專利名稱：電力產(chǎn)生系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用吸氣式發(fā)動機(jī)來驅(qū)動發(fā)電機(jī)的電力產(chǎn)生，該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流以用于供應(yīng)給負(fù)載。本發(fā)明的特定實施例涉及采用由小型渦輪發(fā)動機(jī)動力驅(qū)動的發(fā)電機(jī)的電力產(chǎn)生。
背景技術(shù)：
多年來，分布式發(fā)電這個概念是許多討論的主題，但迄今為止還沒有廣泛應(yīng)用分布式發(fā)電系統(tǒng)。分布式發(fā)電指的是在需要電能的場合采用小型發(fā)電系統(tǒng)，從而與傳統(tǒng)的公共電網(wǎng)系統(tǒng)不同，在傳統(tǒng)的公共電網(wǎng)系統(tǒng)中，大型的中央電廠產(chǎn)生電力，然后通過電力傳輸線路系統(tǒng)(通常稱為電網(wǎng))將這些電力傳輸經(jīng)過相當(dāng)?shù)木嚯x，從而供應(yīng)給多個用戶。與由公共事業(yè)運(yùn)作的、通常產(chǎn)生數(shù)兆瓦功率的傳統(tǒng)電廠不同，分布式發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)模上一般低于兩兆瓦，通常在60至600千瓦的范圍內(nèi)。
分布式發(fā)電之所以沒有廣泛普及的原因主要在于成本。在美國的大多數(shù)區(qū)域內(nèi)，也正如在世界上的許多地方，對大多數(shù)用戶來說，從電網(wǎng)購買電力顯然比投資和運(yùn)營分布式發(fā)電系統(tǒng)廉價。促使分布式發(fā)電系統(tǒng)的電力成本相對較高的主要因素在于這些系統(tǒng)內(nèi)采用的小型發(fā)動機(jī)相對低的效率，尤其在部分負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)下更是如此。
分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)通常由小型的渦輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動，這種小型渦輪發(fā)動機(jī)根據(jù)其尺寸經(jīng)常被稱為微型渦輪機(jī)或小型渦輪機(jī)。渦輪發(fā)動機(jī)一般包括燃燒室，該燃燒室用于燃燒燃料與空氣的混合物，通過將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，以產(chǎn)生熱的氣體；渦輪，該渦輪使熱氣體膨脹以使該渦輪安裝在其上的軸旋轉(zhuǎn)；以及壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)安裝在所述軸上或與該軸接合，并可被操作用于壓縮將供應(yīng)至燃燒室的空氣。因為分布式發(fā)電系統(tǒng)所需要的電量相對較小，所以渦輪發(fā)動機(jī)也相應(yīng)的較小。由于與發(fā)動機(jī)內(nèi)部發(fā)生的空氣動力學(xué)過程相關(guān)的原因以及其它原因，渦輪發(fā)動機(jī)的效率傾向于隨著發(fā)動機(jī)尺寸的減小而降低。因此，與較大的發(fā)動機(jī)相比，微型渦輪機(jī)和小型渦輪機(jī)自然具有效率不高的缺點(diǎn)。
而且，與尺寸無關(guān)，渦輪發(fā)動機(jī)在部分負(fù)載下的效率眾所周知是較低的，這一般是因為發(fā)動機(jī)在部分負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行的特定方式。更具體地說，在渦輪發(fā)動機(jī)內(nèi)的情形通常是這樣的，即渦輪入口溫度隨著發(fā)動機(jī)的功率輸出減小到低于“設(shè)計”而下降，該渦輪入口溫度大體上代表了發(fā)動機(jī)循環(huán)內(nèi)的工作流體的峰值溫度。設(shè)計點(diǎn)通常為百分之百負(fù)載的狀態(tài)，而且通常將發(fā)動機(jī)設(shè)計成使其峰值效率大致發(fā)生在設(shè)計點(diǎn)。眾所周知的是，影響發(fā)動機(jī)熱力學(xué)循環(huán)的效率的主要變量為工作流體的峰值溫度。如果其它條件相同，則峰值溫度越高，效率就越高；相反地，峰值溫度越低，效率就越低。因此，如果以這樣的方式控制在部分負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，即，使得工作流體在循環(huán)中的峰值有效溫度(即，渦輪入口溫度)比設(shè)計點(diǎn)上的溫度低很多，那么發(fā)動機(jī)的效率就傾向于要受到很大程度的損失。
在一些現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)中，特別是在用于推進(jìn)的飛行器燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)以及用于定速發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的大型燃?xì)廨啓C(jī)中，在部分負(fù)載狀態(tài)下采用了可變幾何形狀的系統(tǒng)以減小空氣流量，從而發(fā)動機(jī)效率不會過度損失。例如，已經(jīng)在軸流壓縮機(jī)中采用了可變的進(jìn)口導(dǎo)向葉片(IGV)；在部分負(fù)載的狀態(tài)下，對于給定的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速而關(guān)閉IGV以減小空氣流量。在離心式壓縮機(jī)中，有時將定子葉片做成是可變的，以達(dá)到類似的效果。在其他的情形下，采用可變的第一級渦輪葉片或噴管來控制渦輪的轉(zhuǎn)速，從而控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速以控制空氣流量。這些可變幾何形狀的系統(tǒng)是昂貴的，而且軸承和其它可運(yùn)動部件易于磨損，從而使得對每年必須有較高比例的運(yùn)行小時、如有需要必須能基本持續(xù)運(yùn)行、而且還必須對所服務(wù)的負(fù)載所需功率的變化作出快速響應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng)來說，這些系統(tǒng)是不實用的。而且，在微型渦輪機(jī)和小型渦輪機(jī)中，由于發(fā)動機(jī)尺寸較小，所以采用可變幾何形狀的機(jī)構(gòu)是不現(xiàn)實的。因此，需求一種取代可變幾何形狀方法的方法，以使發(fā)動機(jī)性能在部分負(fù)載狀態(tài)下最佳。
排放物(包括但不限于氮氧化物、未燃燒的碳?xì)浠衔铩⒁约耙谎趸?是分布式發(fā)電的、已經(jīng)被證明為具有挑戰(zhàn)性的另一方面。一般地，對于給定的功率輸出，通過使燃料的燃燒溫度(也稱為火焰溫度)最低，會傾向于使NOx的排放減少或使其最低，該燃料的燃燒溫度一般比熱力學(xué)峰值溫度(渦輪入口溫度)高，從而減小了氮氧化物的產(chǎn)生，但沒有不利地影響效率。降低火焰溫度的主要方法為在燃燒室區(qū)域之前使燃料和空氣預(yù)混合，以產(chǎn)生燃料-空氣比相對較高的混合物，即貧氣混合物。預(yù)混合也確保了整個火焰區(qū)域的溫度非常接近于均勻，而沒有能導(dǎo)致局部產(chǎn)生NOx的熱點(diǎn)。然而，當(dāng)混合物更加貧氣時，一氧化碳(CO)、未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC)、以及壓力波動就會增加。當(dāng)還使混合物更加貧氣時，這些趨勢會持續(xù)，而火焰區(qū)域變得更加不穩(wěn)定，直到達(dá)到了貧氣熄火極限(lean extinction limit)。對任何比該極限還貧氣的混合物，就不能維持火焰。實際上，在達(dá)到貧氣熄火極限之前，一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔锏呐欧藕?或壓力脈動就會變成高得不能接受。
可通過提高燃燒室的入口溫度和通過采用催化燃燒而使貧氣熄火極限移動到較為貧氣的范圍。采用催化燃燒極大地增加了貧氣預(yù)混燃燒的運(yùn)行范圍，從而導(dǎo)致非常低的NOx排放、可接受的CO及UHC排放，并且大致沒有壓力脈動。然而，催化燃燒卻對運(yùn)行帶來了其它限制，稱為催化活性下限。為了維持催化燃燒，催化燃燒室的入口溫度必須保持在該下限之上。
