控制热力发动机的燃烧器中燃料和空气输送的系统和方法

摘要

一种在具有加热器头的外燃机的燃烧器中燃烧燃料和空气的方法。燃料和空气被混合成一种具有特定比例的燃料－空气混合物。当所述燃料－空气混合物在所述外燃机的燃烧器中燃烧时将产生废气。通过点燃由第一空气流速和燃料流速构成的第一燃料－空气比的燃料－空气混合物将形成火焰。然后增加空气流速以产生第二燃料－空气比。燃料流速也根据外燃机的加热器头的温度受到控制。根据燃料流速调节空气流速将火焰维持在第二燃料－空气比。外燃机例如可以是斯特林循环发动机。

说明书

技术领域

本发明涉及对斯特林(Stirling)循环热机或制冷机的改进，具体涉及对斯特林循环热机和制冷机的机械和热力部件作出的有助于增加发动机操作效率和寿命并减小尺寸、复杂性和成本的改进。

背景技术

斯特林循环机器包括发动机和制冷机，具有悠久的技术传统，在Walker的Stirling Engines，牛津大学出版社(1980)一书中有详细说明，该文引入本文中作为参考。作为斯特林循环发动机基础的原理是斯特林热力循环的机械实现：气体在气缸内等容受热，气体等温膨胀(通过驱动活塞来实现)，气体等容冷却及等温压缩。斯特林制冷机也是接近理想斯特林热力循环的热力循环的机械实现。在理想的斯特林热力循环中，工作流体连续进行等容受热、等温膨胀、等容冷却和等温压缩的循环。该循环的实际实现——其中各阶段既非等容也非等温——处于本发明的范围内，并被引用到本说明书中作为理想情况，但并不限制权利要求所确定的本发明的范围。

本发明的各方面都既能应用到斯特林循环发动机也能应用到斯特林循环制冷机，二者在本说明书和权利要求书中统一引用为斯特林循环机。

参照图1a-1f，可容易地说明斯特林发动机的工作原理，其中相同的标号用于表明相同或类似的部件。在本领域已知有许多斯特林循环机械的设计，而总体上用标号10代表的具体斯特林发动机只是出于说明的目的而显示。在图1a-1d中，活塞12(或者称之为“压缩活塞”)和第二活塞(也作“膨胀活塞”)14在气缸16内做定相往复运动。压缩活塞12和膨胀活塞14也可以在分开而互连的气缸中运动。活塞密封圈18防止容纳在气缸16中活塞12与活塞14之间的工作流体从活塞12泄漏。工作流体是根据其热力学特性来选择的，通常是数个大气压力下的氦。由活塞14的位置决定的工作流体的体积用膨胀空间22表示。由活塞12的位置决定的工作流体的体积用压缩空间24表示。不论是在图示的配置还是斯特林发动机10的其它配置中，为了让流体在膨胀空间22和压缩空间24之间流动，流体都流经换热器26。换热器26是一个具有大表面积-体积比的材料的阵列，用于在流体从膨胀空间22进入热区时从工作流体吸收热，而在从压缩空间24流回到膨胀空间22时加热所述流体。

在发动机循环的初相过程中，图1a显示了其起始状态，活塞12压缩处于压缩空间24内的流体。因为从流体向周围环境放热，所以压缩在恒温下发生。实践中，提供有冷却器68(如图2所示)，下面对此进行说明。

图1b显示了压缩后的发动机10的情况。在循环的第二相过程中，膨胀活塞14与压缩活塞12同步移动，以维持恒定的流体体积。随着流体转移到膨胀空间22，它流过换热器26并从换热器26获得热量，使得流体压力增加。在转移相结束时，流体处于高压下并容纳在膨胀空间22中，如图1c所示。

