(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼室間クロスデトネーション起爆を利用する、多燃焼室式パルスデトネーションエンジンの飛行エンベロープ中の推力を調節するための方法及び装置を提供する。【解決手段】複数のデトネーション燃焼室１０４を燃料と酸化剤との可燃性混合物で満たす。１つのデトネーション燃焼室１０４内の可燃性混合物を点火源１１２で点火し、残りのデトネーション燃焼室１０４を、連結部を介したデトネーション・クロスファイアリングによって点火する。制御装置１１６で点火源１１２と、デトネーション燃焼室１０４への酸化剤及び燃料の供給とを制御することにより、飛行エンベロープ中のエンジン１００の推力を調節する。【選択図】図１
2011117448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼室が点火源を有する複数のデトネーション燃焼室と；
複数の連結部であって、該連結部の各々が２つの前記デトネーション燃焼室どうしを連結することにより、前記２つのパルスデトネーション燃焼室間のクロスファイア・デトネーションが可能になる、複数の連結部と；
前記デトネーション燃焼室に結合された酸化剤供給部と；
前記デトネーション燃焼室に結合された燃料供給部と；
前記酸化剤供給部及び前記燃料供給部から前記デトネーション燃焼室への酸化剤及び燃料の供給を制御することにより、飛行エンベロープ中のエンジンの推力を調節する制御装置と、を備えたエンジン。
【請求項２】
１つ以上の前記デトネーション燃焼室に結合された１つ以上の可変形状出口ノズルを更に有し、
前記制御装置が前記可変形状出口ノズルを制御することにより、前記飛行エンベロープ中のエンジンの推力を調節する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記連結部が可変長連結部であり、
前記制御装置が前記可変長連結部の長さを制御することにより、前記飛行エンベロープ中のエンジンの推力を調節する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記酸化剤供給部が、１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室に結合された１つ以上の吸気弁を有する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記制御装置が前記点火源の点火を制御することにより、前記パルスデトネーション燃焼室の点火頻度を変化させる、請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
前記制御装置が前記燃料の供給を制御することにより、１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室の点火パターンを変化させる、請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
前記制御装置が前記燃料の供給と前記酸化剤の供給を制御することにより、１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室の当量比又は充填率のいずれかを変化させる、請求項１に記載のエンジン。
【請求項８】
前記制御装置が１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室への前記酸化剤及び前記燃料の供給を制御して、前記当量比が１未満となるように関連の前記パルスデトネーション燃焼室を前記酸化剤及び前記燃料で満たすことにより、前記飛行エンベロープ中のエンジンの推力を低下させる、請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
