用于控制外燃机的动力输出器的系统和方法技术方案

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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一个实施例，电能可以是直流电或者交流电。根据本专利技术的另一个方面，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。根据本专利技术的又一个方面，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。根据本专利技术的另一个实施例，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。根据本专利技术的又一个方面，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。根据本专利技术的再一个方面，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。根据本专利技术的另一个实施例，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。根据本专利技术的又一个实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迪安L卡门，克里斯托弗C朗根费尔德，迈克尔诺里斯，贾森迈克尔萨克斯，
申请(专利权)人：新动力概念有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]