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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Stirling-Wärmekraftmaschine
oder -Kältemaschine
und genauer Verbesserungen, welche mechanische und thermische Bauteile
einer Stirling-Wärmekraftmaschine
oder -Kältemaschine
betreffen, welche zu einem/einer erhöhten betrieblichen Wirkungsgrad
und Haltbarkeit des Motors und einer verkleinerten Größe, verringerten
Komplexität
und verringerten Kosten beitragen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Stirlingmaschinen,
welche Motoren und Kältemaschinen
beinhalten, weisen eine lange, technische Geschichte auf, welche
in Walker, Stirling Engines, Oxford University Press (1980) detailliert
beschrieben wird, das durch Verweis hierin aufgenommen ist. Das
dem Stirlingmotor zugrunde liegende Prinzip ist die mechanische
Umsetzung des thermodynamischen Stirling-Kreisprozesses: isovolumetrisches Erhitzen
eines Gases innerhalb eines Zylinders, isotherme Ausdehnung des
Gases (während welcher
die Arbeit durch das Antreiben eines Kolbens durchgeführt wird),
isovolumetrisches Abkühlen
und isotherme Verdichtung. Die Stirling-Kältemaschine ist auch eine mechanische
Umsetzung eines thermodynamischen Kreisprozesses, welcher dem idealen thermodynamischen
Stirling-Kreisprozess in etwa entspricht. Bei einem idealen thermodynamischen Stirling-Kreisprozess
durchläuft
die Arbeitsflüssigkeit aufeinander
folgende Zyklen des isovolumetrischen Erhitzens, der isothermen
Ausdehnung, des isovolumetrischen Abkühlens und der isothermen Verdichtung.
Praktische Umsetzungen des Kreisprozesses, in wel chem die Schritte
weder isovolumetrisch noch isotherm sind, liegen innerhalb des Bereiches
der vorliegenden Erfindung und es kann innerhalb der vorliegenden
Beschreibung auf dieselben in der Sprache des Idealfalls ohne Beschränkung des
Umfangs der beanspruchten Erfindung Bezug genommen werden, die beansprucht
ist.
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Verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung gelten sowohl für Stirlingmotoren
als auch Stirling-Kältemaschinen,
auf welche in der vorliegenden Beschreibung und allen beiliegenden
Ansprüchen
kollektiv als Stirlingmaschinen Bezug genommen wird.
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Das
Arbeitsprinzip eines Stirlingmotors wird in Bezug auf die 1a–1f bereitwillig
beschrieben, in welchen identische Zahlen verwendet wurden, um gleiche
oder ähnliche
Teile zu bezeichnen. In der Technik sind viele mechanische Ausführungen der
Stirlingmotoren bekannt und der bestimmte Stirlingmotor, welcher
im Allgemeinen durch die Zahl 10 gekennzeichnet ist, wird
nur für
veranschaulichende Zwecke gezeigt. In den 1a bis 1d bewegen sich
ein Kolben 12 (auf welchen hierin andernfalls als „Verdichtungskolben" Bezug genommen wird)
und ein zweiter Kolben (auch als „Ausdehnungskolben" bekannt) 14 in
einer getakteten Hubbewegung innerhalb des Zylinders 16.
Der Verdichtungskolben 12 und Ausdehnungskolben 14 können sich
auch innerhalb von separaten, verbundenen Zylindern bewegen. Kolbendichtungen 18 verhindern,
dass die Strömung
einer innerhalb des Zylinders 16 enthaltenen Arbeitsflüssigkeit
zwischen dem Kolben 12 und dem Kolben 14 um einen
der Kolben 12 ringsherum austritt. Die Arbeitsflüssigkeit
wird nach den thermodynamischen Eigenschaften derselben ausgewählt, wie
in der Beschreibung unten erörtert,
und ist üblicherweise
Helium mit einem Druck von mehreren Atmosphären. Auf das Volumen der Flüssigkeit,
welches durch die Stellung des Ausdehnungskolbens 14 bestimmt wird,
wird als Ausdehnungsraum 22 Bezug genommen. Auf das Volumen
der Flüssigkeit,
welches durch die Stellung des Verdichtungskolbens 12 bestimmt wird,
wird als Verdichtungsraum 24 Bezug genommen. Damit die
Flüssigkeit
zwischen dem Ausdehnungsraum 22 und Verdichtungsraum 24 fließt, egal ob
in der gezeigten Konfiguration oder einer anderen Konfiguration
eines Stirlingmotors 10, fließt die Flüssigkeit durch einen Regenerator 26.
Der Regenerator 26 ist eine Matrix aus einem Material mit
einem großen
Verhältnis
des Flächeninhalts
zum Volumen, welches dazu dient die Wärme aus der Arbeitsflüssigkeit
zu absorbieren, wenn die heiße
Flüssigkeit vom
Ausdehnungsraum 22 eintritt, und die Flüssigkeit zu erhitzen, wenn
sie aus dem Verdichtungsraum 24 austritt und zum Ausdehnungsraum 22 zurückkehrt.
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Während der
ersten Phase des Motorzykluses, dessen Ausgangszustand in 1a dargestellt ist,
verdichtet der Kolben 12 die Flüssigkeit im Verdichtungsraum 24.
Die Verdichtung tritt bei einer konstanten Temperatur auf, da die
Wärme aus
der Flüssigkeit
zur umliegenden Umgebung abgeschieden wird. In der Praxis ist ein
Kühler 68 (in 2 gezeigt) vorgesehen,
wie in der Beschreibung unten erörtert wird.
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Der
Zustand des Motors 10 nach der Verdichtung wird in 1b dargestellt.
Während
der zweiten Phase des Zykluses bewegt sich der Ausdehnungskolben 14 synchron
zum Verdichtungskolben 12, um ein konstantes Flüssigkeitsvolumen
beizubehalten. Während
die Flüssigkeit
zum Ausdehnungsraum 22 transferiert wird, fließt sie durch
den Regenerator 26 und erlangt Wärme vom Regenerator 26,
so dass der Druck der Flüssigkeit
zunimmt. Am Ende der Transferphase weist die Flüssigkeit einen höheren Druck
auf und ist innerhalb des Ausdehnungsraums 22 enthalten,
wie in 1c gezeigt.
