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HINTERGRUND
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Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen das aktive Kühlmittelreduzierungsmanagement in einem Druckbehälter-Kühlmittelumleiter für Automobilanwendungen. Insbesondere wird in der vorliegenden Anmeldung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umleiten des Kühlmittelstroms um einen druckbeaufschlagten Kühlmittelbehälter herum gelehrt, bis der Motor Betriebstemperatur erreicht hat, wobei eine Kühlmittel-Bypasskammer und ein Bypass-Absperrventil verwendet werden.
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ERLÄUTERUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
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Bei herkömmlichen Fahrzeugkühlsystemen wurde eine Kühlmittelüberlaufflasche physisch durch einen Schlauch am Kühlerdruckdeckelbereich befestigt, wobei sich ein zusätzliches Kühlmittelvolumen befand, um die Expansion und Kontraktion des Kühlmittels sowie die Spülung der im Kühlsystem befindlichen Luft zu steuern. Die Druckkappe war in der Regel am höchsten Punkt des Systems angebracht und war somit über viele Jahre hinweg eine geeignete Stelle. Da Fahrzeugkühlsysteme komplexer werden und die Frontend-Strukturen niedriger werden als der Motor, wurde das herkömmliche Überlaufflaschensystem durch den Einsatz von druckbeaufschlagten Kühlmittelbehältern eliminiert. Der Vorteil des Drucksystems besteht darin, dass sich der Kühlmittelfüllpunkt nun an beliebiger Stelle unter der Haube befinden kann, wobei jedoch das gesamte Kühlmittel, das einst vom Hauptkühlsystem getrennt war, während des Motoraufwarmlaufs in den aktiven Teil des Kühlsystems aufgenommen werden muss, wodurch das Aufwärmen des Motors verzögert wird, bis dieses zusätzliche Kühlmittelvolumen aufgewärmt ist. In dieser Konfiguration ist die Kühlmitteltankeintrittstemperatur etwa die gleiche Temperatur wie die Kühlmitteltemperatur des Motoraustritts. Somit erwärmt sich das Kühlmittel im Tank während des Aufwärmzyklus des Fahrzeugmotors und verringert den Gesamtkraftstoffverbrauch während des Aufwärmens des kalten Motors. Es wäre wünschenswert, diese Probleme zu überwinden und gleichzeitig die Vorteile des Druckbehältersystems zu erhalten.
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KURZDARSTELLUNG
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung bieten eine Reihe von Vorteilen. So können beispielsweise Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Leistung von Fahrzeugkühlsystemen und eine schnellere Leistung beim Erreichen optimaler Betriebstemperaturen ermöglichen, sowohl für die Leistung des Antriebssystems als auch für die Sicherheit und den Komfort der Fahrzeuginsassen. Somit können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung robuster sein als bisherige Kühlsysteme, was die Kundenzufriedenheit erhöht.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, die einen Kühlmitteltank mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, einen mit der ersten Kammer gekoppelten Einlass, einen mit der zweiten Kammer gekoppelten Auslass, einen zwischen der ersten Kammer und dem Auslass gekoppelten Bypass, einen Sensor zum Bestimmen einer Temperatur eines Fluids innerhalb der ersten Kammer und ein Ventil zum Koppeln des Fluids innerhalb der ersten Kammer mit dem Bypass als Reaktion darauf, dass die Temperatur des Fluids unter einer ersten Temperatur liegt, umfasst, wobei das Ventil ferner zum Koppeln des Fluids innerhalb der ersten Kammer mit der zweiten Kammer als Reaktion darauf funktionsfähig ist, dass die Temperatur des Fluids höher als die erste Temperatur ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt ein Verfahren, umfassend das Empfangen eines Kühlmittels mit einer Temperatur aus einem Fahrzeugkühlmittelkreislaufsystem, das Koppeln des Kühlmittels mit einem mit einem Auslass gekoppelten Behälter-Bypass, das Bestimmen der Temperatur des Kühlmittels und das Koppeln des Kühlmittels mit einem mit dem Auslass gekoppelten Behälter als Reaktion darauf, dass die Temperatur höher als eine Schwellentemperatur ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt einen aktiven Flüssigkeitsbehälter, umfassend einen Einlass zum Aufnehmen einer Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur, einen Auslass, einen ersten Tank, der mit dem Einlass gekoppelt ist, einen zweiten Tank, der mit dem Auslass gekoppelt ist, und einen Thermostat, der mit dem ersten Tank, dem zweiten Tank und dem Auslass gekoppelt ist, zum Bestimmen der ersten Temperatur und zum Leiten des Fluids vom ersten Tank zum zweiten Tank als Reaktion auf die erste Temperatur, die einen Schwellenwert überschreitet, wobei der Thermostat ferner in der Lage ist, das Fluid als Reaktion auf die erste Temperatur, die den Schwellenwert nicht überschreitet, zum Auslass zu leiten.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Blockdiagramm einer exemplarischen Anwendung für eine aktive Kühlmittelmengenreduzierung für Automobilanwendungen.