前記制御装置が１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室への前記酸化剤及び前記燃料の供給を制御して、前記充填率が１未満となるように関連の前記パルスデトネーション燃焼室を前記酸化剤及び前記燃料で満たすことにより、前記飛行エンベロープ中のエンジンの推力を低下させる、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記制御装置が１つ以上の前記パルスデトネーション燃焼室への前記酸化剤及び前記燃料の供給を制御し、
前記当量比が前記１つ以上のパルスデトネーション燃焼室の長さに応じて変化する、請求項７に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃焼器間クロスデトネーション起爆を用いて多燃焼室式デトネーションエンジンの推力を調節するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスデトネーション燃焼器では、燃料と酸化剤との混合物を点火させ、デフラグレーションからデトネーションに遷移させることにより、超音速衝撃波を生じる。超音速衝撃波は、様々な機能の中でもとりわけ、推力の供給に用いられる。このデフラグレーションからデトネーションへの遷移（ＤＤＴ）は、一般に、開放端部を有する管又はパイプ構造内で生じ、この開放端部を通って排気が流出することで推力が生じる。
【０００３】
デフラグレーションからデトネーションへの遷移プロセスは、管内の燃料−酸化剤混合物が火花又はその他の点火源により点火されたときに開始する。火花から生じる亜音速火炎は、管の長手方向に沿って伝播する際、様々な化学的メカニズムと流体力学的メカニズムにより加速される。火炎が音速に達すると衝撃波が形成され、これらの衝撃波が反射し集束することで「ホットスポット」と局所爆発が生じ、最終的には火炎が超音速デトネーション波に遷移する。
【０００４】
パルスデトネーション燃焼は、様々な実用のエンジンに適用可能である。その用途の一例として、高温デトネーション生成物を出口ノズルから導出することで航空宇宙用推進機関の推力を生成する、パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）の開発がある。複数の燃焼室を有するパルスデトネーションエンジンは、「多気筒」構造のパルスデトネーションエンジンと称されることもある。別の例としては、従来のガスタービンエンジン技術とパルスデトネーション（ＰＤ）技術の両方による燃焼を用いることで運転効率を最大限に高めた「ハイブリッド」エンジンの開発がある。このようなパルスデトネーションタービンエンジン（ＰＤＴＥ）は、航空機の推進用、又は地上発電システムの発電手段としても利用可能である。
【０００５】
多気筒構造のＰＤＥには、デトネーションの分岐、すなわちクロスファイアリングのコンセプトを用いる。この構造では、１つの管内でのデトネーションは、火花放電やレーザパルスなどの外部点火源により起爆される。とりわけ、デトネーション波が１つの燃焼器内で形成されると、デトネーションによる衝撃波が、クロス管又は連結部を介して別の燃焼器に伝達される。伝達された衝撃波はその後、また別の燃焼器内でのデトネーション起爆を生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
デトネーション分岐を用いた多気筒構造において必要な点火源は１つだけであるが、所与の質量流量に対する点火頻度と順次点火パターンが固定されているので、推力調節が困難である。
【０００７】
上記及びその他の理由により、本発明が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃焼器間クロスデトネーション起爆を利用する多燃焼室式デトネーションエンジンの推力を調節するための方法及び装置を提供する。複数のデトネーション燃焼室が、燃料と酸化剤の可燃性混合物で満たされる。１つのデトネーション燃焼室内の可燃性混合物が点火源で点火され、残りのデトネーション燃焼室は連結部を介したデトネーション・クロスファイアリングにより点火される。制御装置で点火とデトネーション燃焼室の運転条件とを制御することにより、飛行エンベロープ中のエンジンの推力を調節する。
