CN1989690A - 家用组合式热电单元的不稳定检测和校正的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种家用组合式热电单元的不稳定检测和校正的方法和装置。斯特灵发动机(1)包括往复运动的活塞，该活塞驱动交流发电机以产生电输出(7)。通过电流监控器(60)来测量电流信号(7)并生成快速傅立叶变换值。已经发现，电流信号(7)的FFT与斯特灵发动机的运行稳定性直接相关。FFT中的谐波峰增加表示活塞的行程长度正在接近或超过安全最大值。因而可采取校正措施，例如减少输入给斯特灵发动机的热。本发明还公开了多种行程长度检测器(110)，它们与电流信号(7)的FFT分析结合使用或单独使用。本发明还连同安装在斯特灵发动机的壳体上的加速计一起，公开了光开关和机械开关以及模拟传感器。

Description

家用组合式热电单元的不稳定检测和校正的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于检测家用组合式热电(dchp)单元的不稳定的方法和装置，更具体而不排它地涉及一种用于检测和/或预防dchp单元中的直线型自由活塞(linear-free piston)斯特灵发动机中的活塞超行程的方法和装置。
背景技术
可采用直线型自由活塞斯特灵发动机(LFPSE)同时产生家用的热和电。在我们早先出版的各种专利申请(例如参见WO-A-03/076857)中详细描述了并入有这种LFPSE的dchp系统的操作的基本方式。
LFPSE通常包括经由柔性杆安装到换置器(displacer)弹簧上的换置器。对以上空间加热使得换置器往复运动。动力活塞同轴并径向安装在换置器柔性杆的外部，并且由于作用在换置器与动力活塞之间的气体力(gas force)而往复运动。通过直线型交流发电机来产生功率输出，该交流发电机包括被安装用于与动力活塞一起相对于固定绕组运动的磁体。
活塞的超行程导致LFPSE的运动部件与固定部件或其他运动部件接触是非常不合要求的(并且可能导致损坏)。随着时间的推移，运动部件与固定部件或其他运动部件的反复碰撞将导致部件的磨损，除了缩短发动机的寿命之外，该过程还导致(由碰撞磨损产生的)小颗粒干扰发动机的狭窄的内部流道。
为了使输入发动机中的能量的有效利用最大化，通常使LFPSE能够在其机械共振频率下运行。因此，由于活塞行程不受限制，所以往复运动的幅度作为运行状况的函数而变化，可能会发生活塞超行程。已经提出了各种方案来解决例如由于这种活塞超行程而引起的发动机不稳定的问题。这些方案可大致分类为检测和预防。
预防技术通常涉及使用与交流发动机中的磁体极性相反的磁体，从而在动力活塞开始运动到安全运动范围之外时提供定心力(centringforce)。例如在US-A-4,937,481中描述了一种这样的结构。该技术的缺点在于，磁体强度可能随时间而减弱，从而降低了磁体作为“止动件”的有效性。
检测技术监控发动机参数，并通常在确定出现或即将出现诸如活塞超行程的不稳定时迅速停机(shutdown)。例如，公知的是采用带有跳闸开关(strip switch)的减振器接近检测器作为安全鉴定(safety-critical)部件。通过确定减振器块的往复运动的幅度与活塞行程长度之间的关系来检测活塞超行程。
在WO-A-2004/094860中，在斯特灵发动机的减振器上安装有外部机械或光学“通/断”开关，以确定减振器的振动幅度(与活塞的行程长度相关联)何时超出预设的最大值。在检测到超行程状态时，减少供给斯特灵发动机的热，进而减小行程长度。
在另选结构中，如JP-A-2003014322(夏普公司)中所公开的，用于斯特灵制冷机的防碰撞机构具有直线型电机，并通过确定加在该电机上的电压和电流来测量其行程。US-A-5,836,165(休斯电子公司)提出这样的结构，该结构通过对振动传感器的输出信号进行傅立叶分析来控制斯特灵制冷机中的振动。
US-A-6,536,326(太阳能公司)中公开了另一种方案，其中利用安装在发动机壳体上的麦克风来对振动进行声学测量。利用麦克风输出来对LFPSE中的活塞进行反馈控制，从而在检测到活塞碰撞时减小活塞幅度。从上文可以理解，对发动机存在冲突的要求，因为在许多情况下，希望使发动机在其最大行程下运行(以获得最大功率输出)，但是在该最大行程下，超行程的可能性又最高。因此，非常希望通过活塞超行程来精确地预测和/或检测不稳定。如果在检测到超行程时命令发动机停机，则误报(false positive)将导致不必要的发动机停机。这些最多会令人恼火(因为停机也停止了热输出和电输出)。还需要在重启之前等待较长的时段，同时发动机燃烧器冷却至阈值温度以下，从而避免燃烧器预点火。因此，不必要的发动机停机也是很耗时的。当然，漏报(false negative)是更加不能接受的，因为无法预防活塞超行程(例如通过发动机停机)会导致发动机随时间而损坏。
