酸素
センサの検出値の単位時間あたりの上昇度（時間勾配）
を算出して燃焼不良を検出する方法では、ＣＯが多量に
発生する場合の燃焼不良（つまり、燃焼装置全体の燃焼
不良）を検出することはできるものの、ＣＯの発生量が
比較的少ない場合の燃焼不良（つまり、局部的な燃焼不
良）を検出することができないものであった。本発明は
上記の実情に鑑みてなされたものであって、その目的
は、ＣＯセンサ等を別途設けることなく、加熱式の酸素
センサの検出値に基づいて、燃焼部の局部的な燃焼不良
を検出することのできる燃焼装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の燃焼装置は、バ
ーナを備える燃焼部に燃焼用空気を供給する通風手段
と、その通風手段による前記燃焼部への空気供給量を検
出する加熱式の酸素センサと、その加熱式の酸素センサ
の検出値が前記バーナに供給される燃料供給量に応じて
決められる目標値に維持されるよう前記通風手段を制御
する制御手段とを備えるものであって、その第１特徴構
成は、前記制御手段が、前記加熱式の酸素センサの検出
値の変動幅に基づいて前記燃焼部の燃焼状態を判定する
ように構成されている点にある。第２特徴構成は、前記
制御手段が、前記バーナに供給される燃料供給量が変化
する場合には、前記燃焼状態の判定を停止するように構
成されている点にある。

【０００９】

【作用】例えば、バーナが局部的に熱変形して局部的に
空気不足が生じた場合、又はバーナにホコリ等が部分的
に詰まり局部的に空気不足が生じた場合には、燃焼部に
おいて燃焼不良が局部的に生じる。この結果、バーナの
炎は局部的に不安定となって、排ガス中のＣＯ，Ｈ₂等
の量が変動することとなる。尚、このときのＣＯ，Ｈ₂
等の発生量は、燃焼不良が進行するに伴って増加する。
そして、ＣＯ，Ｈ₂等が少量存在する場合には、センサ
上で高温に加熱されたＣＯ又はＨ₂と近傍のＯ₂とが化
学反応を起こすため、加熱式センサの出力が低めにな
る。従って、局部的に燃焼不良が生じると、加熱式の酸
素センサの検出値は、図６に示すように、排ガス中のＣ
Ｏ，Ｈ₂等の量の変化に伴って変動する。このときの加
熱式の酸素センサの検出値の変動幅は、発生するＣＯ，
Ｈ₂等の量の増加に対応して増加するので、加熱式の酸
素センサの検出値の変動幅に基づいてＣＯ，Ｈ₂等の未
燃焼ガスの発生量を推定することができる。従って、第
１特徴構成によれば、制御手段が、加熱式の酸素センサ
の検出値の変動幅に基づいて、未燃焼ガスの発生量を推
定し、燃焼部の燃焼状態としての局部的な燃焼不良を判
定することができる。第２特徴構成によれば、バーナに
供給される燃料供給量が変化すると、制御手段は、燃焼
状態の判定を停止する。

【００１０】

【発明の効果】第１特徴構成によれば、加熱式の酸素セ
ンサの検出値の変動幅に基づいて燃焼部の局部的な燃焼
不良を判定することができるので、ＣＯセンサ等を別途
設けることなく、加熱式の酸素センサの検出値に基づい
て、局部的な燃焼不良を検出することのできる燃焼装置
を提供するに至った。第２特徴構成によれば、バーナに
供給される燃料供給量が変化したときの燃焼状態の判定
を停止することができる。つまり、燃焼装置において、
燃料供給量が急激に変化すると、一時的に未燃焼ガスが
多量に発生するが、このときの未燃焼ガスの発生を燃焼
不良として判定してしまうのを、防止することができる
に至った。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を給湯器に適用した実施例を図
面に基づいて説明する。本実施例の給湯器は図１に示す
ように、筒状ケース１内にバーナ２を備える燃焼部３と
その高温排気により水を加熱するフィンチューブ型の熱
交換器４が設けられている。筒状ケース１の下端には燃
焼部３に燃焼用空気を供給する通風手段としてのファン
５の吐出側が接続され、筒状ケース１の上端には排気路
６が接続されている。

【００１２】バーナ２への燃料供給路７には燃料供給量
を調節するためのガス比例弁８が設けられている。ガス
比例弁８は、マイクロコンピュータを利用した燃焼コン
トローラ９によって、その開度が制御される。燃焼コン
トローラ９は、設定手段Ｒによって設定された設定湯温
と、湯温検出手段Ｓによって検出される湯温との偏差を
小さくするようにガス比例弁８の励磁電流を制御し、も
って燃料供給量を制御する。

