JP4837865B2 - 熱サイクルエンジンのバーナへの燃料及び空気の配送を制御する装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、スターリングサイクル熱機関又は冷蔵庫の改良に関し、特に、熱機関の作動効率を高めかつ寿命を長くし、また、それを小型化し、複雑さを少なくしコストを安くすることに貢献するスターリングサイクル熱機関又は冷蔵庫の改良に関する。
【０００２】
【背景技術】
スターリングマシーンは、熱機関及び冷蔵庫を含み、オックスフォード・ユニバシティ・プレス（１９８０）刊行のウォーカ（Walker）による「スターリングエンジン」に説明されるように、長い技術的遺産を有する。この刊行物は参照のためにここに組み入れられる。スターリングサイクル機関の原理は、スターリング熱力学サイクル、即ち、シリンダ内のガスの等積加熱と、該ガスの（ピストンを駆動することによってなされる仕事の間の）等温膨脹と、等積冷却と、等温圧縮の機械的達成である。スターリングサイクル冷蔵庫はまた、その理想スターリング熱力学サイクルを近似する熱力学サイクルの機械的達成である。理想スターリング熱力学サイクルにおいて、作動油は、等積加熱、等温膨脹、等積冷却及び等温圧縮の連続するサイクルを受ける。段階が等積でも等温でもないこのサイクルの現実的な達成は本発明の範囲に含まれ、また、請求される本発明の範囲の限定のない理想ケースの説明として明細書において言及される。
【０００３】
本発明の種々の局面はスターリングサイクル機関と、スターリングサイクル冷蔵庫の両方に適用することができ、この機関と冷蔵庫は、明細書及び特許請求の範囲において集合的にスターリングサイクルマシンとして言及される。
【０００４】
スターリングサイクル機関の作動原理は図１ａ−１ｆに関して説明される。図において同じ又は同様な要素に同様な番号を用いている。スターリングサイクル機関の多くの機械的レイアウトは従来技術において公知であり、番号１０で示す一般的に構成されたスターリングサイクル機関は単に例示的な目的で示すものである。図１ａ−１ｄにおいて、ピストン１２（ここでは、圧縮ピストンとも言われる）と、第２ピストン（これは「膨脹ピストン」としても知られている）はシリンダ１６内で同期往復運動を行う。圧縮ピストン１２と、膨脹ピストン１４は、互いに分離しているが相互に連結されたシリンダ内で運動することができる。ピストンシール１８，１８は、ピストン１２とピストン１４との間でシリンダ１６内に含まれる作動油の流れがいずれかのピストン１２の回りに逃げることを防止する。作動油は、以下で議論するように、その熱力学特性によって選択され、それは典型的には数気圧のヘリウムである。膨脹ピストン１４の位置によって定まる作動油の容積は膨脹スペース２２と呼ばれる。圧縮ピストン１２の位置によって定まる作動油の容積は圧縮スペース２４と呼ばれる。図示の構造のスターリング機関１０あるいはその他の構造のスターリング機関１０であれ、膨脹スペース２２と圧縮スペース２４の間で作動油を流すために、作動油は再生器２６を通る。再生器２６は表面積対体積の比率が大きい材料のマトリックスであり、熱い作動油が膨脹スペース２２から入るときにそれから熱を吸収し、そして、作動油が圧縮スペース２４から再生器を通って膨脹スペース２２に戻るときに作動油を加熱する役目を果たす。
【０００５】
機関のサイクルの第１フェーズの間に、その開始条件は図１ａに表されており、ピストン１２が圧縮スペース２４において作動油を圧縮する。圧縮は一定の温度下で生じる。なぜならば、熱が作動油から周囲環境へ抽出されるからである。実際には、以下に説明するように冷却器６８（図２に示す）が備えられる。
【０００６】
圧縮後の機関１０の状態が図１ｂに示される。サイクルの第２フェーズの間に、膨脹ピストン１４は圧縮ピストンと同期して運動し作動油の一定容積を維持する。作動油は膨脹スペース２２に移送されるので、再生器２６を通りそれから熱を得て圧力が大きくなる。移送フェーズの最後において、作動油の圧力はより高く、そして、図１ｃに示すように膨脹スペース２２内に含まれる。
【０００７】