本发明的目的就在于提供改进的技术来解决这些对发动机不稳定的检测和/或预防的问题。
发明内容
在此背景下，本发明的第一方面提供了一种不稳定检测装置，该不稳定检测装置用于检测家用组合式热电单元的发动机内的不稳定，所述dchp单元具有可燃燃料源和用于产生电力输出的发电机，所述装置用于从所述dchp的所述发电机接收信号，从而对该信号进行傅立叶变换，并且监控所述傅立叶变换以识别所述傅立叶变换中是否存在表示在所述dchp单元内存在不稳定或者不稳定演变的赝象(artefact)。
通过在将来自所述dchp发电机的信号馈送到主电网接口/家用电路时对其傅立叶变换(例如来自所述交流发电机的电流信号的快速傅立叶变换(FFT))内的赝象进行监控，可以监控所述dchp单元中的发动机的运行稳定性。如果在该发动机中检测到了不稳定(例如，诸如活塞和缸头/换置器的部件不合要求地靠近并且在它们之间作用了气体弹力)，则可以在出现完全超行程之前采取校正措施，例如降低发动机燃烧器的点火速率(firing rate)，从而防止损坏。
本发明的第二方面提供了一种dchp系统，该dchp系统具有dchp单元和所述不稳定检测装置，所述dchp单元具有可燃燃料源、用于产生电力输出的发电机和热输出。
本发明的又一方面提供了一种检测家用组合式热电单元的发动机内的不稳定的方法，所述dchp单元具有能够产生热输出的可燃燃料源和用于产生电力输出的发电机，所述方法包括：从所述dchp单元的所述发电机接收信号；对该信号进行傅立叶变换；并且监控所述傅立叶变换以识别所述傅立叶变换中是否存在表示所述dchp发动机内存在不稳定或者不稳定演变的赝象。
本发明的又一方面提供了一种行程长度检测器，该行程长度检测器用于确定家用组合式热电单元的发动机中的往复运动件的行程长度，该行程长度检测器包括：振动检测器，用于检测所述dchp发动机的振动级别；以及处理器，用于从所述振动检测器接收表示所检测到的振动级别的信号，所述处理器用于提供表示所述往复运动件的行程长度的行程长度检测器输出。
人们已经确知，壳体振动是往复运动件的行程长度和发动机内的部件(包含但不必限于所述往复运动件)的往复运动的频率的因子。在连接到所述电网时，振动频率可能由于主要(prevailing)电网频率的波动而在大约47到50.5Hz之间变化。当按照所谓的电网独立模式运行时，连接到斯特灵发动机的交流发电机提供了在大约240V和标称50Hz下的高达16A的电流。然而，在这种情况下，标称工作频率可能改变几个Hz或更多。
当标称频率和实际工作频率相同或相近时，振动传感器输出自身可以很好地表示活塞行程长度。对于标称(额定)频率与实际频率之间的较大差异，可能需要通过例如利用预存储/预定查找表所确定的校正因子来获得对活塞位置的精确估计。
通过随干线(mains)频率变化实时地调节该频率，可以获得例如壳体加速度的经频率校正的量度(其中振动检测器是加速计的优选实施例)。
人们已经发现，壳体加速度的量度(需要时进行频率校正)给出了发动机内部的活塞行程长度的可靠表示。这进而可以得到对即将出现的超行程的非常可靠的确认。
本发明的用于(通过监控发电机输出信号的傅立叶变换来)确定不稳定开始的技术方面可以与本发明的用于(通过对行程长度进行光学确定或机械确定而)精确地确定行程长度的其他技术方面有效地结合。具体地说，这些技术的结合提供了稳固而有效的二级系统，该系统能够及早检测到诸如直线型自由活塞斯特灵发动机的dchp发动机即将出现的不稳定运行，并在认为必要时加速发动机停机，而很少出现导致不必要的发动机停机的误报，并很少出现导致潜在发动机损坏的漏报。因此，本发明的另一方面提供了一种dchp系统，该dchp系统包括：dchp单元，该dchp单元具有带往复运动件的发动机、可燃燃料源、热输出以及用于产生电力输出的发电机，所述dchp单元连接到干线电源但可以在缺少该干线电源的情况下工作；如本发明前述方面所限定的不稳定检测装置；行程长度检测器；以及系统控制器，用于从所述不稳定检测装置接收表示所述发电机输出的傅立叶变换中存在赝象的第一输入，从所述行程长度指示器接收行程长度检测输出作为第二输入；并且根据输入该系统控制器的所述第一输入、所述第二输入或二者来控制所述dchp单元从而减小所述往复运动件的行程长度。
