JP6038885B2 - 圧力ゲイン燃焼器を制御するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、圧力ゲイン燃焼器を制御するための装置及び方法に関する。

圧力ゲイン燃焼器（その一例はパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）である）は、燃料と酸化剤（例えば空気）の混合気を燃焼させるために爆轟波を用いる燃焼エンジンのタイプである。各爆轟波は、点火源によって開始され、燃焼プロセスは、混合気が燃焼室内で爆轟波間で更新されるように脈動される。燃料／空気の混合気が亜音速の爆燃を受ける在来のパルスジェットエンジンとは異なり、圧力ゲイン燃焼器のパルスデトネーションは、超音速の爆轟を受ける。燃焼プロセスは、燃焼室内の燃焼生成物圧力を大きく上昇させ、次いで、その圧力は、推力又はパワー発生のためにノズルを通して膨張する。この推力を、車両を推進させるために用いてもよいし、若しくは、例えばドライブシャフトに連結されたタービンのような回転容積式装置によって、機械パワーに変換してもよい。

過去数十年では、圧力ゲイン燃焼器は、最も有望なパワー発生サイクルの１つとして、実際に追及されてきた。圧力ゲイン燃焼器は、他のパワー発生サイクルと比較して、非常に高い効率を提供する潜在力を有する。この潜在力を実現するために、燃焼プロセスの作動を最適にしなければならない。燃焼エンジンの在来の制御システムは、エンジンの作動をモニターし、入力変数に基づいて、燃料供給、空燃比、点火タイミング、及び他の機能性を制御する。しかしながら、一時的な作動、及び圧力ゲイン燃焼器を通る脈動流など、圧力ゲイン燃焼器と在来の燃焼エンジンの違いを考えると、在来の制御システムは、圧力ゲイン燃焼器の作動を制御するのにうまく適合していない。

本発明の１つの観点では、効率的かつ効果的な態様で、燃料加圧手段、燃料噴射器、及び点火組立体を有する圧力ゲイン燃焼器の作動を制御する方法を提供する。該方法は、目標負荷設定値及び燃焼器の目標充填率を満たす、燃料噴射デューティサイクル及び燃焼頻度を決定することと、決定された燃料噴射デューティサイクル及び燃焼頻度を達成する、燃料供給圧設定、燃料噴射タイミング設定、及び点火タイミング設定を決定することと、燃料供給圧設定を含む燃料供給圧制御信号を燃料ポンプに送り、燃料噴射タイミング設定を含む燃料噴射制御信号を燃料噴射器に送り、点火タイミング設定を含む点火タイミング制御信号を点火組立体に送ることと、を含む。目標充填率は、好適には１．０であるが、０．８と１．１の間の値であってもよい。

燃料噴射デューティサイクルを決定するステップは、燃焼器を通る空気流量を測定すること、及び、目標負荷設定値を満たす燃料流量を決定すること、若しくは、目標負荷設定値と酸化剤／燃料の理論混合比の両方を満たす、空気及び燃料の流量を決定することを含んでいてもよい。燃焼頻度を決定するステップは、燃焼器の最大燃料噴射持続時間（ＭＩＤ）、及び、燃焼頻度で割ったデューティサイクルである、爆轟サイクル当たりの要求燃料噴射持続時間（ＩＤＤＣ）を決定することと、ＩＤＤＣがＭＩＤより小さい、又はＭＩＤに等しいように、燃焼頻度を選択することと、含んでいてもよい。

本発明の別の観点では、上記の方法でプログラムされたメモリー、及びプログラムされた方法を実行するプロセッサを含むコントローラが提供される。プロセッサは、燃料加圧手段と、燃料加圧手段に流体連結された燃料噴射器と、燃料噴射器及び酸化剤供給源に流体連結された混合室と、混合室と流体連通する燃焼室と、混合室と流体連通する点火組立体と、を含む燃焼器の一部であるのがよい。

コントローラは、少なくとも１つの当量比を選択するステップ、及び、目標負荷設定値及び選択された当量比を満たす燃料流量を決定するステップでさらにプログラムされていてもよい。また、コントローラは、燃焼器の酸化剤／燃料の混合室内の圧力を測定するステップでさらにプログラムされていてもよく、燃料供給圧設定は、決定された燃料流量を達成するように、燃料を混合室内に送るのに十分な燃料供給圧を提供する。また、コントローラは、燃焼器の点火位相遅れを決定するステップでさらにプログラムされていてもよく、点火タイミング制御信号は、決定する点火位相遅れをさらに含む。

圧力ゲイン燃焼器の制御システムの実施形態の概略図である。 圧力ゲイン燃焼器の作動を制御するためにコントローラによって実行されるステップのフローチャートである。 コントローラによって制御される圧力ゲイン燃焼器の１つの実施形態の概略的な外側面図及び断面図である。 コントローラによって制御される圧力ゲイン燃焼器の１つの実施形態の概略的な外側面図及び断面図である。 図３及び４に示した燃焼器の混合室及び燃焼室の斜視断面図である。