在发动机循环的第三(膨胀)相期间，随着热量从外部发动机10吸入，压缩空间22的容积变大，从而转换热量以工作。实践中，利用加热器64(图2中所示)将热量提供给膨胀空间22中的流体，在下文中予以更详细地说明。在膨胀相结束时，如图1d所示，膨胀空间22充满了热流体。在发动机循环的第四相过程中，流体从膨胀空间22向压缩空间24转移，在流过换热器26时将其加热。在第二转移相结束时，流体在压缩空间24中，如图1a所示，并为重复压缩相作好了准备。如图1e所示的P-V(压力—容积)曲线图以及如图1f所示的T-S(温度—熵)曲线图中显示了斯特林循环。斯特林循环是封闭的循环，因为工作流体在循环期间通常不更新。

斯特林循环制冷机的运行原理也可参考图1a-1e说明，其中相同的标号用于表明相同或类似的部件。上述发动机和用作制冷机的斯特林机器之间的区别在于压缩空间22通常与环境温度进行热交换而膨胀空间24连接到一个外部冷却负载(图中未显示)。制冷机的运行需要净工作输入。

由于对斯特林循环发动机的改进存在几个令人却步的工程难题，因此斯特林循环发动机一般不用在实际应用中，而且斯特林制冷机也局限于特殊的低温领域。这些难题包括例如对效率、寿命和成本的实际顾虑。本发明致力于解决这些顾虑。

发明内容

一种在具有加热器头的外燃机的燃烧器中燃烧燃料和空气的方法，燃料和空气被混合成一种具有可变比例的燃料-空气混合物，当所述燃料-空气混合物燃烧时将产生废气，该方法包括点燃由第一空气流速和燃料流速构成的第一燃料-空气比的燃料-空气混合物以形成火焰；增加空气流速以产生第二燃料-空气比；至少根据加热器头的温度控制燃料流速；以及通过至少根据空气温度和废气中氧气浓度调节空气流速从而将火焰维持在第二燃料-空气比。将具有自燃温度和火焰速度的燃料和空气点燃的步骤包括以高于火焰速度的速度将空气推入一个喉管的入口，该喉管还具有一个出口以及一个从入口到出口截面恒定的区域，以及将燃料混到空气中形成燃料-空气混合物，该燃料-空气混合物脱离出口，使得在喉管的出口外的燃料-空气混合物中产生火焰。

根据本发明的另一实施例，第二燃料-空气比是通过根据废气中的氧气浓度调节空气流速来维持的。在又一实施例中，第二燃料-空气比可以通过至少根据空气温度和燃料流速调节空气流速来维持。在一可选实施例中，第二燃料-空气比是通过至少根据空气温度和废气中氧气的浓度调节空气流速来维持的。

一种用于操作具有加热器头部的外燃机的燃烧室的系统，，该燃烧室以一条燃烧轴线为特征，并且用于通过在空气中燃烧燃料以产生热量和废气来向加热器头传热，该系统包括：一个涡流式喷嘴，该喷嘴相对燃烧室的燃烧轴线是轴对称的，用于向内输送空气流；一个燃料喷射器，用于将燃料以这样的方式喷到径向向内流的空气中——即空气和燃料混合形成具有特定空气-燃料比的空气-燃料混合物；以及一个燃料供应调节器，用于以特定的速度输送燃料。该系统还包括一个鼓风机，用于将空气以特定空气流速输送到燃烧器从而产生特定的空气-燃料比；一个涡流式喷嘴空气温度传感器，用于测量输送到燃烧室的空气温度；以及一个控制器，用于至少根据输送到燃烧室的空气温度来控制空气的速度。

在又一实施例中，该系统包括一个加热器头温度传感器，用于测量加热器头的温度，以及一个控制器，用于至少根据加热器头温度以及输送到燃烧室的空气温度来控制燃料输送的速度。在另一实施例中，该系统还包括一个气体成分传感器，用于监测燃烧器的废气产物中的气体浓度，以及一个控制器，用于至少根据输送到燃烧室的空气的温度和废气产物中的气体浓度来控制空气输送速度。该系统还可以包括一个流速传感器，用于测量燃料输送速度，其中控制器包括一个至少根据输送到燃烧室中的空气的温度和测量到的燃料输送的速度的控制器。

