(57)【要約】【課題】  燃料および酸化剤の供給を高精度に行うことでエンジン出力を高精度に制御することができるパルスデトネーションエンジンを提供すること。【解決手段】  パルスデトネーションエンジン１００は，デトネーション管１０と，バルブ２１〜２４と，バルブ３１〜３４とを有している。そして，バルブ２１とバルブ２２とについては直列に配置されている（第１供給系統）。バルブ２３とバルブ２４とについても直列に配置されている（第２供給系統）。そして，第１供給系統と第２供給系統とについては並列に配置されている。また，バルブ３１とバルブ３２とについては直列に配置されている（第３供給系統）。バルブ３３とバルブ３４とについても直列に配置されている（第４供給系統）。そして，第３供給系統と第４供給系統とについては並列に配置されている。【選択図】            図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤との混合気を燃焼させて動力を得るパルスデトネーションエンジンにおいて，
燃焼器と，
前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給系と，
前記燃焼器に酸化剤を供給する酸化剤供給系と，
前記燃料供給系と前記酸化剤供給系との少なくとも一方に設けられ，２以上のバルブが直列に配置されている直列バルブ群と，
前記直列バルブ群の各バルブを異なる開閉タイミングでかつ各バルブの開放期間の一部が重畳するように開閉させるバルブ開閉手段とを備え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２】
請求項１に記載するパルスデトネーションエンジンにおいて，
前記燃料供給系と前記酸化剤供給系との少なくとも一方はその経路が２以上に分岐しており，その分流経路のうち少なくとも２つの経路は前記直列バルブ群を備え，
前記バルブ開閉手段は，各分流経路の開放期間が互いに重畳しないように前記直列バルブ群の各バルブを開閉させ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３】
請求項１または請求項２に記載するパルスデトネーションエンジンにおいて，
前記燃焼器と連通する予燃焼器と，
前記予燃焼器に燃料を供給する第２燃料供給系と，
前記予燃焼器に酸化剤を供給する第２酸化剤供給系と，
前記第２燃料供給系と前記第２酸化剤供給系との少なくとも一方に設けられ，２以上のバルブが直列に配置されている予燃焼系直列バルブ群とを備え，
前記バルブ開閉手段は，前記予燃焼系直列バルブ群の各バルブを異なる開閉タイミングでかつ各バルブの開放期間の一部が重畳するように開閉させ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４】
請求項３に記載するパルスデトネーションエンジンにおいて，
前記第２燃料供給系と前記第２酸化剤供給系との少なくとも一方はその予燃焼系の経路が２以上の経路に分岐しており，その予燃焼系の分流経路のうち少なくとも２つの経路は前記予燃焼系直列バルブ群を備え，
前記バルブ開閉手段は，予燃焼系の各分流経路の開放期間が互いに重畳しないように前記予燃焼系直列バルブ群の各バルブを開閉させることを特徴とするパルスデトネーションエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，燃料および酸化剤の混合気を燃焼させるパルスデトネーションエンジンに関する。さらに詳細には，複数のバルブを介して燃料および酸化剤の供給を行うパルスデトネーションエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年，熱効率および比推力が優れているとされるパルスデトネーションエンジンの開発が行われている。このパルスデトネーションエンジンは，概ね図８に示すような構成を有している。すなわち，パルスデトネーションエンジン２００は，デトネーション管１０と，着火器１２と，燃料供給バルブ２０と，酸化剤供給バルブ３０とを備えている。このパルスデトネーションエンジン２００では，燃料供給バルブ２０を開放することによりデトネーション管１０内に燃料を供給している。また，酸化剤供給バルブ３０を開放することにより酸化剤を供給している。そして，燃料と酸化剤との混合気に着火することでデトネーション管１０内にデトネーションを発生させる。そして，その際の強い衝撃波（デトネーション波）により推力を得ている。
【０００３】
パルスデトネーションエンジンについての具体的な先行文献としては，例えば特許文献１にバルブレスのパルスデトネーションエンジンが開示されている。このパルスデトネーションエンジンでは，デトネーション管の一方の端を閉塞するプレートが設けられている。そして，そのプレートには多数の微細な孔が形成されており，それらの孔を介して燃料および酸化剤が供給される。
