CN102472598A - 潜热存储器以及用于对内燃机进行温度处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于内燃机的潜热存储器，该潜热存储器具有用于在利用熔化过程的热函的情况下储存热量的能够结晶的存储介质。所述存储介质在环境温度下具有过度冷却的熔化物的状态。此外，所述潜热存储器包括用于在所述存储介质中提供晶种的晶种提供机构，用于在过度冷却的熔化物的状态中触发所述存储介质的结晶以释放所储存的热量。在另外的观点下面，本发明提供一种具有这样的潜热存储器的内燃机以及一种用于对内燃机进行温度处理的方法。在所述方法的第一步骤中使结晶的存储介质熔化，用于在利用熔化过程的热函的情况下储存热量。而后所述存储介质最大程度地一直冷却到环境温度并且在这过程中形成过度冷却的熔化物。在在存储介质中提供晶种，用于以所定义的方式触发所述存储介质的结晶以释放所储存的热量。

Description

潜热存储器以及用于对内燃机进行温度处理的方法

技术领域

本发明涉及一种用于尤其机动车中的内燃机的潜热蓄热以及一种用于借助于潜热存储器对内燃机进行温度处理的方法。

背景技术

潜热存储器利用存储介质的可逆的热力学上的状态变化的热函比如固相与液相之间的相变的热函，用于以潜伏的也就是隐藏的热量的形式来储存热能。在给传统的潜热存储器的内容加载热量时，多数使作为存储介质的特殊的盐或者石蜡熔化，所述盐或者石蜡为此吸收很多热能也就是熔化热。因为这个过程是可逆的，所以所述存储介质在凝固时又刚好将这种热量释放出来。

在机动车中使用潜热存储器，用于储存在机动车的运行过程中产生的过剩的热量并且在需要时比如在冷起动时又提供这种能量。为了在较长的时间间隔里维持所述潜热存储器的载荷并且避免所储存的热量的意外的释放，所述存储介质必须典型地通过麻烦的隔热装置保持在其熔化温度之上。

DE 10 2007 045 163 A1提出一种用于机动车的内燃机的潜热存储器，对于该潜热存储器来说将过度冷却的过度饱和的能够再结晶的融解物用作存储介质，以便就这样可以放弃存储介质的热隔绝措施。

为了取走所储存的热量，在此提出，借助于发送脉冲的执行机构来通过机械能量的脉冲似的释放来触发再结晶。

因此，值得追求的是，能够在用于机动车的得到改进的潜热存储器中在没有麻烦的热隔绝措施的情况下在较长的时间间隔里储存热能并且能够在所期望的时刻可靠地取出所述热能。

发明内容

相应地设置了一种用于内燃机的潜热存储器，该潜热存储器具有用于在利用熔化过程的热函的情况下储存热量的能够结晶并且能够过度冷却的存储介质。所述存储介质的典型的熔化温度在此处于30与120℃之间。

在此使用一种存储介质，该存储介质对于大约-10℃到58℃的环境温度来说具有过度冷却的熔化物的状态。因此不需要麻烦的热隔绝措施，以避免所述存储介质在不受欢迎的时间再结晶并且意外地释放所储存的热量。

此外，所述潜热存储器包括用于在存储介质中提供晶种的晶种提供机构，用于在过度冷却的熔化物的状态中触发所述存储介质的结晶以释放所储存的热量。

因为所述晶种提供机构-与比如执行机构的声波和压力波不同-能够通过晶种的有针对性的提供在所期望的时刻可靠地触发再结晶，所以可以以所定义的方式来释放热量。

在另外的观点下面，本发明提供一种具有按本发明的潜热存储器的内燃机以及一种用于对内燃机进行温度处理的方法。在所述方法的第一步骤中，一般在使用机动车的存在的废热源的情况下使已结晶的存储介质熔化。

