JP2019100608A - 燃料噴射器、燃料の噴射方法及び噴射ガスの温度の取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼損を抑制することができる燃料噴射器、燃料の噴射方法及びガスの温度の取得方法を提供することを目的としている。【解決手段】燃料噴射器は、燃料を供給する燃料供給部と、燃料と反応する酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料供給部から燃料が供給され、且つ、酸化剤供給部から酸化剤が供給される予燃焼室と、を備え、予燃焼室では、燃料と酸化剤とが反応して逆拡散火炎が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料噴射器、燃料の噴射方法及び噴射ガスの温度の取得方法に関する。

従来、高温の燃料ガスを燃焼器部に噴射することで、燃焼器部の混合気の燃焼反応を局所的に促進させ、混合気を強制的に着火する燃料噴射器が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このような燃料噴射器はロケットトーチ、トーチイグナイタ又はマイクロバーナとも呼ばれ、例えば次世代の極超音速航空機のスクラムジェットエンジンに適用される。スクラムジェットエンジンは、超音速燃焼を行うことにより極超音速域においても高い比推進力を得ることができ、次世代の極超音速航空機の推進システムを構成するエンジンとして期待を集めている。

非特許文献１に記載の燃料噴射器は、燃料を燃焼させる予燃焼室と、予燃焼室へ燃料である水素を供給する水素供給ポートと、予燃焼室へ酸化剤である酸素を供給する酸素供給ポートと、予燃焼室の燃料に点火する点火プラグとを備えている。非特許文献１に記載の燃料噴射器において、予燃焼室の水素と酸素との当量比は、化学量論の当量比付近に限られている（当量比３程度まで）。

小林 完、富岡 定毅、工藤 賢司、村上 淳郎、三谷 徹、「超音速流におけるマイクロトーチによる着火促進実験」、第３６回燃焼シンポジウム、１９９８年、ｐ７０７−７０９

非特許文献１に記載の燃料噴射器の予燃焼室の燃焼は、予混合燃焼によるものであることから、非特許文献１に記載の技術は、化学量論の当量比付近の燃焼に関する。化学量論付近の当量比の燃料は、余分な燃料の割合が抑えられている分、予燃焼室内部で形成される燃焼ガスの温度が高くなってしまい、燃料噴射器の構成部材の焼損を招く。

また、燃料噴射器の燃料の噴射温度を把握できないと、燃料噴射器の性能の評価の正確さが損なわれることに繋がる。燃料噴射器の燃料の噴射温度を把握できなければ、例えば、強制着火に必要な噴射ガスの温度を過大評価することで必要以上の温度の燃焼ガスを噴射してしまい、燃料噴射器の構成部材の焼損を招く場合がある。また、強制着火に必要な噴射ガスの温度を過小評価することで、強制着火に失敗する場合もある。
ここで、燃料噴射器の噴射ガスの温度は、質量保存の法則に基づく所定の演算により算出することができる。この所定の演算では、理論的に予測される燃料の噴射温度と実際の燃料の噴射温度との差を補正する流出係数が用いられている。従来、燃料噴射器の熱効率と燃料噴射器への投入エネルギーとの関連性を把握する等の研究がなされているが、当該研究における流出係数は、０．９０より大きく０．９５より小さい値とされており、すなわち一定値ではなく、幅をもっている。このため、当該研究における流出係数を上述の所定の演算に適用すると、取得される噴射ガスの温度も幅をもつことになり、その結果、燃料噴射器の噴射ガスの温度を把握しにくくなる。燃料噴射器の噴射ガスの温度が把握しにくくなると、燃料が着火するときの温度、すなわち燃料の着火限界温度も把握しにくくなり、その結果、燃料噴射器の構成部材の焼損や強制着火の失敗を招いてしまう。

本発明は、上記従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、焼損を抑制することができる燃料噴射器、燃料の噴射方法及びガスの温度の取得方法を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料噴射器は、燃料を供給する燃料供給部と、燃料と反応する酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料供給部から燃料が供給され、且つ、酸化剤供給部から酸化剤が供給される予燃焼室と、を備え、予燃焼室では、燃料と酸化剤とが反応して逆拡散火炎が形成される。

本発明に係る燃料の噴射方法は、燃料を予燃焼室に供給するステップと、予燃焼室に酸化剤を供給して燃料と酸化剤とを混合させながら反応させ、予燃焼室に逆拡散火炎を形成するステップと、逆拡散火炎が形成されている予燃焼室の燃料を燃焼器部へ噴射するステップと、を備えている。

本発明に係る噴射ガスの温度の取得方法は、音速のガスを噴射するノズルを用いたガスの噴射温度の取得方法であって、ノズルを通過するガスの質量流量と、ノズルを通過するガスの圧力とを取得する取得ステップと、ノズルの流出係数と、取得ステップで取得したガスの質量流量と、取得ステップで取得したガスの圧力と、に基づいて、ガスの温度を算出する算出ステップと、を備えている。

