专利名称：动力装置和相关控制系统及方法
技术领域：
本发明一般涉及氢动力装置，并且更具体地涉及具有氢燃烧发动机、涡轮增压器和补燃室(或补燃器)的动力装置。
背景技术：
高海拔、长续航时间的飞行器要求极其高效的设计。氢动力的飞行器早已被推荐以限制燃料重量并且由此使续航时间最大化。不管所选择的燃料，必须提供氧化剂，并且如果环境空气是氧化剂，那么在高海拔下它一般必须被压缩。当燃料是氢时，显著量的被压缩空气由发动机保持未燃状态，并且因此对于未燃空气部分，压缩能量可能被浪费。已经建议使用电马达(或电动机)来进行推进，这对于高海拔长续航时间的飞行器是有益的。如果高海拔长续航时间飞行器使用电马达运行，则相当大的电力产生系统是必须的。这种系统必须能够迅速适应变化的动力需求，但是带有重部件的复杂系统是有害的，因为它们限制飞行器的有效载荷(或持续时间)，并且一般具有较低的可靠性。另一方面，更简单的系统在其适应迅速改变的动力要求的能力方面受到限制。常规的涡轮增压发动机一般被设计为使用废气门控制增压。废气门是排气流中的一种可控阀门，其旁通穿过涡轮增压器的排气的一部分，由此提供对涡轮增压器速度的控制并且导致压缩机增压。连续使用废气门能够提供提高动力的即时能力(通过关闭废气门)，但是使用废气门浪费一些能量，否则这些能量可从排气中被回收。在高海拔氢动力装置中，重要的是优化效率，所以涡轮增压器系统一般被布置为通常以零废气门流动运行。由于这一点，不可能通过进一步使用废气门升高增压。因此，存在对于飞行器动力装置的需求，该飞行器动力装置能够提供具有高可靠性的高效动力，同时允许运行水平的迅速变化。本发明的优选实施例满足这些需求和其他需求，并且还提供其他相关的优点。
发明内容
在各种实施例中，本发明解决了以上提到的需求中的一些或者全部，提供能够提供带有高可靠性的高效动力，同时允许运行水平的快速改变的动力装置，并且解决其他相关的问题，例如发动机起动和发动机温度限制问题。本发明的动力装置包括被配置为产生原动力(motive force)的燃烧发动机、被配置为从发动机的原动力中产生动力的发电机。发动机具有入口和出口。发电机被配置为施加可变水平的原动力至发动机。动力装置还包括被配置为控制由发电机施加至所述发动机的原动力的控制系统。动力装置适于控制发电机，使得发电机可在稳态发动机运行期间将发动机速度保持在选择的、基本恒定的速度处，并且适于基于保持可接受的当量比并且最大化整体动力装置的效率在瞬态状态期间改变发动机速度。有利地，这使得发动机运行在提升最大效率和可靠性的被选择的速度处。发动机还被配置为无节流阀，这提高了其重量效率和发动机的可靠性。动力装置还包括具有涡轮机和压缩机的涡轮增压器，以及在发动机和涡轮机之间的排气流中的补燃室。补燃室被配置为使排气流中的额外反应物反应，并且控制系统被配置为通过控制在排气流中反应的额外反应物的量来控制涡轮增压器的运行。有利地，由此产生的额外能量使得补燃室部分或完全向涡轮增压器供应动力，例如在发动机起动期间， 动力水平的转换期间和类似情况期间。产生的增加的空气流动速率还能够用于保持稀燃料水平，并且由此限制发动机排气温度。有利地，本发明的一些方面在不需废气门的情况下提供可实现的运行点的扩展、 在高海拔处重启动发动机的能力以及回收在动力装置核的排气中任何未燃氢的能量含量。结合以示例方式说明本发明原理的附图，本发明的其他特征和优点从以下优选实施例的详细描述变得明显。如在以下阐述以使人能够构建并使用本发明实施例的具体优选实施例的详细描述并不打算限制列举的权利要求，但是意图将它们作为要求保护的发明的具体示例。
图1是本发明下的动力装置的第一实施例的系统布置图。图2是在图1中描绘的实施例的发动机和发电机的正视图。图3是在图1中描绘的实施例的控制系统的连接的系统布置图。图4是使用在图1中描绘的实施例的本发明下的第一方法。图5是使用在图1中描绘的实施例的本发明下的第二方法。图6是使用在图1中描绘的实施例的本发明下的第三方法。图7是本发明下的动力装置的另一实施例的系统布置图。图8是本发明下的动力装置的又一实施例的系统布置图。
具体实施例方式以上总结的并且通过列举的权利要求限定的本发明可通过参考以下详细描述被更好地理解，详细描述应该与随附的图一起阅读。在以下阐述的本发明的具体优选实施例的这个详细描述使人能够构建并使用本发明的具体实施方式
，其并不意图限制列举的权利要求，而是意图提供它们的具体示例。本发明的典型实施例存在于高海拔长续航时间的飞行器的动力装置中。动力装置包括发动机(即，将能量转换为机械力或机械运动的机器)和主马达发电机，主马达发电机被配置为使用发动机的原动力产生电力从而提供原动力以旋转发动机，并且提供原动力至发动机以调整发动机旋转的速度。发动机使用第一反应物和第二反应物气态流，它们可以分别是例如来自燃料源(例如，氢储存箱)的氢的燃料和氧化剂气态流，例如来自氧化剂源 (例如大气)的空气。其他燃料、氧化剂、燃料源和氧化剂源也被设想在本发明的范围内。系统配置更具体地，参考图1-图3，第一实施例的动力装置包括动力产生系统，动力产生系统包括驱动主马达发电机103(此后称为“主发电机”)的内燃活塞发动机101。如公知的， 发动机被配置为产生旋转的原动力，并且具有入口 105和排气出口 107。可选地，发动机和主发电机可以是一体的，因为它们使用单个公共轴109运行，轴109延伸穿过两者并且同时用作为发动机曲轴和承载转子111的发电机轴。可选地，转子可被确定尺寸，以用作为发动机的调速轮。其他类型的发动机也被设想在本发明的范围内。主发电机103被配置为从发动机101的原动力(例如，从公共轴109的旋转)产生电力。主发电机还被配置为将可变水平的原动力施加至发动机轴。施加至发动机的此原动力能够主动旋转发动机(的轴)，例如从而启动发动机，或者能够用于控制发动机运行的速度。动力装置还包括控制系统113，其被配置为在运行条件的整个范围(envelope) (例如，在动力产生要求的整个范围和从海平面温度和压力到同温层条件的环境条件的整个范围)控制动力装置的运行。在第一方面，控制系统被配置为在发动机驱动主发电机时， 控制主发电机103施加至发动机101的原动力的可变水平。在第二方面，控制系统被配置为向主(马达)发电机提供能量使之作为电马达来驱动发动机。更具体地，控制系统113被配置为基于发动机当量比的计算控制由主发电机103 施加至发动机101的原动力。更具体地，控制系统被配置为控制原动力使得主发电机在运行条件的整个范围下在正常发动机运行期间控制并改变的发动机速度，从而当量比被保持在可接受的限制内(这将一般取决于所使用的燃料类型)并且整体动力装置效率被最大化。在稳态条件和瞬态条件期间(例如，在不同动力产生水平之间的变化期间或环境条件变化期间)，当量比被选择以最大化动力装置的效率，但是将平衡具有动力装置的各种部件的热限制和机械限制的最佳当量比的优选。发电机的原动力变化一般通过改变由主发电机的场线圈产生的磁场(例如，通过改变为主发电机产生磁场的电力水平)来完成，还能够通过改变电枢中的有效绕组 (active winding)的数目来完成。对于给定的发动机速度，随着由主发电机施加至发动机的原动力的增加，由主发电机产生的电力或电能也增加。因此，当发动机动力水平升高时， 主发电机增加其原动力以保持发动机的速度，并且由此升高其产生的动力水平。