本發(fā)明提供一種利用相變儲熱降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置，具體涉及一種利用相變儲熱裝置降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置及控制方法，屬于內燃機領域。

背景技術：

1、由于以發(fā)動機為動力的汽車排放對大氣環(huán)境污染造成的影響，以及全球性的能源問題，節(jié)能減排成為汽車發(fā)動機的重要研究方向。目前節(jié)能的關鍵技術是提高發(fā)動機的燃燒效率和發(fā)動機的余熱回收利用，減排的主要措施是減少發(fā)動機啟動時的排放。根據(jù)美國環(huán)境保護署的?ftp?-?75測試得知?,配備三效催化轉化器的汽油機近80%的hc、co排放是在冷起動最初的200s內產生的，尤其是冬天。原因是由于冷啟動階段，冷卻液溫度較低，燃料燃燒不充分，并且此時發(fā)動機排氣溫度較低，氧傳感器和三元催化器不能正常工作。因此，采取措施改善發(fā)動機冷啟動的燃燒，提高三效催化轉化器冷啟動時的轉化效率對節(jié)能減排有重要意義。

2、啟動暖機可以改善發(fā)動機冷啟動的燃燒，而目前國內外研究中啟動暖機技術通常是通過電加熱器對冷卻液進行加熱，這種方式對加熱器的功率需求較大，功耗高。加熱器取用汽車電瓶的直流電，電瓶的充電亦是由發(fā)動機消耗燃油轉化而來的，這樣既降低了轉化效率，又造成了燃料的浪費。汽油車冷啟動排放控制主流技術是通過使三元催化器快速達到起燃溫度來降低hc和co的排放，在使催化器快速起燃研究方面的主要辦法是降低催化器的起燃溫度和盡快提高催化器溫度。而前者由于催化劑技術的限制，效果是有限的，而且還需要加大貴金屬的含量，會造成系統(tǒng)成本的增加。故而催化器快速起燃的研究較多的集中在了盡快提高催化器入口溫度方面，如近裝催化器、催化器燃油加熱，催化器電加熱等技術。近裝催化器無法轉化冷啟動后第一個60s內的hc；催化器燃油加熱，需要一個燃燒室，會產生額外的排放；催化器電加熱技術，相對燃油加熱催化器結構簡單，但要使催化劑溫度在短時間內達到起燃溫度需要消耗蓄電池大量的電能。

3、本發(fā)明采用相變儲熱裝置回收發(fā)動機排出的廢氣余熱，在冷啟動階段用于改善發(fā)動機的燃燒溫度環(huán)境，加快催化轉化器的起燃溫度。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的發(fā)動機冷啟動的上述缺陷，利用發(fā)動機的余熱，提供了一種利用相變儲熱降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置及方法，利用該裝置可有效改善發(fā)動機的燃燒溫度環(huán)境，加快三效催化轉化器的起燃溫度，降低發(fā)動機冷啟動時廢氣排放量。

2、本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種利用相變儲熱降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置，本裝置包括暖機部分裝置和加速催化轉化器起燃部分裝置，其特征在于：相變材料9緊挨著催化劑載體7外側設置，相變材料26緊挨著蛇形冷卻液水管外側設置，并且催化轉化器24和暖機部分裝置25分別置于空腔8和空腔23內，空腔8和空腔23內安裝壓力傳感器15和壓力傳感器22，兩部分裝置氣、液進出口處均安裝電子閥門，分別為電子氣閥3、電子氣閥19、電子氣閥20、電子三通氣閥6、電子液閥18、電子三通液閥17，前段排氣管1和發(fā)動機缸蓋冷卻液出口處安裝有排氣溫度傳感器2和冷卻液溫度傳感器16。控制單元5接受并處理發(fā)動機和各閥門、溫度傳感器的信號。

4、優(yōu)選的，所述的固液相變材料，其特征在于所述相變材料9為相變溫度在500-800℃的高溫相變儲熱材料，相變材料26為相變溫度在85-100℃的常低溫相變儲熱材料。

