CN1416505A - 辅助动力装置 - Google Patents

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迈克尔·诺里斯
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    • Y10S903/00—Hybrid electric vehicles, HEVS
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    • Y10S903/903—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors having energy storing means, e.g. battery, capacitor
    • Y10S903/904—Component specially adapted for hev
    • Y10S903/905—Combustion engine

Abstract

一种用于向室内区域提供辅助电能和热量的辅助动力系统(100)，包括一个外燃机(101)，例如斯特灵循环发动机(101)，用于产生机械能和热能。外燃机基本充分地燃烧燃料从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平。一个发电机(102)连接于外燃机(101)并且将外燃机(101)产生的机械能转换为电能。使用一个第一动力输出器来提供发电机(102)所产生的电能。外燃机(101)和发电机放置在一个机箱内从而外燃机(101)、发电机(102)和机箱组合是便携式的。外燃机(101)所产生的热能可以用于加热机箱周围的区域。

Description

辅助动力装置
技术领域
本发明涉及用于室内应用的同时产生热能和电能的辅助动力装置，其中该辅助动力装置包括一个外燃机，特别是一个斯特灵循环发动机。
背景技术
辅助动力装置(“APU”)由一个发动机和一个发电机组成。APU的一个优点是其尺寸是便携式的，从而它可以容易地运送并用在不和本地电力网连接的遥远的位置，例如建筑工地、发射塔或信号室。停电时APU还为工商业和家庭提供紧急备用动力。
使用内燃机的小型便携APU广泛使用。例如，350W的APU仅重20磅，而1kW的APU重约70磅。但是，由于内燃机所产生的有毒排放，使用内燃机的APU不能用在封闭的环境中。即使将废气排放到外界空气，内燃机所产生的噪音也使得用户难于接收。废气的排放由于由废气带走的热能损失而降低系统总效率约35％。内燃机还由于其高保养费用以及100小时的短运行寿命而具有不足。
在本领域中所知的使用外燃机，例如斯特灵循环发动机的装置是废热发电装置和热力泵。然而这些废热发电装置由于外燃机尺寸的制约通常很大(从而不是便携的)。另外，废气仍然必须排放到外界空气。如上所述，废气的排放由于由废气带走的热能损失而降低系统总效率并且需要辅助的硬件设施。
可以用于驱动APU的一种类型的外燃机是斯特灵循环发动机。斯特灵循环发动机既产生机械能也产生热能。斯特灵循环发动机的历史在Walker的“斯特灵发动机”，牛津大学出版社(1980)中有详细说明，该文包含于本文以做参考。斯特灵发动机的工作原理在本领域广为人知。
与内燃机相比斯特灵循环发动机的一个不足在于斯特灵循环发动机对发动机上的负载的突然变化具有较长的响应时间。斯特灵循环发动机的响应时间受到外部燃烧气体和内部工作流体之间的热传递的限制，并且是30秒。另一方面，内燃机的响应时间非常短，这是因为燃烧气体就是工作流体，并且可以直接由燃料流速控制。为提高斯特灵循环发动机的响应性在先的尝试如授予Nystrom的美国专利3,940,933和授予Meijer的美国专利4,996,841所述提供了工作流体的不工作区以及如授予Lamos的美国专利5,755,100所述控制工作流体的压力。上述参考文件整体包含于本文以做参考。但是，这两种方法都趋向于增加了发动机设计的复杂度、尺寸、和重量。
发明内容
根据本发明的一个方面，在其一个实施例中，一种用于向房间室内区域提供辅助电能和热量的方法包括利用外燃机产生机械能和热能，外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧，以及利用连接于外燃机的发电机将外燃机所产生的机械能转换为电能。外燃机和发电机放置在室内区域从而外燃机所产生的热能加热外燃机周围的区域。外燃机和发电机可以包含在一个便携式机箱内。在一个优选实施例中，外燃机是斯特灵循环发动机。在其他实施例中，外燃机所燃烧的燃料可以是丙烷或天然气。根据本发明的另一个实施例，电能可以是直流电或者交流电。
根据本发明的另一个方面，在其一个实施例中，一种用于向房间室内区域提供电能和热量的辅助动力系统包括用于产生机械能和热能的外燃机，外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧，以及一个连接于外燃机的发电机，发电机用于将外燃机的机械能转换为电能。该系统进一步包括一个第一动力输出器用于提供电能以及一个包含外燃机和发电机的便携式机箱。外燃机所产生的热能加热便携式机箱周围的区域。在一个优选实施例中，外燃机是斯特灵循环发动机。机箱可以安装在窗户内或者室内区域的墙壁上。
该辅助动力系统可以进一步包括一个电池，用于向外燃机提供启动动力以及用于向第一动力输出器提供动力。一个传感器连接于电池用于产生输出信号。电池电荷水平可以部分地根据传感器的输出信号确定。在另一个实施例中，该辅助动力系统进一步包括连接于第一动力输出器的换流器用于将直流电转换为交流电，以及一个第二动力输出器用于提供交流电。在又一个实施例中，该辅助动力系统进一步包括一个空调组件用于冷却机箱周围的空气。
根据本发明的又一个方面，一种控制具有加热器头的热力发动机的动力输出的系统包括一个用于向发动机的加热器头传送热量并且具有废气产物的燃烧器，一个燃料供应调整器用于向燃烧器按照特定的燃料发送速度发送燃料以及一个用于向燃烧器发送空气的鼓风机。在一个实施例中，该系统进一步包括一个输入端用于接收有关燃烧器的特定操作温度的信号，一个传感器用于监测燃烧器的废气产物中的氧气浓度，以及一个控制器用于至少根据有关特定操作温度的信号和废气产物中的氧气浓度来控制燃料和空气发送速度。用于接收信号的输入端可以包括一个转换速度限制器。
在另一个实施例中，控制热力发动机的动力输出的系统进一步包括一个端头温度传感器用于测量加热器头的温度，以及一个控制器用于至少根据加热器头的温度来控制燃料和空气发送速度。该系统可以进一步包括一个传感器用于监测废气中的氧气浓度，其中控制器包括一个至少基于加热器头的温度和废气产物中的氧气浓度的控制器。
在又一个实施例中，端头温度传感器设置在加热器头的废气不流经的外表面区域内。系统还可以包括一个空气质量流量传感器用于测量发送到燃烧器的空气质量，其中用于控制燃料和空气发送速度的控制器包括一个至少基于加热器头的温度和发送到燃烧器的空气质量的控制器。
根据本发明的另一个实施例，一种用于控制具有曲轴的外燃机的动力输出器的系统，包括用于调整外燃机速度的发电机，用于从发电机向动力输出器传输动力并且在发电机上提供负载的放大器，以及用于存储动力并向动力输出器提供动力的电池。外燃机的速度和温度以保持电池的预期状态的方式受控。
根据本发明的又一个方面，一种用于操作外燃机的燃烧器的方法包括经由传递通道中的恒定横截面积从径向向内流动到轴向向下流动向燃烧器发送空气，以大于燃料-空气混合物的火焰速度的速度向燃烧器发送空气，以及利用用于径向向内传送流动空气的涡旋式喷嘴稳定形成于燃烧器中的火焰。
