MXPA02008587A

MXPA02008587A - Unidad de potencia auxiliar.

Info

Publication number: MXPA02008587A
Application number: MXPA02008587A
Authority: MX
Inventors: Michael Norris
Original assignee: New Power Concepts Llc
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2003-02-24
Also published as: CA2400750A1; AU4193601A; CA2782772A1; EP1674706B1; BR0108897A; WO2001065100A2; CN1292162C; AU2001241936B2; NZ520891A; DE60143232D1; WO2001065100A3; MY123572A; CA2782772C; CN1416505A; BR0108897B1; CA2400750C; EP1674706A3; KR20020073602A; EP1674706A2; EP1259724A2

Abstract

Un sistema de potencia auxiliar (100) para suministrar potencia electrica y calor a un area interior incluye un motor de combustion externa (101), tal como un motor de ciclo Stirling (101), para generar energia mecanica. y energia termica; el motor de combustion externa quema un combustible con combustion sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de combustion externa se encuentren por debajo de un nivel de escape predeterminado; un generador (102) se acopla al motor de combustion externa (101) y convierte la energia mecanica producida por el motor de combustion externa (101) en potencia electrica; una primera salida de potencia se utiliza para suministrar la potencia electrica producida por el generador (102); el motor de combustion externa (101) y el generador se disponen dentro de una caja, de modo que la combinacion de motor de combustion externa (101), generador (102) y caja tengan un tama+- o portatil; la energia termica generada por el motor de combustion externa (101) puede utilizarse para calentar el ambiente alrededor de la caja.

Description

UNIDAD DE PQjT0 »CiA AUXILIAR CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a unidades de potencia auxiliar para la cogeneración de calor y potencia para el uso interior, en donde la unidad de potencia auxiliar incluye un motor de combustión externo y, en particular, un motor de ciclo Stirling.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Una unidad de potencia auxiliar ("APU") consiste en un motor y un generador eléctrico. La energía térmica de un combustible se convierte en energía mecánica en el motor de la APU y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica en el generador de la APU. Una ventaja de una APU es que tiene un tamaño portátil, de modo que puede transportarse fácilmente y utilizarse en una ubicación remota, tal como un sitio de construcción, una torre o cabina de celda, que no se encuentra conectada con la potencia por rejilla local. Las APUs son también importantes para proporcionar potencia de respaldo de emergencia para negocios y hogares durante una interrupción de corriente. Las APUs pequeñas y portátiles que utilizan un motor de combustión interna están ampliamente disponibles. Por ejemplo una APU de no pesa más de 20 libras mientras que una APU de 1kW pesa alrededor efe 70 libras. Sin embargo, las APUs que utilizan un motor de combustión interna no pueden emplearse en un ambiente encerrado debido a las emisiones tóxicas generadas por el motor de combustión interno. Aun cuando los humos de escape se ventean al aire exterior, el ruido generado por el motor de combustión interna lo hace muy poco atractivo para el usuario. El venteo de los humos de escape reduce también la eficacia global del sistema en aproximadamente 35%, debido a la pérdida de energía térmica llevada por los gases de escape. Los motores de combustión interna presentan desventajas adicionales por sus altos costos de mantenimiento y vidas útifes cortas de la magnitud de 100 horas de operación. Asimismo, se conocen en la técnica anterior las unidades de cogeneración y bombas térmicas que utilizan motores de combustión externa, tales como motores de ciclo Stirling. Sin embargo, estas unidades de co- generación son típicamente bastante grandes (y, por ende, no portátiles) debido al tamaño del motor de combustión externa. Además, los humos de escape deben ventearse aún al aire exterior. Como ya se explicó, el venteo de los humos de escape reduce la eficacia global del sistema debido a una pérdida de energía térmica, llevada por los gases de escape, y requiere hardware adicional. Un tipo de motor de combustión externa que puede utilizarse para alimentar una APU es un motor de ciclo Stirling. Un motor de ciclo Stirling produce tanto energía mecánica como energía térmica. La historia de los de ciclo Stirling se describe en detalle en Walker, Stirling Engines, Oxford University Press (1980), incluido en la presente por referencia. El principio de la operación de un motor Stirling es bien conocido en la técnica. Una desventaja de un motor de ciclo Stirling en comparación con un motor de combustión interna es el tiempo de respuesta más largo a cambios repentinos en la carga aplicada al motor de un motor de ciclo Stirling. El tiempo de respuesta de un motor de ciclo Stirling se limita por los índices de transmisión térmica entre los gases de combustión externa y el fluido de trabajo interno del motor y puede ser de la magnitud de 30 segundos. El tiempo de respuesta de un motor de combustión interna, por otro lado, es muy corto porque el gas de combustión es el fluido de trabajo y puede controlarse directamente mediante el índice de flujo del combustible. Intentos anteriores para incrementar la sensibilidad de un motor de ciclo Stirling proporcionaron un espacio muerto variable para el fluido de trabajo, según se describe en la patente de E.U.A. No. 3,940,933 otorgada a Nystrom y la patente de E.U.A. No. 4,996,841 otorgada a Meijer, o controlaron la presión del fluido de trabajo según se describe en la patente de E.U.A. No. 5,755,100 otorgada a Lamos. Las referencias anteriores se incluyen en su totalidad en la presente por referencia. Sin embargo, ambos planteamientos tienden a incrementar la complejidad, tamaño y peso del diseño del motor.

BREVE DBSCRIPCION DE LA INVENCION De conformidad con un aspecto de la invención, en una de sus modalidades, un método para proporcionar energía eléctrica auxiliar y calor a un área interior de una casa incluye la generación de energía mecánica y energía térmica utilizando un motor de combustión externa. El motor de combustión externa quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa y convierte la energía mecánica, generada por el motor de combustión externa, en energía eléctrica mediante un generador acoplado al motor de combustión externa. El motor de combustión externa y el generador se colocan en el área interior, de modo que la energía térmica, generada por el motor de combustión externa, calienta un área alrededor del motor de combustión externa. El motor de combustión externa y el generador pueden guardarse dentro de una caja portátil. En una modalidad preferida, ®l motor de combustión externa es un motor de ciclo Stirling. En otras modalidades, el combustible quemado por un motor de combustión extema puede ser gas propano o natural. De conformidad con otra modalidad de la invención, la energía eléctrica puede ser energía de corriente continua o corriente alterna. De conformidad con otro aspecto de la invención, en una de sus modalidades, un sistema de potencia auxiliar para suministrar energía eléctrica y térmica a un área interior de una casa incluye un motor de combustión externa para generar energía mecánica y energía térmica. El »«»<r'*> ^* motor de combustión externa quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa y un generador, acoplado al motor de combustión externa, convierte la energía mecánica del motor de combustión externa en energía eléctrica. El sistema incluye además una primera salida de potencia 5 para suministrar energía eléctrica y una caja portátil que comprende el motor de combustión externa y el generador. La energía térmica, generada por el motor de combustión externa, calienta un área alrededor de la caja portátil. En una modalidad preferida, el motor de combustión externa es un motor de ciclo Stírling. La caja puede montarse también en una ventana o en una pared de 10 un área interior. El sistema de potencia auxiliar puede comprender adicionalmente una batería para suministrar potencia de arranque al motor de combustión extema y potencia a la primera salida de potencia. Un sensor se encuentra acoplado a la batería para producir una señal de salida. El nivel de 15 carga de la batería puede determinarse, parcialmente, con base en la señal de salida del sensor. En una modalidad, la señal de salida representa el voltaje y la corriente de la batería. En otra modalidad, el sistema de potencia auxiliar incluye adicionalmente un inversor acoplado a la primera salida de potencia para convertir la potencia de corriente continua en potencia de corriente 20 alterna, y una segunda salida de potencia para suministrar potencia de corriente alterna. En otra modalidad aún, el sistema de potencia auxiliar comprende adicionalmente un módulo de aire acondicionado para enfriar el ambiente alrededor de la caja. * f De conformidad con otro aspecto de la presente invención, un sistema para controlar la salida de potencia de un motor térmico con una cabeza del calentador incluye un quemador para proporcionar calor a la cabeza del calentador del motor y comprende un producto de gases de escape, un regulador de suministro de combustible para suministrar combustible a un quemador a un índice especificado de suministro de combustible y un soplador para suministrar aire al quemador. En una modalidad, el sistema incluye además una entrada para recibir una señal relacionada con una temperatura especificada de la operación del quemador, un sensor para monitorear una concentración de oxígeno en el producto del gas de escape del quemador y un controlador para regular el índice de suministro de combustible y aire con base en, por lo menos, la entrada relacionada con la temperatura especificada de la operación y la concentración de oxígeno en el producto de gases de escape. La entrada para recibir una señal puede incluir un limitador de rapidez de respuesta. En otra modalidad, el sistema para controlar la salida de potencia de un motor térmico incluye un sensor de temperatura de la cabeza para medir la temperatura de la cabeza del calentador y un controlador para regular el índice de suministro de combustible y aire con base en, por lo menos, la temperatura de la cabeza del calentador. El sistema puede incluir adicionalmente un sensor para monitorear una concentración de oxígeno en el gas de escape, en donde el controlador incluye un controlador basado en, por aeraos, la temperatura de la cabeza del calentador y la concentración de oxígeno e»el producto del gas de escape. En otra modalidad, el sensor de temperatura de la cabeza se dispone en una región de (..) y la superficie exterior de la cabeza del calentador, protegida del flujo del gas de escape. El sistema puede incluir también un sensor de flujo de masa de aire para medir la masa de aire suministrada al quemador, en donde el controlador, para regular el índice de suministro de combustible y aire, incluye un controlador basado en, por lo menos, la temperatura de la cabeza del calentador y la masa de aire suministrada al quemador. De conformidad con otra modalidad de la invención, un sistema para controlar la salida de potencia de un motor de combustión externa con un cigüeñal incluye un generador para regular la velocidad del motor de combustión externa, un amplificador para transformar la potencia del generador en una salida de potencia y aplicar una carga en el generador, y una batería para almacenar potencia y suministrar potencia a una salida de potencia. La velocidad y temperatura del motor de combustión externa se controlan de tal manera que se mantenga una serie de condiciones deseadas de la batería. De conformidad con aún otro aspecto de la ¡nvención, un método para operar el quemador de un motor de combustión externa incluye el suministro de aire al quemador a través de un área transversal constante en transición desde un flujo radial hacia dentro a un flujo axial hacia abajo, aire al quemador a una velocidad mayor que la velocidad de la llama de una mezcla de combustible/aire y estabilizando una llama producida en el quemador, utilizando un turbulenciador para transmitir el aire que fluye radialmente hacia dentro. Un sistema de potencia auxiliar para suministrar potencia eléctrica a una carga, de conformidad con otro aspecto de la invención, incluye un motor de combustión externa con una temperatura de motor y un cigüeñal rotatorio caracterizado por una velocidad, un generador para regular la velocidad del cigüeñal y producir potencia eléctrica, un amplificador para transmitir potencia eléctrica del generador a una carga, una batería con un estado de carga y un controlador para regular la temperatura y velocidad del motor basado parcialmente en el estado de carga de la batería. De conformidad con otra modalidad de la ¡nvención, un sistema para suministrar potencia a un vehículo para el transporte de personas con un conjunto de ruedas, incluyendo por lo menos un miembro y un motor de la rueda acoplado al conjunto de ruedas para producir, cuando se acciona, la locomoción del vehículo para el transporte de personas, incluye un motor de combustión externa para generar energía mecánica y energía térmica; el motor de combustión extema quema un combustible en un quemador y tiene combustión sustancialmente completa de modo que las emisiones de escape del motor de combustión externa se encuentren por debajo de un nivel de escape predeterminado. El sistema incluye además un suministro de combustible para proporcionar un combustible al quemador a un índice • KÍ taar ?specificad® de suministro de combustible, un generador para convertir la* energía mecánica producida por un motor de corílbustión externa en potencia eléctrica y una batería con una entrada y una salida; la entrada de la batería está acoplada al generador y la salida de ia batería acoplada al motor de la 5 rueda; la batería para almacenar la energía eléctrica proporcionada desde el generador en la entrada de la batería y para suministrar potencia al motor de la rueda en la salida de la batería. Una unidad de potencia auxiliar móvil, de conformidad con otra modalidad de la invención, incluye un motor de combustión externa con un 10 cigüeñal, caracterizado por una velocidad, y una cabeza del calentador, caracterizada por una temperatura de la cabeza; el motor de combustión externa para generar energía mecánica y energía térmica; el motor de combustión externa quema un combustible en un quemador y tiene combustión sustancialmente completa de modo que las emisiones de escape 15 del motor de combustión externa se encuentren por debajo de un nivel de escape predeterminado. Un generador con una salida se acopla al cigüeñal del motor de combustión externa y convierte la energía mecánica, producida por el motor de combustión externa, en potencia eléctrica; la potencia eléctrica se suministra a la salida del generador. Una batería con una salida de batería 20 se acopla a la salida del generador. La batería se caracteriza por un estado de carga y suministra potencia de arranque a la combustión externa, así como potencia a la salida de la batería.

