KR20020075465A - 열 순환 엔진의 버너에서 연료 및 공기 송출을 제어하기위한 시스템 및 방법 - Google Patents

열 순환 엔진의 버너에서 연료 및 공기 송출을 제어하기위한 시스템 및 방법 Download PDF

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노리스마이클
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Abstract

가열기 헤드를 갖는 외연기관의 버너에서 연료와 공기를 연소시키는 방법에 관한 것이다. 연료와 공기는 연료-공기 비율에 의해 특징되는 연료-공기 혼합물을 형성하도록 결합된다. 배기 가스 생성물은 연료-공기 혼합물이 외연기관의 버너에서 연소될 때 생성된다. 화염은 제1 공기 유동 속도와 연료 유동 속도에 의해 생성된 제1 연료-공기 비율에서 연료-공기 혼합물을 점화함으로써 형성된다. 공기 유동 속도는 또한 외연기관의 가열기 헤드의 온도를 기초로 하여 제어된다. 화염은 연료 유동 속도를 기초로 하여 공기 유동 속도를 조절하면서 제2 연료-공기 라틴에 유지된다. 외연기관은 예를 들어 스티어링 순환 엔진이 될 수 있다.

Description

열 순환 엔진의 버너에서 연료 및 공기 송출을 제어하기 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FUEL AND AIR DELIVERY IN A BURNER OF A THERMAL-CYCLE ENGINE}
엔진 및 냉장고를 포함하는 스티어링 순환 기계는 오랜 과학 기술적 유산을 갖고 있고 본 명세서에서 참고 문헌으로 병합된 옥스퍼드 대학 출판사(1980)에서 발행한 워크(Walker)의 스티어링 엔진에 상세히 설명되어 있다. 스티어링 순환 엔진의 기본적 원리는 스티어링 열동력 순환의 기계적 실현 즉, 실린더 내의 가스의 정적 가열, (일이 피스톤을 구동함으로써 수행되는 동안) 가스의 등온 팽창, 정적 냉각 및 등온 압축이다. 스티어링 순환 냉장고는 또한 이상적 스티어링 열동력 순환에 근접한 열동력 순환의 기계적 실현이다. 이상적 스티어링 열동력 순환에서, 작동 유체는 정적 가열, 등온 팽창, 정적 냉각 및 등온 압축의 연속적 순환을 격는다. 상기 단계가 정적 및 등온이 아닌 순환의 실제 실현은 본 발명의 범위 내에있고 청구범위에서와 같이 본 발명의 범위 내에서 이상적인 경우의 언어로 본 상세한 설명에 언급될 수 있다.
본 발명의 다양한 태양은 스티어링 순환 엔진 및 스티어링 순환 냉장고 둘 다에 적용되고, 이것은 본 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에 스티어링 순환 기계로서 집합적으로 언급된다.
스티어링 순환 엔진의 작동 원리는 도1a 내지 도1f를 참조하여 용이하게 설명되고, 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 부분을 나타내는데 사용된다. 스티어링 순환 엔진의 많은 기계적 레이아웃은 종래 기술에 공지되어 있고, 일반적으로 도면부호 10으로 나타낸 특정 스티어링 엔진은 단지 예시적 목적으로 도시된다. 도1a 내지 도1d에서, (본 명세서에서 "압축 피스톤"으로서 언급되지만) 피스톤(12) 및 ("팽창 피스톤"으로서 또한 공지된) 제2 피스톤(14)은 실린더(16) 내에서 위상 왕복 운동(phased reciprocating motion)으로 운동한다. 압축 피스톤(12) 및 팽창 피스톤(14)은 또한 분리되고 상호연결된 실린더 내에서 운동할 수 있다. 피스톤 시일(18)은 피스톤(12)과 피스톤(14) 사이에서 실린더(16) 내에 담긴 작동 유체의 유동이 양 피스톤(12) 주위로 새는 것을 방지한다. 작동 유체는 후술되는 설명에서 설명되는 바와 같이 열동적 특성으로 선택되고, 몇 기압의 압력에서 전형적으로는 헬륨이다. 팽창 피스톤(14)의 위치에 의해 결정되는 유체의 체적은 팽창 공간(22)으로서 언급된다. 압축 피스톤(12)의 위치에 의해 결정되는 유체의 체적은 압축 공간(24)으로서 언급된다. 유체가 도시된 형상이나 또는 스티어링 엔진(10)의 다른 형상으로 팽창 공간(22)과 압축 공간(24) 사이에서 유동하기 위해, 유체는 재생기(26)을 관통한다. 재생기(26)는 유체가 팽창 공간(22)으로부터 뜨겁게 될 때 작동 유체로부터 열을 흡수하고 그것이 압축 공간(24)에서 다시 팽창 공간(22)으로 관통될 때 유체를 가열하도록 작용하는 표면적 대 부피의 큰 비를 갖는 재료의 모체(matrix)이다.
엔진 순환의 제1 단계동안, 그것의 기동 조건은 도1a에 도시되어 있고, 피스톤(12)은 압축 공간(24)에서 유체를 압축한다. 압축은 열이 유체로부터 대기로 나가기 때문에 일정 온도에서 발생한다. 특히, (도2에 도시된) 냉각기(68)는 아래 설명에서 설명에서 설명되는 바와 같이 구비된다.
압축 후의 엔진(10)의 조건은 도1b에 도시된다. 순환의 제2 단계동안, 팽창 피스톤(14)는 유체의 일정 체적을 유지하도록 압축 피스톤(12)과 동시에 이동한다. 유체가 팽창 공간(22)으로 전달될 때 이것은 재생기(26)를 관통해서 유동하고 재생기(26)로부터 열을 습득하여 유체의 압력이 증가한다. 전사 단계의 말단에, 유체는 더 높은 압력으로 있고 도1c에 도시된 바와 같이 팽창 공간(22) 내에 담겨진다.
