JP2013117369A - パルスデトネーション燃焼器の作動中にデトネーション移行を位置付ける方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスデトネーション燃焼器内のデフラゲーションからデトネーションへの移行の位置を変更する方法を提供すること。
【解決手段】パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）を作動させる技法が提供される。燃料／空気混合物の流れは、入口を介して燃焼管体に提供され、開始システムは、燃焼管体の長さに沿った選択位置にて起動されて、該選択位置において燃焼管体内で燃料／空気混合物を点火する。これは、燃料／空気混合物の燃焼がデトネーションに移行することが予想される予想デトネーション領域の選択を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本明細書で記載されるシステム及び技術は、パルスデトネーション燃焼器内のデフラゲーションからデトネーションへの移行の位置を変更するための技術及びシステムに関する実施形態を含む。また、本明細書で記載されるシステム及び技術は、このような燃焼器内での燃焼の点火点の変更に関連する実施形態を含む。

パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）及びエンジン（ＰＤＥ）の最新の開発では、航空機エンジンの燃焼器及び／又はタービン後段での追加のスラスト／推進力を生成するための手段など、実用的応用においてＰＤＣ／ＰＤＥを用いる種々の取り組みが進んでいる。これらの取り組みは、主としてパルスデトネーション燃焼器の動作に向けられており、パルスデトネーション燃焼器を利用した装置又はエンジンの他の態様に関するものではなかった。以下の考察は、パルスデトネーション燃焼器（すなわち、ＰＤＣ）に関するものである点に留意されたい。しかしながら、この用語の使用は、パルスデトネーションエンジン及び同様のものを含むことを意図している。

パルスデトネーション燃焼器の典型的な動作は、デトネーションプロセスの結果として、超高速の高圧パルス流を生成する。これらのピークの後に、著しく低い速度及び低圧の流れが続く。パルスデトネーション燃焼器及びデトネーションプロセスの動作は公知であるので、本明細書では詳細には考察しないことにする。パルスデトネーション燃焼器がガスタービンエンジンの燃焼段で使用されるときには、パルス化された高度に過渡的な流れが大きな圧力を生成し、通常燃焼（デフラグレーション）からデトネーションに燃焼が移行するＰＤＣ管内の位置で発熱を生じる場合がある。これは、この特定の位置で燃焼器への損耗を増大させる可能性がある。このことに起因して、移行を繰り返し受けるこのような位置は、燃焼器の動作の寿命制限要因となる可能性がある。

従って、ＰＤＣの長期動作を持続させるために、燃焼器の長さに沿ってこのような移行が生じる位置を制御することが望ましいとすることができる。

本明細書で記載される方法の１つの実施形態の一態様において、パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）を作動させる技法が提供される。ＰＤＣは、燃焼管体と、燃焼管体の上流側端部上に配置される入口と、入口の下流側で燃焼管体内に位置する強化ＤＤＴ領域と、燃焼管体の下流側端部上に配置されるノズルと、強化ＤＤＴ領域の下流側で且つノズルの上流側に配置される強化領域と、燃焼管体の長さに沿った複数の開始位置を提供する燃焼開始システムと、を有する。

方法の一態様において、燃料／空気混合物の流れが入口を介して燃焼管体に提供される。更なる態様において、開始システムが燃焼管体の長さに沿った選択位置にて起動され、該選択位置にて燃焼管体内で燃料／空気混合物を点火する。これは、燃料／空気混合物の燃焼がデトネーションに移行することが予想される予想デトネーション領域の選択を可能にする。更に別の態様において、燃焼生成物が燃焼管体からノズルを通って排出される。

本明細書で記載される方法の別の実施形態の一態様において、開始システムが、開始位置の各々に配置された複数の個々のイニシエータを有する。

更に別の実施形態の一態様において、開始システムは、第１の電極と、第２の電極とを有する。第１の電極は燃焼管体内にあり、第２の電極は、管体に隣接して配置され、両方とも、最も離れた上流側開始位置から最も離れた下流側開始位置まで延びる。２つの電極の少なくとも１つは、長さに沿って選択的に荷電可能又は通電可能である。

更に別の実施形態の一態様において、デトネーションへの移行の位置が決定され、開始システムが起動される選択位置が、移行の位置に基づいて調整される。

本発明の開示の上記及び他の態様、特徴、並びに利点は、同じ要素が同じ参照符号で示された添付図面を併用して以下の詳細な説明を参照するとより明らかになるであろう。

複数の点火源を有するパルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）の例示的な実施形態を示す概略図。 物理的に補強された強化領域を有する図１と同様のＰＤＣの１つの実施形態を示す概略図。 強化冷却を含む強化領域を有する、図１と同様のＰＤＣの１つの実施形態を示す概略図。 連続した可変点火領域を有するＰＤＣの例示的な実施形態を示す概略図。

一般的なパルスデトネーション燃焼器において、燃料及び酸化剤（例えば、空気のような酸素含有ガス）は、上流側入口端部にて細長いデトネーションチャンバ（本明細書では燃焼管体とも呼ばれる）に流入する。この燃焼プロセスを開始するために点火装置が使用され、該点火装置は、「イニシエータ」と呼ばれる場合もある。デトネーションへの良好な移行の後、デトネーション波が超音速で出口に向かって伝搬し、燃料／空気混合器が出口から実質的に供給できるようになるまで混合器の持続的な燃焼を生じる。この燃焼の結果、燃焼器内の圧力が急激に高くなった後、多くのガスを燃焼器出口を通じて放出できるようになる。この慣性閉じ込めの作用は、ほぼ一定容積の燃焼を生成することである。

