JPH0833196B2 - バーナの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナの燃
焼制御装置に関するものである。

（従来の技術） 液体または気体の燃料を燃焼させるバーナにおいて
は、燃焼中その燃焼状態を最適に維持することが望まし
い。このため、例えば特開昭63−306310号公報に開示さ
れているように、バーナの火炎が発生する光強度信号を
フォトトランジスタ、フォトダイオードあるいは太陽電
池等の半導体を使用して電気信号に変換し、その振動波
形の周波数解析の結果得たパワースペクトルの積分値を
利用して燃焼制御を行なうものがある。また、特開昭60
−213725号公報に開示されているように、光電センサ
と、光電センサにより電気信号に変換された火炎の光信
号をアンプを介して接続されたハイパスフィルタと、こ
のハイパスフィルタから出力された信号を整流・直流化
する第１のパワースペクトル検出手段と、固定振動用バ
ンドパスフィルタが設けられ、ハイパスフィルタから出
力された信号を振動燃焼の発生する固有振動の周波数領
域に合わせて通過させ、整流・直流化する第２のパワー
スペクトル検出手段と、第１および第２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演算手段と
を備えた空燃比検出装置も知られている。このものは、
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
たエアーリッチあるいは燃料リッチの状態において明確
に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を検出するものであ
る。上記第２パワースペクトル検出手段は光電センサの
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。しかしながらこのように火炎から発生する
光を利用する方法では、複数個のバーナを用いるときに
その配置如何によっては良好な火炎検出が行なえなかっ
たり、バーナの火炎が被加熱物に直接当てられていた場
合に、光センサによって光の検出ができないことになる
ことがあった。さらに火炎からの光を電気信号に変換す
るためのフォトダイオード等の素子を必要とするので、
これら破損しやすい素子への特別の配慮も必要となっ
た。

また、特開昭60−213725号公報に開示された空燃比検
出装置は、燃焼装置に振動燃焼が発生したことを検出す
るにとどまるものであった。

そこで本発明者らによって光の利用に代え、火炎中の
イオン電流を捉えてバーナの燃料制御を行なうようにし
た装置が提案されている（特願昭63−334619号（特開平
２−178517号公報））。これが本発明の先行技術とな
る。これを図を用いて説明する。第２図において符号１
で示すものは金属製品等を加熱処理するための炉であ
る。この炉１にはバーナ２が取付けられており、火炎３
を発生するようになっている。バーナ２には燃料供給管
４および燃焼用空気供給管５が接続されている。そして
燃料供給管４には流量調節弁６および流量計７が設けら
れ、燃焼用空気供給管５には、流量調節弁８が設けられ
ている。燃料の流量調節弁６の開度は、温度調節器９に
よって制御されるようになっている。すなわち、炉１に
は温度計10が設置されており、温度調節器９はこの温度
計10からの信号と上流流量計７からの信号を得て炉内温
度と設定温度との差から設定温度を得るに必要な燃焼量
（燃料流量）を演算し、出力するようになっている。

この出力は燃料の流量調節弁６と燃焼用空気の流量調
節弁８に対して与えられる。このため設定温度から炉内
温度がずれると設定温度に戻るように燃料および燃焼用
空気の空気が加減される。燃料の流量に対する燃焼用空
気の流量は、温度調節器８により、燃料流量を基に算出
されるが、その値が、そのまま燃焼用空気の流量調節弁
８に対して成されるのは好ましくない。たとえば炉１の
扉（図示せず）が開けられて炉１内に空気が侵入した場
合に、燃料流量を基に算出した出力でそのまま流量調節
弁８がコントロールされると排ガス損失が増大してしま
うし、またバーナ２の異常により燃料の微粒化状態が悪
化した場合には、そのままにしておくと燃焼不良によ
り、すすが大量に発生してしまうことになる。このよう
な不都合を解消するために、温度調節器９からの出力は
燃焼用空気流量補正器11にて補正した後、流量調節弁８
に出力するようになっている。

燃焼用空気流量補正器11は、温度調節器９と共に燃焼
用空気の流量調節部12を構成する。燃焼用空気流量補正
器11に対する補正用出力は次のような燃焼制御装置にお
いて作られる。これを説明する。炉１のバーナ２によっ
て生成される火炎３に臨む位置に電極棒13が取付けられ
ており、バーナ２の火炎放射部14には端子15が設けられ
ている。電極棒13はイオン電流遮断装置16の入力側に接
続され、イオン電流遮断装置16の出力側は検出器17の入
力側に接続されている。検出器17には端子15も接続され
ており、これによって検出器17は火炎３中のイオン電流
を検出するようになっている。前述のイオン電流遮断装
置16は、イオン電流信号を周期的に遮断する作用をす
る。

