特許 7402020 燃焼装置、筒内情報検出器及び信号処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】燃焼装置、筒内情報検出器及び信号処理装置

(51)【国際特許分類】

   F23N 5/12 20060101AFI20231213BHJP

【ＦＩ】

F23N5/12 K

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019205823

(22)【出願日】2019-11-13

(65)【公開番号】P2021076354

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-10-06

(73)【特許権者】

【識別番号】519048584

【氏名又は名称】株式会社セイブ・ザ・プラネット

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】泉 光宏

(72)【発明者】

【氏名】楠原 功

【審査官】古川 峻弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１８４１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０３０５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４０６９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｎ １／００－５／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

旋回流とされた混合気を導引させ筒内で前記混合気を燃焼させる燃焼筒と、
前記燃焼に関する筒内情報を得るためのイオン電流検出用の第１イオンプローブ及び第２イオンプローブと、
これらのイオンプローブから検出情報を受け、前記検出情報を電気信号として出力するイオン検出回路部と、
前記イオン検出回路部からの信号が入力される演算部と、を備え 、
前記第１イオンプローブ及び第２イオンプローブが、前記燃焼筒内の互いに異なる燃焼状態とされた領域に配置され、
前記演算部は、
前記第１イオンプローブから検出されたイオン電流及び前記第２イオンプローブから検出されたイオン電流のうち少なくとも一方に係数を乗算し、この乗算後にこれらを加算することで前記燃焼筒全体のイオン電流を求める、燃焼装置。

【請求項2】

旋回流とされた混合気を導引させ筒内で前記混合気を燃焼させる燃焼筒と、
前記燃焼に関する筒内情報を得るためのイオン電流検出用の第１イオンプローブ及び第２イオンプローブと、
これらのイオンプローブから検出情報を受け、前記検出情報を電気信号として出力するイオン検出回路部と、
前記イオン検出回路部からの信号が入力される演算部と、を備え 、
前記第１イオンプローブ及び第２イオンプローブが、前記燃焼筒内の互いに異なる燃焼状態とされた領域に配置され、
前記演算部は、
前記第１イオンプローブからのイオン電流に基づいて当量比に対する第１の傾き情報を算出する処理と、
前記第２イオンプローブからのイオン電流に基づいて当量比に対する第２の傾き情報を算出する処理と、
所定の当量比に対する前記第１の傾き情報と前記第２の傾き情報とのパターンを特定し、これに基づいて当量比の状態を判定する処理と、を実行させる、燃焼装置。

【請求項3】

前記混合気を前記燃焼筒の筒軸心線回りに旋回させるスワラが、前記燃焼筒の底壁に配置されている、請求項１又は２に記載の燃焼装置。

【請求項4】

前記第１イオンプローブが前記混合気の前記旋回流の主流の内部の領域に配置され、前記第２イオンプローブが前記混合気の前記旋回流の前記主流の外部の領域に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置。

【請求項5】

前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブのうち、少なくとも一方が配置される前記領域は、前記混合気の再循環領域である、請求項４に記載の燃焼装置。

【請求項6】

前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブがそれぞれ配置される前記領域は、いずれもが前記混合気の再循環領域である、請求項４に記載の燃焼装置。

【請求項7】

混合気の旋回流が投入される燃焼筒内の、互いに異なる燃焼状態とされた領域に配置されているイオン電流検出用の第１イオンプローブ及び第２イオンプローブと、
これらのイオンプローブからの検出情報を受け、前記検出情報を電気信号として出力するイオン検出回路部と、
前記イオン検出回路部からの信号が入力される演算部とを備え、
前記演算部は、
前記第１イオンプローブから検出されたイオン電流及び前記第２イオンプローブから検出されたイオン電流のうち、少なくとも一方に係数を乗算し、この乗算後にこれらを加算することで前記燃焼筒全体のイオン電流を求める、燃焼筒内情報検出器。