上述のように、高圧の燃焼を達成するための鍵は、デフラグレーションとしての初期燃焼からデトネーション波への移行を良好にすることである。このデフラグレーションからデトネーションへの移行（ＤＤＴ）プロセスは、燃焼室（チャンバ）内の燃料空気混合器がスパーク又は他の点火源により点火されたときに始まる。スパークにより生成される亜音速火炎は、管体の長さに沿って移動すると種々の化学的及び流動力学により加速される。以下で考察するように、火炎の加速を増強するために、流れの障害物に関する種々の説明のような、燃焼管体内の燃焼の種々の設計要素を含めることができる。

火炎が臨界速度に達すると、局所的な爆発を生じ、最終的に火炎からデトネーション波に移行する「ホットスポット」が生成される。ＤＤＴプロセスは、使用されている燃料、燃料／酸化剤混合物（一般的には「燃料／空気」混合気と呼ばれるが、他の酸化剤を用いてもよい）の圧力及び温度、並びに燃焼管体の断面サイズに応じて、燃焼室の長さの数メートルを占める。

本明細書で使用される「パルスデトネーション燃焼器」は、装置内での一連のデトネーション又は擬似デトネーションの繰り返しによる圧力増大、温度上昇、及び速度増大をもたらすあらゆる装置及びシステムを意味するものと理解される。
「擬似デトネーション」とは、デフラグレーション波によりもたらされる圧力増大、温度上昇、及び速度増大よりも大きな圧力増大、温度上昇、及び速度増大を生じる超音速乱流燃焼プロセスである。

燃焼室又は燃焼管体に加えて、パルスデトネーション燃焼器の実施形態は一般に、燃料及び酸化剤を供給するシステム、点火システム、及び排気システム（通常はノズル）を含む。各デトネーション又は擬似デトネーションは、スパーク放電、プラズマ点火又はレーザパルスを含むことができる外部点火などの種々の公知の技術によって、或いは、衝撃波集束又は自己点火などのガス動力学プロセスによって、もしくは、別のデトネーションからの流れを受け取ること（クロスファイア点火）によって開始することができる。

本明細書で使用される「デトネーション」は、デトネーション又は擬似デトネーションの何れかを意味するものと理解される。デトネーション燃焼器の幾何形状は、デトネーション波の圧力増大が、ノズルから燃焼生成物を排出し、スラスト力並びに排気流内の高圧をもたらすようなものである。ＰＤＣは、衝撃波管、共振デトネーションキャビティ、並びに管状、ターボ環状、又は環状の燃焼器を含む、種々の設計のデトネーションチャンバを含むことができる。本明細書で使用される用語「チャンバ」は、一定又は可変の断面積の円形又は非円形の断面を有するパイプを含む。例示的なチャンバは、円筒管体、並びに多角形断面を有する管体（例えば、六角形管体）を含む。本明細書で説明される全ての実施例において、ほぼ円筒形の管形状の燃焼チャンバを考察するが、これらの管体は単に例証に過ぎず、非線形の他の断面の管体を本明細書で記載される技術及びシステムと共に用いることもできる。

本明細書における考察内において用語「上流側」及び「下流側」は、ＰＤＣを通るガス経路の流路に関連する方向を指すのに使用される。具体的には、「上流側」は、流れがある点に移動する方向を指すのに使用され、「下流側」は、流れがある点から離れて移動する方向を指すのに使用される。従って、システム内のあらゆる所与の点において、流れは、当該地点の上流側に見られる位置から当該地点まで進み、次いで、当該地点の下流側の位置まで進むことになる。これらの用語はまた、一般に、流ＰＤＣ又は体流を含む他のシステムの「上流側端部」及び「下流側」端部を識別するのに使用することができる。上述の使用を達成するために、システムの上流側端部は、システムに流れが導入される端部であり、下流側端部は、システムから流れが流出する端部である。

局所的な流れは、乱流、渦、渦流、又は他の局所的流れ現象を含むことができ、これらは、システム内で上流側から下流側に進む全体の方向とは異なる方向に局所的に移動する不安定な流れ又は循環する流れをもたらすが、これは、全体としてシステムの上流側から下流側への流路の性質全体を変えるものではない点に留意されたい。例えば、ＤＤＴを増強するために流路内に位置する障害物の周りの流れは、軸方向ではない後流を生成する可能性があるが、下流側方向は、燃焼管体の軸線に一致する全体の大きな流れの軸により定義されるままである。

ＰＤＣ（以下でより詳細に考察する）の燃焼管体のような、ほぼ管状形の状況において、上流側及び下流側は一般に、燃焼管体の中心軸に沿ったものとなり、下流側方向は管体の吸気端を指し、下流側方向は、管体の排気端を指している。管体の主軸にほぼ平行なこれらの方向は、これらの方向が長手方向軸線に沿って延びているので、「軸方向」又は「長手方向」と呼ぶことができる。

更に、ＰＤＣ燃焼管体（又は細長い軸線を有する他の何れかの本体）の軸方向を基準として、「半径方向」とは、軸線の方に直接向けた（「半径方向内向き」方向）、又は軸線の方から直接離れる（「半径方向外向き」方向）線に沿って延びる方向を指す。純粋な半径方向はまた、軸線に垂直であるが、角度付き半径方向は、半径方向及び上流側成分又は下流側成分の両方を含むことができる。

