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Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einer Flüssigkeitskühlung, die zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs mit einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels ausgestattet ist, wobei mindestens ein flüssigkeitsgekühltes Bauteil, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert, via Versorgungsleitung in den Kühlkreislauf eingebunden ist, bei der ein Speicherbehältnis vorgesehen ist, das via Verbindungsleitung mit dem Kühlkreislauf zumindest verbindbar ist, wobei
- – die Verbindungsleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts eines flüssigkeitsgekühlten Bauteils in die Versorgungsleitung mündet, und
- – zwischen dem Knotenpunkt und dem Speicherbehältnis mindestens ein durchflussregulierendes Element in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
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Die
US 4,157,744 A beschreibt eine Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere fremdgezündete Ottomotoren, aber auch fremdgezündete Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren mit Fremdzündung nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der fremdgezündeten Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderkopf und einen Zylinderblock, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient regelmäßig der Aufnahme des Ventiltriebs. Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf und dient als obere Kurbelgehäusehälfte häufig der Lagerung der Kurbelwelle.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, wobei die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert wird. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen, die in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Lager werden üblicherweise mit Motoröl, d.h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise bei umlaufender Kurbelwelle – wie bei einem Gleitlager – ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
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Zur Versorgung der Lager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern vorgesehen, wobei die Pumpe via Ölkreislauf eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt. Die Pumpe wird nach dem Stand der Technik via Saugleitung, die von einer Ölwanne zur Pumpe führt, mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt und muss einen ausreichend großen Förderstrom, d.h. ein ausreichend hohes Fördervolumen, sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Ölkreislauf sorgen.
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Um die thermische Belastung einer Brennkraftmaschine in Grenzen zu halten, wird zunehmend häufig eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, die im Folgenden auch als Motorkühlung bezeichnet wird. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung auszuführen. Da mit einer Flüssigkeitskühlung aber wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können, werden Brennkraftmaschinen vorzugsweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Die Ausbildung einer Motorkühlung erfordert die Ausstattung des mindestens einen Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d.h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf bzw. -block durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muss die Wärme nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Oberfläche geleitet werden, um abgeführt werden zu können. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe, die in der Regel mechanisch mittels Zugmitteltrieb angetrieben wird, gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen. Im Einzelfall dient ein im Kühlkreislauf vorgesehener Entlüftungsbehälter zur Entlüftung des Kühlmittels bzw. des Kreislaufs. Als Kühlmittel wird in der Regel eine Wasser-Glykol-Mischung eingesetzt. Grundsätzlich kann aber jede Flüssigkeit verwendet werden; beispielsweise auch Motoröl.
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Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens eine Flüssigkeitskühlung bzw. über eine Motorkühlung.
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Als problematisch erweisen sich flüssigkeitsgekühlte Bauteile der Brennkraftmaschine, die mittels Versorgungsleitung in den Kühlkreislauf einer Flüssigkeitskühlung eingebunden sind und bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine, d.h. deaktivierter Kühlmittelpumpe, eine Nachlaufkühlung erfordern; beispielsweise ein zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine vorgesehener Abgasturbolader bzw. dessen flüssigkeitsgekühltes Lagergehäuse. Im Folgenden wird diese Problematik am Beispiel eines flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuses eines Abgasturboladers ausführlicher erörtert.
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Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird.
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In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich in der Turbine unter Energieabgabe, wodurch die in einem Lagergehäuse gelagerte Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder bzw. der Brennkraftmaschine erreicht wird.
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Eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist infolge des erhöhten Mitteldrucks thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Saugmotor und stellt daher auch erhöhte Anforderungen an die Kühlung, weshalb insbesondere aufgeladene Brennkraftmaschinen zunehmend häufig mit einer Motorkühlung ausgestattet werden.
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Die Turbine eines Abgasturboladers ist – wie die Brennkraftmaschine selbst – ebenfalls thermisch hoch belastet. Dies führt dazu, dass das Turbinengehäuse nach dem Stand der Technik aus temperaturfestem, häufig nickelhaltigen Material gefertigt wird oder mit einer Kühlung auszustatten ist, um weniger temperaturfeste Werkstoffe verwenden zu können. Letzteres führt zu erheblichen Kostenvorteilen. Die
EP 1 384 857 A2 und die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 257 A1 beschreiben flüssigkeitsgekühlte Turbinen bzw. Turbinengehäuse.