La unidad de potencia auxiliar móvil incluye adcionalmente ün controlador en la comunicación por señales con el motor de combustión externa, el generador y la batería. El controlador regula la velocidad del cigüeñal y la temperatura de la cabeza del calentador basado en, por lo 5 menos, el estado de carga de la batería. Un motor de rueda se acopla a la salida de la batería y a un conjunto de ruedas, incluyendo por lo menos un miembro, de modo que el motor de la rueda, cuando está accionado por la batería, impulsa el conjunto de ruedas originando la locomoción de la unidad de potencia auxiliar móvil. De conformidad con otra modalidad, la unidad de 10 potencia auxiliar móvil puede incluir una plataforma acoplada al conjunto de ruedas, la plataforma está diseñada para soportar un usuario.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS 15 La ¡nvención se comprenderá más fácilmente en relación con la siguiente descripción en conjunto con los dibujos adjuntos, en donde: * f La figura 1 es un diagrama en bloques esquemático de una unidad de potencia auxiliar de conformidad con una modalidad preferida de la invención. 20 La figura 2 es un diagrama en bloques esquemático de una unidad de potencia auxiliar de conformidad con una modalidad alternativa de la invención.

La figura 3 es una vista en corte de un motor de ciclo Stirling de conformidad con una modalidad preferida de la invención. La figura 4A es un diagrama en bloques esquemático del sistema de control de potencia para el motor de la APU de la figura 1 de conformidad 5 con una modalidad de la invención. La figura 4B es un diagrama en bloques esquemático de un método de control para el sistema de control de potencia de la figura 4A de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 5 ilustra los circuitos para el sistema de control de 10 potencia en la figura 6 de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 6 es un diagrama en bloques esquemático del sistema de control de potencia de la APU de la figura 1 , incluyendo el controlador del quemador de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 7 es un diagrama en bloques esquemático del sistema 15 de control de potencia de la APU de la figura 1, incluyendo el controlador del quemador de conformidad con una modalidad alternativa de la invención. » . La figura 8a es una vista lateral en corte del quemador y del equipo de recuperación de calor de escape, de conformidad con una modalidad de la invención. 20 La figura 8b muestra una vista superior en perspectiva de una cabeza del caJentador, incluyendo redes de conductores de transmisión térmica de conformidad con una modalidad de la invención.

La figura 9a muestra una vista en corte desde un lado del múltiple de entrada de combustible para un motor de ciclo Stirl?ng de conformidad con una modalidad preferida de la ¡nvención. La figura 9b muestra una vista en corte desde la parte superior 5 del múltiple de entrada de combustible de la figura 9a tomada a través del corte BB. La figura 9c es una vista en corte desde la parte superior del múltiple de entrada de combustible de la figura 9a tomada a través del corte Á, mostrando las toberas de chorro de combustible. 10 La figura 10 es un corte del conjunto de quemador y cabeza del calentador mostrando la colocación de un par termoeléctrico para la detección de llamas de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 11 es un corte del conjunto de quemador y cabeza del calentador mostrando la colocación de un termopar para la detección de 15 llamas de conformidad con una modalidad alternativa de la invención. La figura 12 es una vista frontal de una APU en donde el tablero frontal de la cubierta se ha quitado para ver la parte interior^ de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 13 es una vista posterior de la modalidad de la figura 14 20 de conformidad con una modalidad de la invención. La figura 14 es un diagrama en bloques esquemático de una unidad de potencia auxiliar y un sistema de aire acondicionado de conformidad con una modalidad de la invención.

La figura 15 es un diagrama esquemático de un scooter que utiliza la unidad de potencia auxiliar de conformidad con una modalidad de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La figura 1 es un diagrama en bloques esquemático de una unidad de potencia auxiliar ("APU") 100 de conformidad con una modalidad preferida de la invención. La APU 100 incluye un motor de combustión externa 101 acoplado a un generador 102. En una modalidad preferida, el motor de combustión externa 101 es un motor de ciclo Stirling. Las salidas del motor de ciclo Stirling 101 incluyen, durante la operación, tanto energía mecánica como energía térmica residual. El calor producido en la combustión de un combustible en un quemador 104 se aplica como una entrada al motor de ciclo Stirling 101 , y se convierte parcialmente en energía mecánica. El calor no convertido o la energía térmica representa el 65 a 85% de la energía liberada en el quemador 104. Este calor está disponible para calentar el ambiente local alrededor de la APU de dos maneras: un flujo menor de gas de escape del quemador 104 y un flujo mucho mayor de calor arrojado en el enfriador 103 del motor Stirling. Los gases de escape son relativamente calientes, típicamente de 100 a 300°C, y representan 80 a 90% de la energía térmica producida por el motor Stirling 101. El enfriador arroja 80 a 90% de la energía térmica de 10 a 20°C por arriba de la temperatura ambiente. El calor se arroja, A ' ya sea4 a un chorro de ag^a o, más típicamente, af aire a través del radiador 107. El motor de ciclo Stirling 101 tiene tal tamaño que la APU 100 es portátil.

Una APU portátil que suministra tanto potencia eléctrica como calor a áreas interiores es típicamente de menos de 5kW. Las unidades más grandes arrojarían demasiada energía para utilizarse en un área interior. Como se muestra en la figura 1 , el motor Stirling 101 se acciona directamente mediante una fuente de calor como el quemador 104. El quemador 104 quema un combustible para producir gases de escape calientes que se utilizan para activar el motor Stirling 101. Una unidad de control del quemador 109 se acopla al quemador 104 y un bote de combustible 110. La unidad de control del quemador 109 suministra un combustible desde el bote de combustible 110 al quemador 104. El controlador del quemador 109 suministra también una cantidad medida de aire al quemador 104 para asegurar, de manera ventajosa, una combustión sustancialmente completa. El combustible quemado por el quemador 104 es, de preferencia, un combustible de quema limpia y comercialmente disponible, como el propano. Un combustible de quema limpia es un combustible que no contiene grandes cantidades de contaminantes, el más importante es el azufre. El gas natural, gas de etano, propano, butano, etanol, metanol y petróleo licuado ("LPG") son combustibles de quema limpia cuando los contaminantes se limitan a un porcentaje reducido. Un ejemplo de combustible de propano comercialmente disponible es HD-5, un grado industrial definido por la sociedad de ingenieros automotores y disponible en Bernzomatic. De conformidad con una modalidad de la invención, y como se explica con mayor detalle más adelante, el motor Stirling 101 y el quemador 104 proporcionan una combustión sustancialmente completa para proveer una alta eficacia' térmica, así como emisiones reducidas. Las características de alta eficacia y emisiones reducidas son claves parta utilizar la APU 100 en espacios interiores. El generador 102 se acopla a un cigüeñal (que no se muestra) del motor Stirling 101. Los expertos en la técnica deben comprender que el término "generador" abarca la clase de máquinas eléctricas, tales como generadores, en donde la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, o motores en donde la energía eléctrica se convierte en energía mecánica. El generador 102 es, de preferencia, un motor magnético permanente sin escobillas. Una batería recargable 113 proporciona potencia de arranque para la APU 100, así como potencia de corriente continua ("CC") a una salida de potencia de CC 112. En otra modalidad, la APU 100 proporciona convenientemente potencia de corriente alterna ("CA") a una salida de potencia de CA 114. Un inversor 116 se acopla a la batería 113 para convertir la potencia de CC producida por la batería 113 en potencia de CA. En la modalidad que se muestra en la figura 1, la batería 113, el inversor 116 y la salida de potencia de CA 114 se disponen dentro de una cubierta de APU 120. En una modalidad alternativa, como se muestra en la figura 2, la batería 113, el inversor 116 y la salida de potencia de APU 114 pueden estar separados de la cubierta de la APU 120.

