JP4350128B2 - パルス・デトネーション・エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、パルス・デトネーション・エンジン、即ち、非常に速い伝播速度を出すことのできる超音速燃焼モード(デトネーション)を用いる往復内燃機関に関する。
この種のエンジンは、専用ではないが、特に、航空機分野、ロケットなどの宇宙分野、ミサイルなどの軍事分野に搭載して適用される。
デトネーションとは、衝撃波と燃焼波面とが結合し、その衝撃波が、エンジンの燃焼室に位置する可燃性チャージ(燃料と酸化剤との混合物)を圧縮し、上記混合物の自然発火温度以上に持っていって生じる炎を伝播する特定の方法であることは知られている。そして上記の燃焼によって放散されるエネルギーは衝撃波の連続性を確実にする。よって、そのようなエンジンの操作サイクルは以下の３つの段階に減少される。
− 可燃性チャージあるいは混合物を供給する供給位相に関する第１段階、
− 上記チャージによって生じる化学エネルギーを圧縮し放散させるデトネーション位相に関する第２段階、
− デトネーション産物の膨張段階に関する第３段階。
構造的には、そのようなエンジンの燃焼室は炎管により形成されている。その炎管の一端はスラスト壁と呼ばれる横基台により閉鎖されていて、その基台を、可燃性チャージのデトネーションから生じる産物が押圧し、スラストを生じる。上記チャージは燃焼室に供給装置により導入される。
エンジン操作サイクルの各種位相コースは潜在的に臨界点であることはかなり明白であり、特に重要なのは、そのようなエンジンの実績に非常に大きな影響を持ちうる供給位相をコントロールすることである。
現在、２つの噴射供給コントロール装置が主として用いられている。すなわち、１つは、空気力学的に可燃性チャージの導入を阻止する、燃焼室内の過剰圧力を用いる空気音響装置であり、他方は、従来の並進的に移動可能なタイプかロータリー・タイプの制御バルブを用いる電子機械装置である。
これらの供給装置は、広く使用されているが、それでも短所がある。特に、空気音響装置は可燃性混合物に対する噴射条件に依存しており、製作は非常に簡単であるが、エンジンの全操作範囲に対し導入を最適に出来ないから、エンジンの実績が減少する。電子機械的装置に関しては、高い瞬間流量を通過させることができる従来のバルブを必要とするので、これらのバルブの費用が高くなる。また、ロータリー・バルブにしても、ロケット・モードには良く適しているが、大気中操作には能率が劣る。更に、これら２種類のバルブはエンジンの設計を非常に複雑にする。エンジンの構造の簡素化は１つの強みである。
本発明はこれらの短所を克服することを目的とし、その設計は構造上簡単で高い操作の安全性を保証するパルス・デトネーション・エンジンに関するものである。
このため、上記パルス・デトネーション・エンジンには、供給装置によって横基台を備えた炎管からなる燃焼室に導入された可燃性チャージが、サイクル毎に供給されるものであって、以下のことを特徴とする。
− 上記炎管の横基台はこの炎管に対し、２つの境界位置を占めることができるよう移動できる。第１の位置は、上記管からなる燃焼室内での可燃性チャージのデトネーション位相に対応し、第２の位置は、可燃性チャージが上記燃焼室に供給される位相に対応する。
− 上記の可燃性チャージ用の１つ以上の供給開口部が上記管の側壁に設けられ、この開口部は、上記可動基台が第１の位置を占めている時は、閉じられ、上記の燃焼室から離れていて、第２の位置を占めている時は、上記の燃焼室と流体連通している。
− 第1の位置では、上記の可動横基台は、解除可能な固定手段で上記の管に固定されている。
よって、本発明によれば、エンジンにはバルブ等を有する複雑な供給装置がない。その理由は、移動して供給開口部を開閉できることによって、エンジンの供給位相とデトネーション位相との両位相の操作を操るのは、スラスト壁を形成する横基台そのものであるからである。従って、これら両位相の正確な操作とその遷移を制御し確実にすることによって、上記の可動横基台は供給装置の１体部分を形成するものと考えられる。