機関のサイクルの第３フェーズ（膨脹）の間、熱が機関の外部から引き込まれて熱を仕事に変換するので、膨脹スペース２２の容積は増加する。実際には、熱はヒータ６４（図２に示す）によって膨脹スペース２２内の作動油に与えられる。このことについては、以下に詳細に説明する。膨脹フェーズの最後で、図１ｄに示すように、熱い作動油が膨脹スペース２２を満たす。機関のサイクルの第４フェーズの間、作動油は膨脹スペース２２から圧縮スペース２４へ移送され、作動油が再生器２６を通過するのでそれを加熱する。第２移送フェーズの最後において、作動油は、図１ａに示すように、圧縮スペース２４内に存在して、圧縮フェーズの繰り返しの準備ができた状態にある。スターリングサイクルは、図１ｅに示すように、Ｐ−Ｖ（pressure-volume；圧力−容積）図表で示され、また、図１ｆに示すように、Ｔ−Ｓ（temperature-entropy；温度−エントロピー）図表で示される。スターリングサイクルは、サイクル循環の間に作動油が典型的に取り替えられない閉サイクルである。
【０００８】
スターリングサイクル冷蔵庫の作動原理を図１ａ−１ｅに言及して説明することができる。これらの図において、同じ又は同様なパーツに同じ番号を使用している。上に説明した機関と冷蔵庫としてのスターリングマシンの差異は、圧縮スペース２２が典型的に周囲温度と熱連絡し、膨脹スペース２４が外部冷却負荷（図示省略）に繋がれている点である。冷蔵庫の運転はネットワーク入力を必要とする。
【０００９】
スターリングサイクル機関は一般的に実際的な応用に用いられていないが、スターリングサイクル冷蔵庫は、それを発展させるための気の遠くなるような工学的挑戦によって低温工学の特殊分野に限定されていた。こういった挑戦は効率、振動、寿命及びコストといったものを考慮する。本発明は、こういった考慮に向けられるものである。
【００１０】
【発明の開示】
燃料と空気を混合することにより変化する燃料空気比を有するように構成される燃料空気混合物であって、燃焼した際に排気ガスを生成する燃料空気混合物の前記燃料と空気を外燃機関のバーナで燃焼させる方法であって、第１空気流量及び１燃料流量によって生じる第１燃料空気比において前記燃料空気混合物に点火して火炎を形成し、前記第１空気流量を大きくして第２空気流量を生じさせ、少なくとも前記ヒータヘッドの温度に基づいて前記燃料流量を制御し、少なくとも前記空気の温度と、前記排気ガス生成物の酸素濃度に基づいて前記空気流量を調節することにより第２燃料空気比で前記火炎を維持することを含んでなる方法。
【００１１】
自動点火温度及び火炎速度を有する燃料と、空気を点火することは、入口から出口まで一定の断面積を有するスロートの該入口に前記火炎速度を超える速度で前記空気を推進させ、かつ、燃料を前記空気と混合して前記燃料空気混合物を形成し前記出口から排出させて前記スロートの出口の外側において前記空気燃料混合物内に火炎を形成させる。
【００１２】
発明の別の実施の形態によれば、第２燃料空気比は、排気ガスの酸素濃度に基づいて空気流量を調節することによって維持される。更に別の実施の形態において、第２燃料空気比は、少なくとも空気の温度と燃料流量に基づいて空気流量を調節することにより維持される。代替の実施の形態において、第２燃料空気比は、少なくとも空気の温度と排気ガスの酸素濃度に基づいて空気流量を調節することによって維持される。
【００１３】
ヒータヘッドを有する熱サイクル機関の燃焼器であって、燃焼軸によって特徴づけられる燃焼器を運転し、かつ、空気内において燃料を燃焼させて熱及び排気ガス生成物を生成することによって前記熱サイクル機関の前記ヒータヘッドに熱を配送するシステムであって、内方向に流れる空気を搬送するために前記燃焼器の前記燃焼軸に関して対象である、軸を有するスワラと、前記空気と燃料を混合して特定の空気燃料比を有する空気燃料混合物を形成するように、放射状に内方向に流れる前記空気内に燃料を噴射する燃料噴射器と、特定の燃料配送速度で燃料を配送する燃料供給調整器とを含んでなるシステム。
【００１４】
このシステムは、特定の空気燃料比を生じさせるように特定の空気流量において前記バーナに空気を配送するブロワと、前記燃焼器へ配送された空気の温度を測定するスワラ空気温度センサと、少なくとも前記燃焼器に配送された空気の温度に基づいて空気配送速度を制御するコントローラをさらに含む。
【００１５】
更なる実施の形態において、前記システムは、前記ヒータヘッドの温度を測定するヒータヘッド温度センサと、少なくとも前記ヒータヘッドの温度と前記燃焼器に配送された空気の温度に基づいて前記燃料配送速度を制御するコントローラとをさらに含む。
【００１６】
さらに別の実施の形態において、前記システムは、前記バーナの前記排気ガス生成物のガス濃度を監視するガス成分センサと、少なくとも前記燃焼器に配送された空気の温度と、前記排気ガス生成物のガス濃度とに基づいて空気配送速度を制御するコントローラとを含む。前記システムは燃料配送速度を測定する流量センサをさらに含んでなり、前記コントローラは、少なくとも前記燃焼器に配送された空気の温度と、前記測定された燃料配送速度とに基づくコントローラを含む。
