專利名稱：熱量回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于特別是在初始起動期間加熱發(fā)動機的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于相關(guān)排氣處理裝置未達到穩(wěn)定狀態(tài)的工作溫度，所以發(fā)動機在初始起動期間 常常具有較高的廢氣排放水平。同樣地，廢氣排放的去除或處理效率取決于發(fā)動機排氣的 溫度以及內(nèi)在地取決于發(fā)動機的溫度。在較冷的工作條件下，由于較低的初始工作溫度，所 以發(fā)動機可能更難起動或者具有降低的燃料經(jīng)濟性。現(xiàn)有的幫助發(fā)動機冷起動的解決方案 在必需產(chǎn)品和能源消耗方面可能是昂貴的，并且使用起來可能是費力的。因此，需要一種改 進的系統(tǒng)和方法，其用于在發(fā)動機的初始起動之前或者在發(fā)動機的初始起動期間為發(fā)動機 提供熱量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式涉及特別是在發(fā)動機初始起動期間用于加熱發(fā)動機的方法和 系統(tǒng)。在一個示例性實施方式中，提供了用于發(fā)動機的儲熱和放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括能 夠在發(fā)動機的工作溫度范圍內(nèi)過冷的材料。該材料與發(fā)動機熱聯(lián)通。在其它非限制性示例 中，該系統(tǒng)還包括與該材料相聯(lián)的能量輸入裝置。能量輸入裝置向過冷的材料傳遞足以啟 動放熱相變的能量。在相變期間，該材料向發(fā)動機釋放熱量。 在另一個實施方式中，提供了儲存熱量形式的能量和向發(fā)動機釋放熱量形式的能 量的方法。該方法包括形成具有空腔的結(jié)構(gòu)，該空腔包含能夠在發(fā)動機的工作溫度范圍內(nèi) 過冷的材料并使該結(jié)構(gòu)與發(fā)動機熱聯(lián)通。該方法還包括用該材料吸收由發(fā)動機產(chǎn)生的熱 量，并且誘使材料從過冷狀態(tài)開始相變，從而向發(fā)動機釋放所儲存的熱量。


在以下參照附圖僅通過示例給出的實施方式的詳細說明中，其它特征、優(yōu)點和細 節(jié)得以顯現(xiàn)，附圖中 圖1示出具有本發(fā)明的處于第一運轉(zhuǎn)模式下的熱量回收系統(tǒng)的發(fā)動機的示意圖；
圖2示出具有圖1所示的處于第二運轉(zhuǎn)模式下的熱量回收系統(tǒng)的發(fā)動機的示意 圖；以及 圖3示出具有圖1所示的處于第三運轉(zhuǎn)模式下的熱量回收系統(tǒng)的發(fā)動機的示意 圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供用于在發(fā)動機初始運轉(zhuǎn)期間改善發(fā)動機的排放、性能和效率的方法和 系統(tǒng)。這些以及其它益處通過由發(fā)動機產(chǎn)生的潛在能量_特別是熱量的吸收、儲存和釋放 來實現(xiàn)。具體而言，提供了能夠吸收、儲存和釋放熱量的儲熱材料。該材料與發(fā)動機熱聯(lián)通
3和/或與流過發(fā)動機的冷卻劑熱聯(lián)通。該儲熱材料構(gòu)造成在發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間吸收由發(fā)動機產(chǎn)生的熱量。其后，當發(fā)動機冷卻時，儲熱材料為稍后的釋放-特別是發(fā)動機隨后的起動期間的釋放保留至少一部分儲存的能量。當發(fā)動機需要額外的熱量時，使儲熱材料向發(fā)動機釋放所儲存的熱量。 在儲熱材料的一種具體構(gòu)造中，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間，儲熱材料吸收由發(fā)動機產(chǎn)生的熱量，從而使該材料以第一物理狀態(tài)(例如液態(tài))存在。在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)并且發(fā)動機已冷卻至周圍溫度之后，儲熱材料在其第一物理狀態(tài)中保持過冷。在發(fā)動機隨后的起動之前或者在發(fā)動機隨后的起動期間，在儲熱材料從過冷的液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變期間和之后，儲熱材料變成通常以穩(wěn)態(tài)形式釋放熱量的第二物理狀態(tài)(例如固態(tài))。熱量的釋放減少發(fā)動機的加熱時間，從而提供改善的排放減少、性能和效率。 在一種構(gòu)造中，儲熱材料在其熔解溫度下或高于其熔解溫度時以液態(tài)物理狀態(tài)存