根据本发明的再一个方面，一种用于向负载提供电能的辅助动力系统，包括具有一定发动机温度并具有以速度为特征的旋转曲轴的外燃机，用于调整曲轴速度并产生电能的发电机，用于从发电机向负载传送电能的放大器，具有一定电荷状态的电池，以及用于部分地根据电池的电荷状态控制发动机温度和速度的控制器。
根据本发明的另一个实施例，一种用于向具有一组车轮的个人交通车辆提供动力的系统，其中该组车轮包括连接于该组车轮的至少一个构件和一个车轮马达，用于当车轮马达被驱动时引起个人交通车辆的移动，该系统包括用于产生机械能和热能的外燃机，该外燃机在燃烧器内燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平。该系统进一步包括用于以特定的燃料发送速度向燃烧器提供燃料的燃料供给源，用于将外燃机所产生的机械能转换为电能的发电机，以及具有输入端和输出端的电池，电池输入端连接于发电机而电池输出端连接于车轮马达，电池用于在电池输入端存储从发电机提供的电能，并且用于在电池输出端向车轮马达提供动力。
根据本发明的又一个实施例，一种可移动辅助动力系统，包括具有以速度为特征的旋转曲轴和以端头温度为特征的加热器头的外燃机，外燃机用于产生机械能和热能，该外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平。具有输出端的发电机连接于外燃机的曲轴并且将外燃机所产生的机械能转换为电能，电能被提供给发电机的输出端。具有电池输出端的电池连接于发电机的输出端。电池的特征在于具有一定电荷状态并且向外燃机提供启动动力以及向电池输出端提供动力。可移动辅助动力系统进一步包括与外燃机、发电机和电池信号通信的控制器。控制器根据电池电荷状态控制曲轴的速度以及加热器头的温度。车轮马达连接于电池输出端并连接于一组车轮，该组车轮包括至少一个构件从而当车轮马达被驱动时带动该组车轮导致可移动辅助动力装置的移动。根据本发明的另一个实施例，可移动辅助动力装置可以包括连接于该组车轮的平台，平台用于支撑使用者。
附图说明
通过以下参照附图的说明将更易于理解本发明，附图中：
图1是根据本发明一个优选实施例的辅助动力装置的示意框图。
图2是根据本发明另一个实施例的辅助动力装置的示意框图。
图3是根据本发明一个优选实施例的斯特灵循环发动机的横截面图。
图4A是根据本发明一个实施例的图1所示的APU的发动机的动力控制系统的示意框图。
图4B是根据本发明一个实施例的图4A所示的动力控制系统的控制方法的示意框图。
图5是根据本发明一个实施例的图6所示的动力控制系统的电路图。
图6是根据本发明一个实施例的图1所示的APU的发动机的包括燃烧器控制器的动力控制系统的示意框图。
图7是根据本发明另一个实施例的图1所示的APU的发动机的包括燃烧器控制器的动力控制系统的示意框图。
图8A是根据本发明一个实施例的燃烧器和排放热量回收组件的侧视截面图。
图8B是根据本发明一个实施例的具有热传递销钉阵列的加热器头的透视顶视图。
图9A是根据本发明一个优选实施例的斯特灵循环发动机的燃料入口歧管一侧的横截面图。
图9B是从图9A的燃料入口歧管的顶部沿剖开线BB的横截面图。
图9C是从图9A的燃料入口歧管的顶部沿剖开线AA的横截面图，示出燃料喷嘴。
图10是根据本发明一个实施例的燃烧器和加热器头的横截面图，示出火焰检测热电偶的布置。
图11是根据本发明另一个实施例的燃烧器和加热器头的横截面图，示出火焰检测热电偶的布置。
图12是根据本发明一个实施例的APU的主视图，其中为了观察内部去掉了机箱的前面板。
图13是根据本发明一个实施例的图14的实施例的后视图。
图14是根据本发明一个实施例的辅助动力装置和空调系统的示意框图。
图15是使用本发明一个实施例的辅助动力装置的小型摩托车的示意框图。
具体实施方式
图1是本发明的一个优选实施例所述的辅助动力装置(“APU”)100的示意框图。APU100包括一个连接于发电机102的外燃机101。在一个优选实施例中，外燃机101是一个斯特灵循环发动机。斯特灵循环发动机101运转时的输出包括机械能和剩余热能。燃烧器104内的燃料燃烧所产生的热量作为斯特灵循环发动机101的输入施加，并且部分被转换为机械能。未转换的热量或热能占燃烧器104释放的能量的65到85％。热量可以以两种形式向APU周围的局部环境供热：一小部分燃烧器104的废气以及一大部分从斯特灵发动机的冷却器103排出的热量。废气较热，通常为100到300℃，并且占斯特灵发动机101所产生的热能的10到20％。冷却器以高于环境温度10到20℃排出80到90％的热能。热量被排到水流中，或者更典型地，通过一个散热器107排到空气中。斯特灵循环发动机101的大小使得APU100是便携式的。便携式APU向室内区域提供的电能和热能通常小于5kW。较大的装置可以排放更多的用于室内区域的能量。
如图1所示，斯特灵发动机101直接由诸如燃烧器104的热源驱动。燃烧器104燃烧燃料以产生用于驱动斯特灵发动机101的热排放气。燃烧器控制装置109连接于燃烧器104和燃料罐110。燃烧器控制装置109从燃料罐110向燃烧器104发送燃料。燃烧器控制装置109还向燃烧器104发送一定量的空气以便有利地确保基本充分的燃烧。燃烧器104所燃烧的燃料优选地是燃烧清洁并且市场可得的燃料，例如丙烷。清洁燃料是不含大量主要是硫的污染物的燃料。当污染物含量在一定限度内时，天然气、乙烷、丙烷、丁烷、乙醇、甲醇以及液化石油气(“LPG”)都是清洁燃料。市场可得的丙烷燃料的一个例子是HD-5，是一种由汽车工程师协会确定的工业标准，并可从Bernzomatic得到。根据本发明的一个实施例，并且将在下文详细说明的，斯特灵发动机101和燃烧器104提供基本充分的燃烧以便提供高热效和低排放。高热效和低排放的特征是室内使用APU100的关键。
发电机102连接于斯特灵发动机101的一个曲轴(未示出)。本领域技术人员可以理解词组发电机包含电机类，例如机械能转换为电能的发电机或电能转换为机械能的马达。发电机102优选地是一个永磁无电刷的马达。可充电电池113为APU100提供启动动力并且为DC动力输出器112提供直流(“DC”)动力。在另一个实施例中，APU100还有利地为AC动力输出器114提供交流(“AC”)动力。换流器116连接于电池113以将电池113产生的DC动力转换为AC动力。在如图1所示的实施例中，电池113、换流器116和AC动力输出器114放置在APU机箱120内。在另一个实施例中，如图2所示，电池113、换流器116和AC动力输出器114可以独立于APU机箱120。
在运转过程中，斯特灵发动机101还产生热量117，例如从燃烧器104的排放气以及从工作流体的热供给和热排放。因此，当在室内应用时，斯特灵发动机101产生的多余热量可以有利地用于加热APU100周围的空气。这样，APU100可以为诸如建筑物或居民楼的室内区域提供电能和热量。
以下参照图3详细说明斯特灵循环发动机101的运转，其中图3是本发明的一个实施例所述的斯特灵发动机的横截面图。图3所示的斯特灵发动机101的构造称为阿尔发(alpha)构造，其特征在于压缩活塞300和膨胀活塞302在相应的不同的汽缸内进行直线运动：压缩活塞300在压缩汽缸304内，膨胀活塞302在膨胀汽缸306内。仅以举例方式来说明阿尔发构造，并非是对所附权利要求的范围的限制。
除了压缩活塞300和膨胀活塞302，斯特灵循环发动机101的主要部件还包括燃烧器(未示出)、加热器热交换器322、蓄热器324、以及冷却器热交换器328。统称为活塞的压缩活塞300和膨胀活塞302被驱动在对应的容积308和310内往复直线运动，其中容积308和310由压缩汽缸304和膨胀汽缸衬套312侧向确定。靠近燃烧器热交换器322和冷却器热交换器328的汽缸内容积这里将分别称为发动机101的热区和冷区。压缩活塞300和膨胀活塞302的往复直线运动的相对相位(相位角)通过它们分别连接于容放在曲轴箱316内的驱动机构314而被控制。驱动机构314可以是电机设计领域所知的可以用于活塞相对定时以及直线和旋转运动互换的各种机构之一。