而后所述存储介质有时一直冷却到环境温度并且在这过程中过度冷却。为了释放所储存的热量，在存储介质中提供晶种，用于触发所述存储介质的结晶。

按照一种优选的改进方案，所述晶种提供机构包括用于在热方面与存储介质隔离的情况下在熔点之下保存晶种的隔离装置。这能够将所述存储介质的被隔离的部分在结晶的状态中作为晶种来保存，而比如在内燃机的运行中-其余的存储介质则被熔化并且就这样被装载潜热。所述在热方面被分离的晶种随后可以再次使用以便再度利用所述潜热存储器，从而必要时可以节省用于-比如通过所述存储介质的局部的过度冷却-再度产生晶种的能量。

按照另一种优选的改进方案，所述晶种提供机构构造用于向所述存储介质加载热力学上的潜能参量，用于在存储介质中产生晶种。在此有利地根据存储介质来如此选择所述热力学上的潜能参量比如温度、压力，从而至少在所述存储介质的局部的范围内调节相应的条件，所述条件可靠地实现晶种的自发的形成。这能够实现所述潜热存储器的点火机制的特别高的可靠性，因为所述点火机制不取决于比如对于较热的环境条件来说在隔离装置中在实际上成功地保存了晶种。优选所述晶种提供机构具有用于将所述存储介质局部冷却到所述存储介质的在统计学上足够可靠的晶种形成温度的冷却装置。这一点可以特别容易并且无危险地比如借助于珀耳贴元件或者珀耳贴元件的串联的布置结构来得到实现。

按照一种优选的改进方案，内燃机包括按本发明的潜热存储器，其中所述存储介质在内燃机停止时在所述内燃机的油底壳的区域中至少部分地布置在油底壳的静油平面的位置或者下面。通过这种方式，所述存储介质直接对所述内燃机的润滑油进行加热并且就这样在冷起动时降低其粘度，这有利地在起动之后的前数分钟内降低所述内燃机的燃料消耗和有害物质排放。优选所述存储介质在内燃机运行时至少部分地布置在油底壳的工作油平面的上方。由此实现这一点，即首先所述油的在内燃机停止时在油池中处于（静油平面）表面的附近的部分得到加热并且典型地借助于吸入口接头首先到达所述内燃机的有待润滑的区域中。

按照一种优选的改进方案，所述存储介质具有相应的表面，该表面在内燃机运行时被流回到油底壳中的油所淹没。通过这种方式，所述存储介质在流回的油与（尤其就在起动内燃机之后不久）油底壳中的还较冷的油相混合之前首先被特别热的直接来自内燃机的有待润滑的区域-比如气缸-的油所加热。这能够在内燃机短暂运行时就已经再次可靠地使所述存储介质熔化并且由此向其加载热量。优选这个表面倾斜，使得流回的油以足够的速度在所述表面上流动并且在这过程中其热量中的特别多的部分排放给所述存储介质。

附图说明

下面借助于优选的实施方式和附图对本发明进行解释。附图示出如下：

图1A是具有按一种实施方式的潜热存储器的内燃机的示意性的横截面视图；

图1B是按一种实施方式的潜热存储器的横截面视图；

图2是具有按一种实施方式的潜热存储器的内燃机的冷却剂回路的原理图解；

图3是具有按另一种实施方式的潜热存储器的内燃机的冷却剂回路的原理图解；

图4是潜热存储器材料的热函和温度的关联的图表；并且

图5是用于对按一种实施方式的内燃机进行温度处理的方法的流程图。

在附图中，如未作相反的说明，那么相同的附图标记就表示相同的或者功能相同的组件。

具体实施方式

在图1a中以示意性的横截面视图示出的内燃机102示范性地构造为具有四个布置在曲轴箱103中的气缸101的汽油机。由能够在所述气缸101中运动的活塞142驱动的曲轴140在所述曲轴箱103中支承在所述气缸101的下方。所述曲轴箱103向下敞开并且以环绕的下面的边缘141终结。用于接纳为了运行内燃机102所需要的润滑油118的油池133用螺钉栓紧在所述曲轴箱103的下面的边缘141上并且向下将所述曲轴箱103封闭。在所述油池133的内部构造了加深的作为油底壳110的区域，在所述油底壳110中在内燃机102停止时收集润滑油118直到静油平面112。

