SE535680C2 - 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

535 680 bromsprocess slits inte fordonets hjulbromsar i onödan och risken for överhettning av hjulbromsarna elimineras. Bromsprocessen avbryts så fort föraren aktiverar fordonets gaspedal eller kopplingspedal. Den värmeenergi som alstras då en tillsatsbroms såsom en hydraulisk rctarder aktiveras kyls bort av forbränningsmotorns kylsystem. Förbrän- ningsmotorns kylsystem belastas hårt då en hydraulisk retarder aktiveras och om backen är tillräckligt lång firms det en risk att kylvätskan överhettas i kyl systemet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINN INGEN 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 nänmda. slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets l kännetecknande del. Ett fordons drivlina sträcker sig fiån forbränningsmotorn till drivhjulen via en koppling och ett antal rörelseöverforande 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 forbinds ett kylsystem med drivlinan. Driften av kylsystemet motverkar drivlinans rörelse så att fordonet brom- sas. Kylsystemet fungerar i detta fall som en tillsatsbroms. Genom att utnyttja ett kylsy- stem som tillsatsbroms kan en stor del av den energi som åtgår for att bromsa fordonet utnyttjas for 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- ratur.

Arrangemanget innefattar väsentligen samrna komponenter som ett konventionellt WHR-systern i ett fordon. Ett konventionellt WHR-system kan producera mekanisk energi från ett arbetsmedium som värms av en värmekâlla 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 dcn temperatur som arbetsmecliet överhettas till i forångaren 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 kondensorn i systemet.

Denna åtgärd tillsammans med en lämplig justering av arbetsmediets mängdi lednings- kretsen resulterar i att arbetsmediet erhåller en lägre kondenseringstemperatur. Det le- 535 680 der till att en större mängd mekanisk energi kan skapas i turbinen vid tillfällen som for- donet erfordrar en extra drivkralt. Arrangemanget kan, exempelvis, ta till vara och lagra bromsenergi då fordonet framförs i nediörsbackar och utnyttja denna energi då fordonet framförs i uppforsbackar. Arrangemang erhåller därmed en högre verkningsgrad än ett konventionellt WHR-system där fordonets bromsenergi inte tas tillvara.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget ett utrymme fór lagring av köldbäraren då den kylts av kylsystemet. Detta utrymme kan med fördel vara värmeiso- lerat for att köldbäraren ska kunna upprätthålla sin låga temperatur. Ju lägre temperatur som köldbäraren har desto elïektivarc 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- densom i ledningskretsen, en köldbärarlcrets som har en sträckning mellan lagringsut- rymmet och värrneväxlare och en pump som är anpassad att aktiveras av styrenheten så att den cirkulerar köldbäraren fiån lagringsutrymmet till värmeväadaren där den kyler arbctsmediet vid tillfällen som fordonet ska bromsas. 1 detta fall leds den kalla köldbära- ren från lagringsutrymmet till en värmeväxlare där den kyler arbetsmediet i ett extra steg. Köldbärarkretsen leder därefter tillbaka köldbäraren till lagringsutrymmet. 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 ledníngskretsen i en posi- tion uppströms förångaren.

Enligt en utiöringsforrn 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 vätskeforrnigt tillstånd till fast till- stånd i lagringsutrymmet då det kyls av kylsystemet. 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. 535 680 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anpassad att motta information från en sensor som avkänner 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 bromsreglage kan vara ett reglage med vilket en förare initierar en automatisk bromsprocess av for- donet så att det erhåller en önskad konstant hastighet i en nedforsbacke. Tunga fordon innefattar vanligtvis en eller flera tillsatsbronisar med vilka fordonets bromsas i nedförs- 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 utforingsforrn av uppfinningen år styrenheten anpassad att motta information från en sensor som avkänner en parameter 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 kondensorn. 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 föredragen utföringsforrn av uppfirmingen innefattar kylsystemet en kompres- sor och att styrenheten är anpassad att förbinda kompressorn med fordonets drivlina vid tillfällen som fordonet ska bromsas. Ett kompressorkyl system 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 forångare. Då kompressom drivs av fordonets drivlina komprirnerar den köldmediet i kylsystemet. Detta arbete motverkar drivlinans rörelse så att fordonet bromsas. Sarntidigt kan köldmediet i förångaren kyla köldbärarcn till en låg temperatur- nivå. Kompressorn kan utgöra en komponent i ett AC-system i fordonet som har ett extra ledningsparti 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. 535 680 Med fordel upptar arbetsmediet vårmeenergi i en forångare från avgaser i en avgasled- ning hos en torbranningsmoton Avgaserna från en forbránningsmotor är en mycket god värmekälla som har en hog temperatur som normalt förloras till omgivningen. Arbets- mediet kan även uppta värmeenergi från avgaser som återcirkiileras i en returledning till forbränningsmotom. Återcirkulerande avgaser kyls normalt i åtminstone en EGR-kylare innan de leds till lörbränningsmotom. I detta fall tillhandahåller de' återcirkrllerande av- gaserna en effektiv kylning samtidigt som en del av de åtcrcirkulerande avgasemas vär- meenergi kan omvandlas till mekanisk energi.

