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Die Erfindung betrifft eine Vorwärmanlage zum Erwärmen eines Dieselmotors, der einen Hochtemperaturkreislauf und einen Niedertemperaturkreislauf aufweist, mit einer Umwälzpumpe und einer Vorwärmeinheit zum Umwälzen und Erwärmen einer Wärmeaustauschflüssigkeit, wobei ein Zulauf, in dem eine Zulaufverzweigung zum Anschluss des Hochtemperaturkreislaufs und des Niedertemperaturkreislaufs angeordnet ist, und ein Rücklauf vorgesehen sind, in dem eine Rücklaufverzweigung zum Anschluss des Hochtemperaturkreislaufs und des Niedertemperaturkreislaufs angeordnet ist.
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Ein solcher Vorwärmkreislauf ist aus der Praxis bekannt. Dieselmotoren und insbesondere Großdieselmotoren, die in Lokomotiven oder Triebwagen eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden, können im kalten Zustand nicht gestartet werden. Aus diesem Grunde ist bei Fahrzeugen mit einem solchen Dieselmotor eine Vorwärmanlage vorgesehen, die elektrisch oder mittels Kraftstoff angetrieben wird. Um die benötigte Wärme in den kalten Dieselmotor einzubringen, wird die Kühlflüssigkeit des Dieselmotors beheizt, wobei die Kühlflüssigkeit über einen Vorwärmkreis umgewälzt wird. Die Kühlflüssigkeit, die im späteren Dieselbetrieb für die Kühlung des Dieselmotors sorgt, dient im kalten System somit als wärmendes Medium.
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Großdieselmotoren besitzen üblicherweise zwei parallele Kühlkreisläufe, nämlich einen Hochtemperaturkreislauf und einen Niedertemperaturkreislauf. Der Hochtemperaturkreislauf dient hauptsächlich zum Kühlen der Zylinderköpfe und der Zylinderlaufbuchsen. Darüber hinaus können Motorölkühler, Abgasrückführungssysteme und weitere Komponenten über den Hochtemperaturkreislauf gekühlt werden. Der Niedertemperaturkreislauf dient hingegen zum Kühlen der Verbrennungsluft, die zuvor durch Komprimierung in einem Turbolader erhitzt wurde. Die Kühlung der Verbrennungsluft bewirkt beim Verbrennungsprozess des Dieselmotors eine höhere Leistungsausbeute. In dem Niedertemperaturkreislauf können darüber hinaus auch weitere Baugruppen eingebunden sein. Der Grund für die Ausbildung zweier unabhängiger Kühlkreisläufe in einem Dieselmotor ist in den unterschiedlichen Arbeitstemperaturen zu sehen, die für ihren jeweiligen Einsatz erforderlich sind.
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Zum Abführen der Wärme sind sowohl der Hochtemperaturkreislauf als auch der Niedertemperaturkreislauf jeweils mit einem eigenen Kühler ausgerüstet, der die Abgabe von Wärme während des Betriebs des Dieselmotors ermöglicht. Um beim Vorwärmen durch die Kühler keine Wärmeverluste zu erzeugen, verfügen beide Kühlkreisläufe über Kühlerthermostate, die mit einem Bypass des jeweiligen Kühlers und mit dem Kühler selbst verbunden sind. Im kalten Zustand öffnet jedes Kühlerthermostat zum Bypass hin, so dass beim Vorwärmen das Kühlwasser nicht über den jeweiligen Kühler umgewälzt wird. Erreicht jedoch das Kühlwasser eine zuvor am Kühlerthermostat eingestellte Betriebstemperatur, öffnet das Kühlerthermostat zum Kühler hin und verschließt den Bypass, so dass der Umlauf anschließend nur noch über den jeweiligen Kühler erfolgt. Da die Betriebstemperaturen des Hochtemperaturkreislaufs und des Niedertemperaturkreislaufs unterschiedlich sind, öffnen auch die jeweiligen Kühlerthermostate bei unterschiedlichen Temperaturen den Umlauf zum Kühler hin. Zum Vorwärmen des Dieselmotors werden sowohl der Hochtemperaturkreislauf als auch der Niedertemperaturkreislauf mit einem Zulauf beziehungsweise einem Rücklauf einer Vorwärmanlage verbunden, so dass ein Vorwärmkreis ausgebildet ist, bei dem eine Wärmeaustauschflüssigkeit über Hoch- und Niedertemperaturabschnitt des Dieselmotors umgewälzt wird. Die vorgewärmte Wärmeaustauschflüssigkeit wird somit über beide Kühlkreisläufe geführt. