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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler sowie mit einer Kontrollvorrichtung zur Steuerung oder Regelung eines elektrisch betriebenen Elements eines Fahrzeuges, insbesondere einer Heizvorrichtung, wie z.B. einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung für einen Katalysator und/oder mit einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung für ein PTC-Heizelement zur bedarfsweisen Aufheizung einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges. Es wird insoweit auch auf Fahrzeuge mit einer solchen Brennkraftmaschine verwiesen, insbesondere auf Kraftfahrzeuge.
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DE 10 2007 030 464 A1 ist ein Saugrohr für eine Brennkraftmaschine mit einem im Saugrohr angeordneten Wasserladeluftkühler bekannt, welcher an seinen gegenüberliegenden Enden Wasserkästen aufweist. Hierbei ist wenigstens einer der Wasserkästen als integraler Bestandteil des Saugrohres ausgebildet, wobei der Wasserladeluftkühler als Kühlernetz ausgebildet ist, dessen Gehäuse vollständig von Teilen des Saugrohres ausgebildet ist.
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Aus
DE 10 2010 063 602 A1 ist ein weiteres Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler bekannt. Dieses Saugrohr weist ein einen Ladeluftkanal definierendes Gehäuse und einen Ladeluftkühler mit einem Kühlerblock auf, welcher in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass er von der Ladeluft durchströmt werden kann. Dabei schließt der Kühlerblock des Ladeluftkühlers an einer dem Gehäuse zugewandten Seite mit einem Kühlelement ab, wobei in dem Kühlelement eine Ausnehmung ausgebildet ist, die mit einem am Kühlerblock des Ladeluftkühlers ausgebildeten Vorsprung derart korrespondiert, dass dieser Vorsprung in die wenigstens eine Ausnehmung dichtend eingreift.
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Auf die konstruktive Gestaltung von aus der Praxis und aus den vorstehenden Dokumenten bekannten Wasserladeluftkühlern, die auch als saugrohrintegrierte Ladeluftkühler (SiLLK) bezeichnet werden und in unterschiedlichen Gestaltungsvarianten existieren, wird hiermit vollumfänglich verwiesen.
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EP 3 503 229 A1 ist ein Ladeluftkühler mit einem thermoelektrischen Generator für einen turbogetriebenen Verbrennungsmotor bekannt, der auch einen DC-DC-Wandler und eine Steuereinheit aufweist. Eine konkrete konstruktive Anordnung des DC-DC-Wandlers oder eine Nutzung des DC-DC-Wandlers für andere Elemente sind nicht offenbart.
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DE 199 40 802 A1 ist eine Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators bekannt. Diese Anordnung umfasst eine Heizvorrichtung mit einem DC/DC-Wandler, der mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die Energieabgabe des DC/DC-Wandlers von einem Steuergerät in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Heizkennlinie erfolgt. Anstelle eines DC/DC-Wandlers soll auch ein steuerbarer Schalter verwendbar sein, falls die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung zum Beheizen des Katalysators heruntergesetzt werden muss. Nachteilig an dem Einsatz von derartigen Heizvorrichtungen ist, dass bei für das Betreiben derartiger Heizvorrichtungen üblicherweise eingesetzten Kontrollvorrichtungen zur Steuerung oder Regelung der elektrisch betriebenen Heizvorrichtung, insbesondere DC/DC-Wandler, eine hohe Wärmeentwicklung stattfindet und diese Wärme effizient abgeführt werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in Bezug auf den Bauraum und die Wärmeabfuhr optimierte konstruktive Gestaltung einer Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und einer Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Ladeluftkühler und mindestens eine Kontrollvorrichtung zur Steuerung oder Regelung mindestens eines elektrisch betriebenen Elements eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges. Dabei werden unter elektrisch betriebenen Elementen eines Kraftfahrzeuges insbesondere Spannungswandler und Steuergeräte verstanden. In Bezug auf Spannungswandler wird dabei explizit auf DC-DC-Wandler verwiesen. In Bezug auf Steuergeräte wird insbesondere auf Motorsteuergeräte, Getriebesteuergeräte, NOx-Steuergeräte, Glühkerzensteuergeräte, Beleuchtungssteuergeräte und Leistungselektronik verwiesen. Unter einer Heizvorrichtung im Sinne der Erfindung wird insbesondere eine Heizvorrichtung für einen Katalysator und/oder eine Heizvorrichtung für ein PTC-Heizelement für einen Fahrzeug-Innenraum verstanden. Erfindungsgemäß ist die Kontrollvorrichtung derart unmittelbar