【０００９】
添付図面に概略的に示す、本発明の例示的実施形態を考察することにより、本発明の特性及び更に多様な特徴の理解が深まるであろう。対応するパーツは、同様の参照符号で示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的実施形態による多燃焼室式パルスデトネーションエンジンである。
【図２】本発明の例示的実施形態による多燃焼室構造である。
【図３】本発明の別の例示的実施形態による多燃焼室構造の断面図である。
【図４】図３に示す多燃焼室構造の点火順序の例示的実施形態である。
【図５】図３に示す多燃焼室構造の点火順序の別の例示的実施形態である。
【図６】図３に示す多燃焼室構造の点火順序のまた別の例示的実施形態である。
【図７Ａ】本発明の例示的実施形態による当量比と充填率を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の例示的実施形態による当量比と充填率を示すグラフである。
【図７Ｃ】本発明の例示的実施形態による当量比と充填率を示すグラフである。
【図７Ｄ】本発明の例示的実施形態による当量比と充填率を示すグラフである。
【図８】本発明の別の例示的実施形態による多燃焼室構造を示す断面図である。
【図９】図８に示す多燃焼室構造の点火順序の例示的実施形態である。
【図１０】本発明の例示的実施形態による可変長連結部である。
【図１１Ａ】本発明の例示的実施形態による可変形状出口ノズルである。
【図１１Ｂ】本発明の例示的実施形態による可変形状出口ノズルである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において「パルスデトネーション燃焼器」（ＰＤＣ）とは、装置内でのデトネーション又は準デトネーションの一連の反復により、圧力上昇と速度増加の両方をもたらす、あらゆる装置又はシステムを意味すると理解されたい。「準デトネーション」とは、デフラグレーション波で生じる圧力上昇と速度増加よりも大きい圧力上昇と速度増加が生じる、超音速乱流燃焼プロセスである。ＰＤＣは、エンジン全体の燃焼器と考えられる。ＰＤＣを環状筒形に構成することもでき、その場合は、１つ以上のパルスデトネーション管束（ＰＤＢ）の配列体を備え、パルスデトネーション管束の管それぞれが、１つ以上のパルスデトネーション燃焼室（ＰＤＣＣ）を備え得る。ＰＤＣＣは、管又はパイプ状のことが多いが、その他の形状であってもよい。代替的に、ＰＤＣ全体を、完全な環状構造や回転デトネーション型構造など、また別の構造にしてもよい。ＰＤＣを、パルスデトネーションタービンエンジン（ＰＤＴＥ）用やパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）用の燃焼器とすることもできる。
【００１２】
ＰＤＣＣの実施形態は、例えば燃料／空気混合物などの燃料／酸化剤混合物を点火する手段とデトネーション室とを含み、デトネーション室内では、点火プロセスで生じた圧力波面が合わさってデトネーション波又は準デトネーションが発生する。デトネーション又は準デトネーションはそれぞれ、火花放電又はレーザパルスなどの外部点火、或いは、衝撃波の集束、自動点火などの気体力学プロセス、或いは、その他のデトネーション（すなわちクロスファイア）のいずれかによって起爆される。本明細書において、デトネーションとは、デトネーション又は準デトネーションのいずれかを意味すると理解されたい。パルスデトネーションは、例えばデトネーション管、衝撃波管、デトネーション空洞共振器をはじめとする、数多の種類のデトネーション室で可能である。
【００１３】
パルスデトネーション燃焼器は、例えば航空エンジン、ミサイル、ロケットなどに用いられる。本明細書において「エンジン」とは、推力及び／又は動力を生じるために使用するあらゆる装置を意味する。
