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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Obergriff des Hauptanspruchs, wobei dem Verbrennungsmotor einlassseitig Frischluft zugeführt wird, wobei der Verbrennungsmotor ein Kühlsystem mit einem Motorkühlkreislauf und einen Luftkühlkreislauf mit einem Luftkühler aufweist.
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Aus der
DE 103 17 003 A1 ist ein Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Es wird eine Kreislaufanordnung mit einem Niedertemperatur-Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader und einem Motorkühlkreislauf zur Kühlung des Motors offenbart. In dem Niedertemperatur-Kreislauf ist ein Niedertemperatur-Kühler angeordnet. Beide Kreisläufe sind separat zueinander, zeitweise aber koppelbar. So kann Kühlmittel zeitweise aus dem Motorkühlkreislauf in den Niedertemperatur-Kreislauf und zurück strömen. Das Kühlmittel aus dem Motorkühlkreislauf wird in einem Mischthermostaten mit kaltem Kühlmittel aus dem Niedertemperatur-Kreislauf, das dem Mischthermostaten von einer Kühlmittelpumpe zuströmt, gemischt, und einem Ladeluft/Kühlmittelkühler zugeführt.
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Die
WO 2005/028847 A1 befasst sich mit einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kühlmittelkreislauf, über den aus einer Kühlmittelaustrittsöffnung ausströmendes Kühlmittel zu einer Kühlmitteleintrittsöffnung zurückströmt. Mittels einer Abgasrückführung werden Abgase der Brennkraftmaschine erneut zugeführt. In dem Kühlmittelkreislauf ist ein Abgas-Kühlmittelwärmetauscher angeordnet und mit Kühlmittel durchströmt. Ein Ventil steuert den Kühlmitteldurchfluss durch den Abgas-Kühlmittelwärmetauscher temperaturabhängig, so dass bei kaltem Kühlmittel kein Kühlmittel durch den Abgas-Kühlmittelwärmetauscher strömt.
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Die
EP 1 623 101 B1 offenbart einen Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader, mit einem Niedertemperatur-Kreislauf mit einem Niedertemperaturkühler. Der Kreislauf weist eine Turbinen/Pumpenkombination auf, bei der eine Pumpe drehfest mit einer Turbine gekoppelt ist. Die Turbine ist durch ein Kühlmittel eines Haupt-Kühlmittel-Kreislaufs antreibbar, wobei die Pumpe den Niedertemperaturkreislauf umwälzt. Die
EP 1 623 101 B1 beschreibt, dass der Hauptkühlmittelkreislauf und der Niedertemperaturkreislauf miteinander verbindbar sind, wobei der Hauptkühlmittelkreislauf einen Hauptkühler aufweist. Durch die Verbindung des Hauptkühlmittelkreislaufs mit dem Niedertemperaturkreislauf, ist der Niedertemperaturkreislauf in den Hauptkühlmittelkreislauf integriert, so dass die Ladeluftabkühlung bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors begrenzt werden kann. Wird die Ladeluft temperiert, also die Ladeluftabkühlung begrenzt, kann der Niedertemperaturkühler gemäß einem Ausführungsbeispiel umgangen werden.
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Die
DE 199 24 677 A1 beschäftigt sich mit einem Ansaugsystem für aufgeladene Brennkraftmaschinen, mit wenigstens einem Lader, mit wenigstens einem flüssigkeitsdurchflossenen Ladeluftwärmetauscher, und mit einem flüssigkeitsdurchflossenen Hochtemperaturwärmetauscher, der im Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Sowohl der Niedertemperaturkühlkreislauf mit seinem Ladeluftwärmetauscher als auch der Hochtemperaturkreislauf mit seinem Hochtemperaturwärmetauscher sind ständig miteinander verbunden. Der Ladeluftwärmetauscher ist über Verstelleinrichtungen und Rohrleitungen mit dem internen Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine und mit dem Hochtemperaturwärmetauscher und/oder mit dem flüssigkeitsdurchströmten Niedertemperaturwärmetauscher verbindbar. Die Verstelleinrichtungen sind als stufenlos verstellbare Mischventile ausgeführt.
