JPH0796924B2

JPH0796924B2 - 燃焼制御方法及びその方法を使用する燃焼制御装置

Info

Publication number: JPH0796924B2
Application number: JP61250986A
Authority: JP
Inventors: 修司飯田; 晃彦岸田; 康夫竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS63105320A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、燃焼火炎の光パワーの振幅が排ガス中のO₂％
と比例関係にあることを利用し、燃焼器の稼動中に得る
光パワーの振幅に関する信号を適正なO₂％に対応した光
パワーの振幅に関する信号と対比してその偏差を解消す
るように燃焼用空気の流量をコントロールする燃焼制御
方法及び装置に関するものである。

従来の技術従来、燃焼を制御する方法及び装置としては、特開昭59
-138811号公報、同58-146124号公報で開示されるものが
ある。

前者の特開昭59-138811号のものは、半導体からなる燃
焼センサを炎中に配置し、その電気抵抗の変化で燃焼状
態を監視し、酸欠及び失火を検知したときに燃焼を停止
させようとするものである。

後者の特開昭58-146124号のものは、光学的測定器で火
炎の発光スペクトルを分光分析し、これから火炎の温度
分布を求め、これを最適燃焼状態時の火炎の温度分布と
比較して制御信号を出力するもので、この出力によつて
火炎の形を一定にコントロールしようとするものであ
る。

しかし、前者は燃焼のON・OFFを行なうのみで、炉内の
燃焼火炎自体の制御を行なうものでない。また後者は発
光スペクトルを分光分析するので、検出部，制御部が複
雑化するという欠点がある。

このような欠点がない燃焼制御方法及び装置として昭和
60年１月25日付熱産業経済新聞で開示されるものがあ
る。

これはジルコニアO₂センサを煙道中に設置してこの煙道
を通る排ガス中のO₂％を測定し、このO₂％を指標として
燃焼用押込空気量が負荷条件に応じた最適な量となるよ
う送風機の回転数をインバータで制御するものである。

なお、燃焼制御装置の燃焼状態の検出部として利用しう
る光パワーの検出器については特開昭59-137719号、同5
9-109715号、同59-12227号、同58-143274号で開示され
るものがある。

発明が解決しようとする問題点上記ジルコニアO₂センサを用いた燃焼制御方法及び装置
は炉中での燃焼状態を簡易に制御しうるものであるが、
次のような欠点がある。

煙道中にセンサを設置しなければならないので、燃焼
室出口から測定部までの間に存在する点検口あるいは構
造上生じた隙間より外気が侵入した場合、燃焼室内での
O₂濃度が高くなつたものと誤つて判断してしまう。

燃焼室出口から測定部までのガスの流れに起因し、タ
イムラグが生じる。

ジルコニアO₂センサには30〜40秒の応答遅れがある。
このためよりスピーデイな制御を行なう場合のネツクと
なる。

上記ジルコニアO₂センサの代わりに前記特開昭59-13771
9号等に記載の光センサを用いることも考えられるが、
これらの光センサは単に光パワーを検出するのみである
ので、直ちに適用することはできない。

問題点を解決するための手段燃焼状態は、燃料と空気との混合比率によつて大きく変
化し、その比率は一般に空気比（又は排ガス中のO₂濃
度）として燃焼管理上の重要なポイントとなつている。
例えば、その空気比を大きくし過ぎた場合には、排ガス
損失が増加し、熱効率の低下及びNO_Xの増大が起り燃焼
状態としては良くない状態となる。また逆に空気比を小
さくし過ぎた場合には不完全燃焼となり黒煙が発生し、
また失火にもつながりこれもまた燃焼状態としては良く
ない状態となる。よつて良い燃焼状態とは、不完全燃焼
が起こらない最少の空気比での燃焼である。

