SE1150235A1 - Arrangemang för att omvandla värmeenergi till mekanisk energi i ett fordon - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett arrangemang for att omvandla värmeenergi till meka-nisk energi i ett fordon (1). Arrangemanget innefattar ett arbetsmedium som förångasav en värmekälla (3) i fordonet (1) varefter det expanderar genom en turbin (13) så attmekanisk energi alstras. Arrangemanget innefattar en styrenhet (31) som är anpassad attmottaga information som indikerar när fordonet (1) ska bromsas och då detta är falletförbinda ett kylsystem (21, 39) i fordonet med fordonets drivlina (2, 5-9) så att kylsy-sternet (21, 39) kyler en köldbärare till en låg temperatur. Styrenhet (31) är anpassadmottaga information som indikerar när fordonet (1) erfordrar en extra drivkraft och attdå detta är fallet utnyttja den kylda köldbäraren för att kyla arbetsmediet i ledningskret-sen (10) i ett andra steg innan det leds till förångaren (12). Därmed kan arbetsmedietskondensefingstemperatur sänkas och mer mekanisk energi alstras i turbinen (13). (Fis- 1)

Description

bromsprocess slits inte fordonets hjulbromsar i onödan och risken för överhettning av hjulbromsarna elimineras. Bromsprocessen avbryts så fort föraren aktiverar fordonets gaspedal eller kopplingspedal. Den värmeenergi som alstras då en tillsatsbroms såsom en hydraulisk retarder aktiveras kyls bort av förbränningsmotorns kylsystem. Förbrän- ningsmotorns kylsystem belastas hårt då en hydraulisk retarder aktiveras och om backen är tillräckligt lång finns det en risk att kylvätskan överhettas i kyl systemet.

S ATTN1NG AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla ett arrangemang som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi i ett fordon med en hög verkningsgrad.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda. slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Ett fordons drivlina sträcker sig från förbränningsmotorn till drivhjulen via en koppling och ett antal rörelseöverförande komponenter. Då kopplingen är i ingrepp drivs drivlinan som en enhet. När fordonet gaspedal släpps med kopplingen i ingrepp drivs således drivlinan så länge som fordonet rullar. Vid tillfällen då fordonet ska bromsas förbinds ett kylsystem med drivlinan. Driften av kylsystemet motverkar drivlinans rörelse så att fordonet brom- sas. Kylsystemet fiangerar i detta fall som en tillsatsbroms. Genom att utnyttja ett kylsy- stem som tillsatsbroms kan en stor del av den energi som åtgår för att bromsa fordonet utnyttjas för att kyla en köldbärare i fordonet. I kylsystem där kyla skapas genom till- forsel av energi kan arbetsmediet kylas till en lägre temperatur än omgivningens tempe- ffltllf.

Arrangemanget innefattar väsentligen samma komponenter som ett konventionellt WI-lR- system i ett fordon. Ett konventionellt Wlflš-system kan producera mekanisk energi från ett arbetsmedium som värms av en värmekälla så att det forångas och över- hettas. Arbetsmediet expanderas därefter i en turbin så att mekanisk energi skapas. Den mängd mekanisk energi som kan skapas i ett sådant system är i huvudsakligen relaterat till den temperatur som arbetsmediet överhettas till i förångaren och den kondenserings- temperatur som arbetsmediet erhåller då det kondenserar i en kondensor i systemet. Vid tillfällen som fordonet erfordrar en extra drivkraft utnyttjas, enligt uppfinningen, den kalla köldbäraren for att kyla arbetsmediet efter att det kylts i kondensom i systemet.

Denna åtgärd tillsammans med en lämplig justering av arbetsmediets mängd i lednings- kretsen resulterar i att arbetsmediet erhåller en lägre kondenseringstemperatur. Det le- der till att en större mängd mekanisk energi kan skapas i turbinen vid tillfällen som for- donet erfordrar en extra drivkraft. Arrangemanget kan, exempelvis, ta till vara och lagra bromsenergi då fordonet framförs i nedforsbackar och utnyttja denna energi då fordonet framförs i uppförsbackar. Arrangemang erhåller därmed en högre verkningsgrad än ett konventionellt VVI-IR-system där fordonets bromsenergi inte tas tillvara.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget ett utrymme for lagring av köldbäraren då den kylts av kylsystemet. Detta utrymme kan med fördel vara värmeiso- lerat för att köldbäraren ska kunna upprätthålla sin låga temperatur. Ju lägre temperatur som köldbäraren har desto effektivare kan det sänka arbetsmediets kondenseringstem- peratur i ledningskretsen och öka produktionen av mekanisk energi i turbinen. Arran- gemanget kan innefatta en värmeväxlare' som är anordnad i en position nedströms kon- densorn i ledningskretsen, en köldbärarkrets som har en sträckning mellan lagringsut- rymmet och värmeväxlare och en pump som är anpassad att aktiveras av styrenheten så att den cirkulerar köldbäraren från lagringsutrymmet till värmeväxlaren där den kyler arbetsmediet vid tillfällen som fordonet ska bromsas. I detta fall leds den kalla köldbära- ren från lagringsutrymmet till en värrneväxlare där den kyler arbetsmediet i ett extra steg. Köldbärarkretsen leder därefier tillbaka köldbäraren till lagringsutryrnmet. Alter- nativt kan arrangemanget innefatta en ventil som är anordnad i en position nedströms kondensorn i ledningskretsen och en extra ledningsslinga som har en sträckning mellan ventilen och lagringsutryrnmet, varvid styrenheten är anpassad att ställa ventilen i ett läge så att arbetsmediet leds från ventilen till lagringsutryrnmet där det kyls av den kalla köldbäraren vid tillfällen som fordonet ska erhålla en extra drivkraft. Efter att arbetsme- diet kylts av köldbäraren i ett extra steg leds det tillbaka till ledningskretsen i en posi- tion uppströms förångaren.

