JPH0442564B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 流動性の２つの成分から成る可燃性混合物を
燃焼させるための燃焼装置であつて、前記成分の
うちの少なくとも一方の成分が高い圧力または高
い速度で供給されるようになつており、室を備え
た室ケーシング１と、第１成分および第２成分を
供給してこれらを混合するための手段と、燃焼ガ
スのための流出開口１５と、噴射管２とが設けら
れていて、該噴射管が室ケーシング１に、該室ケ
ーシングに設けられた流出開口１５の方向に突入
しており、さらに、第１成分を供給するための軸
方向孔２１，２２と、該軸方向孔内の隘路２３
と、半径方向に噴射軸線１に対して斜めに前記室
ケーシング１の内室から延びる、内端部が前記軸
方向孔２１，２２の方向に向いた少なくとも１つ
の傾斜通路２４１，２４２；２４３，２４４とが
設けられていて、該傾斜通路を通つて、前記室ケ
ーシング１に流入した第２成分の一部が流れて、
前記軸方向孔２１，２２内で第１成分と混合する
形式のものにおいて、室ケーシング１が、噴射管
２の同室ケーシング１に突入している部分よりも
長く形成されており、前記噴射管２が流出開口１
５に向けられた端部に比較的大きな後方の軸方向
孔２１を有していて、前記流出開口１５とは反対
の側の端部に比較的狭い軸方向孔２２を有してい
て、前記両軸方向孔２１，２２の間に隘路２３を
有しており、さらに前記噴射管が、前記隘路２３
内に延びるか、または該隘路の近くで前方の軸方
向孔２２内に延びる、内端部が後方の軸方向孔２
１の方向に向いた、可変の横断面積を有する傾斜
通路２４１，２４２；２４３，２４４を有してお
り、この場合、前記混合物が高い点火性を有する
濃厚な混合物として大部分、後方の軸方向孔２１
内で燃焼して、この場合に後方の軸方向孔２１の
範囲で周壁を加熱し、さらに、この後方の軸方向
孔から前記室ケーシングの残りの部分に流入し、
この場所で第２成分の残りの部分と混合して完全
に燃焼することを特徴とする、流動性の２つの成
分から成る可燃性混合物を燃焼させるための燃焼
装置。

２ 噴射管２５が、後方の軸方向孔２１を備えた
本体２６と、前方の軸方向孔２２を備えた、前記
本体２６内を長手方向に運動可能な同軸的な噴射
ニードル２７とから成つており、この場合、軸方
向での前記噴射ニードル２７の運動によつて、傾
斜通路２４３，２４４の全横断面積が可変であ
る、請求項１記載の燃焼装置。

３ 噴射管２が、表面を増大させるために、外面
に冷却リブ２８を有している、請求項１または２
記載の燃焼装置。

４ 噴射管２が折り曲げられて構成されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼装
置。

５ 噴射管２がアーチ状に湾曲させられて構成さ
れている、請求項１から３までのいずれか１項記
載の燃焼装置。

６ ヘツド部分１１を備えた円筒状の室ケーシン
グ１が設けられていて、この場合、前記ヘツド部
分１１が、噴射管２を受容するために中心の孔１
２を有しており、該孔を取り囲むようにして複数
のノズル１３１〜１３６が、第２成分のための供
給装置として配置されている、請求項１から５ま
でのいずれか１項記載の燃焼装置。

７ 噴射管２が触媒材料から成つている、請求項
１から６までのいずれか１項記載の燃焼装置。

８ 噴射管２が触媒材料を備えている、請求項１
から６までのいずれか１項記載の燃焼装置。

明細書 本発明は、流動性の２つの成分から成る可燃性
の混合物を燃焼させるための燃焼装置に関する。

現代の内燃機関で行われるような燃焼過程で
は、閉鎖式の系と開放式の系とに区別される。閉
鎖式の系とは、燃料とオキシダント
（Oxidator）、つまり酸素を有する物質とが合流
させられて、燃焼し、次いで燃焼ガスの膨張によ
つて機械的な作業を実施するか、または熱を発生
させるような閉鎖された燃焼室を意味する。