「円周方向」は、所与の点における純粋な半径方向に対して垂直で且つ軸方向成分を持たないあらゆる方向を記述するのに使用される。従って、ある点における円周方向は、当該点を通る軸線又は半径方向に平行な成分を持たない方向である。

ＰＤＣの１つの実施形態が図１に示されている。燃焼室とも呼ばれる、燃焼管体１２０の上流側端部上のバルブ１１０又は他の入口を含み、充填動作段階中にここを通って空気又は他の酸化剤がＰＤＣに導入される。燃料もまた燃焼管体の上流側端部付近で噴射装置１３０を通して噴射される。代替の実施形態において、燃料及び酸化剤は、管体の上流側で混合され、バルブ１１０を通って共に導入することができる点に留意されたい。予混合であるか又は噴射であるかどうかの選択は、本明細書で行われる考察の内容を変えるものではなく、使用される燃料の性質、圧力、燃料形式（例えば、噴霧状液体、ガス、蒸発液体、その他）、及び他の要因に基づいて変えることができる。

燃焼管体１２０は、軸方向に延びてノズル１４０の端部で終端し、動作中に該ノズルを通って燃焼生成物が流出することになる。以下で更に考察するように、開始システム１５０はまた、燃料／空気混合器内の燃焼を始めるために含まれる。管体は、燃料／空気混合器の燃焼の正面の火炎に十分なスペースがＤＤＴを加速し達成できるほど、十分に長いのが望ましい。

デトネーションへの移行を達成するのに必要な長さは、種々の動作条件に伴って変わる（以下で更に考察するように）ことができるが、一般に、火炎前面が加速する速度を増大させる特徴要素を管体の設計及び動作に付加するのが望ましい。これは、動作条件中に管体内でＤＤＴが確実に達成されるのに役立つ。増強されたＤＤＴ領域１６０は、燃料導入（燃料噴射装置１３０によるか、又はバルブ１１０を通じた予混合流によって）の下流側に一般に位置する燃焼管体１２０内で、且つノズル１４０の上流側の開始システム１５０の少なくとも一部内に示されている。

図１に示す実施形態における強化ＤＤＴ領域１６０は、強化領域内の管体１２０の長さに沿った種々の軸方向ステーションに配置された複数の障害物１７０を含む。このような障害物は、当該技術分野で公知の種々の形態をとることができ、これらは、限定ではないが、管体の内側表面から内向きに延びるプレート、管体の表面から半径方向内向きに延びるボルト又は他の障害物、有孔プレート又は流量制限器、このようなディンプル、リッジ、又はフランジなどの表面テキスチャ特徴部、或いは、強化領域の長さに沿って延びる螺旋管体を含むことができる。

強化ＤＤＴ領域１６０は、あらゆる障害物が無い状態で火炎が加速するよりも迅速な速度で火炎前面を加速し、その結果、強化領域の無い状態で必要となるはずのスペース及び（時間）よりも少ないスペース及び（時間）でデトネーションへの移行を達成するのに必要な速度まで燃焼を増速させるのに役立つ。

このような機構は、火炎前面を加速する利点を提供するが、一般的には、燃焼管体の主要構造よりも表面積が大きく、構造的強度が低くなる。障害物１７０のような強化部の耐久性は一般に、管体１２０自体よりも低いので、障害物は、以下で更に考察するように、デトネーションへの移行に関連する条件から保護されない場合には寿命制限要素になる。

管体１２０のサイズ及び構成並びに使用する特定の燃料／酸化剤混合物に基づく変化に加えて、ＤＤＴを生成するのに必要な燃焼の増速量もまた、燃焼管体内の燃料／酸化剤混合物の圧力及び温度などの要因に基づいて変化する。圧力が増速すると、ＤＤＴまでの増速の時間の長さは減少する。同様に、燃料／酸化剤混合物の温度が上昇することにより、必要な増速距離が減少することになる。

航空機用のハイブリッドＰＤＣタービン発電プラントのようなより大型のシステムの一部である、ＰＤＣ１００の動作中、ＰＤＣは、様々な速度及びスロットル設定で動作することになる。これらは、海抜高度から飛行高度まで変化する周囲圧力による変化、並びにＰＤＣに空気を送給する圧縮機の効果に起因する圧力変化に基づいて、ＰＤＣに送給されている混合物の圧力を変化させることになる。

ハイブリッドＰＤＣタービンエンジンにおいて、圧縮機は、燃焼器排気口の下流側に配置されたタービンによって駆動することができる。従って、達成される圧縮量はまた、エンジンのスロットル設定が反映されたタービンの出力の影響を受ける。その結果、グランドアイドル（低出力、高周囲圧力、低圧縮）から、離陸出力（高出力、高周囲圧力、高圧縮）、高高度 巡航（中出力、低周囲圧力、中圧縮）、及びアイドル降下（低出力、低いが増大中の周囲圧力、低圧縮）にわたって変化する条件でエンジンが作動したときに、ＰＤＣ１００に送給される混合物の圧力及び温度に有意な変化が生じる可能性がある。高度並びにエンジン構成要素のヒートソークに伴って温度もまた変化する可能性があり、ラムエア効果により混合物の圧力も変わる可能性がある。

