專利名稱：控制熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中燃料和空氣輸送的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對斯特林(Stirling)循環(huán)熱機(jī)或制冷機(jī)的改進(jìn)，具體涉及對斯特林循環(huán)熱機(jī)和制冷機(jī)的機(jī)械和熱力部件作出的有助于增加發(fā)動(dòng)機(jī)操作效率和壽命并減小尺寸、復(fù)雜性和成本的改進(jìn)。
本發(fā)明的各方面都既能應(yīng)用到斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也能應(yīng)用到斯特林循環(huán)制冷機(jī)，二者在本說明書和權(quán)利要求書中統(tǒng)一引用為斯特林循環(huán)機(jī)。
參照

圖1a-1f，可容易地說明斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，其中相同的標(biāo)號用于表明相同或類似的部件。在本領(lǐng)域已知有許多斯特林循環(huán)機(jī)械的設(shè)計(jì)，而總體上用標(biāo)號10代表的具體斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)只是出于說明的目的而顯示。在圖1a-1d中，活塞12(或者稱之為“壓縮活塞”)和第二活塞(也作“膨脹活塞”)14在氣缸16內(nèi)做定相往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壓縮活塞12和膨脹活塞14也可以在分開而互連的氣缸中運(yùn)動(dòng)?；钊芊馊?8防止容納在氣缸16中活塞12與活塞14之間的工作流體從活塞12泄漏。工作流體是根據(jù)其熱力學(xué)特性來選擇的，通常是數(shù)個(gè)大氣壓力下的氦。由活塞14的位置決定的工作流體的體積用膨脹空間22表示。由活塞12的位置決定的工作流體的體積用壓縮空間24表示。不論是在圖示的配置還是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)10的其它配置中，為了讓流體在膨脹空間22和壓縮空間24之間流動(dòng)，流體都流經(jīng)換熱器26。換熱器26是一個(gè)具有大表面積-體積比的材料的陣列，用于在流體從膨脹空間22進(jìn)入熱區(qū)時(shí)從工作流體吸收熱，而在從壓縮空間24流回到膨脹空間22時(shí)加熱所述流體。
在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的初相過程中，圖1a顯示了其起始狀態(tài)，活塞12壓縮處于壓縮空間24內(nèi)的流體。因?yàn)閺牧黧w向周圍環(huán)境放熱，所以壓縮在恒溫下發(fā)生。實(shí)踐中，提供有冷卻器68(如圖2所示)，下面對此進(jìn)行說明。
圖1b顯示了壓縮后的發(fā)動(dòng)機(jī)10的情況。在循環(huán)的第二相過程中，膨脹活塞14與壓縮活塞12同步移動(dòng)，以維持恒定的流體體積。隨著流體轉(zhuǎn)移到膨脹空間22，它流過換熱器26并從換熱器26獲得熱量，使得流體壓力增加。在轉(zhuǎn)移相結(jié)束時(shí)，流體處于高壓下并容納在膨脹空間22中，如圖1c所示。
在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的第三(膨脹)相期間，隨著熱量從外部發(fā)動(dòng)機(jī)10吸入，壓縮空間22的容積變大，從而轉(zhuǎn)換熱量以工作。實(shí)踐中，利用加熱器64(圖2中所示)將熱量提供給膨脹空間22中的流體，在下文中予以更詳細(xì)地說明。在膨脹相結(jié)束時(shí)，如圖1d所示，膨脹空間22充滿了熱流體。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的第四相過程中，流體從膨脹空間22向壓縮空間24轉(zhuǎn)移，在流過換熱器26時(shí)將其加熱。在第二轉(zhuǎn)移相結(jié)束時(shí)，流體在壓縮空間24中，如圖1a所示，并為重復(fù)壓縮相作好了準(zhǔn)備。如圖1e所示的P-V(壓力—容積)曲線圖以及如圖1f所示的T-S(溫度—熵)曲線圖中顯示了斯特林循環(huán)。斯特林循環(huán)是封閉的循環(huán)，因?yàn)楣ぷ髁黧w在循環(huán)期間通常不更新。
斯特林循環(huán)制冷機(jī)的運(yùn)行原理也可參考圖1a-1e說明，其中相同的標(biāo)號用于表明相同或類似的部件。上述發(fā)動(dòng)機(jī)和用作制冷機(jī)的斯特林機(jī)器之間的區(qū)別在于壓縮空間22通常與環(huán)境溫度進(jìn)行熱交換而膨脹空間24連接到一個(gè)外部冷卻負(fù)載(圖中未顯示)。制冷機(jī)的運(yùn)行需要凈工作輸入。
