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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der an einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist.
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Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs, also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Drehmoments. Die Brennkraftmaschine kann den Abgasturbolader aufweisen, welchem von der Brennkraftmaschine während ihres Betriebs erzeugtes Abgas zugeführt wird. Das Abgas durchströmt beziehungsweise überströmt wenigstens eine Turbine des Abgasturboladers. Dabei wird Enthalpie des Abgases beziehungsweise in dem Abgas enthaltene Strömungsenergie in kinetische Energie umgewandelt, welche nachfolgend zum Antreiben eines Verdichters herangezogen werden kann. Der Verdichter dient dem Verdichten von Luft, insbesondere Frischluft. Die verdichtete Luft wird nachfolgend der Brennkraftmaschine zugeführt, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschine und/oder ihre Effizienz verbessert werden.
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Weil der Abgasturbolader, insbesondere dessen Turbine beziehungsweise ein Turbinengehäuse, von dem heißen Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt wird, kann der Abgasturbolader Temperaturen von mehr als 1000°C erreichen. Die Lagerung eines Laufzeugs des Abgasturboladers wird üblicherweise durch eine Kühleinrichtung vor zu hohen Temperaturen geschützt. Die Kühleinrichtung ist insoweit dazu ausgebildet, Wärme aus dem Abgasturbolader, insbesondere aus dessen Turbinengehäuse und/oder einem die Lagerung aufnehmenden Lagergehäuse, abzuführen.
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Zu diesem Zweck ist der Abgasturbolader beziehungsweise dessen Kühleinrichtung an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen. In dem Kühlkreislauf wird während eines Betriebs der Brennkraftmaschine ein Kühlmittel umgewälzt. Wird die Brennkraftmaschine deaktiviert, so entfällt der Kühlmittelstrom, sodass nachfolgend lediglich in geringem Ausmaß Wärme aus dem Abgasturbolader abgeführt werden kann.
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Insbesondere wenn der Abgasturbolader das neben dem Turbinengehäuse angeordnete Lagergehäuse aufweist, in welchem wenigstens ein Lager für das Laufzeug des Abgasturboladers angeordnet ist, kann es zu einer Wärmeübertragung von dem Turbinengehäuse auf das Lagergehäuse und mithin die Lagerung beziehungsweise das wenigstens eine Lager kommen. Aus diesem Grund kann dem Kühlkreislauf eine Nachlaufpumpe zugeordnet sein, mittels welcher auch nach dem Deaktivieren der Brennkraftmaschine Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf umgewälzt wird. Auf diese Art und Weise können unzulässig hohe Temperaturen in dem Abgasturbolader vermiesen werden. Ein Einsatz dieser Nachlaufpumpe ist jedoch aufgrund ihres Energiebedarfs beziehungsweise des Energiebedarfs einer Steuerung für die Nachlaufpumpe zeitlich begrenzt.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
EP 0 383 172 A2 bekannt. Diese beschreibt ein Flüssigkeitssystem für eine durch einen Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist und im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlaufkühlung erfolgt, sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter für die Kühlflüssigkeit aufweist. Um sicherzustellen, dass die Kühlung des Turboladers nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine ohne Zuhilfenahme einer nachlaufenden Umwälzpumpe mit einem hohen Wirkungsgrad erfolgt, wird vorgeschlagen, dass sich in der Vorlaufleitung des Turboladers ein Rückschlagventil befindet und die Rücklaufleitung des Turboladers verzweigt ausgebildet ist, in eine erste Leitung, die oberhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet sowie eine zweite Leitung, die unterhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet und ein Rückschlagventil enthält.
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Bei einem derartigen Kühlsystem führt ein Abschalten der Brennkraftmaschine dazu, dass das Kühlmittel im Turbolader aufgeheizt wird, verdampft und die dampfförmige Phase die flüssige Kühlmittelphase mehr oder weniger in den Ausgleichsbehälter ausstößt. Dies wiederum führt zu einem Druckunterschied am Rückschlagventil der Vorlaufleitung, sodass Kühlflüssigkeit aus dem System durch die Vorlaufleitung zum Turbolader nachläuft. Der zyklische und schubweise Vorgang endet erst, wenn das Lager des Turboladers auf Kühlmittelsiedetemperatur abgekühlt ist.
