CN115450793B - 一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机，包括：发动机主体和油水混合喷注单元；发动机主体包括：凹腔燃烧室，处于凹腔燃烧室上游的隔离段和喷嘴；油水混合喷注单元包括：供水模块，供油模块和用于油水混合的积液腔；凹腔燃烧室的侧壁中设置有第一冷却通道和第一输送通道，且第一冷却通道和第一输送通道在凹腔燃烧室的侧壁中构成往返流道；积液腔设置在所述凹腔燃烧室的下游端，且分别与第一冷却通道和第一输送通道相连通；喷嘴设置于凹腔燃烧室上游的内侧壁上，且第一输送通道远离积液腔的一端与所述喷嘴相连通的设置；供油模块与所述第一冷却通道相连通；供水模块与所述积液腔相连通。

Description

一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机

技术领域

本发明涉及吸气式冲压发动机领域，尤其涉及一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机。

背景技术

再生冷却技术的原理是通过液态燃料流动吸收热量来降低发动机壁面温度，同时吸热后的燃料在燃烧室内发生剧烈反应，进而重新利用这部分能量做功。煤油具有能量密度高、经济性好等优势，是一种常用的化学燃料。考虑到在大于500℃条件下会发生裂解反应，煤油也可以作为良好的冷却剂。当油温继续升高时特别容易发生结焦积碳，造成管路堵塞甚至烧蚀冷却通道的严重后果。因此，吸气式发动机存在一个全局当量比的下限。基于现有的优化方案，无法从本质上突破这一技术瓶颈。

鉴于以上的技术背景，亟须设计一套可靠的吸气式冲压发动机系统，深入探究油水混合比例、温度等对发动机总体性能的影响。

目前有关于加热煤油燃烧性能的探究，核心思想将传热与燃烧过程解耦以简化试验系统的复杂度。一种方式是运用高功率电热器模拟煤油在冷却通道内的加热过程，并将高焓气相产物直接喷注到发动机燃烧室内，通过调节电加热器的功率能够定量分析不同热流密度下的燃烧特性。另一种方式是借助化学反应炉加热煤油管路，达到裂解温度后喷注燃烧，其优势在于能够达到更高的煤油温度。考虑到油水重整技术主要用于工业制氢或者发电，暂未发现成功应用于冲压发动机的相关报道。

现有技术缺点：

1.电加热系统虽然思路简单，容易精确控制，但是受到设备功率以及热损失的限制，煤油温度难以达到很高，尤其是煤油流量很大的工况；

2.化学反应炉加热可以达到很高的油温，但是通常难以精确控制管路的热流密度，不利于精细化研究；

3.现有试验方案将传热与燃烧过程解耦，忽略了壁面温度对湍流燃烧性能的影响，得出的结论无法直接指导吸气式发动机的设计和优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机，服务于发动机设计过程中所针对的油水混合燃烧试验，为吸气式发动机的优化改进提供数据支持。

为实现上述发明目的，本发明提供一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机，包括：发动机主体和油水混合喷注单元；

所述发动机主体包括：凹腔燃烧室，处于所述凹腔燃烧室上游的隔离段和喷嘴；

所述油水混合喷注单元包括：供水模块，供油模块和用于油水混合的积液腔；

所述凹腔燃烧室的侧壁中设置有第一冷却通道和第一输送通道，且所述第一冷却通道和所述第一输送通道在所述凹腔燃烧室的侧壁中构成往返流道；其中，所述第一冷却通道由所述凹腔燃烧室上游端向下游端的方向延伸设置，所述第一输送通道由所述凹腔燃烧室下游端向上游端的方向延伸设置；

所述积液腔设置在所述凹腔燃烧室的下游端，且分别与所述第一冷却通道和所述第一输送通道相连通；

所述喷嘴设置于所述凹腔燃烧室上游的内侧壁上，且所述第一输送通道远离所述积液腔的一端与所述喷嘴相连通的设置；

所述供油模块与所述第一冷却通道相连通；

所述供水模块与所述积液腔相连通。

根据本发明的一个方面，在所述积液腔中的注水方向和注油方向相垂直的设置。

根据本发明的一个方面，所述供油模块包括：燃料储箱，与所述燃料储箱相连接的燃料泵，以及在所述燃料储箱与所述燃料泵之间设置有第一控制阀；

所述燃料泵与所述第一冷却通道的上游端相连接。

根据本发明的一个方面，所述供水模块包括：水箱，与所述水箱相连接的水泵，在所述水箱和所述水泵之间设置的第二控制阀，第二冷却通道，第二输送通道，在所述第二输送通道上设置的第三控制阀；