これら作動要因の全てが、ＰＤＣに送給される燃料／酸化剤混合物の圧力及び温度を変化させる可能性があるので、デトネーションに到達するのに必要な増速量は、ＰＤＣの作動中に変わることになる。その結果として、デトネーションに到達する特定点は、必ずしも混合物が点火される地点から下流側の同じ距離にある訳ではない。点火から下流側のＤＤＴが生じる軸方向位置は、同じ管体及び強化ＤＤＴ領域を用いて圧力が１気圧から２０気圧まで増大したときに、最大１フィートまで変化することが観測されている。

デトネーションへの移行点では、燃焼プロセスにおいて発生する圧力及び熱が最大となる。この結果、燃焼波はＤＤＴ点から下流側にデトネーションを保持する可能性があるが、管体のこの領域は移行点の下流側領域を含む管体の残りの部分よりも高い機械的荷重を生じることになる。

燃焼管体上に置かれる計装設備は、ＤＤＴ点での燃焼管体の歪みを観測するのに使用されており、該燃焼管体の歪みは、完全に形成されたデトネーションの理論圧力に伴う歪みよりも５倍高くなる可能性がある。試験では、移行点の下流側で圧力がこのピークから降下することを示したが、下流側圧力は、理想チャップマン−ジュグー（Ｃｈａｐｍａｎ−Ｊｏｕｇｕｅｔ）デトネーションにおいて予想される圧力よりも依然として高くなる可能性がある。ＤＤＴ点で生じたより高い圧力荷重に加えて、実験では、この点でも発熱増大が生じることが示された。

移行点にて増大したエネルギーが放出されることに起因して、ＰＤＣは、移行領域においてより高い機械的荷重に曝される。この領域における高いエネルギー放出を補償するために、ＰＤＣがこれらの例外的な高圧及び熱負荷に良好に耐えることができるような技術を導入することができる。一般に、この技術は、（図２に関して以下で考察するように）最大圧力負荷が生じる領域においてＰＤＣを物理的に強化すること、又は、（図３に関して以下で考察するように）最大熱負荷が生じる場所で過剰な熱を放散するＰＤＣの能力を高めることに関連することになる。

しかしながら、ＰＤＣ１００のこのような強化は、一般に、構造又は冷却能力を追加する必要があり、ＰＤＣのコスト、複雑性、及び重量の増加をもたらす可能性がある。従って、一般に、ＰＤＣのできる限り小さな領域でこのような強化を可能にするのが望ましい。加えて、作動中に圧力が増大したときに移行点が上流側に進むことにより、管体において、強化ＤＤＴ領域とノズル１４０との間の十分な分離を提供しない強化ＤＤＴ領域１６０内でＤＤＴの発生を招く可能性がある。ＰＤＣ管体１２０の長さの追加は、このような構造が付加されることに伴う重量増加、並びに充填段階中の充填容量の追加を生じること、及び圧力低下を生じる可能性のある管体が追加されることに起因して、望ましいことではない。しかしながら、強化ＤＤＴ領域内で移行を生じることが可能になることによって、この領域内の障害物、表面特徴要素、又は他の強化部に損傷を及ぼす可能性があり、より低圧の動作条件で性能が低下し、又はデトネーションに到達できなくなる。

増速距離は上記で示した要因によって制限されるので、所与の入力条件セットにおけるＰＤＣ管体内でデトネーション位置を調整する唯一の方法は、燃焼増速が始まる場所を変更すること、すなわち、ＤＤＴへの増速をもたらして所望の領域（通常は強化領域）内に移行を位置付けるような燃焼点火点を選択することである。このような技法はまた、強化ＤＤＴ領域内でデトネーション移行が確実に生じないようにするのに使用され、また、必要に応じて擬似デトネーションを生成するのにも有用とすることができる。１つの実施形態において、これは、ＰＤＣの燃焼管体内の異なる軸方向ステーションに配置される複数のイニシエータを有する開始システム１５０を用いて達成される。

燃焼開始は、上述のような種々の技法を用いて実施することができる。図１に示す開始システムは、管体１２０の長さに沿った異なる点に配置された複数の個別のイニシエータを有する。図示の実施形態において、点火装置とも呼ばれる開始装置は、自動車用エンジンのスパークプラグとして使用されるものに類似したスパーク点火装置である。このようなスパーク点火は、制御及び駆動が容易であるが、本明細書に関して考察される技法は、一般に、管体内の別個の離散的位置に置かれたあらゆる点火装置又は開始システムに適用される。

図で分かるように、第１の点火装置１８２は、燃料噴射装置１３０の下流側の軸方向ステーションにて且つ強化ＤＤＴ領域１６０の十分に上流側で管体１２０に沿ってかなり離れた上流側の点に配置される。第２の点火装置１８４は、強化ＤＤＴ領域の直ぐ上流側に配置されるが、第３の点火装置１８６は、強化ＤＤＴ領域自体内に配置される。このような位置付けは可変とすることができ、追加の点火装置を本明細書で記載される原理から逸脱することなく管体に沿った追加のステーションに配置することができる点は理解されるであろう。