【特許文献１】特開２００２−３９０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，前記したパルスデトネーションエンジンには次の問題があった。すなわち，バルブを使用するタイプのもの（図８）では，エンジンの出力を高精度に制御するために高周波数で作動するバルブが必要である。換言すると，バルブの作動周波数がエンジンの性能限界を規定することになる。従って，バルブが高精度で作動することが要求される場合，低周波数で作動する電磁弁等を使用することは困難である。
【０００５】
また，バルブを使用しないタイプのものでは，デトネーション波が燃料および酸化剤の供給管内に伝播してしまい，燃料および酸化剤の供給が阻害されてしまう。また，燃料および酸化剤が常時供給され続けることから，燃焼ガスの排気時にはそれらが未燃焼のまま外部に排出されてしまう。そのため，燃料等の利用効率が悪い。特許文献１に記載されたパルスデトネーションエンジンのように，燃料および酸化剤の供給管を微細管とすることでこれらの問題による影響を緩和することができるが，十分に回避できるまでには至らない。また，バルブレスのものでは，そもそも燃料および酸化剤の供給量を制御することができない。
【０００６】
本発明は，前記した従来のパルスデトネーションエンジンが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，燃料および酸化剤の供給を高精度に行うことでエンジン出力を高精度に制御することができるパルスデトネーションエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題の解決を目的としてなされたパルスデトネーションエンジンは，燃料と酸化剤との混合気を燃焼させて動力を得るパルスデトネーションエンジンであって，燃焼器と，燃焼器に燃料を供給する燃料供給系と，燃焼器に酸化剤を供給する酸化剤供給系と，燃料供給系と酸化剤供給系との少なくとも一方に設けられ，２以上のバルブが直列に配置されている直列バルブ群と，直列バルブ群の各バルブを異なる開閉タイミングでかつ各バルブの開放期間の一部が重畳するように開閉させるバルブ開閉手段とを備えることものである。
【０００８】
本発明のパルスデトネーションエンジンは，燃焼器にて混合気を燃焼（デトネーション）させている。この燃焼器には，燃料供給系を介して燃料が，酸化剤供給系を介して酸化剤が供給される。そして，燃料供給系と酸化剤供給系との少なくとも一方には，２以上のバルブが直列に配置されている直列バルブ群が設けられている。そして，バルブ開閉手段にて，各バルブを異なる開閉タイミングでかつ開放期間の一部を重畳するように開閉している。これにより，直列バルブ群では，開放期間が重畳している期間のみが直列バルブ群としての開放期間となる。そのため，開放期間を短期間にすることができる。よって，パルスデトネーションエンジンの出力を高精度に制御することができる。
【０００９】
また，本発明のパルスデトネーションエンジンは，燃料供給系と酸化剤供給系との少なくとも一方はその経路が２以上に分岐しており，その分流経路のうち少なくとも２つの経路は直列バルブ群を備え，バルブ開閉手段は，各分流経路の開放期間が互いに重畳しないように直列バルブ群の各バルブを開閉させることとするとよりよい。ここでいう「分流経路の開放期間」とは，分流経路中の直列バルブ群の各バルブの開放期間のうちの重畳している期間のことである。すなわち，燃料供給系と酸化剤供給系との少なくとも一方の経路には，直列バルブ群を備えた分流経路が並列に配置されている。そして，バルブ開閉手段にて，分流経路の開放期間を互いに重畳しないように各バルブを開閉している。これにより，全体として，開放期間と閉鎖期間とを定期的に繰り返すようにすることができる。よって，本発明のパルスデトネーションエンジンの出力が安定する。
【００１０】
また，本発明のパルスデトネーションエンジンは，燃焼器と連通する予燃焼器と，予燃焼器に燃料を供給する第２燃料供給系と，予燃焼器に酸化剤を供給する第２酸化剤供給系と，第２燃料供給系と第２酸化剤供給系との少なくとも一方に設けられ，２以上のバルブが直列に配置されている予燃焼系直列バルブ群とを備え，バルブ開閉手段は，予燃焼系直列バルブ群の各バルブを異なる開閉タイミングでかつ各バルブの開放期間の一部が重畳するように開閉させることとするとよりよい。これにより，予燃焼器の燃焼も高精度に制御することができる。
【００１１】