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, sind zunächst beide Kühlerthermostate lediglich zum Bypass hin geöffnet, so dass die vorgewärmte Wärmeaustauschflüssigkeit nicht über die Kühler geführt wird. Da die Betriebstemperaturen der Kühlkreisläufe unterschiedlich sind, öffnet eines der Kühlerthermostate, nämlich das Kühlerthermostat des Niedertemperaturkreislaufs, bevor die Betriebstemperatur des Hochtemperaturkreislaufs erreicht ist. Dadurch wird beim Vorwärmen die eingebrachte Wärme über den Kühler des Niedertemperaturkreislaufs wieder an die Außenumgebung abgegeben. Der dabei entstehende Energieverlust ist unerwünscht. Darüber hinaus verlangsamt sich der Vorwärmvorgang.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, beim Vorwärmen einen größeren Volumenstrom an Wärmeaustauschflüssigkeit in den Hochtemperaturkreislauf einzubringen. Dieser wird nicht nur bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben, sondern weist auch ein größeres Flüssigkeitsvolumen auf als der parallel geschaltete Niedertemperaturkreislauf. Ein unterschiedlich großer Volumenstrom an erwärmter Vorwärmflüssigkeit wird durch eine Drosselblende erzeugt, die im Niedertemperaturkreislauf angeordnet ist. Die Drosselblende stellt für die beim Vorwärmen umgewälzte Wärmeaustauschflüssigkeit einen Strömungswiderstand dar, so dass mehr Wärmeaustauschflüssigkeit in den Hochtemperaturkreislauf eingebracht wird. Die Einstellung der Drosselblende ist jedoch aufwändig, weil unterschiedliche Umgebungstemperaturen zu unterschiedlichen Vorwärmzeiten und unterschiedlichen Energieeinträgen in die jeweiligen Kühlkreise führen. Darüber hinaus wird selbst bei Aufnahme einer Drosselblende in den Niedertemperaturkreis der Nachteil hingenommen, dass das Kühlerthermostat des Niedertemperaturkreises vor Beendigung der Vorwärmphase öffnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorwärmanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der Vorwärmeverluste soweit wie möglich vermieden werden können und sich der Vorwärmvorgang beschleunigt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Vorlaufverzweigung und/oder Rücklaufverzweigung durch jeweils ein Thermostatventil ausgebildet ist/sind, wobei jedes Thermostatventil einen Umlauf der Wärmeaustauschflüssigkeit entweder in dem Hochtemperaturkreislauf oder dem Niedertemperaturkreislauf in Abhängigkeit einer Umschalttemperatur ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist im Vorlauf eines Vorwärmkreises, der nach der Verbindung des Vorlaufs und des Rücklaufs der Vorwärmanlage mit dem Hochtemperaturkreislauf und dem Niedertemperaturkreislauf des Dieselmotors entsteht, ein Thermostatventil angeordnet, das einen schaltbaren Verzweigungspunkt darstellt. Mit Hilfe des Thermostatventils kann festgelegt werden, ob die Wärmeaustauschflüssigkeit zum Aufheizen des Dieselmotors entweder über den Hochtemperaturkreislauf oder aber über den Niedertemperaturkreislauf umgewälzt wird. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Umwälzvorgang gezielt über einen der beiden Kreisläufe zu lenken oder dann abzubrechen, wenn beispielsweise die notwendige Betriebstemperatur erreicht ist. Auf diese Art und Weise können Verluste vermieden und die Vorwärmphase somit verkürzt werden.