なお、空気比と排ガス中のO₂濃度とは次の関係にある。

ところで、重油あるいはガス等の燃料を燃焼するバーナ
の火炎より発生する光強度は燃焼量を一定とした場合、
空気比（又は排ガス中のO₂濃度）の違いによつて第２図
に示す様な変化を示し、その光パワー信号は常時振動し
たノコギリ状の波型を示す。そしてその光パワー信号レ
ベルは第２図に示す様に山型の変化を示し、ピーク値よ
りO₂濃度の高い領域（イ）では、O₂濃度の増加に伴い光
パワー信号レベルは低下し、またピーク値よりもO₂濃度
の低い領域（ロ）ではO₂濃度の減少に伴い光パワー信号
レベルも低下する特性を持つている。

しかるに、光パワー信号の振動に関しては、第３図に示
す様にO₂濃度が減少するに従いその振動幅は大きくなる
特性を示す。また以上の様な特性は、燃焼量を変化させ
た場合にも変らないが、燃焼量を増加させると、光パワ
ー信号の振動幅が大きくなり逆に燃焼量を減少させると
小さくなる。

なお、第２図及び第３図で示される特性は旋回力によつ
て火炎を保持する機構のバーナについてのものである
が、コーン状保炎器を持つバーナについては上記と全く
逆の特性を有する。上記特性は各種バーナに固有のもの
である。

本発明者等は以上のような知見に基づき旋回力により保
炎するタイプのバーナについて第４図で示されるような
データを得た。

この図において、縦軸は光パワーの振幅に関する値を示
し、例えば第３図で示される光パワーの平均値に対する
鋸歯状振動部分の単位時間内積分値すなわち偏差積分値
が目盛られている。横軸は排ガス中のO₂％を示してい
る。

曲線a,b,cは燃料の各種燃焼量についての排ガスO₂％と
偏差積分値との関係を夫々示しており、曲線ｄは前述の
不完全燃焼が生じない最適空気比の排ガスO₂％と積分値
との関係を示している。

従つて、例えば燃焼量を60l/hに設定している場合バー
ナの火炎から検出される積分値がＹであるとしたならば
その対応O₂％（ハ）は妥当なO₂％（ニ）とずれ（ホ）を
生じており、このずれ（ホ）は積分値のずれＢに対応す
る、と上図から読み取ることができる。

また、本発明者等はコーン状保炎器をもつタイプのバー
ナについて第５図で示されるデータを得た。

本発明に係る燃焼制御方法及び装置はその制御部に上記
第４図及び第５図で示されるようなデータを記憶し、こ
のデータと検出信号との対比から得られる偏差Ｂに基づ
きその偏差Ｂを解消するための制御信号を出力しようと
するものである。

すなわち、本発明は、上記問題点を解決するため、液体
又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受けて火炎を形
成する燃焼器における該燃料の流量信号及び該燃焼器の
排ガス中のO₂％信号を得て該O₂％が該燃料の流量に対し
て妥当なO₂％とずれているときにその偏差を演算しその
偏差を解消するための出力を上記燃焼用空気の流量調節
部に対して行なう燃焼制御方法において、上記火炎から
光パワー信号を検出してそこから光パワーの振幅に関す
る信号を得、次いでこれを、予め得た燃料流量について
の妥当なO₂％に対応した光パワーの振幅に関する信号と
比較してその偏差を求め、しかる後該偏差を解消するた
めの出力を上記燃焼用空気の流量調節部に対して行なう
という手法を採用している。

また、液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受け
て火炎を形成する燃焼器における該燃料の流量信号及び
該燃焼器の排ガス中のO₂％信号を得て該O₂％が該燃料の
流量に対し妥当なO₂％とずれているときにその偏差を演
算しその偏差を解消するための出力を上記燃焼用空気の
流量調節部に対して行なう燃焼制御装置において、上記
排ガス中のO₂％信号を光パワーの振幅に関する信号とし
て得る光センサを上記燃焼器の後部に備えており、かつ
各種燃料流量についての光パワーの振幅に関する信号と
排ガス中のO₂％信号との関係データ及び各種燃料流量に
ついての妥当なO₂％に対応する光パワーの振幅に関する
基準データを記憶し、上記燃焼器の稼動中に上記光セン
サから得られる光パワーの振幅に関する信号を当該燃料
流量に対応する上記基準データと比較してその偏差を解
消するための出力を上記燃焼用空気の流量調節部に対し
て行なう制御部を備えた構成を採用している。