KORT BESIGUVNING AV RITNINGARNA I det foljande beskrivs, såsom exempel, toredragen utforingsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka F ig. 1 visar ett arrangemang for omvandling av värmeenergi till mekanisk energi enligt en forsta utforingsform av uppfinningcn och Fig. 2 visar ett arrangemang for omvandling av värrneenergi till mekanisk energi enligt en andra utforingsforrn av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar ett arrangemang for omvandling av värmeenergi till mekanisk energi i ett schematiskt visat fordon 1 som drivs av en överladdad forbranningsrnotor 2. Fordonet 1 kan vara ett tungt fordon som drivs av en overladdad dieselmotor. Avgaserrra 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 for återvinning av värmeenergi. arrange- manget kan betecknas som ett VVHR-system (Waste Heat Recovery-system) och inne'- fattar en ledningskrets 10 med en pump l l som är anpassad att cirkulera och trycksätta ett arbetsmedium i ledningskretsen 10. Arbetsmediet leds från pumpen ll till en forång- are 12 där det värms av avgaser i avgasledningen 3 i en position nedströms turbinen 4. '35 535 680 Arbetsmediet värms i forångaren 12 till en temperatur så att det forångas och överhet- tas. Det överhettade och gasformiga arbetsmediet leds fiân 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 drivkraft av fordonet 1. Den mekaniska transmissionen 14 kan bestå av ett antal rörelseöverfórande element i form av kuggväx- lar eller liknande så att turbinens 13 rotationsrörelse erhåller en lämplig nedvaxling in- nan den överförs till svänghjulet 6b. Alternativt kan turbinen 13 vara förbunden med ett svänghjul eller liknande mekanisk energilagringsenhet som är forbindhar med fordonets l drivlina. Då svànghjulet förbinds med drivlinan tillhandahåller fordonet 1 en extra drivkraft. Enligt ett ytterligare altemativt kan turbinen 13 driva en generator som om- vandlar den mekaniska energin till elektrisk energi. Den elektriska energin kan lagrasi ett energilager. Den lagrade elektriska energin i energilagret kan vid lämpliga tillfällen utnyttjas for drift av fordonet 1.

Avgasema från en forbränningsmotor 2 är en mycket god vännekälla for 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. Avgaserrra återcirkiileras vanligtvis från en position uppströms turbinen 4 i avgasledningen 3. l detta fall kan de âtercirkulerande avgaserna ha en temperatur av cirka 600 - 700°C. De arbetsmedicr som används i WHR-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- som 15 är i detta fall luftkyld. Kondensorn 15 kan vara anordnad vid en frontyta hos fordonet 1 där arbetsmediet kyls av lufi med omgivningens temperatur. En kylfläkt 16 suger lulten genom kondensom 15. Då det gasformiga arbetsmediet kyls i kondensorn kondenserar det. Det nu vätskcforrniga arbetsmediet leds från kondensom 15 till en värmeväxlare l7. Värmeväxlaren 17 utgör en komponent i ett kylarrangemang som är kapabelt att kyla arbetsmediet efter att det kylts i kondensom 15. Arbetsmediet kyls i värmeväarlaren 17 av en köldbärare som har en lägre temperatur än omgivningens tem- peratur vid tillfallen som fordonet erfordrar en extra drivkraft. Köldbäraren är i detta 535 680 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 frysa. Kylvätskekretsen 18 innefattar en ackurnulatortarilr 20 for lagring av kall kylväts- ka. I de fall som fordonet behöver extra drivkraft, och kall kylvätska finns tillgänglig, behöver även arbetsrnediets mängd i ledningskretsen 10 justeras. ledningskretsen 10 är förbunden med en lagringstank 10a for arbetsmediet som for tillfället inte används i lcd- ningskretsen. Lagringstarrken 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. Arbetsmängden justeras i detta fall sår att ingen eller endast en mindre del av kondensationen sker i kondensom . Arbetsmediet övergår således i vätskefas huvudsakligen i värmeväxlaren 17. Där- med kan kondenseringstemperaturcn sänkas.

