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Die
Erfindung betrifft ein Kühlsystem
für ein Fahrzeug
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, ein differenzdruckabhängiges Bauelement gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 12.
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Ein
Kühlsystem
eines Fahrzeugs ist allgemein bekannt. Das Kühlsystem weist einen Motorkühlkreislauf
auf, der den Motors und ferner andere Komponenten, z.B. eine Lichtmaschine,
einen Motorölkühler, etc.
kühlt.
Ferner weist der Motorkühlkreislauf
einen Heizungswärmetauscher
auf. In heutigen Fahrzeug-Kühlsystemen
wird das Kühlmittel
mittels einer Kühlmittelpumpe
gefördert
und zirkuliert zwischen dem Motor, den zu kühlenden Komponenten z.B. der
Lichtmaschine, dem Motorölkühler, etc.,
und dem Motorkühler.
Auf Grund von unterschiedlichen Strömungswiderständen der
Komponenten stellt sich eine Volumenstromverteilung des Kühlmittels über die
einzelnen Komponenten ein. Die anteilige Verteilung eines Gesamtvolumenstroms
auf die einzelnen Komponenten wird in der Regel mittels temperaturabhängiger Thermostatventile
gesteuert. Das Thermostatventil realisiert einen Kurzschlussbetrieb,
bei dem der Motorkühlkreislauf
lediglich den Motor, den Motorkühler
und den Heizungswärmetauscher
aufweist und das Kühlmittel
nicht durch die anderen Komponenten strömt. Um eine ausreichende Versorgung
der einzelnen Komponenten mit Kühlmittel
bei niedrigen Drehzahlen des Motors zu gewährleisten, ist in manchen Fahrzeugen
zusätzlich
eine elektrische Pumpe im Motorkühlkreislauf
vorgesehen.
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Hierbei
ist nachteilig, dass die Leistung der Kühlmittelpumpe von der Drehzahl
des Motors abhängt.
Somit ist bei gleichbleibender Thermostatstellung die Versorgung
der Komponenten mit Kühlmittel nahezu
linear von der Drehzahl des Motors anhängig. Das heißt, dass
beispielsweise im Leerlauf des Motors sehr wenig Kühlmittel
aktiv im Kühlmittelkreislauf
gepumpt wird. Die einzelnen Komponenten, beispielsweise der Heizungswärmetauscher,
werden mit einem unter Umständen
nicht ausreichenden Volumenstrom von Kühlmittel versorgt, und es kommt
zu einer Sättigung,
wenn der Motor mit hohen Drehzahlen läuft, wobei dieselbe Komponente
mit einem hohen Volumenstroms des Kühlmittel versorgt wird. Dies
führt beispielsweise
bei dem Heizungswärmetauscher
zu einer nicht optimalen Heizleistung im Leerlauf. Ferner ist heute
bekannt, dass der Motor bei niedrigen Drehzahlen und Kurzschlussbetrieb mittels
eines zu hohen Volumenstroms von Kühlmittel durchströmt wird.
Dies führt
dazu, dass der Motor gekühlt
wird, obwohl er kaum Wärme
erzeugt, die abgeführt
werden müsste,
da er noch nicht betriebswarm ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend vom Stand der
Technik ein Kühlsystem zu
schaffen, das eine gezielte Versorgung einzelner Komponenten mit
Kühlmittel
gewährleistet.
Weiterhin soll ein entsprechendes Bauelement und ein entsprechendes
Verfahren bereitgestellt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Patentanspruch 1, des Patentanspruchs 9 und des Patentanspruchs
12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Kühlsystem
für ein Fahrzeug
wie auch das erfindungsgemäße Verfahren zum
Betreiben eines Kühlsystems
sehen neben den gattungsgemäßen Merkmalen
vor, dass ein durchströmbares
Bauelement mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
im Motorkühlkreislauf
angeordnet ist. Hierdurch wird eine gezielte Drosselung der Volumenströme bestimmter
Komponenten, auch als Komponentenvolumenströme bezeichnet, bei niedrigen
Drehzahlen des Motors erzielt und gleichzeitig werden andere Komponentenvolumenströme gezielt
gesteigert. Ein differenzdruckabhängiges Bauelement wird durch
eine vorbestimmte Kraft, beispielsweise durch eine Federkraft, geschlossen, wenn
eine bestimmte Druckdifferenz zwischen einer Eingangsseite, in der
das Kühlmittel
in das Bauelement strömt,
und einer Ausgangsseite, an der das Kühlmittel das Bauelement verlässt, anliegt.