엔진 순환의 제3(팽창) 단계동안, 팽창 공간(22)의 체적은 열이 외측 엔진(10)으로부터 끌려질 때 증가되어 열을 일로 변환한다. 실시에서, 열은 아래의 설명에서 더욱 상세히 설명되는 (도2에 도시된) 가열기(64)에 의해 팽창 공간(22) 안의 유체에 제공된다. 팽창 단계의 말단에, 뜨거운 유체는 도1d에 도시된 바와 같이 완전히 팽창 공간(22)을 충진한다. 엔진 순환의 제4 단계동안, 유체는 팽창 공간(22)에서 압축 공간(24)으로 전사되고, 유체가 그것을 관통할 때 재생기(26)를 가열시킨다. 제2 전사 단계의 말단에, 유체는 도1a에 도시된 바와 같이압축 공간(24)에 있고 압축 단계를 반복할 준비가 되어 있다. 스티어링 순환은 도1e에 도시된 P-V(압력-체적) 도표 및 도1f에 도시된 T-S(온도-엔트로피) 도표에 도시된다. 스티어링 순환은 작동 유체가 순환 과정동안 전형적으로 교체되지 않는다는 점에서 폐쇄 순환이다.
스티어링 순환 냉장고의 작동 원리는 또한 도1a 내지 도1e를 참고하여 설명될 수 있고, 동일한 도면부호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내는데 사용된다. 상술된 엔진과 냉장고로서 사용되는 스티어링 기계 사이의 차이점은 압축 체적(22)이 대기 온도와 전형적으로 열적 연통하고 팽창 체적(24)이 (도시되지 않은) 외부 냉각 로드(load)에 연결된다는 것이다. 냉장고 작동은 네트 워크 입력(net work input)이 필요하다.
스티어링 순환 엔진은 실제 적용예에 일반적으로 사용되지 않고, 스티어링 순환 냉장고는 그의 발달에 몇몇 어려운 공학적 문제 때문에 저온학(cryogenics)의 특정 분야에 제한되었다. 이들은 효율성, 진동, 수명 및 제조비용과 같은 실제적 고려사항을 포함한다. 본 발명은 이러한 고려사항에 착수한다.
본 발명은 스티어링 순환 열 엔진(Stirling cycle heat engine) 또는 냉장고의 향상에 관한 것이고, 특히 엔진 작동 효율 및 수명을 증가시키고 크기, 복잡성 및 제조비용을 감소시키는 데 기여하는 스티어링 순환 열 엔진 또는 냉장고의 기계적 및 열적 부품과 관계가 있다.
본 발명은 다음의 첨가 도면에서 취한 다음의 설명을 참조로 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도1a 내지 le는 종래 기술의 스티어링 순환 기계의 작동 원리를 도시한 도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 다른 스티어링 순환 엔진의 단면에서 측면도이다.
도3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 스티어링 순환 기계와 같은 두 개의피스톤 기계를 위한 절첩된 가이드 링크 구동 기구의 단면도이다.
도4는 도3의 절첩된 가이드 링크 구동 기구의 실시예의 사시도이다.
도5a는 본 발명의 실시예에 따른 핀 열 교환기를 사용한 스티어링 순환 엔진의 단면도이다.
도5b는 도5a의 핀 열 교환기의 확대되어 사시된 상세도이다.
도5c는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 축척되지 않고 개략적으로 도시된 열 전자 핀을 구비한 도5a의 가열기 헤드 조립체의 단면도이다.
도6a는 본 발명의 실시예에 따라 균일하게 유동을 향상시키도록 가지형 덕트를 도시하고, 도2의 스티어링 순환 엔진의 바닥으로부터의 사시도이다.
도6b는 도9a의 가지형 덕트의 시스템의 평면도이다.
도7a는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 스티어링 순환 엔진을 위해 연료 흡기 분기관의 측면으로부터의 단면도이다.
도7b는 BB 절단을 통해 취한 도10a의 연료 흡기 분기관이 측면으로부터 본 단면도이다.
도7c는 연료 제트 노즐을 도시하고 AA 절단을 해서 도10a의 연료 흡기 분기관의 상부로부터의 단면도이다.
도8은 본 발명의 양호한 실시예에 다른 온도 센서의 위치를 도시한 버너 및 가열기 헤드의 단면도이다.
도9는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 프로판용 공기 예열 온도에 대한 최적 연료-공기 비율의 관계를 도시한 도면이다.
연료와 공기가 다양한 연료-공기 비를 갖는 연료-공기 혼합물을 형성하도록 결합되고 연소될 때 연료-공기 혼합물이 배기 가스 생산물을 생성하는 외연기관의 버너에서 연료와 공기를 연소하는 방법은 제1 공기 유동 속도 및 연료 유동 속도에 의해 생성된 제1 연료-공기 비율에서 화염(flame)을 형성하도록 연료-공기 혼합물을 점화하는 단계와, 제2 연료-공기 비율을 생성하도록 공기 유동 속도를 증가시키는 단계와, 적어도 가열기 헤드의 온도를 기초로 유체 유동 속도를 제어하는 단계와, 적어도 배기 가스 생산물에서 공기와 산소 농도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 제2 연료-공기 비율로 화염을 유지하는 단계를 포함한다. 자동-점화 온도와 화염 속도를 갖는 연료와 공기를 점화하는 단계는 통로(throat)의 입구 안으로 상기 화염 속도 위의 속도로 공기를 추진하는 단계를 포함하고, 상기 통로는 또한 입구로부터 출구까지 일정 단면적과 출구를 갖고 연료를 공기 형성 연료-공기 혼합물 안으로 혼합하고, 연료-공기 혼합물은 출구로 나가고, 화염은 통로의 출구 외측의 공기 연료 혼합물 안에서 생성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 연료-공기 비율은 배기 가스에서 산소 농도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 유지된다. 다른 실시예에서, 제2 연료-공기 비율은 적어도 공기의 온도와 연료 유동 속도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 연료-공기 비율은 적어도 공기의 온도 및 배기 가스에서 산소 농도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 유지된다.
