专利名称：热量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于特别是在初始起动期间加热发动机的方法和系统。
背景技术：
由于相关排气处理装置未达到稳定状态的工作温度，所以发动机在初始起动期间 常常具有较高的废气排放水平。同样地，废气排放的去除或处理效率取决于发动机排气的 温度以及内在地取决于发动机的温度。在较冷的工作条件下，由于较低的初始工作温度，所 以发动机可能更难起动或者具有降低的燃料经济性。现有的帮助发动机冷起动的解决方案 在必需产品和能源消耗方面可能是昂贵的，并且使用起来可能是费力的。因此，需要一种改 进的系统和方法，其用于在发动机的初始起动之前或者在发动机的初始起动期间为发动机 提供热量。
发明内容
本发明的实施方式涉及特别是在发动机初始起动期间用于加热发动机的方法和 系统。在一个示例性实施方式中，提供了用于发动机的储热和放热系统。该系统可包括能 够在发动机的工作温度范围内过冷的材料。该材料与发动机热联通。在其它非限制性示例 中，该系统还包括与该材料相联的能量输入装置。能量输入装置向过冷的材料传递足以启 动放热相变的能量。在相变期间，该材料向发动机释放热量。 在另一个实施方式中，提供了储存热量形式的能量和向发动机释放热量形式的能 量的方法。该方法包括形成具有空腔的结构，该空腔包含能够在发动机的工作温度范围内 过冷的材料并使该结构与发动机热联通。该方法还包括用该材料吸收由发动机产生的热 量，并且诱使材料从过冷状态开始相变，从而向发动机释放所储存的热量。
在以下参照附图仅通过示例给出的实施方式的详细说明中，其它特征、优点和细 节得以显现，附图中 图1示出具有本发明的处于第一运转模式下的热量回收系统的发动机的示意图；
图2示出具有图1所示的处于第二运转模式下的热量回收系统的发动机的示意 图；以及 图3示出具有图1所示的处于第三运转模式下的热量回收系统的发动机的示意 图。
具体实施例方式
本发明提供用于在发动机初始运转期间改善发动机的排放、性能和效率的方法和 系统。这些以及其它益处通过由发动机产生的潜在能量_特别是热量的吸收、储存和释放 来实现。具体而言，提供了能够吸收、储存和释放热量的储热材料。该材料与发动机热联通
3和/或与流过发动机的冷却剂热联通。该储热材料构造成在发动机运转期间吸收由发动机产生的热量。其后，当发动机冷却时，储热材料为稍后的释放-特别是发动机随后的起动期间的释放保留至少一部分储存的能量。当发动机需要额外的热量时，使储热材料向发动机释放所储存的热量。 在储热材料的一种具体构造中，在发动机运转期间，储热材料吸收由发动机产生的热量，从而使该材料以第一物理状态(例如液态)存在。在发动机停止运转并且发动机已冷却至周围温度之后，储热材料在其第一物理状态中保持过冷。在发动机随后的起动之前或者在发动机随后的起动期间，在储热材料从过冷的液态到固态的转变期间和之后，储热材料变成通常以稳态形式释放热量的第二物理状态(例如固态)。热量的释放减少发动机的加热时间，从而提供改善的排放减少、性能和效率。 在一种构造中，储热材料在其熔解温度下或高于其熔解温度时以液态物理状态存
在，并且在其冻结温度下或低于其冻结温度时以固态物理状态存在。当储热材料在其冻结点以下以液态形式存在时，储热材料通常被称为过冷或处于过冷状态。在该过冷状态下，储热材料需要额外的能量，以从液态转变成固态(即引起储热材料结晶)。 发动机的工作温度在发动机的冷起动温度与发动机的稳定状态工作温度之间变动。发动机的冷起动温度季节性地并且地域性地改变，但稳定状态工作温度相对是恒定的。应意识到的是，稳定状态工作温度可随发动机制造、模型、以及诸如温度和负载的工作状态而改变。然而一般而言，汽车内燃机的工作温度通常在-4(TC与129t:之间。同样地，本发明的储热材料也能在该范围内过冷。 由本发明设想的合适的储热材料包括能够在发动机的整个工作温度范围内储存热量的材料。在一个示例性实施方式中，储热材料能够在发动机的工作温度范围内以过冷状态存在。这种合适的储热材料包括具有低于发动机的稳定状态工作温度的熔解温度和高于发动机的冷起动温度的冻结温度的材料。此外，合适的材料在高于发动机冷起动温度的温度下释放热量(即从过冷的液态相变到固态)。同样地，合适的材料在发动机的工作温度内熔化，并且在低于发动机的稳定状态工作温度时过冷。当过冷的材料经历相变时，发动机由于储热材料的热量释放而被加热。 合适的储热材料的具体示例包括乙酸钠(sodiumacetate)、乙醇酸钠(sodiumethanaote)、以及憐酸氧二納(disodiumhydrogen phosphate dodecahydrate)等。在——禾中具体构造中，储热材料包括乙酸的钠盐，诸如乙酸钠。乙酸钠包括在给定温度范围内能够相