Enligt en utföringsform av uppfinningen utgörs köldbäraren av en blandning av vatten och glykol. Genom att bland vatten och glykol i lämpliga mängder kan en kylvätska erhållas som har en mycket låg frystemperatur. En sådan kylvätskeblandning kan kylas till en temperatur långt under 0°C utan att frysa. Alternativt kan köldbäraren utgöras av ett material har egenskapen att det ändrar fas från vätskeformígt tillstånd till fast till- stånd i lagringsutryrnmet då det kyls av kylsysternet. Stora mängder värmeenergi kan lagras i material som fasomvandlas. Därmed kan relativt små mängder av köldbäraren tillhandahålla en god kylning av arbetsmediet då det kyls i det extra steget. En köldbära- re som ändrar fas erfordrar ett relativt litet lagringsutrymme.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anpassad att motta information från en sensor som avkärmer en parameter som är relaterad till läget hos ett bromsreglage i fordonet och att då bromsreglaget har ett läge som indikerar att fordo- net ska bromsas förbinda kylsystemet .med fordonets drivlina. Ett sådant brornsreglage kan vara ett reglage med vilket en förare irlitierar en automatisk bromsprocess av for- donet så att det erhåller en önskad konstant hastighet i en nedförsbacke. Tunga fordon innefattar vanligtvis en eller flera tillsatsbromsar med vilka fordonets bromsas i nedfors- backar för att förhindra slitage och överbelastning av fordonets hjulbromsar. I detta fall kan kylsystemet ersätta en sådan tillsatsbroms. Bromsreglaget kan altemativt vara en konventionell bromspedal.

Enligt en föredragen utföringsfonn av uppfinningen är styrenheten anpassad att motta information från en sensor som avkänner en pararneter som är relaterad till läget hos ett gasreglage i fordonet och att då gasreglaget har ett läge som indikerar att fordonet er- fordrar en extra drivkraft utnyttja den kylda köldbäraren för att kyla arbetsmediet i led- ningskretsen nedströms kondensom. Gasreglaget kan vara en konventionell gaspedal.

En indikation på att fordonet erfordrar en extra drivkraft kan vara vid tillfällen som gas- pedalen trycks i botten eller i ett läge i närheten av botten. Detta kan ske då fordonet anländer till en uppförsbacke.

Enligt en foredragen utföringsforrn av uppfinningen innefattar kylsystemet en kompres- sor och att styrenheten är anpassad att förbinda kompressorn med fordonets drivlina vid tillfällen som fordonet ska bromsas. Ett kompressorkylsystem är det vanligaste slaget av kylsystem där ett köldmedium kan kylas till en lägre temperatur än omgivningens tem- peratur. Ett sådant kylsystem innefattar förutom kompressorn en kondensor, en expan- sionsventil och en förångare. Då kompressom drivs av fordonets drivlina komprirnerar den köldmediet i kylsystemet. Detta arbete -motverkar drivlinans rörelse så att fordonet bromsas. Samtidigt kan köldmediet i förångaren kyla köldbäraren till en låg temperatur- nivå. Kompressorn kan utgöra en komponent i ett AC-system i fordonet som har ett extra ledningspaiti med en extra förångare för kylning av köldbäraren. Fordon innefattar i de flesta fall ett AC-system för kylning av luften i ett. hyttutrymrne då omgivningen har en hög temperatur. AC-systemet innefattar en befintlig kompressor som kan utnyttjas för detta ändamål. Alternativt kan ett separat kompressorkylsystem utnyttjas eller annat slag av kylsystem.

Med fordel upptar arbetsmediet värmeenergi i en forångare från avgaser i en avgasled- ning hos en forbränningsmotor. Avgaserna från en forbränningsmotor är en mycket god värmekälla som har en hög temperatur som normalt förloras till omgivningen. Arbets- mediet kan även uppta värrneenergi från avgaser som återcirkuleras i en returledning till förbränningsmotorn. Återcirkulerande avgaser kyls normalt i åtminstone en EGR-kylare innan de leds till forbränningsmotom. I detta fall tillhandahåller de' återcirkulerande av- gaserna en effektiv kylning samtidigt som en del av de återcirkulerande avgasernas vär- rneenergi kan omvandlas till mekanisk energi.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom exempel, föredragen ntforingsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 visar ett arrangemang for omvandling av värmeenergi till mekanisk energi enligt en forsta utforingsforrn av uppfinningen och Fig. 2 visar ett arrangemang for omvandling av värmeenergi till mekanisk energi enligt en andra utforingsforrn av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORNIER AV UPPFINNINGEN F ig. 1 visar ett arrangemang for omvandling av värmeenergi till mekanisk energi i ett schematiskt visat fordon 1 som drivs av en overladdad forbränningsmotor 2. Fordonet 1 kan vara ett tungt fordon som drivs av en overladdad dieselmotor. Avgaserna från for- bränningsmotorns 2 cylindrar leds, till en avgasledning 3 som innehåller en turbin 4 i ett turboaggregat. Fordonet har en drivlina som inledningsvis utgörs av förbränningsmo- torn 2, en axel 5, ett svänghjul 6a, en koppling 6b, en axel 7, en växellåda 8 etc. Drivli- nan avslutas med ett par drivhjul 9. Drivlinan roterar som en enhet då kopplingen 6b är i ingrepp.

