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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug zur Kühlung eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung ist jedoch auch in Kühlsystemen für Verbrennungsmotoren außerhalb von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in einer stationären Anlage, anwendbar.
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Verbrennungsmotoren müssen im Betrieb gekühlt werden. Hierfür ist in der Regel ein Wasser als Kühlmedium führender Kühlkreislauf eines Kühlsystems vorgesehen, mit welchem Wärme aus dem Verbrennungsmotor abgeführt wird. Um die vom Verbrennungsmotor aufgenommene Wärme wieder aus dem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, abzuleiten, weist das Kühlsystem einen Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlmediums auf. Bei dem Wärmetauscher handelt es sich in der Regel um einen Wasser-Luft-Wärmetauscher, der somit mittels eines Luftstroms konvektiv Wärme abführt. Zur Erzielung einer erzwungenen Konvektion ist dem Wärmetauscher ein Lüfterrad zugeordnet, das einen durch den oder über den Wärmetauscher geführten Luftstrom erzeugt. Das Lüfterrad wird in der Regel durch den Verbrennungsmotor angetrieben.
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Um die Leistungsaufnahme beziehungsweise die Drehzahl des Lüfterrades regeln zu können, werden vielfach Viskokupplungen eingesetzt, die üblicherweise direkt in der Nabe des Lüfterrades angeordnet sind. Es wurde jedoch bereits auch vorgeschlagen, eine hydrodynamische Kupplung in die Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Lüfterrad einzubringen, sodass die Antriebsleistung vom Verbrennungsmotor auf das Lüfterrad hydrodynamisch übertragen wird.
EP 1 611 325 B1 beschreibt ein solches Kühlsystem mit einer hydrodynamischen Kupplung in der Triebverbindung zum Lüfterrad, wobei die hydrodynamische Kupplung regelbar ausgeführt ist, um damit deren Leistungsübertragung auf das Lüfterrad variabel einzustellen. Die hydrodynamische Kupplung ist außerhalb des Verbrennungsmotors in der Nähe des Lüfterrades positioniert und wird entweder mit einem eigenen Arbeitsmediumversorgungssystem oder mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufes als Arbeitsmedium betrieben.
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DE 10 2007 056 492 B3 beschreibt eine in die Nabe des Lüfterrades eines Fahrzeugkühlsystems integrierte hydrodynamische Kupplung.
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Obwohl die vorgeschlagenen hydrodynamischen Kupplungen in der Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Lüfterrad bereits eine komfortable und sichere Regelung der Drehzahl des Lüfterrades ermöglichen, besteht ein Bedarf, ein solches Kühlsystem mit über eine hydrodynamische Kupplung angetriebenem Lüfterrad hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellungskosten zu vereinfachen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Kühlung eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei welchem die hydrodynamische Kupplung kostengünstig integriert werden kann. Zugleich soll das System zuverlässig arbeiten.
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Die vorliegende Erfindung wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Gestaltungen der Erfindung angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem zur Kühlung eines Verbrennungsmotors weist einen kühlmediumführenden Kühlkreislauf sowie einen im Kühlkreislauf zu seiner Kühlung positionierten Verbrennungsmotor auf. Der Verbrennungsmotor kann unmittelbar im Kühlkreislauf positioniert sein, das heißt vom Kühlmedium durchströmt werden. Dabei kann ein einzelner singulärer Kühlkreislauf vorgesehen sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, einen Sekundärkreislauf vorzusehen, von dessen Medium der Verbrennungsmotor durchströmt wird und der seine Wärme an einen primären Kühlkreislauf des Kühlsystems abgibt.
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Im (primären) Kühlkreislauf ist ein Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlmediums vorgesehen, damit die im Verbrennungsmotor aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt werden kann. Dem Wärmetauscher ist entsprechend ein Lüfterrad zugeordnet, mittels welchem ein Kühlluftstrom erzeugbar ist. Der Kühlluftstrom wird in der Regel durch den Wärmetauscher hindurch und/oder über diesen hinweg geleitet, sodass die eingangs genannte erzwungene Konvektion erfolgt.
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Das Lüfterrad steht zu seinem Antrieb in einer Triebverbindung mit dem Verbrennungsmotor und in dieser Triebverbindung ist eine die Antriebsleistung vom Verbrennungsmotor auf das Lüfterrad übertragene hydrodynamische Kupplung positioniert, umfassend ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen, mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden.