외연기관의 연소실을 작동하기 위한 시스템은 가열기 헤드를 갖고, 연소실은 연소 축에 의해 특징지어지고, 열을 생성하기 위해 공기 안의 연료를 연소함으로써 열을 엔진의 가열기 헤드에 이송하는 것을 특징으로 하고, 배기 가스 생성물은 내향으로 유동하는 공기를 이송하기 위해 연소실의 연소 축 주위에 대칭 축을 갖는 스월러와, 특정 공기-연료 비율을 갖는 공기-연료 혼합물을 형성하기 위해 공기와 연료를 혼합하는 방식으로 연료를 방경방향으로 내향 유동하는 공기 안으로 연료를주입하기 위한 연료 주입기와, 연료 이송의 특정 속도로 연료를 이송하기 위한 연료 공급 조절기를 포함한다. 상기 시스템은 특정 공기-연료 비율을 생성하기 위해 특정 공기 유동 속도로 공기를 버너에 이송하는 송풍기와, 연소실에 이송된 공기의 온도를 측정하기 위한 스월러 공기 온도 센서와, 적어도 연소실에 이송된 공기의 온도를 기초로 공기 이송의 속도를 제어하는 제어기를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 시스템은 가열기 헤드의 온도를 측정하기 위한 가열기 헤드 온도 센서와, 적어도 가열기 헤드의 온도 및 연소실에 전송된 공기의 온도를 기초로 연료 전송의 속도를 제어하는 제어기를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 시스템은 버너의 배기 생성물에서 가스 농도를 모니터링하는 가스 조성 센서와 적어도 연소실에 이송된 공기의 온도 및 배기 가스에서 가스 조성물을 기초로 공기 이송 속도를 제어하는 조절기를 더 포함한다. 상기 시스템은 연료 전송의 속도를 측정하는 유동 센서를 또한 포함하고 제어기는 적어도 연소실에 이송된 공기의 온도 및 연료 이송의 측정된 속도를 기초로 제어기를 포함한다.
도2에서, 스티어링 순환 엔진의 일 실시예가 단면적으로 도시되고 일반적으로 도면부호 28로 표시된다. 본 발명이 도2에 도시된 스티어링 엔진을 참조하여 도시되지만, 많은 냉장고 및 엔진은 본 발명의 영향하에 있는 다양한 실시예 및 개선품으로부터 유사하게 이득을 얻을 수 있다. 도2에 도시된 스티어링 엔진(28)의 형상은 알파 형상으로 언급되고 압축 실린더(34) 내의 압축 피스톤(30)과 팽창 실린더(36) 내의 팽창 피스톤(32)은 각각 및 분리된 실린더 내에서 선형 운동을 하는 것을 특징으로 한다. 알파 형상은 임의의 첨부된 청구범위의 범위 내에서 단지 예시로서 설명된다.
압축 피스톤(30) 및 팽창 피스톤(32)에 더하여, 스티어링 엔진(28)의 주요 요소는 가열기(64), 재생기(66) 및 냉각기(68)을 포함한다. 집합적으로 피스톤으로 언급된 압축 피스톤(30) 및 팽창 피스톤(32)은 각각의 체적(38, 40) 내에서 왕복 선형 운동으로 운동하도록 강제된다. 실린더 라이너(42)는 각각의 실린더면을 일직선으로 할 수 있다. 가열기(64)와 냉각기(68)의 근처에 있는 실린더 내부의 체적은 본 명세서에서 각각 엔진(28)의 뜨겁고 차가운 구역으로 언급된다. 압축 피스톤(30) 및 팽창 피스톤(32)의 왕복 선형 운동의 각각의 위상("위상각")은 크랭크케이스(46)에 하우징된 구동 기구(44)에 각각 연결함으로써 제어된다. 아래 더 상세히 설명된 구동 기구(44)는 피스톤의 상대적 시간을 제어하고 선형 및 회전 운동을 전환하는데 사용될 수 있다. 압축 피스톤(30) 및 팽창 피스톤(32)은 제1 연결 로드(48)와 제2 연결 로드(50)를 통해 구동 기구(44)에 각각 연결된다. 압축실린더(34)의 체적(38)은 작동 유체의 순환 냉각을 허용하도록 덕트(45)를 통해 냉각기(68)에 연결된다. 특히, 덕트(45)는 냉각기(68), 재생기(66) 및 가열기(64)를 포함하는 환형 가열 교환기로 압축 체적(38)을 연결한다. 덕트(45)와 환형 플레넘(47) 사이 유동의 분파는 도6을 참조하여 후술된다.
구동 기구(44)의 작동은 도3 및 도4를 참조하여 설명된다. 도3은 도면번호 300으로 일반적으로 나타낸 이중 절첩 가이드 링크 구동 기구의 단면도이다. 도3의 구동 기구(300)는 두 개의 절첩 가이드 링크(303, 313)를 포함한다. 피스톤(301, 311)은 각각 도2를 참조하여 상술된 바와 같은 스티어링 순환 엔진의 디스플레이서(displacer) 및 압축 피스톤이다. 이러한 설명 및 다음의 청구범위에서 사용된 바와 같이, 디스플레이서 피스톤은 시일이 없는 피스톤 또는 시일을 구비한 피스톤(보통 "팽창" 피스톤으로 공지됨) 중의 하나이다. 디스플레이서 피스톤(301)은 피스톤 연결점(302)에 가이드 링크(303)의 피스톤 단부에 견고히 연결된다. 가이드 링크(303)는 로드 연결점(305)에서 연결 로드(306)에 회전식으로 연결된다. 피스톤 연결점(302) 및 로드 연결점(305)은 가이드 링크(303)의 종방향 축을 한정한다.