【００１４】
添付図面を参照しながら本発明の実施形態をより詳細に説明するが、これにより本発明の技術的範囲を限定することはない。
【００１５】
図１に、本発明の実施形態によるエンジン１００を示す。図示のように、エンジン１００は、圧縮段１０２と複数のＰＤＣＣ１０４とを内蔵している。ＰＤＣＣ１０４には、ＰＤＣＣ１０４から排気を放出するノズル１１０が結合されている。図示の実施形態において、ＰＤＣＣ１０４はそれぞれ、個別のノズル１１０に結合されている。しかし、単一のノズル、プレナム及び／又はマニホルド構造によってもＰＤＣＣ１０４から排気を放出することが考えられるので、本発明の実施形態がこの具体的実施形態に限定されるわけではない。
【００１６】
ＰＤＣＣ１０４と圧縮段１０２の間には、複数の吸気弁１０６から成る吸気システム１０８がある。吸気システム１０８は、圧縮段１０２からの流れを吸気弁１０６に送るプレナム又はマニホルド構造を含み得る。吸気弁１０６は、周知の又は従来的に用いられている吸気弁構造であってよく、ＰＤＣＣ吸気弁構造及びシステムは周知なので、これらの構造及びシステムを取り巻く詳細について、本明細書では詳細に論述しない。すなわち、弁構造がエンジン１００の所望の動作パラメータの範囲内で機能し得る限り、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、あらゆる周知の弁構造を用いることができる。また、吸気弁の使用は、あくまでも例証目的によるもので、弁を使用しない実施形態も可能である。なお、以下の説明では「空気」を酸化剤とすることが多いが、この点で本発明の実施形態が限定されることはなく、「空気」の使用が、酸化剤をこれに限定するものではない。酸素など、その他の酸化剤も使用できる。
【００１７】
本発明の例示的実施形態において、図１及び図２に示すように、ＰＤＣＣ１０４はそれぞれ、個別の吸気弁１０６と燃料弁１１４とに結合される。こうすることで、エンジン１００の制御とＰＤＣＣ１０４の点火の柔軟性を最大限に高めることができる。本発明の別の例示的実施形態（図示せず）において、吸気弁１０６は、これらの吸気弁が１つ以上の、例えば２つのＰＤＣＣ１０４に結合されており、各吸気弁１０６が１つ以上のＰＤＣ１０４に動作可能に結合された構造を有する。このような実施形態において、弁１０６は、この弁１０６に結合されるＰＤＣＣ１０４のいずれか１つ又は全部に、同時に吸気流を供給できる。本発明の実施形態は、その他あらゆる適宜の構成の吸気弁を含む。点火源１１２は、少なくとも１つのＰＤＣＣに設置される。点火源は、いかなる周知の種類の点火源であってもよいが、この点で本発明が限定されることはない。
【００１８】
例示的実施形態において、ＰＤＣＣ１０４の動作は制御システム１１６により制御され、制御システム１１６は、いかなる周知のコンピュータ又はマイクロコントローラベースの制御システムであってもよい。制御システム１１６は、以下により詳細に説明するように、吸気弁１０６と燃料弁１１４と点火源１１２との動作を制御する。
【００１９】
図２では、図１のＰＤＣＣ１０４が非対称に図示されており、ＰＤＣ１０４はそれぞれ、自身に結合された吸気弁１０６を有する。この実施形態では、６つの筒形のＰＤＣＣ１０４が環状に配置された状態で図示されている。しかし、本発明がこのＰＤＣＣ１０４の個数又は構成に限定されることはなく、本発明の様々な実施形態において、あらゆる個数及び／又は物理的構成のＰＤＣＣ１０４を使用できる。
【００２０】