在許多傳統(tǒng)的微型渦輪機(jī)中，對發(fā)動機(jī)的控制使得在部分負(fù)載狀態(tài)下，燃燒室入口溫度傾向于下降，而燃料/空氣混合物變得更加貧氣。在傳統(tǒng)的貧氣預(yù)混燃燒的情形中，這傾向于導(dǎo)致排放增加；在催化燃燒的情形中，下降的燃燒室入口溫度會導(dǎo)致不能維持催化燃燒。實際上，因為在負(fù)載減小時，下降的燃燒室入口溫度以及逐步變得貧氣的狀態(tài)起到了主導(dǎo)作用，所以只能在燃?xì)廨啓C(jī)的一部分負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行貧氣預(yù)混燃燒和催化燃燒。
在一些情形中，在燃燒室之前采用了預(yù)燃燒室來提高燃燒室入口溫度。此外，采用了可變幾何形狀的燃燒室，其中將一部分空氣轉(zhuǎn)移到燃燒室周圍，以將燃料/空氣比維持在允許運(yùn)行穩(wěn)定性的水平上。預(yù)燃燒室的解決方案造成可靠性的損失，因為預(yù)燃燒室的過高溫度或其它失效會損壞主燃燒室，而且還增加了系統(tǒng)的成本。此外，該解決方案由于經(jīng)過預(yù)燃燒室產(chǎn)生的壓力損失而導(dǎo)致了運(yùn)行成本增加的代價；即使在不使用預(yù)燃燒室時，也會產(chǎn)生該壓力損失。除了在維持燃料/空氣比中采用可變幾何形狀之外，還能運(yùn)用可變幾何形狀來消除壓力損失的代價。然而，可變幾何形狀的解決方案費(fèi)用高而且復(fù)雜，并易于過度磨損，從而降低了可靠性并增加了維護(hù)費(fèi)用。
對許多潛在用戶而言，這些因素組合起來使得通過分布式發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電力不如從大型公用電網(wǎng)購買電力有吸引力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供電力產(chǎn)生系統(tǒng)和方法來解決以上需求并獲得了其它優(yōu)點(diǎn)，其中，在任何運(yùn)行狀態(tài)下，對于給定的功率輸出，通過以這樣的方式對通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制，即控制所述燃料/空氣比以維持傳輸?shù)剿霭l(fā)動機(jī)內(nèi)的工作流體的高峰值溫度，而大大地優(yōu)化所述發(fā)動機(jī)的效率。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)不需要所述發(fā)動機(jī)內(nèi)可變幾何形狀的機(jī)構(gòu)、不需要可變幾何形狀的燃燒室，還使對預(yù)燃燒室的需求降到最低。本發(fā)明可應(yīng)用到在低的燃料/空氣比下運(yùn)行的各種類型的吸氣式發(fā)動機(jī)，包括但不限于旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)(如渦輪發(fā)動機(jī))以及往復(fù)式發(fā)動機(jī)(如自由活塞式發(fā)動機(jī))。
根據(jù)本發(fā)明的方法方面，提供一種用于提高發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的吸氣式發(fā)動機(jī)的部分負(fù)載效率的方法。該系統(tǒng)具有與所述發(fā)動機(jī)機(jī)械連通的可動軸以及與所述發(fā)動機(jī)接合的燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作從而以控制的燃料流量向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，所述發(fā)動機(jī)設(shè)計成使所述發(fā)動機(jī)的峰值熱力學(xué)效率大致與所述發(fā)動機(jī)的百分之百負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)一致。該系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)，其接合到所述軸上，從而在所述發(fā)動機(jī)作用下的所述軸的運(yùn)動使所述發(fā)電機(jī)操作，從而產(chǎn)生交流電流，而且連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，使得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并因此引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化。該方法包括以下步驟在部分負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行所述發(fā)動機(jī)；以及在所述部分負(fù)載狀態(tài)下控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，與此同時，控制至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量，從而以這樣的方式控制燃料/空氣比，即，使得所述發(fā)動機(jī)的峰值循環(huán)溫度大致與對應(yīng)于百分之百負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)的峰值循環(huán)溫度相同。換言之，在負(fù)載減小到低于百分之百負(fù)載狀態(tài)時，不允許所述峰值循環(huán)溫度降低相當(dāng)大的程度(盡管在非常低的負(fù)載狀態(tài)下，如以下將進(jìn)一步描述的那樣，可允許所述峰值循環(huán)溫度下降)。通過控制燃料/空氣比、主要是通過控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流來實現(xiàn)這一點(diǎn)。因為所述空氣流量是所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，能夠通過控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來對所述空氣流量進(jìn)行控制。
在一個實施例中，對所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的步驟包括對所述發(fā)電機(jī)下游的電流電平進(jìn)行控制。這可以這樣實現(xiàn)，即通過將來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流，然后將該直流電流轉(zhuǎn)化為固定頻率(與所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān))的交流電流；所述固定頻率的交流電流然后將被供應(yīng)至所述負(fù)載。通過在所述交流至直流轉(zhuǎn)化中采用主動的(active)電流控制，所述直流電流的電平得到控制，從而控制所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。例如，在大致恒定的燃料流量下，通過減小直流電流，軸上的負(fù)載減小，因此所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而輸出電壓增加以維持總體的能量平衡；相反地，所述直流電流的增加使得軸上的載荷增加，從而所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。
在采用具有激勵系統(tǒng)的線圈發(fā)電機(jī)時，通過對該激勵系統(tǒng)的控制，至少可部分地實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制?？商鎿Q地，通過如上所述控制交流/直流轉(zhuǎn)換器可對線圈發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，或者可以采用控制所述激勵系統(tǒng)和控制所述交流/直流轉(zhuǎn)換器的組合。
