JPS6089622A - 燃焼過程制御方法 - 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】 木材１石炭、天然ガス、石油および他の有機物質が家庭
用、■乗用燃焼器、熱機関において大規模に燃やされる
。この燃焼に供給する空気または酸素が多ずぎると過剰
の空気量が熱を運び去るので損失を生じ、供給する空気
が少なすぎるとススの他有毒な一酸化炭素や炭化水素が
発生する。これらのなかには例えばベンゾピレンのよう
に高発癌性のものも幾つかある。発癌物質による空気の
汚染が進むことは一般市民にとって重大な脅威である。

更にこれら有害物質の発生に伴なう爆発の危険を防ぐた
め特に暖房システム、および触媒あと燃えなしの自動車
は常に空気を成る程度過剰に送りながら運転せねばなら
ない。だが他面で過剰空気を多くしすぎて高価な燃料を
不必要に浪費することも望ましくない。

燃焼過程にとって空燃比λが重要であることは以前から
知られている。内燃機関、燃焼器の効率、有害物質放出
量はλによって決まる。正確にはλは λ−ｎＯ２（実際）／ｎｏ２（理想） の比によって定義されている。ｎ０２（実際）とは現実
に供給された空気量または酸素量であり、ｎ０２（理想
）とは完全燃焼に必要な空気量または酸素量である。触
媒あと燃えなしの自動車および暖房システムの場合には
、λ＝１．２であれば運転条件は一般に最適である。λ
−１，１では有害物質放出や爆発の危険性が生じ、λ＝
１．３では効率が低下する。しかしλ最適値は場合場合
で異なり、熱機関や燃焼器の種類および燃焼材料に左右
される。

更に、例えば酸化ジルコニウム・酸素プローブを使って
空気係数λを自動調整できることが知られている。これ
により例えば暖房システムの場合５〜１０％の燃料が節
約され、廃ガス値も著しく改善された。だが酸化ジルコ
ニウム・酸素プローブは鉛およびその他廃ガス中に含ま
れることのある物質によりその機能が損なわれ、従って
特定の燃焼Ｕ斜のときにのみ使用できる点に欠点がある
。廃ガスに曝露される電極は多孔質セラミックで保護せ
ねばならず、汚れの恐れも生じる。更にセラミックにＪ
：る０２の拡散は特に温度が低い場合には比較的ゆっく
りであり、それに応じて調整サイクルもゆっくりしたも
のとなる。しかも更に、温度に依存した切換え信号は空
気係数λ−１のとぎのみ現われる。

それゆえ燃焼器や触媒あど燃えなしの自動車では、廃ガ
スを固体電解質プローブに供給する以前に、Ｈ２の滴定
により、最適λのとき存在する過剰酸素をまず除去せね
ばならない。このため機構ががなり複雑にまたそれに応
じて高価となり、従来は大型燃焼器においてのみ使用す
ることができた。

それに対し、本発明の目的は、空気係数λの調整をベー
スに、単純かつ確実な燃焼過程制御方法を提供すること
である。一般に、空気供給量が不十分な場合には廃ガス
中に完全燃焼していない被酸化性物質または基が現われ
るとの知識が出発点である。こうした物質は周知の如く
電子を放出する傾向を有する。すなわち、電子のイオン
化エネルギーまたは仕業関数が比較的少ない。これらの
物質または基の検出は電子の光電子放出による周知の浮
遊粒子帯電法を利用して行われ、その原理は刊行物「人
気環境」（１９８３年刊）第１７巻第３号第６６５〜６
５７頁おＪ：び「応用物理ジャーナル」（１９８２年５
月刊）第５３巻第５号第３７８７〜３７９１頁に記載し
である。つまり光電帯電法を利用すると光電仕業関数が
低くて視覚的にはまだ確認できないきわめて微細な浮遊
粒子を効果的かつ選択的に、すなわち別の粒子や物質が
存在する場合でも、検出することができる。燃焼廃ガス
中に前記粒子が現われるということは酸素不足の兆候で
あり、これをちって空気係数λの調整に利用することが
できる。