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Erfindungsgemäß ist nun die hydrodynamische Kupplung in den Verbrennungsmotor integriert.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung kann nicht nur eine besonders kompakte Ausgestaltung erreicht werden, da nun das Lüfterrad vergleichsweise dicht an den Verbrennungsmotor gesetzt werden kann, insbesondere auf einem Nebenabtrieb desselben positioniert und von diesem getragen, sondern auch eine Abdichtung der hydrodynamischen Kupplung beziehungsweise dessen das Arbeitsmedium führenden Systems kann vereinfacht werden, besonders wenn das Motoröl, mit welchem der Verbrennungsmotor geschmiert wird, zugleich das Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung ist. So wird nämlich aus der hydrodynamischen Kupplung austretendes Arbeitsmedium, insbesondere Motoröl, vom Verbrennungsmotor aufgefangen und gelangt nicht in die Umgebung.
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Besonders vorteilhaft ist die hydrodynamische Kupplung auf einer Primärseite des Verbrennungsmotors in diesen integriert. Die Primärseite steht einer Sekundärseite des Verbrennungsmotors gegenüber, an der in der Regel ein Wechselgetriebe, beispielsweise Automatgetriebe, automatisiertes Schaltgetriebe oder Handschaltgetriebe angeschlossen ist.
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Günstig ist, wenn die hydrodynamische Kupplung ein Gehäuse aufweist, welches das Pumpenrad und das Turbinenrad umschließt, und das Gehäuse in eine Innenwand und/oder eine Außenwand des Verbrennungsmotors eingesteckt in dieser montiert ist. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Gehäuse durch das Pumpenrad oder das Turbinenrad und eine an dieses angeschlossene Gehäuseschale gebildet wird, die dann das andere beschaufelte Rad (wenn das Pumpenrad an der Gehäuseschale angeschlossen ist das Turbinenrad und wenn das Turbinenrad an der Gehäuseschale angeschlossen ist das Pumpenrad) umschließt. In diesem Fall läuft somit das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung um, wohingegen bei der erstgenannten Ausführungsform das Gehäuse stationär ist.
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Beispielsweise kann das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung einen Deckelkörper aufweisen, durch welchen eine das Pumpenrad tragende oder mit diesem in mechanischer Triebverbindung stehende Welle und/oder eine das Turbinenrad tragende oder mit dieser in mechanischer Triebverbindung stehende Welle geführt und insbesondere in diesem gelagert ist, und der Deckelkörper kann in die Innenwand und/oder Außenwand des Verbrennungsmotors eingesteckt sein. Bei einem umlaufenden Gehäuse kann ebenfalls ein Deckelkörper vorgesehen sein, der dann jedoch nicht drehfest an dem Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung angeschlossen ist, sondern lediglich die Pumpenradwelle und/oder die Turbinenradwelle trägt, insbesondere mittels eines im Deckelkörper eingesetzten Lagers. Das Lager kann beispielsweise ein sogenanntes Festlager sein, das heißt ein Axial-Radial-Lager, das sowohl axiale Kräfte als auch radiale Kräfte aus der entsprechenden Welle aufnimmt.
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Bei einer Ausführungsform mit einem Deckelkörper, der insbesondere mit wenigstens einem weiteren Gehäuseteil zur Ausbildung des Gehäuses die hydrodynamische Kupplung vollständig umschließt oder separat zu dem Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen ist, kann der Deckelkörper eine Öffnung in der Innenwand und/oder der Außenwand des Verbrennungsmotors abdichtend verschließen, wobei hierunter sowohl solche Ausführungsformen mit einem Dichtelement zwischen Deckelkörper und Innenwand beziehungsweise Außenwand als auch ohne Dichtelement zwischen dem Deckelkörper und der Innenwand beziehungsweise Außenwand zu verstehen sind.
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Vorteilhaft weist die hydrodynamische Kupplung einen Arbeitsmediumeinlass und einen Arbeitsmediumauslass auf, wobei im Arbeitsmediumeinlass und/oder im Arbeitsmediumauslass eine die Arbeitsmediumströmung einstellendes Ventil vorgesehen ist, um dadurch den Füllungsgrad des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium entweder ausschließlich zwischen einem gefüllten und einem entleerten Zustand oder zur Steuerung beziehungsweise Regelung der Leistungsübertragung der hydrodynamischen Kupplung variabel einstellen zu können. Das Ventil ist in einer besonders günstigen Ausführungsform von der Außenseite des Verbrennungsmotors im montierten Zustand desselben zugänglich, das heißt auf das Ventil kann ohne Demontage beziehungsweise substantielle Demontage des Verbrennungsmotors zugegriffen werden, beispielsweise um dieses auszutauschen, einzustellen und/oder zu warten. Beispielsweise kann das Ventil in dem oder an dem Deckelkörper montiert sein, der in die Wand des Verbrennungsmotors eingesetzt ist.