図３を参照すると、ＰＤＣＣ１０４は、燃焼器間クロスデトネーション又はクロスファイア・デトネーションが可能なように構成されている。ＰＤＣＣ１０４は、連結部１１８を介して別のＰＤＣＣ１０４に結合される。連結部１１８内に矢印で示すように、連結部は、１つのＰＤＣＣから次のＰＤＣＣへとデトネーションを導く導管の役割を果たす。図示の例示的実施形態では、外部点火源１１２を用いて、１つのＰＤＣＣ１０４内でデトネーションを起爆する。点火源１１２は、火花放電、レーザパルス又はその他あらゆる周知の種類の点火源であってよい。こうして得られたＰＤＣＣ１０４内のデトネーションは、連結部１１８を介して別のＰＤＣＣ１０４内のデトネーションを起爆する。図３には近接又は隣接するＰＤＣＣ１０４どうしを連結する連結部１１８を示すが、連結部１１８を、特定の用途又は機能に適した任意の構造でＰＤＣＣ１０４を連結するように構成できる。例えば、非順次で点火が行われるように連結部１１８をＰＤＣＣ１０４に連結してもよい。また、その他のＰＤＣＣ１０４のいずれにおいても、クロスファイア・デトネーションに加えて外部点火源を使用しても、外部点火のために外部点火源を使用してもよい。図３に示す実施形態において、燃料は、燃料マニホルド１２０から燃料弁１１４を介してＰＤＣＣ１０４に供給される。しかし、この点で本発明が限定されることはなく、あらゆる適宜の構造を用いて燃料を供給することができる。
【００２１】
上述の構成は、順次点火パターンを例証している。しかし、ＰＤＣＣ１０４の構造は、二重対向式（dual opposed）又は三重点火式（tri-fire）などの複数のＰＤＣＣの同時点火も含むが、これらに限定されることなく、その他の特定の点火パターン用の構造であってもよい。例えば、点火源を２つ以上のＰＤＣＣ１０４に設置して、又は複数の点火源１１２と単一のＰＤＣ１０４とを設置して、ロバスト性を高めることができる。ＰＤＣＣ１０４を、あらゆる適宜の幾何学パターンで構成することができる。
【００２２】
本発明の実施形態によると、エンジン１００のＰＤＣＣ１０４からの推力は、制御システム１１６により制御される。本発明の実施形態では、点火パターンの繰返し率（例えば頻度）、スキップ点火、当量比（Ｐｈｉ）、充填率（ＦＦ）、可変連結部、可変出口ノズル面積、及び吸気質量流量の変化を含むがこれらに限定されない技術から、１つ以上の技術を選択して用い、飛行エンベロープ中（例えばエンジンが動作している間）のＰＤＣＣの推力を調節する。これらの実施形態を、クロスファイア順次デトネーション起爆に関して説明しているが、これらの実施形態を、あらゆる燃焼器間クロスデトネーション起爆点火パターンに対しても同様に、良好に適用できる。また、図面では並列構造の燃焼器を示しているが、あくまでも説明の便宜上にすぎない。
【００２３】
図４に、図３に示した各ＰＤＣＣ１０４のＰＤＣＣサイクル周期と、ＰＤＣＣ１０４の点火パターン繰返し周期を示す。図４に示す「棒」グラフはそれぞれ、単一のＰＤＣＣ１０４の点火サイクルを表し、棒のいちばん左側の部分はサイクルの充填部分を、隣の部分はサイクルのデトネーション部分を、続いてサイクルのブロウダウン部分とパージ部分を示している。これら４つの段階でＰＤＣＣの１つの点火サイクルを構成している。なお、図４に示す棒のそれぞれの部分又は区画の長さは、点火サイクル各々の段階の持続時間に比例することを意図したものではなく、あくまでも視覚的補助として示されている。また、サイクルのパージ部分は、弁の動作に応じて、ブロウダウン部分の最後又はサイクルの充填部分の前のいずれであってもよいことに留意されたい。図４には、本発明の実施形態の説明の便宜上、３つの点火パターンのサイクル１２２、１２４及び１２６のみを示す。
【００２４】
最適なクロスファイア・デトネーションは、ＰＤＣＣサイクル周期が点火パターンの繰返し率と等しいときに生じる。充填率によってタイミングサイクルが決まるとともに、所与の動作条件における最大点火頻度が定まるので、所与の質量流量に対する最適なタイミングが固定される。図５〜６に、以下に更に詳細に述べる本発明の実施形態に従ったＰＤＣＣ１０４の点火頻度又は点火パターン繰返し周期の変動を示す。
【００２５】