附图说明

参照下述说明并结合附图，本发明会更易于理解，在附图中：

图1a-1f显示现有技术的斯特林循环机器的工作原理； 

图2是根据本发明的一个实施例的斯特林循环发动机的侧面剖视图；

图3是用于诸如本发明的优选实施例中的斯特林循环机的双活塞机器的交叠导向连接驱动机构的横截面图；

图4是图3中的交叠导向连接驱动机构的一个实施例的透视图；

图5a是根据本发明的一个实施例的采用导热销的斯特林循环发动机的横截面图；

图5b是图5a中的导热销的放大细节透视图；

图5c是图5a中的加热器头组件的横截面图，该组件具有示意性地示出的根据本发明的优选实施例的导热销；

图6a是图2中的斯特林循环发动机的仰视透视图，显示根据本发明的一个实施例的用于提高气流均匀性的分支管；

图6b是图6a中的分支管系统的平面图；

图7a显示了根据本发明优选实施例的用于斯特林循环发动机的燃料入口歧管的侧面剖视图；

图7b显示了图7a中的燃料入口歧管沿7b-7b切开的俯视剖视图；

图7b显示了图7a中的燃料入口歧管沿7c-7c切开的俯视剖视图；

图8是燃烧器和加热器头组件的剖视图，显示了根据本发明的一个实施例的温度传感器的布置；

图9显示了根据本发明的优选实施例的丙烷的最佳的燃料-空气比与空气预热温度的关系。

优选实施例

现在参照图2，显示了斯特林循环发动机的一个实施例的剖视图，总体用标号28表示。尽管总体上将参照图2所示的斯特林发动机来说明本发明，还是应该理解很多种发动机以及制冷机都同样能从本发明的实施例和改进中受益。图2中所示的斯特林发动机28的配置被称作阿尔发(alpha)配置，其特征是压缩活塞30和膨胀活塞32在各自不同的气缸中进行执行运动：压缩活塞30在压缩气缸34中而膨胀活塞32在膨胀气缸36中。阿尔发配置仅作为示例来讨论，而不限制权利要求书的范围。

除压缩活塞30和膨胀活塞32之外，斯特林发动机28的主要部件包括加热器64，换热器66以及冷却器68。统称为活塞的压缩活塞30和膨胀活塞32被限制在各自空间38和40内进行往复直线运动。气缸衬垫42可以垫着各气缸表面。气缸内部接近加热器64和冷却器68的空间在此被分别称为发动机28的热部和冷部。压缩活塞30和膨胀活塞32的往复直线运动的相对相(“相角”)由它们分别与位于曲轴箱46内的驱动机构44的连接决定。驱动机构44——下面将详细讨论——可以用于控制活塞的相对时间以及直线运动和旋转运动之间的互相转换。压缩活塞30和膨胀活塞32通过第一连杆48和第二连杆50分别连接到驱动机构44。压缩气缸34的空间38通过导管45连接到冷却器68，以使得工作流体循环冷却。更详细地说，导管45将压缩空间38连接到包括冷却器68、换热器66和加热器64的环形热交换器。后面参照图6讨论了导轨45和环形风冷盘47之间的气流分支。

下面参照图3和图4讨论驱动机构44的运行。图3是双交叠导向连接驱动机构的剖视图，总体用标号300表示。图3中的驱动机构300包括两个交叠的导向连接件303和313。活塞301和311分别是如上面参照图2所述的斯特林循环发动机的置换和压缩活塞。在本说明书和权利要求书中，置换活塞是没有密封的活塞或者有密封的活塞(一般作“膨胀”活塞)。置换活塞301在活塞连接点302上刚性地连接到导向连接件303的活塞端。导向连接件303在连杆连接点305处可旋转地连接到连杆306。活塞连接点302和连杆连接点305确定了导向连接件303的纵轴。

连杆306在曲轴连接点307处可旋转地连接到曲轴308，该连接点从曲轴的旋转轴326偏移一个固定的距离。曲轴的旋转轴326与导向连接件303的纵轴324正交，并且曲轴的旋转轴326位于连杆连接点305和活塞连接点302之间。在优选的实施例中，曲轴的旋转轴326与纵轴324相交。