【００１３】湯温を制御するには、バーナ２への燃料供
給量のみならず、燃焼部３への燃焼用空気の供給量をも
適切に制御する必要がある。そこで、燃焼コントローラ
９は、通風手段としてのファン５の送風量、即ち回転数
をも制御する。つまり、燃焼コントローラ９は、ファン
５を制御する制御手段として機能する。そして、燃焼部
３への空気供給量が適正であるかどうかを監視すべく、
排ガス中の酸素濃度を検出する加熱式の酸素センサ１０
（以下、単に酸素センサという）が排気路６に設けられ
ている。つまり、酸素センサ１０がファン５にて燃焼用
空気が供給される燃焼部３の排ガスの酸素濃度を検出す
るように設けられている。従って、排ガス中の酸素濃度
が適正値より大きければ、空気供給量が過剰気味である
と判断し、適正値より小さければ空気供給量が不足気味
であると判断することができる。

【００１４】酸素センサ１０は、図２に示すように、セ
ンサエレメント１１、端子１２、端子台１３、メッシュ
カバー１４からなる。センサエレメント１１は、図３に
示すように、ディスク状の安定化ジルコニア１１ａの両
側に白金電極１１ｂを形成し、その片側に小孔１１ｃが
設けられたキャップ１１ｄを接合して構成されている。
両電極１１ｂ間に電圧を印加すると、ポンピング作用に
より酸素イオンをキャリアとする電流が流れる。

【００１５】キャップ１１ｄ内への空気の流入が小孔１
１ｃによって制限されることから電圧の所定領域で電流
がほぼ一定（限界電流）になる。そして、この限界電流
は空気中の酸素濃度に比例して変化するので、一定電圧
（監視電圧）を両電極１１ｂ間に印加しておき、そのと
きの電流値から酸素濃度を検出することができる。又、
上記ポンピング作用は、高温（５００℃程度）において
発生するするので、キャップ１１ｄ上部にヒータ１１ｅ
を一体に形成し、ヒータ１１ｅへの通電によりセンサエ
レメント１１を加熱するように構成している。

【００１６】酸素センサ１０の検出値は、燃焼コントロ
ーラ９に入力され、燃焼コントローラ９は、その検出値
がバーナ２への燃料供給量に応じて定められた適正値
（酸素濃度目標値）に維持されるようにファン５の回転
数を制御し、燃焼部３への空気供給量を調節している。
この酸素濃度目標値と燃料供給量との関係は、予め実験
により求められたものであって、例えば図４に示すよう
になる。尚、ファン５の回転数の制御は、ファンモータ
への印加電圧を変えることによって行っている。

【００１７】更に、燃焼コントローラ９は、酸素センサ
１０の検出値の変動幅Ｚを検出し、その変動幅Ｚが所定
の値Ｚ₀以上であれば、燃焼部３が燃焼不良状態にある
と判定するように構成されている。例えば、燃焼部３
が、バーナが局部的に熱変形して局部的に空気不足が生
じた場合、又はバーナにホコリ等が部分的に詰まり局部
的に空気不足が生じた場合には、燃焼部３において不完
全燃焼を部分的に生じる。この結果、バーナの炎は局部
的に不安定となって、排ガス中のＣＯ，Ｈ₂等の量も不
安定に発生することとなる。

【００１８】このときの酸素センサ１０の検出値は、図
６に示すように、排ガス中のＣＯ，Ｈ₂等の量の変化に
伴って変動するが、この酸素センサ１０の検出値の変動
幅Ｚは、発生するＣＯ，Ｈ₂等の量の増加に対応して増
加するので、酸素センサ１０の検出値の変動幅Ｚに基づ
いてＣＯ，Ｈ₂等の未燃焼ガスの発生量を推定すること
ができる。従って、酸素センサ１０の検出値の変動幅Ｚ
が所定の値Ｚ₀以上であれば、燃焼部３が燃焼不良状態
にあると判定することができる。尚、図６は燃焼不良状
態における燃料供給量Ｉ_Pの変化（Ｉ_P＝ＭＡＸ，ＭＩ
Ｄ，ＭＩＮ）に伴う酸素センサ１０の検出値の変化を示
している。

【００１９】次に、変動幅Ｚの算出方法を図９の流れ図
に基づいて説明する。燃焼コントローラ９は、所定時間
（単位時間）毎に、酸素センサ１０の検出値をｎ個サン
プリングし、記憶する。その記憶されたｎ個の検出値よ
り、下記数１にて変動幅Ｚを求める。

【数１】尚、バーナ２に供給される燃料供給量が変化すると、一
時的に未燃焼ガスが多量に発生することがあるので、こ
のときには、変動幅Ｚの計算（つまり燃焼状態の判定）
を一時停止する。

【００２０】次に、燃焼開始が指令されてからの燃焼コ
ントローラ９による制御を図８の流れ図に基づいて説明
する。燃焼開始が指令されるに伴って、即ち給湯栓（図
示せず）が開かれ、水流スイッチ１５がオンになるに伴
って、酸素センサ１０への通電（ヒータ１１ｅの通電及
び監視電圧の印加）及びファン５の作動が開始される
（処理（イ））。主電磁弁１８及び電磁比例弁８のガス
弁の開成、バーナ２への点火も行われる。但し、実際に
はガス弁の開成、バーナ２への点火は、ファン５の作動
より約１秒遅れて行われる。

