JP2004245075A

JP2004245075A - パルスデトネーションエンジン及びパルスデトネーション燃焼方法

Info

Publication number: JP2004245075A
Application number: JP2003033416A
Authority: JP
Inventors: Motohide Murayama; 元英村山; Masahiko Yamamoto; 政彦山本; Kazuyuki Sakamoto; 和之坂本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】デトネーション起こし易い燃料を搭載することが容易であるパルスデトネーションエンジンを提供することを目的とする。
【解決手段】衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジン１において、デトネーションを起こし易く、有機溶剤に溶解している燃料を使用する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンに係り、特に、有機溶剤に溶けているアセチレン等を燃料として使用するパルスデトネーションエンジンおよびパルスデトネーション燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来のパルスデトネーションエンジンの概略を示す図である。
【０００３】
パルスデトネーションエンジンは、図２に示すように、一端部側が閉じられ他端部側が開放されている筒状のデトネーション管を具備し、このデトネーション管の閉端側に溜められた燃料に着火すると、この着火された燃料が開口端に向けて燃焼しデトネーションに発展するものである。
【０００４】
図３は、上記デトネーション管で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。
【０００５】
たとえばデトネーション管の長手方向の長さを１メートルとした場合、図３に示すように、閉口端から０．８メートル付近ＳＷでデトネーションの衝撃波等による圧力は突出している（ノイマンスパイクという。）。一方、デトネーション管の閉口端から０．８メートル付近〜開口端である１メートル付近は初期状態Ａを保っている。また、閉口端〜閉口端から０．４メートル付近の管内膨張後の状態Ｂでは、管内の温度、圧力等は一定の値になる。
【０００６】
図４は、上述の状態でのデトネーション管の圧力、比体積、温度等の変化を示している。
【０００７】
デトネーション波が超音速で伝播する性質から、通常の燃焼に比べて非常に高い圧力と温度を発生できる。
【０００８】
以上の特徴を持ったパルスデトネーションエンジンは、ターボファン、ターボジェット、ラムジェット、ロケットなどの推進機関にとって代わるような可能性を秘めたエンジンである（たとえば特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特願２００１−０９７８１４
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記パルスデトネーションエンジンに使用される可能性のある各燃料と常温常圧空気とのデトネーション特性値を図５に示す。
【００１１】
ここで、図５に示す「セルサイズ」とは、デトネーションのし易さの指標であり、この値が小さいほど反応性が高い。すなわち、デトネーションを起こし易い。なお、パルスデトネーションエンジンの燃料として使用するためには、セルサイズが「２０ｍｍ」以下であることが望ましい。
【００１２】
また、「ＤＤＴ距離」とは、デトネーションの開始距離をいい、この値が小さいほど、パルスデトネーションエンジンの燃料として使用し易く、ＤＤＴ距離は「０．２ｍ」以下であることが望ましい。
【００１３】
すなわち、図５に示す各燃料で、パルスデトネーションエンジンの燃料として望ましいものは、水素、エチレン、アセチレンであり、その他の燃料（たとえば、ケロシン；ＪｅｔＡ−１やＪＰ−１０）のみをそのままパルスデトネーションエンジンの燃料として使用することは難しい。もしも、上記その他の燃料を使用する場合には、別途イニシエータ（Ｉｎｉｔｉａｔｏｒ；起爆装置）が必要である。なお、上記イニシエータとして、水素、エチレン、アセチレン等が使用される。
【００１４】
ところで、上記水素、エチレン、アセチレン等は、これらのみで、パルスデトネーションエンジンの燃料として使用することができるが、水素、エチレン、アセチレン等はガス燃料である。したがって、格納しておくための格納装置の構成が煩雑になり、パルスデトネーションエンジンを航空用として使用する場合、燃料の搭載が困難であるという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、デトネーション起こし易い燃料を搭載することが容易であるパルスデトネーションエンジンを提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、パルスデトネーション燃焼方法において、搭載性の良い状態で格納されたデトネーションを起し易い燃料を、使用可能なパルスデトネーション燃焼方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンにおいて、デトネーションを起こし易く、有機溶剤に溶解している燃料を使用するパルスデトネーションエンジンである。
