JPH06323529A

JPH06323529A - 燃焼装置

Info

Publication number: JPH06323529A
Application number: JP5114592A
Authority: JP
Inventors: Keijiro Kunimoto; 啓次郎国本; Yukio Nagaoka; 行夫長岡; Fumitaka Kikutani; 文孝菊谷; Hideo Tomita; 英夫富田; Junichi Ueda; 順一植田; Yoichi Kimura; 洋一木村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】燃焼装置の燃焼状態を遅れなく検知して空燃
比を最適化し、機器の安全性を確保し、最適な安定した
燃焼状態とすることを目的とする。【構成】バーナ２による燃焼状態を検知する燃焼状態
検知装置５と、燃焼状態検知装置５の応答遅れを出力変
化の微分値と時定数により補正する補正手段１４と、バ
ーナ２への燃料の供給量を制御する比例弁６の制御量お
よび時間経過に応じて時定数を変更する時定数設定手段
１３と、予め最適な空燃比における燃焼状態検知装置５
の出力を設定した燃焼状態設定手段１０と、燃焼状態設
定手段１０の設定値と補正手段１４の出力の偏差が小さ
くなるように、バーナ２に空気を送るファン３の回転数
を制御する制御手段１５を設けた構成により、燃焼状態
の変化に対して検出遅れすることなくファン３の制御を
行うことができ、何等かの要因で空燃比が設定よりも外
れても、空燃比を最適値に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼状態を検出してフ
ァンの供給風量を制御する燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下に従来の燃焼装置について説明す
る。

【０００３】図５に示すように、バーナ４１による燃焼
状態を検出するセンサ４２の検出値に応じてファン４３
の通風量を制御する制御手段４４は、予め求めた空燃比
とセンサ４２の検出値の関係から現時点の空燃比を求め
て、目標とする空燃比と比較し、目標との差を減少させ
るようにファン４３の送風量を制御していた。なお、セ
ンサ４２には温度センサや酸素センサなどが用いられて
いる。

【０００４】上述の制御は、空燃比とセンサ４２の起電
力の関係を示した図６において、起電力のほぼＡからＢ
の範囲でなされ、最適値Ｃの空燃比の起電力Ｅと現時点
のセンサ４２の起電力との偏差が分かる。すなわち、偏
差が正であれば風量を増加させ、負であれば風量を減少
させるように動作させて、空気や燃料の過不足の検出、
調節により最適な燃焼状態となるように制御されてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では、例えばセンサ４２により火炎温度を検
出する場合、センサ４２が加熱されるまでの応答遅れが
あり、強風等による何等かの要因で空燃比が急激に設定
値から外れた場合、センサ４２による検出が間に合わず
異常加熱や吹き消えや逆火現象などの異常事態が発生し
て機器の安全性が確保できないという問題点、また、セ
ンサ４２の応答速度は、燃焼開始時や燃焼量の大小によ
っても変わるのでセンサ４２を用いたフィードバック制
御が難しく安定した燃焼状態が得られないという問題点
を有していた。

【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、空燃比を最適化し、機器の安全性を確保でき、最適
な安定した燃焼状態が得られる燃焼装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１に記載する燃焼装置は、バーナに空
気を送るファンと、バーナへの燃料の供給量を制御する
比例弁と、バーナによる燃焼状態を検知する燃焼状態検
知装置の検出値の微分値と時定数により検出遅れを補正
する補正手段と、時定数を燃焼の時間経過に応じて変更
する時定数設定手段と、予め最適な空燃比における燃焼
状態検知装置の出力を設定した燃焼状態設定手段の設定
値と補正手段の出力の偏差が小さくなるようにファンの
送風量を制御する制御手段を備えた構成とし、請求項２
記載の発明は、時定数設定手段を比例弁による燃料の制
御量に応じて時定数を変更する構成とし、請求項３記載
の発明は、時定数設定手段を燃焼開始から所定時間まで
の間に比例弁による燃料の制御量および時間経過に応じ
て時定数を変更する初期モードと、所定時間以降は比例
弁による燃料の制御量のみに応じて時定数を変更する定
常モードとで構成したものである。

