KR20020073602A - 보조 동력 유닛 - Google Patents

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KR20020073602A
KR20020073602A KR1020027011456A KR20027011456A KR20020073602A KR 20020073602 A KR20020073602 A KR 20020073602A KR 1020027011456 A KR1020027011456 A KR 1020027011456A KR 20027011456 A KR20027011456 A KR 20027011456A KR 20020073602 A KR20020073602 A KR 20020073602A
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KR
South Korea
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power
combustion engine
external combustion
battery
engine
Prior art date
Application number
KR1020027011456A
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English (en)
Inventor
카멘딘엘.
랑겐펠드크리스토퍼씨.
노리스마이클
색스제이슨마이클
Original Assignee
뉴 파워 콘셉츠 엘엘씨
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Publication date
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Abstract

실내에 전력과 열을 제공하기 위한 보조 전력 시스템(100)은 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키기 위하여 스터링 사이클 엔진(101)과 같은 외연 기관(101)을 포함한다. 외연 기관은 사실상 완전 연소로 연료를 연소하여 외연 기관으로부터 방출된 배기 가스가 소정의 배기 가스 레벨 이하가 된다. 발전기(102)는 외연 기관(101)에 연결되고, 외연 기관(101)에 의해 발생된 기계 에너지를 전력으로 전환한다. 제1 전력 출력은 발전기(102)에 의하여 생산된 전력을 제공하기 위하여 사용된다. 외연 기관(101)과 발전기는 외연 기관(101), 발전기(102), 하우징의 조합이 휴대용 크기가 되도록 하우징 내에 배치된다. 외연 기관(101)에 의해 발생된 열 에너지는 하우징 주위의 대기를 가열하기 위하여 사용될 수 있다.

Description

보조 동력 유닛 {AUXILIARY POWER UNIT}
보조 동력 유닛은 엔진과 발전기로 구성된다. 연료 연소의 열 에너지는 보조 동력 유닛의 엔진에서 기계 에너지로 전환되고, 기계 에너지는 보조 동력 유닛의 발전기에서 전기 에너지로 전환된다. 보조 동력 유닛의 하나의 이점은 로컬 파워 그리드에 연결되지 않은 건축 현장, 셀타워, 또는 캐빈과 같은 먼 장소에서 사용할수 있고 용이하게 수송할 수 있도록 휴대용 크기라는 점이다. 보조 동력 유닛은 동력 차단 중에 가정용 및 사업용의 비상 백업 동력을 제공하기 위하여 또한 중요하다.
내연 기관을 사용하는 소형이며 휴대용인 보조 동력 유닛은 널리 사용 가능하다. 예를 들면, 1 KW 보조 동력 유닛은 약 31.752 kg(70 lbs)의 무게인데 반해, 350 W 보조 동력 유닛은 9.072 kg(20 lbs)만큼 적은 무게를 갖는다. 그러나, 내연 기관을 사용하는 보조 동력 유닛은 내연 기관에 의해 발생되는 유독 배기 가스 때문에 밀폐된 환경에서는 사용할 수 없다. 배기 가스가 외부 공기로 환기되더라도내연 기관에 의해 발생된 소음은 사용자를 아주 불쾌하게 만든다. 배기 가스의 환기는 배기 가스에 의하여 운반된 열 에너지의 손실로 인해 약 35 %로 시스템의 전체 효율을 또한 감소시킨다. 내연 기관은 100시간 정도의 짧은 작동 수명과 높은 유지 보수 비용의 단점을 갖는다.
스터링 사이클 엔진과 같은 외연 기관을 사용하는 공동 발전 유닛 및 열펌프는 또한 종래 기술 분야에서 공지되어 있다. 그러나, 이러한 공동 발전 장치는 외연 기관의 크기에 의하여 지적되는 바와 같이 전형적으로 상당히 크다(그러므로 휴대용이 아니다). 게다가 배기 가스는 여전히 외부 공기로 환기되어야 한다. 전술된 바와 같이, 배기 가스의 환기는 배기 가스에 의하여 운반되는 열 에너지의 손실로 인해 시스템의 전체 효율을 감소시키고, 부가적인 하드웨어를 요구한다.
보조 동력 유닛에 동력을 공급하기 위하여 사용될 수 있는 한 유형의 외연 기관은 스터링 사이클 엔진이다. 스터링 사이클 엔진은 기계 에너지와 열 에너지 모두를 생산한다. 스터링 사이클 엔진의 역사는 월커(Walker)에 의해 기술되고 옥스포트 유니버시티 프레스(Oxford University Press)(1980)에 의해 출판된 "스터링 엔진" 에 상세하게 기술되어 있으며, 여기에 참고로 기술된다. 스터링 엔진이 작동 원리는 이 기술 분야에 잘 알려져 있다.
내연 기관과 비교하여 스터링 사이클 엔진의 하나의 결점은 엔진에 가해지는 부하의 갑작스런 변화에 대한 스터링 사이클 엔진의 긴 반응 시간이다. 스터링 사이클 엔진의 반응 시간은 엔진의 내부 작동 유체와 외부 연소 가스 사이의 열전달율에 의하여 제한되고, 30초가 될 수 있다. 한편, 내연 기관의 반응 시간은 연소가스가 작동 유체이기 때문에 아주 짧으며, 연료 유동 속도에 의하여 직접 조절될 수 있다. 스터링 사이클 엔진의 반응성을 증가시키기 위한 종전의 시도는 니스트롬(Nystrom)의 미국특허 제3,940,933호에, 메이어(Meijer)의 미국특허 제4,996,841호에 기술된 바와 같이 작동 유체용 가변 데드 스페이스를 제공했고, 라모스(Lamos)의 미국특허 제5,755,100호에 기술된 바와 같이 작동 유체의 압력을 조절했다. 전술한 참고 사항은 완전히 참고로서 여기에 기술한다. 이러한 두가지 시도는 엔진 설계의 복잡성, 크기, 무게를 증가시키는 경향이 있다.
본 발명은 외연 기관, 특히 스터링 사이클 엔진(Stirling cycle engine)을 포함하며, 실내 사용을 위하여 열과 동력의 공동 발생을 위한 보조 동력 유닛에 관한 것이다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 후술하는 설명을 참조로 쉽게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 보조 동력 유닛의 개략적인 블록도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 동력 유닛의 개략적인 블록도이다.
도3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 스터링 사이클 엔진의 단면도이다.
도4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도1의 보조 동력 유닛의 엔진용 동력 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도4a의 동력 제어 시스템의 제어방법의 개략적인 블록도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도6의 동력 제어 시스템의 회로를 예시한다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 제어기를 포함하는 도1의 보조 동력 유닛의 동력 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버너 제어기를 포함하는 도1의 보조 동력 유닛의 개략적인 블록도이다.
도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너와 배기 가스 열 회복 조립체의 측면도이다.
도8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달 핀 어레이를 포함하는 히터 헤드의 사시도이다.
도9a는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 스터링 사이클 엔진용 연료 흡입매니폴드의 측부의 단면도이다.
도9b는 도9a의 절단선 BB를 따른 연료 흡입 매니폴드의 상부의 단면도이다.
도9c는 연료 제트 노즐을 도시하여 절단선 AA를 따른 도9a의 연료 흡입 매니폴드의 상부의 단면도이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 화염 검출 열전대의 위치를 보여주는 버너와 히터 헤드 조립체의 단면도이다.
도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화염 검출 열전대의 위치를 보여주는 버너와 히터 헤드 조립체의 단면도이다.
도12는 덮개의 전면 패널이 내부 관찰을 위하여 제거된 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 동력 유닛의 정면도이다.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도14의 실시예의 배면도이다.
도14는 본 발명의 실시예에 따른 보조 동력 유닛과 공기 조화 시스템의 개략적인 블록도이다.
도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 동력 유닛을 이용하는 스쿠터의 개략도이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 그 실시예들 중의 하나에서, 집의 실내에 보조 전력과 열을 제공하는 방법은, 연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하는 외연 기관을 사용하여 열 에너지와 기계 에너지를 발생시키는 단계와, 외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 외연 기관에 연결된 발전기를 사용하여 전력으로 전환하는 단계를 포함한다. 외연 기관과 발전기는 외연 기관에 의해 발생된 열 에너지를 외연 기관 주위의 구역을 가열하도록 실내에 배치된다. 외연 기관과 발전기는 휴대용 하우징 내에 배치될 수 있다. 양호한 실시예에서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진이다. 다른 실시예에서, 외연 기관에 의하여 연소되는 연료는 프로판 또는 천연 가스일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 그 실시예들 중의 하나에서, 집의 실내에 전력과 열을 제공하는 보조 동력 시스템은, 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키고연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하는 외연 기관과, 외연 기관에 연결되고 외연 기관의 기계 에너지를 전력으로 전환하는 발전기를 포함한다. 이 시스템은 외연 기관과 발전기를 수용하는 휴대용 하우징과 전력을 제공하는 제1 동력 출력부를 더 포함한다. 외연 기관에 의해 발생된 열 에너지는 휴대용 하우징 주위의 구역을 가열한다. 양호한 실시예에서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진이다. 하우징은 실내의 벽 또는 창에 또한 장착될 수 있다.