Fordonet är utrustat med ett arrangemang för återvinning av värmeenergi. arrange- manget kan betecknas som ett WIIR-system (Waste Heat Recovery-system) och inne- fattar en ledningskrets 10 med en pump ll som är anpassad att cirkulera och trycksätta ett arbetsmedium i ledningskretsen 10. Arbetsmediet leds från pumpen il till en forång- are 12 där det värms av avgaser i avgasledníngen 3 i en position nedströms turbinen 4.

Arbetsrnediet värms i förångaren 12 till en temperatur så att det förångas och överhet- tas. Det överhettade och gasformiga arbetsmediet leds från förångaren 12 till en turbin 13 där det expanderar. Turbinen 13 tillhandahåller den en rotationsrörelse som överförs till svänghjulet 6b i fordonets 1 drivlina via en mekanisk transmission 14. Turbinens 13 rotationsrörelse tillhandahåller därmed en extra drivkrafi av fordonet 1. Den mekaniska transmissionen 14 kan bestå av ett antal rörelseöverförande element i form av kuggväx- lar eller liknande så att turbinens 13 rotationsrörelse erhåller en lämplig nedväxling in- nan den överförs till svänghjulet 6b. Alternativt kan turbinen 13 vara förbunden med ett svänghjul eller liknande mekanisk energilagringsenhet som är förbindbar med fordonets l drivlina. Då svänghjulet förbinds med drivlinan tillhandahåller fordonet 1 en extra drivkraft. Enligt ett ytterligare alternativt kan turbinen 13 driva en generator som om- vandlar den mekaniska energin till elektrisk energi. Den elektriska energin kan lagras i ett energilager. Den lagrade elektriska energin i energilagret kan vid lännpliga tillfällen utnyttjas för drift av fordonet 1.

Avgaserna från en förbränningsmotor 2 är en mycket god värmekälla för återvinning av värmeenergi. I detta fall är förångaren 12 anordnad i avgasledningen 3 i en position nedströms turbinen 4. Avgasernas temperatur nedströms turbinen 4 kan vara av stor- leksordningen 200-3 00°C. Förångaren 12 kan alternativt vara anordnad i en avgasled- ning för återcirkulerande avgaser. Avgaserna återcirkuleras vanligtvis från en position uppströms turbinen 4 i avgasledningen 3. I detta fall kan de återcirkulerande avgaserna ha en temperatur av cirka 600 - 700°C. De arbetsmedier som används i WI-lR-system har emellertid en övre temperatur som inte bör överskridas. Med en lämplig dimensio- nering av förångaren 12 kan det använda arbetsmediet förångas och överhettas vid en lämpligt hög temperatur.

Då det gasformiga arbetsmediet expanderat i turbinen 13 erhåller det ett lägre tryck och en lägre temperatur. Arbetsmediet leds från turbinen 13 till en kondensor 15. Konden- sorn 15 är i detta fall luftkyld. Kondensorn 15 kan vara anordnad vid en frontyta hos fordonet 1 där arbetsmediet kyls av luft med omgivningens temperatur. En kylfläkt 16 suger luften genom kondensorn 15_ Då det gasformiga arbetsmediet kyls i kondensorn kondenserar det. Det nu vätskeformiga arbetsmediet leds från kondensorn 15 till en värrneväxlare 17. Värmeväxlaren 17 utgör en komponent i ett kylarrangemang som är kapabelt att kyla arbetsmediet efter att det kylts i kondensorn 15. Arbetsmediet kyls i värmeväxlaren 17 av en köldbärare som har en lägre temperatur än omgivningens tem- peratur vid tillfällen som fordonet erfordrar en extra drivkraft. Köldbäraren är i detta fall en kall kylvätska. Kylvätskan cirkuleras i en kylvätskekrets 18 av en pump 19. Kyl- vätskan kan utgöras av en blandning av vatten och glykol. Kylvätska som innehåller 50 procent vatten och 50 procent glykol kan ha en temperatur ned till ca -40°C utan att fiysa. Kylvätskekretsen 18 innefattar en ackumulatörtarik 20 för lagring av kall kylväts- ka. I de fall som fordonet behöver extra drivkraft, och kall kylvätska finns tillgänglig, behöver även arbetsmediets mängd i ledningskretsen 10 justeras. Ledningskretsen 10 är förbunden med en lagringstank 10a för arbetsmediet som för tillfället inte används i led- ningskretsen. Lagringstariken 10a är förbunden med ledningskretsen 10 via en ledning 10b som innefattar en reversibel pump 10c. Genom att aktivera pumpen 10c i lämplig riktning kan arbetsrnängden i ledningskretsen 10 justeras. Arbetsmängdenjusterasi detta fall så. att ingen eller endast en mindre del av kondensationen sker i kondensom . Arbetsmediet övergår således i vätskefas huvudsakligeni värmeväxlaren 17. Där- med kan kondenseringstemperaturen sänkas.