导向连接件303的末端328被限制在一对辊子304之间。在优选的实施例中，其中一个辊子304弹性地安装以维持与导向连接件303的旋转接触。通过辊子304和活塞301，导向连接件303的纵轴324保持与活塞气缸322的纵轴在一条线上。随着曲轴308绕曲轴的旋转轴326旋转，连杆连接点305沿导向连接件303的纵轴324的直线路径运动。

活塞301和导向连接件303形成一根杠杆，活塞301在杠杆一端，导向连接件303的末端328在杠杆的另一端。杠杆的支点在辊子304的中心所确定的线上。杠杆通过施加在连杆连接点305上的力安装。随着连杆连接点305沿导向连接件303的纵轴运动，连杆连接点305和支点、第一杠杆臂之间的距离将在零到活塞301的一个半行程距离之间变化。第二杠杆臂是从支点到活塞301的距离。第二杠杆臂与第一杠杆臂的杠杆比总是大于一，优选在5到15之间。活塞301上的侧向力是施加在连杆连接点305上的力乘以杠杆比；杠杆比越大，活塞301上的侧向力越小。

压缩活塞311在活塞连接点312上刚性地连接到导向连接件313的活塞端。导向连接件313在连杆连接点315处可旋转地连接到连杆316。活塞连接点312和连杆连接点315确定了导向连接件313的纵轴。连杆316在曲轴连接点317处可旋转地连接到曲轴308，该连接点从曲轴的旋转轴326偏移一个固定的距离。导向连接件313的末端330被限制在一对辊子314之间。如上所述，在优选的实施例中，其中一个辊子314弹性地安装以维持与导向连接件313的旋转接触。导向连接件313的运行类似上述对导向连接件303的说明。通过辊子314和活塞311，导向连接件313的纵轴保持与活塞气缸320的纵轴在一条线上。随着曲轴308绕曲轴的旋转轴326旋转，连杆连接点315沿导向连接件313的纵轴的直线路径运动。

图4是图3中的双交叠导向连接驱动机构的透视图。压缩活塞311和置换活塞301在各自不同的气缸中进行直线运动：压缩活塞311在压缩气缸320中而置换活塞301在膨胀气缸322中。导向连接件303和导向连接件313分别在活塞连接点302和312处与置换活塞301和压缩活塞311刚性连接(如图3中所示)。连杆306和316在导向连接件303和313的末端的连接点305和315处可旋转地与曲轴308的曲轴连接点307和317连接(如图3中所示)。导向连接件303和313上的侧向载荷由成对辊子304和314承受。

下面参考图5a-5c，显示了根据本发明的一个实施例的新型结构的剖视图，该结构用于将大量热能从燃烧源传递到斯特林发动机28内部。为了提高将燃烧器150产生的热量从热气体300传递到所述发动机的内部空间306中所含的工作流体的效率，需要在加热器64的两侧有大片湿的表面面积。要获得大的表面面积，在加热器64的内表面312和外表面314上或者其中的一面上构造了大量金属销310。构造过程可以以较低成本完成，诸如通过熔模铸造。金属销310不仅在加热器64两侧增加湿的表面积，而且产生扰动的紊流以加强流体的混合从而更加增强热量的流动。该结构还可以用于冷却器68(如图2所示)的传热或者任何其它需要在气体间高效传热的应用。图5c显示了根据本发明的优选实施例的一个图5a中所示的具有示意性地示出的导热销130和124的加热器头组件的剖视图。在图5c中，内部导热销124和外部导热销130沿加热器头64两侧布置。

