SE539490C2 - Energiomvandlingssystem för ett fordon - Google Patents

Abstract

Energiomvandlingssystem (2) för ett fordon, innefattande åtminstone en stirlingmotor (4) som uppvisar en varm sida (6) och en kall sida (8), ettröre|semede| (10) för utmatning av mekanisk energi frän stirlingmotorn (4), envärmemodul (12) anordnad i anslutning till stirlingmotorns varma sida (6) ochanpassad att avge värme (14) till den varma sidan (6) av stirlingmotorn (4) förstirlingmotorns drift, och att nämnda röre|semede| (10) är anpassat att driva engenerator (16) för laddning av ett eller flera batterier (18) i fordonet.Värmemodulen (12) är anpassad att ta emot värme (20, 22), som skall avges tillden varma sidan av stirlingmotorn, frän fordonets avgassystem (24) och fränätminstone en separat värmekälla (26), och är anpassad att växla mellan enförsta driftsmod och en andra driftsmod, där den första driftsmoden föreligger dävärmen (20) frän fordonets avgassystem (24) används och den andra driftsmodenföreligger dä värmen (22) frän den separata värmekällan (26) används.Energiomvandlingssystemet innefattar en styrenhet (30) anpassad att motta eneller flera sensorsignaler (32) indikerande en eller flera driftparametrar förfordonet, och att styra driftsmoden för nämnda värmemodul (12) i beroende avnämnda driftparameter eller driftparametrar. (Figur 1)

Description

TitelEnergiomvandlingssystem för ett fordon Uppfinninqens område Föreliggande uppfinning avser ett energiomvandlingssystem enligt ingressen avdet oberoende patentkravet, och i synnerhet ett energiomvandlingssystem för ett fordon, där systemet innefattar en stirlingmotor.

Bakgrund till ubbfinninden Fordon är idag utrustade med en mängd utrustning som kräver elektricitet för attfungera, till exempel belysning, radio, tv, uppvärmning, mm. Dä fordonet stàr stillaoch motorn inte är igàng, och generatorn därmed inte kan ladda batterierna,innebär detta att utrusningen drivs med elektricitet fràn fordonets batteri, vilket är en nackdel dä batterierna riskerar att laddas ur.

En stirlingmotor är en energieffektiv motor med hög verkningsgrad och som haregenskaper som är lämpliga att användas i synnerhet för fordon med enförbränningsmotor eftersom det finns tillgàng till överskottsvärme i avgaserna fràn förbränningsmotorn som stirlingmotorn kan använda.

I en stirlingmotor finns en sluten cylinder som innehàller en gas, helium eller väte,som växelvis värms och kyls för att driva kolvar i cylindern. I en stirlingmotoranvänds värme som exempelvis producerats i en förbränningskammare separatfràn själva motorn. Värmen omvandlas till energi i motorn via gasen i den slutnacylindern. Det finns även typer av stirlingmotorer som innefattar tvà slutnacylindrar som sammankopplats sä att gasen kan flyta mellan cylindrarna. l\/lera i detalj bygger stirlingmotortekniken pà att tillräckliga tryckskillnaderàstadkommes i den täta cylindern. Tryckskillnaderna uppnàs genom att motornhar tvà primära delar, en varm del och en kall del. Dä den varma delen värms uppexpanderar arbetsgasen och ett tryck bildas i cylindern. När motorns rörliga delarsätts i rörelse förflyttas den varma gasen till motorns kalla del och kyls ned, dä 2 ändras äter igen trycket. Sä länge man kan uppnà tillräckliga temperaturskillnaderfortsätter motorn att gà.

Gasen tvingar kolvarna i motorn att röra sig och producera rörelseenergi. Allt somstirlingmotorn behöver är säledes värme och det spelar ingen roll hur värmenproducerats. Den kan utvinnas ur solsträlning eller komma fràn allt som brinner:olja, diesel, bensin eller gas. En stirlingmotor är flexibel, tyst och vibrationsfri.Stirlingmotorn kan fäs att arbeta med smä temperaturdifferenser, menverkningsgraden ökar ju högre temperaturskillnaden mellan den varma och den kalla sidan är.

I följande patentdokument ges exempel pà användning av en stirlingmotor ifordon.

DE-19745167 visar en Stirlingmotor som är kopplad till en generator för attgenerera värme eller kyla i ett fordon.

US-7181912 visar ett fordon med en förbränningsmotor och en stirlingmotor.Överskottsvärme fràn förbränningsmotorns avgaser utnyttjas av stirlingmotornshögtemperatursida. Stirlingmotorn är anpassad att driva ätminstone en generator ifordonet för laddning av batteri hos fordonet.

US-2013/0019595 avser en regleranordning för en stirlingmotor som utnyttjaravgaserna frän en förbränningsmotor för att värma stirlingmotorns högtemperatursida.

EP-1979601 avser en stirlingmotor som utnyttjar överskottsvärmen hos en förbränningsmotor.