所述第二冷却通道一端与所述水泵相连接，另一端与所述第二输送通道相连接；

所述第二输送通道与所述积液腔相连通；

所述第二冷却通道设置在所述隔离段的侧壁中，所述第三控制阀在所述第二输送通道上与所述积液腔相邻的设置。

根据本发明的一个方面，所述燃料泵和所述水泵均为高压恒流泵。

根据本发明的一个方面，还包括：控制单元；

所述控制单元包括：温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和控制器；

所述温度传感器和所述第一压力传感器嵌入在所述第二输送通道内，用于检测所述第二输送通道中水的温度和压力；

所述温度传感器和所述第一压力传感器与所述第三控制阀相邻设置；

所述第二压力传感器嵌入在所述凹腔燃烧室中，用于检测所述凹腔燃烧室中的压力。

根据本发明的一种方案，本发明通过冷却发动机壁面温度以获得高温高压的水和初步裂解态煤油(即燃料)并在积液腔和第二冷却流道中充分掺混，实现了在高温催化条件下水与裂解产生的碳发生置换反应生成氢气和一氧化碳，进而可以有效降低下游冷却通道内的积碳量，并且一定程度上能提高发动机的燃烧效率。

根据本发明的一种方案，通过一个高压恒流泵将水泵入水冷隔离段内，冷却发动机壁面结构的同时将水加热到高温高压状态。在第一冷却流道和第一输送通道的交界位置设计一个积液腔，水沿着与来流燃气流动方向垂直喷注，两者在其中发生快速掺混。充分混合后的油和水在高温催化条件下发生氧化还原反应，最终喷注到发动机燃烧室内参与化学反应。

根据本发明的一种方案，采用的高压恒流泵能够准确控制流量大小，并且不受下游压力震荡的影响。

根据本发明的一种方案，采用独立的阀门、恒流泵、高温阀管路系统提供水油混合燃烧中需要的水宽温度、流量调节范围实验条件。

根据本发明的一种方案，将流动与燃烧过程耦合在一起，充分实现了壁面换热过程对湍流燃烧特性的影响。

根据本发明的一种方案，可通过调节水泵改变水的流量，研究油水混合比例对发动机壁面沿程压力和推力增益的影响。以及，还可通过控制控制第二控制阀和第三控制阀的开度，调节第二输送通道内的水温，研究油水混合温度对发动机性能的影响。此外，控制单元借助压力传感器采集壁面沿程压力随着时间的变化规律，对比不同油水混合比、温度下的燃烧特性，即可为后续基于油水混合燃烧的吸气式冲压发动机的改进获得更为充足的数据支持。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的吸气式冲压发动机的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机，包括：发动机主体1和油水混合喷注单元2。在本实施方式中，发动机主体1呈中空的筒状结构，其包括：凹腔燃烧室11，处于凹腔燃烧室11上游的隔离段12和喷嘴。在本实施方式中，油水混合喷注单元2包括：供水模块21，供油模块22和用于油水混合的积液腔23。在本实施方式中，凹腔燃烧室11的侧壁中设置有第一冷却通道11a和第一输送通道11b，且第一冷却通道11a和第一输送通道11b在凹腔燃烧室11的侧壁中构成往返流道；其中，第一冷却通道11a由凹腔燃烧室11上游端向下游端的方向延伸设置，第一输送通道11b由凹腔燃烧室11下游端向上游端的方向延伸设置；积液腔23在第一冷却通道11a和第一输送通道11b之间设置，且分别与第一冷却通道11a和第一输送通道11b相连通。在本实施方式中，喷嘴设置于凹腔燃烧室11上游的内侧壁上，且第一输送通道11b远离积液腔23的一端与喷嘴相连通的设置。在本实施方式中，供油模块22与第一冷却通道11a相连通；供水模块21与积液腔23相连通。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，在积液腔23中的注水方向和注油方向相垂直的设置。在本实施方式中，积液腔23包括：整体封闭的中空主体，在中空主体上设置的第一接口、第二接口和第三接口。其中第三接口处于中空主体的下部(即靠近中空主体底端的位置)或底端，第一接口处于中空主体的上部(即靠近中空主体顶端的位置)，第二接口则设置在中空主体的顶端。在本实施方式中，第二接口的轴向与第一接口的轴向是相垂直的设置的，进而可以实现水和油的垂直交叉混合，非常有效的保证了油水混合的均匀度，进而更加有利于油液混合物在凹腔燃烧室中的稳定燃烧，极大的提高了本发明的运行稳定性。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，积液腔23在凹腔燃烧室11下游端的端部设置。例如，积液腔23在凹腔燃烧室11下游的端部侧壁上嵌入的设置。在本实施方式中，第一冷却通道11a依据凹腔燃烧室11侧壁的形状相适配的铺设，而且端部延伸至积液腔23后与积液腔23上的第一接口相对接；在本实施方式中，第一输送通道11b依据凹腔燃烧室11侧壁的形状相适配的铺设，其中，第一输送通道11b的一端与积液腔23的第三接口相对接，另一端则超过凹腔燃烧室11的凹腔部分以实现与喷嘴的连接。