作用液体又は気体の燃料及び燃焼用空気が燃焼器に供給され
火炎が形成されることによつて炉、ダービン等の運転が
開始される。

本発明の燃焼制御方法によれば、火炎から光パワー信号
を検出してそこから振幅に関する信号を得、これを望ま
しいO₂％対応信号と比較し、その偏差を解消する出力を
得る。

従つて、O₂％を直に検出せずとも排ガス中のO₂％のコン
トロールを行なうことができる。

また、本発明の燃焼制御装置によれば、光センサは燃焼
器の火炎からその光パワーを検出し制御部に送る。

制御部は光パワーから振幅に関する信号を作る。

また、制御部は燃料の流量信号を受けている。

これにより制御部は予め記憶した第４図の基準データに
上記振幅に関する信号を照らし合わせ、現時点のO₂％と
妥当な０％との偏差を振幅に関する値の偏差として演算
により求め、この偏差を解消するための出力を燃焼用空
気の流量調節部に対して行なう。

このため、空気比は常に適正な値に保持され、安定した
燃焼が持続される。また光パワーの検出は、燃焼器がバ
ーナであるときは炉内で行なうので、タイムラグ等を生
じることなく迅速かつ適正な制御を行なうことができ
る。

実施例以下各種実施例をもつて本発明を具体的に説明する。

（実施例１）第１図，第４図及び第６図は本発明の第１実施例を示し
ている。

第１図において符号１は金属製品等を加熱処理するため
の炉である。炉１の壁には金属製品等を装入するための
扉２及び排ガスを排出するための煙道３が夫々設けられ
ている。

炉１には燃焼器たるバーナ４が設けられ、この場合旋回
気流により保炎するタイプのバーナである。バーナ４に
は燃料を供給する管５及び燃焼用空気を供給する管６が
接続され、管５には流量調節弁７及び流量計８が設けら
れ、管６には流量調節弁９が設けられている。

燃料の流量調節弁７は温度制御装置により制御されるよ
うになつている。

該装置は炉１内の温度を検知する熱電対からなる温度セ
ンサ10及び制御部11を備えている。

制御部11は温度変換器12及び温度調節器13を備えてお
り、温度センサ10からの信号を温度変換器12で所定の出
力信号に変換し、これを温度調節器13で受けて所定の設
定温度と比較演算し、設定温度を維持しうる燃料がバー
ナ４に至るよう調節弁７の開度を調節するための制御信
号を出力するようになつている。

燃焼用空気の流量調節弁９は燃焼制御装置により制御さ
れるようになつている。

該装置は、バーナ４の燃焼火炎14から発せられる光パワ
ーを電気信号に変換する光センサ15及び該信号等を受け
て制御信号を作り燃焼用空気の流量調節弁９に出力する
制御部16を備えている。

光センサ15はGeフオトダイオード、Siフオトダイオー
ド、フオトランジスタ、太陽電池等で構成され火炎14に
対向する箇所に固定されている。

制御部16は光センサ15からの光信号を受けて電気信号に
変換する変換器17と、該変換器17からの電気信号を単位
時間積算し平均値を計算すると共にこの平均値に対する
偏差を単位時間積分して偏差積分値を出力する積算器18
と、該積算器18からの出力を受けると共に燃料流量計８
からの燃料の流量信号を受けてこれらを、予め記憶した
第４図の基準データと照合して現在の偏差積分値と予め
定められた最適偏差積分値との比較を行ないその偏差を
解消するための出力を燃焼用空気の流量調節弁９に対し
て行なう調節器19とから成つている。