Arrangemanget innefattar en del av ett AC-system 21 for kylning av luften i ett hyttut- rymme i fordonet 1. AC-systemet 21 innefattar en kompressor 22 som drivs av forbrän- ningsmotorn 2 med hjälp av en drivrem eller liknande. Kompressom 22 aktiveras med hjälp av en schematiskt visad kopplingsmekanism 22a som upprättar drivbar forbindning mellan kompressor 22 med forbränningsmotorn 2. Då kompressorn 22 är i drift kom- primerar och cirkulerar den ett koldmedium i AC-systemet 21. Köldmediet leds fiån 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~ densom 23 med hjälp av en kylfläkt 24 och fordonets 1 fartvind. Köldmediet kyls ikon- densorn 23 till en temperatur så att det kondenserar. Det vätskeformiga köldmediet leds från kondensom 23 till en trevägsventil 25. Med hjälp av trevägsventilen 25 kan köld- mediet ledas genom två altemativa ledningspartier.

Då trevägsventilen 25 ställs i ett första läge leds köldmediet genom ett forsta lednings- parti som irmefattar en forsta expansionsventil 26 och en forsta forångare 27. Då köld- mediet passerar genom den forsta expansionsventilen 26 tillhandahåller det ett sänkt tryck och en sänkt temperatur. Det kalla köldmediet leds därefier till den forsta fötånga- ren 27 där det kyler lufien i ett hyttutrymme i fordonet 1. Luften forceras genom den forsta forångaren 27 med hjälp av en fläkt 28. Köldmediet värms upp av luften till en temperatur så att det forângas i den forsta forångaren 27. Det gasformiga köldmediet leds sedan åter till kompressorn 22. Då trevägsventilen 25 ställs i ett andra läge leds köldmediet genom ett andra ledningsparti som innefattar en andra expansionsventil 29 535 680 och en andra forångare 30 som är anordnad inuti ackumulatortariken 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 ackumulatortanken 20. Det kalla köldmediet värms upp av kylvätskan i ackumulatortariken 20 så att det förångas i den andra forångaren . Det förångade köldmediet leds därefter åter till kompressorn 22.

Systemet innefattar en styrenhet 31 som är anpassad att styra aktiveringen av pumpen ll 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 äri 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 10c i ledningen 10b, pumpen 19 i kylvätskekret sen 18 och trevägsventilen 25. Styrenheten 31 kan vara en datorenhet med en lämplig programvara för detta ändamål.

Elter start av forbränningsmotom 2 leds avgaser ut genom avgasledningen 3. Så snart som avgasema i avgasledníngen 3 uppnår en lämplig temperatur aktiverar styrenheten 31 pumpen 11 som startar cirkulationen av arbetsmediet ilcdningskretsen 10. Arbets- mediet i förångaren 12 av avgaser i avgasledningen 3 så att de förångas och överhettas. Arbetsmediet överhettas till en temperatur i förângaren 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 överförs, via den mekaniska transmíssionen 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 drifi av fordonet 1.

Mediet leds därefter till kondensom 15 där det kyls av luft med omgivningens tempera- tur. Arbetsmediet kondenserar i kondensom 15 vid en kondenseringstemperatur som är beroende av den omgivande luftens temperatur och flöde genom kondensom 15. Då omgivande luflen har en hög temperatur erhålls en högre kondenseringsternperatur än då den har en lägre temperatur. Styrenheten 31 styr pumpen 10c så att en lämplig mängd arbetsmedium cirkulerasi ledningskretsen 10 vid rådande omständigheter. Den 535 680 effekt som erhålls i turbinen 13 bestäms i grova drag av skillnaden mellan arbetsmediets överhettníngsternperatur då det leds in i turbinen 13 och arbetsmediet konclenserings- temperatur i kondensom 15. I och med att avgasernas temperatur och flöde varierar med rörbränningsmotorns 2 belastning och kondenseringstemperaturen med omgivning- ens temperatur blir turbinens 13 produktion av mekanisk energi tämligen varierande.