연결 로드(306)는 회전의 크랭크샤프트 축(326)으로부터 고정된 거리가 오프셋되는 크랭크샤프트 연결점(307)에서 크랭크샤프트(308)에 회전식으로 연결된다. 회전(326)의 크랭크 샤프트 축은 가이드 링크(303)의 종방향 축(324)에 직교하고 회전의 크랭크샤프트 축(326)은 로드 연결점(305)과 피스톤 연결점(302) 사이에 배치된다. 양호한 실시예에서, 회전의 크랭크샤프트 축(326)은 종방향 축(324)을 교차한다.
가이드 링크(303)의 단부(328)는 한 쌍의 롤러(304) 사이에 구속된다. 양호한 실시예에서, 롤러(304) 중의 하나는 가이드 링크(303)와 롤링 접촉을 유지하도록 설치된 스프링이다. 피스톤 실린더(322)에 대해 가이드 링크(303)의 종방향 축(324)의 정렬은 롤러(304)와 피스톤(301)에 의해 유지된다. 크랭크샤프트(308)는 회전의 크랭크샤프트 축(326) 주위에서 회전할 때 로드 연결점(305)은 가이드 링크(303)의 종방향 축(324)을 따라 선형 경로를 추적한다.
피스톤(301)과 가이드 링크(303)는 레버의 일단부에 피스톤(301)과 레버의 타단부에 가이드 링크(303)의 로드 단부(328)를 구비한 레버를 형성한다. 레버의 지렛목은 롤러(304)의 중심에 의해 한정된 라인 상에 있다. 레버는 로드 연결점(305)에 인가된 힘에 의해 부하된다. 로드 연결점(305)이 가이드 링크(303)의 종방향 축을 따라 경로를 추적할 때 로드 연결점(305)과 지렛목, 제1 레베 아암 사이의 거리는 영에서부터 피스톤(301)의 절반 스토로크 거리까지 변한다. 제2 레버 아암은 지렛목으로부터 피스톤(301)까지의 거리이다. 제1 레버 아암에 대한 제2 레버 아암의 레버 비율은 항상 1보다 크고, 바람직하게는 5 내지 15의 범위에 있다. 피스톤(301)에서 측방향 힘은 레버 비율이 클수록 피스톤(301)에서 측방향 힘이 더 작아지는 레버 비율에 의해 측정된 로드 연결점(305)에 인가된 힘이 된다.
압축 피스톤(311)은 피스톤 연결점(312)에서 가이드 링크(313)의 피스톤 단부에 견고히 연결된다. 가이드 링크(313)는 로드 연결점(315)에서 연결 로드(316)에 회전식으로 연결된다. 피스톤 연결점(312)와 로드 연결점(315)은 가이드링크(313)의 축방향 축을 한정한다. 연결 로드(316)는 회전의 크랭크샤프트 축(326)으로부터 고정된 거리가 오프셋되는 크랭크샤프트 연결점(317)에서 크랭크샤프트(308)에 회전식으로 연결된다. 가이드 링크(313)의 단부(330)는 한 쌍의 롤러(314) 사이에 구속된다. 상술된 바와 같이, 롤러(314)의 스프링은 가이드 링크(313)와 롤링 접촉을 유지하도록 장전된다. 가이드 링크(313)의 작동은 가이드 링크(303)에 대해 상술한 것과 유사하다. 피스톤 실린더(320)에 대한 가이드 링크(313)의 종방향 축의 정렬은 롤러(314)와 피스톤(301)에 의해 유지된다. 크랭크샤프트(308)가 회전의 크랭크샤프트 축(326) 주위에서 회전할 때, 로드 연결점(305)은 가이드 링크(313)의 종방향 축을 따라 선형 경로를 추적한다.
도4는 도3에 도시된 이중 절첩 가이드 링크 구동 기구의 사시도이다. 압축 피스톤(311)과 디스플레이서 피스톤(301)은 각각의 분별된 실린더, 즉 압축 실린더(320) 내에서 압축 피스톤(311)이, 팽창 실린더(322) 내에서 디스플레이서 피스톤(301)이 선형 운동을 한다. 가이드 링크(303)와 가이드 링크(313)는 각각 피스톤 연결점(302, 312)(도3에 도시됨)에서 디스플레이서 피스톤(301)과 압축 피스톤(311)에 견고히 연결된다. 연결 로드(306, 316)는 가이드 링크(303, 313)의 말단부의 연결점(305, 315)에서 회전식으로 연결되고 크랭크샤프트 연결점(307, 317)(도3에 도시됨)에서 크랭크샤프트(308)에 연결된다. 가이드 링크(303, 313) 상의 측방향 부하는 롤러쌍(304, 314)에 의해 점유된다.
도5a 내지 도5c에서, 단면으로 도시된 연소원으로부터 스티어링 순환 엔진(28)의 내부까지 큰 열량을 전사하는 본 발명에 따른 신규한 구조가 설명된다.버너(150)에 의해 발생된 뜨거운 가스(300)로부터 엔진의 내부 체적(306)에 담긴 작동 유체로 큰 열 전사의 효율을 증가시키기 위해, 가열기 헤드(64)의 한쪽 측면 상의 크게 습식된 표면적이 요구된다. 높은 표면적을 달성하기 위해, 많은 금속핀(310)은 가열기 헤드(64)의 내부면(312)과 외부면(314) 둘 다 또는 그 중 하나에 제조된다. 제조는 매몰주조에 의한 방식으로 저가로 수행될 수 있다. 금속핀(310)은 가열기 헤드(64)의 한 측면의 습식된 표면적을 증가시키고 유체 혼합을 증가시키는 난류식 후류(turbulent wake)를 생성하여 열의 유동을 더욱 증가시킨다. 이러한 구조는 냉각기(68)(도2에 도시됨)에서 또는 가스의 체적들 사이에서 효율적 열 전사가 요구되는 적용예에 열 전사용으로 또한 사용될 수 있다. 도5c는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 도식적으로 도시된 열 전사 핀(130, 124)을 구비한 도5a의 가열기 헤드 조립체의 단면도를 도시한다. 도5c에서, 내부 열 전사 핀(124)과 외부 열 전사 핀(130)은 가열기 헤드(64)의 측면을 따라 위치된다.