【００１７】
添付の図面を参照してなされる以下の実施形態の詳細な説明を参照することにより本発明はより容易に理解されるであろう。
【００１８】
【発明の実施形態】
ここで、図２に言及し、スターリングサイクル機関の１実施の形態を番号２８で表し、断面で示す。発明を図２に示すスターリング機関を参照して一般的に述べるが、本発明の主題である種々の実施の形態や改良から生じる冷蔵庫、その他の多くの熱機関は同様に利点を有する。図２に示すスターリング機関２８の構造は、圧縮ピストン３０と膨脹ピストン３２がそれぞれ別のシリンダ内で線形運動を行い、即ち、圧縮ピストン３０が圧縮シリンダ３４内で、膨脹ピストン３２が膨脹シリンダ３６内で線形運動を行う特徴を有し、アルファ構造と呼ばれる。アルファ構造は単に例として説明するものであり、特許請求の範囲をそれに限定するものではない。
【００１９】
圧縮ピストン３０と膨脹ピストン３２に加えて、スターリング機関２８の主要構成要素として、ヒータ６４と、再生器６６と、冷却器６８が含まれる。圧縮ピストン３０と膨脹ピストン３２（集合的に両ピストンと呼ばれる）は、それぞれのピストンスペース３８，４０内で往復線形運動を行うように拘束される。シリンダライナ４２はそれぞれのシリンダ表面を裏打ちする。ヒータ６４と冷却器６８に近接するシリンダの内部スペースは、ここでの説明において、それぞれ機関２８の熱部及び冷却部と呼ばれる。圧縮ピストン３０と膨脹ピストン３２の往復線形運動の相対位相（「位相角」）はクランクケース４６内に収納された駆動機構４４に連結される両ピストンのカップリングによって支配される。以下により詳細に説明される駆動機構４４は、両ピストンの相対的タイミングを支配しかつ線形及び回転運動を変換するために使用される。圧縮ピストン３０と膨脹ピストン３２はそれぞれ、第１連結ロッド４８と、第２連結ロッド５０を介して駆動機構４４に連結される。圧縮シリンダ３４のスペース３８は、作動油を周期的に冷却するために、ダクト４５を介して冷却器６８に接続される。更に詳しくいうと、ダクト４５は、冷却器６８，再生器６６，ヒータ６４を含む管状の熱交換器に圧縮スペース３８を接続する。ダクト４５と環状プレナム４７との間の流れの分岐は図６に関連して以下に説明する。
【００２０】
駆動機構４４の作動についてここで図３及び図４を参照して説明する。図３は番号３００で示す２折り返しガイドリンク駆動機構の断面図である。図３の駆動機構は２つの折り返しガイドリンク３０３，３１３を含む。ピストン３０１，３１１はそれぞれ、図２に関して上で説明したスターリングサイクル機関のディスプレーサと、圧縮ピストンである。明細書及び請求の範囲で使用されるように、ディスプレーサピストンはシールを有さない、あるいは、シールを有するピストン（一般に、「膨脹」ピストンとして知られる）。ディスプレーサピストン３０１はピストン連結点３０２においてガイドリンク３０３のピストン端に堅固に連結される。ガイドリンク３０３はロッド連結点３０５において連結ロッド３０６に回転可能に連結される。ピストン連結点３０２とロッド連結点３０５はガイドリンク３０３の縦軸３２４を定める。
【００２１】
連結ロッド３０６は、クランクシャフト回転軸３２６から固定距離オフセットしたクランクシャフト連結点３０７においてクランクシャフト３０８に回転可能に連結される。クランクシャフト回転軸３２６はガイドリンク３０３の縦軸３２４に垂直であり、かつ、ロッド連結点３０５とピストン連結点３０２の間に配設される。好ましい実施の形態において、クランクシャフト回転軸３２６は縦軸３２４と交差する。
【００２２】
ガイドリンク３０３の一端３２８は一組のローラ３０４の間に拘束される。好ましい実施の形態において、ローラ３０４の１つはガイドリンク３０３との転がり接触を維持するためにばね負荷されている。ピストンシリンダ３２２に対するガイドリンク３０３の縦軸３２４のアライメントはローラ３０４とピストン３０１によって維持される。クランクシャフト３０８はクランクシャフト回転軸３２４回りに回転し、ロッド連結点３０５はガイドリンク３０３の縦軸３２４に沿った線形経路をたどる。
【００２３】
ピストン３０１とガイドリンク３０３はレバーの一端においてピストン３０１に対するレバーを形成し、レバーの他端においてガイドリンク３０３のロッド端３２８を形成する。レバーの支点はローラ３０４，３０４の両中心によって定められる直線上に位置する。レバーはロッド連結点３０５に作用する力によって負荷される。ロッド連結点３０５は、ガイドリンク３０３の縦軸に沿った経路をたどるので、ロッド連結点３０５と支点の間の距離、即ち、第１レバーアームは０からピストン３０１のストローク距離の半分の大きさまで変化する。第２レバーアームは支点からピストン３０１までの距離である。第１レバーアームに対する第２レバーアームのレバー比は常に１より大きく、好ましくは、５から１５である。ピストン３０１における横力は、前記レバー比によって倍率されるロッド連結点３０５において作用する力であり、レバー比が大きければ大きいほど、ピストン３０１に作用する横力は小さい。