对容易地以多于一种的物理状态存在的材料。例如，乙酸钠具有高于大约95t:的熔解温度和大约54t:的凝固或冻结温度。然而，由于乙酸钠的固有特性，其能够在明显低于54t:的
温度-包括发动机尤其是车用发动机通常遇到的周围温度下以液相存在。为了使过冷的液态乙酸钠凝固，必需诸如通过能量输入装置充分地启动或扰动乙酸钠。在扰动时，乙酸钠从
液态相变为固态。在该放热相变期间，乙酸钠加热至大约54t:的温度。 参考图l-3，其中示出了本发明的示例性实施方式的示意图。在该实施方式中，设置有用于从发动机18吸收热量并随后向发动机释放所吸收的热量的热量回收系统10。热量回收系统10包括结构12，结构12限定容纳储热材料的空腔14。包含储热材料16的结构12与发动机18热联通，更具体地在一个实施方式中结构12与发动机本体20或发动机气缸盖25热联通。包含储热材料16的结构12还可与发动机冷却剂22热联通，发动机冷却剂22流过由发动机本体20和发动机气缸盖25限定的冷却剂流动通道24。
参考图l，在热量回收系统10的一种示例性运转中，能量输入装置26诱发储热材料16的放热相变。参考图2，在相变期间，储热材料16从第一物理状态(过冷的液态)转变成第二物理状态(固态)。该相变导致储热材料16释放热量，从而使发动机18和发动机冷却剂22受热。热量的添加是在运转期间对发动机18的固有加热能力的添加。由发动机18和储热材料16产生的热量经由发动机冷却剂22循环通过发动机本体20。见图3， 一旦发动机18和发动机冷却剂22的温度达到合适的水平，则冷却剂进一步通过可包括散热器30或其它装置的发动机冷却系统28循环。在该时间期间或者在发动机的温度高于储热材料16的温度的任何时间，储热材料16吸收由发动机18产生的热量。在热量吸收期间，固态储热材料16经历返回到液态的物理相变。在发动机运转终止并且发动机18冷却至周围环境时，储热材料16进入过冷的液态。在该状态下，材料16再次准备在能量输入装置26随后运转时向发动机18释放以热量形式储存的能量。 应意识到的是，发动机18可包括多于一个的热量回收系统IO，每个热量回收系统10可用于提供同时加热、顺序加热或其它方式的加热方案。例如，在一种构造中，可以设想的是一个或多个热量回收系统10可与发动机18的每个气缸盖25相联系。这些热量回收系统10可沿发动机的整个长度或宽度或者长度或宽度的一部分延伸。应意识到的是，不同的构造用于获得期望的加热结果。 如所描述的，通过能量输入装置26启动储热材料16的放热相变。该装置在功能上可以是机械的，并且可位于结构12的内部或外部，在那里该装置运转以输送足以启动储热材料16的液态到固态的相变的机械能。这种机械能可以是通过冲击、振动或以其它形式启动的波的形式。应意识到的是，各种构造可用于产生到储热材料16的波或其它机械能。例如，在一种构造中，可设置活动构件，该活动构件构造成撞击包含储热材料16的结构12，从而将能量波发送通过该材料并启动该材料中的相变。这种活动构件可包括销、锤、或其它合适的冲击构件，并且可通过使用螺线管(电动、气动或其它形式驱动的)等而运动。在一种构造中，活动构件构造成以足够的力移动结构12，从而引起扰动并启动储热材料16的相变。还可以构想出其它构造。 可在不同的时间并通过不同的启动装置32启动能量输入装置26。可在发动机的