【０００８】

【作用】この構成において、何等かの要因で空燃比が非
常に小さくなったとき、火炎がバーナに近接して燃焼す
るので、バーナ温度が上昇し燃焼状態検知装置の出力が
上昇し始める。補正手段は、この上昇の微分値と時定数
を乗じて燃焼状態検知装置の定常値を予測し出力する。
この時定数は、時定数設定手段により実際の時定数変化
に合わせて、比例弁の制御量および燃焼開始時の経過時
間に応じた値が設定される。そして、状態設定手段の設
定値と比較し、偏差が正であれば、正のレベルに応じて
ファンの送風量を増加させる。この結果、火炎がバーナ
から少し離れた最適状態で燃焼することとなり、その
後、先の要因が解除されたとき、ファンの送風量の増加
分、空燃比が大きくなり、火炎がバーナからさらに離れ
て燃焼するので、燃焼状態検知装置の出力が低下する。
そして、偏差が負となれば負のレベルに応じてファンの
送風量を減少させる。したがって、火炎がバーナからリ
フトすることなく、外乱に対して素早く安定した燃焼状
態となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて
説明する。

【００１０】図１に示すように、燃焼室１に配設したバ
ーナ２に空気を送るファン３と、温接点（図示せず）を
燃焼室１に内設した熱電対４を有する燃焼状態検知装置
５と、バーナ２のノズル２ａへの燃料ガスの供給量を制
御する比例弁６と、空燃比制御装置７で構成され、燃焼
室１の上部には例えば給湯器や風呂釜として使用される
熱交換器８が配設されている。

【００１１】空燃比制御装置７は、熱電対４の起電力を
検出する検出部９と、熱電対４の目標起電力を設定した
燃焼状態設定手段１０と、燃焼量設定部１１の設定信号
とタイマー１２の信号に応じて燃焼状態設定手段１０の
時定数を設定する時定数設定手段１３と、検出部９の検
出信号の微分値と時定数設定手段１３の設定値により検
出応答遅れを補正する補正手段１４と、補正手段１４の
出力と燃焼状態設定手段１０の設定値とを比較し、両者
の偏差に応じた制御信号を出力する制御手段１５と、制
御手段１５の信号の上限と下限を定めるリミッタ１６
と、制御手段１５の信号に応じてファン３の回転数を駆
動制御するファンドライバー回路１７と、燃焼量設定部
１１の設定信号に応じて比例弁６を駆動する比例弁ドラ
イバー回路１８より構成されている。

【００１２】補正手段１４は燃焼状態検知装置５の微分
値と時定数設定手段１３の設定する時定数から安定状態
を予測し、この応答遅れを補正するもので、検出部９の
検出値の時間的変化の微分値と時定数を乗ずる状態予測
部１９と、状態予測部１９の演算値を移動平均する平均
部２０により構成されている。

【００１３】空燃比と燃焼状態検知装置５の熱電対４の
起電力との間には図６に示したように燃焼量別に一定の
相関があり、熱電対４で検知した起電力から空燃比が求
められる。燃焼状態設定手段１０は最適な空燃比におけ
る熱電対４の起電力Ｅを予め目標値として設定してい
る。

【００１４】熱電対４はバーナ２の燃焼により温接点が
加熱され冷接点（図示せず）との温度差により起電力が
発生するが熱電対４には固有の熱応答遅れがあり、燃焼
状態が急変して温接点の周囲の温度が急変した場合、正
確な起電力を発生して安定するまでに時間を要する。す
なわち、図２（ａ）に示すように、熱電対４の起電力
は、燃焼の安定状態や燃焼量の大小により、所定の起電
力に到達するまでの応答速度が異なる。一般に、一次遅
れの要素であれば時定数は一定値を示すはずであるが、
温接点と冷接点の応答の差や、熱伝達率の変化等の影響
により一定値とならず、応答速度は図２（ｂ）に示すよ
うに一次遅れの時定数となる。そこで、時定数設定手段
１３は図２（ｃ）に示すように、燃焼量および経過時間
に応じて時定数を段階的に設定する。すなわち、燃焼開
始時は経過時間Ｔ０からＴ８までの時定数を段階的に変
更させ、Ｔ８以降は安定時の時定数とする。また、その
値は各燃焼量毎に設定する。