【請求項8】

混合気の旋回流が投入される燃焼筒内の、互いに異なる燃焼状態とされた領域に配置されているイオン電流検出用の第１イオンプローブ及び第２イオンプローブと、
これらのイオンプローブからの検出情報を受け、前記検出情報を電気信号として出力するイオン検出回路部と、
前記イオン検出回路部からの信号が入力される演算部とを備え、
前記演算部は、
前記第１イオンプローブから検出されたイオン電流に基づいて当量比に対する第１の傾き情報を算出する処理と、
前記第２イオンプローブから検出されたイオン電流に基づいて当量比に対する第２の傾き情報を算出する処理と、
所定の当量比に対する前記第１の傾き情報と前記第２の傾き情報とのパターンを特定し、これに基づいて当量比の状態を判定する処理と、を実行させる、燃焼筒内情報検出器。

【請求項9】

前記第１イオンプローブが前記混合気の前記旋回流の主流の内部の領域に配置され、前記第２イオンプローブが前記混合気の前記旋回流の前記主流の外部の領域に配置されている、請求項７又は８に記載の燃焼筒内情報検出器。

【請求項10】

前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブは、双方ともに、前記混合気の再循環領域に配置されている、請求項７から９のいずれかに記載の燃焼筒内情報検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃焼装置、燃焼に関する筒内情報検出器及び信号処理装置に関し、より詳しくは、連続燃焼を行う燃焼システム、高熱炉、ガスバーナーあるいはバイオマス燃焼システム等において、アンモニア等の難燃性の燃料を用いる燃焼装置、筒内情報検出器及び信号処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素の排出量削減の要求に伴い、炭素系の燃料に代わる燃料として、燃焼しても二酸化炭素を排出しないアンモニアへの期待が高まっている。一方、アンモニアは難燃性燃料であり、炭素系燃料と比較すると、初期着火に困難性があるばかりでなく、連続燃焼時における安定した燃焼状態の維持にも課題が残る。

【0003】

連続燃焼時に、アンモニアを含む混合気を、旋回流として燃焼筒内に送り込むことにより、広範囲に保炎できることが知られている。一方、実用条件を考慮すると、温度等の外部条件や燃焼装置の経時変化等の様々な外乱が懸念され、常に最適な燃焼状態を維持するためには、燃料流量や機関出力等の入出力情報にだけとどまらず、直接燃焼状態を把握することが求められる。

【0004】

昨今、直接燃焼状態を把握する手段として、イオン電流検出用のイオンプローブを用いる技術が開発されている。特許文献１は、点火プラグにイオン電流検出用の電極を追加した構造であり、一対の電極の一方に電圧を印加した時に流れる電流の大きさから、イオン電流を測定し、それにより、点火プラグ近傍の燃焼状態を把握している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１０－１５９７０５号公報。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、燃料混合気を旋回流にして、燃焼筒内に送り込んでいる燃焼装置では、燃焼状態が異なる複数の燃焼領域が生じ、一ヶ所でイオン電流を測定するだけでは、燃焼筒内全体の燃焼状態を正確に把握することは、困難であった。

【0007】

本発明の目的は、燃焼筒内において、燃焼状態の異なる複数の燃焼領域が生じている場合でも、全体の燃焼状態を、前記従来技術よりも、正確に把握できる燃焼装置を提供することである。さらに、全体の正確な燃焼状態の把握に役立つ筒内情報検出器及び信号処理装置を提供することも目的の一つである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る燃焼装置は、旋回流とされた混合気を導引させ筒内で前記混合気を燃焼させる燃焼筒と、前記燃焼に関する筒内情報をイオン電流から得るための複数のイオンプローブと、を備え、前記複数のイオンプローブは、各々が、前記燃焼筒内の空間のうち、異なる燃焼状態とされた領域に配置されている。

【0009】

この燃焼装置によると、複数の異なる燃焼状態の領域を、それぞれに配置されたイオンプローブにより、検出するので、燃焼筒内全体の燃焼状態を、従来よりも正確に把握できる。

【0010】

一実施形態の燃焼装置では、前記燃焼装置において、前記混合気を前記燃焼筒の筒軸心線回りに旋回させるスワラが、前記燃焼筒の底壁に配置されている。

【0011】

この燃焼装置によると、燃焼中、スワラにより、常に燃料混合気を強制的に旋回させているので、燃料混合気を燃焼筒内全体に広範囲に行き渡らせ、燃料効率が向上する。

【0012】

一実施形態の燃焼装置では、前記本発明又は前記最初の一実施形態において、前記複数のイオンプローブは、前記複数の領域のうち、前記混合気の前記旋回流の主流の内部の領域に配置されている第１イオンプローブと、前記複数の領域のうち、前記混合気の前記旋回流の前記主流の外部の領域に配置されている第２イオンプローブと、を含んでいる。