本发明的另一方面提供了一种对dchp单元中的发动机进行控制从而减小或预防该发动机中的不稳定的方法，该方法包括以下步骤：利用本发明其他方面的方法来检测所述发动机中的不稳定；确定所述发动机中的往复运动件的行程长度；以及在检测到不稳定、所确定的行程长度超出预定的阈值长度或者这两种情况都发生时控制所述发动机。
本发明的另一方面提供了一种行程长度检测器，该行程长度检测器用于确定家用组合式热电单元的发动机中的往复运动件的行程长度，所述检测器包括：被安装成与所述往复运动件一起运动的第一部分：被安装成相对于所述第一部分静止的第二部分；以及设定用于表示行程长度的输出；所述第一部分和第二部分被构造成仅在所述往复运动件的循环的一部分中彼此互相协作，所述输出是根据对于所述往复运动件的特定循环的协作持续时间或程度而获得的。优选的是，在这种情况下，所述检测器还包括积分器，该积分器用于对所述两个部分在所述往复运动件的给定循环中协作的时间进行积分，从而产生基于它们的积分时间且表示行程长度的检测器输出。
附图说明
下面将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，附图中：
图1是斯特灵发动机系统的示意图，示出了系统的各种输入和输出；
图2是用于图1的斯特灵发动机的不稳定检测和校正系统的示意图；
图3a表示在稳定运行条件下，从图1和2的斯特灵发动机输出的电流的快速傅立叶变换(FFT)；
图3b表示在不稳定运行条件下，从图1和2的斯特灵发动机输出的电流的快速傅立叶变换(FFT)；
图4表示实施了本发明的优选特征并包括斯特灵发动机的一部分的活塞超行程检测器的示意部分；
图5示意性表示了斯特灵发动机，以示出图4的活塞超行程检测器的位置；
图6表示作为本发明的优选特征的另选实施例的活塞超行程检测器的示意部分；而
图7以第三角投影法示出了图6的检测器。
具体实施方式
dchp系统以图1所示的斯特灵发动机1为基础。该发动机优选地是其操作在现有技术中公知的直线型自由活塞斯特灵发动机。为了应用于dchp系统，该发动机的电输出应该是高达16A的单相输出。
通过从发动机燃烧器2输入的热来驱动斯特灵发动机1。通过在阀5的控制下与空气供应4混合的可燃气体供应3为该燃烧器提供燃料。通过风扇6将混合气流馈送到燃烧器2。这样就以现有技术公知的方式来驱动斯特灵发动机，从而由直线型交流发电机产生电输出7。在冷却器8处从斯特灵发动机吸取热量，该冷却器实质上是热交换器，水通过该热交换器沿着管线10由泵9泵送。然后在热交换器11中通过来自发动机燃烧器的、已经加热了斯特灵发动机头部的废气对通过冷却器8的水进行进一步加热。为了对水进行进一步加热，并且提供在斯特灵发动机未运转时对水加热的独立性，设置了补充燃烧器12来对热交换器11中的水进行加热。通过在阀15的控制下与空气供应14混合的可燃气体供应3为补充燃烧器提供燃料。通过风扇6将混合气流馈送到补充燃烧器12。
风扇6通过确保正确的气流流向各个混合器的分流阀(未示出)将空气馈送到混合器阀5和15。在另选设计中，使用单独的风扇将空气馈送到两个燃气/空气混合器阀5、15。
然后，来自发动机燃烧器2和补充燃烧器12的、已经在热交换器11中放出热的废气沿着烟道17排出。这样，斯特灵发动机1就产生了电输出7和热输出18，它们例如可用于满足家用热水需求，或者可馈送到中央加热系统，或者这两者的组合结构(Combi锅炉)。
所提出的dchp系统被设计用于提供高达1kW的电(电网)，直接馈入家用网络，从而与干线电网的供给相结合，斯特灵发动机1的交流发电机连接到该干线电网上。
图2高度示意地示出了实施本发明的发动机不稳定检测和校正系统50。以相同的标号来表示与图1和2相同的特征。
在图2中，形成斯特灵发动机1的一部分的交流发电机的电输出经由电流监控器60连接到电网接口70，该电网接口充当干线电源(电网)80与dchp之间的桥路。如以上参照我们的早期申请WO-A-03/076857中所述，电网接口还连接到房屋中的家用电路，并且例如在与电网80的连接由于断电而不存在的紧急情况下使得家中的某些插槽可以工作。
在斯特灵发动机的一部分或壳体上安装有光学或机械传感器110，传感器110根据该传感器的具体性质产生表示活塞行程长度的传感器输出。在以下要说明的一些实施例中，传感器为“通/断”型，因此该传感器提供了活塞行程长度是否位于容许界限内的单个表示。其他实施例提供了表示各个行程(或者至少一些行程)的行程长度的可变(数量的)输出，例如模拟信号。在图2中示意性地示出了安装在dohp壳体上的传感器110，但是如通过下文可理解的那样，根据传感器110的性质和用途，也可以选择其他适当的位置。