入力変数に基づき、且つ、サイズ当たりの利用可能な出力パワー及び圧力ゲイン燃焼器の固有の効率を最適にするような方法で、圧力ゲイン燃焼器の少なくとも燃料噴射組立体及び点火組立体をモニターし且つ操作する、圧力ゲイン燃焼器の制御システムの実施形態をここで説明する。当業者にとって明らかな或る種の小さな修正により、ここで説明する制御システムを、種々のタイプの圧力ゲイン燃焼器に利用してもよい。

背景として、燃焼プロセスで空燃比を測定するために、在来の燃焼エンジンの制御システムで用いられる一般に普及している方法は、排気流内に酸素センサーを利用することである。燃焼生成物中の残留酸素量を測定することによって、コントローラは、燃焼前に燃焼室に存在する空燃比を計算することができ、また、比率を調整するために（典型的には燃料流量を調整することによる）、フィードバック制御ループを用いることができ、それにより、要求出力パワー、及び燃焼室内の適切な空燃比を得る。

しかしながら、圧力ゲイン燃焼器では、各燃焼サイクルは、次の一般的な段階、即ち、吸入、爆轟、吐出、及びパージを含む。パージプロセス中、空気は、燃焼プロセスで用いられることなく、燃焼器を通り過ぎる。パージ空気は、燃焼室を通過して、排気系から出る、したがって、パージ空気中に存在する付加的な酸素が、圧力ゲイン燃焼器の排気系内の酸素センサーの示度を偏らせるであろう。よって、酸素センサーは、圧力ゲイン燃焼器の空燃比を測定又は制御するために効果的に利用することができない。

空燃比を測定及び調整する別の方法は、空気流量を測定すること、及び空気流量に基づいて燃料流量を調整することである。この方法は、「フィードフォワード」アプローチとして知られ、一般的に、圧力ゲイン燃焼器にとってより適切であると共に効果がある。以下により詳細に記載するように、本発明の或る実施形態に係る制御システムは、空気及び燃料の流量調整のためにフィードフォワードアプローチを用いる。

在来の燃焼エンジンでは、エンジンの出力パワーは、燃焼で活性している空気の質量流量に比例する。上記したように、圧力ゲイン燃焼器の各燃焼サイクルでは、燃焼器の容積が空気と燃料の混合気で充填され、燃焼されて、そして吐出及びパージされる。したがって、任意の圧力ゲイン燃焼エンジンのサイズ当たりの出力パワーを最大化するために、燃焼器の動作周波数が最大化されなければならない。しかしながら、最大動作周波数は、燃焼室の空気力学、点火システム及び／又は燃料噴射システムの制約、及び必要な空気／燃料の混合時間などの要因によって制限されることがあり、それらのどれかは、効率を高い動作周波数で低下させるかもしれない。

圧力ゲイン燃焼器の効率に関して考慮すべき別のパラメーターは、充填率である。充填率は、燃焼器の全体積に対する、各燃焼サイクルで燃焼される空気／燃料の体積の比率である。爆轟へ移行する爆燃（「ＤＤＴ」）を利用する圧力ゲイン燃焼器では、空気／燃料の一部分が爆轟の前にＤＤＴプロセスで燃料される。このＤＤＴ燃焼プロセスは、定容爆轟ほど効率的ではないため、爆轟プロセスで消費され得る空気／燃料の混合気の部分を最大化するであろう、ＤＤＴ間隔を最小化することが望ましい。ＤＤＴプロセスに必要な空気及び燃料の量は、爆轟が達成された後に燃焼した空気及び燃料の量に依存しない。したがって、より低い充填率が使用された場合、比較的高い割合の空気及び燃料が、比較的低効率のＤＤＴプロセスで使用され、比較的わずかな可燃性の混合気しか、爆轟プロセスに使用できないであろう。これは、燃焼器効率を低下させる。他方で、最大体積の空気及び燃料の混合気が燃焼室に準備された場合、ＤＤＴプロセスに対する爆轟燃焼の比率が増加して、燃焼器の効率が向上する。

本発明の１つの実施形態に従って、図１乃至５を参照すると、圧力ゲイン燃焼器１２の制御システム１０は、制御プログラムでプログラムされたメモリーを有するコントローラ１４を備え、制御プログラムは、燃料噴射組立体１６の空気及び燃料の流量を調整し、且つ燃焼器１２の点火組立体１８の作動を制御して、要求出力パワー（又は「負荷」）を得る。制御プログラムは、コントローラ１４によって実行される命令を含んでおり、充填率を最大化することにより、燃焼効率を任意の与えられた動作周波数で最適化する方法にて、燃焼器１２の燃焼室２０内の適切な空燃比を維持する。動作周波数、及び燃焼器のサイズ当たりの利用可能な出力パワーを最適化すべく、コントローラ１４は、また、空気／燃料の混合に必要な時間を最小にするように、燃焼サイクルの吸入段階全体にわたって燃料供給を調整する。これを成し遂げるために、コントローラ１４は、燃焼器１２内の気流に比例する燃料噴射流量を調整し、それにより、空気と燃料の混合に必要な時間及び空間を最小にしながら、燃焼室２０全体にわたって空気と燃料の実質的に理論混合気を提供する。