また、燃料と酸化剤との燃焼室への導入の自主的な制御のため可動横基台を用いることは機械的に非常に簡単で、外部からエネルギーを更に供給することなく高レベルの操作の安全性と確実性とを保証する。
例えば、上記の可動横基台は上記の２つの位置の間を上記の管に対し摺動してもよいし、回転してもよい。
上記の横基台は、横壁が上記燃焼室に向き、側方裾部が上記の管の壁と協働して、基台が第１の位置にある時は上記の供給開口部を閉鎖するピストンの形をしているのが好ましい。上記解除可能な固定手段は、上記ピストンに摺動自在に収容され、そのピストンの横壁を通って上記燃焼室に侵入する内部ブロックと、上記内部ブロックの移動の影響を受け、上記ピストンの側裾部を半径方向に通過できて上記の炎管の受け入れハウジングと係合し、上記の基台を不動にする１つ以上の固定用ローラとからなる。
変形例としては、上記の可動横基台は、上記の炎管に配されたピストン上に回転自在に取り付けられ、周方向の固定用ほぞが設けられている。このほぞは、上記の炎管に作製され、上記燃焼室と連通している固定用ほぞ溝と第１位置で協働できる。そして上記の可動横基台は、デトネーションの効果で上記のピストンに対し回転でき、固定用ほぞと固定用ほぞ溝との協働作業を阻止し、上記のピストンは上記の第２の位置を採ることができる。
更に、内部停止手段が、上記の可動基台の第１の位置を示すため上記の炎管に設けれている。この内部停止手段は、上記の炎管の側壁から突出する内部環状肩部の形を採るのが好ましい。上記の可動基台のピストンは第１の位置でこの肩部に当たる。
もう1つの特徴によれば、弾性戻し手段が、上記の可動基台を第１の位置から第２の位置まで戻すため上記の炎管に設けられている。この戻し手段は、例えば、上記の可動基台の内部ブロックに作用する１つ以上のバネからなる。
更に、上記の側方供給開口部は上記の内部停止手段に隣接して配置するのが好ましい。
更に、上記エンジンは点火装置を備える。この点火装置は、サイクル毎に可燃チャージを点火するため、上記可動横基台の往復運動を用いるのが好ましい。
これに限らないが、好ましい実施例では、上記の点火装置は圧電タイプで、例えば、上記の可動横基台に連結された可動ウエイトと、このウエイトを点火準備位置に保持できる保持装置と、上記の保持装置を開放した後の衝突位置に上記のウエイトを戻すための弾性要素と、上記のウエイトが衝突位置に来た時可燃チャージを点火するため、電流を発生させる圧電部材とからなる。
添付の図面により、本発明がどのように実施できるかを理解するのが明白になる。これらの図中、同一符号は同一要素を示す。
図１と図２とにその概略と１部分が示されているパルス・デトネーション・エンジン(Ｉ)は、長手方向軸(A)を備えた筒状炎管(２)と、この炎管(２)内に近接フィットして収容されている横基台(３)とからなる。この横基台(３)が、側壁(４)と共に燃焼室(５)(一部分が示されている)の境界を定めている。この燃焼室(５)は、燃料と酸化剤との混合物を供給する四角形で示された供給装置(６)から得られる可燃性チャージをサイクル毎に受け取ることができる。この横基台(３)はスラスト壁を形成し、このスラスト壁に可燃性チャージのデトネーション産物が当たってスラストを生じさせる。
本発明によれば、横基台(３)は、エンジン(Ｉ)の炎管(２)に対し移動できるように取り付けられていて、２つの明確な境界位置の間を移動できる。１つは、第１の位置(図１)で、燃焼室(５)を供給装置(６)から分離させる、可燃性チャージのデトネーション位相に対応する。もう1つは、第２位置(図２)で、供給装置と燃焼室とを流体連通させる供給位相に対応する。この供給位相では、燃焼室に可燃性チャージが供給される。
上記を可能にするため、可燃性チャージを供給装置(６)から燃焼室(５)に導入するための開口部(７)が炎管(２)の側壁(４)に形成されている。この開口部(７)は、可動横基台(３)が第１位置にある時は、閉じており、第２位置を占めている時は開いている。このようにして、可動横基台(３)は、供給装置を制御している従来のバルブのように、燃焼室を、導入されてくる混合物から離間させたり、これと流通させたりすることが出来る。