本発明の実施形態によると、点火パターン繰返し率の変更を、点火パターンサイクル間に遅延を含めること、例えば１つの点火パターンサイクル全体又は１つの点火パターンサイクルの一部をスキップすることにより行う。図５に示す例示的実施形態では、制御システム１１６で点火源１１２、吸気弁１０６、燃料弁１１４を制御して、点火パターンサイクル１２４全体をスキップする。このことは、点火パターンサイクル１２４の間は点火しないように点火源１１２を制御することで可能である。また、吸気弁１０６と燃料弁１１４の両方を制御して、これらの弁がＰＤＣＣ１０４の点火パターンサイクル１２４全体にわたって閉弁するようにしても、これが可能である。具体的には、この点火パターンサイクル全体にわたって、酸化剤又は燃料をＰＤＣＣ１０４に全く供給せず、このサイクルの間はＰＤＣＣ１０４でデトネーションが全く起こらないようにする。このことは、この点火パターンサイクル全体にわたって燃料弁１１４を閉弁して、ＰＤＣＣ１０４内のデトネーションを防ぐことのみによっても可能である。
【００２６】
ＰＤＣＣ１０４の１つの点火パターンサイクル全体をスキップすることにより、推力の５０パーセント（５０％）が下降又は低下する。本発明の実施形態は、ＰＤＣＣ１０４の１つの点火パターンサイクル全体をスキップすることに限定されない。１つの点火パターンサイクルの一部のみをスキップすることによって、下降率を小さくすることもできる。これについては、以下で更に詳細に説明する。更に、点火パターンサイクル間に任意の適当な遅延を挿入してもよい。換言すると、所望の推力を得るために、任意の適当な点火パターン繰返し周期を用いることができる。例えば、ＰＤＣサイクル周期２回分の遅延（例えば、ＰＤＣＣ１、２、３、４、５、６の点火、待機、待機、ＰＤＣＣ１、２、３、４、５、６の点火）を適用できる。これにより、６／８すなわち７５％の推力を調節できる。
【００２７】
図６に、１つの点火パターンサイクルの一部をスキップすることによって、より細かな推力調節を行う実施形態を示す。この実施形態によると、制御システム１１６で燃料弁１１４を制御して、ＰＤＣＣ１０４の１つの点火パターンサイクル中、例えば点火パターンサイクル１２４中は、１つ以上のＰＤＣＣ１０４内の燃料弁１１４を閉じたままにする。こうして、１つ以上のＰＤＣ１０４内でデトネーションが生じないようにする（例えばスキップ点火）。図６に示す例では、制御システム１１６は、最後の２つのＰＤＣＣ１０４内の燃料弁１１４を制御して、点火パターンサイクル中はこれらの燃料弁を閉じたままにする。したがって、最後の２つのＰＤＣＣ１０４は、この点火パターンサイクル中にデトネーションを生じることがないので、約３０パーセント（３０％）の推力が低下する。しかし、本発明の実施形態は、クラスター最後のＰＤＣＣ１０４内のデトネーションを抑制することだけに限定されない。所望の用途及び動作に応じて、任意のＰＤＣＣ１０４内のデトネーションを制御システム１１６で制御できる。適宜の構造のＰＤＣＣ１０４の任意の燃料弁１１４を適宜制御することにより推力を増加又は低下させることで、所望の推力が得られるように、制御システム１１６を構成できる。
【００２８】
図５及び６に関して説明した実施形態を組み合わせることで、所望のように推力を調節できる。本発明の多様な実施形態において、点火頻度の変更を、上述のデトネーション防止又はスキップ点火と併せて行っても、その代替として行ってもよい。詳細には、制御システム１１６は、各点火パターンサイクル中に点火パターン繰返し率又は頻度を変化させるとともに、特定のＰＤＣＣ１０４におけるデトネーションを防止することにより、エンジン１００の推力を所望のように調節できる。
【００２９】
本発明のまた他の実施形態によると、吸気弁１０６及び／又は燃料弁１１４を制御して、ＰＤＣＣ１０４における充填率及び／又は当量比を変化させることによっても、推力調節が可能である。
【００３０】