【００１５】時定数設定手段１３における時定数の設定
値（秒）を（表１）に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】タイマー１２の経過時間がＴ８までを初期
モード、Ｔ８以降を安定モードとしている。初期モード
は時間経過とともに設定値を８段階に変更し、安定モー
ドでは、一定値としている。また、燃焼量設定部１１の
設定する燃焼量により大小２レベルの設定値を設ける。

【００１８】熱電対４の熱応答が一次遅れと仮定すると
次の微分方程式により応答遅れを相殺した安定状態の起
電力が求められる。

【００１９】Ｅｃ＝Ｅｉ＋Ｔ×（ｄＥｉ／ｄｔ）ただし、Ｅｃ：安定状態の起電力Ｅｉ：変化状態（現時点）の起電力Ｔ：熱電対の時定数ｄＥｉ／ｄｔ：起電力の時間的微分値しかし、起電力の変化状態は、炎の揺らぎやノイズによ
る変動成分を含んでおり、そのため微分値は大きく変動
してしまう。補正手段１４の平均部２０は、この変動成
分を移動平均により吸収するものである。

【００２０】移動平均は、デジタル計測における計測値
の変動吸収に用いられているもので、移動平均時間を変
動成分の変動周期より大きく取れば良好な結果が得られ
る。ただし、平均時間を大きくすると平均による応答遅
れが発生するため、制御上問題にならない時間設定が必
要となる。

【００２１】制御手段１５は、補正手段１４の出力と燃
焼状態設定手段１０の設定値とを比較し、両者の偏差が
小さくなるようファン３の比例制御信号を出力する。す
なわち、偏差が正であれば、正のレベルに比例してファ
ン３の回転数を増加させ、偏差が負であれば負のレベル
に比例してファン３の回転数を減少させる。

【００２２】タイマー１２は、燃焼開始と同時にスター
トし、時定数設定手段１３に経過時間信号を出力する。

【００２３】リミッタ１６は、燃焼量設定部１１の設定
信号に応じてファン３の回転数の制御範囲を限定する。
図中の２１はバーナ２の燃焼時の火炎を示す。

【００２４】以上のように構成された燃焼装置につい
て、以下その動作を説明する。安定モードにおける通常
の燃焼動作では、ファン３から供給される空気はバーナ
２に分配される。一方、バーナ２のノズル２ａから噴出
される燃料はバーナ２の内部で空気と混合する。このバ
ーナ２からの混合気は上部より噴出して火炎２１を形成
する。

【００２５】次に、例えば無風状態から突然強風が発生
したときなどの空燃比が非常に小さくなった場合と、逆
に強風状態から突然無風状態になったときなどの空燃比
が非常に大きくなった場合の両極端について、図３を用
いて説明する。