検出器17の出力側は、検出されたイオン電流信号を増
幅する増幅器18を介して、FFTアナライザ等からなる周
波数解析器19に接続され、イオン電流信号の周波数解析
が行なわれるようになっている。周波数解析器19の出力
側にはイオン電流振動調節計20が接続されている。この
イオン電流振動調節計20は、周波数解析器19が出力した
パワースペクトラム信号とイオン電流遮断装置16の出力
信号から燃焼状態の検出を行ない、これをあらかじめ記
憶している最適燃焼状態と比較して、その偏差により空
気流量補正係数を求め、その信号により流量調節計12に
より偏差を解消するに必要な燃焼用空気の流量を得るた
めの出力を流量調節弁８に発することになる。

ここで、イオン電流振動調節計20に入力されるイオン
電流遮断装置16からの信号について説明する。イオン電
流遮断装置16は前述したように、電極15からの信号を周
期的に遮断するもので、この遮断を行なうことにより、
システムへのノイズの影響を知るために使用される。す
なわち、遮断したとき、イオン電流振動調節計20に遮断
中であることを知らせ、そのとき求められたパワースペ
クトラム信号をノイズであると判断し、遮断されていな
いときのパワースペクトラム信号よりその分を除くこと
により、ノイズの影響を除去することになる。このため
イオン電流遮断装置16からは、現在遮断中であるか否か
をイオン電流振動調節計20に知らせるようになってい
る。

次に作用説明をする。この装置は前述のように、燃焼
装置において液体および気体燃料の燃焼を行なう場合
に、その燃焼火炎中のイオン電流の振動周波数が燃焼状
態によって変化する特性を利用したものである。燃焼火
炎中のイオン電流の変化を検出する方法としては、その
電流レベルを検出する方法もあるが、この装置において
は次のようにする。すなわち、燃焼により生ずる火炎３
中のイオン電流を検出するため、第４図に示すように火
炎３の先の部分に２本の電極棒13a,13bを平行に設け、
その間を流れるイオン電流を測定するか、あるいは第５
図に示すように火炎３中に１本の電極棒３を設け、この
電極棒３とバーナ２の火炎放射部14に設けた端子15との
間に生ずるイオン電流を検出するかになる（後者につい
ては第３図参照）。

これらいずれかの方法によって得たイオン電流信号
は、第６図に示すような振動したものとなる。この信号
は、周波数解析器19に入力され、第７図に示すようなパ
ワースペクトラムが求められる。このようにして求めら
れたパワースペクトラムは、第７図に示すように燃焼状
態の一つの指標である空燃比を変化させることにより、
高い側の周波数成分のレベルが変化する。この変化を制
御信号に変える方法としては、第８図に示すようなもの
がある。これは、燃焼状態の変化によりパワースペクト
ラムが大きく変化する特定周波数帯の積分値Ｂと全周波
数帯の積分値Ａの比B/Aを使用する方法である。

第９図は上記方法により求めた値の変化を表わしてい
る。この図から明らかなように、この方式により求めた
値は、燃焼状態の一指標である排ガスO₂の排出量（％）
の変化に追従して変化することになる。したがって、こ
の値を使用することにより燃焼状態の制御をすることが
可能である。また燃焼に起因するイオン電流の振動周波
数を基に計測しているため、火炎がなければ出力はゼロ
となる。この現象により火炎の有無を検知する手段とし
ても使用することができる。

次に、イオン電流振動調節計20内での処理内容を、第
３図を用いて説明する。まずステップ４−１でパワース
ペクトラム信号を入力し、次のステップ４−２でイオン
電流遮断装置16からの信号により、現在イオン電流信号
線が遮断されているか否かを判断し、遮断されていると
きにはステップ４−３に進み、第14図に示すような装置
外部からくるノイズと装置内部で発生しているノイズ等
により求められた信号をメモリーに記憶する。またステ
ップ４−２において遮断されていないと判断された場合
にはステップ４−４に進み、現状の火炎から得た信号か
ら求めたパワースペクトラム信号からステップ４−３に
おいてメモリーに記憶されたパワースペクトラム成分を
除き、真の火炎からのパワースペクトラム信号を得る。