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Die hydrodynamische Kupplung ist Vorteilhaft als frei abspritzende Kupplung innerhalb des Gehäuses des Verbrennungsmotors positioniert, sodass aus dem Arbeitsmediumauslass austretendes Arbeitsmedium über eine oder mehrere Öffnungen im Kupplungsgehäuse, insbesondere Auslassdrosseln, frei in einen Raum innerhalb des Motorgehäuses austritt.
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Wenn der Verbrennungsmotor einen Nebenabtrieb, insbesondere auf dessen Primärseite, aufweist, an welchem das Lüfterrad in einer Triebverbindung angeschlossen ist, wobei das Lüfterrad insbesondere von diesem Nebenabtrieb getragen wird, so ist innerhalb des Verbrennungsmotors vorteilhaft ein Rädertrieb vorgesehen, der den Nebenabtrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in einer Triebverbindung verbindet. Die hydrodynamische Kupplung kann nun in diesen Rädertrieb integriert sein, das heißt der Antriebsleistungsfluss von der Kurbelwelle verläuft durch die hydrodynamische Kupplung und anschließend in den Rädertrieb und dann zum Nebenabtrieb oder von der Kurbelwelle in einen ersten Teil des Rädertriebes durch die hydrodynamische Kupplung zurück in den Rädertrieb durch einen zweiten Teil desselben und weiter zum Nebenabtrieb oder von der Kurbelwelle in den Rädertrieb, von diesem durch die hydrodynamische Kupplung und dann zum Nebenabtrieb. In den Rädertrieb kann auch der Antrieb einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, mit welcher die Öffnungszeiten der Zylinderventile des Verbrennungsmotors gesteuert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung auf einer Pumpenradwelle positioniert, und das Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung ist auf einer Turbinenradwelle positioniert. Die Pumpenradwelle trägt zu deren Antrieb ein erstes Ritzel und die Turbinenradwelle trägt zum Abführen der Antriebsleistung aus der hydrodynamischen Kupplung ein zweites Ritzel. Jedes der beiden Ritzel kann jeweils mit einem relativ zu diesem größeren Zahnrad, das heißt einem Zahnrad mit einer größeren Zähnezahl als das Ritzel in dem Rädertrieb eine Übersetzung ausbilden, sodass im Antriebsleistungsfluss vom Rädertrieb oder auch von der Kurbelwelle zum Pumpenrad eine Übersetzung ins Schnelle und vom Turbinenrad zum Rädertrieb oder auch vom Turbinenrad zum Nebenabtrieb eine Übersetzung ins Langsame gebildet wird.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle eines Rädertriebes mit Zahnrädern und entsprechenden Ritzeln der hydrodynamischen Kupplung Reibräder oder Riemengetriebe vorzusehen, wobei entsprechende Übersetzungen, wie dargestellt, ausgebildet werden können.
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Besonders vorteilhaft kann die hydrodynamische Kupplung außerhalb des Verbrennungsmotors montiert, insbesondere vollständig montiert werden und anschließend im montierten Zustand mit ihrem Gehäuse von außen in den Verbrennungsmotor eingesteckt werden, sozusagen als vormontierte Einheit.
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Besonders bei der Ausbildung der hydrodynamischen Kupplung als vormontierte Einheit, jedoch auch bei anderen Ausführungsformen, kann die hydrodynamische Kupplung oder der Verbrennungsmotor den genannten Deckelkörper aufweisen, der in eine Wand des Verbrennungsmotors eingesetzt wird, und der vorteilhaft ein Lager zur Lagerung der Pumpenradwelle oder der Turbinenradwelle, beispielsweise als Festlager, trägt. Ein zweites entgegengesetzt zu dem ersten Lager positioniertes Lager, das insbesondere als Loslager, das heißt reines Radiallager ausgeführt ist, das die entsprechend andere Welle der hydrodynamischen Kupplung trägt, kann dann in eine Lageraufnahme im Verbrennungsmotor eingesteckt werden. Diese Lageraufnahme kann durch ein umlaufendes Teil, beispielsweise ein Zahnrad, oder ein stationäres Teil, beispielsweise eine Wand des Verbrennungsmotors, gebildet werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Welle der hydrodynamischen Kupplung in ein Lager im Verbrennungsmotor eingesteckt werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
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In der 1 ist ein Verbrennungsmotor 20 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, der eine Primärseite 21 und eine Sekundärseite 22 aufweist. An der Sekundärseite 22 ist ein Wechselgetriebe 23 angeschlossen, das mittels der Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors angetrieben wird, um somit beispielsweise Antriebsräder des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) anzutreiben.