5、更優(yōu)選的，所述的固液相變材料，其特征在于所述相變材料9為硅鋁合金材料，所述硅鋁合金材料相變溫度576℃，相變潛熱862.2kj/kg；相變材料26為六水硝酸鎂材料，所述六水硝酸鎂材料相變溫度89±7℃，相變潛熱157.3kj/kg。

6、應用如上所述裝置的方法，其特征在于步驟如下：

7、1）發(fā)動機啟動時，電控單元5將發(fā)動機的啟動信號11傳遞給電子氣閥3、電子三通氣閥6、電子液閥18、電子三通液閥17，電子氣門3打開，電子三通氣閥6接通后排氣管10通道，電子液閥18打開，電子三通液閥17接通加熱支路，排氣溫度傳感器2和冷卻液溫度傳感器16分別檢測流經(jīng)前段排氣管1和發(fā)動機缸蓋冷卻液出口處的排氣溫度和冷卻液溫度并傳遞給電控單元5；

8、2）發(fā)動機正常工作時，當電控單元5接受的排氣溫度信號大于設定溫度限值t1時，電控單元5向氣泵系統(tǒng)4發(fā)出充氣信號13，氣泵系統(tǒng)4接受到充氣信號13后向空腔內充入空氣，直到腔內壓力與外界壓力平衡，隨著充入空氣量越大，腔內的傳熱系數(shù)越大，有利于廢氣熱量的散失，防止催化劑高溫失活；當電控單元5接受的排氣溫度信號小于設定溫度限值t1時，電控單元5向氣泵系統(tǒng)4發(fā)出抽氣信號14，氣泵系統(tǒng)4接受到抽氣信號14后從空腔內向外抽空氣。隨著空氣減少，傳熱系數(shù)減小，熱量散失減少；當電控單元5接受的冷卻液溫度信號高于事先設定的溫度限值t2時，電控單元5控制電子三通液閥17關閉通過暖機裝置的加熱通道，接通冷卻液正常循環(huán)通道，結束暖機過程，冷卻系統(tǒng)恢復正常，電子液閥18同步關閉；當排氣溫度高于設定溫度限值t3時，電控單元5控制電子氣閥20和電子氣閥19開啟，電子三通氣閥6接通暖機支路，高溫排氣對暖機裝置中的相變材料進行加熱，通過相變材料的相變過程，吸收排氣廢熱，暖機裝置處于儲熱工況；根據(jù)設定時間，電控單元5控制電子三通氣閥6切換排氣通道，電子氣閥19和電子氣閥20關閉，暖機裝置儲熱工況結束，此時通過壓力傳感器22判斷空腔23是否為真空，如果空腔23不是真空，電控單元5向氣泵系統(tǒng)21發(fā)出抽氣信號，氣泵系統(tǒng)21接受到抽氣信號后從空腔內向外抽空氣，保證空腔23為真空腔；

9、3）發(fā)動機停車時，電控單元5根據(jù)發(fā)動機的停車信號12控制電子氣閥3和電子三通氣閥6關閉，此時通過壓力傳感器15判斷空腔8是否為真空，如果空腔8不是真空，電控單元5向氣泵系統(tǒng)4發(fā)出抽氣信號14，氣泵系統(tǒng)4接受到抽氣信號14后從空腔內向外抽空氣，保證停車狀態(tài)下空腔8為真空腔；

10、4）發(fā)動機處于停車狀態(tài)下，電子氣閥3、電子氣閥19、電子氣閥20、電子液閥18、電子三通氣閥6的廢氣出口支路、電子三通液閥17的加熱支路均處于關閉狀態(tài)，空腔8內的真空可以減少裝置內熱量的散失。

11、優(yōu)選的，所述的溫度限值t1、t2、t3，其特征在于所述溫度限制t1為800℃，溫度限制t2為85℃，溫度限制t3為650℃。

12、本發(fā)明的工作原理：該裝置安裝在汽車發(fā)動機排氣管上，用裝有相變材料的封閉腔包裹催化劑載體和蛇形冷卻液水管，使其處在氣體傳熱系數(shù)可變的空腔內(氣體傳熱系數(shù)由真空度調節(jié))。發(fā)動機停車后，關閉催化轉化器和暖機裝置所有氣、液進出口處的閥門，使催化轉化器和暖機裝置處在真空環(huán)境中，以減少相變材料能量的散失。發(fā)動機再次冷啟動時，相變材料在凝固過程中釋放潛熱，保證了發(fā)動機啟動時催化轉化器和冷卻液足夠高的溫度。