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Zweckmäßigerweise ist jedes Thermostatventil mit einem Temperatursensor verbunden ist, der ein Steuersignal zum Öffnen oder Schließen des Thermostatventils bereitstellt. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind Thermostatventil und Temperatursensor als zwei separate Bauteile ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Thermostatventil durch den Temperatursensor fernsteuerbar, wobei der Temperatursensor an beliebigen Stellen im Dieselmotor, beispielsweise im Niedertemperaturkühlkreislauf, angeordnet sein kann. Die Verbindung zwischen dem Thermostatventil und dem Temperatursensor ist beispielsweise eine mechanische Verbindung, wobei die Ausdehnung einer temperaturempfindlichen Substanz oder eines temperaturempfindlichen Materials im Temperatursensor über eine abgeschlossene Medienleitung hydraulisch oder pneumatisch an das Thermostatventil übertragen wird. Abweichend davon ist die Verbindung eine elektrische Signalverbindung, beispielsweise eine kabelgeführte Kommunikationsleitung. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch eine kabellose Kommunikationsverbindung, beispielsweise über Funk, Bluetooth oder dergleichen, zwischen Temperatursensor und Thermostatventil möglich. Auf diese Art und Weise ist ein ganz gezieltes Verknüpfen des Umschaltvorgangs des Thermostatventils mit der Temperatur eines zweckmäßigen Bauteiles oder Kühlkreises des Dieselmotors ermöglicht.
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Erfindungsgemäß kann das Umschalten des Thermostatventils schnell erfolgen, so dass entweder ein Umlauf nur über den Hochtemperaturkreis oder nur über den Niedertemperaturkreis erfolgt. Abweichend hiervon erfolgt das Umschalten allmählich, also so langsam, dass über eine sich im Hinblick auf einen erfassbaren Wärmeaustausch relevante Zeitdauer hinweg der Umlauf sowohl über den Niedertemperatur- als auch über den Hochtemperaturkreislauf erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperatursensor im Niedertemperaturkreislauf anordenbar und zum Erfassen der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit in dem Niedertemperaturkreislauf eingerichtet. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist das Thermostatventil so eingestellt, dass zunächst der Niedertemperaturkreislauf durch die erfindungsgemäße Vorwärmanlage erwärmt wird, wobei die Verbindung des Vorlaufs mit dem Hochtemperaturkreislauf unterbrochen ist. Erreicht die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im Niedertemperaturkreislauf die eingestellte Umschalttemperatur, schaltet das Thermostatventil um, so dass die Umwälzpumpe der Vorwärmanlage die erwärmte Wärmeaustauschflüssigkeit zumindest auch über den Hochtemperaturkreislauf umwälzt. Das Thermostatventil arbeitet bevorzugt mechanischen, nämlich durch Wärmeausdehnungen von Thermostatpatronen, die auch entfernt vom Ventil angeordnet sein können. Es handelt sich in diesen Fällen nicht um eine digitale Umschaltung, sondern um ein allmähliches Öffnen des Thermostatventils. Somit können Hochtemperatur- und Niedertemperaturkreislauf über die Umschaltzeitdauer hinweg gleichzeitig erwärmt werden. Selbstverständlich liegt auch der Einsatz digitaler Thermostatventile, die entweder den einen Kreislauf oder den anderen Kreislauf mit der Vorwärmanlage verbinden im Rahmen der Erfindung. Unterschreitet die in dem Niedertemperaturkreislauf dann verbleibende Wärmeaustauschflüssigkeit anschließend die Umschalttemperatur, kommt es zu einem erneuten Umschalten des Thermostatventils und somit zu einem erneuten verstärkten Umwälzen über den Niedertemperaturkreislauf. Dieser wird anschließend wieder so weit erwärmt, bis die Betriebstemperatur erreicht ist. Anschließend erfolgt ein erneutes Umschalten und Umwälzen über den Hochtemperaturkreislauf. Dieser Vorgang kann sich so lange wiederholen, bis die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit in dem Hochtemperaturkreislauf der zuvor eingestellten Betriebstemperatur entspricht. Anschließend kann der Dieselmotor gestartet und die Vorwärmanlage abgeschaltet werden. Zweckmäßigerweise wird die Wärmeaustauschflüssigkeit dann von der Motorkühlung entgegen der Umwälzrichtung der Vorwärmanlage durch den Dieselmotor geführt.