由于對斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)存在幾個(gè)令人卻步的工程難題，因此斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)一般不用在實(shí)際應(yīng)用中，而且斯特林制冷機(jī)也局限于特殊的低溫領(lǐng)域。這些難題包括例如對效率、壽命和成本的實(shí)際顧慮。本發(fā)明致力于解決這些顧慮。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，第二燃料-空氣比是通過根據(jù)廢氣中的氧氣濃度調(diào)節(jié)空氣流速來維持的。在又一實(shí)施例中，第二燃料-空氣比可以通過至少根據(jù)空氣溫度和燃料流速調(diào)節(jié)空氣流速來維持。在一可選實(shí)施例中，第二燃料-空氣比是通過至少根據(jù)空氣溫度和廢氣中氧氣的濃度調(diào)節(jié)空氣流速來維持的。
一種用于操作具有加熱器頭部的外燃機(jī)的燃燒室的系統(tǒng)，，該燃燒室以一條燃燒軸線為特征，并且用于通過在空氣中燃燒燃料以產(chǎn)生熱量和廢氣來向加熱器頭傳熱，該系統(tǒng)包括一個(gè)渦流式噴嘴，該噴嘴相對燃燒室的燃燒軸線是軸對稱的，用于向內(nèi)輸送空氣流；一個(gè)燃料噴射器，用于將燃料以這樣的方式噴到徑向向內(nèi)流的空氣中——即空氣和燃料混合形成具有特定空氣-燃料比的空氣-燃料混合物；以及一個(gè)燃料供應(yīng)調(diào)節(jié)器，用于以特定的速度輸送燃料。該系統(tǒng)還包括一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，用于將空氣以特定空氣流速輸送到燃燒器從而產(chǎn)生特定的空氣-燃料比；一個(gè)渦流式噴嘴空氣溫度傳感器，用于測量輸送到燃燒室的空氣溫度；以及一個(gè)控制器，用于至少根據(jù)輸送到燃燒室的空氣溫度來控制空氣的速度。
在又一實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括一個(gè)加熱器頭溫度傳感器，用于測量加熱器頭的溫度，以及一個(gè)控制器，用于至少根據(jù)加熱器頭溫度以及輸送到燃燒室的空氣溫度來控制燃料輸送的速度。在另一實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括一個(gè)氣體成分傳感器，用于監(jiān)測燃燒器的廢氣產(chǎn)物中的氣體濃度，以及一個(gè)控制器，用于至少根據(jù)輸送到燃燒室的空氣的溫度和廢氣產(chǎn)物中的氣體濃度來控制空氣輸送速度。該系統(tǒng)還可以包括一個(gè)流速傳感器，用于測量燃料輸送速度，其中控制器包括一個(gè)至少根據(jù)輸送到燃燒室中的空氣的溫度和測量到的燃料輸送的速度的控制器。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)面剖視圖；圖3是用于諸如本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中的斯特林循環(huán)機(jī)的雙活塞機(jī)器的交疊導(dǎo)向連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫截面圖；圖4是圖3中的交疊導(dǎo)向連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的透視圖；圖5a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用導(dǎo)熱銷的斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面圖；圖5b是圖5a中的導(dǎo)熱銷的放大細(xì)節(jié)透視圖；圖5c是圖5a中的加熱器頭組件的橫截面圖，該組件具有示意性地示出的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的導(dǎo)熱銷；圖6a是圖2中的斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的仰視透視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于提高氣流均勻性的分支管；圖6b是圖6a中的分支管系統(tǒng)的平面圖；圖7a顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料入口歧管的側(cè)面剖視圖；圖7b顯示了圖7a中的燃料入口歧管沿7b-7b切開的俯視剖視圖；圖7b顯示了圖7a中的燃料入口歧管沿7c-7c切開的俯視剖視圖；圖8是燃燒器和加熱器頭組件的剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溫度傳感器的布置；圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的丙烷的最佳的燃料-空氣比與空氣預(yù)熱溫度的關(guān)系。