在本發(fā)明的另一實施例中，采用同流換熱器對混合有燃料的空氣進(jìn)行預(yù)熱，或?qū)諝?燃料混合物進(jìn)行預(yù)熱；該同流換熱器在所述空氣或混合物與從所述發(fā)動機(jī)排出的廢氣之間引起熱交換。在非常低的部分負(fù)載狀態(tài)下，如果峰值循環(huán)溫度維持在與百分之百負(fù)載點(diǎn)相同的水平上，進(jìn)入所述同流換熱器的廢氣的溫度將超過最大許可值(例如由材料極限決定)。因此，根據(jù)本發(fā)明，在這樣的情形下，對所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而以這樣的方式對通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，并因而對燃料/空氣比進(jìn)行控制，即允許所述峰值循環(huán)溫度下降到低于與百分之百負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的峰值循環(huán)溫度；因而，進(jìn)入所述同流換熱器的廢氣的溫度并不超過所述預(yù)定的最大許可值。
在本發(fā)明的另一方面，燃料在催化燃燒室內(nèi)燃燒，該催化燃燒室具有用于維持燃燒室內(nèi)催化反應(yīng)所需的預(yù)定的最低入口溫度。在許多傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)控制方案中，在發(fā)電機(jī)負(fù)載下降到低于百分之百負(fù)載狀態(tài)時，所述燃燒室入口溫度傾向于下降；因此，溫度有可能下降到低于催化反應(yīng)所需的最低溫度。根據(jù)本發(fā)明，以這樣的方式對燃料/空氣比進(jìn)行控制，即，在部分負(fù)載狀態(tài)下，使得燃燒室入口溫度至少與所述預(yù)定的最低入口溫度一樣高。在一個實施例中，以這樣的方式對燃料/空氣比進(jìn)行控制，即，使得在部分負(fù)載狀態(tài)下燃燒室的入口溫度比百分之百負(fù)載狀態(tài)下的入口溫度高。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于產(chǎn)生供應(yīng)給負(fù)載的電力的系統(tǒng)包括與可動軸機(jī)械連通的吸氣式發(fā)動機(jī)。發(fā)電機(jī)接合到所述軸上，從而所述軸在所述發(fā)動機(jī)作用下的運(yùn)動使所述發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而產(chǎn)生交流電流。連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，從而使所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并因此引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化。該系統(tǒng)還包括燃料系統(tǒng)，其與所述發(fā)動機(jī)接合并可操作以將燃料提供到所述發(fā)動機(jī)，該燃料系統(tǒng)對燃料控制信號作出響應(yīng)從而改變至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量；以及至少一個發(fā)動機(jī)傳感器，該發(fā)動機(jī)傳感器可操作以測量至少一個與所述發(fā)動機(jī)相關(guān)并表示所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率的熱力學(xué)變量。
電力電子單元接合到所述發(fā)電機(jī)上，用于接收來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流，并合成預(yù)定頻率的交流輸出電流，以供應(yīng)給負(fù)載。在一個實施例中的電力電子單元包括交流/直流模塊，其構(gòu)造并設(shè)置成對來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流進(jìn)行操作，從而產(chǎn)生非交流電壓下的非交流的直流電流；以及直流/交流模塊，其構(gòu)造并設(shè)置成對非交流的直流電流進(jìn)行操作，從而合成預(yù)定頻率且相對相位下的交流輸出電流和電壓，以供應(yīng)給負(fù)載。在一個實施例中，該交流/直流模塊能對電流控制信號作出響應(yīng)，以獨(dú)立于來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流而改變所述非交流的直流電流的電平。
該系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)功率傳感器，該發(fā)電機(jī)功率傳感器可操作以測量系統(tǒng)的功率輸出；以及負(fù)載功率傳感器，該負(fù)載功率傳感器可操作以測量負(fù)載所需的功率?？刂破骺刹僮鞯嘏c所述燃料系統(tǒng)、所述至少一個發(fā)動機(jī)傳感器、所述電力電子單元、所述發(fā)電機(jī)功率傳感器和所述負(fù)載功率傳感器相連接。該控制器可操作以控制燃料系統(tǒng)，從而使得所述系統(tǒng)的功率輸出大致與所述負(fù)載所需的功率相匹配，并同時控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而以這樣的方式控制所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(因而控制空氣流量)，即，使得在所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的混合物的燃料/空氣比被控制成大致使所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率最高。
在可主動控制的交流/直流模塊的情形下，能通過對來自所述電力電子單元的交流/直流模塊的非交流直流電流的電平進(jìn)行控制而實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在發(fā)電機(jī)為具有激勵系統(tǒng)的線圈發(fā)電機(jī)的另一實施例中，可操作控制系統(tǒng)，以對所述激勵系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并因而控制空氣流量。
在上述的系統(tǒng)中，根據(jù)本發(fā)明的另一種方法包括以下步驟確定負(fù)載所需的功率；測量至少一個與所述發(fā)動機(jī)相關(guān)并表示所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率的熱力學(xué)變量；控制燃料供應(yīng)系統(tǒng)，從而以控制的燃料流量向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，使得所述系統(tǒng)的電功率輸出與所述負(fù)載所需的功率大致匹配；以及獨(dú)立于所述系統(tǒng)的電功率輸出而控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，從而以這樣的方式控制在所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的混合物的燃料/空氣比，即，使得所述發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)效率最佳，與此同時大致滿足所述負(fù)載所需的功率，而通過電控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制空氣流量，并因此控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量。
在對本發(fā)明進(jìn)行了一般性描述后，現(xiàn)在將參考附圖，這些附圖并一定是按比例繪制的，在這些附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的發(fā)電系統(tǒng)的示例性視圖；圖2是作為發(fā)電機(jī)相對負(fù)載的函數(shù)的發(fā)動機(jī)內(nèi)各個點(diǎn)處的溫度的曲線，對現(xiàn)有技術(shù)的控制方法(虛線)以及根據(jù)本發(fā)明一個實施例的控制方法(實線)進(jìn)行了比較；而圖3為燃料/空氣比對發(fā)電機(jī)相對負(fù)載的曲線，對現(xiàn)有技術(shù)的控制方法(虛線)以及根據(jù)本發(fā)明一個實施例的控制方法(實線)進(jìn)行了比較。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更加完全地描述本發(fā)明，在這些附圖中示出了本發(fā)明的一些而非所有的實施例。當(dāng)然，可以通過許多不同的形式實現(xiàn)這些發(fā)明，而不應(yīng)視為限制在這里所闡明的實施例中；相反地，提出這些實施例從而使本公開滿足適用的法律規(guī)定。在全文中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。
