JP5112510B2 - 空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関の点火プラグのような、低エネルギー点火手段を用いて点火される爆発性空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジンに関する。

この種の既知のパルスデトネーションエンジンには、このエンジンの燃焼室の直径より小さい直径の少なくとも１つのプリデトネーション管があり、このプリデトネーション管は上記の燃焼室に開口していて、低エネルギ点火手段がその一端に配置されている。

上記のプリデトネーション管に含まれている爆発性空気−燃料混合物が上記の低エネルギー点火手段で点火が開始されると、この管に約毎秒数ｃｍ〜数ｍに亘る非常に低速度の伝播を特徴とする層流火炎体系(regime)が生じる。

そのような炎がプリデトネーション管を通って伝播すると、最初、“ピストン”効果により(新鮮なガスより密度が低い燃焼物の膨張と連携する加速が見られ、これにより炎の前部が不安定になり、(粘性と両壁部での境界層との作用により)炎を折たたみ、よって乱流となる。エネルギ放散率が増加すればするほど、その表面積は増加し、これら全てが更にその加速を増加するのに貢献する。

よって、炎の速度は毎秒数ｃｍから毎秒数百ｍに換わり、“熱封鎖”(thermal blockage)体系として知られている体系に到る。次いで、この炎は燃焼ガスに対して音速に近い速度、即ち空燃環境に対して約毎秒８００ｍから毎秒９００ｍで伝播する。この非常に大きな急速化により新鮮なガスに、約数バールにもなる強い圧力波が生じる。

このような伝播体系は比較的不安定であり、デトネーション体系に向かって進行する。前記の急速とは違って、この遷移は(“爆発内の爆発”と称されている)突然であり、圧力波は衝撃波となり、炎は毎秒８００ｍ〜９００ｍから毎秒１８００ｍ〜２０００ｍの速度で通過する。

この全現象は“デフラグレーションからデトネーションへの遷移”と知られており、経験により、平たい管ではその現象を見るのに必要な距離は、使用される空燃混合物によるが、約数ｍ〜数十ｍである。

デフラグレーションからデトネーションへの遷移を得るのに必要な距離と(時間)をできる限り減少するためには、層炎から乱炎への遷移を容易にし、次いで、できる限り素早く熱封鎖体系を得て、“爆発内の爆発”を最終的に生じさせることが必要である。

このため、１つの非常に広く用いられている技術は、(“Shchelkin spiral”として知られている)螺旋、あるいは人工的に順に間隔を開けて均一に配置された小円形の形態の障害物を用いて、プリデトネーション管内の乱流を増加することからなる。

こうして、プリデトネーション管が必要とする長さはその直径ｄ1の２０〜３０倍に減少できる。

全ての場合、“閉塞率”とは障害物により制限される通路横断面積と上記のプリデトネーション管の通路横断面積との比率と定義する。

実験では、最良の閉塞率は直径の１倍に相当する間隔で、０.４５から０.５までの間である。

デトネーションの衝撃波は平らで、プリデトネーション管の全横断面積を占めると一般には仮定されているが、実際は、幾つかの長手方向および横断方向に伝播する衝撃波が形成され、横断方向波同士が周期的に衝突する。

よって、デトネーション波は３次元構造を有し、この構造は爆発性混合物の分解力、従って、化学反応の特性時間に多いに依存する。

主デトネーション波と横断波との各交差箇所に位置する点は“三重点”と称され、この三重点の通路がデトネーション・セルと知られている周期的構造を構成し、デトネーション・セルの長さLと幅λ(ほぼ長さの０.６から０.７倍に等しい)とは爆発性混合物における化学反応を制限する特性時間、即ち基本的には、その誘導時間と連携する。

自主的で安定したデトネーションがプリデトネーション管を通って伝播するためには、この管の直径がデトネーション・セルの幅λより大きくなくてはならない。“境界の(マージナル)”デトネーションとして知られているデトネーションはより小さい寸法の管に沿って伝播するが、この現象は比較的不安定で、特別の条件を必要とする。

(化学量論的強さの強さに対しての)空気−燃料混合物のセルの幅λは約５０ｍｍから６０ｍｍであり(但し、セルの大きさが２８０ｍｍを越えるメタンと、エチレンおよびアセチレンのようなある種の気体状アルケン類およびアルキン類を除く)、よって、デトネーション波の伝播を支持しようとするプリデトネーション管の直径ｄ1に最小条件を設定する。