Arrangemanget innefattar en del av ett AC-system 21 för kylning av luften i ett hyttut- rymme i fordonet l. AC-systemet 21 innefattar en kompressor 22 som drivs av förbrän- ningsmotorn 2 med hjälp av en drivrem eller liknande. Kompressorn 22 aktiveras med hjälp av en schematiskt visad kopplingsmekanism 22a som upprättar drivbar förbindning mellan kompressor 22 med förbränningsmotorn 2. Då kompressom 22 är i drift kom- primerar och cirkulerar den ett köldmedium i AC-systemet 21. Köldmediet leds från kompressorn 22 till en kondensor 23 som vara anordnad vid en frontyta hos fordonet ldär köldmediet kyls av luft med omgivningens temperatur. Luften sugs genom kon- densorn 23 med hjälp av en kylfläkt 24 och fordonets 1 fartvind. Köldmediet kyls i kon- densorn 23 till en temperatur så att det kondenserar. Det vätskeforrniga köldmediet leds från kondensorn 23 till en trevägsventil 25. Med hjälp av trevägsventilen 25 kan köld- mediet ledas genom två alternativa ledningspartier.

Då trevägsventilen 25 ställs i ett första läge leds köldmediet genom ett första lednings- parti som innefattar en första expansionsventil 26 och en första forängare 27. Då köld- mediet passerar genom den första expansionsventilen 26 tillhandahåller det ett sänkt tryck och en sänkt temperatur. Det kalla köldmediet leds därefter till den första förånga- ren 27 där det kyler lufteni ett hyttutrymme i fordonet 1. Luften forceras genom den första förångaren 27 med hjälp av en fläkt 28. Köldmediet värms upp av luften till en temperatur så att det förångas i den första förångaren 27. Det gasformiga köldmediet leds sedan åter till kompressom 22. Då trevägsventilen 25 ställs i ett andra läge leds köldmediet genom ett andra ledningsparti som innefattar en andra expansionsventil 29 och en andra forångare 30 som är anordnad inuti ackumulatortarlken 20. Då köldmediet passerar genom den andra expansionsventilen 29 tillhandahåller det ett sänkt tryck och en sänkt temperatur. Det kalla köldmediet leds därefter till den andra forångaren 30 där det kyler kylvätskan som är lagrad i aokumulatortanken 20. Det kalla köldmediet värms upp av kylvätskan i ackumulatortäriken 20 så att det forångas i den andra forångaren . Det törångade köldmediet leds därefter åter till kompressom 22.

Systemet innefattar en styrenhet 31 som är anpassad att styra aktiveringen av pumpen 11 som cirkulerar arbetsmediet i ledningskretsen 10 och pumpen 10c som justerar ar- betsmediets mängd i ledningskretsen 10. Styrenheten 31 är även anpassad att mottaga information från en sensor 32 som avkänner läget hos en gaspedal och information från en sensor 33 som avkänner läget hos ett bromsreglage. Bromsreglaget 33 är i detta fall ett bromsreglage med vilket en förare initierar en automatisk bromsprocess av fordonet så att det erhåller en önskad konstant hastighet i en nedforsbacke. Bromsreglaget kan alternativt vara en konventionell bromspedal. Styrenheten 31 är kapabel att styra arran- gemanget med hjälp av pumpen 11 i ledningskretsen 10, pumpen 100 i ledningen 10b, pumpen 19 i kylvätskekretsen 18 och trevägsventilen 25. Styrenheten 31 kan vara en datorenhet med en lämplig programvara for detta ändamål.

Efter start av forbrärmingsmotom 2 leds avgaser ut genom avgasledningen 3. Så snart som avgaserna i avgasledningen 3 uppnår en lämplig temperatur aktiverar styrenheten 31 pumpen 11 som startar cirkulationen av arbetsmediet i ledníngskretsen 10. Arbets- mediet värms i forångaren 12 av avgaser i avgasledníngen 3 så att de forångas och överhettas. Arbetsrnediet överhettas till en temperatur i forängaren 6 som är relaterad till avgasernas temperatur och flöde i avgasledningen 3. Det överhettade arbetsmediet expanderar turbinen 13. Turbinen 13 erhåller därmed en rotationsrörelse som överfors, via den mekaniska transmissionen 14, till svänghjulet 6 i fordonets 1 drivlina. En del av värmeenergin i avgaserna omvandlas här med hjälp av turbinen 13 till mekanisk energi for drift av fordonet 1.

Mediet leds därefter till kondensorn 15 där det kyls av luft. med omgivningens tempera- tur. Arbetsmediet kondenserar i kondensorn 15 vid en kondenseringstemperatur som är beroende av den omgivande luftens temperatur och flöde genom kondensorn 15. Då omgivande luften har en hög temperatur erhålls en högre kondenseringstemperatur än då den har en lägre temperatur. Styrenheten 31 styr pumpen 10:: så att en lämplig mängd arbetsmedium cirkuleras i ledningskretsen 10 vid rådande omständigheter. Den effekt som erhålls i turbinen 13 bestäms i grova drag av skillnaden mellan arbetsmediets överhettningsternperatur då det leds in i turbinen 13 och arbetsmediet kondenserings- g temperatur i kondensorn 15. I och med att avgasemas temperatur och flöde varierar med íörbränningsmotorns 2 belastning och kondenseringsternperaturen med omgivning- ens temperatur blir turbinens 13 produktion av mekanisk energi tärnligen varierande.