传感器110和电流监控器60均连接到系统控制器100。系统控制器接收来自传感器110和电流监控器60的输出，并按照以下要描述的方式对它们进行处理，从而监控发动机1中的不稳定，特别是可能损坏发动机内部部件的活塞(未示出)和/或其他运动部件的超行程。检测到任何不稳定后，控制器都能够通过沿线路120向依次控制气体吸收装置组(gastrain)3的气体吸收装置组控制器130发送信号，来降低燃烧器2的点火速率。在检测到严重不稳定(或者不稳定的增加速率超过一定水平)时，控制器100能够通过停止向燃烧器供应燃气而完全关闭斯特灵发动机1，或者甚至通过切换与其交流发电机电路并联的停止电阻器来对斯特灵发动机进行紧急制动。
应当理解，图2中的块表示控制功能，但这些控制功能在许多情况下可以分开或组合(例如，控制器100和气体吸收装置组控制器130可以是同一单元的一部分)。为了清楚起见，分开表示这些功能。
对系统连接的概况进行描述之后，下面将详细描述控制器100执行的分开的检测/监控功能。
早期不稳定警告：
通过在将来自交流发电机的电流信号7馈送至电网接口70/家用电路90时对其进行监控，可监控发动机运行的稳定性。如果检测到不稳定(例如，诸如活塞和缸头/换置器的部件不合要求地靠近并且在它们之间作用了气体弹力)，则可以在出现完全超行程之前采取校正措施，例如降低发动机燃烧器2的点火速率，从而防止损坏。
为此，改变电流监控器60所测得的电流信号7以产生FFT(快速傅立叶变换)值。已经发现这与发动机运行的稳定性直接相关。图3a和3b示出了电流信号7的稳定和不稳定FFT图绘(plot)之间的差异。检测到非共振、谐波频率峰就表示不稳定性正在演变，从而给出了内部发动机裕度(clearance)减小的警告。谐波峰的大小和数量同时增加就表示需要考虑采取校正措施并访问与发动机内的行程长度有关的其他信息。
行程长度确认：
考虑行程长度确认结构的各个实施例并且下面将具体参照图4、5、6和7进行描述。这些结构分为两个一般类型，“通/断”开关和“模拟”型结构，所述“通/断”开关简单地识别活塞是否超过预定行程，而所述“模拟”型结构产生表示在至少一部分行程期间的活塞位置的连续或重复输出。
首先转到图4，其示出了一种高度示意的超行程检测器结构。该结构包括安装在减振器结构的下安装板155上的光学传感器150，该减振器结构附接在斯特灵发动机1的壳体上，图4中仅示出了其一部分。
如图5中最佳示出的那样，该减振器结构包括上安装板152和下安装板155。减振器块165通过第一弹簧172从减振器的上安装板152悬下，并通过第二弹簧175受下安装板155支撑。减振器块165随着斯特灵发动机的活塞的往复运动而运动，而上安装板152和下安装板155基本上相对于活塞静止。这样就可将减振器块165的运动与在用活塞的运动(特别是位置)相关联。
仍然参照图4，减振器块165上安装有叶片(blade)140。叶片140沿着与斯特灵发动机1中的活塞的往复运动方向平行的方向，在减振器块165与光学传感器150之间的气隙内往复运动。图4中的箭头示出了往复运动的方向。
光学传感器150包括带有光发射器170和光接收器180的杯状壳体160，该光发射器和光接收器安装或粘贴在杯状壳体160的内壁中或内壁上。光束从发射器170传送到接收器180。
在使用中，叶片140沿箭头方向往复运动，从而在特定的运行条件下阻断了光学传感器150中在光发射器170与光接收器180之间传送的光束。
在最简单的实施例中，叶片140和传感器150被构造用于充当超行程检测和预防所用的“通/断”开关。如上所述，希望发动机以尽可能大的幅度运行，从而使产生的功率最大化。然而，这必须在不超过容许界限的情况下实现，在容许界限处存在出现噪声和/或潜在的有害内部碰撞的风险。在该超行程检测器的最简单实施例中，在光学操作期间，叶片140被构造用于伸入传感器150中，使得当发动机以其最大安全幅度往复运动时，发射器170与接收器180之间的光束正好不被叶片140的顶端切割。这样，只要超过该最大幅度，叶片140的顶端就会切割光束。只要检测到光束被切割，控制器100(图2)就可以调节燃烧器，或者限制斯特灵发动机1的活塞的行程长度。
虽然已经描述了光学“通/断”开关，但有技能的读者将会理解，还可以采用类似的机械开关，例如在超行程时叶片140接触或挤压机械开关。然而，这种结构的问题在于，发生超行程状况时可能会破坏机械开关。这进而可能导致需要部分拆卸dchp来更换开关。相比之下，可构造图4的光开关来避免该具体问题，因为只要发射器170和接收器180被布置在杯状壳体160的基底的足够上方，叶片140就会切割光束并触发燃烧器温度的下降或紧急停机，而不会出现开关的运动部件的机械接触。