- 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer exemplarischen aktiven Kühlmittelmanagementvorrichtung.
- 3a zeigt einen Querschnitt durch eine exemplarische Kühlmittel-Bypasskammer 310a mit einem thermostatischen Mechanismus im normalen Betriebsmodus.
- 3b zeigt einen Querschnitt durch eine exemplarische Kühlmittel-Bypasskammer mit einem thermostatischen Mechanismus in einem Bypassmodus.
- 4 zeigt ein exemplarisches Verfahren zur aktiven Kühlmittelvolumenreduzierung für Automobilanwendungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Fahrzeugkühlmittelsystem gerichtet sind, ist lediglich exemplarischer Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einschränken. So wird beispielsweise das Kühlsystem der vorliegenden Offenbarung als Anwendung für ein Fahrzeug beschrieben. Wie jedoch von Fachleuten auf dem Gebiet der Technik wahrgenommen wird, kann die Architektur auch andere Anwendungen außer Automobilanwendungen bereitstellen.
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Mit Blick auf 1 wird nun ein Blockdiagramm einer exemplarischen Anwendung für eine aktive Kühlmittelvolumenreduzierung für Automobilanwendungen gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Moderne Fahrzeugkühlsysteme werden typischerweise unter Druck gesetzt, um die thermischen Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren zu nutzen, um den Siedepunkt des Kühlmittels zu erhöhen. Das moderne Fahrzeugdesign gestaltet die Platzierung einer herkömmlichen Kühlerkappe am höchsten Punkt des Kühlmittelkreislaufs problematisch. Herkömmliche Kühlmittelüberlaufflaschen wurden typischerweise mit dem Kühlerdeckel verbunden. Ein weiterer Nachteil aktueller druckbeaufschlagter Kühlmittelbehälter besteht darin, dass das gesamte Kühlmittelvolumen im aktiven Teil des Kühlsystems eingeschlossen ist und somit die Zeit zum Erreichen der optimalen Betriebstemperatur verzögert wird, bis das zusätzliche Kühlmittelvolumen erwärmt ist.
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Das exemplarische Kühlmittelsystem 100 umfasst eine Kühlmittelpumpe 110, einen Fahrzeugmotorblock 120, einen Temperatursensor 130, einen Heizkern 140, einen Kühler 150, eine aktive Kühlmittelvolumen-Managementvorrichtung 170 und einen saugseitigen Thermostat 160. Die Kühlmittelpumpe 110 ist in der Lage, das Kühlmittel im gesamten Kühlmittelsystem 100 zu zirkulieren. Die Kühlmittelpumpe 110 kann ein Laufrad oder dergleichen verwenden, das in einem Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für den Kühlmittelstrom eingeschlossen ist. Die Kühlmittelpumpe 110 kann mechanisch über einen Serpentinenriemen oder dergleichen angetrieben werden, der wiederum an einer Riemenscheibe befestigt ist, die als Reaktion auf die Motorkurbelumdrehung angetrieben wird, oder eine elektrische Pumpe, die unabhängig von der Motordrehzahl betrieben wird.
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Der Fahrzeugmotorblock 120 nimmt die Kolben, Zylinder, Ventile und Kurbelwellen auf und ist die primäre Wärmequelle in einem Fahrzeug als Folge von Verbrennungen. Das druckbeaufschlagte Kühlmittel wird durch Kanäle innerhalb des Fahrzeugmotorblocks 120 und des Kopfes gepumpt. Die Wärme wird von den Metalloberflächen des Motorblocks 120 zum druckbeaufschlagten Kühlmittel geleitet. Das erwärmte druckbeaufschlagte Kühlmittel strömt durch einen Temperatursensor 130 zum Bestimmen der Temperatur des druckbeaufschlagten Kühlmittels. Zusätzlich kann ein Heizkern 140 verwendet werden, um Wärme aus dem druckbeaufschlagten Kühlmittel in den Fahrgastraum abzugeben. Es wird auch ein Kühler 150 eingesetzt, um dem druckbeaufschlagten Kühlmittel Wärme zu entziehen und die Wärme an die Luft außerhalb des Fahrzeugs zu übertragen. Der Kühlmittelstrom durch den Kühler 150 kann auch durch einen saugseitigen Thermostat 160 gesteuert werden.
