一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法

1.本发明涉及爆震燃烧和爆震推进等领域，具体为一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法。


背景技术：

2.相比于缓燃燃烧，爆震是一种以较低的熵增来实现快速化学反应的燃烧过程，本质上近似于等容燃烧，故在用于推进系统时将具有更高的热循环效率。此外，在爆震燃烧过程中，爆震波的增压比可达15至55倍，相对于传统的航空航天推进系统，可以省去沉重而复杂的压气机和涡轮泵等增压部件，极大地简化推进系统的结构。基于上述理论优势，爆震燃烧及爆震推进已成为当前空天动力领域的研究热点之一。
3.针对基于爆震燃烧的推进方案，现阶段较为成熟的是脉冲爆震发动机(pulse detonation engine，简称pde)。在pde多循环工作过程中，为保证工作稳定和不发生连续燃烧，需要在一个循环结束后添加n2或h2o等惰性隔离剂，防止高温燃烧产物提前点燃下一循环填充的新鲜混合物。然而喷注的惰性隔离剂并不参与燃烧，而且会带走燃烧体系的一部分热量，造成发动机推进效能降低，制约了pde的实际工程应用。
4.因此，针对上述现有技术的缺陷，设计一种能够实现pde多循环稳定工作且不会降低推进效能的装置及方法显得尤为重要。本发明提出了一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法，可利用双燃料交替喷注，获得多循环爆震波，无需惰性隔离剂，保证pde推进效能不受影响，对促进脉冲爆震发动机的发展和应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.在脉冲爆震发动机多循环运行过程中，由于传统隔离过程的需要，添加惰性隔离剂降低了pde的推进效能，阻碍了pde的工程应用。因此，本发明提出了一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法，使用煤油和液态二甲醚作为双燃料，在一个爆震循环中燃烧结束时向燃烧室头部喷注少量二甲醚，利用二甲醚沸点低的特点，进入燃烧室后瞬间汽化吸热，从而形成低温区将高温燃烧产物与下一循环填充的新鲜混合物隔开，防止发生连续燃烧。而汽化的二甲醚将在下一个爆震循环中发生燃烧，为燃烧体系贡献能量，消除惰性隔离剂给发动机推进效能带来的不利影响。本发明可用于爆震燃烧和爆震推进领域。
7.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法，包括双燃料无隔离脉冲爆震燃烧室本体、爆震管供给及控制系统和控制方法。
9.所述双燃料无隔离脉冲爆震燃烧室本体由燃烧室头部、爆燃向爆震转变(deflagration to detonation transition，简称ddt)段和爆震传播段组成。燃烧室头部轴向包括煤油喷嘴和二甲醚喷嘴，周向设有氧气喷注环缝和火花塞，火花塞用于点火，点火能量小于50mj；ddt段包括shchelkin螺旋，用于增强流动的湍流度，使火焰加速，促进爆燃
向爆震的转变，shchelkin螺旋焊接在燃烧室内壁；爆震传播段包括传感器安装孔和尾喷管，传感器安装孔用于安装压力传感器以判断爆震波形成与否，尾喷管用于提高推力。
