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Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Aufheizen eines ein Abgas führenden Bauteils einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend wenigstens eine zumindest mittelbar an dem Bauteil anordbare Induktionsspule. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine Abgasanlage und wenigstens einen Kühlwasserkreislauf. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Brennkraftmaschine.
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Eine Abgasnachbehandlung mittels einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor ist nur in einem bestimmten Temperaturfenster effektiv, also, wenn ein das Abgas behandelndes Bauteil eine bestimmte Betriebstemperatur aufweist, bei der es zuverlässig arbeitet. Bei Hybridelektrofahrzeugen ist dies ein Problem, da sich die Abgasnachbehandlungsbauteile während eines rein elektrischen Fahrbetriebs abkühlen und schnell wieder auf die Betriebstemperatur kommen müssen, wenn auf einen Fahrbetrieb zumindest teilweise mittels eines Verbrennungsmotors umgeschaltet wird. Zur Lösung dieses Problems ist bereits eine elektrische Beheizung von Abgasnachbehandlungsbauteilen vorgeschlagen worden, um deren Betriebstemperatur schneller zu erreichen. Jedoch erfolgt dabei das Aufheizen des jeweiligen Abgasnachbehandlungsbauteils relativ langsam und die Effizienz der Beheizung ist meist relativ gering.
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Die
IN 01119DE2013 A und die
WO 2017 / 198 601 A1 offenbaren jeweils ein System zum Aufheizen eines Abgasrohrs einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, wozu innerhalb des Abgasrohrs eine Induktionsspule angeordnet ist, die zum Aufheizen des Abgasrohrs mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Die
US 9 488 085 B2 ,
KR 2011 0 021 441 A ,
WO 2017 / 195 107 A2 und
US 2017 / 0 362 982 A1 offenbaren jeweils einen Abgaskatalysator mit einer eingebauten Induktionsspule zum Aufheizen des Abgaskatalysators.
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Die
CN 107 782 100 A offenbart eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung zur Herstellung eines Abgaskatalysators, wobei in einer Trockenkammer der Vorrichtung ein Induktionsheizsystem zum Aufheizen der Trockenkammer angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamischere Abgasnachbehandlung mit höherer Energieeffizienz bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, die wenigstens einen thermisch an die Induktionsspule gekoppelten Kühlkreislauf mit wenigstens einer an der Induktionsspule angeordneten Spulenkühleinheit, wenigstens einer Umwälzpumpe und wenigstens einem Wärmetauscher aufweist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß wird das Abgas führende Bauteil der Abgasanlage unter Verwendung von Induktionsheizen aufgeheizt, wodurch das Bauteil innerhalb weniger Sekunden auf eine gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden kann. Dadurch ist die mit der Abgasanlage durchführbare Abgasnachbehandlung deutlich dynamischer als beispielsweise bei einer Verwendung einer herkömmlich innerhalb einer Abgasanlage angeordneten elektrischen Heizeinheit zum direkten Aufheizen des Abgases. Hierdurch wird die Abgasnachbehandlung verbessert, was mit einer Reduzierung von Schadstoffemissionen eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs einhergeht. Zudem müssen keine Kabel in die Abgasanlage geführt werden, wie es bei einer herkömmlichen elektrischen Heizeinheit zum direkten Aufheizen des Abgases erforderlich ist. Bei einer solchen herkömmlichen Heizeinheit in einer Abgasanlage geht zudem viel Wärme, die mit der elektrischen Heizeinheit erzeugt wird, über das aus der Abgasanlage ausströmende Abgas verloren. Zudem ist die Wärmeübertragung zwischen der herkömmlichen elektrischen Heizeinheit und dem Abgas relativ schwach. Insgesamt ist somit die erfindungsgemäße Vorrichtung deutlich energieeffizienter betreibbar als eine herkömmliche elektrische Heizeinheit.