在第二另选实施例中，可使用光学传感器150代替简单的二级(通/断)开关来提供模拟输出。进而可以通过控制器100(图2)对该模拟输出进行监控，以保持活塞往复运动的幅度尽可能大，但不会超出容许界限，在容许界限处可能出现有潜在破坏力和/或有噪音的情况。
在该另选实施例中，控制器直接或间接(例如，通过数模转换器)连接到光接收器180的输出。叶片140的长度适当，使得当活塞在发动机内往复运动的幅度接近容许操作的极限，从而出现内部碰撞的风险时，叶片140开始阻断光发射器170与光接收器180之间的光束。随着往复运动的幅度增大，叶片以每个循环中更大的比例阻断光束(即，光接收器180在更长的时间间隔内没有从光发射器170接收到光束)。可以利用积分定时电路来测量每个循环的中断时段。然后光学传感器150可以向发动机控制器100发送表示该电流中断时段的信号，使得控制器知道何时到达临界幅度，并且可以如前所述开始校正措施。用户可预设操作参数(即，例如叶片140开始阻断光束时的容许最大往复运动幅度的比例，控制器确定的光束受阻的长度代表超行程状况)。还应理解，在控制器已经减小活塞在发动机内往复运动的幅度时，以这种模式操作的光学传感器可通过调节输入发动机的热，来向控制器提供反馈信号，以指示往复运动何时返回容许界限内。
图6和7示出了又一另选实施例—传感器150’，该传感器基于级进(progressive)机械开关，该机械开关例如与家用冰箱中使用的、在门被打开时操作光的开关类型相似。传感器150’包括壳体160’，该壳体包含形成在壳体160’中的凹口内的通常导电的环形触点190。传感器150’粘贴在减振器块165上，如图6所示。传感器150’的柱塞200通过螺旋弹簧210与杯状壳体160’的底部弹性偏置。该柱塞面向粘贴在减振器的下安装板155上的开关205。
柱塞200的外径略小于杯状壳体160的内径，但是通过导电环形间隔体220径向保持在适当的位置。
在使用中，柱塞200的沉陷(depression)使柱塞在杯状壳体160’的孔内滑动，并且环形间隔体220与柱塞200一起沿图6中箭头所示的方向行进。环形间隔体220与环形触点190之间的接触使得电信号被发送到控制器100(图2)。
根据以上参照图4和5所述的第二实施例(其中根据光束被切割的时间长度来产生基于时间的信号)类推，在图6和7的结构中，控制器接收与柱塞由于和下发动机壳体接触而沉陷时的沉陷时段成比例的信号。更具体地说，控制器100接收与环形间隔体220和环形触点190相接触的时间量成比例的信号，并且随着活塞幅度增大，柱塞在每个循环中沉陷得更多且时间更长，从而触点190与间隔体220之间的接触时间增加。这进而指示控制器即将到达临界幅度并且需要校正措施，如前所述。
虽然可以使用基于时间的机械开关以外的压力，但图6和7的基于时间的结构的好处在于，不太可能导致开关本身的破坏。
光开关对于机械开关的另一优点在于，前者可以在自动防故障模式下运行。如果光开关出现故障不出光，则控制器不会允许发动机运行，因为控制器会从图4的传感器150接收到表示最大超行程(相当于整个循环的光束受阻)的信号。相比之下，当图6和7的机械开关出现故障时，发送给控制器的信号将会表示环形触点190与环形间隔体220之间无接触，从而不会检测到任何问题。因此图6和7的实施例中需要另选的故障策略。
当然，同样可以将图4的传感器150安装在减振器块165上，而将叶片140安装在下安装板155上。同样，将减振器的上安装板还是下安装板用作相对固定的基准并没有多大关系——事实上可以采用dchp单元上或与其临近的任何其他适当的点。类似的考虑也适用于图6和7的传感器150’。
在行程长度确认结构的另一实施例中，传感器110是带有关联(linked)开关(图2中未示出)的加速计。它附接在斯特灵发动机1的壳体上，并监控振动级别(壳体加速度)。构成本实施例中的传感器110的加速计的输出信号115被馈送到控制器100，该控制器可进行通过经电网接口70采样的电网频率而得到的频率校正。校正是必需的，因为壳体振动是行程长度和部件在发动机内往复运动的频率二者(可变)的因子。当dchp连接到干线电源时，(在英国)根据主要电网频率，发动机部件往复运动频率的变化通常在47到50.5Hz之间。当dchp在所谓的电网独立模式下运行时(其中仅由连接到发动机的交流发电机来发电)，尽管通常采取措施来调节标称的50Hz交流发电机输出，但是频率变化可能比这要大。
当实际工作频率接近或等于标称(额定)工作频率时，加速计的输出115可在不校正的情况下直接提供输出，该输出足够精确地表示了行程长度。然而，工作频率的较大变化可能使行程长度预测变得不可靠，因此(例如通过预先校准的查找表所确定的)频率校正使得能够得到即将发生的超行程的完全可靠的确认。
已经发现，这种壳体加速度测量(在必需或适当时经校正频率)给出了对发动机内活塞行程长度的可靠表示。