压缩活塞300和膨胀活塞302分别通过第一连杆318和第二连杆320连接于驱动机构314。压缩汽缸容积308通过管子315连接于冷却器热交换器328以在压缩阶段冷却压缩的工作流体。更特别地，管子315将压缩容积308连接于包括冷却器热交换器328、蓄热器324、以及加热器热交换器322的管状热交换器。燃烧器(未示出)燃烧燃料以向斯特灵发动机的加热器头330的加热器热交换器322供热。膨胀汽缸和活塞设置在加热器头330内从而膨胀汽缸内的工作流体经加热器热交换器322被加热。
回到图1，斯特灵循环发动机101和发电机102设置在一个压力容器118内。压力容器118包含高压工作流体，优选地是20到30个大气压力的氦气或氮气。斯特灵发动机101的膨胀汽缸和活塞(如图3所示)延伸经过压力容器118和冷却环(或冷却器)103。膨胀汽缸的端部(包括加热器头330)包含在燃烧器104内。冷却环103经由冷却管路106和散热器107循环冷却流体。通过冷却泵105泵送冷却流体经过冷却环103。风扇108推送空气经过散热器107从而加热空气并冷却冷却流体。加热的空气117然后可以被推送经过APU机箱120的开口以加热诸如建筑物内的房间的周围区域。在另一个实施例中，燃烧器104内的燃烧所产生的多余热量可以直接提供给周围外界空气。
压力容器118有一个通孔用于包含在压力容器118内的发电机102和APU控制器111之间的电接线119。APU控制器111通过动力供应线115向冷却泵105、风扇108、以及燃烧器控制器109提供动力。APU控制器111还通过改变斯特灵发动机的速度和温度来控制APU的动力输出以及电池113的电荷水平。APU控制器111向燃烧器控制器109提供指令信号以便控制斯特灵发动机101的温度。APU控制器111还向发电机102提供指令信号以便控制斯特灵发动机101的速度。
发电机102和斯特灵发动机101的动力输出利用APU控制器111控制从而保持电池113内的最佳电荷及电压水平。电负荷将减小电池113的电荷及电压，导致APU控制器111支配发动机的另外的动力。图4A是本发明一个实施例所述的包含在APU控制器111(如图1所示)内的APU动力控制系统的示意框图。动力控制系统控制斯特灵发动机的速度和温度以便提供必要的动力以满足负载在APU上的需求(或负荷)并且保持电池的电荷水平。如图4A所示的动力控制系统包括一个电机/发电机402、一个电机放大器405、一个电池413和一个换流器416。
如以上参照图1所述的那样，发电机402连接于斯特灵发动机的曲轴(未示出)。斯特灵发动机向发电机402提供机械动力(Pmech)，发电机402转而将机械动力转换为三相电力。如下文将详细说明的那样，发电机402还用做发动机上的可调负载以便控制发动机的速度。发电机402向电机放大器405传送三相电力。电机放大器405将电机/发电机402产生的电力传送到高压DC总线(Pamp)。提供给高压DC总线(Pamp)的动力被传送给DC到DC转换器406(Pdcdch)，该DC到DC转换器406将动力降阶为低压DC总线以向电池413(Pbat)传送。DC到DC转换器406也可以用于将动力升阶为用于动力控制和AC动力转换的高压DC总线。其他的实施例可以忽略DC到DC转换器而将高压DC总线直接连接于电池413。电池413用于启动斯特灵发动机并且向APU的辅助电路408，例如风扇、泵等提供动力，以及当APU上的负载超过电机/发电机402所产生的动力时提供输出动力。如以下进一步所述，电池413在APU运转时起蓄能器的作用。
当DC总线出现过压状态时可以使用一个紧急分流器407来从高压DC总线卸除过量动力。在一个实施例中，紧急分流器电阻位于散热器107(如图1所示)的水中。以此方式，当使用分流器电阻来卸除过量动力时该分流器电阻产生的过量热量有利地被用于驱散APU的过量热量的同一个系统(即散热器107)吸收。换流器416用于向外部设备或负载410传送AC动力(Pout)。换流器416从DC总线获取动力(Pinv)。
电池413的电荷水平反映输出负载410的变化。为了提供所需要的动力输出，图4A的动力控制系统试图保持电池响应输出负载410的变化处于其最佳电荷，而不过量充电。最佳电荷不必是全电荷，可以是全电荷的80-100％。最佳电荷是保持电池随时准备长期的放电和增加电池循环寿命之间的折衷。将电池充电到接近全电荷的100％增大了电池长期放电的可用性，但是使电池承受压力，导致较短的电池循环寿命。将电池充电到低于全电荷减小了施加在电池上的压力从而延长电池的循环寿命，但是也降低了针对突发的负载变化的电池能量可用性。最佳电荷的选择取决于APU的预期负载变化以及电池容量，并且在动力管理领域的技术人员的范围内。在一个优选实施例中，最佳电荷设定为全电荷的90％。动力控制系统的另一个目标是通过使得燃料输入到动力输出的效率最大化而降低发动机的燃料消耗。图4A的动力控制系统调整发动机的温度和发动机速度以便产生需要的电池电荷，从而产生需要的动力输出。
电池413的电荷可以由电池电压粗略估算。如上所述，负载动力(Pout)和斯特灵发动机产生的动力(Pmech或Pamp)之间的差值将引起动力流向电池413或者从电池413流出。例如，如果发动机没有产生足够满足负载410需要的动力，电池413将提供其余的必要动力以供给负载410。如果发动机产生了多于满足负载410需要的动力，则多余的动力可以用来使电池413充电。动力控制系统确定是否必要指令发动机响应负载的变化产生更多或更少的动力。随后调整发动机速度和发动机的温度以产生需要的动力。当电池413放电时(即，负载410的需求较长时间内大于发动机产生的动力)，调整发动机的温度和速度从而发动机产生更多的动力。典型地，发动机的温度和速度增加以产生更多的动力。优选地，当需要更多的动力时，相对于提高发动机速度，提高发动机温度是优选的。相反地，当电池413充电较长时间(即，发动机产生的动力大于负载410的需求)时，发动机的温度和速度降低以减小发动机产生的动力。典型地，调整发动机的温度和速度以减小发动机产生的动力。优选地，当需要更少的动力时，相对于降低发动机温度，降低发动机速度是优选的。
一旦动力控制系统根据需要的电池动力确定了所需要的发动机的温度和速度，动力控制系统就向燃烧器控制装置109(如图1所示)发送温度指令指出所需要的发动机温度，并且向发电机402发送速度指令指出所需要的发动机速度。如上所述，发动机速度可以通过利用电机放大器405调整由电机/发电机402施加于发动机曲轴上的扭矩来控制。这样，发电机402起到发动机上的可调负载的作用。当发电机402增大对发动机的需求时，曲轴上的负载增加从而降低发动机的速度。电机放大器405调整电机电流以便获得电机内的必要的扭矩，并且从而获得必要的发动机速度。
斯特灵循环发动机(或者其他的外燃机)典型地对负载的突然变化具有较长的响应时间(即，在发动机接收到增加或降低温度的指令和发动机达到所需要的温度之间有一个时滞)。因此，动力控制系统的设计考虑到了斯特灵循环发动机的较长的响应时间。对于负载410的突然增加，由发电机402施加于发动机曲轴上的扭矩降低，从而允许曲轴加速并临时保持发电机402的增大的动力输出，直到发送到燃烧器控制装置109(如图1所示)的增加温度的指令开始生效。对于突然的负载降低，由发电机402施加于发动机曲轴上的扭矩增加以便使曲轴减速并且减小动力输出直到发送到燃烧器控制装置的降低温度的指令开始生效。由发电机402产生的多余电荷或动力可以用于对电池413充电。如上所述，任何其余的过量电能可以导向紧急分流器407。下面参照图6-11更加详细地说明利用燃烧器控制装置109来控制发动机温度的过程。