【００２４】
圧縮ピストン３１１は、ピストン連結点３１２においてガイドリンク３１３のピストン端に堅固に連結されている。ガイドリンク３１３はロッド連結点３１５において連結ロッド３１６に回転可能に連結されている。ピストン連結点３１２及びロッド連結点３１５はガイドリンク３１３の縦軸を定める。連結ロッド３１６は、クランクシャフト回転軸３２６から固定距離オフセットしたクランクシャフト連結点３１７においてクランクシャフト３０８に連結される。ガイドリンク３１３の一端３３０は一対のローラ３１４間で拘束される。上に説明したように、好ましい実施の態様において、２つのローラ３１４のうちの１つはばね負荷されガイドリンク３１３に対する転がり接触を維持している。ガイドリンク３１３の作動はガイドリンク３０３に関して上に説明したものと同様である。ピストンシリンダ３２０に対するガイドリンク３１３の縦軸のアライメントはローラ３１４とピストン３０１によって維持される。クランクシャフト３０８がクランクシャフト回転軸３２６回りに回転するので、ロッド連結点３０５はガイドリンク３１３の縦軸に沿った線形経路をたどる。
【００２５】
図４は、図３に示す２ガイドリンク駆動機構の斜視図である。圧縮ピストン３１１とディスプレーサピストン３０１はそれぞれ別個のシリンダ内で、即ち、圧縮ピストン３１１は圧縮シリンダ３２０内で、ディスプレーサピストン３０１は膨脹シリンダ３２２内で線形運動を行う。ガイドリンク３０３とガイドリンク３１３はディスプレーサピストン３０１と圧縮ピストン３１１にそれぞれピストン連結点３０２と３１２において堅固に連結されている（図３参照）。連結ロッド３０６，３１６は、ガイドリンク３０３，３１３の遠位端の連結点３０５，３１５においてクランクシャフト３０８にクランクシャフト連結点３０７，３１７において回転可能に連結されている（図３参照）。ガイドリンク３０３，３１３に作用する横荷重はローラの組３０４，３１４によって受け取られる。
【００２６】
ここで、図５ａ−５ｃに言及すると、燃焼源からスターリングサイクル機関２８の内部に多量の熱を移送するための、本発明の実施の形態に従う新規な構造の断面を図に示す。バーナ１５０によって生成したガス３００から機関の内部空間３０６に含まれる作動油への熱の移送効率を良くするために、ヒータヘッド６４のいずれかの側面に湿潤した大きな表面積が必要である。大きな表面積を得るために、ヒータヘッド６４の内面３１２と外面３１４のいずれか又は両方に多数の金属ピン３１０を設けている。金属ピンは焼き流し精密鋳造のような方法を用いて低コストで作ることができる。金属ピン３１０はヒータヘッド６４のいずれかの側面に湿潤した表面積を増やすだけではなく、作動油をよりよく混ぜて熱流をより促すような急激なウェイクを生成させる。この構造は、冷却器６８における熱移送のため、あるいは、２つのガス空間の間で必要とされる十分な熱移送が必要とされる如何なる応用における熱移送のために採用することができる。図５ｃは本発明の好ましい実施の形態に従い概略的に示す熱移送ピン１３０，１２４を備える図５ａのヒータヘッドアセンブリの断面図である。図５ｃにおいて、内側熱移送ピン１２４と外側熱移送ピン１３０はヒータヘッド６４の両側に沿って位置する。
【００２７】
図６ａに言及すると、この図はヒータダクト４００のシステムの斜視図であり、該ダクトシステムは作動油を熱交換器ネットワークを介して、即ち、冷却器ヘッド６８、再生器６６（図２に示す）、そしてヒータヘッド６４（図２に示す）を介して圧縮スペース３８と、該作動油の環状領域との間に流す。作動油の環状流は環状ヘッダ４７で終端する。シリンダスペース３８と、ヘッダ４７の全環状領域の間に等しい長さの複数の環状流路を創成するために、この環状ヘッダ４７に分岐ダクト４００が連結されている。環状流領域の全部の部分とシリンダスペースの間の流れ抵抗をほぼ等しくすることによって、熱交換器を通る不均一な流れによるロスを減少させることができ、しかも、熱交換領域に閉じこめられ、それにより機械的仕事のために失われるループ内の作動油の流れを最小にすることができる。図６ｂは、図６ａの分岐ダクト４００のシステムの「覆われていない」姿の概略平面図であり、分岐ダクト４００を介した圧縮スペース３８と環状ヘッダ４７の間の流体の連通を示すものである。