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Zweckmäßigerweise liegt die Umschalttemperatur unterhalb einer Öffnungstemperatur eines Kühlerthermostats des Niedertemperaturkreislaufs oder des Hochtemperaturkreislaufs. Wird beispielsweise durch das Thermostatventil zunächst die Verbindung zwischen Vorlauf- und Niedertemperaturkreislauf geöffnet, erfolgt ein Erwärmen des Dieselmotors über den Niedertemperaturkreislauf. Kurz bevor die Temperatur des Wärmeaustauschmittels im Niedertemperaturkreislauf die Umschalttemperatur des Kühlerthermostats des Niedertemperaturkreislaufs erreicht und dieses dann die Verbindung zum Kühler mit einem Wärmeverlust um Gefolge freigegeben würde, unterbricht das Thermostatventil das Umwälzen über den Niedertemperaturkreislauf und öffnet die Verbindung zwischen Vorlauf- und Hochtemperaturkreislauf, so dass dieser so lange erwärmt wird, bis die Betriebstemperatur erreicht ist.
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Zweckmäßigerweise sind der Vorlaufverzweigung Rückschlagventile nachgeordnet. Die Rückschlagventile verhindern, dass im Anschluss an das Vorwärmen bei laufendem Dieselmotor die Kühlflüssigkeit über die Komponenten der Vorwärmanlage umgewälzt wird.
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Zweckmäßigerweise ist jedem Thermostatventil ein mit dem Hochtemperaturkreislauf verbindbarer Hochtemperaturbypass und ein mit dem Niedertemperaturkreislauf verbindbarer Niedertemperaturbypass parallel geschaltet, wobei in dem Hochtemperaturbypass und in dem Niedertemperaturbypass Absperrventile angeordnet sind. Mit Hilfe des Bypasses ist es möglich, bei laufendem Dieselmotor entweder den Hochtemperaturkreislauf oder den Niedertemperaturkreislauf oder beide gleichzeitig zusätzlich zu beheizen. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die Absperrventile ansteuerbare Absperrventile sind. Ansteuerbare Absperrventile können beispielsweise vom Führerstand des Schienenfahrzeugs fern betätigt werden. Abweichend hiervon sind die Absperrventile von Hand betätigbare Absperrventile.