在高海拔处，环境压力低，并且为了使用环境空气作为气态发动机氧化剂源，需要大量压缩来为发动机101内的燃烧提供足够的氧。为了提供需要的空气流来支持燃烧，动力装置的本实施例包括被配置为压缩气态发动机氧化剂的压缩系统。更具体地，压缩系统包括冲压空气进气口 119、包含第一级压缩机121和第一级涡轮机123的第一级涡轮增压器、中冷器(或中间冷却器)125、包含第二级压缩机131和第二级涡轮机133的第二级涡轮增压器、后冷器(或后冷却器)135和补燃室137。在运行中，第一级压缩机121接收来自冲压空气进气口 119的空气，进气口 119被配置为利用飞行器的飞行速度来协助高效收集空气。第一级压缩器被驱动为旋转，从而压缩自冲压空气进气口的收集空气(用于发动机101的气态发动机氧化剂)并且产生已经被第一级压缩机的动作加热的一次压缩空气流。然后，中冷器125冷却一次压缩空气以降低其温度，以准备进一步压缩。第二级压缩机131从中冷器125接收一次冷却、一次压缩的空气流，并且以旋转方式被驱动以进一步压缩该空气流而产生被再次加热的二次压缩的空气流，这次是通过第二级压缩机的动作加热。然后，后冷器135冷却二次压缩的空气以降低其温度，以准备引入到入口 105并且然后燃烧。发动机空气进气温度的这种降低为发动机101提供更密集的进气充气并且允许每个发动机循环燃烧更多的空气和燃料，增加发动机的输出。因此，动力装置包括被配置为压缩用于发动机的气态发动机氧化剂的两个串联(即位置连续)的压缩机、 被配置为冷却气态发动机氧化剂并且在两个压缩机之间的中冷器和被配置为冷却在两个压缩机压缩之后的气态发动机氧化剂的后冷器。因为飞行器系统必须平衡各种因素，包括可靠性、重量和能量效率，所以一般期望使结构量、移动部件的数量和引起低效能量损失的系统最少。在本实施例中，发动机101没有使用并且没有配备节流阀(即，对于气态入口反应物流例如二级压缩且二级冷却的环境空气造成可变压降的可控入口阻碍件)。更具体地，发动机101配置有入口通道，其从冲压空气进气口 119顺序延伸，穿过第一级压缩机121、中冷器125、第二级压缩机131和后冷器135，并且在发动机入口 105处终止。这个入口通道被配置为在没有来自可控阻碍件(例如，节流阀)的限制下传递气态发动机的氧化剂流，所述可控阻碍件会造成气态发动机氧化剂流的压力的降低(即，产生从阻碍件上游侧到阻碍件下游侧之间的压降)。应注意在可控阻碍件(即，节流阀)和被配置为一直最小化其对流动的阻碍的阻碍件(例如，部件之间或冷却器之间的管道，被配置为最小化它们的流动阻碍同时最大化它们的空气流的冷却)之间存在不同。此外，入口通道被配置为总是提供基本在由第二级压缩机131建立的压力水平的气态发动机氧化剂流至发动机入口 105，因为它仅存在由后冷器135和管道造成的少量的不同，这仅随恒定损失系数(和流体速度)而变化，而不是以可变损失系数为特征。在燃料和氧化剂混合之后，燃烧发生，并且发动机将燃烧能量的一部分转换为发动机的原动力。然后，燃烧的燃料和氧化剂从排气出口 107排出到排气通道。排气通道从排气出口顺序延伸，穿过补燃室137、第二级涡轮机133和第一级涡轮机123，在被配置为将排气通入环境大气的端口结束。因此，补燃室位于发动机和涡轮机之间的排气流中。不同于通常运行在化学计量模式(其中燃料与空气中的所有氧气反应)的汽油发动机，本实施例的氢发动机101 —般在其中氧气基本与所有燃料反应并且一些氧气仍然存在的模式下运行。因此，发动机是被配置为以小于一的当量比运行的氢燃料发动机。由于来自动力装置核心(即，发动机)的排气中的过量氧，所以可能燃烧排气中的额外燃料。这种排气流的后燃能力先前已经被用来为飞行器起飞提供额外的推进。这由燃烧排气流中的燃料完成，所述排气流被引导穿过机械联接至推进器的动力输出(takeoff)涡轮机。在运行中，本实施例的补燃室接收直接来自发动机101的排气空气。如以上讨论的，一般这种排气原则上将包含氧化剂形式的一些气态第二反应物以及燃料排气产物。不管怎样，包含燃料和排气产物或者包含燃料、氧化剂和可能的排气产物(在不完全的发动机燃烧情况下)的排气被认为在本发明的范围内。补燃室137被配置为使排气流中的额外反应物起反应，并且更具体地，它包括补燃室燃料喷射器139，补燃室燃料喷射器139被配置为向排气流中喷射第三反应物。在该实施例中，第三反应物是氢燃料(并且喷射器是氢燃料喷射器)。虽然第三反应物可以是与第一反应物不同的另一类型反应物或者它可以是氧化剂，但是一般地，第三反应物是与第一反应物(即，在发动机101内反应的燃料，例如氢)相同类型的燃料。补燃室137可以是任何已知类型，但其一般是催化燃烧器，从而最大化残余反应物的燃烧，直到一种反应物的供给被基本耗尽。选择补燃室中催化剂床(catalyst bed)的直径，从而在补燃室两端存在无关紧要的压降。补燃室喷射器139和可选混合器(未显示) 被布置在燃烧器上游的几个直径处。提供一种控制所喷射反应物的质量流的装置。这一般为氢质量流控制器或者一个或更多个脉宽调制的燃料喷射器。当燃料和氧化剂在补燃室137中反应时，额外的能量被加到排气流中。排气流自补燃室被引导穿过第二级涡轮机133 (其由排气流驱动旋转)，并且因此从排气流中除去能量以驱动第二级压缩机131旋转。同样地，排气流自第二级涡轮机133被引导穿过第一级涡轮机123(其由排气流驱动旋转)，并且因此从排气流中除去能量以驱动第一级压缩机121旋转。可选地，额外或可替代的补燃室141 (和可选的相关补燃室燃料喷射器143)沿排气通道被设置在第二级涡轮机133和第一级涡轮机123之间。虽然这可能是补燃室的低效应用，但是它不仅能避免使第二级涡轮机133暴露于过高温度，还能为运行第一级涡轮机123提供更直接并且可控制的影响。它还可能是不太昂贵的装置，因为它不需要在主补燃室137的高温下运行。使用催化补燃室137，当需要增加压缩时可能为排气增加能量以增加动力。因为补燃室中给涡轮机提供动力的燃料燃烧没有直接加到发动机施加至主发电机103的原动力中，所以反应物到补燃室中的喷射一般仅在短暂且选择的时间段内完成。在这种短暂时间段内使用补燃室在低效率下运行比长时间以较低效率运行更好，后种情况例如可通过使用频繁打开的废气门(废气门被关闭以提供暂时的动力增加)发生。高海拔动力装置的涡轮增压器系统一般非常大型并且具有非常大的热容量，其在正常发动机启动之后花费大量时间加热到运行温度。补燃室运行的一个这种时间可以是系统启动期间。通过在预热运行期间使排气中额外的氢起反应，补燃室137能够产生加热涡轮机123、133需要的额外热量。这能够显著加速将涡轮增压器加热至运行温度的操作，避免在冷温度下的过运行。因此，系统包括控制系统，该控制系统被配置为在系统冷启动期间控制补燃室的运行以向涡轮机供给动力，从而与没有补燃室的启动情况相比，涡轮机至运行温度的升温被加速。这个特征可在使用涡轮机温度传感器或者具有关于涡轮机达到速度的典型时间的信息下被改进。补燃室运行的一般短暂时间的例外是当处于高海拔时的发动机怠速期间。发动机怠速一般仅使用最少量的燃料，因此在排气中仅有最少量的能量可用。然而，在高海拔处， 花费大量能量来压缩即便是使发动机101怠速所需的少量空气。因此，在怠速时的发动机排气可能不具有足够能量来保持涡轮增压器被充分供应动力而提供即便在怠速时需要的最小压缩。