(57)【要約】  航空機のために、２段階ターボチャージャーを持ち、モータ発電機を駆動する内燃エンジンを含む水素を燃料とするパワープラント。制御システムは、エンジン当量比の制御に基づき選択される速度でエンジンを維持するようにモータ発電機の作動を制御する。前記制御システムは、パワープラント効率を最大限にするように、アフタバーナー、中間冷却器、及び後部冷却器を制御する。前記アフタバーナーはまた、高高度の再始動の間に前記ターボチャージャーに動力を加える。前記ターボチャージャーはまた、前記排気から過剰のパワーを抽出するモータ発電機を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動力を生成するように構成されるものであって、入口及び出口を備え、与えられた時間にエンジン当量比によって特徴付けられる燃焼エンジンと、
前記エンジンの前記原動力から動力を発生するように構成され、可変レベルの原動力をエンジンに適用するように構成される発電機と、
前記発電機によりエンジンに適用される原動力を制御するように構成され、エンジン当量比の計算に基づいてエンジン速度を前記発電機が維持するように、前記発電機を制御するように構成される制御システムと、を含むパワープラント。
【請求項２】
前記エンジンは、ガス状の反応物の源へエンジンの入口を接続する通路と共に構成されるが、ここで、前記通路は、ガス状の反応物の流れの圧力における減少を引き起こすであろう制御可能な障害からの制限もなく、前記ガス状の反応物の源から前記ガス状の反応物の流れを通すように構成されることを特徴とする請求項１のパワープラント。
【請求項３】
更に、前記ガス状の反応物の源からの前記ガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器とを備え、前記通路は、前記圧縮器によって確立される圧力レベルで実質的に前記エンジンの入口へと前記ガス状の反応物の流れを常に提供するように構成されることを特徴とする請求項２のパワープラント。
【請求項４】
前記エンジンは、１未満の当量比で作動されるように構成され、前記ガス状の反応物の流れは酸化剤であることを特徴とする請求項２に記載のパワープラント。
【請求項５】
前記発電機は、前記エンジンに供給される燃料の速度に関連する電力発生レベルで電力を発生し、前記制御システムは、前記エンジンに供給される燃料の前記速度を変更することにより電力発生レベルを変化させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のパワープラント。
【請求項６】
更に、前記エンジンの排気の流れによって駆動されるタービン及び前記エンジンのためのガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器を含むターボチャージャーを備え、前記制御システムは、当該パワープラントの効率レベルの計算に基づき前記ターボチャージャーの作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のパワープラント。
【請求項７】
更に、前記エンジン及びタービンの中間の排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中において追加の反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーを備え、前記制御システムは、前記排気の流れの中において反応させられる追加の反応物の量を制御することによって前記ターボチャージャーの作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項６に記載のパワープラント。
【請求項８】
前記エンジンの排気の流れにより駆動されるタービン及び前記エンジンのためにガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器を含む第２のターボチャージャーを更に備え、前記第２のターボチャージャーのタービンは前記アフタバーナーの上流にあることを特徴とする請求項６に記載のパワープラント。
【請求項９】
前記制御システムは、当該パワープラントの前記効率レベルの計算がすべての要求される電力レベル及び周囲作動条件を最大化するように、前記ターボチャージャーの作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項６に記載のパワープラント。
【請求項１０】
更に、前記エンジンのためのガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器と、前記圧縮器により圧縮されたガス状の反応物の流れを冷却するように構成される後部冷却器とを備え、前記制御システムは、当該パワープラントの効率レベルの計算に基づいて前記後部冷却器の作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のパワープラント。
【請求項１１】
前記制御システムは、当該パワープラントの前記効率レベルの計算がすべての要求される電力レベル及び周囲作動条件を最大化するように、前記後部冷却器の作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載のパワープラント。
【請求項１２】
前記エンジンのためのガス状の反応物を圧縮するように構成される直列の２つの圧縮器と、前記２つの圧縮器の中間のガス状の反応物を冷却するように構成される中間冷却器と、を更に備え、前記制御システムは、当該パワープラントの効率レベルの計算に基づいて、前記中間冷却器の作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のパワープラント。
【請求項１３】
前記制御システムは、当該パワープラントの前記効率レベルの計算がすべての要求される電力レベル及び周囲作動条件を最大化するように、前記後部冷却器の作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のパワープラント。
【請求項１４】
原動力を生成するように構成されるものであって、入口及び出口を持ち、エンジンの当量比によって与えられる時間において特徴づけられる燃焼エンジンを含み、前記エンジンの原動力から電力を発生するように構成されるものであって、電力が加えられると前記エンジンに原動力を適用するように構成される発電機を更に含むパワープラントを使用して電力を発生させる方法であって、
前記発電機がエンジンの当量比の計算に基づきエンジン速度を維持するように、前記発電機によってエンジンに適用される原動力を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記発電機は、燃料が前記エンジンに提供される速度に関連する電力発生レベルで電力を発生するが、さらに、燃料が前記エンジンに提供される前記速度を変化させることによって変化された電力必要量に応じて電力発生を変化するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記パワープラントは、前記エンジンの排気の流れにより駆動されるタービン及び前記エンジンのためのガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器を含むターボチャージャーを含み、更に、前記エンジン及び前記タービンの間の排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中において追加の反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーを含み、更に、前記パワープラントの効率レベルの計算に基づき、排気の流れの中で反応させられる追加の反応物の量を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
原動力を生成するように構成され、入口及び出口を持つ燃焼エンジンと、
前記エンジンの前記原動力から電力を発生するように構成され、電力が加えられたときに前記エンジンに原動力を適用するように構成された発電機と、
前記発電機がエンジン当量比の計算に基づきエンジン速度を維持するように前記発電機により前記エンジンに適用される前記原動力を制御する手段と、を含むことを特徴とするパワープラント。
【請求項１８】
前記発電機は、燃料が前記エンジンに提供される速度に関連する電力発生レベルで電力を発生するが、更に、燃料が前記エンジンに提供される前記速度を変化させることによって変化された電力必要量に応じて電力発生を変化する手段を含むことを特徴とする請求項１７に記載のパワープラント。
【請求項１９】
前記エンジンの排気の流れにより駆動されるタービン及び前記エンジンのためにガス状の反応物の流れを圧縮するように構成される圧縮器を、そして、前記エンジンと前記タービンの間の排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れにおいて追加の反応物が反応させられるように構成されるアフタバーナーを前記エンジンは含み、更に、パワープラントの効率レベルの計算に基づき排気の流れにおいて反応させられる追加の反応物の量を制御する手段を当該パワープラントが含むことを特徴とする請求項１８に記載のパワープラント。
【請求項２０】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるエンジンとであって、ここで、前記第２の反応物のガス状の流れはある流れ速度でエンジンに供給されるが、
排気温度が温度限界よりも下に維持されるように前記エンジンの作動条件に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように構成される制御システムと、を含むことを特徴とするパワープラント。
【請求項２１】