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Das heiße Abgas der aufgeladenen Brennkraftmaschine führt auch zu einer hohen thermischen Belastung des Lagergehäuses und folglich des Lagers der Laderwelle. Damit ist ein entsprechend hoher Wärmeeintrag in das dem Lager zwecks Schmierung zugeführte Öl verbunden. Das Lager ist aufgrund der hohen Drehzahl der Laderwelle in der Regel nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager ausgebildet. Infolge der Relativbewegung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse bildet sich ein tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Welle und Lagerbohrung aus.
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Das Öl sollte eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigen, da die Viskosität mit zunehmender Temperatur abnimmt und sich das Reibverhalten bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur verschlechtert. Eine zu hohe Öltemperatur beschleunigt zudem die Alterung des Öls, wobei sich auch die Schmiereigenschaften des Öls verschlechtern. Beides verkürzt die Wartungsintervalle für den Ölwechsel und kann die Funktionstüchtigkeit des Lagers gefährden, wobei sogar eine irreversible Zerstörung des Lagers und damit des Turboladers möglich ist.
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Aus den zuvor genannten Gründen wird das Lagergehäuse eines Turboladers nach dem Stand der Technik häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen der Flüssigkeitskühlung des Lagergehäuses und der oben erwähnten Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses bzw. der Motorkühlung. Nichtsdestotrotz können diese Flüssigkeitskühlungen – gegebenenfalls auch nur zeitweise – untereinander in Verbindung stehen, d.h. miteinander verbindbar sein, so dass die Kühlungen sich beispielsweise eine gemeinsame Pumpe zur Förderung des Kühlmittels teilen.
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Die Ölversorgung, d.h. die Ölschmierung der Laderwelle ist als solche auch eine Flüssigkeitskühlung, denn durch die Versorgung des Lagers der Laderwelle mit Öl bzw. die Förderung von Schmieröl durch das Lager hindurch findet bereits eine Kühlung des Lagers bzw. des Lagergehäuses mittels Flüssigkeit statt und zwar vorliegend mittels einer besonderen Flüssigkeit, nämlich Öl. Die
DE 11 2014 002 560 T5 beschreibt einen Abgasturbolader, dessen Lagergehäuse mittels Öl geschmiert und gekühlt wird.
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Im Gegensatz zur Motorkühlung bzw. Kühlung des Turbinengehäuses muss die Kühlung des Lagergehäuses bzw. des Lagers der Laderwelle auch bei abgestelltem Fahrzeug, d.h. abgeschalteter Brennkraftmaschine, zumindest für eine bestimmte Dauer nach Abschalten der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden, um irreversible Schäden durch thermische Überlastung sicher zu vermeiden. Damit ist das Lagergehäuse bzw. das Lager der Laderwelle ein flüssigkeitsgekühltes Bauteil, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert.
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Dies kann grundsätzlich durch eine zusätzliche, elektrisch betriebene Pumpe bewerkstelligt werden, welche beispielsweise von der Bordbatterie versorgt wird, bei abgeschalteter Brennkraftmaschine Kühlmittel via Versorgungsleitung durch das Lagergehäuse fördert bzw. Öl durch das Lager der Laderwelle und damit eine Kühlung des Lagergehäuses bzw. des Lagers auch bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine gewährleistet. Das Vorsehen einer zusätzlichen Pumpe ist aber eine vergleichsweise kostenintensive Maßnahme.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, die auf eine zusätzliche Pumpe verzichten. Die deutsche Patentschrift
DE 34 07 521 C1 beschreibt ein solches Flüssigkeitskühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Dabei wird eine Steigleitung durch das Lagergehäuse des Abgasturboladers gelegt, welche als Versorgungsleitung fungiert und ausgehend vom Kühlkreislauf der Motorkühlung durch das Lagergehäuse bis hin zu einem Entlüftungsbehälter führt. Die Förderung des Kühlmittels bei abgeschalteter Brennkraftmaschine erfolgt durch den sogenannten Thermosiphon-Effekt, welcher im Wesentlichen auf zwei Mechanismen basiert.