使用补燃室137在排气中提供额外的能量(一般通过使额外的燃料起反应)能够提供涡轮机为发动机运行保持足够压缩需要的额外能量。如果在任何时刻发动机101未使反应物完全反应(即，如果排气包含大于微量的燃料和氧化剂)，则催化补燃室137还能在没有任何额外效率损失的情况下(例如，关于针对额外压缩的消耗燃料或能量损失)使这些反应物起反应。例如，在非常稀的运行点处，氢内燃发动机可不完全燃烧所有喷射的氢。排气通道内的催化补燃室将使未燃的氢起反应， 捕获能量作为热量，否则这些能量将被损失。该捕获的热能量可部分转化为第一级涡轮机123和第二级涡轮机133中的机械能量，提高它们驱动第一级压缩机121和第二级压缩机 131旋转的能力。动力装置被设计为在典型运行条件处高效运行，例如其将在大部分飞行条件期间经历的那些运行条件。虽然系统在所有时间均以最小能量损失运行是优选的，但是存在当系统的压缩能力有害地压倒发动机需求时的受限制时间段。一个这种时间可以是当动力装置处于低动力模式时。这可在例如当不需有效载荷动力时的下降飞行(以最小的推动力需求为特征)期间发生。另一这种时间可以是燃料流动速率的迅速变化期间。为了在这些受限制的时间期间适应动力装置的运行，动力装置被配备有一个或更多个能量放出装置(bleed device)。这种装置的第一类型被配置为降低排气流中的可用能量以驱动涡轮机123、133。这个类型的第一这种装置是低压废气门161，其被配置为在用于驱动第一级(即，低压)涡轮机123之前，排出一些加压排气。另一这种类型的装置是高压废气门163，其被配置为在第二级(S卩，高压)涡轮机133附近放出一些加压排气。高压废气门可替代地被配置为从外部将压力排出系统，并且由此降低第一级涡轮机和第二级涡轮机可用的能量。能量放出装置的第二类型被配置为在压缩的气态流被发动机101吸收之前放出压缩的气态流。这个类型的第一这种装置是发动机旁通阀165，其被配置为放出一些压缩的气态流到发动机排气中。它可位于后冷器135之前或者之后。另一这种类型的装置是入口放气阀167，其被配置为直接在一些压缩气态流被入口 105接收之前或者可替代地，在后冷器之前放出一些压缩的气态流。如先前指出的，这些中的任何一个、两个、三个或者四个的组合均被设想在本发明的范围内，并且所使用的数目、大小和类型可根据具体设计的特征改变。例如，对于一些设计，仅需要入口放气阀167。动力产生水平的变化如以上指出的，主发电机103被控制以保持发动机(和主发电机转子)速度处于适合控制当量比在可接受水平的速度(甚至通过改变燃料流需求)。然而，飞行器将根据飞行条件、飞行计划、变化的飞行器系统和飞行器有效载荷的需求而要求不同的电力产生水平。主发电机在动力产生水平处产生各种电力水平，所述动力产生水平与燃料被提供至发动机101的速率相关(并且同样地，与主发电机施加至发动机以保持其处于可接受的当量比的原动力水平相关。)供应至发动机101的燃料水平越高，则由发动机供给的原动力则越大，并且主发电机103施加以保持恒定发动机和转子速度的旋转阻力则越大。该阻力的增加是增加动力产生的自然后果，并且因此当供给至发动机的燃料速率升高时，电力产生水平也升高。因此，在发动机和主发电机的运行范围内，可实现宽范围的动力产生水平，每一水平具有一个相关的至发动机的燃料流动速率。不过，在两个远离的动力水平之间的转换是存在问题的，因为发动机101、涡轮增压器和冷却器125、135的稳态运行条件极大不同，并且每个装置具有在其中其运行是有效并且安全的有限运行范围。例如，发动机的燃料和氧化剂的比例需要被保持在安全的运行范围内——甚至是在转换期间。不伴随有空气流动速率的比例变化的燃料流速的迅速改变可造成发动机失火或者过温度事件。同样地，对于任何给定的压力增压比，每个涡轮增压器均具有已校正空气流动速率的特征范围，针对该范围给定效率水平(即，转化至实际空气压缩量的涡轮轴动力百分比)能够被保持。这些范围一般表示在压缩机图谱上，该图谱指明各种效率水平的运行范围以及限制，超过这些限制，压缩机将有失效状况，例如喘振或阻塞。发动机101背压的迅速升高可造成喘振状况，这以穿过压缩机的脉动回流和系统的猛烈振动为特征。没有任何协助的情况下，两个远离的动力水平之间的转化可使用相关的燃料流动速率之间的完全逐渐转换来完成。然而，这种缓慢的转换不益于提供对改变动力需要的快速响应。为了更好地提供在动力水平之间的转换，控制系统113控制燃料流至发动机101 的速率和发动机的旋转速率、燃料流至补燃室137的补燃室喷射器139的速率和冷却剂流至每个冷却器(即，中冷器125和后冷器135)的速率。可替代地(或结合地)，可由控制系统可控地使用其他控制机构，例如涡轮增压器废气门和各种系统放气阀和旁通阀，以在燃料流动水平之间迅速转换的同时将系统部件保持在高效的运行范围内。如以下将描述的，控制系统113被配置(例如，其是被编程以传输控制信号的计算机)为使用各种控制参数提供在动力装置的动力产生水平之间的高效转换。控制系统控制的参数少于所有这些参数也在本发明的范围内。例如，本发明的一个可替代实施例可具有被配置为仅控制燃料流至发动机101的速率和燃料流至补燃室137的速率的控制系统。补燃室催化剂被用于使氢和氧稳定地反应。无需火焰来保持反应，并且这种催化燃烧器能够在非常宽的当量比(即，氢流与和所有存在的氧完全反应需要的氢流的比例)范围上运行。因为运行在热排气流中，催化燃烧器的催化剂床将与甚至极小量的氢反应。不关心保持稳定的火焰前缘或火焰熄灭(blowing out)。在包含氧的排气流中，任何增加的氢当其穿过催化燃烧器时将起反应。不过，必须限制增加的氢的最大量以保持催化剂床和涡轮机在其最高运行温度以下。在本发明的一个方面中，控制系统113被配置为控制涡轮增压器之一或两者的运行，从而提高产生的动力水平转换期间的发动机效率。更具体地，当迅速提高的发动机燃料流动速率可驱动发动机101进入低效(或者不期望)的当量比(例如，造成发动机失火或过温度事件的当量比)时，那么控制系统就命令补燃室燃料喷射器139在发动机燃料流动速率提高之前和/或期间喷射燃料到补燃室137中。排气流能量的因此升高提高了两个涡轮增压器的运行，并且尤其是第二级涡轮增压器的运行(即，旋转速率)。提高的涡轮增压器旋转速率提供压缩增压，即，至入口 105的(例如，增压空气的)气态第二反应物的升高的流动速率，并且因此提供发动机燃料流动速率转换期间的更好的当量比。同样地，当迅速下降的发动机燃料流动速率驱动发动机101进入低效(或者不期望的)当量比(例如，造成发动机运行过稀的当量比)时，并且如果补燃室燃料喷射器139 已经喷射燃料(例如可在起飞或其他以高动力需求为特征的状态期间发生)，则控制系统 113命令补燃室燃料喷射器在发动机燃料流动速率降低之前和/或期间喷射更少燃料(或不喷射燃料)到补燃室137内。排气流能量的因此降低减小两个涡轮增压器的运行(即， 旋转速率)。减小的涡轮增压器的旋转速率提供(例如，增压空气的)气态第二反应物到入口 105的降低的流动速率，并且因此提供发动机燃料流动速率转换期间的更好的当量比。 因此，控制系统被配置为通过控制在排气流中反应的额外反应物的量来控制涡轮增压器的运行。在任一种情况下，一旦发动机燃料流动速率达到稳态条件，系统一般将具有在发动机101的排气流中可获得的适当能量水平(即，分别升高或降低)，以支持在新运行水平下的涡轮增压器(通常没有额外的燃料被供给至补燃室137)。