開放式の系では、燃料とオキシダントとが燃焼
室内で燃焼させられ、燃焼ガスが燃焼室に設けら
れた開口から噴流として流出する。このガス噴流
はたとえば航空機および宇宙船またはタービンに
おける駆動媒体として使用され得るが、しかし前
記ガス噴流は別の目的、たとえば加熱目的のため
にも使用され得る。開放式の系においては、燃料
とオキシダントとが燃料室に流入する際の高い流
速が、点火特性に対して不都合な作用を及ぼす。
燃料とオキシダントとの混合比の点火性のある範
囲（点火性範囲）は流速もしくは燃焼室圧が高ま
るにつれて小さくなる。

点火性のために必要な、燃料とオキシダントと
の間の混合比を維持することができないこと、所
謂「不発弾」が生じる。火炎前面は途切れ、媒体
は不燃焼のまま燃焼室を通つて流れる。極端に不
均一な燃料においては、手間のかかる補助構造と
補助手段なしに前記点火性範囲の維持は不可能で
ある。極端に迅速に燃焼するか、またはそれどこ
ろか爆発してしまうような燃料、たとえば水素に
おいては、比較的高い流速、ひいてはこの流速と
の関連において比較的高い燃焼室圧で、点火性範
囲が極端に小さくなる。熱による影響は既に、点
火性範囲がずれて、不燃焼が生じることを招くお
それがある。

希薄な混合物の熱的に好都合な燃焼において
も、燃焼させたい媒体の高い流速、ひいては燃焼
室圧が高くなると、やはり極めて小さな点火性範
囲が生じる。この場合にも、不燃焼の危険が極め
て大きい。高い熱効率を得るために、開放式の系
では前燃焼室と弁とを備えた相応に手間のかかる
構造を使用しなければならない。

点火問題を取り除くための別の手段は、化学量
論的バランスを越えて混合物を濃厚にすることで
ある。しかし、このことは熱効率をいつそう悪く
してしまう。触媒補助は極めて高価になり、場合
によつては環境を汚染してしまう。

米国特許第3733165号明細書には、流動性の２
つの成分から成る可燃性の混合物を燃焼させるた
めの燃焼装置であつて、前記成分のうちの少なく
とも一方の成分が高い圧力まは高い速度で供給さ
れるようになつており、室を備えたケーシング
と、第１成分および第２成分を供給してこれらを
混合するための手段と、燃焼ガスのための流出開
口と、噴射管とが設けられていて、該噴射管が室
ケーシング内に流出開口の方向に突入しており、
さらに、第１成分を供給するための軸方向孔と、
該軸方向孔内の隘路と、半径方向に噴射軸線に対
して斜めに、前記室ケーシングの内室から延び
る、内端部が前記軸方向孔の方向に向いた少なく
とも１つの傾斜通路とが設けられていて、該傾斜
通路を、前記室ケーシングに流入した第２成分の
一部が貫流して、第１の軸方向孔内で第１成分と
混合する形式のものが記載されている。このよう
な燃焼装置では、特に高い流速において化学量論
的不足量の燃焼、つまり希薄な混合物の燃焼から
生ぜしめられる問題が処理されない。

したがつて、本発明の課題は殊に希薄な混合物
において出現する点火問題が回避されるような、
流動性の燃料を流動性のオキシダントと燃焼させ
るための燃焼装置を提供することである。

この課題を解決するために、本発明の構成で
は、室ケーシングが、噴射管の同室ケーシングに
突入している部分よりも長く形成されており、前
記噴射管が流出開口に向けられた端部に比較的大
きな後方の軸方向孔を有していて、前記流出開口
とは反対の側の端部に比較的狭い前方の軸方向孔
を有していて、前記両軸方向孔の間に隘路を有し
ており、さらに前記噴射管が、前記隘路内に延び
るか、または該隘路の近くで前方の軸方向孔内に
延びる、内端部が後方の軸方向孔の方向に向い
た、可変の全横断面積を有する傾斜通路を有して
おり、この場合、前記混合物が高い点火性を有す
る濃厚な混合物として大部分、後方の軸方向内で
燃焼して、この場合に後方の軸方向の範囲で周壁
を加熱し、さらに、この後方の軸方向孔から前記
室ケーシングの残りの部分に流入し、この場所で
第２成分の残りの部分と混合して完全に燃焼する
ようにした。

噴射管が後方の軸方向孔を備えた本体と、前方
の軸方向孔を備えた、前記本体内を長手方向に運
動可能な同軸的な噴射ニードルとから成つてい
て、この場合、軸方向での前記噴射ニードルの運
動によつて、傾斜通路の全横断面積が可変である
と有利である。