*£ En el transcurso de la operación, el motor Stirling 101 produce también calor 117 a partir de, por ejemplo, los gases de escape del quemador 104, así como el suministro y la extracción de calor de un fluido de trabajo. fEn consecuencia, cuando se utiliza en el interior de un edificio, el exceso de calor 5 producido por el motor Stirling 101 puede emplearse para calentar convenientemente el ambiente alrededor de la APU 100. De esta manera, la APU 100 puede utilizarse para proporcionar potencia eléctrica y calor a un área interior como un edificio o una residencia. La operación del motor de ciclo Stirling 101 se describirá a 10 continuación con mayor detalle en relación con la figura 3, que es una vista en corte de un motor Stirling de conformidad con una modalidad de la invención. La configuración del motor Stirling 101, que se muestra en la figura 3, se denomina configuración alfa, caracterizada porque un pistón de compresión 300 y un pistón de expansión 302 se mueven linealmente dentro de cilindros 15 respectivos y distintos: el pistón de compresión 300 en un cilindro de compresión 304 y el pistón de expansión 302 en un cilindro de expansión 306. La configuración alfa se explica únicamente como ejemplo y sin representar una limitante del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Además del pistón de compresión 300 y el pistón de expansión 20 302, los componentes principales del motor Stirling 101 incluyen un quemador (que no se muestra), un termointercambiador del calentador 322, un regenerador 324 y un termointercambiador del enfriador 328. El pistón de compresión 300 y el pistón de expansión 302, a los que se refiere ** ^colectivamente como pistones, se fuerzan para moverse de manera lineal oscilante dentro de los volúmenes respectivos 308 y 310, definidos lateralmente por el cilindro de compresión 304 y el forro del cilindro de* expansión 312. Los volúmenes del interior del cilindro, próximos al termocambiador del quemador 322 y el termocambiador del enfriador 328, se denominan en la presente secciones calientes y frías, respectivamente, del motor 101. La fase relativa (el "ángulo de fase") del movimiento lineal oscilante del pistón de compresión 300 y el pistón de expansión 302 se regula por su acoplado respectivo con el mecanismo impulsor 314 situado en la caja 10 del cigüeñal 316. El mecanismo impulsor 314 puede ser uno de varios mecanismos conocidos en la técnica del diseño de motores y puede emplearse para regular la puesta a tiempo relativa de pistones y para cambiar entre el movimiento lineal y rotatorio. El pistón de compresión 300 y el pistón de expansión 302 se 15 acoplan, respectivamente, al mecanismo impulsor 314 a través de una primera vara de conexión 318 y una segunda vara de conexión 320. El volumen del cilindro de compresión 308 se acopla al termocambiador del enfriador 328 a través del ducto 315 para permitir el enfriamiento del fluido de trabajo comprimido durante la fase de compresión. El ducto 315, más 20 particularmente, acopla el volumen de compresión 308 con los termocambiadores anulares que comprenden el termocambiador el enfriador 328, el regenerador 324 y el termocambiador del calentador 322. El quemador (que no se muestra) quema un combustible para proporcionar calor al ^^ierpiocambía or del calentador 322 de una cabeza del calentador 330 del motor StiHíng. El cilindro de expansión y el pistón se disponen dentro de una cabeza del calentador 330, de modo que el fluido de trabajo en el cilindro de expansión pueda calentarse a través del termocambiador del calentador 322. 5 Regresando a la figura 1 , el motor de ciclo Stirling 101 y el generador 102 se disponen dentro de un recipiente de presión 118. El recipiente de presión 118 contiene un fluido de trabajo de lata presión, de preferencia helio o nitrógeno a una presión de 20 a 30 atmósferas. El cilindro de expansión y el pistón (que se muestran en la figura 3) del motor Stirling 101 10 se extienden a través del recipiente de presión 118 y un collar frío (o enfriador) 103. El extremo del cilindro de expansión (incluyendo la cabeza del calentador 330) se encuentra dentro del quemador 104. El collar frío 103 hace circular un fluido refrigerante a través de las líneas de enfriamiento 106 y el radiador 107. El fluido refrigerante se bombea a través del collar frío 103 mediante una 15 bomba enfriadora 105. Un ventilador 108 fuerza aire más allá del radiador 107, calentando el aire y enfriando el fluido refrigerante. El aire calentado 117 puede entonces forzarse a través de las aperturas en la cubierta de la APU 120 para calentar el área circundante, como la habitación del edificio. En modalidades alternativas, el exceso de calor 117, creado por la combustión 20 dentro del quemador 104, puede suministrarse directamente al aire del ambiente circundante. El recipiente de presión 118 comprende un puerto de paso para una conexión eléctrica 119 entre el generador 102 dentro del recipiente de presión 118 y un controlador de la APU 11 . El eontrolador de la APU 111 , suministra potencia a la bomba enfriadora 105, el ventilador 1O8 y sel controlador del quemador 109 a través de líneas de suministro de potencia 115, El controlador de la APU 111 controla también la salida de potencia de la APU, así como el nivel de carga de la batería 113, variando la velocidad y temperatura del motor Stirling. El controlador de la APU 111 proporciona señales de comando a la unidad de control del quemador 109 para controlar la temperatura del motor Stirling 101. El controlador de APU 111 proporciona también señales de comando al generador 102 para controlar la velocidad del motor Stirling 101. La salida de potencia del generador 102 y el motor Stirling 101 se controlan mediante el controlador de la APU 111 para mantener los niveles óptimos de carga y voltaje en la batería 113. Las cargas eléctricas reducirán* la carga y el voltaje de la batería 113, originando que el controlador de la APU 111 mande potencia adicional del motor. La figura 4A es un diagrama en bloques esquemático del sistema de control de potencia de la APU incluido en el controlador de la APU 111 (que se muestra en la figura 1 ), de conformidad con una modalidad de la invención. El sistema de control de potencia controla la velocidad y temperatura del motor Stirling para proporcionar la potencia , necesaria para satisfacer la demanda (o carga) aplicada a la APU y mantener el nivel de carga de la batería. El sistema de control de potencia, como se muestra en la figura 4A, incluye un motor/generador 402, un amplificador del motor 405, una batería 413 y un inversor 416.

Como ya se expKcó en relación con la figura 1 , el generador 402 se acopla al cigüeñal de un motor Stirling (que no se muestra). El motor Stirling proporciona potencia mecánica (Pmßc) al generador 402 que, a su vez, convierte la potencia mecánica en potencia eléctrica trifásica. El generador 5 402, como se explicará con mayor detalle más adelante, actúa también como una carga ajustable en el motor para controlar la velocidad del motor. El generador 402 suministra la potencia eléctrica trifásica al amplificador del motor 405. El amplificador del motor 405 transfiere la potencia eléctrica producida por el generador del motor 402 a una línea colectiva de CC de aito 10 voltaje (Pamp). La potencia suministrada a la línea colectiva de CC de alto voltaje (Pamp) se envía a un convertidor de continua a continua 406 (Pdcdch) que reduce la potencia a una línea de CC de bajo voltaje para suministrarla a- la batería 413 (Pbat)- El convertidor de continua a continua 406 puede utilizarse también para aumentar la potencia a la línea colectiva de CC de alto voltaje 15 para controlar la potencia y convertir la potencia de CA. Modalidades alternativas pueden omitir el convertidor de continua a continua y conectar la ' -A línea colectiva de CC de alto voltaje directamente a la batería 413. La batería 413 se utiliza para arrancar el motor Stirling y proporcionar potencia a los circuitos auxiliares 408 de la APU, tales como ventiladores, bombas etc., así 20 como para proporcionar potencia de salida cuando la carga en la APU excede la potencia producida por el motor/generador 402. Como se describe más adelante, la batería 413 actúa como un depósito de energía durante la operación de una APU.