本発明によれば、上記構成を備えているので、燃料噴射器の構成部材の焼損を抑制することができる。

極超音速航空機７０の模式図である。 極超音速航空機７０に搭載されているスクラムジェットエンジン５０の模式図である。 スクラムジェットエンジン５０に設けられている燃料噴射器１００の全体斜視図である。 （ａ）は燃料噴射器１００を側面側から見た図であり、（ｂ）は燃料噴射器１００を燃料の噴射側から見た図である。 図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。 図５に示すＢ−Ｂ断面図である。 筐体１の第１筐体部１Ａの斜視図である。 筐体１の第２筐体部１Ｂの斜視図である。 （ａ）は取付部材５の斜視図であり、（ｂ）は取付部材５の断面図である。 （ａ）は仕切部材２の斜視図であり、（ｂ）は仕切部材２の断面図である。 （ａ）は噴射部３の斜視図であり、（ｂ）は噴射部３の断面図である。 （ａ）はトーチキャップ４の斜視図であり、（ｂ）はトーチキャップ４の断面図である。 実施の形態２に係るガスの温度の取得方法のシステム構成の一例である。

実施の形態１．
以下、図面を適宜参照しながら実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

＜実施の形態１の構成＞
図１は、極超音速航空機７０の模式図である。図２は、極超音速航空機７０に搭載されているスクラムジェットエンジン５０の模式図である。図１及び図２を参照して、燃料噴射器１００が適用される極超音速航空機７０のスクラムジェットエンジン５０の概要構成について説明する。なお、スクラムジェットエンジン５０は燃料噴射器１００の適用対象の一例である。スクラムジェットエンジン５０は、極超音速航空機７０の進行方向に対して、前方側に給気口ＳＯが設けられており、後方側に排気口ＥＯが設けられている。このため、スクラムジェットエンジン５０は、給気口ＳＯから取り込んだ空気中の酸素を酸化剤として、噴射する燃料と混合・燃焼させ、排気口ＥＯから燃焼ガスを排気し、極超音速航空機７０の推進力を得ている。スクラムジェットエンジン５０は、超音速燃焼が可能な構成を備えている。具体的には、スクラムジェットエンジン５０は、極超音速航空機７０の底部に設けられたエンジンカウル５１と、エンジンカウル５１の内側に設けられたストラット１１とを備えている。また、スクラムジェットエンジン５０には、給気口ＳＯから排気口ＥＯにかけて形成されているエンジン流路５３が設けられている。エンジン流路５３の空気流れ方向の下流側には、燃料噴射器１００から噴射された燃料と、給気口ＳＯからエンジン流路５３へ流入した空気に含まれる酸素とが反応する燃焼器部５４が設けられている。なお、実施の形態１において、スクラムジェットエンジン５０がストラット１１を備えている例を説明するが、その限りではない。つまり、スクラムジェットエンジン５０はストラット１１を備えていなくてもよい。

図３は、スクラムジェットエンジン５０に設けられている燃料噴射器１００の全体斜視図である。図４（ａ）は燃料噴射器１００を側面側から見た図であり、図４（ｂ）は燃料噴射器１００を燃料の噴射側から見た図である。図５は、図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。図６は、図５に示すＢ−Ｂ断面図である。図３〜図６を参照して、燃料噴射器１００の構成を説明する。燃料噴射器１００は、筐体１と、筐体１に収容されている仕切部材２と、仕切部材２内の燃料を燃焼器部５４（図２参照）へ噴射する噴射部３と、筐体１の一部を収容するトーチキャップ４と、筐体１に固定されている板状の取付部材５と、取付部材５に取り付けられている点火プラグ６とを備えている。また、燃料噴射器１００には、燃料と酸化剤とが合流する空間である予燃焼室ＳＰ１と、予燃焼室ＳＰ１に供給される燃料が充填される空間である燃料充填室ＳＰ２と、予燃焼室ＳＰ１に供給される酸化剤が充填される空間である酸化剤充填室ＳＰ３とを備えている。予燃焼室ＳＰ１は仕切部材２の内側に形成され、燃料充填室ＳＰ２及び酸化剤充填室ＳＰ３は仕切部材２の外側に形成されている。

筐体１は円筒状部材であり、筐体１にはトーチキャップ４及び取付部材５が固定されている。具体的には、筐体１は筒状の第１筐体部１Ａと筒状の第２筐体部１Ｂとを有しており、第１筐体部１Ａにはトーチキャップ４が固定され、第２筐体部１Ｂには取付部材５が固定されている。筐体１の内側には、仕切部材２が設けられている。また、筐体１の内側には、予燃焼室ＳＰ１、燃料充填室ＳＰ２及び酸化剤充填室ＳＰ３が配置されている。第１筐体部１Ａは、仕切部材２に平行に延びる筒状部１Ａ１と、トーチキャップ４と第２筐体部１Ｂとの間に挟まれている環状部１Ａ２と、噴射部３に当接している端面部１Ａ３とを備えている。第２筐体部１Ｂは、仕切部材２に平行に延びる筒状部１Ｂ１と、取付部材５に当接している板状部１Ｂ２と、第１筐体部１Ａに当接している板状部１Ｂ３とを備えている。第２筐体部１Ｂには、第２筐体部１Ｂの内側と第２筐体部１Ｂの外側とを連通する複数の燃料通路ｔ１と、燃料充填室ＳＰ２の燃料の圧力を計測する圧力計測手段（図示省略）に繋がっている圧力計測孔ｔ２とが形成されている。燃料通路ｔ１は、燃料が流れる通路であり、燃料充填室ＳＰ２に繋がっている。また、第２筐体部１Ｂには、第２筐体部１Ｂの内側と第２筐体部１Ｂの外側とを連通する複数の酸化剤通路ｔ３が形成されている。酸化剤通路ｔ３は、酸化剤が流れる通路であり、酸化剤充填室ＳＰ３に繋がっている。