特に図３乃至５を参照すると、適当な燃焼器１２は、パルスデトネーション装置であり、この実施形態では、燃焼器から吐出される推力を有用な回転運動に変換する回転運動容積式装置２２に連結されて示されている。他の例では、燃焼器１２は、コンプレッサー及びタービンのシステム（図示せず）に連結されてもよい。推力は、回転運動容積式装置２２の排気口２４から排気として吐出されてもよい。燃焼器は、爆轟領域２６を含み、爆轟領域２６は、本実施形態では、シェルキンスパイラル２８が取り付けられた内側管状体２７であり、シェルキンスパイラル２８は、らせん方向とされてもよく、また、１つの形態では、挿入されて管状体に固定して取り付けられたらせん部材のようなインサートであってもよい。シェルキンスパイラル２８のらせん部分の回転間の距離は、周波数で増加してもよく、そうでなければ、スパイラル間のピッチを、内部のガスの速度に従って減少させてもよい（若しくは、ピッチは、或る形態では、ガスの膨張に応じて増加してもよい）。

熱伝達組立体は、内側管状体２７と外側管状体３２との間に空隙として構成された環状流路３０からなる。入口３４が、外側管状体３２に設けられており、圧縮空気のような気体酸化剤を、環状流路３０に流させて向流の仕方で移動させ、爆轟領域２６内からの熱が、環状流路３０内に伝達され、その中を通る酸化剤を予熱するのに役立つ。図５に最も明瞭に見られるように、フィン４２を熱伝達組立体内に設けて、酸化剤を環状流路３０の中に更に伝達させることができる。

そして、酸化剤は、ガス移送管３６を介して酸化剤／燃料混合室３８に移動し、予熱された酸化剤は、燃料噴射組立体１６により噴射された燃料と混合して、酸化剤／燃料混合気を形成する。燃料噴射組立体１６は、燃料を、コントローラ１４によって指示されたタイミングに従って、コントローラ１４によって指示された量で混合室に噴射するのに役立つ。より具体的には、燃料噴射組立体１６は、混合室と連通した噴射口を含む燃料噴射器と、燃料噴射器に流体連結され、且つコントローラ１４と通信し、尚且つコントローラ１４により制御可能な燃料加圧手段４４（図１に概略的に示す）と、を含む。適当な燃料加圧手段４４は、圧力調整器を含むポンプ又は圧縮機であってもよい。燃料噴射器は、また、コントローラ１４と通信し、且つコントローラ１４により制御可能な制御バルブ４６（図１に概略的に示す）を含み、燃料噴射器が単位時間当たりに作動される（即ち制御バルブを開かせる）持続期間を制御する、言い換えると、コントローラ１４は、制御バルブの開弁を制御することで、燃料噴射器のデューティサイクルを制御する。

酸化剤／燃料混合気が混合室３８で混合されると、酸化剤／燃料混合気は、ディフューザー４０を通過して、燃焼室２０内に入るであろう。ディフューザー４０は、燃焼室２０の前でガス混合物を層状にするように設計されている。一般的に、ディフューザー４０は、種々の設計であってもよく、図３乃至５に示す実施形態では、長手方向に延びる引込によって構成された複数の孔が、適切な爆轟のために、混合気のらせん作用を減少させる。

ディフューザー４０を通過した後、今や層状になった酸化剤／燃料混合気が爆轟領域２６に流れ込む。爆轟領域２６の燃焼室２０の部分にある酸化剤／燃料混合気は、点火組立体１８により供給されるエネルギーで燃焼される。点火組立体１８は、燃焼室２０と流体連結され、且つコントローラ１４と通信し、尚且つコントローラ１４により制御可能な、１つ又はそれ以上の酸化剤／燃料の起爆装置からなる。起爆装置は、在来のスパークプラグ又はグロープラグでもよく、若しくは、他の例では、レーザー点火装置、又は酸化剤／燃料混合気を爆轟させるのに十分なエネルギーを与える他の装置でもよい。

燃焼室２０内の燃料／空気混合気が燃焼されると、火炎前面が、衝撃波に結合するようになり、超音速で爆轟領域２６の中を伝播し、それにより、その中の燃料／空気混合気の残りを爆轟させる。

上記したように、コントローラ１４は、要求パワー出力を効率的な方法で生じさせるために、燃焼器の作動を制御するようにプログラムされている。以下に詳細に記載するように、コントローラ１４は、燃料流量を調整することによって要求負荷を満たすのに、適切な酸化剤／燃料比を維持する。これは、燃料供給圧及び燃料噴射持続時間を制御することでなされる。燃料供給圧は、燃料加圧手段４４の作動を制御することにより制御され、燃料噴射持続時間及びタイミングは、燃料噴射器の制御バルブ４６を制御することにより制御される。一般的に、燃料供給圧を変化させると、燃料噴射中の燃料流量を変化させる。また、燃料噴射持続時間の変化を、単位時間当たりに燃焼室２０に噴射される燃料量を制御するために用いてもよい。