보조 동력 시스템은 외연 기관에 시동 동력을 제공하고 제1 동력 출력부에 동력을 제공하는 배터리를 더 포함할 수 있다. 센서는 출력 신호를 발생시키기 위하여 배터리에 연결된다. 배터리의 충전 레벨은 센서의 출력 신호의 일부에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 출력 신호는 배터리의 전압과 전류를 나타낸다. 다른 실시예에서, 보조 동력 시스템은 직류 전력을 교류 전력으로 전환하기 위한 제1 동력 출력부에 연결된 인버터와 교류 전력을 제공하는 제2 동력 출력부를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 보조 동력 시스템은 하우징 주위의 대기를 냉각하기 위한 공기 조화 모듈을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 히터 헤드를 갖는 열 엔진의 동력 출력을 제어하기 위한 시스템은, 엔진의 히터 헤드에 열을 전달하고 배기 가스 생성물을 갖는 버너와, 버너에 공기를 전달하기 위한 송풍기와, 특정 연료 전달 속도로 버너에 연료를 전달하기 위한 연료 공급 조절기를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 버너의 특정 작동 온도와 관련된 신호를 수신하기 위한 입력부와, 버너의 배기 가스 생성물에서 산소 농도를 모니터하기 위한 센서와, 배기 가스 생성물에서산소 농도와 특정 작동 온도와 관련된 입력에 적어도 기초하여 연료와 공기의 전달 속도를 조절하기 위한 제어기를 더 포함한다. 신호를 수신하기 위한 입력부는 회전 속도 제한기를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 열엔진의 동력 출력을 제어하기 위한 시스템은 히터 헤더의 온도에 적어도 기초하여 연료와 공기의 전달 속도를 조절하기 위한 제어기와 히터 헤더의 온도를 측정하기 위한 헤더 온도 센서를 더 포함한다. 상기 시스템은 제어기가 배기 가스 생성물에서 산소 농도와 히터 헤드의 온도에 적어도 기초하는 제어기를 포함하는 배기 가스에서 산소 농도를 모니터하기 위한 센서를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 헤더 온도 센서는 배기 가스의 유동으로 그늘진 히터 헤드의 외면의 구역에 배치된다. 또한, 상기 시스템은 연료와 공기의 전달 속도를 제어하기 위한 제어기가 버너에 전달된 공기의 질량과 히터 헤드의 온도에 적어도 기초하는 제어기를 포함하는 버너에 전달된 공기의 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유동 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 크랭크축을 갖는 외연 기관의 동력 출력을 제어하는 시스템은 외연 기관의 속도를 조절하기 위한 발전기와, 발전기에 부하를 제공하고 발전기로부터의 동력을 동력 출력부로 변압하는 증폭기와, 동력을 저장하고 동력 출력부로 동력을 제공하기 위한 배터리를 포함한다. 외연 기관의 속도와 온도는 한 세트의 원하는 배터리 조건을 유지하는 방법으로 제어된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 외연 기관의 버너를 작동하는 방법은 방사상 내향 유동으로부터 축방향 하방 유동으로의 변이에서 일정한 단면적을 통하여버너에 공기를 전달하는 단계와, 연료-공기 혼합물의 화염 속도보다 더 빠른 속도로 버너에 공기를 전달하는 단계와, 방사상 내향 유동하는 공기를 운반하기 위한 와류기를 사용하여 버너에서 발생된 화염을 안정화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 전력을 부하에 제공하는 보조 동력 시스템은 엔진 온도를 갖고 속도에 의해 특징지워지는 회전 크랭크축을 갖는 외연 기관과, 크랭크축의 속도를 조절하고 전력을 생산하기 위한 발전기와, 발전기로부터 부하에 전력을 전달하기 위한 증폭기와, 충전 상태를 갖는 배터리와, 배터리의 충전 상태의 일부에 기초하여 엔진 온도와 속도를 명령하기 위한 제어기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 부재를 포함하는 한 세트의 휠과 동력이 공급될 때 개인 수송 차량의 이동을 발생시키기 위하여 휠세트에 연결된 휠 모터를 갖는 개인 수송 차량에 동력을 제공하는 시스템은 버너에서 연료를 연소하고 외연 기관으로부터의 배기 가스가 소정의 배기 가스 레벨 이하가 되도록 사실상 완전 연소를 하며, 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키는 외연 기관을 포함한다. 상기 시스템은 특정 연료 전달 속도로 버너에 연료를 제공하는 연료 공급부와, 외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 전력으로 전환하는 발전기와, 발전기에 연결된 배터리 입력부와 휠 모터에 연결된 배터리 출력부를 갖고, 발전기에서 제공된 전기 에너지를 배터리 입력부에 저장하고 배터리 출력부에서 휠 모터에 동력을 공급하는 배터리를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이동 보조 동력 유닛은 헤드 온도에 의해 특징지워지는 히터 헤드와 속도에 의해 특징지워지는 크랭크축을 갖는 외연 기관을 포함하며, 상기 외연 기관은 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키며, 연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하여 외연 기관으로부터의 배기 가스가 소정의 배기 가스 레벨 이하가 된다. 출력부를 갖는 발전기는 외연 기관의 크랭크축에 연결되고 외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하고, 전력은 발전기의 출력부에 제공된다. 배터리 출력부를 갖는 배터리는 발전기의 출력부에 연결된다. 배터리는 충전 상태에 의해 특징지워지며 외연 기관에 시동 동력을 제공할 뿐만 아니라 배터리 출력부에 동력을 제공한다. 이동 보조 동력 유닛은 외연 기관, 발전기와 배터리와 신호 연통하는 제어기를 더 포함한다. 제어기는 적어도 배터리의 충전 상태를 기초로 히터 헤드의 온도와 크랭크축의 속도를 조절한다. 휠 모터는 배터리 출력부와 한 세트의 휠에 연결되며, 배터리에 의하여 동력이 공급될 때 휠 모터가 이동 보조 동력 유닛의 운동을 발생시키는 휠세트를 구동하도록 적어도 하나의 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 이동 보조 동력 유닛은 휠세트에 연결되며 사용자를 지지하는 플랫폼을 포함할 수 있다.
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 보조 동력 유닛(100)의 개략적인 블록도이다. 보조 동력 유닛(100)은 발전기(102)에 연결된 외연 기관(101)을 포함한다. 양호한 실시예에서, 외연 기관(101)은 스터링 사이클 엔진이다. 작동 중의 스터링 사이클 엔진(101)의 출력은 기계 에너지와 잔여 열 에너지 모두를 포함한다. 버너(104)에서의 연료의 연소로 발생된 열은 스터링 사이클 엔진(101)에 입력으로서 인가되고, 부분적으로 기계 에너지로 전환된다. 전환되지 않은 열 또는 열 에너지는 버너(104)에서 방출된 에너지의 65 내지 85 %에 달한다. 이 열은 버너(104)로부터 배기 가스의 더 작은 유동과 스터링 엔진의 냉각기(103)에서 제거된 열의 훨씬 더 큰 유동의 두 형태로 보조 동력 유닛 주위의 로컬 환경에 열을 제공하는 것이 가능하다. 배기 가스는 비교적 고온이며, 통상 100 내지 300 ℃이고, 스터링 엔진(101)에 의해 발생된 열 에너지의 10 내지 20 %가 된다. 냉각기는 주위 온도보다 10 내지 20℃ 높은 온도에서 열 에너지의 80 내지 90 %를 제거한다. 열은 물의 유동에서 또는 더 전형적으로는 라디에터(107)를 거친 공기에서 제거된다. 스터링 사이클 엔진(101)은 보조 동력 유닛(100)을 휴대할 수 있도록 하는 크기를 갖는다. 실내에 열과 전력 모두를 제공하는 휴대 가능한 보조 동력 유닛은 전형적으로는 5 kW미만이다. 큰 유닛은 실내에서 사용될 매우 많은 에너지를 제거할 것이다.
도1에 도시된 바와 같이, 스터링 엔진(101)은 버너(104)와 같은 열원에 의해 직접 동력이 공급된다. 버너(104)는 스터링 엔진(101)을 구동하기 위하여 사용되는 고온의 배기 가스를 발생시키는 연료를 연소한다. 버너 제어 유닛(109)은 버너(104)와 연료통(110)에 연결된다. 버너 제어 유닛(109)은 연료통(110)으로부터 버너(104)에 연료를 전달한다. 또한 버너 제어기(109)는 유리하게는 사실상 완전 연소를 보장하기 위하여 버너(104)에 측정된 양의 공기를 전달한다. 버너(104)에 의하여 연소된 연료는 바람직하게는 청정 연소이고 프로판과 같은 상업적으로 이용 가능한 연료이다. 청정 연소 연료는 가장 심각한 황과 같은 다량의 오염 물질을 함유하지 않는 연료이다. 천연가스, 에탄, 프로판, 부탄, 에탄올, 메탄올 및 액화석유가스(LPG)는 오염 물질이 수 퍼센트로 제한될 때 모두 청정 연소 연료이다. 상업적으로 이용 가능한 프로판 연료의 일예는 자동차 기술자 단체에 의하여 한정되고 베른조매틱(Bernzomatic)으로부터 이용 가능한 산업등급인 HD-5이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이하에서 더 상세하게 후술되는 바와 같이, 스터링 엔진(101)과 버너(104)는 저 배기 가스뿐만 아니라 고 열효율을 제공하기 위하여 사실상 완전 연소를 한다. 고효율과 저 배기 가스의 특성은 실내에 보조 동력 유닛(100)를 사용하기 위한 비결이다.
발전기(102)는 스터링 엔진(101)의 크랭크축(도시안됨)에 연결된다. 발전기라는 용어는 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전기 또는 전기 에너지를 기계 에너지로 전환하는 모터와 같은 전기 기계의 분류를 포함한다는 것을 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 이해할 수 있다. 발전기(102)는 바람직하게는 영구자석 무브러시 모터이다. 재충전 가능한 배터리(113)는 직류 전력 출력부(112)에 직류 전력 뿐만 아니라 보조 동력 유닛(100)용 시동 동력을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 보조 동력 유닛(100)은 또한 바람직하게는 교류 전력 출력부(114)에 교류 전력을 제공한다. 인버터(116)는 배터리(113)에 의해 발생된 직류 전력을 교류 전력으로 전환하기 위하여 배터리(113)에 연결된다. 도1에 도시된 실시예에서, 배터리(113), 인버터(116) 및 교류 전력 출력부(114)는 보조 동력 유닛 덮개(120) 내에 배치된다. 다른 실시예에서, 도2에 도시된 바와 같이, 배터리(113), 인버터(116) 및 보조 동력 유닛 동력 출력부(114)는 보조 동력 유닛 덮개(120)로부터 분리될 수 있다.
작동 중에, 스터링 엔진(101)은 또한 예를 들면 작동 유체로부터 열의 공급 및 추출 뿐만 아니라 버너(104)의 배기 가스로부터 열(117)을 발생시킨다. 따라서, 건물의 내부에서 사용될 때 스터링 엔진(101)에 의해 발생된 초과열은 유리하게는 보조 동력 유닛(100) 주위의 대기를 가열하기 위하여 사용될 수 있다. 이 방법으로 보조 동력 유닛(100)은 건물 또는 주택과 같은 실내에 전력과 열 모두를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
스터링 사이클 엔진(101)의 작동은 본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 엔진의 단면도인 도3을 참조로 더 상세하게 기술할 것이다. 도3에 도시된 스터링 엔진(101)의 구조는 알파 구조로 언급되며, 압축 피스톤(300)과 팽창 피스톤(302)은 각각 별개의 실린더 내에서 직선 운동을 하는데, 압축 피스톤(300)은 압축 실린더(304)에서 그리고 팽창 피스톤(302)은 팽창 실린더(306)에서 직선 운동을 하는 것을 특징으로 한다. 알파 구조는 단지 일예로서 기술되었으며, 임의의 첨부된 청구의 범위를 제한하지 않는다.
압축 피스톤(300)과 팽창 피스톤(302) 이외에 스터링 엔진(101)의 주요 부품은 버너(도시안됨), 히터 열교환기(322), 축열기(324) 및 냉각기의 열 교환기(328)를 포함한다. 압축 피스톤(300)과 팽창 피스톤(302)은 총괄하여 피스톤으로서 언급되며, 압축 실린더(304)와 팽창 실린더 라이너(312)에 의해 측방향으로 한정된 각각의 체적 308과 310 내에서 왕복 직선 운동을 하도록 구속된다. 버너 열 교환기(322)와 냉각기의 열교환기(328)에 근접한 실린더 내부의 체적은 각각 엔진(101)의 가열부와 냉각부로 언급된다. 압축 피스톤(300)과 팽창 피스톤(302)의 왕복 직선 운동의 상대적인 위상("위상각")은 크랭크케이스(316) 내에 수용된 구동 메커니즘(314)에 각각 연결함으로써 제어된다. 구동 메커니즘(314)은 피스톤의 상대적인 타이밍을 조절하고 직선과 회전 운동을 상호 전환하기 위하여 이용할수 있는 엔진 설계 분야에서 알려진 여러 메커니즘 중의 하나일 수 있다.
압축 피스톤(300)과 팽창 피스톤(302)은 제1 커넥팅 로드(318)와 제2 커넥팅 로드(320)를 거쳐 구동 메커니즘에 각각 연결된다. 압축 실린더(308)의 체적은 압축 단계 중 압축된 작동 유체의 냉각을 허용하기 위하여 덕트(315)를 거쳐 냉각기의 열교환기(328)에 연결된다. 특히, 덕트(315)는 냉각기의 열교환기(328), 축열기(324) 및 히터 열 교환기(322)를 포함하는 환상의 열교환기에 압축 체적(308)을 연결한다. 버너(도시안됨)는 스터링 엔진의 히터 헤드(330)의 히터 열 교환기(322)에 열을 제공하기 위하여 연료를 연소한다. 팽창 실린더와 피스톤은 팽창 실린더의 작동 유체가 히터 열 교환기(322)를 거쳐 가열될 수 있도록 히터 헤드(330) 내에 배치된다.