【0013】

この燃焼装置によると、旋回流の主流の内外に形成される両領域において、確実に燃焼状態を把握できる。

【0014】

一実施形態の燃焼装置では、二番目の一実施形態の燃焼装置において、前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブのうち、少なくとも一方が配置される前記領域は、前記混合気の再循環領域である。

【0015】

この燃焼装置によると、少なくとも一方のイオンプローブは、再循環領域に配置されるので、その領域における火炎の状態を、より確実に把握できる。

【0016】

一実施形態の燃焼装置では、二番目の一実施形態の燃焼装置において、前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブがそれぞれ配置される前記領域は、いずれもが前記混合気の再循環領域である。

【0017】

この燃焼装置によると、前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブともに、それぞれ再循環領域内に配置されるので、燃焼筒内全体において、さらに、確実に火炎の状態を把握できる。

【0018】

本発明に係る筒内情報検出器は、燃焼筒内の異なる燃焼状態とされた複数の領域に配置されている複数のイオンプローブからイオン電流に基づく検出情報を受け、前記検出情報を電気信号として出力するイオン検出部を備える。

【0019】

この筒内情報検出器によると、複数の異なる燃焼状態の領域を、それぞれに配置されたイオンプローブにより、イオン検出するので、燃焼筒内全体の燃焼状態を、従来よりも正確に把握できる。

【0020】

一実施形態の筒内情報検出器は、前記筒内情報検出器において、前記複数のイオンプローブは、前記複数の領域のうち、混合気の旋回流の主流の内部の領域に配置されている第１イオンプローブと、前記複数の領域のうち、前記主流の外部の領域に配置されている第２イオンプローブと、を含んでおり、前記イオン検出回路部は、前記第１イオンプローブから与えられた信号と、前記第２イオンプローブから与えられた信号と、を検出する。

【0021】

この筒内情報検出器によると、旋回流の主流の内外に形成される両領域において、確実に燃焼状態を把握できる。

【0022】

一実施形態の筒内情報検出器は、前記一実施形態の筒内情報検出器において、前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブは、双方ともに、前記混合気の再循環領域に配置されている。

【0023】

この筒内情報検出器によると、前記第１イオンプローブ及び前記第２イオンプローブともに、それぞれ再循環領域内に配置されるので、燃焼筒内全体において、さらに、確実に火炎の状態を把握できる。

【0024】

本発明に係る信号処理装置は、前記いずれかの実施形態に記載の筒内情報検出器と、前記筒内情報検出器から出力された異なる燃焼状態の領域に関する複数の出力信号が入力され、前記複数の出力信号を合成する、演算部と、を備える。

【0025】

この信号処理装置よると、異なる燃焼状態の領域に関する複数の出力信号を合成するので、筒内全体の燃焼状態を、正確に推定することができる。

【0026】

一実施形態の信号処理装置は、前記信号処理装置において、前記演算部は、前記第１イオンプローブから与えられた信号をＡＤ変換して第１の情報として記録する処理と、前記第２イオンプローブから与えられた信号をＡＤ変換して第２の情報として記録する処理と、前記第１の情報及び前記第２の情報のうち少なくともいずれか一方の情報に係数を乗算し補正情報を作成する処理と、前記第１の情報と前記第２の情報に係る補正情報、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報、又は、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報に係る補正情報、これらの何れかを加算させる処理と、を実行させる。

【0027】

この信号処理装置よると、異なる燃焼状態の領域に関する複数の出力信号を合成するので、筒内全体の燃焼状態を、より一層正確に、推定することができる。

【0028】

一実施形態の信号処理装置は、前記信号処理装置において、前記演算部は、前記第１の情報と前記第２の情報に係る補正情報、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報、又は、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報に係る補正情報、これらの何れかを加算させる処理と、を実行させる。