前記排気の流れの温度を感知するように構成されかつ配置される温度センサーを更に含み、前記制御システムは前記センサーを使用して前記排気の流れの温度をモニターするように構成され、前記制御システムはモニターされた温度に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載のパワープラント。
【請求項２２】
前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを高圧化するように構成される圧縮器を更に含み、前記制御システムは、前記圧縮器の作動を制御することによって第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように構成されることを特徴とする請求項２０に記載のパワープラント。
【請求項２３】
前記圧縮器は前記タービンからの駆動力により回転駆動され、前記タービンは、前記排気の流れによって推進され、前記制御システムは、前記タービンからの駆動力を制御することにより前記圧縮器の作動を制御するように構成されることを特徴とする請求項２２に記載のパワープラント。
【請求項２４】
前記エンジン及び前記タービンの間の排気の流れにあるものであって、前記排気の流れにおいて追加の反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーを更に含み、前記制御システムは、前記排気の流れの中において反応させられる追加の反応物の量を制御することによって前記タービンからの駆動力を制御するように構成されることを特徴とする請求項２３に記載のパワープラント。
【請求項２５】
前記アフタバーナーは触媒アフタバーナーであることを特徴とする請求項２４に記載のパワープラント。
【請求項２６】
前記アフタバーナーによって反応のため前記排気の流れにおいて第３の反応物を注入するように構成される注入器を更に含み、前記制御システムは、前記排気の流れの中に注入される前記第３の反応物の量を制御することによって前記排気の流れにおいて反応させられる追加の反応物の量を制御するように構成されることを特徴とする請求項２４に記載のパワープラント。
【請求項２７】
前記第１の反応物が第１の燃料であり、
前記第２の反応物がガス状の酸化剤であり、そして
前記第３の反応物が第２の燃料であることを特徴とする請求項２６に記載のパワープラント。
【請求項２８】
前記第１の燃料が水素であり、前記第２の燃料が水素であり、前記エンジンが１未満の当量比で作動するように構成されていることを特徴とする請求項２７に記載のパワープラント。
【請求項２９】
前記温度限界は一定であることを特徴とする請求項２０に記載のパワープラント。
【請求項３０】
前記エンジンが電力を発生する発電機を駆動することを特徴とする請求項２０に記載のパワープラント。
【請求項３１】
前記エンジンが、水素を空気で燃焼させるように構成される内燃レシプロエンジンであることを特徴とする請求項２０に記載のパワープラント。
【請求項３２】
エネルギー及び排気の流れを生成するために第２の反応物のガス状の流れと第１の反応物とを反応させるように構成されるエンジンの排気の流れの温度を制限する方法であって、ここで前記第２の反応物のガス状の流れはある流れ速度で提供されるが、
排気の流れの温度を示す情報をモニタリングするステップと、
前記排気の流れの温度が温度限界よりも下に維持されるようにモニターされた情報に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記モニタリングするステップは、排気の流れの温度を感知するステップを含み、前記制御するステップは、前記排気の流れの温度が温度限界よりも下に維持されるように前記感知された排気の流れの温度に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するステップを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記エンジンは、
前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
前記排気の流れによって推進されるように構成され、前記圧縮器を駆動するように構成されるタービンと、
前記エンジン及び前記タービンの間の排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中で追加の反応物を反応させるように構成される触媒アフタバーナーと、
前記アフタバーナーによる反応のための前記排気の流れにおける第３の反応物を注入するように構成される注入器と、を備え、
前記制御するステップにおいて、第２の反応物のガス状の流れの流れ速度が、前記注入器によって前記排気の流れの中に注入される第３の反応物の量を制御することによって制御されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
エネルギー及び排気の流れを生成するように第２の反応物のガス状の流れと第１の反応物を反応させるように構成されるエンジンの排気の流れの温度を限定するための装置であって、前記第２の反応物のガス状の流れがある流れ速度で前記エンジンに提供されるが、
排気の流れの温度を示す情報をモニタリングする手段と、
前記排気の流れの温度が温度限界よりも下に維持されるようにモニターされた情報に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御する手段と、を含むことを特徴とする装置。
【請求項３６】
前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
前記排気の流れによって推進されるように構成され、前記圧縮器を駆動するように構成されるタービンと、
前記エンジン及び前記タービンの間の排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中で追加の反応物を反応させるように構成される触媒アフタバーナーと、
前記アフタバーナーによる反応のための前記排気の流れにおける第３の反応物を注入するように構成される注入器と、を備え、
前記制御する手段は、前記注入器によって前記排気の流れの中に注入される第３の反応物の量を制御することによって第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように構成されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるものであって、周囲条件の範囲内で使用のために構成されるものであって、第２の反応物のガス状の流れがある流れ速度で提供されるエンジンと、
前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
タービンと、ここで、前記圧縮器は該タービンからの駆動力によって回転駆動され、該タービンは前記排気の流れによって推進されるが、
前記エンジン及び前記タービンの間の排気の流れにあるものであって、前記排気の流れの中で反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーと、そして、
前記圧縮器が、閾値を超えて又はある流れ速度において前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを供給する速度で駆動されるように、前記タービンへエネルギーを加えるために前記アフタバーナーの作動を制御することにより周囲条件の範囲の少なくとも一部の周囲条件において前記エンジンを再始動するように構成される制御システムと、を含むパワープラント。
【請求項３８】
前記アフタバーナーによって反応のため前記排気の流れにおいて第３の反応物を注入するように構成される注入器を更に含み、前記制御システムは、前記排気の流れの中に注入される前記第３の反応物の量を制御することによって前記排気の流れにおいて反応させられる追加の反応物の量を制御するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載のパワープラント。
【請求項３９】
前記第１の反応物が第１の燃料であり、
前記第２の反応物がガス状の酸化剤であり、そして
前記第３の反応物が第２の燃料であることを特徴とする請求項３８に記載のパワープラント。
【請求項４０】
前記第１の燃料が水素であり、前記第２の燃料が水素であり、前記エンジンが１未満の当量比で作動するように構成されていることを特徴とする請求項３９に記載のパワープラント。
【請求項４１】
前記閾値レベルが一定であることを特徴とする請求項３７に記載のパワープラント。
【請求項４２】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるものであって、周囲条件の範囲内で使用のために構成されるものであって、第２の反応物のガス状の流れがある流れ速度で提供されるエンジンを再始動させる方法であって、前記エンジンは、圧縮器及びタービンを備え、前記圧縮器は前記エンジン及びタービンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成され、前記圧縮器は前記タービンからの駆動力によって回転駆動され、前記タービンは前記排気の流れにより推進されるが、
前記圧縮器が、閾値レベルを超えて又はある流れ速度で前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを供給する速度で駆動されるように、前記エンジンの再始動の間に前記タービン及び前記エンジンの間の前記排気の流れにおいて反応物を反応させるアフタバーナーを作動するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
アフタバーナーを作動させるステップは、前記排気の流れの中に第３の反応物を注入するステップを含み、前記アフタバーナーの作動は前記排気の流れの中に注入される第３の反応物の量を制御することにより制御されることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるものであって、周囲条件の範囲内で使用のために構成されるものであって、第２の反応物のガス状の流れがある流れ速度で提供されるエンジンを再始動する装置であって、ここで、前記エンジンは圧縮器及びタービンを備え、前記圧縮器は前記エンジン及びタービンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成され、前記圧縮器は前記タービンからの駆動力によって回転駆動され、前記タービンは前記排気の流れによって推進されるが、