10.所述爆震管供给及控制系统由煤油罐、二甲醚罐、氧气瓶、氮气瓶、二甲醚路油泵、煤油路电磁阀、氧气路电磁阀、火花塞和控制器组成。煤油罐和二甲醚罐用来储存液态燃料，采取氮气挤压的方式供给煤油，采用油泵供给二甲醚，氧气瓶用来储存高压的氧化剂，通过改变气瓶供给压力可调节混合当量比；煤油路电磁阀和氧气路电磁阀分别用来控制煤油罐和氧气瓶的开闭；控制器用于统一控制燃料、氧化剂和火花塞点火信号的触发。
11.所述控制方法通过控制器设定煤油、二甲醚和氧气喷注及点火时序，在一个爆震循环结束后，二甲醚和氧气的喷注时序较煤油喷注提前δt秒，在δt秒后，二甲醚路停止供给，氧气持续供应，煤油路电磁阀开启，填充一段时间后关闭煤油和氧气供给，触发点火信号；二甲醚和氧气同时供给时，需要控制氧气流量使喷注的氧气量处于二甲醚可爆极限外，二甲醚进入燃烧室后瞬间汽化吸热，形成一个低温区，关闭二甲醚供给后通入煤油，此时新鲜填充燃料和氧化剂在低温区的作用下与高温已燃产物分开，防止新鲜混合物被高温燃气点燃，随着填充进行，低温区向爆震管出口移动，在移动的过程中氧气与汽化二甲醚充分掺混，当点火信号触发后，爆震波开始发展并引燃氧气与二甲醚混合物，需要控制整个过程中的氧气量恰可将煤油和二甲醚消耗掉，即在一个循环燃烧结束后，燃烧室已无氧气存在，保证在下一个循环中，喷入的二甲醚不会在爆震波起始前发生燃烧。
12.具体包括，双燃料无隔离脉冲爆震燃烧室的一个爆震循环由填充、爆震燃烧和排气组成。燃料填充过程中先通入少量二甲醚，二甲醚进入燃烧室后瞬间汽化吸热，形成一个低温区，停止供给二甲醚，随后通入煤油；氧化剂使用氧气，且在二甲醚和煤油的供给过程中均保持供应；；在多循环爆震燃烧过程中，新鲜填充煤油和氧气混合物在二甲醚喷注后所形成的低温区的作用下与高温燃烧产物隔开，避免发生连续燃烧；煤油和氧气供给到预定填充度后，通过火花塞点火引燃混合物，并通过缓燃向爆震转变(deflagration to detonation transition，简称ddt)的方法形成爆震波；爆震波起始后，引燃下游的二甲醚和氧气混合物；二甲醚既可以将高温燃烧产物和新鲜混合物隔开，促进多循环爆震波形成，又能参与燃烧，为燃烧体系贡献能量，减少惰性隔离气对脉冲爆震发动机推进效能的不利影响。
13.采用煤油和二甲醚双燃料设计，交替喷注，获得多循环爆震波。
14.利用二甲醚进入燃烧室后瞬间汽化吸热形成一个低温区，从而将新鲜填充燃料和氧化剂与高温燃烧产物隔开，起到惰性气体隔离的作用；但与惰性气体不同的是，本方法采用喷注多种燃料，形成多循环爆震，二甲醚可以燃烧为体系贡献能量，消除惰性隔离剂给发动机推进效能带来的不利影响。
15.控制煤油、二甲醚和氧气供给时序，保证二甲醚可以较煤油提前进入燃烧室，二甲醚喷注的量恰可以形成有效的低温区，防止新鲜燃料氧化剂混合物被直接点燃，促进多循环爆震波稳定产生。
16.控制燃料与氧化剂的当量比，使通入的氧气量恰可将煤油和二甲醚燃烧掉，保证一个爆震循环结束后燃烧室内没有残存的氧气，不会提前引燃二甲醚。
17.控制与二甲醚同时通入的氧气量，使其处于二甲醚可爆极限之外，保证二甲醚不会提前燃烧且可以与氧气较好的掺混，确保二甲醚可以在爆震波起始后发生燃烧。
18.有益效果：
19.采用本发明提供的一种双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法，通过煤油和二甲醚双燃料设计的方法，交替喷注，取消使用惰性气体作为隔离剂，利用二甲醚进入燃烧室后瞬间汽化吸热形成一个低温区，从而将新鲜填充燃料和氧化剂与高温燃烧产物隔开，防止新鲜混合物被高温燃气点燃，保证脉冲爆震发动机的正常运行，与此同时，汽化后的二甲醚可以更充分的与氧气掺混，进而在爆震波起始后发生燃烧，为爆震燃烧体系提供贡献能量，保证在实现爆震发动机正常运行的同时不会降低发动机的推进效能，解决了爆震发动机走向工程应用的一个关键问题。本发明可以用于爆震燃烧和爆震推进领域。