Vi tillfällen som styrenheten 31 mottar information som indikerar att föraren har släppt upp gaspedalen 32 stoppar den driften av pumpen 11 i ledningskretsen 10. Därmed till- för arrangemanget inte någon oönskad drivkraft till fordonet 1. Om styrenheten 31 sam- tidigt mottar information som indikerar att föraren aktiverat brornsreglaget 33 aktiverar styrenheten 31 köpplingsmekanismen 22a så att den upprättar en drivbar förbindning mellan kornpressorn 22 och fiñrbränningsmotorn 1. Vid tillfällen som fordonet 1 rullar nedför en backe tillför fordonets drivhjul 9 en drivrorelse till drivlinan och därmed till förbränningsrnotorn 2. Kompressorn 22 drivs nu av förbränningsrnotorn 2. Fordonets rörelseenergi nedför backen omvandlads här via drivlinan till drift av kompressorn 22.

Det arbete som kompressorn 22 utför då den komprirnerar köldmediet i AC-systemet verkar som en brcmskrafi som motverkar drivhjulens 9 rörelse. Kompressorn 22 fimge- rar i detta fall som en tillsatsbrorns. Om kompressorns 22 bromseffekt inte är tillräcklig for att upprätthålla den önskade hastigheten i nedförsbacken kan andra tillsatsbromsar i fordonet aktiveras. Samtidigt som bromsreglaget 33 aktiveras sätter Styren-heten 31 trevägsventilen 25 i det andra läget så att åtminstone en del av köldmediet i AC- systemet 21 leds genom det andra ledningspartiet med den andra expansionsventilen 29 och den andra förångaren 30. Köldmediet som leds genom den andra forångaren 30 kyler kylvätskan i ackumulatortanken 20 så att den erhåller en låg temperatur som med fördel är avsevärt lägre än den omgivande luftens temperatur. I detta fall utnyttjas såle- des fordonets rörelseenergi nedför backen för att kyla i köldmediet i ackurnulatortanken .

Då styrenheten 31 mottar information som indikerar att föraren önskar avsluta den au- tematiska bromsprocessen eller då kylvätskan har kylts till en tillräckligt låg lagrings- temperatureni ackumulatortanken sätter styrenheten 31 trevägsventilen 25 i det första läget. Styrenheten 31 stänger även av kompressorn 22 om inte AC-Systemet ska varai drifi och kyla luften i hyttutrymmet. Om backen är tillräckligt lång har nu kylvätskan kylts till en betydligt lägre än den omgivande luftens temperatur i ackumulatortanken . Ackumulatortanken 20 kan vara värrneisolerad så att kylvätskan kan upprätthålla sin låga temperatur i ackumul-atortarllæn 30 under en relativt lång tid.

Så snart som styrenheten 31 mottar information som indikerar att gaspedalen 32 åter tryckts ned önskar föraren tillföra en drivkraft till fordonet 1. Styrenheten 31 aktiverar pumpen ll så att arbetsmediet cirkulerasi ledningskretsen 10. Arrangemanget startar åter processen med att omvandlar värrneenergi i avgaserna till mekanisk energi för drift av fordonet. Om styrenheten 31 mottar information från sensorn 32 som indikerar att gaspedalen 32 trycks ned maximalt eller till ett nästan maximalt nedtryckt läge önskar föraren erhålla en extra drivkraft av fordonet 1. Fordonet 1 kan nu ha anlänt till en upp- försbacke. Styrenheten 31 aktiverar pumpen 19 i kylvätskekretsen 18 så att kall kyl- vätska cirkuleras från ackumulatortanken 20 till värmeväxlaren 17 där det kyler arbets- mediet i ledningskretsen 10. Arbetsmediet erhåller nu förutom kylningen i kondensöm en extra kylning av den kalla kylvätskan i vänneväxlaren 17. Styrenheten 31 aktive- rar samtidigt den reversibla pumpen 100 så att arbetsmediets mängd i ledningskretsen justeras till en optimal nivå. En sådan extra kylning av arbetsmediet med kylvätska som har en lägre temperatur än omgivande luft tillsammans med en lämplig justering av arbetsmediets mängd i ledningskretsen resulterar i att kondenseringstemperatur sjunker.

Arbetsmediets mängd i ledningskretsen 10 justeras till en nivå så att arbetsmediet inte erhåller någon underkylriing eller en väsentligen ingen underkylning efter att det kon- denserat i värmeväxlaren 17. Därmed behövs inte någon värmeenergi från avgaserna utnyttjas for att värma upp arbetsmediet till förångníngstemperaturen utan väsentligen all värmeenergi från avgaserna kan utnyttjas till förångningsarbetet av arbetsmediet i förångaren 12. I detta fall kan en optimal mängd värmeenergi omvandlas till mekanisk i turbinen 9.