前記圧縮器が、閾値レベルを超えて又はある流れ速度で前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを供給する速度で駆動されるように、前記エンジンの再始動の間に前記タービン及び前記エンジンの間の前記排気の流れにおいて反応物を反応させるアフタバーナーを作動させる手段を備える装置。
【請求項４５】
前記アフタバーナーが、前記排気の流れにおいて第３の反応物を注入するように構成される注入器を含み、前記アフタバーナーを作動するための手段が前記排気の流れの中に注入される第３の反応物の量を制御することによって前記アフタバーナーを制御することを特徴とする請求項４４に記載のパワープラント。
【請求項４６】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるものであって、第２の反応物のガス状の流れがある流れ速度で提供されるエンジンと、
前記エンジンに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
タービンと、ここで、前記圧縮器は該タービンからの駆動力によって回転駆動され、該タービンは前記排気の流れによって推進されるが、
前記排気の流れから抽出されるエネルギーによって駆動されるように構成される電気の発電機と、を含むことを特徴とするパワープラント。
【請求項４７】
前記タービンの上流側の前記排気の流れの中にあり、前記発電機のための前記排気の流れから抽出されるエネルギーの上流側にあり、前記排気の流れの中において追加の反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーと、
十分なエネルギーが、最適化されたレベルの前記圧縮器及び前記発電機の両方を駆動する前記排気の流れに存在するように、前記排気において反応させられる追加の反応物の量を制御するように構成される制御システムと、を更に備えることを特徴とする請求項４６に記載のパワープラント。
【請求項４８】
前記タービンは更に、前記排気の流れから抽出されるエネルギーを使用して、前記発電機を駆動するように構成されることを特徴とする請求項４６に記載のパワープラント。
【請求項４９】
更に、制御システムを含み、前記発電機は前記タービンに作用する可変レベルの原動力を適用するように構成され、前記制御システムは前記発電機によってタービンに対して適用される可変の原動力を制御するように構成されることを特徴とする請求項４８に記載のパワープラント。
【請求項５０】
前記制御システムは、排気の流れの温度が温度限界より下に維持されるように前記エンジンの作動条件に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように前記発電機により前記タービンに適用される可変の原動力を制御するように構成されることを特徴とする請求項４９に記載のパワープラント。
【請求項５１】
前記発電機は、電気モータとして作動し、前記制御システムは、前記圧縮器が閾値レベルを超えて又はある流れ速度で前記エンジンに提供される第２の反応物のガス状の流れを提供する速度で駆動されるように、前記発電機によって前記タービンに適用される可変の原動力を制御することによって少なくとも一部の周囲条件において前記エンジンを再始動するように構成されることを特徴とする請求項４９に記載のパワープラント。
【請求項５２】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成される燃料電池と、
電力発生システムに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
タービンと、ここで、前記圧縮器は該タービンからの駆動力によって回転駆動され、該タービンは前記排気の流れによって推進されるが、
前記電力発生システム及び前記タービンの間の前記排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中で反応物を反応させるように構成される触媒アフタバーナーと、そして、
前記圧縮器が、前記第２の反応物が前記電力発生システムに提供される速度に適合する流れ速度で前記電力発生システムへ供給される第２の反応物のガス状の流れを提供する速度で駆動されるように、ある速度でタービンに動力を与えるようにアフタバーナーの作動を制御するように構成される制御システムと、を備えるパワープラント。
【請求項５３】
前記制御システムは、排気の流れの温度が温度限界より下に維持されるように前記エンジンの作動条件に基づき第２の反応物のガス状の流れの流れ速度を制御するように前記発電機により前記タービンに適用される可変の原動力を制御するように構成されることを特徴とする請求項５１に記載のパワープラント。
【請求項５４】
エネルギー及び排気の流れを生成する第２の反応物のガス状の流れに第１の反応物を反応させるように構成されるエンジンと、
電力発生システムに供給される第２の反応物のガス状の流れを加圧するように構成される圧縮器と、
タービンと、ここで、前記圧縮器は該タービンからの駆動力によって回転駆動され、該タービンは前記排気の流れによって推進されるが、
前記電力発生システム及び前記タービンの間の前記排気の流れの中にあるものであって、前記排気の流れの中において反応物を反応させるように構成されるアフタバーナーと、そして、
前記タービンの温度に基づきシステムのコールド・スタートの間にタービンに動力を供給するように前記アフタバーナーの作動を制御するように構成される制御システムと、を備えるパワープラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年９月２３日に出願した米国特許仮出願番号第６１／１９４，０４８号の利益を主張し、その仮出願は、すべての目的のために、参照され、ここにおいて組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、水素動力装置（パワープラント）に、そして、より詳しくは、水素燃焼機関、ターボ過給機（ターボチャージャー）、そして、アフタバーナーを有するパワープラントに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
［発明の背景］
高高度で長時間航続の航空機は、非常に効率的な設計が必要である。水素動力による航空機は、燃料重量を制限し、それにより航続時間を最大にするとして示唆されてきた。選択された燃料にかかわらず、酸化剤は供給しなければならず、周辺の空気を酸化剤とするならば、それは一般に高高度で圧縮されなければならない。水素が燃料であるとき、大量の圧縮された空気がエンジンによって燃焼されないままであるかもしれず、そして、圧縮のエネルギーは空気の非燃焼部分のために無駄となるかもしれない。
【０００４】
高高度の長時間航続の航空機には、推進用の電動モータの使用が有利であろうことが示唆されてきた。高高度の長時間航続の航空機が電動モータを作動させるものであるならば、大きな電力発生システムが必要である。そのようなシステムは、変化する動力要件に素早く対応できなければならないが、重量機器を備える複雑系は、航空機の最大積載量［ペイロード］（或いは持続時間）を制限し、かつ、一般に低い信頼性を持つので、不利である。一方、より単純なシステムは、急激に変化する動力要件に対応する能力において制限されるかもしれない。
【０００５】
従来のターボ過給エンジンは、通常、ウエストゲートを使用して、ブースト圧を制御するように設計されている。ウエストゲートは、ターボチャージャーを通過［パス］する排ガスの一部を迂回させ、それによってターボチャージャーの速度を制御し、結果としてコンプレッサーの昇圧を制御する、排気流における制御可能なバルブである。ウエストゲートの連続使用は、(ウエストゲートを閉鎖すること）により動力を上げる即時能力に備えることができるが、ウエストゲートの使用は、そうしなければ、排気から回収可能であったであろうエネルギーの一部を無駄にする。高高度の水素パワープラントでは、効率を最適化することが重要であり、したがって、ターボチャージャーシステムは、通常、ウエストゲート流が０で通常動作となるようにされている。このため、ウエストゲートをさらに用いて、ブースト圧を上昇させることができない。
【０００６】
したがって、動作レベルにおける急激な変化を考慮しつつ、高い信頼性を持つ高効率の動力を提供することができる航空機のパワープラントに対する必要性が認められてきた。本発明の好ましい実施例は、これらの要求及び他の要求を満たし、さらに関連する利点を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
［発明の要約］
種々の実施例において、本発明は、作動（運転）レベルにおける急激な変化を考慮し、かつ、エンジンの始動の限界及びエンジンの温度の限界のような関連する他の問題に対処しつつ、高い信頼性を持つ効率的な動力（パワー）を供給することができるパワープラントを提供して、前記必要性の一部又は全てを解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のパワープラントは、原動力を作り出すように構成された燃焼機関［燃焼エンジン］と、該エンジンの原動力から動力を生成するように構成された発電機とを備える。エンジンは入口と出口とを有する。発電機は、可変するレベルの原動力をエンジンに適用するように構成される。パワープラントは、さらに、発電機によってエンジンに適用された原動力を制御するように構成された制御システムを備える。定常状態のエンジン動作の間は、発電機がエンジン速度を選択された実質的に一定の速度を維持するように、発電機を制御し、遷移状態の間は、許容当量比の維持及び全体のパワープラントの効率の最大化に基づいて、エンジン速度を変化させるように構成される。有利なことに、これは最大効率及び信頼性を促進する選択された速度で動作させられるエンジンを提供する。さらに、エンジンは絞り弁なしで構成され、これにより、その重量効率及びエンジンの信頼性の両方が改善される。