工作循环期间、在发动机的非工作循环期间、或者在工作循环和非工作循环期间启动能量输入装置26。在一个示例性实施方式中，在发动机18点火之前启动能量输入装置26。例如，能量输入装置可与合适的控制器关联，该控制器用于在操作者接近车辆期间、在车门解锁期间、在将钥匙放置到发动机18的点火系统中时、或者钥匙在发动机18的点火系统中旋转时、或者在其它情况下启动能量输入装置。在另一构造中，在发动机起动期间启动能量输入装置。这可通过启动装置32或通过发动机18在起动期间的固有振动来实现。在又一示例性实施方式中，可在发动机初始点火之后启动能量输入装置26。在使用超过一个的能量输入装置26的构造中，可以设想的是可同时或在不同时间-诸如顺序或以其它方式启动能量输入装置。 启动装置32可包括能够向能量输入装置26发送信号的任何合适的装置。在一种构造中，启动装置包括远程装置，诸如车辆的远程无钥匙进入饰物(remote keyless entryfob)。在另一构造中，启动装置32包括与车辆相关的控制装置，诸如发动机或车辆控制器。在该构造中，控制器可与远程装置、与点火相关的传感器、车辆的门把手(entry handle)或其它部件相联系。应意识到的是，还可以构想出其它构造。 储热材料16位于结构12内，该结构12与发动机18热联通并且可选地与冷却剂流动通道24中的发动机冷却剂22热联通。结构12可定位成邻接发动机18的冷却剂流动通道24。在一个示例性实施方式中，结构12包括发动机18的一部分，诸如发动机本体20或发动机气缸盖25，并且由此限定空腔14。因此，结构12与发动机18整体地形成。在该构造中，储热材料16被放置在空腔14内并且该空腔随后被密封。在另一构造中，结构12与发动机本体18或发动机气缸盖25独立地形成，并附接至发动机本体18或发动机气缸盖25、或以其它方式与它们热联通。在该构造中，将储热材料16放置在空腔14中，并且随后使结构12与发动机18相联，诸如放置在发动机18的开口内、或者安装至(例如机械紧固、焊接或以其它方式连接至)发动机本体20、发动机气缸盖25等。其它构造也是可行的。
位于空腔14内的储热材料16的量取决于发动机18所需的热量。应意识到的是，将越多的储热材料16放置在空腔14内，就有越多的潜在热量可用于输送到发动机18。因此，储热材料16的量可基于发动机规格或加热需求、或者与发动机规格或加热需求成比例。 空腔14可包括用于保存足量的储热材料16的任何合适的形状和/或尺寸。在一种构造中，空腔14对称地构形_诸如圆柱形，以便于在生产期间进行机加工。在另一构造中，空腔14可不对称地构形。该后一构造在如下情况下特别有利将空腔14铸造到包括发动机本体20或发动机气缸盖25的结构中，并且该空腔延伸通过发动机本体20、发动机气缸盖25的全部或一部分、或者以其它形式延伸。同样地，储热材料可位于发动机18内的不同位置，以便为发动机部件和/或冷却剂提供期望的热传递。应意识到的是，空腔可在发动机本体或发动机头部的铸造期间形成或者随后在发动机本体或发动机头部中机加工而成。
在一种具体的操作顺序中，在发动机18的初始起动之前或者在发动机18的初始起动期间，由使能量输入装置26运转的启动装置32启动热量回收系统10。在启动时，储热材料16经历从过冷的液态到固态的放热相变，从而向发动机18释放热量。在发动机随后的运转期间，发动机18和发动机冷却剂12的温度升高至超过储热材料16的熔点的水平，从而使其恢复到液相。 一旦发动机不再运转，则发动机18、发动机冷却剂22和热量回收系统IO冷却至周围条件。然而，由于所描述的固有特性，所以封装在结构12中的储热材料16在冷却至低于其熔点温度时保持过冷的液态。在这一点上，能够通过能量输入装置26重新激活储热材料16，以再次向发动机18传递热量。应意识到的是，如所述的，在不补充储热材料16的情况下，可在车辆的整个寿命中使热量回收系统10再生。 尽管已经说明和图示了示例性实施方式，但本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可作出各种变化，并且可用等同物替代示例性实施方式的元件。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可作出许多改型，以使特定情形或材料适应于本发明的教导。因此，本发明不局限于作为所构想的实施本发明的最佳模式而公开的特定实施方式，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。