图4B是用于确定需要的发动机温度和速度以便提供保持电池最佳电荷并且满足应用负载所需要的电能的方法的示意框图。首先，在方框420，动力控制系统估算电池电荷的状态。利用所测量的电池电流(IB)，以及必要时调整电流(Iadj)，来确定电池电荷估算状态(Qest)，如以下公式所示：
       Qest(t)＝Qest(t-dt)+IB(t)dt+Iadj(t)dt    (公式1)
当第一次启动发动机时，电荷值的初始估算状态(Qest)是全电荷的10％。然后利用调整电流来修正电池电流从而Qest达到接近电荷真实状态的值。通过选择启动时较低的初始Qest值，可以得到较快的修正，因为Qest值允许有较高的充电电流。
调整电流可以根据电池的已知的V-I特性来选择。在一个优选实施例中，电池是铅酸电池。具体电池的V-I平面的确定在本领域技术人员的专业范围内。电池413(如图4A所示)的V-I平面可以划分成操作区，其中电池的电荷状态可知。所测到的电池电压VB和电池电流IB用于确定V-I平面内电池的当前状态。然后比较估算电荷Qest和对应于所测到的电池电压和电流下降的V-I平面的区域的确定的电荷状态。调整电流Iadj通过一个常数乘以估算电荷状态Qest与利用V-I平面及所测到的电池电压和电流估算的电荷状态之间的差值来估算，其中该常数是所测到的电池电压和电流的函数。
在方框422，通过比较预期的电池动力Pbatdes和实际的电池动力PB确定动力误差Perr。动力误差Perr表示是否APU必须产生更多或更少的动力输出。实际的电池动力PB是流入电池的测量到的电池动力(IBVB)。预期的电池动力可以用两种方法确定。第一种方法根据电池的充电电压Vchg，第二种方法根据电池的估算电荷状态Qest。在以下的论述中，按照第一种方法估算的预期的电池动力称为PV，按照第二种方法估算的预期的电池动力称为PQ。
第一种方法利用电池的充电电压(Vchg)估算预期的电池动力PV。在一个优选实施例中，利用以下公式估算PV：
            PV＝Vchg*MAX[Imin，IB]-IOC          (公式2)
充电电压Vchg是保持电池充电的最佳电池电压，并且通常由具体电池的生产厂家规定。例如，在一个优选实施例中，铅酸电池具有每个电池2.45伏特的充电电压。Vchg由所测到的电池电流(IB)或预定小电流值(Imin)中的较大者增加。Imin可以根据电池的已知的V-I特性来选择。例如，在一个实施例中，当所测到的电池电压VB小于Vchg时，Imin可以设为一个较高值以便快速增加电池电压VB达到Vchg。如果VB接近Vchg，Imin可以设为一个较低值，因为不需要很大的额外能量来将电池电压VB升高到Vchg。然而，如果VB大于Vchg，则要从lB和Imin中的较大者中减去一个过度充电电流Ioc以避免过度充电的情况。
第二种方法根据电池的估算电荷状态(Qest)估算预期的电池动力PQ(如在方框420内确定)。在一个优选实施例中，利用以下公式估算PQ：
          PQ＝KQ(QG-Qest)-(ηIbusVbus-IBVB)    (公式3)其中：
KQ是放大系数，它既可以在系统设计中设定，也可以根据实时地设定；
QG是预期的电池充电状态；
Ibus是所测到的离开电机放大器的总线电流；
Vbus是所测到的总线电压；以及
η是电机放大器和电池之间的DC/DC转换器(如图4A所示)的估算效率系数。
预期的动力PQ基于预期的电池充电状态QG和估算的电池充电状态Qest之间的差值。QG是介于0(完全放电)和1(完全充电)之间的预定值，表示控制器试图保持电池的电荷状态。在一个优选实施例中，预期的电池电荷状态为全电荷的90％。估算的电池电荷Qest离预期的电荷状态QG越远，越需要更多的动力来对电池充电。Qest离QG越近，越需要更少的动力来将电池电压VB升高到Vchg。
考虑到可能的负载变化，预期的电池动力PQ的估算还要调整。如果APU的负载突然降低，发动机产生的过量动力必须导向其他地方直到发动机产生的动力量可以减少(即，系统有时间对负载突然降低作出反应)。如果负载突然撤出系统，则过量动力表示额外的动力流入电池的最糟的情况。因此，需要选择预期的电池动力，它可以在电池内余留空间以吸收因负载变化而产生的过量动力。过量动力从PQ减去以便在电池内余留额外的空间以吸收过量动力。过量动力可以通过比较发动机产生的动力和进入电池的动力而确定，并且表示为上述公式3中的ηIbusVbus-IBVB。发动机产生的动力可以利用在电机放大器处测到的总线电压Vbus和所测到的离开电机放大器的总线电流Ibus来确定。进入电池的动力是所测到的电池电压和电流的乘积(IBVB)。
在方框422，所测到的预期电池动力PV和PQ中的较小值用于确定动力误差Perr。动力误差Perr是选定的预期电池动力和测量到的流入电池的动力之间的差值，如下面的公式所示：
               Perr＝MIN[PV，PQ]-IBVB         (公式4)
测量到的流入电池的动力PB是所测到的电池电流IB和电压VB的乘积。如上所述，动力误差Perr表示了APU是否需要产生更多或更少的动力。也就是说，如果实际电池动力小于预期电池动力，APU需要产生更多的动力(即，增加速度和温度)。如果实际电池电压大于预期电池电压，APU需要产生更少的动力(即，降低速度和温度)。
响应于动力误差信号Perr，动力控制系统在方框424产生发动机温度指令信号输出(T)和发动机速度指令输出(ω)，它们表示产生预期动力所需要的发动机温度和速度。在一个优选实施例中，发动机温度T和发动机速度以及Perr的函数的积分成比例。在该实施例中，T由以下控制规则控制：
        T＝∫fdt                              (公式5)其中：
f＝KitPerr               当ωmot＜ωmotidle；
f＝KitPerr+Kdrift        当Perr≥0且ωmot≥ωmotidle；以及
f＝Kdrift                  当Perr＜0且ωmot＞ωmotidle。
在上述控制规则中，ωmot是所测到的发动机速度，ωmotidle是预定的额定发动机速度，以及Kit是放大系数。当发动机速度大于额定电机速度时，加入一个另外的漂移系数(Kdrift)，它减缓发动机温度的增加并且间接地将发动机速度降低到发动机的额定速度。发动机在额定发动机速度上运行使得发动机的效率最大。
在一个优选实施例中，发动机速度(ω)和动力误差Perr以及Perr的积分成比例，并且由以下控制规则控制：
              ω＝ωmin+KpwPerr+Kiw∫Perrdt      (公式6)其中：
ωmin表示最小的许可发动机速度；以及
Kpw和Kiw是放大系数。
电机速度ω限定为至少是最小速度ωmin。而且发动机速度限定在最大速度ωmax之内以便当增大速度时减小发动机冷却效应。
图5示出图4A的动力控制电路的结构细节。发电机502连接于电池513、换流器516、放大器505和紧急分流器507。这些部件的工作情况与参照图4A和4B所述的部件一样。
如参照图4A和4B所述，当动力控制系统确定了保持电池最佳电荷水平所需要的预期发动机温度和速度时，一个表示预期发动机速度的速度指令(ω)发送到发电机402(如图4A所示)并且一个表示预期发动机温度的温度指令(T)发送到燃烧器控制装置109(如图1所示)。回到图1，燃烧器控制装置109控制燃烧器104以获得预期的发动机温度。燃烧器控制装置109将从燃料罐110供给的清洁燃料，优选地是丙烷，发送到燃烧器104。燃烧器控制装置109还向燃烧器104发送一定量的空气以便确保燃料基本充分的燃烧。燃烧器控制装置109设定燃料和空气的流速以提供所需的发动机温度并且减小排放。