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Aufgrund des – auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine – fortdauernden Wärmeeintrags vom erhitzten Lagergehäuse in das in der Steigleitung befindliche Kühlmittel erhöht sich die Kühlmitteltemperatur, wodurch die Dichte des Kühlmittels abnimmt und das vom Kühlmittel beanspruchte Volumen zunimmt. Eine Überhitzung des Kühlmittels kann darüber hinaus zu einer teilweisen Verdampfung von Kühlmittel führen, so dass Kühlmittel in die Gasphase übergeht. In beiden Fällen beansprucht das Kühlmittel ein größeres Volumen, wodurch schließlich weiteres Kühlmittel in Richtung Entlüftungsbehälter verdrängt, d.h. gefördert, wird.
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Die Ausbildung der Kühlung des Lagergehäuses unter Verwendung einer Steigleitung und Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts führt aber nicht zu einer bedarfsgerechten Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel, was Nachteile mit sich bringt.
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Ohne weitere Maßnahmen wird auch nach einem Kaltstart während der Warmlaufphase Kühlmittel via Steigleitung durch das Lagergehäuse in den Entlüftungsbehälter gefördert, obwohl zu diesem Zeitpunkt keine Kühlung des Lagers erforderlich ist. Die ungewollte Kühlmittelförderung wirkt auch der angestrebten schnellen Aufwärmung der Brennkraftmaschine entgegen. Aus den vorstehend genannten Gründen sieht die
DE 34 07 521 C1 in der Steigleitung zwischen Lagergehäuse und Entlüftungsbehälter ein Magnetventil vor, welches nur bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine geöffnet wird bzw. geöffnet ist. Zudem wird das Lagergehäuse während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine mittels Thermostatventil von der eigentlichen Motorkühlung getrennt, um zu verhindern, dass während des Warmlaufens kaltes Kühlmittel aus dem Lagergehäuse dem Kühlkreislauf der Brennkraftmachine zugemischt und so das Warmlaufen verzögert wird.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Nachlaufkühlung des mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Bauteils, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Kühlung erfordert, optimiert ist, insbesondere hinsichtlich der Kosten und einem bedarfsgerechten Kühlen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einer Flüssigkeitskühlung, die zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs mit einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels ausgestattet ist, wobei mindestens ein flüssigkeitsgekühltes Bauteil, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert, via Versorgungsleitung in den Kühlkreislauf eingebunden ist, bei der ein Speicherbehältnis vorgesehen ist, das via Verbindungsleitung mit dem Kühlkreislauf zumindest verbindbar ist, wobei
- – die Verbindungsleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts eines flüssigkeitsgekühlten Bauteils in die Versorgungsleitung mündet, und
- – zwischen dem Knotenpunkt und dem Speicherbehältnis mindestens ein durchflussregulierendes Element in der Verbindungsleitung angeordnet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – eine Bypassleitung zwecks Umgehung des mindestens einen durchflussregulierenden Elements vorgesehen ist, welche zwischen dem Speicherbehältnis und dem mindestens einen durchflussregulierenden Element aus der Verbindungsleitung abzweigt, und
- – in der Bypassleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist, welches die Förderung von Kühlmittel in Richtung des Speicherbehältnisses unterbindet und die Förderung von Kühlmittel in Richtung des flüssigkeitsgekühlten Bauteils zulässt.
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Erfindungsgemäß wird ein Speicherbehältnis mittels Verbindungsleitung in den Kühlkreislauf eingebunden, welches das mindestens eine flüssigkeitsgekühlte Bauteil, das eine Nachlaufkühlung benötigt, bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine mit Kühlmittel versorgt und damit für eine Kühlung bzw. Nachlaufkühlung des mindestens einen Bauteils sorgt.