Syftet med föreliggande uppfinning är att minska problemet med att batterierna iett fordon laddas ur i samband med att utrustning används dä fordonet har stängtav förbränningsmotorn som dä inte driver generatorn och som därför inte laddar batterierna. 3 Ett ytterligare syfte är att förbättra laddningen av batterierna även dä förbränningsmotorn är i gäng.

Sammanfattning av uppfinningenOvan nämnda syften àstadkommes med uppfinningen definierad av det oberoende patentkravet.

Föredragna utföringsformer definieras av de beroende patentkraven.

Uppfinningen bygger pà uppfinnarnas insikt att utnyttja den värme som genererasi ett fordons avgassystem dä fordonets förbränningsmotor är i drift och attomvandla den värmen till mekanisk energi genom att utnyttja en stirlingmotor.Genom att anordna en värmemodul som även kan ta emot värme fràn en separatvärmekälla kan energiomvandlingssystemet även användas däförbränningsmotorn inte är i drift. Enligt uppfinningen används stirlingmotorn föratt omvandla värmeenergin till mekanisk energi som används för att driva en generator som i sin tur laddar batterierna, även för att driva andra aggregat.

Kort ritningsbeskrivningFigur 1 visar ett blockschema som schematiskt illustrerar föreliggande uppfinning.

Detalierad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningenUppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till den bifogade figuren.

Uppfinningen avser ett energiomvandlingssystem 2 för ett fordon, t.ex. en lastbil,en buss, eller en personbil, där energiomvandlingssystemet innefattar ätminstoneen stirlingmotor 4 som uppvisar en varm sida 6 och en kall sida 8. Systemet 2innefattar vidare ett rörelsemedel 10, till exempel en roterande axel eller en stängsom uppvisar längsgàende rörelser, för utmatning av mekanisk energi frànstirlingmotorn 4 och en värmemodul 12 anordnad i anslutning till stirlingmotorns varma sida 6 och anpassad att avge värme 14 till den varma sidan 6 av 4 Stirlingmotorn 4 för stirlingmotorns drift. För en närmare beskrivning av enstirlingmotors generella funktion hänvisas till allmänt tillgängliga tekniskabeskrivningar, och till de patentdokument som hänvisats till ovan.

Fïörelsemedlet 10 är anpassat att driva en generator 16 för laddning av ett eller flera batterier 18 i fordonet.

Värmemodulen 12 är anpassad att ta emot värme 20, 22 som skall avges till denvarma sidan av stirlingmotorn fràn fordonets avgassystem 24 och fràn àtminstoneen separat värmekälla 26. I figur 1 visas värmen 14, 20, 22 schematiskt med blockpilar.

Värmemodulen 12 är anpassad att växla mellan en första driftsmod och en andradriftsmod, där den första driftsmoden föreligger dä värmen 20 fràn fordonetsavgassystem 24 används och den andra driftsmoden föreligger dä värmen 22 frànden separata värmekällan 26 används.

Energiomvandlingssystemet innefattar vidare en styrenhet 30 anpassad att mottaen eller flera sensorsignaler 32 indikerande en eller flera driftparametrar förfordonet, och att styra driftsmoden för nämnda värmemodul 12 i beroende av nämnda driftparameter eller driftparametrar.

Enligt en utföringsform är styrenheten 30 anpassad att generera en styrsignal 28 iberoende av nämnda driftparameter eller driftparametrar och att pàföravärmemodulen nämnda styrsignal 28 för styrning av driftsmoden.

En driftparameter anger företrädesvis om fordonets förbränningsmotor är i driftoch en annan driftparameter anger temperaturen för avgaserna fràn fordonetsförbränningsmotor. Den första driftsmoden aktiveras dä om avgasernastemperatur överstiger ett förutbestämt tröskelvärde för temperaturen.Temperaturen pà avgaserna fràn förbränningsmotorn i ett fordon kan ibland varasä hög som 750 °C. Tröskelvärdet för aktivering av den första driftsmoden väljs i beroende av ett antal kriterier. Bland annat väljs det till ett värde pà temperaturen 5 som säkerställer att den första driftsmoden används dä förbränningsmotorn arbetar normalt.

Avgasernas temperatur bör ligga över tröskelvärdet under en förutbestämd tidinnan den första driftsmoden aktiveras. Denna tid kan vara i storleksordningen ettantal minuter. Det som pàverkar den förutbestämda tiden är bland annat att dettar en viss tid för värmen att överföras fràn avgaserna via värmemodulen till sterlingmotorns varma sida.

Enligt en annan utföringsform aktiveras den andra driftsmoden om avgasernastemperatur understiger nämnda förutbestämda tröskelvärde. Även i detta fall börtemperaturen ligga under tröskelvärdet en viss tid innan den andra driftsmodenaktiveras. Aktiveringen sker genom att styrenheten 30 generarar en andrastyrsignal 38 som päförs och aktiverar den separata värmekällan 26.