为了获得高热效和低排放从而APU100可以用在居民楼内以便以有利地提供电能和热量，斯特灵发动机101和燃烧器104提供基本充分的燃烧。下面参照图6-11详细说明提高斯特灵发动机101的热效率和提供斯特灵发动机101的低排放的优选方法。这种热效率的元素包括有效地向燃烧器104泵送氧化剂(典型地是空气，并且在这里称为“空气”)以提供燃烧，以及回收从斯特灵发动机的加热器头330(如图3所示)排出的热废气。在许多应用中，空气(或其他氧化剂)在燃烧前被预加热到接近加热器头330的温度以便获得热效率。在加热斯特灵发动机的加热器头后，燃烧器中还余留有相当数量的能量，并且如本领域技术人员所知的那样，可以使用一个热交换器将废气中的热量在燃烧气体进入燃烧器104之前传送给燃烧气体。以下将参照图8详细说明预加热部件。
另外，减小一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)和氧化氮(NOX)的排放需要低含量燃料-空气的混合物，这种混合物也可以实现充分燃烧。低含量燃料空气混合物比化学计量混合物(即，比如每克丙烷含15.67克空气)含有更多的空气。随着更多的空气加入到燃料中，CO、HC和NOX的排放减少，直到空气的量多到火焰开始不稳定。此时，许多燃料-空气混合物经过燃烧器而没有充分燃烧。燃料-空气混合物的不充分燃烧产生大量的CO和HC。随着更多的空气加入到燃料-空气混合物，CO和HC的排放将不断增加，直到在吹熄极限(“LBO”)处火焰熄灭。随着进入空气(即预加热的空气)温度的增加LBO将增大。从而，在发动机的升温阶段随着预加热的空气温度的增加最佳燃料-空气比例降低。当发动机升温完毕时，调整燃料-空气比例以减小所产生的排放并且保持稳定的火焰。本说明书和所附的权利要求书所使用的燃料-空气比例是指燃料质量和流入燃烧器的燃烧室内的空气的质量的比例。
因此，燃料-空气比例首先由燃烧器控制装置(如图1所示)控制以提供用于引燃的最佳燃料-空气比例。当确定产生火焰后，根据预加热空气的温度和燃料类型控制燃料-空气比例以减小排放。然后燃烧器控制装置控制燃料流速以将加热器头330的温度升高到所指令的温度。调整空气的流速以便当燃料流速变化以及空气预加热温度变化时保持发动机的废气中的预期氧气量。
图6是包含有燃烧器控制装置609的动力控制系统的示意框图。如参照图4A和4B所述的那样，APU控制器611在方框606计算所需要的发动机温度和发动机速度。当温度指令607输入到燃烧器控制装置609时提供所需要的发动机温度(即，加热器头的所需要的温度)。转换速度限制器601有利地用于限制发动机温度的增加从而温度是逐渐增加的以便减少温度过量和不足。当从APU控制器611接收到高于最小操作温度的发动机温度的温度指令607时，燃烧器控制装置609启动燃烧器604的点火程序。控制水泵(未示出)和散热风扇(未示出)以保持冷却剂的温度。
给定的燃料将只在有限的燃料-空气比例范围内点燃。点燃时，所选定的点燃燃料-空气比例等于或小于对应于所用燃料的化学计量燃料-空气比例。在一个优选实施例中，其中燃料是丙烷，点燃燃料-空气比例设定为每克空气0.1克丙烷。点燃燃料-空气比例一直保持到火焰稳定并且燃烧器604的燃烧室内部温度增加到加热温度。在一个优选实施例中，点燃燃料-空气比例一直保持到加热器头330的温度达到300℃。
当火焰稳定后，并且燃烧器的燃烧室温度达到预期的加热温度时，然后根据空气预加热温度和燃料类型控制燃料-空气比例。如上所述，燃料-空气混合物的最佳燃料-空气比例随着预加热空气温度的增加而降低。最佳燃料-空气比例首先从室温空气下的“启动”燃料-空气比例线性降低到温度升高的预加热空气温度下的“运行”燃料-空气比例。当空气超过其已知的点燃温度时认为空气已经完全加热。例如，丙烷的点燃温度是490℃。在一个优选实施例中，其中燃料是丙烷，“启动”燃料-空气比例为每克空气0.052克丙烷，这导致发动机废气中有大约4％氧气。在该优选实施例中，“运行”燃料-空气比例为每克空气0.026克丙烷，这导致发动机废气中有大约13％氧气。当空气达到其温度升高的预加热温度时，调整空气流速以保持温度升高的预加热温度下的最佳燃料-空气比例。例如可以根据燃料流速的变化或者空气预加热温度来调整空气流速。
在图6的实施例中，燃料-空气比例可以通过测量空气和燃料质量流速来确定。空气流速可以利用鼓风机605处的压力传感器和文丘里管来测量。燃料流速可以由一套燃料控制阀的上游和下游的压力来确定。在另一个实施例中，燃料-空气比例可以基于如图7所示的APU的废气中氧气的含量的测定值。在发动机内可以设置一个氧气传感器以对废气采样并且测量废气中的氧气百分比。
回到图6，利用反馈回路测量发动机温度(Thead)并将其和预期发动机温度607比较。发动机温度将不断增大(通过增大燃料和空气流速)直到发动机温度达到预期发动机温度。如上所述，转换速度限制器601提供了温度的逐渐增加以便减少温度过量和不足。当APU控制器611指令低于最小加热器头温度的加热器头温度时，燃烧器控制装置609关闭燃料和空气并且控制水泵和散热风扇以避免冷却剂沸溢。
除了提供最佳燃料-空气比例以外，在燃烧器604内燃烧的燃料和空气必须和足够量的氧气很好地混合以便限制一氧化碳(CO)和碳化氢(HC)的排放，并且，此外还必须在足够低的火焰温度下燃烧以限制氧化氮(NOX)的形成。如上所述对于获得高热效所需要的预加热空气的高温，使得实现低排放目标复杂化，这是由于难于预先混合燃料和空气以及为了限制火焰温度需要大量的过量空气。本文所用的词组“自燃温度”定义为燃料在现有的空气和燃料压力的条件下不需降温催化剂即可点燃的温度。预加热空气的典型温度超过绝大多数燃料的自燃温度，可能导致燃料空气混合物在进入燃烧器的燃烧室之前点燃。解决这个问题的一个办法是使用没有预先混合的扩散火焰。但是，由于这种扩散火焰没有很好地混合，因而产生高于预期CO和NOX排放量的排放。Turns的“燃烧介绍：概念和应用”(An Introduction toCombustion：Concepts and Applications)，(McGraw-Hill，1996)提供了有关火焰的详细论述，该文包含于本文以做参考。用于限制火焰温度所提供增加的空气流速通常增加了由气泵和鼓风机所消耗的动力，从而降低了总体发动机效率。
根据本发明的一个实施例，可以通过在即使存在空气加热到高于燃料的自燃温度的情况下也产生预混合的火焰，以及另外通过减小空气入口和火焰区域之间的压力下降从而减小鼓风机的动力消耗，来提供低排放和高效率。
词组“火焰速度”定义为在此速度下火焰锋将扩散通过特定的燃料-空气混合物。在说明书和所附权利要求书内，词组“燃烧轴线”指当流体燃烧时主要的流体流动方向。
根据本发明的实施例，燃烧器和预加热部件的典型组件将参照图8a说明。燃烧气体的目标范围是1700-2300K，优选范围是1900-1950K。操作温度由加热器头330的强度和燃烧器结构的抗氧化性限制，其中加热器头330必须包含具有典型地几个大气压的操作压力的工作流体。由于金属的强度和抗氧化性通常在高温下降低，因此很重要的是将金属组件隔离于高燃烧温度。为此目的，燃烧器122由一个陶瓷燃烧室804围绕，陶瓷燃烧室804本身被包围在一个燃烧室衬套806内，热凹陷在加热器头330内并且由来自预加热器通道的进入空气或者废气810冷却。另外，加热器头330通过端头火焰帽802隔离于火焰的直接加热。燃烧过程的排出物沿通道808经加热器头330通过一个通道，该通道用于有效地向加热器头和包含在加热器头内的工作气体传递热量。