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Der druckbeaufschlagte Kühlmittelbehälter 170 speichert ein zusätzliches Kühlmittelvolumen zur Verwaltung der Kühlmittelaufweitung und -kontraktion beim Erwärmen und Abkühlen des Fahrzeugs. Der druckbeaufschlagte Kühlmittelbehälter 170 besteht aus zwei Kammern, einer kleineren Kühlmittel-Bypasskammer und einer größeren Ausgleichsbehälterkammer. Die Kühlmittel-Bypasskammer dient dazu, eine kleine Menge Kühlmittel zu speichern und den Kühlmittelstrom um den Ausgleichsbehälter herum umzuleiten, bis der Motor die Betriebstemperatur erreicht hat. Dies hat den Vorteil, dass die Motorerwärmung während des am wenigsten effizienten Teils des Motorbetriebs schneller erfolgt und Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch und beim Erwärmen der Kabine realisiert werden. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen druckbeaufschlagten Kühlmittelbehälters 170 besteht darin, dass er die Entlüftung des Kühlmittelkreislaufs während des Motorbetriebs und des Systemfüllvorgangs erleichtert.
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Das exemplarische Kühlmittelsystem 100 kann ferner einen Kühlmittelbypasskreislauf 180 beinhalten, der verwendet werden kann, um einen korrekten Gesamtkühlmittelstrom des Motors aufrechtzuerhalten, wenn der saugseitige Thermostat 160 den Kühlmittelstrom aus dem Kühler 150 begrenzt. Der saugseitige Thermostat 160 dient zum Bestimmen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf, während das Kühlsystem auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird. Wenn die Kühlmitteltemperatur ihre Betriebstemperatur erreicht hat, startet sie damit, das Kühlmittel aus dem Kühler austreten zu lassen, wodurch es sich mit dem Kühlkreislauf vermischt, um die Betriebstemperatur zu halten. Wenn höhere Temperaturen bestimmt werden, ermöglicht der saugseitige Thermostat 160 einen größeren Durchfluss durch den Kühler und einen geringeren Durchfluss durch den Kühler bei niedrigeren Temperaturen.
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Mit Blick auf 2 ist nun ein schematischer Querschnitt einer exemplarischen aktiven Kühlmittelmanagementvorrichtung 200 dargestellt. Die aktive Kühlmittelmanagementvorrichtung beinhaltet im Wesentlichen zwei Kühlmittelspeicherkammern, eine Kühlmittel-Bypasskammer 210 und eine Ausgleichsbehälterkammer 220. Die Kühlmittel-Bypasskammer 210 ist eine kleinere Kammer, in der sich ein Ventilmechanismus mit einem Bypass-Absperrventil 230 und einem Haupt-Thermostatventil 235 befindet. Die aktive Kühlmittelmanagementvorrichtung 200 dient dazu, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislaufsystem an einem Einlassrohr 225 aufzunehmen und Kühlmittel während der Fahrzeugerwärmung in einen Kühlmittelbypasskreislauf 245 umzuleiten und, sobald das Fahrzeugkühlmittel eine Betriebstemperatur erreicht hat, Kühlmittel in die Ausgleichsbehälterkammer 220 zu leiten. Die Ausgleichsbehälterkammer 220 enthält ein Kühlmittelvolumen zum Ausgleich der Kühlmittelausdehnung und -kontraktion und ist die Sammelstelle für die aus dem Kühlsystem gespülte Luft.
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Die Kühlmittel-Bypasskammer 210 nimmt den thermostatischen Mechanismus auf, einschließlich des Bypass-Absperrventils 230 und eines Haupt-Thermostatventils 235. Wenn sich der thermostatische Mechanismus im Bypassmodus befindet, ist das Bypass-Absperrventil 230 geöffnet und das Haupt-Thermostatventil 235 geschlossen, und das Kühlmittel wird durch den Kühlmittelbypasskreislauf 245 zu einem Auslassrohr 250 geleitet. Nachdem das Kühlmittel eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, öffnet der thermostatische Mechanismus das Haupt-Thermostatventil 235 und schließt das Bypass-Absperrventil 230, um das Kühlmittel durch einen Kühlmittel- und Luftkanal 255 in die Ausgleichskammer 220 zu leiten. Das Kühlmittel vermischt sich dann mit einer zusätzlichen Kühlmittelmenge, die in der Ausgleichsbehälterkammer 220 gespeichert ist, und erwärmt die zusätzliche Kühlmittelmenge. Das Kühlmittel strömt dann durch das Auslassrohr 250 zurück in das Kühlmittelkreislaufsystem. Das Auslassrohr verfügt optional über ein Ventil, um den Rückfluss aus dem Kühlmittelbypasskreislauf 245 zu verhindern, der im Bypassmodus geschlossen ist. Der thermostatische Mechanismus kann optional durch ein Ventilsystem ersetzt werden, das durch einen Temperatursensor geschaltet wird, wie beispielsweise ein Thermoelement und ein Mikroprozessor oder dergleichen.