燃焼室２０への燃料供給の効率を最適にするために（及び、その結果、各燃焼サイクルの効率を最適にするために）、コントローラ１４は、燃料を「比例」の方法で噴射するようにプログラムされ、それにより、燃料噴射流量が、各吸入サイクル中、燃料噴射器を通り過ぎた空気流量に比例するように制御されて、燃料噴射器２４の噴射箇所を通過する空気／燃料の実質的な理論混合気を得る。よって、エアフローセンサー５４が、燃料噴射口の近くで混合室３８内に設けられ、エアフロー測定データをコントローラ１４に送る。

燃料をこの方法で比例的に噴射することは、混合室３８内の酸化剤／燃料の混合に必要な時間を減少させること、及び燃焼室２０内の異なる領域間での燃料分散の必要性を減少させることが見込まれる。逆に、燃料噴射流量が空気流量に比例して調整されなかった場合、燃焼サイクルの吸入段階中の空気流量の変化により、噴射燃料を混合気の１つの領域でより高く濃縮させるかもしれず、かくして、高濃度の燃料を低濃度の領域に分散させるのに非常に多くの時間を必要とするかもしれない。

さらに、本実施形態のコントローラ１４は、燃焼サイクルの吸入段階全体にわたって燃料流量を連続的に調整することで、空気／燃料の実質的な理論混合気を一貫して維持するようにプログラムされ、それにより、燃料噴射中の燃料流量が、燃料持続時間の全体にわたって各箇所で空気流量に比例する。この方法では、空気と燃料の混合に必要な時間を実質的に減少させるはずであり、燃焼器１２は、より高い動作周波数又は爆轟速度で作動することができるようにする。上記したように、これは、燃焼器１２のサイズ比に対して出力パワーを最適にすることが見込まれる。加えて、より高い動作周波数は、より連続的なパワー供給を提供すると共に、所定範囲の出力パワー要求について、より小型の燃焼器の使用を可能にする。燃料噴射流量を空気流量に比例して連続的に調整することは、燃焼器１２内の対流混合性能を向上させること、及び拡散により空気及び燃料を混合させるのに必要な時間及び距離を減少させることが見込まれる。

コントローラ１４は、燃料噴射器の前後の圧力差を調整することによって、燃料流量を調整することができる。圧力センサー５０が、混合室３８内に配置され、且つコントローラ１４と通信して、混合室の圧力測定値を提供する。この示度に関して、コントローラ１４は、要求燃料流量を達成する要求圧力差を計算するようにプログラムされ、この要求圧力差を達成するために、燃料ライン圧（噴射器２４上流の）を変化させる燃料加圧手段４４の設定を調整する。気体燃料の燃焼器に関しては、コントローラ１４は、気体燃料を混合室３８に圧送する圧縮機／圧力調整器を制御する。液体燃料の燃焼器では、コントローラ１４は、他の手段によって、例えば燃料噴射制御バルブ４６を制御して燃料噴射量を噴射箇所で制御することによって、燃料流量を制御するようにプログラムされる。

当業者にとって明らかなように、本実施形態のコントローラ１４は、空気流を制御するバルブを用い、或いは無弁の気流設計を特徴とする、両方の圧力ゲイン燃焼器を制御するようにプログラムされていてもよい。図３乃至５に示す圧力ゲイン燃焼器の本実施形態は、無弁の気流設計である。

本明細書は、空気バルブなしで燃焼サイクルのための制御を説明したが、空気バルブを含む燃焼器が同様に制御されてもよい。空気バルブ（図示せず）を含む圧力燃焼器では、コントローラ１４は、燃焼のための空気を提供する燃料噴射時間中に空気バルブを開き、また、パージ中空気バルブを開いてパージ空気を提供するであろう。コントローラ１４は、全ての他の時間では空気バルブを閉じる。

本実施形態のコントローラ１４は、比例・積分・微分の機能性（「ＰＩＤコントローラ」）を含むプログラマブル論理制御装置であるが、当業者にとって明らかなように、同様の機能性を有する他のコントローラを代用してもよい。図２を特に参照すると、コントローラ１４は、プロセッサ及び制御アルゴリズムでプログラムされたメモリーを含み、該制御アルゴリズムは、制御ループを構成する以下のステップを含み、該ステップは、燃焼器１２を作動する目標を達成するようにプロセッサによって実行され、要求パワー出力を効率的に満たす。

１．燃焼器の現在の運転状態を測定
センサーが、燃焼器１２の種々の運転状態をモニターするために、燃焼器１２の中又は周囲に位置し、それらのセンサーによって得られた測定値が、入力としてコントローラ１４によって用いられる。これらの測定値は、エアフローメーター５４によって測定される空気流量、及び圧力センサー５０によって測定される混合室圧力を含む。