２つの図が示すように、横基台(３)の２つの位置間の移動は、この好ましい実施例では、長手方向軸(Ａ)に沿う摺動であるが、回転でもよく、あるいは螺旋でもよい。よって、摺動基台(３)の第１位置を示すため、内部環状肩部(８)が炎管(２)の側壁に設けられている。その結果、横基台(３)の面取りされた縁部が、エンジンの各操作サイクル中この肩部(８)に当たっていて、上死点を形成している。更に、エンジンのデトネーション位相中この第１位置に摺動基台(３)を維持するために、解除可能な固定手段(９)が、摺動する横基台(３)と炎管(２)とを暫定的に結合させるため設けられている。
図示されている実施例では、横基台(３)は、構造上通常あるように、燃焼室に向いている横壁(11)と、炎管(２)の側壁(４)と近接フィットしてこれと協働する側方裾部(12)とから構成されているピストン(10)の形態をしている。このようにして、第１図に示されているように、上記ピストンの側方裾部(12)は可燃性混合物用の導入あるいは供給開口部(７)を閉じる。この開口部(７)は上記の内部環状肩部(８)に隣接して炎管(２)に作製されている。
ピストン(10)の内側には、筒状の内部ブロックあるいは本体(14)が位置しており、このブロック(14)は、ピストンの側方裾部(12)と協働する。そしてその円錐形の一端(15)は、ピストンの横壁(11)の中央に作成された対応する軸方向の孔(16)に嵌入し、燃焼室(５)に突出する。よって、このブロック(14)は、デトネーション・ガスの作用のもとにピストンに対し軸方向に移動自在であることが理解される。更に、図１に示されているように、固定用ローラないしボール(17)が、ピストンの側方裾部の半径方向の通路(18)に収容されており、ブロック(14)の周囲に設けられ、ランプ(坂道)を形成する円錐形の肩部(19)の作用のもとに、炎管(２)の側壁(４)に対応して作成された受け入れハウジング(20)に部分的に入り込む。図１には、２つのローラ(17)が示されているが、その数は異なっていても良い。内部ブロック(14)とローラ(17)とで形成されるアセンブリは、ピストン(10)、即ち、横基台(３)を第１位置に固定するための固定手段(９)を形成する。
加えて、可動横基台(３)と炎管(２)との間、燃焼室(５)とは反対側に弾性戻し手段(21)が、上記基台(３)を第２位置(図２)から第1の固定位置(図１)に即座に戻すために設けられている。例えば、この手段は、上記の円錐形端部(15)に対向している、上記ブロック(14)の端部と、炎管(２)に設けられている横支持体(24)との間に配置されている圧縮バネ(22)によって簡単に形成される。従来のように、上記ブロック(14)の端部(23)から突出する、上記バネ用のガイド・ロッド(25)をこのバネと組み合わせても良い。
上記のパルス・デトネーション・エンジンの操作サイクルは以下の通りである。
先ず、エンジン(Ｉ)が、横基台(３)が以下の第１位置にある、図１に示されている形態にあると仮定する。
− 即ち、バネ(22)の作用のもとに炎管(２)の内部環状肩部(８)に当たっていて、ピストン(10)と肩部(８)との面取りされた縁部の協働により燃焼室をシールしており、
− ピストン(10)の側方裾部(12)により炎管の導入開口部(７)を閉じていて、燃焼室(５)は、供給装置(６)から得られる導入混合物から離間しており、
− 上記の側方裾部(12)を部分的に通過し、ブロック(14)の円錐形ランプ(19)の作用により炎管の受け入れハウジング(20)に嵌入している固定用ローラ(17)によってこの第１位置に固定されている。上記ブロックはバネ(22)により押圧され、その端部(15)は孔(16)を閉じている。
燃焼室(５)内で圧縮された可燃性混合物のデトネーションが、図６に関連して記載されている点火装置により生じると、燃焼室内で圧力が非常に高まるが、スラスト壁を形成している基台(３)のピストン(10)は固定用ローラ(17)により所定位置に固定されているので、後退できない。その反面、デトネーション・ガスは、ピストンの横壁(11)の中央孔(16)から燃焼室に突出している、内部ブロック(14)の円錐形端部(15)と接触していて、このガスは、上記のブロック(14)に作用し、このブロック(14)は、生じた圧力の結果、後退してバネ(22)を圧縮し始める。この軸方向の後退移動中、固定用ローラ(17)は、ブロック(14)の円錐形ランプ(19)を辿り、炎管(２)のハウジング(20)から去り、ピストンの半径方向(18)に収容される。