13、本發(fā)明的有益效果是，通過采用相變儲熱裝置，回收發(fā)動機排出的廢氣余熱，提高了發(fā)動機冷啟動時催化轉化器和冷卻液的溫度，縮短了催化劑達到起燃溫度的時間，改善了發(fā)動機冷啟動的燃燒環(huán)境，大大降低了車輛冷啟動的油耗和排放。

技術特征：

1.一種利用固-液相變儲熱降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置，包括暖機換熱部和加速催化轉化器起燃部，其特征在于：還包括相變材料（9），相變材料（9）包覆著加速催化轉化器起燃部的催化劑載體（7）外側設置，相變材料（26）緊挨著暖機換熱部蛇形冷卻液水管外側設置，并且催化轉化器（24）和暖機換熱部（25）分別置于空腔（8）和空腔（23）內，空腔（8）內安裝壓力傳感器（15），空腔（23）內安裝壓力傳感器（22），加速催化轉化器起燃部氣、液進出口安裝電子氣閥（3）、電子三通氣閥（6），暖機換熱部氣、液進出口處安裝電子氣閥（20）、電子氣閥（19）、電子三通液閥（17）、電子液閥（18），前段排氣管（1）安裝排氣溫度傳感器（2），發(fā)動機缸蓋冷卻液出口處安裝冷卻液溫度傳感器（16），控制單元（5）與各閥門、溫度傳感器相連接，接受其信號。

2.根據(jù)權利要求1所述的固液相變材料，其特征在于所述相變材料（9）為相變溫度在500-800℃的高溫相變儲熱材料，相變材料（26）為相變溫度在85-100℃的常低溫相變儲熱材料。

3.根據(jù)權利要求2所述的固液相變材料，其特征在于所述相變材料（9）為硅鋁合金材料，所述硅鋁合金材料相變溫度576℃，相變潛熱862.2kj/kg；相變材料（26）為六水硝酸鎂材料，所述六水硝酸鎂材料相變溫度89±7℃，相變潛熱157.3kj/kg。

4.一種利用如權利1所述裝置的方法，其特征在于步驟如下：

5.根據(jù)權利要求4所述的溫度限制t1、t2、t3，其特征在于所述溫度限制t1為800℃，溫度限制t2為85℃，溫度限制t3為650℃。

技術總結
本發(fā)明涉及一種利用相變儲熱降低發(fā)動機冷啟動排放的裝置，所述裝置包括暖機部分裝置和加速催化轉化器起燃部分裝置，兩部分裝置并聯(lián)設計。該裝置用裝有相變材料的封閉腔包裹催化劑載體和蛇形冷卻液水管，使其處在氣體傳熱系數(shù)可變的空腔內(氣體傳熱系數(shù)由真空度調節(jié))。發(fā)動機高負荷工作時，相變儲熱裝置回收儲存發(fā)動機排出的廢氣余熱。發(fā)動機停車后，關閉催化轉化器和暖機裝置所有氣、液進出口處的閥門，使催化轉化器和暖機裝置處在真空環(huán)境中，以減少相變材料能量的散失，發(fā)動機再次冷啟動時，相變材料在凝固過程中釋放潛熱，保證了發(fā)動機啟動時催化轉化器和冷卻液足夠高的溫度。本發(fā)明利用發(fā)動機排出的廢氣余熱，提高了發(fā)動機冷啟動時催化轉化器和冷卻液的溫度，縮短了催化劑達到起燃溫度的時間，改善了發(fā)動機冷啟動的燃燒環(huán)境，大大降低了車輛冷啟動的油耗和排放。

技術研發(fā)人員：余夢輝,陳蘭,胡聰慧,郭棟
受保護的技術使用者：河南信息科技學院籌建處
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10