在，并且在其凍結(jié)溫度下或低于其凍結(jié)溫度時以固態(tài)物理狀態(tài)存在。當儲熱材料在其凍結(jié)點以下以液態(tài)形式存在時，儲熱材料通常被稱為過冷或處于過冷狀態(tài)。在該過冷狀態(tài)下，儲熱材料需要額外的能量，以從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)(即引起儲熱材料結(jié)晶)。 發(fā)動機的工作溫度在發(fā)動機的冷起動溫度與發(fā)動機的穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度之間變動。發(fā)動機的冷起動溫度季節(jié)性地并且地域性地改變，但穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度相對是恒定的。應(yīng)意識到的是，穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度可隨發(fā)動機制造、模型、以及諸如溫度和負載的工作狀態(tài)而改變。然而一般而言，汽車內(nèi)燃機的工作溫度通常在-4(TC與129t:之間。同樣地，本發(fā)明的儲熱材料也能在該范圍內(nèi)過冷。 由本發(fā)明設(shè)想的合適的儲熱材料包括能夠在發(fā)動機的整個工作溫度范圍內(nèi)儲存熱量的材料。在一個示例性實施方式中，儲熱材料能夠在發(fā)動機的工作溫度范圍內(nèi)以過冷狀態(tài)存在。這種合適的儲熱材料包括具有低于發(fā)動機的穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度的熔解溫度和高于發(fā)動機的冷起動溫度的凍結(jié)溫度的材料。此外，合適的材料在高于發(fā)動機冷起動溫度的溫度下釋放熱量(即從過冷的液態(tài)相變到固態(tài))。同樣地，合適的材料在發(fā)動機的工作溫度內(nèi)熔化，并且在低于發(fā)動機的穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度時過冷。當過冷的材料經(jīng)歷相變時，發(fā)動機由于儲熱材料的熱量釋放而被加熱。 合適的儲熱材料的具體示例包括乙酸鈉(sodiumacetate)、乙醇酸鈉(sodiumethanaote)、以及憐酸氧二納(disodiumhydrogen phosphate dodecahydrate)等。在——禾中具體構(gòu)造中，儲熱材料包括乙酸的鈉鹽，諸如乙酸鈉。乙酸鈉包括在給定溫度范圍內(nèi)能夠相
對容易地以多于一種的物理狀態(tài)存在的材料。例如，乙酸鈉具有高于大約95t:的熔解溫度和大約54t:的凝固或凍結(jié)溫度。然而，由于乙酸鈉的固有特性，其能夠在明顯低于54t:的
溫度-包括發(fā)動機尤其是車用發(fā)動機通常遇到的周圍溫度下以液相存在。為了使過冷的液態(tài)乙酸鈉凝固，必需諸如通過能量輸入裝置充分地啟動或擾動乙酸鈉。在擾動時，乙酸鈉從
液態(tài)相變?yōu)楣虘B(tài)。在該放熱相變期間，乙酸鈉加熱至大約54t:的溫度。 參考圖l-3，其中示出了本發(fā)明的示例性實施方式的示意圖。在該實施方式中，設(shè)置有用于從發(fā)動機18吸收熱量并隨后向發(fā)動機釋放所吸收的熱量的熱量回收系統(tǒng)10。熱量回收系統(tǒng)10包括結(jié)構(gòu)12，結(jié)構(gòu)12限定容納儲熱材料的空腔14。包含儲熱材料16的結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機18熱聯(lián)通，更具體地在一個實施方式中結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機本體20或發(fā)動機氣缸蓋25熱聯(lián)通。包含儲熱材料16的結(jié)構(gòu)12還可與發(fā)動機冷卻劑22熱聯(lián)通，發(fā)動機冷卻劑22流過由發(fā)動機本體20和發(fā)動機氣缸蓋25限定的冷卻劑流動通道24。