参照图6a，显示了头部导管400的透视图，导管用于在压缩空间38和流体流过热交换网，即经过冷却器头部68，又流过换热器66(如图2所示)，并经过加热器头64(如图2所示)而形成的环形区域之间提供工作流体。工作流体的环流在环形头47处达到顶点，分支导管400连接到环形头47以在气缸空间38和这个头部47的环形区域之间产生等长的流动通道。通过使得环流区域和气缸空间之间的每一部分的流阻基本相等，可有利地减少因为经热交换器的流动不统一造成的损失，并且，工作流体在限于热交换区域内的循环流动以及为机械功的目的的损失可以最小化。图6b显示了图6a中的分支导管400的系统“展开”的平面图，示出了流体通过在压缩空间38和环形头部47之间的分支导管400中的流通。

尽管斯特林发动机能提供高的热效率和低的污染物排放，但是这些目标尤其是对用于加热图8中的斯特林发动机的加热器头808的燃烧器806有热效率需求。这种热效率的组成包括有效地将氧化剂(通常是空气，在此处以及权利要求书中用作“空气”而不作为限制)泵压经过燃烧器806以燃烧，以及回收排出加热器头808的热量。在很多应用中，空气(或其它氧化剂)在燃烧前被预热到接近加热器头808的温度，以便获得所称的热效率目标。在斯特林发动机的加热器头被加热后燃烧气体中仍有相当多的热能残留，并且，如本领域技术人员所知的，可以用热交换器将废气中的热量传递给引入燃烧器之前的空气。为了得到高效率和低排放，燃烧器必须基本上完全燃烧。为了基本达到完全燃烧，定量的空气以及清洁的燃料——优选丙烷——被送入燃烧器。为了在燃烧器中点燃火焰以及在燃烧后的清洁排放，燃料流和空气流的比例被控制。燃料和空气还必须充分混合保证足量氧气以限制一氧化碳(CO)和碳氢化合物的排放，并且，另外还必须在足够低的火焰温度下燃烧以限制氮氧化物(NO_x)的形成。

预热空气的高温，对于获得高的热效率是需要的，但使得达到低排放的目标复杂化，因为这使得燃料和空气难于混合并需要大量额外空气来限制火焰温度。在本说明书和权利要求书中，术语“自燃温度”指在现有的空气和燃料压力条件下，无需降温催化剂燃料即可燃烧的温度。通常预热空气温度超过多数燃料的自燃温度，潜在地引起燃料-空气混合物在进入燃烧室之前即发生燃烧。解决此问题的一个方案是使用非预混扩散火焰。然而，这种扩散火焰没有充分混合，导致释放出高于合乎需要的CO、HC和NO_x。在Turns的An Introduction toCombustion：Concepts and Applications，(McGraw-Hill，1996)一书中提供了对火焰动力学的详细评述，这里引入本文中作为参考。所提供的用于限制火焰温度的任何额外气流一般会增加空气泵或鼓风机消耗的能量，因此降低发动机总体效率。

根据本发明，低排放和高效率可以通过即使存在被加热到燃料自燃温度以上的空气也产生预混的火焰来实现，并且，通过使空气入口和火焰区域之间的压降最小化，从而使鼓风机功耗最小化。

术语“火焰速度”指火焰锋通过特定的燃料-空气混合物的速度。在说明书和权利要求中，术语“燃烧轴线”指流体燃烧时主要流体的流体方向。

下面参照图7a-7c，显示一种根据本发明的一个实施例的用于斯特林循环发动机或其它燃烧应用中的入口歧管699。根据本发明的优选实施例，燃料与可以被加热到燃料自燃温度以上的空气进行预混，并且在燃料与空气充分混合并处在燃烧室809(如图8所示)之前，防止出现火焰。图7a显示了一种包含一个入口歧管699和一个燃烧室710的装置的优选实施例。入口歧管699具有一个带有入口歧管703以接收通过鼓风机728供应的空气700的轴对称的管道701。空气700被预热至一定温度，通常在1000K以上，该温度可能高于燃料的自燃温度。管道701相对于燃烧轴线720将空气700径向向内地引导至设在管道701内的涡流式喷嘴702。