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Weitere Ausführungsbeispiel und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und
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1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage in einer schematischen Darstellung,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage zeigen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage 1, die über eine Vorwärmeinheit 2 zum Erwärmen einer Wärmeaustauschflüssigkeit sowie über eine figürlich nicht dargestellte Umwälzpumpe verfügt, welche die erwärmte Wärmeaustauschflüssigkeit über einen Vorlauf 3 sowie einen Rücklauf 4 umwälzt. Die Vorwärmanlage 1 verfügt ferner über eine nicht gezeigte Energieversorgung, hier eine Batterie, zur Energieversorgung der Vorwärmeeinheit 2 und der Umwälzpumpe. Der Vorlauf 3 sowie der Rücklauf 4 weisen jeweils einen Verzweigungspunkt 5 beziehungsweise 6 auf, mit welcher der Vorlauf 3 in die Vorlaufzweige 3H sowie 3T aufgespaltet wird. Am Verzweigungspunkt 6 werden Rücklaufzweige 4H und 4T vereinigt.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung die schwarz gezeichneten, mit Pfeilen versehenen Striche schematisch rohrförmigen Leitungen darstellen, die das Führen der Wärmeaustauschflüssigkeit unter gleichzeitigem Wärmeaustausch ermöglichen. Die Vorwärmanlage 1 ist mit dem Kühlsystem eines Dieselmotors 7 verbunden. Das besagte Kühlsystem bildet einen Hochtemperaturbereich oder mit anderen Worten Hochtemperaturkreislauf 8 sowie einen Niedertemperaturbereich beziehungsweise Niedertemperaturkreislauf 9 aus. Der Vorlauf 3 der Vorwärmanlage 1 ist über den Vorwärmzweig 3H mit dem Hochtemperaturkreislauf 8 und über den Vorwärmzweig 3T mit dem Niedertemperaturkreislauf 9 eingangsseitig verbunden, wobei der Hochtemperaturkreislauf 8 ausgangsseitig mit dem Rücklaufzweig 4H und der Niedertemperaturkreislauf 9 ausgangsseitig mit dem Rücklaufzweig 4T verbunden ist. Wärmeaustauschstellen 11 und 12 des Dieselmotors des Hochtemperaturkreislaufs 8 beziehungsweise des Niedertemperaturkreislaufs 9 sind ebenfalls schematisch dargestellt.
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Der Hochtemperaturkreislauf 8 verfügt über ein Hochtemperaturkühlerthermostat 13. Der Niedertemperaturkreislauf 9 weist hingegen ein Niedertemperaturkühlthermostat 14 auf. Die Kühlerthermostate 14, 13 sind jeweils mit einem Kühler 15 verbunden ist, der von einem Lüfter 16 versehen ist. Dabei kann jeder Kühler 15 über einen Bypass 17 überbrückt werden, wenn die vom jeweiligen Kühlerthermostat 13 beziehungsweise 14 eingangsseitig erfasste Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit kleiner ist als die am jeweiligen Kühlerthermostat 13, 14 eingestellte Betriebstemperatur. Die Temperaturerfassung der jeweiligen Kühlerthermostate 13 beziehungsweise 14 ist in 1 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Im kalten Zustand wird der jeweilige Lüfter 16 sowohl im Hochtemperaturkreislauf 8 als auch im Niedertemperaturkreislauf 9 überbrückt.
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Erfindungsgemäß ist der Vorlaufverzweigungspunkt 5 durch ein Thermostatventil 18 ausgebildet, das mit einem im Dieselmotor 7 an der Wärmeaustauschstelle 12 angeordneten figürlich nicht dargestellten Temperatursensor über eine Kommunikationsverbindung 19 verbunden ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kommunikationsverbindung 19 entweder eine Medienleitung, die die Ausdehnung der temperaturempfindlichen Substanz vom Temperatursensor an das Thermostatventil überträgt, oder eine elektrische oder optische Datenübertragungsleitung, über die die ausgangsseitig vom Temperatursensor bereitgestellten Messsignale an das Thermostatventil 18 überführt werden.