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Der Verbrennungsmotor 20 weist ein Motorgehäuse 17 auf, das die Bauteile des Verbrennungsmotors 20 umschließt und gegenüber der Umgebung öldicht abgedichtet ist, damit das Motoröl, das zur Schmierung des Verbrennungsmotors 20 dient, nicht in die Umgebung gelangt.
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In das Motorgehäuse 17 ist ein Deckelkörper 14 eingesetzt. Dieser trägt ein erstes Lager 10 der hydrodynamischen Kupplung 18, wohingegen ein zweites Lager 19 der hydrodynamischen Kupplung 18, die als vormontierte Einheit 11 in den Verbrennungsmotor 20 eingesteckt und in diesem montiert werden kann, in ein Bauteil des Verbrennungsmotors 20 eingesteckt ist, hier beispielsweise in eine Nabe des Zwischenrades 7, über welches die Kurbelwelle 5 eine Nockenwelle 13 mittels eines Rädertriebes 25 antreibt. Das Zwischenrad 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum auf einer Welle gelagert, die im Motorgehäuse 17 in einer inneren oder äußeren Wand durch das Lager 24 gelagert ist. Alternativ könnte auch das zweite Lager 19 der hydrodynamischen Kupplung 18 direkt im Motorgehäuse 17 gelagert sein.
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Die hydrodynamische Kupplung 18 weist ein beschaufeltes Pumpenrad 1 und ein beschaufeltes Turbinenrad 2 auf, die gemeinsam den torusförmigen Arbeitsraum 26 ausbilden. In diesen wird über einen Arbeitsmediumeinlass Arbeitsmedium zugeführt und über einen Arbeitsmediumauslass aus diesem abgeführt. Der Arbeitsmediumeinlass ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Zulauf 8 im Deckelkörper 14 gebildet, in dem ein Ventil 12 vorgesehen ist. Das Ventil 12 kann beispielsweise als getaktetes Auf-Zu-Ventil oder auch als Proportionalventil ausgeführt sein. Vom Zulauf 8 strömt das Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung 18, als welches Motoröl des Verbrennungsmotors 20 verwendet wird, über eine Übergabestelle 15 in einem Gehäuse 3 der hydrodynamischen Kupplung 18 in den Arbeitsraum 26. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse 3 der hydrodynamischen Kupplung 18 durch eine Gehäuseschale 27 gebildet, die drehfest am Pumpenrad 1 angeschlossen ist und das Turbinenrad 2 zusammen mit dem Pumpenrad 1 zwischen sich einschließt. Zwischen der Gehäuseschale 27 und dem Deckelkörper 14 ist ein Dichtspalt 16 ausgebildet.
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Der Arbeitsmediumauslass aus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung 18 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Auslassdrossel 4 in der umlaufenden Gehäuseschale 27 gebildet, wobei auch mehrere solcher Auslassdrosseln über dem Umfang der hydrodynamischen Kupplung 18 verteilt vorgesehen sein können. Bei dieser hydrodynamischen Kupplung 18 handelt es sich somit um eine sogenannte abspritzende hydrodynamische Kupplung 18. Das aus der oder den Auslassdrosseln 4 austretende Arbeitsmedium gelangt in den Ölsumpf 28 innerhalb des Motorgehäuses 17.
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Im Motorgehäuse 17 ist ferner eine Lüfterwelle 6 gelagert, die außerhalb des Verbrennungsmotors 20 ein Lüfterrad 29 trägt. Die somit aus dem Motorgehäuse 17 herausragende Lüfterwelle 6 kann beispielsweise mittels einer Dichtung 9 gegenüber dem Motorgehäuse 17 abgedichtet sein. Die Lüfterwelle 6 bildet somit einen Nebenabtrieb des Verbrennungsmotors 20, und zwar vorliegend auf der Primärseite 1.