【0029】

この信号処理装置によると、異なる燃焼状態の領域に関するイオン検出量の変化から、燃料混合気の燃料及び空気の当量比を、グラフにより簡単に確認できる。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、燃料混合気を旋回流として燃焼筒内に供給して、燃焼するので、アンモニア等の難燃性の燃料を使用する場合でも、広範囲に燃料を供給し、燃料を無駄なく効率良く燃焼させることができる。しかも、複数の異なる燃焼状態の領域を、それぞれに配置されたイオンプローブにより、イオン検出するので、燃焼筒内全体の燃焼状態を、従来よりも正確に把握できる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃焼装置の全体概略図である。

【図2】図１の燃焼装置の燃焼筒を模式的に示す縦断面簡略図である。

【図3】図１の燃焼筒の底壁に配置されたスワラを上面から見た拡大平面図である。

【図4】図１の各イオン検出器及び信号処理装置（制御部）の接続を示すブロック図である。

【図5】図１の各イオン検出器を示す回路図である。

【図6】内部再循環領域と外部再循環領域において、燃料混合気の当量比と、イオン電流の変化と、の関係を示すグラフである。

【図7】図６のグラフにおいて、当量比増の際のイオン電流の動きから、当量比を推定する表である。

【図8】図１の燃焼装置において、燃料の流速とイオン電流との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

【0033】

図１は本発明の実施形態に係る燃焼装置１の全体概略図であり、燃焼筒２は縦断面で示している。図１の燃焼装置１は、筒状の周壁３の上下端に上壁５及び底壁４を有する燃焼筒２と、底壁４の中央に形成された燃料投入用の投入口６の下側に配置された旋回流形成用のスワラ（旋回羽根）１０と、スワラ１０の下側に接続されてアンモニアガス等の燃料混合気をスワラ１０に供給する燃料供給部１１と、燃焼筒２内の燃焼状態、特に火炎の状態をイオン電流により検出する第１イオンプローブ２１及び第２イオンプローブ２２と、を備えて構成されている。上壁５の中央部には火炎が噴出する出力口９が形成されている。スワラ１０は円筒状に構成されると共に、その軸心線が燃焼筒２の筒軸心線Ｃ１と同心で、上下方向に沿うように配置されている。なお、投入口６の範囲内又は範囲外には、二点鎖線で示すように、点火プラグ１２が配置される場合もある。

【0034】

燃料供給部１１には、燃料供給管３１が接続され、該燃料供給管３１の上流側は２つの分岐管３２ａ、３２ｂに分岐している。一方の分岐管３２ａには、アンモニアを収納する燃料タンク３３が第１バルブ３４を介して接続され、他方の分岐管３２ｂには、エアコンプレッサ３５が第２バルブ３６を介して接続されている。

【0035】

スワラ１０は、複数の傾斜羽根を有しており、燃料供給部１１から供給されるアンモニアとエアとの混合気を、燃焼筒２内に旋回流として送り込む。投入口６から燃焼筒２内に送り込まれる前記旋回流の主流Ｓ０は、筒軸心線Ｃ１回りに旋回し、かつ、上方に向けて概ね円錐状に広がりながら上方に進む。

【0036】

燃焼筒２内の空間は、前記旋回流の主流Ｓ０により、該主流Ｓ０より内側（筒軸心線Ｃ１側）の内部再循環領域（Inner Recirculation zone、IRZ）Ｚ１と、主流Ｓ０より外側の外部再循環領域（Outer Recirculation zone、ORZ）Ｚ２と、に区画されている。内部再循環領域Ｚ１では、燃焼中、前述の旋回流の主流Ｓ０の移動に伴い、燃料混合気が主流Ｓ０に引っ張られ、矢印Ｓ１のように、上方外方へと流れると共に、上部で筒軸心線Ｃ１側に渦巻き状に湾曲する内部再還流が生じる。一方、外部再循環領域Ｚ２では、燃焼中、前述の旋回流の主流Ｓ０の移動に伴い、燃料混合気が主流Ｓ０に引っ張られ、矢印Ｓ２のように、上方外方へと流れると共に、上部で下方に渦巻き状に湾曲する外部再還流Ｓ２が生じる。