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Während der
dritten (Ausdehnungs-)Phase des Motorzykluses nimmt das Volumen
des Ausdehnungsraums 22 zu, da Wärme von der Außenseite des
Motors 10 eingezogen wird, wodurch Wärme in Arbeit umgewandelt wird.
In der Praxis wird die Flüssigkeit
im Ausdehnungsraum 22 durch ein Heizgerät 64 mit Wärme versorgt
(in 2 gezeigt), was in der Beschreibung unten detaillierter
erörtert
wird. Am Ende der Ausdehnungsphase füllt die heiße Flüssigkeit den ganzen Ausdehnungsraum 22,
wie in 1d veranschaulicht. Während der
vierten Phase des Motorzykluses wird die Flüssigkeit vom Ausdehnungsraum 22 zum
Verdichtungsraum 24 transferiert, wodurch der Regenerator 26 erhitzt
wird, da die Flüssigkeit
durch denselben fließt.
Am Ende der zweiten Transferphase befindet sich die Flüssigkeit
im Verdichtungsraum 24, wie in 1a gezeigt,
und ist für eine
Wiederholung der Verdichtungsphase bereit. Der Stirling-Kreisprozess
wird in einem P-V (Druck-Volumen)-Diagramm, wie in 1e gezeigt, und
in einem T-S (Zeit-Entropie)-Diagramm dargestellt, wie in 1f gezeigt.
Der Stirling-Kreisprozess ist dadurch ein geschlossener Kreisprozess,
dass die Arbeitsflüssigkeit üblicherweise
nicht während
dem Verlauf des Kreisprozesses ausgewechselt wird.
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Das
Arbeitsprinzip einer Stirling-Kältemaschine
kann auch in Bezug auf die 1a–1e beschrieben
werden, wobei für
gleiche oder ähnliche Teile
identische Zahlen verwendet wurden. Die Unterschiede zwischen dem
oben beschriebenen Motor und einer Stirlingmaschine, welche als
Kältemaschine
eingesetzt wird, sind, dass das Verdichtungsvolumen 22 üblicherweise
mit der Umgebungstemperatur in thermischer Verbindung steht und
das Ausdehnungsvolumen 24 mit einer externen Kühllast (nicht gezeigt)
verbunden ist. Die Betätigung
der Kältemaschine
erfordert eine Netto-Arbeitszuführung.
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Stirlingmotoren
wurden im Allgemeinen nicht in praktischen Anwendungen verwendet
und Stirling-Kältemaschinen
wurden aufgrund mehrerer abschreckender, technischer Herausforderungen
an die Entwicklung derselben auf das Spezialgebiet der Kryotechnik
beschränkt.
Diese involvieren solche praktischen Überlegungen wie die Effizienz,
Vibration, Haltbarkeit und Kosten. Die vorliegende Erfindung geht
diese Überlegungen
an.
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US 4,231,222 beschreibt
ein Luft-Kraftstoff-Regelsystem für einen Stirlingmotor. Ein
Signal, welches aus der Temperatur von Gas an einem Heizkopf erzeugt
wird, wird verwendet, um ein Luftströmungs-Drosselventil zu regeln.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem Aspekt wird ein Verfahren zum Verbrennen von Kraftstoff und
Luft in einem Brenner nach Anspruch 1 geschaffen.
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Nach
Ausführungsformen
der Erfindung wird das zweite Kraftstoff-Luft-Verhältnis durch
das Einstellen des Luftdurchsatzes basierend auf einer Sauerstoffkonzentration
im Abgas aufrechterhalten. In einer weiteren Ausführungsform
kann das zweite Kraftstoff-Luft-Verhältnis durch das Einsellen des
Luftdurchsatzes basierend auf zumindest einer Lufttemperatur und
dem Kraftstoffdurchsatz aufrechterhalten werden. In einer alternativen
Ausführungsform
wird das zweite Kraftstoff-Luft-Verhältnis durch
das Einstellen des Luftdurchsatzes basierend auf zumindest einer
Lufttemperatur und einer Sauerstoffkonzentration im Abgas aufrechterhalten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird durch Bezug auf die folgende Beschreibung leichter
verständlich,
welche mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wurde, in welchen:
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die 1a–1e das
Arbeitsprinzip einer Stirlingmaschine des Stands der Technik darstellen;
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2 eine
Seitenansicht im Querschnitt eines Stirlingmotors nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
Querschnittsansicht einer zusammengeklappten Führungsverbindungs-Antriebseinrichtung
für eine
Maschine mit zwei Kolben, wie beispielsweise eine Stirlingmaschine,
nach einer bevorzugen Ausführungsform
der Erfindung ist;
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4 eine
Perspektivansicht einer Ausführungsform
der zusammengeklappten Führungsverbindungs-Antriebseinrichtung
der 3 ist;
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5a eine
Querschnittsansicht eines Stirlingmotors nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, welcher einen Stift- bzw. Nadelwärmetauscher
verwendet;
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5b eine
vergrößerte Perspektivdetailansicht
des Nadelwärmetauschers
der 5a ist;
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5c eine
Querschnittsansicht der Heizkopfanordnung der 5a nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, wobei Wärmeübertragungsstifte
bzw. -nadeln nicht maßstabsgerecht
schematisch gezeigt werden;
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6a eine
Perspektivansicht von der Unterseite des Stirlingmotors der 2 ist,
welche sich gabelnde Kanäle
zum Verbessern der Gleichmäßigkeit
des Durchflusses nach einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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6b eine
planare Ansicht des Systems der sich gabelnden Kanäle der 9a ist;
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7a eine
Querschnittsansicht von der Seite des Kraftstoffeinlasskrümmers für einen
Stirlingmotor nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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7b eine
Querschnittsansicht von der Oberseite des Kraftstoffeinlasskrümmers der 10a zeigt, welche durch den Schnitt BB
genommen wurde;
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7c eine
Querschnittsansicht von der Oberseite des Kraftstoffeinlasskrümmers der 10a ist, welche durch den Schnitt AA genommen wurde
und die Kraftstoffstrahldüsen
zeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht einer Brenner- und Heizkopfanordnung ist, welche
die Platzierung der Temperatursensoren nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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9 die
Beziehung des optimalen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses
zur Vorwärmetemperatur
der Luft für
Propan gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In 2 wird
eine Ausführungsform
eines Stirlingmotors im Querschnitt gezeigt und im Allgemeinen durch
die Zahl 28 gekennzeichnet. Zwar wird die Erfindung im
Allgemeinen in Bezug auf den in 2 gezeigten
Stirlingmotor beschrieben, aber es sollte klar sein, dass viele
Motoren sowie Kältemaschinen ähnlich von
verschiedenen Ausführungsformen
und Verbesserungen profitieren können,
welche Gegenstände
der vorliegenden Erfindung sind. Auf die Konfiguration des in 2 gezeigten
Stirlingmotors 28 wird als Alpha-Konfiguration Bezug genommen,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verdichtungskolben 30 und
Ausdehnungskolben 32 innerhalb entsprechenden und bestimmten
Zylindern eine lineare Bewegung durchlaufen: der Verdichtungskolben 30 im
Verdichtungszylinder 34 und der Ausdehnungskolben 32 im
Ausdehnungszylinder 36. Die Alpha-Konfiguration wird nur mittels eines
Beispiels und ohne Beschränkung
des Bereiches der beiliegenden Ansprüche erörtert.