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Weiterhin zeigt die Druckschrift
DE 10 2006 044 680 A1 einen Verbrennungsmotor, mit mindestens einer Zylinderbank sowie einem Kühler, die Bestandteile eines von einer Pumpe angetriebenen Kühlkreislaufs sind, mit einem Turbolader, und mit einer an den Kühlkreislauf angeschlossenen Zusatzpumpe zum gleichzeitigen Fördern einer Kühlflüssigkeit durch den Turbolader und die Zylinderbank.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 010 470 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Turbolader, mit einem Kühlmittelkreislauf und mit einem Ausgleichsbehälter bekannt, der eine Wasserpumpe zur Umwälzung des Kühlmittels aufweist. Ein Radiator ist zur Abkühlung des Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf eingeschlossen und der Turbolader ist an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen. Dabei zweigt ein Turbolader-Vorlauf zwischen einem Wasserpumpen-Ausgangsanschluss und einem Radiator-Vorlauf vom Kühlmittelkreislauf ab. Ein Turbolader-Rücklauf mündet in einem Bereich des Kühlmittelkreislaufs zwischen einem Radiator-Rücklauf und einem Wasserpumpen-Eingangsanschluss. Der Turbolader-Rücklauf steht über eine Entgasungsleitung mit dem Ausgleichsbehälter in Verbindung. Dabei liegt der Wasserstand des Ausgleichsbehälters höher als der Turbolader-Rücklauf.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche gegenüber dem Stand der Technik Vorteile aufweist, insbesondere ein effizienteres Kühlen des Abgasturboladers auch bei deaktivierter Brennkraftmaschine ermöglicht, insbesondere falls die Brennkraftmaschine Zylinderbänke in V-Anordnung aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass eine Kühlmittelvorlaufleitung des Kühlkreislaufs stromaufwärts des Abgasturboladers an einen einer Ölwanne der Brennkraftmaschine wärmeübertragend zugeordneten Wärmetauscher angeschlossen ist. Durch die Kühlmittelvorlaufleitung gelangt das Kühlmittel, beispielsweise aus einem Kühlmittelvorratsbehälter, zu dem Abgasturbolader. Der Kühlmittelvorlaufleitung ist der Wärmetauscher zugeordnet, beispielsweise weist die Kühlmittelvorlaufleitung den Wärmetauscher auf. Beispielsweise verläuft die Kühlmittelvorlaufleitung durch den Wärmetauscher hindurch.
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Der Wärmetauscher ist in der Ölwanne der Brennkraftmaschine angeordnet beziehungsweise der Ölwanne zumindest wärmeübertragend zugeordnet. Entsprechend kann Wärme von der Ölwanne beziehungsweise von in der Ölwanne enthaltenem Öl beziehungsweise Schmiermittel auf das in dem Wärmetauscher vorliegende Kühlmittel übertragen werden. Das bedeutet, dass das Kühlmittel von Restwärme der Brennkraftmaschine erwärmt wird, wodurch sich ein sogenannter Thermosiphoneffekt einstellt. Dieser führt dazu, dass das Kühlmittel hin zu dem Abgasturbolader gefördert wird, welcher eine größere geodätische Höhe aufweist als der Wärmetauscher.
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Mit einer derartigen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine wird auf effiziente Art und Weise eine Schädigung des Kühlmittels und/oder des Abgasturboladers verhindert, ohne dass eine eventuell zusätzlich vorhandene Nachlaufpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine betrieben werden muss. Somit wird die Energieeffizienz der Brennkraftmaschine deutlich verbessert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelvorlaufleitung ein erstes Teilstück und ein zweites Teilstück aufweist, wobei das erste Teilstück einen Kühlmittelvorratsbehälter mit dem Wärmetauscher und das zweite Teilstück den Wärmetauscher mit dem Abgasturbolader strömungstechnisch verbindet. Nur über das erste Teilstück ist insoweit eine Strömungsverbindung zwischen dem Kühlmittelvorratsbehälter und dem Wärmetauscher realisiert, während über das zweite Teilstück eine Strömungsverbindung zwischen dem Wärmetauscher und dem Abgasturbolader vorliegt.