- Ji Una derivación de emergencia 407 puede emplearse para eliminar el exceso de potencia de la línea colectiva de CC de alto voltaje en el caso de un sobrevoltaje en cualquiera de las líneas colectivas de CC. En una modalidad, los resistores de la derivación de emergencia se ubican en el agua del radiador 107 (que se muestra en la figura 1 ). De esta manera, el exceso de calor producido por los resistores de la derivación, cuando se utilizan para eliminar el exceso de potencia, se absorbe convenientemente por el mismo sistema empleado para disipar el exceso de calor de la APU (es decir, el radiador 107). Un inversor 416 se utiliza para suministrar potencia de CA (Psa da) a un aparato o carga externa 410. El inversor 416 jala potencia (Pmv) de la línea colectiva de CC. El nivel de carga de la batería 413 refleja los cambios en la carga de salida 410. Para proporcionar la salida de potencia requerida, el sistema de control de potencia de la figura 4A intenta mantener la batería 413 con su carga óptima, sin sobrecargar, en respuesta a cambios en la carga de salida 410. La carga óptima no es necesariamente una carga completa y puede ser el 80-100% de la carga completa. La carga óptima es una solución intermedia entre mantener la batería lista por periodos prolongados de descarga y aumentar la vida de ciclo de la batería. La carga de la batería a casi 100% de , la carga completa maximiza la disponibilidad de la batería por periodos prolongados de descarga, pero la somete también a esfuerzo, lo que origina un ciclo de vida más corta de la batería. La carga de la batería a menos de la carga completa reduce el esfuerzo aplicado en la batería y extiende el ciclo de yvida de la batería, pero también reduce la energía disponible en la batería- para cambios repentinos de carga. La selección de la carga óptima dependerá de las variaciones de carga esperadas aplicadas a la APU y la capacidad de la batería, y se encuentra en el alcance de un experto en la técnica de la administración de potencia. Otro objetivo del sistema de control de potencia es reducir el consumo de combustible del motor, maximizando la eficacia de la entrada de combustible a la salida de potencia. El sistema de control de potencia de la figura 4A ajusta la temperatura del motor y la velocidad del motor para producir la carga de batería deseada y, por lo tanto, la salida de potencia requerida. La carga de la batería 413 puede calcularse aproximadamente mediante el voltaje de la batería. Como se explica con anterioridad, las diferencias entre la potencia de carga (Psaiida) y la potencia generada por el motor Stirling (Pmec o Pamp) originará un flujo de potencia a o de la batería 413. Por ejemplo, si el motor no produce suficiente potencia para satisfacer la demanda de la carga 410, la batería 413 proporcionará la potencia restante necesaria para sustentar la carga 410. Si el motor produce más potencia <que la que se necesita para satisfacer la demanda de la carga 410, el exceso de potencia puede utilizarse para cargar la batería 413. El sistema de control de potencia determina si es necesario mandar que el motor produzca más o menos potencia en respuesta a cambios en la carga. La velocidad y temperatura del motor se ajustan entonces de manera correspondiente para producir la potencia requerida. Cuando la batería 413 se descarga (es decir, la demanda de la carga 410 es mayor que la potencia producida por el motor por periodos de tiempo prolongados), la temperatura y velocidad del motor se ajustan, de modo que el motor produzca más potencia. Típicamente, la temperatura y velocidad del motor se incrementan para producir más potencia. •> De preferencia, cuando se requiere más potencia, es preferible aumentar la temperatura del motor en lugar de incrementar la velocidad del motor. A la inversa, cuando la batería 413 se carga por periodos de tiempo prolongados (es decir, el motor produce más potencia que la que exige la carga 410), la temperatura y velocidad del motor se reducen para disminuir la cantidad de potencia producida por el motor. Típicamente, la temperatura y velocidad se ajustan para reducir la cantidad de potencia producida por el motor. De preferencia, cuando se requiere menos potencia, es preferible reducir la velocidad del motor en lugar de reducir la temperatura del motor. Una vez que el sistema de control de potencia determine la temperatura y velocidad deseadas del motor con base en la potencia deseada de la batería, el sistema de control de potencia envía un comando de temperatura a la unidad de control del quemador 109 (que se muestra en la figura 1 ), indicando la temperatura deseada del motor y un comando de velocidad al generador 402 indicando la velocidad deseada del motor. Como se menciona con anterioridad, la velocidad del motor puede controlarse modulando la fuerza torsional aplicada al cigüeñal del motor por el motor/generador 402 mediante el amplificador del motor 405. Como tal, el generador 402 actúa como una carga ajustable en el motor. Cuando el generador 402 aumenta la demanda en el motor, la carga en el cigüeñal incrementa, reduciendo así la velocidad del motor. Él amplificador del motor 405 ajusta la corriente del motor para obtener la fuerza torsional necesaria en el motor y," en consecuencia, la velocidad requerida del motor. Un motor de ciclo Stirling (u otro motor de combustión exte a) tiene, típicamente, un largo tiempo de respuesta a cambios repentinos en la carga (es decir, hay un retardo entre la recepción del motor de un comando de aumento o reducción de temperatura y el motor alcanzado la temperatura deseada). Por lo tanto, el sistema de control de potencia está diseñado para justificar el tiempo de respuesta prolongado de un motor de ciclo Stirling. Para un aumento repentino en la carga 410, se reduce la carga de la fuerza torsional aplicada por el generador 402 en el cigüeñal dei motor, permitiendo así que acelere el cigüeñal y mantenga temporalmente una salida de potencia aumentada del generador 402, hasta que un comando de incremento de temperatura enviado a la unidad de control del quemador 109 (que se muestra en la figura 1) surta efecto. Para una reducción de carga repentina, la fuerza torsional, aplicada por el generador 402 en el cigüeñal del motor, puede aumentarse para desaceterar el cigüeñal y disminuir la salida de potencia hasta que un comando de reducción de temperatura enviado a la unidad de control del quemador surta efecto. El exceso de Garga o potencia producido por el generador 402 puede utilizarse para cargar la batería 413. Como ya se explicó, cualquier exceso adicional de potencia eléctrica puede dirigirse también a la derivación de emergencia 407. El procedimiento de controlar la temperatura del motor mediante la unidad de control del quemador 109 se describe con mayor detalle más delante, en relación con las figuras 6 - 11. La figura 4B es un diagrama en bloques esquemático de ün método para determinar la temperatura y velocidad deseadas del motor para proporcionar la potencia eléctrica requerida para mantener la carga óptima para la batería y satisfacer la carga aplicada. Primero, en el bloque 420, el sistema de control de potencia calcula el estado de carga de la batería. El estado de carga estimado de la batería (Qest) se determina mediante la corriente de batería medida (IB) así como con, si es necesario, una corriente de ajuste (laj) como se muestra en la siguiente ecuación: Qest(t) = Qest(t-dt) + lB(t)dt + laj(t)dt, (Ecuación 1) en el bloque 420. Cuando el motor se arranca inicialmente, el estado de carga (Qest) inicial estimado se ajusta a un valor preseleccionado. En una modalidad preferida, el valor del estado de carga inicial es del 10% de la carga completa. La corriente de ajuste se utiliza entonces para corregir la corriente de batería de modo que Qest alcance un valor cerca del estado de carga real. Al seleccionar un valor inicial bajo para Qest permite obtener una corriente de carga más elevada. La corriente de ajuste puede seleccionarse con base en las características V-l conocidas de la batería. En una modalidad preferida, la batería es un acumulador de plomo. La determinación del plano V-l para una batería particular se encuentra en el alcance de un experto en la técnica. El plano V-l para la batería 413 (que se muestra en la figura 4A) puede dividirse en rejones de operación en donde ef esfado de Garga de la batería se conoce de manera razonable. El voltaje medido de la batería, VB, y la corriente de. la batería, lB, se utilizan para identificar el estado actual de la batería en el plano V-l. La carga estimada Qest se compara entonces con el estado identificado de carga, que corresponde a la región del plano V-l, en donde se reducen el voltaje y la corriente medidos de la batería. La corriente de ajuste, laj, se calcula tomando el producto de una constante, que es la función del voltaje y la corriente medidos de la batería, y la diferencia entre el estado de carga Qest calculado y el estado de carga calculado mediante el plano V-l y el voltaje y la , corriente medidos de la batería. En el bloque 422, un error de potencia Perr se determina comparando la potencia deseada de la batería Pbatdes y la potencia real de la batería PB. El error de potencia Perr indica si la APU debe producir más o menos potencia de salida. La potencia real de la batería PB es la potencia medida de la batería que entra fluyendo en la batería (IBVB). La potencia deseada de la batería puede calcularse mediante dos métodos. El primer método se basa en el voltaje de carga de la batería Vcarga y el segundo método se basa en el estado de carga calculado Qest de la batería. En la siguiente explicación, la potencia deseada de la batería calculada mediante el primer método se denominará Pv y la potencia deseada de la batería calculada mediante el segundo método se denominará PQ. El primer método calcula una potencia deseada de batería, Pv, utilizando la siguiente ecuación: Pv = Vcarga * MAX [Un, IBI - loe (Eouación 2) El voltaje de carga Vcarga es el voltaje óptimo de la batería para mantener la batería cargada y se especifica típicamente por el fabricante de una batería particular. Por ejemplo, en una modalidad preferida, el acumulador de plomo tiene un voltaje de carga de 2.45V/celda. Vcarga se multiplica con el valor que sea más grande, ya sea el valor de la corriente medida de la batería (IB) O de una corriente mínima predeterminada (lm?n). Un puede seleccionarse con base en las características conocidas del plano V-l de la batería. Por ejemplo, en una modalidad, cuando el voltaje medido de la batería VB es mucho menos que Un puede ajustarse a un valor alto para incrementar rápidamente el voltaje de la batería, VB, hasta Vcarga. Si VB se encuentra cerca de Vcarga, Un puede ajustarse a un valor bajo ya que no requiere mucho energía adicional para llevar el voltaje de la batería VB hasta V8rga. Sin embargo, si VB es mayor a Vcarga, una corriente de sobrecarga loe puede restarse del valor que sea más grande, ya sea IB O lm?n, para evitar la condición de sobrecarga. El segundo método calcula una potencia deseada de la batería PQ con base en el estado de carga calculado (Qest) de la batería (según se determina en el bloque 420). En una modalidad preferida, PQ se calcula mediante la siguiente ecuación: PQ = KQ(QG - Qest) - ?lbusVbus - IBVB), (Ecuación 3) en donde: KQ es una constante de! ganancia que puede configurarse, ya sea con respecto a su diseño del sistema o en tiempo real, con base en el modo operativo y condiciones de operación actuales, así como la preferencia, del usuario; QG es el estado de carga deseado de la batería; Ibus es la corriente medida de la línea colectiva que excita el amplificador del motor; Vbus es el voltaje medido de la línea colectiva y ? es un factor de eficacia para el convertidor de continua a continua (que se muestra en la figura 4A) entre el amplificador del motor y ta batería. La potencia deseada PQ se basa en la diferencia entre el estado de carga deseado QG de la batería y el estado de carga calculado Qest de la batería. QG es un valor predeterminado entre 0 (descarga completa) y 1 (carga completa) y representa el estado de carga que el controlador intenta mantener en la batería. En una modalidad preferida, el estado de carga deseado de la batería es del 90% de la carga completa. Mientras más se aleja la carga calculada de la batería Qest del estado de carga deseado QG, más potencia hay que puede solicitarse con seguridad para cargar la batería. Mientras más se acerca Qest a QG, menos potencia se necesita para aumentar el voltaje de la batería, VB, a Vcarga. El cálculo de la potencia deseada de batería PQ se ajusta también para responder a posibles cambios de carga. Si la carga en la APU se reduce repentinamente, el exceso de potencia producida por el motor debe dirigirse a otro lado hasta que la cantidad de potencia generada por el motor pueda disminuirse (es decir, el sistema tiene tiempo para reaccionar a un cambio de carga repentino). El exceso de potencia representa la potencia adicional más desfavorable que podría fluir en la batería si la carga se eliminara repentinamente del sistema. En consecuencia, es deseable seleccionar una potencia deseada de batería que deja espacio en la batería para absorber el exceso de potencia producido por un cambio de carga. El exceso de potencia se resta de PQ para dejar espacio adicional en la batería para absorber el exceso de potencia. El exceso de potencia puede determinarse comparando la potencia generada por el motor con la potencia que entra en la batería y se representa con el término ?UsVbus - IBVB en la ecuación 3 anterior. La potencia generada por el motor se calcula mediante el voltaje de la línea colectiva Vbus medido en el amplificador del motor y la corriente de la línea colectiva lbus medida al excitar el amplificador del motor. La potencia que entra en la batería es el producto del voltaje y la corriente medidos de la batería (IBVB). En el bloque 422, el mínimo de dos potencias deseadas calculada de la batería P y PQ se utiliza para determinar el error de potencia Pert- El error de potencia Petr es la diferencia entre la potencia deseada seleccionada de la batería y la potencia medida que entra fluyendo en la batería, como se muestra en la siguiente ecuación: Perr = MIN [Pv, PQ] - lBVB, (Ecuación 4). 1 «fe La potencia m dida PB que entra fluyendo en la batería es el producto de la corriente medida de la batería IB y el voltaje medido de la batería VB. Como ya se mencionó, el error de potencia Perr indica si la APU debe producir más o menos potencia de salida. En otras palabras, si la potencia real de la batería es menos que la potencia deseada de la batería, la APU necesitará producir más potencia (es decir, aumentar velocidad y temperatura). Si el voltaje real de la batería es mayor que el voltaje deseado de la batería, la APU necesitará producir menos potencia (es decir, disminuir velocidad y temperatura). En respuesta a la señal de error de potenGia Pen, el sistema de control de potencia produce una-salida de señal de comando de temperatura del motor (T) y una salida de señal de comando de velocidad del motor (?) en el bloque 424 que indica la temperatura y velocidad requeridos para producir la potencia deseada. En una modalidad preferida, la temperatura del motor T es proporcional a la velocidad del motor y la integral de una función de Perr. En esta modalidad, T se regula con la ley de control T = sfdt (ecuación 5) en donde: f = KitPerr CUandO ?mot < ?mot?dle; f = tperr CUandO Perr = 0 y ?mot > Omotidle Y f = Kdpft cuando Perr > 0 y ?mot > ?mo?ie- En la ley de control anterior, ?mot es la velocidad medida del motor, comotidie es una velocidad nominal predeterminada del motor y K,t es una constante de ganancia. Cuando la velocidad del motor es mayor que una velocidad nominal del motor, se añade un término de deriva adicional (Kdrift), que tiene el efecto de incrementar lentamente la temperatura del motor, así como disminuir indirectamente la velocidad del motor la velocidad nominal del motor. La operación del motor a la velocidad nominal del motor maximiza^ la eficacia del motor. En una modalidad preferida, la velocidad del motor (?) es proporcional al error de potencia Pen y la integral de Perr se regula mediante la siguiente ley de control: ? = ?m?n + KpwPerr + Klw sPerrdt (Ecuación 6) en donde: comín representa la velocidad mínima permitida del motor y Kpw y Klw son constantes de ganancia. La velocidad del motor, ?, se limita a, por lo menos, la velocidad mínima ?m¡n. La velocidad del motor se limita también a una velocidad máxima ?max para reducir del efecto enfriador del motor cuando aumenta la velocidad. La figura 5 muestra los detalles estructurales de los circuitos electrónicos de potencia de la figura 4A. El generador 502 se acopla a una batería 513, un inversor 516, un amplificador 505 y una derivación de emergencia 507. El comportamiento de estos elementos es similar a aquello descrito con anterioridad en relación con las figuras 4A y 4B. Como se explicó en relación con las figuras 4A y 4B, una vez que el sistema de control de potencia determine la temperatura y velocidad deseadas del motor, requeridas para mantener el nivel de carga óptimo de la batería, un comando de velocidad (w>) se envía al generador 402 (que se muestra en la figura 4A), indicando la velocidad deseada del motor, y un comando de temperatura (T) se envía a la unidad de control del quemador 109 (que se muestra en la figura 1), indicando la velocidad deseada del motor. Regresando a la figura 1 , la unidad de control del quemador 109 suministra un combustible limpio, de preferencia propano, desde un bote de combustible 110 al quemador 104. La unidad de control del quemador 109 suministra también una cantidad medida de aire al quemador 104 para asegurar una combustión sustancialmente completa del combustible. La unidad de control del quemador 109 ajusta los índices de combustible y flujo de aire para - proporcionar la temperatura requerida del motor y minimizar las emisiones. Para alcanzar una alta eficacia y bajas emisiones, de modo que la APU 100 pueda utilizarse dentro de una residencia para suministrar convenientemente tanto potencia eléctrica como calor, el motor Stirling 101 y el quemador 104 proporcionan una combustión sustancialmente completa. Los métodos preferidos para mejorar la eficacia térmica y proporcionar emisiones bajas del motor Stirling 101 se explicarán ahora con mayor detalle en relación con las figuras 6-11. Los componentes de esta eficacia térmica incluyen el bombeo eficiente de un oxidante (típicamente aire, denominada en la presente "aire") a través del quemador 104 para proporcionar la combustión, y la recuperación de escapes calientes que salen de la cabeza del calentador 330 (que se muestra en la figura 3) del motor Stirling. En muchas aplicaciones, el aire (u otro oxidante) se pre-calienta, antes de la ? * : I combustión, a casi la temperatura de la cabeza del calentador 330, para lograr la eficacia térmica. Aún existe una cantidad considerable de energía en los gases de combustión después de haber calentado la cabeza del calentador dei motor Stirling y, como lo saben los expertos en la técnica, puede utilizarse un termocambiador para transmitir calor de los gases de escape al aire de combustión antes de la introducción en el quemador 104. Un equipo de precalentador se explica con mayor detalle más adelante, en relación con la figura 8. Además, la minimización de las emisiones de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y óxidos de nitrógeno (NOx) requiere una mezcla pobre de combustible y aire que aún logra la combustión completa. Una mezcla pobre de combustible y aire tiene más aire que una mezcla estequiométrica (es decir, 15.67 gramos de aire por gramo de propano, por ejemplo). Conforme se agregue más aire al combustible, las emisiones de CO, HC y NOx disminuyen hasta que la cantidad de aire es suficientemente grande para que la llama se torne inestable. En este punto, los bolsillos de la mezcla de combustible y aire atravesarán el quemador sin una combustión completa. La combustión incompleta de la mezcla de combustible y aire produce grandes cantidades de CO y HC. Las emisiones de CO y HC continuarán aumentando conforme más aire se añade a la mezcla de combustible y aire, hasta que la llama se extingue en un límite de quema pobre ("LBO"). El LBO incrementará conforme aumenta la temperatura del aire entrante (es decir, el aire pre-calentado). Como resultado, la relación óptima entre combustible y aire disminuye conforme la temperatura del a re pre-caleptádo incrementa durante la fase de calentamiento del motor. Una vez que el motor se haya calentado, la relación aire/combustiblé se ajusta para minimizar las emisiones producidas y mantener una llama estable. Según se emplea en esta descripción y en las siguientes reivindicaciones, una relación aire/combustible es la relación entre la masa del combustible y la masa del aire que entra fluyendo en la cámara de combustión del quemador. En consecuencia, la relación aire/combustible se controla primero por el controlador del quemador (que se muestra en 1a figura 1 ) para proporcionar la relación óptima de combustible/aire para la ignición. Una vez que se constate la llama, la relación aire/combustible se controla para minimizar las emisiones, con base en la temperatura del aire precalentado y el tipo de combustible. La unidad de control del quemador controla entonces el índice de flujo del combustible para aumentar la temperatura de la cabeza del calentador 330 a la temperatura exigida. El índice de flujo del aire se ajusta para mantener un nivel deseado de oxígeno en el escape del motor cuando cambia el índice de flujo del combustible y la temperatura de precalentamieipto del aire. La figura 6 es un diagrama en bloques esquemático del sistema de control de potencia que incluye la unidad de control del quemador 609. El controlador de APU 611 calcula la temperatura y velocidad requeridas del motor en el bloque 606, según se describe con anterioridad en relación con las figuras 4A y 4B. La temperatura deseada del motor (es decir, la i temperatura deseada de la oabeza del calentador) se proporciona como una entrada del comando de temperatura 607 a la unidad de control del quemador 609. Un limitador de rapidez de respuesta 601 se utiliza convenientemente para limitar el aumento de la temperatura del motor, de modo que el incremento sea gradual para minimizar el sobreimpulso o subimpulso de la temperatura. Al recibir un comando de temperatura 607 del controlador de la APU 611 para una temperatura del motor superior a la temperatura operativa mínima, la unidad de control del quemador 609 inicia una secuencia de encendido para el quemador 604. Una bomba de agua (que no se muestra) y un ventilador para el radiador (que no se muestra) se controlan para mantener la temperatura del refrigerante. Un combustible determinado se encenderá solamente en una escala limitada de relaciones de combustible/aire. En el encendido, se selecciona una relación de combustible/aire de encendido seleccionada, que es equivalente o menor a la relación de combustible/aire estequiométrica correspondiente al combustible utilizado. En una modalidad preferida, en donde el combustible es propano, la relación aire/combustible en el encendido se ajusta a 0.1 gramos de propano por gramos de aire. La relación de combustible/aire de encendido se mantiene hasta que la llama se estabilice y la temperatura del interior de la cámara de combustión del quemador 604 incremente a una temperatura de calentamiento. En una modalidad preferida, la relación de combustible/aire de encendido se mantiene hasta que la temperatura de la cabeza del calentador 330 alcance 300°C.