【００１８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のパルスデトネーションエンジンにおいて、上記燃料はアセチレンまたはエチレンであり、上記有機溶剤はアルコールまたはケトンであるパルスデトネーションエンジンである。
【００１９】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載のパルスデトネーションエンジンにおいて、上記燃料をイニシエータとして使用することによって、ケロシン系燃料を使用可能であるパルスデトネーションエンジンである。
【００２０】
請求項４に記載の本発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーション燃焼方法において、デトネーションを起こし易く、有機溶剤に溶解している燃料を、上記有機溶剤と共に、デトネーション管内に供給する工程と、上記デトネーション管内に供給された燃料に点火する工程とを有するパルスデトネーション燃焼方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係るパルスデトネーションエンジン１の概略構成を示す図である。
【００２２】
パルスデトネーションエンジン１は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なものであり、一端部３Ａ側が閉じられ他端部３Ｂ側が開放されている筒状のデトネーション管３を具備し、このデトネーション管３に溜められた燃料に、たとえば閉端（一端部）３Ａ側で着火すると、この着火された燃料が開口端（他端部）３Ｂ側に向け燃焼しデトネーションに発展するものである。
【００２３】
上記デトネーション管３の閉端３Ａ側には、上記デトネーション管３に空気を供給するための供給路５が設けられており、この供給路５の一端部５Ａ側が上記デトネーション管３に接続され、上記供給路５の中間部には、上記空気を上記デトネーション管３内に間歇的に供給するためのバルブ７が設けられ、さらに、上記デトネーション管３内には、供給された空気と燃料との混合物に着火し、デトネーションを発生させるための点火プラグ（点火栓）６が設けられている点は、従来のパルスデトネーションエンジンと同様に構成されている。
【００２４】
また、上記デトネーション管３の閉端３Ａ側には、燃料としてのアセチレンを供給するための第１燃料供給路１３と、ケロシン系の燃料を供給するための第２燃料供給路１５とが設けられている。
【００２５】
上記第１燃料供給路１３の中間部には、上記デトネーション管３内に間歇的に上記アセチレンを供給するためのバルブ１７が設けられ、上記第１燃料供給路１３の他端部は、アセチレンを格納自在な第１燃料格納装置１９に接続されている。
【００２６】
上記第２燃料供給路１５の中間部には、上記デトネーション管３内に間歇的に上記ケロシン系燃料を供給するためのバルブ２１が設けられ、上記第２燃料供給路１５の他端部は、上記ケロシン系燃料を格納自在な第２燃料格納装置２３に接続されている。
【００２７】
ここで、上記第１燃料格納装置１９は、アセチレンとアセトンとを格納可能であり、上記第１燃料格納装置１９に格納された状態では、高圧下で上記アセチレンは上記アセトンに溶解している。
【００２８】
なお、アセチレンは、単独で存在していると、酸素が存在しなくても自己分解する傾向が強いが、上述のようにアセトンに溶解していることにより、自己分解を起こすおそれがなくなる。
【００２９】
次に、パルスデトネーションエンジン１の動作について説明する。
【００３０】
なお、前提条件として、第１燃料格納装置１９には、アセトンに溶解した状態でアセチレンが格納されており、第２燃料格納装置２３にはケロシン系燃料が格納されているものとする。また、デトネーション管３の内部には、前回のデトネーションにより発生した燃焼後のガスの一部が残留しているものとする。
【００３１】
まず、パルスデトネーションエンジン１は、バルブ７とバルブ２１とを開いて、空気とケロシン系燃料とを上記デトネーション管３の内部に供給する。なお、上記デトネーション管３の内部で上記ケロシン系燃料が気化する。
【００３２】
そして、空気とケロシン系燃料とが、上記デトネーション管３の内部空間を所定の割合だけ満たした状態で、バルブ２１を閉じ、バルブ７とバルブ１７とを開いて、空気とアセチレンとを、このアセチレンの溶剤であるアセトンと共に、上記第１燃料格納装置１９から上記デトネーション管３の内部に供給する。なお、上記デトネーション管３の内部の圧力は、第１燃料格納装置１９内部よりも低いので、上記デトネーション管３の内部で上記アセトンに溶解していたアセチレンが気化する。
【００３３】
続いて、先に供給された空気とケロシン系燃料、後から供給されているアセチレン、アセトン、空気とで、上記デトネーション管３の内部のほぼ全領域が満たされるまで、空気、アセトン、アセチレンを供給し、その後、バルブ７、１７を閉じる。
【００３４】
なお、上記ケロシン系燃料、アセトン、アセチレン、空気を、デトネーション管３の内部に供給し終えた状態では、上記残留していた燃焼ガスは、開口端３Ｂを通って、上記デトネーション管３の外部に搬出され、上記デトネーション管３の内部は、閉端３Ａ側では、空気、アセチレン、アセトンが気体の状態で混合して存在しており、開口端３Ｂ側では、空気、ケロシン系燃料が気体の状態で混合して存在している状態になっている。
【００３５】
また、上記供給に際して、供給される空気、供給されるアセトン・アセチレン、供給されるケロシン系燃料の圧力が、デトネーション管３の内部に残留している燃焼ガスよりも高くなっており、各バルブ７、１７、２１を適宜開けば、デトネーション管３の内部に、空気や燃料が供給されるようになっている。
