JPH0331969B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0331969B2 JPH0331969B2 JP59070143A JP7014384A JPH0331969B2 JP H0331969 B2 JPH0331969 B2 JP H0331969B2 JP 59070143 A JP59070143 A JP 59070143A JP 7014384 A JP7014384 A JP 7014384A JP H0331969 B2 JPH0331969 B2 JP H0331969B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- combustion
- fuel ratio
- power spectrum
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N5/00—Systems for controlling combustion
- F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
- F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
- F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N1/00—Regulating fuel supply
- F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2229/00—Flame sensors
- F23N2229/08—Flame sensors detecting flame flicker
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Control Of Combustion (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、燃焼装置に用いる空燃比検出装置に
関する。
関する。
ボイラの燃焼の運転効率の向上や自動車の排ガ
ス規制に対応して、燃焼の空燃比を制御するとい
う要求がある。この要求に対して、従来は、燃焼
状態における燃料過剰から空気過剰への酸素量の
変化に着目し、ジルコニア酸素濃度計等の酸素濃
度計によりこの酸素量を検出することで、空燃比
を検知するという方法が一般的にとられている。
しかしながらこの方法は、燃焼という過酷な使用
雰囲気中にセンサ素子をそう入させることから、
センサ素子の故障の発生も多く、寿命も短いもの
であつた。また、センサ素子として特殊な材料を
使用するため、価格面でも高くなり、一般的なも
のとはいえないものであつた。更に応答性も十分
なものではなかつた。
ス規制に対応して、燃焼の空燃比を制御するとい
う要求がある。この要求に対して、従来は、燃焼
状態における燃料過剰から空気過剰への酸素量の
変化に着目し、ジルコニア酸素濃度計等の酸素濃
度計によりこの酸素量を検出することで、空燃比
を検知するという方法が一般的にとられている。
しかしながらこの方法は、燃焼という過酷な使用
雰囲気中にセンサ素子をそう入させることから、
センサ素子の故障の発生も多く、寿命も短いもの
であつた。また、センサ素子として特殊な材料を
使用するため、価格面でも高くなり、一般的なも
のとはいえないものであつた。更に応答性も十分
なものではなかつた。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
のであり、火炎の振動燃焼と空燃比との間に一定
の関係があることを見出し、この関係を用いて空
燃比を確実に検出できるようにした空燃比検出装
置を提供するものである。
のであり、火炎の振動燃焼と空燃比との間に一定
の関係があることを見出し、この関係を用いて空
燃比を確実に検出できるようにした空燃比検出装
置を提供するものである。
火炎の燃焼は、火炎がいわゆる正常燃焼の状態
であつても、局所的にみてみるならば、圧力、速
度などの変動をともなつた乱流状態にあり、たえ
ず発熱速度が時間的に変動しているという特性を
有している。一方、燃焼装置は燃焼室をはじめ燃
料が空気、或は燃焼ガスの流路など必ず有限の空
間を形成し、それらが個別的及び全体として一つ
の音響学的振動やヘルムホルツ振動といつた振動
系を構成しており、無数の固有振動のモードをも
つているものであり、火炎の正常燃焼の状態で
は、たとえ発熱速度の変動があるにしても、これ
らの固有振動とは無関係に燃焼が行われている。
ところが、ある特定の条件のもとでは、燃焼反応
の何らかの過程が固有振動と結びつき共鳴するこ
とによつて、きわめて明確な周期性をもつた自動
振動が発生する。これが振動燃焼であり、古くか
ら知られている現象である。この振動燃焼は一度
振動を発生すると音エネルギーとなつて騒音を発
生するばかりでなく、ときには燃焼装置の機械的
或は熱的破壊をもたらすこともあることから、近