因此，补燃室的运行可用于加速涡轮增压器压缩速率的变化，并且由此提高响应效率(即，保持高效、安全并且实用的运行条件时的响应时间)，借此响应效率动力装置能够响应动力需求的变化。中冷器在本发明的另一方面中，控制系统113还被配置为既在稳态运行期间又在所产生的动力水平的转换期间控制涡轮增压器的运行，以提高发动机101的效率，但此次使用不同的方法。如以上指出的，压缩机的高效运行与考虑空气密度(环境温度和压力)的被校正的空气流，即被校正的空气质量流速率相关。因此，通过调整被压缩空气的温度，压缩机的效率可被控制并且更重要地，该效率能被保持在安全的运行限制内。关于控制冷却剂流至中冷器的速率，控制系统113使用典型已知用于监控涡轮增压器运行的传感器来监控第二级涡轮增压器的运行。这些涡轮增压器运行传感器及其相关处理将提供必要的一组参数，这些参数用来确定第二级压缩机在它的压缩机图谱上的何处运行，所述参数例如是压缩机旋转速率、压缩比、空气温度和其他相关参数。响应于动力装置运行条件的变化，例如动力产生需求和/或海拔的变化，控制系统113将命令输送至中冷器125的冷却剂的速率升高或降低，以便改变至第二级压缩机的校正空气流动速率，并且由此将压缩机运行点驱动至提高并优选最大化动力装置系统效率的位置。应指出动力装置效率是冷却剂输送变化的目标。涡轮增压器效率可同样被提高， 虽然这不是必要的。后冷器动力装置的高效运行与发动机当量比(S卩，比提供所有燃料和氧化剂的完全反应的燃料空气比高的燃料空气比)密切相关。通过调整在入口 105处气态氧化剂流(两次压缩并且冷却的空气流)的温度，可改变该流的密度，并且可调整与往复发动机的每个燃料量混合的空气量。后冷器135的运行可由控制系统控制，以选择性地改变发动机101的入口空气温度。控制系统113由此被配置为控制后冷器的运行，以提高并优选最大化在所有要求的运行条件下的发动机效率。产生动力的方法参考图1和图4，本发明使用以上描述的被配置为产生原动力的燃烧发动机(或内燃机)101并且使用被配置为从发动机的原动力产生动力的主发电机103，提供产生动力的一种方法。该方法包括控制步骤171，其控制主发电机施加至发动机的原动力，使得主发电机保持发动机当量比在适当的范围内，从而在将所有部件保持在其热运行限制和机械运行限制内的同时将动力装置的效率最大化。如以上指出的，主发电机103产生在与燃料被提供至发动机101的速率相关的动力产生水平处的动力。该方法包括改变步骤173，其改变燃料被提供至发动机的速率以便响应于改变的动力需要而改变动力产生。在进一步使用以上描述的由发动机101的排气流驱动的涡轮机123、133中的至少一个、至少一个被配置为压缩发动机的气态发动机氧化剂的相关压缩机121、131以及以上描述的在发动机和涡轮机之间的补燃室137时，该方法还包括控制步骤175，其控制在排气流中起反应的额外反应物的量，以在将所有部件保持在其热限制和机械限制内的同时将动力装置的效率最大化。运行温度限制参考图1和图5，如果一些氢内燃发动机的排气变得过热，则它们具有回燃或回火的倾向。同样地，催化燃烧器的催化剂床具有温度限制。在本发明的一个方面下，在非常高的动力运行期间，发动机101比否则最佳的状况更稀地运行(例如，比在中等动力下的典型情况更稀)，以便保持发动机排气温度低于预定限制。第三反应物(氢燃料)由补燃室喷射器139喷射到排气中并且在补燃室137中反应。这实现了更高的涡轮机能量抽取，以及因此实现更高压缩机增压，并且导致保持更稀发动机运行和更低发动机排气温度的更高气态反应物流动速率。更具体地，控制系统113被配置为通过直接测量排气温度(发动机运行条件的一个方面)或者通过监控指示排气温度的发动机运行条件的其他方面监控并且响应发动机 101的排气温度。在前一种情况下，为了监控排气温度，动力装置配备有温度传感器151，其被定位并且配置为感测来自排气出口 107的发动机排气流的温度。在可替代的实施例中， 系统控制器113被提供允许它识别在其期间排气温度需要被降低的运行条件的信息。这种相关的信息可包括发动机燃料喷射速率、发动机冷却系统动作和类似信息。如以上叙述的，响应于给定的动力产生需求，满足该需求的所要求的燃料流动速率由控制系统113指明。控制系统将发动机101转换至以期望的燃料流动速率运行(即， 它向发动机燃料喷射系统和如以上描述的其他系统发送控制信号以转换至发动机的燃料流动为指明的燃料流动速率)。控制系统被配置为基于发动机的运行条件，控制提供第二反应物气态流至发动机的流动速率，这样排气流温度被保持在温度限制以下。在控制系统113监控实际排气温度的情况下，控制系统113被配置为基于温度传感器151感测的排气流温度，控制提供第二反应物气态流至发动机101的流动速率，这样感测的排气流温度被保持在温度限制以下。因此，基于感测的排气流温度(即，响应于接近或超过限制值的发动机排气温度)，或者可替代地，响应于被理解为产生接近或超过限制值的温度的发动机运行条件，控制系统发送导致第二反应物气态流的流动速率升高的控制信号，这样排气流温度被保持在温度限制以下。在本实施例中，控制系统113被配置为通过发送控制压缩机121、131的运行和/ 或控制冷却器125、135 (并且特别是后冷器135)的运行的控制信号，控制第二反应物气态流的流动速率。控制系统还被配置为通过使控制信号控制来自涡轮机123、133的驱动压缩机的驱动力，来控制压缩机的运行。为实施该实施例，该实施例的控制系统113被配置为通过使控制信号控制额外反应物的量来控制来自涡轮机123、133的驱动力，所述额外反应物由补燃室喷射器139喷射到排气流中并且由催化补燃室137反应。本实施例的温度限制是一个常数，但是本发明的最宽范围应被理解为包括作为各种参数(例如海拔)的函数的温度限制。本发明的这个方面包括限制发动机101排气流温度的相关方法。该方法包括监控指示排气流温度的信息的监控步骤181和控制步骤183，控制步骤基于监控的信息控制第二反应物气态流的流动速率，使得排气流温度被保持在温度限制以下。监控步骤可包括感测排气流温度的感测步骤185，并且控制步骤可包括基于感测的排气流温度控制第二反应物气态流的流动速率，使得排气流温度被保持在温度限制以下。在发动机101配备有压缩机、涡轮机、催化补燃室137和补燃室喷射器的情况下， 如以上已经描述的，在控制步骤中，第二反应物气态流的流动速率可通过步骤187控制由补燃室喷射器喷射到排气流中的第三反应物的量被控制。发动机在海拔处的重起动当飞行在高海拔飞行器动力装置开始关闭时，存在限制其重起动能力的潜在困难。即便主发电机103能够以合理的高速旋转发动机101，但是由于外侧空气的低密度，在发动机启动期间穿过发动机的空气流将非常低。为了满足必要的用于燃烧的空气燃料比， 这个小量的空气流将对应地要求非常小的氢流动速率。然而，燃料喷射器可具有最小的氢流动速率，该速率太高以至于不能与这种低空气流实现准确的混合。此外，特定水平的燃烧对于发动机启动是必要的。因此，在高海拔的动力装置可面临针对氧化剂压缩的较大需求，以满足针对燃烧的必要空燃比和发动机配置必需的最小燃料流。参考图1和图6，在可应用于该实施例的本发明的另一方面，发动机101以高速启动，并且氢燃料通过补燃室喷射器139被添加至排气并在将氢燃料引入到发动机燃料喷射器之前在补燃室137中起反应。