SE533402C2 - Arrangemang för återvinning av energi hos ett fordon som drivs av en förbränningsmotor - Google Patents

Description

'10 15 20 25 30 35 533 402 energi. Detta krafiöverförande system har en relativt komplicerad uppbyggnad och tor- de vara dyrt att tillverka.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla ett arrangemang för återvinning av energi hos ett fordon som drivs av en förbränningsmotor vilket har en relativt enkel konstruktion och tillförlitlig funktion.

Detta syñe uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets l kännetecknande del. Arrange- manget innefattar således en bypassledning genom vilket det förångade mediet kan ledas då det inte leds genom turbinen. Bypassledningen är försedd med en ventil som styrs av en styrenhet. Ventilen är normalt ställd i ett stängt läge så att det förångade mediet leds genom turbinen. Under vissa drittstillfallen är det dock inte lämpligt att turbinen tillför en extra drivkraft till drivlinan. Ett sådant tillfälle kan vara då fordonet bromsas eller växlas. Då styrenheten mottar information som indikerar att ett sådant driñstillfalle upp- stått ställer den ventilen i ett öppet läge så att det förångade mediet istället leds genom bypassledningen. Därmed tillhandahåller turbinen ingen drivkrafl: och den tillför i och med det inte heller någon extra drivkraft till drivlinan. Då styrenheten mottar inforrna- tion som indikerar att nämnda driltstillfälle upphört ställer den åter ventilen i ett stängt läge. Med en sådan bypassledning behöver den rörelseöverförande mekanismen inte förses med någon dyr kopplingsmekanism eller liknande i den rörelseöverförande meka- nismen som kopplar ifrån turbinen under tillfällen då det inte är lämpligt att den tillför en extra drivkraft till drivlinan. En bypassledning med en ventil som styrs av en styren- het kan ges en tillförlitlig funktion samtidigt som de ingående komponenterna kan inför- skafïas till en relativt låg kostnad.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten är anpassad att mot- taga information om när en växlingsprocess utförs i växellådan och att ställa ventilen i ett öppet läge under tillfällen då en växlingsprocess utförs. I vissa typer av fordon sker växlingen utan att kopplingen frikopplas. Växlingsförloppet kontrolleras i detta fall av en styrenhet som styr bränsleinsprutningen till forbränningsmotom på ett sätt så att ett nollmoment erhålls i växellådan både då en växel läggs ut och då en ny växel läggs in i växellådan. Under en sådan växlingsprocess är det inte lämpligt att turbinen tillhanda- håller en extra drivkraft i drivlinan då detta skulle försvåra uppnåendet av ett nollmo- 10 15 20 25 30 35 533 402 ment i växellådan och förlänga växlingstiden. Genom att öppna ventilen under växlings- processen tillförs ingen extra drivkraft till drivlinan som stör processen for att uppnå ett nollmoment i växellådan.

Enligt en foredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning är mediet anpassat att forångas av vänne från avgaser från forbränningsmotom i den forsta värmeväxlaren.

Avgaserna som lämnar en förbränningsmotor kan ha en temperatur av upp till cirka 700°C. Avgaserna är en mycket god värmekälla som det är möjligt att återvinna energi från i ett fordon. Är fordonet försett med ett turboaggregat utnyttjas redan en del av energin i avgaserna for att komprimera lufi som leds till forbränningsmotorn. Avgaserna efter turboaggregatet har dock fortfarande en så pass hög temperatur att de med fram- gång kan användas för att forånga mediet i den första värmeväxlaren. I ett fordon finns det dock fler värmekällor som kan användas för att förånga mediet i den forsta värme- växlaren. I överladdade förbränningsmotorer kyls den komprimerade luften som leds till forbränningsmotorn i en eller flera laddluftkylare. En första värrneväxlare enligt uppfin- ningen skulle kunna ersätta en sådan laddluftkylare och kyla laddlufien i ett forsta steg.

