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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.
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The invention relates to a cooling system for demand-dependent cooling of an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a method for demand-dependent cooling of an internal combustion engine.
It is known that there is a high potential in the demand-controlled engine cooling for reducing the fuel consumption by rapid heating of the internal combustion engine. To exploit this potential is in the journal MTZ 3/2005, Volume 66, pages 184-191 in the article "Demand-dependent controlled engine cooling", Gerald Eitler et al. proposed a cooling system with liquid cooling and an electrically driven water pump and a liquid cooler, wherein for a quick heating of the engine, the engine cooling can be switched off completely with the engine running.
To detect the engine temperature, temperature sensors were used in the area of the cylinder head gasket. The disadvantage, however, is that only the circulation of water can be stopped, but the system itself has a high thermal inertia.
However, a significant reduction in fuel consumption can only be achieved if the cooling circuit is completely switched off and the thermal inertia can be minimized.
The object of the invention is to substantially reduce fuel consumption by improving the cooling system.
According to the invention this is achieved in that the internal combustion engine is connectable to at least one ceramic heat storage element via at least one first heat conductor, wherein preferably in the first heat conductor, a thermal first switching device is arranged.
It is particularly advantageous
when the ceramic heat storage element is thermally connectable to a heat exchanger, wherein preferably in a second heat conductor between the ceramic heat storage element and the heat exchanger, a thermal second switching device is arranged.
By using ceramic as a storage medium for thermal energy, this can be performed via metallic heat conductors from the internal combustion engine, wherein the heat storage element can be separated via the switching devices of the internal combustion engine and the heat exchanger, so that the supply and disconnection is effective without delay.
Since ceramic has a high thermal energy storage capacity in terms of volume, it can also be isolated from the environment much better than conventional storage elements.
If both the connections to the engine, as well as the heat exchanger separated, the engine heat can be stored for a long time and the internal combustion engine can be heated up quickly.
In a further embodiment of the invention can be provided that the ceramic heat storage element contains pyroelectric ceramic or PTC ceramic.
When using PTC ceramic, the internal combustion engine can be heated by electrical energy, when using pyroelectric ceramic can be obtained from the heat storage electrical energy.
Ceramic stores much more heat per unit volume than water, but its low thermal conductivity is usually not a suitable medium for quickly adding or removing heat. This changes, however, when the ceramic is no longer heated as a monolithic block, but in many thin layers, in which the heat is introduced by metallic spacers.
Such multilayer structures of alternating metallic and ceramic layers are already used commercially for the storage of electrical energy for ceramic capacitors.
The structure of a ceramic heat storage element is realized by multilayer technology, as used, inter alia, for the production of ceramic capacitors. It is preferably provided that the ceramic heat storage element are constructed from a sequence of ceramic and metallic and / or metal-containing layers, wherein a first group of metallic and metal-containing layers are interconnected by a first Sammelthermode, which is thermally connected to the first heat conductor.
A simple connection to a heat exchanger is possible if a second group of metallic and metal-containing layers are connected to each other by a second Sammelthermode, which is thermally connected to the second heat conductor. The term "thermode" is used in this context for the thermal connection of the heat storage element.
The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.
1 shows a circuit diagram of a cooling system according to the invention with a ceramic heat storage element in a first embodiment, Fig. 2 shows the circuit of a ceramic heat storage element in a two th embodiment and Fig. 3 shows the circuit of a ceramic heat storage element in a third embodiment.
1 shows a cooling system 1 for an internal combustion engine 2.
The cooling system 1 has a ceramic heat storage element 3, which is thermally connected via a metallic heat conductor 4 to the internal combustion engine 2. In the first heat conductor 4, a first switching device 5 is arranged, via which the ceramic heat storage element 3 can be switched on or off. The ceramic heat storage element consists in the embodiment of pyroelectric ceramic, whereby a usable voltage source 6 is formed. With U the tapped voltage is designated. The ceramic heat storage element 3 is further connected via a metallic second heat conductor 7, in which a second switching device 8 is arranged, with a heat exchanger 9. Via the second switching device 8, the ceramic cooling device 8 can be selectively connected to the heat exchanger 9 or switched off.
In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, the ceramic heat storage element has two collecting thermodes 3a, 3b, which are each connected to a group A, B of thin metal-containing layers of the heat storage element 3. The heat storage element 3 consists of many thin ceramic layers 11, in which the heat is introduced through metallic layers 10a, 10b. The metallic layers 10a, 10b are metallically connected directly to the first and second heat conductors 4, 7, respectively.
By the switching devices 5, 8, the ceramic heat storage element 3 can be switched as an electrical line. It is therefore possible to heat the internal combustion engine, without having to miterwärmen a cooling medium immediately.
On the other hand, it is also possible to heat the ceramic heat storage element 3 faster by the connection with the heat exchanger 9 is interrupted. If both first and second switching devices 5, 8 are separated, and if the ceramic heat storage element 3 is well insulated, the heat can be stored for a relatively long time, for example overnight, and used to heat the internal combustion engine before the next start.
Since the heat is distributed very quickly evenly through the metallic layers 10a, 10b, no water pump is necessary.
Additional benefit can be achieved by the type of ceramic used:
With PTC ceramic, as used for example for heater in air and diesel heaters, the ceramic heat storage element can be heated by applying an external voltage U to operating temperature. When using pyroelectric ceramic, the waste heat is converted to 5% to 10% in electrical energy that can be fed into the battery. In this case, layers of metallic layers 10a, 10b are connected to each other with the same electrical potential.
The construction of multilayer ceramic components can be accomplished by making ceramic sheets which are screen printed or otherwise (e.g.
Offset printing), the metallic or metal-containing layers are applied. Alternatively, both ceramic and metal-containing layers can be applied alternately by screen printing. For this structure, a direct use of metal foils is possible. The films are then pressed, the individual components punched out or sawn, the ceramic sintered and the inner electrodes forming metallic layers connected to an outer electrode.
In the embodiment of a ceramic heat storage element 3 shown in FIG. 2, the metallic layers 10a are combined to form a single thermode 3a.
The supply and discharge of heat takes place in this case via the same thermode 3 a, which is connected both to the first metallic heat conductor 4 and to the second metallic heat conductor 7, which via switching means not shown to the internal combustion engine 2, or to the heat exchanger 9 lead.
Fig. 3 shows a further embodiment of the invention, wherein the ceramic heat storage element 3 has two thermodes 3a, 3b. The first thermode 3a is connected to the first metallic heat conductor 4, the second thermode 3b is in direct contact with the heat exchanger. 9
By using metallic heat conductors and the ceramic heat storage element 3, water can be omitted as an intermediate storage medium in the cooling circuit.