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Eine ungewollte Kühlung des Bauteils nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bzw. während der Warmlaufphase unterbleibt, da das Speicherbehältnis sich bei Abschalten der Brennkraftmaschine von selbst entleert und bei einem Neustart bzw. Start zunächst unter Verwendung der Pumpe via Verbindungsleitung wieder mit Kühlmittel gefüllt werden muss bzw. zu füllen ist.
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Damit sich der Druck des Kühlmittels im Kühlkreislauf nach einem Start der Brennkraftmaschine möglichst schnell, d.h. mit nur geringer Verzögerung, wieder aufbauen kann und das Kühlmittel zirkuliert, ist in der Verbindungsleitung zum Speicherbehältnis mindestens ein durchflussregulierendes Element vorgesehen, mit dem das Befüllen des Speicherbehältnisses beim Start der Brennkraftmaschine verzögert wird. Ein Weglassen des durchflussregulierenden Elements hätte ein ungehindertes schnelles Befüllen des Behältnisses zur Folge, weshalb sich der Druck im Kühlkreislauf bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine nur langsam, d.h. mit größerer Verzögerung aufbauen würde, denn das Befüllen des Speicherbehältnisses würde einem schnellen Druckanstieg im Kreislauf, der grundsätzlich angestrebt wird, entgegen stehen bzw. entgegen wirken.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen ohne Speicherbehältnis wird die Phase des Druckaufbaus im Kühlkreislauf infolge der Verwendung eines durchflussregulierenden Elements aber nur unwesentlich verlängert. Ein durchflussregulierendes Element erschwert den Kühlmitteldurchtritt regelmäßig durch Verkleinerung des Strömungsquerschnitts bzw. Verringerung des Kühlmitteldurchsatzes.
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Beim Abschalten der Brennkraftmaschine vermindert sich der Druck im Kühlkreislauf infolge stillstehender Kühlmittelpumpe allmählich und damit auch der Druck im Speicherbehältnis, der dem Druck im Kühlkreislauf im Wesentlichen entspricht bzw. entspricht. Das Speicherbehältnis entleert sich unter Druckabnahme und sorgt für eine ausreichend lang andauernde Nachkühlung des mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Bauteils, welches diese Nachlaufkühlung erfordert.
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Als durchflussregulierende Elemente werden erfindungsgemäß selbsttätig steuernde Elemente verwendet, welche ohne Steuerung und zusätzlichen Energiebedarf den Kühlmitteldurchsatz regulieren, mindern und verzögern, beispielsweise eine Drossel oder Blende.
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Die Kosten für eine zusätzliche, elektrisch betriebene Pumpe bzw. die Kosten für ein Magnetventil sowie ein Thermostatventil, die zur bedarfsgerechten Nutzung des Thermosiphon-Effekts erforderlich werden, entfallen mit diesen Bauteilen.
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Erfindungsgemäß ist eine Bypassleitung zwecks Umgehung des mindestens einen durchflussregulierenden Elements vorgesehen, welche zwischen dem Speicherbehältnis und dem mindestens einen durchflussregulierenden Element aus der Verbindungsleitung abzweigt.
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Die Bypassleitung stellt sicher, dass sich das Speicherbehältnis bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine ungehindert, nämlich via Bypassleitung, entleeren kann und nicht via einem durchflussregulierenden Element entleeren muss, welches die Entleerung – wie das Befüllen – verzögert und damit einer zufriedenstellenden Nachkühlung abträglich ist, gegebenenfalls eine bedarfsgerechte Nachkühlung sogar verhindert.
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In der Bypassleitung ist ein Rückschlagventil vorgesehen, welches
- – die Förderung von Kühlmittel in Richtung des Speicherbehältnisses unterbindet, und
- – die Förderung von Kühlmittel in Richtung des flüssigkeitsgekühlten Bauteils zulässt.
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Das Rückschlagventil stellt sicher, dass das Speicherbehältnis bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine nicht via Bypassleitung befüllt wird und die Bypassleitung nur dem ungehinderten Entleeren des Speicherbehältnisses bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine dient.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Nachlaufkühlung des mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Bauteils, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Kühlung erfordert, optimiert ist, insbesondere hinsichtlich der Kosten und einem bedarfsgerechten Kühlem.