Una vez que la Hama se estabilice y la temperatura de la cámara de combustión del quemador alcance la temperatura de calentamiento deseada, la relación aire/combustible se controla con base en la temperatura de pre-calentamiento del aire y el tipo de combustible. Según se describe con anterioridad, la relación óptima de combustible/aire de la mezcla de combustible y aire disminuye conforme aumenta la temperatura del aire precalentado. La relación óptima de combustible/aire disminuye linealmente desde una relación "inicial" entre combustible y aire para el aire a temperatura ambiente a una relación "operativa" de combustible/aire para la temperatura del aire pre-calentado. El aire se considera completamente calentado cuando excede su temperatura de encendido conocida. Por ejemplo, la temperatura de encendido para propano es de 490°C. En una modalidad preferida, en donde el combustible es propano, la relación "inicial" de combustible/aire es de 0.052 gramos de combustible por gramo de aire, que produce aproximadamente 4% de oxígeno en el escape del motor. La relación "operativa" de combustible/aire en la modalidad preferida es de 0.026 gramos por gramo de aire, que produce aproximadamente 13% de oxígeno en el escape del motor. Una vez que el aire alcance su temperatura de precalentamiento, el índice de flujo de aire se ajusta para mantener la relación óptima de combustible/aire para la temperatura precalentada. El índice de flujo de aire puede ajustarse, por ejemplo, en respuesta a un cambio en el índice de flujo del combustible o un cambio en la temperatura de precalentamiento de aire.

En la modalidad de la figura 6, la relación aire/combustible puede determinarse midiendo los índices de flujo de masa de aire y combustible. El índice de flujo de aire puede medirse con un sensor de presión y un tubo Venturi en el soplador 605. El índice de flujo del combustible puede determinarse a partir de la presión corriente arriba y corriente abajo de un conjunto de válvulas de control de combustible y monitoreando para cuáles válvulas existe actualmente el comando de apertura. En una modalidad *• alternativa, la relación aire/combustible puede basarse en la medición del contenido de oxígeno en el escape de la APU, según se muestra en la figura 7. Un sensor de oxígeno puede colocarse en el motor para muestrear el gas de escape y medir el porcentaje de oxígeno en el escape. Regresando a la figura 6, la temperatura del motor (Tcabeza) se mide y se compara con la temperatura deseada del motor 607 mediante un circuito de realimentación. La temperatura del motor continuará aumentándose (al incrementar los índices de flujo de combustible y aire) hasta que la temperatura del motor alcance la temperatura deseada del motor. Como ya se explicó, el limitador de rapidez de respuesta 601 proporciona un aumento gradual de la temperatura para minimizar el sobreimpulso y subimpulso de la temperatura. Cuando el controlador de la APU 611 exige una temperatura de la cabeza del calentador por debajo de la temperatura mínima de la cabeza del calentador, el controlador del quemador 609 apaga el combustible y el aire y controla la bomba de agua y el ventilador del radiador para evitar una sobre-ebullición del refrigerante.

