專利名稱：輔助動力裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于室內應用的同時產生熱能和電能的輔助動力裝置，其中該輔助動力裝置包括一個外燃機，特別是一個斯特靈循環(huán)發(fā)動機。
背景技術：
輔助動力裝置(“APU”)由一個發(fā)動機和一個發(fā)電機組成。APU的一個優(yōu)點是其尺寸是便攜式的，從而它可以容易地運送并用在不和本地電力網(wǎng)連接的遙遠的位置，例如建筑工地、發(fā)射塔或信號室。停電時APU還為工商業(yè)和家庭提供緊急備用動力。
使用內燃機的小型便攜APU廣泛使用。例如，350W的APU僅重20磅，而1kW的APU重約70磅。但是，由于內燃機所產生的有毒排放，使用內燃機的APU不能用在封閉的環(huán)境中。即使將廢氣排放到外界空氣，內燃機所產生的噪音也使得用戶難于接收。廢氣的排放由于由廢氣帶走的熱能損失而降低系統(tǒng)總效率約35％。內燃機還由于其高保養(yǎng)費用以及100小時的短運行壽命而具有不足。
在本領域中所知的使用外燃機，例如斯特靈循環(huán)發(fā)動機的裝置是廢熱發(fā)電裝置和熱力泵。然而這些廢熱發(fā)電裝置由于外燃機尺寸的制約通常很大(從而不是便攜的)。另外，廢氣仍然必須排放到外界空氣。如上所述，廢氣的排放由于由廢氣帶走的熱能損失而降低系統(tǒng)總效率并且需要輔助的硬件設施。
可以用于驅動APU的一種類型的外燃機是斯特靈循環(huán)發(fā)動機。斯特靈循環(huán)發(fā)動機既產生機械能也產生熱能。斯特靈循環(huán)發(fā)動機的歷史在Walker的“斯特靈發(fā)動機”，牛津大學出版社(1980)中有詳細說明，該文包含于本文以做參考。斯特靈發(fā)動機的工作原理在本領域廣為人知。
與內燃機相比斯特靈循環(huán)發(fā)動機的一個不足在于斯特靈循環(huán)發(fā)動機對發(fā)動機上的負載的突然變化具有較長的響應時間。斯特靈循環(huán)發(fā)動機的響應時間受到外部燃燒氣體和內部工作流體之間的熱傳遞的限制，并且是30秒。另一方面，內燃機的響應時間非常短，這是因為燃燒氣體就是工作流體，并且可以直接由燃料流速控制。為提高斯特靈循環(huán)發(fā)動機的響應性在先的嘗試如授予Nystrom的美國專利3,940,933和授予Meijer的美國專利4,996,841所述提供了工作流體的不工作區(qū)以及如授予Lamos的美國專利5,755,100所述控制工作流體的壓力。上述參考文件整體包含于本文以做參考。但是，這兩種方法都趨向于增加了發(fā)動機設計的復雜度、尺寸、和重量。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在其一個實施例中，一種用于向房間室內區(qū)域提供輔助電能和熱量的方法包括利用外燃機產生機械能和熱能，外燃機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒，以及利用連接于外燃機的發(fā)電機將外燃機所產生的機械能轉換為電能。外燃機和發(fā)電機放置在室內區(qū)域從而外燃機所產生的熱能加熱外燃機周圍的區(qū)域。外燃機和發(fā)電機可以包含在一個便攜式機箱內。在一個優(yōu)選實施例中，外燃機是斯特靈循環(huán)發(fā)動機。在其他實施例中，外燃機所燃燒的燃料可以是丙烷或天然氣。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，電能可以是直流電或者交流電。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在其一個實施例中，一種用于向房間室內區(qū)域提供電能和熱量的輔助動力系統(tǒng)包括用于產生機械能和熱能的外燃機，外燃機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒，以及一個連接于外燃機的發(fā)電機，發(fā)電機用于將外燃機的機械能轉換為電能。該系統(tǒng)進一步包括一個第一動力輸出器用于提供電能以及一個包含外燃機和發(fā)電機的便攜式機箱。外燃機所產生的熱能加熱便攜式機箱周圍的區(qū)域。在一個優(yōu)選實施例中，外燃機是斯特靈循環(huán)發(fā)動機。機箱可以安裝在窗戶內或者室內區(qū)域的墻壁上。
該輔助動力系統(tǒng)可以進一步包括一個電池，用于向外燃機提供啟動動力以及用于向第一動力輸出器提供動力。一個傳感器連接于電池用于產生輸出信號。電池電荷水平可以部分地根據(jù)傳感器的輸出信號確定。在另一個實施例中，該輔助動力系統(tǒng)進一步包括連接于第一動力輸出器的換流器用于將直流電轉換為交流電，以及一個第二動力輸出器用于提供交流電。在又一個實施例中，該輔助動力系統(tǒng)進一步包括一個空調組件用于冷卻機箱周圍的空氣。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種控制具有加熱器頭的熱力發(fā)動機的動力輸出的系統(tǒng)包括一個用于向發(fā)動機的加熱器頭傳送熱量并且具有廢氣產物的燃燒器，一個燃料供應調整器用于向燃燒器按照特定的燃料發(fā)送速度發(fā)送燃料以及一個用于向燃燒器發(fā)送空氣的鼓風機。在一個實施例中，該系統(tǒng)進一步包括一個輸入端用于接收有關燃燒器的特定操作溫度的信號，一個傳感器用于監(jiān)測燃燒器的廢氣產物中的氧氣濃度，以及一個控制器用于至少根據(jù)有關特定操作溫度的信號和廢氣產物中的氧氣濃度來控制燃料和空氣發(fā)送速度。用于接收信號的輸入端可以包括一個轉換速度限制器。
在另一個實施例中，控制熱力發(fā)動機的動力輸出的系統(tǒng)進一步包括一個端頭溫度傳感器用于測量加熱器頭的溫度，以及一個控制器用于至少根據(jù)加熱器頭的溫度來控制燃料和空氣發(fā)送速度。該系統(tǒng)可以進一步包括一個傳感器用于監(jiān)測廢氣中的氧氣濃度，其中控制器包括一個至少基于加熱器頭的溫度和廢氣產物中的氧氣濃度的控制器。
在又一個實施例中，端頭溫度傳感器設置在加熱器頭的廢氣不流經的外表面區(qū)域內。系統(tǒng)還可以包括一個空氣質量流量傳感器用于測量發(fā)送到燃燒器的空氣質量，其中用于控制燃料和空氣發(fā)送速度的控制器包括一個至少基于加熱器頭的溫度和發(fā)送到燃燒器的空氣質量的控制器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種用于控制具有曲軸的外燃機的動力輸出器的系統(tǒng)，包括用于調整外燃機速度的發(fā)電機，用于從發(fā)電機向動力輸出器傳輸動力并且在發(fā)電機上提供負載的放大器，以及用于存儲動力并向動力輸出器提供動力的電池。外燃機的速度和溫度以保持電池的預期狀態(tài)的方式受控。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種用于操作外燃機的燃燒器的方法包括經由傳遞通道中的恒定橫截面積從徑向向內流動到軸向向下流動向燃燒器發(fā)送空氣，以大于燃料-空氣混合物的火焰速度的速度向燃燒器發(fā)送空氣，以及利用用于徑向向內傳送流動空氣的渦旋式噴嘴穩(wěn)定形成于燃燒器中的火焰。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，一種用于向負載提供電能的輔助動力系統(tǒng)，包括具有一定發(fā)動機溫度并具有以速度為特征的旋轉曲軸的外燃機，用于調整曲軸速度并產生電能的發(fā)電機，用于從發(fā)電機向負載傳送電能的放大器，具有一定電荷狀態(tài)的電池，以及用于部分地根據(jù)電池的電荷狀態(tài)控制發(fā)動機溫度和速度的控制器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種用于向具有一組車輪的個人交通車輛提供動力的系統(tǒng)，其中該組車輪包括連接于該組車輪的至少一個構件和一個車輪馬達，用于當車輪馬達被驅動時引起個人交通車輛的移動，該系統(tǒng)包括用于產生機械能和熱能的外燃機，該外燃機在燃燒器內燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平。