【０００９】
さらに、パワープラントは、タービン及び圧縮器を有するターボチャージャーと、エンジン及びタービンの中間の排気流中にあるアフタバーナーとを備える。アフタバーナーは、排気流中で追加の反応物を反応させるように構成され、制御システムは、排気流中で反応した追加の反応物の量を制御することによって、ターボチャージャーの作動を制御するように構成される。有利なことに、得られる追加のエネルギーにより、アフタバーナーが、エンジンの始動期間や、動力レベルの移行期間等の間において、ターボチャージャーに部分的に又は完全に動力供給するように構成される。また、得られる空気流の流速の増加により、燃料レベルを希薄に維持するように使用することができ、これにより、エンジンの排気温度を制限することができる。
【００１０】
有利なことに、本発明のいくつかの態様では、ウエストゲートを必要とすることなく達成可能な動作点の拡張が供給され、高高度でエンジンを再始動する能力、及びパワープラントのコアの排気における未燃焼の水素のエネルギー容量の回収が提供される。
【００１１】
本発明の他の特徴及び長所は、例として本発明の原理を説明する以下の好ましい実施例の詳細な説明及び添付の図面によって、明らかになるであろう。以下に記載した、本発明の実施例の構築及び使用を可能にする、特に好ましい実施例の詳細な説明は、列挙されたクレームを限定するものではなく、クレームされる発明の特定の例として挙げたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の下、パワープラントの最初の実施例のシステム・レイアウトである。
【００１３】
【図２】図２は、図１において描かれる実施例のエンジン及び発電機の正面図である。
【００１４】
【図３】図３は、図１において描かれる実施例の制御システムの接続のシステム・レイアウトである。
【００１５】
【図４】図４は、図１において描かれる実施例を用いた、本発明の下における第１の方法である。
【００１６】
【図５】図５は、図１において描かれる実施例を用いた、本発明の下における第２の方法である。
【００１７】
【図６】図６は、図１において描かれる実施例を用いた、本発明の下における第３の方法である。
【００１８】
【図７】図７は、本発明の下におけるパワープラントの別の実施例のシステム・レイアウトである。
【００１９】
【図８】図８は、本発明の下におけるパワープラントの更に別の実施例のシステム・レイアウトである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［好ましい実施例の詳細な説明］
上記において要約された、そして、列挙されるクレームによって規定された本発明は、添付される図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明に言及することによってよりよく理解されかもしれない。この本発明の特定の実施の構築及び使用を可能にする、本発明の特定の好ましい実施例の詳細な説明は、列挙された請求項を限定するものでなく、それらの特定の例示として挙げたものである。
【００２１】
本発明の典型的な実施例は、高高度長航続時間航空機用のパワープラントに関する。前記パワープラントは、エンジン（即ち、エネルギーを機械的な力又は動きに変換する機械）と、エンジンの原動力を使用して電気を発生させ、エンジンを回転させる駆動力を提供し、及びエンジンに駆動力を提供し、エンジンが回転する速度を調整するように構成された第一電動発電機とを備える。エンジンは、第一反応物と、第二反応物のガス状流れとを使用し、これらはそれぞれ、燃料源（例えば、水素タンク）からの水素のような燃料、及び大気のような酸化剤源からの空気のような酸化剤のガス状流れであってもよい。他の燃料、酸化剤、燃料源及び酸化剤源も、本発明の範囲内で想定される。
【００２２】
［システム構成］
【００２３】
より詳しくは、図１〜３を参照して、第一の実施例のパワープラントは、一次電動発電機１０３（以下、「一次発電機」と言う）を動かす内燃ピストンエンジン１０１を備える電力発生システムを備える。エンジンは、回転性の駆動力を作り出すように構成され、一般的に公知のように、入口１０５と、排気出口１０７とを有する。場合によっては、エンジン及び一次発電機が、これらの両方を通って伸び、エンジンのクランクシャフト及びローター１１１を支える発電機のシャフトの両方として作用する、１本の共通シャフト１０９を使用して動作するように、エンジン及び一次発電機が、一体化されてもよい。場合によっては、ローターは、エンジン用フライホイールとして機能する寸法としてもよい。他の種類のエンジンも本発明の範囲内として想定される。
【００２４】
一次発電機１０３は、エンジン１０１の駆動力（例えば、共通シャフト１０９の回転）から、電力を発生するように構成される。さらに該一次発電機は、可変レベルの駆動力がエンジンのシャフトにかかるように構成される。このエンジンにかかる駆動力は、例えば、エンジンを始動させるために、エンジン（のシャフト）を能動的に回転させることができ、あるいはエンジンが動く速度を制御するように使用することができる。
【００２５】
また、パワープラントは、作動条件の安全運行範囲にわたって（例えば、動力発生要件の範囲にわたって、或いは海面での温度及び圧力から成層圏条件まで広がりうる周囲条件の範囲にわたって）、パワープラントの作動を制御するように構成された制御システム１１３を備える。第一態様では、制御システムは、エンジンが一次発電機を動かしている時、一次発電機１０３によって、エンジン１０１にかかる可変レベルの駆動力を制御するように構成される。第二態様では、制御システムは、エンジンを動かす電動機として、一次（モーター）発電機に電圧を加えるように構成される。
【００２６】
さらに詳しくは、制御システム１１３は、エンジンの当量比の計算に基づいて、一次発電機１０３によってエンジン１０１にかかる駆動力を制御するように構成される。さらに詳しくは、これは、一次発電機が、正常なエンジン作動の間のエンジン速度を制御、変更するように、作動条件の限度内で、当量比が許容限界（これは、通常、使用されている燃料の種類に依存する）内に維持され、全体のパワープラントの効率が最大になるように、駆動力を制御するように構成される。定常状態及び遷移状態（例えば、異なる動力発生レベル間の変化又は周囲条件の変化）のどちらでも、当量比は、パワープラントの効率を最大にするように選択されるが、パワープラントの種々の部品の熱的及び機械的な限界について最適な当量比のために優先性のバランスをとるであろう。
【００２７】
発電機による駆動力の変動は、通常、一次発電機の磁場コイルにより発生する磁場を変えることによって（例えば、一次発電機用の磁場を発生させる電力レベルを変えることによって）行うが、電機子中の動作中の巻線の数を変えることによっても達成することができる。あるエンジン速度では、一次発電機により、エンジンにかかる駆動力が増加するにつれ、一次発電機によって発生する電力も増加する。したがって、エンジン動力レベルが増加した場合、一次発電機はその駆動力を増加させ、エンジン速度を推進し、これによって、それが発生する動力レベルを上げる。
【００２８】
高高度では周囲圧力は低く、及びガス状エンジン酸化剤源として周囲空気を使用するために、エンジン１０１での燃焼に十分な酸素を提供するには、かなりの量の圧縮が必要であろう。燃焼を補助する空気流の必要条件に備えて、本実施例のパワープラントでは、ガス状エンジン酸化剤を圧縮するように構成された圧縮システムを備える。より詳しくは、該圧縮システムは、ラム・エア・スクープ１１９と、第一段階圧縮器１２１及び第一段階タービン１２３を含む第一段階ターボチャージャーと、中間冷却器（インタークーラー）１２５と、第二段階圧縮器１３１及び第二段階タービン１３３を含む第二段階ターボチャージャーと、後部冷却器（アフタークーラー）１３５と、アフタバーナー１３７とを備える。
【００２９】
作動中、第一段階圧縮器１２１は、効率的な空気の収集を支援するために、航空機の飛行速度を使用するように構成された、ラム・エア・スクープ１１９から空気を受け取る。第一段階圧縮器を交代で動かして、ラム・エア・スクープから集められた空気（エンジン１０１用のガス状エンジン酸化剤）を圧縮し、第一段階圧縮器の作用によって加熱された、１回圧縮された空気の流れを発生させる。次いで、中間冷却器１２５が、この１回圧縮された空気を冷却し、さらなる圧縮に備えて、その温度を下げる。
【００３０】
第二段階圧縮器１３１は、中間冷却器１２５から、１回冷却され、１回圧縮された空気流を受け取り、さらにこれを圧縮するために交代で動かされ、今度は第二段階圧縮器の作用によって再び加熱されている、２回圧縮された空気の気流を発生する。次いで、後部冷却器１３５が、入口１０５への導入そして燃焼のために、２回圧縮された空気を冷却し、その温度を下げる。このエンジン空気吸込温度の低下により、エンジン１０１への吸気がより高密度になり、エンジンサイクル毎に燃焼される空気及び燃料を増やすことができ、エンジンの出力を増やすことができる。したがって、パワープラントは、エンジン用のガス状エンジン酸化剤を圧縮するように構成された、２つの連続した（即ち、連続して配置された）圧縮器と、該２つの圧縮器の中間に設けられた、ガス状エンジン酸化剤を冷却するように構成された中間冷却器と、２つの圧縮器の両方で圧縮された後、ガス状エンジン酸化剤を冷却するように構成された後部冷却器とを備える。
【００３１】
航空機システムは、信頼性、重さ及びエネルギー効率を始めとする種々の要因のバランスを取らなければならないので、通常、構造物の量、可動部品の数、無効なエネルギー損失を起こすシステムを最小限にすることが望まれる。本実施例では、エンジン１０１は、絞り弁（即ち、２回圧縮及び２回冷却周囲空気のようなガス状入口反応物の気流に種々の圧力降下を起こす、制御可能な入口障害物）を使用せず、また備えていない。