도1로 돌아가서, 스터링 사이클 엔진(101)과 발전기(102)는 압력 용기(118) 내에 배치된다. 압력 용기(118)은 고압 작동 유체, 바람직하게는 20 내지 30 기압의 헬륨 또는 질소를 함유한다. 스터링 엔진(101)의 팽창 실린더와 피스톤(도3 에 도시)은 압력 용기(118)와 냉각 칼라(또는 냉각기)(103)를 관통하여 신장한다. 팽창 실린더의 단부(히터 헤드(330)를 포함)는 104 내에 배치된다. 냉각 칼라(103)는 냉각 라인(106)과 라디에터(107)을 통하여 냉각 유체를 순환한다. 냉각 유체는 냉각펌프(105)에 의하여 냉각 칼라(103)을 통하여 펌프된다. 팬(108)은 라디에터(107)을 통과한 공기에 힘을 가하여 공기를 가열하고 냉각 유체를 냉각한다. 그 다음, 가열된 공기(117)는 건물의 방과 같은 주위 구역을 가열하기 위하여 보조 동력 유닛 덮개(120)의 구멍을 통하여 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 버너(104) 내부의 연소에 의해 발생된 초과열(117)은 주위의 순환 공기에 직접 제공될 수 있다.
압력 용기(118)는 압력 용기(118) 내에 배치된 발전기(102)와 보조 동력 유닛 제어기(111) 사이의 전기 접속부(119)용 관통 포트를 갖는다. 보조 동력 유닛 제어기(111)은 동력 공급 라인(115)를 통하여 냉각 펌프(105), 팬(108) 및 버너 제어기(109)에 동력을 공급한다. 보조 동력 유닛 제어기(111)는 또한 스터링 엔진의 속도와 온도를 변화시킴으로써 배터리(113)의 충전 레벨뿐만 아니라 보조 동력 유닛의 동력 출력을 제어한다. 보조 동력 유닛 제어기(111)는 스터링 엔진(101)의 온도를 제어하기 위하여 버너 제어 유닛(109)에 명령 신호를 제공한다. 보조 동력 유닛 제어기(111)는 또한 스터링 엔진(101)의 속도를 제어하기 위하여 발전기(102)에 명령 신호를 제공한다.
발전기(102)와 스터링 엔진(101)의 동력 출력은 배터리(113)에서의 최적 충전과 전압 레벨을 유지하기 위하여 보조 동력 유닛 제어기(111)을 사용하여 제어된다. 전기 부하는 보조 동력 유닛 제어기(111)가 엔진으로부터의 부가적인 동력을 명령하도록 하는 배터리(113)의 충전과 전압을 감소할 것이다. 도4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 동력 유닛 제어기(111)(도1에 도시됨)에 포함된 보조 동력 유닛의 동력 제어 시스템의 개략 블록도이다. 동력 제어 시스템은 배터리의 충전 레벨을 유지하고 보조 동력 유닛 상에 가해진 요구량(또는 부하)에 부합하는 필요 동력을 제공하기 위하여 스터링 엔진의 속도와 온도를 제어한다. 도4a에 도시된 동력 제어 시스템은 모터/발전기(402), 모터-증폭기(405), 배터리(413) 및인버터(416)를 포함한다.
도1에 전술한 바와 같이, 발전기(402)는 스터링 엔진(도시안됨)의 크랭크축에 연결된다. 스터링 엔진은 차례로 기계 동력을 3상 전력으로 전환하는 발전기(402)에 기계 동력(Pmech)을 제공한다. 또한, 이하에서 상세하게 상술되는 바와 같이, 발전기(402)는 엔진의 속도를 제어하기 위하여 엔진 상의 조절 가능한 부하로서 작용한다. 발전기(402)는 3상 전력을 모터 증폭기(405)에 전달한다. 모터 증폭기(405)는 발전기(402)에 의해 발생된 전력을 고전압 직류 버스(Pamp)로 전달한다. 고전압 직류 버스(Pamp)에 제공된 전력은 배터리(413)(Pbat)에 전달하기 위하여 저전압 직류 버스로 전력을 낮추는 직류 직류 컨버터(406)(Pdcdch)에 전달된다. 또한, 직류 직류 컨버터(406)는 교류 전력 전환과 전력 제어용으로 사용된 고전압 직류 버스로 전력을 높이기 위하여 사용될 수 있다. 다른 실시예는 직류 직류 컨버터를 생략할 수 있고, 고전압 직류 버스를 배터리(413)에 직접 연결할 수 있다. 배터리(413)는 보조 동력 유닛 상의 부하가 모터/발전기(402)에 의해 발생된 동력을 초과할 때 출력 동력을 제공할 뿐만 아니라, 팬, 펌프 등과 같은 보조 동력 유닛의 보조 회로(408)에 동력을 제공하고 스터링 엔진을 시동하기 위하여 사용된다. 이하에서 더 기술되는 바와 같이, 배터리(413)는 보조 동력 유닛의 작동 중 에너지 저장소로서 작용한다.
비상 분로(407)는 어느 직류 버스에서든지 과전압 조건의 경우에 고전압 직류 버스로부터의 초과 동력을 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 일 실시예에서,비상 분로 저항기는 라디에터(107)(도1에 도시됨)의 물 내에 배치된다. 이 방법으로 이들이 초과 동력을 제거하기 위하여 사용될 때 분로 저항에 의해 발생된 초과열은 바람직하게는 보조 동력 유닛(즉, 라디에터(107))의 초과열을 방사하기 위하여 사용된 동일한 시스템에 의하여 흡수된다. 인버터(416)는 외부 기구 또는 부하(410)에 교류 전력(Pout)을 전달하기 위하여 사용된다. 인버터(416)는 직류 버스로부터 동력(Pinv)을 끌어낸다.
배터리(413)의 충전 레벨은 출력 부하(410)에서의 변화를 반영한다. 요구되는 동력 출력을 제공하기 위하여 도4a의 동력 제어 시스템은 출력 부하(410)에서의 변화에 반응하여 과충전없이 그 최적 충전에 배터리(413)를 유지하려고 한다. 최적 충전은 완충전(full charge)일 필요가 없으며 완충전의 80 내지 100 %일 수 있다. 최적 충전은 연장된 방전 기간동안 배터리의 준비 상태를 유지하는 것과 배터리 사이클 수명을 증가시키는 것 사이의 절충이다. 배터리를 사실상 100 %의 완충전으로 충전하는 것은 연장된 방전 기간동안 배터리의 이용 가능성을 최대화시키는 것이지만, 또한 배터리에 스트레스를 가하게 되어, 그 결과 배터리 사이클 수명을 더 짧게 한다. 배터리를 완충전보다 적게 충전하는 것은 배터리에 가해지는 스트레스를 감소시켜서 배터리 사이클 수명을 연장시키지만, 또한 갑작스러운 부하 변화로 인해 배터리에서 이용 가능한 에너지를 감소시킨다. 최적 충전의 선택은 보조 동력 유닛에 가해지는 기대 부하 변화와 배터리 용량에 따라 좌우되고 동력 관리 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 범위 내에서 잘 알려져 있다. 양호한실시예에서, 최적 충전은 완충전의 90 %로 설정된다. 동력 제어 시스템의 또 다른 목표는 연료 주입부터 동력 출력까지의 효율을 최대화함에 의하여 엔진의 연료소비를 줄이는 것이다. 도4a의 동력 제어 시스템은 원하는 배터리 충전을 위하여 엔진 온도와 엔진 속도를 조절하고 이에 따라 요구되는 동력 출력을 조절한다.
배터리(413)의 충전은 배터리 전압에 의하여 대략 개산될 수 있다. 전술한 바와 같이, 스터링 엔진(Pmech또는 Pamp)에 의해 발생된 동력과 부하 동력(Pout) 사이의 차이는 배터리(413)로 또는 배터리(413)으로부터의 동력 이동의 결과를 가져올 것이다. 예를 들면, 엔진이 부하(410)의 요구량에 부합할 충분한 동력을 생산하지 않는다면 배터리(413)는 부하(410)를 지원에 필요한 잔류 동력을 제공할 것이다. 만약 엔진이 부하(410)의 요구량에 부합하기 위하여 필요한 것보다 더 많은 동력을 생산한다면 초과 동력은 배터리(413)을 충전하기 위하여 사용될 수 있다. 동력 제어 시스템은 부하의 변화에 반응하여 다소간의 동력을 발생시키도록 엔진에 명령을 내리는 것이 필요한지 여부를 결정한다. 그 다음, 엔진의 속도와 엔진의 온도는 필요한 동력을 발생시키기 위하여 조정된다. 배터리(413)가 방전된 때(즉, 부하(410)으로부터의 요구량이 연장된 시간동안 엔진에 의하여 생산된 동력보다 클 때) 엔진 온도와 속도는 엔진이 더 많은 동력을 생산하도록 조정된다. 전형적으로 엔진 온도와 속도는 더 많은 동력을 생산하기 위하여 증가된다. 바람직하게는 더 많은 동력이 필요할 때 상승하는 엔진 온도는 상승하는 엔진 속도에 비해 우선된다. 역으로 배터리(413)이 연장된 시간동안 충전될 때(즉, 엔진이 부하(410)의 요구량보다 더 많은 동력을 생산할 때) 엔진 온도와 속도는 엔진에 의하여 생산된 동력의 양을 줄이기 위하여 감소된다. 전형적으로 엔진 온도와 속도는 엔진에 의하여 생산된 동력의 양을 감소시키기 위하여 조정된다. 바람직하게는 더 작은 동력이 필요할 때 감소하는 엔진 속도는 감소하는 엔진 온도에 비해 우선된다.
일단 동력 제어 시스템이 원하는 배터리 동력에 기초하는 원하는 엔진 온도와 속도를 결정하면, 동력 제어 시스템은 원하는 엔진 온도를 나타내는 버너 제어 유닛(109)(도1에 도시)에 온도 명령을 보내고, 원하는 엔진 속도를 나타내는 발전기(402)에 속도 명령을 보낸다. 전술한 바와 같이, 엔진의 속도는 모터 증폭기(405)를 사용하여 모터/발전기(402)에 의하여 엔진의 크랭크축에 인가된 토크를 조정함에 의하여 제어될 수 있다. 이처럼, 발전기(402)는 엔진에서 조정 가능한 부하로서 작용한다. 발전기(402)가 엔진에서의 요구량을 증가시킬 때 크랭크축 상의 부하는 증가하고 이에 의하여 엔진의 속도는 느려진다. 모터 증폭기(405)는 모터에서 필요한 토크를 얻기 위하여 모터 전류를 조절하고, 따라서 필요한 엔진 속도를 조절한다.