燃焼室(５)内の圧力は、デトネーション産物の後方膨張の効果で暫定的に下がる。可動基台(３)は最早固定されていないので、このスペースは、燃焼室内に生じている過剰残圧の効果によりバネの作用に抗して内部ブロック(14)と共に自由に後退できる。同時に、ピストン(10)の側方裾部(12)は管(２)の導入開口部(７)を開け、可動基台(３)は、管の支持体(24)とブロック(14)の端部(23)との間に配されているバネ(22)を圧縮する、図２に示されている第２位置に到達する。
炎管(２)の導入開口部(７)は、デトネーションに基づく生成物の過剰な膨張によって生じる低圧位相中は完全に開いている。従って、自動吸引現象によりエンジンの燃焼室(５)に自主的に燃料と酸化剤との混合物が供給装置から充填される。
ついで、圧縮バネ(22)の作用のもとに、内部ブロック(14)と可動ピストン(10)とが燃焼室に向けて戻り、ピストンは導入開口部(７)を閉じ、管(２)の肩部(８)と軸方向に接当する。他方、固定用ローラ(17)は、円錐形ランプ(19)の作用のもとに管のハウジング(20)に再び嵌入して、基台(３)を第１位置に固定する。
こうして、エンジン(Ｉ)の新たな作用サイクルが始まることができる。
図３、図４及び図５の実施例(II)では炎管(２)の横基台(３)は、例えば（図示はされていないが、既知の方法で）弾性的に搭載された軸方向のシャフト(41)に配されたピストン(40)上に回転自在に取り付けられている。横基台(３)はその周囲に固定用ほぞ(42)が設けられており、このほぞは、第1位置(図４)にあると、炎管(２)の肉厚部に形成された固定用ほぞ溝(43)と協働できる。各固定用ほぞ溝(43)はＬ字型をしていて、軸方向の分岐部(43A)と横方向の分岐部(43T)とを備える。各分岐部(43T)は、(45)の箇所で燃焼室側に突出しているダクト(44)を介して燃焼室(５)と連通する。
図３から図５のエンジン(II)の操作順序は以下の通りである。
− 可動横基台(３)とピストン(40)とのアセンブリは第1位置(図４)にあり、固定用ほぞ(42)は、上記軸方向のシャフト(41)の弾性負荷の作用で固定用ほぞ溝(43)の横分岐部(43T)と突き合っており、供給開口部(７)は閉じているので、
− 燃焼室(５)内に存在する可燃性チャージのデトネーションが開始すると、この燃焼室で圧力が非常に高まるが、可動横基台(３)とピストン(40)は固定用ほぞ(42)により固定されており後退できない。
− 然し、燃焼室(５)全体に亘るデトネーションがダクト(44)のオリフィス(開口部)の高さに到達すると、加圧ガスの1部が捕らわれ固定用ほぞ溝(43)に向けられる。
− 固定用ほぞ溝(43)内の過剰圧の作用で、ほぞ(42)は軸方向シャフト(41)の弾性負荷の作用に抗して横分岐部(43T)の側方に駆動され、その結果、可動横基台(３)はピストン(40)に対して回転して、ピストンの固定を外す。
− よって、可動横基台(３)とピストン(40)とのアセンブリは過剰残圧の効果により自由に後退でき、第２位置を採り、供給開口部(７)を曝け出す。上記のほぞ(42)はほぞ溝(43)の軸方向分岐部(43A)を辿る。
− 上記の開口部(７)は、デトネーション生成物の過剰膨張によって生じる低圧位相中は完全に開放している。自動吸引現象により燃焼室(５)には燃料と酸化剤との混合物が自主的に充填される。
− (図３から図５には示されていない)戻しバネ(21)の作用で、可動基台(３)とピストン(40)とのアセンブリは前方に向け戻され、固定用ほぞ(42)はほぞ溝(43)の軸方向分岐部(43A)を辿り、前方停止手段に当たると、軸方向のシャフト(41)の弾性負荷の作用で横分岐部(43T)に侵入し、基台(３)を制限回転させる。
よって、エンジン(II)は、もう1度第1位置にきて新たなサイクルの準備態勢を採る。