【００３２】
より詳しくは、エンジン１０１は、ラム・エア・スクープ１１９から、第一段階圧縮器１２１、中間冷却器１２５、第二段階圧縮器１３１及び後部冷却器１３５を通って連続的に延び、エンジン入口１０５で終わる入口通路を備える。この入口通路は、ガス状エンジン酸化剤の流れの圧力における低下を引き起こす（即ち、障害物の上流側から該障害物の下流側へ圧力低下を生じさせる）であろう制御可能な障害物（例えば、絞り弁）から制限されることなく、ガス状エンジン酸化剤の流れを通過させるように構成される。
【００３３】
なお、本明細書では、制御可能な障害物（即ち、絞り弁）と、流れ抵抗を常時最小限にするように構成された障害物（例えば、空気流の冷却を最大限にしつつ、その流れ抵抗を最小限にするように構成される、部品間の管又は冷却器）とを、区別して示している。さらに、入口通路は、種々の損失係数によって特徴づけられるというよりは、一定の損失係数（及び流速度）の関数としてのみ変化し、後部冷却器１３５及び配管によって引き起こされる少ない量しか違わないように、第二段階圧縮器１３１によって確立された圧力レベルで実質的にエンジン入口１０５にガス状エンジン酸化剤の流れを常に供給するように構成される。
【００３４】
燃料及び酸化剤を混合した後、燃焼が起こり、エンジンは、燃焼のエネルギーのいくらかをエンジンの駆動力に変換する。次いで、燃焼した燃料及び酸化剤は、排気出口１０７から排気通路へ放出される。排気通路は、排気出口から、アフタバーナー１３７、第二段階タービン１３３及び第一段階タービン１２３を通って連続的に延び、その後、排気を周囲大気に排出するように構成されたポートで終わる。したがって、アフタバーナーは、エンジンとタービンとの中間の排気流中に設置されている。
【００３５】
燃料が空気中の全酸素と反応する化学量論的モードで仕事をするガソリンエンジンとは異なり、本実施例の水素エンジン１０１は、通常、酸素は実質的に全ての燃料と反応し、いくらかの酸素が残っているモードで作用する。したがって、該エンジンは、１未満の当量比で動くように構成された水素燃料方式エンジンである。パワープラントのコア（即ち、エンジン）からの排気中にある過剰の酸素を使用して、排気中で追加の燃料を燃やすことができる。この排気流における後燃え性は、航空機の離陸のために、追加の駆動力を提供するために、前から使用されてきている。これは、プロペラと機械的に連結するパワー・テイクオフ・タービンを通って導かれる排気流中において燃料を燃やすことによって行われていた。
【００３６】
作用において、本実施例のアフタバーナーは、エンジン１０１から排気空気を直接受け取る。先に検討したように、通常、この排気は、燃焼排気生成物と共に、主に、酸化剤の形態のいくらかのガス状第二反応物を含んでいる。それにもかかわらず、燃料及び排気生成物を含む、あるいは燃料、酸化剤及び場合により排気生成物を含む（エンジン燃焼を使用する場合）排気は、本発明の範囲内で意図されるものである。
【００３７】
アフタバーナー１３７は、排気流中の追加の反応物を反応させるように構成され、より詳しくは、第三反応物を排気流に注入するように構成された、アフタバーナー燃料注入器（インジェクター）１３９を備える。この実施例では、第三反応物は、水素燃料である（及び注入器は水素燃料注入器である）。通常、第三反応物は、第一反応物と同じ種類の燃料（即ち、エンジン１０１で反応させる燃料、例えば、水素）であるが、他の種類のもの、あるいは酸化剤であることもあり得る。
【００３８】
アフタバーナー１３７は、公知のいかなるものであってもよいが、通常、１反応物の供給が実質的に排気されるまで、残っている反応物の燃焼を最大化する触媒バーナーである。アフタバーナーの触媒床の直径は、アフタバーナーを通した圧力降下が重要性の低いものとなるように選択される。アフタバーナー注入器１３９、及び任意の混合器（図示せず）は、通常、バーナーの上流に、数個の直径で設置される。注入反応物の質量流を制御する手段が備えられている。これは、通常、水素質量流れ制御装置又は１個以上のパルス幅調節燃料注入器であってもよい。
【００３９】
燃料及び酸化剤を、アフタバーナー１３７で反応させている場合は、追加のエネルギーを排気流に加える。排気流は、アフタバーナーから、該排気流によって次々と動かされ、それによって、第二段階圧縮器１３１を次々と動かすために、排気流からエネルギーを取り出す第二段階タービン１３３に通される。
【００４０】
同様に、排気流は、第二段階タービン１３３から、該排気流によって次々と動かされ、したがって、第一段階圧縮器１２１を次々と動かすために、エネルギーを排気流から取り出す第一段階タービン１２３に通される。場合によっては、追加のあるいは代わりとなるアフタバーナー１４１（及び場合によっては、関連するアフタバーナー燃料注入器１４３）を、第二及び第一段階タービン１３３、１２３の中間の排気通路に沿って設置することができ得る。これは、アフタバーナーの有効利用を下げる可能性があるが、第二段階タービン１３３を極端な高温に曝すことを回避し、かつ第一段階タービン１２３の作動に、より直接的で制御可能な影響を与えることがあり得る。また、一次アフタバーナー１３７の高温での作動を必要としないので、より安価な装置でもある。
【００４１】
触媒アフタバーナー１３７を用いることにより、エネルギーを排気に加え、圧縮の増加が必要な場合、動力を押し上げることが可能である。タービンを動かすアフタバーナーでの燃料の燃焼は、駆動力をエンジンに直接加えず、一次発電機１０３にかけるので、アフタバーナーへの反応物の注入は、通常、短い、所定の時間でしか行われない。アフタバーナーを使用する低効率での作動は、長い時間で行うよりは短い時間で行うほうがより好ましく、例えば、瞬間の動力増加を提供するために閉鎖し得る、しばしば開くウエストゲートを使用することによって起こり得る。
【００４２】
高高度のパワープラント用のターボチャージャーシステムは、通常、非常に大きく、大きな熱容量を持つ可能性があり、正常なエンジン始動の後、作動温度まで暖めるに相当量の時間を要する。アフタバーナー作動のためのそのような時間の１つとして、システムの始動時間がある。ウォームアップ作動の間、排気中で追加水素を反応させることにより、アフタバーナー１３７は、タービン１２３、１３３を暖めるために必要な追加の熱を発生することができる。これにより、作動温度までターボチャージャーを暖める操作を大きく促進し、かつ低温での過剰な作動を回避することができる。このように、該システムは、作動可能温度へのタービンの暖めが、アフタバーナーなしの始動より促進されるように、システムの冷えた状態での始動の間、アフタバーナーの作動を制御し、タービンを動かすように構成された制御システムを備える。この特徴は、タービン温度センサーの使用、又はある速度に達するまでのタービンに関する代表的な時間に関する情報によって、増大されるかもしれない。
【００４３】
アフタバーナーの作動の一般的に短い作動時間の例外は、高高度においてエンジンのアイドル期間があるかもしれない。エンジンのアイドリングは、典型的に、最小量の使用燃料で生じ、したがって、排気中に利用可能なエネルギーの最小量を備える。それにもかかわらず、高高度では、エンジン１０１をアイドリングするために必要なごく少量の空気を圧縮するために、大量のエネルギーを要するかもしれない。したがって、アイドリング時のエンジン排気には、アイドリング時に必要とされる最小の圧縮を提供するために、ターボチャージャーを適切に駆動させ続けるのに十分なエネルギーが存在しないかもしれない。追加のエネルギーを排気中に提供する（通常追加の燃料を反応させることによって）ためにアフタバーナー１３７を用いることにより、エンジンの作動のために適切な圧縮を維持するために、タービンが必要とする追加のエネルギーが提供できる。
【００４４】
エンジン１０１が反応物を不完全に反応させるならば（即ち、排気が、燃料及び酸化剤のごく微量を超えて含むならば）、触媒アフタバーナー１３７はまた、（例えば、追加の圧縮に失われるエネルギー又は燃料の使用に関して）いかなる追加の効率損失することなくこれらの反応物を反応させることができる。例えば、非常にリーンな作動のポイントでは、水素内燃機関は、注入された水素の全てを完全に燃焼させないかもしれない。排気通路中の触媒アフタバーナーは、燃焼されていない水素に反応を起こさせ、さもなければ失われたであろうエネルギーを熱として捕獲する。この捕獲された熱エネルギーは、第一及び第二段階タービン１２３、１３３において、機械的エネルギーに部分的に変換され、第一及び第二段階圧縮器１２１、１３１を次々と動かす能力を増加することになる。
【００４５】
パワープラントは、例えば、大部分の飛行条件の期間においてそれが経験するだろう条件のように、典型的な作動条件における効率的な作動のために設計されている。システムは、常に最小のエネルギー損失で動作することが好ましいところ、システムの圧縮性能がエンジンの要求を有害に超えてしまう限られた期間（時間）があるかもしれない。そのような期間の１つは、パワープラントが低動力モードにある時かもしれない。これは、例えば、ペイロード出力が必要とされない時である下降（最少の推進出力（スラスト・パワー）要件によって特徴付けられる）の間に起こり得る。別のそのような時間は、燃料流速における急激な変化の間の期間であるかもしれない。
【００４６】
これらの限られた時間の間、パワープラントの作動を適合させるために、パワープラントは１つ以上のエネルギーブリード装置を備える。そのような装置の第一のタイプは、排気流中で利用可能なエネルギーを低下させて、タービン１２３、１３３を動かすように構成される。このタイプのそのような第一の装置は、第一段階（即ち低圧）タービン１２３を動かすために使用する前に、加圧された排気のいくらかを吹出すように構成される低圧ウエストゲート１６１である。このタイプの他のそのような装置は、第二段階（即ち、高圧）タービン１３３の周りの加圧された排気のいくらかを吹出すように構成される高圧ウエストゲート１６３である。高圧ウエストゲートは、代わりに、圧力をシステムから外に抜くように構成することができ、それによって、第一及び第二段階タービンの両方で利用可能なエネルギーを下げる。