參考圖l，在熱量回收系統(tǒng)10的一種示例性運轉(zhuǎn)中，能量輸入裝置26誘發(fā)儲熱材料16的放熱相變。參考圖2，在相變期間，儲熱材料16從第一物理狀態(tài)(過冷的液態(tài))轉(zhuǎn)變成第二物理狀態(tài)(固態(tài))。該相變導(dǎo)致儲熱材料16釋放熱量，從而使發(fā)動機18和發(fā)動機冷卻劑22受熱。熱量的添加是在運轉(zhuǎn)期間對發(fā)動機18的固有加熱能力的添加。由發(fā)動機18和儲熱材料16產(chǎn)生的熱量經(jīng)由發(fā)動機冷卻劑22循環(huán)通過發(fā)動機本體20。見圖3， 一旦發(fā)動機18和發(fā)動機冷卻劑22的溫度達到合適的水平，則冷卻劑進一步通過可包括散熱器30或其它裝置的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)28循環(huán)。在該時間期間或者在發(fā)動機的溫度高于儲熱材料16的溫度的任何時間，儲熱材料16吸收由發(fā)動機18產(chǎn)生的熱量。在熱量吸收期間，固態(tài)儲熱材料16經(jīng)歷返回到液態(tài)的物理相變。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)終止并且發(fā)動機18冷卻至周圍環(huán)境時，儲熱材料16進入過冷的液態(tài)。在該狀態(tài)下，材料16再次準備在能量輸入裝置26隨后運轉(zhuǎn)時向發(fā)動機18釋放以熱量形式儲存的能量。 應(yīng)意識到的是，發(fā)動機18可包括多于一個的熱量回收系統(tǒng)IO，每個熱量回收系統(tǒng)10可用于提供同時加熱、順序加熱或其它方式的加熱方案。例如，在一種構(gòu)造中，可以設(shè)想的是一個或多個熱量回收系統(tǒng)10可與發(fā)動機18的每個氣缸蓋25相聯(lián)系。這些熱量回收系統(tǒng)10可沿發(fā)動機的整個長度或?qū)挾然蛘唛L度或?qū)挾鹊囊徊糠盅由?。?yīng)意識到的是，不同的構(gòu)造用于獲得期望的加熱結(jié)果。 如所描述的，通過能量輸入裝置26啟動儲熱材料16的放熱相變。該裝置在功能上可以是機械的，并且可位于結(jié)構(gòu)12的內(nèi)部或外部，在那里該裝置運轉(zhuǎn)以輸送足以啟動儲熱材料16的液態(tài)到固態(tài)的相變的機械能。這種機械能可以是通過沖擊、振動或以其它形式啟動的波的形式。應(yīng)意識到的是，各種構(gòu)造可用于產(chǎn)生到儲熱材料16的波或其它機械能。例如，在一種構(gòu)造中，可設(shè)置活動構(gòu)件，該活動構(gòu)件構(gòu)造成撞擊包含儲熱材料16的結(jié)構(gòu)12，從而將能量波發(fā)送通過該材料并啟動該材料中的相變。這種活動構(gòu)件可包括銷、錘、或其它合適的沖擊構(gòu)件，并且可通過使用螺線管(電動、氣動或其它形式驅(qū)動的)等而運動。在一種構(gòu)造中，活動構(gòu)件構(gòu)造成以足夠的力移動結(jié)構(gòu)12，從而引起擾動并啟動儲熱材料16的相變。還可以構(gòu)想出其它構(gòu)造。 可在不同的時間并通過不同的啟動裝置32啟動能量輸入裝置26。可在發(fā)動機的
工作循環(huán)期間、在發(fā)動機的非工作循環(huán)期間、或者在工作循環(huán)和非工作循環(huán)期間啟動能量輸入裝置26。在一個示例性實施方式中，在發(fā)動機18點火之前啟動能量輸入裝置26。例如，能量輸入裝置可與合適的控制器關(guān)聯(lián)，該控制器用于在操作者接近車輛期間、在車門解鎖期間、在將鑰匙放置到發(fā)動機18的點火系統(tǒng)中時、或者鑰匙在發(fā)動機18的點火系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)時、或者在其它情況下啟動能量輸入裝置。在另一構(gòu)造中，在發(fā)動機起動期間啟動能量輸入裝置。這可通過啟動裝置32或通過發(fā)動機18在起動期間的固有振動來實現(xiàn)。在又一示例性實施方式中，可在發(fā)動機初始點火之后啟動能量輸入裝置26。在使用超過一個的能量輸入裝置26的構(gòu)造中，可以設(shè)想的是可同時或在不同時間-諸如順序或以其它方式啟動能量輸入裝置。 啟動裝置32可包括能夠向能量輸入裝置26發(fā)送信號的任何合適的裝置。在一種構(gòu)造中，啟動裝置包括遠程裝置，諸如車輛的遠程無鑰匙進入飾物(remote keyless entryfob)。在另一構(gòu)造中，啟動裝置32包括與車輛相關(guān)的控制裝置，諸如發(fā)動機或車輛控制器。在該構(gòu)造中，控制器可與遠程裝置、與點火相關(guān)的傳感器、車輛的門把手(entry handle)或其它部件相聯(lián)系。應(yīng)意識到的是，還可以構(gòu)想出其它構(gòu)造。 儲熱材料16位于結(jié)構(gòu)12內(nèi)，該結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機18熱聯(lián)通并且可選地與冷卻劑流動通道24中的發(fā)動機冷卻劑22熱聯(lián)通。結(jié)構(gòu)12可定位成鄰接發(fā)動機18的冷卻劑流動通道24。