【００２８】
スターリング機関は高い熱効率を与えることができ、かつ汚染物質の排出量を少なくすることができ、こういった目標は、熱効率要件、特に、図８に示すようなスターリング機関のヒータヘッド８０８を加熱するために用いるバーナ８０６の熱効率要件を課す。そのような熱効率の要素は、燃焼させるため及びヒータヘッド８０８から去る熱い排気ガスを取り戻すためにバーナ８０６を介したオキシダント（典型的には空気であるが、空気に限定するものではなく、ここでの説明及び請求の範囲においてオキシダントという）の効率的なポンピングを含む。多くの応用において、空気（その他のオキシダント）は、燃焼の前に、ヒータヘッド８０８の温度近くまで加熱されて上述の熱効率目標を達成する。スターリング機関のヒータヘッドが加熱された後も、いまだ燃焼ガス内にかなり多量のエネルギが残っており、そして、当業者に知られるように、バーナに燃焼空気を送る前に、排気ガスから燃焼空気に熱を移送するために熱交換器が用いられる。高い熱効率と低排出量を達成するために、バーナはほぼ完全な燃焼を与えなければならない。ほぼ完全な燃焼を与えるために、きれいな燃焼燃料、好ましくはプロパンと共に計量された空気量をバーナに送らなければならない。燃料及び空気の流量は、バーナでの炎の着火のため及び着火後のクリーンな排出のために制御されなければならない。燃料と空気は、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の排出を削減するために十分な量の酸素と十分に混合されなければならないし、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成を削減するために十分に低い火炎温度で燃焼されなければならない。
【００２９】
高い熱効率を達成するために望ましい予熱空気の高温は、燃料と空気を予め混合することを困難にし、また、火炎温度を制限するために多量の過剰空気を必要とするので低排出目標を達成することが面倒になる。ここでの説明及び請求の範囲で用いられる用語「自動点火温度」は、空気と燃料の圧力の現在の条件下で減温触媒を用いることなく燃料が点火する温度をいう。典型的な予熱された空気温度はほとんどの燃料の自動点火温度を超え、燃料空気混合物が燃焼器（燃焼室）に入る前にそれを着火させる。この問題に対する一つの解決法は、事前に混合されていない拡散火炎を用いることである。しかしながら、そういった拡散火炎はよく混合されないので、望まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘ排出量以上の量が生じることになる。火炎動力学の詳細な議論はターンズ（Turns）著の「燃焼の序：概念及び応用」（マクグロウヒル１９９６年刊行）によって与えれている。この文献は、参照のためにここに組み入れられる。火炎温度を制限するために空気流量を大きくして与えることは、典型的にエアポンプ又はブロワによって消費される動力を増加させ機関の全体的効率を落とすことになる。
【００３０】
本発明によれば、燃料の自動点火温度以上に加熱された空気が存在するときでさえ事前に混合された火炎を生成することにより、かつ、それに加えて、空気入口と火炎領域間の圧力降下を最小にしてブロワの動力消費を最小にすることにより、低排出量かつ高効率を提供することができる。
【００３１】
用語「火炎速度」は、火炎面が特定の燃料空気混合物の中を伝搬する速度をいう。明細書及び請求の範囲において、用語「燃焼軸」とは、流体が燃焼するときの支配的な流体の流れの方向をいう。
【００３２】
図７ａ−７ｃに言及し、本発明の実施の形態に従うスターリングサイクル機関又はその他の燃焼応用例に適用される取入れマニホルド６９９を示す。発明の好ましい実施の形態によれば、燃料はその自動点火温度以上の温度に加熱された空気と事前に混合され、燃料と空気が燃焼器８０９（図８に示す）内でよく混合されるまで火炎が形成されることが防止される。図７ａは装置の好ましい実施の形態を示すものであり、ここでは装置は取入れマニホルド６９９と燃焼器７１０を含む。取入れマニホルド６９９は、ブロワ７２８を介して供給される空気７００を受ける取入れマニホルド７０３を備える軸対象のコンジット７０１を有する。空気７００はある温度、典型的に１０００Ｋ（この温度は燃料の自動点火温度を超えるかもしれない）まで予熱される。コンジット７０１は、燃焼軸７２０に関して放射状に内側に流れる空気７００をコンジット７０１内に配設されたスワラ７０２に運ぶ。
【００３３】