年、発生のメカニズムなどについて多くの研究が
なされているものである。
であつても、局所的にみてみるならば、圧力、速
度などの変動をともなつた乱流状態にあり、たえ
ず発熱速度が時間的に変動しているという特性を
有している。一方、燃焼装置は燃焼室をはじめ燃
料が空気、或は燃焼ガスの流路など必ず有限の空
間を形成し、それらが個別的及び全体として一つ
の音響学的振動やヘルムホルツ振動といつた振動
系を構成しており、無数の固有振動のモードをも
つているものであり、火炎の正常燃焼の状態で
は、たとえ発熱速度の変動があるにしても、これ
らの固有振動とは無関係に燃焼が行われている。
ところが、ある特定の条件のもとでは、燃焼反応
の何らかの過程が固有振動と結びつき共鳴するこ
とによつて、きわめて明確な周期性をもつた自動
振動が発生する。これが振動燃焼であり、古くか
ら知られている現象である。この振動燃焼は一度
振動を発生すると音エネルギーとなつて騒音を発
生するばかりでなく、ときには燃焼装置の機械的
或は熱的破壊をもたらすこともあることから、近
年、発生のメカニズムなどについて多くの研究が
なされているものである。
振動燃焼は、その発生のメカニズムから、ヘル
ムホルツ振動と音響学的共鳴振動とに大きく分け
られている。ヘルムホルツ振動は、閉じた容器に
その大きさに比べて小さな孔があいている場合に
発生する気体の固有振動であり、周波数が低い点
と燃料供給系も振動する点にその特徴がある。一
方、音響学的共鳴振動は、燃焼室の有する音響学
的固有振動に起因する振動であつて、この音響学
的固有振動のいずれか一つのモードが燃焼による
発熱速度の変動と共鳴して発生する固有振動であ
り、周波数が高い点にその特徴がある。
ムホルツ振動と音響学的共鳴振動とに大きく分け
られている。ヘルムホルツ振動は、閉じた容器に
その大きさに比べて小さな孔があいている場合に
発生する気体の固有振動であり、周波数が低い点
と燃料供給系も振動する点にその特徴がある。一
方、音響学的共鳴振動は、燃焼室の有する音響学
的固有振動に起因する振動であつて、この音響学
的固有振動のいずれか一つのモードが燃焼による
発熱速度の変動と共鳴して発生する固有振動であ
り、周波数が高い点にその特徴がある。
振動燃焼の研究によれば、振動燃焼は常に発生
するものではなく、装置の作動条件がある範囲内
に入つたときに発生するものであるということが
いわれている。これらの研究結果を検討すべく、
本発明者は空燃比と振動燃焼の発生について基礎
実験を行い調査したところ、空燃比が理想の燃焼
状態である1の値から大きくはずれたエアーリツ
チあるいは燃料リツチの状態において、この振動
燃焼が明確に発生することを認めたものである。
本発明は、この空燃比の変化によつて発生する振
動燃焼の現象を使い、従来とは全く異なる空燃比
検出装置を開示するものである。すなわち本発明
は、エアーリツチあるいは燃料リツチの状態にお
いて発生する振動燃焼により生ずる火炎の光信号
の自励振動の周波数成分を使うことで、空燃比検
出装置を構成するものである。
するものではなく、装置の作動条件がある範囲内
に入つたときに発生するものであるということが
いわれている。これらの研究結果を検討すべく、
本発明者は空燃比と振動燃焼の発生について基礎
実験を行い調査したところ、空燃比が理想の燃焼
状態である1の値から大きくはずれたエアーリツ
チあるいは燃料リツチの状態において、この振動
燃焼が明確に発生することを認めたものである。
本発明は、この空燃比の変化によつて発生する振
動燃焼の現象を使い、従来とは全く異なる空燃比
検出装置を開示するものである。すなわち本発明
は、エアーリツチあるいは燃料リツチの状態にお
いて発生する振動燃焼により生ずる火炎の光信号
の自励振動の周波数成分を使うことで、空燃比検
出装置を構成するものである。
次に、本発明者が行つた基礎実験のデータ結果
に基づいて本発明を詳細に説明する。第1図に基
礎実験のブロツク構成図を示す。燃焼室1で燃焼
している火炎2はレンズ3を介して光電変換手段
4に導かれて電気信号に変換される。この光電変
換手段4は第5図に示すように、一対の光電セン
サ21,22と差動アンプ23とで構成されてい
る。この光電気信号はアンプ5により増巾された
のち、スペクトルアナイザ6により周波数分析が
行われ、結果はレコーダ7にデータアウトされ
る。空燃比は、バーナ近傍に供給される空気量を
変化させることで、変えることができる。なお、
この実験において燃焼は郡市ガスを用い、その圧
力はガス圧力制御弁8によつて一定値に制御され
た。第2図a〜fにレコーダによりデータアウト
されたこの実験のデータ結果の一例を示す。横軸
は火炎の光信号の周波数であり、縦軸はこの光信
号の振巾のlog値に対応するものである。A/F
は空燃比を示し、第2図aはA/F=0.68、第2
図bはA/F=0.83、第2図cはA/F=0.94、
第2図dはA/F=1.07、第2図eはA/F=
1.26、第2図fはA/F=1.42、のデータであ
る。
に基づいて本発明を詳細に説明する。第1図に基