热量发动机的总效率部分地取决于发动机的燃烧气体和工作流体之间的热传递效率。为了提高从由燃烧器122产生的燃烧过程排放物到发动机加热器头330内的工作流体的热传递效率，加热器头330的每侧都需要具有一个很大的湿润表面区域。参照图3，加热器头330基本上为一个圆柱体，具有一个封闭端332(称之为圆柱头)和一个开口端334。封闭端332如图8a所示那样设置在燃烧器122内。参照图8b，根据本发明的一个优选实施例，可以使用翅片或销钉来增大热流体燃烧物和固态加热器头330之间的界面间面积以向发动机的工作流体传递热量。加热器头330可以有如图8b所示的设置在外表面上的热传递销钉152，从而提供从由燃烧器122(如图8a所示)流出的燃烧气体经过热传递销钉到加热器头330并因而到工作流体的很大的传导热传递表面面积。热传递销钉也可以设置在加热器头330的内表面(未示出)上。内衬里的热传递销钉用于提供从加热器头330到工作流体的很大的传导热传递表面面积。
根据加热器头330的大小，可以需要几百或几千个内部热传递销钉和外部热传递销钉。根据本发明的某些实施例，各个销钉阵列150包括围绕加热器头330的周向距离的弧形部分。在图8b所示的加热器头的立体俯视图中可以看的很清楚。在连续的热传递销钉阵列150之间是梯形隔板506，阻隔开以阻断废气沿下游方向经过任何通道而不是热传递销钉流动。由于废气不流经隔板506，因此温度传感器，例如热电偶138有利地设置在隔板506内以便监测与温度传感器热接触的加热器头330的温度。
温度监测装置138如图8b所示优选地设置在隔板506内。更特别地，温度传感器138的温度监测头139优选地位于对应于隔板506的凹槽内尽可能靠近圆柱头332，其中该区域是加热器头330的最热部分。可选地，温度传感器138可以直接安装在圆柱头332，但是如上所述传感器在凹槽内的布置是优选的。发动机性能，即动力和效率，在可能的最高温度下最高，但是最大的温度通常受到冶金属性的限制。因此，传感器138应当设置为测量加热器头的最热并且因而是极限部分的温度。另外，温度传感器138应当利用陶瓷绝缘材料(未示出)隔绝于燃烧气体和隔板506的壁。陶瓷还可以形成与隔板壁的粘接以将温度传感器定位。温度传感器138的电导线144也应当电绝缘。
回到图8a，废气沿通道808经过加热器头330并随后沿燃烧室衬套806和内部绝缘体812之间的通道810上行，从而吸收来自燃烧室衬套806的额外热量，这具有防止燃烧室衬套过热的额外的优点。然后废气向下返回经过预加热器814并且沿如箭头816所示的加热器头330的周向排放。预加热器814允许从废气到通常由气泵或鼓风机从外界环境抽入的空气的热交换。预加热器814可以用波纹折叠翅片制造，典型地是因科内尔镍铬铁合金(Inconel)，但是，从废气到抽入的空气的任何热交换方式都在本发明的范围内。
现在参照图9a-9c，示出用于本发明的一个实施例的斯特灵循环发动机或其他燃烧应用中的进气歧管899。根据本发明的一个优选实施例，燃料和可以加热到高于燃料自燃温度的温度的空气预先混合，并且在燃料和空气很好地混合前防止形成火焰。图9a示出包含进气歧管899和燃烧室910的装置的一个优选实施例。进气歧管899有一个具有用于接收空气900的入口903的轴对称的导管901。空气900被预加热到某个温度，典型地是900K，该温度可以高于燃料的自燃温度。导管901将相对于燃烧轴线920径向流入的空气900传送到设置在导管901内的涡旋式喷嘴902。
图9b示出本发明一个实施例的包含涡旋式喷嘴902的导管901的横截面图。在图9b的实施例中，涡旋式喷嘴902具有多个螺旋形的叶片926，用于径向导入空气900并且给空气施加一个旋转分量。导管的涡旋式喷嘴部分的直径从涡旋式喷嘴的入口924到出口922逐渐减小，由涡旋式喷嘴部分导管的长度确定。涡旋式喷嘴叶片926直径的减小基本上和直径成反比地增大了空气900的流速。增加流速从而它超过燃料的火焰速度。在涡旋式喷嘴902的出口922，燃料906，在一个优选实施例中燃料是丙烷，注入到向内流动的空气中。
在一个优选实施例中，如图9c所示，燃料906由燃料喷射器904经过一系列喷嘴928喷射。更特别地，图9c示出导管901的横截面图并且包括燃料喷嘴928。每个喷嘴928位于涡旋式喷嘴叶片926的出口端并且在两个相邻的叶片中间。这样定位喷嘴928是为了增大混合空气和燃料的效率。喷嘴928同步地相对空气流900喷射燃料906。由于空气流比火焰速度快，此时不会形成火焰，即使空气和燃料混合物的温度高于燃料的自燃温度。在一个优选实施例中，其中使用丙烷，由加热器头330控制的预加热温度大约为900K。
再次参照图9a，现在已经混合好的空气和燃料，以下称之为“空气-燃料混合物”909，通过一个喉管908发生方向转换，其中该喉管有一个波纹整流罩930并且连接于导管901的出口907。燃料906通过燃料调整器932供应。喉管908有一个内半径914和一个外尺寸916。空气-燃料混合物的转换是从相对于燃烧轴线920基本横向并径向向内的方向到基本平行于燃烧轴线的方向。喉管908的整流罩930的波纹具有钟罩的形状从而喉管908的横截面面积相对于燃烧轴线从喉管的入口911到喉管的出口912保持不变。波纹光滑没有阶梯保持从涡旋式喷嘴的出口到喉管908的出口的流速以避免分流并且导致沿任何表面的再循环。恒定的横截面面积允许空气和燃料连续混合而不会降低流速并引起压力下降。光滑并恒定的横截面形成有效的涡旋式喷嘴，其中涡旋式喷嘴的效率是指沿涡旋式喷嘴的静态压力降转变为回旋流动态压力的小数。通过实施本发明通常可以实现超过80％的涡旋效率。这样，燃烧风扇的附加动力消耗可以最小化。
喉管的出口912向外扩张使得空气-燃料混合物909扩散到燃烧室910内使空气-燃料混合物909减速从而定位并包含火焰并且导致形成环形火焰。涡旋式喷嘴902所产生的旋转动量产生本领域所知的火焰稳定环形旋涡。
为了安全地操作燃烧器，很重要的是能够感测或检测火焰的存在。如果火焰熄灭，则要重新点燃火焰或者在几秒钟之内切断向燃烧器的燃料供应。否则，燃烧器和APU会充满易燃的混合物，如果引燃则会产生火灾或爆炸。本领域使用了各种火焰传感器，例如热电偶、火焰整流器、红外线(“IR”)和紫外线(“UV”)检测器。
在一个优选实施例中，其中燃料是丙烷，预加热的空气和丙烷燃料的混合物的高温阻碍了各种标准火焰检测装置的使用。标准的单热电偶火焰传感器不能精确地检测火焰，这是因为着火温度随着预加热的空气的温度变化。另外，对于绝大多数热电偶火焰传感器来说预加热的空气的温度一般都大于着火温度。IR传感器也不能区分开燃烧器的燃烧室的陶瓷内部和火焰。IR和UV传感器还具有另外的困难，因为它们相比于燃烧器尺寸较大，并且需要通向燃烧室的光学通道。在一个优选实施例的不充分燃烧的条件下，火焰整流器不能可靠地检测着火和熄火事件。
图10和11示出本发明实施例的在燃烧器的燃烧室内可靠地检测火焰的方法。在图10中，火焰检测器热电偶1002安装在斯特灵加热器头1008内，从顶部延伸足够远以测量燃烧气体的温度。火焰检测器热电偶1002必须安装在某个使得它不会超过其操作温度的位置。如果火焰热电偶温度显著大于所测到的加热器头平均温度则认为存在火焰。加热器头平均温度利用头部热电偶1004测量。存在火焰时，火焰热电偶将变的比用于测量加热器头温度的传感器热很多。火焰熄灭时，火焰热电偶温度将快速接近加热器头温度。在一个优选实施例中，火焰热电偶在加热器头上延伸2毫米并且如果火焰检测器热电偶1002和头部热电偶1004之间的温度差值是100℃则证明存在火焰。
在如图11所示的另一个实施例中，火焰热电偶1104安装在斯特灵燃烧器中，如图11所示那样，延伸经过燃烧室衬套1108到燃烧室1106的边部。火焰热电偶1104不能延伸过远以免超过它的操作温度。如果火焰热电偶温度显著大于所测到的加热器头温度则认为存在火焰。加热器头温度利用如图10所示的头部热电偶1004测量。在一个优选实施例中，火焰热电偶延伸到燃烧室的边部并且如果火焰热电偶1104和头部热电偶1004之间的温度差值是100℃则证明存在火焰。