Dänned skulle värmeenergin som normalt endast kyls bort kunna utnyttjas för att tillfö- ra drivkraft till fordonet. Hos fordon som är försedda med hydrauliska retardrar skulle den varma retarderoljan efter en bromsprocess kunna kylas i en värmeväxlare enligt uppfinningen. Därmed skulle åtminstone en del av bromsenergin kunna återvinnas och utnyttjas för att tillföra extra drivkraft till fordonet. Samtidigt skulle belastningen av forbränningsmotorns kylsystem, som normalt utnyttjas för att kyla retarderoljan, avlas- tas.

Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är den forsta vänneväx- laren anordnad i en returledning for avgaser som återcirkuleras till förbränningsmotorn.

Avgaser som återcirkuleras avleds normalt från avgasledningen i en position uppströms ett turboaggregat. De återcirkulerande avgaserna har således inte passerat turboaggre- gatet och de har därför en mycket hög temperatur. Efiersom dessa avgaser ändå ska kylas i en eller flera EGR-kylare kan en värmevâarlare enligt uppfinningen utnyttjas för att kyla avgaserna i ett forsta steg. Därmed kan de återcirkulerande avgasernas varme- energi som normalt endast kyls bort användas for att tillföra en extra drivkraft till for- donet.

Enligt en föredragen utforingsform av föreliggande uppfinning innefattar ledningskret- sen en andra värmeväxlare där det förångade mediet är anpassat att kondensera efter att 10 15 20 25 30 35 533 402 det expanderat genom turbinen. Om ledníngslcretsen är en sluten krets måste mediet efter att det expanderat genom turbinen återforas till vätskeform. Det forångade mediet kan vara anpassat att kylas av ett kylmedium i den andra vårmeväxlaren. Därmed kan det gasformiga mediet snabbt kylas ned till sin kondenseringstemperatur och fasom- vandlas till vätska. Det våtskeforrniga mediet kan sedan på nytt användas och forångas i den forsta vårmeväidaren. Kylmediet som kyler mediet i den andra vårmeväxlaren kan var kylvätska från förbränningsmotorns kylsystem. Altemativt kan omgivande lufi an- vändas som kylmedium for att kyla mediet i den andra värrneväxlaren.

Enligt en foredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar den rörelse- överforande mekanismen en utväxling så att turbinens varvtal växlas ned innan rörelsen överförs till nämnda komponent. Turbinen har normallt ett betydligt högre varvtal an förbränningsrnotorn. Det erfordras därför en nedväxling av turbinens rörelser i den rö- relseöverförande mekanismen. En sådan nedväxling kan ske via kuggväxlar och/eller en vätskekopplíng hos den rörelseöverförande mekanismen. Den rörelseöverforande me- kanismen kan överföra turbinens rotationsrörelser till en komponent i form av ett svänghjul i forbindningen mellan forbränningsmotorn och växellådan. Svänghjulet som sitter på förbränningsmotoms vevaxel har en relativt stor diameter vilket underlättar anslutningen av den rörelseöverforande mekanismen. Det år dock möjligt att ansluta den rörelseöverforande mekanismen till någon annan komponent i drivlinan.