該系統(tǒng)進一步包括用于以特定的燃料發(fā)送速度向燃燒器提供燃料的燃料供給源，用于將外燃機所產生的機械能轉換為電能的發(fā)電機，以及具有輸入端和輸出端的電池，電池輸入端連接于發(fā)電機而電池輸出端連接于車輪馬達，電池用于在電池輸入端存儲從發(fā)電機提供的電能，并且用于在電池輸出端向車輪馬達提供動力。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，一種可移動輔助動力系統(tǒng)，包括具有以速度為特征的旋轉曲軸和以端頭溫度為特征的加熱器頭的外燃機，外燃機用于產生機械能和熱能，該外燃機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平。具有輸出端的發(fā)電機連接于外燃機的曲軸并且將外燃機所產生的機械能轉換為電能，電能被提供給發(fā)電機的輸出端。具有電池輸出端的電池連接于發(fā)電機的輸出端。電池的特征在于具有一定電荷狀態(tài)并且向外燃機提供啟動動力以及向電池輸出端提供動力。可移動輔助動力系統(tǒng)進一步包括與外燃機、發(fā)電機和電池信號通信的控制器?？刂破鞲鶕?jù)電池電荷狀態(tài)控制曲軸的速度以及加熱器頭的溫度。車輪馬達連接于電池輸出端并連接于一組車輪，該組車輪包括至少一個構件從而當車輪馬達被驅動時帶動該組車輪導致可移動輔助動力裝置的移動。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，可移動輔助動力裝置可以包括連接于該組車輪的平臺，平臺用于支撐使用者。


通過以下參照附圖的說明將更易于理解本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的輔助動力裝置的示意框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的輔助動力裝置的示意框圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的斯特靈循環(huán)發(fā)動機的橫截面圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖1所示的APU的發(fā)動機的動力控制系統(tǒng)的示意框圖。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖4A所示的動力控制系統(tǒng)的控制方法的示意框圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖6所示的動力控制系統(tǒng)的電路圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖1所示的APU的發(fā)動機的包括燃燒器控制器的動力控制系統(tǒng)的示意框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的圖1所示的APU的發(fā)動機的包括燃燒器控制器的動力控制系統(tǒng)的示意框圖。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃燒器和排放熱量回收組件的側視截面圖。
圖8B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有熱傳遞銷釘陣列的加熱器頭的透視頂視圖。
圖9A是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的斯特靈循環(huán)發(fā)動機的燃料入口歧管一側的橫截面圖。
圖9B是從圖9A的燃料入口歧管的頂部沿剖開線BB的橫截面圖。
圖9C是從圖9A的燃料入口歧管的頂部沿剖開線AA的橫截面圖，示出燃料噴嘴。
圖10是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃燒器和加熱器頭的橫截面圖，示出火焰檢測熱電偶的布置。
圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的燃燒器和加熱器頭的橫截面圖，示出火焰檢測熱電偶的布置。
圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的APU的主視圖，其中為了觀察內部去掉了機箱的前面板。
圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖14的實施例的后視圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的輔助動力裝置和空調系統(tǒng)的示意框圖。
圖15是使用本發(fā)明一個實施例的輔助動力裝置的小型摩托車的示意框圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例所述的輔助動力裝置(“APU”)100的示意框圖。APU100包括一個連接于發(fā)電機102的外燃機101。在一個優(yōu)選實施例中，外燃機101是一個斯特靈循環(huán)發(fā)動機。斯特靈循環(huán)發(fā)動機101運轉時的輸出包括機械能和剩余熱能。燃燒器104內的燃料燃燒所產生的熱量作為斯特靈循環(huán)發(fā)動機101的輸入施加，并且部分被轉換為機械能。未轉換的熱量或熱能占燃燒器104釋放的能量的65到85％。熱量可以以兩種形式向APU周圍的局部環(huán)境供熱一小部分燃燒器104的廢氣以及一大部分從斯特靈發(fā)動機的冷卻器103排出的熱量。廢氣較熱，通常為100到300℃，并且占斯特靈發(fā)動機101所產生的熱能的10到20％。冷卻器以高于環(huán)境溫度10到20℃排出80到90％的熱能。熱量被排到水流中，或者更典型地，通過一個散熱器107排到空氣中。斯特靈循環(huán)發(fā)動機101的大小使得APU100是便攜式的。便攜式APU向室內區(qū)域提供的電能和熱能通常小于5kW。較大的裝置可以排放更多的用于室內區(qū)域的能量。
如圖1所示，斯特靈發(fā)動機101直接由諸如燃燒器104的熱源驅動。燃燒器104燃燒燃料以產生用于驅動斯特靈發(fā)動機101的熱排放氣。燃燒器控制裝置109連接于燃燒器104和燃料罐110。燃燒器控制裝置109從燃料罐110向燃燒器104發(fā)送燃料。燃燒器控制裝置109還向燃燒器104發(fā)送一定量的空氣以便有利地確?；境浞值娜紵Ｈ紵?04所燃燒的燃料優(yōu)選地是燃燒清潔并且市場可得的燃料，例如丙烷。清潔燃料是不含大量主要是硫的污染物的燃料。當污染物含量在一定限度內時，天然氣、乙烷、丙烷、丁烷、乙醇、甲醇以及液化石油氣(“LPG”)都是清潔燃料。市場可得的丙烷燃料的一個例子是HD-5，是一種由汽車工程師協(xié)會確定的工業(yè)標準，并可從Bernzomatic得到。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，并且將在下文詳細說明的，斯特靈發(fā)動機101和燃燒器104提供基本充分的燃燒以便提供高熱效和低排放。高熱效和低排放的特征是室內使用APU100的關鍵。
發(fā)電機102連接于斯特靈發(fā)動機101的一個曲軸(未示出)。本領域技術人員可以理解詞組發(fā)電機包含電機類，例如機械能轉換為電能的發(fā)電機或電能轉換為機械能的馬達。發(fā)電機102優(yōu)選地是一個永磁無電刷的馬達。可充電電池113為APU100提供啟動動力并且為DC動力輸出器112提供直流(“DC”)動力。在另一個實施例中，APU100還有利地為AC動力輸出器114提供交流(“AC”)動力。換流器116連接于電池113以將電池113產生的DC動力轉換為AC動力。在如圖1所示的實施例中，電池113、換流器116和AC動力輸出器114放置在APU機箱120內。在另一個實施例中，如圖2所示，電池113、換流器116和AC動力輸出器114可以獨立于APU機箱120。