在所述油底壳110中布置了吸入管128，通过该吸入管128内燃机102在运行中从所述油底壳中取用用于对气缸101和曲轴140（以及其它部件）进行润滑的润滑油118。在这过程中油底壳110中的油平面一直下降到工作油平面114，在所述工作油平面114上用从所述曲轴箱103的有待润滑的区域中流回的油出现流动平衡。

此外，在所述油底壳110中布置了潜热存储器本体100的用包套120包围的存储介质104。所述包套120比如由金属比如铝制成并且优选具有大量的筋条121，用于为了所述存储介质104与将所述包套120的外部的表面包围的油110之间提高了的热传导而实现所述包套120的较大的表面。可以额外地在所述包套120的内部设置一种类似加筋条（berippt）的或者以其它方式传导热量的结构。所述潜热存储器100布置在所述静油平面112的下方，使得其在内燃机的静止状态中完全被油118所包围。该潜热存储器100基本上面状地沿着水平线布置在所述静油平面112与所述油底壳110的底部之间的大约一半的高度上，使得其将在静止状态中处于油底壳中的润滑油118划分为处于所述潜热存储器100上方的区域和处于所述潜热存储器100下方的区域。在所述内燃机102的运行中，所述潜热存储器本体100的上面的表面116伸出超过而后存在的工作油表面114。在此所述潜热存储器本体100支撑在较高的基脚122和较底的基脚123上，使得所述上面的表面116相对于水平线细微地朝所述吸入管128的下面的端部倾斜。在背向所述吸入管128的端部上，所述潜热存储器本体100接触到所述油底壳110的侧面的壁体124。

在所述油底壳110的壁体124的外侧面或内侧面上如此安置了起动装置比如珀耳贴元件108，使得其间接或者直接地与所述从里面朝向壁体124的潜热存储器本体100相接触。示范性地提到的珀耳贴元件108通过两根输入导线138与所述潜热存储器100的控制仪138相连接。所述控制仪138包括用于对所述珀耳贴元件108进行触发的触发单元134和要求探测器132，所述要求探测器132在一种应用形式中与用于具有所述内燃机102的机动车的中央闭锁机构的天线136相连接。此外所述要求探测器132与用于起动内燃机102的点火开关单元137相连接。

所述存储介质104比如构造为盐水化物，所述盐水化物的特性在图4所示的热函图表中示意性地示出。在水平的温度轴520上标记了所述存储介质的熔化温度500。如果从所述温度轴520的左边的边缘开始将所述结晶的存储介质一直加热到熔点500，那么其沿着垂直的热函轴522绘出的热函就上升了敏感的（也就是能够感觉到的）热量的在这种加热的过程中所吸收的第一数量515。如果继续输入热量，那么存储介质就熔化400，其中该存储介质在温度恒定时吸收在熔点上的潜热512。如果所述存储介质完全熔化，那么热量的继续输入就使得温度的升高超过熔点500，其中在这种加热的过程中吸收另一个数量514的敏感的热量。如果经过熔化的存储介质又冷却，那么它也在过度冷却的熔化物的亚稳定的状态504中留在熔点500的下方，直至达到温度范围508，在该温度范围内-随着温度下降-以增加的可能性开始所述熔化物的自发的再结晶510并且排放出潜热512。如果在过度冷却的熔化物的状态504中在存储介质中提供晶种，那么所述存储介质也会在所述晶种形成温度508之上结晶506。

作为存储介质选择材料，对于该材料来说一方面熔化温度500处于润滑油的所希望的温度范围524中并且另一方面过度冷却的熔化物的亚稳定的状态504在常见的环境温度范围502的主要部分的范围内延伸，在所述常见的环境温度范围502中运行所述内燃机。在内燃机安装在那些在适度的气候区中使用的机动车中的情况中，合适的材料比如是乙酸钠-三水合物（Natriumacetat-Trihydrat），其熔点500约为58℃。