Enligt en föredragen utforingsform av föreliggande uppfinning innefattar ledningskret- sen en pump som är anpassad att cirkulera mediet i ledningskretsen. Därmed tillhanda- håller mediet en tillförlitlig cirkulation i ledningskretsen, Mediet är med fördel vatten eller vatten med ett tillsatsåmne. Vatten har en forångningstemperatur och kondense- ringstemperatur av cirka l00°C vid normalt atmosfarstryck. Värmekällan som får vatt- net att förångas måste således i detta fall ha en temperatur över l00°C. Kylmediet som kyler vattnet i den andra varmeväxlaren måste därmed ha en temperatur under l00°C for att vattnet ska kunna kondensera. Det är dock möjligt att använda andra medier än vatten vilka har for detta ändamål lämpliga fasomvandlingstemperaturer.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utforingsforni av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritning, på vilken 10 15 20 25 30 35 533 402 Fig. 1 visar ett arrangemang för återvinning av energi hos ett fordon som drivs av en förbränningsmotor.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORIVIER AV UPPFINNTNGEN Fig. l visar en överladdad förbränningsmotor 1 som kan vara en ottomotor eller en die- selmotor. F örbränningsmotorn 1 kan, exempelvis, vara avsedd som drivmotor för ett tungt fordon 2 som är schematiskt indikerat i figuren. Avgaserna från förbränningsmo- torns 1 cylindrar leds, via en avgassarrilare 3, till en avgasledning 4. Avgasema i avgas- ledningen 4 som har ett övertryck, leds till en turbin 5 hos ett turboaggregat. Turbinen 5 tillhandahåller därvid en drivkraft, som överförs, via en förbindning, till en kompressor 6 hos turboaggregatet. Kompressom 6 komprimerar luft som leds till förbränningsmo- tom 1 via en inloppsledning 7. En laddlufikylare 8 är anordnad i inloppsledningen 7 för att kyla den komprimerade luñen innan den leds till för förbränningsmotorn 1. Den komprimerade luften kyls i laddluftkylaren 8 medelst omgivande lufi. En kylarfläkt 9 är anpassad att tillhandahålla en forcerad lufiström genom laddluñkylaren 8.

Förbränningsmotorn är försedd med ett system för âtercirkulation av avgaser vilket benämns EGR (Exhaust Gas Recirculation). En sådan återcirkulation innebar att avga- ser blandas in i den komprimerade lufi som leds till förbränningsmotoms cylindrar. Det- ta resulterar i en sänkt förbränningstemperatur och en lägre halt av kväveoxider NOX i avgaserna. En del av avgaserna från avgasledningen 4 är avsedd att återcirkulera genom en returledning 10. Returledningen 10 innefattar en EGR-ventil 11, med vilken avgas- flödet i returledningen 10 kan regleras för att styra den mängd avgaser som återcirkule- ras. En styrenhet 12 är anpassad att styra EGR-ventilen 11 med information om för- bränningsmotorns l aktuella drifistillstånd. Styrenheten 12 kan vara en datorenhet som är försedd med en lämplig mjukvara för detta ändamål. Returledningen 10 innefattar en EGR-kylare 13 där avgaserna kyls innan de blandas med den komprimerade luften med hjälp av, exempelvis, en blandningsanordning 14. Efter att avgaserna blandats med den komprimerade luften leds blandningen, via en förgrening 15, till förbränningsmotorns 1 respektive cylindrar.

Förbränníngsmotorns 1 drivrörelser överförs medelst en drivlina till fordonets 1 driv- hjul. Drivlinan innefattar inledningsvis en från förbränningsmotorn 1 utgående vevaxel 16, ett svänghjul 17, en koppling 18, en ingående axel till växellådan 19 och en växellå- 10 15 20 25 30 35 533 402 da 20. Kopplingen 18 är i detta fall av en typ som endast är avsedd att manövreras vid start och stopp av fordonet 2. Kopplingen 18 är således inte avsedd att manövreras vid växling av fordonet 2 under färd. Växlingen sker således med kopplingen 18 i ingrepp med svänghjulet 17. En styrenhet 21 är anpassad att styra växlingsförloppet. Styrenhe- ten 21 mottar väsentligen kontinuerligt information avseende en växelspaks position. Då en förare utför en rörelseav växelspaken som indikerar att en växel ska läggas ur styr styrenheten 21 bränsleinsprutningen till förbränningsmotom 1 på ett sätt så att ett noll- moment erhålls i växellådan 20. Då ett nollmoment uppnåtts i växellådan 20 kan en väx- lingsmekanism lägga ur växeln. Därefter reglerar styrenheten 21 insprutningsmängden av bränsle så att förbränningsmotorn 1 erhåller ett nytt varvtal vid vilket en ny växel kan lägga i.