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Zudem
enthalten die Hauptbauteile des Stirlingmotors 28 zusätzlich zum
Verdichtungskolben 30 und Ausdehnungskolben 32 ein
Heizgerät 64,
einen Regenerator 66 und einen Kühler 68. Der Verdichtungskolben 30 und
Ausdehnungskolben 32, auf welche kollektiv als Kolben Bezug
genommen wird, sind gezwungen sich in einer hin und her gehenden
Linearbewegung innerhalb entsprechenden Volumen 38 und 40 zu
bewegen. Eine Zylinderlaufbuchse 42 kann die entsprechenden
Zylinderoberflächen überziehen.
Auf die Volumen des Zylinderinneren in der Nähe des Heizgeräts 64 und
Kühlers 68 wird
hierin als heißer
bzw. kalter Bereich des Motors 28 Bezug genommen. Die relative
Phase (der „Phasenwinkel") der hin und her
gehenden Linearbewegung des Verdichtungskolbens 30 und
Ausdehnungskolbens 32 wird durch die jeweilige Kopplung
derselben an die im Kurbelgehäuse 46 untergebrachte
Antriebseinrichtung 44 bestimmt. Die Antriebseinrichtung 44, welche
unten detaillierter erörtert
wird, kann eingesetzt werden, um das relative Timing bzw. die relativen
Steuerzeiten der Kolben zu bestimmen und die Linearbewegung und
Drehbewegung wechselseitig umzuwandeln. Der Ver dichtungskolben 30 und
Ausdehnungskolben 32 sind über eine erste Verbindungsstange 48 bzw.
eine zweite Verbindungsstange 50 an die Antriebseinrichtung 44 gekoppelt.
Das Volumen 38 des Verdichtungszylinders 34 ist über einen Kanal 45 mit
dem Kühler 68 verbunden,
um ein zyklisches Abkühlen
der Arbeitsflüssigkeit
zuzulassen. Der Kanal 45 verbindet genauer das Verdichtungsvolumen 38 mit
den ringförmigen
Wärmetauschern, welche
den Kühler 68,
Regenerator 66 und das Heizgerät 64 aufweisen. Die
Gabelung der Strömung
zwischen dem Kanal 45 und dem ringförmigen Verteiler 47 wird
unten in Bezug auf 6 erörtert.
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Die
Betätigung
der Antriebseinrichtung 44 wird nun in Bezug auf die 3 und 4 erörtert. 3 ist
eine Querschnittsansicht einer zweifach zusammengeklappten Führungsverbindungs-Antriebseinrichtung,
welche im Allgemeinen durch die Zahl 300 gekennzeichnet
ist. Die Antriebseinrichtung 300 in 3 weist
zwei zusammengeklappte Führungsverbindungen 303 und 313 auf.
Die Kolben 301 und 311 sind der Verdränger- bzw.
Verdichtungskolben eines Stirlingmotors, wie oben in Bezug auf 2 beschrieben
wurde. Wie in dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen verwendet
ist der Verdrängerkolben
eher ein Kolben ohne Dichtung oder ein Kolben mit einer Dichtung
(häufig
als „Ausdehnungs-"Kolben bekannt).
Der Verdrängerkolben 301 ist
an einer Kolbenverbindungsstelle 302 starr mit dem Kolbenende
der Führungsverbindung 303 verbunden.
Die Führungsverbindung 303 ist
an einer Stangenverbindungsstelle 305 drehbar mit einer
Verbindungsstange 306 verbunden. Die Kolbenverbindungsstelle 302 und
Stangenverbindungsstelle 305 definieren die Längsachse 324 der
Führungsverbindung 303.
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Die
Verbindungsstange 306 ist an einer Kurbelwellenverbindungsstelle 307,
welche um einen festen Abstand von der Dreh achse 326 der
Kurbelwelle versetzt ist, drehbar mit einer Kurbelwelle 308 verbunden.
Die Drehachse 326 der Kurbelwellen ist zur Längsachse 324 der
Führungsverbindung 303 orthogonal
und die Drehachse 326 der Kurbelwelle ist zwischen der
Stangenverbindungsstelle 305 und der Kolbenverbindungsstelle 302 angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform
schneidet die Drehachse 326 der Kurbelwelle die Längsachse 324.