デトネーションが、その直径ｄ1がデトネーション・セルの幅λより大きいと仮定されるプリデトネーション管内に形成できれば、このデトネーションは上記の直径ｄ1よりその直径ｄ2がはるかに大きい燃焼室に伝達されなければならない。

上記の伝達の質はプリデトネーション管の上記直径ｄ1とデトネーション・セルの幅λとの比率である臨界値Ｋcに依存することが分かっている。最初は１９６０年代Mitrofanov(ミトロファノヴ)とSoloukhin(ソロウキン)によりなされ、次いで１９８０年代ではMoen(モエン)とKnystautas (クニスタウタス)とにより拡げられた研究により上記の臨界値Ｋcは１３に等しいことが示されている。その後、この臨界値はセル構造の一定不変性と関係しており、混合物とその希釈度に依存し、１３と２４との間で変化し得ることが発見された。

よって、
− ｄ1＞Ｋc・λであれば、プリデトネーション管と燃焼室との間で回折された状態では、衝撃波と炎との間で少量の分離があるが、デトネーション波のセル構造は維持されている。デトネーション波は変形しないで直径ｄ2の燃焼室に伝達され、
− ｄ1=Ｋc・λであれば、衝撃波と炎との間に分離があるが、ある種の条件下では、デトネーションは再点火でき、
− 最後に、ｄ1＜Ｋc・λであれば、炎は衝撃波から回折し、衝撃波は混合物を再点火させるに足る振幅を有さず、その衝撃は減少し、音響波となる。デトネーションはプリデトネーション管と燃焼室との間で分散された状態で破壊される。

よって、上記のタイプのパルスデトネーションエンジンにおける問題は、プリデトネーション管においてデトネーションを開始させ、次いでこのデトネーションをエンジンの燃焼室まで進行させる、この結果プリデトネーション管の直径と長さに関する限り、かなりの寸法制限になり、この寸法制限がデトネーション管を非常に嵩高くすることであることが分かる。

そこで、特に、既知のパルスデトネーションエンジンでは上記のプリデトネーション管は、この燃焼室の中央に開口するように、これと軸方向に連続して燃焼室の外側に設置されるので、このことによりかなりの空間の問題が起こる。このような幾何学形状は勿論嵩高く、更には、上記のプリデトネーション管に空気と燃料とを供給するのに困難を生じさせる。

このような短所を克服することが本発明の目的である。

この目的で、本発明によれば、点火が制御されるパルスデトネーションエンジンは爆発性の空気−燃料混合物で作動し、
− スラスト(推力)壁により一端が閉鎖されている燃焼室と、
− 低エネルギ点火手段を備え、上記のスラスト壁に対面して上記の燃焼室に開口する一端を介して上記の燃焼室と連通し、そこを通って移動する波が上記のスラスト壁により上記の燃焼室に反射されるよう配置されている少なくとも二つのプリデトネーション管とからなり、
− 上記のプリデトネーション管では、火炎は、デトネーション体系を得ることを求めることなく、熱封鎖状態に近い伝播状態になされ、
− 上記の燃焼室に含まれている爆発性混合物のデトネーションは、プリデトネーション管で生じる衝撃波により非常に高い圧力と温度に上昇された、燃焼室の１点で開始されて、上記のスラスト壁により反射されて、この１点に集中することを特徴とする。

従って、本発明によれば、問題はデトネーション管でデトネーションを得ることではなくて、単に急速なデフラグレーションを得ることである。これにより上記の大きさの短所を回避し、本発明により実施されたプリデトネーション管の全体の大きさは従来例において用いられたプリデトネーション管の大きさより非常に小さく、更には、少なくとも２つのプリデトネーション管を備えた本発明のエンジンは単一のプリデトネーション管を備えたエンジンよりはるかに頑丈である。

本発明によるパルスデトネーションエンジンの大きさを減少させるため、プリデトネーション管は上記の燃焼室に対し横方向に、少なくともほぼ燃焼室に沿って位置させることが好ましく、これにより、更に、上記のプリデトネーション管に空気と燃料がより容易に供給される。

