AT502322A2

AT502322A2 - Kühlsystem

Info

Publication number: AT502322A2
Application number: AT0180506A
Authority: AT
Inventors: Michael Dr Hirschler
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2007-02-15
Also published as: AT502322B1; AT502322A3

Description

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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur bedarfsabhängigen Kühlung einer Brennkraftmaschine. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur bedarfsabhängigen Kühlung einer Brennkraftmaschine.
Es ist bekannt, dass in der bedarfsabhängig geregelten Motorkühlung ein hohes Potenzial zur Absenkung des Kraftstoffverbrauches durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine vorhanden ist. Um dieses Potenzial zu nutzen, wird in der Zeitschrift MTZ 3/2005, Jahrgang 66, Seiten 184 bis 191 in dem Artikel "Bedarfsabhängig geregelte Motorkühlung", Gerald Eitler et al. ein Kühlsystem mit Flüssigkeitskühlung und einer elektrisch angetriebenen Wasserpumpe und einem Flüssigkeitskühler vorgeschlagen, wobei für eine schnelle Aufheizung des Motors die Motorkühlung bei laufendem Motor gänzlich abgeschalten werden kann.

Zur Detektion der Motortemperatur wurden Temperatursensoren im Bereich der Zylinderkopfdichtung verwendet. Nachteilig ist allerdings, dass nur die Wasserzirkulation gestoppt werden kann, das System an sich allerdings eine hohe thermische Trägheit aufweist.
Eine namhafte Senkung des Treibstoffverbrauches lässt sich allerdings nur erzielen, wenn der Kühlkreislauf völlig abgeschalten und die thermische Trägheit minimiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Kraftstoffverbrauch durch Verbesserung des Kühlsystems wesentlich zu reduzieren.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine mit zumindest einem keramischen Wärmespeicherelement über zumindest einen ersten Wärmeleiter verbindbar ist, wobei vorzugsweise im ersten Wärmeleiter eine thermische erste Schalteinrichtung angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es,

wenn das keramische Wärmespeicherelement mit einem Wärmetauscher thermisch verbindbar ist, wobei vorzugsweise in einem zweiten Wärmeleiter zwischen dem keramischen Wärmespeicherelement und dem Wärmetauscher eine thermische zweite Schalteinrichtung angeordnet ist.
Durch Verwendung von Keramik als Speichermedium für thermische Energie kann diese über metallische Wärmeleiter aus der Brennkraftmaschine geführt werden, wobei das Wärmespeicherelement über die Schalteinrichtungen von der Brennkraftmaschine und vom Wärmetauscher abtrennbar sind, so dass die Zuund Abschaltung ohne Verzögerung wirksam wird.

Da Keramik ein hohes thermisches Energiespeichervermögen - bezogen auf das Volumen - aufweist, kann sie auch wesentlich besser als herkömmliche Speicherelemente gegenüber der Umgebung isoliert werden.
Werden sowohl die Verbindungen zur Brennkraftmaschine, als auch zum Wärmetauscher getrennt, kann die Motorwärme sehr lang gespeichert werden und die Brennkraftmaschine dadurch auch schnell wieder erwärmt werden.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorsehen sein, dass das keramische Wärmespeicherelement pyroelektrische Keramik oder PTC-Keramik enthält.

Bei Verwendung von PTC-Keramik kann die Brennkraftmaschine durch elektrische Energie erwärmt werden, bei Verwendung von pyroelektrischer Keramik kann aus dem Wärmespeicher elektrische Energie gewonnen werden.
Keramik speichert pro Volumseinheit sehr viel mehr Wärme als Wasser, durch die geringe thermische Leitfähigkeit ist sie jedoch normalerweise kein geeignetes Medium, wenn Wärme schnell zu- oder abgeführt werden soll. Dies ändert sich jedoch, wenn die Keramik nicht mehr als monolithischer Block aufgeheizt wird, sondern in vielen dünnen Schichten, in die die Wärme durch metallische Zwischenlagen eingebracht wird.