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Ein
Ende 328 der Führungsverbindung 303 ist
zwischen einem Paar an Laufrollen 304 eingeschränkt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine der Laufrollen 304 federbelastet, um einen Rollkontakt
mit der Führungsverbindung 303 aufrechtzuerhalten.
Die Ausrichtung der Längsachse 324 der Führungsverbindung 303 in
Bezug auf den Kolbenzylinder 322 wird durch die Laufrollen 304 und
den Kolben 301 aufrechterhalten. Da sich eine Kurbelwelle 308 um
die Drehachse 326 der Kurbelwelle dreht, verfolgt die Stangenverbindungsstelle 305 einen
linearen Weg entlang der Längsachse 324 der
Führungsverbindung 303.
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Der
Kolben 301 und die Führungsverbindung 303 bilden
einen Hebel, wobei sich der Kolben 301 an einem Ende des
Hebels und das Stangenende 328 der Führungsverbindung 303 am
anderen Ende des Hebels befindet. Der Hebelpunkt bzw. Drehpunkt des
Hebels befindet sich auf der Linie, welche durch die Mitten der
Laufrollen 304 definiert ist. Der Hebel ist durch eine
Kraft belastet, welche an die Stangenverbindungsstelle 305 angelegt
wird. Da die Stangenverbindungsstelle 305 einen Weg entlang
der Längsachse
der Führungsverbindung 303 verfolgt, wird
der Abstand zwischen der Stangenverbindungsstelle 305 und
dem Drehpunkt, der erste Hebelarm, von null bis zur halben Hubstrecke
des Kolbens 301 variieren. Der zweite Hebelarm ist der
Abstand vom Drehpunkt zum Kolben 301. Das Hebelverhältnis des zweiten
Hebelarms zum ersten Hebelarm wird immer größer als eins, vorzugsweise
im Bereich von 5 bis 15 sein. Die seitliche Kraft am Kolben 301 wird
die Kraft sein, welche an die Stangenverbindungsstelle 305 angelegt
ist, welche durch das Hebelverhältnis skaliert
wird; je größer das
Hebelverhältnis,
desto kleiner die seitliche Kraft am Kolben 301.
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Der
Verdichtungskolben 311 ist an einer Kolbenverbindungsstelle 312 starr
mit dem Kolbenende der Führungsverbindung 313 verbunden.
Die Führungsverbindung 313 ist
an einer Stangenverbindungsstelle 315 drehbar mit einer
Verbindungsstange 316 verbunden. Die Kolbenverbindungsstelle 312 und
Stangenverbindungsstelle 315 definieren die Längsachse
der Führungsverbindung 313.
Die Verbindungsstange 316 ist an einer Kurbelwellenverbindungsstelle 317,
welche um einen festen Abstand von der Drehachse 326 der
Kurbelwelle versetzt ist, drehbar mit der Kurbelwelle 308 verbunden.
Ein Ende 330 der Führungsverbindung 313 ist
zwischen einem Paar an Laufrollen 314 eingeschränkt. Wie oben
erörtert
wurde, ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine der Laufrollen 314 federbelastet,
um einen Rollkontakt mit der Führungsverbindung 313 aufrechtzuerhalten.
Die Betätigung
der Führungsverbindung 313 ähnelt der,
welche oben in Bezug auf die Führungsverbindung 303 beschrieben
wurde. Die Ausrichtung der Längsachse
der Führungsverbindung 313 in
Bezug auf den Kolbenzylinder wird durch die Laufrollen 314 und
den Kolben 301 aufrechterhalten. Da sich die Kurbelwelle 308 um
die Drehachse 326 der Kurbelwelle dreht, verfolgt die Stangenverbindungsstelle 305 einen
linearen Weg entlang der Längsachse
der Führungsverbindung 313.
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4 ist
eine Perspektivansicht der zweifach zusammengeklappten Führungsverbindungs-Antriebseinrichtung,
welche in 3 gezeigt ist. Der Verdichtungskolben 311 und
Verdrängerkolben 301 durchlaufen
innerhalb der entsprechenden und be stimmten Zylinder eine Linearbewegung:
der Verdichtungskolben 311 im Verdichtungszylinder 320 und
der Verdrängerkolben 301 im
Ausdehnungszylinder 322. Die Führungsverbindung 303 und
Führungsverbindung 313 sind
an der Kolbenverbindungsstelle 302 bzw. 312 starr
mit dem Verdrängerkolben 301 und
Verdichtungskolben 311 verbunden (in 3 gezeigt).
Die Verbindungsstangen 306 und 316 sind an den
Verbindungsstellen 305 und 315 der distalen Enden
der Führungsverbindungen 303 und 313 drehbar mit
der Kurbelwelle 308 an den Kurbelwellenverbindungsstellen 307 und 317 verbunden
(in 3 gezeigt). Seitliche Belastungen auf den Führungsverbindungen 303 und 313 werden
durch die Laufrollenpaare 304 und 314 aufgenommen.
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Nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun in Bezug auf die 5a–5c eine
neuartige Struktur zum Übertragen
von großen
Wärmemengen
von der Verbrennungsquelle zum Inneren des im Querschnitt gezeigten
Stirlingmotors 28 dargestellt. Um den Wirkungsgrad der
Wärmeübertragung
von heißen
Gasen 300, welche durch den Brenner 150 erzeugt
werden, zur Arbeitsflüssigkeit,
welche im Innenvolumen 306 des Motors enthalten ist, zu
erhöhen,
wird ein großer,
benetzter Flächeninhalt
auf beiden Seiten des Heizkopfes 64 erfordert. Um den hohen
bzw. großen
Flächeninhalt
zu erzielen, werden eine große
Anzahl von Metallstiften bzw. Metallnadeln 310 auf entweder
der Innenfläche 312 oder
Außenfläche 314 oder
der Innenfläche 312 und
Außenfläche 314 des
Heizkopfes 64 hergestellt. Die Herstellung kann zu geringen
Kosten ausgeführt
werden, wie beispielsweise durch Präzisionsgießen. Die Metallnadeln 310 vergrößern nicht nur
den benetzten Flächeninhalt
auf beiden Seiten des Heizkopfes 64, sondern erzeugen auch
turbulente Wirbelströmungen,
welche das Mischen des Fluids steigern und dadurch zudem den Wärmefluss
erhöhen.