在一個示例性實施方式中，結(jié)構(gòu)12包括發(fā)動機18的一部分，諸如發(fā)動機本體20或發(fā)動機氣缸蓋25，并且由此限定空腔14。因此，結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機18整體地形成。在該構(gòu)造中，儲熱材料16被放置在空腔14內(nèi)并且該空腔隨后被密封。在另一構(gòu)造中，結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機本體18或發(fā)動機氣缸蓋25獨立地形成，并附接至發(fā)動機本體18或發(fā)動機氣缸蓋25、或以其它方式與它們熱聯(lián)通。在該構(gòu)造中，將儲熱材料16放置在空腔14中，并且隨后使結(jié)構(gòu)12與發(fā)動機18相聯(lián)，諸如放置在發(fā)動機18的開口內(nèi)、或者安裝至(例如機械緊固、焊接或以其它方式連接至)發(fā)動機本體20、發(fā)動機氣缸蓋25等。其它構(gòu)造也是可行的。
位于空腔14內(nèi)的儲熱材料16的量取決于發(fā)動機18所需的熱量。應(yīng)意識到的是，將越多的儲熱材料16放置在空腔14內(nèi)，就有越多的潛在熱量可用于輸送到發(fā)動機18。因此，儲熱材料16的量可基于發(fā)動機規(guī)格或加熱需求、或者與發(fā)動機規(guī)格或加熱需求成比例。 空腔14可包括用于保存足量的儲熱材料16的任何合適的形狀和/或尺寸。在一種構(gòu)造中，空腔14對稱地構(gòu)形_諸如圓柱形，以便于在生產(chǎn)期間進行機加工。在另一構(gòu)造中，空腔14可不對稱地構(gòu)形。該后一構(gòu)造在如下情況下特別有利將空腔14鑄造到包括發(fā)動機本體20或發(fā)動機氣缸蓋25的結(jié)構(gòu)中，并且該空腔延伸通過發(fā)動機本體20、發(fā)動機氣缸蓋25的全部或一部分、或者以其它形式延伸。同樣地，儲熱材料可位于發(fā)動機18內(nèi)的不同位置，以便為發(fā)動機部件和/或冷卻劑提供期望的熱傳遞。應(yīng)意識到的是，空腔可在發(fā)動機本體或發(fā)動機頭部的鑄造期間形成或者隨后在發(fā)動機本體或發(fā)動機頭部中機加工而成。
在一種具體的操作順序中，在發(fā)動機18的初始起動之前或者在發(fā)動機18的初始起動期間，由使能量輸入裝置26運轉(zhuǎn)的啟動裝置32啟動熱量回收系統(tǒng)10。在啟動時，儲熱材料16經(jīng)歷從過冷的液態(tài)到固態(tài)的放熱相變，從而向發(fā)動機18釋放熱量。在發(fā)動機隨后的運轉(zhuǎn)期間，發(fā)動機18和發(fā)動機冷卻劑12的溫度升高至超過儲熱材料16的熔點的水平，從而使其恢復(fù)到液相。 一旦發(fā)動機不再運轉(zhuǎn)，則發(fā)動機18、發(fā)動機冷卻劑22和熱量回收系統(tǒng)IO冷卻至周圍條件。然而，由于所描述的固有特性，所以封裝在結(jié)構(gòu)12中的儲熱材料16在冷卻至低于其熔點溫度時保持過冷的液態(tài)。在這一點上，能夠通過能量輸入裝置26重新激活儲熱材料16，以再次向發(fā)動機18傳遞熱量。應(yīng)意識到的是，如所述的，在不補充儲熱材料16的情況下，可在車輛的整個壽命中使熱量回收系統(tǒng)10再生。 盡管已經(jīng)說明和圖示了示例性實施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可作出各種變化，并且可用等同物替代示例性實施方式的元件。另外，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的情況下，可作出許多改型，以使特定情形或材料適應(yīng)于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不局限于作為所構(gòu)想的實施本發(fā)明的最佳模式而公開的特定實施方式，而是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施方式。
權(quán)利要求