可動基台によって提供される上記の長所(燃焼室と吸気供給および係合解除)に加え、スラスト壁の往復運動は、また、可燃負荷を点火するのに用いられ得るエネルギーを発生させ、あるいはモーターで動く機器の電気要素を部分的にカバーするのに利用できる。
特にそれは、図６に示されている点火装置(30)の場合であって、手段(31)、(32)、(33)および(34)を介して可動横基台(３)の往復運動を用いて、可燃性チャージをサイクル毎に点火する。
図示の実施例では、この装置(30)は、圧電タイプであるが、導電コイル等の形態をしていてもよい。構造的には、この装置の手段は、可動ウエイト(31)と、この例においては、電磁石のような保持装置(32)と、弾性要素(33)と圧電要素(34)とからなる。
上記のウエイト(31)にはラグ(35)が設けられていて、可動基台(３)と連結でき(図示略)、そして電磁石(32)と圧電部材(34)との間に配されていて、２つの各位置間を軸(Ａ)に平行に往復動できる。
上記のウエイト(31)の第１位置は図６の下半分の図に対応し、この図では、ラグ(35)を介して可動基台(３)の後退運動により装填されたウエイト(31)は点火の準備がされ、電磁石(32)に、これの中を循環する供給電流により連結される。上記の可動基台が第２位置にある(図２)この点火準備位置では、電磁石とウエイトとの間にある圧縮バネのような弾性要素(33)が圧縮され、ウエイトは圧電部材から離れている。この例では、ウエイトの保持装置は電気的タイプのものであるが、機械的タイプでもよい。
ウエイト(31)の第２位置は、図６の上半分の図に対応する。この図では、ウエイトは保持装置から放たれており、電磁石(32)の供給電流が遮断されたことと、弾性要素(33)の作用とにより圧電部材(34)のクリスタルに衝突する。可動基台(３)が第１位置にある場合、ウエイトが圧電装置(34)と接当すると高圧電流が生じ、この電流はエンジンを点火、即ち可燃性チャージを点火するのに用いられる。
更に、可動スラスト壁はデトネーションのパルス状特性を滑らかにすることによってスラストをより良く制御できると共に、そのようなエンジンによって生じがちな振動環境を鎮めることができ、これによりこの種のエンジンを航空機機体枠に統合することを容易にできると出願人は発見した
本発明によるパルス・デトネーション・エンジンの第１実施例の略縦断面図で、第１の位置にある可動基台を示す。 図１に類似する図であって、第２の位置にある上記エンジンの可動基台を示す。 本発明の第２実施例の炎管の内部の略断面斜視図である。 図３の炎管の可動横基台の第１の位置と第２の位置とを示す略図である。 図３の炎管の可動横基台の第１の位置と第２の位置とを示す略図である。 図６は、上記エンジンの点火装置の略図で、２つの上下半部分がエンジンの２つの最終操作位置を示すのに用いられている。
符号の説明
２…炎管、３…横基台(可動基台)、４…側壁、５…燃焼室、６…供給装置、７…供給開口部、８…内部停止手段(内部環状肩部)、９・42・43…固定手段、10…ピストン、11…横壁、12…側方裾部、14…内部ブロック、17…固定用ローラ、20…ハウジング、21…弾性戻し手段、22…バネ、30…点火装置、31・32・33・34…点火手段(31…可動ウエイト、32…保持装置、33…弾性要素、34…圧電部材) 、40…ピストン、43…固定用ほぞ溝、42…固定用ほぞ。


Claims (12)

  1. 横基台(３)を備えた炎管(２)の燃焼室(５)に、供給装置(６)によって導入された可燃性チャージがサイクル毎に供給されるパルス・デトネーション・エンジンであって、
    上記炎管の上記の横基台(３)が上記の炎管(２)に対し移動自在に取り付けられていて、２つの境界位置を占め、１つは第１位置であって、上記炎管の燃焼室(５)内の可燃性チャージのデトネーション位相に対応し、他方は第２位置であって、可燃性チャージが上記の燃焼室に供給される位相に対応し、