Además de Mtn^ er la relación óptj a de coribustible/aire, el combustible y aire quemado en el quemador 604 deben mezclarse bien cpn suficientes cantidades de oxígeno para limitar la emisión de monóxido de carbono (CO) y hidrocarburo (HC) y, además, deben quemarse a temperaturas de llama suficientemente bajas para limitar la formación de óxidos de nitrógeno (NOx). La alta temperatura del aire pre-calentado, que se describe con anterioridad como deseable para lograr la alta eficacia térmica, complica el cumplimiento con las metas de emisiones bajas, porque dificulta la premezcla de combustible y aire y requiere grandes cantidades excedentes de aire para limitar la temperatura de la llama. Según se emplea en la presente, el término "temperatura de auto-encendido" se define como la' temperatura a la que el combustible se encenderá sin un catalizador que reduce la temperatura bajo condiciones existentes de presión de aire y combustible. La temperatura típica de aire pre-calentado excede la temperatura de auto-encendido de la mayoría de los combustibles, causando potencialmente que la mezcla de combustible y aire se encienda antes de entrar en la cámara de combustión del quemador. Una solución a este problema es el uso de una llama de difusión no pre-mezclada. Sin embargo, debido a que estas llamas de difusión no son bien mezcladas, se originan emisiones de CO y NOx más altas que las deseadas. Una explicación detallada de la dinámica de Hamas se proporciona por Turns, An Introduction to Combustión: Concepts and Applications, (McGraw-Hill, 1996) que se incluye en la presente por referencia. Un índice de flujo de aire aumentado, proporcionado para limitar la temperatura de la Hama, incrementa típicamente la potencia consumida por una bomba de aire o un soplador, degradando así la eficacia global del motor. De conformidad con una modalidad de la presente invención, las emisiones bajas y la alta eficacia pueden proveerse produciendo una llama 5 pre-mezclada, incluso en presencia de aire calentado por arriba de la temperatura de auto-encendido del combustible y, además, minimizando la caída de presión entre la entrada de aire y la región de la llama, minimizando así el consumo de potencia del soplador. El término "velocidad de llama" se define como fa velocidad a la 10 que la frente de la llama se propagará a través de una mezcla particular de combustible y aire. En la especificación y las siguientes reivindicaciones, el término "eje de combustión" se referirá a la dirección predominante del flujo de fluido durante la combustión del fluido. Los componentes típicos de los equipos de quemador y pre- 15 calentador, de conformidad con las modalidades de la presente invención, se describen en relación con la figura 8a. La escala objetivo para gases de combustión es de 1700 - 2300 K, con una escala preferida de 1900 - 1950 K. Las temperaturas operativas se limitan por la solidez de la cabeza del calentador 330 que debe contener el fluido de trabajo a una presión operativa 20 de, típicamente, varias atmósferas, y por la resistencia a la oxidación de la estructura del quemador. Debido a que la solidez y la resistencia a Ja oxidación de metales disminuye típicamente a temperaturas altas, es importante proteger los componentes metálicos de las temperaturas altas de 5Sa combustión. Para este fin, el quemador 122 se encuentra podeado de una cámara de combustión cerámica 804 que, a su vez, está encerrada en un forro metálico de la cámara de combustión 806, térmicamente descendido a la cabeza del calentador 330 y enfriado por el aire entrante desde el paso del pre-calentador o por gases de escape 810. Además, la cabeza del calentador 330 está protegida del calentamiento de llama directo mediante la tapa de la llama de cabeza 802. Los productos de escape del procedimiento de combustión siguen el paso 808 más allá de la cabeza del calentador 330 a través de un canal, que facilita la transmisión eficaz de calor, a la cabeza del calentador y al gas de trabajo que se encuentra dentro de la cabeza del calentador. La eficacia global de un motor térmico depende parcialmente de la eficacia de la transmisión de calor entre los gases de combustión y el fluido de trabajo del motor. Para aumentar la eficacia de la transmisión de caior desde los productos de escape del procedimiento de combustión generados por el quemador 122, al fluido de trabajo contenido en la cabeza del calentador 330 del motor, se requiere un área superficial humectada grande, en cada uno de los lados de la cabeza del calentador 330. En relación con la figura 3, la cabeza del calentador 330 es, sustancialmente, un cilindro con un extremo cerrado 332 (denominado la cabeza del cilindro) y un extremo abierto 334. El extremo cerrado 332 se dispone dentro del quemador 122, como se muestra en la figura 8a. En relación con la figura 8b, de conformidad con una modalidad preferida de la invención, pueden utilizarse aletas o pernos para aumentar el área interf^KKét e los productos de combustión fluidos calientes y la cabeza del calentador sólida 330 para transmitir calor, alternativaMente, al fluido de trabajo del motor. La cabeza del calentador 330 puede comprender pernos de transmisión de calor 152, dispuestos en la superficie exterior, como se muestra en la figura 8b, para proporcionar un área superficial grande para la transmisión de calor mediante la conducción a la cabeza del calentador 330 y, por ende, al fluido de trabajo, desde los gases de combustión que circulan del quemador 122 (que se muestra en la figura 8a) hacia los pernos de transmisión de calor. Los pernos de transmisión de calor pueden disponerse también en la superficie interior (que no se muestra) de la cabeza del calentador 330. Los pernos de transmisión de calor dirigidos hacia dentro sirven para proporcionar un área superficial grande para la transmisión de calor mediante la conducción desde la cabeza del calentador 330 hacia el fluido de trabajo. Dependiendo del tamaño de la cabeza del calentador 330, pueden requerirse cientos o miles de pernos de transmisión interiores y pernos de transmisión de calor exteriores. De conformidad con ciertas modalidades de la ¡nvención, las redes individuales de pernos 150 comprenden fracciones arqueadas de la distancia circunferencial alrededor de la cabeza del calentador 330. Esto puede observarse en la vista superior del equipo de la cabeza del calentador que se muestra en perspectiva en la figura 8b. Entre los segmentos de la red de pernos de transmisión de calor sucesivos 150 se encuentran divisores trapezoidales 506 desviados para bloquear el flujo de los gases de escape en una dirección' descendente a través de cualquier paso que no sea el paso de los pernos de transmisión de calor. Debido a que los gases de escape no circulan a través de los divisores 506, un sensor de temperatura, tal como el termopar 138, se dispone convenientemente en el divisor 506 para monitorear la temperatura de la cabeza del calentador 330 con la cual el sensor de temperatura tiene contacto térmico. El dispositivo detector de temperatura 138 se dispone, de preferencia, dentro del divisor 506, según se ilustra en la figura 8b. Más particularmente, la punta detectora de temperatura 139 del sensor de temperatura 138 se sitúa, de preferencia, en la ranura que corresponde al divisor 506, tan cerca como sea posible de la cabeza del cilindro 332, en la que esta área es típicamente la parte más caliente de la cabeza del calentador. Alternativamente, el sensor de temperatura 138 puede montarse directamente en la cabeza de cilindro 332, aunque se prefiere la ubicación del sensor en la ranura, según se describe. El rendimiento del motor, en términos de potencia y eficacia, es más alta a la temperatura más alta posible, aunque la temperatura máxima se limita típicamente por las propiedades metalúrgicas. Por lo tanto, el sensor 138 debe colocarse para medir la temperatura de la parte más caliente y, por ende, limitativa de la cabeza del calentador. Además, el sensor de temperatura 138 debe aislarse de los gases de combustión y las paredes del divisor 506 mediante aislamiento cerámico (que no se muestra).

La ceilámica puede conformar también una utßdn a hesi con las paredes del divisor para mantener el sensor de temperatura en su posición. Los conductores eléctricos 144 del sensor de temperakirá 138 deben aislarse también eléctricamente. 5 Regresando al a figura 8a, los gases de escape siguen el paso 808 hacia fa cabeza del calentador 330 y se canalizan después hacia arriba a lo largo del paso 810, entre el forro de la cámara 806 y el aislamiento interior 812, absorbiendo así el calor adicional del forro de ia cámara 806, con la ventaja adicional de prevenir un sobrecalentamiento del forro de ia cámara. 10 Los gases de escape regresan entonces hacia abajo a través del precalentador 814 y se expulsan alrededor de la circunferencia de la cabeza dfl- calentador 330, como se muestra mediante las flechas denominadas 816. El pre-calentador 814 permite el intercambio de calor de los gases de escape al aire tomado del ambiente, típicamente mediante una bomba de aire o un * 15 soplador. El pre-calentador 814 puede fabricarse con aletas plegadas* corrugadas, típicamente Inconel. Sin embargo, cualquier medio para intercambiar calor del escape al aire de entrada se encuentra en el alcance de la presente ¡nvención. En relación con las figuras 9a-9c, se muestra un múltiple de 20 admisión 899 para la aplicación a un motor de ciclo Stirlíng u otra aplicación de combustión, de conformidad con una modalidad de la invención. De conformidad con una modalidad preferida de la invención, el combustible se pre-mezcla con aire, que puede calentarse por arriba de la temperatura de auto-encendido del combustible, y se previene que se forme una llama antes de que el combustible y aire se hayan mezclado bien. La figura 9a muestra una modalidad preferida del aparato que incluye un múltiple de admisión 899 y una cámara de combustión 910. El múltiple de admisión 899 comprende un conducto axisimétrico 901 con una entrada 903 para recibir el aire 900. El aire 900 se pre-calienta a una temperatura, típicamente por arriba de 900K, que puede ser superior a la temperatura de auto-encendido del combustible. El conducto 901 transporta el aire 900 que circula radialmente hacia dentro con respecto al eje de combustión 920 a un turbulenciador 902 dispuesto dentro del conducto 901. La figura 9b muestra una vista en corte del conducto 901, incluyendo el turbulenciador 902, de conformidad con una modalidad de la invención. En la modalidad de la figura 9b, el turbulenciador 902 tiene varias aspas en forma de espiral 926 para dirigir el flujo de aire 900 radialmente hacia dentro e impartir una componente rotacional en el aire. El diámetro de la sección de turbulenciador del conducto disminuye de la entrada 924 a la salida 922 del turbulenciador 902 según se define por la longitud del conducto de la sección de turbulenciador 901. La reducción del diámetro de las aspas del turbulenciador 926 incrementa el índice de flujo de aire 900 a una proporción sustancialmente inversa al diámetro. El índice de flujo se aumenta, de modo que se encuentre por arriba de la velocidad de llama del combustible. En la salida 922 del turbulenciador 902, el combustible 906, que -es propano en una modalidad preferida, se inyecta en el aire oírculando hacia dentro. En una modalidad preferida, el combustible 906 se inyedta mediante el inyector de combustible 904 a través de una serie de toberas 928 como se muestra en la figura 9c. Más particularmente, la figura 9c muestra una vista en corte del conducto 901 e incluye las toberas del chorro de combustible 928. Cada una de las toberas 928 se sitúa en la salida de las aspas del t?rbulenciador 926 y se centraliza entre dos aspas adyacentes. Las toberas 928 se sitúan de esta manera para incrementar la eficacia de la mezcla de aire y combustible. Las toberas 928 inyectan simultáneamente el combustible 906 en el flujo de aire 900. Debido a que el flujo de aire es más rápido que la velocidad de llama, una llama no se formará en ese punto aun cuando la temperatura de la mezcla de aire y combustible sea superior a la temperatura de auto-encendido del combustible. En una modalidad preferida, en la que se utiliza propano, la temperatura de precalentamiento, según se regula por la temperatura de la cabeza del calentador, es de aproximadamente 900 K. En relación con la figura 9a nuevamente, el aire y combustible, ahora mezclados, denominados en lo sucesivo "mezcla de aire/combustible" 909, transita en dirección a través de una garganta 908 que comprende un fuselado perfilado 930 y se encuentra sujetada a la salida 907 del conducto 901. El combustible 906 se suministra a través del regulador de combustible 932. La garganta 908 tiene un radio interior 914 y una dimensión exterior 916.