Sobald der Differenzdruck zwischen dem Eingang und dem Ausgang des
Bauelements steigt, öffnet
das Bauelement gegen die Federkraft, und es wird ein größerer Querschnitt
freigegeben. Dadurch sinkt der Strömungswiderstand des Bauelementes
und der Volumenstrom steigt. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Volumenstromverteilung über die
Komponenten entsprechend deren Anforderungen an Kühlmittelbedarf
einstellbar ist. Somit erfolgt eine Leistungsoptimierung der einzelnen
Komponenten. Durch Einbau im Kurzschlussast des Kühlmittelsystems
wird bei niedrigen Drehzahlen und nicht betriebswarmen Motors die Durchströmung des
Motors mit Kühlmittel
reduziert, indem der Kurzschlussvolumenstrom reduziert wird. Dies
führt zu
einer rascheren Erwärmung
des Motors. Der Motor verbraucht weniger Kraftstoff. Dadurch wird
eine Reduzierung der abgegebenen Abgasmenge bedingt und eine Kostenreduzierung
im Betrieb des Fahrzeugs erreicht. Ferner steigt der Heizvo lumenstrom
bei niedrigen Drehzahlen. Dadurch wird die Heizleistung und somit
der Kundennutzen verbessert. Die Kundenzufriedenheit steigt.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung des Kühlsystems
ist das durchströmbare
Bauelement mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
in einer Kurzschlussleitung des Motorkühlkreislaufes angeordnet, wobei
die Kurzschlussleitung eine Motorzulaufleitung, eine Motorrücklaufleitung
und einen Heizungsrücklauf
verbindet.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kühlmittelthermostat mit einem
integrierten Ventil in der Kurzschlussleitung angeordnet und das
durchströmbare
Bauelement mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
ist nur bei geschlossenem Ventil des Kühlmittelthermostaten von Kühlmittel
durchströmt.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung weist das durchströmbare Bauelement mit differenzdruckabhängigem Strömungswiderstand
bei einer niedrigen Druckdifferenz des Kühlmittels zwischen einem Eingang
des Bauelements und einem Ausgang des Bauelements einen hohen Strömungswiderstand
auf oder ist geschlossen.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung ist das durchströmbare
Bauelement mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
bei einer hohen Druckdifferenzen des Kühlmittels zwischen dem Eingang
des Bauelements und dem Ausgang des Bauelements geöffnet und
weist einen niedrigen Strömungswiderstand
auf.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung ist das durchströmbare
Bauelement mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
ein differenzdruckabhängiges
Ventil, und bei einer niedrigen Druckdifferenz des Kühlmittels
zwischen einem Eingang des Ventils und einem Ausgang des Ventils
weist das Ventil eine hohen Strömungswiderstand
auf oder ist geschlossen.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung ist das differenzdruckabhängige Ventil bei einer hohen
Druckdifferenz des Kühlmittels
zwischen dem Eingang des Ventils und dem Ausgang des Ventils offen
und/oder weist einen niedrigen Strömungswiderstand auf.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung ist das differenzdruckabhängige Ventil mittels Federkraft schliessbar.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühlmittelpumpe im Motorkühlkreislauf vorgesehen
mittels der das Kühlmittel
im Motorkreislauf zirkulierbar ist.
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Weitere
Ausbildungsformen und Aspekts der Erfindung werden unabhängig von
einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der
Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1:
eine Prinzipskizze eines Kühlsystem eines
Motors für
ein Fahrzeug;
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2: eine Prinzipskizze eines durchströmbaren Bauelements
mit differenzdruckabhängigem Strömungswiderstand
im offenen (a) und geschlossenen Zustand (b) und mit konischer Erweiterung
des durchströmbaren
Querschnitts im geschlossenen (c) und offenen (d) Zustand.
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Das
in der 1 dargestellte Kühlsystem 10 für ein Fahrzeug
umfasst einen Motorkühlkreislauf 11,
in dem ein Motor 12, hier mit zwei Zylinderbänken dargestellt,
gekühlt
wird. Der Motorkühlkreislauf 11 weist
einen Motorkühler 13,
typischerweise ein Hauptwasserkühler,
auf, der den Motor 12 mit Kühlmittel versorgt, wobei das
Kühlmittel
im Motor 12 erwärmt
wird und eine Überschusswärme im Motorkühler 13 abführt wird.
Somit wird der Motor 12 auf Betriebstemperatur gehalten.
Hierzu sind ein erster Ventilator 14 und ein zweiter Ventilator 15 in
unmittelbarer Nähe
des Motorkühlers 13 angeordnet.
