PL238229B1 - Układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego do ogrzewania kabiny samochodu elektrycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego do ogrzewania kabiny samochodu elektrycznego.

Eksploatacja samochodów elektrycznych wiąże się z kilkoma powszechnymi problemami. Jednym z nich jest konieczność sztucznego generowania energii cieplnej do ogrzewania kabiny pojazdu w okresie zimowym.

W przypadku samochodów napędzanych silnikiem spalinowym, ciepło jest energią odpadową, wynikającą z ograniczonej sprawności silnika spalinowego. Nadmiar ciepła odprowadzany jest z silnika do otoczenia za pomocą układu chłodzenia. Część tej energii może zostać z powodzeniem wykorzystana do nagrzewania kabiny samochodu.

Jest to szczególnie istotne nie tylko ze względu na ergonomię kierowcy i pasażerów, ale także jako system służący do odparowania skroplonej pary wodnej zgromadzonej na szybach.

W samochodach elektrycznych taka forma układu chłodzenia nie jest zazwyczaj stosowana, dlatego nie ma możliwości ogrzewania kabiny, wykorzystując ciepło odpadowe z układu napędowego. Z tego powodu montowane są odrębne urządzenia grzejne, zasilane energią elektryczną zmagazynowaną w akumulatorach.

Rozwiązania takie są skuteczne, ale wiążą się z niedogodnością w postaci zużywania energii elektrycznej przeznaczonej do napędu pojazdu. Moc pobierana przez grzałkę może wynosić około 1 kW. Oznacza to, że na przykład w czasie trzygodzinnej podróży układ ogrzewania zużyje 3 kWh. W przypadku akumulatora o pojemności 30 kWh stanowi to 10% energii zmagazynowanej w samochodzie. W praktyce takie rozwiązanie powoduje zmniejszenie zasięgu samochodów elektrycznych. Dodatkowo niskie temperatury otoczenia, przy których istnieje potrzeba ogrzewania kabiny, same w sobie powodują zmniejszenie sprawności akumulatorów elektrycznych. Tak więc w okresie zimowym zjawiska powodujące zmniejszenie zasięgu nakładają się na siebie.

Z powodu powyższych niedogodności niekiedy stosuje się dodatkowy, nieelektryczny układ ogrzewania, nazywany webasto, którego zasada działania opiera się na spalaniu paliwa. W perspektywie rozwoju pojazdów elektrycznych, takie rozwiązanie wydaje się jednak mało przyszłościowe, ponieważ ogólnym dążeniem jest eliminacja z samochodów procesu spalania paliwa w dowolnej postaci.

W świetle powyższych problemów celowym wydaje się poszukiwanie sposobów na pozyskanie energii cieplnej w samochodzie. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie energii wytwarzanej przez hamulce cierne. Zasada ich działania zakłada bowiem przekształcanie energii kinetycznej pojazdu w energię cieplną w celu oddania tej ostatniej do otoczenia. Warto zauważyć jednocześnie, że hamulce cierne w samochodach przy każdym hamowaniu muszą odprowadzać stosunkowo duże ilości energii. Na przykład zatrzymanie pojazdu ważącego 1,5 t i rozpędzonego do 100 km/h wymaga wykonania pracy równej ponad 0,5 MJ.

Istnieją rozwiązania techniczne dotyczące chłodzenia hamulców cieczą, które są stosowane zazwyczaj w samochodach sportowych. Ich zasada działania uniemożliwia jednak przekazanie energii cieplnej do innych układów. W stosowanych dotychczas konstrukcjach w pobliżu tarczy hamulcowej montowana jest dysza, za pomocą której na tarczę natryskiwana jest woda. W wyniku kontaktu z gorącą powierzchnią tarczy woda odparowuje i ulatnia się do otoczenia. W proponowanym rozwiązaniu czynnik chłodzący będzie natomiast krążył w układzie zamkniętym. Z jednej strony zapobiegnie to przedostawaniu się dodatkowych substancji do atmosfery, a z drugiej strony zapewni możliwość odprowadzania energii cieplnej w wybrane miejsce.

W kontekście wykorzystania energii cieplnej pochodzącej z układów instalowanych w samochodach elektrycznych, warto zauważyć istnienie układów chłodzenia cieczą silników elektrycznych. W takim przypadku można zastosować wspomaganie ogrzewania kabiny samochodu za pomocą ciepła odpadowego z silników elektrycznych. Takiej energii jest jednak stosunkowo niewiele ze względu na relatywnie dużą sprawność silników elektrycznych. Pochodząca stąd energia cieplna okazuje się zwykle niewystarczająca do ogrzewania kabiny.

Tematyka dotycząca pozyskiwania ciepła z układów hamulcowych pojazdów jest także przedmiotem poruszanym w literaturze patentowej. Z polskiego opisu wynalazku P.385776 pod tytułem „Układ chłodzenia cieczą tarczowych hamulców z akumulacją energii ciepła hamowania” znane jest rozwiązanie, w którym tarcze hamulcowe posiadają wewnętrzne przestrzenie zamknięte na obwodzie pierścieniem oraz uszczelnianiami. Do tarcz przez otwory może przepływać ciecz chłodząca piasty koła pojazdu.