在圖1中示例性示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的發(fā)電系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括吸氣式發(fā)動機(jī)20，該吸氣式發(fā)動機(jī)20燃燒燃料與空氣的混合物，以產(chǎn)生熱的燃?xì)?，該燃?xì)怆S后膨脹以產(chǎn)生機(jī)械能。在示出的實施例中，所述發(fā)動機(jī)由渦輪發(fā)動機(jī)構(gòu)成，該渦輪發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)22，其安裝在可旋轉(zhuǎn)軸24的一端上；渦輪26，其安裝在所述軸的另一端上；以及燃燒室28，用于燃燒燃料/空氣混合物。該燃燒室可以為各種類型，包括但不限于擴(kuò)散火焰型、催化型、貧氣預(yù)混合型等。將燃料和空氣的混合物供應(yīng)給燃燒室。空氣首先被壓縮機(jī)加壓。燃料/空氣混合物在燃燒室內(nèi)燃燒，并將熱的燃?xì)夤?yīng)給渦輪，該渦輪使氣體膨脹，從而引起渦輪被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。渦輪隨之使軸旋轉(zhuǎn)，該軸驅(qū)動壓縮機(jī)。
該系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)30，該發(fā)電機(jī)以這樣的方式與軸24連通，即軸的運(yùn)動使得發(fā)電機(jī)將被驅(qū)動。在示出的實施例中，其中軸是可旋轉(zhuǎn)的，發(fā)電機(jī)同樣是可旋轉(zhuǎn)的，而且軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被傳動到發(fā)電機(jī)上。發(fā)電機(jī)可直接安裝在或連接到軸上，從而在軸和發(fā)電機(jī)之間存在一一對應(yīng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系，或者能通過傳動機(jī)構(gòu)等連接發(fā)電機(jī)和軸，從而存在不同的轉(zhuǎn)速關(guān)系。軸還可以往復(fù)運(yùn)動而不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且發(fā)電機(jī)為往復(fù)式或為旋轉(zhuǎn)式。在任何情形下，發(fā)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速決定了軸的轉(zhuǎn)速，從而決定了發(fā)動機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。
發(fā)電機(jī)30可以是多種類型，包括永磁發(fā)電機(jī)或線圈發(fā)電機(jī)，或兩者的組合。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電流和電壓。如以下進(jìn)一步描述的那樣，在示出的實施例中，電力電子設(shè)備對來自發(fā)電機(jī)的交流電流進(jìn)行操作，以產(chǎn)生預(yù)定的固定頻率和相位關(guān)系的交流輸出電流和電壓，用于供應(yīng)至負(fù)載。
系統(tǒng)10還包括用于將燃料供應(yīng)至燃燒室28的燃料系統(tǒng)。該燃料系統(tǒng)通常包括燃料泵(未示出)以及燃料計量閥32，由合適的控制信號34對該燃料計量閥32進(jìn)行控制，以控制燃料流量?？刂葡到y(tǒng)40連接到燃料計量閥32上以對其運(yùn)行進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)還執(zhí)行如以下將進(jìn)一步描述的其它功能。
系統(tǒng)10還包括可選的同流換熱器50，其包括熱交換器，該熱交換器用于在將空氣供應(yīng)到燃燒室之前，將熱從發(fā)動機(jī)排氣52傳輸至從壓縮機(jī)22排出的壓縮空氣54。如在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的那樣，同流換熱器攝取一些廢熱(否則這些廢熱將被浪費(fèi))，并將這些廢熱用于對燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱，從而提高了發(fā)動機(jī)的整體效率。
應(yīng)注意，系統(tǒng)10還包括電力電子設(shè)備。在示出的實施例中，該電力電子設(shè)備包括交流/直流變換器60以及直流/交流模塊或逆變器70。該交流/直流變換器60能包括任何合適的變換器，該變換器可操作以將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電流(其頻率隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變而變化)轉(zhuǎn)換為非交流的直流電流，而且可進(jìn)一步以電流控制模式來操作該變換器，從而獨(dú)立于交流輸入電流的特性對直流電流的電平進(jìn)行控制(在一定限度內(nèi))。通常，這種主動的電流控制基于脈寬調(diào)制(PWM)方案，該脈寬調(diào)制方案利用在高頻率下執(zhí)行開關(guān)操作、并有效地允許電流僅在輸入電流波形的每個周期的一部分內(nèi)通過的半導(dǎo)體開關(guān)裝置。這個允許電流在期間通過的“時間窗口”可以在持續(xù)期間變換，從而改變所述變換器的“平均”電流輸出。
然后，直流/交流模塊或逆變器70對交流/直流變換器60的輸出進(jìn)行處理，從而以固定的頻率合成交流輸出電流。在許多國家中，標(biāo)準(zhǔn)的電源頻率為60周期每秒，而在另一些國家為50周期每秒。選擇逆變器的輸出頻率以與系統(tǒng)10將要在該處運(yùn)行的特定地點(diǎn)內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)電源頻率匹配。
系統(tǒng)10還包括大量連接到控制系統(tǒng)40上的傳感器，用于測量各種參數(shù)。例如，輸出功率表72用于測量系統(tǒng)產(chǎn)生了多少電功率。一個或多個發(fā)動機(jī)傳感器74對一個或多個與發(fā)電機(jī)循環(huán)相關(guān)聯(lián)的熱力學(xué)變量進(jìn)行監(jiān)控。采用這些熱力學(xué)變量來確定發(fā)動機(jī)在何處運(yùn)行在其“路線圖”上，即確定發(fā)動機(jī)是在其設(shè)計點(diǎn)上或在其設(shè)計點(diǎn)附近運(yùn)行，還是偏離了設(shè)計點(diǎn)。例如，渦輪入口溫度傳感器能用于測量渦輪入口的溫度。如以上所指出的那樣，渦輪入口溫度代表發(fā)動機(jī)內(nèi)工作流體的峰值溫度，并通常與發(fā)動機(jī)的整體效率相關(guān)。從而，通過測量渦輪入口溫度以及其它參數(shù)，能推斷出發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率。
傳感器76對廢氣流中的同流換熱器50的入口溫度進(jìn)行測量。在部分負(fù)載的狀態(tài)下，如果沒有正確地控制發(fā)動機(jī)，則同流換熱器的入口溫度會超過由材料極限所決定的最高許可水平。因而，將控制系統(tǒng)有利地連接到用于監(jiān)控同流換熱器入口溫度的傳感器76上，而且控制系統(tǒng)對通過發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而防止溫度超過材料極限，與此同時，在這一附加限制之內(nèi)，盡可能高地維持渦輪入口溫度。
并沒有必要實際上對相對熱力學(xué)效率進(jìn)行推斷，而僅僅是測量一個或多個表示發(fā)動機(jī)相對效率或運(yùn)行情況的參數(shù)。如所指出的那樣，例如，對給定的發(fā)動機(jī)功率輸出(因此對于給定的、如功率表72所測量的發(fā)電機(jī)功率輸出)而言，眾所周知的是，一般通過使渦輪入口溫度最高，對發(fā)動機(jī)效率進(jìn)行優(yōu)化。因而，通過控制空氣流量能實現(xiàn)對燃料/空氣比的控制，從而在許可限度內(nèi)使渦輪入口溫度最高。更具體地，為了保持足夠的材料強(qiáng)度以及整體性以避免零件失效，渦輪入口噴管的材料具有不應(yīng)被超過的最高許可溫度。在百分之百負(fù)載的設(shè)計點(diǎn)處，發(fā)動機(jī)一般設(shè)計成使得渦輪入口溫度處于該最高許可溫度或在其附近。對于低負(fù)載的狀態(tài)，可以通過這樣的方式對空氣流進(jìn)行控制，即，使得渦輪入口溫度并不比設(shè)計點(diǎn)溫度低很多。