在图1A的内燃机102的正常的运行中，如上面所描述的一样出现工作油平面114，而较热的从所述曲轴箱103中回流的油则在所述潜热存储器本体100的表面116上流动。由此-对于一般的行车里程来说-将所述存储介质104可靠地一直加热到超过其熔点500，使得其完全熔化。如果现在停下这里应该示范性地假设安装在机动车中的内燃机并且使其经受比如-15℃的环境温度，那么所述油118的主要部分流回到油底壳110中。整台内燃机包括油118和存储介质104逐渐冷却到-15℃的环境温度。

如果现在比如机动车驾驶员靠近机动车并且通过所述天线136触发中央闭锁机构，那么所述要求探测器132就从中推断出，要很快地利用所述内燃机102并且将相应的信号传输给所述触发单元134。所述触发单元134在加荷时间范围内向所述起动装置/珀耳贴元件108加载电流，其中如此选择激活间隔、电流强度和电流方向，使得整个配置结构如此得到冷却，以便用统计学上较高的可能性来触发结晶。借助于温度信号或者说温度的估算按需求由所述控制单元134来确定加载时间间隔和电流强度。

所述起动装置/珀耳贴元件108包括其馈电线138及控制仪130作为用于在所述存储介质104中提供晶种的装置起作用。通过所述存储介质104的局部的直至或者说低于晶种产生区域508的冷却，在过度冷却的熔化物中自发地产生晶种，所述整个存储介质104从该晶种出发在链锁反应中结晶并且释放出潜热。通过所述包套120，所述存储介质104对与该存储介质104相邻的油进行加热。如果现在机动车驾驶员借助于点火开关装置137来起动所述内燃机，那么该内燃机通过所述吸入管128首先吸入处于所述存储介质104上方的油，该油由于所述存储介质104的提高的位置和对流而最强烈地得到加温并且因此最具易流动性。只有在内燃机的进一步运行中，才出现全部的油的完全的混合和均匀的加热。

在图1A中示出的实施方式可以以多种多样的方式加以改动。因此比如所述起动装置/珀耳贴元件108可选可以在所述油底壳110的内部直接布置在所述存储介质104的包套120上，或者布置在穿过所述油底壳110的壁体124的绝缘套管中。可以取代示范性地提到的珀耳贴元件108或者结合所述珀耳贴元件124来使用起动装置，所述起动装置局部地向所述存储介质104加载静压力，用于调节热力学上的条件，在所述热力学上的条件下可以自发地形成晶种。

图1B示出了潜热存储器，对于该潜热存储器来说晶种提供机构106不是具有图1A的起动装置/珀耳贴元件108而是具有用于在热方面与存储介质104隔离的情况下通常在熔点500之下保存晶种的隔离装置152。所述隔离装置152布置在穿过所述油底壳110的壁体124以及所述存储介质104的包套120的绝缘套管中，该隔离装置152示范性地包括由绝热的能够相对于彼此围绕着旋转点190偏转的半轴瓦160形成的钳形件，该钳形件在闭合的状态中可以将用存储介质充填的分离室156与其余的存储介质104隔离并对其进行隔热。所述半轴瓦160通过一根通过旋转点190得到导引的拉杆158和以能够转动的方式与该拉杆158相耦合的支杆159与执行机构150相连接，该执行机构150能够通过所述控制仪130来触发。

在具有所示出的潜热存储器的内燃机的运行中，在与所述被复位弹簧154封闭的半轴瓦160在热方面隔离的空间中，通常所述存储介质104的一部分在结晶的状态中在所述存储介质104的熔化温度之下得到保存。所述分离室156比如可以在热方面如此与处于内燃机外部的空间相连接，使得所述分离室156中的温度也在内燃机的连续运行中不会达到熔点。

