SE521119C2 - Sätt och generator för reducering av emissioner från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

25 30 35 521 119 En annan värmegenerator för motorfordon är känd ge- nom US-A-5 573 184, enligt vilken en viskös vätska värmes medelst en av fordonets motor driven rotor och i sin tur värmer motorns kylvätska. Även denna på friktionsvärme baserade värmegenerator har en otillfredsställande verk- ningsgrad och är nödvändigtvis relativt skrymmande.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en värmegenerator, som möjliggör en effek- tivare reducering av emissionerna från en förbränningsmo- tor genom förkortning av dennas uppvärmningstid till en önskad arbetstemperatur.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen medelst en värmegenerator för en vätskekyld förbränningsmotor, vil- ken värmegenerator har de särdrag som framgår av efter- följande patentkrav l. Föredragna utföringsformer av vär- megeneratorn framgår av de osjälvständiga patentkraven.

Enligt uppfinningen är således en värmegenerator åstadkommen, vilken innefattar en av förbränningsmotorn driven rotor och en stator, i vilken rotorn vid sin rota- tion inducerar elektriska strömmar som alstrar värme för värmning av motorns kylvätska. Närmare bestämt utmärkes värmegeneratorn av att rotorn består av ett magnetiskt mjukt material och uppbär ett flertal permanentmagneter, vilka alstrar rotorns magnetiseringsfält, att statorn in- nefattar en ring av elektriskt ledande, företrädesvis omagnetiskt material, vilken ring är så anordnad utmed rotorns periferi att den genomgås av rotorns magnetise- ringsfält, samt att en likaledes utmed rotorns periferi utsträckt kammare, som statorn åtminstone utgör del av, medger cirkulering av förbränningsmotorns kylvätska för upptagande av den i statorringen alstrade värmen, när ro- torn drives att rotera.

I en föredragen utföringsform innefattar rotorn en axel och två på denna fast och axiellt åtskilt monterade skivor av magnetiskt mjukt material. Var och en av perma- nentmagneterna är härvid fast förbunden med endera av skivornas mot varandra vända ytor, så att permanentmagne- liššïš-Üli-Z-fš 'l.2:1!'l. 10 15 20 25 30 35 521 119 3 terna är lika fördelade såväl mellan ytorna som på varde- ra av dessa. Slutligen är statorringen anordnad mellan de två rotorskivorna och dessas permanentmagneter.

Permanentmagneterna pà vardera rotorskivan är vidare lämpligen anordnade att alstra axiella magnetfält (be- traktat omedelbart invid permanentmagneterna) i motsatta riktningar räknat fràn en permanentmagnet till den nästa i omkretsled runt rotorn.

Statorringen kan utgöras av två ringformiga, axiellt åtskilda skivor av elektriskt ledande och företrädesvis omagnetiskt material, vilka är fast förbundna med var- andra och mellan sig bildar kammaren för cirkulering av förbränningsmotorns kylvätska.

Ett hus omsluter rotorn, och statorringen är fast monterad i detta, exempelvis genom att statorringens två skivor är inspända mellan två axiellt åtskilda delar av huset.

Emissionerna från en vätskekyld förbränningsmotor kan således reduceras genom att förbränningsmotorns kyl- vätska värmes medelst en av förbränningsmotorn driven värmegenerator så länge förbränningsmotorns arbetstempe- ratur understiger ett förutbestämt värde.

Kylvätskan ledes då genom värmegeneratorn och före- trädesvis inkopplas eller frånkopplas förbränningsmotorns drivning i beroende av om motorns arbetstemperatur under- stiger det förutbestämda värdet eller ej.

En utföringsform av en värmegenerator enligt uppfin- ningen skall beskrivas närmare i det följande under hän- visning till medföljande ritningar.

Fig 1 är en sidovy, delvis uppskuren, av en utfö- ringsform av en värmegenerator enligt uppfinningen.

Fig 2 är en frontvy av värmegeneratorn i fig l.

Fig 3 är en schematisk bild över ett värmesystem i ett fordon, vilket system utnyttjar en värmegenerator en- ligt uppfinningen.