在系統(tǒng)包括同流換熱器50時，對同流換熱器內(nèi)的材料極限的考慮可能必須偏離這一恒定的渦輪入口溫度操作模式。更具體地，在非常低的部分負(fù)載狀態(tài)下，如果將渦輪的入口溫度維持在與百分之百負(fù)載點(diǎn)相同的水平上，進(jìn)入同流換熱器的排氣溫度會超過由同流換熱器的材料極限所決定的最高許可溫度。因而，根據(jù)本發(fā)明，在這樣的情形下，能控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制通過發(fā)動機(jī)的空氣流量(同時控制至發(fā)動機(jī)的燃料流量)，從而以這樣的方式控制燃料/空氣比，即允許渦輪入口溫度低于與百分之百負(fù)載運(yùn)行狀況相對應(yīng)的溫度。這樣，能防止進(jìn)入同流換熱器的排氣溫度超過預(yù)定的最高許可值。
因此，例如，控制系統(tǒng)40可將渦輪入口溫度對相對的發(fā)電機(jī)負(fù)載的預(yù)定圖形(schedule)存儲在存儲器中。相對的發(fā)電機(jī)負(fù)載(由功率表72所測量的功率輸出反映)通常表示相對的發(fā)動機(jī)負(fù)載，因此指出了發(fā)動機(jī)在其路線圖上運(yùn)行在何處?？刂葡到y(tǒng)40可采用合適的控制算法，從而以這樣的方式控制空氣流(通過以某些合適的方式對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，例如通過控制來自交流/直流變換器60的直流電流)，即，使得渦輪入口溫度與預(yù)定圖形所決定的值大致匹配。這只是一種可能控制方案的簡單實例，可采用根據(jù)本發(fā)明的其它方案。
圖2示出了這一渦輪入口溫度對相對的發(fā)電機(jī)負(fù)載的可能圖形，并對系統(tǒng)10內(nèi)不同點(diǎn)處的各個溫度(實線)與如果采用現(xiàn)有技術(shù)類型的控制方法將存在的對應(yīng)溫度(虛線)進(jìn)行了比較。根據(jù)本發(fā)明，在百分之百的相對發(fā)電機(jī)負(fù)載值(即發(fā)電機(jī)的設(shè)計點(diǎn))，渦輪入口溫度大致等于約1200K的最高許可渦輪入口溫度。渦輪入口溫度維持在這一值上，直到約百分之四十的相對的發(fā)電機(jī)負(fù)載。相反地，在現(xiàn)有技術(shù)的控制方法中，渦輪入口溫度在負(fù)載低于百分之百時穩(wěn)定下降。因此，在相同的相對負(fù)載下，根據(jù)本發(fā)明的控制方案的發(fā)動機(jī)整體效率比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)控制方案的發(fā)動機(jī)整體效率高。
在相對負(fù)載為百分之四十時，可以看到，渦輪出口溫度(其基本上與同流換熱器的入口溫度相等)已經(jīng)上升到約900K的同流換熱器最高許可溫度。在負(fù)載進(jìn)一步降低時，如果將渦輪入口溫度維持在大約1200K，則渦輪出口溫度將超過同流換熱器的最高許可溫度。因而，根據(jù)本發(fā)明，允許渦輪入口溫度下降到低于1200K。
在燃燒室28為催化燃燒室時，會出現(xiàn)另外一個能影響控制圖形的因素。如所指出的那樣，催化燃燒室具有最低的入口溫度，必須保持該最低的入口溫度以維持催化反應(yīng)。在現(xiàn)有技術(shù)的控制方法中，可從圖2中看到，在相對負(fù)載低于百分之五十時，燃燒室入口溫度下降到低于約800K的這一最低溫度。然而，根據(jù)本發(fā)明，燃燒室入口溫度從百分之百負(fù)載點(diǎn)處的約800K上升到百分之四十負(fù)載點(diǎn)處的約860K。在低于百分之四十負(fù)載時，燃燒室入口溫度保持為大約恒定，約為860K。從而本發(fā)明實現(xiàn)了在部分負(fù)載狀態(tài)下的效率提高，與此同時允許催化燃燒室在所有運(yùn)行點(diǎn)上正常運(yùn)行。
圖3示出了在采用空氣流控制的本發(fā)明控制方法中以及在不采用空氣流控制的現(xiàn)有技術(shù)的控制方法中，燃料/空氣比是如何變化的。在流動控制的情形中，部分負(fù)載狀態(tài)下的燃料/空氣比通常明顯高于現(xiàn)有技術(shù)方法中的燃料/空氣比。采用流動控制的較高燃料/空氣比反映了這一事實，即空氣流量比現(xiàn)有技術(shù)方法中的低。從百分之百負(fù)載到百分之四十負(fù)載，采用流動控制的燃料/空氣比以相對較低的速率下降；其結(jié)果為渦輪入口溫度大致保持為恒定，如在圖2中已經(jīng)指出的那樣。在低于百分之四十負(fù)載時，采用流動控制的燃料/空氣以高得多的速率下降。
從圖2中還注意到，在本發(fā)明的控制方法中，燃燒室入口溫度一般比現(xiàn)有技術(shù)方法中的高。有利地，較高的燃料/空氣比以及較高的燃燒室入口溫度一般有利于預(yù)混合的低排放燃燒室的低排放。
上文所描述的控制方案假設(shè)可直接測量渦輪入口溫度，并將其用作控制參數(shù)。然而，在一些情形下，由于極端的使用環(huán)境，在該環(huán)境下渦輪入口溫度傳感器不得不運(yùn)行，所以測量渦輪入口溫度可能是不實際的。因而，可替換地，可測量發(fā)動機(jī)循環(huán)中的其它熱力學(xué)變量，并在循環(huán)計算的基礎(chǔ)上推斷得出渦輪入口溫度。作為另外又一可替換方案，控制系統(tǒng)能存儲合適的控制參數(shù)(如發(fā)動機(jī)空氣流量)對相對的發(fā)電機(jī)負(fù)載的圖形，而且能測量熱力學(xué)變量，從而可推出控制參數(shù)；然后控制系統(tǒng)將驅(qū)動實際的(即推出的)控制參數(shù)，使之大致等于規(guī)定值。
所采用的具體控制方法以及為實現(xiàn)該方法所測量的參數(shù)并不重要。本發(fā)明的基本概念要求對通過發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制，作為提高或優(yōu)化對于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)10的任何給定功率輸出的發(fā)動機(jī)整體效率的手段。
同時，在負(fù)載跟蹤操作模式中，必須對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)10的功率輸出進(jìn)行控制，以使之與負(fù)載所需的功率匹配。功率輸出主要是燃料流量的函數(shù)。因而，在負(fù)載跟蹤模式中，控制系統(tǒng)40同時如上所述對空氣流進(jìn)行控制，與此同時還控制功率輸出(如由功率表72所測量的)，以滿足需求。負(fù)載跟蹤控制方法是眾所周知的，從而在此不進(jìn)一步加以描述。
系統(tǒng)10還可以根據(jù)特定的應(yīng)用以不同于負(fù)載跟蹤的模式運(yùn)行。在這些情形下，仍可應(yīng)用已經(jīng)描述的相同類型的空氣流動控制。
上述的系統(tǒng)10具有單路式渦輪發(fā)動機(jī)20。然而，本發(fā)明不限于任何具體類型的吸氣式發(fā)動機(jī)?？梢圆捎枚嗦肥綔u輪發(fā)動機(jī)、具有自由渦輪的渦輪發(fā)動機(jī)、旋轉(zhuǎn)燃燒室(如汪克爾(Wankel))發(fā)動機(jī)、往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)以及其它發(fā)動機(jī)。在任一情形下，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對通過發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制。
發(fā)電機(jī)30可為各種類型，包括永磁發(fā)電機(jī)和線圈發(fā)電機(jī)。上述系統(tǒng)10的實施例假設(shè)發(fā)電機(jī)30為其中沒有激勵系統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)。另一方面，在線圈發(fā)電機(jī)的情形中，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，發(fā)電機(jī)需要激勵系統(tǒng)80(圖1)，用于向轉(zhuǎn)子線圈提供激勵電流。該激勵系統(tǒng)可包括例如安裝在與轉(zhuǎn)子相同的軸上或者機(jī)械地接合(如通過傳動皮帶)到轉(zhuǎn)子軸上的小型發(fā)電機(jī)。
