JPS63108116A - 燃焼制御方法 - 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】 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０２
％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０２％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としては、特開昭５９−１３
８８１１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火炎中に配置し、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
によっ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０２センサを煙道中ンこ設置してこの
煙道を通る排ガス中の０２％を測定し、この０２％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、燃焼状態の検出に光パワーを利用する点について
は特開昭５９−１３７７１９号、同５９−１９７１５号
、同５９−１２２２７号、同５８−１４３２７４号で開
示されている。

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げればならないので、燃
焼室出口から測定部までの間ｅこ存在する点検口あるい
は構造１生じた隙間より外気が侵入した場合、燃焼室内
での０２濃度が高くなったものと誤って判断してしまう
。

■　燃焼室出口から測定部までのガスの）ｍれに起因し
、タイムラグが生じる。

■　ジルコニア０２センサには３０〜４０秒の応管遅れ
がある。このため、よりスピーディな制御を行なう場合
のネックとなる。

上記ジルコニアｏ２センサの代わりに前記特開昭：５９
−１３７７１９号等に記載の光センサを用いることも考
え得られるが、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、直ちンこ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って大きく変化
しその比率は、一般に空気比（又は排ガス中の０２濃度
）として燃焼管理上の重要なポイントとなっている。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ＮＯｘ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。

よっ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０２濃度とは次の関係にある
。

バーナにおいて、そのバーナの火炎より発生する光強度
は燃焼量（燃焼流量）を一定とした場合、空気比（又は
排ガス中の０２濃度）の違（・によって第２図の曲線■
に示す様な変化を示し、その光パワー信号は第３図及び
第４図に示すような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ｔこ示す様
に山型の変化を示しピーク値より０２濃度の高い領域（
イ）では、０゜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
る特性を持っている。

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０２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。

また、コーン状保炎器を持つタイプのバーナついてみる
と、その光強度は第２図の曲線Ｈに示すような変化をす
る。しかし、光パワー信号の振動に関しては第３図とは
逆に０２濃度が減少するに従い振動幅は小さくなる。

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５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、第４図で示されるような光パワー信号から単位時間
毎に平均値を求め、次いで該平均値を所定の単位時間分
だけ積算してその平均値を算出し、更に該平均値を基準
に上記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求め、そのよ
うにして求めた偏差積分値がこの縦軸に沿ってプロット
されている。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０
□％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０２％
と積分値との関係を示している。

従って、例えば燃焼量を６０６／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０２％（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、と第５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持つタイプのバー
ナについては第６図で示されるデータを得た。

本発明に係る燃焼制御方法は上記第５図又は第６図で示
されるようなデータを利用し、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、上記問題点を解消するため、燃焼
器に供給される燃料の流量信号及び該燃焼器の排ガス中
の０２％信号を得て該０２％が該燃料の流量に対し妥当
な０２％とずれているとぎ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、上記燃焼器の火
炎から光パワー信号を検出すると共に該光パワー信号か
ら単位時間毎に平均値を求め、次いで該平均値を所定の
単位時間分だけ積算してその平均値を算出し、更に該平
均値を基準に上記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求
め、しかる後これを予め求めた現状の燃料流量に対する
妥当な０２％に対応した偏差積分値と比較してその偏差
を演算し、該偏差を解消する出力を燃焼用空気流量調節
部に対して行なって排ガス中の０２％を妥当なものとす
るという手法を採用している。

作　　　　　用 燃焼器で形成された火炎から光パワー信号を検出し、こ
の光パワー信号を処理してで制御出力を得る。

従って、排ガス中の０２％を直接検出せずとも０２％の
コントロールが可能となる。そして、その結果高価なジ
ルコニア０２センサてなく比較的安価な光センサを用い
ることができる。

また、燃焼器がバーナであるときは炉中で燃焼状態を検
出することに他ならないので、従来における煙道で検出
する方式に比し、タイムラグを生じることなく燃焼制御
を行なうことができる。

上記制御出力を得るには、光パワー信号から単位時間毎
に平均値を求め、次し・で該平均値を所定の単位時間分
たけ積算してその平均値を算出し、更に該平均値を基準
に上記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求め、しかる
後これを予め求めた現状の燃料流量に対する妥当なＯ２
％に対応した偏差積分値と比較してその偏差を演算する
。

このように光パワー信号の単純平均値を利用して制御出
力を得るので、簡易な制御を行なうことができる。

実　　施　　例 第１図ないし第５図及び第７図に基づぎ本発明の一実施
例を説明する。

第７図は本発明に係、る燃焼制御方法を使用する熱処理
炉を示している。

第７図において符号１は炉本体を示し、該炉本体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。

炉本体１１こ設けられた燃焼器たるバーナ４はこの場合
旋回気流により保炎するタイプのものである。

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は燃料制御装置により制御されるよ
うになっている。

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及び燃料制御部１１を備えている。

燃料制御部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１
２で所定の出力信号に変換し、これを温度調節：！Ｓ１
３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っている。