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Der
Motorkühlkreislauf 11 weist
ferner zu kühlende
Komponenten auf. In 1 ist beispielhaft ein Motorölkühler 16 gezeigt.
Zum Motorkühlkreislauf 11 zugehörig ist
ferner ein Ausgleichbehälter 17 für Kühlmittel.
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Der
Motorkühlkreislauf 11 weist
ferner einen Heizungswärmetauscher 18 auf
mittels dem ein Fahrzeuginnenraum heizbar ist. Vorgesehen ist ferner
ein Kühlmittelthermostat 19 mit
einem integrierten Ventil, der eine Überwachung und Regelung der Kühlmitteltemperatur
und/oder Fahrzeuginnenraumtemperatur leistet. Das Kühlmittel
wird mittels einer Kühlmittelpumpe 20 im
Motorkühlkreislauf 11 zirkuliert.
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Der
Motorkühlkreislauf 11 weist
ferner ein durchströmbares
Bauelement 21 mit differenzdruckabhängigem Strömungswiderstand auf, mittels
dem ein Volumenstrom des Kühlmittels
in dem Kühlkreislauf 11 gezielt
beeinflussbar ist, so dass Komponentenvolumenströme gezielt gesteigert werden
können. Hierbei
erfolgt mittels des Bauelements 21 nur bei einer niedrigen
Motordrehzahl eine Eindrosselung eines Komponentenvolumenstroms,
die bis auf 0 l/min reduzierbar ist.
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Dem
Motor 12 wird das Kühlmittel
mittels einer Kühlmittelzufuhrleitung 22 zugeführt und
verlässt jeweils über eine
Kühlmittelrücklaufleitung 23 und 23' den Motor 12.
Das Kühlmittel
wird über
eine Motorkühlerzufuhrleitung 24 dem
Motorkühler
zugeführt und
verlässt
diesen, in der Regel mit einer niedrigeren Temperatur des Kühlmittels
wieder über
eine Motorkühlerrücklaufleitung 25.
In der Motorkühlerrücklaufleitung 25 ist
der Kühlmittelthermostat 19 mit
dem integrierten Ventil und die Kühlmittelpumpe 20 angeordnet,
wobei diese mit der Kühlmittelzufuhrleitung 22 verbunden
ist. Der Kühlmittelthermostat 19 und die
Kühlmittelpumpe 20 sind
zwischen der Motorkühlerrücklaufleitung 25 und
der Kühlmittelzufuhrleitung 22 angeordnet.
Die Kühlmittelpumpe 20 ist
bevorzugt eine Wasserpumpe, die motorangetneben ist und deren Fördermenge
daher abhängig
von der Drehzahl des Motors 12 ist.
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Der
Heizungswärmetauscher 18 ist
mittels einer Heizungszufuhrleitung 26 und einer Heizungsrücklaufleitung 27 mit
dem Motorkühlkreislauf 11 verbunden.
Hierbei ist die Heizungszufuhrleitung 26 mit der Kühlmittelrücklaufleitung 23 oder 23' verbunden und
die Heizungsrücklaufleitung 27 mit
dem Kühlmittelthermostaten 19.
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Das
durchströmbare
Bauelement 21 mit differenzdruckabhängigem Strömungswiderstand ist vorzugsweise
ein differenzdruckabhängiges
Ventil, insbesondere ein Drosselventil, welches zwischen dem Kühlmittelthermostaten 19 und
einem Abzweig 28 zwischen der Kühlmittelrücklaufleitung 23 und 23' angeordnet
ist. Dieser Abzweig 28 ist wiederum mit der Motorkühlerzufuhrleitung 24 verbunden.
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Der
Motorölkühler 16 ist
zwischen der Kühlmittelzufuhrleitung 22 und
der Motorkühlerzufuhrleitung 24 mittels
einer ersten Zufuhrleitung 29 und einer ersten Rücklaufleitung 30 angeschlossen.
Der Ausgleichbehälter 17 ist
mittels einer zweiten Zufuhrleitung 31 mit dem Abzweig 28 verbunden
und eine zweite Rücklaufleitung 32 ist
mit dem Motorkühler 13 verbunden,
so dass Kühlmittel
vom Motorkühlkreislauf 11 in
den Ausgleichbehälter 17 fließen kann
und Kühlmittel
vom Ausgleichbehälter 17 in
den Motorkühler 13 gelangen
kann. In der zweiten Zufuhrleitung 31 ist vorzugsweise
ein Ventil 33 angeordnet.
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Das
Kühlmittel
zirkuliert zwischen dem Motor 12 und über die Kühlmittelrücklaufleitungen 23 und 23' zurück zum Motorkühler 13.