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Der Wärmetauscher kann insoweit in die Kühlmittelvorlaufleitung des Kühlkreislaufs integriert sein. Beispielsweise bildet der Wärmetauscher ein zwischen dem ersten Teilstück und dem zweiten Teilstück angeordnetes Wärmetauscherteilstück der Kühlmittelvorlaufleitung, welche insbesondere denselben Durchströmungsquerschnitt aufweist wie das erste Teilstück und/oder das zweite Teilstück.
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Vorzugsweise ist die gesamte Kühlmittelvorlaufleitung, bestehend aus dem ersten Teilstück, dem zweiten Teilstück sowie dem Wärmetauscherteilstück einstückig und/oder materialeinheitlich ausgestaltet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass für das erste Teilstück und das zweite Teilstück die Kühlmittelvorlaufleitung aus einem ersten Material besteht, während für das Wärmetauscherteilstück ein unterschiedliches Material gewählt ist, welches sich insbesondere durch eine bessere Wärmeleitung und mithin einen höheren Wärmeleitungskoeffizienten im Vergleich mit dem ersten Material auszeichnet.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem ersten Teilstück und/oder dem zweiten Teilstück wenigstens ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Das Fördern des Kühlmittels in der Kühlmittelvorlaufleitung aufgrund der aus der Ölwanne entnommenen Wärme soll vorzugsweise lediglich in Richtung des Abgasturboladers erfolgen, sodass das Kühlmittel insgesamt aus dem Kühlmittelvorratsbehälter entnommen, nachfolgend durch das erste Teilstück der Kühlmittelvorlaufleitung in den Wärmetauscher gelangt und nachfolgend durch das zweite Teilstück zu dem Abgasturbolader geführt wird. Eine Strömung in die umgekehrte Richtung würde zumindest die Effizienz verringern, sodass der Kühlmittelmassenstrom und mithin die Kühlung des Abgasturboladers verringert wird.
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Um die Rückströmung zu verhindern, ist das wenigstens eine Rückschlagventil vorgesehen. Das Rückschlagventil liegt entweder in dem ersten Teilstück oder dem zweiten Teilstück vor. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann in dem ersten Teilstück ein erstes Rückschlagventil und in dem zweiten Teilstück ein zweites Rückschlagventil vorgesehen sein. Das erste Rückschlagventil liegt insoweit strömungstechnisch stromaufwärts des Wärmetauschers vor, während das zweite Rückschlageventil strömungstechnisch stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelvorratsbehälter geodätisch unterhalb des Abgasturboladers, insbesondere zwischen dem Wärmetauscher und dem Abgasturbolader, angeordnet ist. In Einbauposition der Brennkraftmaschine soll der Abgasturbolader insoweit höher liegen als der Kühlmittelvorratsbehälter. Beispielsweise stellt der Wärmetauscher dabei den tiefsten Punkt des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine oder zumindest der Kühlmittelvorlaufleitung dar. Beispielsweise liegt nun der Wärmetauscher unter dem Kühlmittelvorratsbehälter, während der Abgasturbolader über ihm angeordnet ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Abgasturbolader an der geodätisch höchsten Stelle des Kühlkreislaufs angeordnet ist. Insbesondere ist es also nicht vorgesehen, dass geodätisch gesehen über dem Abgasturbolader ein Kühlmittelvorratsbehälter vorliegt. Dennoch soll der Transport des Kühlmittels durch den Kühlkreislauf beziehungsweise die Kühlmittelvorlaufleitung hin zu dem Abgasturbolader sichergestellt sein. Dies ist durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine, bei welcher der Ölwanne der Wärmetauscher zugeordnet ist, gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher als Spiralwärmetauscher ausgebildet ist. Der Wärmetauscher weist insoweit eine Rohrleitung auf, welche spiralförmig ausgebildet ist. Die Rohrleitung verläuft dabei vorzugsweise auf einer Mantelfläche eines gedachten Zylinders, insbesondere eines gedachten Kreiszylinders, wobei in letzterem Fall der Radius, mit welcher die Rohrleitung um eine Mittelpunktsachse gewickelt ist, konstant bleibt. Beispielsweise weist der Spiralwärmetauscher wenigstens eine Wicklung, vorzugsweise jedoch mehrere beziehungsweise eine Vielzahl von Wicklungen auf.