PL 238 229 B1

Z kolei z wynalazku międzynarodowego WO2007107771 pod tytułem „Tarcze hamulcowe chłodzone cieczą” znane jest rozwiązanie z centralną stacjonarną aluminiową tarczą chłodzącą z wewnętrzną komorą do cyrkulacji wody lub innego ciekłego czynnika chłodzącego oraz szereg żeliwnych sektorów zamontowanych po przeciwnych stronach tarczy, przeznaczone do kontaktu z konwencjonalnym materiałem ciernym hamulca. Tarcza chłodząca i sektory są oddzielone cienkimi szczelinami powietrznymi lub innymi warstwami izolującymi termicznie. Ciepło z materiału ciernego hamulca magazynowane jest w sektorach i przekazywane jest do tarczy chłodzącej.

Natomiast z amerykańskiego wynalazku US2005145447 pod tytułem „Układ hamulcowy przekształcający energię” znane jest rozwiązanie w którym to ciecz chłodząca przepływa przez kanaliki wykonane w szczękach hamulcowych. Pozyskane ciepło przekazywane jest do wymiennika ciepła.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania zapewniającego optymalne zagospodarowanie ciepła hamowania dla celów użytkowych zwłaszcza pojazdu elektrycznego. Ogólna koncepcja proponowanego rozwiązania polega na odzyskaniu energii cieplnej wytwarzanej przez hamulce do ogrzewania kabiny samochodu. Zasada działania polega w tym przypadku na chłodzeniu cieczą hamulców w taki sposób, żeby ogrzany czynnik chłodzący przeprowadzić przez wymiennik ciepła (lub skraplacz) w celu odzyskania energii cieplnej.

Układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego do ogrzewania kabiny samochodu elektrycznego, jest zaopatrzony w hamulcowe tarcze z hamulcowymi zaciskami, oraz w rurowe przewody dla czynnika chłodzącego, pompę i wymiennik ciepła. Układ charakteryzuje się tym, że na hamulcowej tarczy jest zamontowana obudowa o przekroju ceowym, tak że pobocznica tarczy umiejscowiona jest w tejże obudowie pomiędzy obustronnymi uszczelniaczami, ponadto w obudowie, w jej górnej części zamontowana jest skierowana w kierunku do hamulcowej tarczy co najmniej jedna natryskująca ciecz chłodzącą dysza oraz w niszy obudowy znajduje się co najmniej jeden odprowadzający ciecz chłodzącą przewód.

Korzystnie, obudowa ma kształt litery C i okala obustronnie, co najmniej połowę pobocznicy hamulcowej tarczy.

Korzystnie, uszczelniacze przymocowane są obustronnie do krawędzi szczeliny profilu obudowy.

Korzystnie, w obiegu zamkniętym odprowadzający przewód podłączony jest do pompy, która to z kolei podłączona jest rurowym przewodem do wymiennika ciepła, który to następnie podłączony jest także rurowym przewodem z natryskową dyszą.

Korzystnie natryskowa dysza skierowana jest prostopadle do pobocznicy hamulcowej tarczy.

Korzystnie, pobocznica hamulcowej tarczy umiejscowiona jest ponad krawędziami szczeliny obudowy.

Korzystnie, obudowa zamontowana jest nieruchomo względem hamulcowej tarczy.

Korzystnie, ciecz chłodząca charakteryzuje się wysoką temperaturą skraplania.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym na: Fig. 1 przedstawiono budowę zespołu montowanego na tarczy hamulcowej, Fig. 2 zaprezentowano przekrój A-A zespołu montowanego na tarczy hamulcowej, Fig. 3 przedstawiono układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego.

Układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego do ogrzewania kabiny samochodu elektrycznego, zaopatrzony jest w hamulcowe tarcze 1 z hamulcowymi zaciskami 2, oraz rurowe przewody 9 dla czynnika chłodzącego, pompę 7 i wymiennik ciepła 8. Na hamulcowej tarczy 1 jest zamontowana obudowa 3 o przekroju ceowym, tak że pobocznica tarczy 1 umiejscowiona jest w tejże obudowie 3 pomiędzy obustronnymi uszczelniaczami 4. Ponadto w obudowie 3, w jej górnej części zamontowana jest skierowana w kierunku do hamulcowej tarczy 1 natryskująca ciecz chłodzącą dysza 5 oraz w niszy obudowy 3 znajduje się odprowadzający ciecz chłodzącą przewód 6. Obudowa 3 ma kształt litery C i okala obustronnie połowę pobocznicy hamulcowej tarczy 1. Uszczelniacze 4 przymocowane są obustronnie do krawędzi szczeliny profilu obudowy 3. W obiegu zamkniętym odprowadzający przewód 6 podłączony jest do pompy 7, która to z kolei podłączona jest rurowym przewodem 9 do wymiennika ciepła 8, który to następnie podłączony jest także rurowym przewodem 9 z natryskową dyszą 5. Natryskowa dysza 5 skierowana jest prostopadle do pobocznicy hamulcowej tarczy 1. Pobocznica hamulcowej tarczy 1 umiejscowiona jest ponad krawędziami szczeliny obwodowy 3. Obudowa 3 zamontowana jest nieruchomo względem hamulcowej tarczy 1. Ciecz chłodząca charakteryzuje się wysoką temperaturą skraplania.