도6a에서, 압축 체적(38)과 열 교환 네트워크를 관통한 유체 유동의 환형 구역, 즉 (도2에 도시된) 재생기(66)을 관통한 패스트 냉각 헤드(68)와 (도2에 도시된) 패스트 가열기 헤드(64) 사이의 작동 유체의 유동을 공급하는 헤더 덕트(400) 시스템의 사시도가 도시된다. 작동 유체의 환형 유동은 분파형 덕트(400)가 실린더 체적(38)과 헤더(47)의 전체 환형 구역 사이의 동일 길이의 유동 통로를 생성하도록 연결되는 환형 헤더(47)에서 최고점에 달한다. 환형 유동 구역의 모든 부분과 실린더 체적 사이의 유동 임피던스를 사실상 동일하게 함으로써, 열 교환체를 통해 유동의 비균일성으로 인한 손실은 장점적으로 감소할 수 있고, 더욱이, 루프내의 작동 유체의 유동이 열 교환 구역에 제한되어 기계적 작동을 목적으로 하는 손실이 최소화될 수 있다. 도6b는 압축 공간(38)과 환형 헤더(47) 사이의 분파형 덕트(400)를 통한 유체 연통을 도시하는 평면도에서 "펼쳐진" 도6a의 분파형 덕트(400)의 시스템의 개략도를 도시한다.
스텔링 엔진이 높은 열 효율과 낮은 오염물질의 방출을 제공할 수 있지만, 이러한 목적은 특히, 도8에 도시된 바와 같은 스티어링 엔진의 가열기 헤드(808)를 가열하도록 사용되는 버너(806)의 열 효율의 요구사항을 부과한다. 이러한 열 효율의 요소는 연소 및 가열기 헤드(808)를 떠나는 뜨거운 배기의 회복을 제공하도록 버너(806)를 통해 산화체(전형적으로는 공기이며, 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 언급되지만 "공기"에 제한되지 않음)의 효율적 펌프공급을 포함한다. 많은 실시예에서, 공기(또는, 다른 산화체)는 연소전에 예열되고, 즉 가열기 헤더(808)의 온도에 예열되어, 열 효율의 전술된 목적을 달성한다. 본 기술 분야에서 숙련된 기술자들에게 공지되어 있듯이 스티어링 엔진의 가열기 헤드가 가열된 후에 연소 가스에 에너지의 상당한 양이 여전히 남아있고, 열 교환체가 버너 안으로 도입되지 전에 열을 배기 가스로부터 연소 공기로 전사하는데 사용될 수 있다. 높은 효율과 낮은 방출을 달성하기 위해, 버너는 사실상 완전한 연소를 제공해야 한다. 사실상 완전한 연소를 달성하기 위해, 청정한 연소 연료, 바람직하게는 프로판과 공기의 측정된 양이 버너에 공급된다. 연료와 공기 유동 속도는 정화 후의 청정한 방출을 위해서 또한 버너 화염의 점화를 허용하도록 제어된다. 연료 및 공기는 또한 일산화 탄소(CO)와 탄화수소의 방출을 제한하도록 산소의 충분한 양과 잘 혼합되어야하고, 더욱이 질소 산화물(NOx)의 형성을 제한하도록 충분히 낮은 화염 온도에서 점화되어야 한다.
높은 열 효율을 달성하기 위해 바람직한 예열된 공기의 높은 온도는 연료와 공기를 미리 혼합하는 것을 어렵게 하고 화염 온도를 제한하기 위해 과도한 공기의 많은 양을 요구함으로써 낮은 방출 목표를 달성하는 것이 어렵다. 본 명세서 및 첨부된 도면에 사용된 바와 같이, "자동-점화 온도"라는 용어는 연료가 공기와 연료 압력의 조건하에 온도-감소 촉매없이 점화하는 온도로서 정의된다. 전형적으로 예열된 공기 온도는 대부분 열료의 자동-점화 온도를 초과하고, 잠재적으로 연료-공기 혼합물이 연소실에 진입하기 전에 점화하도록 한다. 이러한 문제의 하나의 해결책은 비-미리 혼합된 확산 화염을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 확산 화염은 잘 혼합되지 않으므로, CO, HC 및 NOx의 바람직한 방출보다 더 높은 방출을 일으킨다. 화염 역학의 상세한 설명은 1996년 맥그로-힐(McGraw-Hill, 1996) 사에서 발행한 터너(Turns)의 연소의 도입, 개념 및 적용(An Introduction to Combustion: Concepts and Applications)에 구비되고, 이것은 본 명세서에서 참고로 병합되어 있다. 화염 온도를 제한하도록 구비된 임의의 증가된 공기 유동은 전형적으로 공기 펌프 또는 송풍기에 의해 소비되는 전력을 증가시켜 전체 엔진 효율을 떨어뜨린다.
본 발명에 따라서, 낮은 방출과 높은 열효율은 연료의 자동-점화 온도 위로 예열된 공기에서 조차 미리 혼합된 화염을 생성하고 더욱이 공기 입구와 화염 구역사이의 압력 강하를 최소하여 송풍기 전력 소모를 최소화하도록 제공될 수 있다.
"화염 속도"라는 용어는 화염 전방이 특정 연료-공기 혼합물을 통해 전파되는 속도로서 정의된다. 명세서 및 다음의 청구범위 내에서, "연소 축"이라는 용어는 유체가 연소할 때 우세한 유체 유동의 방향으로 언급된다.