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher als Tauchwärmetauscher vorliegt, der in Öl angeordnet ist, das in der Ölwanne der Brennkraftmaschine vorliegt. In der Ölwanne wird das für den Betrieb der Brennkraftmaschine notwendige Öl gesammelt. Das Öl wird aus der Ölwanne angesaugt und wenigstens einer Schmierstelle der Brennkraftmaschine zugeführt. Nachfolgend gelangt das Öl zurück in die Ölwanne. Das Öl erfüllt dabei auch eine Kühlfunktion, transportiert also Wärme von der wenigstens einen Schmierstelle fort, wodurch es sich erwärmt. Die dabei anfallende Wärme wird nachfolgend wie bereits erläutert zum Erwärmen des Kühlmittels in dem Wärmetauscher herangezogen. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher derart in der Ölwanne angeordnet, dass er wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, von Öl umgeben ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher in eine mit dem Öl in Kontakt stehende Wandung der Ölwanne integriert ist. Beispielsweise liegt der Wärmetauscher in Form wenigstens einer in die Wandung integrierten Rohrleitung vor. Auch in diesem Fall ist der Wärmetauscher beziehungsweise die entsprechende Rohrleitung derart angeordnet, dass sie vorzugsweise permanent mit dem Öl in Kontakt steht, sodass auf effiziente Art und Weise Wärme aus dem Öl auf das Kühlmittel übertragen werden kann.
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Selbstverständlich ist auch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Varianten möglich, bei welcher der Wärmetauscher bereichsweise als Tauchwärmetauscher vorliegt und bereichsweise in die Wandung der Ölwanne integriert ist. Beispielsweise schließt sich bei einer derartigen Ausgestaltung an das erste Teilstück der Kühlmittelvorlaufleitung ein Bereich des Wärmetauschers an, der in die Wandung der Ölwanne integriert ist. Stromabwärts folgt derjenige Bereich des Wärmetauschers, der als Tauchwärmetauscher ausgebildet ist. An diesen schließt sich wiederum das zweite Teilstück der Kühlmittelvorlaufleitung an, welche zu dem Abgasturbolader führt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasturbolader zwischen zwei Zylinderbänken angeordnet ist, die in V-Anordnung zueinander vorliegen. Eine derartige Ausgestaltung der Brennkraftmaschine bedingt die vorstehend bereits erläuterte Anordnung des Abgasturboladers an der geodätisch höchsten Stelle des Kühlkreislaufs.
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Schließlich kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Abgasturbolader auf seiner der Kühlmittelvorlaufleitung abgewandten Seite an einen Kühlmittelvorratsbehälter angeschlossen ist. Nach dem Durchströmen des Abgasturboladers gelangt das Kühlmittel insoweit in den Kühlmittelvorratsbehälter, aus welchem es durch die Kühlmittelvorlaufleitung erneut in Richtung des Wärmetauschers strömen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
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Figur eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennkraftmaschine.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, wobei eine Seitenschnittdarstellung wiedergegeben ist. Erkennbar sind insbesondere eine Kurbelwelle 2 der Brennkraftmaschine sowie eine Ölwanne 3. Damit das Öl beziehungsweise Schmiermittel aus allen Bereichen der Brennkraftmaschine 1 in die Ölwanne 3 zurückfließen kann, ist diese an einem geodätisch tiefsten Punkt der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Das bedeutet, dass in Einbaulage der Brennkraftmaschine 1 die Ölwanne 3 dem tiefsten Punkt der Brennkraftmaschine 1 darstellt.