通过上述设置，使得积液腔安装在第一冷却通道和第一输送通道的下游端的方式，非常有效的保证了第一冷却通道和第一输送通道在凹腔燃烧室11侧壁中的充分布置。同时在凹腔燃烧室11下游端部设置积液腔23能够更为方便且灵活的实现第一冷却通道和第一输送通道转向连接，更为有效且顺利的实现油液混合的同时，还充分的保证了油液混合物在凹腔燃烧室11中的供应量。

通过上述设置，使得积液腔安装在第一冷却通道和第一输送通道的下游端的方式，实现了积液腔在往返流道交界位置布置的效果，即实现了冷却通道的转向，又可使得燃料(如煤油)先经过一定时间加热会裂解产生少量的碳，并在与水混合后到喷注之前的管路内会发生重整反应生成氢气，有效降低了管路内的积碳量。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，供油模块22包括：燃料储箱221，与燃料储箱221相连接的燃料泵222，以及在燃料储箱221与燃料泵222之间设置有第一控制阀223。在本实施方式中，燃料泵222通过管道与第一冷却通道11a的上游端相连接。在本实施方式中，第一控制阀223可采用手动控制阀；当然也可采用电动控制阀，以用于与控制单元3相连接并实现流量的自动控制。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，供水模块21包括：水箱211，与水箱211相连接的水泵212，在水箱211和水泵212之间设置的第二控制阀213，第二冷却通道214，第二输送通道215，在第二输送通道215上设置的第三控制阀216。在本实施方式中，第二冷却通道214一端与水泵212相连接，另一端与第二输送通道215，第二输送通道215与积液腔23相连接。在本实施方式中，第二冷却通道214的铺设在隔离段12的侧壁中，用于实现对隔离段12的冷却降温。在本实施方式中，第二输送通道215则布置在隔离段12的侧壁外部(即在发动机主体侧壁的外部设置)。在本实施方式中，第三控制阀216设置在第二输送通道215上，且在第二输送通道215上靠近积液腔23设置(即第三控制阀216与积液腔23相邻设置)。在本实施方式中，第二控制阀213可采用手动控制阀；当然也可采用电动控制阀，以用于与控制单元3相连接并实现流量的自动控制。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，燃料泵222和水泵212均为高压恒流泵。采用的高压恒流泵不但可以确保燃料和水流量稳定，同时也可以承受下游冷却通道内的高压；尤其是在供水模块21中，水流经隔离段吸收大量热进而降低壁面温度，同时将水加热到高温高压状态，此时通过采用的高压恒流泵可有效保证水在积液腔内的喷注压力稳定，极大的保证了油水混合的均匀程度。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的吸气式冲压发动机还包括：控制单元3。在本实施方式中，控制单元3包括：温度传感器31、第一压力传感器32、第二压力传感器33和控制器34；其中，温度传感器31和第一压力传感器32嵌入在第二输送通道215内，用于检测第二输送通道215中水的温度和压力；温度传感器31和第一压力传感器32靠近第三控制阀216设置。通过上述设置，可更为准确的检测与第三控制阀216相邻位置的温度和压力，进而可提高控制单元3对第三控制阀216的控制精度。在本实施方式中，温度传感器31采用K型热电偶。在本实施方式中，第二压力传感器33嵌入在凹腔燃烧室11中，用于检测凹腔燃烧室11中的压力。

在本实施方式中，控制单元3与第三控制阀216相连接，用于实现对第三控制阀216的自动控制。

为进一步说明本方案，结合附图对本方案的工作流程做进一步说明。

S1.打开第一控制阀223并启动燃料泵222，燃料储箱221中的燃料(如煤油)经供应管路进入第一冷却通道11a，然后被送至积液腔23后，经过第一输送通道11b喷注进入发动机主体1的凹腔燃烧室11，进而实现启动阶段的点火燃烧；