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Mittels des Lüfterrades 29 wird ein Wärmetauscher 31 eines hier nur schematisch angedeuteten Kühlkreislaufes 30 mit einem durch das Lüfterrad 29 erzeugten Kühlluftstrom gekühlt, um das mittels einer Kühlmediumpumpe 32 im Kühlkreislauf 30 geförderte Kühlmedium zu kühlen. Mittels des Kühlmediums wird der Verbrennungsmotor 20 gekühlt, sowie gegebenenfalls weitere Bauteile des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, das von dem Verbrennungsmotor 20 angetrieben wird. Die Kühlmediumpumpe 32 kann beispielsweise ebenfalls vom Verbrennungsmotor 20 angetrieben werden, insbesondere auf einem weiteren Nebenabtrieb desselben, oder ihr ist ein eigener Antrieb zugeordnet, insbesondere ein Elektromotor.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel führt nun der Antriebsleistungsfluss von der Kurbelwelle 5 zur Lüfterwelle 6 wie folgt: Ein Kurbelwellenzahnrad 33 auf der Kurbelwelle 5 kämmt mit dem Zwischenrad 7, das wiederum mit einem ersten Nockenwellenzahnrad 34 auf der Nockenwelle 13 kämmt. Ein zweites Nockenwellenzahnrad 35, das insbesondere einen größeren Durchmesser als das erste Nockenwellenzahnrad 34 aufweist und ebenfalls auf der Nockenwelle 13 angetrieben durch diese positioniert sein kann, kämmt mit einem Ritzel 36 auf der Pumpenradwelle 37, die das Pumpenrad 1 trägt. Vom Pumpenrad 1 wird die Antriebsleistung über eine hydrodynamische Kreislaufströmung im Arbeitsraum 26 auf das Turbinenrad 2 übertragen, das die Turbinenradwelle 38 antreibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpenradwelle 37 auf der Turbinenradwelle 38 relativgelagert, wobei die Turbinenradwelle 38 mittels des ersten Lagers 10 und des zweiten Lagers 19 gelagert ist.
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Die Turbinenradwelle 38 trägt ein Ritzel 39, das mit einem Lüfterwellenzahnrad 40 auf der Lüfterwelle 6 kämmt, sodass die Lüfterwelle 6 angetrieben wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Zwischenrad 7, das Ritzel 36 auf der Pumpenradwelle 37 und das Ritzel 39 auf der Turbinenradwelle 38 koaxial zueinander gelagert. Das zweite Nockenwellenzahnrad 35 und das Ritzel 36 bilden eine Übersetzung ins Schnelle aus, sodass die Pumpenradwelle 37 schneller umläuft als die Nockenwelle 13. Das Ritzel 39 und das Lüfterwellenzahnrad 40 bilden eine Übersetzung ins Langsame aus, sodass die Lüfterwelle 6 langsamer umläuft als die Turbinenradwelle 38.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpenrad
- 2
- Turbinenrad
- 3
- Gehäuse
- 4
- Auslassdrossel
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Lüfterwelle
- 7
- Zwischenrad
- 8
- Zulauf
- 9
- Dichtung
- 10
- erstes Lager
- 11
- vormontierte Einheit
- 12
- Ventil
- 13
- Nockenwelle
- 14
- Deckelkörper
- 15
- Übergabestelle
- 16
- Dichtspalt
- 17
- Motorgehäuse
- 18
- hydrodynamische Kupplung
- 19
- zweites Lager
- 20
- Verbrennungsmotor
- 21
- Primärseite
- 22
- Sekundärseite
- 23
- Wechselgetriebe
- 24
- Lager
- 25
- Rädertrieb
- 26
- Arbeitsraum
- 27
- Gehäuseschale
- 28
- Ölsumpf
- 29
- Lüfterrad
- 30
- Kühlkreislauf
- 31
- Wärmetauscher
- 32
- Kühlmediumpumpe
- 33
- Kurbelwellenzahnrad
- 34
- erstes Nockenwellenzahnrad
- 35
- zweites Nockenwellenzahnrad
- 36
- Ritzel
- 37
- Pumpenradwelle
- 38
- Turbinenradwelle
- 39
- Ritzel
- 40
- Lüfterwellenzahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1611325 B1 [0003]
- DE 102007056492 B3 [0004]
