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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist in einer Frischluftleitung zur Versorgung von Brennräumen der Brennkraftmaschine mit Frischluft eine Ladeeinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe das Druckniveau der Frischluft erhöht werden kann. Um den Massenstrom und somit die Leistung der Brennkraftmaschine erhöhen zu können, ist üblicherweise ein Ladeluftkühler vorgesehen, der zwischen der Ladeeinrichtung und den Brennräumen in der Frischluftleitung angeordnet ist. Der Ladeluftkühler dient zum Kühlen der sich beim Ladevorgang aufgeheizten Ladeluft.
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Es besteht das allgemeine Bedürfnis, den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen bzw. von Kraftfahrzeugen zu reduzieren.
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Aus der
DE 199 54 690 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die mit einer Ladeeinrichtung zum Erhöhen eines Druckniveaus in einer Frischluftleitung zur Versorgung von Brennräumen der Brennkraftmaschine mit Frischluft, mit einem Ladeluftkühler, der in der Frischluftleitung stromab der Ladeeinrichtung und stromauf der Brennräume angeordnet ist, und mit mindestens einem thermoelektrischen Wandler ausgestattet ist, der wärmeübertragend mit der aufgeladenen Frischluft gekoppelt ist.
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Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2008 038 756 A1 bekannt, bei der zusätzlich zur vorstehend genannten Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass der Ladeluftkühler mit einem Kühlkreis der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei der jeweilige thermoelektrische Wandler zum Generieren von elektrischem Strom aus einer Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ausgestaltet ist und/oder angeordnet ist, wobei die aufgeladene Frischluft als Wärmequelle dient, während der jeweilige Kühlkreis als Wärmesenke dient.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Kraftstoffverbrauch, insbesondere eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs, auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe wenigstens eines thermoelektrischen Wandlers die Wärme der aufgeladenen Frischluft zu beeinflussen. Ein thermoelektrischer Wandler kann elektrische Energie in Wärme bzw. in Wärmetransport wandeln. Ebenso kann ein thermoelektrischer Wandler eine Temperaturdifferenz in elektrische Energie wandeln. Die Verwendung eines derartigen thermoelektrischen Wandlers ermöglicht es somit, in der aufgeladenen Frischluft durch den Ladevorgang eingebrachte Abwärme zum Erzeugen von elektrischer Energie zu nutzen. Diesbezüglich beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken, ohnehin produzierte Abwärme zum Bereitstellen von elektrischer Energie zu nutzen, um diese im Fahrzeug speichern bzw. verbrauchen zu können. Da moderne Fahrzeuge über eine Vielzahl elektrischer Verbraucher verfügen, besteht auch ein entsprechender Bedarf an elektrischer Energie. Diese kann konventionell zum Beispiel über eine Lichtmaschine auf Kosten der Antriebsleistung und in Verbindung mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch erzeugt werden. Wenn nun zumindest ein Teil dieser elektrischen Energie aus der Abwärme der Ladeluft gewonnen werden kann, ergibt sich dadurch ein reduzierter Kraftstoffverbrauch für das Fahrzeug.
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Der mit der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelte thermoelektrische Wandler lässt sich jedoch auch dazu verwenden, die Kühlung der Ladeluft zu verbessern. Beispielsweise ermöglicht der thermoelektrische Wandler eine aktive Kühlung der Ladeluft, indem er mit entsprechender Polung bestromt wird. In der Folge wird Wärme von einer mit der Ladeluft gekoppelten Kaltseite des thermoelektrischen Wandlers zu einer Warmseite des thermoelektrischen Wandlers transportiert, der mit einer geeigneten Wärmesenke verbunden ist. Eine aktive Kühlung der Ladeluft kann dann erforderlich sein, wenn die Kühlleistung des Kühlkreises nicht ausreicht, eine hinreichende Kühlung der Ladeluft zu bewirken.
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Darüber hinaus ergibt sich durch die Verwendung des mit der Ladeluft wärmeübertragend gekoppelten thermoelektrischen Wandlers die Möglichkeit, die Ladeluft gezielt aktiv zu wärmen. Dies kann beim Kaltstart der Brennkraftmaschine zur Verkürzung der Warmlaufphase genutzt werden. Erst wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, arbeitet sie hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen optimal. Je kürzer daher die Warmlaufphase ausgestaltet werden kann, desto besser ist letztlich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Durch Bestromen des thermoelektrischen Wandlers mit entsprechender Polung kann nun die Warmseite des thermoelektrischen Wandlers mit der Ladeluft wärmeübertragend gekoppelt werden, um dieser Wärme zuzuführen. Die Kaltseite des thermoelektrischen Wandlers kann hierzu mit einer geeigneten Wärmequelle gekoppelt sein.