La transición de la mezcla de aire/combustible va de una dirección sustancialmente transversal y radialmente hacia dentro con respecto al eje de combustión 920 a una dirección sustancialmente paralela al eje de combustión. El contorno del fuselado 930 de la garganta 908 tiene la forma de una campana invertida, de modo que un área transversal de la garganta 908, con respecto al eje de combustión, permanece constante desde la entrada 911 de la garganta hasta la salida 912 de la garganta. El contorno es suave sin escalones y mantiene la velocidad de flujo desde la salida del turbulenciador hasta la salida de la garganta 908 para evitar la separación y recirculación resultante a lo largo de cualquiera de las superficies. El área transversal constante permite que el aire y combustible sigan mezclándose sin disminuir la velocidad de flujo u originar una caída de presión. Una sección transversal suave y constante produce un turbulenciador eficaz, en donde eficacia del turbulenciador se refiere a la fracción de la caída de presión estática en el turbulenciador que se convierte en una presión dinámica del flujo vortiginoso. Las eficacias del turbulenciador de más del 80% pueden lograrse típicamente al practicar la invención. Por lo tanto, es posible minimizar el consumo de energía parasítica del ventilador de aire de combustión. La salida 912 de la garganta se ensancha hacia fuera para permitir que la mezcla de aire/combustible 909 se distribuya en la cámara 910, retardando la mezcla de aire/combustible 909, localizando y conteniendo así la llama y causando que se forme una llama toroidal. El momento rotacional 'x je fáj por el turbulenciador 902 produce un vórtice anular estabilizante de llama bien conocido en la técnica. Para operar un quemador de manera segura, es importante ser capaz de percibir y detectar la presencia de la llama. Si la llama se extingue, la llama debe volverse a encender o el suministro de combustfole al quemador debe cerrarse dentro de unos pocos segundos. De otra manera, el quemador y la APU pueden llenarse con una mezcla inflamable, la cual, al encenderse, produciría fuego o una explosión. Varios tipos de sensores de llama se utilizan en la técnica, tales como termopares, rectificación de llama, detectores de infrarrojo ("IR") y ultravioleta ("UV"). En una modalidad preferida, en donde el combustible es propano, la alta temperatura de la mezcla de aire pre-calentado y combustible de propano previene el uso de diferentes estrategias de detección de llama estándar. Un sensor de llama de termopar sencillo estándar no será capaz de detectar una llama con precisión, porque la temperatura de la llama encendida varía con la temperatura del aire pre-calentado. Además, la temperatura del aire pre-calentado es a menudo mayor que la temperatura de la llama encendida para la mayoría de los detectores de llama de termopar. Un sensor de infrarrojo puede no ser capaz de distinguir entre el interior cerámico caliente de la cámara de combustión del quemador y una llama. Los sensores de infrarrojo y ultravioleta presentan dificultades adicionales, ya que son relativamente grandes en comparación con el quemador y requieren un camino óptico a la cámara de combustión. En las condiciones de combustión 10 en una posición tal que no exceda su temperatura operativa. Una llama se considera presente si la temperatura del termopar de la llama es significativamente mayor que el promedio medido de la temperatura de la cabeza del calentador. La temperatura media de la cabeza del calentador se mide mediante un termopar de cabeza 1004. En presencia de una llama, el 15 termopar de llama se toma mucho más caliente que los sensores que se utilizan para medir la temperatura de la cabeza del calentador. Si la llama se * «- extingue, la temperatura de termopar de la llama alcanzará rápidamente la temperatura de la cabeza del calentador. En una modalidad preferida, el termopar de la llama se extiende 2 mm por arriba de la cabeza del calentador 20 y prueba la presencia de una llama si la diferencia de, temperatura entre el termopar del detector de llama 1002 y el termqpar de la cabeza 1004 es de 100 0.

En una modajjIÉad alternativa, como se muestra en la figura 11 , n termopar de llama 1104 se monta en el quemador Stirlíng, extendiéndose a través del forro de la cámara de combustión 1108 hasta el borde de la cámara de combustión 1106, como se muestra en la figura 11. El termopar de llama 5 1104 no debe extenderse tanto que exceda su temperatura operativa. Una llama se considera presente si la temperatura de termopar de la llama es significativamente mayor que la temperatura de la cabeza del calentador medida. La temperatura de la cabeza del calentador puede medirse mediante un termopar de cabeza 1004 como se muestra en la figura 10. En una 10 modalidad preferida, el termopar de llama se extiende hasta el borde de la cámara de combustión y prueba la presencia de una llama si la diferencia de temperatura entre el termopar de la llama 1104 y el termopar de la cabeza 1004 es de 10OX. En una modalidad adicional, como se muestra en la figura 11 , la 15 temperatura del termopar de llama 1104 se compara con la temperatura medida del turbulenciador. Una llama se considera presente si la temperatura * « del termopar de la llama es significativamente mayor que la temperatura medida del turbulenciador. La temperatura dei turbulenciador se mide mediante un termopar del turbulenciador 1102. En una modalidad preferida, el 20 termopar de llama se extiende al borde de la cámara de combustión y prueba la presencia de una llama si la diferencia de temperatura entre el termopar de llama 1104 y el termopar del turbulenciador 1102 es de 100°C. ? -* 4 En otra modafidad aún, un termopar de llama se monta en la cabeza def paleptador o en la cámara de combustión como se muestra en las figuras 10 y 11. Las transiciones en la llama se detectan mediante el> monitoreo de la velocidad de cambio de la temperatura de termopar de la 5 llama (dT/dt). El encendido de la llama producirá- un cambio positivo en la temperatura de termopar de la llama. La extinción de la llama o una condición de llama extinguida producirá un cambio negativo en la temperatura de termopar de la llama. Durante el procedimiento de encendido, la llama se considera no encendida hasta que el cambio en la temperatura de termopar 10 de la llama exceda un valor de umbral predefinido en °C/seg. Después, la llama se considera encendida hasta que el cambio en la temperatura de termopar de la llama cae por debajo de un valor de umbral negativo en - °C/seg. En una modalidad preferida, el índice de temperatura de umbral de la llama encendida es de 3°C/seg y el índice de temperatura de umbral de la 15 llama extinguida es de -2°C/seg. La figura 12 muestra una vista frontal de una APU en donde el tablero frontal de la cubierta 1200 se ha quitado para poder ver el interior. El motor Stirling (que no se muestra) y el generador (que no se muestra) se encierran en un recipiente de presión 1201. Una manija 1202 se sujeta a la 20 «~ cubierta para facilitar su transporte. Como ya se explicó en relación con la figura 1, la APU es, convenientemente, de un tamaño portátil. En una modalidad alternativa, la APU puede colocarse en una ventana o montarse en la pared de una habitación en un edificio. Un soporte del bote de combustible 1203 se sujeta a la cubierta 1200 y sostiene el bote de combustible. El bote de combustibte se monta en el exterior de la cubierta 1200 para facilitar el reemplazo. El recipiente de presión 1201 se monta en la cubiert 1200 mediante montajes antivibratorios para reducir la vibración y el ruido. La figura 13 muestra la vista posterior de la modalidad que se ilustra en la figura 12 y la ubicación de un soplador 1300, los circuitos de control de potencia 1301 y los circuitos de control del quemador 1302. En una modalidad alternativa, la APU puede configurarse para montarse en una ventana, para suministrar energía y aire acondicionado como se muestra en la figura 14. Durante los meses más fríos, la APU jala aire de la habitación hacia el respiradero 1413 en la posición de la línea continua, a través del radiador del motor 1403 y regresa el aire calentado a la habitación a través de un radiador del evaporador 1406, proporcionando así un calentamiento por ventilación forzada a la habitación 1411 , así como potencia eléctrica. La cantidad de calentamiento proporcionado se corrtrola mediante un respiradero 1412 que varía la cantidad de aire calentado que se regresa a la habitación versus el aire que se expulsa hacia el exterior. Durante los* meses de temperaturas moderadas, la APU jala el aire de la habitación a través del radiador del motor 1403 y expulsa todo el aire al exterior a través del respiradero 1412, enfriando así el hogar mediante la generación de una brisa de aire fresca. La APU produce también potenoia eléctrica. En los meses más calientes, una porción de la potencia mecánica del motor/generador Stirling 1402 se utiliza para accionar un acondicionador de aire 1405, que •enfría la habitación jalando aire hacia el respiradero 1413 en la posición de la línea punteada y a través del termocambiador del evaporador 1406 utilizando un ventilador 1407. El respiradero 1413 gira alrededor de un perno 1414 para moverse entre dos posiciones, como se muestra en la figura 14 como línea continuas y punteadas. El ventilador para radiador del motor 1404 invierte la dirección de la descripción anterior para jalar aire del exterior hacia el respiradero 1412, a través del radiador del motor 1403 y expulsa el aire a través de un ventilador de aletas 1415 al exterior. El acondicionador de aire 1405 jala aire adicional a través de una radiador del condensador 1416 y lo ventea de regreso al exterior. En el modo de acondicionamiento de aire, un usuario dispone de menos potencia eléctrica. El acondicionador de aire puede ser uno de tres modalidades, todas bien conocidas para los expertos en la técnica de la refrigeración. En una modalidad preferida, se utiliza una unidad compresora de vapor que está disponible en un tamaño apropiado para un enfriador de habitaciones. En una modalidad alternativa, se utiliza un enfriador de amoniáco/agua que consume menos potencia eléctrica, proporcionando así más potencia eléctrica al usuario para la iluminación, etc. En otra modalidad, puede emplearse un motor Stiriing dúplex que consta de un conjunto adicional de pistones que enfrían un fluido bombeado a través del radiador para el evaporador 1406. El motor Stirling dúplex arrojaría calor al radiador para el condensador 1408. La figura 15 ilustra un vehículo para el transporte de personas que utiliza una APU, según se describe con anterioridad de conformidad con ?na modalidad dé la invención. Ei tamaño compacto y la salida eléctrica de 1a APU puede -proporcionar el transporte de personas incorporando la APU en un -scooter rri Aórizado como se muestra en la figura 15. La APU/scooter, diseñado generalmente mediante 1500, comprende una cubierta de cuerpo 1501 que cubre los componentes de la APU y un motor de la rueda (que no se muestra). Un motor Stirling 1505 se monta en el scooter y se conecta a un suministro de combustible 1506 y un radiador 1508. La salda eléctrica del motor Stirling se almacena en un conjunto de baterías 1507. Un receptáculo eléctrico 1509 se conecta ópticamente al conjunto de baterías 1507 para suministrar electricidad cuando el scooter no se utiliza para el transporte. El conjunto de baterías 1507 se conecta al motor de rueda del scooter para accionar el motor cuando el scooter se utiliza para el transporte. Las modalidades descritas de la invención pretenden ser menos ejemplos y numerosas variaciones y modificaciones serán evidentes para los expertos en la técnica. Todas estas variaciones y modificaciones pretenden ser en el alcance de la presente ¡nvención, según se definen en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

NOfteA0ÜÍ LA JNVENPIOM REIVINDICACIONES

1.- Un método para suministrar potencia eléctrica auxiliar y calor a un área interior, el método comprende: la generación de energía mecánica y energía térmica utilizando un motor de combustión externa, el motor de combustión externa quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de combustión externa se encuentren por debajo del nivel de escape predeterminado; la conversión de energía mecánica, generada por el motor de combustión externa, en potencia eléctrica utilizando un generador acoplado al motor de combustión externa y la colocación de un motor de combustión externa y un generador en el área interior, de modo que la energía térmica generada por el motor de combustión externa caliente un área alrededor del motor de combustión externa; en donde el motor de combustión externa y el generador se encuentran dentro de una caja, de modo que la combinación de caja, motor de combustión y generador tengan un tamaño portátil.

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , * caracterizado además porque el motor de combustión es un motor de ciclo Stirling. t.

3.- El método de* "' conformidad con la reivindicación 1, caracterizo además porque el combustible quemado por el motor de -combustió 'externa es propano.

4.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la potencia eléctrica es potencia de corriente continua.

5.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la potencia eléctrica es potencia de corriente alterna.

6.- Un sistema de potencia auxiliar para suministrar potencia eléctrica y calor a un área interior, el sistema comprende: un motor de combustión externa para generar energía mecánica y energía térmica, el motor de combustión extema quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de combustión externa se encuentren por debajo del nivel de escape predeterminado; un generador, acoplado al motor de combustión externa, para convertir la energía mecánica del motor de combustión extema en energía eléctrica; una primera salida de potencia para suministrar potencia eléctrica y una caja que contiene el motor e combustión externa y el generador, de modo que la combinación de motor de combustión externa, generador y caja tenga un tamaño portátil, en donde la energía térmica generada por el motor de combustión extema caliente el ambiente alrededor de la caja.