Diese Struktur kann auch zum Wärmeübertragung
im Kühler 68 (in 2 gezeigt)
oder in jeder Anwendung eingesetzt werden, in welcher eine effiziente
Wärmeübertragung
zwischen Gasvolumen erfordert wird. 5c zeigt
eine Querschnittsansicht der Heizkopfanordnung der 5a,
wobei die Wärmeübertragungsnadeln 130 und 124 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schematisch gezeigt werden. In 5c befinden
sich die inneren Wärmeübertragungsnadeln 124 und äußeren Wärmeübertragungsnadeln 130 entlang
den Seiten des Heizkopfes 64.
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In
Bezug auf 6a wird eine Perspektivansicht
eines Systems von Sammlerkanälen 400 gezeigt,
welches für
die Strömung
der Arbeitsflüssigkeit zwischen
dem Verdichtungsvolumen 38 und dem ringförmigen Bereich
der Flüssigkeitsströmung durch das
Netzwerk des Wärmetauschers
sorgt, d.h. am Kühlerkopf 64 vorbei
(in 2 gezeigt). Die Ringströmung der Arbeitsflüssigkeit
kulminiert am ringförmigen
Sammler 47, mit welchem die sich gabelnden Kanäle 400 zum
Erzeugen von gleichlangen Strömungsdurchgängen zwischen
dem Zylindervolumen 38 und dem gesamten ringförmigen Bereich
des Sammlers 47 verbunden sind. Durch das wesentliche Ausgleichen
der Strömungsimpedanz
zwischen jedem Abschnitt des ringförmigen Strömungsbereiches und dem Zylindervolumen
können
Verluste aufgrund von Ungleichmäßigkeiten
des Durchflusses durch die Wärmetauscher
vorteilhaft verringert werden und zudem die Strömung der Arbeitsflüssigkeit
innerhalb eines Kreislaufs, welcher auf den Wärmetauscherbereich beschränkt und
dadurch verloren bzw. unbenutzt (lost) ist, zum Zwecke von mechanischer
Arbeit minimiert werden. 6b zeigt
eine schematische Darstellung des Systems der sich gabelnden Kanäle 400 der 6a,
welche in eine planare Ansicht „ausgewickelt" sind, welche die
Flüssigkeitsverbindung über sich
gabelnde Kanäle 400 zwischen
dem Verdichtungsraum 38 und dem ringförmigen Sammler 47 zeigt.
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Zwar
sind Stirlingmotoren zum Liefern eines hohen Wärmewirkungsgrads und einem
geringen Schadstoffausstoß fähig, aber
durch diese Aufgaben werden insbesondere einem Brenner 806,
welcher zum Erhitzen des Heizkopfes 808 des Stirlingmotors eingesetzt
wird, wie in 8 gezeigt, Anforderungen des
Wärmewirkungsgrads
auferlegt. Die Komponenten solch eines Wärmewirkungsgrads enthalten
das effiziente Pumpen eines Oxidationsmittels (üblicherweise Luft und auf welches
hierin und in den beiliegenden Ansprüchen ohne Beschränkung als „Luft" Bezug genommen wird)
durch den Brenner 806, um die Verbrennung zu liefern, und
die Rückgewinnung des
heißen
Abgases, welches den Heizkopf 808 verlässt. Bei vielen Anwendungen
wird Luft (oder ein anderes Oxidationsmittel) vor der Verbrennung
auf nahezu die Temperatur des Heizkopfes 808 vorgewärmt, um
die genannten Aufgaben des Wärmewirkungsgrads
zu erfüllen.
Nachdem der Heizkopf des Stirlingmotors erhitzt wurde bleibt immer
noch eine erhebliche Energiemenge in den Verbrennungsgasen zurück, und,
wie jemandem mit technischen Fähigkeiten
bekannt ist, kann ein Wärmetauscher
verwendet werden, um die Wärme
aus den Abgasen zur Verbrennungsluft vor der Einleitung in den Brenner zu übertragen.
Um einen hohen Wirkungsgrad und geringe Emissionen zu erzielen,
muss der Brenner eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung liefern.
Um eine im Wesentlichen vollständige
Verbrennung zu erzielen, werden eine abgemessene Luftmenge sowie
ein reiner Brennkraftstoffs, vorzugsweise Propan, an den Brenner
abgegeben. Der Kraftstoff- und Luftdurchsatz werden geregelt, um
die Entzündung
einer Flamme im Brenner sowie reine Emissionen nach der Zündung zu
ermöglichen.
Der Kraftstoff und die Luft müssen
auch mit ausreichenden Sauerstoffmengen gut vermischt sein, um die
Emission von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen zu beschränken, und
müssen
zudem mit ausreichend niedrigen Flammentemperaturen verbrannt werden,
um die Bildung von Stickstoffoxiden (NOx)
zu beschränken.
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Die
hohe Temperatur der vorgewärmten
Luft, welche zum Erzielen eines hohen Wärmewirkungsgrads erwünscht wird,
erschwert das Erreichen der Ziele einer geringen Emission durch
das Erschweren des Mischens des Kraftstoffs und der Luft im Voraus und
Erfordern von große
Mengen an Überschussluft, um
die Flammentemperatur zu beschränken.
Wie hierin und in den beiliegenden Ansprüchen verwendet, ist der Ausdruck „Selbstzündungstemperatur" als Temperatur definiert,
bei welcher sich ein Kraftstoff ohne einen die Temperatur herabsetzenden
Katalysator unter den vorherrschenden Zuständen eines Luft- und Kraftstoffdrucks
entzünden
wird. Die typische vorgewärmte
Lufttemperatur überschreitet
die Selbstzündungstemperatur
der meisten Kraftstoffe und verursacht möglicherweise, dass sich das
Kraftstoff-Luft-Gemisch
entzündet
bevor es in die Brennkammer gelangt. Eine Lösung für dieses Problem stellt das
Verwenden einer nicht im Voraus gemischten Diffusionsflamme dar.