在運轉過程中，斯特靈發(fā)動機101還產生熱量117，例如從燃燒器104的排放氣以及從工作流體的熱供給和熱排放。因此，當在室內應用時，斯特靈發(fā)動機101產生的多余熱量可以有利地用于加熱APU100周圍的空氣。這樣，APU100可以為諸如建筑物或居民樓的室內區(qū)域提供電能和熱量。
以下參照圖3詳細說明斯特靈循環(huán)發(fā)動機101的運轉，其中圖3是本發(fā)明的一個實施例所述的斯特靈發(fā)動機的橫截面圖。圖3所示的斯特靈發(fā)動機101的構造稱為阿爾發(fā)(alpha)構造，其特征在于壓縮活塞300和膨脹活塞302在相應的不同的汽缸內進行直線運動壓縮活塞300在壓縮汽缸304內，膨脹活塞302在膨脹汽缸306內。僅以舉例方式來說明阿爾發(fā)構造，并非是對所附權利要求的范圍的限制。
除了壓縮活塞300和膨脹活塞302，斯特靈循環(huán)發(fā)動機101的主要部件還包括燃燒器(未示出)、加熱器熱交換器322、蓄熱器324、以及冷卻器熱交換器328。統(tǒng)稱為活塞的壓縮活塞300和膨脹活塞302被驅動在對應的容積308和310內往復直線運動，其中容積308和310由壓縮汽缸304和膨脹汽缸襯套312側向確定?？拷紵鳠峤粨Q器322和冷卻器熱交換器328的汽缸內容積這里將分別稱為發(fā)動機101的熱區(qū)和冷區(qū)。壓縮活塞300和膨脹活塞302的往復直線運動的相對相位(相位角)通過它們分別連接于容放在曲軸箱316內的驅動機構314而被控制。驅動機構314可以是電機設計領域所知的可以用于活塞相對定時以及直線和旋轉運動互換的各種機構之一。
壓縮活塞300和膨脹活塞302分別通過第一連桿318和第二連桿320連接于驅動機構314。壓縮汽缸容積308通過管子315連接于冷卻器熱交換器328以在壓縮階段冷卻壓縮的工作流體。更特別地，管子315將壓縮容積308連接于包括冷卻器熱交換器328、蓄熱器324、以及加熱器熱交換器322的管狀熱交換器。燃燒器(未示出)燃燒燃料以向斯特靈發(fā)動機的加熱器頭330的加熱器熱交換器322供熱。膨脹汽缸和活塞設置在加熱器頭330內從而膨脹汽缸內的工作流體經加熱器熱交換器322被加熱。
回到圖1，斯特靈循環(huán)發(fā)動機101和發(fā)電機102設置在一個壓力容器118內。壓力容器118包含高壓工作流體，優(yōu)選地是20到30個大氣壓力的氦氣或氮氣。斯特靈發(fā)動機101的膨脹汽缸和活塞(如圖3所示)延伸經過壓力容器118和冷卻環(huán)(或冷卻器)103。膨脹汽缸的端部(包括加熱器頭330)包含在燃燒器104內。冷卻環(huán)103經由冷卻管路106和散熱器107循環(huán)冷卻流體。通過冷卻泵105泵送冷卻流體經過冷卻環(huán)103。風扇108推送空氣經過散熱器107從而加熱空氣并冷卻冷卻流體。加熱的空氣117然后可以被推送經過APU機箱120的開口以加熱諸如建筑物內的房間的周圍區(qū)域。在另一個實施例中，燃燒器104內的燃燒所產生的多余熱量可以直接提供給周圍外界空氣。
壓力容器118有一個通孔用于包含在壓力容器118內的發(fā)電機102和APU控制器111之間的電接線119。APU控制器111通過動力供應線115向冷卻泵105、風扇108、以及燃燒器控制器109提供動力。APU控制器111還通過改變斯特靈發(fā)動機的速度和溫度來控制APU的動力輸出以及電池113的電荷水平。APU控制器111向燃燒器控制器109提供指令信號以便控制斯特靈發(fā)動機101的溫度。APU控制器111還向發(fā)電機102提供指令信號以便控制斯特靈發(fā)動機101的速度。
發(fā)電機102和斯特靈發(fā)動機101的動力輸出利用APU控制器111控制從而保持電池113內的最佳電荷及電壓水平。電負荷將減小電池113的電荷及電壓，導致APU控制器111支配發(fā)動機的另外的動力。圖4A是本發(fā)明一個實施例所述的包含在APU控制器111(如圖1所示)內的APU動力控制系統(tǒng)的示意框圖。動力控制系統(tǒng)控制斯特靈發(fā)動機的速度和溫度以便提供必要的動力以滿足負載在APU上的需求(或負荷)并且保持電池的電荷水平。如圖4A所示的動力控制系統(tǒng)包括一個電機/發(fā)電機402、一個電機放大器405、一個電池413和一個換流器416。
如以上參照圖1所述的那樣，發(fā)電機402連接于斯特靈發(fā)動機的曲軸(未示出)。斯特靈發(fā)動機向發(fā)電機402提供機械動力(Pmech)，發(fā)電機402轉而將機械動力轉換為三相電力。如下文將詳細說明的那樣，發(fā)電機402還用做發(fā)動機上的可調負載以便控制發(fā)動機的速度。發(fā)電機402向電機放大器405傳送三相電力。電機放大器405將電機/發(fā)電機402產生的電力傳送到高壓DC總線(Pamp)。提供給高壓DC總線(Pamp)的動力被傳送給DC到DC轉換器406(Pdcdch)，該DC到DC轉換器406將動力降階為低壓DC總線以向電池413(Pbat)傳送。DC到DC轉換器406也可以用于將動力升階為用于動力控制和AC動力轉換的高壓DC總線。其他的實施例可以忽略DC到DC轉換器而將高壓DC總線直接連接于電池413。電池413用于啟動斯特靈發(fā)動機并且向APU的輔助電路408，例如風扇、泵等提供動力，以及當APU上的負載超過電機/發(fā)電機402所產生的動力時提供輸出動力。如以下進一步所述，電池413在APU運轉時起蓄能器的作用。
當DC總線出現(xiàn)過壓狀態(tài)時可以使用一個緊急分流器407來從高壓DC總線卸除過量動力。在一個實施例中，緊急分流器電阻位于散熱器107(如圖1所示)的水中。以此方式，當使用分流器電阻來卸除過量動力時該分流器電阻產生的過量熱量有利地被用于驅散APU的過量熱量的同一個系統(tǒng)(即散熱器107)吸收。換流器416用于向外部設備或負載410傳送AC動力(Pout)。換流器416從DC總線獲取動力(Pinv)。
電池413的電荷水平反映輸出負載410的變化。為了提供所需要的動力輸出，圖4A的動力控制系統(tǒng)試圖保持電池響應輸出負載410的變化處于其最佳電荷，而不過量充電。最佳電荷不必是全電荷，可以是全電荷的80-100％。最佳電荷是保持電池隨時準備長期的放電和增加電池循環(huán)壽命之間的折衷。將電池充電到接近全電荷的100％增大了電池長期放電的可用性，但是使電池承受壓力，導致較短的電池循環(huán)壽命。將電池充電到低于全電荷減小了施加在電池上的壓力從而延長電池的循環(huán)壽命，但是也降低了針對突發(fā)的負載變化的電池能量可用性。最佳電荷的選擇取決于APU的預期負載變化以及電池容量，并且在動力管理領域的技術人員的范圍內。在一個優(yōu)選實施例中，最佳電荷設定為全電荷的90％。動力控制系統(tǒng)的另一個目標是通過使得燃料輸入到動力輸出的效率最大化而降低發(fā)動機的燃料消耗。圖4A的動力控制系統(tǒng)調整發(fā)動機的溫度和發(fā)動機速度以便產生需要的電池電荷，從而產生需要的動力輸出。
電池413的電荷可以由電池電壓粗略估算。如上所述，負載動力(Pout)和斯特靈發(fā)動機產生的動力(Pmech或Pamp)之間的差值將引起動力流向電池413或者從電池413流出。例如，如果發(fā)動機沒有產生足夠滿足負載410需要的動力，電池413將提供其余的必要動力以供給負載410。如果發(fā)動機產生了多于滿足負載410需要的動力，則多余的動力可以用來使電池413充電。動力控制系統(tǒng)確定是否必要指令發(fā)動機響應負載的變化產生更多或更少的動力。隨后調整發(fā)動機速度和發(fā)動機的溫度以產生需要的動力。當電池413放電時(即，負載410的需求較長時間內大于發(fā)動機產生的動力)，調整發(fā)動機的溫度和速度從而發(fā)動機產生更多的動力。典型地，發(fā)動機的溫度和速度增加以產生更多的動力。優(yōu)選地，當需要更多的動力時，相對于提高發(fā)動機速度，提高發(fā)動機溫度是優(yōu)選的。相反地，當電池413充電較長時間(即，發(fā)動機產生的動力大于負載410的需求)時，發(fā)動機的溫度和速度降低以減小發(fā)動機產生的動力。典型地，調整發(fā)動機的溫度和速度以減小發(fā)動機產生的動力。優(yōu)選地，當需要更少的動力時，相對于降低發(fā)動機溫度，降低發(fā)動機速度是優(yōu)選的。