Den i fig 1 och 2 àskàdliggjorda värmegeneratorn har På axeln l en axel l, som är lagrad roterbar i ett hus 2. 'l.%š9'3-=3'/I-2=~í l2zf-íl g:“~_g>¿:t“-_bs\a:::;\.u29&3íIlï-fLdcc 10 15 20 25 30 521 119 4 är en rotor 3 fast monterad och i huset 2 är en stator 4 fast monterad.

Axeln 1 är avsedd att drivas av en förbränningsmotor i en bil, så att axeln 1 och rotorn 3 roterar tillsammans relativt det fasta huset 2 och den i detta fast monterade statorn 4.

Rotorn 3 är utformad med tvà radiellt utsträckta skivor 5 och 6, vilka är utförda i ett stycke med var sitt nav 7 respektive 8, som är påskjutbara på axeln 1 och kan låsas mot vridning relativt denna. På vardera skivan 5, 6 är ett flertal permanentmagneter 9 respektive 10 monterade och detta närmare bestämt axiellt vid de mot varandra vänd sidorna hos respektive skiva 5, 6.

Permanentmagneterna 9, 10 kan på vardera skivan 5, 6 utgöras av fysiskt separata enheter eller utgöras av en enda magnetring på vardera skivan 5, 6. Vardera magnet- ringen är då lämpligen magnetiserad som ett flertal i om- kretsled anordnade magneter med axiella magnetfält i mot- satta riktningar räknat från en permanentmagnet till den nästa i omkretsled runt respektive skiva 5, 6 hos rotorn 1.

Statorn 4 består enligt fig 1 och 2 av två ringar 11 och 12, trädesvis omagnetiskt material, exempelvis aluminium. som är utförda i ett elektriskt ledande och före- Ringen 11 är plan medan ringen 12 har en yttre fläns 13 och en inre fläns 14, vardera med en ansats för hopkopp- ling på förutbestämt avstånd med ringen 12 under tätning medelst en O-ring 15.

Ringarna 11, 12 bildar tillsammans en central, radi- ellt utåtskjutande kam 16 liksom en central kammare 17 inuti statorn 4. Såsom visat i fig 1 och 2 har denna kam- mare 17 ett inlopp 18 och ett utlopp 19 samt en ej visad skiljevägg mellan inloppet 18 och utloppet 19, så att en väsentligen cirkulär kanal med rektangulärt tvärsnitt er- hàlles mellan inloppet 18 och utloppet 19.

Huset 2 består av två skålformiga sköldar 20 och 21, vilka vardera har fästöron 22 för fixering av sköldarna 'lëïíäâ-*ÄLÉ-Z 12 : 1, 10 15 20 25 30 521 119 5 inbördes med statorn 4 belägen däremellan. I vardera skölden 20, Det av varje permanentmagnet 9 i fig 1 och 2 upprät- 21 finns vidare ett lager 23 för axeln 1. tade magnetfältet och det därav alstrade magnetflödet är slutet via rotorskivan 5, statorskivan 11 och vardera av de två intilliggande permanentmagneterna 9. Motsvarande gäller för permanentmagneterna lO i fig 1 och 2.

När rotorn 3 bringas att rotera, ändras således mag- netfälten i statorn 4, vilket inducerar strömmar i denna i form av kortslutningsströmmar, som söker motverka mag- netfältsändringarna. Till följd av dessa strömmar alstras värme i statorn 4, vilken värme överföres till den väts- ka, företrädesvis vatten, som cirkulerar genom kanalen 17.

Genom den uppfinningsenliga utformningen med en per- manentmagnetiserad rotor och en direkt anslutande stator av elektriskt ledande, fås en mycket effektiv omvandling av rotorn 3 tillförd företrädesvis omagnetiskt material mekanisk energi till värmeenergi hos den genom kanalen 17 cirkulerade vätskan.

Alternativt skulle en värmegenerator enligt uppfin- ningen kunna innefatta en rotor i form av en cylindrisk ring, som är lagrad för rotation på en axel och består av mjukmagnetiskt material. Permanentmagneterna är då fästa på ringens utsida. Dessa permanentmagneter är vidare mag- netiserade att alstra radiella magnetfält med alterneran- de polaritet från en magnet till den nästa räknat i om- kretsled.