S2.打开第二控制阀213并启动水泵212，水箱211中的水经供应管路进入第二冷却通道214，当水经过发动机主体1的隔离段12时，吸收热量起到减低避免温度和提高水温的作用。在本实施方式中，初始阶段第二控制阀213的开度较小，当水温达到热平衡后开启第三控制阀216并增大第二控制阀213的开度，将高温水引入到积液腔23中；

S3.在积液腔23中，由于积液腔23的构型包含三个通道，其中，第二输送通道215与积液腔23顶端的第二接口相连接，以实现从上到下的进水，而此时，第一冷却通道11a从积液腔23水平方向的第一接口接入，进而实现了高温水与裂解态煤油在垂直交叉的状态下实现混合，有利于油和水的快速掺混并形成高温的油水混合物；

S4.油水混合物在第一输送通道11b内继续流动，在高温催化的条件下发生如下公式所示的重整反应，生成氢气和一氧化碳，降低了第一输送通道11b内的积碳量。最终将高温高压的裂解产物喷注到发动机内参与化学反应。

在本实施方式中，可通过调节水泵212改变水的流量，研究油水混合比例对发动机壁面沿程压力和推力增益的影响。以及，还可通过控制控制第二控制阀213和第三控制阀216的开度，调节第二输送通道215内的水温，研究油水混合温度对发动机性能的影响。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用油水混合燃烧的吸气式冲压发动机，其特征在于，包括：发动机主体(1)和油水混合喷注单元(2)；

所述发动机主体(1)包括：凹腔燃烧室(11)，处于所述凹腔燃烧室(11)上游的隔离段(12)和喷嘴；

所述油水混合喷注单元(2)包括：供水模块(21)，供油模块(22)和用于油水混合的积液腔(23)；

所述凹腔燃烧室(11)的侧壁中设置有第一冷却通道(11a)和第一输送通道(11b)，且所述第一冷却通道(11a)和所述第一输送通道(11b)在所述凹腔燃烧室(11)的侧壁中构成往返流道；其中，所述第一冷却通道(11a)由所述凹腔燃烧室(11)上游端向下游端的方向延伸设置，所述第一输送通道(11b)由所述凹腔燃烧室(11)下游端向上游端的方向延伸设置；

所述积液腔(23)设置在所述凹腔燃烧室(11)的下游端，且分别与所述第一冷却通道(11a)和所述第一输送通道(11b)相连通；

所述喷嘴设置于所述凹腔燃烧室(11)上游的内侧壁上，且所述第一输送通道(11b)远离所述积液腔(23)的一端与所述喷嘴相连通的设置；

所述供油模块(22)与所述第一冷却通道(11a)相连通；

所述供水模块(21)与所述积液腔(23)相连通。

2.根据权利要求1所述的吸气式冲压发动机，其特征在于，在所述积液腔(23)中的注水方向和注油方向相垂直的设置。

3.根据权利要求2所述的吸气式冲压发动机，其特征在于，所述供油模块(22)包括：燃料储箱(221)，与所述燃料储箱(221)相连接的燃料泵(222)，以及在所述燃料储箱(221)与所述燃料泵(222)之间设置有第一控制阀(223)；

所述燃料泵(222)与所述第一冷却通道(11a)的上游端相连接。

4.根据权利要求3所述的吸气式冲压发动机，其特征在于，所述供水模块(21)包括：水箱(211)，与所述水箱(211)相连接的水泵(212)，在所述水箱(211)和所述水泵(212)之间设置的第二控制阀(213)，第二冷却通道(214)，第二输送通道(215)，在所述第二输送通道(215)上设置的第三控制阀(216)；

所述第二冷却通道(214)一端与所述水泵(212)相连接，另一端与所述第二输送通道(215)相连接；

所述第二输送通道(215)与所述积液腔(23)相连通；

所述第二冷却通道(214)设置在所述隔离段(12)的侧壁中，所述第三控制阀(216)在所述第二输送通道(215)上与所述积液腔(23)相邻的设置。

5.根据权利要求4所述的吸气式冲压发动机，其特征在于，所述燃料泵(222)和所述水泵(212)均为高压恒流泵。

6.根据权利要求5所述的吸气式冲压发动机，其特征在于，还包括：控制单元(3)；

所述控制单元(3)包括：温度传感器(31)、第一压力传感器(32)、第二压力传感器(33)和控制器(34)；

所述温度传感器(31)和所述第一压力传感器(32)嵌入在所述第二输送通道(215)内，用于检测所述第二输送通道(215)中水的温度和压力；

所述温度传感器(31)和所述第一压力传感器(32)与所述第三控制阀(216)相邻设置；

所述第二压力传感器(33)嵌入在所述凹腔燃烧室(11)中，用于检测所述凹腔燃烧室(11)中的压力。