Förbränningsmotorn är försedd med ett arrangemang för återvinning av energi. Arran- gemanget innefattar en ledningskrets 22 med ett cirkulerande medium som har en för detta ändamål lämplig förångningstemperatur. Mediet är i detta fall vatten. Vattnet cir- kuleras i kretsen 22 med hjälp av en pump 23. Vattnet är anpassat att ledas i vätskeforrn till en första värmeväxlare som här är EGR-kylaren 13. De återcirkulerande avgaserna kan ha en temperatur av cirka 600 - 700°C och de är därmed en mycket god värmekäl- la. Avgaserna har således en klart högre temperatur än vattnets förångriingstemperatur som är l00°C vid normalt lufttryck. EGR-kylaren 13 är dimensionerad så att vattnet ska erhålla en uppvärmning så att det förångas samtidigt som det kyler de återcirkulerande avgaserna. Den bildade vattenångan erhåller ett förhöjt tryck. Den trycksatta vattenång- an leds till en turbin 24 där den expanderar. Turbinen 24 tillhandahåller därmed en rota- tionsrörelse som överförs, via en mekanisk transmission 25, till svänghjulet 17 i fordo- nets 2 drivlina. Drivlinan tillhandahåller därmed en ökad drivkraft för drivning av fordo- net 2. Den mekaniska transmissionen 25 innefattar ett antal rörelseöverförande element som kan innefatta lämpliga kuggväxlar eller liknande så att rörelsen från turbinen 24 erhåller en nedväxling innan den överförs till svänghjulet 17. En bypassledning 29 är, vid en första ände, ansluten till ledningskretsen 22 i en position 22a uppström turbinen 24 och, vid en andra ände, ansluten till ledningskretsen 22 i en position 22b nedströms turbinen 24 med avseende på mediets strörnningsriktning i ledningskretsen 22. Bypass- ledningen 29 innefattar en ventil 28 som är styrd av styrenheten 21. Då ventilen 28 är i ett stängt läge leds vattenångan genom turbinen 24. Då ventilen 28 är i ett öppet läge leds vattenångan genom bypassledningen 29. 10 15 20 25 30 35 533 402 Efter att vattenångan passerat genom turbinen 24 eller bypassledningen 29 leds den till en andra värmeväxlare i form av en kondensor 26 där den är anpassad att kylas så att den kondenserar. Ett kylmedium cirkuleras i en ledning 27 genom kondensom 26 så att vattenångan garanterat kyls och kondenserar innan den åter leds till EGR-kylaren 13.

Kylmediet som cirkuleras genom kondensorn 26 kan vara kylvätska från kylsystemet som förbränningsmotorn 2. I detta fall kan den normalt bortkylda värmeenergin från de återcirkulerande avgaserna tillvaratas och utnyttjas för att driva fordonet 2. Förbrän- ningsmotom 1 erhåller därmed en förhöjd kapacitet och verkningsgrad utan tillförsel av extra bränsle.

Under vissa drifistillfällen är det dock inte lämpligt att överföra en extra drivkraft till svänghjulet 17. Ett sådant drifistillfalle är i samband med i och urläggning av växlari växellådan 20. Styrenheten 21 styr således bränsleinsprutningen under växlingsproces- sen så att ett nollmoment ska uppnås i växellådan 20. Om samtidigt turbinen 23 tillför drivrörelser till svänghjulet 17 blir det svårare och mer tidsödande att skapa ett sådant nollmoment. Styrenheten 21 håller under normal drift av förbränningsmotorn 1 ventilen 28 i ett stängt läge. I detta fall leds den skapade vattenångan från EGR-kylaren 13 till turbinen 24. Turbinen 24 erhåller därmed en drivkrafi som tillför en extra drivkraft till svänghjulet 17. Under tillfällen då Styrenheten 21 erhåller information som indikerar att en växlingsprocess startat ställer den ventilen 28 i ett öppet läge, Det förångade mediet från EGR-kylaren 13 leds därmed genom bypassledningen 29 och således förbi turbinen 24. Turbinen 24 tillför under sådana tillfällen ingen extra drivkrañ till svänghjulet 17. I och med det påverkar turbinen 24 inte växlingsprocessen som kan utföras på ett kon- ventionellt sätt. Då styrenheten mottar information som indikerar att växlingsprocessen har avslutats stänger den ventilen 28. Vattenånga leds åter genom turbinen 24 och den kan åter utnyttjas för att tillföra extra drivkraft till svänghjulet 17. Växlingsprocessen är relativt kortvarig så den tid som vattenångan leds förbi turbinen 24 är relativt liten i förhållande till förbränningsmotorns 2 totala driftstid.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna uttöringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. I detta fall utnyttjas värmen i de åter- cirkulerande avgasema som värmekälla för att förånga mediet och driva turbinen 24.