優(yōu)選實(shí)施例現(xiàn)在參照圖2，顯示了斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖，總體用標(biāo)號28表示。盡管總體上將參照圖2所示的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來說明本發(fā)明，還是應(yīng)該理解很多種發(fā)動(dòng)機(jī)以及制冷機(jī)都同樣能從本發(fā)明的實(shí)施例和改進(jìn)中受益。圖2中所示的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)28的配置被稱作阿爾發(fā)(alpha)配置，其特征是壓縮活塞30和膨脹活塞32在各自不同的氣缸中進(jìn)行執(zhí)行運(yùn)動(dòng)壓縮活塞30在壓縮氣缸34中而膨脹活塞32在膨脹氣缸36中。阿爾發(fā)配置僅作為示例來討論，而不限制權(quán)利要求書的范圍。
除壓縮活塞30和膨脹活塞32之外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)28的主要部件包括加熱器64，換熱器66以及冷卻器68。統(tǒng)稱為活塞的壓縮活塞30和膨脹活塞32被限制在各自空間38和40內(nèi)進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。氣缸襯墊42可以墊著各氣缸表面。氣缸內(nèi)部接近加熱器64和冷卻器68的空間在此被分別稱為發(fā)動(dòng)機(jī)28的熱部和冷部。壓縮活塞30和膨脹活塞32的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的相對相(“相角”)由它們分別與位于曲軸箱46內(nèi)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)44的連接決定。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)44——下面將詳細(xì)討論——可以用于控制活塞的相對時(shí)間以及直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的互相轉(zhuǎn)換。壓縮活塞30和膨脹活塞32通過第一連桿48和第二連桿50分別連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)44。壓縮氣缸34的空間38通過導(dǎo)管45連接到冷卻器68，以使得工作流體循環(huán)冷卻。更詳細(xì)地說，導(dǎo)管45將壓縮空間38連接到包括冷卻器68、換熱器66和加熱器64的環(huán)形熱交換器。后面參照圖6討論了導(dǎo)軌45和環(huán)形風(fēng)冷盤47之間的氣流分支。
下面參照圖3和圖4討論驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)44的運(yùn)行。圖3是雙交疊導(dǎo)向連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剖視圖，總體用標(biāo)號300表示。圖3中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300包括兩個(gè)交疊的導(dǎo)向連接件303和313。活塞301和311分別是如上面參照圖2所述的斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的置換和壓縮活塞。在本說明書和權(quán)利要求書中，置換活塞是沒有密封的活塞或者有密封的活塞(一般作“膨脹”活塞)。置換活塞301在活塞連接點(diǎn)302上剛性地連接到導(dǎo)向連接件303的活塞端。導(dǎo)向連接件303在連桿連接點(diǎn)305處可旋轉(zhuǎn)地連接到連桿306?；钊B接點(diǎn)302和連桿連接點(diǎn)305確定了導(dǎo)向連接件303的縱軸。
連桿306在曲軸連接點(diǎn)307處可旋轉(zhuǎn)地連接到曲軸308，該連接點(diǎn)從曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326偏移一個(gè)固定的距離。曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326與導(dǎo)向連接件303的縱軸324正交，并且曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326位于連桿連接點(diǎn)305和活塞連接點(diǎn)302之間。在優(yōu)選的實(shí)施例中，曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326與縱軸324相交。
導(dǎo)向連接件303的末端328被限制在一對輥?zhàn)?04之間。在優(yōu)選的實(shí)施例中，其中一個(gè)輥?zhàn)?04彈性地安裝以維持與導(dǎo)向連接件303的旋轉(zhuǎn)接觸。通過輥?zhàn)?04和活塞301，導(dǎo)向連接件303的縱軸324保持與活塞氣缸322的縱軸在一條線上。隨著曲軸308繞曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326旋轉(zhuǎn)，連桿連接點(diǎn)305沿導(dǎo)向連接件303的縱軸324的直線路徑運(yùn)動(dòng)。