W układzie wedle wynalazku czynnik chłodzący jest wprawiany w obieg przez pompę i pod wpływem wymuszenia dopływa on do wymiennika ciepła z powietrzem, gdzie oddaje część energii cieplnej.

PL 238 229 B1

W dalszej kolejności czynnik chłodzący jest kierowany do zespołu montowanego na tarczy hamulcowej. W wyniku przepływu czynnika przez zespół montowany na tarczy hamulcowej czynnik chłodzący przejmuje część energii cieplnej z hamulca ciernego. Obieg czynnika chłodzącego jest zamknięty. Powietrze nagrzane w wymienniku ciepła kierowane jest do systemu wentylacji kabiny samochodu.

Czynnik chłodzący z pompy 7 kierowany jest przewodem 9 do ciepła wymiennika 8 i kolejno do dyszy 5, służącej do natrysku czynnika na powierzchnię hamulcowej tarczy 1. W wyniku kontaktu czynnika z powierzchnią hamulcowej tarczy 1 następuje przepływ energii cieplnej i zwiększa się temperatura czynnika. Czynnik znajduje się w obudowie 3, która zapobiega jego wydostaniu się z zespołu, a łączenie obudowy 3 z tarczą 1 zrealizowane jest za pośrednictwem uszczelniacza 4. Czynnik chłodzący nie wypełnia całej przestrzeni wewnątrz obudowy 3. W obudowie znajduje się również powietrze i panuje ciśnienie atmosferyczne. Umożliwia to spływanie czynnika chłodzącego, co sprzyja dalszemu gromadzeniu energii z hamulcowej tarczy 1. Ostatecznie czynnik chłodzący trafia do odprowadzającego przewodu 6 umieszczonego w najniższym punkcie obudowy 3 i tym samym wydostaje się z obudowy 3 i zespołu montowanego na hamulcowej tarczy 1.

Obieg czynnika chłodzącego w układzie może być wyłączany w czasie, kiedy samochód nie hamuje i temperatura czynnika roboczego spada. Układ sterowania pompą musi wówczas zawierać dodatkowo czujnik temperatury czynnika chłodzącego i na podstawie jego sygnału włączać i wyłączać pompę lub regulować jej wydatek. Po wyłączeniu pompy czynnik chłodzący nie będzie gromadził się w zespole montowanym na tarczę hamulcową i dzięki temu nie ma zagrożenia, że zostanie przegrzany lub zagotuje się. Istnieje więc możliwość bezpiecznego wyłączenia układu w czasie eksploatacji samochodu bez niebezpieczeństwa awarii układu. Jest to szczególnie istotne w okresie letnim, kiedy nie ma konieczności ciągłego ogrzewania kabiny samochodowej.

W przedmiotowym rozwiązaniu, czynnik chłodzący charakteryzuje się wysoką temperaturą skraplania, aby pod wpływem ogrzewania w zespole montowanym na tarczy hamulcowej, nie następowało jego odparowanie.

Claims (8)

1. Układ do odzysku energii cieplnej z hamulca ciernego do ogrzewania kabiny samochodu elektrycznego, zaopatrzony w hamulcowe tarcze (1) z hamulcowymi zaciskami (2), oraz rurowe przewody (9) dla czynnika chłodzącego, pompę i wymiennik ciepła, znamienny tym, że na hamulcowej tarczy (1) jest zamontowana obudowa (3) o przekroju ceowym, tak że pobocznica tarczy (1) umiejscowiona jest w tejże obudowie (3) pomiędzy obustronnymi uszczelniaczami (4), ponadto w obudowie (3), w jej górnej części zamontowana jest skierowana w kierunku do hamulcowej tarczy (1) co najmniej jedna natryskująca ciecz chłodzącą dysza (5) oraz w niszy obudowy (3) znajduje się co najmniej jeden odprowadzający ciecz chłodzącą przewód (6).

2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (3) ma kształt litery C i okala obustronnie co najmniej połowę pobocznicy hamulcowej tarczy (1).

3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że uszczelniacze (4) przymocowane są obustronnie do krawędzi szczeliny profilu obudowy (3).

4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że w obiegu zamkniętym odprowadzający przewód (6) podłączony jest do pompy (7), która to z kolei podłączona jest rurowym przewodem (9) do wymiennika ciepła (8), który to następnie podłączony jest także rurowym przewodem (9) z natryskową dyszą (5)

5. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że natryskowa dysza (5) skierowana jest prostopadle do pobocznicy hamulcowej tarczy (1).

6. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pobocznica hamulcowej tarczy (1) umiejscowiona jest ponad krawędziami szczeliny obwodowy (3).

7. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (3) zamontowana jest nieruchomo względem hamulcowej tarczy (1).

8. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że ciecz chłodząca charakteryzuje się wysoką temperaturą skraplania.