【００２６】最初に、時刻ｔ０において無風状態から突
然強風が発生し、この強風による排気抵抗の増加に伴
い、空燃比が非常に小さくなった場合について説明す
る。この場合、火炎２１がバーナ２に近接して燃焼する
ので、バーナ２の温度上昇に伴い熱電対４の温接点が火
炎２１の輻射により加熱されて燃焼状態検知装置５の出
力２２が上昇し始める。しかし熱電対４は雰囲気温度２
３に対して応答遅れがあり、正確な検出が行われない。
この応答遅れの補正手段１４の状態予測部１９による演
算結果２４は雰囲気温度２３に近似した値が得られる
が、微分による変動増幅がある。これを平均部２０によ
り移動平均した平均値２５が補正手段１４の補正値とな
る。ここでは、燃焼量一定の安定モード状態であるの
で、燃焼状態検知装置５の時定数設定は一定値である。
制御手段１５は平均値２５の補正値と燃焼状態設定手段
１０の設定値２６を比較し、その偏差ｄｅに応じてファ
ン３の回転数２７を増加させ、偏差ｄｅが０となる回転
数２７ａまで増加が続く。この結果、時刻ｔ１でファン
３から所定の空気量が供給され、空燃比２８は所定値に
復帰する。これに伴い、火炎２１はバーナ２から所定の
距離で燃焼するので、バーナ２の熱劣化・変形を防止で
きる。

【００２７】続いて、時刻ｔ２において強風状態から突
然無風状態になり、強風による排気抵抗が解消した場合
について説明する。この場合、逆にファン３の回転数が
増加した分、空燃比２８が非常に大きくなり、火炎２１
がバーナ２から所定より離れて燃焼するので、燃焼状態
検知装置５の出力２２が低下し始める。したがって、補
正手段１４の平均値２５の補正値は燃焼状態設定手段１
０の設定値２６より低くなり、負の偏差−ｄｅが発生す
る。この偏差−ｄｅに応じてファン３の回転数２７を減
少させ、偏差−ｄｅが０となる回転数２７ｂまで減少は
続く。したがって、時刻ｔ３においてファン３の回転数
２７は初期値の無風時の値に復帰し、空燃比２８も所定
の値に戻る。このように、燃焼状態検知装置５の応答遅
れを補正手段１４により補正することにより、短時間で
火炎２１がバーナ２からリフトすることを防止し、安定
した燃焼状態が実現できる。

【００２８】次に、燃焼開始時の初期モードの動作につ
いて、燃焼量小の場合を例に図４を用いて説明する。

【００２９】時刻Ｔ０に燃焼を開始すると、バーナ２の
温度の上昇に伴い燃焼状態検知装置５の起電力２９が目
標起電力３０にむけて上昇し始める。この時の起電力の
時定数は図３（ｂ）に示したように時間とともに変化す
る。この変化に合わせて時定数設定値３１を（表１）に
示したようにＴ０からＴ８まで８段階に変更させる。こ
の時定数を用いて状態予測部１９と平均部２０により時
定数設定値３１と起電力２９の微分値から求めた状態予
測部１９の演算結果３２を用いて、ファン３の制御を行
うと、平均部２０により演算結果３２を移動平均した平
均値３３と空燃比３４の関係は図６の起電力と空燃比の
相関に一致する。したがって、燃焼開始時の起電力の応
答速度の変化に対して正確かつ早い制御が可能となる。

【００３０】時刻Ｔ８以降は安定モードの時定数での運
転状態となる。図中の３５はファン３の標準回転数、３
６はファン３の実際回転数、３７は空燃比の目標値であ
る。

【００３１】燃焼量が小の場合の時定数設定について上
述したが、燃焼量が大の場合も、時定数設定手段１３は
実際の起電力応答変化に合わせて時定数を設定するの
で、上述の図４と同様の動作となる。

【００３２】なお、燃焼状態検知装置５は、サーミス
タ、酸素センサ、フレームロッドを用いても同様の効果
が得られる。また、制御手段１５による制御は、ファン
３の回転数の制御によるのみでなくバーナ２へ空気を供
給する空気孔のダンパ開度を調節して行なってもよい。

【００３３】以上のように本実施例によれば次の効果が
得られる。時定数設定手段１３が燃焼の時間経過に応じ
て変更することにより、実際の燃焼状態検知装置５の時
定数の変化に近似し、この時定数を基に補正手段１４は
燃焼状態検知装置５の応答遅れを補正するので、燃焼開
始時の燃焼状態検知装置５の応答速度が変化する状況で
あっても、強風等による空燃比変化に正確かつ素早く対
応してファン３の回転数を制御することができるので、
燃焼装置の熱劣化・変形の防止が図れ、さらに、火炎２
１がバーナ２からリフトすることを防止し、安定した燃
焼状態にできる。