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Die
DE 10 2006 012 279 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variablen Ansaugluftvorwärmung bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor mit Leistungsregelung über die Frischluftmenge. Zur luftseitigen Entdrosselung des Motors in der Motorteillast erwärmt eine Heizvorrichtung die Ansaugluft und die luftführenden Kanäle primär im Nahbereich des Motoreintritts, insbesondere erst stromab der Hauptdrosselklappe für die Luftmengen- und Leistungsregelung zusätzlich. Bei einem Übergang zu hoher Motorlast wird mit Öffnen der Haupt-Drosselklappe und Deaktivierung der Heizvorrichtung diese zusätzliche Erwärmung dadurch schnell deaktiviert, dass während des Betriebs der Heizvorrichtung die Komponenten im Bereich des Luftansaugtraktes stromauf der Heizvorrichtung, insbesondere die luftführenden Rohre einschließlich des Luftfilters, des Luftmassenmessers und gegebenenfalls des Ladeluftkühlers durch die Umgebungsluft und/oder einen begrenzten Leckagestrom nahe der Umgebungslufttemperatur gehalten wurden. Die Heizvorrichtung, bzw. der Wärmetauscher zur Beheizung der Ansaugluft kann aus einem oder mehreren Frischluft-Rohrkanälen bestehen und mittels wärmeleitenden Kontaktes der frischluftführenden Rohre zu Teilen der Abgasanlage oder mittels direktem Kontakt zum Abgas selbst Wärme aus dem nicht zurückgeführten Abgas in die Ansaugluft übertragen.
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Ein Ottomotor hat gegenüber einem Dieselmotor Brennverfahren bedingte Prozessverluste bei einem Teillastbetrieb, die so genannten Ladungswechselverluste. Ein Dieselmotor zum Beispiel saugt (auch bei aufgeladenen Diesel- bzw. Verbrennungsmotoren wird der Einfachheit halber von einem „Saugen” gesprochen) immer die gleiche Luftmasse in den Zylinder. Zur Lastregelung werden unterschiedliche Mengenbeträge an Kraftstoff in den Brennraum eingeführt, so dass sich jeweils unterschiedliche Kraftstoff-/Luftverhältnisse ergeben.
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Der Ottomotor benötigt bei Teillast fast immer das gleiche Kraftstoff-/Luftverhältnis (Lambda 1; genau soviel Luft, wie gerade zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigt wird). Insofern wird dem Ottomotor im Teillastbetrieb weniger Kraftstoff zugeführt, weswegen weniger Luft angesaugt werden muss. Hierzu ist z. B. in einer Einlassleitung, welche dem Verbrennungsmotor Frischluft zuführt, ein Drosselelement angeordnet. Das Drosselelement kann z. B. als Drosselklappe ausgeführt sein, so dass der Luftstrom bzw. der Massenstrom an Frischluft gedrosselt wird. Dabei entsteht ein Unterdruck. Gegen diesen Unterdruck muss der Kolben bzw. die Kolben die Frischluft in den bzw. in die Zylinder bzw. in den/die Brennraum/Brennräume saugen, was einen höheren Arbeitsaufwand bedeutet als bei Umgebungsdruck. Daraus resultieren die Prozessverluste bzw. die Ladungswechselverluste. Ladungswechselverluste wirken sich nachteilig auf die Effektivität des Verbrennungsmotors und auf den Kraftstoffverbrauch aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor bzw. ein Kühlsystem der Eingangs genannten Art zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Die einlassseitige Frischluft ist in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors generell frei von Zumischungen auf eine Temperatur oberhalb der Kühltemperatur des Luftkühlers aufwärmbar.
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Durch eine Erhöhung der Temperatur der Frischluft, welche sich auf eine Verringerung der Dichte der Frischluft auswirkt, muss der Verbrennungsmotor, wenn die Frischluft angewärmt wird, weniger Unterdruck androsseln, um Lambda = 1 zu erreichen. So wird ein Erzeugen von Unterdruck durch die Drosselklappe weitgehend vermieden, da diese den Frischluftstrom nicht so stark drosseln muss.
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Wird aber weniger Unterdruck (vom Betrag her) erzeugt, verringern sich entsprechend auch die Ladungswechselverluste, denn der Frischluftstrom muss nicht so stark gedrosselt werden, so dass der bzw. die Kolben nicht mehr gegen einen so starken Unterdruck Frischluft ansaugen müssen. Dies wirkt sich wiederum direkt auf die Effektivität des Verbrennungsmotors und auf einen verringerten Kraftstoffverbrauch auf.