스터링 사이클 엔진(또는 다른 외연 기관)은 전형적으로 부하의 갑작스러운 변화에 긴 반응 시간을 갖는다.(즉, 증가 또는 감소의 온도 명령에 대한 엔진의 수령과 원하는 온도에 도달하는 엔진 사이에 시간 지연이 있다.) 그러므로 동력 제어 시스템은 스터링 사이클 엔진의 긴 반응 시간을 고려하여 설계된다. 부하(410)의 갑작스러운 증가로 인해, 엔진의 크랭크축에 발전기(402)에 의하여 인가된 토크 부하는 감소되어, 이는 증가된 온도 명령이 버너 제어 유닛(109)(도1에 도시)으로 보내질 때까지 크랭크축이 가속하고 발전기(402)의 증가된 동력 출력을 일시적으로 유지하는 것을 허용한다. 갑작스러운 부하 감소로 인해, 엔진의 크랭크축에 발전기(402)에 의하여 인가된 토크는 버너 제어 유닛에 보내진 감소된 온도 명령이 발효될 때까지 크랭크축을 감속시키고 동력 출력을 감소시키기 위해 증가될 수 있다. 발전기(402)에 의해 발생된 초과 충전 또는 동력은 배터리(413)를 충전하기 위하여 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 또한 임의의 다른 초과 전기 에너지는 비상 분로(407)에 안내될 수 있다. 버너 제어 유닛(109)을 사용하는 엔진의 온도를 제어하는 단계는 도6 내지 도11을 참조하여 상세하게 후술한다.
도4b는 배터리의 최적 충전을 유지하기 위하여 필요한 전력을 제공하고 인가된 부하에 부합하기 위하여 원하는 엔진 온도와 속도를 결정하는 방법의 개략 블록도이다. 먼저, 블록(420)에서 동력 제어 시스템은 배터리의 충전 상태를 개산한다. 개산된 충전의 배터리 상태(Qest)는 블록(420)에서 다음 식에서 도시된 바와 같이 필요한 경우 조정 전류(Iadj)뿐만 아니라 측정된 배터리 전류(IB)를 사용하여 결정된다.
Qest(t)= Qest(t-dt)+ IB(t)dt + Iadj(t)dt, (식 1)
엔진이 먼저 시동될 때 충전의 초기 개산 상태(Qest)는 미리 선택된 값으로 설정된다. 양호한 실시예에서, 충전값의 초기 상태는 완충전의 10 %이다. 그 다음, 조정 전류는 Qest가 충전의 실제 상태에 근접한 값에 도달하도록 배터리 전류를 교정하는 데 사용된다. 시동시에 Qest의 낮은 초기값을 선택함에 의하여 Qest의 더 낮은 값이 더 높은 충전 전류용으로 허용되기 때문에 더 빠른 교정이 얻어진다.
조정 전류는 배터리의 공지 V-I특성에 기초하여 선택될 수 있다. 양호한 실시예에서 배터리는 납-산 배터리이다. 특정 배터리용의 V-I면의 결정은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자의 범위 내에서 잘 알려져 있다. 배터리(413)(도4a에 도시)의 V-I면은 배터리의 충전 상태가 이치에 맞게 알려진 작동 구역들로 나누어질 수 있다. 측정된 배터리 전압(VB)과 배터리 전류(IB)는 V-I면에서 배터리의 전류 상태를 확인하는 데 사용된다. 그 다음, 개산된 충전(Qest)은 측정된 배터리 전압과 전류가 떨어지는 V-I면의 구역에 대응하는 식별된 충전 상태와 비교된다. 조정 전류(Iadj)는 측정된 배터리 전압과 전류와 개산된 상태의 충전(Qest)과 V-I면을 사용하는 개산된 충전의 상태 사이의 차이와, 배터리의 측정된 전압과 전류의 함수인 상수와의 곱을 취함으로서 개산된다.
블록(422)에서 동력 에러(Perr)는 원하는 배터리 동력(Pbatdes)과 실제 배터리 동력(PB)를 비교함으로서 결정된다. 동력 에러(Perr)는 보조 동력 유닛이 다소간의 동력 출력을 발생해야 하는지 여부를 표시한다. 실제 배터리 동력(PB)은 배터리(IBVB) 내로 흐르는 측정된 배터리 동력이다. 원하는 배터리 동력은 2가지 방법을 사용하여 개산될 수 있다. 제1 방법은 배터리(Vchg)의 충전 전압을 기초로하고, 제2 방법은 배터리의 개산된 상태의 충전(Qest)을 기초로 한다. 다음의 설명에서, 제1 방법을 사용하여 개산된 원하는 배터리 동력은 PV로서 언급되고, 제2 방법을 사용하여 개산된 원하는 배터리 동력은 PQ로서 언급된다.
제1 방법은 배터리(Vchg)의 충전 전압을 사용하여 원하는 배터리 동력(PV)을 개산한다. 양호한 실시예에서, PV는 다음의 방정식을 사용하여 개산된다.
PV= Vchg* MAX [Imin, IB] - IOC(식 2)
충전 전압(Vchg)은 배터리가 충전되어 유지되는 최적의 배터리 전압이고 특정 배터리의 제조자에 의하여 전형적으로 특정된다. 예를 들면, 양호한 실시예에서, 납-산 배터리는 2.45 V/cell의 충전 전압을 갖는다. Vchg는 측정된 배터리 전류(IB)또는 소정의 최소 전류값(Imin)중 더 큰 것과 곱해진다. Imin은 배터리의 V-I면의 공지 특성을 기초로 선택될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 측정된 배터리 전압(VB)이 Vchg보다 훨씬 작을때 Imin은 배터리의 전압(VB)을 Vchg까지신속하게 증가시키기 위하여 높은 값으로 설정될 수 있다. VB가 Vchg에 근접하는 경우, 배터리 전압(VB)을 Vchg에 이르게 하기 위해 많은 부가적인 에너지를 요구하지 않음에 따라 Imin은 낮은 값으로 설정될 수 있다. 그러나, VB가 Vchg보다 큰 경우, 과충전 전류(IOC)는 과전압 조건을 피하기 위하여 IB과 Imin중 더 큰 것으로부터 감산될 수 있다.
제2 방법은 배터리의 개산된 상태의 충전 Qest을 기초로 원하는 배터리 동력(PQ)을 개산한다. 블록(420)에서 결정된 바와 같이, 양호한 실시예에서, PQ는 다음의 식을 사용하여 개산된다.
PQ= KQ(QG- Qest)-(ηIbusVbus- IBVB), (식 3)
여기서, KQ는 사용자의 선호 뿐만 아니라 전류의 작동 모드와 작동 조건을 기초로 시스템의 설계 또는 리얼 타임 중의 어느 것으로 구성될 수 있는 게인 상수이다;
QG는 배터리의 원하는 충전 상태이고;
Ibus 는 모터 증폭기를 떠나는 측정된 버스 전류이고;
Vbus는 측정된 버스 전압이고;
η는 모터 증폭기와 배터리 사이의 직류/직류 전환기(도4a에 도시)용 개산된 효율 인자이다.
원하는 동력(PQ)은 배터리의 원하는 충전 상태(QG)와 배터리의 개산된 충전 상태(Qest) 사이의 차이를 기초로 한다. QG는 0(완전 방전)과 1(완전 충전) 사이의 소정의 값이고, 제어기가 배터리에서 유지하려고 하는 충전 상태를 나타낸다. 양호한 실시예에서, 배터리의 원하는 충전 상태는 완충전의 90 %이다. 개산된 배터리 충전(Qest)이 원하는 충전 상태(QG)에서 멀어지면 질수록 배터리를 충전하기 위하여 안전하게 요구될 수 있는 동력이 더 크다. Qest가 QG에 더 가까울수록 배터리 전압 VB를 Vchg까지 가져오기 위하여 필요한 동력이 더 작다.
또한, 원하는 배터리 동력(PQ)의 개산은 가능한 부하 변화를 고려하여 조정된다. 보조 동력 유닛의 부하가 갑자기 감소되면, 엔진에 의하여 생산된 초과 동력은 엔진에 의해 발생된 동력의 양이 감소될 수 있을 때까지 안내되어야 한다.(즉, 시스템은 부하의 갑작스런 변화에 반응할 시간을 갖는다) 초과 동력은 부하가 시스템으로부터 갑자기 제거된다면 배터리 내로 흐를 수 있는 최악의 경우의 부가적인 동력을 나타낸다. 따라서, 부하의 변화에 의하여 생산된 초과 동력을 흡수하도록 배터리에 룸을 남기는 원하는 배터리 동력을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 초과 동력은 초과 동력을 흡수하는 배터리에 부가적인 룸을 남기기 위하여 PQ에서 감산된다. 초과 동력은 엔진에 의해 발생된 동력와 배터리에 들어가는 동력을 비교함으로서 결정될 수 있고, 상기 식3 에서 ηIbusVbus- IBVB란 용어로 나타내어진다. 엔진에 의해 발생된 동력은 모터 증폭기에서 측정된 버스 전압(Vbus)과 모터 증폭기를 떠나는 측정된 버스 전류(Ibus)를 사용하여 개산된다. 배터리를 들어가는 동력은 측정된 배터리 전압과 전류의 곱(IBVB)이다.
블록(422)에서 두개의 개산된 원하는 배터리 동력(PV)와(PQ)의 최소치는 동력 에러(Perr)를 결정하는 데 사용된다. 동력 에러(Perr)는 다음 식에 의하여 도시된 바와 같이 배터리 내로 흐르는 측정된 동력와 선택된 원하는 배터리 동력 사이의 차이이다.
Perr= MIN[Pv,PQ] - IBVB, (4)
배터리 내로 흐르는 측정된 동력(PB)는 측정된 배터리 전류(IB)와 측정된 배터리 전압(VB)의 곱이다. 전술한 바와 같이, 동력 에러(Perr)는 보조 동력 유닛가 다소간의 동력 출력을 발생해야 하는지 여부를 표시한다. 달리 표현하면, 실제 배터리 동력가 원하는 배터리 동력 미만이면, 보조 동력 유닛은 더 많은 동력을 발생시키는 것이 필요할 것이다.(즉 속도와 온도를 증가시킨다) 실제 배터리 전압이 원하는 배터리 전압보다 크다면 보조 동력 유닛은 더 작은 동력을 발생시키는 것이 필요할 것이다.(즉 속도와 온도를 감소시킨다)
동력 에러 신호(Perr)에 대한 반응으로 동력 제어 시스템은 원하는 동력을 발생시키기 위하여 필요한 엔진 온도와 속도를 나타내는 블록(424)에서 엔진 속도 명령 신호 출력(ω)과 엔진 온도 명령 신호 출력(T)를 발생시킨다. 양호한 실시예에서, 엔진 온도(T)는 엔진 속도에 비례하고 Perr함수의 적분이다. 이 실시예에서, T는 제어 법칙에 의하여 조절된다.
T = ∫fdt, (식 5)
여기서 ωmot< ωmotidle일때 f = KitPerr;
Perr≥0 이고 ωmot≥ ωmotidle일때 f = KitPerr+ Kdrift; 및
Perr< 0 이고 ωmot> ωmotidle일때 f = Kdrift
상기 제어 법칙에서 ωmot는 측정된 엔진 속도이고, ωmotidle는 소정의 정격 엔진 속도이고, Kit는 게인 상수이다. 엔진의 속도가 정격 모터 속도보다 클때 엔진의 정격 속도로 엔진의 속도를 간접적으로 감소시킬 뿐만 아니라 엔진 온도를 느리게 증가시키는 효과를 갖는 부가적인 드리프트 용어(Kdrift)가 더해진다. 정격 엔진 속도에서 엔진의 작동은 엔진의 효율을 최대화한다.
양호한 실시예에서, 엔진(ω)의 속도는 동력 에러(Perr)와 Perr의 적분에 비례하고, 다음이 제어 법칙에 의하여 제어된다.
ω= ωmin+ KpwPerr+ Kiw∫Perrdt, (식 6)
여기서, ωmin은 최소의 허용 가능한 엔진 속도를 나타내고,
Kpw및 Kiw는 게인 상수이다.