図７ｂは、本発明の実施の形態に従うスワラ７０２を含むコンジット７０１の断面を含む。図７ｂの実施の形態において、スワラ７０２は、空気７００の流れを放射状に内側に向けかつ空気に回転成分を与えるためのいくつかの螺旋形の羽根７３０を有する。コンジットのスワラ部分の直径は、スワラの羽根７３０の長さによって決まり、スワラ７０２の入口から出口へ向かって小さくなる。スワラの羽根７３０の直径が減少することで空気７００の流量がほぼ該直径に反比例して増える。空気流量は、燃料の火炎速度を超えるように大きくなる。スワラ７０２の出口７３４において、燃料７０６（好ましい実施の形態においてプロパン）は内側に向かって流れる空気に噴射される。
【００３４】
好ましい実施の形態において、燃料７０６は、図７ｃに示す一連のノズル（燃料噴射口）を介して燃料噴射装置７０４によって噴射される。更に詳しく説明すると、図７ｃはコンジット７０１の断面を示すものであり、燃料噴射ノズル７３６を含んで示すものである。各ノズル７３６はスワラの羽根７３０の出口に位置され、２つの隣接する羽根の中心（中間）に位置される。このように、ノズル７３６は、空気と燃料を混合する効率を高めるように位置されている。燃料噴射ノズル７３６のサイズは、噴射された燃料がコンジット７０１（図７ａ、７ｂに示す）を横切る少なくとも半分の道のりに広がるようなサイズにされる。燃料噴射ノズル７３６のサイズを決定する計算方法は公知であり、John Wiley &Sonsの１９７２年刊行のボア及びチギア（Boer &Chigier）著の「燃焼空力学」に説明されている。ノズル７３６は、空気流７００を横切るように燃料７０６を同時に噴射する。空気流は火炎速度よりも速いため、空気燃料混合物の温度が燃料の自動点火温度を超えている時点でさえ、火炎は形成されない。プロパンが使用される好ましい実施の形態において、ヒータヘッドの温度によって支配される予熱温度は約９００Ｋである。
【００３５】
再び図７ａを参照すると、今混合された空気と燃料（本説明において「空気燃料混合物」７０９という）は、コンジット７０１の出口７０７に取り付けられ成形フェアリング７２２を備えるスロート７０８を通る方向に移送される。燃料７０６は燃料調整器７２４を介して供給される。スロート７０８は内半径７１４と、外寸法７１６を有する。空気燃料混合物の移送は、燃焼軸７２０のほぼ横方向かつ放射状に内方向の方向から燃焼軸７２０にほぼ平行な方向になされる。スロート７０８のフェアリング７２２の輪郭は、燃焼軸に関するスロート７０８の断面積がスロートの入口７１１から出口７１２まで一定のままとなるように、逆さベルの形状を有する。この輪郭は段差がなく滑らかであり、スワラの出口からスロート７０８の出口まで流れ速度を維持して流れの分離や面に沿った再循環を防止する。一定の断面積は、流れ速度を低減させることなく、また、圧力降下を生じさせることなく空気及び燃料が混合し続けることを許容する。滑らかな一定の断面は効率の良いスワラを生じさせる。スワラ効率とは、渦巻流の動圧に変換されるスワラを横切る静圧力降下の部分をいう。本発明によって８０％以上の渦巻効率を達成することができる。したがって、燃焼空気ファンの寄生電力排出を最小化できる。
【００３６】
スロートの出口７１２は外側に広がっており、そのため空気燃料混合物７０９がチャンバ７１０内で拡散しその速度が遅くなるので、火炎を局在化させ該火炎を含み、そして、環状火炎を形成する。スワラ６０２によって生じる回転モーメントは、当該技術分野においてよく知られているように、リング状の渦を安定させる火炎を生じさせる。
【００３７】
上述したように、燃料及び空気の流量は、バーナでの火炎発火を生じさせかつ発火の後の排出物をクリーンにするために、制御される。図７ａに言及し、バーナコントローラ７２６は、燃料調整器７２４及びブロワ７２８からそれぞれ供給される燃料及び空気の流量を制御するために使用される。燃料調整器７２４は発火のための初期値に設定される。火炎の発生が一端立証されると、バーナコントローラ７２６は燃料流量を変化させ、ヒータヘッド温度を制御する。ヒータヘッド温度はヘッド温度センサ８０４（図８に示す）によって測定される。火炎検出器が火炎の存在を検出すると火炎が生じたことが立証される。サーモカップルや紫外線センサを含み、当該技術分野においてよく知られたいくつかのタイプの火炎検出器が存在する。
【００３８】