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Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, dass der Frischluft Abgase des Verbrennungsmotors, über die so genannte Abgasrückführung (AGR), zugeführt werden können. Obwohl in dem Abgasrückführsystem Kühlelemente angeordnet sind, wird sich die Frischluft durch diese Zumischung wohl auch etwas aufwärmen können. Hier geht die Erfindung einen anderen Weg; denn die Frischluft wird erwärmt, indem keine derartigen Zumischungen oder andere Zumischungen zum Aufwärmen der Frischluft vorgesehen werden sollen. Gleichwohl muss damit aber nicht auf eine AGR verzichtet werden. Wesentlich ist, dass die Frischluft in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors, vorzugsweise des aufgeladenen Ottomotors, einfach so erwärmt wird, indem ein vorhandener Ladeluftkühler wahlweise entweder von dem Kühlmedium des Motorkühlkreislaufs oder von dem Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs durchströmt wird, so dass die Frischluft entsprechend aufgewärmt wird. Insofern ist vorgesehen, dass der Luftkühler entweder von Kühlmedium aus einem Motorkühlkreislauf oder aus einem Luftkühlkreislauf durchströmt wird, so dass die Frischluft in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors auf einen Temperaturbetrag entsprechend dem Temperaturbetrag des Kühlmediums in dem Motorkühlkreislauf aufwärmbar ist, wenn der Luftkühler von dem Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf durchströmt wird. Dies ist im Sinne der Erfindung nur in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erforderlich. Wird der Luftkühler von dem Kühlmedium aus dem Luftkühlkreislauf durchströmt, wird die Frischluft natürlich entsprechend gekühlt (Ladeluftkühlkung).
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Der Motorkühlkreislauf ist über eine schaltbare Verbindung mit dem Luftkühlkreislauf verbunden, wobei der Luftkühlkreislauf im Folgenden als Ladeluftkühlkreislauf bezeichnet wird. Hierzu ist vorgesehen, dass der Motorkühlkreislauf einen Ventilabzweig aufweist, welcher in einem Steuerelement des Ladeluftkühlkreislaufs mündet, wobei dem Steuerelement in Strömungsrichtung des Kühlmediums ein Pumpelement nachgeschaltet ist, dem wiederum der Ladeluftkühler nachgeschaltet ist. Der Ventilabzweig ist aus dem Motorkühlkreislauf auslassseitig in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen hinter einem Abzweig zu einem Hauptwärmetauscher und vor einem Kabinenwärmetauscher angeordnet.
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Der Ladeluftkühlkreislauf weist eine Verbindungsleitung auf, welche in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen hinter dem Ladeluftkühler angeordnet ist, und in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen vor dem Kabinenwärmetauscher in dem Motorkühlkreislauf mündet.
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Das Steuerelement des Ladeluftkühlkreislaufs ist als Drei-Wege-Ventil ausgeführt. Das Steuerelement ist als schaltbares Ventil ausgeführt, welches über Betriebsparameter gesteuert wird. Hierzu kann das Steuerelement mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs in Verbindung stehen. Das Steuerelement ist bezüglich der Betriebsparameter Teillastbetrieb oder Volllastbetrieb steuerbar.
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Wesentlich ist, dass der Motorkühlkreislauf mit dem Ladeluftkühlkreislauf in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors über den Ventilabzweig und die Verbindungsleitung verbunden ist. Das Steuerelement in der Ausgestaltung als Drei-Wege-Ventil ist dann entsprechend geschaltet, so dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf in den Ladeluftkühlkreislauf strömen kann. Der eigentliche Ladeluftkühlkreislauf ist dann geschlossen. Die beiden Kühlmedienströme der beiden zuvor getrennten Kreisläufe vermischen sich also nicht, wenn das Steuerelement entsprechend geschaltet ist. Lediglich der Pfad aufweisend den Ventilabzweig, das Steuerelement, das Pumpelement und durch den Ladeluftkühler sowie die Rückführung über die Verbindungsleitung in den Motorkühlkreislauf kann durchströmt werden.
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In dem Motorkühlkreislauf kann das Kühlmedium auslassseitig, also nach Verlassen des Verbrennungsmotors eine Temperatur von bis zu 105°C aufweisen. Insofern kann das in dem Ladeluftkühlkreislauf, bzw. das in dem beschriebenen Strömungspfad strömende Kühlmedium eine entsprechende Temperatur aufweisen. Gelangt derartig heißes Kühlmedium in den Ladeluftkühler, wird sich die durch diesen strömende Frischluft entsprechend erwärmen bzw. aufheizen.
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Die Frischluft wird so durch einfache Mittel aufgewärmt, so dass sich deren Dichte reduziert. Dadurch wird erreicht, dass ein reduzierter Unterdruckbetrag erzeugt wird. Dadurch verringern sich Ladungswechselverluste.