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Das mindestens eine flüssigkeitsgekühlte Bauteil wird bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine via Verbindungsleitung mit Kühlmittel aus dem Speicherbehältnis versorgt, wobei die Verbindungsleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts des flüssigkeitsgekühlten Bauteils in die Versorgungsleitung mündet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Aufladung der Brennkraftmaschine mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden häufig mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Zylinder bei.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
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Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise dadurch, dass mehrere Lader – Abgasturbolader und/oder mechanische Lader – parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Abgasturbolader das mindestens eine flüssigkeitsgekühlte Bauteil ist, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Welle des mindestens einen Abgasturboladers drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, der in den Kühlkreislauf der mindestens einen Flüssigkeitskühlung eingebunden ist. Die Versorgungsleitung führt dann zu dem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse bzw. durch das flüssigkeitsgekühlte Lagergehäuse hindurch.
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Vorteilhaft sind im Zusammenhang mit einer Abgasturboaufladung auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Welle des mindestens einen Abgasturboladers drehbar und mittels Ölschmierung schmierbar in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei die Ölschmierung auch als Flüssigkeitskühlung fungiert und eine Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine darstellt.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein in den mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer das mindestens eine flüssigkeitsgekühlte Bauteil ist, welches bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert.
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Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern, bei denen jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind nämlich Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Durch das Zusammenführen der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes verringert sich die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen und das Leitungsvolumen des Abgasabführsystems verkleinert sich. Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Vorteile ergeben sich bei der Abgasturboaufladung, da die Turbine motornah angeordnet werden kann, wodurch die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt werden kann und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers gewährleistet wird. Des Weiteren ist auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen kurz, womit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung bleibt und die Abgasnachbehandlungssysteme schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Zudem kann der mindestens eine Krümmer infolge der Kühlung des Zylinderkopfes aus weniger thermisch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden, wodurch sich Kostenvorteile ergeben.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Bypassleitung zwischen dem mindestens einen durchflussregulierenden Element und dem flüssigkeitsgekühlten Bauteil in den Kühlkreislauf mündet. Die Bypassleitung kann insbesondere stromaufwärts des flüssigkeitsgekühlten Bauteils in die Verbindungsleitung bzw. in die Versorgungsleitung des Kühlkreislaufs münden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein weiteres Rückschlagventil stromaufwärts des Knotenpunktes in der Versorgungsleitung vorgesehen ist, welches
- – die Förderung von Kühlmittel in Richtung des flüssigkeitsgekühlten Bauteils zulässt, und
- – die Förderung von Kühlmittel in eine andere Richtung unterbindet.
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Das weitere Rückschlagventil stellt sicher, dass das Speicherbehältnis bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine isoliert und damit bevorzugt das mindestens eine flüssigkeitsgekühlte Bauteil mit Kühlmittel versorgt, welches die Nachlaufkühlung auch tatsächlich benötigt. Erreicht werden kann dies dadurch, dass die Versorgungsleitung, die zu dem Bauteil führt, vom übrigen Kühlkreislauf abgetrennt wird. Vorliegend wird dies durch Verwendung eines weiteren Rückschlagventils erreicht, d.h. realisiert, welches die Förderung von Kühlmittel nur in Richtung des flüssigkeitsgekühlten Bauteils zulässt und die Förderung in jede andere Richtung unterbindet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Drosselelement als durchflussregulierendes Element in der Verbindungsleitung angeordnet ist. Ein Drosselelement ist durch eine Verengung des Strömungsquerschnitts gekennzeichnet, wobei sich der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung zunächst kontinuierlich verengt, um sich weiter stromabwärts wieder kontinuierlich zu erweitern.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Blende als durchflussregulierendes Element in der Verbindungsleitung angeordnet ist. Die Blende sorgt – wie das Drosselelement – auch für eine Verengung des Strömungsquerschnitts. Im Gegensatz zu einem Drosselelement ist die Blende aber dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt sich abrupt verengt und wieder erweitert.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein Druckzuschaltventil als durchflussregulierendes Element in der Verbindungsleitung angeordnet ist, welches die Verbindungsleitung zur Förderung von Kühlmittel in Richtung des Speicherbehältnisses freigibt, sobald ein im Kreislauf vorliegender Kühlmitteldruck einen vorgebbaren Druck übersteigt, oder die Verbindungsleitung versperrt.