活塞301和導(dǎo)向連接件303形成一根杠桿，活塞301在杠桿一端，導(dǎo)向連接件303的末端328在杠桿的另一端。杠桿的支點(diǎn)在輥?zhàn)?04的中心所確定的線上。杠桿通過施加在連桿連接點(diǎn)305上的力安裝。隨著連桿連接點(diǎn)305沿導(dǎo)向連接件303的縱軸運(yùn)動(dòng)，連桿連接點(diǎn)305和支點(diǎn)、第一杠桿臂之間的距離將在零到活塞301的一個(gè)半行程距離之間變化。第二杠桿臂是從支點(diǎn)到活塞301的距離。第二杠桿臂與第一杠桿臂的杠桿比總是大于一，優(yōu)選在5到15之間?；钊?01上的側(cè)向力是施加在連桿連接點(diǎn)305上的力乘以杠桿比；杠桿比越大，活塞301上的側(cè)向力越小。
壓縮活塞311在活塞連接點(diǎn)312上剛性地連接到導(dǎo)向連接件313的活塞端。導(dǎo)向連接件313在連桿連接點(diǎn)315處可旋轉(zhuǎn)地連接到連桿316?；钊B接點(diǎn)312和連桿連接點(diǎn)315確定了導(dǎo)向連接件313的縱軸。連桿316在曲軸連接點(diǎn)317處可旋轉(zhuǎn)地連接到曲軸308，該連接點(diǎn)從曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326偏移一個(gè)固定的距離。導(dǎo)向連接件313的末端330被限制在一對輥?zhàn)?14之間。如上所述，在優(yōu)選的實(shí)施例中，其中一個(gè)輥?zhàn)?14彈性地安裝以維持與導(dǎo)向連接件313的旋轉(zhuǎn)接觸。導(dǎo)向連接件313的運(yùn)行類似上述對導(dǎo)向連接件303的說明。通過輥?zhàn)?14和活塞311，導(dǎo)向連接件313的縱軸保持與活塞氣缸320的縱軸在一條線上。隨著曲軸308繞曲軸的旋轉(zhuǎn)軸326旋轉(zhuǎn)，連桿連接點(diǎn)315沿導(dǎo)向連接件313的縱軸的直線路徑運(yùn)動(dòng)。
圖4是圖3中的雙交疊導(dǎo)向連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的透視圖。壓縮活塞311和置換活塞301在各自不同的氣缸中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)壓縮活塞311在壓縮氣缸320中而置換活塞301在膨脹氣缸322中。導(dǎo)向連接件303和導(dǎo)向連接件313分別在活塞連接點(diǎn)302和312處與置換活塞301和壓縮活塞311剛性連接(如圖3中所示)。連桿306和316在導(dǎo)向連接件303和313的末端的連接點(diǎn)305和315處可旋轉(zhuǎn)地與曲軸308的曲軸連接點(diǎn)307和317連接(如圖3中所示)。導(dǎo)向連接件303和313上的側(cè)向載荷由成對輥?zhàn)?04和314承受。
下面參考圖5a-5c，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的新型結(jié)構(gòu)的剖視圖，該結(jié)構(gòu)用于將大量熱能從燃燒源傳遞到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)28內(nèi)部。為了提高將燃燒器150產(chǎn)生的熱量從熱氣體300傳遞到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部空間306中所含的工作流體的效率，需要在加熱器64的兩側(cè)有大片濕的表面面積。要獲得大的表面面積，在加熱器64的內(nèi)表面312和外表面314上或者其中的一面上構(gòu)造了大量金屬銷310。構(gòu)造過程可以以較低成本完成，諸如通過熔模鑄造。金屬銷310不僅在加熱器64兩側(cè)增加濕的表面積，而且產(chǎn)生擾動(dòng)的紊流以加強(qiáng)流體的混合從而更加增強(qiáng)熱量的流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)還可以用于冷卻器68(如圖2所示)的傳熱或者任何其它需要在氣體間高效傳熱的應(yīng)用。圖5c顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)圖5a中所示的具有示意性地示出的導(dǎo)熱銷130和124的加熱器頭組件的剖視圖。在圖5c中，內(nèi)部導(dǎo)熱銷124和外部導(dǎo)熱銷130沿加熱器頭64兩側(cè)布置。
參照圖6a，顯示了頭部導(dǎo)管400的透視圖，導(dǎo)管用于在壓縮空間38和流體流過熱交換網(wǎng)，即經(jīng)過冷卻器頭部68，又流過換熱器66(如圖2所示)，并經(jīng)過加熱器頭64(如圖2所示)而形成的環(huán)形區(qū)域之間提供工作流體。工作流體的環(huán)流在環(huán)形頭47處達(dá)到頂點(diǎn)，分支導(dǎo)管400連接到環(huán)形頭47以在氣缸空間38和這個(gè)頭部47的環(huán)形區(qū)域之間產(chǎn)生等長的流動(dòng)通道。通過使得環(huán)流區(qū)域和氣缸空間之間的每一部分的流阻基本相等，可有利地減少因?yàn)榻?jīng)熱交換器的流動(dòng)不統(tǒng)一造成的損失，并且，工作流體在限于熱交換區(qū)域內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)以及為機(jī)械功的目的的損失可以最小化。圖6b顯示了圖6a中的分支導(dǎo)管400的系統(tǒng)“展開”的平面圖，示出了流體通過在壓縮空間38和環(huán)形頭部47之間的分支導(dǎo)管400中的流通。