仕切部材２は円筒状部材である。仕切部材２は、予燃焼室ＳＰ１と燃料充填室ＳＰ２とを仕切る機能を有している。また、仕切部材２は、予燃焼室ＳＰ１と酸化剤充填室ＳＰ３とを仕切る機能を有している。仕切部材２は、円筒形状の筒状部２Ａと、筒状部２Ａの一端側に形成されている端面部２Ｂとを有している。筒状部２Ａは、点火プラグ６が設けられている一端部２Ａ１と、噴射部３に設けられている他端部２Ａ２とを備えている。

噴射部３は、第１筐体部１Ａの端面部１Ａ３と仕切部材２の他端部２Ａ２とに当接して設けられている。噴射部３は、予燃焼室ＳＰ１のガスを噴射する機能を有している。ここで、予燃焼室ＳＰ１のガスには、予燃焼室ＳＰ１で温度が上昇した燃料ガス、予燃焼室ＳＰ１で行われる反応で生成される物質等が含まれる。噴射部３は、ガスを噴射するノズル３Ａと、仕切部材２の他端部２Ａ２が差し込まれている凹部３Ｂと、トーチキャップ４に当接している段部３Ｃとを備えている。ノズル３Ａは仕切部材２の他端部２Ａ２側に設けられている。凹部３Ｂは環状に形成されている。仕切部材２の他端部２Ａ２は凹部３Ｂに当接して設けられており、予燃焼室ＳＰ１のガスが凹部３Ｂを介して燃料充填室ＳＰ２へ逆流しないようになっている。

トーチキャップ４は噴射部３及び第１筐体部１Ａの周囲に設けられている。トーチキャップ４は円筒状の収容部４Ａと、収容部４Ａの内周面に形成され、収容部４Ａの内周面側から収容部４Ａの中心軸側へ延びる環状の突出縁部４Ｂとを備えている。取付部材５は、第２筐体部１Ｂの板状部１Ｂ２に設けられている。取付部材５は点火プラグ６が取り付けられる凹状の設置部５Ａを備えている。点火プラグ６は予燃焼室ＳＰ１の燃料と予燃焼室ＳＰ１の酸化剤との反応のきっかけを与える。

図７は、筐体１の第１筐体部１Ａの斜視図である。図８は、筐体１の第２筐体部１Ｂの斜視図である。図９（ａ）は取付部材５の斜視図であり、図９（ｂ）は取付部材５の断面図である。図１０（ａ）は仕切部材２の斜視図であり、図１０（ｂ）は仕切部材２の断面図である。図１１（ａ）は噴射部３の斜視図であり、図１１（ｂ）は噴射部３の断面図である。図１２（ａ）はトーチキャップ４の斜視図であり、図１２（ｂ）はトーチキャップ４の断面図である。図７〜図１２及び先述した図３〜図６を参照して、引き続き、燃料噴射器１００の構成を説明する。

図７に示すように、第１筐体部１Ａの環状部１Ａ２には複数の孔１Ａ２０が形成されている。また、図８に示すように、第２筐体部１Ｂの板状部１Ｂ３には複数の孔１Ｂ３０が形成されている。孔１Ａ２０及び孔１Ｂ３０には、図示省略の複数の固定部材が挿入される。この複数の固定部材は、第１筐体部１Ａとトーチキャップ４とを固定し、且つ、第１筐体部１Ａと第２筐体部１Ｂとを固定する。端面部１Ａ３には環状の溝部１Ａ３０が形成されている。溝部１Ａ３０にはガスの漏洩を防止するパッキン（図示省略）が挿入される。第１筐体部１Ａの内周面Ｓｒｆ１は、図１０に示す仕切部材２の筒状部２Ａの外周面Ｓｒｆ３と隙間をあけて向かい合っている。また、第２筐体部１Ｂの内周面Ｓｒｆ２も、図１０に示す仕切部材２の筒状部２Ａの外周面Ｓｒｆ３と隙間をあけて向かい合っている。つまり、燃料充填室ＳＰ２は、図７に示す内周面Ｓｒｆ１と図１０に示す外周面Ｓｒｆ３との間、及び、図８に示す内周面Ｓｒｆ２と図１０に示す外周面Ｓｒｆ３との間に、形成されている。