I denna alternativa utföringsform är vidare en lika- ledes cylindrisk stator av elektriskt ledande, företrä- desvis omagnetiskt material anordnad att omsluta rotorn och permanentmagneterna på denna. Värmegeneratorn har vi- dare ett hus, som tillsammans med statorn bildar en kam- mare, vilken omsluter en huvuddel av statorn. Kammaren har ett inlopp och ett utlopp för att medge cirkulering av en vätska därigenom. llfššëfš-Gêï-låfà 12 : f-í 1. f; : \{_.*-«=: . <í<><_: lO 15 20 25 30 35 m en, 521 119 6 Genom utnyttjande av moderna keramiska permanentmag- neter med hög remanens, dvs åtminstone ungefär 1 T, och en hög koercitiv fältstyrka, dvs magnetiskt hårda materi- al, kan en värmegenerator enligt fig 1 och 2 med en dia- meter av ungefär 14 cm och en axiell längd av ungefär 5 cm vid ett varvtal av storleksordningen 2500 r/min alstra en värmeeffekt av storleken 12 kW, vilket innebär att vatten, som cirkuleras genom värmegeneratorn, kan värmas från 20°C till 95°C med en hastighet av över 2 li- ter/minut.

Enligt uppfinningen kan vidare permanentmagneterna bestå av ett material med ett remanensvärde, vilket är temperaturberoende på så sätt att det minskar kraftigt vid temperaturer över en viss förutbestämd temperatur, t ex ungefär 95°C, och återfår sitt höga remanensvärde så snart temperaturen sjunker under denna temperatur. Rema- nensvariationen måste således vara reversibel. Med ett sådant material kommer värmegeneratorns uteffekt att kun- na vara i det närmaste självanpassande till den erforder- liga effekten för uppnående och upprätthållande av önskad arbetstemperatur i förbränningsmotorn. Remanensvariatio- nen skulle med andra ord kunna utnyttjas i stället för eller som komplement till magnetkopplingen.

Som en ytterligare modifiering kan statorn bestå av ett så kallat PTC-material, dvs ett material vars resi- stans har en positiv temperaturkoefficient med sådan va- riation, att resistansen ökar brant inom ett visst tempe- raturintervall, t ex med början vid ungefär 95°C. Resul- tatet av en sådan resistansändring i värmegeneratorns stator blir en kraftig minskning av kortslutningströmmar- na i statorn och därmed en kraftig minskning av värmege- neratorns uteffekt. Denna resistansvariation skulle gi- vetvis kunna utnyttjas på samma sätt som ovannämnda rema- nensvariation.

Såsom visat med streckade linjer i fig 1 kan en vär- megenerator enligt uppfinningen inkopplas och urkopplas medelst en termostatstyrd magnetkoppling 24 i en sådan 1999-02-25: 'llàzf-il -" 10 15 20 521 119 cirkulationsslinga 25 för vatten genom en förbränningsmo- torn 26 som är visad i fig 3. I fig 3 visas, utöver en värmegenerator 27 enligt uppfinningen, även en värmeväx- lare 28 för uppvärmning av kupéluften, en cirkulations- pump 29 och en temperaturstyrd ventil 30.

Vid start av motorn uppnås därmed en snabbare höj- ning av motortemperaturen, vilket ger fördelar såväl ge- nom sammanlagt mindre utsläpp av oönskade avgaser eller emissioner som genom en totalt mindre bränsleförbrukning.

När väl önskad arbetstemperatur är uppnådd i förbrän- ningsmotorn 26, bringas värmegeneratorns 27 uteffekt att upphöra genom att värmegeneratorn 27 frånkopplas från förbränningsmotorn, företrädesvis medelst den termostat- styrda magnetkopplingen 24, eller åtminstone kraftigt minska genom remanensändring hos permanentmagneterna 9, 10 och/eller resistansändring hos statorn 4.