如果在冷起动时所述控制仪130的触发单元134触发所述执行机构150，那么该执行机构150就将拉力施加到所述拉杆158上，使得所述半轴瓦160打开并且使保存在分离室中的晶种与其余的处于过度冷却的熔化物的状态中的存储介质104相接触。因此，全部的存储介质104在链锁反应中结晶并且释放其潜热。还在全部的熔化物转变为结晶的状态之前，中断输送给所述执行机构的供电，使得所述复位弹簧又将所述半轴瓦160关闭，所述半轴瓦160能够用较小的力的消耗在还未完全结晶的熔化物中运动。所述闭合的半轴瓦160在此又将晶体围住，将其分开并且将其在热方面与其余的存储介质隔开。

图2示意性地示出了机动车的冷却及加热回路，该冷却及加热回路具有内燃机102、散热器202、散热器调温阀210、加热换热器200、加热调温阀21、主水泵208和附加水泵209。所述主水泵208比如可以通过未示出的驱动装置或者类似装置与内燃机102相耦合，而所述附加水泵209的驱动可以通过自身的电气的驱动马达来进行。在内燃机102运转但还较冷时，冷却剂206的主要部分在散热器调温阀210关闭时为了更快地对内燃机212进行加热而首先通过管路212和主水泵208直接流回到该内燃机102处。一旦所述冷却剂206达到了相应的温度，对于该温度来说散热器调温阀210打开，那么经过内燃机102、散热器调温阀210、散热器202和主水泵208的冷却回路216就起作用。

通过所述内燃机102和加热换热器200来实现的冷却回路216通过所述主水泵208并且必要时通过附加水泵209来驱动。在所述内燃机102与加热的换热器200之间在加热回路214中布置了潜热存储器104并且该潜热存储器可以通过并联布置的潜热存储器阀222来跨接。所述潜热存储器104包含存储介质104，该存储介质被所述加热回路214的未示出的比如蛇形的管路从中穿过，从而在用冷却剂206穿流所述潜热存储器时热量能够在所述冷却剂206与所述潜热存储器100的存储介质104之间交换。在与所述潜热存储器100之间的间接或者直接的接触中，安置了用于在所述存储介质104中提供晶种的起动装置108。控制仪130除了用于所述起动装置的触发单元134之外还具有用于对穿过所述潜热存储器100的冷却剂流进行调整的流量控制单元220。

在比如通过遥控解锁或者点火开关触发的方式用机动车行驶之前，所述触发单元134用所述起动装置108比如通过所述存储介质的局部的过度冷却通过存储介质中晶种的自发的形成来开始结晶。同时，所述潜热存储器阀222被节流/被关闭并且接通所述附加水泵209的电气的驱动马达，用于将经过加热的冷却介质206从所述潜热存储器100抽吸到所述加热换热器200和/或内燃机102中。

图3示出了另一部机动车的冷却及加热回路。与图2的实施方式有别的是，所述加热回路214具有废气换热器312，该废气换热器312在三通路催化器302的下游布置在排气系300的支路304中。与所述流量控制单元220相连接的潜热存储器阀222、所述废气换热器312和潜热换热器在彼此串联但与所述加热换热器200并联的情况下布置在所述加热回路214的内部。并联布置的顺序在此仅仅示范性地示出。

在排气支路304中并且在所述排气系300的主管路的平行地相对于这条排气支路304伸展的区段中分别布置了节气阀308、306。这些节气阀308、306和所述主回路216中的主回路阀310就像所述潜热存储器阀222一样与所述流量控制单元220相连接，所述节气阀308、306和所述主回路216中的主回路阀310能够在内燃机102的运行中由所述流量控制单元220在协调的情况下来触发。