图7b显示了根据本发明的实施例的包括涡流式喷嘴702的管道701的剖面图。在图7b的实施例中，涡流式喷嘴702具有几个螺旋形叶片730，用于径向地向内引导空气700并向空气施加旋转分力。受到涡流式喷嘴叶片730的长度限定，管道701的涡流式喷嘴部分的直径从涡流式喷嘴702的入口732到出口734减小。涡流式喷嘴叶片730的直径下降提高了空气700的流速，所述流速与直径大致成反比。流速增加直至超过燃料火焰的速度。在涡流式喷嘴702的出口734处，燃料706被注入向内流的空气中，在一优选实施例中，燃料为丙烷。

在一优选实施例中，如图7c所示，利用燃料注射器704通过许多喷嘴736将燃料706注入。图7c更详细地显示了管道701的剖面图，并且带有燃料注入喷嘴736。每个喷嘴736都设在涡流式喷嘴叶片730的出口，并位于两个相邻的叶片正中间。喷嘴736以提高空气和燃料的混合效率的方式设置。燃料喷嘴736的尺寸被控制以提供喷射的燃料，并且至少延伸跨过管道701的一半(如图7a和7b所示)。计算燃料喷嘴736尺寸的方法是本领域内公知的，Boer和Chigier的“Combustion Aerodynamics”(John Wiley&Sons，1972)一书对此进行了说明。同时喷嘴736穿过气流700注入燃料706。因为气流的速度比火焰速度快，即使空气的温度和燃料混合物的温度超过燃料的自燃温度，在该点也不会出现火焰。在采用丙烷的优选实施例中，由加热器头温度所控制的预热温度大约为900K。

再参照图7a，现在已混合的空气和燃料，这里将其称为“空气-燃料混合物”709，沿通过喉管708的方向移动，所述喉管708具有流线型外壳722并与管道701的出口707连接。通过燃料调节器724提供燃料706。喉管708具有内径714和外径716。空气-燃料混合物是从基本横向并相对于燃烧轴线720径向朝内的方向移动到基本平行于燃烧轴线的方向。喉管708的外壳722的外形为倒置的钟形，使得喉管708从喉管入口711到出口712的横截面相对于燃烧轴线保持不变。外壳722的外形光滑，没有阶梯，并且保持从涡流式喷嘴出口到喉管708的出口的流速，以避免混合物分离及沿着任一表面引起的回流。不变的横截面面积使空气和燃料继续混合，而不减小流速并引起压力降。光滑及不变的横截面产生高效的涡流式喷嘴，其中涡流式喷嘴的效率指转换为涡流动压的穿过涡流式喷嘴的静压降的部分。通过应用本发明，一般可达到高于80％的涡流效率。因此，可将燃烧空气风扇的涡流动力消耗降至最小。

喉管出口712向外张开，使空气-燃料混合物709扩散到室710中，放慢空气-燃料混合物709的速度，从而定位并容纳火焰，并引起形成环形火焰。如本领域公知的，涡流式喷嘴702产生的旋转动力产生出稳定环形涡流的火焰。

如上所述，为了在燃烧器中点燃火焰以及在燃烧后的清洁排放，燃料流和空气流的比例被控制。参照图7a，燃烧器控制器726被用于控制分别由燃料调节器724和鼓风机728提供的燃料流和空气流的速度。燃料调节器724被设置一个用于点燃火焰的初始值。一旦火焰点燃了，燃烧器控制器726就改变燃料流的速度以控制由头部温度传感器804(如图8所示)测量的加热器头温度。当火焰探测器探测到火焰的存在就认为点燃了火焰。有几种火焰探测器，包括本领域公知的热电偶和紫外线探测器。

燃烧空气鼓风机728的输出(或者空气质量流速)由燃烧器控制器726设置，以控制燃烧室809中的燃料-空气比(如图8所示)。燃料-空气比是燃料质量流速与空气质量流速之比，并且是影响排放的主要因素。鼓风机728通过相对燃料质量流速增加或减少空气质量流速来控制燃料-空气比。例如，为了保持燃料-空气比恒定，燃烧器控制器726将在燃料调节器724增加其输出时增加鼓风机输出，反之亦然。理想的燃料-空气比和燃料流速可能同时改变，因此燃烧器控制器726将改变鼓风机728的输出以适应理想燃料-空气比和燃料流速的同时变化。

