(57)【要約】  本発明は、燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経ることによって最適化された空燃比を維持する光センサを含む空燃比計測システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給される燃焼室と、
前記燃焼室と連通して火炎を提供する燃焼器と、
前記燃料が前記火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号を受信した後、電気的信号を発生させる光センサと、
前記燃焼器に供給される燃料量を測定する燃料測定センサと、
前記光センサと電気的に連結されて前記電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換させる分析モジュール、及び
前記分析モジュールから受信された前記変換信号及び前記燃料測定センサから受信された燃料測定信号を分析して、空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール、とを含むことを特徴とする、空燃比計測システム。
【請求項２】
前記光信号が、250〜600nmの紫外線波長領域であることを特徴とする、
請求項１に記載の空燃比計測システム。
【請求項３】
前記空燃比計測システムが、前記演算モジュールに連結されて前記燃焼器に供給される空気量を制御する空気制御装置をさらに含むことを特徴とする、
請求項１に記載の空燃比計測システム。
【請求項４】
前記演算モジュールが、前記計算された空燃比に基づいて前記空気制御装置を調節して、前記燃焼器に供給される空気量を制御することによって最適化された空燃比領域を維持することを特徴とする、
請求項３に記載の空燃比計測システム。
【請求項５】
前記演算モジュールが、
前記変換信号と前記燃料測定信号を受けて分析する解析装置、及び
前記解析装置で分析されたデータに基づいて前記空気制御装置から供給される前記空気量を制御するコントローラを含むことを特徴とする、
請求項１に記載の空燃比計測システム。
【請求項６】
前記光センサが、フォトダイオード（Photodiode、PD）またはフォトマルチプライヤーチューブ（Photomultiplier tube、PMT）であることを特徴とする、
請求項１に記載の空燃比計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は計測システムに関し、より詳しくは燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持する光センサを含む空燃比計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃焼システムにおいて、火炎部の空燃比は燃料の消費及びエネルギー効率に直接つながるパラメータであるが、これを計測することは非常に難しい。大部分の大型燃焼システムは、排気端で酸素の濃度を測定することによって火炎部の空燃比を推測し、一部のエンジンの予混合燃焼器は、火炎の化学発光による光反射を光計測することによって空燃比を判定する場合がある。
【０００３】
例えば、光学検波器の前に波長フィルタを設置する方法は、基本的にＯＨ、ＣＨ、Ｃ２及びＣＯ２などの特定の励起状態の各化学種のからの総光反射の部分寄与率を識別するために使用される。
【０００４】
これにより、１つ以上のこのような化学種の信号比を空燃比や発熱率、ガス温度等の様々な燃焼器パラメータと従来の方法に関連付けることができる。
【０００５】
即ち、前記に関連した計測技術は、単純な光センサ機構及びカメラ装置が使用されるため、空間分解能において燃焼流が複雑な場合、三次元での空間分解性能を持つように計測を行うことによって、システム性能の最適化が困難であるという問題点があった。
【０００６】
したがって、前記のように燃焼プロセスの制御を改善し、システムの性能を最適化することは、当該分野において非常に重要であり、空燃比の最適化のための燃焼器内部の計測方法が求められているのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2010-101615号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のような問題点を解決するための本発明の目的は、燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持する光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。
【０００９】
また、本発明の目的は、紫外線波長領域のうち250〜600nmに該当する波長領域のみを感知して、実際の火炎とノイズを区別することによって、燃焼室内部の状態を正確に認知することができる光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。
【００１０】