礎実験のブロツク構成図を示す。燃焼室1で燃焼
している火炎2はレンズ3を介して光電変換手段
4に導かれて電気信号に変換される。この光電変
換手段4は第5図に示すように、一対の光電セン
サ21,22と差動アンプ23とで構成されてい
る。この光電気信号はアンプ5により増巾された
のち、スペクトルアナイザ6により周波数分析が
行われ、結果はレコーダ7にデータアウトされ
る。空燃比は、バーナ近傍に供給される空気量を
変化させることで、変えることができる。なお、
この実験において燃焼は郡市ガスを用い、その圧
力はガス圧力制御弁8によつて一定値に制御され
た。第2図a〜fにレコーダによりデータアウト
されたこの実験のデータ結果の一例を示す。横軸
は火炎の光信号の周波数であり、縦軸はこの光信
号の振巾のlog値に対応するものである。A/F
は空燃比を示し、第2図aはA/F=0.68、第2
図bはA/F=0.83、第2図cはA/F=0.94、
第2図dはA/F=1.07、第2図eはA/F=
1.26、第2図fはA/F=1.42、のデータであ
る。
このデータ結果から、第2図aでは、約30Hz、
約60Hz、約90Hzの固有振動が、第2図fでは約30
Hzの固有振動が発生していることがわかる。すな
わち、空燃比が理想の燃焼状態である1の値から
はずれるとき、振動燃焼が発生し固有振動が励起
されることが明らかとなる。本実験のこの固有振
動は周波数が低いことからヘルムホルツ振動に基
づくものと推定されるが、後述する本発明の構成
から、励起される固有振動はヘルムホルツ振動に
限られることなく音響学的共鳴振動であつてもよ
く、要するに空燃比の変化によつて振動燃焼が発
生するという点が、重要な実験結果であるもので
ある。
約60Hz、約90Hzの固有振動が、第2図fでは約30
Hzの固有振動が発生していることがわかる。すな
わち、空燃比が理想の燃焼状態である1の値から
はずれるとき、振動燃焼が発生し固有振動が励起
されることが明らかとなる。本実験のこの固有振
動は周波数が低いことからヘルムホルツ振動に基
づくものと推定されるが、後述する本発明の構成
から、励起される固有振動はヘルムホルツ振動に
限られることなく音響学的共鳴振動であつてもよ
く、要するに空燃比の変化によつて振動燃焼が発
生するという点が、重要な実験結果であるもので
ある。
更に第3図には、第2図a,fにみられる1次
の固有振動の周波数領域である30Hzのバンドパス
フイルタのパワースペクトルと、全周波数領域の
パワースペクトルの比の値であるαと、空燃比
A/Fとの関係を図示する。データが縦長の棒で
記録されているのは実験のバラツキを示してい
る。このデータからわかるように固有振動の領域
の周波数成分の割合がA/Fの値の減少とともに
増大していることがわかる。αがA/F=1.4近
傍で再び大きくなるのは、励起される1次の固有
振動によるものと考えられる。
の固有振動の周波数領域である30Hzのバンドパス
フイルタのパワースペクトルと、全周波数領域の
パワースペクトルの比の値であるαと、空燃比
A/Fとの関係を図示する。データが縦長の棒で
記録されているのは実験のバラツキを示してい
る。このデータからわかるように固有振動の領域
の周波数成分の割合がA/Fの値の減少とともに
増大していることがわかる。αがA/F=1.4近
傍で再び大きくなるのは、励起される1次の固有
振動によるものと考えられる。
この第3図から明らかとなるように、αの値を
検出すれば、一義的に空燃比を検出することがで
きることになるのである。第4図にこのαの値を
求めるための一実施例を示す。光電センサ11に
より電気信号に変換された火炎の光信号はアンプ
12で増巾された後、ハイパスフイルタ13で火
炎の直流成分光を除去され、ついで固有振動用バ
ンドパスフイルタ14に入力される。このバンド
パスフイルタ14の通過周波数帯域は、振動燃焼
の発生する固有振動の周波数帯域に合わせられて
いる。ここで固有振動は1次に限られることな
く、最も発生し易いものであればよい。バンドパ
スフイルタ14の出力は整流回路15で整流さ
れ、積分回路16で直流化された後、割算回路2
0に入力する。第3図のデータの例でみるなら
ば、この入力値がαの分子となるパワースペクト
ルとなる。一方、ハイパスフイルタ13の出力
は、フイルタ17にも入力される。このフイルタ
17は必ずしも必要なものではなく、たとえば第
3図の例におけるように、このフイルタ17を通
らない全周波数領域のパワースペクトルが次段の
整流回路18に入力される。要するに空燃比A/
Fと、パワースペクトルの比αに一義的な関係が
できるようにフイルタ17のフイルタ特性は選択
されるものである。なおフイルタ17としてハイ
パスフイルタを用いると、低い周波数成分をカツ
トすることになるので、積分回路19の時定数を
小さくでき、高速応答性を実現できるという利点
はある。フイルタ17の出力は、同様に整流回路
18で整流され積分回路19で直流化された後、
割算回路20に入力する。第3図のデータの例で
みるならば、この入力値がαの分母となるパワー