在图3中示出的装置能够为了使存储介质104熔化而将所述潜热存储器100加热到特别高的温度。由此可以使用具有特别高的熔点的存储介质，所述存储介质在温度水平相应地提高时又释放出热量。另一个优点在于，在用机动车进行很短的旅程时由于排气系中的较高的温度可以可靠地使所述存储介质104熔化用于给所述潜热存储器100加载热量，其中对于所述很短的旅程来说内燃机的油回路/冷却水回路未完全得到加热。

图5示出了用于对机动车的内燃机进行温度处理的方法的流程图，对于该方法来说在第一步骤400中使结晶的存储介质熔化，用于储存熔化热。这比如在行驶过程中在利用过剩的废热的情况下进行。在接下来的步骤402中所述存储介质在机动车停下之后可能一直冷却到环境温度。在此形成所述存储介质的过度冷却的熔化物。

在步骤403中接收机动车驾驶员的要求信号比如遥控解锁信号。在步骤404中根据在步骤403中接收的要求信号在蓄热材料中提供晶种，用于触发所述存储介质的结晶以释放所储存的热量，比如所述内燃机的润滑油和/或冷却剂。在步骤406中，在其余的存储介质又在步骤400中通过超过熔点的加热来熔化之前将所述存储介质的作为晶种的部分与所述其余的存储介质分开并且在热方面与其隔绝。

Claims (11)

1.用于内燃机（102）的潜热存储器（100），具有：

-用于在利用熔化过程（400）的热函的情况下储存热量的能够结晶的存储介质（104），所述存储介质在环境温度（502）下能够具有过度冷却的熔化物（504）的状态；以及

-用于在所述存储介质（104）中提供晶种的晶种提供机构（106），用于在过度冷却的熔化物（504）的状态中触发所述存储介质（104）的结晶（506）以释放所储存的热量。

2.按权利要求1所述的潜热存储器（100），其中所述晶种提供机构（106）包括用于在热方面与存储介质（104）隔离的情况下在熔点（500）之下保存晶种的隔离装置（152）。

3.按权利要求1或2所述的潜热存储器（100），其中所述晶种提供机构（106）构造用于向所述存储介质（104）加载热力学上的潜能参量（T、p），以便在所述存储介质（104）中产生晶种。

4.按权利要求3所述的潜热存储器（100），其中所述晶种提供机构（106）具有用于将所述存储介质（104）局部冷却到低于环境温度（502）的晶种形成温度的冷却装置（108）。

5.内燃机（102），具有按前述权利要求中任一项所述的潜热存储器（100），其中所述存储介质（104）在内燃机（102）停止时在所述内燃机（102）的油底壳（110）的区域中至少部分地布置在所述油底壳（110）的静油平面（112）的位置或者下面。

6.按权利要求5所述的内燃机（102），其中所述存储介质（104）在内燃机（102）运行时至少部分地布置在所述油底壳（110）的工作油平面（114）的上方。

7.按权利要求6所述的内燃机（102），其中所述存储介质（104）具有尤其倾斜的表面（116），该表面在内燃机（102）运行时被流回到所述油底壳（110）中的油（118）所淹没。

8.用于对内燃机（102）进行温度处理的方法，具有以下步骤：

-使具有高于环境温度的熔点（500）的结晶的存储介质（104）熔化（400），以便在利用熔化过程（400）的热函的情况下储存热量；

-将所述存储介质最大程度地一直冷却（402）到环境温度并且

-在所述存储介质（104）中提供（404）晶种，以便触发所述存储介质（104）的结晶以释放所储存的热量。

9.按权利要求8所述的方法，具有另外的在所述存储介质（104）达到熔点（500）之前将所述晶种与其余的存储介质隔离（406）的步骤。

10.按权利要求8或9所述的方法，其中为提供（404）晶种向所述存储介质（104）加载热力学上的潜能参量（T、p）尤其温度（T）或者静压力（p），以便在所述存储介质（104）中产生晶种。

11.按权利要求10所述的方法，其中在起动所述内燃机（102）之前的1s到60s的加载时间间隔里或者在起动内燃机（102）时向所述存储介质（104）加载热力学上的潜能参量（T、p）。

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