一旦動力控制系統(tǒng)根據(jù)需要的電池動力確定了所需要的發(fā)動機的溫度和速度，動力控制系統(tǒng)就向燃燒器控制裝置109(如圖1所示)發(fā)送溫度指令指出所需要的發(fā)動機溫度，并且向發(fā)電機402發(fā)送速度指令指出所需要的發(fā)動機速度。如上所述，發(fā)動機速度可以通過利用電機放大器405調整由電機/發(fā)電機402施加于發(fā)動機曲軸上的扭矩來控制。這樣，發(fā)電機402起到發(fā)動機上的可調負載的作用。當發(fā)電機402增大對發(fā)動機的需求時，曲軸上的負載增加從而降低發(fā)動機的速度。電機放大器405調整電機電流以便獲得電機內的必要的扭矩，并且從而獲得必要的發(fā)動機速度。
斯特靈循環(huán)發(fā)動機(或者其他的外燃機)典型地對負載的突然變化具有較長的響應時間(即，在發(fā)動機接收到增加或降低溫度的指令和發(fā)動機達到所需要的溫度之間有一個時滯)。因此，動力控制系統(tǒng)的設計考慮到了斯特靈循環(huán)發(fā)動機的較長的響應時間。對于負載410的突然增加，由發(fā)電機402施加于發(fā)動機曲軸上的扭矩降低，從而允許曲軸加速并臨時保持發(fā)電機402的增大的動力輸出，直到發(fā)送到燃燒器控制裝置109(如圖1所示)的增加溫度的指令開始生效。對于突然的負載降低，由發(fā)電機402施加于發(fā)動機曲軸上的扭矩增加以便使曲軸減速并且減小動力輸出直到發(fā)送到燃燒器控制裝置的降低溫度的指令開始生效。由發(fā)電機402產生的多余電荷或動力可以用于對電池413充電。如上所述，任何其余的過量電能可以導向緊急分流器407。下面參照圖6-11更加詳細地說明利用燃燒器控制裝置109來控制發(fā)動機溫度的過程。
圖4B是用于確定需要的發(fā)動機溫度和速度以便提供保持電池最佳電荷并且滿足應用負載所需要的電能的方法的示意框圖。首先，在方框420，動力控制系統(tǒng)估算電池電荷的狀態(tài)。利用所測量的電池電流(IB)，以及必要時調整電流(Iadj)，來確定電池電荷估算狀態(tài)(Qest)，如以下公式所示Qest(t)＝Qest(t-dt)+IB(t)dt+Iadj(t)dt(公式1)當?shù)谝淮螁影l(fā)動機時，電荷值的初始估算狀態(tài)(Qest)是全電荷的10％。然后利用調整電流來修正電池電流從而Qest達到接近電荷真實狀態(tài)的值。通過選擇啟動時較低的初始Qest值，可以得到較快的修正，因為Qest值允許有較高的充電電流。
調整電流可以根據(jù)電池的已知的V-I特性來選擇。在一個優(yōu)選實施例中，電池是鉛酸電池。具體電池的V-I平面的確定在本領域技術人員的專業(yè)范圍內。電池413(如圖4A所示)的V-I平面可以劃分成操作區(qū)，其中電池的電荷狀態(tài)可知。所測到的電池電壓VB和電池電流IB用于確定V-I平面內電池的當前狀態(tài)。然后比較估算電荷Qest和對應于所測到的電池電壓和電流下降的V-I平面的區(qū)域的確定的電荷狀態(tài)。調整電流Iadj通過一個常數(shù)乘以估算電荷狀態(tài)Qest與利用V-I平面及所測到的電池電壓和電流估算的電荷狀態(tài)之間的差值來估算，其中該常數(shù)是所測到的電池電壓和電流的函數(shù)。
在方框422，通過比較預期的電池動力Pbatdes和實際的電池動力PB確定動力誤差Perr。動力誤差Perr表示是否APU必須產生更多或更少的動力輸出。實際的電池動力PB是流入電池的測量到的電池動力(IBVB)。預期的電池動力可以用兩種方法確定。第一種方法根據(jù)電池的充電電壓Vchg，第二種方法根據(jù)電池的估算電荷狀態(tài)Qest。在以下的論述中，按照第一種方法估算的預期的電池動力稱為Pv，按照第二種方法估算的預期的電池動力稱為PQ。
第一種方法利用電池的充電電壓(Vchg)估算預期的電池動力Pv。在一個優(yōu)選實施例中，利用以下公式估算PvPv＝Vchg*MAX[Imin，IB]-Ioc(公式2)充電電壓Vchg是保持電池充電的最佳電池電壓，并且通常由具體電池的生產廠家規(guī)定。例如，在一個優(yōu)選實施例中，鉛酸電池具有每個電池2.45伏特的充電電壓。Vchg由所測到的電池電流(IB)或預定小電流值(Imin)中的較大者增加。Imin可以根據(jù)電池的已知的V-I特性來選擇。例如，在一個實施例中，當所測到的電池電壓VB小于Vchg時，Imin可以設為一個較高值以便快速增加電池電壓VB達到Vchg。如果VB接近Vchg，Imin可以設為一個較低值，因為不需要很大的額外能量來將電池電壓VB升高到Vchg。然而，如果VB大于Vchg，則要從IB和Imin中的較大者中減去一個過度充電電流Ioc以避免過度充電的情況。
第二種方法根據(jù)電池的估算電荷狀態(tài)(Qest)估算預期的電池動力PQ(如在方框420內確定)。在一個優(yōu)選實施例中，利用以下公式估算PQPQ＝KQ(QG-Qest)-(η IbusVbus-IBVB)(公式3)其中KQ是放大系數(shù)，它既可以在系統(tǒng)設計中設定，也可以根據(jù)實時地設定；QG是預期的電池充電狀態(tài)；Ibus是所測到的離開電機放大器的總線電流；Vbus是所測到的總線電壓；以及η是電機放大器和電池之間的DC/DC轉換器(如圖4A所示)的估算效率系數(shù)。
預期的動力PQ基于預期的電池充電狀態(tài)QG和估算的電池充電狀態(tài)Qest之間的差值。QG是介于0(完全放電)和1(完全充電)之間的預定值，表示控制器試圖保持電池的電荷狀態(tài)。在一個優(yōu)選實施例中，預期的電池電荷狀態(tài)為全電荷的90％。估算的電池電荷Qest離預期的電荷狀態(tài)QG越遠，越需要更多的動力來對電池充電。Qest離QG越近，越需要更少的動力來將電池電壓VB升高到Vchg。
考慮到可能的負載變化，預期的電池動力PQ的估算還要調整。如果APU的負載突然降低，發(fā)動機產生的過量動力必須導向其他地方直到發(fā)動機產生的動力量可以減少(即，系統(tǒng)有時間對負載突然降低作出反應)。如果負載突然撤出系統(tǒng)，則過量動力表示額外的動力流入電池的最糟的情況。因此，需要選擇預期的電池動力，它可以在電池內余留空間以吸收因負載變化而產生的過量動力。過量動力從PQ減去以便在電池內余留額外的空間以吸收過量動力。過量動力可以通過比較發(fā)動機產生的動力和進入電池的動力而確定，并且表示為上述公式3中的ηIbusVbus-IBVB。發(fā)動機產生的動力可以利用在電機放大器處測到的總線電壓Vbus和所測到的離開電機放大器的總線電流Ibus來確定。進入電池的動力是所測到的電池電壓和電流的乘積(IBVB)。
在方框422，所測到的預期電池動力Pv和PQ中的較小值用于確定動力誤差Perr。動力誤差Perr是選定的預期電池動力和測量到的流入電池的動力之間的差值，如下面的公式所示Perr＝MIN[Pv，PQ]-IBVB(公式4)測量到的流入電池的動力PB是所測到的電池電流IB和電壓VB的乘積。如上所述，動力誤差Perr表示了APU是否需要產生更多或更少的動力。也就是說，如果實際電池動力小于預期電池動力，APU需要產生更多的動力(即，增加速度和溫度)。如果實際電池電壓大于預期電池電壓，APU需要產生更少的動力(即，降低速度和溫度)。