【００４７】
エネルギーブリード装置の第二のタイプは、エンジン１０１によって吸い込まれる前に、圧縮されたガス状流れを吹出すように構成される。このタイプのそのような第一の装置は、圧縮されたガス状流れの一部をエンジン排気に吹出すように構成されたエンジン・バイパス１６５である。これは、後部冷却器１３５の前又は後に設置され得る。このタイプの別のそのような装置は、入口１０５によって受け取られた直後、あるいは後部冷却器の前に、圧縮されたガス状流れの一部を吹出すように構成された入口吹出弁１６７である。上記したように、これらを１つ、２つ、３つ又は４つ組み合わせることは、本発明の範囲内で意図されることであり、使用される数、大きさ及びタイプは、特定の設計の特徴に応じて変化してもよい。例えば、いくつかの設計では、入口吹出弁１６７だけが必要な場合もある。
【００４８】
［パワー発生レベルにおける変化］
【００４９】
上述したように、一次発電機１０３は、（燃料流要求が変わったとしても）許容し得るレベルに合わせて当量比を制御するために適切な速度にエンジン（及び一次発電機ローター）の速度を維持するように制御される。それにもかかわらず、航空機は、飛行条件、飛行計画、航空機システム及び航空機ペイロードの種々の要求により、異なる電力発生レベルを要求するであろう。一次発電機は、燃料がエンジン１０１に供給される速度（及び同様に、許容しうる当量比でそれを保つためにエンジンにかける駆動力一次発電機のレベル）に関連する動力発生レベルで、種々の電力レベルを発生させる。
【００５０】
エンジン１０１にかかる燃料レベルが多ければ多いほど、エンジンによって供給される原動力は大きくなり、一定のエンジン及びローター速度を維持するために、一次発電機１０３がかける回転に対する抵抗がより大きくなる。抵抗のこの増加は、動力発生の増加による自然な結果であり、したがって、エンジンに供給される燃料割合が増加すれば、電力発生のレベルも増加する。したがって、エンジン及び一次発電機の作動限度内で、広い範囲の動力発生レベルを達成することができ、それぞれが、該エンジンに関連する燃料流速を有する。
【００５１】
それにもかかわらず、エンジン１０１、ターボチャージャー及び冷却器１２５、１３５の定常状態での作動条件が実質的に異なり得、各装置が作動に対して効率的であり安全である作動の限定的な範囲を持つので、２つの遠く隔たった動力レベル間の移行は、問題であろう。例えば、エンジンの燃料対酸化剤の比は、移行中であっても、安全な作動範囲内に維持される必要がある。空気流速における比率の変化を伴わない燃料流速における急激な変化は、エンジンの不着火又は過熱状態を起こす可能性がある。
【００５２】
同様に、任意の所定の圧力上昇比に関しても、各ターボチャージャーは、ある所定の効率レベル（即ち、実際空気圧縮に変換するターボシャフト動力の比率）を維持することができる補正空気流速の特徴的な範囲を有する。これらの範囲は、通常、圧縮器マップ上に表わされ、様々なレベルの効率に関し作動の限度を規定し、圧縮器がサージやチョークのような故障状態になる限界を規定する。エンジン１０１背圧の急激な増加は、圧縮器を通る脈動する逆流及びシステムの激振によって特徴付けられるサージ状態を起こすこともあり得る。
【００５３】
いかなる補助なしに、２つの遠く隔たった動力レベル間を移行させることは、関連する燃料−流れ速度の間での非常に緩やかな移行を使用して達成することができる。しかし、そのようなゆっくりとした移行は、変化する動力の必要性に対する素早い応答を提供することにはつながらないであろう。
【００５４】
動力レベルの間のより優れた移行を提供するために、制御システム１１３は、燃料がエンジン１０１に流れる速度及びエンジンが回転する速度、燃料がアフタバーナー１３７のアフタバーナー注入器１３９へ流れる速度、及び冷却剤が各冷却器（即ち、中間冷却器１２５及び後部冷却器１３５）に流れる速度を制御する。あるいは（又は、組み合わせて）、ターボチャージャー・ウエストゲート及び種々のシステム吹出弁及びバイパスのような他の制御機構を、制御システムによって制御できるように使用し、燃料流レベルの間で素早く移行しつつ、システム構成部品を効率的な作動範囲に維持することができる。
【００５５】
以下に述べるように、制御システム１１３は、多様な制御パラメーターを用いて、パワープラントのパワー発生レベルの間の効率的な移行に備えるように、構成される（例えば、それは制御信号を発信するようにプログラムされたコンピュータである）。これらのパラメーターの全てより少ないパラメーターを制御システムが制御することもまた、本発明の範囲内に存する。例えば、本発明の代替的な実施例は、エンジン１０１へと燃料が流れる速度及びアフタバーナー１３７へと流れる燃料が流れる速度のみを制御するように構成される制御システムを持つことができる。
【００５６】
［アフタバーナー］
【００５７】
触媒は、水素を酸素と迅速に反応させるために使用されてもよい。該反応を維持するために火炎は必要ではなく、そのような触媒バーナーは、非常に広い範囲の当量比（即ち、存在する酸素の全てと十分に反応するために必要な水素流に対する水素流の比率）にわたって作動可能である。高温排気流中で作動する際に、触媒バーナーの触媒床は、非常に少量の水素であっても反応させるであろう。安定な火炎前面の維持又は火炎の吹消えに関する懸念はない。酸素を含む排気流において、加えられた水素は、触媒バーナーを通過する時、反応する。それにもかかわらず、加えられる水素の最大量は、最高作動温度未満に、触媒床及びタービンを保持するために、制限されなければならない。
【００５８】
本発明の一態様において、制御システム１１３は、発生されたパワー・レベルにおける移行の間、エンジン効率を改善するように、１つ又は両方のターボチャージャーの作動を制御するように構成される。より詳しくは、急激に増加するエンジンの燃料−流れ速度が、より効率の悪い（又は望ましくない）当量比（例えば、エンジンの不着火又は過高温状態を起こす比率）に、エンジン１０１を駆動し得るとき、制御システムは、エンジン燃料−流れ速度における増加に先立って及び／又はその最中に、燃料をアフタバーナー１３７に注入するように、アフタバーナー燃料注入器１３９に指令を出す。排気の流れのエネルギーにおける結果的な増加は、両方のターボチャージャー、特に第二段階ターボチャージャーの動作（即ち回転速度）を増加させる。増加したターボチャージャーの回転速度は、圧縮の向上、即ち、入口１０５へのガス状第二反応物（例えば、圧縮された空気）の増加した流速を提供し、そして、エンジン燃料−流れ速度の移行間に、より良い当量比を提供する。
【００５９】
同様に、エンジン燃料流速の急激な減少により、エンジン１０１が効率の悪い（又は望ましくない）当量比（例えば、エンジンを動かすには薄すぎる（リーン過ぎる）比）にする可能性があり、かつもしアフタバーナー燃料注入器１３９がすでに燃料を注入していれば（例えば、離陸の間又は高所要電力を特徴とする他の条件で起こるかもしれない）、制御システム１１３は、アフタバーナー燃料注入器に指令を出し、エンジン燃料流速の減少の前及び／又は間に、より少ない燃料をアフタバーナー１３７に注入するか、あるいは燃料を注入しない。結果として得られた、排気流エネルギーの減少により、両ターボチャージャーの作動（即ち、回転速度）が減少する。ターボチャージャーの回転速度の減少により、ガス状第二反応物（例えば、圧縮空気）の入口１０５への流速が減少し、従って、エンジン燃料−流れ速度の移行の間、もっと適した当量比が提供される。このように、制御システムは、排気流において反応させた追加反応物の量を制御することにより、ターボチャージャーの作動を制御するように構成される。
【００６０】
いずれの場合であっても、一度、エンジン燃料流速が定常状態に達すれば、システムは、通常、エンジン１０１の排気流で利用可能な、適切な（即ち、それぞれ、増加された又は減少された）エネルギーレベルを有し、新しい作動レベルで（通常、アフタバーナー１３７に供給される追加の燃料なしに）、ターボチャージャーを支持する。従って、アフタバーナーの作動を使用して、ターボチャージャー圧縮比の変更を推進することができ、これによって、前記パワープラントが電力要件における変化に応答することができる応答効率（即ち、効率的な、安全な、及び機能的な作動条件を維持しつつ、応答する時間）を増加させる。
【００６１】
［中間冷却器］
【００６２】
本発明の別の一面では、制御システム１１３はまた、定常状態の作動の間及び発生動力レベル内における移行の間の両方で、但しこの場合は異なる方法によって、エンジン１０１の効率を改善するように、ターボチャージャーの作動を制御するように構成される。上述したように、圧縮器の効率的な作動は、空気の密度（周囲温度及び圧力）を考慮に入れると、補正された空気の流れ、即ち、空気の補正された質量流れ速度と関連する。従って、圧縮される空気の温度を調整することによって、圧縮器の効率は、制御され得るが、より重要なことには、安全な作動限界以内に維持され得ることである。
【００６３】
冷却材が中間冷却器に流れる速度に対する制御に関し、制御システム１１３は、ターボチャージャーの作動をモニターするものとして典型的に知られているセンサーを使用して、第二段階ターボチャージャーの作動をモニターする。これらのターボチャージャーの作動センサー及び関連する処理は、第二段階圧縮器がその圧縮器マップ上のどこで作動するかを決定するための必要な一組のパラメーター、例えば、圧縮器回転速度、圧縮比、空気温度、及び他の関連パラメーターを提供する。
【００６４】
パワープラントの作動条件の変化、例えば、動力発生要件及び／又は高度の変化に応答して、制御システム１１３は、第二段階圧縮器への補正された空気流れ速度を変化させるために、中間冷却器１２５に配送される冷却材の速度が増加又は減少するように指令を出し、これによって、パワープラントのシステムの効率を向上し、かつ、好ましくは最大化するような位置へと圧縮器の作動ポイントを駆動する。尚、パワープラントの効率は、冷却剤の配送における変化の目的である。同様に、ターボチャージャー効率も改善されるかもしれないが、そうすることは、必ずしも必要ではない。