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Die aktive Kühlmittelmanagementvorrichtung 200 kann weiterhin ein erstes Druckventil 275 verwenden, um zu ermöglichen, dass Luft in den Ausgleichsbehälter 220 durch den Kühlmittel- und Luftkanal 255 strömt, jedoch den Kühlmittelstrom beim Durchlaufen einschränkt. Die aus dem Kühlsystem abgeschiedene Luft in den Ausgleichsbehälter 220 kann durch das zweite Druckventil 280 in den Atmosphärendruck gedrückt werden. Das exemplarische Kühlmittelsystem beinhaltet weiterhin ein erstes Druckbegrenzungsventil 275, wie beispielsweise ein Schwimmerventil oder ein Rüttelventil, und ein zweites Druckbegrenzungsventil 280, wie beispielsweise ein Druckventil oder eine Druckkappe, mit denen eingeschlossene Luft im Kühlmittelkreislauf und im druckbeaufschlagten Kühlmittelbehälter getrennt werden kann. Wenn eine Druckkappe als zweites Druckbegrenzungsventil 280 eingesetzt wird, kann sie verwendet werden, um das System mit Kühlmittel zu füllen.
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Mit Blick auf 3a ist nun ein Querschnitt einer exemplarischen Kühlmittel-Bypasskammer 310a mit einem thermostatischen Mechanismus im normalen Betriebsmodus dargestellt. Im Normalbetrieb strömt das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislaufsystem über die Zuleitung 330a in die Kühlmittel-Bypasskammer 310a ein. Das Haupt-Thermostatventil 320a ist in der geöffneten Position und das Bypass-Absperrventil 335a ist in der geschlossenen Position dargestellt. Das Kühlmittel strömt dann in den oberen Teil der Kühlmittel-Bypasskammer und durch einen Kühlmittel- und Luftkanal 315a in die Ausgleichsbehälterkammer. In diesem Modus strömt kein Kühlmittel durch die Kühlmittelbypasskreislauf 340a. In einer exemplarischen Ausführungsform kann mindestens eines des Haupt-Thermostatventils 320a und des Bypass-Absperrventils 335a ein Wachspellet-Thermostatventil 327a oder dergleichen sein. Die Kühlmittel-Bypasskammer 310a kann weiterhin ein Rüttel- oder Schwimmerventil 325a zur Entlüftung vor allem während des Bypassmodus und der Servicebefüllung verwenden.
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3b veranschaulicht einen Querschnitt durch eine exemplarische Kühlmittel-Bypasskammer mit einem thermostatischen Mechanismus 310b im Bypassmodus. Im Bypass- oder Warmlaufmodus strömt das Kühlmittel aus dem Kältemittelkreislaufsystem über die Zuleitung 330b in die Kühlmittel-Bypasskammer 310b ein. Das Haupt-Thermostatventil 320b ist in der geschlossenen Position und das Bypass-Absperrventil 335b ist in der geöffneten Position dargestellt. In einer exemplarischen Ausführungsform können diese Ventile als Reaktion auf ein Wachspellet-Thermostatventil 327b oder dergleichen betätigt werden. Im Bypassmodus durchströmt das Kühlmittel den Kühlmittelbypasskreislauf 340b, der vom Kühlmittelkreislaufsystem zurückgeführt wird, und umgeht die Ausgleichsbehälterkammer. In diesem Modus strömt kein Kühlmittel durch den Kühlmittel- und Luftkanal 315b oder die Ausgleichsbehälterkammer. Die Kühlmittel-Bypasskammer 310a kann weiterhin ein Rüttelventil oder Schwimmerventil 325b zwischen der unteren und oberen Kühlmittel-Bypasskammer 310b verwenden, um sicherzustellen, dass während der Kühlmittelbefüllung die erforderliche Luft strömt und während der Kalt- und Warmlaufphase der Kühlmittelumgebung entlüftet wird, während der Kühlmittelstrom unter diesen Bedingungen unterbrochen wird.