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Das Bauteil kann ein Abgasrohr oder ein Abgasnachbehandlungsbauteil, insbesondere ein Katalysator, sein. Das Bauteil kann dazu ausgebildet sein, mittels Induktion erwärmt zu werden. In diesem Fall kann die Induktionsspule mittelbar, beispielsweise über einen elektrischen Isolator, oder unmittelbar mit dem Bauteil verbunden sein. Alternativ oder additiv kann die Heizvorrichtung ein als Hülse ausgebildetes Induktionsbauteil aufweisen, das das Bauteil unmittelbar umgibt und mittels Induktion erwärmbar ist. In diesem Fall kann die Induktionsspule mittelbar, beispielsweise über einen elektrischen Isolator, oder unmittelbar mit dem Induktionsbauteil verbunden sein. Die Induktionsspule kann beispielsweise um das Bauteil, den elektrischen Isolator oder das Induktionsbauteil gewickelt sein.
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Der Kühlkreislauf ist über die Spulenkühleinheit und ein mit der Umwälzpumpe umwälzbares Kühlfluid thermisch an die Induktionsspule gekoppelt. Hierbei kann die Spulenkühleinheit die Induktionsspule zumindest teilweise in einem Abstand umschließen, so dass das Kühlfluid zwischen der Induktionsspule und der Spulenkühleinheit hindurchfließen kann. Der Kühlkreislauf weist zusätzlich Kühlfluidleitungen auf, wobei die Spulenkühleinheit über eine Kühlfluidleitung mit der Umwälzpumpe verbunden ist, die Umwälzpumpe über eine weitere Kühlfluidleitung mit dem Wärmetauscher verbunden ist und der Wärmetauscher über eine weitere Kühlfluidleitung mit der Spulenkühleinheit verbunden ist.
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Über den Wärmetauscher kann der Kühlkreislauf Wärme abgeben, die er über die Spulenkühleinheit aufgenommen hat. Hierdurch wird die Induktionsspule gekühlt. Dies kann sich positiv auf den Energieverbrauch der Induktionsspule auswirken. Zudem kann die Wärme des Wärmetauschers zu einem anderen Aufheizzweck verwendet werden. Ein anderer Aufheizzweck kann beispielsweise das Aufheizen eines Kühlwassers eines thermisch an den Wärmetauscher gekoppelten Kühlwasserkreislaufs der Brennkraftmaschine oder das Aufheizen eines Motoröls der Brennkraftmaschine sein. Hierdurch kann die mittels der Induktionsspule erzeugte Wärme sehr effizient genutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkreislauf ein elektrisch nicht leitfähiges Kühlfluid auf, das in unmittelbarem Kontakt mit der Induktionsspule steht. Hierdurch kann eine optimale Übertragung von Wärme von der Induktionsspule auf das Kühlfluid sichergestellt werden, ohne dass es die Gefahr gibt, dass durch das Kühlfluid ein elektrischer Kurzschluss bewirkt wird. Das Kühlfluid ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Kühlkreislauf wenigstens einen Ionenaustauscher aufweist. Hierdurch können in dem Kühlfluid enthaltene und/oder im Kühlbetrieb entstehende Ionen, die für den Betrieb des Kühlkreislaufs schädlich sein können, gegen für den Betrieb des Kühlkreislaufs unschädliche Ionen ausgetauscht werden. Dadurch wird die Dauerhaftigkeit der Heizvorrichtung erhöht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung wenigstens einen Kühlfluidkühler, der eingangsseitig mit einer ersten Kühlfluidleitung des Kühlkreislaufs verbunden ist, über die das Kühlfluid dem Wärmetauscher zuführbar ist, und der ausgangsseitig über eine erste Fluidleitung mit einem Fluideingang des Wärmetauschers und über eine zweite Fluidleitung mit einer zweiten Kühlfluidleitung des Kühlkreislaufs, über die das Kühlfluid der Spulenkühleinheit zuführbar ist, verbunden ist, wenigstens ein elektrisch ansteuerbares erstes Schaltventil, mit dem das Kühlfluid dem Wärmetauscher wahlweise