次に、ステップ４−５では第12図のようにパワースペ
クトラム信号信号の全周波数帯の積分値Ａを算出し、ス
テップ４−６で特定周波数帯の積分値Ｂを算出する。こ
こで特定周波数帯は、燃焼状態の変化によりパワースペ
クトラムが最も大きく変化する周波数帯である。次にス
テップ４−７にて積分値比Ｊ←B/（Ａ−Ｂ）を求める。
一方、各種燃料流量に対する最適燃焼状態の積分値比
（パワースペクトラム比）Ｋがあらかじめ求められてお
り、そのデータは、イオン電流振動調節計20内に設定さ
れており、ステップ４−８にて現状の積分値比Ｊとの差
Ｌ←Ｊ−Ｋを求め、ステップ４−９でその偏差Ｌより燃
焼用空気流量補正係数Ｍを算出する。

このようにして求められた燃焼用空気流量補正係数Ｍ
は、イオン電流振動調節計20から燃焼用空気流量補正器
11に出力される。燃焼用空気流量補正器11は、燃焼用空
気流量補正係数Ｍの他に温度調節器９から基準空気流量
信号Ｎを受ける。この基準空気流量信号Ｎは温度調節器
９にて燃料流量信号を基に算出される。そして燃焼用空
気流量補正器11は信号M,Nを得、これによって補正演算
を行ない、その結果を流量調節弁８に出力し、その開度
を調節する。

（発明が解決しようとする課題） 以上説明した本発明の先行技術では、従来の火炎から
発生する光を利用する方法が有していた欠点を除去でき
る大きな効果はあるものの、その構成が、各種工業炉に
適合させるための様々な制御テーブルを内蔵し、さらに
周波数解析器をも有しているので回路が複雑となる。こ
のため、たとえばオン、オフのみの簡易的な燃焼制御を
行なう小規模の工業炉にこの燃焼制御装置を設置する場
合、それによって得られる効果に対し、設備コストが高
くなる問題が生じた。本発明は先行技術のものと同様
に、火炎燃焼状態の検出状態としてイオン電流を利用す
るものである。

ここでイオン電流による火炎燃焼状態の検出方法を説
明する。ある燃焼状態での時間軸に対するイオン電流の
変化は、第６図に示すような振動波形となる。前述した
先行技術のものにおいては、この振動波形を周波数分析
器により第７図に示すようなパワースペクトラムとして
得る。このパワースペクトラムは、第７図に示すように
空燃比の変化に伴って変化するため、第８図に示すよう
に全周波数帯Ａと特定周波数帯Ｂの積分比を求めること
で、第９図に示すような排ガスO₂と積分比（パワースペ
クトラム比）の比例関係を得て、O₂％に代わる指標であ
るパワースペクトラム比により燃焼制御を実施してい
た。

本発明がその特徴とするところは、先行技術のものが
用いていた周波数分析器を用いずに、フィルター、積分
器等の回路を利用して先行技術とほぼ同様の制御を行な
うことである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するための手段として、バ
ーナー２が発する火炎３の先の部分に入るように設けた
電極棒13とバーナ２の火炎放射部14に設けた端子15との
間に生ずるイオン電流を検出するイオン電流検出センサ
を有するバーナの燃焼制御装置であって、該イオン電流
検出センサからの信号を増幅する増幅器18を設け、該増
幅器18の出力側にイオン電流中の高周波成分を除去する
ローパスフィルタ21を接続し、該ローパスフィルタ21
に、ローパスフィルタ21を通った信号電流を整流して積
分する回路（整流器22および積分回路23）と、前記ロー
パスフィルタ21通過した信号電流中の低周波成分を除去
するハイパスフィルタ24を通過した信号電流を整流して
積分する回路（整流器25および積分回路26）とを並列に
接続し、両回路から出力された積分値によって燃料の量
に対する供給空気量の補正値を演算出力し（演算器2
7）、その補正値出力に従って供給空気量を制御する供
給空気量制御手段（空気流量補正調節計28）を設けた構
成としてある。