盡管斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能提供高的熱效率和低的污染物排放，但是這些目標(biāo)尤其是對用于加熱圖8中的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器頭808的燃燒器806有熱效率需求。這種熱效率的組成包括有效地將氧化劑(通常是空氣，在此處以及權(quán)利要求書中用作“空氣”而不作為限制)泵壓經(jīng)過燃燒器806以燃燒，以及回收排出加熱器頭808的熱量。在很多應(yīng)用中，空氣(或其它氧化劑)在燃燒前被預(yù)熱到接近加熱器頭808的溫度，以便獲得所稱的熱效率目標(biāo)。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器頭被加熱后燃燒氣體中仍有相當(dāng)多的熱能殘留，并且，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，可以用熱交換器將廢氣中的熱量傳遞給引入燃燒器之前的空氣。為了得到高效率和低排放，燃燒器必須基本上完全燃燒。為了基本達(dá)到完全燃燒，定量的空氣以及清潔的燃料——優(yōu)選丙烷——被送入燃燒器。為了在燃燒器中點(diǎn)燃火焰以及在燃燒后的清潔排放，燃料流和空氣流的比例被控制。燃料和空氣還必須充分混合保證足量氧氣以限制一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔锏呐欧?，并且，另外還必須在足夠低的火焰溫度下燃燒以限制氮氧化物(NOx)的形成。
預(yù)熱空氣的高溫，對于獲得高的熱效率是需要的，但使得達(dá)到低排放的目標(biāo)復(fù)雜化，因?yàn)檫@使得燃料和空氣難于混合并需要大量額外空氣來限制火焰溫度。在本說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語“自燃溫度”指在現(xiàn)有的空氣和燃料壓力條件下，無需降溫催化劑燃料即可燃燒的溫度。通常預(yù)熱空氣溫度超過多數(shù)燃料的自燃溫度，潛在地引起燃料-空氣混合物在進(jìn)入燃燒室之前即發(fā)生燃燒。解決此問題的一個(gè)方案是使用非預(yù)混擴(kuò)散火焰。然而，這種擴(kuò)散火焰沒有充分混合，導(dǎo)致釋放出高于合乎需要的CO、HC和NOx。在Turns的An Introduction toCombustionConcepts and Applications，(McGraw-Hill，1996)一書中提供了對火焰動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)評述，這里引入本文中作為參考。所提供的用于限制火焰溫度的任何額外氣流一般會(huì)增加空氣泵或鼓風(fēng)機(jī)消耗的能量，因此降低發(fā)動(dòng)機(jī)總體效率。
根據(jù)本發(fā)明，低排放和高效率可以通過即使存在被加熱到燃料自燃溫度以上的空氣也產(chǎn)生預(yù)混的火焰來實(shí)現(xiàn)，并且，通過使空氣入口和火焰區(qū)域之間的壓降最小化，從而使鼓風(fēng)機(jī)功耗最小化。
術(shù)語“火焰速度”指火焰鋒通過特定的燃料-空氣混合物的速度。在說明書和權(quán)利要求中，術(shù)語“燃燒軸線”指流體燃燒時(shí)主要流體的流體方向。
下面參照圖7a-7c，顯示一種根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)或其它燃燒應(yīng)用中的入口歧管699。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，燃料與可以被加熱到燃料自燃溫度以上的空氣進(jìn)行預(yù)混，并且在燃料與空氣充分混合并處在燃燒室809(如圖8所示)之前，防止出現(xiàn)火焰。圖7a顯示了一種包含一個(gè)入口歧管699和一個(gè)燃燒室710的裝置的優(yōu)選實(shí)施例。入口歧管699具有一個(gè)帶有入口歧管703以接收通過鼓風(fēng)機(jī)728供應(yīng)的空氣700的軸對稱的管道701?？諝?00被預(yù)熱至一定溫度，通常在1000K以上，該溫度可能高于燃料的自燃溫度。管道701相對于燃燒軸線720將空氣700徑向向內(nèi)地引導(dǎo)至設(shè)在管道701內(nèi)的渦流式噴嘴702。