燃焼空気ブロワ７２９の出力（あるいは空気質量流量）はバーナコントローラ７２６によって設定され燃焼器８０９（図８に示す）内の燃料空気比を制御する。燃料空気比は、空気質量流量に対する燃料質量流量の比であり、排出物に影響を与える主要ファクタである。ブロワ７２８は燃料質量流量に対する空気質量流量を増減することで燃料空気比を制御する。バーナコントローラ７２６は、燃料調整器７２４がその出力を増大させるときにブロワ出力を増大させ、燃料調整器７２４がその出力を減少させるときにブロワ出力を減少させる。望ましい燃料空気比及び燃料流量は同時に変えることとしてもよく、そうすれば、バーナコントローラ７２６はブロワ７２８の出力を変えて望ましい燃料空気比と燃料流量の両方の変化に適応する。
【００３９】
一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を最小化することは、いまだ完全な燃焼を達成する希薄（リーン、即ち、可燃成分の少ない）燃料空気混合物を必要とする。希薄燃料空気混合物は、理論混合気（即ち、例えば、プロパン１ｇにつき、１５.６７ｇ）よりも多くの空気を有する。より多くの空気が固定量の燃料に加えられるので、火炎が不安定になるほど燃料空気混合物の量が十分大きくなるまで、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は減少する。この時点において、燃料空気混合物のポケットは燃焼を完結させることなくバーナを通過する。燃料空気混合物の不完全燃焼は大量のＣＯ及びＨＣを発生させる。ＣＯ及びＨＣの放出量は、リーン・ブロウアウト（吹消え）限度（Lean Blow-Out limit: 「LBO」）において火炎が消えるまで燃料空気混合物により多くの空気が加えられるので、素早く増加する。入ってくる空気（即ち、予熱された空気）の温度が高くなると、LBOは増加する。その結果、スターリング機関のウォームアップフェーズの間に予熱された空気の温度が上昇すると、燃料空気混合物の最適燃料空気比は減少する。スターリング機関が一端ウォームアップされると、燃料空気比は一定に維持される。
【００４０】
したがって、発火のための最適燃料空気比を与えるために燃料空気比は最初に制御されなければならない。一端火炎が提供されると、燃料空気比が制御されて予熱された空気の温度及び燃料のタイプに基づいて放出量を最小化する。ヒータヘッドの温度を調整するために燃料流量を増減するとき、望ましい燃料空気比を維持するために空気の流量もまた調節される。
【００４１】
限定された範囲の燃料空気比において、所定の燃料のみが発火する。発火の際、点火燃料空気比は、使用される燃料に相応する理論燃料空気比以下に選択される。燃料がプロパンである好ましい実施の形態において、点火燃料空気比は、空気１ｇに付き０.１ｇのプロパンに設定される。点火燃料空気比は、火炎が安定しかつ燃焼器内部の温度がウォームアップ温度まで上がるまで維持される。図８に言及すると、燃焼器８０９の温度は典型的に、ヒータヘッド８０８の温度を測定することによって、あるいは、燃焼器を所定の時間間隔で加熱することによって、測定される。サーモカップル８０４のような温度センサを用いてヒータヘッド８０８の温度を測定することができる。好ましい１つの実施の形態において、点火燃料空気比は、ヒータヘッド温度が３００℃に達し、かつ、火炎が５秒間点火するまで維持される。
【００４２】
一端火炎が安定化し、かつ、燃焼器８０９の温度が所望のウォームアップ温度に達すると、次に燃料空気比が空気予熱温度及び燃料のタイプに基づいて制御される。上述したように、予熱空気９０３の温度が図９に示すように高くなると、燃料空気混合物の最適燃料空気比９０１は小さくなる。予熱空気の温度はサーモカップル８１０のような温度センサを用いて、図８に示すように燃焼器８０６に接続された空気スワラ８０２内において測定される。空気予熱温度はまた、ヒータヘッド温度から数百℃差し引くことによってヒータヘッド８０８から推定する（見積もる）ことができる。好ましい実施の形態において、空気予熱温度は、ヒータヘッド温度から３００℃引いた温度とされる。
【００４３】
最適燃料空気比は、最初は、予熱された空気温度と共に、室温の空気の「開始」燃料空気比からウォームアップされた予熱空気温度の「実行」燃料空気比に至るまで線形的に小さくなる。空気が燃料の公知の自動点火温度を超えると、それは完全にウォームアップされたと考えられる。例えば、プロパンの自動発火温度は４９０℃である。燃料がプロパンである１つの好ましい実施の形態において、「開始」燃料空気比は空気１グラムに対して燃料０.０５２グラムであり、これは、スターリング機関の排気ガス中に約４％の酸素を含む結果となる。この好ましい実施の形態において、「開始」燃料空気比は空気１グラムに対して燃料０.０２６グラムであり、これは、スターリング機関の排気ガス中に約１３％の酸素を含む結果となる。
【００４４】