Vi tillfällen som styrenheten 31 mottar information som indikerar att föraren har släppt upp gaspedalen 32 stoppar den drifien av pumpen ll i ledningskretsen 10. Därmed till- för arrangemanget inte någon oönskad drivkraft till fordonet I. Om styrenheten 31 sam- tidigt mottar infonnation som indikerar att föraren aktiverat brornsreglaget 33 aktiverar styrenheten 31 kopplingsmekanismen 22a så att den upprättar en drivbar forbindning mellan kompressom 22 och forbränningsmotorn l. Vid tillfällen som fordonet 1 rullar nedför en backe tillför fordonets drivhjul 9 en drivrörelse till drivlinan och därmed till iörbränningsmotorn 2. Kompressorn 22 drivs nu av forbränningsrnotorn 2. Fordonets rörelseenergi nedför backen omvandlads här via drivlinan till dritt av kompressom 22.

Det arbete som kompressom 22 utför då den komprimerar köldmediet i AC-systemet verkar som en brornskrafi som motverkar drivhjulens 9 rörelse. Kompressorn 22 funge- rar i detta fall som en tillsatsbrorns. Om kompressorns 22 bromseflekt inte är tillräcklig for att upprätthålla den önskade hastigheten i nedfórsbacken kan andra tillsatsbrornsar i fordonet aktiveras. Samtidigt som bromsreglaget 33 aktiveras sätter styrenheten 31 trevägsventilen 25 i det andra läget så att âtrninstone en del av köldmediet i AC- systemet 21 leds genom det andra ledningspartiet med den andra expansionsventilen 29 och den andra forångaren 30. Köldmediet som leds genom den andra iörångaren 30 kyler kylvätskan i ackumulatortanken 20 så att den erhåller en låg temperatur som med fördel år avsevärt lägre än den omgivande luftens temperatur. I detta fall utnyttjas såle- des fordonets rörelseenergi nedför backen för att kyla i köldmediet i ackumulatortariken .

Då styrenheten 31 mottar information som indikerar att föraren önskar avsluta den au- tomatiska bromsprooessen eller då kylvätskan har kylts till en tillräckligt låg lagrings- temperaturen i ackumulatortarken sätter styrenheten 31 trevägsvemilen 25 i det första läget. Styrenheten 31 stänger även av kompressom 22 om inte AC-systemet ska vara i drift 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 värmeisolerad så att kylvätskan kan upprätthålla sin låga temperatur i ackumulatortarilcen 30 under en relativt lång tid. 535 680 Så snart som styrenheten 31 mottar information som indikerar att gaspedalen 32 åter tryckts ned önskar föraren tillföra en drivkraft till fordonet l. Styrenheten 31 aktiverar pumpen 11 så att arbetsmedict cirkuleras i ledningskretsen 10. Arrangemanget startar åter processen med att omvandlar värmeenergi i avgasema tili 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 ackurnulatortanken 20 till värmeväxlaren 17 där det kyler arbets- mediet i ledningskretsen 10. Arbetsmediet erhåller nu förutom kylningen i köndensorn en extra kylning av den kalla kylvätskan i värmeväxlaren 17. Styrenheten 31 aktive- rar samtidigt den reversibla pumpen 10c 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 resulterari att kondenseringstemperatur sjunker.

Arbetsmediets mängd i ledningskretsen, 10 justeras till en nivå så att arbetsmediet inte erhåller någon underkylning eller en väsentligen ingen underkylning efter att det kon- denserat i värmeväxlaren 17. Därmed behövs inte någon värmeenergi från avgaserna utnyttjas för att värma upp arbetsmediet till förångningstemperaturen 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 avgasema i avgasledningen en mycket god uppvärmning av arbetsmediet så att det förângas och överhettas till en hög temperatur. Därmed alstrar turbinen 13 mer meka- nisk energi än vad som är fallet då förbränningsmotom 2 har en lägre belastning. Den extra kylningen av arbetsmediet i värmeväxlaren l7 resulterar tillsammans med juster- ingen av arbetsmediets mängdi ledníngskretsen 10 till att kondenseringstemperatur sänks och att turbinen 17 kan alstra en ökad mängd mekanisk energi för drifi: av fordo- net 1._ 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 WI-lR-system. I detta fall utnyttjas en kompressor 22 i ett befintligt AC-system för att bromsa fordonet då det '10 535 680 11 framförs i nedförsbackar. Kompressorn 22 kan därmed behöva ges större kapacitet än en konventionell kompressor i ett AC-system.