Den separata värmekällan 26 utgörs, enligt en utföringsform av enförbränningskammare för förbränning av ett bränsle, som kan vara flytande,exempelvis gas, diesel eller bensin, eller fast, exempelvis pellets eller flis.

Fïörelsemedlet 10 är, enligt en ytterligare utföringsform, anpassat att driva enbränslepump 34 anpassat att pumpa bränslet till förbränningskammaren. l figurenhar denna utföringsform streckmarkerats.

Och, enligt ännu en utföringsform är nämnda rörelsemedel 10 anpassat att drivaen vätskepump 36 för kylvätskan i fordonet.

Energiomvandlingssystemet kan, enligt en variant, användas i samband med ettuppvärmningssystem för fordonet. Uppvärmningssystemet är dä uppbyggt runt,och sammanbyggd med, en stirlingmotor som är anpassad att driva en generator,och företrädesvis en bränslepump och en vätskepump.

Alternativt är energiomvandlingssystemet med stirlingmotorn ett fristäende system som till exempel kan användas som ett tillsatsaggregat till befintlig värmare.

Driften av Stirlingmotorn 4 styrs väsentligen av styrenheten 30 enligt enuppsättning förutbestämda styrregler. Styren heten 30 är anpassad att genereraen tredje styrsignal 40, innehällande nödvändiga styrinstruktioner, i beroende avdessa styrregler för att styra driften av stirlingmotorn 4. Styrreglerna tar blandannat hänsyn till temperaturerna för stirlingmotorns varma och kalla sida,frekvensen för den mekaniska rörelsen som matas ut fràn utmatningsmedlet,exempelvis i form av rotationshastigheten för en utgäende axel. Den tredjestyrsignalen 40 aktiverar även en startanordning för stirlingmotorn som startarmotorn när uppställda förutsättningar är uppfyllda.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan-beskrivna föredragnautföringsformer. Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas.Utföringsformerna ovan skall därför inte betraktas som begränsandeuppfinningens skyddsomfäng vilket definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (3)

1. Energiomvandlingssystem (2) för ett fordon, innefattande åtminstoneen stirlingmotor (4) som uppvisar en varm sida (6) och en kall sida (8), ettrörelsemedel (10) för utmatning av mekanisk energi från stirlingmotorn (4), envärmemodui (12) anordnad i anslutning till stirlingmotorns varma sida (6) ochanpassad att avge värme (14) till den varma sidan (6) av stirlingmotorn (4) förstirlingmotorns drift, och att nämnda rörelsemedel (10) är anpassat att drivaantingen en generator (16) för laddning av ett eller flera batterier (18) i fordonet,en bränslepump (34) anpassat att pumpa nämnda bränsle tillförbränninqskammaren eller en vätskepump (36) för kylvätskan i fordonet, k ä n n e t e c k n at a v att värmemodulen (12) är anpassad att ta emot värme(20, 22), som skall avges till den varma sidan av stirlingmotorn, från fordonetsavgassystem (24) och från åtminstone en separat värmekälla (26), och äranpassad att växla mellan en första driftsmod och en andra driftsmod, där denförsta driftsmoden föreligger då värmen (20) från fordonets avgassystem (24)används och den andra driftsmoden föreligger då värmen (22) från den separatavärmekällan (26) används, och att energiomvandlingssystemet innefattar enstyrenhet (30) anpassad att motta en eller flera sensorsignaler (32) indikerandeen eller flera driftsparametrar för fordonet, och att styra driftsmoden för nämndavärmemodui (12) i beroende av nämnda driftparameter eller driftsparametrar, varvid en driftsparameter anqer om fordonets förbränninqsmotor är i drift.

2. Energiomvandlingssystemet enligt krav 1, varvid, styrenheten(30) äranpassad att generera en styrsignal (28) i beroende av nämnda driftparameter eller driftsparametrar och att påföra värmemodulen nämnda styrsignal (28) för styrning av driftsmoden. 4

3. Energiomvandlingssystemet enligt något av kraven 1-23, varvid en driftsparameter anger temperaturen för avgaserna från fordonets 8 förbränningsmotor, och att den första driftsmoden aktiveras om avgasernas temperatur överstiger ett förutbestämt tröskelvärde för temperaturen. | gå. Energiomvandlingssystemet enligt något av kravï-Q 4, varvid5 nämnda andra driftsmod aktiveras om avgasernas temperatur understigernämnda förutbestämda tröskelvärde, genom att nämnda styrenhet (30)| generagrar en andra styrsignal (38) som påförs och aktiverar nämnda separatavärmekälla (26). 10 | Qê. Energiomvandlingssystemet enligt något av kraven 1-55, varvidnämnda separata värmekälla (26) utgörs av en förbränningskammare för förbränning av ett bränsle. Qfi. Energiomvandlingssystemet enligt något av kraven 1-58, varvid nämnda styrenhet (30) är anpassad att styra driften av stirlingmotorn (4) enligt enuppsättning förutbestämda styrregler och att generera en tredje styrsignal (40) i25 beroende av dessa styrregler för att styra driften av stirlingmotorn (4).