【００６５】
［後部冷却器］
【００６６】
パワープラントの効率的な作動は、エンジン当量比、即ち、全ての燃料及び酸化剤の完全な反応を提供するであろう燃料対空気比に対する燃料対空気比の値と密接な関係がある。入口１０５でガス状酸化剤流れ（２回圧縮及び冷却された空気流）の温度を調整することによって、流れの密度を変更することができ、レシプロエンジンの各々の量の燃料と混合される空気の量が制御され得る。
【００６７】
後部冷却器１３５の作動を制御システムにより制御して、エンジン１０１入口空気温度を選択的に変更することができる。これにより、制御システム１１３は、後部冷却器の作動を制御して、要求される作動条件全てでエンジン効率を改善し、好ましくは最大限にするように構成される。
【００６８】
［パワーを発生する方法］
【００６９】
図１及び４を参照して、本発明は、原動力を作り出すように構成された、前記燃焼エンジン１０１及びエンジンの原動力から動力を発生するように構成された一次発電機１０３を用いて、動力を発生させる方法を提供する。該方法は、全ての部品をそれらの熱的な及び機械的な作動限界以内に保ちながら、一次発電機が適切な範囲でエンジン当量比を維持し、パワープラントの効率を最大限にするように、エンジンにかかる原動力を一次発電機によって制御する（１７１）ステップを含む。
【００７０】
上記したように、一次発電機１０３は、燃料がエンジン１０１に提供される速度に関連する、動力発生レベルで動力を発生する。本方法は、変化した動力の必要に応じて動力発生を変えるために、燃料がエンジンに供給される速度を変更するステップ（１７３）を含む。
【００７１】
さらに、エンジン１０１の排気流により作動される前記タービン１２３，１３３、エンジン用にガス状エンジン酸化剤を圧縮するように構成された、関連圧縮器１２１、１３１の少なくとも１つ、及びエンジンとタービンとの中間の前記アフタバーナー１３７の少なくとも１つを使用する場合、該方法は、さらに、全ての部品をそれらの熱的及び機械的限界内に保ちながら、排気流中で反応させられる追加の反応物の量を制御し、パワープラントの効率を最大限にするステップ（１７５）を含む。
【００７２】
［作動温度限界］
【００７３】
図１及び５を参照して、いくつかの水素内燃機関は、それらの排気が熱くなり過ぎるならば、バックフラッシュ又はバックファイアを起こす傾向を持つ。また、触媒バーナーの触媒床には、温度限界がある。本発明の一面の下、非常に高いパワーの作動の間、エンジン１０１は、予め規定された限界より下に、エンジン排気温度を維持するように、他の場合では最適であるであろう状態より希薄な（リーンな）状態（例えば、中程度の動力で典型的とされるであり得るものより薄い（リーンな）状態）で、作動される。第三反応物（水素燃料）を、アフタバーナー注入器１３９によって排気に注入し、アフタバーナー１３７内で反応させる。これにより、より高いタービンエネルギー抽出、従ってより高い圧縮器ブースト圧が達成され、より薄い（リーンな）状態でのエンジンの作動及びより低いエンジン排気温度を保つ、ガス状反応物の流れのより高い速度がもたらされる。
【００７４】
より詳しくは、制御システム１１３は、排気温度（エンジンの作動条件の一態様）を直接測定することによって、又は排気温度を示すエンジンの作動条件の他の態様をモニターすることによって、エンジン１０１の排気温度をモニターし、応答するように構成される。前者の場合、排気温度をモニターするために、パワープラントは、排気出口１０７からエンジン排気流の温度を感知するように配置され、構成された温度センサー１５１を備える。別の実施例では、システム制御装置１１３は、排気温度を低下させることを必要とする間の作動条件の認識を可能にする情報を提供する。そのような関連情報として、エンジン燃料注入速度、エンジン冷却システムの活性などが挙げられる。  
【００７５】
先に挙げたように、所定の動力発生要件に応じて、その要求を満たすために必要とされる燃料流速が、制御システム１１３によって認識される。制御システムにより、エンジン１０１は移行され、望ましい燃料流速で作動される（即ち、制御信号をエンジン燃料注入システム及び上記した他のシステムに送り、認識された燃料流速でエンジンに流れる燃料を移行する）。制御システムは、排気流温度を温度限界に満たないように維持するように、エンジンの作動条件に基づいて、第二反応物のガス状流れがエンジンに提供される流速を制御するように構成される。
【００７６】
制御システム１１３が実際の排気温度をモニターする場合、制御システム１１３は、感知した排気流温度を温度限界に満たないように維持するように、温度センサー１５１によって感知された排気流温度に基づいて、第二反応物のガス状流れがエンジン１０１に提供される流速を制御するように構成される。したがって、感知された排気流温度に基づいて（即ち、限界値に近い又は、限界値を超えるエンジン排気温度に応答して）、あるいは限界値に近い又は、限界値を超える温度を作り出すと考えられるエンジンの作動条件に応答して、制御システムは、排気流温度が温度限界に満たないように維持されるように、第二反応物のガス状流れの流速を増加させる制御信号を送り出す。
【００７７】
本実施例では、制御システム１１３は、圧縮器１２１、１３１の作動を制御する及び／又は冷却器１２５、１３５（特に後部冷却器１３５）の作動を制御する制御信号を送ることによって、第二反応物のガス状流れの流速を制御するように構成されている。制御システムは、さらに、タービン１２３、１３３からの駆動力を制御し、圧縮器を稼動する制御信号を設けることによって、圧縮器の作動を制御するように構成される。
【００７８】
これを実施するために、本実施例の制御システム１１３は、アフタバーナー注入器１３９によって排気流に注入され、触媒アフタバーナー１３７によって反応させられる、制御信号により、追加の反応物の量を制御することによって、タービン１２３、１３３からの駆動力を制御するように構成される。本実施例の温度限界は定数であるが、本発明の最も広い範囲では、高度などの種々のパラメーターの関数である温度限界も含むと理解される。
【００７９】
本発明のこの態様は、エンジン１０１の排気流の温度を限定する関連方法を含む。この方法は、排気流温度を示す情報をモニターするステップ１８１と、排気流温度を温度限界に満たないように維持するように、モニターした情報に基づいて、第二反応物のガス状流れの流速を制御するステップ１８３とを含む。モニターするステップは、排気流温度を感知するステップ１８５を含んでもよく、制御するステップは、排気流温度を温度限界に満たないように維持するように、排気流温度に基づいて、第二反応物のガス状流れの流速を制御するステップを含んでもよい。
【００８０】
エンジン１０１が上記したように、圧縮器、タービン、触媒アフタバーナー１３７及びアフタバーナー注入器を備える場合、制御ステップにおいて、第二反応物のガス状流れの流速は、アフタバーナー注入器により排気流に注入される第三反応物の量を制御する１８７により制御されてもよい。
【００８１】
［高度におけるエンジンの再始動］
【００８２】
高高度で飛行中に、航空機のパワープラントが停止になったとき、それを再始動する能力を限定するかもしれない潜在的な難点がある。たとえ、一次発電機１０３が、妥当に速い速度でエンジン１０１を回転できるとしても、エンジンの始動（エンジン・クランキング）の間にエンジンを通る空気の流れは、外の空気の密度が低いため、非常に低いであろう。燃焼に必要な空気−燃料の比を満たすために、この少量の空気流は、それに応じて非常に小さな水素の流れの速度が必要となる。
【００８３】
それにもかかわらず、燃料注入器は、そのような低い空気流れとの正しい混合を達成するためには、高すぎる最小の水素の流れの速度を備えるかもしれない。更に、あるレベルの燃焼は、エンジンの始動に必要であろう。従って、非常に高い高度でのパワープラントは、エンジン構成によって必要とされる最小の燃料の流れ及び燃焼のための必要な空気−燃料比率の両方を満たすために、酸化剤の圧縮に対する重要な要件に直面するかもしれない。
【００８４】
図１及び６を参照して、この実施例に適用可能な本発明の別の一面下、エンジン１０１は高速で回転し、水素燃料は、アフタバーナー注入器１３９により排気に加えられ、水素燃料をエンジン燃料注入器に導入する前に、アフタバーナー１３７中で反応させる。アフタバーナーにより排気に加えられた熱は、タービン１２３、１３３にエネルギーを加え、それにより空気圧縮システムを駆動し、少なくとも小レベルの圧縮上昇（ブースト）を起こす。この上昇により、エンジンを通る空気流が増え、これにより、燃焼のために必要な空気−燃料比、及びエンジン構成によって必要とされる最小燃料流れに基づいて、酸化剤圧縮への要件を満たす十分な空気流が提供される。
【００８５】
該実施例では、１つ以上の圧縮器１２１、１３１と、１つ以上の関連タービン１２３、１３３（圧縮器とともにターボチャージャーを形成する）と、アフタバーナー１３７と、制御システム１１３とを含む前記エンジン１０１が、周囲条件の範囲で使用するように構成されている。該制御システムは、閾値レベル又はそれを超える流速でエンジンに提供される第二反応物のガス状流れを提供する速度で、圧縮器（複数を含む）が駆動されるように、タービン（複数を含む）を動かすアフタバーナーの作動を制御することによって、周囲条件の範囲の少なくともいくつかの周囲条件においてエンジンを再始動するように構成されている。この閾値レベルは、定数である場合もあり、また、高度、温度及び他のそのようなパラメーターに依存する関数であってもよい。
【００８６】
本発明のこの一面の下では、制御システム１１３は、制御信号を、第三反応物（例えば、水素燃料）をアフタバーナーによる反応用の排気流中に注入するように構成されているアフタバーナー注入器１３９に送ることによって、アフタバーナー１３７を制御してもよい。該制御システムは、アフタバーナー注入器によって排気流に注入された第三反応物の量を制御することによって、排気流中で反応した追加の反応物の量を制御するように構成される。