図８に示すように、第２筐体部１Ｂの板状部１Ｂ２には複数の孔１Ｂ２０が形成されている。孔１Ｂ２０には、図示省略の複数の固定部材が挿入される。この複数の固定部材は、取付部材５と第２筐体部１Ｂとを固定する。第２筐体部１Ｂの筒状部１Ｂ１には４つの燃料通路ｔ１が形成されている。４つの燃料通路ｔ１は、筒状部１Ｂ１の中心に対して９０度の角度をなしている。また、第２筐体部１Ｂの板状部１Ｂ２には２つの酸化剤通路ｔ３が形成されている。２つの酸化剤通路ｔ３は、板状部１Ｂ２の中心に対して１８０度の角度をなしている。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、取付部材５には点火プラグ６の先端側が挿入される開口部である挿入部５Ｂが形成されている。挿入部５Ｂは設置部５Ａの中央部に形成されている。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、仕切部材２の筒状部２Ａには複数の燃料供給部Ｏｐ１が形成されている。燃料供給部Ｏｐ１は燃料充填室ＳＰ２と予燃焼室ＳＰ１とを連通する開口部である。燃料供給部Ｏｐ１は仕切部材２の外周面Ｓｒｆ３の周方向に並んでいる。燃料供給部Ｏｐ１は筒状部２Ａのうち端面部２Ｂ側に設けられている。図１０（ｂ）に示すように、仕切部材２の端面部２Ｂには、複数の酸化剤供給部Ｏｐ２と、点火プラグ６のトーチが挿入されている開口部２Ｂ１とが形成されている。酸化剤供給部Ｏｐ２は酸化剤充填室ＳＰ３と予燃焼室ＳＰ１とを連通する開口部である。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、ノズル３Ａには、燃料等のガスが通過する開口部３Ａ１が形成されている。図１１（ｂ）に示すように、開口部３Ａ１の開口径Ｄｍは、ノズル３Ａの入口側からノズル３Ａの出口側にかけて徐々に小さくなっている。また、開口部３Ａ１には、燃料等のガスの通過方向に平行な断面が曲面状になっている曲面部３Ａ２が形成されている。曲面部３Ａ２は、ノズル３Ａの入口側からノズル３Ａの出口側にかけて延びている。噴射部３は、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すトーチキャップ４の開口部４Ｂ１に挿入される先端面部３Ｄを備えている。先端面部３Ｄが突出縁部４Ｂに挿入された状態において、噴射部３の段部３Ｃは、突出縁部４Ｂに当接している。

＜実施の形態１の動作＞
先述した図１〜図１２を参照して実施の形態１の動作について説明する。図１に示す極超音速航空機７０が飛行しているときにおいて、酸化剤である酸素を含む空気が、スクラムジェットエンジン５０の給気口ＳＯに流入する。給気口ＳＯから流入した空気は、エンジン流路５３を流れる過程で、燃料噴射器１００から噴射される燃料と合流する。そして、酸化剤と合流した燃料が燃焼器部５４で燃焼し、この燃焼のエネルギーがスクラムジェットエンジン５０の推進力へと変換される。

また、極超音速航空機７０に搭載されている燃料は、図示省略の燃料搭載部から燃料通路ｔ１へ供給される。燃料通路ｔ１へ供給された燃料は、燃料充填室ＳＰ２に充填される。燃料充填室ＳＰ２の燃料はガス状態である。燃料充填室ＳＰ２の燃料は仕切部材２の燃料供給部Ｏｐ１を介して予燃焼室ＳＰ１に供給される。予燃焼室ＳＰ１は、ガス状態の燃料で満たされている。また、エンジン流路５３の空気の一部が、酸化剤通路ｔ３に供給される。酸化剤通路ｔ３へ供給された空気は、酸化剤充填室ＳＰ３に充填される。酸化剤充填室ＳＰ３の空気は仕切部材２の酸化剤供給部Ｏｐ２を介して予燃焼室ＳＰ１に供給される。なお、酸化剤通路ｔ３に供給される空気は、スクラムジェットエンジン５０が取り込んだ空気に限定されるものではない。例えば、極超音速航空機７０が空気タンク又は酸素タンクを搭載しており、酸化剤通路ｔ３が空気タンク又は酸素タンクから酸素の供給をうけてもよい。

予燃焼室Ｓｐ１に供給された空気中の酸素は、予燃焼室ＳＰ１の燃料に拡散しながら燃焼する。実施の形態１において、燃料と空気中の酸素（酸化剤）との当量比は１より大きい。つまり、実施の形態１において、燃料は酸化剤に対してリッチ（過濃）となっている。予燃焼室ＳＰ１の空気中の酸素が予燃焼室ＳＰ１の燃料と混合し、予燃焼室ＳＰ１の空気中の酸素が予燃焼室ＳＰ１の燃料へ拡散する過程で、予燃焼室ＳＰ１の酸素と予燃焼室ＳＰ１の燃料とが反応する。これにより、予燃焼室ＳＰ１の燃料が燃焼（逆拡散燃焼）し、予燃焼室ＳＰ１では逆拡散火炎が形成される。そして、予燃焼室ＳＰ１で逆拡散火炎が形成されることで、予燃焼室ＳＰ１に充填されているガスの温度が上昇する。温度が上昇した燃料は予燃焼室ＳＰ１から噴射部３のノズル３Ａに流入し、ノズル３Ａに流入した燃料は、図２に示すエンジン流路５３に噴射される。