スペクトルである。割算回路20は積分回路16
と積分回路19の出力値の除算を行い、その演算
結果を出力する。第3図のデータの例でみるなら
ば、この除算の出力値がαに対応するものである
ことから、この値から火炎の空燃比A/Fが検出
できることになるのである。また、割算回路20
に代えて、減算回路を用いることもできる。
検出すれば、一義的に空燃比を検出することがで
きることになるのである。第4図にこのαの値を
求めるための一実施例を示す。光電センサ11に
より電気信号に変換された火炎の光信号はアンプ
12で増巾された後、ハイパスフイルタ13で火
炎の直流成分光を除去され、ついで固有振動用バ
ンドパスフイルタ14に入力される。このバンド
パスフイルタ14の通過周波数帯域は、振動燃焼
の発生する固有振動の周波数帯域に合わせられて
いる。ここで固有振動は1次に限られることな
く、最も発生し易いものであればよい。バンドパ
スフイルタ14の出力は整流回路15で整流さ
れ、積分回路16で直流化された後、割算回路2
0に入力する。第3図のデータの例でみるなら
ば、この入力値がαの分子となるパワースペクト
ルとなる。一方、ハイパスフイルタ13の出力
は、フイルタ17にも入力される。このフイルタ
17は必ずしも必要なものではなく、たとえば第
3図の例におけるように、このフイルタ17を通
らない全周波数領域のパワースペクトルが次段の
整流回路18に入力される。要するに空燃比A/
Fと、パワースペクトルの比αに一義的な関係が
できるようにフイルタ17のフイルタ特性は選択
されるものである。なおフイルタ17としてハイ
パスフイルタを用いると、低い周波数成分をカツ
トすることになるので、積分回路19の時定数を
小さくでき、高速応答性を実現できるという利点
はある。フイルタ17の出力は、同様に整流回路
18で整流され積分回路19で直流化された後、
割算回路20に入力する。第3図のデータの例で
みるならば、この入力値がαの分母となるパワー
スペクトルである。割算回路20は積分回路16
と積分回路19の出力値の除算を行い、その演算
結果を出力する。第3図のデータの例でみるなら
ば、この除算の出力値がαに対応するものである
ことから、この値から火炎の空燃比A/Fが検出
できることになるのである。また、割算回路20
に代えて、減算回路を用いることもできる。
一般に、振動燃焼の固有振動は燃焼装置によつ
て異なるものである。これから固有振動の周波数
に合わせるべく、固有振動用ハンドパスフイルタ
は周波数可変なもの、あるいは複数のものから選
択可能なものとなるようにすれば、更に実用的な
ものとなる。以上のようにこの発明によれば、光
電変換手段より出力された火炎の光量変化に対応
する電気信号を第1、第2のパワースペクトル検
出手段に入力し、この両パワースペクトル検出手
段の各出力の比または差を演算するように構成し
たので、火炎の光を分光する必要がなく、回折格
子等が不要であり、簡単かつ安価な構成で高信頼
性の空燃比検出装置を得ることができる。
て異なるものである。これから固有振動の周波数
に合わせるべく、固有振動用ハンドパスフイルタ
は周波数可変なもの、あるいは複数のものから選
択可能なものとなるようにすれば、更に実用的な
ものとなる。以上のようにこの発明によれば、光
電変換手段より出力された火炎の光量変化に対応
する電気信号を第1、第2のパワースペクトル検
出手段に入力し、この両パワースペクトル検出手
段の各出力の比または差を演算するように構成し
たので、火炎の光を分光する必要がなく、回折格
子等が不要であり、簡単かつ安価な構成で高信頼
性の空燃比検出装置を得ることができる。
また、火炎の光信号を電気信号に変換する光電
センサが汚れた場合、この汚れによつて光電セン
サの出力はk倍(k<1)となるが、第1、第2
のパワースペクトル検出手段の出力の比または差
を演算するため、この演算時にkが打ち消し合
い、光電センサの汚れは演算結果には影響しな
い。
センサが汚れた場合、この汚れによつて光電セン
サの出力はk倍(k<1)となるが、第1、第2
のパワースペクトル検出手段の出力の比または差
を演算するため、この演算時にkが打ち消し合
い、光電センサの汚れは演算結果には影響しな
い。
また、一対の光電センサの出力信号を差動アン
プ23に入力する差動構成であるから、外乱光の
影響も互いに打ち消し合うことになる。
プ23に入力する差動構成であるから、外乱光の
影響も互いに打ち消し合うことになる。
この結果、空燃比を高精度に検出できるという
効果がある。
効果がある。
第1図は本発明のための基礎実験装置のブロツ
ク構成図、第2図は第1図の装置による実験で得
られた光信号の振巾のlog値とA/Fとの関係を
示すグラフ、第3図はαと空燃比との関係を示す
グラフ、第4図は本発明の一実施例による空燃比
検出装置の構成を示ブロツク図、第5図は本発明
の他の実施例の一部を示すブロツク図である。 11……光電センサ、12……アンプ、13…
…ハイパスフイルタ、14……バンドパスフイル
タ、15……整流回路、16……積分回路、17