【００２１】ヒータ１１ｅにより酸素センサ１０（セン
サエレメント１１）が適正状態に加熱されるまで、即ち
安定温度（例えば５００℃）に達するまでに約１分程度
の時間を要する。そこで、この間は、ファン５の回転数
がバーナ２への燃料供給量に応じて決められる目標回転
数となるように制御される（処理（ロ））。つまり、酸
素センサ１０の検出値が有効になるまでの、いわば仮制
御である。燃料供給量と目標回転数との関係は実験によ
って適正な関係が決められており、図５に示すように比
例関係となる。尚、ファン５には実回転数を検出するた
めの回転数検出センサ１７が備えられており、その検出
信号が燃焼コントローラ９に入力されている。

【００２２】燃焼コントローラ９は、その内部タイマ
（図示せず）によって上記仮制御を行う時間を管理して
いる。内部タイマは、燃焼開始に伴ってリセットされカ
ウントが開始される。そして、内部タイマが所定時間
（Ｔ１）に達すると、ファン５の制御が上記仮制御から
酸素センサ１０の検出値に基づく前述の制御（ファン定
常制御）に移される。又、前述したように電磁比例弁８
の開度調節による燃料供給量の制御も行われる（処理
（ハ））。ここで、所定時間（Ｔ１）は、予め実験によ
り決められた、酸素センサ１０が適正状態に加熱される
までの時間（例えば１分間）である。

【００２３】上記燃焼制御状態において、前述したよう
に変動幅Ｚを算出し（処理（ニ））、その算出された変
動幅Ｚが所定の値Ｚ₀以下であればそのまま制御を継続
し、所定の値Ｚ₀以上であれば、ガス弁８，１８を閉じ
て、異常ランプ１６を点灯させると共に、燃焼停止後所
定時間経過するまでファン５は作動を継続し、ポストパ
ージつまり燃焼停止後の排気動作及び燃焼部３や排気路
６の冷却を行う（処理（ホ））。尚、上記所定の値Ｚ₀
と燃料供給量Ｉ_Pとの関係は、予め実験により求められ
たものであって、例えば図７に示すようになる。

【００２４】給湯栓が閉じられ、水流スイッチ１５がオ
フになると、ガス弁が閉じられ燃焼は停止する（処理
（ヘ））。ファン５は作動を継続してポストパージを行
う。ポストパージは、燃焼停止後所定時間経過するまで
継続するが、この間に再び給湯栓が開けられて水流スイ
ッチ１５がオンになると、燃焼が再開される。即ちガス
弁が開かれバーナ２が点火された後（処理（ト））、前
述の処理（ハ）に移る。所定時間が経過すると、ファン
５を停止し、酸素センサ１０への通電を停止して、作動
を終了する。

【００２５】〔別実施例〕上記実施例では、所定の値Ｚ₀と燃料供給量Ｉ_Pと
の関係は、図７に示すように、燃料供給量Ｉ_Pに応じて
設定されているが、燃料供給量Ｉ_Pに関係なく一定の値
に設定しても良い。上記実施例では、酸素センサ１０の検出値の変動幅
Ｚを、ｎ個のサンプリングデータにおいて、平均値との
差を積算して求めている（数１）が、その他の方法で変
動幅Ｚを算出するようにしても良い。例えば、ｎ個のサ
ンプリングデータにおける最大値と最小値との差を変動
幅Ｚとしても良い。通風手段は送風ファンに限らず、例えば排気側に設
けた吸引ファンであってもよい。本発明は、上記実施例のような給湯器に限らず、各
種の燃焼装置に適用できる。

【００２６】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る給湯器の構成図

【図２】酸素センサの断面図

【図３】センサユニットの断面図

【図４】燃料供給量と酸素濃度目標値との関係を示すグ
ラフ

【図５】燃料供給量とファン目標回転数との関係を示す
グラフ

【図６】酸素センサの検出値の時間変化を示すグラフ

【図７】燃料供給量と変動幅の所定値との関係を示すグ
ラフ

【図８】制御手段（燃焼コントローラ）の処理を示す流
れ図

【図９】変動幅算出の処理を示す流れ図

【符号の説明】

２バーナ３燃焼部５通風手段９制御手段１０酸素センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森本和幸大阪府大阪市港区南市岡１丁目１番52号株式会社ハーマン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナ（２）を備える燃焼部（３）に燃
焼用空気を供給する通風手段（５）と、その通風手段
（５）による前記燃焼部（３）への空気供給量を検出す
る加熱式の酸素センサ（１０）と、その加熱式の酸素セ
ンサ（１０）の検出値が前記バーナ（２）に供給される
燃料供給量に応じて決められる目標値に維持されるよう
前記通風手段（５）を制御する制御手段（９）とを備え
る燃焼装置であって、前記制御手段（９）は、前記加熱式の酸素センサ（１０）の検出値の変動幅に基
づいて前記燃焼部（３）の燃焼状態を判定するように構
成されている燃焼装置。
【請求項２】前記制御手段（９）は、前記バーナ（２）に供給される燃料供給量が変化する場
合には、前記燃焼状態の判定を停止するように構成され
ている請求項１記載の燃焼装置。