모터 속도(ω)는 적어도 최소의 속도(ωmin)로 한정된다. 엔진 속도는 속도가 증가할 때 엔진의 냉각 효과를 감소하기 위하여 최대 속도(ωmax)로 또한 제한된다.
도5는 도4a의 동력 전자 회로의 구조적인 상세 항목을 도시한다. 발전기(502)는 배터리(513), 인버터(516), 증폭기(505) 및 비상 분로(507)에 연결된다. 이들 요소의 동작은 도4a와 도4b를 참조로 상술한 것과 유사하다.
도4a와 도4b를 참조로 상술한 바와 같이, 일단 동력 제어 시스템은 배터리의 최적 충전 레벨을 유지하기 위하여 필요한 원하는 엔진 온도와 속도를 결정하면, 속도 명령(ω)은 원하는 엔진 속도를 나타내는 발전기(402)(도4a에 도시)로 보내지고, 온도 명령(T)은 원하는 엔진 속도를 나타내는 버너 제어 유닛(109)(도1에 도시)으로 보내진다. 도1로 돌아가서 버너 제어 유닛(109)는 원하는 엔진 온도를 얻기 위하여 버너(104)를 제어한다. 버너 제어 유닛(109)는 연료통(110)으로부터 버너(104)로 공급된 청정 연소 연료, 바람직하게는 프로판을 공급한다. 버너 제어 유닛(109)은 또한 연료의 사실상 완전 연소를 보장하기 위하여 버너(104)로 측정된 양의 공기를 전달한다. 버너 제어 유닛(109)은 필요한 엔진 온도를 제공하고 배기 가스를 최소화하기 위하여 연료와 공기의 유동 속도를 설정한다.
보조 동력 유닛(100)이 전력과 열 모두를 유리하게 제공하는 주택 내에서 사용될 수 있도록 고효율과 저배기 가스를 얻기 위하여 스터링 엔진(101)과 버너(104)는 사실상 완전 연소를 제공한다. 스터링 엔진(101)의 저배기 가스를 제공하고 열효율을 개선하는 양호한 방법은 도6 내지 도11을 참조로 더 상세하게 기술된다. 상기 열효율의 요소는 연소시키는 버너(104)를 통하여 옥시던트(전형적으로는 공기, 이후 공기로 언급)의 효율적인 펌핑과 스터링 엔진의 히터 헤드(330)(도3 에 도시)를 떠나는 뜨거운 배기 가스의 회복을 포함한다. 많은 경우에 공기(또는 다른 옥시던트)는 열효율을 얻기 위하여 히터 헤드(330)의 온도에 근접하게 연소 전에 미리 가열된다. 스터링 엔진의 히터 헤드가 가열된 후 배기 가스에 여전히 많은 양의 에너지가 남겨지고, 이 기술 분야의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 열교환기는 배기 가스로부터 버너(104)로 도입 전에 연소공기로 열을 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 예열기 조립체는 도8을 참조로 상세하게 후술된다.
게다가, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)의 배출을 최소화하는 것은 여전히 완전 연소를 이루는 희박 연료-공기 혼합기를 요구한다. 희박 연료 공기 혼합기는 화학식대로의 혼합물보다 더 많은 공기를 갖는다.(즉, 예를 들면 프로판 1그램당 15.67그램의 공기) 더 많은 공기가 연료에 더해짐에 따라 CO, HC, NOx의 배출은 화염이 불안정하여 공기의 양이 충분히 많아질 때까지 감소된다. 이 점에서, 연료-공기 혼합물의 포켓은 완전 연소없이 버너를 통과할 것이다. 연료-공기 혼합물의 불완전 연소는 더 많은 양의 CO와 HC를 발생시킨다. 화염이 희박 폭발 한계(LBO)에서 소화될 때까지 더 많은 공기가 연료-공기 혼합물에 더해짐에 따라 CO와 HC의 배출은 계속해서 증가할 것이다. 희박 폭발 한계는 유입되는 공기(즉, 예열된 공기)의 온도가 상승함에 따라 증가할 것이다. 그 결과, 최적 연료-공기비는 엔진의 워밍업 단계 중에 예열된 공기의 온도가 상승함에 따라 감소된다. 일단 엔진이 워밍업되면, 연료-공기비는 발생된 배기 가스를 최소화하고 안정된 화염을 유지하기 위하여 조정된다. 상세한 설명과 청구의 범위에서 사용된 바와 같이 연료-공기비는 버너의 연소실 내로 흐르는 공기의 질량 대 연료의 질량비이다.
따라서, 연료-공기비는 점화를 위한 최적의 연료-공기비를 제공하기 위하여 버너 제어기(도1에 도시)에 의하여 먼저 제어된다. 일단 화염이 입증되면, 연료-공기비는 예열된 공기의 온도와 연료의 유형에 기초하는 배기 가스를 최소화하기 위하여 제어된다. 그 다음, 버너 제어 시스템은 히터 헤드(330) 온도를 명령된 온도까지 가져오기 위하여 연료 유동 속도를 제어한다. 공기 유동 속도는 연료 유동 속도가 변하고 공기 예열 온도가 변함에 따라 엔진의 배기 가스에서 산소의 원하는 레벨을 유지하기 위하여 조정된다.
도6은 버너 제어 유닛(609)를 포함하는 동력 제어 시스템의 개략 블록도이다. 보조 동력 유닛의 제어기(611)는 도4a와 도4b에 대하여 상술된 바와 같이 블록(606)에서 필요한 엔진 온도와 엔진 속도를 계산한다. 원하는 엔진 온도(즉, 히터 헤드의 원하는 온도)는 버너 제어 유닛(609)에 온도 명령 입력(607)으로서 제공된다. 회전 속도 제한기(601)는 유리하게는 온도 위와 아래의 슈트가 최소화되게 하기 위하여 온도 증가가 점진적이도록 엔진 온도에서의 증가를 제한하는 데 사용된다. 최소 작동 온도 이상의 엔진 온도용 보조 동력 유닛 제어기(611)로부터 온도 명령(607)을 받을 때 버너 제어 유닛(609)은 버너(604)의 점화 순서를 개시한다. 물펌프(도시안됨)와 라디에터팬(도시안됨)은 냉각액의 온도를 유지하기 위하여 제어된다.
주어진 연료는 제한된 범위의 연료-공기 비율에서만 점화할 것이다. 점화시, 선택된 점화 연료-공기 비율은 사용된 연료에 대응하는 화학식대로의 연료-공기 비율과 동일하거나 또는 그 미만이다. 양호한 실시예에서, 연료가 프로판일때 점화 연료-공기 비율은 공기 그램당 0.1 그램의 프로판으로 설정된다. 점화 연료 공기 비율은 화염이 안정되고 버너(604)의 연소실 내부의 온도가 워밍업 온도로 증가할 때까지 유지된다. 양호한 실시예에서, 점화 연료-공기 비율은 히터 헤드(330)가 300 ℃에 도달할 때까지 유지된다.
일단 화염이 안정되면, 버너의 연소실의 온도는 원하는 워밍업 온도에 도달하고, 연료-공기 비율은 그때 공기 예열 온도와 연료 타입을 기초로 제어된다. 상술한 바와 같이, 연료-공기 혼합물의 최적 연료-공기 비율은 예열된 공기의 온도가 상승함에 따라 감소된다. 최적의 연료-공기 비율은 실내 온도 공기의 "시동" 연료-공기 비율에서 워밍업 예열된 공기 온도의 "구동" 연료-공기 비율까지 선형으로 먼저 감소된다. 공기는 그 공지된 점화 온도를 넘어설 때 완전히 워밍업하는 것으로 간주된다. 예를 들면, 프로판의 점화 온도는 490 ℃이다. 양호한 실시예에서, 연료가 프로판일 때 "시동" 연료-공기 비율은 공기 그램당 0.052그램의 연료이고, 이는 엔진의 배기 가스에 대략 4 %의 산소로 귀착된다. 양호한 실시예에서, "구동"연료-공기 비율은 공기 그램당 0.026그램의 연료이고, 이는 엔진의 배기 가스에 대략 13 %의 산소로 귀착된다. 일단 공기가 그 워밍업된 예열 온도에 도달하면, 공기 유동 속도는 워밍업된 예열 온도의 최적 연료-공기 비율을 유지하기 위하여 조정된다. 공기 유동 속도는 예를 들면 연료 유동 속도에서의 변화 또는 공기 예열 온도에서의 변화에 반응하여 조정될 수 있다.
도6의 실시예에서, 연료-공기 비율은 공기와 연료의 질량 유동 속도를 측정함에 의하여 결정될 수 있다. 공기 유동 속도는 송풍기(605)의 벤투리 튜브와 압력 센서로 측정될 수 있다. 연료 유동 속도는 밸브가 현재 개방 명령을 받았는지를 모니터하고 한 세트의 연료 제어 밸브의 상류와 하류의 압력으로부터 결정될 수있다. 다른 실시예에서, 연료-공기 비율은 도7에 도시된 바와 같이, 보조 동력 유닛의 배기 가스의 산소 함유량의 측정을 기초로 할 수 있다. 산소 센서는 배기 가스를 샘플링하고 배기 가스에서 산소의 퍼센트를 측정하기 위하여 엔진에 베치될 수 있다.
도6으로 돌아가서, 엔진 온도(Thead)는 측정되고, 피드백 루프를 사용하여 원하는 엔진 온도(607)와 비교된다. 엔진 온도가 원하는 엔진 온도에 도달할 때까지 (연료와 공기 유동 속도를 증가시킴으로써) 엔진 온도는 계속해서 상승할 것이다. 전술한 바와 같이, 회전 속도 제한기(601)는 온도 위와 아래의 슈트를 최소화하기 위하여 온도의 점진적인 증가를 제공한다. 보조 동력 유닛 제어기(611)가 최소 히터 헤드 온도 이하로 히터 헤드 온도를 명령할 때, 버너 제어기(609)는 연료와 공기를 차단하고, 냉각액이 끓어 넘치는 것을 방지하기 위하여 물펌프와 라디에터팬을 제어한다.
최적의 연료-공기 비율을 제공하는 것 이외에, 버너(604)에 연소된 연료와 공기는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 배출을 제한하기 위하여 충분한 양의 산소와 잘 혼합되어야 하고, 부가적으로 질소산화물(NOx)의 형성을 제한하기에 충분히 낮은 화염 온도에서 연소되어야 한다. 전술한 바와 같이, 고온의 예열된 공기는 고열의 효율을 얻기 위하여 바람직하고, 이는 화염 온도를 제한하기 위하여 많은 양의 초과 공기를 요구하고 연료와 공기를 예비 혼합하는 것을 어렵게 함으로써 저 배기 가스의 목표를 달성하는 것을 까다롭게 한다. 여기에 사용된 바와 같이,자동 점화 온도라는 용어는 기존 조건의 공기와 연료 압력 하에서 온도를 감소시키는 촉매없이 연료가 점화하는 온도로 한정된다. 통상의 예열된 공기 온도는 대부분의 연료의 자동 점화 온도를 넘어서, 잠재적으로 연료 공기 혼합물이 버너의 연소실로 들어가기 전에 점화하게 한다. 이 문제에 대한 하나의 해결책은 미리 혼합되지 않은 확산 화염을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 확산 화염은 잘 혼합되지 않으므로 CO와 NOx의 원하는 배출량보다 많게 된다. 화염 역학의 상세한 기술은 턴스(Turns)에 의하여 쓰여지고, 맥그로-힐(McGraw-Hill)(1996)에 의하여 출판된 "연소로의 초대: 개념과 응용" 에 기술되어 있고, 여기에 참고로 기술된다. 화염 온도를 제한하기 위하여 제공된 증가된 공기 유동은 공기 펌프 또는 송풍기에 의하여 소비된 동력을 통상 증가시키고, 이에 의하여 전체적인 엔진 효율을 떨어뜨린다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저배기 가스와 고효율은 연료의 자동 점화 온도가상으로 가열된 공기의 존재시에도 미리 혼합된 화염을 발생시키고, 부가적으로 공기 입구와 화염 구역 사이의 압력 강화를 최소화함으로써 제공될 수 있고, 이에 의하여 송풍기의 동력 소비를 최소화한다.