響應于動力誤差信號Perr，動力控制系統(tǒng)在方框424產生發(fā)動機溫度指令信號輸出(T)和發(fā)動機速度指令輸出(ω)，它們表示產生預期動力所需要的發(fā)動機溫度和速度。在一個優(yōu)選實施例中，發(fā)動機溫度T和發(fā)動機速度以及Perr的函數(shù)的積分成比例。在該實施例中，T由以下控制規(guī)則控制T＝∫fdt(公式5)其中f＝KitPerr當ωmot＜ωmotidle；f＝KitPerr+Kdrift當Perr≥0且ωmot≥ωmotidle；以及f＝Kdrift當Perr＜0且ωmot＞ωmotidle。
在上述控制規(guī)則中，ωmot是所測到的發(fā)動機速度，ωmotidle是預定的額定發(fā)動機速度，以及Kit是放大系數(shù)。當發(fā)動機速度大于額定電機速度時，加入一個另外的漂移系數(shù)(Kdrift)，它減緩發(fā)動機溫度的增加并且間接地將發(fā)動機速度降低到發(fā)動機的額定速度。發(fā)動機在額定發(fā)動機速度上運行使得發(fā)動機的效率最大。
在一個優(yōu)選實施例中，發(fā)動機速度(ω)和動力誤差Perr以及Perr的積分成比例，并且由以下控制規(guī)則控制ω＝ωmin+KpwPerr+Kiw∫Perrdt(公式6)其中ωmin表示最小的許可發(fā)動機速度；以及Kpw和Kiw是放大系數(shù)。
電機速度ω限定為至少是最小速度ωmin。而且發(fā)動機速度限定在最大速度ωmax之內以便當增大速度時減小發(fā)動機冷卻效應。
圖5示出圖4A的動力控制電路的結構細節(jié)。發(fā)電機502連接于電池513、換流器516、放大器505和緊急分流器507。這些部件的工作情況與參照圖4A和4B所述的部件一樣。
如參照圖4A和4B所述，當動力控制系統(tǒng)確定了保持電池最佳電荷水平所需要的預期發(fā)動機溫度和速度時，一個表示預期發(fā)動機速度的速度指令(ω)發(fā)送到發(fā)電機402(如圖4A所示)并且一個表示預期發(fā)動機溫度的溫度指令(T)發(fā)送到燃燒器控制裝置109(如圖1所示)?；氐綀D1，燃燒器控制裝置109控制燃燒器104以獲得預期的發(fā)動機溫度。燃燒器控制裝置109將從燃料罐110供給的清潔燃料，優(yōu)選地是丙烷，發(fā)送到燃燒器104。燃燒器控制裝置109還向燃燒器104發(fā)送一定量的空氣以便確保燃料基本充分的燃燒。燃燒器控制裝置109設定燃料和空氣的流速以提供所需的發(fā)動機溫度并且減小排放。
為了獲得高熱效和低排放從而APU100可以用在居民樓內以便以有利地提供電能和熱量，斯特靈發(fā)動機101和燃燒器104提供基本充分的燃燒。下面參照圖6-11詳細說明提高斯特靈發(fā)動機101的熱效率和提供斯特靈發(fā)動機101的低排放的優(yōu)選方法。這種熱效率的元素包括有效地向燃燒器104泵送氧化劑(典型地是空氣，并且在這里稱為“空氣”)以提供燃燒，以及回收從斯特靈發(fā)動機的加熱器頭330(如圖3所示)排出的熱廢氣。在許多應用中，空氣(或其他氧化劑)在燃燒前被預加熱到接近加熱器頭330的溫度以便獲得熱效率。在加熱斯特靈發(fā)動機的加熱器頭后，燃燒器中還余留有相當數(shù)量的能量，并且如本領域技術人員所知的那樣，可以使用一個熱交換器將廢氣中的熱量在燃燒氣體進入燃燒器104之前傳送給燃燒氣體。以下將參照圖8詳細說明預加熱部件。
另外，減小一氧化碳(CO)、碳化氫(HC)和氧化氮(NOX)的排放需要低含量燃料-空氣的混合物，這種混合物也可以實現(xiàn)充分燃燒。低含量燃料空氣混合物比化學計量混合物(即，比如每克丙烷含15.67克空氣)含有更多的空氣。隨著更多的空氣加入到燃料中，CO、HC和NOX的排放減少，直到空氣的量多到火焰開始不穩(wěn)定。此時，許多燃料-空氣混合物經過燃燒器而沒有充分燃燒。燃料-空氣混合物的不充分燃燒產生大量的CO和HC。隨著更多的空氣加入到燃料-空氣混合物，CO和HC的排放將不斷增加，直到在吹熄極限(“LBO”)處火焰熄滅。隨著進入空氣(即預加熱的空氣)溫度的增加LBO將增大。從而，在發(fā)動機的升溫階段隨著預加熱的空氣溫度的增加最佳燃料-空氣比例降低。當發(fā)動機升溫完畢時，調整燃料-空氣比例以減小所產生的排放并且保持穩(wěn)定的火焰。本說明書和所附的權利要求書所使用的燃料-空氣比例是指燃料質量和流入燃燒器的燃燒室內的空氣的質量的比例。
因此，燃料-空氣比例首先由燃燒器控制裝置(如圖1所示)控制以提供用于引燃的最佳燃料-空氣比例。當確定產生火焰后，根據(jù)預加熱空氣的溫度和燃料類型控制燃料-空氣比例以減小排放。然后燃燒器控制裝置控制燃料流速以將加熱器頭330的溫度升高到所指令的溫度。調整空氣的流速以便當燃料流速變化以及空氣預加熱溫度變化時保持發(fā)動機的廢氣中的預期氧氣量。
圖6是包含有燃燒器控制裝置609的動力控制系統(tǒng)的示意框圖。如參照圖4A和4B所述的那樣，APU控制器611在方框606計算所需要的發(fā)動機溫度和發(fā)動機速度。當溫度指令607輸入到燃燒器控制裝置609時提供所需要的發(fā)動機溫度(即，加熱器頭的所需要的溫度)。轉換速度限制器601有利地用于限制發(fā)動機溫度的增加從而溫度是逐漸增加的以便減少溫度過量和不足。當從APU控制器611接收到高于最小操作溫度的發(fā)動機溫度的溫度指令607時，燃燒器控制裝置609啟動燃燒器604的點火程序。控制水泵(未示出)和散熱風扇(未示出)以保持冷卻劑的溫度。
給定的燃料將只在有限的燃料-空氣比例范圍內點燃。點燃時，所選定的點燃燃料-空氣比例等于或小于對應于所用燃料的化學計量燃料-空氣比例。在一個優(yōu)選實施例中，其中燃料是丙烷，點燃燃料-空氣比例設定為每克空氣0.1克丙烷。點燃燃料-空氣比例一直保持到火焰穩(wěn)定并且燃燒器604的燃燒室內部溫度增加到加熱溫度。在一個優(yōu)選實施例中，點燃燃料-空氣比例一直保持到加熱器頭330的溫度達到300℃。
當火焰穩(wěn)定后，并且燃燒器的燃燒室溫度達到預期的加熱溫度時，然后根據(jù)空氣預加熱溫度和燃料類型控制燃料-空氣比例。如上所述，燃料-空氣混合物的最佳燃料-空氣比例隨著預加熱空氣溫度的增加而降低。最佳燃料-空氣比例首先從室溫空氣下的“啟動”燃料-空氣比例線性降低到溫度升高的預加熱空氣溫度下的“運行”燃料-空氣比例。當空氣超過其已知的點燃溫度時認為空氣已經完全加熱。例如，丙烷的點燃溫度是490℃。在一個優(yōu)選實施例中，其中燃料是丙烷，“啟動”燃料-空氣比例為每克空氣0.052克丙烷，這導致發(fā)動機廢氣中有大約4％氧氣。在該優(yōu)選實施例中，“運行”燃料-空氣比例為每克空氣0.026克丙烷，這導致發(fā)動機廢氣中有大約13％氧氣。當空氣達到其溫度升高的預加熱溫度時，調整空氣流速以保持溫度升高的預加熱溫度下的最佳燃料-空氣比例。例如可以根據(jù)燃料流速的變化或者空氣預加熱溫度來調整空氣流速。
在圖6的實施例中，燃料-空氣比例可以通過測量空氣和燃料質量流速來確定?？諝饬魉倏梢岳霉娘L機605處的壓力傳感器和文丘里管來測量。燃料流速可以由一套燃料控制閥的上游和下游的壓力來確定。在另一個實施例中，燃料-空氣比例可以基于如圖7所示的APU的廢氣中氧氣的含量的測定值。在發(fā)動機內可以設置一個氧氣傳感器以對廢氣采樣并且測量廢氣中的氧氣百分比。
回到圖6，利用反饋回路測量發(fā)動機溫度(Thead)并將其和預期發(fā)動機溫度607比較。發(fā)動機溫度將不斷增大(通過增大燃料和空氣流速)直到發(fā)動機溫度達到預期發(fā)動機溫度。如上所述，轉換速度限制器601提供了溫度的逐漸增加以便減少溫度過量和不足。當APU控制器611指令低于最小加熱器頭溫度的加熱器頭溫度時，燃燒器控制裝置609關閉燃料和空氣并且控制水泵和散熱風扇以避免冷卻劑沸溢。