校正措施：
当表示发动机1不稳定运行并且活塞看上去要接近超行程时，即，可能发生碰撞时，控制器100实施校正措施的调度。由于工作条件会非常迅速地变化，所以希望这些措施与所表示的风险相配，并且任何增加的风险都会作用于几个行程长度的间隔(毫秒时间间隔)。
根据所表示的潜在损坏的风险程度，控制器100可以：
1、低风险：减小发动机燃烧器2的输出以防止即将发生的碰撞。燃烧器点火速率的降低可能要花几秒钟才能馈通活塞行程长度，因此必须在显著降低后逐渐增加，以避免不必要的功率下降。该调制处理可重复进行直到超行程的风险降低为止。
作为中间风险情况的另选方案，可以切换与dchp单元的交流发电机并联的可变停转(stall)电阻器，从而使dchp发动机减速而不停机。这使得燃烧器减速(reduce)从而更加缓慢地补偿。
2、增大的风险：当碰撞的风险迅速增大时，可能必须使发动机燃烧器2完全停机，或者甚至必须切换与“停止(stop)”电阻器(未示出)并联的交流发电机电路(也未示出)，从而立即停机。由于安全重启需要时间(燃烧器2必须冷却至阈值温度以下以防止在可燃混合物可被重新接纳并重新点火启动之前的预点火)，所以仅在绝对必要时才采用以上措施。
因此通过将对交流发电机电流7的FFT图绘的分析与来自传感器110的信号115进行组合，可以提供新颖的2级超行程/不稳定检测系统50。FFT图绘给出了不稳定正在演变的早期警告，从而可以对传感器输出，特别是光学传感器(图4和5)、机械柱塞(图6和7)或加速计(图2)的模拟输出，进行更加严密的监控。可以在短时间间隔内对不稳定进行校正，需不需要校正措施均可，并且可以不需要停机。作为另选方案，如果需要，可以按照比当前设计所能达到的更高的，或者比单独使用的任何方法(光学/机械传感器或FFT图绘)更高的稳定程度来对发动机停机进行信号通知。

Claims (45)

1、一种不稳定检测装置，该不稳定检测装置用于检测家用组合式热电单元的发动机内的不稳定，所述家用组合式热电单元具有可燃燃料源和用于产生电力输出的发电机，所述装置用于从所述家用组合式热电单元的所述发电机接收信号，对该信号进行傅立叶变换，并且监控所述傅立叶变换以识别所述傅立叶变换中存在表示所述家用组合式热电单元内存在不稳定或者不稳定演变的赝象。
2、根据权利要求1所述的装置，该装置还用于从所述家用组合式热电单元的所述发电机接收电流信号，并对该电流信号进行傅立叶变换。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的装置，该装置还用于进行快速傅立叶变换(FFT)。
4、根据权利要求1、2或3所述的装置，该装置还用于识别所述傅立叶变换中的非共振谐波频率的存在。
5、根据前述权利要求中任意一项所述的装置，该装置还用于监控所述傅立叶变换，从而识别所述傅立叶变换中的所述赝象的数量和/或大小随时间的变化。
6、一种家用组合式热电系统，该家用组合式热电系统包括家用组合式热电单元和权利要求1至5中任意一项所述的装置的组合，所述家用组合式热电单元具有可燃燃料源、用于产生电力输出的发电机和热输出。
7、根据权利要求6所述的家用组合式热电单元，该家用组合式热电单元还包括斯特灵发动机，该斯特灵发动机具有用于向发动机头部输入热能以驱动往复运动件的燃烧器，所述发电机包括由所述往复运动件驱动的交流发电机。
8、根据权利要求6或权利要求7所述的家用组合式热电单元，该家用组合式热电单元还包括控制器，该控制器用于从所述不稳定检测装置接收表示在所述傅立叶变换中存在所述赝象的输出，所述控制器用于在所述装置的所述输出表示在所述傅立叶变换中存在所述赝象时对所述家用组合式热电发动机进行控制以降低不稳定的出现。
9、根据从属于权利要求7的权利要求8所述的家用组合式热电单元，其中所述控制器用于调节所述燃烧器，以在从所述不稳定检测装置接收的所述输出表示在所述傅立叶变换中存在所述赝象时进一步控制所述斯特灵发动机内的热能。
10、一种检测家用组合式热电单元的发动机内的不稳定的方法，所述家用组合式热电单元具有能够产生热输出的可燃燃料源和用于产生电力输出的发电机，所述方法包括以下步骤：
从所述家用组合式热电单元的所述发电机接收信号；
对该信号进行傅立叶变换；并且
监控所述傅立叶变换，以识别所述傅立叶变换中存在表示所述家用组合式热电单元内存在不稳定或者不稳定演变的赝象。
11、根据权利要求10所述的方法，其中进行傅立叶变换的所述步骤包括进行快速傅立叶变换(FFT)。
12、根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中从所述发电机接收信号的所述步骤包括从该发电机接收电流信号。