Eftersom förbränningsmotorn i en uppförsbacke är hårt belastad tillhandahåller de var- ma avgaserna i avgasledníngen en mycket god uppvärmning av arbetsmediet så att det förångas och överhettas till en hög temperatur. Därmed alstrar turbinen 13 mer meka- nisk energi än vad som är fallet då förbränningsmotorn 2 har en lägre belastning. Den extra kylningen av arbetsmediet i värmeväxlaren 17 resulterar tillsammans med juster- ingen av arbetsmediets mängd i ledningskretsen lÛ till att kondenseringstemperatur sänks och att turbinen 17 kan alstra en ökad mängd mekanisk energi för drift av fordo- net l._ Arrangemanget kan således lagra energi då fordonet 1 framförs i en nedförsbacke och utnyttja den lagrade energin då fordonet framförs i en uppförsbacke. Arrangemang- et erhåller därmed en högre kapacitet än ett konventionellt WHR-system I detta fall utnyttjas en kompressor 22 i ett befintligt AC-system för att bromsa fordonet då det 11 framförs i nedforsbackar. Kornpressorn 22 kan därmed behöva ges större kapacitet än en konventionell kompressor i ett AC-system.

Fig. 2 visar en alternativ utföringsfonn av arrangemanget. Arrangemanget innefattar även i detta fall en ledningskrets 10 med ett arbetsmedium som cirlculeras av en pump 11. Arbetsfnediets mängd i ledningskretsen 10 justeras med hjälp av en reversibel pump 10c som är anordnad i en ledning 10b som förbinder ledningskretsen 10 med en lag- ringstarik l0a. Arbetsmediet värms i en förångare 12 av avgasernai en avgasledning 3 hos en forbränningsmotor 2. F örångaren 12 är anordnad i avgasledningen 3 i en position nedströms en turbin 4 hos ett turboaggregat. Arbetsmediet som förångas i förångaren 12 leds till en turbin 13. Efter att det gasformiga arbetsrnediet expanderat genom turbi- nen 13 leds det till en kondensor 15 där det kyls av en kylvätska som cirkulerar i en lågtemperaturkylkrets. En pump 34 cirkulerar kylvätskan i lägtemperaturkyllcretsen.

Kylvätskan kyls i en lufikyld kylare 35 vid ett frontparti hos fordonet 1 med luft av om- givningens temperatur som forceras genom kylaren med hjälp av en kylfläkt 36. I detta fall kyls arbetsmediet i kondensorn 35 av kylvätska som har en temperatur i närheten av omgivande lufts temperatur. Ledningskretsen 10 innefattar i detta fall en trevägsventil 37 som är anordnad i en position nedströms kondensorn 15. Då trevägsventilen 37 sätts i ett första läge leder den arbetsmediet som kylts i kondensorn 15 till pumpen 11. Då trevägsventilen 37 sätts i ett andra läge leder den arbetsmediet som kylts i kondensorn till ett alternativt ledningsparti 10a som innefattar en värmeväxlare 38 for tre medier.

Arbetsmediet kyls i en första del 38a av värmeväxlaren 38. Arbetsmediet leds därefter till den ordinarie ledningskretsen 10 och i en position uppströms förângaren 12.

Värrneväxlaren 38 innefattar' en andra del 3 8b som utgör en forångare för köldmediet i ett kylsystem 39 i fordonet 1. Kylsystemet innefattar en kompressor 22 som drivs av förbränningsrnotorn 2. Kompressorn 22 förbind med förbränningsmotorn med hjälp av en schematiskt visad kopplingsmekanism 22a. Då kompressorn 22 är i drift komprime- rar och cirkulerar den ett köldmedium i kylsystemet 39. Köldmediet leds fiån kompres- sorn 22 till en kondensor 23 där köldmediet kyls av luft som med fördel har omgivning- ens temperatur. Luften sugs genom kondensorn 23 med hjälp av en kylfläkt 24. Köld- mediet leds från kondensorn 23 till en expansionsventil 29. Köldrnediet erhållit ett sänkt tryck och en sänkt temperatur då det leds genom expansionsventilen 29. Köldmediet leds därefter till den andra delen av värmeväxlaren 38b där det forångas. Då köldmediet förångas den andra delen av värrneväxlaren 38b kyler den en köldbärare som är anord- nat i en mellanliggande del 380 av värmeväxlaren 38. 12 Köldbäraren i den mellanliggande delen 380 av vårmeväxlaren är av ett material som övergår från vätskefas till fast fas då det kyls av köldmediet i den andra delen av värme- växlaren 38b. Köldbäraren har med fördel en hög latent värmelagringsförrnåga per vikts- eller volymenhet. Därmed kan den mellanliggande delen 38c av värrneväxlaren göras relativt liten. Efter att kölrlmediet förångats i förångaren 38b leds det åter till kompressom 22. Arrangemanget innefattar en styrenhet 31 som styr aktiveringen av pumpen ll och trevägsventilen 37 i ledningskretsen 10. Styrenheten 31 styr även akti- veringen av kompressorn 22 kylsystemet 39. Styrenheten 31 mottar väsentligen konti- nuerligt information från en sensor 32 som avkänner läget hos en gaspedal i fordonet l och från en sensor 33 som avkänner läget hos ett brornsreglage i fordonet l. Bromsreg- laget är ett reglage med vilket en förare initierar en automatisk bromsprocess av fordo- net i en nedförsbacke.