在如图11所示的又一个实施例中，火焰热电偶1104的温度和所测到的涡旋式喷嘴温度进行比较。如果火焰热电偶温度显著大于所测到的涡旋式喷嘴温度则认为存在火焰。涡旋式喷嘴温度利用涡旋式喷嘴热电偶1102测量。在一个优选实施例中，火焰热电偶延伸到燃烧室的边部并且如果火焰热电偶1104和涡旋式喷嘴热电偶1102之间的温度差值是100℃则证明存在火焰。
在再一个实施例中，火焰热电偶如图10和11所示既可以安装在加热器头内也可以安装在燃烧室内。通过监测火焰热电偶温度的时间变化率(dT/dt)来检测火焰的转换。点燃火焰将产生火焰热电偶温度的正变化率。熄灭火焰或者存在熄火状态将产生火焰热电偶温度的负变化率。在点燃过程中，认为没有点着火焰，直到火焰热电偶温度的变化率超过预定的以℃/sec为单位的一个阈值。其后，认为已经点着火焰，直到火焰热电偶温度的变化率下降到低于以-℃/sec为单位的一个阈值。在一个优选实施例中，着火阈值温度比率是3℃/sec而熄火阈值温度比率是-2℃/sec。
图12示出APU的主视图，其中为了观察内部去掉了机箱1200。斯特灵发动机(未示出)和发电机(未示出)封闭在压力容器1201内。为了便于搬运手柄1202连接于机箱。如以上参照图1所述，APU有利地具有便于携带的大小。在另一个实施例中，APU可以放置在窗户内或者安装在楼房的房间墙壁上。燃料罐固定器1203连接于机箱1200并且固定燃料罐。燃料罐安装在机箱1200外面以便于更换。压力容器1201经由防震架连接于机箱1200以减小震动和噪音。图13示出如图12所示的实施例的后视图，以及鼓风机1300、动力控制电路1301和燃烧器控制电路1302的位置。
在另一个实施例中，如图14所示，APU可以设置为安装在窗户中以提供动力和空气调节。在较冷的月份中，APU将室内空气经由位于实线位置的通风口1413抽出，经过发动机散热器1403并且通过蒸发器辐射机1406向房间返回加热的空气，这样，向房间1411提供强迫通风加热以及电能。所提供的热量通过通风口1412改变返回到房间的加热空气相对于排放到室外的量来控制。在适度温暖的月份，APU经过发动机散热器1403将室内空气抽出并且通过通风口1412将全部空气排放到室外，这样，通过形成新鲜空气的微风使房间凉爽。在最热的月份，斯特灵发动机/发电机1402的机械能的一部分用于驱动空调1405，空调通过将室内空气经由位于虚线位置的通风口1413抽出并且利用风扇1407经过蒸发器热交换机1406来使室内空气冷却。通风口1413绕销钉1414旋转以在如图14的实线和虚线所示的两个位置之间移动。发动机散热器风扇1404从前述方向反转到经由通风口1412抽入外部空气，经过发动机散热器1403并且通过垂片通风口1415将空气排放到室外。空调1405通过冷凝器辐射机1416抽入另外的空气并且将其排放回室外。在空气调节模式下，用户获得较少的电能。
正如制冷领域的技术人员所知的那样，空调可以是三种实施例之一。在一个优选实施例中，使用一个易于获得的具有适于室内冷却器的尺寸的蒸汽压缩装置。在另一个实施例中，使用氨气/水冷却器，它消耗较少的电能从而为用户提供更多的电能用于照明等。在另一个实施例中，可以使用双工斯特灵发动机，它具有另外一套活塞向经由蒸发器辐射机1406泵送的流体提供冷却。双工斯特灵发动机将向冷凝器辐射机1416排放热量。
图15示出使用如上所述的本发明一个实施例的APU的个人交通车辆。通过将APU包含在如图15所示的电动小型摩托车可以为个人交通提供APU的紧凑尺寸和电力输出。总体以1500表示的APU/小型摩托车具有一个覆盖APU部件和车轮马达(未示出)的机盖1501。斯特灵发动机1505安装在小型摩托车上并且连接于燃料供给源1506和散热器1508。斯特灵发动机的电力输出存储在电池组1507内。插座1509可选地连接于电池组1507以当小型摩托车不用于交通运输时提供电力。电池组1507连接于小型摩托车车轮马达以当小型摩托车用于交通运输时驱动马达。
本发明所描述的实施例仅意在示例，对于本领域技术人员而言各种变形和修改都将是显而易见的。所有这些变形和修改都将涵盖在如所附权利要求书所确定的本发明的范围之内。

Claims (48)

1.一种用于向室内区域提供辅助电能和热量的方法，该方法包括：
利用外燃机产生机械能和热能，外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平；
利用连接于外燃机的发电机将外燃机所产生的机械能转换为电能；以及
外燃机和发电机放置在室内区域从而外燃机所产生的热能加热外燃机周围的区域；
其特征在于，外燃机和发电机包含在一个机箱内，从而机箱、外燃机和发电机是便携式的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外燃机所燃烧的燃料是丙烷。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电能是直流电。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电能是交流电。
6.一种用于向室内区域提供电能和热量的辅助动力系统，该系统包括：
一个用于产生机械能和热能的外燃机，外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平；
一个连接于外燃机的发电机，发电机用于将外燃机的机械能转换为电能；
一个用于提供电能的第一动力输出器；以及
一个包含外燃机和发电机的机箱，从而外燃机、发电机和机箱组合是便携式的；
其特征在于，外燃机所产生的热能加热机箱周围的区域。
7.如权利要求6所述的辅助动力系统，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
8.如权利要求6所述的辅助动力系统，其特征在于，机箱可以安装在窗户内或者墙壁上。
9.如权利要求6所述的辅助动力系统，其特征在于，该系统进一步包括：
一个连接于发电机和第一动力输出器的电池，用于向外燃机提供启动动力以及用于向第一动力输出器提供动力；以及
一个传感器，连接于电池并且产生输出信号，其中电池电荷水平部分地根据传感器的输出信号确定。
10.如权利要求9所述的辅助动力系统，其特征在于，输出信号是表示电池电压和电流的信号。
11.如权利要求6所述的辅助动力系统，其特征在于，第一动力输出器提供直流电。
12.如权利要求11所述的辅助动力系统，进一步包括：
一个连接于第一动力输出器的换流器，用于将第一动力输出器提供的直流电转换为交流电；以及
一个连接于换流器的第二动力输出器，用于提供交流电。
13.如权利要求6所述的辅助动力系统，其特征在于，燃料是丙烷。
14.一种用于向室内区域提供电能和热量的辅助动力系统，该系统包括：
一个具有曲轴和燃烧室的斯特灵循环发动机，该斯特灵循环发动机用于产生机械能和热能，斯特灵循环发动机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而斯特灵循环发动机的废气排放低于预定的排放水平；
一个用于提供电能的第一动力输出器；
一个连接于斯特灵循环发动机的曲轴和第一动力输出器的发电机，发电机用于将斯特灵循环发动机的机械能转换为电能；
一个连接于发电机的电池，用于向斯特灵循环发动机提供启动动力以及用于向第一动力输出器提供动力；以及
一个包含斯特灵循环发动机、发电机和电池的机箱，从而斯特灵循环发动机、发电机、电池和机箱组合是便携式的。
15.如权利要求14所述的辅助动力系统，其特征在于，机箱可以安装在窗户内，该系统进一步包括一个连接于斯特灵循环发动机的空调组件用于冷却机箱周围的空气。
16.如权利要求14所述的辅助动力系统，其特征在于，燃料是丙烷。
17.如权利要求14所述的辅助动力系统，其特征在于，电能是直流电。
18.如权利要求14所述的辅助动力系统，其特征在于，机箱可以安装在窗户内或者楼房的房间内的墙壁上。