噴射管における極めてエネルギ富含の燃焼にお
いて、本発明の改良形では、噴射管の外面に冷却
リブを備えることが必要となり得る。これによ
り、外部で噴射管に沿つて流れる第２成分、たと
えばオキシダントへの、より高い熱放出が行なわ
れる。

たとえばラムジエツト駆動機構において与えら
れているような前方の開いている室ケーシングに
おいて、本発明の別の改良形では、噴射管が折り
曲げられたか、またはアーチ状に湾曲させられて
構成されていなければならない。

燃焼装置の特別な構成においては、該燃焼装置
がヘツド部分を備えた円筒状の室ケーシングから
成つており、この場合、前記ヘツド部分が、噴射
管を受容するために中心の孔を有しており、この
孔を取り囲むようにしてノズルが、第２成分のた
めの供給装置として配置されている。

本発明の特別形では、噴射管が触媒材料から成
つているか、または触媒材料を備えている。

図面には、本発明の実施例が部分的な斜視図で
示されている。

第１図は室ケーシングと噴射管とを備えた燃焼
装置を示しており、 第２図は第１図に示した燃焼装置を噴射管なし
で示しており、 第３図は調節不可能な噴射管を示しており、 第４図は調節可能な噴射管を示しており、 第４Ａ図は第４図に示した噴射管を互いに引き
離された状態で示しており、 第４Ｂ図は第４図に示した調節可能な噴射管
を、傾斜通路が開いている状態で示しており、 第４Ｃ図は第４図に示した調節可能な噴射管
を、傾斜通路がほぼ閉鎖されている状態で示して
おり、 第５図は冷却リブを備えた噴射管を示してお
り、 第６図は折り曲げられた噴射管を備えた燃焼室
ケーシングを示している。

第１図には、室ケーシング１と噴射管２とを備
えた燃焼装置の斜視図が示されている。室ケーシ
ング１は、流動性の燃料を流動性のオキシダント
によつて高い燃焼室圧または高い流入速度で燃焼
させるために役立つ。「流動性の物質」とは、全
ての液体、ガスまたは乳濁液、ならびに流動性の
性質を有する液体またはガスと固体粒子との混合
物を意味する。実施例として、第１図および第２
図には板状のヘツド部分１１を備えた円筒状の室
ケーシング１が示されており、この場合、前記ヘ
ツド部分１１は噴射管２を受容するために中心の
孔１２（第２図）を備えており、この孔を取り囲
むようにして複数のノズル１３が、可燃性混合物
の第２成分のための供給手段として配置されてい
る。第２図では、たとえばノズル１３１〜１３６
が見えている。しかしながら、ノズル１３の数ま
たは位置は本発明にとつてあまり重要ではない。
燃焼ガスは流出開口１５を通つて噴流として室ケ
ーシング１から流出する。

第３図に示した噴射管２は可燃性混合物の第１
成分のための供給手段として役立つ。この噴射管
は流出開口１５に向いた後端部に後方の軸方向孔
２１を有していて、流出開口１５とは反対の側の
端部に比較的狭い前方の軸方向孔２２を有してお
り、さらに前記両軸方向孔２１，２２の間に隘路
２３を有している。さらに、複数の傾斜通路２４
１，２４２が半径方向に、噴射軸線ｉに対して斜
めに、角度αの頂点で後方の軸方向孔２１の方向
に向けられて室内室から隘路２３にまで、または
前方の軸方向孔の側で隘路２３のすぐ手前にまで
延びている。これらの傾斜通路２４１，２４２を
通つて、室ケーシング１に流入した第２成分の一
部が隘路２３内に流入するか、または隘路２３の
すぐ手前にまで流入し、この場所で、前方の軸方
向孔２２を通つて流入する第１成分と混合して、
後方の軸方向孔２１内で燃焼する。傾斜通路２４
１，２４２が噴射軸線ｉと鋭角を成すことによ
り、これらの傾斜通路２４１，２４２を通つて隘
路２３に流れる第２成分は前方の軸方向孔２２を
通つて流入する第１成分に対して吸込み作用を発
揮する。傾斜通路２４１，２４２全体の横断面積
と前方の軸方向孔２２の横断面積との合計は隘路
２３の横断面積よりも大きい。したがつて、傾斜
通路２４１，２４２が全体的または部分的に隘路
２３に開口していても、これらの傾斜通路２４
１，２４２全体の横断面積は隘路２３の横断面積
には加算されない。