また、本発明の目的は、光センサによって感知された光信号に基づいて分析及び演算した後、空気制御装置を制御し最適化された空燃比のための空気量を調節する光センサを含む空燃比計測システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記のような問題点を解決するための本発明による光センサを含む空燃比計測システムは、燃料が供給される燃焼室；前記燃焼室と連通して火炎を提供する燃焼器；前記燃料が前記火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号を受信した後、電気的信号を発生させる光センサ；前記燃焼器に供給される燃料量を測定する燃料測定センサ；前記光センサと電気的に連結されて前記電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換する分析モジュール；及び前記分析モジュールから受信された前記変換信号及び前記燃料測定センサから受信された燃料測定信号を分析して空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール；とを含むことを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記光センサは、フォトダイオード（Photodiode、PD）またはフォトマルチプライヤーチューブ（Photomultiplier tube、PMT）であり、前記光信号は、250〜600nmの紫外線波長領域であることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記空燃比計測システムは、前記演算モジュールに連結され、前記燃焼器に供給される空気量を制御する空気制御装置；をさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、前記演算モジュールは、前記計算された空燃比に基づいて前記空気制御装置を調節して、前記燃焼器に供給される空気量を制御することによって最適化された空燃比領域を維持することを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記演算モジュールは、前記変換信号と前記燃料測定信号を受けて分析する解析装置；及び前記解析装置で分析されたデータに基づいて前記空気制御装置から供給される前記空気量を制御するコントローラ；とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
前述のような本発明は、燃焼器から提供される火炎によって燃焼器内部の燃料が燃焼する過程で生成される紫外線波長領域のみを感知した後、分析及び演算過程を経て最適化された空燃比を維持することができる。
【００１７】
さらに、本発明は、紫外線波長領域のうち、250〜600nmに該当する波長領域のみを感知して、実際の火炎とノイズを区別することによって、燃焼室内部の状態を正確に認知するので、可視光線や赤外線の波長領域を受信する場合よりも、ノイズによる影響が少ないという効果がある。
【００１８】
また、本発明は、光センサによって感知された光信号に基づいて分析及び演算した後、最適化された空燃比のための空気量を調節するために空気制御装置を制御することにより、最適化された空燃比を維持する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システムを示す概略図である。
【図２】図２は、図１の構成要素間のメカニズムを示す概略図である。
【図３】図３は、特定の波長（250〜600nm）領域を選定するための波長に応じた感度を示す過剰空気比のグラフである。
【図４】図４は、空燃比測定及び計算のための波長に応じた対数スペクトルの応答変化を示すグラフである。
【図５】図５（a）は、燃焼後の排気ガス中の酸素濃度(Ｏ２)に応じたフォトダイオード信号の変化を示すグラフである。図５（b）は、図５（a）をリニアフィット（linear fit）したグラフである。
【図６】図６は、空燃比の測定及び計算のために圧力に応じた燃料量（熱負荷）を示したグラフである。
【図７】図７は、燃焼室壁面の温度に応じたフォトダイオードの感度変化を示すグラフである。
【図８】図８（a）は、過剰空気比に応じたフォトダイオードの出力信号(mV)の変化を示すグラフである。図８（b）は、図８(a)をリニアフィット(linear fit)したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の光センサを含む空燃比計測システムを構成する構成要素は、必要に応じて一体型で使用するか、または、それぞれ分離して使用してもよい。また、使用形態に応じて、一部の構成要素を省略して使用することもできる。
【００２１】
本発明による光センサを含む空燃比計測システム100の好適な実施例を図１〜図８を参照して説明する。この過程で図面に図示された線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張して図示される。また、後述される用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であり、これは使用者、運用者の意図または慣例によって異なる。したがって、これらの用語に対する定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて記述されるべきであろう。
【００２２】
以下、図１〜図２を参照して、本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システム100を説明すると、次の通りである。
【００２３】