圖7b顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括渦流式噴嘴702的管道701的剖面圖。在圖7b的實(shí)施例中，渦流式噴嘴702具有幾個(gè)螺旋形葉片730，用于徑向地向內(nèi)引導(dǎo)空氣700并向空氣施加旋轉(zhuǎn)分力。受到渦流式噴嘴葉片730的長度限定，管道701的渦流式噴嘴部分的直徑從渦流式噴嘴702的入口732到出口734減小。渦流式噴嘴葉片730的直徑下降提高了空氣700的流速，所述流速與直徑大致成反比。流速增加直至超過燃料火焰的速度。在渦流式噴嘴702的出口734處，燃料706被注入向內(nèi)流的空氣中，在一優(yōu)選實(shí)施例中，燃料為丙烷。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，如圖7c所示，利用燃料注射器704通過許多噴嘴736將燃料706注入。圖7c更詳細(xì)地顯示了管道701的剖面圖，并且?guī)в腥剂献⑷雵娮?36。每個(gè)噴嘴736都設(shè)在渦流式噴嘴葉片730的出口，并位于兩個(gè)相鄰的葉片正中間。噴嘴736以提高空氣和燃料的混合效率的方式設(shè)置。燃料噴嘴736的尺寸被控制以提供噴射的燃料，并且至少延伸跨過管道701的一半(如圖7a和7b所示)。計(jì)算燃料噴嘴736尺寸的方法是本領(lǐng)域內(nèi)公知的，Boer和Chigier的“Combustion Aerodynamics”(John Wiley&Sons，1972)一書對此進(jìn)行了說明。同時(shí)噴嘴736穿過氣流700注入燃料706。因?yàn)闅饬鞯乃俣缺然鹧嫠俣瓤?，即使空氣的溫度和燃料混合物的溫度超過燃料的自燃溫度，在該點(diǎn)也不會(huì)出現(xiàn)火焰。在采用丙烷的優(yōu)選實(shí)施例中，由加熱器頭溫度所控制的預(yù)熱溫度大約為900K。
再參照圖7a，現(xiàn)在已混合的空氣和燃料，這里將其稱為“空氣-燃料混合物”709，沿通過喉管708的方向移動(dòng)，所述喉管708具有流線型外殼722并與管道701的出口707連接。通過燃料調(diào)節(jié)器724提供燃料706。喉管708具有內(nèi)徑714和外徑716?？諝?燃料混合物是從基本橫向并相對于燃燒軸線720徑向朝內(nèi)的方向移動(dòng)到基本平行于燃燒軸線的方向。喉管708的外殼722的外形為倒置的鐘形，使得喉管708從喉管入口711到出口712的橫截面相對于燃燒軸線保持不變。外殼722的外形光滑，沒有階梯，并且保持從渦流式噴嘴出口到喉管708的出口的流速，以避免混合物分離及沿著任一表面引起的回流。不變的橫截面面積使空氣和燃料繼續(xù)混合，而不減小流速并引起壓力降。光滑及不變的橫截面產(chǎn)生高效的渦流式噴嘴，其中渦流式噴嘴的效率指轉(zhuǎn)換為渦流動(dòng)壓的穿過渦流式噴嘴的靜壓降的部分。通過應(yīng)用本發(fā)明，一般可達(dá)到高于80％的渦流效率。因此，可將燃燒空氣風(fēng)扇的渦流動(dòng)力消耗降至最小。
喉管出口712向外張開，使空氣-燃料混合物709擴(kuò)散到室710中，放慢空氣-燃料混合物709的速度，從而定位并容納火焰，并引起形成環(huán)形火焰。如本領(lǐng)域公知的，渦流式噴嘴702產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力產(chǎn)生出穩(wěn)定環(huán)形渦流的火焰。
如上所述，為了在燃燒器中點(diǎn)燃火焰以及在燃燒后的清潔排放，燃料流和空氣流的比例被控制。參照圖7a，燃燒器控制器726被用于控制分別由燃料調(diào)節(jié)器724和鼓風(fēng)機(jī)728提供的燃料流和空氣流的速度。燃料調(diào)節(jié)器724被設(shè)置一個(gè)用于點(diǎn)燃火焰的初始值。一旦火焰點(diǎn)燃了，燃燒器控制器726就改變?nèi)剂狭鞯乃俣纫钥刂朴深^部溫度傳感器804(如圖8所示)測量的加熱器頭溫度。當(dāng)火焰探測器探測到火焰的存在就認(rèn)為點(diǎn)燃了火焰。有幾種火焰探測器，包括本領(lǐng)域公知的熱電偶和紫外線探測器。
燃燒空氣鼓風(fēng)機(jī)728的輸出(或者空氣質(zhì)量流速)由燃燒器控制器726設(shè)置，以控制燃燒室809中的燃料-空氣比(如圖8所示)。燃料-空氣比是燃料質(zhì)量流速與空氣質(zhì)量流速之比，并且是影響排放的主要因素。鼓風(fēng)機(jī)728通過相對燃料質(zhì)量流速增加或減少空氣質(zhì)量流速來控制燃料-空氣比。例如，為了保持燃料-空氣比恒定，燃燒器控制器726將在燃料調(diào)節(jié)器724增加其輸出時(shí)增加鼓風(fēng)機(jī)輸出，反之亦然。理想的燃料-空氣比和燃料流速可能同時(shí)改變，因此燃燒器控制器726將改變鼓風(fēng)機(jī)728的輸出以適應(yīng)理想燃料-空氣比和燃料流速的同時(shí)變化。