無論發(fā)電機(jī)類型如何，本發(fā)明要求對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行電控制，從而對通過發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制，由此優(yōu)化發(fā)動機(jī)效率，并可能獲得如上所述的其它效果。在永磁發(fā)電機(jī)的情形中，如已經(jīng)描述的那樣，通過控制交流/直流變換器或整流器60來實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的控制。在線圈發(fā)電機(jī)的情形中，可以采用多種控制方案。在一個方案中，控制系統(tǒng)40(經(jīng)由控制線路82)控制激勵系統(tǒng)80，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。可以不需要交流/直流和直流/交流轉(zhuǎn)換，而可以采用交流/交流變換器來以所需頻率合成交流輸出電流，用于供應(yīng)給負(fù)載?？商鎿Q地，可如上所述的那樣，采用交流/直流和直流/交流變換器，在這一情形下，不必須對交流/直流變換器進(jìn)行電流控制，這是因為通過控制激勵系統(tǒng)執(zhí)行了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
在另一方案中，可通過對激勵系統(tǒng)進(jìn)行控制以及對交流/直流變換器進(jìn)行控制的組合來實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在又一方案中，如已經(jīng)描述的那樣，僅僅通過控制交流/直流變換器而對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。
如何控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的細(xì)節(jié)對本發(fā)明并不重要，根據(jù)本發(fā)明可采用各種方案來實現(xiàn)這一點(diǎn)。
有利地，本發(fā)明允許對具有固定幾何形狀的壓縮機(jī)、渦輪、和燃燒室部件的發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)進(jìn)行控制。
本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將明白這里所闡明的這些發(fā)明的許多改進(jìn)和其它實施例，對他們而言，這些發(fā)明具有體現(xiàn)在上述說明和附圖中的講解的優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)理解，這些發(fā)明不限于所公開的特定實施例，而是改進(jìn)的和其它實施例將包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。盡管在這里采用了特定的術(shù)語，但僅是以一般的和描述性的方式而不是為了限制的目的應(yīng)用這些術(shù)語。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生供應(yīng)給負(fù)載的電力的系統(tǒng)，其包括吸氣式發(fā)動機(jī)，其與可動軸機(jī)械地連通，該發(fā)動機(jī)構(gòu)造并設(shè)置成接收空氣與燃料的混合物，并使該混合物燃燒，以使該混合物膨脹并產(chǎn)生用來驅(qū)動所述軸的機(jī)械能；燃料系統(tǒng)，其與所述發(fā)動機(jī)接合并可操作以將燃料供應(yīng)給所述發(fā)動機(jī)，該燃料系統(tǒng)對燃料控制信號作出響應(yīng)以改變至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量；至少一個發(fā)動機(jī)傳感器，其可操作以測量至少一個與所述發(fā)動機(jī)相關(guān)并表示所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率的熱力學(xué)變量；發(fā)電機(jī)，其接合到所述軸上，從而所述軸在所述發(fā)動機(jī)作用下的運(yùn)動引起所述發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而產(chǎn)生交流電流，連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，從而所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并因此引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化；電力電子單元，其接合到所述發(fā)電機(jī)上，用于接收來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流，該電力電子單元可操作從而以預(yù)定的頻率和相對相位合成交流輸出電流和電壓，以供應(yīng)給負(fù)載；發(fā)電機(jī)功率傳感器，其可操作以測量發(fā)電機(jī)的功率輸出；負(fù)載功率傳感器，其可操作以測量負(fù)載所需的功率；以及控制器，其可操作地與所述燃料系統(tǒng)、所述至少一個發(fā)動機(jī)傳感器、所述電力電子單元、所述發(fā)電機(jī)功率傳感器和所述負(fù)載功率傳感器相連接，該控制器可操作以控制所述燃料系統(tǒng)，從而使得所述系統(tǒng)的功率輸出大致與所述負(fù)載所需的功率相匹配，并同時電控制所述發(fā)電機(jī)，以調(diào)節(jié)所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而以這樣的方式控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，即，將在所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的混合物的燃料/空氣比控制成大致使所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率最高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電力電子單元包括交流/直流模塊，其構(gòu)造并設(shè)置成對來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流進(jìn)行操作，從而產(chǎn)生非交流電壓下的非交流直流電流；以及直流/交流模塊，其構(gòu)造并設(shè)置成對非交流的直流電流進(jìn)行操作，從而合成供應(yīng)給負(fù)載的交流輸出電流，該交流/直流模塊對電流控制信號作出響應(yīng)，以獨(dú)立于來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流而改變所述非交流直流電流的電平，所述控制系統(tǒng)可操作以向所述交流/直流模塊提供電流控制信號，從而對由交流/直流模塊輸出的直流電流的電平進(jìn)行控制，并由此控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)和軸是可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)包括壓縮裝置，其可操作以壓縮空氣；以及能量裝置，其接收來自所述壓縮裝置的壓縮空氣以及來自所述燃料系統(tǒng)的燃料，并使空氣和燃料的混合物燃燒以產(chǎn)生機(jī)械能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括熱交換器，其設(shè)置成接收來自所述壓縮裝置的壓縮空氣，以及從所述能量裝置排出的廢氣，該熱交換器使得熱從所述廢氣中傳遞至所述壓縮空氣，從而在所述能量裝置中的燃燒之前對所述壓縮空氣進(jìn)行預(yù)熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述能量裝置包括燃燒室，在該燃燒室中，所述空氣和燃料的混合物燃燒以產(chǎn)生熱的氣體；以及膨脹裝置，其用于使熱的氣體膨脹以產(chǎn)生機(jī)械能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹裝置包括渦輪。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪為固定幾何形狀的渦輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮裝置為固定幾何形狀的壓縮機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒室為固定幾何形狀的燃燒室。