Fig. 2 visar en altemativ uttöringsform av arrangemanget, Arrangemanget innefattar även i detta fall en ledningskrets 10 med ett arbetsmedium som cirkuleras av en pump 11. Arbetsmediets mängd i ledningskretsen 10 justeras med hjälp av en reversibel pump l0c som är anordnad i en ledning 10b som förbinder ledningskretsen 10 med en lag- ringstank 10a. Arbetsmediet värms i en förångare 12 av avgaserna i en avgasledning 3 hos en förbränningsmotor 2. Förångaren 12 är anordnad i avgasledningen 3 i en position nedströms en turbin 4 hos ett turboaggregat. Arbetsmediet som förångas i lörångaren 12 leds till en turbin 13. Efter att det gasformiga arbetsrnediet expanderar 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 kylvätskani lågtemperaturkyllcretsen.

Kylvätskan kyls i en luñkyld kylare 35 vid ett frontparti hos fordonet 1 med lufi av om- givningens temperatur som forceras genom kylaren med hjälp av en kylfläkt 36. I detta fall kyls arbctsmediet i kondensom 35 av kylvätska som har en temperatur i närheten av omgivande luñs temperatur. Ledningskretsen 10 innefattar i detta fall en trevâgsventil 37 som är anordnad i en position nedströms kondensorn 15. Då trevägsventilen 37 sätts i ett första läge leder den arbetsrnedíet som kylts i kondensorn 15 till pumpen ll. Då trevägsventilen 37 sätts i ett andra läge leder den arbetsmediet som kylts i kondensorn till ett alternativt ledningsparti 10a som innefattar en värmevàxlare 38 för tre medier.

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

Värmeväxlaren 38 innefattar en andra del 38b som utgör en förångare för köldmediet i ett kylsystem 39 i fordonet 1. Kylsystemet innefattar en kompressor 22 som drivs av förbränningsmotom 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 från kompres- sorn 22 till en kondensor 23 där köldmediet kyls av lufi som med fördel har omgivning- ens temperatur. Lufien sugs genom kondensorn 23 med hjälp av en kylflälrt 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 värmcväxlaren 38b där det förångas. Då köldmediet förångas den andra delen av värmevaxlaren 38b kyler den en köldbärare som är anord- nat i en mellanliggande del 38c av värmevärdaren 38. 535 680 12 Köldbäraren i den mellanliggande delen 38c av värmeväiclaren 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 varmelagringsiöirnåga per vikts- eller volymenhet. Därmed kan den mellanliggande delen 380 av värmeväxlaren göras relativt liten. Efter att köldmedict 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 infomiation från en sensor 32 som avkänner läget hos en gaspedal i fordonet I och från en sensor 33 som avkänner läget hos ett bromsreglage i fordonet 1. Bromsreg- laget är ett reglage med vilket en förare initierar en automatisk bromsprocess av fordo- net i en nedförsbacke.

Under drift av förbränningsmotorn 2 leds avgaser genom avgasledningen 3. Då styren- heten 31 mottar signaler från sensorn 32 som indikerar att gaspedalen är nedtryckt akti- verar den pumpen 11 så att arbetsmediet cirkuleras i ledningskretsen 10 och pumpen 10c så att ledningslcretsen 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 lågtemperaturkylsysternet. 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 vätskeforrniga arbetsmediet leds från kondensom 15, via trevägsventilen 37 och pumpen 11, till förångaren 12. Arbetsmediet värrnsav 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 svänghjulet 6 i fordonets 1 drivlina.

Under detta diiftstillstånd tillför både iörbränningsmotom 2 och arrangemanget en driv- kraft till fordonet 1.

Vi tillfällen som styrenheten 31 mottar information fiån sensom 32 som indikerar att gaspedalen 32 har släpps upp helt stoppar den driflen 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 förbränningsmotom 535 680 13 2. När fordonet 1 rullar nedfor backen överförs ett drivmoment från fordonets drivlina till kompressom 22. Med hjälp av denna energi komprimerar kornpressom 22 köldme- diet i kylsystemet. Kompressoms 22 kompressionsarbete av köldmediet motverkar driv- linans rörelse så att fordonet l bromsas. Kompressorn 22 fungerar som en tillsatsbroms i fordonet 1. Köldmedieti kylsystemet 39 leds via expansionsventilen 29 till den andra dclcn av värmeväxlaren 38b. Då köldmediet forångas i den andra delen av värrneväxla- 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 tördel lägre än den omgivande luftens temperatur.