Da solche Diffusionsflammen nicht völlig gemischt sind, ergeben
sich jedoch höhere
Emissionen von CO, HC und NOx als erwünscht werden.
Eine detaillierte Erörterung
der Flammendynamik wird durch Turns, An Introduction to Combustion:
Concepts and Applications (McGraw-Hill, 1996) geliefert, welche durch
Verweis hierin enthalten ist. Jede erhöhte Luftströmung, welche zum Beschränken von
Flammentemperaturen geliefert ist, erhöht üblicherweise die durch eine
Luftpumpe oder ein Gebläse
verbrauchte Leistung und setzt dadurch den Gesamtwirkungsgrad des
Motors herab.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können geringe
Emissionen und ein hoher Wirkungsgrad durch das Erzeugen einer im
Voraus gemischten Flamme selbst beim Vorhandensein von Luft, welche über die
Selbstzündungstemperatur
des Kraftstoffs erhitzt ist, und zudem durch das Minimieren der Druckabnahme
zwischen dem Lufteinlass und dem Flammenbereich geliefert werden
und minimieren dadurch den Leistungsverbrauch des Gebläses.
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Der
Ausdruck „Flammengeschwindigkeit" ist als Geschwindigkeit
definiert, mit welcher sich eine Flammenfront durch ein bestimmtes
Kraftstoff-Luft-Gemisch ausbreiten wird. Innerhalb der Beschreibung
und den folgenden Ansprüchen
soll sich der Ausdruck „Verbrennungsachse" auf die Richtung der
vorherrschenden Flüssigkeitsströmung nach
der Verbrennung der Flüssigkeit
beziehen.
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Nun
in Bezug auf die 7a–7c wird
ein Einlasskrümmer 699 zur
Anwendung an einem Stirlingmotor oder einer anderen Verbrennungsanwendung
nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Kraftstoff im Voraus mit Luft gemischt, welche über die
Selbstzündungstemperatur
des Kraftstoffs erhitzt sein kann, und verhindert, dass sich eine
Flamme bildet bis der Kraftstoff und die Luft völlig vermischt und in der Brennkammer 809 sind
(in 8 gezeigt). 7a zeigt
eine bevorzuge Ausführungsform
der Einrichtung, welche einen Einlasskrümmer 699 und eine Brennkammer 710 beinhaltet.
Der Einlasskrümmer 699 weist
eine zur Achse symmetrische Leitung 701 mit einem Einlasskrümmer 703 zum
Aufnehmen von Luft 700 auf, welche über das Gebläse 728 zugeführt wird.
Die Luft 700 wird im Voraus auf eine Temperatur erhitzt, üblicherweise über ca.
727°C (1000
K), welche über
der Selbstzündungstemperatur
des Kraftstoffs liegen kann. Die Leitung 701 befördert die
Luft 700, welche in Bezug auf die Verbrennungsachse 720 radial
einströmt,
zu einer Wirbeleinrichtung 702, welche innerhalb der Leitung 701 angeordnet
ist.
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7b zeigt
eine Querschnittsansicht der Leitung 701, welche die Wirbeleinrichtung 702 enthält, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. In der Ausführungsform
der 7b weist die Wirbeleinrichtung 702 mehrere
spiralförmige
Schaufeln 730 auf, um die Luftströmung 700 radial nach
innen zu leiten und der Luft eine Drehkomponente zu verleihen. Der
Durchmesser des Wirbeleinrichtungsabschnitts der Leitung nimmt vom
Einlass 732 zum Auslass 734 der Wirbeleinrichtung 702 ab,
wie durch die Länge der
Schaufeln 730 der Wirbeleinrichtung definiert. Die Abnahme
im Durchmesser der Wirbeleinrichtungsschaufeln 730 erhöht den Durchsatz
der Luft 700 im in Wesentlichen umgekehrten Verhältnis zum Durchmesser.
Der Durchsatz wird derart erhöht,
dass er über
der Flammengeschwindigkeit des Kraftstoffs ist. Beim Auslass 734 der
Wirbeleinrichtung 702 wird der Kraftstoff 706,
welcher in einer bevorzugten Ausführungsform Propan ist, in die
nach innen strömende
Luft eingespritzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Kraftstoff 706 durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 704 durch
eine Reihe von Düsen 736 eingespritzt,
wie in 7c gezeigt. Genauer zeigt 7c eine
Querschnittsansicht der Leitung 701 und enthält die Kraftstoffstrahldüsen 736.
Jede der Düsen 736 ist am
Ausgang der Wirbeleinrichtungsschaufeln 730 positioniert
und zwischen zwei angrenzenden Schaufeln zentralisiert. Die Düsen 736 sind
auf diese Weise zum Erhöhen
des Wirkungsgrads des Mischens der Luft und des Kraftstoffs positioniert.
Die Kraftstoffstrahldüsen 736 sind
größenmäßig so ausgelegt, um
Kraftstoffstrahlen zu liefern, welche sich mindestens die halbe
Strecke durch die Leitung 701 erstrecken (in den 7a und 7b gezeigt).
Berechnungen zur Festlegung der Größe der Kraftstoffstrahldüsen 736 sind
in der Technik allgemein bekannt und werden in Boer und Chigier, „Combustion
Aerodynamics", John
Wiley&Sins, 1972
beschrieben. Die Düsen 736 sprit zen
gleichzeitig den Kraftstoff 706 quer durch die Luftströmung 700 ein.