作動時には、図１のＰＤＣシステム１００は、点火装置１８２、１８４、１８６の１つ又はそれ以上を用いて、管体が十分に充填されたときに燃料／酸化剤混合物の燃焼を開始することができる。例えば、低圧動作（例えば、アイドル状態からの初期出力増大）において、増速は長い距離を要する可能性があり、従って、管体１２０内の最も離れた上流側に配置される第１のイニシエータ１８２を用いて燃焼を開始することができる。より高圧の動作が要求される（例えば、圧縮機により最大圧縮が提供された状態で高出力設定で動作する）と、より短い増速が必要となることにより、ＰＤＣ燃焼管体内の所望の位置において完全なデトネーションへの移行を達成するために更に下流側でイニシエータを使用することが可能となる。

また、このような実施形態において複数のイニシエータが利用できることにより、１つのイニシエータが故障した場合、又は複数のイニシエータを同時に起動することによりエンジンの特定の動作点が最良に提供される場合には、連続した動作を可能にすることができる。これらの動作技法は、故障が発生していなかった場合よりもＰＤＣの動作効率の低下をもたらす可能性があるが、単一のイニシエータ故障に起因したＰＤＣのシャットダウンを必要とせずに、連続動作を可能にすることができる。

上記で考察したように、異なる動作条件下での異なるイニシエータを用いて、ＰＤＣ管体内でのデトネーションへの移行の位置を制御することができる。多くの場合、移行に伴う繰り返しの応力増大を最適に処理するよう構築された管体の領域内でこの位置が生じるように制御することが最も望ましいことになる。本明細書では「強化領域」とも呼ばれるこの領域は、図２に示す実施形態並びに図３に示す実施形態に示されている。

図２は、図１に示す特徴要素を含み、また、強化ＤＤＴ領域１６０の下流側及び排気ノズル１４０の上流側に位置付けられた特徴他所を含む、ＰＤＣ２００の実施形態を概略的に示している。この強化領域２１０は、デトネーション移行に伴う圧力及び熱負荷の増大によって引き起こされる可能性がある破壊的作用をより良好に抑制する種々の方法で構成することができる。

図に示すように、強化領域２１０は、強化領域において燃焼管体１２０を囲み且つ物理的応力に対する補強をもたらす材料の追加のスリーブ２２０を含むことができる。また、材料の追加の厚みは、熱を吸収する容量の追加を提供することができる。スリーブに対する構造的補強の代替形態を用いることもできることは理解されるであろう。これらは、スリーブの代わりに管体の周りに巻かれる離散的バンド、補強される領域の管体の壁の断面厚みの変動、補強領域の外部に沿って延びる長手方向フランジ、補強領域の異なる強度、可撓性、又は耐熱性を提供する材料組成の変動、及び当該技術分野で公知の他のこのような技法を含むことができる。

また、歪みゲージ２３０が含められ、燃焼管体１２０上に長さに沿って種々の位置に配置される。これら歪みゲージは、デトネーションへの移行の発生が予想される場所付近の領域に配置することができる。歪みゲージを用いて、管体材料の歪みが最も大きい場所を識別し、ＤＤＴが発生しているおおよその場所を決定することができる。この情報を用いて、作動中に起動する適切な点火装置１８２、１８４、１８６を選択し、所望の位置に移行点を移動させ、且つ管体の強化領域２１０内にＤＤＴを維持するようにすることができる。特定の実施形態において、歪みゲージは一般に、燃焼管体の外側表面上に配置され、これらを管体内の燃焼及びデトネーション波の作用から保護するようにする。

図３は、図１の特徴要素と改善された耐熱性を含む強化領域２１０とを含むＰＤＣ３００システムの概略図を示す。図示の実施形態において、ＰＤＣ３００の燃焼管体１２０は、冷却流路３１０内に配置される。作動時には、燃焼管体の壁の温度よりも低温の冷却流体が流体路を通過し、管体からの熱を吸収して該熱を冷却流体に伝達するようにする。図示の実施形態において、冷却流体路は反転流路であり、すなわち、冷却流路を通る流れは、燃焼管体に対して上流側の方向で該燃焼管体の外側に沿っている。他の冷却流路形状を使用してもよく、また、あらゆる実施可能な実施形態の効果的な動作に反転流路は必要ではないことは、当業者であれば理解されるであろう。

加えて、図示の実施形態は、強化領域２１０の冷却流路３１０の断面積３２０の減少を示している。この断面積の減少により、この領域を通る流速が増大し、燃焼管体１２０からこの区域における流路への熱伝達が増大し、また、この管体部分の高熱に対する耐熱性が向上する。断面積の減少はまた、領域の冷却流体内で増大圧力の低下を生じ、よって、この断面積の減少を有する冷却流路の部分を最小限にすることが望ましい。

図示の実施形態において、冷却流体は、バルブ１１０を通過してＰＤＣ燃焼管体１２０に入り、後で燃料と混合されて燃焼する空気である点は理解されるであろう。このような流れ構成により、燃焼管体からの熱の抽出、並びに管体に入力される充填空気の予熱が可能になる。この構成は、冷却を強化した強化領域２１０に提供する必要はなく、他の構成が、当該技術分野で公知のものとして用いることができる。

例えば、代替の実施形態において、冷却流体は、燃焼管体の外部に沿って該燃焼管体に対して下流側にある方向に流れることができる。別の代替の実施形態において、冷却流体は、エンジンシステム内の他の場所からの空気、又はエンジンの周りの周囲流から受け取った空気をバイパスすることができる。更に別の代替の実施形態において、冷却システムは、液体を冷却流体として使用することができ、或いは、当該技術分野で公知の他の冷却技法を適用することもできる。