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Das exemplarische Wachspellet-Thermostatventil 327a, 327b kann unter Verwendung eines starren Gehäuses gebildet werden, das ein Nadelventil umschließt, das von einem kupferbeladenen Wachspellet in einem abgedichteten Gehäuse angetrieben wird. Wenn die Temperatur des Kühlmittels steigt, dehnt sich das Wachs aus und dehnt den abgedichteten Körper aus, der das Nadelventil antreibt. In dieser exemplarischen Ausführungsform kann der expandierende dichte Körper das Öffnen des Haupt-Thermostatventils 320a, 320b und das Schließen des Bypass-Absperrventils 335a, 335b betätigen, worin der kontrahierende dichte Körper das Schließen des Haupt-Thermostatventils 320a, 320b und das Öffnen des Bypass-Absperrventils 335a, 335b betätigen kann.
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Vorteile des vorgeschlagenen Systems mit der Kühlmittel-Bypasskammer beinhalten ein schnelleres Erwärmen des Motors, einen geringeren Kraftstoffverbrauch des Motors und ein schnelleres Erwärmen der Kabine bei kalten Bedingungen. Darüber hinaus wird die Erwärmung von Motoröl und Getriebeöl durch Stapelplattenwärmetauscher (SPHE) verbessert.
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Mit Blick auf 4 wird nun ein exemplarisches Verfahren zur aktiven Kühlmittelvolumenreduzierung für Automobilanwendungen 400 dargestellt. Das Verfahren ist zunächst funktionsfähig, um ein Kühlmittel mit einer Temperatur aus einem Fahrzeugkühlmittelkreislaufsystem 410 aufzunehmen. Das Verfahren ist dann funktionsfähig, um das Kühlmittel an eine Behälter-Bypasskammer zu koppeln, die mit einem Einlass 420 gekoppelt ist. Das Verfahren ist dann funktionsfähig, um die Temperatur des Kühlmittels 430 zu ermitteln. Wenn die Temperatur des Kühlmittels eine Schwellentemperatur überschreitet, ist das Verfahren dann funktionsfähig, um das Kühlmittel mit einem Behälter zu koppeln, der mit der Bypasskammer gekoppelt ist, als Reaktion darauf, dass die Temperatur höher als eine Schwellentemperatur 440 ist. Das Verfahren kehrt dann zum Aufnehmen eines Kühlmittels mit einer Temperatur aus einem Fahrzeugkühlmittelkreislaufsystem 410 zurück. Wenn die Temperatur des Kühlmittels die Schwellentemperatur nicht überschreitet, ist das Verfahren funktionsfähig, um das Kühlmittel weiterhin über den Behälterauslass an das Fahrzeugkühlmittelkreislaufsystem 410 zu koppeln.
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Das Verfahren kann ferner funktionsfähig sein, um das Kühlmittel an den Behälter-Bypass zu koppeln, wenn die Temperatur des Kühlmittels niedriger als die Schwellentemperatur ist, worin das Kühlmittel mit mindestens einem der Behälter und dem Behälter-Bypass über einen Thermostat gekoppelt ist. Das Verfahren kann auch zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels als Reaktion auf einen Temperatursensor eingesetzt werden. Der Behälter kann ein zusätzliches Volumen an Fahrzeugkühlmittel enthalten, das vom Fahrzeugkühlmittelkreislaufsystem verwendet wird, nachdem das Kühlmittel eine Schwellentemperatur erreicht hat. Die Schwellentemperatur kann als Reaktion auf eine Betriebstemperatur eines Fahrzeugantriebssystems ermittelt werden.
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Während die zuvor erläuterten exemplarischen Ausführungsformen die Kühlmittel-Bypasskammer und eine eingesetzte Ausgleichsbehälterkammer beschreiben, können die beiden Behälter optional an getrennten Stellen angeordnet und über einen Schlauch oder dergleichen verbunden sein. Während ein Wachspellet-Thermostat in der exemplarischen Ausführungsform beschrieben wurde, kann das System mit elektronischen Ventilen realisiert werden, die von einem Motorkühlmitteltemperatursensor gesteuert und durch Motorsteuermodule oder dergleichen aktiviert werden.
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Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden aus der besagten Abhandlung und aus den beigefügten Zeichnungen und Patentansprüchen leicht erkennen, dass ohne von dem in den folgenden Patentansprüchen definierten Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen an derselben vorgenommen werden können.