entweder über die erste Kühlfluidleitung oder über die erste Fluidleitung zuführbar ist, und wenigstens ein elektrisch ansteuerbares zweites Schaltventil auf, mit dem der Spulenkühleinheit wahlweise entweder das aus dem Wärmetauscher austretende Kühlfluid oder das aus dem Kühlfluidkühler austretende Kühlfluid zuführbar ist. Hierdurch kann das Kühlfluid mittels des separaten Kühlfluidkühlers gekühlt werden, ohne dass in dem Kühlfluid enthaltene Wärme auf den Wärmetauscher übertragen wird, von wo aus Wärme einem anderen Aufheizzweck zugeführt werden kann, für den oben Beispiele genannt sind. Wird dieser Aufheizzweck momentan nicht benötigt, wird das Kühlfluid nicht mehr dem Wärmetauscher, sondern dem Kühlfluidkühler zugeführt. Ausgehend von dem Kühlfluidkühler kann das abgekühlte Kühlfluid entweder über den Wärmetauscher oder direkt der Spulenkühleinheit zugeführt werden. Der Kühlfluidkühler wird von dem Kühlfluid zumindest teilweise durchströmt und/oder umströmt. Jedes Schaltventil kann als 3/2-Wegeventil ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung wenigstens einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur eines Kühlwassers der Brennkraftmaschine und wenigstens eine mit dem Temperatursensor und den Schaltventilen verbundene Ansteuerelektronik auf, wobei die Ansteuerelektronik eingerichtet ist, die Schaltventile derart in Abhängigkeit von Temperatursignalen des Temperatursensors anzusteuern, dass das Kühlfluid über die erste Kühlfluidleitung dem Wärmetauscher und das aus dem Wärmetauscher austretende Kühlfluid der Spulenkühleinheit zugeführt wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers unterhalb einer Grenztemperatur liegt, und dass das aus dem Kühlfluidkühler austretende Kühlfluid entweder über die erste Fluidleitung und den Wärmetauscher oder über die zweite Fluidleitung der Spulenkühleinheit zugeführt wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers größer als die oder gleich der Grenztemperatur ist. Hierdurch kann dem Kühlfluid Wärme entzogen werden, die entweder über den Kühlfluidkühler ohne weitere Verwendung in die Umgebung abgegeben wird oder über den Wärmetauscher einem Aufheizzweck zugeführt wird. Hierzu schaltet die Ansteuerelektronik die Schaltventile unter Berücksichtigung der Temperatursignale des Temperatursensors, wobei die Ansteuerelektronik eingerichtet sein kann, über einen Vergleich festzustellen, ob die momentane Temperatur des Kühlwassers unterhalb der Grenztemperatur liegt oder gleich dieser bzw. größer als diese ist. Hierzu kann die Ansteuerelektronik wenigstens einen Mikroprozessor aufweisen, auf dem ein entsprechender Vergleichsalgorithmus ausführbar ist.
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Die obige Aufgabe wird zudem durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, die wenigstens eine Heizvorrichtung nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander aufweist, wobei der Kühlwasserkreislauf thermisch an dem Wärmetauscher der Heizeinheit gekoppelt ist.
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Mit der Brennkraftmaschine sind die oben mit Bezug auf die Heizvorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Verbrennungsmotor auf, der mit der Abgasanlage und dem Kühlwasserkreislauf verbunden ist. Der Kühlwasserkreislauf kann herkömmlich ausgebildet sein, bis auf die Tatsache, dass er thermisch an den Wärmetauscher der Heizvorrichtung gekoppelt ist.
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Die obige Aufgabe wird ferner durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, dessen Brennkraftmaschine nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander ausgebildet ist.