可燃性混合物の添加は室ケーシング１内で点火
器３によつて行なわれる。このためには、燃焼装
置の点火段階において、可燃性混合物の両成分
が、極めて小さな圧力または極めて小さな流速で
室ケーシング１内に搬送される。点火後に、火炎
は両軸方向孔２１，２２の間に設けられた隘路２
３にまでは戻るが、しかしこの隘路を越えて戻る
ことはない。すなわち、燃焼装置の点火は次のよ
うにして行なわれる。可燃性混合物は燃焼装置の
始動時に隘路２３を介して後方の軸方向孔２１に
導入される。前記可燃性混合物はこの後方の軸方
向孔２１から室ケーシング１に流入する。点火器
３は室ケーシング１に配置されている。この点火
器は始動（周波数50Hz）時に高電圧火花（約
18kV）を発生させる。前記可燃性混合物が点火
器３によつて点火されるやいなや、前述したよう
に火炎は後方の軸方向孔２１を通つて隘路２３に
まで戻る。点火器３が室ケーシング１の壁に取り
付けられていることには、次のような利点があ
る。すなわち、点火器３自体は後方の軸方向孔２
１に対して流体力学的に不都合な影響を与えず、
またそれと同時に、後方の軸方向孔２１内の過度
に高い温度を負荷された室には取り付けられてい
ない。点火器３はあらゆるバーナと同様に、装置
始動時にしか機能しない。約１〜２秒後に燃焼装
置が燃焼した後に、点火器３は装置の標準運転時
では接続されない、つまり作動しない訳である。
可燃性混合物の両成分は隘路２３において初めて
混合する。その理由は、隘路２３の手前に、つま
り前方の軸方向孔２２内に点火性の混合物が存在
しないからである。開放式の燃焼装置において
は、たとえば室ケーシング１内の４バール燃焼圧
で、空気が第２成分として５−６バールでノズル
１３を通つて室ケーシング１に供給され、燃料が
第１成分としてたんに0.6バールの圧力で、噴射
管２に供給される。このような大きな圧力差にお
いても、逆圧または不連続的な燃焼は行なわれな
い。

技術的および経済的な理由から、特に希薄な混
合物を意味する第２成分の過剰、たとえば空気の
過剰における燃焼装置の燃焼特性が重要となる。
この場合、噴射管２の使用により、室ケーシング
１における圧力および流速の変化時に混合物の点
火性に関する燃焼特性の変化が生じるのではな
く、第４Ｂ図および第４Ｃ図に示したような噴射
管調節の変化時にのみ前記燃焼特性の変化が生じ
るようになる。すなわち、傾斜通路２４１，２４
２を大きくするか、または小さくすることによつ
て噴射管２における燃焼に影響を与えることがで
きる。上で述べたように、燃焼装置の燃焼特性と
混合物の希薄性との相互分離は、第１成分がたん
に、室ケーシング１に突入した中空ニードルを通
つて（ノズルの有無にかかわらず）室ケーシング
１に供給される場合には存在しない。この場合に
は、点火できないほど希薄な混合物が生じるおそ
れがある。

後方の軸方向孔は極めて濃厚な混合物を有して
いる。その理由は、比較的大量の第２成分が外部
で噴射管２の傍を流れて、傾斜通路２４１，２４
２を通つて噴射管２に流入する比較的小量の第２
成分だけが噴射管２内の第１成分と反応するから
である。噴射管２の外部を同噴射管に沿つて流れ
る第２成分の量は外被流として作用し、これによ
つて、噴射管２の熱が燃焼系から失なわれること
を阻止する。この外被流は、噴射管２から流出す
る熱い心流から室ケーシング１の外壁への熱伝達
を低減させる。その理由は、外被流と外壁との間
の、はるかに小さな温度差だけ熱損失を決定する
からである。これにより、燃焼ガスにより多くの
エネルギが留まり、かつ燃焼が全体的に、より良
好な効率を有するようになる。噴射管２の後方の
軸方向孔２１における燃焼では、傾斜通路２４
１，２４２；２４３，２４４を通つて噴射管２に
流入した第２成分の部分流が、前方の軸方向孔２
２を通つて流入した第１成分と反応する。しかし
ながら、この燃焼時には、種々の理由から不燃焼
残分が噴射管２から室ケーシング１に流入し得
る。周囲の外被流に対する心流の周縁領域におい
ては、外被流内に存在する第２成分、つまり傾斜
通路２４１〜２４４を通つて噴射管２に流入しな
かつた第２成分と、第１成分の不燃焼残分、つま
り噴射管２を通つて室ケーシング１に流入した第
１成分との間で反応が起こる。第１成分の不燃焼
残分は次のようなケースで生じ得る： 一方または両方の成分が不均一であるケース。
この場合、後方の軸方向孔２１における燃焼は、
一方または両方の成分の組成の変化に応じて変わ
る。燃料が不均一である場合には成分の容量比
は、各成分の最も低いエネルギ含量においても、
確実に点火し易い範囲にある混合物が後方の軸方
向孔２１内で燃焼し得るように調節される。他
面、このことは、第１成分の最も高いエネルギ含
量の場合にこの第１成分が、傾斜通路２４１〜２
４４を通つて噴射管２に流入する第２成分と噴射
管２の後方の軸方向孔２１内で完全には反応し得
ないこと、つまり残分を生じることなく反応し得
ないことを意味する。