通过补燃室加至排气的热量向涡轮机123、133增加能量， 并且因此给空气压缩系统供应动力，从而带来至少低水平的压缩增压。这个增压增加穿过发动机的空气流，其提供充足的空气流，以满足基于针对燃烧的必要空燃比和发动机配置必需的最小燃料流的氧化剂压缩要求。在该实施例中，以上描述的发动机101包括一个或更多个压缩机121、131，一个或更多个相关的涡轮机123、133 (与压缩机一起形成涡轮增压器)，补燃室137和控制系统 113，发动机101被配置为在环境条件的范围下使用。控制系统被配置为通过控制补燃室的运行来为(若干)涡轮机提供动力使得(若干)压缩机以一速度被驱动，该速度规定第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至发动机，而在环境条件范围的至少一些环境条件下重启动发动机。该阈值水平可以是恒定值，或者其可以是取决于海拔、温度和其他这种参数的函数。在本发明的这个方面，控制系统113可通过发送控制信号至补燃室喷射器139来控制补燃室137，所述补燃室喷射器被配置为向排气流中喷射第三反应物(例如氢燃料)以用于补燃室中的反应。控制系统被配置为通过控制由补燃室喷射器喷射到排气流中的第三反应物的量来控制在排气流中起反应的额外反应物的量。本发明的这个方面还包括重启动发动机101的相关方法。如先前说明的，发动机被配置为使以流动速率被提供至发动机的第二反应物气态流(例如，压缩空气)和第二反应物(例如，氢燃料)起反应，以产生能量和排气流，并且被配置为在环境条件的范围中使用。在该方法下，在步骤191处使发动机101和涡轮机之间的排气流中反应物反应的补燃室137在发动机的重启动期间运行。完成这点使得压缩机以一速度被涡轮机驱动，该速度规定第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至发动机。补燃室由控制系统113运行，控制系统113发送控制信号，所述控制信号导致在步骤193处将在步骤195中第三反应物(例如，氢燃料)的控制量喷射到排气流中，以用于由补燃室进行反应。可替代的动力回收预计在典型的氢内燃发动机中，仅燃烧大约一半的氧。这意味着在压缩中使用的能量的一半在燃烧中没有回收。本发明的另一实施例提供该能量中一些的回收并且提供与其他系统运行需要的其他协作。参考图7，除特定的额外部件之外，本发明的第二实施例与第一实施例(对相同部件使用递增100的参考编号)相同，并且其中控制系统被配置为有利地运行这些部件。更具体地，第二实施例可配备有驱动主马达发电机203(“主发电机”)的内燃活塞发动机201、 控制系统213、冲压空气进气口 219、包括第一级压缩机221和第一级涡轮机223的第一级涡轮增压器、中冷器225、包括第二级压缩机231和第二级涡轮机233的第二级涡轮增压器、 后冷器235、补燃室237、温度传感器251、低压废气门261、高压废气门263、发动机旁通阀 265和入口放气阀267。该实施例还包括第一涡轮发电机272和第二涡轮发电机274，第一涡轮发电机由连接第一级涡轮机221和第一级压缩机223的轴驱动，第二涡轮发电机由连接第二级涡轮机231和第二级压缩机233的轴驱动。通过使用补燃室237来燃烧排气中一些剩余的氧并且升高排气温度，经由膨胀通过涡轮机的排气使得多余能量可用，所述能量超过给空气压缩系统供应动力所需的水平。该能量使用这些电涡轮发电机被回收。在此实施例中，控制系统被配置为以最大化动力装置的能量效率的速率控制燃料到补燃室中的喷射。因此，预计回收增加的能量的整体低效可在30%-40%的范围内。可替代的实施例可被配置为仅有两个所描述的涡轮发电机中的一个，或者增加在排气流中的分离的涡轮机和涡轮发电机。在该实施例的变型中，涡轮发电机能被配置为可控地产生可变水平的动力(并且导致得到的原动力被施加至它们的相关涡轮机)，例如通过具有能够被供给能量至各种水平的场线圈。控制系统被配置为控制由涡轮发电机施加至其相应涡轮机的原动力，使得涡轮发电机仅去除多余动力，但允许压缩机在给定当前条件的其最高效水平下运行。根据以上针对补燃室和冷却器描述的各种功能，涡轮发电机产生的动力的受控制抽取提供了额外的协作。例如，当迅速降低的动力要求导致发动机燃料流动速率迅速下降时，控制系统提高涡轮发电机的动力产生水平(即，其用来阻挡涡轮机旋转的原动力)。这导致涡轮增压器速度的下降和压缩机压缩速率的迅速降低，补偿贯穿压缩机的升高压力比并且避免接近喘振状况(相似于以上关于中冷器动作讨论的状况)。相似地，如果涡轮发电机正在主动产生电力并且迅速提高的动力需求导致发动机燃料流动速率迅速增加，则控制系统降低涡轮发电机的动力产生水平(即，它们用以阻挡涡轮机旋转的原动力)。这导致涡轮增压器的速度迅速提高和压缩机压缩速率的升高，避免即将接近阻塞状况(再次，相似于以上关于中冷器动作讨论的状况)。因此，涡轮发电机的运行能够被控制以在第一级和第二级压缩机的压缩速率中保持高效率水平，并且因此提高动力装置响应动力需求变化的效率(即，在保持高效、安全并且实用的运行条件时的响应时间)。控制系统被配置为控制涡轮发电机的运行以提高产生的动力水平转换期间的发动机效率。此外，涡轮发电机可被可选地配置为运行为马达。因此，当涡轮增压器速度需要提高时(在启动或者当燃料流动速率升高时)，可施加电能至涡轮发电机并且压缩机能够在高于别的可用水平的水平下运行。燃料电池变型参考图8，在本发明的一些变型中，动力装置可包括燃料电池301形式的动力产生系统，而不是发动机和主发电机。使用燃料电池，仍需压缩机系统来压缩反应物(例如，如空气的氧化剂)的气态流。对于燃料电池系统，排气仍具有大约一半的进入空气的原始氧含量。因此，在相似于那些先前公开的配置中，能够在排气流中使用补燃室337以向一个或两个涡轮增压器供应动力，所述涡轮增压器提供运行燃料电池所需的压缩。中冷器325和后冷器335可同样被使用，方式类似于以上针对带有发电机的内燃发动机描述的方式。因此，本发明的一个方面设想一种燃料电池动力产生系统以及第一级压缩机321、 第二级压缩机331、第一级涡轮机323、第二级涡轮机333、补燃室337和控制系统(未显示， 但基本相似于以上描述的那些)，燃料电池动力产生系统被配置为使得第一反应物与第二反应物气态流起反应以产生能量和排气流。压缩机被配置为对供给至动力产生系统的第二反应物气态流加压。压缩机321、331通过来自涡轮机323、333的驱动力旋转驱动，涡轮机323、333由排气流推进。补燃室337位于动力产生系统和涡轮机中间的排气流中，并且被配置为使排气流中的反应物起反应。控制系统被配置为控制补燃室的运行。控制系统在一个速率下这样做使得压缩机在一个速度下被驱动，该速度规定第二反应物气态流以一流动速率被提供至动力产生系统，所述流动速率和第一反应物正在被提供至动力产生系统的速率相称。该系统还具有用于供给初始启动空气流给补燃室的部件。该部件可以是一个或两个涡轮机上的马达发电机(未示出，但在先前实施例中显示并描述)，或者压缩的空气启动系统。将理解本发明包括设计动力装置并且生产动力装置的设备和方法，以及动力装置本身的设备和方法。此外，本发明的各种实施例可合并以上描述的特征的各种组合。此外， 设想权利要求比描述的实施例更宽。例如，以上实施例都陈述第二气态反应物是氧化剂，第一反应物和第三反应物是相同类型(的燃料)并且相同成分(氢)，并且当量比小于一，在排气中留下过量氧化剂。 使得系统压缩并控制气态燃料流，使用不同的燃料，使用大于一的当量比，和/或增加氧化剂作为第三反应物均在本发明的范围内。简言之，以上公开的特征不应不当地限制权利要求，并且可在本发明预期的范围内在广泛的各种配置中组合。虽然已经说明并描述了本发明的具体形式，但是明显的是做出各种修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，虽然已经仅参考优选实施例细节描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解可做出各种修改而不偏离本发明的范围。因此，本发明并不打算由以上讨论限制，并且参考随后的权利要求被限定。