コントローラ１４に入力される他の運転状態は、負荷入力５２である。負荷入力５２は、アクセルペダル、コンピュータキーボード、又は任意の他のヒューマンユーザーインターフェース（図示せず）などの直接入力手段によって提供されてもよいし、或いは、要求負荷入力を間接的に計算するのに用いられるデータを測定するセンサーによって、例えば回転運動容積式装置の回転速度を測定するのに用いられるセンサーによって、提供されてもよい。

２．負荷入力を確認し、燃焼器要求パワー出力を計算
多くの在来の燃焼エンジンでは、コントローラは、要求負荷のための入力信号を、アクセルペダルなどの外部信号源から取得する。コントローラ１４は、入力信号により指示される通りに、要求出力パワーに基づいて実際のエンジン出力パワーを調整する。また、負荷入力は、エンジンについて間接的に定義されてもよい。例えば、定置型エンジンでは、エンジンコントローラは、しばしば、エンジン速度を或る設定値に維持するようにプログラムされる。コントローラは、シャフト速度をモニターし、要求シャフト速度を維持するようにパワー出力を常に調整する。実際の負荷が増加された場合、シャフト速度が低下するため、コントローラは、増加したパワー要求を補って、シャフト速度を所要の設定値まで上昇させるように、エンジン出力パワーを増加させるであろう。同様に、実際の負荷が減少され、シャフト速度が上昇する場合、コントローラは、速度設定値に到達するように、エンジン出力パワーを減少させるであろう。

本実施形態では、コントローラ１４は、直接的及び間接的な要求負荷入力信号の両方で作動してもよい。負荷入力５２が直接入力を測定するとき、燃焼器要求パワー出力は、目標負荷設定値を提供するために、この入力から受け取った情報から直接計算されてもよい。負荷入力５２が回転速度のような間接入力を測定する場合、コントローラ１４は、回転運動容積式装置の所望の回転速度をメモリーに記憶させ、記憶値と測定値を減算することで目標負荷設定値を計算する。

３．ステップ１からの要求負荷入力又は目標負荷設定値に基づいて要求燃料流量を調整
このステップでは、コントローラ１４は、ステップ２で確認された要求負荷入力に基づいて、要求燃料流量を計算する。現在提供されたものより高い又は低い燃焼器出力パワー（前回の燃焼サイクルについて定められた目標負荷設定値を基準にして）が要求された場合、要求燃料流量が増加又は減少され、それにより、新たな要求目標負荷設定値が達成される。

１つの実施形態では、コントローラ１４は、燃料供給ライン（燃料噴射器上流）内の燃料供給圧を連続的に変化させるようにプログラムされ、それにより、燃料流量が、燃料噴射持続時間の全体にわたって空気流量に比例する。詳しくは、コントローラ１４は、負荷入力及び測定された空気流量を用いて、燃焼器１２内の実質的な理論空燃比を維持する燃料流量を計算するようにプログラムされる。

４．現在の状態について噴射デューティサイクル（即ち単位時間当たりの噴射持続時間）を計算
このステップでは、コントローラ１４は、燃料噴射デューティサイクルを計算する。燃料噴射デューティサイクルは、単位時間当たりの燃料噴射器作動の程度であり（即ち、燃料噴射器が単位時間当たりに作動される必要がある時間）、以下のように数学的に表すことができる。

「ｍ_f」は、ステップ３で計算される要求燃料流量であり、「ｍ_injector」は、燃料噴射弁が連続的に作動されているときの燃料噴射弁からの燃料流量であり、上流燃料ラインン圧と混合室圧力の圧力差の関数である。

５．要求燃料流量に必要な爆轟速度（燃焼頻度）を計算
燃焼頻度は、空気流量、燃焼器容積、及び充填率に基づいて計算される。上記したように、充填率は、燃焼器の全容積に対する、各燃焼サイクルで燃焼される空気及び燃料の体積の比率である。

ステップ４で単位時間当たりの要求燃料噴射持続時間（即ち燃料噴射デューティサイクル）を計算すると、コントローラ１４は、これから、燃焼頻度と、燃焼室の目標充填率を満たすのに必要である、燃焼サイクル当たりの燃料噴射持続時間と、を決定する（以下では、「要求燃焼頻度」、及び「爆轟サイクル当たりの要求燃料噴射持続時間」又は「ＩＤＤＣ」と呼ぶ）。

充填率の下限は、噴射源及び燃料・空気の混合気の点火性によって制限される。例えば、充填率は、０．１までとしてもよい。しかしながら、目標充填率は、好適には、各爆轟について、できるだけ１に近づくように選択され、比較的多くの燃料が爆轟プロセスで燃焼されたとき、より大きな充填率がより高い燃焼効率を与える。非線形性及び他の非理想状態のような実際の制限を説明するため、目標充填率は、１より幾分小さくなるように、或いは１より幾分大きくなるように選択されるのがよく、詳しくは、コントローラ１４は、０．８と１．１の間の目標充填率で作動するようにプログラムされるのがよい。