この制御部16の動作を第６図のフローチヤートに基づい
て説明する。

変換器17からの光パワー信号X₀を読み込み（ステツプ
１）、次いでΔｔ秒間の全信号の移動平均を求める
（ステツプ2,3）。

すなわち、ステツプ２において過去Δｔ秒間に計測した
ｎ個のデータのうち最も過去のデータXnを消去し、その
代わりに現在の信号X₀を入力する。そしてステツプ３で
X₁〜Xnのｎ個のデータの総和をｎで割り移動平均を演
算している。

次に、現在の光パワー信号X₀と移動平均との差の絶対
値Y₀を求める（ステツプ４）。

Y₀を読み込み、過去Δｔ秒間のデータのうち最も過去の
Ynを消去し（ステツプ５）、Δｔ秒間のｎ個のデータの
総和である偏差積分値Ｙを求める（ステツプ６）。

Ｙが求まると、燃料流量Ｑ例えば60l/hを読み込み（ス
テツプ７）、Ｑに対応した曲線例えばａ（第４図）を選
択すると共にＱにつき妥当なO₂％（ニ）に対応する偏差
積分値Ａを求める（ステツプ８）。そして現状値Ｙと最
適値Ａとのずれである偏差Ｂを求める（ステツプ９）。

しかる後、Ｂが０となるようにＢに比例した制御量とＢ
の積分値に比例した制御量を加えた制御量Ｃを算出する
（ステツプ10）。

現在の燃料流量Ｑに対する最適な空気流量を求め、その
場合の弁９の開度と現在の開度とを比較し、現在よりも
開くか閉めるか及びその程度を空気流量調節信号Ｄとし
て求める。Ｄは温度調節器13で求められ、燃焼用空気流
量調節器19に出力される（ステツプ11）。

上記調節器19はC,Dを得て次の補正式から空気流量調節
信号Ｅを求め（ステツプ12）、これを弁９に出力し、こ
の開度を調節する（ステツプ13）。

この式において、Ｃは％データであり、０〜100％の範
囲内の値である。Ｃ＝０〜50％のときを弁開度の減少、
Ｃ＝50〜100％のときを弁開度の増加とし、例えばＣ＝4
0％のときはＥ＝0.8D、Ｃ＝60％のときはＥ＝1.2Dとな
る。

これにより、計算上求められたＤはＣによつて増又は減
の補正を受けてＥとして弁９に出力されることになる。

かくて炉１は最適燃焼状態で常時稼動し、O₂％が（ニ）
の排ガスは煙道３から炉外へ排出されることになる。

なお、扉２から新たに材料の出し入れが行なわれること
によりO₂％が一時的に増大することがあるが、そのO₂％
の変化は直ちに光センサ15によつて検知されるので、即
座に調節弁９の調節がなされ適正なＯ％に速やかに復帰
する。

（実施例２）第７図は本発明に係る燃焼制御方法及び装置を暖房装置
に使用した状態を示している。

炉20は外殻21で囲まれており、所定箇所には燃焼器たる
バーナ22が設置され、該バーナ22と対向する箇所には熱
交換チユーブ23が多数設置されている。

また、外殻21にはフアン24を装備した暖房用空気の供給
ダクト25が熱交換チユーブ23に近接した箇所に接続さ
れ、暖房用空気を居住域26に送るダクト27が上記ダクト
25から離れた箇所に接続されている。

このため、暖房用空気はフアン24によりダクト25から外
殻21内に入り、熱交換器チユーブ23のところで加熱され
熱風となつてダクト27から居住域26へと送られる。

熱交換器チユーブ23はバーナ22からの燃焼火炎28により
加熱され、加熱後の排ガスは排煙フアン29により煙突30
へ導かれ、系外へ排出される。

居住域26にはダクト27からの温風と居住域リターン空気
とを混ぜ合わせるミキシング箱31及びミキシングフアン
32が設置されている。そして、ミキシングフアン32から
各居住室に向つて分配ダクト33が伸びている。

このためダクト27からの温風はミキシング箱31でリター
ン空気とミツクスされて適当な温度に調整された後ミキ
シングフアン32から各居住室へと送られる。

上記炉20には実施例１における同様光センサ34及び制御
部35が設置されている。

制御部35は変換器36、積算器37及び調節器38を備え、第
６図と同様な演算を行なうが、その出力はバーナ22の燃
焼用空気供給ダクト42に設置されたダンパ39に対してな
されるようになつている。