強化領域の縮小断面を有する冷却流体経路に加えて、他の代替の実施形態は、冷却流体経路内の表面特徴要素を使用し、この領域内の管体を通じて熱伝達を改善することができる。例えば、代替の実施形態において、タービュレータを強化領域内の燃焼管体の外側表面上に配置してこの領域での局所的流れ速度を増大させ、表面から冷却流体への熱伝達を増大させることができる。他の代替の実施形態は、強化領域における質量流量を増大した流路、或いは、燃焼管体のこの領域における熱伝達容量が大きくなった別個の冷却システムを使用することができる。

他の代替の実施形態において、管体の外側表面上の肋材又は管体の外側表面に沿って配置されたフィンを用いて、冷却流体への熱伝達に利用可能な表面積を増大させることができる。更に別の代替の実施形態では、この領域にインピンジメント冷却を使用し、又は当該技術分野で公知の追加の冷却技法を使用することができる。

作動時には、本明細書で記載されるシステムは、基本ＰＤＣサイクルに基づいて動作し、すなわち、管体１２０が燃料及び空気の混合物で充填され、空気はバルブ１１０又は入口を通って導入され、燃料は燃料噴射装置１３０を通って導入され；燃料／酸化剤混合物が開始システム１５０を用いて点火され、混合物を通じて燃焼が伝搬して加速され、燃焼管体の長さを下方に向かって加速されるとデトネーションに移行し；排気生成物がノズル１４０を通って管体排気端部の外部に吹き出され、次いで、新しい充填空気が管体に導入されてあらゆる排気生成物が取り除かれ、次のデトネーションサイクルの充填プロセスが始まる。

詳細には、管体の長さに沿った複数の燃焼開始位置を活用するために、追加のステップを実施することができる。１つの実施形態において、歪みゲージ２３０は、各サイクルにおいてデトネーションへの移行が生じる燃焼管体１２０の長さに沿った位置を決定するのに使用される。当該位置が決定されると、燃焼管体の所望領域内でデトネーションが発生しているかどうかを認識することができる。このことは、一般には強化領域内で起こることが望ましいが、特定の代替の実施形態において、デトネーションは、特定の動作条件における管体の他の部分で、例えば、以下で説明するスロットルの実施形態において望ましいとすることができる。

所望の領域内でデトネーション移行が起こっていない場合には、デトネーションへの増速の開始点を調整する異なる開始位置を選択し、所望の領域内で後続のサイクルのデトネーションを移転することができる。例えば、デトネーションが、強化領域２１０の更に上流側及び外側に移動していることを検出された場合には、タービン内の更に下流側の位置に配置された点火装置を用いて後続のサイクルの開始を行い、デトネーションを強化領域にシフトするようにすることができる。

他の実施形態では、システムは、様々な動作条件及びパラメータに使用されることになる適切な開始位置を識別する制御マップを用いることができる。これらは、燃料／酸化剤混合物の圧力及び温度、ＰＤＣ（又はエンジン全体として）に要求される出力又はスロットル設定、強化ＤＤＴ領域における点火装置及び障害物などのシステムの種々の部分の動作ステータス、燃焼管体内の特定領域の周囲温度及び歪み履歴を含むことができる。

実際には、これらの技術を組み合わせ、デフォルト設定の制御マップ並びにエンジン内の特定の条件に対応する閉ループシステムの両方を提供することができる。例えば、点火位置は、制御マップに基づいて選択され、動作条件に基づいて強化領域内の移行を位置特定することができ、点火位置の選択は、後続のサイクルにおいてピーク応力及び熱負荷を分散させるようにこのベース位置付近で僅かに変更することができる。このようにして、強化領域の長さに沿った損耗を均一にし、単一の位置にＤＤＴを置いた特定の動作モードで費やした長時間の時間期間に起因したシステムの一部における早期故障を防ぐようにすることができる。

上述のような技法を用いて、ＰＤＣ及びその構成要素の動作寿命を向上させることができる。管体内のこれらの部分内にデトネーション移行を保持し、ＤＤＴによって与えられる追加の応力及び熱に耐え抜くことができるようにすることにより、ＰＤＣの寿命全体が向上する。更に、強化領域内であっても、移行点の定期的な移転は、領域内のあらゆる点が影響を受ける繰り返し応力を低減することができる。加えて、デトネーションが適切に生じていないこと、又はデトネーションによって損傷を受ける可能性がある管体の一部（例えば、強化ＤＤＴ領域）においてデトネーションが発生していることを検出することにより、これらの領域は、他の場合にこの構成要素の動作寿命もまた短くなる損耗から保護される。

種々の構成要素の動作寿命を向上させることに加えて、本明細書で記載される技法を用いて、複数の管体にわたるスロットル作用をもたらすことができる。例えば、完全デトネーションではなく擬似デトネーション（デフラグレーションよりも高い速度及び圧力であるが、衝撃波駆動の燃焼前面によって達成されるＣｈａｐｍａｎ−Ｊｏｕｇｕｅｔデトネーションよりも低い速度及び圧力で加速される火炎前面）のみを達成することになるか、又は達成することが望ましい動作条件が存在することができる。これらの条件において、燃焼管体内での移行をもたらす位置よりも更に下流側にある点火位置を用いると、実際のＤＤＴを生じることがなく、従って、移行に関連する当該点でのエネルギー放出の増大（及びその熱及び圧力ピーク）が回避されることになる。これは、機械的システムの寿命を維持すると共に、純粋なデフラグレーションシステムよりも優れた効率向上をもたらす助けとなる。