Ist das Bauelement 21 geöffnet, kann Kühlmittel
direkt aus den Kühlmittelrücklaufleitungen 23 und 23' zu dem Kühlmittelthermostaten 19 gelangen.
Der Kühlmittelthermostat 19 weist
einen Anschluss für
eine Kurzschlussleitung zwischen der Kühlmittelzufuhrleitung 22,
der Motorkühlerrücklaufleitung 25 und
der Heizungsrücklaufleitung 27 des
Heizungswärmetauschers 18 auf.
In der Kühlmittelrücklaufleitung 23' ist ein Temperatursensor 44 vorgesehen.
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Das
Bauelement 21 ist in der Kurzschlussleitung angeordnet
und tritt nur bei geschlossenem Ventil des Kühlmittelthermostaten 19 in
Funktion, so dass bei niedrigen Motordrehzahlen einen Volumenstrom
des Kühlmittels
im Kreislauf 26, 27 des Heizungswärmetauschers 18 zu
erhöhen.
Ferner wird durch den Einbau des Bauelementes 21 bei niedrigen
Drehzahlen des Motors 12 die Durchströmung des Motors 12 mit
Kühlmittel
reduziert, welches zu einer schnelleren Erwärmung des Motors und damit
zu Kraftstoffeinsparungen führt.
Die detaillierte Funktionsweise des 21 wird in Verbindung
mit 2 erläutert.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des durchströmbaren Bauelements 21 mit
differenzdrucksabhängigem
Strömungswiderstand
gezeigt. Gleiche Gegenstände
sind mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 versehen.
Hierbei zeigen die 2a und 2b ein
als differenzdruckabhängiges Ventil
ausgeführtes
Bauelement 21, wobei 2a das
Ventil in geschlossenem Zustand und 2b das
Ventil in geöffnetem
Zustand zeigt.
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Das
Bauelement 21 weist ein Gehäuse 34 auf, an dem
ein Eingang 35, durch den das Kühlmittel in das Bauelement 21 gelangt,
und ein Ausgang 36, durch den das Kühlmittel das Bauelement 21 verlässt, angeordnet
ist. Das Gehäuse 34 kann
rechteckförmig
oder zylinderförmig
ausgeführt
sein. Hierbei sind der Eingang 35 und der Ausgang 36 vorzugsweise
einander gegenüberliegend
angeordnet. Das Gehäuse 34 weist
eine umfänglich
an einer Wand 38 angeordnete Querschnittsverbreiterung 37 auf,
die vorzugsweise mittig zwischen dem Eingang 35 und dem
Ausgang 36 angeordnet ist. Aufgrund der Querschnittsverbreiterung 37 weist
das Gehäuse 34 mindestens
einen ersten, im Wesentlichen senkrecht zu der Wand 38 ausgebildeten
Absatz 39 auf.
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Zwischen
dem Eingang 35 und dem Ausgang 36 ist ein bewegliches
Blendenelement 40 angeordnet. Das Blendenelement 40 steht
mittels eines Kraftelementes 43, beispielsweise eines als
Druckfeder ausgebildetes Federelementes, unter Spannung und zwar
derart, dass das Blendenelement 40 an dem Absatz 39 anliegt.
Das Blendenelement 40 weist, vorzugsweise mittig angeordnet,
eine Öffnung 41 auf,
durch die das Kühlmittel
in das Gehäuse 34 des
Bauelementes 21 eintreten kann. Die Richtung eines Kühlmittelflusses
ist mit einem Pfeil 42 gezeigt.
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Die
Querschnittsverbreiterung 37' kann
zwischen Eingang 35 und Ausgang 36 auch konisch ausgeführt sein,
wie in den 2c und 2d im
geschlossenen und offenen Zustand des Bauelements 21 erkennbar
ist. Dadurch ergibt sich über
den Federweg ein stetig steigender freier Querschnitt. Das Blendenelement 40 liegt
im geschlossenen Zustand an einem Absatz 39' an.
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Ist
der Druck des Kühlmittels
am Eingang 35 verschieden von dem Druck des Kühlmittels
am Ausgang 36 des Bauelementes 21, liegt über das
Bauelement 21 eine Druckdifferenz an. Diese Druckdifferenz
ist mit Δp
bezeichnet.
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Bei
gering anliegender Druckdifferenz Δp liegt das Blendenelement 40 auf
Grund des Kraftelementes 43 am Absatz 39 an, das
Kühlmittel
kann in das Innere des Gehäuses 34 nur über die Öffnung 41 des
Blendenelementes 40 gelangen. Somit bildet das Bauelement 21 einen
Strömungswiderstand
aus, dessen Stärke
von der Größe der Öffnung 41 abhängt. Ist
die Öffnung 41 klein,
ist der Strömungswiderstand
groß.