权利要求
1.一种动力装置，包括燃烧发动机，其被配置为产生原动力并且具有入口和出口，并且在任何给定时间以发动机当量比为特征；发电机，其被配置为从所述发动机的原动力产生动力，并且被配置为施加可变水平的原动力至所述发动机；以及控制系统，其被配置为控制由所述发电机施加至所述发动机的原动力，其中所述控制系统被配置为控制所述发电机，使得所述发电机基于所述发动机当量比的计算保持所述发动机的速度。
2.如权利要求1所述的动力装置，其中所述发动机被配置具有连接发动机入口至气态反应物源的通道，并且其中所述通道被配置为在没有来自可控阻碍件的限制的情况下从所述气态反应物源输送气态反应物流，所述可控阻碍件会造成所述气态反应物流的压力的降低。
3.如权利要求2所述的动力装置，其还包括压缩机，所述压缩机被配置为压缩来自所述气态反应物源的所述气态反应物流，其中所述通道被配置为总是基本以由所述压缩机建立的压力水平提供所述气态反应物流至所述发动机入口。
4.如权利要求2所述的动力装置，其中所述发动机是氢燃料发动机，所述氢燃料发动机被配置为以小于一的当量比运行，并且所述气态反应物流是氧化剂。
5.如权利要求1所述的动力装置，其中所述发电机在和提供燃料至所述发动机的速率相关的动力产生水平产生动力，并且其中所述控制系统被配置为通过改变提供燃料至所述发动机的所述速率而改变所述动力产生水平。
6.如权利要求5所述的动力装置，其还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括由所述发动机的排气流驱动的涡轮机和被配置为压缩所述发动机的气态反应物流的压缩机，其中所述控制系统被配置为基于所述动力装置的效率水平的计算来控制所述涡轮增压器的运行。
7.如权利要求6所述的动力装置，其还包括在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中的补燃室，所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物起反应，其中所述控制系统被配置为通过控制在所述排气流中反应的额外反应物的量来控制所述涡轮增压器的运行。
8.如权利要求6所述的动力装置，其还包括第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器包括由所述发动机的排气流驱动的涡轮机和被配置为压缩所述发动机的气态反应物流的压缩机，其中所述第二涡轮增压器涡轮机在所述补燃室的上游。
9.如权利要求6所述的动力装置，其中所述控制系统被配置为控制所述涡轮增压器的运行，使得所述动力装置的效率水平的计算在所有要求的动力水平和环境运行条件下被最大化。
10.如权利要求5所述的动力装置，其还包括压缩机和后冷器，所述压缩机被配置为压缩所述发动机的气态反应物流，所述后冷器被配置为冷却由所述压缩机压缩的所述气态反应物流，其中所述控制系统被配置为基于所述动力装置的效率水平的计算来控制所述后冷器的运行。
11.如权利要求10所述的动力装置，其中所述控制系统被配置为控制所述后冷器的运行，使得所述动力装置的效率水平的计算在所有要求的动力水平和环境运行条件下被最大化。
12.如权利要求5所述的动力装置，其还包括两个串联的压缩机和一个中冷器，所述压缩机被配置为压缩所述发动机的气态反应物，所述中冷器被配置为冷却所述两个压缩机之间的所述气态反应物，其中所述控制系统被配置为基于所述动力装置的效率水平的计算来控制所述中冷器的运行。
13.如权利要求12所述的动力装置，其中所述控制系统被配置为控制所述中冷器的运行，使得在所有要求的动力水平和环境运行条件下，所述动力装置的效率水平的计算被最大化。
14.一种使用动力装置产生动力的方法，所述动力装置包括被配置为产生原动力的燃烧发动机，所述发动机具有入口和出口，并且所述发动机以任何给定时间的发动机当量比为特征，并且所述动力装置还包括被配置为自所述发动机的原动力产生动力的发电机，所述发电机被配置为当电力被施加至所述发电机时施加原动力至所述发动机，所述方法包括控制由所述发电机施加至所述发动机的原动力，使得所述发电机基于所述发动机当量比的计算保持所述发动机的速度。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述发电机在和燃料被提供至所述发动机的速率相关的动力产生水平处产生动力，并且所述方法还包括响应于通过改变燃料被提供至所述发动机的所述速率而改变的动力需要来变化动力产生。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述动力装置包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括由所述发动机的排气流驱动的涡轮机和被配置为压缩所述发动机的气态反应物流的压缩机，并且所述动力装置还包括在所述发动机和所述涡轮机之间的排气流中的补燃室， 所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物起反应，并且所述方法还包括基于所述动力装置的效率水平的计算控制在所述排气流中反应的额外反应物的量。
17.一种动力装置，其包括燃烧发动机，其被配置为产生原动力并且具有入口和出口 ；发电机，其被配置为自所述发动机的原动力产生动力，并且被配置为当电力被施加至所述发电机时，施加原动力至所述发动机；以及控制由所述发电机施加至所述发动机的原动力的装置，使得所述发电机基于所述发动机当量比的计算保持所述发动机的速度。
18.如权利要求17所述的动力装置，其中所述发电机被配置为在和燃料被提供至所述发动机的速率相关的动力产生水平处产生动力，并且所述动力装置还包括响应于通过改变燃料被提供至所述发动机的速率而改变的动力需要来变化动力产生的装置。
19.如权利要求18所述的动力装置，其中所述发动机包括由所述发动机的排气流驱动的涡轮机和被配置为压缩所述发动机的气态反应物流的压缩机，以及在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中的补燃室，所述补燃室被配置为使排气流中的额外反应物反应，并且所述动力装置还包括基于所述动力装置的效率水平的计算控制所述排气流中反应的额外反应物的量的装置。