benachbart zu dem Ladeluftkühler angeordnet, dass Abwärme der Kontrollvorrichtung zumindest teilweise über den Ladeluftkühler abgeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist eine thermische Funktionseinheit aus der Kontrollvorrichtung und dem Ladeluftkühler insoweit hergestellt, dass die Wärmeabfuhr zumindest teilweise zu einem relevanten Anteil über den Ladeluftkühler erfolgt. Vorzugsweise wird die von der Heizvorrichtung produzierte Wärme zu mindestens 20 Prozent über den Ladeluftkühler abgeführt, bevorzugt zu mindestens 40 Prozent, und besonders bevorzugt zu mindestens 50 Prozent. Bei einer Wärmeabfuhr von mindestens 50 Prozent über den Ladeluftkühler wird die entstehende Abwärme überwiegend über den Ladeluftkühler abgeführt. Durch diese konstruktive Gestaltung kann die Kühlleistung des Ladeluftkühlers effizient für die Kühlung der Kontrollvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Heizvorrichtung genutzt werden, wodurch sich eine sehr bauraumsparende und zugleich ressourcenschonende Anordnung ergibt, weil auf zusätzliche Kühlvorrichtungen dann ggf. verzichtet werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass bei einer schnellen Wärmeentwicklung in der Kontrollvorrichtung die zusätzliche Wärmeenergie in der erfindungsgemäßen konstruktiven Anordnung in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine dazu genutzt werden kann, um zumindest in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine das Kühlwasser eines Wasserkreislaufs und/oder die Ladeluft selbst zu erwärmen und so schnellstmöglich die optimale Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine zu erreichen. Nur beispielhaft wird diesbezüglich auf eine Startphase einer Brennkraftmaschine verwiesen.
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Unter einer Kontrollvorrichtung im Sinne der Erfindung werden insbesondere Spannungswandler, insbesondere in Form eines DC-DC-Wandlers, oder Pulsweitenmodulatoren verstanden. Dabei weisen DC-DC-Wandler den Vorteil auf, dass damit üblicherweise eine präzisere Steuerung möglich ist. Da die Wärmeentwicklung von DC-DC-Wandlern jedoch meist größer ist als die Wärmeentwicklung von Pulsweitenmodulatoren, überwiegen die Vorteile der Erfindung in Verbindung mit einer Kontrollvorrichtung in Form eines Spannungswandlers, insbesondere eines DC-DC-Wandlers.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist besonders kompakt und/oder effizient, wenn es sich bei dem Ladeluftkühler um einen saugrohrintegrierten Ladeluftkühler und/oder einen flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler handelt. Insbesondere wird auf wassergekühlte Ladeluftkühler verwiesen, insbesondere solche, die einen eigenen, geschlossenen Wasserkreislauf aufweisen. Auf die diversen, aus der Praxis und aus dem Stand der Technik bekannten konstruktiven Ausführungsformen von saugrohrintegrierten Ladeluftkühlern wird an dieser Stelle noch einmal explizit verwiesen. Insbesondere wird auf saugrohrintegrierte Ladeluftkühler verwiesen, bei welchen der Ladeluftkühler in Form einer separat hergestellten Kühlkassette bzw. eines Kühlerpakets realisiert ist, die bzw. das bei der Montage des saugrohrintegrierten Ladeluftkühlers in eine korrespondierende Öffnung des Saugrohres eingeführt und dann auf geeignete Weise daran befestigt wird.
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Der Wärmeübergang bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist besonders effizient, wenn der Ladeluftkühler mindestens eine Kühlplatte aufweist und die Kontrollvorrichtung der Heizvorrichtung unmittelbar an die mindestens eine Kühlplatte angrenzend angeordnet ist. Darunter wird beispielsweise das Verschrauben oder sonstige Befestigen einer Platine oder eines sonstigen Elements einer Kontrollvorrichtung unmittelbar mit der Kühlplatte verstanden. Im Einzelfall kann es auch ausreichend sein, wenn nur ein Teilbereich einer Platine oder eines sonstigen Elements der Kontrollvorrichtung unmittelbar mit der Kühlplatte in Kontakt steht, vorzugsweise derjenige Teilbereich, an welchem am meisten Abwärme entsteht, oder der sehr gut wärmeleitend mit einem viel Wärme produzierenden Abschnitt in Verbindung steht.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die mindestens eine Kühlplatte derart angeordnet, dass diese auch Teil der Kontrollvorrichtung ist. Dies kann insbesondere derart realisiert sein, dass diese Kühlplatte als Teil eines Gehäuses der Kontrollvorrichtung gestaltet ist und als solche genutzt wird. Beispielsweise kann die Kühlplatte die Bodenplatte eines Gehäuses eines Ladeluftkühlers sein, der während der Montage in eine korrespondierende Öffnung eines Saugrohres eingeführt wird.