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Der thermoelektrische Wandler ist erfindungsgemäß an oder in der Frischluftleitung angeordnet sein, die von der Ladeeinrichtung zum Ladeluftkühler führt.
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Bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der thermoelektrische Wandler in den Ladeluftkühler integriert. Insbesondere kann dadurch eine Seite (Warmseite oder Kaltseite) des thermoelektrischen Wandlers mit der Ladeluft wärmeübertragend gekoppelt sein, während die andere Seite (Kaltseite oder Warmseite) des thermoelektrischen Wandlers mit dem Kühlmittel des Kühlkreises wärmeübertragend gekoppelt ist. Hierdurch kann eine besonders hohe Leistungsdichte realisiert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines thermoelektrischen Wandlers, wenn er zum Generieren von elektrischem Strom betrieben wird,
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3 eine Ansicht des thermoelektrischen Wandlers aus 2, wenn er zum Kühlen von Ladeluft betrieben wird,
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4 eine Ansicht des thermoelektrischen Wandlers aus 2, wenn er zum Wärmen von Ladeluft verwendet wird.
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Entsprechend 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt, einen Verbrennungsmotor 2 mit interner Verbrennung, der hierzu mehrere Brennräume 3 aufweist. Eine Frischluftanlage 4 versorgt die Brennräume 3 des Verbrennungsmotors 2 mit Frischluft. Die Frischluftanlage 4 weist hierzu eine Frischluftleitung 5 auf, die den Brennräumen 3 Frischluft zuführt. Ferner weist die Frischluftanlage 4 eine Ladeeinrichtung 6 auf, mit deren Hilfe das Druckniveau in der Frischluft, die über die Frischluftleitung 5 den Brennräumen 3 zugeführt wird, erhöht werden kann. Die aufgeladene Frischluft oder Ladeluft verbessert den Wirkungsgrad und reduziert die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors 2 bzw. der Brennkraftmaschine 1. Im gezeigten Beispiel ist die Ladeeinrichtung 6 durch einen Abgasturbolader gebildet, dessen Verdichter 7 in der Frischluftleitung 5 angeordnet ist und dessen Turbine 8 in einer Abgasleitung 9 angeordnet ist. Turbine 8 und Verdichter 7 sind drehfest miteinander verbunden, zum Beispiel über eine gemeinsame Welle 10.
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Die Frischluftanlage 4 weist außerdem einen Ladeluftkühler 11 auf, der zwischen der Ladeeinrichtung 6 und den Brennräumen 3 in der Frischluftleitung 5 angeordnet ist. Er dient zur Kühlung der aufgeladenen Frischluft und ist hierzu mit einem Kühlkreis 12 der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Verbrennungsmotors 2 wärmeübertragend gekoppelt. Der Kühlkreis 12 ist hier in stark vereinfachter Form dargestellt. Es ist klar, dass er in üblicher Weise eine Pumpe, Ventile oder dergleichen aufweisen kann.
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Die hier vorgestellte Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit wenigstens einem thermoelektrischen Wandler 13 ausgestattet. Im dargestellten Beispiel sind rein exemplarisch zwei derartige thermoelektrische Wandler 13 dargestellt, die kumulativ oder alternativ zum Einsatz kommen können. Der eine thermoelektrische Wandler 13 ist erfindungsgemäß der Frischluftleitung 5 zugeordnet und ist erfindungsgemäß zwischen dem Ladeluftkühler 11 und der Ladeeinrichtung 6 an bzw. in der Frischluftleitung 5 angeordnet. Der andere thermoelektrische Wandler 13 ist nicht erfindungsgemäß dem Ladeluftkühler 11 zugeordnet und insbesondere in diesen integriert.
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Unabhängig von deren Anordnung und Anzahl ist der jeweilige thermoelektrische Wandler 13 mit der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelt. Des Weiteren kann der jeweilige thermoelektrische Wandler 13 mehrere thermoelektrische Elemente 14 aufweisen, die zur Realisierung des jeweiligen Wandlers 13 parallel arbeiten. Jedes Wandlerelement 14 ist dabei mit der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelt.
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Der an bzw. in der Frischluftleitung 5 angeordnete Wandler 13 kann beispielsweise ringförmige Elemente 14 aufweisen. Die Wandlerelemente 14 können mit Kühlkörpern 15 ausgestattet sein, um eine Wärmeübertragung mit einer Umgebung 16 der Frischluftleitung 5 zu verbessern. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die Wandlerelemente 14 mit einem Kühlkreis 12' wärmeübertragend zu koppeln, bei dem es sich grundsätzlich um den Kühlkreis 12 des Verbrennungsmotors 2 handeln kann. Ebenso kann es sich bei diesem Kühlkreis 12' auch um einen anderen, separaten Kühlkreis 12' handeln.