ダンパ39には該ダンパ39を回動操作するためのリンク機
構40及び該リンク機構40を駆動するためのアクチユエー
タ41が付設されており、上記出力はこのアクチユエータ
41に対してなされる。

これにより炉20は実施例１におけると同様最適燃焼状態
に維持され、従つて効率の良い暖房がなされることにな
る。

（実施例３）第８図で示されるように上記実施例２における燃焼用空
気供給ダクト42が温風供給用ダクト27に接続されている
点で上記実施例２と異なつている。

このため燃焼用空気は予熱されて燃焼器たるバーナ22に
供給されることになる。従つて、燃焼火炎28の温度が高
くなつて燃焼性が向上し、重質油等の燃えにくい燃料を
使用できる。また燃焼に必要な空間を小さくできるか
ら、暖房炉の小形化を図りうる。

（実施例４）第９図は本発明を使用した温水ボイラを示している。

炉43は保温材で出来た密封槽44でまわりを囲まれ、密封
槽44には水の供給管45及び湯の取出管46が接続されてい
る。

炉43には燃焼器たるバーナ47が設置され、またその燃焼
火炎48と対向する箇所には監視窓49が設置されている。

監視窓49には開閉蓋50がヒンジ51を介して連結され、該
開閉蓋50にはガラス52が嵌め込まれており、該ガラス52
に光センサ53が固定されている。

このためガラス52を拭うことにより光センサ53の前面か
らスス等の汚れを容易に除去することができ、従つて正
確な信号を検出することができる。

その他上記実施例2,3におけると同様光センサ53からの
信号を受けて燃焼用空気供給ダクト54内のダンパ55をコ
ントロールする制御部56が付設されている。

また、水温を検知する温度センサ57、該温度センサ57か
らの信号を受けてバーナ47への供給燃料のON・OFF信号
を燃料供給弁に送る制御部58等からなる温度制御装置も
備えている。

（実施例５）第11図は本発明を油焚き炉筒煙管ボイラに適用した場合
を示している。

この図において符号59は横倒しされた筒状の炉であり、
その一端にバーナ60が設置され、他端に光センサ61が設
置されている。

光センサ61から検出された燃焼火炎の光パワー信号は前
記実施例におけると同様にして処理され、燃焼制御信号
が作られる。

（実施例６）第12図は本発明を水管ボイラに適用した場合を示してい
る。

この場合、光センサ62はバーナ63の近傍に設置され、そ
こからの光パワー信号により前記実施例におけると同様
燃焼状態の制御がなされる。

（実施例７）第13図は立形水管ボイラに本発明を適用したものを示し
ている。

この場合バーナ64は上部にあり、光センサ65はバーナ64
と対向して下部に設置されている。

発明の効果本発明に係る燃焼制御方法は以上のような構成を備えて
なるので、排ガス中のO₂％コントロールを光パワーの振
幅に関する信号を検出することによつて行なうことがで
きる。従つて、排ガス通路の位置の如何等に拘らず簡易
に制御出力を得ることができる。それ故、炉、ガスター
ビン等の燃焼制御に有益である。

また、従来のジルコニアO₂センサ方式によるタイムラグ
を生じることなく迅速かつ適正な燃焼制御を行なうこと
ができるものである。例えば炉内に材料を装入する場
合、O₂％が急激に変化するがそのようなときにも直ちに
応答することができるものである。

さらに、本発明によれば次のような効果も奏しうる。す
なわち、熱処理炉、溶解炉等は１つの燃焼室に対して２
台以上複数のバーナを取り付けて燃焼加熱している場合
が多数である。この様な炉の場合従来の燃焼制御方式で
ある排ガスO₂％を示標とした制御では煙道部のO₂％等最
終的に集合された値を基にして各バーナを一様に制御す
る方式となるためバーナ個々の空気比のバラツキについ
ては調節不可能であつた。これに対し本方式ではバーナ
火炎個々の火炎に対応した光センサを用いることによつ
てそれぞれの燃焼状態を最適に保つことが可能となり、
例えばトンネル状の連続加熱炉の場合の様に出入口付近
と炉対中央部での外気のモレ込みによるO₂％のちがいが
生ずる場合などより適切に個々のバーナの空気比を調節
することが可能となる。