周知のように、ＰＤＣＣの「当量比」とは、燃料−酸化剤比に対する燃料−酸化剤比の化学量論的比である。したがって、当量比が１の場合、所与の条件において、ＰＤＣＣの燃料−酸化剤比が化学量論的燃料−酸化剤比と等しいことを意味する。この状態を図７Ａに示す。図７Ｂ及び７Ｃに示すように、当量比が１未満の場合は燃料−酸化剤比が「希薄」であり、当量比が１を超える場合は燃料−酸化剤比が「過濃」である。エンジン１００のＰＤＣＣ１０４による推力出力の調節は、充填段階で燃料−酸化剤比又は当量比を変化させることにより可能である。更なる実施形態においては、ＰＤＣＣの長さ方向全体で当量比を制御する。このような実施形態において、例えば、混合気をＰＤＣＣのヘッド端で過濃とし、ＰＤＣＣの全長にわたって希薄とすることにより、排出物質を減少させて効率を高めることができる。本明細書において、空間的当量比又は空間分布は、物理的にＰＤＣＣ内部の当量比を意味することとする。
【００３１】
ＰＤＣＣの充填率（ＦＦ）は、周知のように、ＰＤＣＣの容積に対する混合気の体積である。ＦＦが１のときは、ＰＤＣＣ全体が燃料−酸化物混合物で満たされていることを示す。ＦＦが１未満のときは、ＰＤＣＣが燃料不足であることを意味する。例えば、ＰＤＣＣ１０４の吸気弁１０６と燃料弁１１４とを制御して、充填段階でＰＤＣＣ１０４の５０％が燃料−酸化剤混合物で満たされるようにすると、ＦＦは１未満となる。
【００３２】
図７Ａ〜７Ｄの縦軸が「Ｐｈｉ」として示されているが、これらのグラフの目的から、これが当量比であることに留意されたい。図７Ａ〜７Ｃに、当量比が変動するがＦＦは１である本発明の実施形態を示す。図７Ｄには、当量比が１であり、ＦＦが１未満である例示的実施形態を示す。
【００３３】
図７Ａに、所与の条件においてＰＤＣＣ１０４内の燃料−酸化剤比が化学量論的燃料−酸化剤比と同一になる、当量比が１の場合を示す。この実施形態においては、１つ以上のＰＤＣＣ１０４の当量比を１未満に変更することにより、推力を調節する。図７Ｂには、特定のＰＤＣＣが当量比１未満の希薄状態で動作していることを意味する、当量比が０．８の場合を示す。制御システム１１６は、ＰＤＣＣ１０４に供給される燃料の量を減少させるようにＰＤＣＣ１０４の燃料弁１１４を制御することにより、ＰＤＣＣ１０４の当量比を低下させる。当量比が１未満の燃料−酸化剤混合物をＰＤＣに充填することにより、ＰＤＣＣから生じる推力が低下する。換言すると、燃料濃度を低下させることによって推力が低下する。エンジン１００全体の推力の調節は、１つ以上のＰＤＣＣ１０４の当量比を変化させることで可能である。
【００３４】
図７Ｄに示すように、当量比を１に維持する一方でＦＦを１未満に低下させることにより、推力を調節する。例えば、ＰＤＣＣ１０４の充填段階において、ＰＤＣの充填率が５０パーセントとなるように、制御システム１１６で吸気弁１０６と燃料弁１１４を制御する。その結果、ＦＦは５０パーセント又は１未満となる。ＦＦの低下に伴い、ＰＤＣＣ１０４に供給される燃料の量が減少するので、推力が低下する。制御システム１１６で吸気弁と燃料弁とを制御して所望のＦＦを得ることにより、推力を調節する。１つ以上のＰＤＣＣ１０４のＦＦを変化させることにより、エンジン１００全体の推力を調節できる。
【００３５】
本発明の別の実施形態においては、デトネーションを生じさせない燃料−酸化剤混合物でＰＤＣＣ１０４を満たすことにより、ＰＤＣＣ１０４の推力を調節する。そのためには、燃料−酸化剤混合物が非常に希薄（当量比１未満）で所定の閾値を下回るように、ＰＤＣＣ１０４の吸気弁１０６と燃料弁１１４とを制御する。燃料−酸化剤が閾値を下回るとデトネーションが生じなくなるので、ＰＤＣＣ１０４から生じる推力は低下する。デトネーションの抑制は、ＰＤＣＣ１０４の充填率が閾値ＦＦを下回るように、充填段階でＰＤＣＣ１０４の吸気弁１０６と燃料弁１１４を制御することによっても可能である。ＦＦが閾値を下回るとデトネーションが生じなくなるので、ＰＤＣＣ１０４から生じる推力は低下する。デトネーションが１つ以上のＰＤＣＣ１０４で生じないように当量比及び／又はＦＦを制御することにより、エンジン全体の推力を調節できる。
【００３６】