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Der in den Ladeluftkühler 11 integrierte Wandler 13 ist außerdem mit dem Kühlkreis 12 bzw. mit einem im Kühlkreis 12 zirkulierenden Kühlmittel wärmeübertragend gekoppelt.
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Dem wenigstens einen Wandler 13 ist außerdem eine Steuerung 17 zugeordnet, die auf geeignete Weise mit dem Wandler 13 bzw. mit dessen Wandlerelementen 14 gekoppelt ist. Diese Steuerung 17 kann nun in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Verbrennungsmotors 2 bzw. in Abhängigkeit der Temperatur der aufgeladenen Frischluft den jeweiligen Wandler 13 unterschiedlich betreiben. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe der Steuerung 17 den jeweiligen Wandler 13 zum Generieren von elektrischem Strom zu betreiben. Ebenso ist es möglich, den jeweiligen Wandler 13 zum aktiven Kühlen der aufgeladenen Frischluft zu betreiben. Ebenso ist es möglich, mit Hilfe der Steuerung 17 den jeweiligen Wandler 13 zum Heizen der aufgeladenen Frischluft zu betreiben. Diese unterschiedlichen Betriebsformen werden im Folgenden anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Der jeweilige Wandler 13 weist entsprechend den 2 bis 4 zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement 14 auf, von denen in den 2 bis 4 jeweils nur eines vergrößert und vereinfacht dargestellt ist. Es repräsentiert dadurch den Wandler 13. Jedes Wandlerelement 14 bzw. der Wandler 13 weist eine Warmseite 18 und ein Kaltseite 19 auf. Diese stehen über zwei unterschiedliche Materialien 20 bzw. 21 miteinander in Verbindung, und zwar thermisch und elektrisch.
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Zum Generieren von elektrischem Strom werden zwei elektrische Anschlüsse 22 des jeweiligen Wandlerelements 14 bzw. des Wandlers 13 entsprechend 2 an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen, der hier durch U repräsentiert ist. Des Weiteren wird die Warmseite 18 des Wandlers 13 mit einer Wärmequelle 23 wärmeübertragend gekoppelt, während die Kaltseite 19 mit einer Wärmesenke 24 wärmeübertragend gekoppelt wird. Auf diese Weise kann durch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle 23 und Wärmesenke 24 elektrischer Strom generiert werden, der an den Anschlüssen 22 abgreifbar ist. Als Wärmequelle 23 eignet sich insbesondere die aufgeladene Frischluft. Als Wärmesenke 24 eignet sich zum Beispiel der Kühlkreis 12 oder der Kühlkreis 12' oder die Umgebung 16 der Frischluftleitung 5 oder eine Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11. Beim Generieren von elektrischem Strom wird über den Wandler 13 bzw. über die Wandlerelemente 14 Wärme von der Warmseite 18 zur Kaltseite 19 transportiert, wodurch der Wärmequelle 23 Wärme entzogen wird und der Wärmesenke 24 zugeführt wird. Mit anderen Worten, beim Generatorbetrieb gemäß 2 kann der aufgeladenen Frischluft passiv Wärme entzogen werden, wodurch die aufgeladene Frischluft passiv gekühlt wird.
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Wenn nun eine aktive Kühlung der aufgeladenen Frischluft realisiert werden soll, kann gemäß 3 der Wandler 13 bzw. das jeweilige Wandlerelement 14 so bestromt werden, dass sich ein Wärmetransport von der Kaltseite 19 zur Warmseite 18 einstellt. Die Bestromung ist durch I und einen entsprechenden Stromrichtungspfeil angedeutet. Durch wärmeübertragende Kopplung der Kaltseite 19 mit der zu kühlenden Wärmequelle 23, bei der es sich dann wieder um die aufgeladene Frischluft handelt, kann diese aktiv gekühlt werden. Ferner wird über die Wärmesenke 24 die Wärme an der Warmseite 18 abgeführt. Bei der Wärmesenke 24 kann es sich wieder um die Umgebung 16 der Frischluftleitung 5, die Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11, um den Kühlkreis 12 oder um den Kühlkreis 12' handeln. Diese aktive Kühlung unterstützt dabei die Kühlwirkung des Ladeluftkühlers 11 und erhöht die Effektivität der Ladeluftkühlung. Bemerkenswert ist bei dieser Verschaltung, dass sich durch die Bestromung mit dieser Stromrichtung die Positionen von Warmseite 18 und Kaltseite 19 im Unterschied zur passiven Kühlung bzw. zum Generatorbetrieb umgekehrt haben.