13、根据权利要求10、11或12所述的方法，其中监控所述傅立叶变换的所述步骤包括识别所述傅立叶变换中的非共振谐波峰。
14、根据权利要求10、11或12或13所述的方法，该方法还包括在一时间段内监控所述发电机信号的所述傅立叶变换；以及
识别所述傅立叶变化中的所述赝象的数量和/或幅度随所述时间段的增大，这种增大表示所述家用组合式热电发动机中的不稳定的增强。
15、一种行程长度检测器，该行程长度检测器用于确定家用组合式热电单元的发动机中的往复运动件的行程长度，该行程长度检测器包括：
振动检测器，用于检测所述家用组合式热电发动机的振动级别；以及
处理器，用于接收所述振动检测器的输出，并向外提供表示所述往复运动件的行程长度的行程长度检测器输出。
16、根据权利要求15所述的行程长度检测器，该行程长度检测器还包括频率监控器，该频率监控器用于确定与所述家用组合式热电单元相连的干线电源的频率，以及/或者与所述家用组合式热电单元相关联的交流发电机的输出的频率；所述处理器还用于根据所确定的频率对检测到的振动级别进行校正。
17、根据权利要求15或权利要求16所述的行程长度检测器，其中所述振动检测器是加速计，该加速计被安装成与所述发动机相联系，以确定该发动机的一部分的加速度。
18、一种家用组合式热电系统，该家用组合式热电系统包括：
家用组合式热电单元，其包括带有往复运动件的发动机；以及
根据权利要求15、16或17所述的行程长度检测器。
19、根据权利要求18所述的家用组合式热电系统，该家用组合式热电系统还包括所述家用组合式热电单元与干线电源之间的电网接口，该电网接口的输出表示了作为时间的函数的干线频率，该输出由所述行程长度检测器的所述频率监控器接收。
20、根据权利要求1至5中任意一项所述的不稳定检测装置和根据权利要求15、16或17中任意一项所述的行程长度检测器的组合。
21、一种家用组合式热电系统，该家用组合式热电系统包括：
家用组合式热电单元，其具有：
带有往复运动件的发动机；
可燃燃料源；
热输出；以及
用于产生电力输出的发电机；
根据权利要求1至5中任意一项所限定的不稳定检测装置；
行程长度检测器，用于提供行程长度检测输出；以及
系统控制器，用于从所述不稳定检测装置接收所述发电机输出的所述傅立叶变换中存在赝象的表示作为第一输入，从所述行程长度指示器接收所述行程长度检测输出作为第二输入；并且根据输入到它的所述第一输入、所述第二输入或者两者来控制所述家用组合式热电单元，从而减小所述往复运动件的行程长度。
22、根据权利要求21所述的家用组合式热电系统，其中该家用组合式热电单元的所述发动机还包括用于向所述发动机头部输入热能以驱动所述往复运动件的燃烧器，所述系统控制器用于根据输入所述系统控制器的所述第一输入和/或所述第二输入来控制所述燃烧器，从而减少输入到所述发动机头部的热能，由此减小所述往复运动件的行程长度。
23、根据权利要求21或权利要求22所述的家用组合式热电系统，其中所述系统控制器用于根据输入该系统控制器的所述第一输入和/或所述第二输入来控制所述发动机，从而使所述往复运动件停止。
24、根据权利要求21、22或23中任意一项所述的系统，其中所述行程长度检测器包括开关，该开关可在所述往复运动件接近或超出超行程条件时进行操作，以提供行程长度检测输出。
25、根据权利要求24所述的系统，其中所述开关包括机械开关。
26、根据权利要求24所述的系统，其中所述开关是光开关。
27、根据权利要求26所述的系统，其中所述光开关包括用于产生光束的装置、用于接收所述光束的装置，所述光开关用于在与所述往复运动件一起直接或间接往复运动的部件由于所述往复运动件接近或超出超行程条件而切割所述光开关的所述光束时，提供所述行程长度检测输出。
28、根据权利要求21、22或23中任意一项所述的系统，其中所述行程长度检测器用于提供表示所述往复运动件在至少其行进末端附近的位置的行程长度检测输出。
29、根据权利要求28所述的系统，其中所述行程长度检测器包括可动件，该可动件朝所述家用组合式热电单元延伸，并被设置成在所述往复运动件的行进末端附近的至少一时间段内与所述家用组合式热电单元的与所述往复运动件一起运动的一部分相接触。
30、根据权利要求28所述的系统，其中所述行程长度检测器包括可动件，该可动件安装在所述家用组合式热电单元上并远离所述家用组合式热电单元而延伸，该可动件被设置成在所述往复运动件的行进末端附近的至少一时间段内与相对于所述家用组合式热电单元的振动固定的表面或点相接触。
31、根据权利要求29或权利要求30所述的系统，其中所述行程长度检测器用于产生行程长度检测输出，该行程长度检测输出是与所述可动件的运动有关的可变信号。