要使一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NO_x)的排放最小化，需要低含量燃料-空气混合物，这还能达到完全燃烧。低含量燃料-空气混合物较化学配比混合物(亦即，每克丙烷15.67克空气)含有较多的空气。随着更多的空气加入定量的燃料中，CO、HC和NO_x的排放将下降，直至在燃料-空气混合物中空气的量大到使火焰不稳定。此时，小部分燃料-空气混合物将通过燃烧器而未完全燃烧。燃料-空气混合物不完全燃烧将产生大量CO和HC。随着更多空气加入燃料-空气混合物中，CO和HC的排放将迅速增加，直至火焰在“稀吹熄”(Lean Blow-Out，LBO)限制下熄灭。LBO将随着进入的空气(即预热的空气)的温度升高而增加。结果，最佳的燃料-空气混合物的燃料-空气比在斯特林发动机预热升温阶段期间随着预热温度的升高而下降。一旦发动机预热起来了，燃料-空气比将保持恒定。

因此，首先必须控制燃料-空气比以提供用于点火的优化燃料-空气比。一旦认为火焰点燃了，就根据预热空气的温度和燃料类型控制燃料-空气比使得排放最小化。当增加或减小燃料流速以调节加热器头温度时，也调节空气流速以保持理想到燃料-空气比。

给定的燃料仅能在有限的燃料-空气比范围内被点燃。点火时，根据所用的燃料选择一个等于或小于化学配比的点火用燃料-空气比。在使用丙烷的优选实施例中，点火用燃料-空气比被设置为每克空气0.1克丙烷。点火用燃料-空气比一直维持到火焰稳定且燃烧室内部温度上升到预热升温的温度。参照图8，燃烧室809的温度通常通过测量加热器头808的温度来确定或使用预定时间间隔等燃烧室变热。可以使用诸如热电偶804的温度传感器测量加热器头808的温度。在优选实施例中，点火用燃料-空气比一直保持到加热器头温度达到300℃且火焰点燃5秒。

一旦火焰稳定，且燃烧室809的温度达到理想的预热升温温度，就根据空气预热温度和燃料类型控制燃料-空气比。如上所述，燃料-空气混合物的最佳的燃料-空气比901随着预热空气903的温度增加而降低，如图9所示。预热空气的温度用一个温度传感器测量，诸如空气涡流式喷嘴802中连接到燃烧室806的热电偶810，如图8所示。空气预热温度也可以从加热器头808的温度减去几百摄氏度来推断得到。在一个优选实施例中，将加热器头温度减去300℃作为空气预热温度。

最佳的燃料-空气比首先将随预热空气温度从一个用于室温空气的“起始”燃料-空气比下降到一个用于预热过的空气的“运行”燃料-空气比。当空气的温度超过已知的燃料的自燃温度时即认为完全预热了。例如，丙烷的自燃温度是490℃。在燃料是丙烷的优选实施例中，“起始”燃料-空气比是每克空气0.052克燃料，这导致斯特林发动机的排放中大约有4％的氧气。该实施例中的“运行”燃料-空气比是每克空气0.026克燃料，这使得斯特林发动机的排放中大约有13％的氧气。

燃料-空气比可以通过测量空气和燃料流速来确定。可以使用一个压力传感器测量鼓风机728处的空气流速(如图7a所示)。燃料流速可以通过测量燃料调节器724的一组燃料控制阀上游和下游的压力(如图7a所示)以及监测当前哪个阀打开着来确定。在一个可选实施例中，燃料-空气比可以基于测量到的斯特林发动机废气中的氧气容量来确定。可以将一个氧气传感器放在发动机内以对废气采样并测量发动机废气中的氧气百分比。

本文中所述的装置和方法可用在除本发明所述的斯特林发动机之外的其它用途中。本发明的所述实施例仅是示例性的，对本领域的技术人员而言，许多改变和修正都是显而易见的。所有这些改变和修正都将落入权利要求书所限定的本发明的范围中。