도7a 내지 도7c에서, 흡기 분기관(699)이 본 발명의 실시예에 따라서 스티어링 순환 엔진 또는 다른 연소 적용예에 적용을 위해 도시된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 연료는 연료의 자동-점화 온도 위로 예열될 수 있는 공기와 미리 혼합되고 화염은 연료와 공기가 (도8에 도시된) 연소실(809)에서 잘 혼합될 때까지 형성하는 것이 방지된다. 도7a는 흡기 분기관(699)과 연소실(710)를 포함하는 장치의 양호한 실시예를 도시한다. 흡기 분기관(699)은 송풍기(728)를 통해 공급된 공기(700)를 수용하기 위해 흡기 분기관(703)을 구비한 선대칭 도관(701)을 갖는다. 공기(700)는 전형적으로 1000K 위의 온도로 미리 예열되고, 이것은 연료의 자동-점화 온도 위에 있을 수 있다. 도관(701)은 연소 축(720)에 대해 반경방향으로 내향 유동하는 공기(700)를 유동 도관(701) 내에 배치된 스월러(702)로 이송한다.
도7b는 본 발명에 따른 스월러(720)를 포함하는 도관(701)의 단면도를 도시한다. 도7b의 실시예에서, 스월러(702)는 공기(700)의 유동을 방경방향으로 내향 지시하고 공기의 회전 요소를 분배하기 위한 몇 몇 나선형 풍신기(730)를 구비한다. 도관의 스월러 단면의 직경은 스월러 풍신기(730)의 길이만큼 한정되듯이 스월러(702)의 입구(732)에서 출구(734)까지 감소한다. 스월러 풍신기(730)의 직경의 감소는 사실상 직경에 역 비례해서 공기(700)의 유동 속도를 증가시킨다. 유동속도는 연료의 화염 속도 위에 있도록 증가된다. 스월러(702)의 출구(734), 양호한 실시예에서 프로판인 연료(706)는 내향으로 유동하는 공기 내에 주입된다.
양호한 실시에에서, 연료(706)는 도7c에 도시된 바와 같은 노즐(736)의 시리즈를 통해 연료 주입기(704)에 의해 주입된다. 특히, 도7c는 도관(701)의 단면도를 도시하고 연료 제트 노즐(736)을 포함한다. 각각의 노즐(736)은 스월러 풍신기(730)의 출구에 위치되고 이웃한 두 개의 풍신기 사이에서 중심화된다. 노즐(736)은 공기와 연료를 혼합하는 효율을 증가시키기 위해 이러한 방식으로 위치된다. 연료 제트 노즐(736)은 (도7a 및 도7b에 도시된) 도관(701)을 가로질러 적어도 반쯤 연장하는 연료의 제트를 제공하도록 크기가 정해진다. 연료 제트 노즐(736)의 크기를 정하는 계산은 공지된 기술이고 1972년 죤 윌리 앤 산즈(John Wiley & Sons, 1972)에 의한 보어 및 치기어(Boer and Chigier)의 "연소 공기역학(Combustion Aerodynamics)"에 설명되어 있다. 노즐(736)은 공기 유동(700)을 가로질러 연료(706)를 동시에 주입한다. 공기 유동이 화염 속도보다 더 빠르기 때문에 화염은 공기 및 연료 혼합물의 온도가 연료의 자동-점화 온도 위에 있더라도 그 점에서 형성되지 않는다. 양호한 실시예에서, 프로판이 사용되는 곳에 가열기 헤드의 온도에 의해 제어될 때 예열 온도는 대략 900K 이다.
도7a에서, "공기-연료 혼합물"(709)로서 후술되는 혼합된 공기와 연료는 외관 정형(contoured fairing, 722)을 갖고 도관(701)의 출구(707)에 부착된 통로(708)를 통한 방향으로 전이된다. 연료(706)는 연료 조절기(724)를 통해 공급된다. 통로(708)는 내부 반경(714) 및 외부 치수(716)를 갖는다. 공기-연료 혼합물의 전이는 연소 축(720)에 대해 사실상 횡단하고 반경방향으로 내향하는 방향으로부터 연소 축에 사실상 평행한 방향으로 있다. 통로(708)의 정형(722)의 외관은 역전된 종의 형상을 갖어서 연소 축에 대한 통로(708)의 단면적은 통로의 입구(711)로부터 통로의 출구(712)까지 일정하게 유지된다. 외관은 스텝이 없이 완만하고 임의의 표면을 따라 분리 및 결과적인 재순환을 방지하기 위해 스월러의 출구로부터 통로(708)의 출구까지 유동 속도를 유지한다. 일정한 단면적은 공기 및 연료가 유동 속도를 감소시키고 압력 강하를 일으키지 않으면서 연속적으로 혼합되도록 한다. 완만하고 일정한 단면은 효율적 스월러를 생산하고, 스월러의 효율은 스월링 유동 동압에 변환되는 스월러를 가로지르는 정압 강하의 부분에 관한 것이다. 80%보다 더 우수한 스월 효율은 본 발명의 실시예에 의해 수행될 수 잇다. 따라서, 연소 공기 팬의 와류적 전력 드레인이 감소될 수 있다.
통로의 출구(712)는 외향으로 타오르고 공기-연료 혼합물(709)이 챔버(710) 안으로 흩어지게 하고 공기-연료 혼합물(709)을 느리게 하여 그로 인해 화염을 국부화시키고 함유하며 환형(toroidal) 화염을 형성하게 한다. 스월러(602)에 의해 발생된 회전식 모멘텀은 본 기술분야에 널리 공지된 바와 같이 화염 안정화 링 소용돌이를 생성한다.