空気と燃料流量を測定することによって燃料空気比を測定することができる。圧力センサを用いてブロワ７２８（図７ａに示す）において空気流量を測定することができる。燃料流量は、燃料調整器７２４（図７ａに示す）の１セットの燃料制御弁の上流及び下流の圧力を測定し、かつ、それらの弁のうちのいずれの弁が現在開いているかを監視することによって測定される。代替の実施の態様において、燃料空気比はスターリング機関の排気ガス中の含有酸素量に基づくことができる。酸素センサをスターリング機関に設けて排気ガスをサンプリングして排気ガス中の酸素含有率を測定することができる。
【００４５】
スターリング機関に関して本発明を説明したが、ここで説明した装置及び方法はスターリング機関以外の他の例に応用できる。説明した発明の実施の形態は、単に説明だけのためであり、多くの変形及び変更例は当業者にとって明らかである。そういった変形及び変更例は添付の請求の範囲で定められる発明の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ−１ｆは従来技術のスターリングサイクルマシンの作動原理を表す図である。
【図２】 本発明の実施の形態のスターリングサイクル機関の断面側面図である。
【図３】 本発明の好ましい実施の形態のスターリングサイクルマシンのようなツー（２）ピストンマシンのための折り返しガイドリンク駆動機構の断面図である。
【図４】 図３の折り返しガイドリンク駆動機構の１つの実施の形態の斜視図である。
【図５】 図５ａは本発明に従う、ピン型熱交換器を使用するスターリングサイクル機関の断面図である。図５ｂは、図５ａのピン型熱交換器の拡大詳細図である。図５ｃは、本発明の好ましい実施の形態に従い、熱伝達ピンを概略的に示す図５ａのヒータヘッドアセンブリの断面図である。
【図６】 図６ａは、図２のスターリングサイクル機関を底面から見た斜視図であり、本発明の実施の形態に従う流れの均一性を高揚させるための分岐ダクトを示す図である。図６ｂは、図６ａの分岐ダクトシステムの平面図である。
【図７】 図７ａは、本発明の好ましい実施の形態に従うスターリングサイクル機関のための燃料取り入マニホルドを側面から見た断面図である。図７ｂは、図７ａの燃料取り入マニホルドの７ｂ−７ｂ線断面図である。図７ｃは、図７ａの燃料取り入マニホルドの７ｃ−７ｃ線断面（見上げ）図であり、燃料噴射ノズルを示す図である。
【図８】 本発明に従い、設置した温度センサを示すバーナ及びヒータヘッドアセンブリの断面図である。
【図９】 本発明の好ましい実施の形態に従い、プロパンの空気予熱温度に対する最適燃料空気比の関係を示す図である

Claims (6)

1. 自動点火温度及び火炎速度を有する燃料と空気を混合することにより特定の燃料空気比を有するように構成され燃焼した際に排気ガスを生成する燃料空気混合物の前記燃料と空気をヒータヘッドを有する外燃機関のバーナで燃焼させる方法であって、
   第１空気流量及び１燃料流量によって生じる第１燃料空気比において前記燃料空気混合物に点火して火炎を形成し、
   前記第１空気流量を大きくして第２燃料空気比を生じさせ、
   少なくとも前記ヒータヘッドの温度に基づいて前記燃料流量を制御し、
   少なくとも前記燃料流量に基づいて前記空気流量を調節することにより該第２燃料空気比で前記火炎を維持することを含み；
   前記燃料空気混合物に点火すると、入口から出口まで一定の断面積を有するスロートの該入口に前記火炎速度を超える速度で前記空気を推進させ、かつ、燃料を前記空気と混合して前記燃料空気混合物を形成し前記出口から排出させて前記スロートの出口の外側において前記空気燃料混合物内に火炎を形成させることになり；
   前記燃料に混合される前の前記空気は、前記燃料の自動点火温度以上の温度に加熱されている；
   方法。
2. 少なくとも前記排気ガスの酸素濃度に基づき前記空気流量を調節することによって前記第２燃料空気比を維持する
   請求項１の方法。
3. 少なくとも前記燃料流量及び前記空気の温度に基づいて前記空気流量を調節することによって前記第２燃料空気比を維持する
   請求項１の方法。
4. 少なくとも前記空気の温度及び前記排気ガスの酸素濃度に基づいて前記空気流量を調節することによって前記第２燃料空気比を維持する
   請求項１の方法。
5. 前記燃料空気混合物は、前記燃料の前記自動点火温度以下の第１空気温度で点火される
   請求項１の方法。
6. 前記火炎は、前記燃料の前記自動点火温度を超える第２空気温度で維持される
   請求項１の方法。

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