Da die Luftströmung
schneller als die Flammengeschwindigkeit ist, wird sich an dieser
Stelle keine Flamme bilden, obwohl die Temperatur des Luft-Kraftstoffgemisches über der
Selbstzündungstemperatur
des Kraftstoffs liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher Propan
verwendet wird, beträgt
die Vorwärmtemperatur,
die durch die Temperatur des Heizkopfes bestimmt wird, ca. 627°C (900 K).
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Wieder
in Bezug auf 7a werden die Luft und der Kraftstoff,
welche nun vermischt sind und auf welche hiernach als „Luft-Kraftstoff-Gemisch" 709 Bezug
genommen wird, in Richtung durch einen Lufttrichter 708 übergeleitet,
welcher eine konturierte Verkleidung 722 aufweist und am
Auslass 707 der Leitung 701 angebracht ist. Der
Kraftstoff 706 wird über
einen Kraftstoffregler 724 zugeführt. Der Lufttrichter 708 weist
einen Innenradius 714 und ein Außenmaß 716 auf. Die Überleitung
des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt von einer Richtung, welche
in Bezug auf die Verbrennungsachse 720 im Wesentlichen
quer und radial nach innen ist, zu einer Richtung, welche zur Verbrennungsachse
im Wesentlichen parallel ist. Der Umriss der Verkleidung 722 des Lufttrichters 708 weist
die Form einer umgedrehten Glocke auf, so dass die Querschnittsfläche des
Lufttrichters 708 in Bezug auf die Verbrennungsachse vom
Einlass 711 des Lufttrichters zum Auslass 712 des
Lufttrichters konstant bleibt. Der Umriss ist glatt und ohne Stufen
und behält
die Strömungsgeschwindigkeit
vom Auslass der Wirbeleinrichtung zum Auslass des Lufttrichters 708 bei,
um eine Trennung und die sich ergebende Umwälzung entlang einer der Oberflächen zu
verhindern. Die konstante Querschnittsfläche lässt zu, dass sich die Luft
und der Kraftstoff weiter vermischen ohne die Strömungsgeschwindigkeit
herabzusetzen und eine Druckabnahme zu verursachen. Ein ebener und
konstanter Querschnitt erzeugt eine effiziente Wirbeleinrichtung,
wobei der Wirkungsgrad der Wirbeleinrichtung den Anteil einer statischen
Druckabnahme über
die Wirbeleinrichtung betrifft, welcher in einen dynamischen Druck
der Wirbelströmung
umgewandelt wird. Die Wirbelwirkungsgrade von 80% aufwärts können üblicherweise
durch die Anwendung der Erfindung erzielt werden. Folglich kann
die parasitäre
Leistungsabgabe des Verbrennungsluftgebläses minimiert werden.
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Der
Auslass 712 des Lufttrichters weitet sich nach außen auf
und lässt
zu, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch 709 in die Kammer 710 abströmt, welche
das Luft-Kraftstoffgemisch 709 abbremst, und lokalisiert
und enthält
dadurch die Flamme und verursacht, dass sich eine ringförmige Flamme
bildet. Das durch die Wirbeleinrichtung 602 erzeugte Drehmoment
erzeugt eine Flamme, welche einen Ringwirbel stabilisiert, wie in
der Technik allgemein bekannt ist.
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Wie
oben erörtert
wurde, werden der Kraftstoff- und Luftdurchsatz geregelt, um eine
Entzündung
einer Flamme im Brenner sowie reine Emissionen nach der Entzündung zuzulassen.
In Bezug auf 7a wird ein Brennerregler 726 zum
Regeln des Kraftstoff- und Luftdurchsatzes verwendet, welche durch
den Kraftstoffregler 724 bzw. das Gebläse 728 geliefert werden.
Der Kraftstoffregler 724 wird auf einen Anfangswert zur
Zündung
eingestellt. Wenn die Flamme geprüft ist, verändert der Brennerregler 726 den
Kraftstoffdurchsatz, um die Temperatur des Heizkopfes zu regeln,
die durch einen Temperatursensor 804 des Kopfes gemessen
wird (in 8 gezeigt). Eine Flamme ist
geprüft,
wenn ein Flammendetektor das Vorkommen der Flamme erfasst. Es gibt
verschiedene Arten von Flammendetektoren, welche Thermoelemente
und Ultraviolettsensoren enthalten, die in der Technik bekannt sind.
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Der
Auslass (oder der Durchsatz der Luftmenge) des Gebläses 728 der
Verbrennungsluft wird durch den Brennerregler 726 eingestellt,
um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
in der Brennkammer 809 zu regeln (in 8 gezeigt).
Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist
das Verhältnis
des Durchsatzes der Kraftstoffmenge über den Durchsatz der Luftmenge
und ist der Hauptfaktor, welcher die Emissionen beeinträchtigt. Das
Gebläse 728 regelt
das Kraftstoff-Luft-Verhältnis durch
das Erhöhen
oder Verringern des Durchsatzes der Luftmenge relativ zum Durchsatz
der Kraftstoffmenge. Um beispielsweise das Kraftstoff-Luft-Verhältnis konstant
zu halten, wird der Brennerregler 726 den Gebläseauslass
erhöhen
während
der Kraftstoffregler 724 den Auslass desselben erhöht und umgekehrt.
Das erwünschte
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
und der Kraftstoffdurchsatz können
sich gleichzeitig verändern,
und daher wird der Brennerregler 726 den Auslass des Gebläses 728 ändern, um
sowohl die Veränderung
im erwünschten
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
als auch dem Kraftstoffdurchsatz anzupassen.
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Das
Minimieren der Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen
(HC) und Stickstoffoxiden (NOx) erfordert
ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches immer noch eine vollständige Verbrennung
erzielt. Ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch weist mehr Luft als ein stöchiometrisches
Gemisch auf (d.h. beispielsweise 15,67 Gramm Luft pro Gramm Propan).