また，前記したパルスデトネーションエンジンの第２燃料供給系と第２酸化剤供給系との少なくとも一方はその予燃焼系の経路が２以上の経路に分岐しており，その予燃焼系の分流経路のうち少なくとも２つの経路は予燃焼系直列バルブ群を備え，バルブ開閉手段は，予燃焼系の各分流経路の開放期間が互いに重畳しないように予燃焼系直列バルブ群の各バルブを開閉させることとするとよりよい。これにより，予燃焼室の燃焼も安定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，バルブを直列に配置することで，高精度な開放期間を得ることができる。さらに，バルブを並列に配置することで，安定した燃料供給を行うことができる。よって，燃料および酸化剤の供給を高精度に制御することができるパルスデトネーションエンジンが提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，ガスタービン発電システムに使用される燃焼器に本発明のパルスデトネーションエンジンを適用したものである。
【００１４】
［第１の形態］
第１の形態に係るガスタービン発電システムは，図１に示すように燃焼器１と，燃料供給源２と，酸化剤供給源３と，カム群４と，タービン５と，機械弁部６とを備えている。カム群４は，機械弁部６の各バルブを開閉するためのものである。タービン５の出力軸とカム群４のカムシャフトとは機械的に接続されており，タービン５の回転動力により機械弁部６の開閉が行われる。本形態のガスタービン発電システムでは，燃料を燃料供給源２から機械弁部６を介して燃焼器１に供給している。また，酸化剤を酸化剤供給源３から機械弁部６を介して燃焼器１に供給している。燃焼器１内では，燃料と酸化剤との混合気の燃焼が行われる。そして，燃焼器１からはその燃焼による燃焼ガスが排出される。タービン５は，排出された燃焼ガスにより回転する。タービン５から得られる回転動力は，タービン５に付設された発電機５１に利用される。また，その回転動力は，カム群４を介して機械弁部６の開閉にも利用される。
【００１５】
次に，パルスデトネーションエンジンを構成する箇所について，図２および図３を基に説明する。なお，図２および図３中，図８で示した従来のパルスデトネーションエンジンと同一記号の構成要素は，その構成要素と同一機能を有するものである。本形態のパルスデトネーションエンジン１００は，図２に示すように主として燃焼器１と機械弁部６とから構成されている。さらに，機械弁部６は，燃料供給系のバルブ群２ｘと酸化剤供給系のバルブ群３ｘとを有している。燃料供給系のバルブ群２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群３ｘには，それぞれ複数のバルブが設けられている。各バルブの開閉は，それぞれのバルブに対応するカムが回転することで行われる。
【００１６】
図３は，図２に示したパルスデトネーションエンジンの構成をさらに詳細に示す図である。本形態のパルスデトネーションエンジン１００の燃焼器１は，デトネーション管１０と，着火器１２とを有している。デトネーション管１０内には，燃料供給系のバルブ群２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群３ｘを介して燃料および酸化剤が供給される。燃料供給系のバルブ群２ｘは，バルブ２１〜２４と，燃料流量計６２とを有している。そして，バルブ２１とバルブ２２とについては直列に配置されている（以下，「第１供給系統」とする）。また，バルブ２３とバルブ２４とについても直列に配置されている（以下，「第２供給系統」とする）。そして，第１供給系統と第２供給系統とについては並列に配置されている。酸化剤供給系のバルブ群３ｘは，バルブ３１〜３４と，酸化剤流量計６３とを有している。そして，バルブ３１とバルブ３２とについては直列に配置されている（以下，「第３供給系統」とする）。また，バルブ３３とバルブ３４とについても直列に配置されている（以下，「第４供給系統」とする）。そして，第３供給系統と第４供給系統とについては並列に配置されている。
【００１７】
次に，本形態のパルスデトネーションエンジンの動作について説明する。まず，デトネーション管１０内に燃料および酸化剤が供給される。その際，燃料および酸化剤の供給圧力はおよそ０．１〜１．０ＭＰａである。燃料および酸化剤の供給は，燃料供給系のバルブ群２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群３ｘの各バルブの開放により行われる。各バルブの開閉タイミングについては後述する。次に，着火器１２にて燃料と酸化剤との混合気に着火が行われる。これにより，デトネーション管１０内にデトネーションが生じる。このとき，デトネーション管１０内の最大圧力は，およそ４５ＭＰａに達する。そして，デトネーション波がデトネーション管１０内を伝播するとともに燃焼ガスがデトネーション管１０の開放端から放出される。その後，燃料と酸化剤との混合気を再び吸入し，これまでの動作を繰り返す。
【００１８】