（作用） 上記構成とすれば、炉１のバーナ２が火炎３を放射す
るとき、この火炎３の先の部分に入るように設けた電極
棒13とバーナ２の火炎放射部14に設けた端子15との間に
生ずるイオン電流、を捉え、該イオン電流の信号の空燃
比の相違に関連して変化する底高周波成分から全周波数
帯の積分値を求め、さらに空燃比によって大きく変化す
る高い側の周波数成分帯の積分値を求めるため、空気比
に対してパワースペクトル積分比の変化率が大きくな
り、燃料供給量に対する供給空気量の確実な補正値を演
算出力することがができ、したがって確実に火炎３の調
節を行うことができる。また、周波数解析器を用いる必
要がないため、前述した先攻技術のものより簡単で安価
な回路によって、先行技術と同様の燃料制御を行うこと
ができる。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を第１図について、第２図の
ものと同一部材には同一の符号を付し、本発明特有の部
分を中心にして説明する。炉１のバーナ２が発する火炎
３の先の部分には、この火炎３の先の部分に入るように
電極棒13が取付けられており、バーナ２の火炎放射部14
には端子15が設けられている。電極棒13は、バーナ２の
火炎放射部14に設けられた端子15とともに、これらの間
に生ずるイオン電流を増幅する増幅器18の入力側に接続
されている。この増幅器18の出力側には、イオン電流中
の高周波成分を除去するローパスフィルタ21が接続され
ており、その出力側である後段は、二つの系路に分けて
ある。

この二つの系路のうちの一方の系路にはローパスフィ
ルタ21を通った信号電流を整流する整流器22とこの整流
後の脈流を平滑して直流化する積分回路23が接続されて
いる。二つの系路中の他方の系路には前記ローパスフィ
ルタ21を通過した信号電流中の低周波成分を除去するハ
イパスフィルタ24と、このハイパスフィルタ24を通過し
た信号電流を整流する整流器25ならびに整流後の脈流を
平滑して直流化する積分回路26が接続されている。

これら二つの系路は、積分回路23,26の出力側で合流
し、全周波数帯に対する特定周波数帯との関係を演算す
る演算器27の入力側に接続されている。そしてこの演算
器27の出力側には、この出力信号を受けて燃焼制御を行
う燃焼制御計として機能する空気流量補正調節計28が接
続されている。この空気流量補正調節計28の出力側はモ
ジュトロールモータ29に接続されている。バーナ２に
は、燃焼空気送給ファン30によって空気を送給するため
の燃焼用空気供給管31が接続されており、この燃焼用空
気供給管31内には半固定ダンパ弁32と、前述のモジュト
ロールモータ29によって開閉駆動される補正ダンパ弁33
とが設けられている。

燃料供給管４の途中で、流量計７の上流側には燃料噴
射ポンプ34が接続され、また流量計７の下流側には燃料
遮断弁35が接続されている。そしてこれら燃料噴射ポン
プ34と燃料遮断弁35および燃焼空気送給ファン30とは、
温度計10の出力信号を受けてこれを演算処理するマスタ
ーコントローラ36の出力側に接続されている。

このように構成されたバーナの燃焼制御装置は、次の
ように作動する。炉１におけるバーナ２が燃焼している
とき、温度計10は炉１内の温度を検出してマスターコン
トローラ36に送り、電極棒13はバーナ２の火炎放射部14
に設けられた端子15との間にイオン電流を検出すること
になる。温度計13からの信号がマスターコントローラ36
に入力されると、このマスターコントローラ36は、その
値を、あらかじめその内部に設定されている設定温度と
比較し、入力が設定温度の上限となれば、燃焼空気送給
ファン30と、燃料供給管４の途中に接続された燃料噴射
ポンプ34と燃料遮断弁35に停止信号を発信し、これらの
運転を停止する。そして温度計13の検出した温度が設定
温度の下限になれば、上記運転停止をしたそれぞれの機
器30,34,35には起動信号が発信される。これにより運転
は再開される。

燃料量100％の固定状態での運転中の燃料制御は、燃
焼用空気供給管31内に設けられた半固定ダンパ弁32によ
って、安全サイドでややエアーリッチとなるように調整
される。調整後の半固定ダンパ弁32は固定される。一
方、バーナ２の火炎放射部14に設けられた端子15と電極
棒13との間に流れる火炎イオン電流は、増幅器18で増幅
され、ローパスフィルタ21によって信号中の高周波成分
が除去され、その後信号は二つの系路に分岐される。二
つの系路のうちの一方の系路に流れた信号電流は、ロー
パスフィルタ21からの出力信号が整流器22によって整流
され、整流後は積分回路23によって平滑されて直流化さ
れる（積分値Ａ）。この積分値Ａの信号は演算器27に入
力される。