このような動作モードにおいて、本明細書で記載されるシステム及び技法を用いて、ノズルを通じて流れが吹き出されるまでデトネーションピークに到達しない、十分に下流側に離れた点火ステーションが選択されたことを確認することできる。これにより、排気ガス流のエネルギーが低下し、従って、管体の長さに沿った単一の点火位置を用いては実施可能ではないスロットル機構として用いることができる。このような動作モードはまた、管体の強化領域において温度限界が予想され、管体への熱放出の一時的な低下が必要とされる場合に用いるのに有利とすることができる。この技法は、燃焼管体の部分充填を変更する必要はない。

作動時には、単一のエンジンが複数の管体を有することができ、これら全ての管体が、ＰＤＣノズルの下流側に位置する単一タービンに向けて点火される。本明細書で記載される技法、並びに単一ＰＤＣに関して説明されたシステムは、複数の管体システム内の各ＰＤＣに適用することができる。これは、所与の動作点において管体の各々のデトネーションを他の管体と同様に位置決めする利点だけでなく、異なる管体を僅かに異なる点でそれらのデトネーションを達成するような方法で動作させる利点をもたらすことができる。このことは、振動又は共振作用の制御、並びにエンジンのより広範囲の長さにわたって移行点の発熱及び熱負荷を分散させるために重要とすることができる。

例えば、複数の管体を有するシステムにおいて、必ずしも全ての管体が同じ位置でＤＤＴを生成するよう動作する必要はない。このことを利用して、共用する強化（冷却など）を種々の管体間でより効果的に分散させることができる。上述のスロットル技法はまた、サイクル内の同じ管体上で用いるが、他の管体上では使用せず、過剰な応力に曝される管体を動作の間でも冷却できるようにすることができる。

本システムは、各図に例示された特定の実施形態に関して上記で説明したが、例示の特定の構成に対する様々な代替形態を使用してもよい点は理解されるであろう。例えば、図１のスパークイニシエータは、燃焼管体において全てが同じ円周方向ステーションを有するように例示している（すなわち、これらは全て管体の上方から下降するものとして示されている）が、イニシエータは、パッケージング上の理由から必要に応じて管体の周りの様々な円周方向位置に分散させることができる。

加えて、複数のイニシエータを管体に沿って同じ軸方向ステーションに配置し、冗長性又は点火性能の改善をもたらすようにすることができる。幾つかの実施形態において、同じ軸方向ステーションにある点火装置は、同時に起動されて管体内の点火核を分散させるようにすることができる。他の実施形態では、単一ステーションの点火装置は、別個に用いることができる。他の実施形態では、単一のデトネーションサイクル内で１つよりも多い点火位置を使用して、点火装置の一部に対する損傷に対処するようにし、又は火炎前面の加速を促す助けとするのが望ましい。

また、特定の実施形態及び動作技法において、特に高圧動作では強化ＤＤＴ領域内にイニシエータを配置することが望ましいとすることができる。強化ＤＤＴ領域内への配置の変形形態も可能である。例えば、一部の実施形態において、強化ＤＤＴ領域内の流れ障害物に倣ったイニシエータの配置は、低出力の点火装置で点火を達成するのに有用とすることができ、更に、イニシエータに対して伝搬している火炎前面が直接衝突するのを防ぐことができ、これは、燃焼領域内に配置されたこれらのイニシエータの動作寿命を向上させることができる。

イニシエータの長さに沿った点火に対して連続的な可変位置を提供できる開始システムの代替の実施形態が、図４に概略形式で示されている。図１〜３に関して説明したＰＤＣシステムは、個々のイニシエータ、具体的にはスパーク点火装置を用いた開始システム１５０を図示しているが、その各々は、管体の軸方向長さに沿った離散的位置に配置されている。しかしながら、他の点火システムは、離散的位置に限定されない可変の開始位置に対して提供するよう構成することができるが、領域内で連続的に変わることができる。

図４に示したＰＤＣ４００の実施形態において、このような特徴要素を提供することになるプラズマ開始システム４１０が示されている。基本的には、図１の他の特徴要素が同様にして提示されるが、個別の点火装置は、プラズマ電極のペア；すなわち、燃焼管体１２０内でほぼ中央に配置された内側電極４２０と、燃焼管体の壁に沿って配置された外側電極４３０と置き換えられている。両電極は、ＰＤＣの軸方向長さにわたって延びている。電極の少なくとも１つは、その長さの一部だけが荷電されるように部分的に通電することができる。このことは、本明細書で記載される動作には必要ではないが、管体に沿って螺旋状になった複数のコイルから形成することにより外側電極を用いて行うのがより容易であり、このコイルは、種々の位置で制御システムに電気的に接続することができる。外側電極に沿ってより多くのコイルを通電することにより、制御システムは、外側電極の必要な分だけ効果的に通電することができる。

プラズマイニシエータ４１０は、プラズマが形成できる高度にイオン化された領域を作成することにより作動するので、イニシエータは、２つの電極の通電部分間にのみ所望のプラズマを作成することになる。外側電極の一部にだけ通電することにより、制御システムは、外側電極４４０の通電部分と、内側電極４２０の最も近接した部分との間にプラズマを位置付けることができるようになる。このようにして、制御システムは、電極の通電可能な長さに沿ったどこかにプラズマ及びひいては燃料／酸化剤混合物の燃焼点火を位置付けることができる。