【００８７】
本発明のこの態様は、さらに、エンジン１０１を再始動する関連方法を含む。上記したように、該エンジンは、第二反応物のガス状流れ（例えば、圧縮空気）を反応させるように構成され、これは、エネルギー及び排気流を作り出す第二反応物（例えば、水素燃料）と共に、ある流速でエンジンに供給され、かつ、周囲条件の範囲内で使用するように構成されている。
【００８８】
該方法の下では、エンジン１０１とタービンとの中間の排気流中で反応物を反応させるアフタバーナー１３７が、エンジンの再始動の間、作動される１９１。これは、閾値レベル又はそれ以上の流速でエンジンに供給される第二反応物のガス状流れを提供する速度で、タービンによって圧縮器が稼動されるように行われる。アフタバーナーは、アフタバーナーによって、反応用の排気流中で制御された量１９５の第三反応物（例えば、水素燃料）の注入１９３を起こす制御信号を送る制御システム１１３によって作動される。
【００８９】
［代替的な動力回収］
【００９０】
典型的な水素内燃機関において、酸素は大体半分くらいしか燃焼されないと予測される。これは、圧縮で使用されるエネルギーの半分は、燃焼において回収されないということを意味する。本発明の他の実施例では、このエネルギーの一部の回収、及びさらに他のシステムの作動の要件との相乗効果を提供する。
【００９１】
図７を参照して、本発明の第二実施例は、ある追加の構成部品、及び該構成部品が好ましく作動するように、制御システムを構成したこと以外は、第一実施例と（同じ部品に関しては１００加えた記号を使用している）と同じである。より詳しくは、第二実施例は、一次電動発電機２０３（「一次発電機」）を稼動する内燃ピストンエンジン２０１と、制御システム２１３と、ラム・エア・スクープ２１９と、第一段階圧縮器２２１及び第一段階タービン２２３を含む第一段階ターボチャージャーと、中間冷却器２２５と、第二段階圧縮器２３１及び第二段階タービン２３３を含む第二段階ターボチャージャーと、後部冷却器２３５と、アフタバーナー２３７と、温度センサー２５１と、低圧ウエストゲート２６１と、高圧ウエストゲート２６３と、エンジンバイパス２６５と、入口吹出弁２６７とを、備える。
【００９２】
該実施例は、さらに、第一段階タービン２２１及び第一段階圧縮器２２３を連結するシャフトによって稼動させられる第一タービン発電機２７２と、第二段階タービン２３１及び第二段階圧縮器２３３を連結するシャフトによって稼動させられる第二タービン発電機２７４とを含む。アフタバーナー２３７を使用して排気中に残存する酸素のいくらかを燃やし、排気温度を上昇させることによって、空気圧縮システムを駆動するのに必要なレベルを超えた、タービンを通った排気の膨張によって、過剰のエネルギーを利用可能にする。このエネルギーは、これらのタービン発電機を用いて回収する。この実施例では、制御システムは、パワープラントのエネルギー効率を最大にする速度で、アフタバーナーへの燃料の注入を制御するように構成されている。
【００９３】
このようにして、加えられたエネルギーを回収する全体の効率は、３０〜４０％の範囲内であろうと予想される。代替の実施例は、記載した２つタービン発電機の１つだけで、あるいは、排気流中に別のタービン及びタービン発電機を加えて構成されたものでもよい。
【００９４】
この実施例の変法では、例えば、種々のレベルに加圧することができる磁場コイルを有すること等によって、タービン発電機を、可変レベルの動力を制御可能に発生するように（及びその結果として生じる原動力がそれら関連するタービンに加わるように）構成することができる。該制御システムは、タービン発電機が、過剰な動力だけを取除き、圧縮器が今の条件が与えられる最も効率的なレベルで作動できるように、タービン発電機によって各タービンに加えられる原動力を制御するように構成される。
【００９５】
タービン発電機による制御された動力抽出により、アフタバーナー及び冷却器の上記した種々の機能の観点から、追加の相乗効果が提供される。例えば、所要電力の急激な減少により、エンジン燃料流速が急激に減速した場合、制御システムは、タービン発電機（即ち、タービンの回転に抵抗する原動力）の動力発生レベルを増やす。これにより、ターボチャージャーの速度の減少及び圧縮器による圧縮の速度の急激な減少が起こり、圧縮器を横切る圧力比の増加が相殺され、サージ状態への接近を回避する（中間冷却器の活性に関し、上記したことに類似する）。
【００９６】
同様に、タービン発電機が電気を活発に発生させつつ、素早く増加する所要電力がエンジン燃料流速を急速に増加させる場合は、制御システムは、タービン発電機（即ち、タービンの回転に抵抗する原動力）の動力発生レベルを下げる。これにより、ターボチャージャーの速度の急速な増加及び圧縮器による圧縮速度の増加を起こし、差し迫ったチョーク状態への接近を回避する（再度、中間冷却器の活性に関し、上記したことに類似する）。
【００９７】
したがって、タービン発電機の作動は、第一及び第二段階圧縮器の圧縮比において、高効率レベルを維持するように制御することができ、したがって、パワープラントが電力要件の変化に応答することができる効率（即ち、効率的な、安全な、機能的な作動状態を維持したうえでの、応答時間）を上げることができる。該制御システムは、タービン発電機の作動を制御し、発生する動力レベルにおける移行の間、エンジン効率が改善されるように構成される。
【００９８】
更に、タービン発電機は、場合によっては、モータとして作動するように構成することができる。したがって、ターボチャージャー速度の上昇が必要な場合（始動時、又は燃料流速が増加している時）、電気エネルギーをタービン発電機にかけることができ、圧縮器は、他の方法で使用可能になるレベルより高いレベルで作動することができる。
【００９９】
［燃料電池改良型］
【０１００】
図８に関し、本発明のいくつかの変更例では、パワープラントは、エンジン及び一次発電機というより、燃料電池３０１の形態の電力発生システムを含んでもよい。燃料電池について、反応物のガス状流れ（例えば、空気のような酸化剤）を圧縮するために、圧縮システムはここでも必要である。燃料電池システムの排気には、入口空気の最初の酸素含量のほぼ半分が残っている場合がある。したがって、先に開示したものに類似した構成において、アフタバーナー３３７を排気流中で使用して、燃料電池を動かすのに必要な圧縮を提供する１個又は２個のターボチャージャーを駆動することができる。中間冷却器３２５及び後部冷却器３３５は、発電機を持つ内燃機関に関し、上記した方法と類似の方法で、同様に使用することができる。
【０１０１】
したがって、本発明の一面は、第一段階圧縮器３２１、第二段階圧縮器３３１、第一段階タービン３２３、第二段階タービン３３３、アフタバーナー３３７及び制御システム（図示せず、しかし実質的に上記したものに類似する）とともに、第一反応物を第二反応物のガス状流れと反応させてエネルギーと排気流とを作り出すように構成された燃料電池動力発生装置を考慮している。圧縮器は、電力発生システムに供給される第二反応物のガス状流れを加圧するように構成される。
【０１０２】
圧縮器３２１、３３１は、排気流によって推進させられる、タービン３２３、３３３からの駆動力によって次々と稼動させられる。アフタバーナー３３７は、電力発生システムとタービンとの中間の排気流中に設置され、排気流中で反応物を反応するように構成される。制御システムは、アフタバーナーの作動を制御するように構成される。第一反応物が動力発生装置に提供される速度に適合した流速で動力発生装置に提供される第二反応物のガス状流れを提供する速度にて、圧縮器が稼動するような速度ではそのようになる。
【０１０３】
また、該システムは、アフタバーナーを供給する初始動空気流用の構成部品も有する。この部品は、１つ又は両方のタービン上の電動発電機（図示しないが、先の実施例で示し、記載済み）、又は圧縮された空気始動システムのいずれであってもよい。
【０１０４】
当然のことながら、本発明は、パワープラント自身に関する装置及び方法と同様に、パワープラントを設計するための及びパワープラントを生産するための装置及び方法を含むことは理解されるべきである。また、本発明の種々の実施例は、上述してきた特徴の種々の組合せを含むことができる。更に、請求項は、記述される実施例より広いと考慮される。
【０１０５】
例えば、前記実施例では全て、第二ガス状反応物は酸化剤であり、第一及び第三反応物は同じ種類（燃料）及び同じ組成（水素）のものであり、当量比は１未満であり、排気中に過剰の酸化物が残されていることが記載されている。システムにより、ガス状燃料の流れを圧縮・制御し、異なる燃料を使用し、１を超える当量比を使用し及び／又は第三反応物として酸化剤を加えことも、十分本発明の範囲内である。要するに、上記した特徴により、過度に請求項を限定することなく、本発明の予期される範囲内のさまざまな構成を組み合わせることができる。
【０１０６】
本発明の特定の形態を説明し、記載したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明を、好ましい実施例に関してのみで詳細に記載したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能であることを当業者は理解するであろう。したがって、本発明は、上記の説明に限定されるものではなく、以下の請求項を参考にして規定されるものである。
【図１】
2012503732.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012503732.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2012503732.tif 000011
2012503732.tif 000012
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