次に，燃料供給系のバルブ群２ｘの各バルブの開閉による燃料の供給について，図４のタイミングチャートを基に説明する。なお，酸化剤供給系のバルブ群３ｘについても同様である。燃料供給系のバルブ群２ｘの各バルブは，作動周波数が低い機械弁であり，開放期間および閉鎖期間がともに長い。そのため，短期間に開閉を繰り返すことはできない。そこで，図４に示すようにバルブ２１とバルブ２２とを開放タイミングが異なるように設定する。バルブ２１とバルブ２２とは直列に配置されていることから，両バルブがともに開放している期間が第１供給系統としての開放期間となる。これにより，バルブ単体の開放期間よりも短い期間の開放期間を設定することができる。
【００１９】
前記した直列配置の第１供給系統では，短期間の開放期間を設定できるが，その一方で長期間の閉鎖期間ができてしまう。そこで，第２供給系統にも，第１供給系統と同様に短期間の開放期間を設定する。そして，第２供給系統の開放期間が第１供給系統の閉鎖期間の中頃となるように設定する。第２供給系統が第１供給系統と並列に配置されていることから，第１供給系統の開放と第２供給系統の開放とが交互に行われる。これにより，より短い周期で燃料を供給することができる。すなわち，作動周波数が高いバルブと同等の周期で燃料を供給することができる。
【００２０】
なお，本形態の燃料供給系のバルブ群２ｘについて，例えば５つのバルブ２５〜２９にてさらに高周波数のバルブ群構成することができる。すなわち，図５に示すようにバルブ２５とバルブ２６とを並列に配置し，バルブ２７をそれらと直列に配置する（第５供給系統）。また，バルブ２８とバルブ２９とを直列に配置する（第６供給系統）。そして，第５供給系統と第６供給系統とを並列に配置する。この配置では，バルブ２５とバルブ２７との組合せを直列バルブ群と見ることができる。また，バルブ２６とバルブ２７との組合せを直列バルブ群と見ることもできる。さらに，バルブ２５〜２７を全体として直列バルブ群と見ることもできる。このような配置でのタイミングチャートを図６に示す。第５供給系統では，バルブ２５〜２７を開放タイミングが異なるように設定する。また，第６供給系統では，バルブ２８，２９の開放タイミングをバルブ２５，２６に合わせて設定する。すなわち，１つの供給系路内における各バルブは，それぞれ異なる開放タイミングが設定されている。これにより，第５供給系統が２回開放された後に第６供給系統を１回開放する動作が繰り返される。さらに，１回の開放期間は４つのバルブ２１〜２４を組み合わせた先例と比較して短い。よって，より短い周期で燃料を供給することができる。
【００２１】
［第２の形態］
第２の形態のパルスデトネーションエンジン１０１は，図７に示すように主燃焼器７と予燃焼器８とを有している。また，主燃焼器７に対応する燃料供給系のバルブ群７２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群７３ｘと，予燃焼器８に対応する燃料供給系のバルブ群８２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群８３ｘとを有している。これらのバルブ群７２ｘ，７３ｘ，８２ｘ，８３ｘは，第１の形態と同様に複数のバルブからなっている。また，予燃焼器８には，着火器１１が設けられている。本形態のパルスデトネーションエンジン１０１は，予燃焼器８を有する点が第１の形態のパルスデトネーションエンジン１００と相違する。
【００２２】
予燃焼器８は，主燃焼器７と連通しており，主燃焼器７と同様に混合気を燃焼させるものである。なお，本形態のパルスデトネーションエンジン１０１において，着火器等の着火手段は予燃焼器８にのみ設けられており，主燃焼器７内は予燃焼器８にて生じる火炎が伝播してくることにより燃焼する。また，本形態のパルスデトネーションエンジン１０１では，予燃焼器８に送り込む燃料および酸化剤の供給についても，第１の形態と同様に複数のバルブによって行われる。なお，予燃焼器８内の混合気と主燃焼器７内の混合気とでは，その混合比率が異なる。すなわち，予燃焼器８には，着火するために適切な比率で供給される。一方，主燃焼器７には，熱効率や環境負荷となる排出ガス等を考慮した比率で供給される。
【００２３】
本形態のパルスデトネーションエンジン１０１は次のように動作する。まず，燃料および酸化剤がそれぞれ燃料供給系のバルブ群７２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群７３ｘを介して主燃焼器７に送り込まれる。さらに，燃料供給系のバルブ群８２ｘおよび酸化剤供給系のバルブ群８３ｘを介して予燃焼器８にも送り込まれる。予燃焼器８内では，送り込まれた混合気の着火および燃焼が行われる。予燃焼器８内で生じた火炎は，主燃焼器７内へ伝播する。これにより，主燃焼器７内でデトネーションが発生する。そして，燃焼ガスが主燃焼器７から放出される。その後，燃料と酸化剤との混合気が再び主燃焼器７および予燃焼器８に吸入され，これまでの動作が繰り返される。