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Entsprechend 4 kann nun bei umgekehrter Polung der Bestromung auch ein Heizbetrieb realisiert werden, mit dessen Hilfe elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Hierzu wird das Wandlerelement 14 bzw. der Wandler 13 so bestromt, dass sich die Orientierung von Warmseite 18 und Kaltseite 19 mit Bezug auf die aktive Kühlung gemäß 3 umkehrt. Auf diese Weise kann Wärme von der Warmseite 18 auf die aufgeladene Frischluft übertragen werden, die dann als Wärmesenke 24 dient. Gleichermaßen wird hierbei über die Kaltseite 19 der jeweiligen Wärmequelle 23 Wärme entzogen. Bei dieser Wärmequelle 23 kann es sich dann um den Kühlkreis 12, den Kühlkreis 12', die Umgebung 16 der Frischluftleitung 5 oder die Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11 handeln. Ein derartiger Zuheizbetrieb kann beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn die Brennkraftmaschine 1 bzw. ihr Verbrennungsmotor 2 bei einem Kaltstart möglichst rasch auf Betriebstemperatur gebracht werden soll.
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In den hier gezeigten Beispielen ist der jeweilige thermoelektrische Wandler 13 bzw. sein zugehöriges Wandlerelement 14 jeweils direkt mit der jeweiligen Wärmequelle 23 bzw. mit der jeweiligen Wärmesenke 24 verbunden. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, bei der zur wärmeübertragenden Kopplung geeignete Wärmeleitmaterialien oder Wärmeleiteinrichtungen verwendet werden, um eine indirekte wärmeübertragende Kopplung zwischen Wandler 13 bzw. Wandlerelement 14 und Wärmequelle 23 bzw. Wärmesenke 24 zu realisieren. Beispielsweise kann hierzu zumindest ein Wärmeleitrohr, sogenanntes „Heat Pipe” verwendet werden. Durch die Verwendung einer derartigen indirekten wärmeübertragenden Kopplung ist es insbesondere möglich, die jeweilige Wärmequelle 23 bzw. die jeweilige Wärmesenke 24 vom jeweiligen Wandler 13 bzw. Wandlerelement 14 räumlich zu trennen, was Montagevorteile bringen kann.
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Die einzelnen Wandlerelemente 14 können bevorzugt als Peltier-Elemente ausgestaltet sein. Diese sind aus der Kühltechnik allgemein bekannt und können vergleichsweise preiswert realisiert werden.
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Durch den hier vorgeschlagenen Aufbau für die Brennkraftmaschine 1 kann die im Kraftstoff vorhandene Energie besser ausgenutzt werden, indem die Verlustwärme der Ladeluft über die thermoelektrischen Wandler 13 bzw. die thermoelektrischen Elemente 14 genutzt wird. Der jeweilige Wandler 13 bzw. die zugehörigen Wandlerelemente 14 sind in der Frischluftanlage 4 der Brennkraftmaschine 1 so angeordnet, dass sie zum einen die Funktionen der Kühlung und Aufheizung der Ladeluft und zum anderen das Erzeugen einer Thermospannung und somit von elektrischer Energie realisieren können. Die thermoelektrischen Wandlerelemente 14 können – wie gesagt – als Peltier-Elemente geschaltet werden, so dass sie aktiv zur Kühlung der Ladeluft beitragen. Die Wärme, die dabei auftritt, kann zum Beispiel über das Kühlmittel abgeführt werden. Dabei kann grundsätzlich sowohl ein flüssiges Kühlmittel als auch ein gasförmiges Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, verwendet werden. Die thermoelektrischen Wandlerelemente 14 können im Ladeluftkühler 11 als thermoelektrischer Generator betrieben werden. Hierbei kann die Temperaturdifferenz zwischen Ladeluft und Kühlmittel als Thermospannung genutzt werden. Die wärmere Ladeluft dient dabei als Wärmequelle, während das Kühlmittel dann als Wärmesenke dient. Ferner können die thermoelektrischen Wandlerelemente 14 zum Aufheizen der Ladeluft bei einem Kaltstart verwendet werden, um Emissionen gering zu halten oder zu verringern. Die thermoelektrischen Elemente 14 können sowohl innerhalb des Ladeluftkühlers 11, als auch außerhalb des Ladeluftkühlers 11 sowie an oder in der zum Ladeluftkühler 11 führenden Frischluftleitung 5 angeordnet sein. Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, den jeweiligen Wandler 13 bzw. die Wandlerelemente 14 auf geeignete Weise mit anderen Fahrzeugbauteilen wärmeübertragend zu koppeln, wie zum Beispiel Karosseriebauteile oder ein Unterboden des Fahrzeugs, wodurch die Wärme von der Wärmesenke 24 abgeleitet werden kann.