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Die Brennkraftmaschine 1 verfügt weiterhin über einen Abgasturbolader 4, welcher insbesondere einen Verdichter 5, eine Turbine 6 sowie ein zwischen dem Verdichter 5 und der Turbine 6 angeordnetes Lager 7. Das Lager 7 dient insbesondere der Lagerung eines Laufzeugs des Abgasturboladers 3. Das Laufzeug umfasst dabei insbesondere ein Turbinenlaufrad sowie ein mit diesem wirkverbundenes Verdichterlaufrad.
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Zur Kühlung des Abgasturboladers 4, insbesondere des Lagers 7, ist der Abgasturbolader 4 an einen Kühlkreislauf 8 der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen. Dieser umfasst insbesondere einen Kühlmittelvorratsbehälter 9 sowie eine Kühlmittelvorlaufleitung 10. Letztere besteht vorzugsweise aus einem ersten Teilstück 11 sowie einem zweiten Teilstück 12. Über das erste Teilstück 11 ist der Kühlmittelvorratsbehälter 9 mit einem Wärmetauscher 13 strömungsverbunden. Über das zweite Teilstück 12 ist der Wärmetauscher 13 fluidtechnisch an den Abgasturbolader angeschlossen. Über die Kühlmittelvorlaufleitung 10 kann insoweit Kühlmittel aus dem Kühlmittelvorratsbehälter 9 durch den Wärmetauscher 13 in Richtung des Abgasturboladers 4 und insbesondere des Lagers 7 gelangen.
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Wie hier dargestellt, ist in dem ersten Teilstück 11 ein erstes Rückschlagventil 14 vorgesehen, während in dem zweiten Teilstück 12 ein zweites Rückschlagventil 15 vorliegt. Die Rückschlagventile 14 und 15 sind dabei derart ausgerichtet, dass das Kühlmittel lediglich in Richtung des Abgasturboladers 4 strömen kann. Es wird deutlich, dass der Abgasturbolader 4 an der geodätisch höchsten Stelle des Kühlkreislaufs 8 angeordnet ist, während der Wärmetauscher 13 vorzugsweise an der geodätisch niedrigsten Position vorliegt.
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Der Kühlmittelvorratsbehälter 9 kann nun hinsichtlich seiner geodätischen Höhe zwischen dem Wärmetauscher 13 und dem Abgasturbolader 4 angeordnet sein. Der Wärmetauscher 13 ist beispielsweise als Spiralwärmetauscher ausgebildet und besteht insoweit im Wesentlichen aus einer Rohrleitung 16, die spiralförmig verläuft. Die Rohrleitung 16 ist an ihrem einen Ende an das erste Teilstück 11 und an ihrem anderen Ende an das zweite Teilstück 12 der Kühlmittelvorlaufleitung 10 angeschlossen.
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Mit Hilfe der hier gezeigten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise der gezeigten Anordnung des Abgasturboladers 4 und des Wärmetauschers 13 kann auch ohne den Einsatz einer Nachlaufpumpe, welche selbstverständlich zusätzlich vorhanden sein kann, Kühlmittel aus dem Kühlmittelvorratsbehälter 9 durch den Abgasturbolader 4 hindurch gefördert werden, sodass dessen Kühlung sichergestellt ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist dabei vorzugsweise mindestens zwei Zylinderbänke auf, welche in V-Anordnung zueinander angeordnet sind. Der Abgasturbolader 4 liegt beispielsweise zwischen diesen beiden Zylinderbänken vor und stellt dabei, wie bereits erläutert, den höchsten Punkt, insbesondere den geodätisch höchsten Punkt, des Kühlkreislaufs 8 dar.