……フイルタ、18……整流回路、19……積分
回路、20……割算回路、21,22……光電セ
ンサ、23……差動アンプ。
ク構成図、第2図は第1図の装置による実験で得
られた光信号の振巾のlog値とA/Fとの関係を
示すグラフ、第3図はαと空燃比との関係を示す
グラフ、第4図は本発明の一実施例による空燃比
検出装置の構成を示ブロツク図、第5図は本発明
の他の実施例の一部を示すブロツク図である。 11……光電センサ、12……アンプ、13…
…ハイパスフイルタ、14……バンドパスフイル
タ、15……整流回路、16……積分回路、17
……フイルタ、18……整流回路、19……積分
回路、20……割算回路、21,22……光電セ
ンサ、23……差動アンプ。
Claims (1)
- 1 一対の光電センサと該光電センサの出力を入
力する差動アンプとを有し火炎の光量の変化に対
応する電気信号を出力する光電変換手段と、この
光電変換手段の出力信号の周波数帯域巾の一部も
しくは全部のパワースペクトルを検出する第1の
パワースペクトル検出手段と、上記光電センサの
出力信号の周波数帯域巾のうち、燃焼装置の固有
振動の周波数帯域内の周波数を有する成分のパワ
ースペクトルを検出する第2のパワースペクトル
検出手段と、上記第1および第2のパワースペク
トル検出手段の各出力の比または差を演算して空
燃比を検出する演算手段とを備えた空燃比検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59070143A JPS60213725A (ja) | 1984-04-10 | 1984-04-10 | 空燃比検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59070143A JPS60213725A (ja) | 1984-04-10 | 1984-04-10 | 空燃比検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60213725A JPS60213725A (ja) | 1985-10-26 |
| JPH0331969B2 true JPH0331969B2 (ja) | 1991-05-09 |
Family
ID=13423052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59070143A Granted JPS60213725A (ja) | 1984-04-10 | 1984-04-10 | 空燃比検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60213725A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0826988B2 (ja) * | 1987-06-03 | 1996-03-21 | トヨタ自動車株式会社 | 燃焼制御方法及びその方法を使用する燃焼制御装置 |
| JPH0833196B2 (ja) * | 1989-05-17 | 1996-03-29 | トヨタ自動車株式会社 | バーナの燃焼制御装置 |
| JP2540990B2 (ja) * | 1990-07-05 | 1996-10-09 | トヨタ自動車株式会社 | バ―ナの燃焼制御装置 |
| EP0581451B1 (en) * | 1992-07-01 | 1996-10-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Combustion control method |
| US8070482B2 (en) * | 2007-06-14 | 2011-12-06 | Universidad de Concepción | Combustion control system of detection and analysis of gas or fuel oil flames using optical devices |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4043742A (en) * | 1976-05-17 | 1977-08-23 | Environmental Data Corporation | Automatic burner monitor and control for furnaces |
| JPS5835323A (ja) * | 1981-08-26 | 1983-03-02 | Ebara Corp | バ−ナの空気比測定装置 |
-
1984
- 1984-04-10 JP JP59070143A patent/JPS60213725A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60213725A (ja) | 1985-10-26 |
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