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Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei Ottomotoren mit zumindest einem Turbolader. Bei diesen Motoren ist zum Kühlen der Ladeluft der Ladeluftkühler vorgesehen. Dieser kühlt die Ladeluft, bzw. die Frischluft auf ca. 30° bis 45°C. Bei Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors ist das Steuerelement so schaltbar, dass beide Kühlkreisläufe von einander getrennt sind. Erst bei Teillastbetrieb besteht eine Verbindung, bzw. wird Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf durch den Pfad Ventilabzweig, Steuerelement, Pumpelement, Ladeluftkühler und Verbindungsleitung zurück in den Motorkühlkreislauf strömend geführt, ohne dass sich beide Kühlmediumströme vermischen (das in dem Pfad befindliche Kühlmedium mit der entsprechenden Temperatur des Luftkühlkreislaufes, wird aus diesem Pfad ohne Vermischung mit dem eintretenden Kühlmedium herausgeführt). Der Pfad kann auch als Teillastumgehung bezeichnet werden. Insofern weist das Kühlsystem eine Teillastumgehung auf, die aus dem Motorkühlkreislauf bzw. seinem Heizungskreislauf vor seinem Kabinenwärmetauscher abzweigt, so dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf bei einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors durch den Luftkühler geleitet wird und, die in dem Motorkühlkreislauf bzw. seinem Heizungskreislauf vor seinem Kabinenwärmetauscher mündet, so dass die einlassseitige Frischluft bei dem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors generell frei von Zumischungen auf eine Temperatur oberhalb einer Kühltemperatur des Luftkühlers aufwärmbar ist. Natürlich kann die Teillastumgehung auch bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, welche keinen Ladeluftkühlkreislauf aufweisen, wobei dann lediglich die Teillastumgehung mit ihren Komponenten entsprechend angepasst installiert werden kann, wobei die Komponente Ladeluftkühler als entsprechender Wärmetauscher ausgeführt sein kann. Sinnvollerweise wird der vorhandene Ladeluftkühlkreislauf genutzt. Der Ladeluftkühler hat so eine Doppelfunktion. Zum einen bewirkt der Ladeluftkühler ein Abkühlen der Ladeluft. Zum anderen bewirkt der Ladeluftkühler ein Aufwärmen der Frischluft im Teillastbetrieb, wobei sich die beiden Kühlmediumströme nicht vermischen.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figurenbeschreibung offenbart, es zeigt die einzige:
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1 einen Verbrennungsmotor mit zugeordneten Kühlkreisläufen in prinzipieller Darstellung.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 der einen Motorkühlkreislauf 2 und einen Luftkühlkreislauf 3 aufweist. Der Luftkühlkreislauf 3 wird im Folgenden als Ladeluftkühlkreislauf 3 bezeichnet. In beiden Kühlkreisläufen 2 und 3 strömt jeweils ein Kühlmedium, bevorzugt herkömmlicher Art. In 1 ist eine Einlassleitung zum Zuführen von Frischluft nicht dargestellt. Ebenso ist ein Drosselelement in der Einlassleitung nicht dargestellt. Auch auf eine Darstellung eines Turboladers wurde verzichtet. Insofern zeigt Figur einen Verbrennungsmotor 1 der im wesentlichen dem Stand der Technik entspricht.
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Der Verbrennungsmotor 1 weist einlassseitig eine Wasserpumpe 4 und einen Thermostaten 6 auf. Auslassseitig ist ein Leitungsabschnitt 7 angeordnet, welcher aus dem Verbrennungsmotor 1 strömendes Kühlmedium ableitet. Der Leitungsabschnitt 7 mündet in einen Kühlerkreislauf 8 und in einen Heizungskreislauf 9, welche zusammen mit dem Leitungsabschnitt 7 den Motorkühlkreislauf 2 bzw. Hauptkühlkreislauf bilden.
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Der Kühlerkreislauf 8 zweigt auslassseitig aus dem Leitungsabschnitt 7 ab, und führt über eine Leitung 11 zu einem Hauptwärmetauscher 12. Von diesem führt eine Leitung 13 zum Thermostaten 6. Das Kühlmedium strömt so aus dem Verbrennungsmotor 1 kommend durch den Hauptwärmetauscher 12, in dem das Kühlmedium abgekühlt wird zurück zum Verbrennungsmotor 1.
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Der Heizungskreislauf 9 ist zunächst als Fortführung des Leitungsabschnitts 7 dargestellt, so dass Kühlmedium aus dem Verbrennungsmotor 1 kommend zu einem Kabinenwärmetauscher 14 bzw. Kabinenheizung 14 strömt. Von dem Kabinenwärmetauscher 14 führt eine Leitung 16 zum Thermostaten 6.