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒室包括催化燃燒室。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括傳感器，其可操作以測量表示燃燒室入口溫度的變量，且其中所述控制器連接到所述傳感器上并可操作從而以這樣的方式控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流動，即將所述燃燒室入口溫度保持在催化運(yùn)行所需的預(yù)定最低溫度之上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述熱交換器相關(guān)的傳感器，該傳感器可操作以測量表示進(jìn)入所述熱交換器的廢氣溫度的變量，且其中所述控制器連接到與所述熱交換器相關(guān)的所述傳感器上并可操作，以對通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流動進(jìn)行控制，從而將進(jìn)入所述熱交換器的廢氣的溫度保持在預(yù)定的最高溫度之下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)為線圈發(fā)電機(jī)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括可操作以激勵所述發(fā)電機(jī)的激勵系統(tǒng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)可操作以控制所述激勵系統(tǒng)，從而電控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并由此控制空氣流量。
17.一種用于控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)具有吸氣式發(fā)動機(jī)，其與可動軸機(jī)械地連通，該發(fā)動機(jī)構(gòu)造并設(shè)置成接收空氣與燃料的混合物，并使該混合物燃燒，從而使混合物膨脹并產(chǎn)生用來驅(qū)動該軸的機(jī)械能，該系統(tǒng)具有燃料系統(tǒng)，其與所述發(fā)動機(jī)接合并可操作，以將燃料供應(yīng)給所述發(fā)動機(jī)，該燃料系統(tǒng)對燃料控制信號作出響應(yīng)以改變至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量，該系統(tǒng)具有發(fā)電機(jī)，其接合到所述軸上，從而所述軸在所述發(fā)動機(jī)作用下的運(yùn)動使所述發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而產(chǎn)生交流電流，其中連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，從而所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并由此引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化，而且該系統(tǒng)具有電力電子單元，其接合到所述發(fā)電機(jī)上，用于接收來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流，并可操作從而以預(yù)定的頻率和相對相位合成交流輸出電流和電壓，以供應(yīng)給負(fù)載，其中通過至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量大致確定從所述系統(tǒng)輸出的電功率，該方法包括以下步驟確定負(fù)載所需的功率；測量至少一個與所述發(fā)動機(jī)相關(guān)并表示所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率的熱力學(xué)變量；控制燃料供應(yīng)系統(tǒng)，從而以控制的燃料流量向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，使得來自所述系統(tǒng)的電功率輸出與所述負(fù)載所需的功率大致匹配；以及獨(dú)立于所述系統(tǒng)的電功率輸出而控制通過所述發(fā)動機(jī)的所述空氣流量，從而以這樣的方式控制在所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的混合物的燃料/空氣比，即，使得所述發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)效率大致最佳，同時大致滿足所述負(fù)載所需的功率，通過電控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而控制空氣流量，并從而控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在交流/直流模塊中將來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流轉(zhuǎn)化為在非交流電壓下的非交流直流電流，而且在直流/交流模塊中轉(zhuǎn)化來自交流/直流模塊的非交流直流電流，以合成供應(yīng)至所述負(fù)載的交流輸出電流，該交流/直流模塊對電流控制信號作出響應(yīng)，以獨(dú)立于來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流而改變所述非交流直流電流的電平，且其中所述控制空氣流量的步驟包括對來自所述電力電子單元的交流/直流模塊的非交流直流電流進(jìn)行主動控制，從而改變所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并由此改變所述空氣流量。
19.一種用于控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)具有吸氣式發(fā)動機(jī)，其與可動軸機(jī)械連通，將該發(fā)動機(jī)構(gòu)造并設(shè)置成接收空氣與燃料的混合物，并使該混合物燃燒，從而使混合物膨脹并產(chǎn)生用來驅(qū)動該軸的機(jī)械能；該系統(tǒng)具有燃料系統(tǒng)，其與所述發(fā)動機(jī)接合并可操作，以將燃料提供給所述發(fā)動機(jī)，該燃料系統(tǒng)對燃料控制信號作出響應(yīng)以改變至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量；該系統(tǒng)具有發(fā)電機(jī)，其接合到所述軸上，從而所述軸在所述發(fā)動機(jī)作用下的運(yùn)動使所述發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而產(chǎn)生交流電流，其中連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，從而所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并從而引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化；而且其中通過至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量大致確定從所述系統(tǒng)輸出的電功率；該方法包括以下步驟確定負(fù)載所需的功率；測量至少一個與所述發(fā)動機(jī)相關(guān)并反映所述發(fā)動機(jī)的相對熱力學(xué)效率的熱力學(xué)變量；控制燃料供應(yīng)系統(tǒng)，從而以控制的燃料流量向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，使得所述系統(tǒng)的電功率輸出與所述負(fù)載所需的功率大致匹配；對來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流進(jìn)行操作，從而產(chǎn)生非交流電壓下的非交流直流電流；對所述非交流的直流電流進(jìn)行操作，從而以預(yù)定的頻率和相對相位合成交流輸出電流和電壓，用于供應(yīng)給所述負(fù)載；獨(dú)立于所述系統(tǒng)的電功率輸出而控制通過所述發(fā)動機(jī)的所述空氣流量，從而以這樣的方式控制在所述發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒的混合物的燃料/空氣比，即，使得所述發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)效率大致最佳，同時大致滿足所述負(fù)載所需的功率，通過主動控制所述非交流的直流電流而控制空氣流量，以改變所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并從而改變通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，使所述發(fā)動機(jī)熱力學(xué)效率最佳包括使所述發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)的峰值溫度大致與預(yù)定的值匹配。