Ist hingegen die Öffnung 41 etwas größer, sinkt
der Strömungswiderstand,
so dass mehr Kühlmittel
durch die Öffnung 41 fließen kann.
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Alternativ
können
auch mehrere, jeweils mit einem Kraftelement vorgespannte Blendenelemente, nicht
in der 2 dargestellt, im Gehäuse 34 des Bauelementes 21 angeordnet
sein. Hierdurch ist es möglich
eine feinere Abstufung der Größe des Strömungswiderstandes
zu realisieren.
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Weist
das Blendenelement 40 keine Öffnung 41 auf, ist
das Bauelement 21 bei geringer Druckdifferenz Δp geschlossen.
Sobald die Druckdifferenz Δp einen
bestimmten Wert übersteigt,
wird das Blendenelement 40 von dem Absatz 39 in
Richtung Ausgang 35 bewegt und das Bauelement 21 öffnet gegen
die Federkraft. Es wird ein größerer Querschnitt
am Eingang freigegeben. Dadurch sinkt der Strömungswiderstand und der Volumenstrom
am Bauelement 21 ab.
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Im
Folgenden wird die Funktion des durchströmbaren Bauelements 21 mit
differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand
im Motorkühlkreislauf 11 erläutert. Dreht
der Motor 12 mit niedriger Drehzahl, dreht auch die Kühlmittelpumpe 20 mit niedriger
Drehzahl und es liegt eine geringe Differenzdruck Δp am Bauelement 21 an.
Der Volumenstrom über
die Kurzschlussstrecke ist gedrosselt. Hierdurch kommt es zu einer
raschen Erwärmung des
Motors 12, da der Kühlmittel-Volumenstrom über den
Motor 12 sehr gering ist. Dadurch steigt der Volumenstrom
durch den Heizungswärmetauscher 18.
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Bei
höherer
Drehzahl des Motors 12 und damit der Kühlmittelpumpe 20 steigt
der Differenzdruck Δp
am Bauelement 21. Das Blendenelement 40 wird vom
Absatz 39 wegbewegt und damit ein größerer Querschnitt am Eingang 35 des
Bauelementes 21 für das
Kühlmittel
freigegeben. Dadurch steigt der Volumenstrom in der Kurzschlussleitung
an. Der Motor 12 wird mit erhöhtem Kühlmittel-Volumenstrom durchströmt und somit
eine Überhitzung
vermieden.
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Diese
Funktion ist allerdings nur bei geschlossenem Ventil des Kühlmittelthermostats 19 wirksam.
Ist das Ventil des Kühlmittelthermostats 19 geöffnet, ist
das Bauelement 21 überbrückt und
somit eine Drosselung auch bei niedrigem Differenzdruck Δp unwirksam.
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- 10
- Kühlsystem
- 11
- Motorkühlkreislauf
- 12
- Motor
- 13
- Motorkühler
- 14
- erster
Ventilator
- 15
- zweiter
Ventilator
- 16
- Motorölkühler
- 17
- Ausgleichsbehälter
- 18
- Heizungswärmetausche,
kurz Heizung
- 19
- Kühlmittelthermostat
mit integriertem Ventil
- 20
- Kühlmittelpumpe
- 21
- durchströmbares Bauelement
mit differenzdruckabhängigem
Strömungswiderstand,
kurz Bauelement
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-
- 22
- Kühlmittelzufuhrleitung
- 23
- Kühlmittelrücklaufleitung
- 23'
- Kühlmittelrücklaufleitung
- 24
- Motorkühlerzufuhrleitung
- 25
- Motorkühlerrücklaufleitung
- 26
- Heizungszufuhrleitung
- 27
- Heizungsrücklaufleitung
- 28
- Abzweig
- 29
- erste
Zufuhrleitung
- 30
- erste
Rücklaufleitung
- 31
- zweite
Zufuhrleitung
- 32
- zweite
Rücklaufleitung
- 33
- Ventil
in der zweiten Zufuhrleitung
- 34
- Gehäuse
- 35
- Eingang
- 36
- Ausgang
- 37,37'
- Querschnittsverbreiterung
- 38
- Wand
des Gehäuses 34
- 39,
39'
- Absatz
- 40
- Blendenelement
- 41
- Öffnung im
Blendenelement
- 42
- Pfeil
- 43
- Kraftelement
- 44
- Themperatursensor