低い光電仕業関数を有する微細粒子発生の有りうべき機
構として、廃ガス中の微細浮遊粒子が殻状に成長するこ
とが考えられる。従ってまず高温燃焼ゾーンに粒子の難
揮発生石炭核または灰核が発生ずる。それより温度の低
いゾーンに移ると、空気供給が不十分なことから揮発性
炭化水素およびその基が存在する場合それらが前記核の
表面に凝縮する。この炭化水素凝縮物は粒子の光電仕業
関数を低下させるかまたはそれ自身のイオン化電位が低
く、紫外線を照射すると凝集物は帯電し、従って検出器
内に当該信号を発生させうる状態となる。特に重要な点
として、安定性が低く従って特に有毒な炭化水素および
その断片は電子を容易に放出し、従って効果的にかつき
わめて高い感度で検出できることを指摘しておかねばな
らない。場合によっては、超微細でまだ可視不可能な粒
子の僅かな表面部分を前述の不安定な炭化水素の単原子
膜で覆って光電帯が起きるようにせねばならないことが
ある。

そこで、この知識を利用して、本発明により廃ガスの少
なくとも一部を時々紫外線源に曝露し、光電式電荷分離
により燃焼廃ガス中に正負の電荷担体を発生し、正およ
び／または負の電荷担体の数量また・はこの電荷により
発生した電流を測定し、得られた１個または複数個の測
定値に応じて酸素燃料混合比を調整することを特徴とし
た燃焼過程制御方法を提案する。

更に、低い光電仕業関数を有する粒子の少なくとも二三
は廃ガスを露点以下に冷やすと生き延びることが観察さ
れた。つまり、廃ガスを冷やしそして液状または霧状の
凝縮物を析出したのちに粒子の光電帯電を行うことがで
きる。直径約１μｍ以上の大きな廃ガス粒子は光電子の
逆拡散のゆえに元々はとんど帯電することができず、そ
れゆえプローブの汚れを防ぐため光電帯電前に荒い癩過
器を使って容易に選別除去することができる。

燃焼中にすでに帯電した粒子はバックグラウンドノイズ
を防ぐためやはり光電帯電前に周知の電気的予備フィル
タにおいて分離することができる。

以下、添付図面を参考に本発明方法の１実施例を詳しく
説明する。

第１図に示した装置はなかんずく油式暖房システムにお
いて空気係数λを調節するのに適している。廃ガスは吸
込管４を介して煙突２から取り出す。吸込管４は選定し
た吸込速度に応じて廃ガスが煙突２から出たのち事実上
周囲温度に冷やされるような長さどする。まＩ〔吸込管
４は水平に設けてなく、凝縮物が発生してもそれは再び
煙突２に滴下できる。フィルタ６が粗粒子を引き留める
。それに続いた管８のなかで金属円筒１０が電気的に絶
縁して同軸保持しである。ブツシュ１２を介して管８に
対向した円筒１０に直流電圧を印加すると廃ガスの流れ
に対し垂直に電界が発生し、該電界が廃ガス流から帯電
粒子を濾過除去する。こうして前処理しＩＣ廃ガス流は
大径管１４の外縁に環状に分布した孔１６を介して清浄
済み外気の流れに至る。外気はフィルタ１８を介して吸
込まれ清浄される。

廃ガスと清浄済み外気は管１４を層状に流れる。この管
の中央に光源２０が同軸で取付けである。この光源２０
は市販の低圧水銀燈であり、主に４．９ｅＶの紫外線を
発生する。電気的雑音を遮蔽するため光源２０を導電ネ
ット２２で囲繞しである。管１４の外縁に広がり粒子を
含んだ廃ガス流は層流のため水銀灯を汚すことがない。

粒子の仕業関数が４．９ｅＶ以下の場合、紫外線により
この粒子は光電子を放出する。この弟子は、またはこれ
から負の小イオンが発生した場合この小イオンは、２２
と１４との間に交流電圧が印加されることにより電極２
２または１４に衝突し、こうして吸収または中和されて
ガス流から除去される。しかし交流電圧の振幅おにび周
波数は次のように選定しである。すなわち、残留した正
帯電粒子は電子またはそれから発生した小イオンに比べ
て電気的運動が小さいので振幅のきわめて小さいヂッタ
ーベベーグングを行うだけであり、それゆえその大部分
はガス流のなかに残る。