１の最大充填率を達成するために、空気と燃料の理論混合気が、燃焼室２０の全体を満たすはずである。燃料噴射流量が空気流量に比例するため（混合して実質的な理論混合気にする）、及び、空気及び燃料の前面が同じ速度で燃焼室２０を通るため、燃料が燃料噴射器１６から燃焼器１２の吐出口までの距離を移動する時間は、燃料噴射器１６と燃焼器の吐出口の距離を酸化剤／燃料の混合速度で割ることにより計算することができる。コントローラ１４は、エアフローメーター５４で計算された通りに、燃焼器１２内の平均空気速度を参照することで、酸化剤／燃料の混合速度を概算する。これにより、燃料を燃焼器から出さずに（即ち充填率が１であるとき）、爆轟サイクル当たりに見込まれる最大燃料噴射持続時間は、以下のようにコントローラ１４によって計算される。

最大噴射持続時間＝燃焼器の端までの噴射距離／燃焼器内の空気速度

燃焼サイクル当たりの最大燃料噴射持続時間が計算された後、コントローラ１４は、この値（「最大噴射持続時間」又は「ＭＩＤ」）を、爆轟サイクル当たりの要求燃料噴射持続時間（「ＤＤＣ」）と比較する。コントローラ１４は、前の制御ループで決定された通りの値を用いて、ステップ４で計算されたデューティサイクルを、各単位時間当たりの爆轟サイクル数（即ち要求燃焼頻度）で割ることにより、ＩＤＤＣを計算する。ＩＤＤＣが現在のＭＩＤより大きい場合、コントローラ１４は、ＩＤＤＣがＭＩＤより下に低下されるまで、燃焼頻度値を増加させる。これは、ＩＤＤＣをＭＩＤより下若しくはＭＩＤに維持している間、単位時間当たりの要求燃料噴射持続時間に対処する役割を果たす。そして、コントローラ１４は、現在の制御ループについて、新たに決定された燃焼頻度値を記憶する。

上記したように、ＭＩＤは、目標充填率の関数であり、充填率は、実際の制限を説明するために、１．０より幾分小さくなるように、或いは１．０より幾分大きくなるように選択されるのがよい。目標充填率が１．０でない値であるようにプログラムされた場合、ＭＩＤ値は、それに応じて変化し、燃焼器１２は、ＩＤＤＣをこのＭＩＤ値より下に維持するように、燃焼頻度を調整するであろう。

他の例では、現在の制御ループについての燃焼頻度は、ＩＤＤＣをＭＩＤに等しくさせる値として計算されてもよく、その場合、燃焼頻度は、ＭＩＤで割られたデューティサイクルと等しくなる。この燃焼頻度は、燃焼器の吐出口から外に漏れる未燃燃料なしで、コントローラ１４によって設定され得る最小燃焼頻度を表す。

当業者にとって明らかなように、燃焼頻度値は、燃焼器１２の作動範囲内のみで調整され、それにより、燃焼器１２が連続的に動作することができる（内燃機関の許容可能な回転数範囲と概念が似ている）。

６．現在の状態（ステップ７０）について点火タイミングを計算
点火タイミング（さもなければ「点火位相遅れ」として知られている）は、燃焼頻度、空気流量、燃焼器寸法、及び噴射持続時間の関数である。ステップ３で計算された要求燃料流量のように、別の実施形態では、点火タイミングは、ＰＩＤコントローラ１４によって、又はファジー理論制御を用いることによって、若しくは当業者に知られた任意の他の在来制御方法によって、計算されてもよい。

コントローラ１４は、最適な爆轟特性を得るために、点火位相遅れを調整するように利用されてもよい。これは、最も高いパワー、最も少ない未燃燃料、最大の燃焼器圧力、又は他のエンジンパラメーターを達成するであろう。制御ループ（例えばＰＩＤループ）は、所望のプロセス変数を達成するために、これらの信号のいずれかからのフィードバックに基づいて点火タイミングを変化させるであろう。

７．次の燃焼サイクルについてのステップ１〜６の計算結果を保存し、制御信号を燃料噴射組立体及び点火組立体に送る
ステップ１〜６で計算された通りの、更新された運転パラメーターは、次の燃焼サイクルでの使用のためにコントローラ１４に保存される。これらの運転パラメーターは、要求燃焼器出力（目標負荷設定値）、要求燃料流量、噴射デューティサイクル、燃焼頻度値、及び点火位相遅れを含む。

そして、コントローラ１４は、更新された運転パラメーターを満たすのに必要な、要求される燃料ポンプ圧設定、燃料噴射タイミング、及び点火タイミングを決定して、それぞれの制御信号を、燃料ポンプ４４、燃料噴射組立体４６、及び点火組立体１８に送信して、必要に応じてそれらの動作設定を調整する。

８．ステップ１に戻り、繰り返す
ステップ１〜７は、燃焼器制御のためのメイン動作制御ループを示し、爆轟周波数から独立した選択周波数で繰り返されるのがよい。例えば、制御ループは、毎秒１０〜１０００の燃焼サイクルの間にある速度で繰り返すのがよい。