除了提供最佳燃料-空氣比例以外，在燃燒器604內燃燒的燃料和空氣必須和足夠量的氧氣很好地混合以便限制一氧化碳(CO)和碳化氫(HC)的排放，并且，此外還必須在足夠低的火焰溫度下燃燒以限制氧化氮(NOX)的形成。如上所述對于獲得高熱效所需要的預加熱空氣的高溫，使得實現(xiàn)低排放目標復雜化，這是由于難于預先混合燃料和空氣以及為了限制火焰溫度需要大量的過量空氣。本文所用的詞組“自燃溫度”定義為燃料在現(xiàn)有的空氣和燃料壓力的條件下不需降溫催化劑即可點燃的溫度。預加熱空氣的典型溫度超過絕大多數(shù)燃料的自燃溫度，可能導致燃料空氣混合物在進入燃燒器的燃燒室之前點燃。解決這個問題的一個辦法是使用沒有預先混合的擴散火焰。但是，由于這種擴散火焰沒有很好地混合，因而產生高于預期CO和NOX排放量的排放。Turns的“燃燒介紹概念和應用”(An Introduction toCombustionConcepts and Applications)，(McGraw-Hill，1996)提供了有關火焰的詳細論述，該文包含于本文以做參考。用于限制火焰溫度所提供增加的空氣流速通常增加了由氣泵和鼓風機所消耗的動力，從而降低了總體發(fā)動機效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可以通過在即使存在空氣加熱到高于燃料的自燃溫度的情況下也產生預混合的火焰，以及另外通過減小空氣入口和火焰區(qū)域之間的壓力下降從而減小鼓風機的動力消耗，來提供低排放和高效率。
詞組“火焰速度”定義為在此速度下火焰鋒將擴散通過特定的燃料-空氣混合物。在說明書和所附權利要求書內，詞組“燃燒軸線”指當流體燃燒時主要的流體流動方向。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，燃燒器和預加熱部件的典型組件將參照圖8a說明。燃燒氣體的目標范圍是1700-2300K，優(yōu)選范圍是1900-1950K。操作溫度由加熱器頭330的強度和燃燒器結構的抗氧化性限制，其中加熱器頭330必須包含具有典型地幾個大氣壓的操作壓力的工作流體。由于金屬的強度和抗氧化性通常在高溫下降低，因此很重要的是將金屬組件隔離于高燃燒溫度。為此目的，燃燒器122由一個陶瓷燃燒室804圍繞，陶瓷燃燒室804本身被包圍在一個燃燒室襯套806內，熱凹陷在加熱器頭330內并且由來自預加熱器通道的進入空氣或者廢氣810冷卻。另外，加熱器頭330通過端頭火焰帽802隔離于火焰的直接加熱。燃燒過程的排出物沿通道808經加熱器頭330通過一個通道，該通道用于有效地向加熱器頭和包含在加熱器頭內的工作氣體傳遞熱量。
熱量發(fā)動機的總效率部分地取決于發(fā)動機的燃燒氣體和工作流體之間的熱傳遞效率。為了提高從由燃燒器122產生的燃燒過程排放物到發(fā)動機加熱器頭330內的工作流體的熱傳遞效率，加熱器頭330的每側都需要具有一個很大的濕潤表面區(qū)域。參照圖3，加熱器頭330基本上為一個圓柱體，具有一個封閉端332(稱之為圓柱頭)和一個開口端334。封閉端332如圖8a所示那樣設置在燃燒器122內。參照圖8b，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，可以使用翅片或銷釘來增大熱流體燃燒物和固態(tài)加熱器頭330之間的界面間面積以向發(fā)動機的工作流體傳遞熱量。加熱器頭330可以有如圖8b所示的設置在外表面上的熱傳遞銷釘152，從而提供從由燃燒器122(如圖8a所示)流出的燃燒氣體經過熱傳遞銷釘?shù)郊訜崞黝^330并因而到工作流體的很大的傳導熱傳遞表面面積。熱傳遞銷釘也可以設置在加熱器頭330的內表面(未示出)上。內襯里的熱傳遞銷釘用于提供從加熱器頭330到工作流體的很大的傳導熱傳遞表面面積。
根據(jù)加熱器頭330的大小，可以需要幾百或幾千個內部熱傳遞銷釘和外部熱傳遞銷釘。根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，各個銷釘陣列150包括圍繞加熱器頭330的周向距離的弧形部分。在圖8b所示的加熱器頭的立體俯視圖中可以看的很清楚。在連續(xù)的熱傳遞銷釘陣列150之間是梯形隔板506，阻隔開以阻斷廢氣沿下游方向經過任何通道而不是熱傳遞銷釘流動。由于廢氣不流經隔板506，因此溫度傳感器，例如熱電偶138有利地設置在隔板506內以便監(jiān)測與溫度傳感器熱接觸的加熱器頭330的溫度。
溫度監(jiān)測裝置138如圖8b所示優(yōu)選地設置在隔板506內。更特別地，溫度傳感器138的溫度監(jiān)測頭139優(yōu)選地位于對應于隔板506的凹槽內盡可能靠近圓柱頭332，其中該區(qū)域是加熱器頭330的最熱部分?？蛇x地，溫度傳感器138可以直接安裝在圓柱頭332，但是如上所述傳感器在凹槽內的布置是優(yōu)選的。發(fā)動機性能，即動力和效率，在可能的最高溫度下最高，但是最大的溫度通常受到冶金屬性的限制。因此，傳感器138應當設置為測量加熱器頭的最熱并且因而是極限部分的溫度。另外，溫度傳感器138應當利用陶瓷絕緣材料(未示出)隔絕于燃燒氣體和隔板506的壁。陶瓷還可以形成與隔板壁的粘接以將溫度傳感器定位。溫度傳感器138的電導線144也應當電絕緣。
回到圖8a，廢氣沿通道808經過加熱器頭330并隨后沿燃燒室襯套806和內部絕緣體812之間的通道810上行，從而吸收來自燃燒室襯套806的額外熱量，這具有防止燃燒室襯套過熱的額外的優(yōu)點。然后廢氣向下返回經過預加熱器814并且沿如箭頭816所示的加熱器頭330的周向排放。預加熱器814允許從廢氣到通常由氣泵或鼓風機從外界環(huán)境抽入的空氣的熱交換。預加熱器814可以用波紋折疊翅片制造，典型地是因科內爾鎳鉻鐵合金(Inconel)，但是，從廢氣到抽入的空氣的任何熱交換方式都在本發(fā)明的范圍內。
現(xiàn)在參照圖9a-9c，示出用于本發(fā)明的一個實施例的斯特靈循環(huán)發(fā)動機或其他燃燒應用中的進氣歧管899。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，燃料和可以加熱到高于燃料自燃溫度的溫度的空氣預先混合，并且在燃料和空氣很好地混合前防止形成火焰。圖9a示出包含進氣歧管899和燃燒室910的裝置的一個優(yōu)選實施例。進氣歧管899有一個具有用于接收空氣900的入口903的軸對稱的導管901?？諝?00被預加熱到某個溫度，典型地是900K，該溫度可以高于燃料的自燃溫度。導管901將相對于燃燒軸線920徑向流入的空氣900傳送到設置在導管901內的渦旋式噴嘴902。
圖9b示出本發(fā)明一個實施例的包含渦旋式噴嘴902的導管901的橫截面圖。在圖9b的實施例中，渦旋式噴嘴902具有多個螺旋形的葉片926，用于徑向導入空氣900并且給空氣施加一個旋轉分量。導管的渦旋式噴嘴部分的直徑從渦旋式噴嘴的入口924到出口922逐漸減小，由渦旋式噴嘴部分導管的長度確定。渦旋式噴嘴葉片926直徑的減小基本上和直徑成反比地增大了空氣900的流速。增加流速從而它超過燃料的火焰速度。在渦旋式噴嘴902的出口922，燃料906，在一個優(yōu)選實施例中燃料是丙烷，注入到向內流動的空氣中。
在一個優(yōu)選實施例中，如圖9c所示，燃料906由燃料噴射器904經過一系列噴嘴928噴射。更特別地，圖9c示出導管901的橫截面圖并且包括燃料噴嘴928。每個噴嘴928位于渦旋式噴嘴葉片926的出口端并且在兩個相鄰的葉片中間。這樣定位噴嘴928是為了增大混合空氣和燃料的效率。噴嘴928同步地相對空氣流900噴射燃料906。由于空氣流比火焰速度快，此時不會形成火焰，即使空氣和燃料混合物的溫度高于燃料的自燃溫度。在一個優(yōu)選實施例中，其中使用丙烷，由加熱器頭330控制的預加熱溫度大約為900K。
再次參照圖9a，現(xiàn)在已經混合好的空氣和燃料，以下稱之為“空氣-燃料混合物”909，通過一個喉管908發(fā)生方向轉換，其中該喉管有一個波紋整流罩930并且連接于導管901的出口907。燃料906通過燃料調整器932供應。喉管908有一個內半徑914和一個外尺寸916?？諝?燃料混合物的轉換是從相對于燃燒軸線920基本橫向并徑向向內的方向到基本平行于燃燒軸線的方向。喉管908的整流罩930的波紋具有鐘罩的形狀從而喉管908的橫截面面積相對于燃燒軸線從喉管的入口911到喉管的出口912保持不變。波紋光滑沒有階梯保持從渦旋式噴嘴的出口到喉管908的出口的流速以避免分流并且導致沿任何表面的再循環(huán)。恒定的橫截面面積允許空氣和燃料連續(xù)混合而不會降低流速并引起壓力下降。光滑并恒定的橫截面形成有效的渦旋式噴嘴，其中渦旋式噴嘴的效率是指沿渦旋式噴嘴的靜態(tài)壓力降轉變?yōu)榛匦鲃討B(tài)壓力的小數(shù)。通過實施本發(fā)明通?？梢詫崿F(xiàn)超過80％的渦旋效率。這樣，燃燒風扇的附加動力消耗可以最小化。