    上記の可燃性チャージ用の１つ以上の供給開口部(７)が上記の炎管の側壁(４)に設けられていて、この開口部(７)は、上記の可動基台(３)が第１位置を占めている時閉じていて、上記の燃焼室(５)から離れており、上記の可動基台(３)が第２位置を占めている時は、上記の燃焼室(５)と流体連通しており、
    上記の第１位置では、上記の可動横基台(３)は、解除可能な固定手段(９、42 、43)により上記の炎管(２)に固定されていることを特徴とするもの。
  2. 請求項1のエンジンであって、上記の可動横基台(３)が、上記の第１位置と第２位置との間で上記の炎管(２)に対し摺動することを特徴とするもの。
  3. 請求項１あるいは２に記載のエンジンであって、上記の可動横基台(３)が、上記の第１位置と第２位置との間で上記の炎管(２)に対し回転することを特徴とするもの。
  4. 請求項１または２に記載のエンジンであって、上記の可動横基台(３)が、上記の燃焼室に向く横壁(11)と、上記の可動横基台(３)が第１位置にあると、上記の供給開口部(７)を閉じるため上記の炎管の側壁(４)と協働する側方裾部(12)とを備えたピストン(10)の形態を採り、上記の解除可能な固定手段(９)が、上記のピストン(10)に摺動自在に収容されていて、上記横壁(11)を通って燃焼室(５)に突出する内部ブロック(14)と、このブロック(14)の移動の影響を受け、上記のピストンの側方裾部(12)を半径方向に通過して、上記の炎管の受け取りハウジング(20)に嵌入して上記の横基台(３)を不動にする１つ以上の固定用ローラ(17)とからなることを特徴とするもの。
  5. 請求項１、２あるいは３に記載のエンジンであって、上記の可動横基台(３)は上記の炎管(２)に配されたピストン(40)に回転自在に取り付けられると共に、上記第１位置では、炎管に形成され、燃焼室(５)と連通する固定用ほぞ溝(43)と協働できる周方向の固定用ほぞ(42)が設けられており、デトネーション効果により、上記の可動横基台(３)は上記のピストン(40)に対し回転し、固定用ほぞ(42)と固定用ほぞ溝(43)との協働を阻止して上記の第2位置を採ることを特徴とするもの。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載のエンジンであって、内部停止手段(８)が、上記の可動基台の第１位置を示すため、上記の炎管(２)に設けられていることを特徴とするもの。
  7. 請求項６に記載のエンジンであって、上記の内部停止手段が、上記の炎管(２)の側壁から突出する内部環状肩部(８)の形態を採り、この肩部(８)に上記基台(３)のピストンが第１位置で当たることを特徴とするもの。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載のエンジンであって、弾性戻し手段(21)が上記の炎管(２)に設けられており、上記の可動基台(３)を第２位置から第1位置に戻すことを特徴とするもの。
  9. 請求項８に記載にエンジンであって、上記の弾性戻し手段(21)が上記の可動基台(３)のブロックに作用する1つ以上のバネ(22)からなることを特徴とするもの。
  10. 請求項６に記載のエンジンであって、上記の側方供給開口部(７)が上記の内部停止手段(８)に隣接して配されていることを特徴とするもの。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載され、点火装置(30)を備えたタイプのエンジンであって、上記の点火装置(30)が上記の可動横基台(３)を用い、サイクル毎に可燃性チャージに点火する手段(31、32、33、34)からなることを特徴とするもの。
  12. 請求項１１に記載のエンジンであって、上記の点火装置(30)が圧電式で、上記の可動横基台に連結された可動ウエイト(31)と、このウエイトを点火準備位置に保持できる保持装置(32)と、この保持装置からの開放の後の衝突位置に上記ウエイトを戻すための弾性要素(33)と、このウエイトが衝突位置に来たとき上記の可燃性チャージに点火するため電流を生じさせる圧電部材(34)とからなることを特徴とするもの。
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