本発明の望ましい実施例では、パルスデトネーションエンジンは、上記の燃焼室に対し直径方向に対向する横方向位置にある２つのプリデトネーション管を備える。

加えて、各プリデトネーション管は、上記のスラスト壁に対面する端部に対する対向端で開口し、上記の低エネルギ点火手段はこれら２つの端部の中間点、例えば、上記のプリデトネーション管の中央部に位置するのが望ましい。このような配置の結果、先行波の後方の圧力勾配(gradient)の影響は制限され、プリデトネーション管における炎の加速は推進される。加えて、上記のプリデトネーション管はこうしてエンジンの推力に寄与する。

確実で均一な点火を得るためには、上記の低エネルギ点火手段は各プリデトネーション管に対し、直径方向に対向する２つの点火プラグからなるのが好ましい。

通常、本発明のパルスデトネーションエンジンでは、連続する内部障害物が設けられ、これら各々が閉塞率を決定する。本発明の１つの特徴によれば、上記の内部障害物は上記の閉塞率が上記の低エネルギ点火手段から上記のプリデトネーション管の各端部まで対称的に減少する。計算と経験によれば、
− 上記の低エネルギ点火手段の各側、その隣接領域では、閉塞率は高く、約０.５８あるいはそれ以上であり、
− 各プリデトネーション管の両端隣接領域では、閉塞率は低く、約０.２５であり、
− 上記の低エネルギ点火手段に隣接する領域と上記の両端に隣接する領域との間では、閉塞率は中間値である、約０.４４であることが望ましいことが示されている。

本発明によるパルスデトネーションエンジンの一実施例の軸方向略横断面図である。 図１のII−II線に沿う略断面図である。 図１の部分的図示を用いて、本発明によるパルスデトネーションエンジンの作動を示す。 本発明によるパルスデトネーションエンジンのためのプリデトネーション管の長手方向略断面図である。

添付図面の図により本発明がどのように実施されるかを理解するのが容易になる。これらの図において、同一符号は同一要素を示す。
図１及び図２に略示されている本発明によるパルスデトネーションエンジン(１)は燃焼室(２)を備え、この燃焼室(２)の一端はスラスト壁(３)により閉鎖されており、このスラスト壁に対向する端部で開口している。このエンジン(１)は、更に、燃焼室(２)に対し直径方向に対向する位置において、燃焼室(２)に対し横方向に位置する２つのプリデトネーション管(４、５)を備える。よって、各プリデトネーション管(４、５)は燃焼室(２)に沿って位置する。

スラスト壁(３)に対面して位置する、プリデトネーション管(４)の端部(４I)はオリフィス(６)を介して燃焼室(２)に開口しており、スラスト壁(３)に対向するその端部(４E)はオリフィス(７)の形態で開口している。

同様に、スラスト壁(３)に対面して位置する、プリデトネーション管(５)の端部(５I)はオリフィス(８)を介して燃焼室(２)に開口しており、スラスト壁(３)に対向するその他端部(５E)はオリフィス(９)の形態で開口している。

プリデトネーション管(４)および(５)には内燃機関の点火プラグのような低エネルギ点火手段(10、11)がそれぞれ設けられている。これら低エネルギ点火手段(10、11)は、それぞれ、プリデトネーション管(４、５)内の中間点、好ましくは、その中央部に位置する。

燃料供給システム(12)と空気供給システム(13)とが燃焼室(２)とプリデトネーション管(４、５)に燃料と空気とを供給できる。

制御装置(14)が低エネルギ点火手段(10、11)および供給システム(12、13)を周期的に駆動する。

空気−燃料混合物が充填されたプリデトネーション管(４、５)において低エネルギ点火手段(10)と(11)とにより生じる火花(スパーク)にとっては、プリデトネーション管(４、５)がデフラグレーション場所であり、その炎と熱波がプリデトネーション管(４、５)内を両方向に音速で移動する。図３中矢印(15)と(16)とにより象徴され、オリフィス(７、９)に向け移動する各衝撃波がエンジン(１)の推力に寄与する。図３中矢印(17)と(18)とにより象徴され、スラスト壁(３)に向け移動する各衝撃波はスラスト壁(３)により反射され、オリフィス(６、８)を通る上記燃焼室(３)の点(19)に向け集中する。こうして、点(19)は非常に高い温度と圧力にまで上昇し、この圧力と温度により上記の燃焼室(２)内に存在する空燃混合物でデトネーションを開始できる。