"화염 속도"란 용어는 전방의 화염이 특정 연료-공기 혼합물을 통하여 전파되는 속도로서 언급된다. 명세서와 첨부된 청구의 범위에서 "연소축"이라는 용어는 유체의 연소시에 유력한 유체 유동의 방향을 언급한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 버너와 예열기의 조립체의 전형적인 요소는 도8a를 참조로 기술된다. 연소 가스의 목표 범위는 1700 내지 2300K이고, 바람직한 범위는 1900 내지 1950K이다. 작동 온도는 전형적인 여러 대기의 작동 압력에서 작동 유체를 함유해야 하는 히터 헤드(330)의 강도에 의하여 그리고 버너 구조의 산화 저항에 의하여 제한된다. 금속의 강도와 산화 저항은 고온에서 전형적으로 감소되므로, 높은 연소 온도로부터 금속 요소를 차폐하는 것이 중요하다. 이를 위해, 버너(122)는 세라믹 연소실(804)로 둘러싸이고, 그 자체는 금속 연소실 라이너(806)에서 케이스에 넣어지고, 히터 헤드(330)에 열적으로 기울고, 예열기 통로로부터 유입되는 공기에 의하여 또는 배기 가스(810)에 의하여 냉각된다. 부가적으로, 히터 헤드(330)는 헤드 화염 캡(802)에 의하여 직접 화염 가열되는 것으로부터 차폐된다. 연소 공정의 배기 생성물은 히터 헤드 내에 함유된 작동 가스에 그리고 히터 헤드에 충분한 열 전달을 위하여 제공된 채널을 통하여 히터 헤드(330)를 지나 통로(808)를 따른다.
열엔진의 전체적인 효율은 엔진의 작동 유체와 배기 가스 사이의 열전달의 효율에 부분적으로 의존한다. 버너(122)에 의해 발생된 연소 공정의 배기 생성물로부터 엔진의 히터 헤드(330) 내의 작동 유체로 열전달의 효율을 증가시키기 위하여 히터 헤드(330)의 양쪽에 넓게 젖은 표면 구역이 요구된다. 도3을 참조로, 히터 헤드(330)는 사실상 하나의 밀폐된 단부(332)(달리 실린더 헤드로 언급됨)와 개방된 단부(334)를 갖는 실린더이다. 밀폐된 헤드(332)는 도8a에 도시된 바와 같이 버너(122)에 배치된다. 도8b를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 핀은 엔진의 작동 유체에 차례로 열을 전달하기 위해 고체의 히터 헤드(330)과 고온의 유체 연소 생성물 사이의 계면 구역을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 히터 헤드(330)는 도8b에 도시된 바와 같이 외면 상에 배치된 열전달핀(152)을 가져서 히터 헤드(330)에 전도에 의한 열전달을 위해 큰 표면 구역을 제공하며, 따라서 열전달핀을 지나 버너(122)(도8a에 도시됨)로부터 유동하는 연소 가스로부터 작동 유체로 열전달을 한다. 열전달핀은 또한 히터 헤드(330)의 내면(도시안됨)에 배치될 수 있다. 내부 대면 열전달핀은 히터 헤드(330)로부터 작동 유체에의 전도에 의한 열전달을 위해 큰 표면적을 제공하는 기능을 한다.
히터 헤드(330)의 크기에 따라, 수백 또는 수천의 내부 열전달핀 또는 외부 열전달핀이 바람직할 수 있다. 본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 개별 어레이의 핀들(150)은 히터 헤드(330) 주위의 원주 거리에 아치형의 부분을 포함한다. 이는 도8b에서 사시도로 도시된 히터 헤드 조립체의 평면도에서 명백하다. 연속적인 열전달핀 어레이 세스먼트(150) 사이에는 열전달핀을 지나 다른 어떤 통로를 통하여 하방으로 배기 가스의 유동을 막도록 차폐된 사다리꼴의 분할구(506)가 있다. 배기 가스가 분할구(506)를 통하여 유동하지 않으므로 열전대(138)와 같은 온도 센서는 유리하게는 온도 센서가 열접촉하는 히터 헤드(330)의 온도를 모니터하기 위하여 분할구(506)에 배치된다.
온도 센서(138)는 바람직하게는 도8b에 도시된 바와 같이 분할구(506) 내에 배치된다. 더 상세하게는 온도 센서(138)의 온도 센서 팁(139)은 바람직하게는 이 구역이 전형적으로 히터 헤드의 가장 고온인 부분인 실린더 헤드(332)에 가능한 한 가까운 분할구(506)에 대응하는 슬롯에 배치된다. 다르게는, 온도 센서(138)는 실린더 헤드(332)에 직접 장착될 수 있으나, 기술된 바와 같이 슬롯에 있는 센서의위치가 바람직하다. 동력와 효율 모두의 면에서 엔진 성능은 가능한 가장 높은 온도에서 가장 높고, 반면에 최대 온도는 야금 특성에 의해 통상 제한된다. 그러므로, 온도 센서(138)는 히터 헤드의 가장 고온인 부분, 그러므로 제한되는 부분의 온도를 측정하기 위하여 배치되어야 한다. 부가적으로, 온도 센서(138)는 세라믹 단열(도시안됨)에 의하여 분할구(506)의 벽과 연소 가스로부터 단열되어야 한다. 세라믹은 또한 온도 센서를 제 위치에 유지하기 위하여 분할기의 벽에 접착제를 형성해야 한다. 온도 센서(138)의 전기 도선(144)은 또한 전기적으로 절연되어야 한다.
도8a로 돌아가서, 그 다음, 배기 가스는 히터 헤드(303)를 지나 통로(808)를 따르고 챔버라이너(806)와 내부 단열부(812) 사이의 통로(810)를 따라서 내보내지고, 이에 의하여 챔버라이너의 과열을 방지하는 부가적인 이점을 가지고 챔버라이너(806)로부터 부가적인 열을 흡수한다. 그 다음, 배기 가스는 예열기(814)를 통하여 하방으로 복귀하고 816으로 화살표에 의하여 도시된 바와 같이 히터 헤드(330)의 원주 주위로 배출된다. 예열기(814)는 주변 환경, 전형적으로는 공기 펌프 또는 송풍기에 의하여 흡입된 공기에 배기 가스로부터의 열을 교환하는 것을 허용한다. 예열기(814)는 주름진 절곡판 핀, 전형적으로는 인코넬로부터 조립될 수 있으나, 배기 가스로부터 흡입된 공기로 열을 교환하는 임의의 수단은 본 발명의 범위 내에 있다.
도9a 내지 도9c를 참조하면, 흡입 매니폴드(899)는 본 발명의 일 실시예에 따라 스터링 사이클 엔진의 용도 또는 다른 연소 용도를 도시한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 연료는 연료 자동 점화 온도 이상으로 가열될 수 있는 공기와 미리 혼합되고, 화염은 연료와 공기가 잘 혼합될 때까지 형성되는 것이 방지된다. 도9a는 흡입 매니폴드(899)와 연소실(910)을 포함하는 장치의 양호한 실시예를 도시한다. 흡입 매니폴드(899)는 공기(900)을 수용하는 유입구(903)와 함께 축대칭의 도관(901)을 갖는다. 공기(900)은 통상 900K 이상의 온도로 예열되고, 이는 연료의 자동 점화 온도 이상일 수 있다. 도관(901)은 도관(901) 내에 배치된 와류기(902)에 연소축(920)에 대하여 방사상으로 내향 유동하는 공기(900)를 이송한다.
도9b는 본 발명의 실시예에 따른 와류기(902)를 포함하는 도관(901)의 단면도를 도시한다. 도9b의 실시예에서, 와류기(902)는 공기(900)의 방사상 내향 유동을 안내하고 공기에 회전 성분을 부과하기 위한 여러개의 나선 형상의 베인(926)을 갖는다. 도관의 와류부의 직경은 와류기 도관(901)의 길이에 의하여 한정된 바와 같이 와류기(902)의 입구(924)에서 출구(922)로 감소된다. 와류기 베인(926)의 직경에서의 감소는 직경에 사실상 반비례하여 공기(900)의 유동 속도를 증가시킨다. 유동 속도는 연료의 화염 속도 이상이 되도록 증가된다. 와류기(902)의 출구(922)에서, 양호한 실시예에서 프로판인 연료(906)는 내향 유동하는 공기 내로 주입된다.
양호한 실시예에서, 연료(906)는 도9c에서 도시된 바와 같이, 일련의 노즐(928)을 통하여 연료 분사기(904)에 의하여 주입된다. 더 상세하게는, 도9c는 도관(901)의 단면도를 도시하고, 연료 제트 노즐(928)을 포함한다. 노즐(928)의각각은 와류기 베인(926)의 출구에 배치되고, 두개의 인접한 베인 사이에 중심이 있다. 노즐(928)은 공기와 연료를 혼합하는 효율을 증가시키기 위하여 이 방법으로 배치된다. 노즐(928)은 공기 유동(900)을 가로질러 연료(906)를 동시에 주입한다. 공기 유동이 화염 속도보다 더 빠르므로 공기와 연료 혼합물의 온도가 연료의 자동 점화 온도 이상이 되더라도 그 온도에서 화염이 형성되지 않을 것이다. 양호한 실시예에서, 프로판이 사용되는 경우, 히터 헤드의 온도에 의하여 제어되는 것과 같이 예열된 온도는 대략 900K이다.
도9a를 다시 참조하면, 공기-연료 혼합물(909)로 이후에 언급되는 지금 혼합된 공기와 연료는 유선형 구조의 윤곽(930)을 갖는 스로트(throat)(908)를 통과하는 방향으로 변이되고, 도관(901)의 출구(907)에 부착된다. 연료(906)는 연료 조절기(932)를 거쳐 공급된다. 스로트(908)는 내부 반경부(914)와 외벽부(916)을 갖는다. 연료-공기 혼합물의 변이는 연소축(920)에 대하여 사실상 가로지르고 방사상 내향 방향으로부터 연소축에 사실상 평행한 방향으로 이루어진다. 스로트(908)의 유선형 구조(930)의 윤곽은 연소축에 대하여 스로트(908)의 단면적이 스로트의 입구(911)에서 스로트의 출구(912)까지 일정하게 유지되도록 역전된 종의 형상을 한다. 윤곽은 계단이 없이 평탄하며 표면들 중의 어떤 것을 따라 최종적인 재순환이나 분리를 피하기 위하여 외류기의 출구로부터 스로트(908)의 출구까지 유동 속도를 유지한다. 일정한 단면적은 유동 속도를 감소시키지 않고 압력 강하를 야기하지 않고 공기와 연료가 계속해서 혼합되는 것을 허용한다. 평탄하고 일정한 단면적은 효율적인 와류기를 만들며, 이 와류기 효율은 와류기 유동 역학압력으로 전환된 와류기를 가로질러 정적인 압력 강하의 부분으로 언급된다. 80 %이상의 와류기 효율은 본 발명의 실행에 의하여 통상 달성될 수 있다. 이에 따라, 연소공기팬의 와류 동력 소모는 최소화될 수 있다.