また、本発明に係る燃焼制御装置は、光センサを用いて
光パワーを検出するので、該センサは火炎に対向する任
意の箇所に設置することができる。従つて、従来のジル
コニアO₂センサの如き煙道中に限定されるということは
ない。それ故、簡易に組み立てることのできるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を炉に適用した場合の一実施例を示す概
略垂直断面図、第２図は光パワーとO₂％との関係の一例
を示すグラフ、第３図は燃焼量を一定にしO₂％を変化さ
せた場合の光パワーと時間との関係を示すグラフ、第４
図は光パワーの偏差積分値とO₂％との関係を、燃焼量を
パラメータとして表したグラフ、第５図は異なるタイプ
のバーナに関する第４図と同様なグラフ、第６図は燃焼
制御装置の制御部でなされる演算処理のフローチヤー
ト、第７図は本発明を暖房装置に適用した場合の概略垂
直断面図、第８図は第７図の燃焼用空気供給路を変えた
ものの概略垂直断面図、第９図は本発明を温水ボイラに
適用した場合の概略垂直断面図、第10図は第９図のＸ部
の拡大図、第11図、第12図及び第13図は本発明を夫々油
焚き炉筒煙管ボイラ、水管ボイラ、立形水管ボイラに使
用した場合の概略垂直断面図である。 1:炉、4:バーナ、8:燃料流量計、9:燃焼用空気流量調節
弁、14:燃焼火炎、15:光センサ、16:制御部、20:炉、2
2:バーナ、28:燃焼火炎、34:光センサ、35:制御部、39:
ダンパ、43:炉、48:燃焼火炎、49:監視窓、52:ガラス、
53:光センサ、55:ダンパ、56:制御部、59:炉、60:バー
ナ、61,62:光センサ、63,64:バーナ、65:光センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給
を受けて火炎を形成する燃焼器における該燃料の流量信
号及び該燃焼器の排ガス中のO₂％信号を得て該O₂％が該
燃料の流量に対し妥当なO₂％とずれているときにその偏
差を演算しその偏差を解消するための出力を上記燃焼用
空気の流量調節部に対して行なう燃焼制御方法におい
て、上記火炎から光パワー信号を検出してそこから光パ
ワーの振幅に関する信号を得、次いでこれを、予め得た
燃料流量についての妥当なO₂％に対応した光パワーの振
幅に関する信号と比較してその偏差を求め、しかる後該
偏差を解消するための出力を上記燃焼用空気の流量調節
部に対して行なうことを特徴とする上記燃焼制御方法。
【請求項２】液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給
を受けて火炎を形成する燃焼器における該燃料の流量信
号及び該燃焼器の排ガス中のO₂％信号を得て該O₂％が該
燃料の流量に対し妥当なO₂％とずれているときにその偏
差を演算しその偏差を解消するための出力を上記燃焼用
空気の流量調節部に対して行なう燃焼制御装置におい
て、上記排ガス中のO₂％信号を光パワーの振幅に関する
信号として得る光センサを上記燃焼器の後部に備えてお
り、かつ各種燃料流量についての光パワーの振幅に関す
る信号と排ガス中のO₂％信号との関係データ及び各種燃
料流量についての妥当なO₂％に対応する光パワーの振幅
に関する基準データを記憶し、上記燃焼器の稼動中に上
記光センサから得られる光パワーの振幅に関する信号を
当該燃料流量に対応する上記基準データと比較してその
偏差を解消するための出力を上記燃焼用空気の流量調節
部に対して行なう制御部を備えていることを特徴とする
上記燃焼制御装置。