燃焼用空気の流量調節弁９は燃焼用空気制御装置により
制御されるようンこなっている。

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
する燃焼用空気制御部１６を備えている。

光センサ１５はＧｅフォトダイオード、Ｓ、フォトダイ
オード、フォトトランジスタ、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。

燃焼用空気制御部１６は光センサ１５からのアナログ信
号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１７と、該変
換器１７からの電気信号を処理して単位時間毎に平均値
を求め、次いで該平均値を所定の単位時間分だけ積算し
てその平均値を算出し、更に該平均値を基準に上記単位
時間毎の平均値の偏差積分値を求めこれを出力する演算
器１８と、該演算器１８からの出力を受けてこれを予め
求めた現状の燃料流量に対する妥当な０２％に対応した
偏差積分値と比較してその偏差を演算し、該偏差を解消
する出力を燃焼用空気流量調節弁９に対して行なって排
ガス中００□％を妥当なものとする調節器１９とから成
っている。

ここで、上記演算器１８及び調節器１９の動作を第１図
のフローチャートに基づいて説明する。

ステップ１にて微小時間の光パワーレベルを演算器１８
に取り込み、ステップ２にてΔを秒間データを取り込ん
だか否かを判定し、Ｎｏであればステップ１にもどりΔ
を秒間データをとりこむまで繰り返す。ステップ２でＹ
ＥＳと判定された場合、ステップ３にてΔを秒間の平均
値を算出し、ステップ４にてｔ秒間データを取り込んだ
かを判定しＮｏであればステップ１にもどりｔ秒間デー
タを取り込むまで繰り返す。

ステップ４にてＹＥＳと判定された場合、ステップ５，
６にてΔを秒間の平均値のｔ秒間の平均値を算出し、ス
テップ７にて、偏差積分値Ｙを算出する。ステップ８に
て調節器１９において偏差積分値の値Ａ、Ｙにより目標
０２％との差Ｂを求め、ステップ９にて、エアーの補正
値を出力する。ステップ９を実行後はステップ１にもど
り、一連の制御をくりかえす。

ステップ９での出力は例えば調節弁９に入力される。

かくて、炉本体１内で生じた排ガスは所定の最適Ｏ２％
のガスとなって煙道３から系外へ排出され、炉内では低
０２燃焼が達成される。

発明の効果 本発明は以上のように燃焼器で形成された火炎から光パ
ワー信号を検出し、この光パワー信号を処理して制御出
力を得るので、排ガス中のＯ２％を直接検出せずとも０
２％のフントロールが可能になる。従ってセンサとして
高価な０゜センサでなく、比較的安価な光センサを使用
することができ、炉、ガスタービン等の燃焼制御上有益
である。

また、燃焼器がバーナであるとき炉中で燃焼状態を検出
するので、従来の排ガスを煙道に通しつつ検出する方式
に比し、炉の開閉に伴う０２％の急変が生じても迅速に
対処でき、また煙道の隙間からの空気漏れが生じても検
出結果に影響を受けることがなくなる。

さらに、演算処理時に光パワー信号の単純平均値を利用
するので、簡易に制御出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃焼制御方法の制御出力を得る手
順を示すフローチャート、第２図は一定燃焼量下の光パ
ワーと排ガス０２％との関係を示すグラフ、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図は第３図の■部の拡大
図、第５図は光パワーの偏差積分値と０２％との関係を
、燃焼量をパラメータとして表わしたグラフ、第６図は
異なるタイプのバーナについて表わした第５図と同様な
グラフ、第７図は本発明を使用した熱処理炉の制御／ス
テム図である。 １：炉本体、４：バーナ、８：燃料流量計、９：燃焼用
空気流量調節弁、１５：光センサ、１６：燃焼用空気制
御部、１７：　Ａ／Ｄ変換器、１８：演算器、１９：調
節器。 出　願　人　　トヨタ自動車株式会社 代　理　人　市川埋置（外１名） 第１図 第２図 １Ｐ　　勾゛　　ズ　　０２　　　（％〕第３図 時間ｆ、５ｅｃｌ 第４図 時　間　□ 第５図 や伊力゛°ヌ　０２％ 第６図 ぞ非力゛７０２　１％】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼器に供給される燃料の流量信号及び該燃焼器の排ガ
   ス中のＯ＿２％信号を得て該Ｏ＿２％が該燃料の流量に
   対し妥当なＯ＿２％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
   燃焼器の火炎から光パワー信号を検出すると共に該光パ
   ワー信号から単位時間毎に平均値を求め、次いで該平均
   値を所定の単位時間分だけ積算してその平均値を算出し
   、更に該平均値を基準に上記単位時間毎の平均値の偏差
   積分値を求め、しかる後これを予め求めた現状の燃料流
   量に対する妥当なＯ＿２％に対応した偏差積分値と比較
   してその偏差を演算し、該偏差を解消する出力を燃焼用
   空気流量調節部に対して行なって排ガス中のＯ＿２％を
   妥当なものとすることを特徴とする上記燃焼制御方法。