【0037】

イオン検出用の第１イオンプローブ２１は、底壁４と平行な同一直線上で相対向する第１印加用電極２１ａ及び第１接地用電極２１ｂから構成されると共に、内部再循環領域Ｚ１内で、筒軸心線Ｃ１近傍に配置されている。また、第１印加用電極２１ａ及び第１接地用電極２１ｂは、燃焼筒２の底壁４に立設された一対の第１支持脚２５、２５により支持されている。第１印加用電極２１ａに接続された電線４１は、第１支持脚２５内を絶縁状態で通って燃焼筒２の外部に導き出され、第１イオン検出回路部５１に接続されている。第１接地用電極２１ｂは、導電性の第１支持脚２５及び導電性の底壁４を介して、接地用電線４３に接続している。

【0038】

イオン検出用の第２イオンプローブ２２は、底壁４と平行な同一直線上で相対向する第２印加用電極２２ａ及び第２接地用電極２２ｂから構成されると共に、外部再循環領域Ｚ２内に配置されている。また、第２印加用電極２２ａ及び第２接地用電極２２ｂは、燃焼筒２の底壁４に立設された一対の第２支持脚２６、２６により支持されている。第２印加用電極２２ａに接続された電線４５は、第２支持脚２６内を絶縁状態で通って燃焼筒２の外部に導き出され、第２イオン検出回路部５２に接続されている。第２接地用電極２２ｂは、第１接地用電極２１ｂと同様、底壁４を介して、接地用電線４３に接続している。

【0039】

第１イオン検出回路部５１及び第２イオン検出回路部５２は、共通の信号処理装置（制御装置）５３に接続されている。信号処理装置５３の信号出力部は、電線５４、５５介して、第１、第２バルブ３４、３６の駆動アクチュエータ部３４ａ、３６ａに接続されている。信号処理装置５３の出力信号を各駆動アクチュエータ部３４ａ、３６ａに送ることにより、第１、第２バルブ３４、３６の開閉及び開度を制御し、燃料タンク３３からのアンモニア（燃料）及びエアコンプレッサ３５からの圧縮エアの吐出量を調節できる。

【0040】

図２は、図１の燃焼装置１の燃焼筒２を模式的に示す縦断面簡略図である。この図２において、旋回流の主流Ｓ０、内部再還流Ｓ１及び外部再還流Ｓ２を、直線及び楕円の単純な形状で表すことにより、内部再循環領域Ｚ１及び外部再循環領域Ｚ２の構成を、分かりやすくしている。

【0041】

図３は、前述のスワラ１０の平面図であり、多数の傾斜羽根１０ａが周方向に等間隔をおいて配置されており、また、筒軸心線Ｃ１にスワラ１０の中心が位置するように、底壁４の中央に配置されている構成を明確に示している。

【0042】

図４は、第１、第２イオンプローブ２１、２２、第１、第２イオン検出回路部５１、５２、信号処理装置５３、及び第１、第２バルブ３４、３６の接続を示すブロック図である。第１イオンプローブ２１及び第１イオン検出回路部５１により、第１イオン検出器６１を構成し、第２イオンプローブ２２及び第２イオン検出回路部５２により、第２イオン検出器６２を構成している。

【0043】

信号処理装置５３には、第１、第２イオン検出回路部５１、５２からの電気の出力信号が入力される演算部６５であって、予め組み込まれた設定プログラムに基づいて、種々の要望に沿う演算を行う演算部６５と、演算部６５の演算結果に基づいて、第１、第２バルブ３４、３６の開度調節を行う、バルブ制御部６６と、メモリ部６７と、が内蔵されている。

【0044】

図５は、第１、第２イオン検出器６１、６２の回路図であり、この図５において、第１、第２イオン検出回路部５１、５２は、それぞれ、電源５１ａ、５２ａ、抵抗５１ｂ、５２ｂ、及び電圧計測部５１ｃ、５２ｃを備えて構成されている。電源５１ａ、５２ａは、抵抗５１ｂ、５２ｂを通して、第１、第２イオンプローブ２１、２２の第１、第２印加用電極２１ａ、２２ａにそれぞれ電圧を印加する。この実施形態では、負の電圧が印加されるように電源５１ａ、５２ａが配置される。