权利要求
一种用于发动机的储热和放热系统，包括与所述发动机热联通的材料，其能够在所述发动机的工作温度范围内过冷；能量输入装置，其与所述材料相联并且能够向所述材料输入能量，从而启动所述材料的放热相变和向所述发动机的热传递。
2. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，其中，所述放热相变是从所述材料的过冷的液态到固态。
3. 根据权利要求2所述的储热和放热系统，其中，所述材料还构造成吸收由所述发动机产生的热量，从而经历从固态到液态的相变。
4. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，其中，在所述发动机运转之前启动所述放热相变。
5. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，其中，所述材料包括乙酸钠或乙醇酸钠。
6. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，还包括由所述发动机限定的用于保持所述材料的结构。
7. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，还包括与所述发动机相联的用于保持所述材料的独立结构。
8. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，其中，所述材料与发动机冷却剂热联通。
9. 根据权利要求1所述的储热和放热系统，其中，所述能量输入装置包括机械输入装置，所述机械输入装置构造成向所述材料输入适于启动所述放热相变的机械能量。
10. —种用于发动机的储热和放热方法，包括放置与所述发动机热联通的材料，所述材料能够在所述发动机的工作温度范围内过冷；用所述材料吸收由所述发动机产生的热量；以及诱使所述材料经历放热相变，其中在所述相变期间，所述材料向所述发动机释放所吸收的热量。
11. 根据权利要求io所述的方法，其中，所述材料的过冷状态在大约95t:时或低于95°C。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中，由所述材料释放的热量为大约54。 F。
13. 根据权利要求IO所述的方法，其中，在所述材料吸热期间，所述材料经历从固态到液态的相变，并且其中，在所述材料放热期间，所述材料经历从过冷的液态到固态的相变。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述材料包括乙酸钠或乙醇酸钠。
15. 根据权利要求10所述的方法，还包括将所述材料放置在所述发动机内。
16. 根据权利要求IO所述的方法，还包括将所述材料放置在与所述发动机相联的独立结构内。
17. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述相变发生在所述发动机运转期间。
18. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述相变发生在所述发动机运转之前。
19. 根据权利要求10所述的方法，其中，通过能量输入装置启动热量的释放，并且其中，所述能量输入装置包括机械输入装置，所述机械输入装置构造成向所述材料输入适于启动所述材料的相变的机械能量。
全文摘要
本发明涉及热量回收系统，更具体地涉及特别是在发动机初始起动期间用于加热发动机的方法和系统。在一个示例性实施方式中，提供了用于发动机的储热和放热系统。该系统可包括能够在发动机的工作范围内过冷的材料。该材料与发动机热联通并且可包括与该材料相联的能量输入装置。能量输入装置可构造成向该材料输入能量，从而使该材料经历放热相变。在相变期间，该材料向发动机释放热量。
文档编号F02N19/02GK101737221SQ20091022496
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者J·吴, P·A·里德尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司