喉管的出口912向外擴張使得空氣-燃料混合物909擴散到燃燒室910內使空氣-燃料混合物909減速從而定位并包含火焰并且導致形成環(huán)形火焰。渦旋式噴嘴902所產生的旋轉動量產生本領域所知的火焰穩(wěn)定環(huán)形旋渦。
為了安全地操作燃燒器，很重要的是能夠感測或檢測火焰的存在。如果火焰熄滅，則要重新點燃火焰或者在幾秒鐘之內切斷向燃燒器的燃料供應。否則，燃燒器和APU會充滿易燃的混合物，如果引燃則會產生火災或爆炸。本領域使用了各種火焰?zhèn)鞲衅?，例如熱電偶、火焰整流器、紅外線(“IR”)和紫外線(“UV”)檢測器。
在一個優(yōu)選實施例中，其中燃料是丙烷，預加熱的空氣和丙烷燃料的混合物的高溫阻礙了各種標準火焰檢測裝置的使用。標準的單熱電偶火焰?zhèn)鞲衅鞑荒芫_地檢測火焰，這是因為著火溫度隨著預加熱的空氣的溫度變化。另外，對于絕大多數(shù)熱電偶火焰?zhèn)鞲衅鱽碚f預加熱的空氣的溫度一般都大于著火溫度。IR傳感器也不能區(qū)分開燃燒器的燃燒室的陶瓷內部和火焰。IR和UV傳感器還具有另外的困難，因為它們相比于燃燒器尺寸較大，并且需要通向燃燒室的光學通道。在一個優(yōu)選實施例的不充分燃燒的條件下，火焰整流器不能可靠地檢測著火和熄火事件。
圖10和11示出本發(fā)明實施例的在燃燒器的燃燒室內可靠地檢測火焰的方法。在圖10中，火焰檢測器熱電偶1002安裝在斯特靈加熱器頭1008內，從頂部延伸足夠遠以測量燃燒氣體的溫度。火焰檢測器熱電偶1002必須安裝在某個使得它不會超過其操作溫度的位置。如果火焰熱電偶溫度顯著大于所測到的加熱器頭平均溫度則認為存在火焰。加熱器頭平均溫度利用頭部熱電偶1004測量。存在火焰時，火焰熱電偶將變的比用于測量加熱器頭溫度的傳感器熱很多。火焰熄滅時，火焰熱電偶溫度將快速接近加熱器頭溫度。在一個優(yōu)選實施例中，火焰熱電偶在加熱器頭上延伸2毫米并且如果火焰檢測器熱電偶1002和頭部熱電偶1004之間的溫度差值是100℃則證明存在火焰。
在如圖11所示的另一個實施例中，火焰熱電偶1104安裝在斯特靈燃燒器中，如圖11所示那樣，延伸經過燃燒室襯套1108到燃燒室1106的邊部。火焰熱電偶1104不能延伸過遠以免超過它的操作溫度。如果火焰熱電偶溫度顯著大于所測到的加熱器頭溫度則認為存在火焰。加熱器頭溫度利用如圖10所示的頭部熱電偶1004測量。在一個優(yōu)選實施例中，火焰熱電偶延伸到燃燒室的邊部并且如果火焰熱電偶1104和頭部熱電偶1004之間的溫度差值是100℃則證明存在火焰。
在如圖11所示的又一個實施例中，火焰熱電偶1104的溫度和所測到的渦旋式噴嘴溫度進行比較。如果火焰熱電偶溫度顯著大于所測到的渦旋式噴嘴溫度則認為存在火焰。渦旋式噴嘴溫度利用渦旋式噴嘴熱電偶1102測量。在一個優(yōu)選實施例中，火焰熱電偶延伸到燃燒室的邊部并且如果火焰熱電偶1104和渦旋式噴嘴熱電偶1102之間的溫度差值是100℃則證明存在火焰。
在再一個實施例中，火焰熱電偶如圖10和11所示既可以安裝在加熱器頭內也可以安裝在燃燒室內。通過監(jiān)測火焰熱電偶溫度的時間變化率(dT/dt)來檢測火焰的轉換。點燃火焰將產生火焰熱電偶溫度的正變化率。熄滅火焰或者存在熄火狀態(tài)將產生火焰熱電偶溫度的負變化率。在點燃過程中，認為沒有點著火焰，直到火焰熱電偶溫度的變化率超過預定的以℃/sec為單位的一個閾值。其后，認為已經點著火焰，直到火焰熱電偶溫度的變化率下降到低于以-℃/sec為單位的一個閾值。在一個優(yōu)選實施例中，著火閾值溫度比率是3℃/sec而熄火閾值溫度比率是-2℃/sec。
圖12示出APU的主視圖，其中為了觀察內部去掉了機箱1200。斯特靈發(fā)動機(未示出)和發(fā)電機(未示出)封閉在壓力容器1201內。為了便于搬運手柄1202連接于機箱。如以上參照圖1所述，APU有利地具有便于攜帶的大小。在另一個實施例中，APU可以放置在窗戶內或者安裝在樓房的房間墻壁上。燃料罐固定器1203連接于機箱1200并且固定燃料罐。燃料罐安裝在機箱1200外面以便于更換。壓力容器1201經由防震架連接于機箱1200以減小震動和噪音。圖13示出如圖12所示的實施例的后視圖，以及鼓風機1300、動力控制電路1301和燃燒器控制電路1302的位置。
在另一個實施例中，如圖14所示，APU可以設置為安裝在窗戶中以提供動力和空氣調節(jié)。在較冷的月份中，APU將室內空氣經由位于實線位置的通風口1413抽出，經過發(fā)動機散熱器1403并且通過蒸發(fā)器輻射機1406向房間返回加熱的空氣，這樣，向房間1411提供強迫通風加熱以及電能。所提供的熱量通過通風口1412改變返回到房間的加熱空氣相對于排放到室外的量來控制。在適度溫暖的月份，APU經過發(fā)動機散熱器1403將室內空氣抽出并且通過通風口1412將全部空氣排放到室外，這樣，通過形成新鮮空氣的微風使房間涼爽。在最熱的月份，斯特靈發(fā)動機/發(fā)電機1402的機械能的一部分用于驅動空調1405，空調通過將室內空氣經由位于虛線位置的通風口1413抽出并且利用風扇1407經過蒸發(fā)器熱交換機1406來使室內空氣冷卻。通風口1413繞銷釘1414旋轉以在如圖14的實線和虛線所示的兩個位置之間移動。發(fā)動機散熱器風扇1404從前述方向反轉到經由通風口1412抽入外部空氣，經過發(fā)動機散熱器1403并且通過垂片通風口1415將空氣排放到室外。空調1405通過冷凝器輻射機1416抽入另外的空氣并且將其排放回室外。在空氣調節(jié)模式下，用戶獲得較少的電能。
正如制冷領域的技術人員所知的那樣，空調可以是三種實施例之一。在一個優(yōu)選實施例中，使用一個易于獲得的具有適于室內冷卻器的尺寸的蒸汽壓縮裝置。在另一個實施例中，使用氨氣/水冷卻器，它消耗較少的電能從而為用戶提供更多的電能用于照明等。在另一個實施例中，可以使用雙工斯特靈發(fā)動機，它具有另外一套活塞向經由蒸發(fā)器輻射機1406泵送的流體提供冷卻。雙工斯特靈發(fā)動機將向冷凝器輻射機1416排放熱量。
圖15示出使用如上所述的本發(fā)明一個實施例的APU的個人交通車輛。通過將APU包含在如圖15所示的電動小型摩托車可以為個人交通提供APU的緊湊尺寸和電力輸出?？傮w以1500表示的APU/小型摩托車具有一個覆蓋APU部件和車輪馬達(未示出)的機蓋1501。斯特靈發(fā)動機1505安裝在小型摩托車上并且連接于燃料供給源1506和散熱器1508。斯特靈發(fā)動機的電力輸出存儲在電池組1507內。插座1509可選地連接于電池組1507以當小型摩托車不用于交通運輸時提供電力。電池組1507連接于小型摩托車車輪馬達以當小型摩托車用于交通運輸時驅動馬達。
本發(fā)明所描述的實施例僅意在示例，對于本領域技術人員而言各種變形和修改都將是顯而易見的。所有這些變形和修改都將涵蓋在如所附權利要求書所確定的本發(fā)明的范圍之內。
權利要求
1.一種用于向室內區(qū)域提供電能和熱量的輔助動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個用于產生機械能和熱能的外燃機，外燃機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平；一個連接于外燃機的發(fā)電機，發(fā)電機用于將外燃機的機械能轉換為電能；一個用于提供電能的第一動力輸出器；以及一個包含外燃機和發(fā)電機的機箱，從而外燃機、發(fā)電機和機箱組合是便攜式的；其特征在于，外燃機所產生的熱能加熱機箱周圍的區(qū)域；并且，該系統(tǒng)進一步包括一個連接于發(fā)電機和第一動力輸出器的電池，用于向外燃機提供啟動動力以及用于向第一動力輸出器提供動力；以及一個傳感器，連接于電池并且產生輸出信號，其中電池電荷水平部分地根據(jù)傳感器的輸出信號確定。