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Auslassseitig ist noch eine Leitung 17 vorgesehen, welche zu einer Entgasungseinrichtung 18 führt. Die Leitung 17 zweigt in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen vor dem Abzweig der Leitung 11 aus dem Leitungsabschnitt 7 ab. Von der Entgasungseinrichtung 18 führt eine Leitung 19 zum Motorkühlkreislauf 2 bzw. zu dem Heizungskreislauf 9 zurück. Die Leitung 18 mündet, wie beispielhaft dargestellt, in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen hinter dem Kabinenwärmetauscher 14 in dem Heizungskreislauf 9.
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Der Ladeluftkühlkreislauf 3 weist eine Pumpe 21, einen Luftkühler 22 und ein Kühlelement 23 auf. Zwischen den jeweiligen Komponenten sind entsprechende Leitungen vorgesehen. Der Luftkühler 22 wird im Folgenden als Ladeluftkühler 22 bezeichnet.
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Grundsätzlich ist der Ladeluftkühlkreislauf 3 von dem Motorkühlkreislauf 2 getrennt.
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Wesentlich ist, dass der Ladeluftkühlkreislauf 3 mit dem Motorkühlkreislauf 2 verbunden wird, wobei die Verbindung so schaltbar ist, dass der Motorkühlkreislauf 2 nur in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 1 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 3 verbunden ist. Sind beide Kreisläufe 2 und 3 miteinander verbunden, strömt Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 strömend durch einen Teilabschnitt des Ladeluftkühlkreislaufes 2, also entlang einem vorbestimmten Pfad, zurück in den Motorkühlkreislauf 2.
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Dem Ladeluftkühlkreislauf 3 ist ein Steuerelement 26 zugeordnet. Aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. aus dem Heizungskreislauf 9 zweigt ein Ventilabzweig 24 ab, der in dem Steuerelement 26 mündet. Das Steuerelement 26 ist in dem Ladeluftkühlkreislauf 3 in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen vor der Pumpe 21 angeordnet. In Strömungsrichtung des Mediums gesehen hinter dem Ladeluftkühler 22 ist eine Verbindungsleitung 27 angeordnet, die in Strömungsrichtung des Mediums gesehen vor dem Kabinenwärmetauscher 14 in dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. in dem Heizungskreislauf 9 mündet. Insofern wird Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. dem Heizungskreislauf 9 vor dem Kabinenwärmetauscher 14 abgezweigt und vor diesem wieder zugeführt.
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So ist ein Umgehungsabschnitt 28 bzw. eine Teillastumgehung 28 aus den entsprechenden Komponenten des Ladeluftkühlkreislaufs 3 zusammen mit dem Ventilabzweig 24, dem Steuerelement 26 und der Verbindungsleitung 27 gebildet.
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Das Steuerelement 26 ist als Drei-Wege-Ventil ausgeführt. Ist dieses so geschaltet, dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. aus dem Heizungskreislauf 9 über den Ventilabzweig 24, also den Umgehungsabschnitt 28 bzw. der Teillastumgehung 28 entlang strömt, ist der restliche Abschnitt des Ladeluftkühlkreislaufes 3 geschlossen. Ein zusätzliches Steuerelement ist vorgesehen, welches der Verbindungsleitung 27 zugeordnet ist, um zum Beispiel Saugverluste aus dem Rest der Ladeluftkühlkreislaufes 3 zu vermeiden.
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Wesentlich ist insgesamt, dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 zum Ladeluftkühler 22 geleitet, und anschließend dem Motorkühlkreislauf 2 wieder zurückgeführt wird. Das Kühlmedium kann auslassseitig eine Temperatur von bis zu 105°C bzw. einen Temperaturbetrag von 90°C bis 105°C aufweisen. Dieses relativ heiße Kühlmedium wird dem Motorkühlkreislauf 2, also seinem Heizungskreislauf 9 entnommen, und über den Umgehungsabschnitt bzw. über die Teillastumgehung 28 dem Motorkühlkreislauf 2, also seinem Heizungskreislauf 9 wieder zugeführt. Dabei durchströmt das relativ heiße Kühlmedium des Motorkühlkreislaufes 2 bzw. des Heizungskreislaufes 9 den Ladeluftkühler 22, durch den auch die Frischluft strömt, welche so auf eine Temperatur von bis zu 105°C, also auf eine Temperatur oberhalb einer Kühltemperatur des Ladeluftkühlers 22 aufgewärmt werden kann. Es wird eine schaltbare Verbindung der beiden Kreisläufe 2 und 3 zur Verfügung gestellt, so dass der Ladeluftkühler 22 sein Kühlmedium wahlweise aus beiden Kreisläufen 2 oder 3, welche unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen, beziehen kann. So wird eine thermische Entdrosselung erreicht.