要使一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(NOx)的排放最小化，需要低含量燃料-空氣混合物，這還能達(dá)到完全燃燒。低含量燃料-空氣混合物較化學(xué)配比混合物(亦即，每克丙烷15.67克空氣)含有較多的空氣。隨著更多的空氣加入定量的燃料中，CO、HC和NOx的排放將下降，直至在燃料-空氣混合物中空氣的量大到使火焰不穩(wěn)定。此時(shí)，小部分燃料-空氣混合物將通過燃燒器而未完全燃燒。燃料-空氣混合物不完全燃燒將產(chǎn)生大量CO和HC。隨著更多空氣加入燃料-空氣混合物中，CO和HC的排放將迅速增加，直至火焰在“稀吹熄”(Lean Blow-Out，LBO)限制下熄滅。LBO將隨著進(jìn)入的空氣(即預(yù)熱的空氣)的溫度升高而增加。結(jié)果，最佳的燃料-空氣混合物的燃料-空氣比在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱升溫階段期間隨著預(yù)熱溫度的升高而下降。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱起來了，燃料-空氣比將保持恒定。
因此，首先必須控制燃料-空氣比以提供用于點(diǎn)火的優(yōu)化燃料-空氣比。一旦認(rèn)為火焰點(diǎn)燃了，就根據(jù)預(yù)熱空氣的溫度和燃料類型控制燃料-空氣比使得排放最小化。當(dāng)增加或減小燃料流速以調(diào)節(jié)加熱器頭溫度時(shí)，也調(diào)節(jié)空氣流速以保持理想到燃料-空氣比。
給定的燃料僅能在有限的燃料-空氣比范圍內(nèi)被點(diǎn)燃。點(diǎn)火時(shí)，根據(jù)所用的燃料選擇一個(gè)等于或小于化學(xué)配比的點(diǎn)火用燃料-空氣比。在使用丙烷的優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)火用燃料-空氣比被設(shè)置為每克空氣0.1克丙烷。點(diǎn)火用燃料-空氣比一直維持到火焰穩(wěn)定且燃燒室內(nèi)部溫度上升到預(yù)熱升溫的溫度。參照圖8，燃燒室809的溫度通常通過測量加熱器頭808的溫度來確定或使用預(yù)定時(shí)間間隔等燃燒室變熱。可以使用諸如熱電偶804的溫度傳感器測量加熱器頭808的溫度。在優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)火用燃料-空氣比一直保持到加熱器頭溫度達(dá)到300℃且火焰點(diǎn)燃5秒。
一旦火焰穩(wěn)定，且燃燒室809的溫度達(dá)到理想的預(yù)熱升溫溫度，就根據(jù)空氣預(yù)熱溫度和燃料類型控制燃料-空氣比。如上所述，燃料-空氣混合物的最佳的燃料-空氣比901隨著預(yù)熱空氣903的溫度增加而降低，如圖9所示。預(yù)熱空氣的溫度用一個(gè)溫度傳感器測量，諸如空氣渦流式噴嘴802中連接到燃燒室806的熱電偶810，如圖8所示?？諝忸A(yù)熱溫度也可以從加熱器頭808的溫度減去幾百攝氏度來推斷得到。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將加熱器頭溫度減去300℃作為空氣預(yù)熱溫度。
最佳的燃料-空氣比首先將隨預(yù)熱空氣溫度從一個(gè)用于室溫空氣的“起始”燃料-空氣比下降到一個(gè)用于預(yù)熱過的空氣的“運(yùn)行”燃料-空氣比。當(dāng)空氣的溫度超過已知的燃料的自燃溫度時(shí)即認(rèn)為完全預(yù)熱了。例如，丙烷的自燃溫度是490℃。在燃料是丙烷的優(yōu)選實(shí)施例中，“起始”燃料-空氣比是每克空氣0.052克燃料，這導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的排放中大約有4％的氧氣。該實(shí)施例中的“運(yùn)行”燃料-空氣比是每克空氣0.026克燃料，這使得斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的排放中大約有13％的氧氣。
燃料-空氣比可以通過測量空氣和燃料流速來確定?？梢允褂靡粋€(gè)壓力傳感器測量鼓風(fēng)機(jī)728處的空氣流速(如圖7a所示)。燃料流速可以通過測量燃料調(diào)節(jié)器724的一組燃料控制閥上游和下游的壓力(如圖7a所示)以及監(jiān)測當(dāng)前哪個(gè)閥打開著來確定。在一個(gè)可選實(shí)施例中，燃料-空氣比可以基于測量到的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氧氣容量來確定?？梢詫⒁粋€(gè)氧氣傳感器放在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)以對廢氣采樣并測量發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氧氣百分比。