스로트의 출구(912)는 공기-연료 혼합물(909)이 느려지는 챔버(910) 내로 확산되도록 외향으로 벌어져서(flare), 화염을 국부적이게 하고 포함하며 환상체의 화염이 형성되게 한다. 와류기(902)에 의해 발생된 회전 모멘트는 이 기술 분야에서 잘 공지된 바와 같이 화염 안정화 링 와류를 발생시킨다.
안전하게 버너를 작동하기 위하여 화염의 존재를 감지하거나 검출할 수 있는 것이 중요하다. 화염이 소화되는 경우, 화염은 다시 점화되거나 버너로의 연료 공급은 수초 이내에 차단되어야 한다. 이와 달리, 버너와 보조 동력 유닛은 점화된다면 화재 또는 폭발을 일으킬 가연성의 혼합물로 채워질 수 있다. 여러 유형의 화염 센서가 열전대, 화염 조정(rectification), 적외선(IR) 및 자외선(UV) 검출기와 같은 기술 분야에서 사용된다.
연료가 프로판인 양호한 실시예에서, 고온의 예열된 공기와 프로판 연료의 혼합은 여러 표준 화염 감지 방법의 사용을 방해한다. 표준의 단일 열전대 화염 센서는 화염 중의 온도가 예열된 공기 온도에 따라 변하기 때문에 정확하게 화염을 검출할 수 없을 것이다. 더욱이, 예열된 공기 온도는 대부분의 열전대 화염 검출기의 화염 중의 온도보다 종종 더 크다. 적외선 센서는 버너의 연소실 내부의 뜨거운 세라믹과 화염을 식별할 수 없을 수 있다. 적외선과 자외선 센서는 버너와 비교할 때 치수면에서 상대적으로 크고, 연소실에 광학 통로를 요구하므로 부가적인 어려움을 제기한다. 양호한 실시예의 희박 연소 조건에서, 화염 조정은 화염 중인 경우와 화염 소화된 경우를 신뢰성 있게 검출하지 못할 수 있다.
도10과 도11은 본 발명의 실시예에 따른 버너의 연소실에서 화염을 신뢰성 있게 검출하는 방법을 예시한다. 도10에서, 화염 검출기 열전대(1002)는 연소 가스의 온도를 측정하기에 충분히 먼 히터 헤드(1008)의 상부에서 연장되도록 스터링 히터 헤드(1008)에 장착된다. 또한, 화염 검출기 열전대(1002)는 그 작동 온도를 초과하지 않도록 하는 위치에 장착되어야 한다. 화염 열전대 온도가 평균 측정된 히터 헤드 온도보다 훨씬 더 크다면 화염이 있는 것으로 간주된다. 평균 히터 헤드 온도는 헤드 열전대(1004)를 사용하여 측정된다. 화염의 존재시에,, 화염 열전대는 히터 헤드 온도를 측정하기 위하여 사용된 센서보다 훨씬 더 고온으로 될 것이다. 화염이 소화되면 화염 열전대 온도는 히터 헤드 온도로 신속하게 도달할 것이다. 양호한 실시예에서, 화염 열전대는 히터 헤드 위로 2 mm 연장되고 화염 검출기 열전대(1002)와 헤드 열전대(1004)의 온도차가 100 ℃가 되면 화염이 존재하는 것으로 간주된다.
다른 실시예에서, 도11에 도시된 바와 같이, 화염 열전대(1104)는 연소실 라이너(1108)를 통하여 도11에 도시된 바와 같이 연소실(1106)의 에지로 연장하는 스터링 버너에 장착된다. 화염 열전대(1104)는 그것이 작동 온도를 초과하도록 그렇게 멀리 연장되어서는 안된다. 화염 열전대 온도가 측정된 히터 헤드 온도보다 훨씬 높다면 화염이 존재하는 것으로 간주된다. 히터 헤드 온도는 도10에 도시된 바와 같이 헤드 열전대(1004)를 사용하여 측정될 수 있다. 양호한 실시예에서, 화염 열전대는 연소실의 에지로 연장하고 화염 열전대(1104)와 헤드 열전대(1004) 사이의 온도차가 100 ℃가 되면 화염이 존재하는 것으로 간주된다.
또 다른 실시예에서, 도11에 도시된 바와 같이, 화염 열전대(1104)의 온도는 측정된 와류기 온도와 비교된다. 화염 열전대 온도가 측정된 와류기 온도보다 훨씬 더 높다면 화염이 있는 것으로 간주된다. 와류기 온도는 와류기 열전대(1102)를 사용하여 측정된다. 양호한 실시예에서, 화염 열전대는 연소실의 에지로 연장하고, 화염 열전대(1104)와 와류기 열전대(1102) 사이의 온도차가 100℃가 되면 화염이 존재하는 것으로 간주된다.
또 다른 실시예에서, 화염 열전대는 도10 또는 도11에 도시된 바와 같이, 연소실 내에 또는 히터 헤드 상에 장착된다. 화염의 변이는 시간에 대한 화염 열전대 온도의 변화(dT/dt)를 모니터함으로써 검출된다. 화염 점화는 화염 열전대 온도에서 양의 변화를 일으킬 것이다. 화염 소화 또는 화염 소화 조건은 화염열전대 온도에서 음의 변화를 일으킬 것이다. 점화 절차 중에 화염 열전대 온도에서의 변화가 ℃/sec로 미리 한정된 한계치를 초과할 때까지 화염은 점화되지 않은 것으로 간주된다. 그후, 화염 열전대 온도에서의 변화가 -℃/sec로 음의 한계치 이하로 떨어질 때까지 화염이 점화된 것으로 간주된다. 양호한 실시예에서, 화염의 점화 한계 온도 속도는 3℃/sec이고 화염의 소화 한계 온도 속도는 -2℃/sec이다.
도12는 덮개(1200)의 전면 패널이 내부 관찰을 위하여 제거된 보조 동력 유닛의 정면도를 도시한다. 스터링 엔진(도시안됨)과 발전기(도시안됨)는 압력 용기(1201)로 둘러싸인다. 핸들(1202)은 용이하게 휴대하기 위해 덮개에 부착된다. 도1을 참조로 상술한 바와 같이, 보조 동력 유닛은 유리하게는 휴대용 크기이다. 다른 실시예에서, 보조 동력 유닛은 건물의 방의 벽에 장착되거나 창에 배치될 수 있다. 연료통 홀더(1203)은 덮개(1200)에 부착되고 연료통을 수용한다. 연료통은 교체의 용이를 위해 덮개(1200)의 외부에 장착된다. 압력 용기(1201)는 진동과 소음을 감소하기 위하여 진동 장착대를 거쳐 덮개(1200)에 장착된다. 도13은 도12에 도시된 실시예의 배면과 송풍기(1300), 동력 제어 회로(1302) 및 버너 제어 회로(1302)의 위치를 도시한다.
다른 실시예에서, 보조 동력 유닛은 도14에 도시된 바와 같이 동력와 공기 조화를 제공하기 위하여 창에 장착되도록 구성될 수 있다. 추운 계절에는, 보조 동력 유닛은 엔진 라디에터(1403)을 통하여 실선 위치에서 벤트(1413)을 지나 방의 공기를 빨아 들이고 증발기 라디에터(1406)을 통해 방으로 가열된 공기를 복귀시켜서, 전력 뿐만 아니라 방(1411)에 강제 공기 가열을 제공한다. 제공된 가열양은 외부로 배기된 공기양 대 방으로 복귀된 가열된 공기의 양이 변하는 벤트(1412)를 통하여 제어된다. 적당히 따뜻한 계절에는, 보조 동력 유닛은 엔진 라디에터(1403)을 통하여 룸의 공기를 빨아 들이고 벤트를 통하여 외부로 모든 공기를 배기하여서, 신선한 공기의 미풍을 일으킴으로써 집을 냉각한다. 보조 동력 유닛은 또한 전력을 발생시킨다. 아주 더운 계절에는, 스터링 엔진/발전기(1402)의 기계 동력의 일부가 공기 조화기(1405)를 작동시키기 위하여 사용되는데, 이 공기 조화기(1405)은 팬(1407)을 사용하여 증발기 열 교환기(1406)를 통하여 점선 위치에 벤트(1413)을 지나 방의 공기를 빨아 들임으로써 방의 공기를 냉각한다. 벤트(1413)은 점선과 실선으로서 도14에 도시된 바와 같이 두 위치 사이를 이동하는 핀(1414)을 중심으로 회전한다. 엔진 라디에터 팬(1404)은 엔진 라디에터(1403)을 통하여 벤트(1412)를 지나 외부 공기를 빨아 들이는 전술한 설명의 방향을 역으로 하며, 플랩 벤트(1415)를 통하여 외부로 공기를 배기한다. 공기 조화기(1405)는 콘덴서 라디에터(1416)을 통하여 부가적인 공기를 흡입하고 이를 외부로 다시 배기한다. 공기 조화 모드에서는 더 적은 전력이 사용자에게 이용 가능하다.
공기 조화기는 냉동 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 아주 잘 공지되어 있는 세가지 실시예 중의 하나일 수 있다. 양호한 실시예에서, 원룸 냉각기용의 적절한 크기로 용이하게 이용 가능한 증기 압축 유닛이 사용된다. 다른 실시예에서, 전력을 적게 써서 전등 등을 위해 사용자에게 더 많은 전력을 공급하는 암모니아/물 냉각기가 사용된다. 또 다른 실시예에서, 증발기 라디에터(1406)을 통하여 펌프된 유체에 냉각을 제공하는 부가적인 세트의 피스톤을 갖는 듀플렉스 스터링 엔진이 사용될 수 있다. 듀플렉스 스터링 엔진은 콘덴서 라디에터(1408)로의 열을 제거할 것이다.
도15는 본 발명의 실시예에 따라서 상술한 바와 같이 보조 동력 유닛을 이용하는 개인 수송 차량을 도시한다. 보조 동력 유닛의 소형 크기와 전기 출력은 보조 동력 유닛을 도15에 도시된 바와 같이 모터 스쿠터와 결합함으로써 개인 수송할 수 있다. 일반적으로 1500으로 표시된 보조 동력 유닛/스쿠터는 휠 모터(도시안됨)와 보조 동력 유닛 요소를 덮는 바디 커버(1501)을 갖는다. 스터링 엔진(1505)는 스쿠터에 장착되고 연료 공급부(1506)과 라디에터(1508)에 연결된다. 스터링 엔진의전기 출력은 배터리 스택(stack)(1507) 내에 저장된다. 전기 접속구(1509)는 스쿠터가 수송을 위하여 사용되지 않을 때 전기를 제공하기 위하여 배터리 스택(1507)에 선택적으로 연결된다. 스쿠터가 수송을 위하여 사용될 때 배터리 스택(1507)은 모터에 동력을 공급하는 스쿠터 휠 모터에 연결된다.
본 발명의 기술된 실시예는 단지 예시적인 것이며 수많은 변경와 수정이 이 기술 분야의 지식을 가진 자에게 명백하다. 이러한 모든 변경과 수정은 첨부된 청구의 범위에 한정된 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다.