ここで、燃料が水素であるものとして説明する。予燃焼室ＳＰ１において、酸化剤である空気中の酸素が、燃料である水素と反応すると、水が生成される。また、空気中には酸素の他に窒素等が含まれている。このため、予燃焼室ＳＰ１には、酸化剤である酸素及び燃料である水素の他に、空気中の窒素等や水といった物質も存在している。予燃焼室ＳＰ１に存在している物質をガスと総称すると、ノズル３Ａは、燃料、窒素及び水等を含むガスをエンジン流路５３へ噴射する。

＜実施の形態１の効果＞
燃料噴射器１００は、燃料と酸化剤とが反応して逆拡散火炎が形成される予燃焼室ＳＰ１を備えている。酸化剤は、酸化剤供給部Ｏｐ２を介して、燃料で満たされた予燃焼室ＳＰ１へ供給される。つまり、燃料噴射器１００の構成は、燃料が酸化剤に拡散するのではなく、酸化剤が燃料に拡散する構成である。これにより、酸化剤が燃料に拡散する過程で酸化剤と燃料とが反応し、予燃焼室ＳＰ１の燃料は逆拡散燃焼をする。その結果、予燃焼室ＳＰ１では逆拡散火炎が形成され、予燃焼室ＳＰ１内のガスの温度が上昇する。したがって、燃料噴射器１００は温度が上昇したガスをエンジン流路５３へ噴射することができる。よって、燃料噴射器１００は、スクラムジェットエンジン５０の燃焼器部５４の混合気の強制着火を促すことができる。

ここで、予燃焼室ＳＰ１の燃焼は逆拡散燃焼である。逆拡散燃焼は、予混合燃焼とは異なり、燃料の当量比が高くても安定的な火炎を形成できる。なお、予混合燃焼とは、予め酸化剤と混合させておいた燃料を燃焼させることを意味している。このため、予燃焼室ＳＰ１の燃料が酸化剤に対してリッチになっていても、燃料噴射器１００は安定的に火炎を形成できる。
また、燃料が酸化剤に対してリッチになっている程、余剰燃料の割合が増えることになり、その結果、燃料の燃焼によって生じるエネルギーが燃焼に寄与しなかったガスの温度上昇に使われることになる。このため、燃料が酸化剤に対してリッチになっている程、最終的な噴射ガスの温度が低下することになる。つまり、燃料噴射器１００は燃料の噴射ガスの温度の抑制が可能であるので、燃料噴射器１００の構成部材（例えば仕切部材２や噴射部３等）は焼損してしまうことが抑制されている。

燃料噴射器１００は、予燃焼室ＳＰ１と燃料充填室ＳＰ２とを仕切り、且つ、予燃焼室ＳＰ１と酸化剤充填室ＳＰ３とを仕切る仕切部材２を備えている。ここで、燃料充填室ＳＰ２には燃料が充填されているため、燃料は予燃焼室ＳＰ１へ安定的に供給される。また、酸化剤充填室ＳＰ３には酸化剤が充填されているため、酸化剤は予燃焼室ＳＰ１へ安定的に供給される。このように、予燃焼室ＳＰ１には燃料及び酸化剤が安定供給されるため、予燃焼室ＳＰ１の逆拡散火炎が安定的に形成される。

また、燃料と酸化剤とを合流させる位置や点火プラグ６の位置によって、火炎の安定性が変わってくる。ここで、燃料噴射器１００は仕切部材２を備えているため、燃料と酸化剤とを合流させる位置を調整しやすくなっている。つまり、燃料噴射器１００は、燃料供給部Ｏｐ１及び酸化剤供給部Ｏｐ２の形成位置を適宜変更するだけで、燃料と酸化剤とを合流させる位置を容易に調整することができる。仮に、燃料噴射器１００が仕切部材２を備えていないと、燃料通路ｔ１の構造や酸化剤通路ｔ３の構造が複雑になる。このように構造が複雑化することは、燃料噴射器の設計や製造の上で負担となる。しかし、燃料噴射器１００は仕切部材２を備えているので、燃料と酸化剤とを合流させる位置の調整が容易になっている。これにより、燃料噴射器１００は予燃焼室ＳＰ１の火炎の安定性を確保しやすい構成となっている。