Solche Mehrlagen-Aufbauten aus abwechselnd metallischen und keramischen Schichten werden zur Speicherung von elektrischer Energie für Keramikkondensatoren bereits kommerziell verwendet.
Der Aufbau eines keramischen Wärmespeicherelementes wird durch VielschichtTechnologie, wie sie unter anderem zur Herstellung von Keramikkondensatoren verwendet wird, realisiert. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das keramische Wärmespeicherelement aus einer Abfolge von keramischen und metallischen und/oder metallhaltigen Schichten aufgebaut sind, wobei eine erste Gruppe von metallischen und metallhaltigen Schichten durch eine erste Sammelthermode miteinander verbunden sind, welche mit dem ersten Wärmeleiter thermisch verbunden ist.

Eine einfache Verbindung mit einem Wärmetauscher ist möglich, wenn eine zweite Gruppe von metallischen und metallhaltigen Schichten durch eine zweite Sammelthermode miteinander verbunden sind, welche mit dem zweiten Wärmeleiter thermisch verbunden ist. Der Begriff "Thermode" wird in diesem Zusammenhang für den thermischen Anschluss des Wärmespeicherelementes verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Kühlsystems mit einem keramischen Wärmespeicherelement in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 die Schaltung eines keramischen Wärmespeicherelementes in einer zwei ten Ausführungsvariante und Fig. 3 die Schaltung eines keramischen Wärmespeicherelementes in einer dritten Ausführungsvariante.
Fig. 1 zeigt ein Kühlsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 2.

Das Kühlsystem 1 weist ein keramisches Wärmespeicherelement 3 auf, welches thermisch über einen metallischen Wärmeleiter 4 mit der Brennkraftmaschine 2 verbunden ist. Im ersten Wärmeleiter 4 ist eine erste Schalteinrichtung 5 angeordnet, über welche das keramische Wärmespeicherelement 3 zu- oder weggeschaltet werden kann. Das keramische Wärmespeicherelement besteht in dem Ausführungsbeispiel aus pyroelektrischer Keramik, wodurch eine nutzbare Spannungsquelle 6 entsteht. Mit U ist die abgegriffene Spannung bezeichnet. Das keramische Wärmespeicherelement 3 ist weiters über einen metallischen zweiten Wärmeleiter 7, in welchem eine zweite Schalteinrichtung 8 angeordnet ist, mit einem Wärmetauscher 9 verbunden. Über die zweite Schalteinrichtung 8 kann die keramische Kühleinrichtung 8 wahlweise mit dem Wärmetauscher 9 verbunden oder weggeschaltet werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das keramische Wärmespeicherelement zwei Sammelthermoden 3a, 3b auf, welche mit jeweils einer Gruppe A, B von dünnen metallhaltigen Schichten des Wärmespeicherelementes 3 verbunden sind. Das Wärmespeicherelement 3 besteht aus vielen dünnen Keramikschichten 11, in die die Wärme durch metallische Schichten 10a, 10b eingebracht wird. Die metallischen Schichten 10a, 10b sind metallisch direkt mit dem ersten, bzw. zweiten Wärmeleiter 4, 7 verbunden.
Durch die Schalteinrichtungen 5, 8 kann das keramische Wärmespeicherelement 3 gleichsam einer elektrischen Leitung geschaltet werden. Es ist also möglich, die Brenn kraftmaschine aufzuheizen, ohne sofort ein Kühlmedium miterwärmen zu müssen.

Andererseits ist es aber auch möglich, das keramische Wärmespeicherelement 3 schneller zu erwärmen, indem die Verbindung mit dem Wärmetauscher 9 unterbrochen wird. Werden sowohl erste als auch zweite Schalteinrichtung 5, 8 getrennt, und ist das keramische Wärmespeicherelement 3 gut isoliert, kann die Wärme über relativ lange Zeit, beispielsweise über Nacht, gespeichert und vor dem nächsten Start zur Erwärmung der Brennkraftmaschine benützt werden.