20.一种动力装置，其包括发动机，其被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应，以产生能量和排气流，所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机，以及控制系统，其被配置为基于所述发动机的运行条件控制所述第二反应物气态流的所述流动速率，使得排气流温度被保持在温度限制以下。
21.如权利要求20所述的动力装置，其还包括温度传感器，所述温度传感器被定位并且配置为感测所述排气流的温度，其中所述控制系统被配置为使用所述传感器监控所述排气流的温度，并且其中所述控制系统被配置为基于所监控的温度控制所述第二反应物气态流的所述流动速率。
22.如权利要求20所述的动力装置，其还包括压缩机，所述压缩机被配置为对供给至所述发动机的所述第二反应物气态流加压，其中所述控制系统被配置为通过控制所述压缩机的运行控制所述第二反应物气态流的所述流动速率。
23.如权利要求22所述的动力装置，其还包括涡轮机，其中所述压缩机由来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，其中所述涡轮机由所述排气流推进，并且其中所述控制系统被配置为通过控制来自所述涡轮机的所述驱动力控制所述压缩机的运行。
24.如权利要求23所述的动力装置，其还包括在在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中的补燃室，所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物反应，其中所述控制系统被配置为通过控制在所述排气流中反应的额外反应物的量控制来自所述涡轮机的驱动力。
25.如权利要求24的动力装置，其中所述补燃室是催化补燃室。
26.如权利要求24所述的动力装置，其还包括被配置为喷射第三反应物到所述排气流中以用于由所述补燃室进行反应的喷射器，其中所述控制装置被配置为通过控制喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量来控制在所述排气流中反应的额外反应物的量。
27.如权利要求26所述的动力装置，其中所述第一反应物是第一燃料；所述第二反应物是气态氧化剂；并且所述第三反应物是第二燃料。
28.如权利要求27所述的动力装置，其中所述第一燃料是氢，其中所述第二燃料是氢， 并且其中所述发动机被配置为运行于小于一的当量比。
29.如权利要求20所述的动力装置，其中所述温度限制是恒定值。
30.如权利要求20所述的动力装置，其中所述发动机驱动产生电力的发电机。
31.如权利要求20所述的动力装置，其中所述发动机是被配置为使氢与空气燃烧的往复式内燃发动机。
32.—种限制发动机排气流温度的方法，所述发动机被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应以产生能量和排气流，所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机，所述方法包括监控指示排气流温度的信息；以及基于所监控的信息控制所述第二反应物气态流的所述流动速率，使得所述排气流温度被保持在温度限制以下。
33.如权利要求32所述的方法，其中监控的步骤包括感测排气流温度的步骤；并且其中控制的步骤包括基于所感测的排气流温度控制所述第二反应物气态流的所述流动速率， 使得所述排气流温度被保持在温度限制以下。
34.如权利要求32所述的方法，其中所述发动机配备有压缩机，其被配置为对供给至所述发动机的所述第二反应物气态流加压， 涡轮机，其被配置为驱动所述压缩机，并且被配置为由所述排气流推进， 催化补燃室，其在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中，所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物反应，以及喷射器，其被配置为喷射第三反应物到所述排气流中以用于所述补燃室进行反应； 其中在控制的步骤中，所述第二反应物气态流的所述流动速率通过控制由所述喷射器喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量而被控制。
35.一种限制发动机排气流的温度的设备，所述发动机被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应以产生能量和所述排气流，所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机，所述设备包括监控指示排气流温度的信息的装置；以及控制装置，其基于所监控的信息控制所述第二反应物气态流的所述流动速率，使得所述排气流温度被保持在温度限制以下。
36.如权利要求35所述的设备，其还包括压缩机，其被配置为对供给至所述发动机的所述第二反应物气态流加压； 涡轮机，其被配置为驱动所述压缩机，并且被配置为由所述排气流推进； 催化补燃室，其在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中，所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物反应；以及喷射器，其被配置为喷射第三反应物到所述排气流中以用于所述补燃室进行反应； 其中所述控制装置被配置为通过控制由所述喷射器喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量来控制所述第二反应物气态流的所述流动速率。
37.一种动力装置，其包括发动机，其被配置为使第一反应物与第二反应物气态流起反应以产生能量和排气流， 所述发动机被配置为在环境条件范围中使用，其中所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机；压缩机，其被配置为对供给至所述发动机的所述第二反应物气态流加压； 涡轮机，其中所述压缩机由来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进；补燃室，其在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中，所述补燃室被配置为使所述排气流中的反应物反应；以及控制系统，其被配置为通过控制所述补燃室的运行来向所述涡轮机增加能量而在所述环境条件范围的至少一些环境条件下重启动所述发动机，使得所述压缩机以一速度被驱动，该速度规定所述第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至所述发动机。
38.如权利要求37所述的动力装置，其还包括喷射器，所述喷射器被配置为在所述排气流中喷射第三反应物以用于所述补燃室进行反应，其中所述控制系统被配置为通过控制由所述喷射器喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量来控制在所述排气流中反应的额外反应物的量。
39.如权利要求38所述的动力装置，其中所述第一反应物是第一燃料；所述第二反应物是气态氧化剂；并且所述第三反应物是第二燃料。