仕切部材２の筒状部２Ａには燃料供給部Ｏｐ１が設けられており、仕切部材２の端面部２Ｂには酸化剤供給部Ｏｐ２が設けられている。また、燃料供給部はＯｐ１、筒状部２Ａのうち端面部２Ｂ側に設けられている。つまり、燃料噴射器１００は、燃料供給部Ｏｐ１と酸化剤供給部Ｏｐ２とが近づくように構成されている。予燃焼室ＳＰ１のうち端面部２Ｂ側の領域は、酸化剤が供給される部分であるため、燃料と酸化剤との反応が活発な領域である。このため、予燃焼室ＳＰ１のうち端面部２Ｂ側の領域は、燃料が比較的欠乏しやすい領域になる。しかし、燃料噴射器１００は燃料供給部Ｏｐ１と酸化剤供給部Ｏｐ２とが近づくように構成されているので、予燃焼室ＳＰ１のうち端面部２Ｂ側の領域には燃料がすみやかに供給される。このため、予燃焼室ＳＰ１の逆拡散火炎がより安定的に形成される。

仕切部材２の端面部２Ｂには酸化剤供給部Ｏｐ２が設けられている。このため、燃料が燃焼を開始する位置と仕切部材２の他端部２Ａ２の位置との間の距離が、その分、長くなる。このため、予燃焼室ＳＰ１の燃料は、ノズル３Ａに至るまでに完全に燃焼しやすくなる。つまり、予燃焼室ＳＰ１の燃料が、不完全燃焼のままノズル３Ａへ至ることを抑制することができる。これにより、燃料噴射器１００は、より効率的に予燃焼室ＳＰ１のガスの温度を上昇させることができる。

点火プラグ６は、仕切部材２の端面部２Ｂに設けられている。つまり、燃料噴射器１００は、燃料供給部Ｏｐ１と酸化剤供給部Ｏｐ２と点火プラグ６とが近づくように構成されている。これにより、点火プラグ６の点火位置と酸化剤が燃料へ拡散する領域の位置とが一致する又は近づくため、予燃焼室ＳＰ１の燃料は、より確実に、且つ、直ちに、着火する。

開口部３Ａ１の開口径Ｄｍは、ノズル３Ａの入口側からノズル３Ａの出口側にかけて徐々に小さくなっている。これにより、ノズル３Ａのガスは、ノズル３Ａで加速されながら、ノズル３Ａからエンジン流路５３へ噴射される。また、開口部３Ａ１には、曲面状になっている曲面部３Ａ２が形成されている。これにより、後述の実施の形態２の流出係数の算出を理論的に実施することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態１では燃料噴射器１００から噴射される高温の燃焼ガスによって燃料噴射器１００の構成部材が焼損することを抑制する構成等について説明した。実施の形態２では高温のガスの温度の取得方法について説明する。実施の形態２において、取得するガスの温度が、実施の形態１に係る燃料噴射器１００から噴射されるガスの温度である場合を一例として説明する。

＜実施の形態２の構成＞
図１３は、実施の形態２に係るガスの温度の取得方法のシステム構成の一例である。実施の形態２に係るガスの温度の取得方法は、音速の噴射ガスの温度の取得方法に関する。

実施の形態２に係るガスの温度の取得方法は、燃料噴射器１００のノズル３Ａを通過するガスの質量流量等を取得する取得ステップと、流出係数Ｃｄ及び取得ステップで取得した物理量に基づいてガスの温度を取得する取得ステップとを備えている。

取得ステップでは、ノズル３Ａを通過するガスの質量流量と、ノズル３Ａを通過するガスの圧力とを取得する。ここで、実施の形態２において予燃焼室ＳＰ１に存在するガスと、実施の形態１において予燃焼室ＳＰ１に存在するガスとが同じであるものとする。このため、ノズル３Ａを通過するガスは、ノズル３Ａよりもガスの流れ方向の上流に設けられている予燃焼室ＳＰ１で形成される火炎で温度が上昇している。また、ノズル３Ａを通過するガスには、予燃焼室ＳＰ１でリッチになっている水素と、空気中の窒素と、水素と空気中の酸素とが反応して生成される水とが含まれている。したがって、ノズル３Ａで取得するガスの質量流量は水素、窒素及び水等を含むガスの質量流量であり、また、ノズル３Ａで取得するガスの圧力は水素、窒素及び水等を含むガスの圧力である。

算出ステップでは、次に示す式（１）に基づいて、ノズル３Ａのガスの温度を算出している。また、算出ステップのパラメータであるＣｄは、次に示す式（２）で与えられる。また、式（２）は、次に示す式（３）及び式（４）に基づいている。

式（１）の各種のパラメータについて説明する。
ｍ’は、ノズル３Ａを通過するガスの質量流量である。ｍ’は、流量計ＳＥ２を用いて予め取得することができる。
Ｃｄは、ノズル３Ａを通過するガスの流出係数である。Ｃｄは従来の研究では幅が与えられており、一定値として捉えられていなかった。しかし、実施の形態２において、Ｃｄは、式（２）を用いることで幅が与えられておらず、一つの値に決まる。
Ａ^＊は、ノズル３Ａの断面積である。なお、この断面積は、ノズル３Ａの軸方向に直交する面の断面積である。Ａ^＊はノズル３Ａに固有の値であり、予め定められている。
Ｍｗは、ノズル３Ａを通過するガスに含まれる物質の平均分子量である。Ｍｗは、予燃焼室ＳＰ１のガスの種類等に基づいて、予め取得することができる。
σ^＊は、ノズル３Ａを通過するガスの臨界流れ係数である。
Ｒ_０は、ノズル３Ａを通過するガスの気体定数である。
Ｐ_０は、ノズル３Ａを通過するガスの圧力である。Ｐ_０は圧力計ＳＥ１を用いて取得する。
Ｔ_０は、ノズル３Ａを通過するガスの温度である。Ｔ_０がノズル３Ａのガスの温度である。