【００３４】時定数設定手段１３を比例弁６の制御量に
応じて時定数を変更する構成とすることにより、燃焼量
の変更に伴う燃焼状態検知装置５の応答速度の変化に対
して、正確に燃焼状態が検知でき、良好な空燃比制御が
できる。

【００３５】時定数設定手段１３を燃焼開始から所定時
間までの間に比例弁６の制御量および時間経過に応じて
時定数を変更する初期モードと、所定時間以降は比例弁
６の制御量のみに応じて時定数を変更する定常モードと
により構成することにより、燃焼量の変更と燃焼開始時
の複合状態においても、正確に燃焼状態が検知でき、良
好な空燃比制御ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように本発明
は、バーナに空気を送るファンと、バーナへの燃料の供
給量を制御する比例弁と、バーナによる燃焼状態検知装
置の検出値の微分値と時定数により検出遅れを補正する
補正手段と、時定数を燃焼の時間経過に応じて変更する
時定数設定手段と、予め最適な空燃比における燃焼状態
検知装置の出力を設定した燃焼状態設定手段の設定値と
補正手段の出力の偏差が小さくなるようにファンの送風
量を制御する制御手段を備えた構成、また時定数設定手
段を比例弁による燃料の制御量に応じて時定数を変更す
る構成、さらに時定数設定手段を燃焼開始から所定時間
までの間に比例弁による燃料の制御量および時間経過に
応じて時定数を変更する初期モードと、所定時間以降は
比例弁による燃料の制御量のみに応じて時定数を変更す
る定常モードとにした構成により、空燃比を最適化し、
機器の安全性を確保でき、最適な安定した燃焼状態が得
られる優れた燃焼装置を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の燃焼装置の構成の概念を示
す断面略図

【図２】（ａ）は同燃焼装置の燃焼状態検知装置の起電
力のグラフ（ｂ）は同燃焼装置の燃焼状態検知装置の時定数のグラ
フ（ｃ）は同燃焼装置の時定数設定手段の時定数設定値の
グラフ

【図３】同燃焼装置の強風発生時の制御特性図

【図４】同燃焼装置の燃焼開始時の制御特性図

【図５】従来の燃焼装置の構成の概念を示す断面略図

【図６】燃焼装置の空燃比と燃焼状態検知装置の起電力
の相関図

【符号の説明】

２バーナ３ファン５燃焼状態検知装置６比例弁７空燃比制御装置１０燃焼状態設定手段１３時定数設定手段１４補正手段１５制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富田英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者植田順一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者木村洋一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナと、前記バーナに空気を送るファ
ンと、前記バーナへの燃料の供給量を制御する比例弁
と、前記バーナによる燃焼状態を検知する燃焼状態検知
装置を備え、前記燃焼状態検知装置の検出値の微分値と
時定数により検出遅れを補正する補正手段と、前記時定
数を燃焼の時間経過に応じて変更する時定数設定手段
と、予め最適な空燃比における燃焼状態検知装置の出力
を設定した燃焼状態設定手段と、前記燃焼状態設定手段
の設定値と前記補正手段の出力の偏差が小さくなるよう
に前記ファンの送風量を制御する制御手段とで構成した
空燃比制御装置を備えた燃焼装置。
【請求項２】時定数設定手段は、比例弁による燃料の
制御量に応じて時定数を変更する構成とした請求項１記
載の燃焼装置。
【請求項３】時定数設定手段は、燃焼開始から所定時
間までの間に比例弁による燃料の制御量および時間経過
に応じて時定数を変更する初期モードと、前記所定時間
以降は前記比例弁による燃料の制御量のみに応じて時定
数を変更する定常モードとで構成した請求項１記載の燃
焼装置。