Under drifi av förbränningsmotorn 2 leds avgaser genom avgasledningen 3. Då styren- heten 31 mottar signaler fiån sensorn 32 som indikerar att gaspedalen är nedtryckt akti- verar den pumpen 11 så att arbetsmediet cirkuleras i ledningskretsen 10 och pumpen l0c så att ledningskretsen 10 förses med en lämplig mängd av arbetsmediet. Styrenhe- ten 31 ställer samtidigt trevägsventilen 37 i det första läget. Det cirkulerande arbetsme- diet kyls i kondensom 15 av kylvätskan i Iågtemperaturkylsystemet. Då kylvätskan har en låg temperatur kondenserar arbetsmediet i kondensorn 15 vid en relativt låg konden- seringstemperatur. Kondenseringstemperaturen är här högre än omgivningens tempera- tur. Det vätskeformiga arbetsmediet leds från kondensom 15, via trevägsventilen 37 och pumpen ll, till förångaren 12. Arbetsmediet vanns-av de varma avgaserna i avgas- ledningen 3 så att det förångas och överhettas. Det överhettade arbetsmediet leds till turbinen 13 där det expanderar. Turbinen 13 erhåller därmed en rotationsrörelse som överförs, via den mekaniska transmissionen 14, till svånghjulet 6 i fordonets 1 drivlina.

Under detta driftstillstånd tillför både förbränningsmotorn 2 och arrangemanget en driv- kraft till fordonet 1.

Vi tillfällen som styrenheten 31 mottar infrirmatiön från sensorn 32 som indikerar att gaspedalen 32 har släpps upp helt stoppar den drifien av pumpen 11 i ledningskretsen eftersom föraren inte önskar tillföra någon drivkraft till fordonet 1. Om styrenheten 31 samtidigt mottar information från sensorn 3 3 som indikerar föraren aktiverat broms- reglaget som ger fordonet en konstant hastighet i en nedförsbacke aktiverar styrenheten 31 kopplingsmekanismen 22a som förbinder kompressom 22 med förbränningsmotorn 13 2. När fordonet 1 rullar nedför backen överförs ett drivmoment från fordonets drivlina till kompressorn 22. Med hjälp av denna energi komprimerar kompressom 22 köldme- diet i kylsystemet. Kompressorns 22 kompressionsarbete av köldmediet motverkar driv- linans rörelse så att fordonet l bromsas. Kompressorn 22 fimgerar som en tillsatsbroms i fordonet 1. Köldmediet i kylsystemet 39 leds via expansionsventilen 29 till den andra delen av värmeväadaren 38b. Då köldmediet förångas i den andra delen av värmeväxla- ren 38b kyls köldbäraren i den mellanliggande delen 38c av värmeväxlaren. Då köldbä- raren kyls övergår den från vätska till fast fas. Den temperatur vid vilken köldbäraren fasomvandlas är med fördel lägre än den omgivande luftens temperatur.

När styrenheten 31 mottar information tiån sensorn 33 som indikerar att bromsreglagets satts i ett icke bromsande läge stänger styrenheten 31 driften av kompressorn 22 med hjälp av kopplingsmekanismen 22a. Så snart som styrenheten 31 mottar information fiån sensorn 32 som indikerar att gaspedalen 32 åter trycks ned önskar föraren tillföra drivkraft till fordonet 1. Styrenheten 31 aktiverar pumpen 11 så att arbetsmediet åter cirkulerari ledningskretsen 10 och pumpen lOc så att ledningskret5 sen 10 förses med en lärnplig mängd av arbetsmediet. Arrangemanget startar åter processen med att om- vandlar värmeenergi i avgaserna till mekanisk energi för driit av fordonet 1. Om styren- heten 31 mottar information fiån sensorn 32 som indikerar att gaspedalen 32 trycks ned maximalt eller ett närliggande lägre önskar 'föraren erhålla en förhöjd drivkraft av for- donet 1 vilket kan ske då fordonet 1 anländer till en uppförsbacke. Styrenheten 31 stäl- ler trevägsventilen 37 i det andra läget. Arbetsmediet som kylts i ett första steg ikon- densorn 15 leds nu in i det alternativa ledningspartiet 10a. Arbetsmediet kyls i den för- sta delen 38a av värmeväxlaren av köldbäraren i den mellanliggande delen 380 av vär- meväxlaren. Arbetsmediet erhåller därmed en extra kylning innan det leds tillbaka den ordinarie ledningskretsen 10 i en position uppströms törångaren 12. En sådan extra kyl- ning av arbetsrnediet med en köldbärare som har en lägre temperatur än omgivande luft resulterar i att arbetsmediets kondenseringsternperatur sjunker i ledningskretsen 10.

Under gynnsamma omständigheter kondenserar arbetsmediet enbart värmeväxlaren 17.

I detta fall kan en lägre kondenseringstemperatur erhållas än omgivningens temperatur.