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Ein Druckzuschaltventil wird über den anliegenden Kühlmitteldruck betätigt, d.h. gesteuert, und öffnet erst, wenn der Kühlmitteldruck einen vorgebbaren Wert übersteigt. Beim Starten der Brennkraftmaschine baut die Pumpe somit zunächst den Druck im Kühlkreislauf auf, wobei die Verbindungsleitung zum Speicherbehältnis geschlossen bleibt, solange der Kühlmitteldruck nicht ausreichend groß ist, um das Druckzuschaltventil zu öffnen. Erst wenn der Kühlmitteldruck den vorgegebenen Wert übersteigt, öffnet das Druckzuschaltventil und gibt die Verbindungsleitung zum Speicherbehältnis frei, so dass das Speicherbehältnis mit Kühlmittel gefüllt wird. Diese Variante ist zu bevorzugen, falls vor einem Befüllen des Speicherbehältnisses ein Mindestdruck im Kühlkreislauf aufgebaut werden soll, weil beispielsweise Verbraucher unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine via Kreislauf mit Öl zu versorgen sind.
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Vorteilhaft können zudem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein Drosselelement und ein Druckzuschaltventil als durchflussregulierende Elemente in der Verbindungsleitung angeordnet sind, wobei das Druckzuschaltventil die Verbindungsleitung zur Förderung von Kühlmittel in Richtung des Speicherbehältnisses freigibt, sobald ein im Kreislauf vorliegender Kühlmitteldruck einen vorgebbaren Druck übersteigt, oder die Verbindungsleitung versperrt. Das Drosselelement ist dabei vorzugsweise stromaufwärts des Druckzuschaltventils angeordnet.
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Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass das Druckzuschaltventil die Verbindungsleitung entweder versperrt oder freigibt, d.h. entweder die Förderung von Kühlmittel in Richtung des Speicherbehältnisses unterbindet oder ein ungehindertes Befüllen des Speicherbehältnisses zulässt. Insofern kann es sinnvoll sein, ein Drosselelement vorzusehen, welches den Kühlmitteldurchsatz bei geöffnetem Druckzuschaltventil vermindert, d.h. den Befüllungsvorgang des Speicherbehältnisses verzögert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Blasenspeicher als Speicherbehältnis dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine durchflussregulierende Element ein selbsttätig steuerndes Element ist, welches den Kühlmitteldurchsatz selbsttätig steuert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine durchflussregulierende Element im Speicherbehältnis integriert ist. Daraus ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere eine kompakte Bauweise. Zudem werden die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Konzepts in einer eigenständigen selbstständig verkehrsfähigen Baugruppe vereinigt, wodurch sich die Montage vereinfacht, insbesondere in Bezug auf die Nachrüstung einer Brennkraftmaschine.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung, das mindestens eine durchflussregulierende Element und das Speicherbehältnis ein integrales Bauteil bilden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a, 1b und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1a schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
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1b schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
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2 schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1a zeigt schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs 1a der Flüssigkeitskühlung 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Vorliegend wird die mittels Ölschmierung 2 geschmierte Welle 3a eines Abgasturboladers als flüssigkeitsgekühltes Bauteil 3 angesehen, das bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine eine Nachlaufkühlung erfordert. Die Welle 3a ist drehbar in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert. Die Ölschmierung 2 fungiert auch als Flüssigkeitskühlung 1 und wird daher auch als eine Flüssigkeitskühlung 1 der Brennkraftmaschine betrachtet.
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Zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs 1a bzw. eines Ölkreislaufs 2a ist eine Pumpe 4 zur Förderung des auch als Kühlmittel fungierenden Öls vorgesehen, wobei die drehbar im Lagergehäuse gelagerte Welle 3a via Versorgungsleitung 5 in den Ölkreislauf 2a eingebunden ist.