19.一种用于控制具有加热器头的热力发动机的动力输出的系统，该系统包括：
a.一个用于向发动机的加热器头传送热量的燃烧器，燃烧器具有废气产物；
b.一个用于接收有关燃烧器的特定操作温度的信号的输入端；
c.一个燃料供应调整器，用于向燃烧器按照特定的燃料发送速度发送燃料；
d.一个用于向燃烧器发送空气的鼓风机；
e.一个传感器，用于监测燃烧器的废气产物中的氧气浓度；以及
f.一个控制器，用于至少根据有关特定操作温度的信号和废气产物中的氧气浓度来控制燃料和空气发送速度。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，用于接收信号的输入端进一步包括一个转换速度限制器。
2 1.一种用于控制外燃机的动力输出器的系统，外燃机具有曲轴和速度，该系统包括：
一个连接于外燃机的曲轴的发电机，用于调整外燃机的速度；
一个连接于发电机的放大器，用于从发电机向动力输出器传输动力并且在发电机上提供负载；以及
一个连接于发电机的电池，用于存储动力并向动力输出器提供动力；
其特征在于，以保持电池的预期状态的方式控制外燃机的速度和温度。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
23.如权利要求21所述的系统，其特征在于，发电机是永磁无电刷电机。
24.如权利要求21所述的系统，其特征在于，预期电池状态是恒定的电池电荷。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，恒定的电池电荷是全电荷的90％。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，恒定的电池电荷范围是全电荷的80-100％。
27.如权利要求21所述的系统，进一步包括：
一个热学上连接于外燃机的散热器，该散热器包含有用于吸收过量热量的流体；以及
一组连接于发电机和放大器的分流电阻器，该组分流电阻器包含在散热器的液体内，该组分流电阻器用于驱散外燃机所产生的过量动力。
28.一种用于控制外燃机的动力输出器的方法，外燃机具有曲轴和速度，该方法包括：
利用连接于外燃机的曲轴的发电机调整外燃机的速度；
利用连接于发电机的放大器从发电机向动力输出器传输动力；
利用放大器在发电机上提供负载；
将动力存储在电池内，电池用于向动力输出器提供动力；以及
以保持电池的预期状态的方式控制外燃机的速度和温度。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，发电机是永磁无电刷电机。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，预期电池状态是恒定的电池电荷。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，恒定的电池电荷是全电荷的90％。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，恒定的电池电荷范围是全电荷的80-100％。
34.一种用于操作外燃机的燃烧器的方法，该方法包括：
经由传输通道中的恒定横截面积从径向向内流动到轴向向下流动向燃烧器发送空气；
以大于燃料-空气混合物的火焰速度的速度向燃烧器发送空气；以及
利用用于径向向内传送流动空气的涡旋式喷嘴稳定形成于燃烧器中的火焰。
35.一种用于控制具有加热器头的热力发动机的动力输出的系统，该系统包括：
a.一个用于向发动机的加热器头传送热量的燃烧器，燃烧器具有废气产物；
b.一个燃料供应调整器，用于向燃烧器按照特定的燃料发送速度发送燃料；
c.一个鼓风机，用于向燃烧器发送空气；
d.一个端头温度传感器，用于测量加热器头的温度；以及
e.一个控制器，用于至少根据加热器头的温度来控制燃料和空气发送速度。
36.如权利要求35所述的系统，进一步包括：一个传感器，用于监测燃烧器的废气产物中的氧气浓度，其特征在于，用于控制燃料和空气发送速度的控制器包括一个至少基于加热器头的温度和废气产物中的氧气浓度的控制器。
37.如权利要求35所述的系统，其特征在于，加热器头包括一个废气不流经的外表面区域。
38.如权利要求37所述的系统，其特征在于，端头温度传感器设置在加热器头的废气不流经的外表面区域内。
39.如权利要求35所述的系统，进一步包括一个空气质量流量传感器，用于测量发送到燃烧器的空气质量，其特征在于，用于控制燃料和空气发送速度的控制器包括一个至少基于加热器头的温度和发送到燃烧器的空气质量的控制器。
40.如权利要求35所述的系统，其特征在于，燃烧器以燃烧轴线为特征，进一步包括一个关于燃烧轴线轴对称的涡旋式喷嘴，用于径向向内传送流动空气。
41.如权利要求40所述的系统，进一步包括一个涡旋式喷嘴温度传感器，用于测量发送到燃烧器的空气温度，其特征在于，用于控制燃料和空气发送速度的控制器包括一个至少基于与加热器头的温度有关的输入和发送到燃烧器的空气的温度的控制器。
42.一种用于向负载提供电能的辅助动力系统，该系统包括：
(a)一个具有以速度为特征的旋转曲轴的外燃机，发动机以一定发动机温度为特征；
(b)一个连接于旋转曲轴的发电机，发电机调整曲轴速度并产生电能；
(c)一个连接于发电机的放大器，放大器从发电机向负载传送电能；
(d)一个以一定电荷状态为特征的电池，电池连接于放大器，电池能够存储来自放大器的电能，并且能够向负载传输电能；以及
(e)一个与发动机、放大器、以及电池信号通信的控制器，控制器部分地根据电池的电荷状态控制发动机温度和速度。
43.一种用于向具有一组车轮的个人交通车辆提供动力的系统，其中该组车轮包括连接于该组车轮的至少一个构件和一个车轮马达，用于当被驱动时引起个人交通车辆的移动，该系统包括：
一个用于产生机械能和热能的外燃机，该外燃机在燃烧器内燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平；
一个连接于外燃机的燃烧器的燃料供给源，用于以特定的燃料发送速度向燃烧器提供燃料；
一个连接于外燃机的发电机，用于将外燃机所产生的机械能转换为电能；以及
一个具有输入端和输出端的电池，电池输入端连接于发电机而电池输出端连接于车轮马达，电池用于在电池输入端存储从发电机提供的电能，并且用于在电池输出端向车轮马达提供动力。
44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
45.如权利要求43所述的系统，进一步包括一个热学上连接于外燃机的散热器，该散热器包含有用于吸收过量热量的流体。
46.一种可移动辅助动力系统，包括：
一个具有以速度为特征的曲轴和以端头温度为特征的加热器头的外燃机，外燃机用于产生机械能和热能，该外燃机燃烧燃料并且具有基本充分的燃烧从而外燃机的废气排放低于预定的排放水平；
一个具有输出端的发电机，该发电机连接于外燃机的曲轴并且用于将外燃机所产生的机械能转换为电能，电能被提供给发电机的输出端；
一个具有电池输出端并连接于发电机的输出端的电池，电池以一定电荷状态为特征并且向外燃机提供启动动力以及向电池输出端提供动力；
一个与外燃机、发电机和电池信号通信的控制器，控制器至少根据电池电荷状态控制曲轴的速度以及加热器头的温度；以及
一个连接于电池输出端并连接于一组车轮的车轮马达，包括至少一个构件从而当车轮马达被驱动时带动该组车轮导致可移动辅助动力装置的移动。
47.如权利要求46所述的可移动辅助动力系统，进一步包括连接于该组车轮的平台，平台用于支撑使用者。
48.如权利要求46所述的可移动辅助动力系统，其特征在于，外燃机是斯特灵循环发动机。
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