【0045】

電源５１ａ、５２ａの電圧は、例えば－２００Ｖとなるように構成される。第１イオンプローブ２１の周辺にイオンが存在する時には、このイオンが第１印加用電極２１ａに引き寄せられ、電流（イオン電流）が流れる。存在するイオンが多い程、大きな電流が流れる。電圧計測部５１ｃは、イオン電流により抵抗５１ｂの両端部に発生した電位差を検知し、これらを増幅し、イオン電流に比例した電圧を検出し、これらの電圧からイオン電流値を得る。

【0046】

また、第２イオンプローブ２２の周辺にイオンが存在する時には、このイオンが第２印加用電極２２ａに引き寄せられ、電流（イオン電流）が流れる。存在するイオンが多い程、大きな電流が流れる。電圧計測部５２ｃは、イオン電流により抵抗５２ｂの両端部に発生した電位差を検知し、これらを増幅し、イオン電流に比例した電圧を検出し、これらの電圧からイオン電流値を得る。

【0047】

なお、第１、第２イオン検出回路部５１、５２の電源５１ａ、５２ａは、第１、第２印加用電極２１ａ、２２ａに、正の電圧を印加する構成とすることも可能である。たとえば、電源５１ａ、５２ａの電圧が２００Ｖとなるように構成されてもよい。

【0048】

演算部６５における各種処理のプログラミングを説明する。

【0049】

［プログラム１］
プログラム１は、次の処理を順次実行するように、メモリ部６７に組み込まれ、保存されている。処理１と処理２は順序を逆にすることもできる。

【0050】

処理１：第１イオンプローブ２１から与えられた信号をＡＤ変換（交流直流変換）して第１の情報として記録する。

【0051】

処理２：第２イオンプローブ２２から与えられた信号をＡＤ変換（交流直流変換）して第２の情報として記録する。

【0052】

処理３：第１の情報及び第２の情報のうち少なくともいずれか一方の情報に係数を乗算し補正情報を作成する。

【0053】

処理４：演算部は、第１の情報と前記第２の情報に係る補正情報、第１の情報に係る補正情報と第２の情報、又は、第１の情報に係る補正情報と第２の情報に係る補正情報、これらの何れかを加算させる。

【0054】

［プログラム２］
プログラム２は、次の処理を順次実行するように、メモリ部６７に組み込まれて、保存されている。処理１と処理２は順序を逆にすることもできる。

【0055】

処理１：第１イオンプローブ２１から与えられた信号をＡＤ変換して第１の情報とし、該第１の情報に基づいて当量比に対する第１の傾き情報を算出する。

【0056】

処理２：第２イオンプローブ２２から与えられた信号をＡＤ変換して第２の情報とし、該第２の情報に基づいて当量比に対する第２の傾き情報を算出する。

【0057】

処理３：所定の当量比に対する前記第１の傾き情報と前記第２の傾き情報とのパターンを特定し、これに基づいて当量比の状態を判定する。

【0058】

以上のように構成された燃焼装置１の動作について以下に説明する。

【0059】

図１において、燃料タンク３３からのアンモニアと、エアコンプレッサ３５からのエアと、が燃料供給部１１内で混合され、アンモニアガス（燃料混合気）となり、スワラ１０でガイドされることにより、旋回流として燃焼筒２内に送り込まれる。

【0060】

燃焼筒２内は、旋回流の主流Ｓ０により、内部再循環領域Ｚ１と、外部再循環領域Ｚ２と、に区画され、内部再循環領域Ｚ１では内部再還流Ｓ１生じ、外部再循環領域Ｚ２では外部再還流Ｓ２が生じる。

【0061】

点火プラグ１２あるいはその他の点火手段により、アンモニアガスに点火され、燃焼筒２内で燃焼し、火炎が形成される。この燃焼及び火炎の形成により、燃焼筒２内にイオンが発生する。

【0062】

燃焼時、図５の第１、第２イオンプローブ２１、２２において、第１、第２印加用電極２１ａ、２２ａにそれぞれ電圧が印加される。これにより、第１、第２イオンプローブ２１、２２近傍のイオンがそれぞれ第１、第２印加用電極２１ａ、２２ａに引き寄せられ、第１、第２イオン検出回路部５１、５２にそれぞれ電流が流れる。すなわちイオン電流が発生する。