【００３６】
続いて、上記デトネーション管３の内部であって、閉端３Ａ側に設けられた点火プラグ６で、上記デトネーション管３の内部に供給されたガスに着火すると、まず、閉端３Ａ側に存在している空気とアセチレンとの混合気体に着火し、上記アセチレンがイニシエータ（起爆装置）となって、上記空気とアセトン、空気とケロシン系燃料とに着火し、上記デトネーション管３の内部でデトネーションが発生し、上記デトネーション管３の開口３Ｂから燃焼ガスが噴出する。
【００３７】
この、噴出したガスが、たとえば、ミサイルの推進装置等、航空用の推進装置に利用される。また、上記噴出したガスを用いて、発電用のタービンを回転させ、また、削岩等を行うこともできる。
【００３８】
なお、上記パルスデトネーションエンジン１では、たとえば、１秒間に３０回上記動作を繰り返し、継続的にエネルギーを発生するようになっている。
【００３９】
上述のような動作によって、搭載性の良い状態で格納されたデトネーションを起こし易い燃料（アセチレン）を使用することができる。
【００４０】
パルスデトネーションエンジン１によれば、デトネーションを起こし易く、アセトンに溶解しているアセチレンを燃料として使用するので、デトネーションを起こし易いアセチレンを安定した状態（たとえば気体ではない状態）で第１燃料格納装置１９に容易に格納することができ、すなわち、上記第１燃料格納装置１９の構造を簡素にして軽量化することができ、上記パルスデトネーションエンジン１を、たとえば、飛翔体、航空機やロケット等の航空用に使用する場合、上記アセチレンを搭載することが容易になる。そして、航空用のパルスデトネーションエンジンの実用化が可能になる。
【００４１】
また、パルスデトネーションエンジン１によれば、デトネーションを起こしやすいアセチレンをイニシエータ（起爆装置）として使用して、アセチレンよりも安価なケロシン系燃料を使用可能になっているので、燃料費を削減することができる。
【００４２】
また、パルスデトネーションエンジン１から、第１燃料供給路１５、バルブ２１、第２燃料格納装置２３を除き、第１燃料格納装置１９に格納されているアセチレン、アセトンのみを燃料として使用するようにしてもよい。
【００４３】
このように構成されたパルスデトネーションエンジンによれば、デトネーションを起こし易いアセチレンを燃料として使用するので、デトネーションしにくいケロシン系燃料を併せて使用する場合に比べ、パルスデトネーションエンジンの構成が簡素になる。また、ケロシン系燃料を使用していなくても、アセチレン以外に、アセチレンよりも安価なアセトンを燃料として使用することになるので、燃料費を削減することができる。
【００４４】
なお、本実施形態の各パルスデトネーションエンジンでは、アセチレンをアセトンに溶解させて使用しているが、アセチレンの代わりにエチレン等のデトネーションを起こし易いガス燃料を、アセトン等のケトンやアルコール等の有機溶剤に溶解させて用いてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、デトネーションを起こし易い燃料を搭載することが容易であるパルスデトネーションエンジンを提供することができるという効果を奏する。
【００４６】
請求項４に記載の発明によれば、搭載性の良い状態で格納されたデトネーションを起こし易い燃料を、使用可能なパルスデトネーション燃焼方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るパルスデトネーションエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】従来のパルスデトネーションエンジンの概略を示す図である。
【図３】デトネーション管で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。
【図４】デトネーション管内の各瞬間の状態でのデトネーション管の圧力、体積、温度等の変化を示す図である。
【図５】パルスデトネーションエンジンに使用される可能性のある各燃料と常温常圧空気とのデトネーション特性値示す図である。
【符号の説明】
１パルスデトネーションエンジン
３デトネーション管
１９第１燃料格納装置
２３第２燃料格納装置

Claims

衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンにおいて、
デトネーションを起こし易く、有機溶剤に溶解している燃料を使用することを特徴とするパルスデトネーションエンジン。
請求項１に記載のパルスデトネーションエンジンにおいて、
上記燃料はアセチレンまたはエチレンであり、上記有機溶剤はアルコールまたはケトンであることを特徴とするパルスデトネーションエンジン。
請求項１または請求項２に記載のパルスデトネーションエンジンにおいて、
上記燃料をイニシエータとして使用することによって、ケロシン系燃料を使用可能であることを特徴とするパルスデトネーションエンジン。
衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーション燃焼方法において、
デトネーションを起こし易く、有機溶剤に溶解している燃料を、上記有機溶剤と共に、デトネーション管内に供給する工程と；
上記デトネーション管内に供給された燃料に点火する工程と；
を有することを特徴とするパルスデトネーション燃焼方法。