상술된 바와 같이, 연료와 공기 유동 속도는 점화후 청정한 방출뿐 아니라 버너에 화염의 점화가 허용되도록 제어된다. 도7a에 대해, 버너 제어기(726)는 연료 조절기(724) 및 송풍기(728) 각각에 의해 제공된 연료 및 공기 유동 속도를 제어하도록 사용된다. 연료 조절기(724)는 점화를 위해 초기 값에 설정된다. 일단화염이 증명되면, 버너 제어기(726)는 (도8에 도시된) 헤드 온도 센서(804)에 의해 측정된 바와 같이 가열기 헤드 온도를 제어하도록 연료 유동 속도를 변한다. 화염은 화염 감지기가 화염의 존재를 감지할 때 증명된다. 본 기술분야에서 공지된 열전쌍 및 자외선 센서를 포함하는 몇몇 형태의 화염 감지기가 있다.
연소 공기 송풍기(728)의 출력(또는 공기 중량 유동 속도)은 (도8에 도시된) 연소실(809)에서 연료-공기 비율을 제어하도록 버너 제어기(726)에 의해 설정된다. 연료-공기 비율은 공기 중량 유동 속도에 대한 연료 중량 유동 속도의 비율이고 방출에 영향을 미치는 주요한 요소이다. 송풍기(728)는 연료 중량 유동 속도에 대해 공기 중량 유동 속도를 증가시키거나 또는 감소시킴으로써 연료-공기 비율을 제어한다. 예를 들어, 연료-공기 비율을 일정하게 유지하기 위해, 버너 제어기(726)는 연료 조절기(724)가 그 출력을 증가시킬 때 송풍기 출력을 증가시키고, 그 반대도 동일하다. 원하는 연료-공기 비율 및 연료 유동 속도는 동시에 변화시킬 수 있고, 그 결과 버너 제어기(726)는 원하는 연료-공기 비율 및 연료 유동 속도에서의 변화 둘 다 수용하도록 송풍기(728)의 출력을 변화시킨다.
일산화 탄소(CO), 탄화 수소(HC) 및 질소 산화물(Nox)의 방출을 최소화하는 것은 완전한 연소를 달성하는 희박(lean) 연료-공기 혼합물을 필요로 한다. 희박 연료-공기 혼합물은 화학양론적(stoichiometric) 혼합물(즉,예를 들어 프로판의 그램 당 공기의 15.67 그램)보다 더 많은 공기를 갖는다. 더 많은 공기가 연료의 고정된 양에 첨가될 때 CO, HC 및 NOx의 방출은 연료-공기 혼합물에서 공기의 양이화염이 불안정하게 되기에 충분히 클 때까지 감소한다. 이런 점에서, 연료-공기 혼합물의 고립지역(pocket)은 완전한 연소없이 버너를 관통한다. 연료-공기 혼합물의 불완전한 연소는 CO와 HC의 많은 양을 생성한다. CO와 HC 방출은 화염이 리인 블로-아웃 제한(Lean Blow-Out limit, "LBO")에서 소멸될 때까지 더 많은 공기가 연료-공기 혼합물에 첨가될 때 빠르게 증가한다. LBO는 들어오는 공기(즉, 예열된 공기)의 온도가 증가할 때 증가한다. 결과적으로, 예열된 공기의 온도가 스티어링 엔진의 웜업 단계동안 증가할 때 연료-공기 혼합물의 최적 연료-공기 비율은 감소한다. 일단 엔진이 예열되면 연료-공기 비율은 일정하게 유지된다.
따라서, 연료-공기 비율은 점화를 위해 최적 연료-공기 비율을 제공하도록 우선 제어되어야 한다. 일단 화염이 증명되면, 연료-공기 비율은 예열된 공기의 온도 및 연료 형태를 기초로 방출을 최소화하도록 제어된다. 연료 유동 속도가 가열기 헤드의 온도를 조절하도록 증가되거나 또는 감소될 때, 공기 유동 속도는 또한 원하는 연료-공기 비율을 유지하도록 조절된다.
주어진 연료는 연료-공기 비율의 제한된 범위에 대해 단지 점화한다. 점화에서, 점화 연료-공기 비율은 사용되는 연료에 상응하는 화학양론적 연료-공기 비율보다 적거나 또는 동일하게 선택된다. 양호한 실시예에서, 연료가 프로판일 때 점화 연료-공기 비율은 공기의 그램 당 0.1 그램 프로판으로 설정된다. 점화 연료-공기 비율은 화염이 안정화되고 연소실의 내부의 온도가 웜업 온도까지 증가할 때까지 유지된다. 도8에서, 연소실(809)의 온도는 가열기 헤드(808)의 온도를 측정하거나 연소실이 가열되도록 소정의 시간 간격을 허용함으로써 전형적으로 결정된다. 열전쌍(804)과 같은 온도 센서는 가열기 헤드(808)의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 양호한 실시예에서, 점화 연료-공기 비율은 가열기 헤드 온도가 300℃에 도달하고 화염이 5초동안 불이 켜져 있을 때까지 유지된다.
일단 화염이 안정화되면, 연소실(809)의 온도는 원하는 웜업 온도에 도달하고, 다음에 연료-공기 비율은 공기 예열 온도 및 연료 형태를 기초로 제어된다. 상술한 바와 같이, 연료-공기 혼합물의 최적 연료-공기 비율(901)은 예열 공기(903)의 온도가 도9에 도시된 바와 같이 증가할 때 감소한다. 예열된 공기의 온도는 도8에 도시된 바와 같이 연소실(806)에 연결된 공기 스월러(802)에서 열전쌍(810)과 같은 온도 센서를 사용하여 측정된다. 공기 예열 온도는 또한 가열기 헤드 온도로부터 몇 백 도를 감소함으로써 가열기 헤드(808) 온도로부터 추론될 수 있다. 양호한 실시예에서, 공기 예열 온도는 300℃ 작은 가열기 헤드 온도로 취한다.