Flera modifieringar av ovan beskrivna utföringsfor- mer är möjliga inom uppfinningens ram, såsom definierad av de efterföljande patentkraven. Det är således tänkbart att utnyttja värmegeneratorn såväl till uppvärmning av förbränningsmotorn som till uppvärmning av fordonskupén.

För det sistnämnda kan den temperaturstyrda ventilen 30 utnyttjas. w .Û __,_._» .\,-~.f_\\-«»,,» _. _" u* * rr\f_x'lst.~\ll¿låsfl.ilI>fi.;ÅC-\.

Claims (10)

1. 0 15 20 25 30 35 521 119 8 PATENTKRAV l.Värmegenerator för reducering av emissioner från en vätskekyld förbränningsmotor, k ä n n e t e c k n a d av (3), vilken består av ett magnetiskt mjukt material och uppbär ett 10), en av förbränningsmotorn driven rotor flertal permanentmagneter (9, som alstrar rotorns magnetiseringsfält, (4), (ll,l2) av elektriskt ledande, företrädesvis omagnetiskt material, en stator vilken innefattar en ring vilken ring år så anordnad utmed rotorns periferi att den genomgàs av rotorns magnetiseringsfält, vilket inducerar elektriska strömmar som alstrar värme i statorringen, samt en likaledes utmed rotorns periferi utsträckt (17), vilken medger cirkulering av förbränningsmotorns kammare av vilken statorn åtminstone utgör del och kylvätska för upptagande av den värme som alstras i statorringen, när rotorn drives att rotera.

2. Värmegenerator enligt kravet l, k ä n n e - t e c k n a d av att rotorn (3) innefattar en axel (l) och en på denna fast monterad skiva (5) av'magnetiskt mjukt material, att permanentmagneterna (9) är fast förbundna med skivan axiellt vid sidan av denna, samt att (ll) permanentmagneterna på axiellt motsatt sida till rotor- statorringen är anordnad vid sidan av skivan.

3. Värmegenerator enligt kravet 2, k ä n n e - t e c k n a d av att permanentmagneterna (9) är anordnade att alstra axiella magnetfält i motsatta riktningar räknat från en permanentmagnet till den nästa i omkretsled runt rotorn (3).

4. Värmegenerator enligt kravet l, k ä n n e - t e c k n a d av att rotorn (3) innefattar en axel (1) och två på denna fast och axiellt àtskilt monterade ski- vor (5, 6) am magnetiskt mjukt material, att permanent- 10 15 20 25 30 521 119 9 magneterna (9, 10) är fast förbundna med endera av ski- vornas mot varandra vända ytor, (11, 12) sas permanentmagneter (9, samt att statorringen är anordnad mellan de två rotorskivorna och des- 10).

5. Värmegenerator enligt kravet 4, k ä n n e - t e c k n a d av att permanentmagneterna (9, 10) på var- dera rotorskivan (5, 6) är anordnade att alstra axiella magnetfält i motsatta riktningar räknat från en perma- nentmagnet till den nästa i omkretsled runt rotorn (3).

6. Värmegenerator enligt kravet 4 eller 5, k ä n - (11, 12) tar två ringformiga, äxiellt åtskilda skivor (11, 12), n e t e c k n a d av att statorringen innefat- vilka är förbundna med varandra och mellan sig bildar (17).

7. Värmegenerator enligt kravet 6, k ä n n e - axel (1) vilket omsluter rotorn och i vilket stator- kammaren t e c k n a d av att rotorns (3) ett hus (2), ringen (4) är lagrad i är fast monterad.

8. Värmegenerator enligt kravet 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a d av att statorringens två skivor (11, 12) är inspända mellan två axiellt åtskilda delar (20, 21) (2).

9. Värmegenerator enligt något av kraven 1-8,~ av huset k ä n n e t e c k n a d (9, 10) turberoende och minskar över en förutbestämd temperatur. av att permanentmagneterna består av ett material, vars remanens är tempera-

10. Värmegenerator enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d av att statorn (4) består av ett PTC-material, dvs ett material vars resistans har en positiv temperaturkoefficient. Q