本発明の一実施例による光センサを含む空燃比計測システム100は、燃料が供給される燃焼室110、燃焼室110に火炎を提供する燃焼器120、燃焼室110に挿入されて燃料が火炎によって燃焼するにつれて発生する光信号を受信した後、電気的信号を発生させる光センサ130、燃焼器120に供給される燃料量を測定する燃料測定センサ140、燃焼器120と対向するように配置されて、燃焼器120に供給される空気量を制御する空気制御装置150、光センサ130と電気的に連結されて電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換させる分析モジュール160、及び分析モジュール160から受信された変換信号及び燃料測定センサ140から受信された燃料測定信号を分析して空燃比と熱負荷を計算する演算モジュール170を含む。
【００２４】
燃焼室110は、燃料が供給されて燃焼する場所であり、中空形状を有し、このような燃焼室110は公知技術に該当するので、具体的な説明は省略する。
【００２５】
燃焼器120は、燃焼室110と連通するように配置される。この時、火炎の強さは調節可能であり、このような燃焼器120は、燃焼室110内部の燃料を燃焼させるための火炎を提供する役割を果たす。
【００２６】
光センサ130は、フォトダイオード（PD）131またはフォトマルチプライヤーチューブ（PMT）132のいずれかが適用される。
【００２７】
フォトダイオード131は、光がダイオードに触れると、電子と正の電荷である正孔が生じて電流が流れ、電圧の大きさは光の強度にほぼ比例する。このように、光電効果の結果、半導体の接合部に電圧が現われる現象を光起電力効果という。
【００２８】
このようなフォトダイオード131は、応答速度が速く、感度波長が広く、光電流の直進性が良好であるという特徴がある。主としてCDプレーヤーや火災警報器、テレビのリモコン受信部のような電子機器の素子に用いられ、光の強さを正確に測定するためにも活用される。
【００２９】
フォトマルチプライヤーチューブ132は、一般にフォトカソード（Photocathode）、ダイノード、アノードで構成されている。フォトカソードは、光電効果により一定の周波数以上の光を受けると電子を放出する。この電子は、ダイノードを通過しながら増幅され、アノードに到達して外部装備で読み取れる程度の電流信号が作られるという原理である。外部装置を通過せず、直ちに信号が増幅されるので、非常に弱い光信号を感知するために広く用いられている。通常、光電効果は可視光線以上の周波数に対して発生するので、それ以下の周波数の光に対しては用いることができない。
【００３０】
シンチレータ（Scintillator）は、フォトマルチプライヤーを用いて高エネルギーの光、即ち、Ｘ線やガンマ線を測定するために用いられる検出器の一種であり、フォトマルチプライヤーとは異なる概念である。しかし、Ｘ線やガンマ線を測定する場合、シンチレータをフォトマルチプライヤーに取り付けて使用する。これにより、高エネルギーの光子がシンチレータと反応して可視光線領域の光子束に変わり、これをフォトマルチプライヤーが測定する。このような方法の光子エネルギーの測定は粒子物理学実験に非常に広く使用される。
【００３１】
前記のフォトダイオード131やフォトマルチプライヤーチューブ132は、火炎による光の波長のうち、250〜600nmの紫外線波長領域である光信号のみを受信して適用する。その理由は、赤外線による波長の光信号の場合、燃焼室110の壁面などが加熱されて発生することもあるが、これは実際の火炎信号と周辺ノイズの区別が難しいため、精度低下の原因となるからである。
【００３２】
一方、可視光線に応じた波長の光信号の場合、一般の自然光やその他の人工光によっても多くのノイズ発生のリスクがあるため、実際の火炎から提供される光信号と類似した信号を獲得するためには、紫外線波長領域のみを選択的に受け取って使用することが好ましい。
【００３３】
即ち、本発明によるフォトダイオード131又はフォトマルチプライヤーチューブ132は、紫外線波長領域に該当する光信号のみを感知してノイズのリスクを最小限に抑えるので、実際の火炎に最も類似した光信号の感知が可能となる。
【００３４】
燃料測定センサ140は、燃焼器120に供給される燃料量を測定する。このような燃料測定センサ140は、圧力式または熱式などの流量計測が可能なセンサであれば限定されないことは言うまでもない。
【００３５】
空気制御装置150は、燃焼器120に供給される空気量を制御する装置であり、バルブまたはゲートの形態で燃焼器120への空気供給量を調節することができる。
【００３６】
分析モジュール160は、光センサ130と電気的に連結され、電気的信号を分析可能な形態の変換信号に変換する役割を果たし、このような分析モジュール160としては、変換器（signal converter）や増幅器（Amplifier）を用いてもよい。
【００３７】
本発明では、変換器と増幅器の両方を用いるか、又はいずれか一方を用いることができるが、必要に応じて変換器と増幅器の両方を省略してもよい。
【００３８】
演算モジュール170は、計算された空燃比に基づいて、空気制御装置150を調節して燃焼器120に供給される空気量を制御することによって、最適化された空燃比領域を維持し、このような演算モジュール170は、変換信号と燃料測定信号を受けて分析する解析装置（Analyzer）及び解析装置で分析されたデータに基づいて、空気制御装置150から供給される空気量を制御するコントローラ（Controller）を含むことができる。
【００３９】
以下、図３〜図８を参照して、本発明の光センサを含む空燃比計測システムに適用される測定波長領域の選定、空燃比の測定、計算方法及び温度に応じた各波長別のフォトダイオードの信号測定値を説明する。