【００２４】
以上詳細に説明したように第１の形態のパルスデトネーションエンジンでは，バルブ２１とバルブ２２とを直列に配置することとしている。そして，カム群４にて両バルブの開放期間を異にし，その開放期間の一部を重複させることとしている。これにより，バルブ単体の開放期間より短期間の開放期間を設定することができている。また，第１供給系統と第２供給系統とについては並列に配置することとしている。そして，両供給系統の開放期間を異にし，その開放期間を重複させないこととしている。これにより，定期的に開放期間と閉鎖期間とを繰り返すことで，燃料等の供給を安定して行うことができている。すなわち，バルブ単体の作動周波数より高い周波数を設定することができている。よって，機械弁のように低周波数で作動するものであっても，燃料等の供給を高精度に制御することが可能である。また，バルブを使用しているとから，未燃焼のまま排気されてしまう燃料の量は少ない。従って，燃料および酸化剤の供給を高精度に行うことでエンジン出力を高精度に制御することができるパルスデトネーションエンジンが実現されている。
【００２５】
また，第２の形態のパルスデトネーションエンジンでは，予燃焼器８内に燃料および酸化剤を供給する経路にバルブ群８２ｘ，８３ｘをそれぞれ設けることとしている。このバルブ群８２ｘ，８３ｘにも，バルブが直列に配置されており，バルブを直列に配置した経路が並列に配置されている。これにより，予燃焼器８への燃料等の供給の際にも，複数のバルブによりその供給を高精度に制御することができている。これにより，予燃焼器８内での着火を確実にするとともに主燃焼器７内の燃焼も確実にすることができてきる。
【００２６】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，実施の形態のパルスデトネーションエンジンでは，機械弁を使用して燃料および酸化剤の供給を制御しているが，これに限るものではない。すなわち，電磁弁やロータリバルブ等を使用してもよい。また，バルブの開閉や着火器の着火タイミングの制御をカムの回転によって行っているが，電気信号によって行ってもよい。
【００２７】
また，実施の形態では，ガスタービン発電システムに本発明を適用しているが，これに限るものではない。例えば，燃焼器１から得られる熱と，発電機５１から得られる電力とを利用する，いわゆるコジェネレーションシステムであってもよい。また，例えば航空用エンジンに本発明のパルスデトネーションエンジンを適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の形態に係るガスタービンシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の形態に係るパルスデトネーションエンジンの概略を示すブロック図である。
【図３】第１の形態に係るパルスデトネーションエンジンの構成を示す図である。
【図４】燃料供給系のバルブ群２ｘの各バルブの開閉タイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】３つのバルブの一部を並列に配置したときの構成を示す図である。
【図６】図５に示した各バルブの開閉タイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】第２の形態に係るパルスデトネーションエンジンの概略を示すブロック図である。
【図８】従来の形態に係るパルスデトネーションエンジンの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      燃焼器
１０    デトネーション管
１２    点火プラグ
２      燃料供給源
２ｘ    燃料供給系のバルブ群
２１〜２４    バルブ
３      酸化剤供給源
３ｘ    酸化剤供給系のバルブ群
３１〜３４    バルブ
４      カム群
７      主燃焼器
７２ｘ  燃料供給系のバルブ群
７３ｘ  酸化剤供給系のバルブ群
８      予燃焼器
８２ｘ  燃料供給系のバルブ群
８３ｘ  酸化剤供給系のバルブ群
【図１】
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【図２】
2005113789.tif 000004
【図３】
2005113789.tif 000005
【図４】
2005113789.tif 000006
【図５】
2005113789.tif 000007
【図６】
2005113789.tif 000008
【図７】
2005113789.tif 000009
【図８】
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