2.如權利要求1所述的輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，輸出信號是表示電池電壓和電流的信號。
3.一種用于向室內區(qū)域提供電能和熱量的輔助動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個具有曲軸和燃燒室的斯特靈循環(huán)發(fā)動機，該斯特靈循環(huán)發(fā)動機用于產生機械能和熱能，斯特靈循環(huán)發(fā)動機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而斯特靈循環(huán)發(fā)動機的廢氣排放低于預定的排放水平；一個用于提供電能的第一動力輸出器；一個連接于斯特靈循環(huán)發(fā)動機的曲軸和第一動力輸出器的發(fā)電機，發(fā)電機用于將斯特靈循環(huán)發(fā)動機的機械能轉換為電能；一個連接于發(fā)電機的電池，用于向斯特靈循環(huán)發(fā)動機提供啟動動力以及用于向第一動力輸出器提供動力；以及一個包含斯特靈循環(huán)發(fā)動機、發(fā)電機和電池的機箱，從而斯特靈循環(huán)發(fā)動機、發(fā)電機、電池和機箱組合是便攜式的。
4.如權利要求3所述的輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，機箱可以安裝在窗戶內，該系統(tǒng)進一步包括一個連接于斯特靈循環(huán)發(fā)動機的空調組件用于冷卻機箱周圍的空氣。
5.如權利要求3所述的輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，燃料是丙烷。
6.如權利要求3所述的輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，電能是直流電。
7.如權利要求3所述的輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，機箱可以安裝在窗戶內或者樓房的房間內的墻壁上。
8.一種用于控制具有加熱器頭的熱力發(fā)動機的動力輸出的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a.一個用于向發(fā)動機的加熱器頭傳送熱量的燃燒器，燃燒器具有廢氣產物；b.一個燃料供應調整器，用于向燃燒器按照特定的燃料發(fā)送速度發(fā)送燃料；c.一個鼓風機，用于向燃燒器發(fā)送空氣；d.一個端頭溫度傳感器，用于測量加熱器頭的溫度；以及e.一個控制器，用于至少根據(jù)加熱器頭的溫度來控制燃料和空氣發(fā)送速度。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，進一步包括一個傳感器，用于監(jiān)測燃燒器的廢氣產物中的氧氣濃度，其特征在于，用于控制燃料和空氣發(fā)送速度的控制器包括一個至少基于加熱器頭的溫度和廢氣產物中的氧氣濃度的控制器。
10.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，加熱器頭包括一個廢氣不流經的外表面區(qū)域。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，端頭溫度傳感器設置在加熱器頭的廢氣不流經的外表面區(qū)域內。
12.如權利要求8所述的系統(tǒng)，進一步包括一個空氣質量流量傳感器，用于測量發(fā)送到燃燒器的空氣質量，其特征在于，用于控制燃料和空氣發(fā)送速度的控制器包括一個至少基于加熱器頭的溫度和發(fā)送到燃燒器的空氣質量的控制器。
13.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，燃燒器以燃燒軸線為特征，進一步包括一個關于燃燒軸線軸對稱的渦旋式噴嘴，用于徑向向內傳送流動空氣。
14.一種用于向負載提供電能的輔助動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)一個具有以速度為特征的旋轉曲軸的外燃機，發(fā)動機以一定發(fā)動機溫度為特征；(b)一個連接于旋轉曲軸的發(fā)電機，發(fā)電機調整曲軸速度并產生電能；(c)一個連接于發(fā)電機的放大器，放大器從發(fā)電機向負載傳送電能；(d)一個以一定電荷狀態(tài)為特征的電池，電池連接于放大器，電池能夠存儲來自放大器的電能，并且能夠向負載傳輸電能；以及(e)一個與發(fā)動機、放大器、以及電池信號通信的控制器，控制器部分地根據(jù)電池的電荷狀態(tài)控制發(fā)動機溫度和速度。
15.一種用于向具有一組車輪的個人交通車輛提供動力的系統(tǒng)，其中該組車輪包括連接于該組車輪的至少一個構件和一個車輪馬達，用于當被驅動時引起個人交通車輛的移動，該系統(tǒng)包括一個用于產生機械能和熱能的外燃機，該外燃機在燃燒器內燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平；一個連接于外燃機的燃燒器的燃料供給源，用于以特定的燃料發(fā)送速度向燃燒器提供燃料；一個連接于外燃機的發(fā)電機，用于將外燃機所產生的機械能轉換為電能；以及一個具有輸入端和輸出端的電池，電池輸入端連接于發(fā)電機而電池輸出端連接于車輪馬達，電池用于在電池輸入端存儲從發(fā)電機提供的電能，并且用于在電池輸出端向車輪馬達提供動力。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，外燃機是斯特靈循環(huán)發(fā)動機。
17.如權利要求15所述的系統(tǒng)，進一步包括一個熱學上連接于外燃機的散熱器，該散熱器包含有用于吸收過量熱量的流體。
18.一種可移動輔助動力系統(tǒng)，包括一個具有以速度為特征的曲軸和以端頭溫度為特征的加熱器頭的外燃機，外燃機用于產生機械能和熱能，該外燃機燃燒燃料并且具有基本充分的燃燒從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平；一個具有輸出端的發(fā)電機，該發(fā)電機連接于外燃機的曲軸并且用于將外燃機所產生的機械能轉換為電能，電能被提供給發(fā)電機的輸出端；一個具有電池輸出端并連接于發(fā)電機的輸出端的電池，電池以一定電荷狀態(tài)為特征并且向外燃機提供啟動動力以及向電池輸出端提供動力；一個與外燃機、發(fā)電機和電池信號通信的控制器，控制器至少根據(jù)電池電荷狀態(tài)控制曲軸的速度以及加熱器頭的溫度；以及一個連接于電池輸出端并連接于一組車輪的車輪馬達，包括至少一個構件從而當車輪馬達被驅動時帶動該組車輪導致可移動輔助動力裝置的移動。
19.如權利要求18所述的可移動輔助動力系統(tǒng)，進一步包括連接于該組車輪的平臺，平臺用于支撐使用者。
20.如權利要求18所述的可移動輔助動力系統(tǒng)，其特征在于，外燃機是斯特靈循環(huán)發(fā)動機。
全文摘要
一種用于向室內區(qū)域提供輔助電能和熱量的輔助動力系統(tǒng)(100)，包括一個外燃機(101)，例如斯特靈循環(huán)發(fā)動機(101)，用于產生機械能和熱能。外燃機基本充分地燃燒燃料從而外燃機的廢氣排放低于預定的排放水平。一個發(fā)電機(102)連接于外燃機(101)并且將外燃機(101)產生的機械能轉換為電能。使用一個第一動力輸出器來提供發(fā)電機(102)所產生的電能。外燃機(101)和發(fā)電機放置在一個機箱內從而外燃機(101)、發(fā)電機(102)和機箱組合是便攜式的。外燃機(101)所產生的熱能可以用于加熱機箱周圍的區(qū)域。
文檔編號B60K6/46GK1952375SQ200610143279
公開日2007年4月25日 申請日期2001年3月1日 優(yōu)先權日2000年3月2日
發(fā)明者迪安·L·卡門, 克里斯托弗·C·朗根費爾德, 邁克爾·諾里斯, 賈森·邁克爾·薩克斯 申請人:新動力概念有限公司