Wenn mehr Luft zu einer feststehenden Kraftstoffmenge hinzugefügt wird,
werden die Emissionen von CO, HC und NOx abnehmen,
bis die Luftmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch ausreichend groß ist, dass
die Flamme instabil wird. An dieser Stelle werden Einschlüsse des
Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Brenner ohne vollständige Verbrennung
gehen. Eine unvollständige Verbrennung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugt große Mengen von CO und HC. Die
CO- und HC-Emissionen werden schnell zunehmen, da mehr Luft zum
Kraftstoff-Luft-Gemisch hinzugefügt
wird, bis die Flamme bei einer Magerlöschgrenze („LBO") erstickt. Die LBO wird zunehmen, da
die Temperatur der hereinströmenden
Luft (d.h. der vorgewärmten Luft)
steigt. Folglich nimmt das optimale Kraftstoff-Luft-Verhältnis des
Kraftstoff-Luft-Gemisches ab, da die Temperatur der vorgewärmten Luft
während
der Aufwärmphase
des Stirlingmotors steigt. Wenn der Motor aufgewärmt ist wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis konstant
gehalten.
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Folglich
muss das Kraftstoff-Luft-Verhältnis erst
geregelt werden, um das optimale Kraftstoff-Luft-Verhältnis zur
Entzündung
zu liefern. Wenn die Flamme belegt wurde, wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis basierend
auf der Temperatur der vorgewärmten
Luft und der Kraftstoffart geregelt, um die Emissionen zu minimieren.
Wenn der Kraftstoffdurchsatz erhöht
oder verringert wird, um die Temperatur des Heizkopfes abzugleichen,
wird auch der Luftdurchsatz abgeglichen, um das erwünschte Kraftstoff-Luft-Verhältnis beizubehalten.
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Ein
gegebener Kraftstoff wird sich nur über einem beschränkten Bereich
von Kraftstoff-Luft-Verhältnissen
entzünden.
Bei der Entzündung
wird ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis
der Zündung
ausgewählt, welches
gleich dem oder weniger als das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist,
welches dem verwendeten Kraftstoff entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform,
in welcher Propan der Kraftstoff ist, wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der
Entzündung auf
0,1 Gramm Propan pro Gramm Luft eingestellt. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der
Entzündung
wird aufrechterhalten bis sich die Flamme stabilisiert und die Temperatur
des Inneren der Brennkammer auf eine Aufwärmtemperatur ansteigt. In Bezug
auf 8 wird die Temperatur der Brennkammer 809 üblicherweise
durch das Messen der Temperatur des Heizkopfes 808 oder
durch das Zulassen eines vorbestimmten Zeitintervalls für die Brennkammer
zum Erhitzen bestimmt. Ein Temperatursensor, wie beispielsweise
ein Thermoelement 804, kann zum Messen der Temperatur des
Heizkopfes 808 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
der Entzündung
gehalten bis die Temperatur des Heizkopfes 300°C erreicht und die Flamme für 5 Sekunden
angezündet
war.
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Wenn
die Flamme stabilisiert ist und die Temperatur der Brennkammer 809 die
erwünschte Aufwärmtemperatur
erreicht, wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis dann basierend auf der
Vorwärmtemperatur
der Luft und der Kraftstoffart geregelt. Wie oben beschrieben wurde,
nimmt das optimale Kraftstoff-Luft-Verhältnis 901 des Kraftstoff-Luft-Gemisches
ab während
die Temperatur der vorgewärmten
Luft 903 steigt, wie in 9 gezeigt. Die
Temperatur der vorgewärmten
Luft wird unter Verwendung eines Temperatursensors, wie beispielsweise
einem Thermoelement 810, in einer Luftwirbeleinrichtung 802 gemessen,
welche mit der Brennkammer 806 verbunden ist, wie in 8 gezeigt.
Die Vorwärmtemperatur
der Luft kann auch aus der Temperatur des Heizkopfes 808 durch
das Subtrahieren mehrerer hundert Grad Celsius von der Temperatur
des Heizkopfes abgeleitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Vorwärmtemperatur
der Luft als Heizkopftemperatur minus 300°C genommen.
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Das
optimale Kraftstoff-Luft-Verhältnis
wird erst mit der Temperatur der vorgewärmten Luft von einem „Anlass-" Kraftstoff-Luft-Verhältnis für Luft mit Zimmertemperatur
auf ein „Lauf-" Kraftstoff-Luft-Verhältnis für eine aufgewärmte Temperatur
der vorgewärmten
Luft linear abnehmen. Die Luft gilt als vollständig aufgewärmt, wenn sie die bekannte
Selbstzündungstemperatur
für den
Kraftstoff überschreitet. Die
Selbstzündungstemperatur für Propan
beträgt beispielsweise
490°C. In
einer bevorzugten Ausführungsform,
in welcher Propan der Kraftstoff ist, beträgt das „Anlass-" Kraftstoff-Luft-Verhältnis 0,052 Gram
Kraftstoff zu Gramm Luft, was ca. 4% Sauerstoff im Abgas des Stirlingmotors
ergibt. Das „Lauf-" Kraftstoff-Luft-Verhältnis in
der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
0,026 Gramm Kraftstoff zu Gramm Luft, was ca. 13% Sauerstoff im
Abgas des Stirlingmotors ergibt.
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Das
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
kann durch das Messen des Luft- und
Kraftstoffdurchsatzes bestimmt werden. Ein Drucksensor kann zum
Messen des Luftdurchsatzes im Gebläse 728 verwendet werden
(in 7a gezeigt). Der Kraftstoffdurchsatz kann durch das
Messen des Drucks einer Gruppe an Kraftstoffregelventilen des Kraftstoffreglers 724 vorgeschaltet oder
nachgeschaltet (in 7a gezeigt) und durch das Überwachen
bestimmt werden, welches der Ventile gegenwärtig offen ist. In einer alternativen
Ausführungsform
der Erfindung kann das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf einer Messung des
Sauerstoffgehalts im Abgas des Stirlingmotors basieren. Ein Sauerstoffsensor
kann im Motor platziert sein, um Proben vom Abgas zu nehmen und
den Prozentanteil von Sauerstoff im Abgas des Motors zu messen.