二系統中の他の一系統は、ハイパスフィルタ24で信号
中の低周波成分が除去され、その後整流器25で整流さ
れ、積分回路26で平滑されて直流化され（積分値Ｂ）た
後、演算器27に入力される。演算器27内ではB/（Ａ−
Ｂ）の演算が行なわれ、その結果が空気流量補正調節計
28に入力される。この空気流量補正調節計28はこの信号
から、先行技術について示した第３図のフローチャート
におけるステップ４−８以降の処理により得られた空気
流量補正係数に見合う信号を、モジュトロールモータ29
に送ることになる。モジュトロールモータ29はこれによ
って補正ダンパ弁33を調整し、最適な燃焼制御を行なう
ことになる。なお、この実施例においては補正ダンパ弁
33を半固定ダンパ弁32と別体にしているが、これらは兼
用形にすることも可能である。

この燃焼制御装置においては、燃焼に起因するイオン
電流を計測しているため、火炎３がなければ出力は０と
なる。このことより、火炎の有無を検知する手段として
も機能を、燃焼制御とあわせて利用することもできる。
ここでオン、オフの燃焼制御を行なう工業炉等の一般的
な初期空燃比調整について説明する。オン、オフ制御で
は、その燃料量も当然に０か100％のどちらかであり、
通常はその100％燃料流量に合わせて燃料空気量をダン
パ弁等で調整し、固定する。この場合、安全サイドとな
るように最適空気量よりもややエアーリッチに設定する
のが一般的である。年間を通じて運転する場合、夏季と
冬季とではその温度差により空気密度が変化するため、
通常は空気密度が小さくなる夏季に合わせて空気量の設
定をする。この場合にもエアーリッチにして安全サイド
に入るようにする。

夏季と冬季での空気の温度差が30degであり、夏季で
の排ガス中のO₂量が５％であるとすると、空気容積は夏
季を１とした場合、冬季は0.9に減少する。このため夏
季と冬季とでは、同じダンパ開度では、冬季は夏季に対
してさらにエアーリッチになり、排ガス中のO₂の量も約
6.6％となって排ガス損失が大きくなってしまう。これ
に対して本発明の燃焼制御装置を用いれば、この点が大
幅に改善されることになる。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように構成したバーナの燃焼制
御装置であるから、同一の目的を達成するために開発さ
れた前述の先行技術のものに比して、非常に簡単な構造
でありながら、同様の機能を得ることができることにな
る。したがって、たとえばオン、オフのみの簡易的な燃
焼制御を行なう、小規模の工業炉に設置することによっ
て、設備コストを著しく低減させることができることに
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は本発明に
対して先行技術となるものの回路図、第３図は第２図の
うちのイオン電流振動調節計内での処理内容を説明する
フローチャート図、第４図および第５図はバーナと電極
棒との位置関係を示す側面図、第６図は時間経過とイオ
ン電流の変化状態を示すグラフ、第７図はパワースペク
トラムの周波数との関係を示すグラフ、第８図は空燃比
を変化させることにより、変化する高い側の周波数成分
のレベルの変化を制御信号に変える方法を説明するため
のグラフ、第９図は排ガス中のO₂とパワースペクトラム
比との関係を示すグラフである。 １……炉 ２……バーナ ３……火炎 13……電極棒 14……放射部 15……端子 18……増幅器 21……ローパスフィルタ 22,25……整流器 23,26……積分回路 24……ハイパスフィルタ 27……演算器 28……空気流量補正調節計 29……モジュトロールモータ 31……燃焼用空気供給管 33……補正ダンパ弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸松 和也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 橘 敏治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−306310（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−213725（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナーが発する火炎の先の部分に入るよ
   うに設けた電極棒とバーナの火炎放射部に設けた端子と
   の間に生ずるイオン電流を検出するイオン電流検出セン
   サを有するバーナの燃焼制御装置であって 該イオン電流検出センサからの信号を増幅する増幅器を
   設け、該増幅器の出力側にイオン電流中の高周波成分を
   除去するローパスフィルタを接続し、該ローパスフィル
   タに、ローパスフィルタを通った信号電流を整流して積
   分する回路と、前記ローパスフィルタを通過した信号電
   流中の低周波成分を除去するハイパスフィルタを通過し
   た信号電流を整流して積分する回路とを並列に接続し、
   両回路から出力された積分値によって燃料の量に対する
   供給空気量の補正値を演算出力し、その補正値出力に従
   って供給空気量を制御する供給空気量制御手段を設けた
   ことを特徴とするバーナの燃焼制御装置。