浮遊粒子はカス流により孔２４．．２６を介してイオン
化区間の外に運ばれる。その他、ランプ取イ」部２８の
周面、直径の異なる孔内上に環状に分散配置した孔２４
．２６が互いにずらしてあり、光はイオン化区間から出
ることができない。粒子を含んだ空気は電気的遮蔽格子
３０を介して絶縁体３２に取イ」【プたフィルタ３４を
通過し、粒子はすべてこのフィルタに捕捉される。二三
の粒子が正の電荷を有する場合、正の電荷または正の電
流は電極３６で取り出すことができる。この電流は適宜
に増幅したのち空気係数λの連続的または単独の自動調
整または手動調整に利用する。ファン３８により、フィ
ルタ１８を通って清浄される外気の流れと吸込管４を通
る廃ガスの流れとを発生づる。このファンもネット４０
によりフィルタ室から電気的に分離しである。吸込管４
の長さと直径が廃ガスと外気との混合比を一義的に決定
する。廃ガスの部分流および／または低圧水銀燻２０の
強さおよび／または長さ並びに管１４の直径は、帯電粒
子の信号が十分に大きく、すなわち確実に測定できかつ
空気係数λを調整すべく周知の閉ループにおいて継続処
理できるものとなるよう選定する。

以上説明した配置を適宜に改造して本発明方法を別の適
用範囲、例えば車両機関または伯の熱機関の分野に適用
する道を開くことができることは自明である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明方法を実施する配置の概略縦断面図である。 ２０・・・光源、　２２・・・導電ネッ１〜．２４．２
６・・・孔、２８・・・ランプ取付部、３０・・・遮蔽
格子、３２・・・絶縁体、３４・・・フィルタ、３６・
・・電極、３８・・・ファン、　４０・・・ネット許　
出　願　人　ハンスークリストフ ジークマン 許　出　願　人　ウルリヒ　マター

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃焼過程制御方法において、燃焼ガスの少なくとも
   一部を時々紫外線源に曝露し、光電電荷分離により燃焼
   ガス中に正負の電荷担体を発生し、正および／または負
   の電荷担体の量またはこれらの電荷により発生した電流
   を測定し、得られた１個または複数個の測定値に応じて
   酸素燃料混合比を制御することを特徴とする方法。 ２）廃ガスのうち少なくとも紫外線源の照射に曝露した
   部分を、この照射に先立って冷却することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３）廃ガスを紫外線源の照射に曝露するより前に、前記
   廃ガス部分を露点以下に冷却し、発生した凝縮水を除去
   することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の方
   法。 ４）廃ガスを紫外線源の照射に曝露するより前に、廃ガ
   ス中に含まれた大きな浮遊粒子を廃ガスから濾過除去す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のいずれか１項に記載の方法。 ５）廃ガスを紫外線源の照射に１ひ露する′より前に、
   すでに帯電した浮遊粒子を廃ガスから除去することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   １項に記載の方法。 ６）廃ガスを紫外線源の照射に１ヅ露ザるより前に、廃
   ガスの少なくとも一部に光電的に不活性な気体を供給し
   て、光源や電気絶縁体のように汚れ、腐食等に鋭に１１
   な部品を廃カス流と接触さｔ！ないことを特徴とする先
   行の特許請求の範囲いずれか１項または複数項に記載の
   方法。 ７）光電的に不活性な気体が標準空気または予備清浄し
   た空気であることを特徴とする特許請求の範囲第６項に
   記載の方法。 ８）光電電荷分離により発生した正負の電荷担体を大き
   さ別に選別して検出器に送り、特定の電荷等級または大
   きさ等級ないし大きさスペクトル部分を検出器により検
   出することを特徴とする先行の特許請求の範囲いずれか
   １項または複数項に記載の方法。 ９）拡散区間において慣性力を利用しておよび／または
   定常電界または交番電界を利用して選別を行うことを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載の方法。 １０）発生した電荷担体の相対数量または絶対数示およ
   び／またはこの電荷担体により発生した電流の相対ｍま
   たは絶対量を測定値ｍとして利用し、これらを燃焼過程
   および／または燃料に応じて変えることを特徴とする先
   行の特許請求の範囲いずれか１項または複数項に記載の
   方法。 １１）紫外線のエネルギーまたはエネルギースペクトル
   を変えることにより制御を行うことを特徴とする特許請
   求の範囲第１０項に記載の方法。 １２〉廃ガスに作用する紫外線の強さおよび／または作
   用時間を変えることを特徴とする特許請求の範囲第１０
   項または第１１項に記載の方法。 １３）紫外線に曝露する廃ガス部分の速度および／また
   は体積を変えることを特徴とする特許請求の範囲第１０
   項ないし第１２項のいずれか１項に記載の方法。