附图说明
20.图1为本发明双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法的爆震燃烧系统图；
21.图2为本发明双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法的控制时序(实施例)；其中，1为煤油喷嘴，2为二甲醚喷嘴，3为燃烧室头部，4为ddt段，5为爆震传播段，6为压力传感器，7为控制器，8为火花塞，9为氧气喷注环缝，10-1为电磁阀
①
，10-2为电磁阀
②
，11为氧气瓶，12为氮气瓶，13为二甲醚罐，14为煤油罐，15为油泵，16为氧气供给时序，17为煤油供给时序，18为二甲醚供给时序，19为点火时序。
具体实施方式
22.下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。
23.参见图1，双燃料无隔离脉冲爆震发动机装置及其控制方法包括双燃料无隔离脉冲爆震燃烧室本体、爆震管供给及控制系统和控制方法。
24.双燃料无隔离脉冲爆震燃烧室本体由燃烧室头部3、ddt段4和爆震传播段5组成。燃烧室头部3轴向包括煤油喷嘴2和二甲醚喷嘴1，周向设有氧气喷注环缝9和火花塞8，火花塞8用于点火，点火能量小于50mj；ddt段4包括shchelkin螺旋，用于增强流动的湍流度，使火焰加速，促进爆燃向爆震的转变，shchelkin螺旋焊接在燃烧室内壁；爆震传播段包括传感器安装孔和尾喷管，传感器安装孔用于安装压力传感器6以判断爆震波形成与否，尾喷管用于提高推力。
25.所述爆震管供给及控制系统由煤油罐14、二甲醚罐13、氧气瓶11、氮气瓶12、二甲醚路油泵15、煤油路电磁阀10-2、氧气路电磁阀10-1和控制器7组成。煤油罐14和二甲醚罐13用来储存液态燃料，采取氮气挤压的方式供给煤油，采用油泵供给二甲醚，氧气瓶11用来储存高压的氧化剂，通过改变气瓶供给压力可调节混合当量比；煤油路电磁阀10-2和氧气路电磁阀10-1分别用来控制煤油罐和氧气瓶的开闭；控制器7用于统一控制燃料、氧化剂和火花塞点火信号的触发。
26.所述控制方法通过控制器7设定煤油、二甲醚和氧气喷注及点火时序，调节氮气瓶12压力、油泵和氧气瓶11压力可控制混合物当量比。
27.具体实施方式参见图2，在一个爆震循环结束后，二甲醚供给时序17和氧气供给时序15较煤油供给时序16提前δt秒，在δt秒后，二甲醚路停止供给，氧气持续供应，煤油路电磁阀开启，填充一段时间后关闭煤油和氧气供给，触发点火信号；二甲醚和氧气同时供给
时，控制氧气流量使喷注的氧气量处于二甲醚可爆极限外，二甲醚进入燃烧室后瞬间汽化吸热，形成一个低温区，关闭二甲醚供给后通入煤油，此时新鲜填充燃料和氧化剂在低温区的作用下与高温已燃产物隔开，防止新鲜混合物被高温燃气点燃，随着填充进行，低温区向爆震管出口移动，在移动的过程中氧气与汽化二甲醚充分掺混，当点火信号触发后，爆震波开始发展并成功起爆后，引燃氧气与二甲醚混合物，控制整个过程中的氧气量恰可将煤油和二甲醚消耗掉，即在一个循环燃烧结束后，燃烧室已无氧气存在，保证在下一个循环中，喷入的二甲醚不会在爆震波起始前发生燃烧，至此，一个双燃料无隔离脉冲爆震循环结束，随后重复上述过程即可获得多循环爆震波。
28.以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。