32、根据权利要求30或权利要求31所述的系统，其中所述行程长度检测输出取决于所述可动件在所述往复运动件的循环中所移动的距离、所述可动件从预定位置开始运动所经过的时间，或者在所述家用组合式热电单元的与其往复运动件一起运动的所述部分与所述可动件接触过程中作用在所述可动件上的检测压力。
33、根据权利要求31或权利要求32所述的系统，其中所述行程长度检测输出是连续模拟信号，或者一系列连续模拟信号，所述模拟信号表示所述往复运动件在其各个循环的至少一部分期间的位置。
34、根据权利要求28所述的系统，其中所述行程长度检测器包括用于发射光束的发射器，和用于接收所述光束的接收器，所述检测器用于根据所述往复运动件穿过其运动的至少末端时对所述光束的切割来提供表示所述往复运动件的位置的所述输出。
35、根据权利要求34所述的系统，其中所述行程长度检测器包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括安装在相对于所述家用组合式热电单元固定的位置上的所述发射器和接收器，所述第二部分包括光束切割器，该光束切割器横切来自所述家用组合式热电单元的光束而延伸，并且根据所述家用组合式热点单元的所述往复运动件而运动。
36、根据权利要求34所述的系统，其中所述行程长度检测器包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括所述发射器和接收器，该第一部分安装在所述家用组合式热电单元的一部分上从而根据所述往复运动件而运动，所述第二部分从临近所述第一部分的点延伸但相对于该点固定，并且在使用中当所述往复运动件穿过其运动的至少末端时切割所述光束。
37、根据权利要求34、35或36所述的系统，其中所述检测器还包括积分器，该积分器用于对在所述往复运动件的每个循环内所述光束被切割的时间进行积分，由此产生所述检测器的所述输出。
38、根据权利要求21、22或23所述的系统，其中所述行程长度检测器包括振动检测器，该振动检测器用于确定家用组合式热电单元的发动机中的往复运动件的行程长度，该行程长度检测器包括：
振动检测器，用于检测所述家用组合式热电发动机的振动级别；以及
处理器，用于接收所述振动检测器的输出，并向外提供表示所述往复运动件的行程长度的行程长度检测器输出。
39、根据权利要求38所述的系统，该系统还包括频率监控器，该频率监控器用于确定与所述家用组合式热电单元相连接的干线电源的频率以及/或者与所述家用组合式热电单元相关联的交流发电机的输出的频率；所述处理器还用于根据所确定的频率对检测到的振动级别进行校正。
40、根据权利要求38或权利要求39所述的系统，其中所述振动检测器是加速计，该加速计安装成与所述发动机相联系，以确定该发动机的一部分的加速度。
41、一种确定家用组合式热电单元的发动机中的往复运动件的行程长度的方法，该家用组合式热电单元与干线电源相连但可在缺少干线电源的情况下进行操作，所述方法包括以下步骤：
检测所述家用组合式热电发动机的振动级别；
在给定时刻确定与所述家用组合式热电单元相连的所述干线电源的频率；以及
根据所确定的所述干线电源的频率，对检测到的振动级别进行校正，从而提供表示所述往复运动件的行程长度的行程长度检测器输出。
42、一种控制家用组合式热电单元中的发动机以减小或预防所述发动机中的不稳定的方法，该方法包括以下步骤：
利用权利要求10至14中任意一项所述的方法来检测所述发动机中的不稳定；
确定所述发动机中的往复运动件的行程长度；以及
在检测到不稳定、所确定的行程长度超出预定的阈值长度，或者两种情况都发生时，对所述发动机进行控制。
43、根据权利要求42所述的方法，其中所述发动机包括用于向所述发动机头部输入热能以驱动所述往复运动件的燃烧器，所述方法还包括在确定出存在不稳定时，控制所述燃烧器从而减少输入至所述发动机头部的热能，由此减小所述往复运动件的行程长度。
44、根据权利要求43所述的方法，该方法还包括当确定出存在不稳定或者所确定的行程长度超出预定大小时，使所述往复运动件停止。
45、根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中当检测不稳定的所述步骤的结果为检测到不稳定时，以第一速度和/或第一精度来执行确定行程长度的所述步骤，而当检测不稳定的所述步骤的结果为未检测到不稳定时，以第二速度和/或第二精度来执行确定行程长度的所述步骤，其中所述第一速度和/或第一精度高于所述第二速度和/或第二精度。
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