次に、式（３）及び式（４）について説明する。式（３）は、ノズル３Ａの非一次元性のみを考慮することで得られる流出係数である。式（４）は、ノズル３Ａにおける境界層の存在のみを考慮することで得られる流出係数である。式（２）のＣｄは、式（３）のＣ_ｄ１と式（４）のＣ_ｄ２との積で与えられる。一般的に、式（３）及び式（４）は常温のガスへの適用がなされている。しかし、実施の形態２において、式（３）及び式（４）は、高温のガス、すなわち予燃焼室ＳＰ１で温度が上昇したガスへの適用がなされている。ここで、ガスの温度は、例えば１０００（Ｋ）〜２５００（Ｋ）程度である。

式（３）の各種のパラメータについて説明する。
γは、ノズル３Ａを通過するガスの比熱比である。
Ｑは、ノズル３Ａの曲率半径Ｒをノズル３Ａのスロート半径Ｄ／２で除した値である。

式（４）の各種のパラメータについて説明する。
Ｄは、ノズル３Ａのスロート半径である。
δ^＊は、排除厚さと呼ばれ、次の式（５）のように与えられる。

式（５）の各種パラメータについて説明する。
γは、ノズル３Ａを通過するガスの比熱比である。
Ｄは、ノズル３Ａのスロート半径である。
ｍは、比熱比とノズル３Ａの形状に基づいて定まるパラメータである。
Ｒｅ_０は、よどみ点におけるレイノルズ数である。
また、ｍ及びＲｅ_０は、次の式（６）及び式（７）のように与えられる。

式（６）及び式（７）の各種パラメータについて説明する。
γは、ノズル３Ａを通過するガスの比熱比である。
Ｄは、ノズル３Ａのスロート半径である。
Ｒは、ノズル３Ａの曲率半径である。
ａ_０は、よどみ点における音速である。
ν_０は、よどみ点における動粘度である。

＜実施の形態２の動作＞
ガスの温度Ｔ_０を取得する対象は、例えば、人間に限らず、スクラムジェットエンジンを制御する制御装置Ｃｎｔであってもよい。ここでは、制御装置Ｃｎｔがガスの温度Ｔ_０を取得する動作について説明する。制御装置Ｃｎｔは、燃料噴射器１００から噴射されるガスの質量流量ｍ’を流量計ＳＥ２から取得する。なお、制御装置Ｃｎｔは、燃料噴射器１００から噴射されるガスの質量流量ｍ’を計算から取得することができるのであれば、制御装置Ｃｎｔは、流量計ＳＥ２からガスの質量流量ｍ’を取得する必要はない。また、制御装置Ｃｎｔは、燃料噴射器１００から噴射されるガスの圧力Ｐ_０を圧力計ＳＥ１から取得する。更に、制御装置Ｃｎｔには、Ｃｄと、Ａ^＊と、Ｍｗと、σ^＊と、Ｒ_０とが、予め記憶されている又は予め設定されている。このため、制御装置Ｃｎｔは、式（１）に基づいて、Ｔ_０を取得することができる。すなわち、制御装置Ｃｎｔは、式（１）に基づいて、燃料噴射器１００から噴射されるガスの温度Ｔ_０を取得することができる。

＜実施の形態２の効果＞
実施の形態２に係るガスの温度の取得方法は、取得ステップ及び算出ステップを備えている。算出ステップの流出係数は、上述した式（２）〜（７）に基づいて与えられる。ここで、一般的に、式（３）及び式（４）は、常温のガスへの適用がなされている。しかし、実施の形態２において、式（３）及び式（４）は、高温のガス、すなわち予燃焼室ＳＰ１で温度が上昇したガスへの適用がなされている。このように、式（３）及び式（４）を高温のガスへ適用する着想により、Ｃｄが一つの値に決まり、その結果、実施の形態２に係るガスの温度の取得方法は、ノズル３Ａのガスの温度を取得することができる。このように、ノズル３Ａのガスの温度を取得することができることにより、燃料が着火するときの温度、すなわち燃料の着火限界温度を把握することができる。したがって、実施の形態２のガスの温度の取得方法を、実施の形態１の燃料噴射器１００に適用すれば、燃料噴射器１００の構成部材の焼損をより確実に抑制することができるとともに強制着火の失敗をより確実に回避することができる。