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)包括渦輪發(fā)動機(jī)，該渦輪發(fā)動機(jī)具有壓縮機(jī)，其用于壓縮空氣；燃燒室，其用于使空氣與燃料的混合物燃燒，以產(chǎn)生熱的氣體；以及渦輪，其用于使所述熱的氣體膨脹，且其中使所述發(fā)動機(jī)熱力學(xué)效率最佳包括使渦輪入口溫度大致與預(yù)定的值匹配。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述燃燒室包括催化燃燒室，并且該方法還包括以下步驟測量表示燃燒室入口溫度的變量；和以這樣的方式控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流動，即將所述燃燒室入口溫度保持在催化運(yùn)行所需的預(yù)定最低溫度之上。
23.一種方法，用于提高發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的吸氣式發(fā)動機(jī)的部分負(fù)載效率，該系統(tǒng)具有可動軸，其與所述發(fā)動機(jī)機(jī)械地連通；以及燃料系統(tǒng)，其與所述發(fā)動機(jī)接合并可操作，從而以控制的燃料流量向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，所述發(fā)動機(jī)設(shè)計成使所述發(fā)動機(jī)的峰值熱力學(xué)效率大致與所述發(fā)動機(jī)的設(shè)計點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)一致，該系統(tǒng)具有發(fā)電機(jī)，其接合到所述軸上，從而所述軸在所述發(fā)動機(jī)作用下的運(yùn)動使所述發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而產(chǎn)生交流電流，其中連接所述發(fā)動機(jī)、軸以及發(fā)電機(jī)，從而所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，并由此引起通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量的變化，且其中通過至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量大致確定所述系統(tǒng)的電功率輸出；該方法包括以下步驟在第一部分負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行所述發(fā)動機(jī)；以及在所述第一部分負(fù)載狀態(tài)下，控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，與此同時，控制至所述發(fā)動機(jī)的燃料流量，從而以這樣的方式控制燃料/空氣比，即，使得所述發(fā)動機(jī)的峰值循環(huán)溫度大致與對應(yīng)于所述設(shè)計點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的峰值循環(huán)溫度相同。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于，還包括控制所述燃料流量，以使得所述系統(tǒng)的電功率輸出與所述負(fù)載在部分負(fù)載狀態(tài)下的功率需求大致匹配的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于，對所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的步驟包括對所述發(fā)電機(jī)下游的電流電平進(jìn)行控制。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其特征在于，將來自所述發(fā)電機(jī)的交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流，然后將該直流電流轉(zhuǎn)化為在固定頻率下的交流電流，用于供應(yīng)給負(fù)載，該固定頻率與所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，且其中對所述電流電平進(jìn)行控制的步驟包括控制直流電流的電平。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于，還包括以下步驟采用同流換熱器對供應(yīng)到所述發(fā)電機(jī)的、用于與燃料混合的空氣進(jìn)行預(yù)熱，該同流換熱器引起在所述空氣與從所述發(fā)動機(jī)排出的廢氣之間的熱交換；在低于所述第一部分負(fù)載狀態(tài)的第二部分負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行所述發(fā)動機(jī)；以及在所述第二部分負(fù)載狀態(tài)下，控制所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量，與此同時，控制至所述發(fā)動機(jī)燃料流量，從而以這樣的方式控制燃料/空氣比，即，使得峰值循環(huán)溫度下降到低于與所述設(shè)計點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的峰值循環(huán)溫度，從而使進(jìn)入所述同流換熱器的廢氣的溫度不超過預(yù)定的最高許可值。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于，所述燃料在催化燃燒室內(nèi)燃燒，該催化燃燒室具有用于保持燃燒室內(nèi)的催化反應(yīng)所需的預(yù)定的最低入口溫度，而且其中在所述第一部分負(fù)載狀態(tài)下以這樣的方式控制所述燃料/空氣比，即，使得燃燒室的入口溫度至少與所述預(yù)定的最低入口溫度一樣高。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其特征在于，以這樣的方式控制所述燃料/空氣比，即，使得在所述第一部分負(fù)載狀態(tài)下的所述燃燒室入口溫度比在所述設(shè)計點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)下的所述燃燒室入口溫度高。
全文摘要
一種發(fā)電系統(tǒng)與方法，其中發(fā)電機(jī)由吸氣式發(fā)動機(jī)驅(qū)動。在任何運(yùn)行狀態(tài)下，對于給定的功率輸出，通過以這樣的方式對通過所述發(fā)動機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制，即控制燃料/空氣比以保持傳輸?shù)剿霭l(fā)動機(jī)內(nèi)的工作流體的高峰值溫度，而大致優(yōu)化發(fā)動機(jī)的效率。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)不需要所述發(fā)動機(jī)內(nèi)的可變幾何形狀機(jī)構(gòu)，也不需要可變幾何形狀的燃燒室和預(yù)燃燒室。本發(fā)明可應(yīng)用到在低的燃料/空氣比下運(yùn)行的各種類型的吸氣式發(fā)動機(jī)。
文檔編號F02C9/50GK1816684SQ200480019115
公開日2006年8月9日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者亞歷山大·A·別洛孔, 米哈伊爾·V·先克維奇, 喬治·L·塔奇通三世 申請人:麥斯國際有限公司