図８に、本発明の例示的実施形態による、別の多ＰＤＣＣ構成を示す。この構成において、第１のＰＤＣＣ１０４におけるデトネーションは、外部点火源により起爆され、このＰＤＣＣ１０４内のデトネーションが、連結部を介して残りの全てのＰＤＣＣ１０４におけるデトネーションを起爆する。第１のＰＤＣＣ１０４、すなわちマスターＰＤＣＣ１０４は、残りのＰＤＣＣ１０４、すなわちスレーブＰＤＣＣ１０４のそれぞれに連結されているので、全てのＰＤＣＣが同時に点火準備完了状態とならなければならない。換言すると、ＰＤＣＣ１０４は、図９に示すように、同期点火される。第１のＰＤＣＣ、すなわちマスターＰＤＣＣからの衝撃波は、残りのスレーブＰＤＣＣに印加される。この構造における推力調節は、本明細書に開示のいずれの技術によっても可能である。
【００３７】
本発明のまた別の例示的実施形態によると、ＰＤＣＣ１０４どうしを結合する連結部１１８の長さを変更することにより、推力調節を制御する。連結部１１８の長さを変更することにより、点火タイミング又は点火頻度が変化し、これによって推力調節が可能になる。連結部１１８の長さ変更は、いかなる適宜の方法及び構成によっても可能である。例示的実施形態において、連結部１１８は、図１０に示すように「入れ子式伸縮」連結部として構成される。この入れ子式伸縮機能は、液圧又はその他の機械的手段によって実施される。制御システム１１６で連結部１１８の長さを制御することにより、エンジンの推力を制御する。当然ながら、本発明の実施形態は、入れ子式伸縮連結部に限定されるわけではなく、可変長連結部１１８に可能なあらゆる適宜の構造を含む。図３及び８に示すＰＤＣＣ構造のいずれの場合も、この実施形態による推力調節を単独で行っても、本明細書に開示の他の推力調節技術と組み合わせて行ってもよい。
【００３８】
本発明の別の例示的実施形態では、図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、ＰＤＣＣ１０４の出口ノズル１２０の形状を変更することにより、推力調節が可能である。図１１Ａにおいて、出口ノズル１２０は全開であり、これによってＰＤＣＣ１０４からの最大推力の出力が可能である。図１１Ｂでは、出口ノズル１２０が狭められており、これによってＰＤＣＣ１０４からの推力出力を低下させる。出口ノズル１２０を、例えば分割型出口ノズルとして構成することにより、出口ノズルの形状を動的に調節してＰＤＣＣ１０４からの推力を調節できるようにしてもよい。ＰＤＣＣ１０４のそれぞれが可変形状の出口ノズル１２０を有するように構成しても、複数のＰＤＣＣ１０４が可変形状を有する共通の出口ノズル１２０を有するように構成してもよい。この実施形態においては、分割型出口ノズル１２０の構成の制御を、液圧式又はその他適宜の手段により行う。制御システム１１６は、出口ノズル１２０の形状制御により、エンジンの推力を制御する。当然ながら、本発明の実施形態が分割型出口ノズルに限定されることはなく、可変形状の出口ノズル１２０に可能なあらゆる適宜の構造を含む。図３及び８に示すＰＤＣＣ構造のいずれの場合も、この実施形態による推力調節を単独で行っても、その他の推力調節技術と組み合わせて行ってもよい。
【００３９】
なお、上述のいずれの方法、又は上述のいずれの方法と構成の組み合わせを用いても、制御システム１１６でエンジン１００の推力を調節できる。
【００４０】
様々な具体的実施形態に関連して本発明を説明したが、当業者には明らかなように、特許請求の範囲から逸脱することなく本発明に改変を加えることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１００  エンジン
１０２  圧縮段
１０４  パルスデトネーション燃焼室
１０６  吸気弁
１０８  吸気システム
１１０  ノズル
１１２  点火源
１１４  燃料弁
１１６  制御システム
１１８  連結部
１２０  燃料マニホルド
１２２  点火パターンサイクル
１２４  点火パターンサイクル
１２６  点火パターンサイクル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【外国語明細書】
2011117448000001.pdf