１ 筐体、１Ａ 第１筐体部、１Ａ１ 筒状部、１Ａ２ 環状部、１Ａ２０ 孔、１Ａ３ 端面部、１Ａ３０ 溝部、１Ｂ 第２筐体部、１Ｂ１ 筒状部、１Ｂ２ 板状部、１Ｂ２０ 孔、１Ｂ３ 板状部、１Ｂ３０ 孔、２ 仕切部材、２Ａ 筒状部、２Ａ１ 一端部、２Ａ２ 他端部、２Ｂ 端面部、２Ｂ１ 開口部、３ 噴射部、３Ａ ノズル、３Ａ１ 開口部、３Ａ２ 曲面部、３Ｂ 凹部、３Ｃ 段部、３Ｄ 先端面部、４ トーチキャップ、４Ａ 収容部、４Ｂ 突出縁部、４Ｂ１ 開口部、５ 取付部材、５Ａ 設置部、５Ｂ 挿入部、６ 点火プラグ、１１ ストラット、５０ スクラムジェットエンジン、５１ エンジンカウル、５３ エンジン流路、５４ 燃焼器部、７０ 極超音速航空機、１００ 燃料噴射器、Ｄｍ 開口径、ＥＯ 排気口、Ｏｐ１ 燃料供給部、Ｏｐ２ 酸化剤供給部、ＳＯ 給気口、ＳＰ１ 予燃焼室、ＳＰ２ 燃料充填室、ＳＰ３ 酸化剤充填室、Ｓｐ１ 予燃焼室、Ｓｒｆ１ 内周面、Ｓｒｆ２ 内周面、Ｓｒｆ３ 外周面、ｔ１ 燃料通路、ｔ２ 圧力計測孔、ｔ３ 酸化剤通路。

Claims (10)

1. 燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃料と反応する酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記燃料供給部から前記燃料が供給され、且つ、前記酸化剤供給部から前記酸化剤が供給される予燃焼室と、
   を備え、
   前記予燃焼室では、前記燃料と前記酸化剤とが反応して逆拡散火炎が形成される
   ことを特徴とする燃料噴射器。
2. 前記予燃焼室の前記燃料は前記予燃焼室の前記酸化剤に対してリッチである
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
3. 前記予燃焼室へ供給する前記燃料が充填されている燃料充填室と、
   前記予燃焼室へ供給する前記酸化剤が充填されている酸化剤充填室と、
   前記予燃焼室と前記燃料充填室とを仕切り、且つ、前記予燃焼室と前記酸化剤充填室とを仕切る仕切部材とを更に備え、
   前記燃料供給部は、前記仕切部材に設けられ、前記燃料充填室と前記予燃焼室とを連通する通路であり、
   前記酸化剤供給部は、前記仕切部材に設けられ、前記酸化剤充填室と前記予燃焼室とを連通する通路である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射器。
4. 前記仕切部材は、前記燃料供給部が設けられている筒状部と、前記筒状部の一端側に形成され、前記酸化剤供給部が設けられている端面部とを有し、
   前記燃料供給部は、前記筒状部のうち前記端面部側に設けられ、
   前記予燃焼室は、前記仕切部材の内側に形成されており、
   前記燃料充填室及び前記酸化剤充填室は、前記仕切部材の外側に形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射器。
5. 前記仕切部材の前記端面部に設けられ、前記燃料と前記酸化剤との反応のきっかけを与える点火プラグを更に備えている
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射器。
6. 前記予燃焼室の前記燃料を噴射するノズルを更に備え、
   前記ノズルには、前記燃料を通過させる開口部が形成され、
   前記ノズルの前記開口部の開口径は、前記ノズルの入口側から前記ノズルの出口側にかけて徐々に小さくなっており、
   前記ノズルの前記開口部は、前記燃料の通過方向に平行な断面が曲面状になっている曲面部を有している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
7. 燃料を予燃焼室に供給するステップと、
   前記予燃焼室に酸化剤を供給して前記燃料と前記酸化剤とを混合させながら反応させ、前記予燃焼室に逆拡散火炎を形成するステップと、
   前記逆拡散火炎が形成されている前記予燃焼室の前記燃料を燃焼器部へ噴射するステップと、
   を備えている
   ことを特徴とする燃料の噴射方法。
8. 前記予燃焼室の前記燃料は前記予燃焼室の前記酸化剤に対してリッチである
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料の噴射方法。
9. 音速のガスを噴射するノズルを用いた前記ガスの噴射温度の取得方法であって、
   前記ノズルを通過する前記ガスの質量流量と、前記ノズルを通過する前記ガスの圧力とを取得する取得ステップと、
   前記ノズルの流出係数と、前記取得ステップで取得した前記ガスの質量流量と、前記取得ステップで取得した前記ガスの圧力と、に基づいて、前記ガスの温度を算出する算出ステップと、
   を備えている
   ことを特徴とする噴射ガスの温度の取得方法。
10. 前記取得ステップにおける前記ガスは、前記ノズルの上流に設けられている予燃焼室で形成される火炎で温度が上昇したガスである
    ことを特徴とする請求項９に記載の噴射ガスの温度の取得方法。

Images