När styrenheten 31 mottar information från sensom 33 som indikerar att bromsreglagets satts i ett icke bromsande läge stänger styrenheten 31 driften av kompressorn 22 med hjälp av kopplingsmekariismen 22a. Så snart som styrenheten 31 mottar information från sensom 32 som indikerar att gaspedalen 32 åter trycks ned önskar Föraren tillföra drivkraft till fordonet l. Styrenheten 31 aktiverar pumpen l 1 så att arbetsmediet åter cirkulerar i ledningskretsen 10 och pumpen 10c så att IedningskIetSsen 10 förses med en lämplig mängd av arbetsmediet. Arrangemanget startar åter processen med att om- vandlar värmeenergi i avgaserna till mekanisk energi for drift av fordonet l. Om styren- heten 31 mottar information från sensom 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 uppforsbacke. Styrenheten 31 stäl- ler trevägsventilen 37 i det andra läget. Arbetsrnediet som kylts i ett forsta steg i kon- densom 15 leds nu in i det. alternativa ledningspartiet 10a. Arbetsmediet kyls i den fór- sta delen 38a av varmeväxlaren av köldbäraren i den mellanliggande delen 38c av vär- meväxlaren. Arbctsmedict erhåller därmed en extra kylning innan det leds tiHbaka den ordinarie ledningskretsen IO i en position uppströms förångaren 12. En sådan extra kyl- ning av arbetsrnediet med en köldbärare som har en lägre temperatur än omgivande lufi resulterar i att arbetsmediets kondenseringstemperatur 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 fórångaren 12 där det värms av de varma avgaserna så att det iörångas och överhettas. I och med att arbetsmediet i detta fall har en extra låg konden- seringstemperatur kan arbetsmediet tillhandahålla en expansion i turbirrcn 13 vid vilket det alstras extra mycket mekanisk energi for drift av fordonet l. Denna ytterligare öka- de mängd mekanisk energi är relaterad till hur mycket kondenseringstemperaturen 535 580 14 sänks. I detta fall utnyttjas en kompressorn 22 i ett separat kylsystem for att kyla en köldbärare då fordonet l tranfors i en nedförsbacke. Det kylda köldmediet lagras i ett lagringsutrymme 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 fiarnfors i en uppförsbacke.

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

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 535 B80 Patentkrav

1. Arrangemang for att omvandla värmeenergi till mekanisk energi i ett fordon (1), var- vid arrangemanget innefattar en ledningskrets (l O), en pump (1 1) for att cirkulerar ett arbetsmedium i ledningskretsen (10), en förångare (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 det forångade arbetsmediet och alstra mekanisk energi, en forsta kondensor (15) i vilken arbetsmediet är anpassat att kylas så att det kondenserar och ett kylsystem (21, 39) som är forbindbart med en drivlina (2, 5-9) hos fordonet (1), kännetecknat 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 forbinda kylsystemet (21, 39) med fordonets drivlina (2, S-9) så att kylsystemet (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 drivkrafl 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 kondensom (15) innan det leds till forångaren (12).

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

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

4. Arrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en ventil (3 7) som är anordnad i en position nedströms kondensom (15) i ledningskretsen (10) och en extra ledningsslinga (lOa) som har en sträckning mellan ventilen (37) och lag- ringsutrymmet (20), varvid styrenheten (31) är anpassad att ställa ventilen (37) 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 35 535 B80 liv

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat 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 kold- bäraren utgörs av ett material som har egenskapen att det ändrar fas från vätskeformigt tillstånd till fast tillstånd i lagringsutrymmet (380) då det kyls av kylsystemet (39).

7. Arrangemang enligt något av de föregående krav, kännetecknat av att styrenheten (31) är anpassad att motta information från en sensor (33) som avkänner en parameter som är relaterad till läget hos ett bromsreglage i fordonet (1) och att då bromsreglaget 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 (3 2) som avkänner en parameter som är relaterad till läget hos ett gasreglage i fordonet (1) och att då gasreglaget har ett läge som indikerar att fordonet (1) erfordrar en extra drivkraft utnyttja den kylda köld- bäraren för att kyla arbetsmediet i ledningskretsen (10) nedströms kondensom (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- som (22) med fordonets drivlina (2, 5-9) vid tillfällen som fordonet (1) ska bromsas.

10. Arrangemang enligt krav 9, kännetecknat av att kompressorn (22) utgör en kompo- nent i ett AC-system i fordonet (1) som har ett ledningsparti med en extra förångare (30) för kylning av köldbäraren.