本文中所述的裝置和方法可用在除本發(fā)明所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)之外的其它用途中。本發(fā)明的所述實(shí)施例僅是示例性的，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，許多改變和修正都是顯而易見的。所有這些改變和修正都將落入權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種在具有加熱器頭的外燃機(jī)的燃燒器中燃燒燃料和空氣的方法，燃料和空氣被混合成一種具有特定比例的燃料-空氣混合物，當(dāng)所述燃料-空氣混合物燃燒時(shí)將產(chǎn)生廢氣，該方法包括點(diǎn)燃由第一空氣流速和燃料流速構(gòu)成的第一燃料-空氣比的燃料-空氣混合物以形成火焰；增加空氣流速以產(chǎn)生第二燃料-空氣比；至少根據(jù)加熱器頭溫度控制燃料流速；以及至少根據(jù)燃料流速調(diào)節(jié)空氣流速將火焰維持在第二燃料-空氣比。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二燃料-空氣比是通過至少根據(jù)廢氣中的氧氣濃度調(diào)節(jié)空氣流速來維持的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二燃料-空氣比是通過至少根據(jù)燃料流速和空氣溫度調(diào)節(jié)空氣流速來維持的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二燃料-空氣比是通過至少根據(jù)空氣溫度和廢氣中氧氣的濃度調(diào)節(jié)空氣流速來維持的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將具有自燃溫度和火焰速度的燃料和空氣點(diǎn)燃的步驟包括以高于火焰速度的速度將空氣推入一個(gè)喉管的入口，該喉管還具有一個(gè)出口以及一個(gè)從入口到出口截面恒定的區(qū)域，以及將燃料混到空氣中形成燃料-空氣混合物，該燃料-空氣混合物脫離出口，使得在喉管的出口外的燃料-空氣混合物中產(chǎn)生火焰。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，燃料具有自燃溫度，而燃料-空氣混合物在低于或等于燃料自燃溫度的第一空氣溫度下被點(diǎn)燃。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，燃料具有自燃溫度，而火焰維持在高于燃料自燃溫度的第二空氣溫度。
8.一種用于操作具有加熱器頭的熱力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的系統(tǒng)，該燃燒室以一條燃燒軸線為特征，并且用于通過在空氣中燃燒燃料以產(chǎn)生熱量和廢氣來向加熱器頭傳熱，該系統(tǒng)包括一個(gè)渦流式噴嘴，該噴嘴相對燃燒室的燃燒軸線是軸對稱的，用于向內(nèi)輸送空氣流；一個(gè)燃料噴射器，用于將燃料以這樣的方式噴到徑向向內(nèi)流的空氣中——即空氣和燃料混合形成具有特定空氣-燃料比的空氣-燃料混合物；一個(gè)燃料供應(yīng)調(diào)節(jié)器，用于以特定的燃料輸送速度輸送燃料；一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，用于將空氣以特定空氣流速輸送到燃燒器從而產(chǎn)生特定的空氣-燃料比；一個(gè)渦流式噴嘴空氣溫度傳感器，用于測量輸送到燃燒室的空氣溫度；以及一個(gè)控制器，用于至少根據(jù)輸送到燃燒室的空氣溫度來控制輸送空氣的速度。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)加熱器頭溫度傳感器，用于測量加熱器頭溫度；以及一個(gè)控制器，用于至少根據(jù)加熱器頭溫度控制燃料輸送速度。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)氣體成分傳感器，用于監(jiān)測燃燒器的廢氣產(chǎn)物中的氣體濃度，其特征在于，用于控制空氣輸送速度的控制器包括一個(gè)至少基于輸送到燃燒室的空氣的溫度和廢氣產(chǎn)物中的氣體濃度來進(jìn)行控制的控制器。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)流速傳感器，用于測量燃料輸送速度，其特征在于，用于控制空氣輸送速度的控制器包括一個(gè)至少根據(jù)輸送到燃燒室中的空氣的溫度和測量到的燃料輸送的速度來進(jìn)行控制的控制器。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)加熱器頭溫度估算空氣溫度。
全文摘要
一種在具有加熱器頭的外燃機(jī)的燃燒器中燃燒燃料和空氣的方法。燃料和空氣被混合成一種具有特定比例的燃料－空氣混合物。當(dāng)所述燃料－空氣混合物在所述外燃機(jī)的燃燒器中燃燒時(shí)將產(chǎn)生廢氣。通過點(diǎn)燃由第一空氣流速和燃料流速構(gòu)成的第一燃料－空氣比的燃料－空氣混合物將形成火焰。然后增加空氣流速以產(chǎn)生第二燃料－空氣比。燃料流速也根據(jù)外燃機(jī)的加熱器頭的溫度受到控制。根據(jù)燃料流速調(diào)節(jié)空氣流速將火焰維持在第二燃料－空氣比。外燃機(jī)例如可以是斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。
文檔編號F16H21/30GK1408052SQ01805939
公開日2003年4月2日 申請日期2001年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月2日
發(fā)明者迪安·L·卡門, 邁克爾·諾里斯, 克里斯多佛·C·蘭根菲爾德 申請人:新動(dòng)力概念有限公司