Det är dock möjligt att utnyttja andra värmekällor. En sådan värmekälla kan vara avga- serna efter att avgasledningen nedströms turbinen 5. En arman sådan värmekälla kan vara den komprimerade lufien som kyls i laddluftkylaren 8.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 533 402 Patentkrav

1. Arrangemang för återvinning av energi hos ett fordon som drivs av en förbrännings- motor (1), varvid förbränningsmotom (l) är förbunden med en växellåda (20) via en förbindning (16-19), och varvid arrangemanget innefattar en ledningskrets (22) med ett cirkulerande medium, en första värmeväxlare (13) i vilket mediet är anpassat att förång- as av värme från en värmekälla, en turbin (24) som är anpassad att drivas av det förång- ade mediet och en rörelseöverförande mekanism (25) som är anpassad att överföra tur- binens (24) rörelser till en komponent (17) i förbindningen (16-19) mellan förbrän- ningsmotorn (l) och växellådan (20), en bypassledning (29) som, vid en första ände, är ansluten till ledningskretsen (22) i en position (22a) uppström turbinen (24) och, vid en andra ände, är ansluten till ledningskretsen (22) i en position (22b) nedströms turbinen (24) med avseende på mediets strömningsriktning i ledningskretsen (22), en ventil (28) som ställbar i ett stängt läge då det förångade mediet leds genom turbinen (24) och i ett öppet läge då det förångade mediet leds genom bypassledningen (29) och en styrenhet (21) som är anpassad att styra ventilen (28) och ställa den i ett öppet läge under tillfal- len då det inte är önskvärt att turbinen (24) överför drivrörelser till nämnda komponent (17) i förbindningen (16-19) mellan förbränningsmotorn (l) och växellådan (20), ling tecknad av att mediet är anpassat att värmas och förångas i den första värmeväxlaren (13) i en returledning (10) för avgaser som återcirkuleras till förbränningsmotorn (1), att styrenheten (21) är anpassad att mottaga information om när en växlingsprocess utförs i växellådan (20) och att den är anpassad att ställa ventilen (28) i ett öppet läge under tillfällen då en växlingsprocess utförs.

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknad av att ledningskretsen innefattar en andra värmeväxlare (26) där det förångade mediet är anpassat att kondensera efter att det expanderat genom turbinen (24).

3. Arrangemang enligt krav 2, känneteeknad av att det förångade mediet är anpassat att kylas av ett kylmedium i den andra värmeväxlaren (26).

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den rörelseöver- förande mekanismen har en utväxling så att växla ned turbinens (24) varvtal innan den överför rörelsen till nämnda komponent (17). 10 533 402

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den rörelseöver- förande mekanismen överför turbinens rotationsrörelser till ett svänghjul (17) i förbind- ningen (16-19) mellan förbränningsmotom (1) och växellådan (20).

6. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ledningskretsen (22) innefattar en pump (23) som är anpassad att cirkulera mediet i ledningskretsen (22).

7. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda medium är vatten eller vatten med ett tillsatsämne.