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Ein als Speicherbehältnis 7 für Öl dienender Blasenspeicher 7a ist via Verbindungsleitung 6 mit dem Ölkreislauf 2a verbunden. Die Verbindungsleitung 6 mündet stromaufwärts des Lagergehäuses und damit der Welle 3a unter Ausbildung eines Knotenpunktes 6a in die Versorgungsleitung 5, wobei zwischen dem Knotenpunkt 6a und dem Speicherbehältnis 7 ein Drosselelement 8a als ein durchflussregulierendes Element 8 in der Verbindungsleitung 6 angeordnet ist. Das Drosselelement 8a verzögert bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine das Befüllen des Speicherbehältnisses 7 mit Öl, so dass sich der Öldruck im Ölkreislauf 2a schneller aufbauen kann.
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Eine Bypassleitung 9, die zwischen dem Speicherbehältnis 7 und dem Drosselelement 8a aus der Verbindungsleitung 6 abzweigt, dient der Umgehung dieses durchflussregulierenden Elements 8. Die Bypassleitung 9 mündet zwischen dem Drosselelement 8a und dem Knotenpunkt 6a wieder in die Verbindungsleitung 6 und gewährleistet, dass sich das Speicherbehältnis 7 bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine ungehindert entleeren kann und nicht via einem durchflussregulierenden bzw. durchflussreduzierenden Element 8 entleeren muss.
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In der Bypassleitung 9 ist ein Rückschlagventil 9a vorgesehen, welches die Förderung von Öl in Richtung des Speicherbehältnisses 7 unterbindet und die Förderung von Öl in Richtung des Lagergehäuses des Laders zulässt. Das Rückschlagventil 9a verhindert folglich ein Befüllen des Speicherbehältnisses 7 via Bypassleitung 9 bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine.
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1b schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs 1a einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es soll nur ergänzend zu der in 1a dargestellten Ausführungsform ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Bei dem in 1b dargestellten Ölkreislauf 2a ist stromaufwärts des Knotenpunktes 6a ein weiteres Rückschlagventil 10 in der Versorgungsleitung 5 vorgesehen, das die Förderung von Öl in Richtung des Lagergehäuses zulässt und die Förderung von Öl in die andere Richtung unterbindet. Auf diese Weise wird das Lagergehäuse mitsamt Speicherbehältnis 7 bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine isoliert. Die Welle 3a, welche die Nachlaufkühlung benötigt, wird separiert und bevorzugt mit Öl versorgt.
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2 schematisch anhand einer Prinzipskizze einen Abschnitt des Kühlkreislaufs 1a einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform anstelle eines Drosselelements 8a ein Druckzuschaltventil 8b als durchflussregulierendes Element 8 in der Verbindungsleitung 6 angeordnet.
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Das Druckzuschaltventil 8b gibt die Verbindungsleitung 6 zur Förderung von Öl in Richtung des Speicherbehältnisses 7 erst frei, wenn im Ölkreislauf 2a ein Mindestöldruck vorliegt. Vor dem Befüllen des Speicherbehältnisses 7 soll zunächst ein Mindestdruck im Ölkreislauf 2a aufgebaut werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitskühlung
- 1a
- Kühlkreislauf
- 2
- Ölschmierung
- 2a
- Ölkreislauf
- 3
- flüssigkeitsgekühltes Bauteil, welches eine Nachlaufkühlung erfordert
- 3a
- drehbar in einem Lagergehäuse gelagerte und mittels Ölschmierung schmierbare Welle eines Abgasturboladers
- 4
- Pumpe
- 5
- Versorgungsleitung
- 6
- Verbindungsleitung
- 6a
- Knotenpunkt
- 7
- Speicherbehältnis
- 7a
- Blasenspeicher
- 8
- durchflussregulierendes Element
- 8a
- Drosselelement
- 8b
- Druckzuschaltventil
- 9
- Bypassleitung
- 9a
- Rückschlagventil
- 10
- weiteres Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4157744 A [0002]
- EP 1384857 A2 [0014]
- DE 102008011257 A1 [0014]
- DE 112014002560 T5 [0018]
- DE 3407521 C1 [0021, 0024]