【００４０】
まず、測定波長領域の選定において、250〜650nmは火炎から発生する主なラジカル（OH/CH/C2）などが光を放射する領域であり、このような特定のひとつの波長ポイントを指定せずに範囲として指定した理由は次の通りである。
【００４１】
第１に、図３に示すように、ひとつの波長値だけではなく、一定範囲の波長値を積分しても、空燃比に反比例するという特性を導出することができる。
【００４２】
第２に、大部分の低コストのフォトダイオードなど、使用可能な経済的なフォトダイオードセンサは、特定の範囲にわたって信号を受信し、その数値全体を電気的信号で表現するため、ひとつの波長ポイントのみを選択するためには、むしろ、より多くのフィルタリングの役割をする光学装置がさらに必要である。
【００４３】
第３に、600nm以上の波長領域は可視光線、赤外線などの形態であり、燃焼システムの壁面や燃焼器先端などが加熱されて発生する光は可視光線や赤外線であるため、純粋な火炎の信号にこれらの信号がノイズとしてセンサ（PD 、PMT）に伝達されることがある。
【００４４】
前記に関連して、温度に応じた各波長別フォトダイオード信号の測定値は、図７に示すように、対象中心波長の異なる３つのフォトダイオードを使用して信号値を測定した結果として、火炎の生成後、燃焼炉内の壁面の温度が上昇する過程で測定された各フォトダイオードの信号値をグラフに示した。
【００４５】
図７に示すように、紫外線領域（290nm）のフォトダイオードの信号は、燃焼炉の壁面の温度に関係なく一定であるが、他の波長領域の（760nm、920nm）フォトダイオードの信号は、壁面の温度に応じて異なることを確認することができる。
【００４６】
これは、壁面から放射した光が760mm、920mmの波長領域に該当し、純粋に火炎だけから発生する760mm、920mmの波長領域の信号の強さを区別することが難しいことを示す。
【００４７】
結局、760mm、920mmの波長領域を用いると、壁面温度が上昇するにつれて放射する輻射効果によりノイズが発生するようになる。
【００４８】
第４に、ひとつの熱負荷においてではなく、複数の熱負荷における空燃比分析のための式を導出するためには、各熱負荷における「PD信号対空燃比」の関係グラフの勾配が一定でなければならないが、250〜650nm以上の波長では、これを確保することが困難であるという問題がある。
【００４９】
これに関連し、図５には、フォトダイオードセンサ信号と空燃比の関係について示している。
【００５０】
即ち、各熱負荷別空燃比に応じた変化量の勾配が類似しており、同じ勾配でリニアフィットをしても誤差が少なく、これにより、熱負荷に関係なく空燃比を求めることができる空燃比式の導出が可能となる。
【００５１】
一方、図８の（a）及び（b）は、それぞれ主な反応波長領域が650〜700nm、900nm〜1000nmであるフォトダイオードセンサを用いて測定した結果であり、熱負荷変動に伴う「フォトダイオードの信号対空燃比」の勾配が異なり、同じ勾配でリニアフィットをすると誤差があまりにも大きくなり、最終的には空燃比式の導出が困難となる。
【００５２】
一方、空燃比測定及び計算方法は次の通りである。
まず、使用するフォトダイオードセンサを選定するものとして、図４に示すように、主に230〜335nmの波長領域の光に反応するフォトダイオード選定をすることが好ましい。
【００５３】
次に、センサ活用のためのデータベースを構築するものとして、燃料の空燃比及び熱負荷別の信号を計測する。
【００５４】
次に、各負荷別の「空燃比対フォトダイオードの信号値」の勾配が類似しているので、これらを平均勾配でリニアフィットを行う。
【００５５】
次に、燃料供給部の圧力センサを用いて、圧力と燃料量（熱負荷）の関係を実験によって計測し、その結果をデータベースとして構築する。
【００５６】
次に、図５の（a）と（b）のデータベースを利用して、以下の［数式１］のような空燃比式を導出するが、前記の空燃比式はここで排気ガスＯ２を求める方式で導出し、空燃比への変換も可能である。また、前記式の係数はセンサの位置や燃焼器の種類によって異なることもある。
【００５７】
［数式１］
排気ガス中の酸素濃度(Ｏ２)=9.615384615×フォトダイオード信号×-7.9409435052E-3×Ｐ２‐12.60726623
【００５８】
最後に、前記数式を利用すれば、紫外線センサ（ここではフォトダイオードセンサを使用）と燃料ラインの圧力センサの数値が分かれば空燃比を求めることができ、所望の空燃比を得るために燃料ラインの圧力調節などの燃焼制御が可能である。
【００５９】
前記では、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当業界における通常の知識を有する者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更可能であることを理解し得るであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016504552.tif 000008
【図７】
2016504552.tif 000009
【図８】
2016504552.tif 000010
【国際調査報告】
2016504552.tif 000011
2016504552.tif 000012
2016504552.tif 000013
2016504552.tif 000014