第２のケースにおいては、圧力または流速、そ
してその結果として再び圧力が変化し、この場
合、別の結果として第１成分のエネルギ密度が変
化することによつても、第１成分の不燃焼残分が
生じ得る。成分が投入される際の流速もしくは圧
力の変動時には、同様に噴射管２の後方の軸方向
孔２１における反応時に不燃焼残分が生じ得る。

噴射管２の後方の軸方向孔２１における燃焼の
反応速度が極めて低いので、成分が後方の軸方向
孔２１を貫流する時間が完全な反応を得るには不
充分であると、やはり不燃焼残分が生じ得る。こ
のことは、たとえばゆつくりと燃焼する乳濁液に
おいて起こり得る。このようなケースでは、噴射
管２の形状構成、特に後方の軸方向孔２１の長さ
が完全燃焼に対して著しい影響を及ぼす。

噴射管２の後方の軸方向孔２１からの流出時に
第１成分の不燃焼残分は、外被流内の第２成分と
直ちに反応するような高い温度を有している。

１種または２種の燃料成分が極めて不均一であ
ると、噴射管２５内で両成分の混合比を最適に調
節し得るようにすることが必要となる。このため
に、第４図および第４Ａ図に示した噴射管２５は
後方の軸方向孔２１を備えた本体２６と、前方の
軸方向孔２２を備えた、前記本体２６内を長手方
向に摺動可能な同軸的な噴射ニードル２７とから
成つている。本体２６内での噴射ニードル２７の
軸方向摺動により、傾斜通路２４３，２４４の全
横断面積は可変となる。

これにより、後方の軸方向孔２１内での燃焼時
に両成分の混合比を所望に応じて変えることが可
能となる。第４Ａ図には、本体２６と噴射ニード
ル２７とが互いに引き離された図が示されてい
る。本体２６内での噴射ニードル２７の規定の運
動はたとえば本体２６と噴射ニードル２７との間
のねじ山（図示しない）によつて実施することが
できる。

第４Ｂ図および第４Ｃ図には、噴射ニードル２
７の２つの終端位置を有する噴射管２５が示され
ている。第４Ｂ図では、傾斜通路２４３，２４４
は完全に開放されており、第４Ｃ図ではほぼ閉鎖
されている。同一の噴射管２５内で異なる成分を
燃焼させる場合、燃料を別の燃料に交換する際に
噴射ニードル２７をあらかじめ規定されたように
変化させるか、もしくは新たに調節するだけでよ
い。

図面には、各２つの傾斜通路２４１，２４２も
しくは２４３，２４４しか示されていない。しか
しながら、もちろん傾斜通路の数はこの数に制限
されるものではなく、それぞれ第２成分の充分な
量の供給または空間的に均一な分配のために必要
とされる数の傾斜通路が設けられていてよい。

第５図に示した噴射管２は外面に冷却リブ２８
を有している。この冷却リブ２８の数とジオメト
リは場合場合に応じて規定されなければならな
い。

最後に、第６図には前方が開いている室ケーシ
ング１４が示されており、この室ケーシング内に
噴射管２は折り曲げられた付加部２９によつて支
承されている。この付加部２９を通つて、第１成
分も供給される。付加部２９は円弧区分のように
湾曲させられていてもよいので、可変の横断面を
有する傾斜通路２４３，２４４を備えた噴射管２
５が使用可能となる。

燃焼を改善するために、噴射管２は触媒材料か
ら成つているか、または触媒材料を備えていてよ
い。