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Die Wirkungsweise der in 1 dargestellten Vorwärmanlage ist wie folgt: Zum Starten des Dieselmotors 7 muss dieser erwärmt werden. Die Vorwärmeinheit 2 weist hierzu die elektrisch oder kraftstoffbetriebene betriebene Vorwärmeinheit 2 auf, welche die Wärmeaustauschflüssigkeit erwärmt. Die ebenfalls durch die Batterie der Vorwärmanlage angetriebene, nicht dargestellte Umwälzpumpe wälzt die erwärmte Wärmeaustauschflüssigkeit über den Vorlauf 3 und das Thermostatventil 18 um, wobei der Vorlauf 3 zunächst nur über den Vorlaufzweig 3T mit dem Niedertemperaturkreislauf 9 verbunden ist. Die erwärmte Wärmeaustauschflüssigkeit tritt somit von dem Vorlauf 3 in den Niedertemperaturkreislauf 9 ein und fließt über den Rücklaufzweig 4T anschließend in den Rücklauf 4 der Vorwärmanlage 1. Der Vorwärmkreis ist somit durch den Vorlauf 3, den Niedertemperaturkreislauf 9 sowie den Rücklauf 4 ausgebildet. Das Thermostatventil 18 ist auf eine Umschalttemperatur eingestellt. Überschreitet die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im Niedertemperaturkreislauf 9 die Umschalttemperatur, schaltet das Thermostatventil 18 den Vorlauf 3 um, so dass dieser über den Vorlaufzweig 3H lediglich mit dem Hochtemperaturkreislauf 8 verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise liegt die Betriebstemperatur des Thermostatventils 18 knapp unterhalb der Umschalttemperatur des Niedertemperaturkühlerthermostats 14, so dass der Kühler 15 beim Vorwärmen überbrückt bleibt und kein unerwünschter Wärmeverlust entsteht. Der Vorwärmkreis ist dann durch den Vorlauf 3, den Hochtemperaturkreislauf 8 sowie den Rücklauf 4 gebildet. Erreicht der Vorwärmkreislauf 8 ebenfalls Betriebstemperatur, kann der Dieselmotor 7 gestartet werden. Eine zweckmäßige Anzeige im Führerstand verdeutlicht der Erwärmungszustand des Dieselmotors 7.
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Während der Vorwärmphase sind die Umwälzpumpen des Niedertemperaturkreislaufs 9 sowie des Hochtemperaturkreislaufs 8 ausgeschaltet. Nach dem Starten des Dieselmotors 7 wird die Vorwärmanlage abgeschaltet. Anschließend übernehmen die Umwälzpumpen der Dieselmotorkühlung, die in 1 nicht dargestellt sind, das Umwälzen der Wärmeaustauschflüssigkeit entgegen gesetzt zu der in der Figur durch die Pfeile eingezeichneten Richtung. Die Vorwärmanlage 1 kann dann überbrückt werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage 1, die weitestgehend der in 2 gezeigten Vorwärmanlage 1 entspricht, wobei jedoch im Vorlauf 3 der vorgenannten Anlage 1 und zwar sowohl im Vorlaufzweig 3H als auch im Vorlaufzweig 3T Rückschlagventile 20 angeordnet sind, die verhindern, dass Wärmeaustauschflüssigkeit im Dieselbetrieb entgegen gesetzt zu der in 1 gezeigten Richtung über die Vorwärmanlage 1 umgewälzt wird.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorwärmanlage 1, wobei das Thermostatventil 18 einmal durch einen Hochtemperaturbypass 21 sowie einen Niedertemperaturbypass 22 überbrückt ist. Der Hochtemperaturbypass 21 sowie der Niedertemperaturbypass 22 weisen jeweils ein elektrisch ansteuerbares Absperrventil 23 auf. Darüber hinaus ist eingangsseitig des Thermostatventils 18 ein weiteres ansteuerbares Absperrventil 23 angeordnet. Mit Hilfe der Absperrventile 23 ist es möglich, gezielt entweder den Hochtemperaturkreislauf 8 als auch Niedertemperaturkreislauf 9 als auch beide Temperaturkreisläufe gleichzeitig mit der Vorwärmanlage 1 zu verbinden, wobei das eingangsseitig des Thermostatventils 18 angeordnete Absperrventil 23 in seine Sperrstellung überführt wird. Eine solche vom Thermostat 18 entkoppelte Verbindung der Kühlkreisläufe 8, 9 mit der Vorwärmanlage 1 ist beispielsweise im Zuheizbetrieb erwünscht, bei dem die Vorwärmanlage 1 bei laufendem Dieselmotor 7 weiterhin Wärme zum schnellen Erwärmen des Dieselmotors bereitstellt.