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Mit dem Kraftfahrzeug sind die oben mit Bezug auf die Brennkraftmaschine bzw. die Heizvorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kraftfahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug. Gerade bei einem Hybridelektrofahrzeug zeigen sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung sehr deutlich. Das Kraftfahrzeug kann aber alternativ auch als herkömmliches bzw. konventionelles Kraftfahrzeug ausgebildet sein, dass ausschließlich von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennkraftmaschine.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Verbrennungsmotor 2, eine mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundene Abgasanlage 3 und einen mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundenen Kühlwasserkreislauf 4 auf.
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Die Abgasanlage 2 weist ein Abgas führendes Bauteil 5 in Form eines Abgaskatalysators auf. Das Bauteil 5 ist über ein Abgasrohr 6 mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden, wobei an dem Abgasrohr 6 ein weiterer Abgaskatalysator 7 angeordnet ist. Aus dem Bauteil 5 austretendes Abgas wird über ein weiteres Abgasrohr 8 der Abgasanlage 3 abgeführt.
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Der Kühlwasserkreislauf 4 weist einen Kühler 9, eine Kühlwasserpumpe 10 und ein Thermostatventil 11 auf. Das aus dem Verbrennungsmotor 2 austretende erwärmte Kühlwasser wird unter Wirkung der Kühlwasserpumpe 10 über eine Kühlwasserleitung 12 dem Thermostatventil 11 zugeführt. Je nach Temperatur des Kühlwassers führt das Thermostatventil 11 das Kühlwasser nicht, teilweise oder vollständig über eine Kühlwasserleitung 13 dem Kühler 9 zu bzw. führt das Kühlwasser nicht, teilweise oder vollständig über eine Bypass-Leitung 14 der Kühlwasserpumpe 10 zu. Die Kühlwasserpumpe 10 pumpt das Kühlwasser über eine weitere Kühlwasserleitung 15 zu dem Verbrennungsmotor 2.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist zudem eine Heizvorrichtung 16 zum Aufheizen des Bauteils 5 auf. Die Heizvorrichtung 16 weist eine zumindest mittelbar an dem Bauteil 5 angeordnete Induktionsspule 17 und einen thermisch an die Induktionsspule 17 gekoppelten Kühlkreislauf 18 auf. Zudem weist die Heizvorrichtung 16 eine Hochvoltbatterie 19 und einen zwischen die Hochvoltbatterie 19 und die Induktionsspule 17 geschalteten AC/DC-Leistungskonverter 20 auf.
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Der Kühlkreislauf 18 weist eine an der Induktionsspule 17 angeordneten Spulenkühleinheit 21, eine Umwälzpumpe 22, eine Wärmetauscher 23 und einen Ionenaustauscher 24 auf. Zudem weist der Kühlkreislauf 18 ein nicht gezeigtes, elektrisch nicht leitfähiges Kühlfluid auf, das in unmittelbaren Kontakt mit der Induktionsspule 17 steht. Der Kühlwasserkreislauf 4 ist thermisch an dem Wärmetauscher 23 der Heizvorrichtung 16 gekoppelt, so dass Wärme von dem Kühlkreislauf 18 auf den Kühlwasserkreislauf 4 übertragen werden kann. Der Wärmetauscher 23 ist über eine erste Kühlfluidleitung 25 des Kühlkreislaufs 18, an der der Ionenaustauscher 24 und die Umwälzpumpe 22 angeordnet sind, mit der Spulenkühleinheit 21 verbunden. Ausgangsseitig ist der Wärmetauscher 23 über eine zweite Kühlfluidleitung 26 mit der Spulenkühleinheit 21 verbunden.
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An den Abgasrohren 6 und 8 ist jeweils ein Temperatursensor 27 angeordnet. Die Heizvorrichtung 16 kann in Abhängigkeit von Temperatursignalen der Temperatursensoren 27 betrieben werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennkraftmaschine 28 für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug.