40.如权利要求39所述的动力装置，其中所述第一燃料是氢，其中所述第二燃料是氢， 并且所述发动机被配置为以小于一的当量比运行。
41.如权利要求37所述的动力装置，其中所述阈值水平是恒定值。
42.一种重启动发动机的方法，所述发动机被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应以产生能量和排气流，所述发动机被配置为在环境条件的范围中使用，其中所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机，其中所述发动机配备有压缩机和涡轮机，其中所述压缩机被配置为对供给至所述发动机和涡轮机的所述第二反应物气态流加压，其中所述压缩机通过来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进，所述方法包括在所述发动机的重启动期间运行补燃室，所述补燃室使在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中的反应物反应，使得所述压缩机以一速度被驱动，该速度规定所述第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至所述发动机。
43.如权利要求42所述的方法，其中运行补燃室的步骤包括喷射第三反应物到所述排气流中，并且其中所述补燃室的运行通过控制喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量而被控制。
44.一种重启动发动机的设备，所述发动机被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应以产生能量和排气流，所述发动机被配置为在环境条件的范围中使用，其中所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机，其中所述发动机配备有压缩机和涡轮机，其中所述压缩机被配置为对供给至所述发动机和涡轮机的所述第二反应物气态流加压，其中所述压缩机通过来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进，所述设备包括运行补燃室的装置，所述补燃室在所述发动机的重启动期间使在所述发动机和所述涡轮机之间的所述排气流中的反应物反应，使得所述压缩机以一速度被驱动，该速度规定所述第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至所述发动机。
45.如权利要求44所述的设备，其中所述补燃室包括被配置为喷射第三反应物到所述排气流中的喷射器，并且其中运行所述补燃室的所述装置通过控制喷射到所述排气流中的所述第三反应物的量来控制所述补燃室。
46.一种动力装置，其包括发动机，其被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应以产生能量和排气流，其中所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述发动机；压缩机，其被配置为对供给至所述发动机的所述第二反应物气态流加压；涡轮机，其中所述压缩机由来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进；以及发电机，其被配置为由从所述排气流中抽取的能量驱动。
47.如权利要求46所述的动力装置，其还包括在所述涡轮机上游的所述排气流中的补燃室，并且其在能量从所述排气流抽取用于所述发电机处的上游，所述补燃室被配置为使所述排气流中的额外反应物反应；以及控制系统，其被配置为控制在所述排气中反应的额外反应物的量，使得在所述排气流中存在足够的能量来在最佳水平驱动所述发电机和所述压缩机。
48.如权利要求46所述的动力装置，其中所述涡轮机还被配置为使用从所述排气流中抽取的能量驱动所述发电机。
49.如权利要求48所述的动力装置，其还包括控制系统，其中所述所述发电机被配置为施加可变水平的原动力在所述涡轮机上，并且其中所述控制系统被配置为控制由所述发电机施加至所述涡轮机的可变原动力。
50.如权利要求49所述的动力装置，其中所述控制系统被配置为控制由所述发电机施加至所述涡轮机的所述可变原动力，从而基于所述发动机的运行条件控制所述第二反应物气态流的所述流动速率，使得排气流温度被保持在温度限制以下。
51.如权利要求49所述的动力装置，其中所述发电机被配置为运行为电马达，并且其中所述控制系统被配置为通过控制由所述发电机施加至所述涡轮机的所述可变原动力而在至少一些环境条件下重启动所述发动机，使得所述压缩机以一速度被驱动，该速度规定所述第二反应物气态流以处于阈值水平或高于阈值水平的流动速率被提供至所述发动机。
52.一种动力装置，其包括燃料电池，其被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应，以产生能量和排气流；压缩机，其被配置为向供给至所述动力产生系统的所述第二反应物气态流加压；涡轮机，其中所述压缩机由来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进；在所述动力产生系统和所述涡轮机之间的所述排气流中的催化补燃室，所述补燃室被配置为使所述排气流中的反应物反应；以及控制系统，其被配置为控制所述补燃室的运行以在一速率下给所述涡轮机供应动力， 使得所述压缩机以一速度被驱动，该速度规定所述第二反应物气态流以一流动速率被提供至所述动力产生系统，该流动速率和所述第二反应物被提供至所述动力产生系统的速率相称。
53.如权利要求51所述的动力装置，其中所述控制系统被配置为控制由所述发电机施加至所述涡轮机的所述可变原动力，从而基于所述发动机的运行条件控制所述第二反应物气态流的所述流动速率，使得排气流温度被保持在温度限制以下。
54.一种动力装置，其包括发动机，其被配置为使第一反应物与第二反应物气态流反应，以产生能量和排气流；压缩机，其被配置为向供给至所述动力产生系统的所述第二反应物气态流加压；涡轮机，其中所述压缩机由来自所述涡轮机的驱动力旋转驱动，并且其中所述涡轮机由所述排气流推进；在所述动力产生系统和所述涡轮机之间的所述排气流中的补燃室，所述补燃室被配置为使所述排气流中的反应物反应；以及控制系统，其被配置为在系统冷启动期间基于所述涡轮机的温度控制所述补燃室的运行以向所述涡轮机供给动力。
全文摘要
本发明涉及一种用于飞行器的氢燃料动力装置，其包括内燃发动机，所述内燃发动机驱动马达发电机(motor-generator)并且具有两级涡轮增压器。控制系统基于对发动机当量比的控制来控制马达发电机的运行，从而将发动机保持在选择的速度。控制系统控制补燃室、中间冷却器和后冷却器以将动力装置的效率最大化。补燃室还在高海拔的重起动期间增加至涡轮增压器的动力。涡轮增压器还包括从排气中抽取多余动力的马达发电机。
文档编号B64D27/02GK102224074SQ200980146699
公开日2011年10月19日 申请日期2009年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者A·N·布鲁克斯, J·G·戴利 申请人:威罗门飞行公司