Mediets leds därefter till förångaren 12 där det värms av de varma avgaserna så att det förångas och överhettas. I och med att arbetsmediet i detta fall har en extra låg konden- seringstemperatur kan arbetsmediet tillhandahålla en expansion i turbirren 13 vid vilket det alstras extra mycket mekanisk energi för dlilt av fordonet 1. Denna ytterligare öka- de mängd mekanisk energi är relaterad till hur mycket kondenseringstemperaturen 14 sänks. I detta fall utnyttjas en kornpressom 22 i ett separat kylsystem for att kyla en köldbärare då fordonet 1 frarnfcârs i en nedförsbacke. Det kylda köldmediet lagras i ett lagringsutryrrune i form av den mellanliggande 38c delen av värmeväxlaren. Den kalla köldbäraren utnyttjas vid senare tillfällen då fordonet 1 erfordrar en extra drivkraft, vil- ket kan vara då fordonet 1 :frarnfors i en uppförsbacke.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna utforingsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 15 Patentkrav

1. Arrangemang för att omvandla värmeenergi till mekanisk energi i ett fordon (l), var- vid arrangemanget innefattar en ledningskrets (10), en pump (11) for att cirkulerar ett arbetsmedium i ledningskretsen (10), en forångare (12) i vilken arbetsmediet är anpassat att uppta värmeenergi från en värmekälla (3) så att det forångas och en turbin (13) som är anpassad att drivas av den forångade arbetsmediet och alstra mekanisk energi, en första kondensor (15) i vilket arbetsmediet är anpassat att kylas så att det kondenserar och ett kylsystem (21, 39) som är forbindbar med en drivlina (2, 5-9) hos fordonet (1), kármetecknat av att arrangemanget innefattar en styrenhet (31) som är anpassad att mottaga information som indikerar när fordonet (1) ska bromsas och då detta är fallet förbinda kylsystemet (21, 39) med fordonets drivlina (2, 5-9) så att kylsysternet» (21, 39) kyler en koldbärare till en lägre temperatur än omgivningens temperatur, varvid Styren- het (31) är anpassad mottaga information som indikerar när fordonet (1) erfordrar en extra drivkraft och att då detta är fallet utnyttja den kylda köldbäraren for att kyla ar- betsmediet i ledningskretsen (10) i ett andra steg i en position nedströms kondensorn (15) innan det leds till förångaren (12).

2. Arrangemang enligt krav 1, kärmetecknat av att arrangemanget innefattar ett lag- ringsutrymme (20, 38c) for lagring av koldbäraren då den har kylts av kylsystemet (21, 39).

3. Arrangemang enligt krav 2, kännetecknar av att arrangemanget innefattar en värme- växlare (17) som är anordnad i en position nedströms kondensorn (15) i ledningskretsen (10), en köldbärarkrets (18) som har en sträckning mellan lagringsutryrnrnet (20) och värmeväxlare (17) och en pump (19) som är anpassad att aktiveras av styrenheten (31) så att den cirkulerar den kalla koldbäraren från lagringsutrymmet (20) till värmeväxlaren (17) där den kyler arbetsmediet vid tillfällen som fordonet (1) ska erhålla en extra driv- kraft.

4. Arrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en ventil (3 7) som är anordnad i en position nedströms kondensorn (15) i ledningskretsen (10) och en extra ledningsslinga (10a) som har en sträckning mellan ventilen (37) och lag- ringsutryrmnet (20), varvid styrenheten (31) är anpassad att ställa ventilen (3 7) i ett läge så att arbetsmediet leds från ventilen (3 7) till lagringsutrymmet (20) där det kyls av den kalla köldbäraren vid tillfällen som fordonet (1) ska erhålla en extra drivkraft. 10 15 20 25 30 35 16

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, känneteeknat av att köldbäraren ut- görs av en blandning av vatten och glykol.

6. Arrangemang enligt något av de föregående kraven 1 till 4, kännetecknat av att köld- bäraren utgörs av ett material har egenskap en att det ändrar fas från vätskeforrnigt till- stånd till fast tillstånd i lagringsutryrnmet (3 8G) då det kyls av kylsysternet (3 9).

7. Arrangemang enligt något av de föregående krav, kännetecknat av att styrenheten (31) är anpassad att motta information. fiån en sensor (33) som avkänner en parameter som är relaterad till läget hos ett bromsreglage i fordonet (1) och att då broinsreglaget är i ett läge som indikerar bromsning av fordonet (1) förbinda kylsystemet (21, 39) med fordonets drivlina (2, 5-9) hos så kylsystemet (21, 39) drivs av fordonets rörelseenergi.

8. Arrangemang enligt något av de föregående krav, kännetecknat av att styrenheten (31) är anpassad att motta information från en sensor (32) som avkänner en pararneter som är relaterad till läget hos ett gasreglage i fordonet ( 1) och att då gasreglaget har ett läge som indikerar att fordonet (l) erfordrar en extra drivkrafi utnyttja den kylda kold- bäraren för att kyla arbetsmediet i ledningskretsen (10) nedströms kondensorn (15).

9. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att kylsystemet inne- fattar en kompressor (22) och att styrenheten (31) är anpassad att förbinda kompres- sorn (22) med fordonets drivlina (2, 5-9) vid tillfällen som fordonet (1) ska bromsas. 10”. Arrangemang enligt krav 9, kännetecknat av att kompressom (22) utgör en kompo- nent i ett AC-system i fordonet (1) som har ett ledningsparti med en extra forångare (3 0) för kylning av köldbäraren.