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Die Brennkraftmaschine 28 unterscheidet sich dadurch von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass die Heizvorrichtung 29 der Brennkraftmaschine 28 einen Kühlfluidkühler 30 aufweist, der eingangsseitig mit der ersten Kühlfluidleitung 25 des Kühlkreislaufs 18 verbunden ist, über die das Kühlfluid dem Wärmetauscher 23 zuführbar ist, und der ausgangsseitig über eine erste Fluidleitung 31 mit einem nicht gezeigten Fluideingang des Wärmetauschers 23 und über eine zweite Fluidleitung 32 mit der zweiten Kühlfluidleitung 26 des Kühlkreislaufs 18, über die das Kühlfluid der Spulenkühleinheit 21 zuführbar ist, verbunden ist.
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Des Weiteren weist die Heizvorrichtung 29 ein elektrisch ansteuerbares erstes Schaltventil 33 auf, mit dem das Kühlfluid dem Wärmetauscher 23 wahlweise entweder über die erste Kühlfluidleitung 25 oder über die erste Fluidleitung 31 zuführbar ist. Zudem weist die Heizvorrichtung 29 ein elektrisch ansteuerbares zweites Schaltventil 34 auf, mit dem der Spulenkühleinheit 21 wahlweise entweder das aus dem Wärmetauscher 23 austretende Kühlfluid oder das aus dem Kühlfluidkühler 30 austretende Kühlfluid zuführbar ist.
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Ferner weist die Heizvorrichtung 29 einen Temperatursensor 35 zum Erfassen einer Temperatur des nicht gezeigten Kühlwassers des Kühlwasserkreislaufs 4 und eine mit dem Temperatursensor 35 und den Schaltventilen 33 und 34 verbundene Ansteuerelektronik 36 auf. Die Ansteuerelektronik 36 ist eingerichtet, die Schaltventile 33 und 34 derart in Abhängigkeit von Temperatursignalen des Temperatursensors 35 anzusteuern, dass das Kühlfluid über die erste Kühlfluidleitung 25 dem Wärmetauscher 23 und das aus dem Wärmetauscher 23 austretende Kühlfluid der Spulenkühleinheit 21 zugeführt wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers unterhalb einer Grenztemperatur liegt, und dass das aus dem Kühlfluidkühler 30 austretende Kühlfluid entweder über die erste Fluidleitung 31 und den Wärmetauscher 23 oder über die zweite Fluidleitung 32 der Spulenkühleinheit 21 zugeführt wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers größer als die oder gleich der Grenztemperatur ist.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 1 verweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Abgasanlage
- 4
- Kühlwasserkreislauf
- 5
- Bauteil
- 6
- Abgasrohr
- 7
- Abgaskatalysator
- 8
- Abgasrohr
- 9
- Kühler von 4
- 10
- Kühlwasserpumpe von 4
- 11
- Thermostatventil von 4
- 12
- Kühlwasserleitung von 4
- 13
- Kühlwasserleitung von 4
- 14
- Bypass-Leitung von 4
- 15
- Kühlwasserleitung von 4
- 16
- Heizvorrichtung
- 17
- Induktionsspule
- 18
- Kühlkreislauf
- 19
- Hochvoltbatterie
- 20
- AC/DC-Leistungskonverter
- 21
- Spulenkühleinheit
- 22
- Umwälzpumpe
- 23
- Wärmetauscher
- 24
- Ionenaustauscher
- 25
- erste Kühlfluidleitung von 18
- 26
- zweite Kühlfluidleitung von 18
- 27
- Temperatursensor
- 28
- Brennkraftmaschine
- 29
- Heizvorrichtung
- 30
- Kühlfluidkühler
- 31
- erste Fluidleitung
- 32
- zweite Fluidleitung
- 33
- erstes Schaltventil
- 34
- zweites Schaltventil
- 35
- Temperatursensor
- 36
- Ansteuerelektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/198601 A1 [0003]
- US 9488085 B2 [0004]
- KR 20110021441 A [0004]
- WO 2017/195107 A2 [0004]
- US 2017/0362982 A1 [0004]
- CN 107782100 A [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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