結び
別段の指示がある場合を除いて、ここに記載された全てのステップ及びタスクは、コンピュータシステムによって、実行されるのがよいと共に、完全に自動化されるのがよく、１つ又はそれ以上の汎用コンピュータにより実行されるソフトウェアコードモジュールで具体化されるのがよい。コードモジュールは、任意のタイプのコンピュータ読み取り可能な媒体、又はその他のコンピュータ記録デバイスに記憶されてもよい。他の例では、方法の幾つか又は全ては、専用コンピュータハードウェアで具体化されてもよい。或る場合には、コンピュータシステムは、多数の異なるコンピュータ、若しくは、説明した関数を実行するためにネットワーク上で通信し、且つ相互運用するコンピュータデバイス（例えば物理サーバー、ワークステーション、ストレージアレイなど）で構成されてもよい。このようなコンピュータデバイスの各々は、典型的には、メモリー又はその他のコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶されたプログラム命令を実行する、プロセッサ（又は多数のプロセッサ）を含む。開示した方法の結果は、半導体メモリーチップ及び／又は磁気ディスクのような物理ストレージデバイスを、異なる状態に変換することにより、持続的に記憶されてもよい。

前の説明では、コントローラ１４は、空気と燃料の実質的な理論混合気を維持することに関連して説明された。理論混合気は、多くの適用について最も可能性のある空気／燃料混合気であるが、コントローラは、リッチ又はリーンの空気と燃料の混合気を混合することもできる。リーン又はリッチの燃料混合気を達成するために、コントローラ１４は、要求当量比を達成するように燃料ライン圧を減少又は増加させてもよい。当量比は、理論燃空比に対する、実際の又は必要な燃空比の比率として定義される。そのため、１より高い当量比はリッチ混合気を示し、１より低い当量比はリーン混合気を示す。理論混合気は、１の当量比を有する。

他の実施形態では、コントローラ１４は、１つ又はそれ以上の選択された当量比でプログラムされている。所望の当量比を達成するために、コントローラ１４は、燃料噴射器の前後の圧力降下を変化させる（燃料供給ライン内の圧力を変化させることによって）。コントローラ１４は、噴射持続時間及び噴射器の前後の圧力差に基づいて、実際の燃料流量を計算し、燃料ライン圧を調整して、選択された当量比を達成する。当業者にとって明らかなように、ステップ１〜８での他のパラメーターは、当量比によって必ずしも影響されない。しかしながら、或る補正が、燃焼プロセスを強化するために（一例として点火タイミング）適用されてもよい。

本明細書は、ここに開示し且つクレーム化した対象を実施する、現在最も良く熟考された態様である。明細書は、この対象の一般的な原理を説明する目的で作られており、限定する意味で解釈されない。この対象は、該対象の根底にある原理の理解から当業者にとって明らかなように、なされた開示の範囲から逸脱せずに、種々の実施の有用性を見出すことができる。

Claims (20)