この実施形態は、選択された開始位置に対するより正確な制御を提供することができ、また、点火点の小さな変動が望ましい場合、例えば、基本動作点付近の動作を微調整するため、又はデトネーション点の小さな変動をもたらして強化領域内の単一点に対する連続的な過剰応力を制限するために特に効果的とすることができる。

本明細書で記載される種々の実施形態を使用して、ＰＤＣの動作寿命及び効率を改善することができる。また、これらを用いて、ＰＤＣの動作におけるより柔軟性のある制御環境を提供することができる。あらゆる所与の実施形態は、記載された利点の１つ又はそれ以上を提供することができるが、他の何れかの実施形態に対しては記載の全ての目的又は利点を提供する必要はない。本明細書で記載されるシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。

本明細書は、特許請求の範囲に記載した本発明の要素に同様に対応する別の要素を有する実施形態を当業者が製作しまた使用するのを可能にすることができる。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の文言と相違しない物品、システム及び方法を含み、また更に特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有するその他の物品、システム及び方法を含む。本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、開示される本発明の範囲は、上述の特定の開示された実施形態に限定されるべきではなく、添付の請求項の公正な解釈によってのみ定められるべきであることを意図している。

１００ ＰＤＣ
１１０ バルブ
１２０ 燃焼管体
１３０ 燃料噴射装置
１４０ ノズル
１５０ 開始システム
１６０ 強化ＤＤＴ領域
１７０ 障害物
１８２ 第１の個々のイニシエータ／点火装置
１８４ 第２の点火装置
１８６ 第３の点火装置
２００ ＰＤＣ
２１０ 強化領域
２２０ スリーブ
２３０ 歪みゲージ
３００ ＰＤＣ
３１０ 冷却流体経路
３２０ 縮小断面積
４００ ＰＤＣ
４１０ プラズマ開始システム
４２０ 内側電極
４３０ 外側電極
４４０ 電極の通電部分

Claims (14)

1. パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）を作動させる方法であって、該燃焼器が、燃焼管体と、前記燃焼管体の上流側端部上に配置される入口と、前記入口の下流側で前記燃焼管体内に位置する強化ＤＤＴ領域と、前記燃焼管体の下流側端部上に配置されるノズルと、前記強化ＤＤＴ領域の下流側で且つ前記ノズルの上流側に配置される強化領域と、前記燃焼管体の長さに沿った複数の開始位置を提供する燃焼開始システムと、を有し、
   前記方法が、
   前記入口を介して前記燃焼管体に燃料／空気混合物の流れを提供するステップと、
   前記燃焼管体の長さに沿った選択位置にて前記開始システムを起動して該選択位置にて前記燃焼管体内で前記燃料／空気混合物を点火させ、前記燃料／空気混合物の燃焼がデトネーションに移行すると予想される予想デトネーション領域を選択するようにするステップと、
   前記燃焼管体から前記ノズルを通って燃焼生成物を排出するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記開始システムが、複数の個々のイニシエータを含み、その少なくとも１つが、前記複数の開始位置の各々に配置され、前記起動ステップが、前記選択された位置にある前記個々のイニシエータを用いるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の個々のイニシエータの少なくとも１つが、前記強化ＤＤＴ領域の上流側に配置され、前記複数のイニシエータの少なくとも１つが、前記強化ＤＤＴ領域内に配置される、請求項２に記載の方法。
4. 前記開始システムが、前記管体内に配置され且つ最も離れた上流側開始位置から最も離れた下流側開始位置まで少なくとも延びた第１の電極と、前記管体に隣接して配置された第２の電極と、を含み、前記起動ステップが、前記電極を互いに反対の電気極性に荷電し、前記電極の少なくとも１つを前記選択位置においてのみ選択的に荷電するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記予想デトネーション領域が、前記燃焼管の強化領域である、請求項１に記載の方法。
6. 前回の燃焼のデトネーションへの移行の位置を検出するステップと、
   前記前回のデトネーションの移行の位置に基づいて前記開始システムを起動すべき選択位置を調整するステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記移行位置の検出ステップが、前記燃焼管体の長さに沿った複数の位置において前記燃焼管体の歪みを測定することによって実施される、請求項６に記載の方法。
8. 前記燃焼管体内ではデトネーションへの移行が起こらないことが確認される、請求項６に記載の方法。
9. 前記燃料／空気混合物の圧力及び前記燃料／空気混合物の温度の少なくとも１つに基づいて前記選択開始位置を変化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ＰＤＣに対して指令されたスロットル設定に基づいて前記選択開始位置を変化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記選択されたデトネーション領域が、前記燃焼管体の長さ内に存在せず、前記燃料／空気混合物のデトネーションが前記燃焼管体内で起こらないようにする、請求項１に記載の方法。
12. 前記強化ＤＤＴ領域内の機械的故障を検出するステップと、
    前記開始システムを起動すべき前記選択位置を調整して前記機械的故障に対して補償するステップと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記機械的故障が、前記燃料／空気混合物の燃焼の加速における前記強化ＤＤＴ領域の有効性を低減する結果となる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記強化ＤＤＴ領域内の機械的故障を検出するステップと、
    前記開始システムを起動すべき前記選択位置を調整して前記機械的故障に対して補償するステップと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。