【0063】

これらのイオン電流は、第１、第２イオン検出回路部５１、５２内をそれぞれ流れ、イオン電流により抵抗５１ｂ、５２ｂの両端で発生した電位差を検知し、増幅する。電圧計測部５１ｃ、５２ｃは、イオン電流に比例した電圧を計測し、この電圧からイオン電流の大きさの変化等が得られる。

【0064】

図４において、各第１、第２イオン検出回路部５１、５２からは、イオン電流の大きさに対応する電気信号が出力され、これら電気信号は信号処理装置５３の演算部６５に入力される。

【0065】

演算部６５では、第１、第２イオン検出回路部５１、５２から入力された電気信号を、予め設定されたプログラム１あるいはプログラム２に基づいて演算処理し、その演算結果をバルブ制御部６６に伝達する。

【0066】

たとえば、プログラム１を利用して、燃焼筒２全体の燃焼状態を把握する場合は、以下のように実行される。

【0067】

処理１：第１イオンプローブ２１から与えられた電気信号をＡＤ変換して第１の情報として記録する。

【0068】

処理２：第２イオンプローブ２２から与えられた電気信号をＡＤ変換して第２の情報として記録する。

【0069】

処理３：前記第１の情報及び前記第２の情報のうち、少なくともいずれか一方の情報に補正の係数αを乗算し、補正情報を作成する。

【0070】

処理４：前記第１の情報と前記第２の情報に係る補正情報、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報、又は、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報に係る補正情報、これらの何れかを加算させる。

【0071】

たとえば、前記第１の情報と前記第２の情報に係る補正情報とを用いて演算する場合には、内部再循環領域Ｚ１のイオン電流Ｉｚ１と、外部再循環領域Ｚ２のイオン電流Ｉｚ２を補正したイオン電流α×Ｉｚ２とを加算することにより、燃焼筒２内全体の燃焼状態を把握する。

【0072】

ここで、燃焼筒２全体のイオン電流Ｉａｌｌは、次式で表される。

【0073】

【数1】

【0074】

補正の係数αは、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２との体積比、燃料混合気の流速比及びその他の環境条件、たとえば、流量比や燃焼筒温度等によって、的確に燃焼筒２内の全体の燃焼状態が表されるように切り換えられる。ちなみに、燃料混合気の流速とイオン電流との関係は、図８に示すように燃料混合気の流速が増加するに伴い、イオン電流が増加する傾向にある。

【0075】

前記処理４において、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報とを加算する場合には、燃焼筒２全体のイオン電流Ｉａｌｌは、次式で表される。

【0076】

【数2】

【0077】

また、前記第１の情報に係る補正情報と前記第２の情報に係る補正情報とを加算する場合には、燃焼筒２全体のイオン電流Ｉａｌｌは、次式で表される。

【0078】

【数3】

【0079】

前記符号βは、第１イオンプローブ２１の情報に係る補正の係数であり、第２イオンプローブ２２の補正の係数αと同様、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２との体積比、燃料の流速比及びその他の環境条件、たとえば、流量比や燃焼筒温度等から設定される。

【0080】

図６は、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２について、燃料やエアの流量等を変化させることにより、空燃比を変化させ、当量比を０．８から１．４まで増加させた時のイオン電流の変化を示している。ここで、当量比（φ）は以下で表される。

【0081】

当量比（φ）＝理論空燃比／実際の空燃比（（Ａ／Ｆ）ｓｔ／（Ａ／Ｆ））

【0082】

上述した式において、燃料混合気の実際の空燃比が理論空燃比と一致すると、当量比は１となる。そして、実際の空燃比が理論空燃比よりも燃料希薄側であると、当量比は１．０より小さく、実際の空燃比が理論空燃比よりも燃料過濃側であると、当量比は１．０より大きくなる。

【0083】

図６において、内部再循環領域Ｚ１では、燃料希薄側から燃料割合が増加して理論空燃比（当量比１．０）に近づくにつれ、イオン電流が増加する傾向にある。燃料過濃側では、当量比１．１を最小値としてＶ字型に変化する傾向にある。すなわち、当量比が１．０から１．１まで燃料過濃側へ変化すると、イオン電流が減少し、当量比が１．１からさらに燃料過濃側へ増加すると、イオン電流が増加していることが理解できる。