Da durch die metallischen Schichten 10a, 10b die Wärme sehr schnell gleichmässig verteilt wird, ist keine Wasserpumpe notwendig.
Zusatznutzen kann noch durch die Art der verwendeten Keramik erzielt werden:
Mit PTC-Keramik, wie sie beispielsweise für Heizregister in Luft- und Dieselheizungen verwendet wird, kann das keramischen Wärmespeicherelement durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung U auf Betriebstemperatur erwärmt werden. Bei Verwendung von pyroelektrischer Keramik wird die Abwärme zu 5% bis 10% in elektrische Energie umgewandelt, die in die Batterie einge speist werden kann. In diesem Falle sind Lagen von metallischen Schichten 10a, 10b mit gleichem elektrischen Potenzial miteinander verbunden.
Der Aufbau von keramischen Vielschicht-Bauteilen kann durch Herstellung von Folien aus Keramik erfolgen, auf die im Siebdruck- oder einem anderen Verfahren (z.B.

Offset-Druck) die metallischen, bzw. metallhaltigen Schichten aufgebracht werden. Alternativ können auch sowohl keramische, als auch metallhaltige Schichten im Siebdruckverfahren abwechselnd aufgetragen werden. Für diesen Aufbau ist auch eine direkte Verwendung von Metallfolien möglich. Die Folien werden danach verpresst, die einzelnen Bauteile herausgestanzt oder gesägt, die Keramik versintert und die Innenelektroden bildenden metallischen Schichten mit einer Aussenelektrode verbunden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung eines keramischen Wärmespeicherelementes 3 sind die metallischen Schichten 10a nur zu einer einzigen Thermode 3a zusammengefasst.

Die Zu- und Ableitung der Wärme erfolgt in diesem Falle über die gleiche Thermode 3a, welche sowohl mit dem ersten metallischen Wärmeleiter 4 als auch mit dem zweiten metallischen Wärmeleiter 7 verbunden ist, welche über nicht weiter dargestellte Schalteinrichtungen zur Brennkraftmaschine 2, bzw. zum Wärmetauscher 9 führen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, wobei das keramische Wärmespeicherelement 3 zwei Thermoden 3a, 3b aufweist. Die erste Thermode 3a ist dabei mit dem ersten metallischen Wärmeleiter 4 verbunden, die zweite Thermode 3b ist in direktem Kontakt mit dem Wärmetauscher 9.
Durch die Verwendung von metallischen Wärmeleitern und dem keramischen Wärmespeicherelement 3 kann Wasser als Zwischenspeichermedium im Kühlkreislauf entfallen.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E

1. Kühlsystem (1) zur bedarfsabhängigen Kühlung einer Brennkraftmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem keramischen Wärmespeicherelement (3) über zumindest einen ersten Wärmeleiter (4) verbindbar ist.

2. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Wärmeleiter eine thermische erste Schalteinrichtung (5) angeordnet ist.

3. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Wärmespeicherelement (3) mit einem Wärmetauscher (9) thermisch verbindbar ist.

4. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Wärmeleiter (7) zwischen dem keramischen Wärmespeicherelement (3) und dem Wärmetauscher (9) eine thermische zweite Schalteinrichtung (5) angeordnet ist.

5. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Wärmespeicherelement (3) pyroelektrische Keramik enthält und als elektrische Energiequelle ausgebildet ist.

6. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (3) PTC-Keramik enthält und durch Anlegen einer elektrischen Spannung (U) erwärmbar ist.

7. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Wärmespeicherelement (3) aus einer Abfolge von keramischen (11) und metallischen und/oder metallhaltigen Schichten (10a, 10b) aufgebaut sind.

8. Kühlsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe (A) von metallischen und metallhaltigen Schichten (10a) durch eine erste Sammelthermode (3a) miteinander verbunden sind, welche mit dem ersten Wärmeleiter (4) thermisch verbunden ist.

9. Kühlsystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Gruppe (B) von metallischen und metallhaltigen Schichten (10b) durch eine zweite Sammelthermode (3b) miteinander verbunden sind, welche mit dem zweiten Wärmeleiter (7) thermisch verbunden ist.

10. Verfahren zur bedarfsabhängigen Kühlung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) über eine thermische erste Schalteinrichtung (5) mit zumindest einem keramischen Wärmespeicherelement (3) wahlweise thermisch verbunden oder von diesem thermisch getrennt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Wärmespeicherelement (3) wahlweise über eine thermische zweite Schalteinrichtung (8) mit einem Wärmetauscher (9) verbunden oder von diesem getrennt wird.

2006 10 25 Fu/Sc Patentanwalt /

Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk ^

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