» * 7.- El sistema de püefscia auxiliar de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el motor de combustión externa es un motor de ciclo Stirling.

8.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la caja puede montarse en una ventana o una pared.

9.- El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el sistema comprende adicionalmente: una batería, acoplada al generador y la primera salida de potencia, que suministra potencia de arranque para el motor de combustión externa y potencia a la primera salida de potencia y un sensor, acoplado a la batería, que produce una señal de salida en donde el nivel de carga de la batería se determina parcialmente con base en la señal de salida del sensor.

10.- El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque la señal de salida es una señal que representa el voltaje y la corriente de la batería.

11.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera salida de potencia suministra potencia de corriente continua.

12.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque comprende adicionalmente: un inversor, acoplado a la primera salida de potencia, para convertir la potencia de corriente continua, suministrada por la primera salida de potencia, en potencia de corriente alterna y una segunda salida de potencia, acoplada al inversor, para suministrar potencia de corriente alterna.

13.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el combustible es propano.

14.- Un sistema de potencia auxiliar para suministrar potencia eléctrica y calor a un área interior, el sistema comprende: un motor de ciclo Stirling, con un cigüeñal y una cámara de combustión, el motor de ciclo Stirling para generar energía mecánica y energía térmica, el motor de ciclo Stirling quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de ciclo Stirling se encuentren por debajo de un nivel de escape predeterminado; una primera salida de potencia para suministrar potencia eléctrica; un generador acoplado al cigüeñal del motor de ciclo Stirling y la primera salida de potencia, el generador para convertir la energía mecánica del motor de ciclo Stirling en energía eléctrica; una batería, acoplada al generador, para suministrar la potencia de arranque para el motor de ciclo Stirling y potencia a la primera salida de potencia y una caja que comprende el motor de ciclo Stirling, el generador y la batería, de modo que la combinación de motor de ciclo Stirling, batería del generador y caja tengan un tamaño portátil.

15.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la caja puede montarse en una ventana; el sistema incluye adicionalmente un módulo de ^ acondicionamiento de aire, acoplado al motor de ciclo Sfjrlin§, para enfriar* el .ambiente alrededor de la caja.

16.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la . reivindicación 14, caracterizado además porque el combustible es propano.

17.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la potencia eléctrica "es potencia ele Gómente continua.

18.- El sistema de potencia auxiliar de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la caja puede montarse en una ventana o una pared en una habitación de un edificio.

19.- Un sistema para controlar la saud de potencia de un motor térmico con una cabeza de calentador, el sistema comprende: a. Un quemador para suministrar calor a la cabeza de calentador del motor, el quemador tiene un producto de gas de escape; b. Una entrada para recibir una señal relacionada con una temperatura de operación especiflcada del quemador; c. Un regulador del suministro de combustible para proporcionar combustible al quemador a un índice de suministro de combustible especificado; d. Un soplador para suministrar aire al quemador; e. Un sensor para monitorear una concentración de oxígeno en el producto del gas de escape del quemador y f. Un controlador para regular el índice de suministro • de combustible y aire, basado en, por lo menos, la entrada relacionada con la temperatura de operación especificada y la concentración dé oxígeno en el producto del gas de escape.

20.- El sistema de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque la entrada para recibir una señal incluye adicionalmente un limitador de la rapidez de respuesta.

21.- Un sistema para controlar la salida de potencia de un motor de combustión externa que comprende un cigüeñal y una velocidad, él sistema incluye: un generador, acoplado al cigüeñal del motor de combustión externa, para regular la velocidad del motor de combustión extema; un amplificador, acoplado al generador, para transmitir potencia del generador a una salida de potencia y aplicar una carga en el generador y una batería, acoplada al generador, para almacenar potencia y suministrar potencia a la salida de potencia; en donde la velocidad y temperatura del motor de combustión externa se controlan de tal modo que se mantenga una serie de condiciones deseadas de la batería.

22.- El sistema de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque el motor de combustión externa es un motor de ciclo Stirling.

23.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado además porque el generador es un motor magnético permanente sin escobillas.

24.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la condición deseada de la batería es una carga constante de batería.

25.- El sistema d'e ©onformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque la carga constante de batería es del 90% de la carga complete.

26.- El sistema de conformidad con la reivindicación 24, 5 caracterizado además porque la carga constante de batería se encuentra en la escala de 80-100% de la carga completa.

27.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado además porque incluye adicionalmente: un radiador, acoplado r térmicamente al motor de combustión externa, que comprende un fluido pa/a 10 absorber et exceso de calor y un conjunto de resistores de derivación, acoplado al generador y amplificador y comprendido dentro del líquido del •radiador, para disipar el exceso de potencia producido por el motor de combustión externa.

28.- Un método para controlar la salida de potencia de un motor 15 de combustión externa, el motor de combustión externa incluye un cigüeñal y una velocidad, el método comprende: la regulación de la velocidad del motor t de combustión externa mediante un generador acoplado al cigüeñal del motor de combustión extema; la transmisión de potencia del generador a una salida de potencia mediante un amplificador acoplado al generador; la aplicación de 20 una carga en el generador mediante el amplificador; el almacenamiento de potencia en una batería, la batería suministra potencia a la salida de potencia y el control de la velocidad y temperatura del motor de combustión externa, de tal manera que se mantenga una serie de condiciones deseadas de la batería.

29.- El método 6w -^ rffórmidad Gon la reivindicación 27, caracterizado además porque el motor de combustión extema es un motor de ciclo StirlííigL

30.- El sistema de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado además porque el generador es un motor magnético permanente sin escobillas.

31.- El sistema de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado además porque la condición deseada de la batería es una carga constante de batería.

32.- El sistema de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado además porque la carga constante de batería es del 90% de la carga completa.

33.- El sistema de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado además porque la carga constante de batería se encuentra en la escala de 80-100% de la carga completa.

34.- Un método para operar un quemador de un motor de combustión extema que comprende: el suministro de aire al quemador a través de un área transversal constante en transición desde un flujo radial hacia dentro hasta un flujo axial; el suministro de aire al quemador a una velocidad mayor que la velocidad de la llama de una mezcla de combustible/aire y la estabilización de una llama producida en el quemador mediante un turbulenciador para transmitir aire que circula radialmente hacia dentro.

35.- Un sistema la salda de potencia de un motor térmico con una cabeza de calentador, el sistema comprende: a. Un quemador para suministrar calor a la cabeza de calentador del motor, el quemador tiene un producto del gas de escape; b. Un regulador de suministro de combustible para suministrar combustible al quemador a un índice especificado de suministro de combustible; c. Un soplador para suministrar aire al quemador; d. Un sensor de temperatura de la cabeza para medir la temperatura de la cabeza del calentador y e. un controlado para regular el índice de suministro de combustible y aire con base en, por lo menos, la temperatura de la cabeza del calentador.

36.- El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado además porque incluye un sensor para monitorear una concentración de oxígeno en el producto del gas de escape del quemador, en donde el controlador para regular el índice de suministro de combustible y aire incluye un controlador que se basa en, por lo menos, la temperatura de la cabeza del calentador y la concentración de oxígeno en el producto del gas de escape.

37.- El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado además porque la cabeza del calentador incluye una región de una superficie exterior protegida del flujo del gas de escape.

38.- El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado además porque el sensor de la cabeza del calentador se caracterizado por una temperatura el motor; (b) Un generador acoplado al cigüeñal rotatorio, el generador regula la velocidad del cigüeñal y produce energía eléctrica; (c) Un amplificador acoplado al generador, el amplificador transfiere energía eléctrica del generador a la carga; (d) una batería 5 caracterizada por un estado de carga, acoplada al amplificador y capaz de almacenar potencia eléctrica del amplificador y capaz de transmitir energía eléctrica a la carga y (e) un controlador en comunicación por señales con el motor, amplificador y batería, el controlador determina la temperatura del T motor y la velocidad parcialmente con base en el estado de carga de la 10 batería. 43.- Un sistema para suministrar energía a un vehículo para el transporte de personas con un conjunto de ruedas, incluyendo por lo menos un miembro y un motor de la rueda acoplado a un conjunto de ruedas para originar, cuando se acciona, la locomoción del vehículo para el transporte de 15 personas, el sistema comprende: un motor de combustión extema para generar energía mecánica y energía térmica, el motor de combustión externa A quema un combustible en un quemador y tiene combustión sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de combustión externa se encuentren por debajo del nivel de escape predeterminado; un 20 suministro de combustible, acoplado al quemador del motor de combustión externa, el suministro de combustible proporciona un combustible al quemador a un índice especificado de suministro de combustible; un generador, acoplado al motor de combustión externa, para convertir la energía mecánica produqida por el motor de combustión externa en energía eléctrica y una batería cbn una entrada y una salida, la entrada de la batería acoplada al generador y la salida de la batería acoplada al motor de la rueda, la batería almacena energía eléctrica suministrada del generador a la entrada de la batería y suministra potencia al motor de la rueda en la salida de la batería. 44.- El sistema de conformidad con la reivindicación 43, caracterizado además porque el motor de combustión externa es un motor de ciclo Stirling. 45.- El sistema de conformidad con la reivindicación 43, caracterizado además porque incluye adicionalmente un radiador térmicamente acoplado al motor de combustión extema, el radiador comprende un fluido para la absorción del exceso de energía térmica. 46.- Una unidad de potencia auxiliar móvil que comprende: un motor de combustión externa con un cigüeñal, caracterizado por una velocidad, y una cabeza del calentador caracterizado por una temperatura déla cabeza, el motor de combustión externa genera energía mecánica y energía térmica, el motor de combustión extema quema un combustible y tiene combustión sustancialmente completa, de modo que las emisiones de escape del motor de combustión exte a se encuentren por debajo del nivel de escape predeterminado; un generador con una salida, acoplado al cigüeñal del motor de combustión externa, para convertir le energía mecánica producida por el motor de combustión externa en energía eléctrica suministrada a la salida del generador; una batería con una salida de batería a • -laCo falda a la salida del generador, la batería caracterizada por un estado de carga y suministrando potencia de arranque a la combustión externa y potencia a la salida de la batería; un controlador en comunicabión por señales con el motor de combustión externa, el generador y la batería, el controlador regula la velocidad del cigüeñal y la temperatura de la cabeza del calentador, con base en, por lo menos, el estado de carga de la batería, y un motor de la rueda acoplado a la salida de la batería y acoplado a un conjunto de ruedas, -incluyendo por lo menos un miembro, de modo que el motor de la rueda, cuando se acciona con la batería, impulsa el conjunto de ruedas y produce la locomoción de la unidad de potencia auxiliar móvil. 47.- La unidad de potencia auxiliar móvil de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada además porque incluye adicionalmente una plataforma acoplada al conjunto de ruedas, la plataforma soporta un usuario. 48.- La unidad de potencia auxiliar móvil de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada además porque el motor de combustión externa es un motor de ciclo Stirling.