Claims (48)

  1. 보조 전력과 열을 실내 구역에 제공하기 위한 방법이며,
    연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하여 외연 기관으로부터의 배출물이 소정의 배기 레벨 이하가 되는 외연 기관을 사용하여 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키는 단계와,
    외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 외연 기관에 연결된 발전기를 사용하여 전력으로 전환하는 단계와,
    외연 기관에 의해 발생된 열 에너지가 외연 기관 주위의 구역을 가열하도록 실내 구역에 발전기와 외연 기관을 배치하는 단계를 포함하며,
    하우징, 외연 기관, 발전기의 조합이 휴대용 크기가 되도록 외연 기관과 발전기가 하우징 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 외연 기관에 의하여 연소된 연료는 프로판인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 전력은 직류 전력인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 전력은 교류 전력인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전력과 열을 실내 구역에 제공하기 위한 보조 동력 시스템이며,
    기계 에너지와 열 에너지를 발생시키고, 연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하여 배출물이 소정의 배기 레벨 이하가 되는 외연 기관과,
    외연 기관에 연결되고 외연 기관의 기계 에너지를 전력으로 전환하는 발전기와,
    전력을 제공하는 제1 동력 출력부와,
    외연 기관 및 발전기와의 조합이 휴대용 크기가 되도록 외연 기관과 발전기를 수용하는 하우징을 포함하며,
    외연 기관에 의해 발생된 열 에너지가 하우징 주위의 대기를 가열하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 하우징은 창에 또는 벽에 장착될 수 있는 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 발전기와 제1 동력 출력부에 연결되고 외연 기관용 시동 동력을 제공하며 제1 동력 출력부에 동력을 제공하는 배터리와, 배터리에 연결되고 출력 신호를 발생시키며 배터리의 충전 레벨이 센서 출력 신호의 일부에 기초하여 결정되는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 출력 신호는 배터리 전압 및 전류를 나타내는 신호인 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 제1 동력 출력부는 직류 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 제1 동력 출력부에 연결되고, 제1 동력 출력부에 의하여 제공된 직류 전력을 교류 전력으로 전환하는 인버터와, 교류 전력을 제공하는 인버터에 연결된 제2 동력 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  13. 제6항에 있어서, 연료는 프로판인 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  14. 실내 구역에 전력과 열을 제공하기 위한 보조 동력 시스템이며,
    크랭크축과 연소실을 갖고, 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키고, 연료를연소하고 사실상 완전 연소를 하여 배출물이 소정의 배기 레벨 이하가 되는 스터링 사이클 엔진과,
    전기 에너지를 제공하는 제1 동력 출력부와,
    제1 동력 출력부와 스터링 사이클 엔진의 크랭크축에 연결되며, 스터링 사이클 엔진의 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전기와,
    발전기에 연결되고 스터링 사이클 엔진의 시동 동력을 제공하고 제1 동력 출력부에 동력을 제공하는 배터리와,
    스터링 사이클 엔진, 발전기 및 배터리와의 조합이 휴대용 크기가 되도록 스터링 사이클 엔진, 발전기, 배터리를 수용하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 하우징은 창에 장착될 수 있으며, 상기 시스템은 스터링 사이클 엔진에 연결되며 하우징을 둘러싸는 대기를 냉각하는 공기 조화 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 연료는 프로판인 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 전력은 직류 전력인 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 하우징은 건물 방의 벽 또는 창에 장착될 수 있는 것을 특징으로 하는 보조 동력 시스템.
  19. 히터 헤드를 갖는 열엔진의 동력 출력을 제어하기 위한 시스템이며,
    엔진의 히터 헤드에 열을 전달하고 배기 가스 생성물을 갖는 버너와,
    버너의 특정 작동 온도와 관련된 신호를 수신하는 입력부와,
    특정 연료 전달 속도로 버너에 연료를 전달하는 연료 공급 조절기와,
    버너에 공기를 전달하는 송풍기와,
    버너의 배기 가스 생성물에서 산소 농도를 모니터하기 위한 센서와,
    배기 가스 생성물에서 산소 농도와 특정 작동 온도와 관련된 입력에 적어도 기초하여 연료와 공기의 전달 속도를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 신호를 수신하는 입력부는 회전 속도 제한기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 속도와 크랭크축을 갖는 외연 기관의 동력 출력을 제어하기 위한 시스템이며,
    외연 기관의 크랭크축에 연결되고 외연 기관의 속도를 조절하는 발전기와,
    발전기에 연결되고 발전기로부터 동력 출력부에 동력을 전달하고 발전기에부하를 제공하는 증폭기와,
    발전기에 연결되고, 동력을 저장하고 동력 출력부에 동력을 제공하는 배터리를 포함하고,
    외연 기관의 속도와 온도가 한 세트의 원하는 배터리 조건을 유지하는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 발전기는 영구자석 무브러시 모터인 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 원하는 배터리 조건은 일정한 배터리 충전인 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 일정한 배터리 충전은 완충전의 90 %인 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 일정한 배터리 충전은 완충전의 80 내지 100 %의 범위 내인 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제21항에 있어서, 외연 기관에 열적으로 연결되고 초과열의 흡수를 위하여 유체를 포함하는 라디에터와, 발전기와 증폭기에 연결되고 라디에터의 유체 내에 수용되며 외연 기관에 의해 발생된 초과 동력을 소비하는 한 세트의 분권 저항기를 더 포함하는 시스템.
  28. 속도와 크랭크축을 갖는 외연 기관의 동력 출력을 제어하기 위한 방법이며,
    외연 기관의 크랭크축에 연결된 발전기를 사용하여 외연 기관의 속도를 조절하는 단계와,
    발전기에 연결된 증폭기를 사용하여 발전기에서 동력 출력부로 동력을 전달하는 단계와,
    증폭기를 사용하여 발전기에 부하를 제공하는 단계와,
    동력 출력부에 동력을 제공하는 배터리에 동력을 저장하는 단계와,
    한 세트의 원하는 배터리 조건을 유지하는 방식으로 외연 기관의 온도와 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제27항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제27항에 있어서, 발전기는 영구자석 무브러시 모터인 것을 특징으로 하는방법
  31. 제27항에 있어서, 원하는 배터리 충전은 일정한 배터리 충전인 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 일정한 배터리 충전은 완충전의 90 %인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제31항에 있어서, 일정한 배터리 충전은 완충전의 80 내지 100 %의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 외연 기관의 버너를 작동하기 위한 방법이며,
    방사상 내향 유동에서 축방향 유동으로의 변이에서 일정한 단면적을 통하여 버너로 공기를 전달하는 단계와,
    연료-공기 혼합물의 화염 속도보다 더 빠른 속도로 버너에 공기를 전달하는 단계와,
    방사상으로 내향 유동하는 공기를 운반하는 와류기를 사용하여 버너에서 발생된 화염을 안정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 히터 헤드를 갖는 열엔진의 동력 출력을 제어하기 위한 시스템이며,
    엔진의 히터 헤드에 열을 전달하고 배기 가스 생성물을 갖는 버너와,
    특정 연료 전달 속도로 버너에 연료를 전달하는 연료 공급 조절기와,
    버너로 공기를 전달하는 송풍기와,
    히터 헤드의 온도를 측정하는 헤드 온도 센서와,
    히터 헤드의 온도에 적어도 기초하여 연료와 공기의 전달 속도를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 버너의 배기 가스 생성물에서 산소 농도를 모니터하는 센서를 더 포함하고, 연료와 공기의 전달 속도를 제어하는 제어기는 배기 가스 생성물에서의 산소 농도와 히터 헤드의 온도에 적어도 기초하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제35항에 있어서, 히터 헤드는 배기 가스의 흐름으로부터 그늘진 외면의 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 헤드 온도 센서는 배기 가스의 흐름으로부터 그늘진 외면의 구역에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 제35항에 있어서, 버너에 공급된 공기의 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유동 센서를 더 포함하고, 연료와 공기의 전달 속도를 제어하는 제어기는 버너에 전달된 공기의 질량과 히터 헤드의 온도에 적어도 기초하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  40. 제35항에 있어서, 버너는 연소축을 특징으로 하며, 방사상 내향 유동하는 공기의 운반을 위하여 연소축을 중심으로 축대칭되는 와류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 버너에 전달된 공기의 온도를 측정하는 와류기 온도 센서를 더 포함하고, 연료와 공기의 전달 속도를 제어하는 제어기는 버너에 전달된 공기의 온도와 히터 헤드의 온도에 관련된 입력에 적어도 기초하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  42. 전력을 부하에 공급하기 위한 보조 동력 시스템이며,
    속도에 의해 특징지워지는 회전 크랭크축을 갖고, 엔진 온도에 의해 특징지워지는 외연 기관과,
    회전 크랭크축에 연결되고 전력을 발생시키고 크랭크축의 속도를 조절하는 발전기와,
    발전기에 연결되고 발전기로부터의 전력을 부하로 공급하는 증폭기와,
    충전 상태에 의해 특징지워지고, 증폭기에 연결되며, 증폭기로부터의 전력을 저장할수 있으며, 전력을 부하로 공급할 수 있는 배터리와,
    배터리, 증폭기 및 엔진과 신호 연통하고, 배터리의 충전 상태의 일부에 기초하여 속도와 엔진 온도를 명령하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 적어도 하나의 부재를 포함하는 한 세트의 휠과 동력이 공급될 때 개인 수송 차량의 이동을 발생시키는 휠세트에 연결된 휠 모터를 갖는 개인 수송 차량에 동력을 제공하기 위한 시스템이며,
    기계 에너지와 열 에너지를 발생시키고, 연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하여 배출물이 소정의 배기 레벨 이하가 되는 외연 기관과,
    외연 기관의 버너에 연결되고, 특정 연료 전달 속도로 버너에 연료를 제공하는 연료 공급부와,
    외연 기관에 연결되고, 외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 전력으로 전환하는 발전기와,
    발전기에 연결된 입력부와 휠 모터에 연결된 출력부를 갖고, 입력부에 발전기로부터 제공된 전기 에너지를 저장하고 출력부에는 휠 모터에 동력을 제공하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 시스템.
  45. 제43항에 있어서, 초과 열 에너지의 흡수를 위한 유체를 함유하고, 외연 기관에 열적으로 연결된 라디에터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 속도에 의해 특징지워지는 크랭크축과 헤드 온도에 의해 특징지워지는 히터 헤드를 갖고, 기계 에너지와 열 에너지를 발생시키며, 연료를 연소하고 사실상 완전 연소를 하여 배출물이 소정의 배기 레벨 이하가 되는 외연 기관과,
    자체에 출력부를 갖고, 외연 기관의 크랭크축에 연결되고, 외연 기관에 의해 발생된 기계 에너지를 자체의 출력부에 제공된 전력으로 전환하는 발전기와,
    자체에 출력부를 갖고 발전기의 출력부에 연결되고, 충전 상태에 의해 특징지워지며 외연 기관에 시동 동력을 제공하고 자체의 출력부에 동력을 제공하는 배터리와,
    배터리, 발전기 및 외연 기관과 신호 연통하며, 배터리의 충전 상태에 적어도 기초하여 히터 헤드의 온도와 크랭크축의 속도를 제어하는 제어기와,
    배터리 출력부에 연결되고 한 세트의 휠에 연결되는 휠 모터를 포함하고,
    휠 모터는 배터리에 의하여 동력이 공급될 때 휠 모터가 이동 보조 동력유닛의 운동을 발생시키는 휠세트를 구동하도록 하는 적어도 하나의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 보조 동력 유닛.
  47. 제46항에 있어서, 사용자를 지지하고 휠세트에 연결된 플랫폼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 보조 동력 유닛.
  48. 제46항에 있어서, 외연 기관은 스터링 사이클 엔진인 것을 특징으로 하는 이동 보조 동력 유닛.
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