【0084】

一方、外部再循環領域Ｚ２では、燃料希薄側から当量比が１．０を超え、１．１に至るまでは、燃料割合が増加するにつれ、イオン電流が増加する傾向にある。そして、当量比が１．１から燃料過濃側に変化すると、イオン電流が減少していることが理解できる。

【0085】

この図６の内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２のイオン電流の変化を対比すると、当量比１（理論空燃比時）から当量比１．１の間で、内部再循環領域Ｚ１のイオン量が減少するのに対して外部再循環領域Ｚ２のイオン量が最大値まで増加している。これは、当量比が１．０付近で外部再循環領域Ｚ２において火炎が発生始め、当量比が１．１付近で、最も火炎が多く発生していることを示していると推測できる。このように、当量比が１．０から１．１において、外部再循環領域Ｚ２でイオン量が大きく増加することは、内部再循環領域Ｚ１で発生するイオンの一部が外部再循環領域Ｚ２へ移動したことを示しており、内部再循環領域Ｚ１で急激にイオン量が減少していることを示している。

【0086】

図７は、実際の燃焼時において、図６の関係に基づき、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２の各イオン電流の変化から、実際の当量比を推定する場合の表である。すなわち、当量比が希薄側から増加する場合において、内部再循環領域Ｚ１のイオンが増加し、外部再循環領域Ｚ２のイオンも増加していることを検出している場合には、実際の当量比が１．０以下であると推定できる。内部再循環領域Ｚ１のイオンが減少し、外部再循環領域Ｚ２のイオンが増加していることを検出している場合には、実際の当量比が１．０～１．１の間であると推定できる。外部再循環領域Ｚ２の当量比が減少していることを検出している場合には、内部再循環領域Ｚ１のイオンの増減にかかわらず、実際の当量比が１．１より大きくなっていることが理解できる。

【0087】

したがって、図４の演算部６５によって演算された内部再循環領域Ｚ１及び外部再循環領域Ｚ２のイオンの増減の結果から、バルブ制御部６６では、当量比が、たとえば１．０～１．１の最適な値となるように、第１、第２バルブ３４、３６の開度を制御する。すわわち、理論空燃比に近い最良の燃焼状態となるように、燃料タンク３３のアンモニア及びエアコンプレッサ３５のエアの量を制御する。

【0088】

以上説明したように本実施形態によると、旋回流の主流Ｓ０で区画される燃焼状態の異なる領域、すなわち内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２のそれぞれに、イオン電流検出用の第１、第２イオンプローブ２１、２２を配置し、各々でイオン電流を検出しているので、燃焼筒２内全体の広い範囲で、燃焼状態及び火炎の状態を把握することができるのは勿論のこと、それらイオン量の演算結果に基づき、最良の燃焼状態維持のために、当量比や空燃比等を的確に制御することができる。

【0089】

スワラ１０により、燃料混合気を旋回流として燃焼筒２内に送り込むので、燃料混合気を燃焼筒２の広範囲に行き渡らせることができ、燃費及び燃焼効率が向上する。

【0090】

前述の実施形態では、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２にそれぞれイオンプローブを一個ずつ配置しているが、複数個する構成とすることも可能である。

【0091】

なお、旋回流の主流Ｓ０により、燃焼状態の異なる２つの領域、すなわち、内部再循環領域Ｚ１と外部再循環領域Ｚ２とに区画しているが、３つの再循環領域あるいは４つ以上の再循環領域に区画する構成にも適用可能である。

【0092】

ここまで、本発明の実施形態を説明したが、前記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0093】

２ 燃焼筒
１０ スワラ
２１ 第１イオンプローブ
２２ 第２イオンプローブ
５１ 第１イオン検出回路部
５２ 第２イオン検出回路部
５３ 信号処理装置
６１ 第１イオン検出器
６２ 第２イオン検出器
６５ 演算部
Ｚ１ 内部再循環領域
Ｚ２ 外部再循環領域
Ｓ０ 旋回流の主流
Ｓ１ 内部再還流
Ｓ２ 外部再還流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】