一種用于發(fā)動機的儲熱和放熱系統(tǒng)，包括與所述發(fā)動機熱聯(lián)通的材料，其能夠在所述發(fā)動機的工作溫度范圍內(nèi)過冷；能量輸入裝置，其與所述材料相聯(lián)并且能夠向所述材料輸入能量，從而啟動所述材料的放熱相變和向所述發(fā)動機的熱傳遞。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，所述放熱相變是從所述材料的過冷的液態(tài)到固態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，所述材料還構(gòu)造成吸收由所述發(fā)動機產(chǎn)生的熱量，從而經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，在所述發(fā)動機運轉(zhuǎn)之前啟動所述放熱相變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，所述材料包括乙酸鈉或乙醇酸鈉。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，還包括由所述發(fā)動機限定的用于保持所述材料的結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，還包括與所述發(fā)動機相聯(lián)的用于保持所述材料的獨立結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，所述材料與發(fā)動機冷卻劑熱聯(lián)通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲熱和放熱系統(tǒng)，其中，所述能量輸入裝置包括機械輸入裝置，所述機械輸入裝置構(gòu)造成向所述材料輸入適于啟動所述放熱相變的機械能量。
10. —種用于發(fā)動機的儲熱和放熱方法，包括放置與所述發(fā)動機熱聯(lián)通的材料，所述材料能夠在所述發(fā)動機的工作溫度范圍內(nèi)過冷；用所述材料吸收由所述發(fā)動機產(chǎn)生的熱量；以及誘使所述材料經(jīng)歷放熱相變，其中在所述相變期間，所述材料向所述發(fā)動機釋放所吸收的熱量。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的方法，其中，所述材料的過冷狀態(tài)在大約95t:時或低于95°C。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，由所述材料釋放的熱量為大約54。 F。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，在所述材料吸熱期間，所述材料經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變，并且其中，在所述材料放熱期間，所述材料經(jīng)歷從過冷的液態(tài)到固態(tài)的相變。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述材料包括乙酸鈉或乙醇酸鈉。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將所述材料放置在所述發(fā)動機內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，還包括將所述材料放置在與所述發(fā)動機相聯(lián)的獨立結(jié)構(gòu)內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述相變發(fā)生在所述發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述相變發(fā)生在所述發(fā)動機運轉(zhuǎn)之前。
19. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過能量輸入裝置啟動熱量的釋放，并且其中，所述能量輸入裝置包括機械輸入裝置，所述機械輸入裝置構(gòu)造成向所述材料輸入適于啟動所述材料的相變的機械能量。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱量回收系統(tǒng)，更具體地涉及特別是在發(fā)動機初始起動期間用于加熱發(fā)動機的方法和系統(tǒng)。在一個示例性實施方式中，提供了用于發(fā)動機的儲熱和放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括能夠在發(fā)動機的工作范圍內(nèi)過冷的材料。該材料與發(fā)動機熱聯(lián)通并且可包括與該材料相聯(lián)的能量輸入裝置。能量輸入裝置可構(gòu)造成向該材料輸入能量，從而使該材料經(jīng)歷放熱相變。在相變期間，該材料向發(fā)動機釋放熱量。
文檔編號F02N19/02GK101737221SQ20091022496
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者J·吳, P·A·里德爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司