図４に示されているように、低エネルギ点火手段(10、11)の各々は、対応するプリデトネーション管(４、５)に対し直径方向に対向する２つの点火プラグからなるのが望ましい。

図４は、更に、プリデトネーション管(４、５)に沿って、閉塞率(ＢＲ)を調整するためプリデトネーション管(４、５)内に位置する内部障害物を略示する。

領域(23)における低エネルギ点火手段(10、11)の各側に位置する障害物(22)はかなり高い閉塞率(０.５８以上)を有する。この目的は熱気噴流を形成し、よってできるだけ素早く層状から乱状へ遷移させることである。(０.７２までに到る)より高い閉塞率はこの効果を増進させるが、燃焼ガスの排出率を犠牲にしなければならない。この領域は全装置が点火する領域であるので、できるだけ少量の燃焼ガスが確実に残るようにするのが適切である。

中間領域(24)に位置する次の障害物(22)は僅かに低い中間閉塞率(例えば０.４４)を有し、この率は最適に近いと考えられる値である。この一連の障害物は炎を毎秒数十ｍの速度から毎秒数百ｍに加速させる必要がある。

端部(４I、４E、５I、５E)の領域(25)に位置する一連の障害物(22)は、この領域では、炎は既に高速であり、これはあまり閉塞率が高いと抗力の面で犠牲を払い始めていることを意味するため、より低い閉塞率(例えば、０.２５)を有する。

プリデトネーション管(４、５)からの波をスラスト壁(３)から連続的に反射させて集中させることにより確実に熱点(19)が形成され、各点火管の開放端で形成された還流膨張波がこの最初の現象をマイナスに干渉する前にデトネーションが燃焼室(２)で開始される。

Claims (8)

1. 爆発性の空気−燃料混合物で作動する制御点火付きパルスデトネーションエンジンであって、
   − スラスト(推力)壁(３)により一端が閉鎖されている燃焼室(２)と、
   − 低エネルギ点火手段(10)を備え、上記のスラスト壁(３)に対面して上記の燃焼室(２)に開口する端部(４Ｉ、５Ｉ)を介して上記の燃焼室(２)と連通し、そこを通って移動する波が上記のスラスト壁(３)により上記の燃焼室(２)に反射されるよう配置されている少なくとも２つのプリデトネーション管(４、５)とからなり、
   − 上記のプリデトネーション管(４、５)では、火炎は、デトネーション体系を得ることを求めることなく、熱封鎖状態に近い伝播状態になされ、
   − プリデトネーション管(４、５)で発生し、次いで上記のスラスト壁(３)により反射され、燃焼室に点(19)で集中する衝撃波により非常に高い圧力と温度に上昇された燃焼室でこの燃焼室に含まれている空気−燃料混合物のデトネーションが生じることを特徴とする空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
2. 各プリデトネーション管(４、５)は、上記のスラスト壁(３)に対面する端部(４I、５I)に対する対向端(４E、５E)で開口し、上記の低エネルギ点火手段(10、11)はこれら２つの端部(４E、４I、５E、５I)の中間点に位置することを特徴とする請求項１に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
3. 上記の低エネルギ点火手段(10、11)は、各プリデトネーション管(４、５)に対し、直径方向に対向する２つの点火プラグからなることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
4. 各プリデトネーション管は一連の内部障害物(22)を備え、これら各々が閉塞率(BR)を決定し、
   上記の閉塞率(ＢＲ)が上記の低エネルギ点火手段(10、11)から上記のプリデトネーション管(４、５)の各端部まで減少することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
5. 上記の低エネルギー点火手段(10、11)の各側及びその隣接領域(23)では、閉塞率が０.５８以上の高閉塞率であることを特徴とする請求項４に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
6. 各プリデトネーション管(４、５)の２つの端部(４E、５E、４I、５I)の隣接領域(25)では、閉塞率が０.２５の低閉塞率であることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
7. 上記の低エネルギ点火手段(10、11)に隣接する領域(23)と上記の２つの端部(４E、５E、４I、５I)に隣接する領域(25)との間では、閉塞率が０.４４の中間閉塞率であることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。
8. 上記の燃焼室(２)に対し直径方向に対向する横方向位置にある２つのプリデトネーション管(４、５)を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の空気−燃料混合物で作動するパルスデトネーションエンジン。

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