1. 燃料加圧手段、燃料噴射器、及び点火組立体を有する圧力ゲイン燃焼器の作動を制御する方法であって、
   （イ）目標負荷設定値及び前記燃焼器の目標充填率を満たす、燃料噴射デューティサイクル及び燃焼頻度を決定することと、
   （ロ）決定された前記燃料噴射デューティサイクル及び前記燃焼頻度を達成する、燃料供給圧設定、燃料噴射タイミング設定、及び点火タイミング設定を決定することと、
   （ハ）前記燃料供給圧設定を含む燃料供給圧制御信号を前記燃料加圧手段に送り、前記燃料噴射タイミング設定を含む燃料噴射制御信号を前記燃料噴射器に送り、前記点火タイミング設定を含む点火タイミング制御信号を前記点火組立体に送ることと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記燃料噴射デューティサイクルを決定するステップは、前記燃焼器を通る空気流量を測定すること、及び、前記空気流量に比例し、且つ前記目標負荷設定値を満たす、燃料流量を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃料噴射デューティサイクルを決定するステップは、前記燃焼器を通る空気流量を測定すること、及び、前記目標負荷設定値を満たし、且つ酸化剤／燃料の理論混合比を達成する、燃料流量を決定することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの当量比を選択すること、及び、前記目標負荷設定値及び選択された前記当量比を満たす燃料流量を決定することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記燃焼器の酸化剤／燃料の混合室内の圧力を測定することをさらに含み、
   前記燃料供給圧設定で作動する前記燃料加圧手段は、決定された前記燃料流量を達成するように、燃料を前記混合室内に送るのに十分な圧力を提供する、請求項２に記載の方法。
6. 前記燃焼器の点火位相遅れを決定することをさらに含み、
   前記点火タイミング制御信号は、決定された前記点火位相遅れをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記目標充填率は、０．８と１．１の間の値である、請求項１に記載の方法。
8. 前記燃焼頻度を決定するステップは、
   前記目標充填率の関数である、前記燃焼器内の最大燃料持続時間（ＭＩＤ）、及び、前記燃焼頻度で割った前記デューティサイクルである、爆轟サイクル当たりの要求燃料持続時間（ＩＤＤＣ）を決定することと、
   前記ＩＤＤＣが前記ＭＩＤより小さいか、或いは前記ＭＩＤに等しいように、前記燃焼頻度を選択することと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 燃料加圧手段、燃料噴射器、及び点火組立体を有する圧力ゲイン燃焼器のためのコントローラであって、
   前記コントローラは、プロセッサ、及び前記プロセッサによって実行可能なステップ及び命令でプログラムされたメモリーを含み、
   （イ）目標負荷設定値及び前記燃焼器の目標充填率を満たす、燃料噴射デューティサイクル及び燃焼頻度を決定するステップと、
   （ロ）決定された前記燃料噴射デューティサイクル及び前記燃焼頻度を達成する、燃料供給圧設定、燃料噴射タイミング設定、及び点火タイミング設定を決定するステップと、
   （ハ）前記燃料供給圧設定を含む燃料供給圧制御信号を前記燃料加圧手段に送り、前記燃料噴射タイミング設定を含む燃料噴射制御信号を前記燃料噴射器に送り、前記点火タイミング設定を含む点火タイミング制御信号を前記点火組立体に送るステップと、
   でプログラムされていることを特徴とするコントローラ。
10. 前記燃料噴射デューティサイクルを決定するステップは、前記燃焼器を通る空気流量を測定すること、及び前記目標負荷設定値を満たす燃料流量を決定することを含む、請求項９に記載のコントローラ。
11. 前記燃料噴射デューティサイクルを決定するステップは、前記燃焼器を通る空気流量を測定すること、及び、前記目標負荷設定値及び酸化剤／燃料の理論混合比を満たす燃料流量を決定することをさらに含む、請求項１０に記載のコントローラ。
12. 少なくとも１つの当量比を選択するステップ、及び、前記目標負荷設定値及び選択された前記当量比を満たす燃料流量を決定するステップでさらにプログラムされている、請求項１１に記載のコントローラ。
13. 前記燃焼器の酸化剤／燃料の混合室内の圧力を測定するステップでさらにプログラムされ、
    前記燃料供給圧設定は、決定された前記燃料流量を達成するように、燃料を前記混合室内に送るのに十分な燃料供給圧を提供する、請求項１０に記載のコントローラ。
14. 前記燃焼器の点火位相遅れを決定するステップでさらにプログラムされ、
    前記点火タイミング制御信号は、決定された前記点火位相遅れをさらに含む、請求項９に記載のコントローラ。
15. 前記目標充填率は、０．８と１．１の間の値である、請求項９に記載のコントローラ。
16. 前記燃焼頻度を決定するステップは、
    前記燃焼器内の最大燃料持続時間（ＭＩＤ）、及び、前記燃焼頻度で割った前記デューティサイクルである、爆轟サイクル当たりの要求燃料持続時間（ＩＤＤＣ）を決定することと、
    前記ＩＤＤＣが前記ＭＩＤより小さいか、或いは前記ＭＩＤに等しいように、前記燃焼頻度を選択することと、
    をさらに含む、請求項９に記載のコントローラ。
17. 前記圧力ゲイン燃焼器は、コンプレッサー及びタービンのシステムに流体連結され、機械パワーを発生する、請求項９に記載のコントローラ。
18. 圧力ゲイン燃焼器であって、
    （イ）燃料加圧手段と、
    （ロ）前記燃料加圧手段に流体連結された燃料噴射器と、
    （ハ）前記燃料噴射器及び酸化剤供給源に流体連結された混合室と、
    （ニ）前記混合室と流体連通する燃焼室と、
    （ホ）前記混合室と流体連通する点火組立体と、
    （ヘ）プロセッサ、及び前記プロセッサによって実行可能なステップ及び命令でプログラムされたメモリーを含むコントローラと、
    を含み、
    前記コントローラは、
    （i）目標負荷設定値及び前記燃焼器の目標充填率を満たす、燃料噴射デューティサイクル及び燃焼頻度を決定するステップと、
    （ii）決定された前記燃料噴射デューティサイクル及び前記燃焼頻度を達成する、燃料ポンプ圧設定、燃料噴射タイミング設定、及び点火タイミング設定を決定するステップと、
    （iii）前記燃料ポンプ圧設定を含む燃料ポンプ圧制御信号を前記燃料加圧手段に送り、前記燃料噴射タイミング設定を含む燃料噴射制御信号を前記燃料噴射器に送り、前記点火タイミング設定を含む点火タイミング制御信号を前記点火組立体に送るステップと、
    でプログラムされていることを特徴とする圧力ゲイン燃焼器。
19. 前記燃焼器の排気口は、コンプレッサー及びタービンのシステムに流体連結され、機械パワーを発生する、請求項１８に記載の圧力ゲイン燃焼器。
20. 前記目標負荷設定値についての入力負荷は、前記タービンシステムのタービンシャフトの回転速度である、請求項１９に記載の圧力ゲイン燃焼器。

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