최적 연료-공기 비율은 실내 온도용 "스타트" 연료-공기 비율로부터 웜업 예열 공기 온도용 "가동" 연료 공기 비율까지 예열된 공기 온도를 구비하여 먼저 선형으로 감소한다. 공기는 연료를 위해 공지된 자동-점화 온도를 초과할 때 완전히 웜업되는 것으로 간주된다. 예를 들어, 프로판용 자동-점화 온도는 490℃이다. 양호한 실시예에서, 연료가 프로판일 때 "스타트" 연료-공기 비율은 공기의 그램에 대해 연료의 0.052그램이고, 이것은 스티어링 엔진의 배기에서 대략 4% 산소를 가져온다. 양호한 실시예에서 "가동" 연료-공기 비율은 공기의 그램에 대한 연료의 0.026 그램이고, 이것은 스티어링 엔진의 배기에서 대략 13% 산소를 가져온다.
연료-공기 비율은 공기와 연료 유동 속도를 측정함으로써 결정될 수 있다. 압력 센서는 (도7a에 도시된) 송풍기(728)에서 공기-유동 속도를 측정하는데 사용될 수 있다. 연료 유동 속도는 (도7a에 도시된) 연료 조절기(724)의 연료 제어 밸브 세트의 상류 및 하류의 압력을 측정하고 밸브가 현재 개방되어 있는지를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 연료-공기 비율은 스티어링 엔진의 배기에서 산소 함유량의 측정에 기초가 될 수 있다. 산소 센서는 배기 가스를 샘플링하도록 엔진에 위치될 수 있고 엔진의 배기에서 산소의 퍼센트를 측정할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 장치 및 방법은 본 발명이 설명했던 스티어링 엔진 이외에 다른 적용예에 적용될 수 있다. 본 발명의 설명된 실시예는 단지 예시적으로 의도되고 많은 변화 및 변경이 본 기술분야에 숙련된 기술자들에게는 명백하다. 그러한 모든 변화 및 변경은 첨부된 청구범위에서 한정한 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (12)

  1. 가열기 헤드를 갖는 외연기관의 버너에서 연료 및 공기를 연소시키는 방법이며, 연료-공기 혼합물을 형성하도록 결합된 상기 연료 및 공기는 연료-공기의 비율로 특징지어지고, 상기 연료-공기 혼합물은 연소될 때 배기 가스물을 발생시키며,
    상기 방법은;
    제1 공기 유동 속도 및 연료 유동 속도에 의해 생성된 제1 연료-공기 비율로 화염을 형성하기 위해 상기 연료-공기 혼합물을 점화시키는 단계와,
    제2 연료-공기 비율이 생성되도록 상기 공기 유동 속도를 증가시키는 단계와,
    적어도 가열기 헤드의 온도를 기초로 연료 유동 속도를 제어하는 단계와,
    적어도 연료 유동 속도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 제2 연료-공기 비율로 상기 화염을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료-공기 비율은 적어도 배기 가스의 산소 농도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료-공기 비율은 적어도 상기 연료 유동 속도 및 공기의 온도를 기초로 공기 유동 속도를 조절함으로써 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료-공기 비율은 적어도 배기 가스 내에 산소 농도 및 공기의 온도를 기초로 하여 연료 유동 속도를 조절함으로써 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료 및 공기를 점화시키는 단계에서, 자동 점화 온도 및 화염 속도를 갖는 연료는 통로의 입구 안으로 상기 화염 속도 위의 속도로 공기를 추진시키는 단계를 포함하며, 상기 통로는 출구와, 입구로부터 출구까지의 일정한 단면적과, 연료-공기 혼합물을 형성하는 공기 내로의 혼합 연료를 갖고, 상기 연료-공기 혼합물은 통로의 출구의 외측의 공기 연료 혼합물에서 화염이 발생하도록 출구로 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료는 자동-점화 온도를 갖고, 상기 연료-공기 혼합물은 연료의 자동-점화 온도보다 작거나 또는 이와 동등한 제1 공기 온도에서 점화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료는 자동-점화 온도를 갖고, 상기 화염은 연료의 자동-점화 온도보다 더 큰 제2 공기 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 가열기 헤드를 갖는 열 순환 엔진의 연소실을 작동시키기 위한 시스템이며,상기 연소실은 연소축에 의해 특징지어지며, 열과 배기 가스 생성물을 발생시키기 위해 공기에서 연료를 연소시킴으로써 엔진의 가열기 헤드로 열을 송출시키기 위한 것이며, 상기 시스템은;
    내향 유동 공기를 이송시키기 위한 연소실의 연소축을 중심으로 축 대칭인 스월러(swirler)와,
    특정 공기-연료 비율을 갖는 공기-연료 혼합물을 형성하기 위해 공기와 연료를 혼합시키는 방식으로 연료를 반경방향으로 내향 유동하는 공기에 분사시키는 연료 분사기와,
    연료 이송의 특정 속도로 공기를 이송시키기 위한 연료 공급 조절기와,
    특정 공기-연료 비율이 나타나도록 특정 공기 유량에서 상기 버너로 공기를 이송시키기 위한 송풍기와,
    상기 연소실로 이송된 공기의 온도를 측정하기 위한 스월러 공기 온도 센서와,
    적어도 상기 연소실로 이송된 공기의 온도를 기초로 공기 이송 비율을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열기 헤드의 온도를 측정하기 위한 가열기 헤드 온도 센서와,
    적어도 상기 가열기 헤드의 온도를 기초로 연료 이송의 속도를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 버너의 배기물 내의 농축 가스를 측정하기 위한 가스 조성 센서를 더 포함하고, 상기 공기 이송 속도를 제어하기 위한 제어기는 연소실로 이송된 공기의 온도 및 배기 가스 생성물에서의 가스 농도를 기초로 하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 연료 이송의 속도를 측정하기 위한 유동 센서를 더 포함하고, 공기 분사 속도를 제어하기 위한 제어기는 적어도 연소실로 분사된 공기의 온도 및 공기 이송의 측정 속도를 기초로 하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 공기 온도는 가열기 헤드의 온도를 기초로 평가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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