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Unabhängig davon, ob eine Kühlplatte Teil der Kontrollvorrichtung ist und/oder die Kontrollvorrichtung mittelbar an die Kühlplatte angrenzend angeordnet ist, kann in einem Wärmeübergangsbereich zwischen Ladeluftkühler und Kontrollvorrichtung der Wärmeübergang durch Aufbringen einer Wärmeleitpaste verbessert werden. So kann beispielsweise ein Wandabschnitt zwischen Ladeluftkühler und Kontrollvorrichtung einseitig auf Seiten des Ladeluftkühlers, einseitig auf Seiten der Kontrollvorrichtung oder auch beidseitig mit einer Wärmeleitpaste versehen sein. Dabei wird die Wärmeleitpaste vorzugsweise vollflächig auf die jeweiligen Grenzflächen zwischen Ladeluftkühler und Kontrollvorrichtung aufgetragen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mindestens ein - insbesondere ein wärmeproduzierendes und/oder wärmeemittierendes - Element der Kontrollvorrichtung fest mit mindestens einer Kühlplatte verbunden, insbesondere mit einer Kühlplatte des Ladeluftkühlers und/ oder mit einer funktional mit einem Kühlplattenpaket des Ladeluftkühlers verbundenen Platte. Die Verbindung kann dabei insbesondere durch Verkleben, Verlöten, Verschweißen, Verschrauben oder auf sonstige geeignete stoffschlüssige, kraftschlüssige und/oder formschlüssige Art und Weise erfolgen. Als wärmeemittierende Elemente kommen dabei insbesondere eine oder mehrere Spulen und/oder ein oder mehrere elektrische Platinen in Betracht.
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Die Wärmeabfuhr von der Kontrollvorrichtung sowie die sonstige Wärmeübertragung zwischen der Kontrollvorrichtung und dem Ladeluftkühler (sowie auch umgekehrt) kann weiter verbessert werden, wenn ein Kühlelement des Ladeluftkühlers in die Kontrollvorrichtung hineinragend angeordnet ist, denn so kann die für den Wärmeübergang relevante Oberfläche signifikant vergrößert werden. Nur beispielhaft wird diesbezüglich insbesondere auf die Möglichkeit verwiesen, an dem Kühlerelement mindestens eine Kühlrippe oder auch mehrere Kühlrippen auszubilden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wurde insbesondere in Verbindung mit solchen Ladeluftkühlern entwickelt die ein Kühlplattenpaket aufweisen, insbesondere ein als separate Zusammenbaueinheit vormontierbares Kühlplattenpaket, das weitestgehend oder sogar vollständig als separate Montageeinheit vorgesehen ist und erst nach dessen Montage als vormontierte Einheit in eine korrespondierende Öffnung eines Ladeluftkühlers eingesetzt wird.
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Ferner wird auf eine konstruktive Gestaltungsvariante verwiesen, bei welcher das Kühlplattenpaket in die Kontrollvorrichtung hineinragend angeordnet ist. Eine solche Variante ist insbesondere dann einfach und kostengünstig umsetzbar, wenn der Ladeluftkühler einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Öffnung zur Aufnahme eines Kühlplattenpakets aufweist, das Kühlplattenpaket gegenüber dem Saugrohr herausragend angeordnet ist und der gegenüber dem Saugrohr herausragende Abschnitt des Kühlplattenpakets von einem Kontrollvorrichtungsgehäuse umschlossen wird. In diesem Fall kann die Kühlplatte des Kühlplattenpakets einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als Trennwand gestaltet und so eingesetzt sein, dass ein erster Teil des Kühlplattenpakets für eine Kühlung der durch den Saugrohrabschnitt strömenden Luft und ein zweiter Teil des Kühlplattenpakets zur Kühlung der Kontrollvorrichtung oder einzelner Elemente der Kontrollvorrichtung genutzt wird, so dass der das Kühlplattenpaket umgebende Bereich in einen funktionalen Saugrohr-Kühlplattenabschnitt und einen Kontrollvorrichtungs-Kühlplattenabschnitt aufgeteilt ist.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mindestens ein Kühlelement vorgesehen, welches sich von dem Kühlabschnitt des Ladeluftkühlers aus bis in den Innenraum der Kontrollvorrichtung erstreckt. Diesbezüglich wird insbesondere auf die Anordnung von Wärmerohren (Heatpipes) sowie die Ausbildung von Rippen verwiesen, welche einen effizienten Wärmeübergang von der Kontrollvorrichtung auf den Kühlabschnitt des Ladeluftkühlers ermöglichen sollen.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer teilweise vereinfachten, schematischen Darstellung
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einem - hier saugrohrintegrierten - Ladeluftkühler (SiLLK) 12 sowie mit einer Kontrollvorrichtung 14 zur Steuerung oder Regelung einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung. Bei der nur schematisch dargestellten Kontrollvorrichtung 14 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Spannungswandler 16 für einen nicht dargestellten Katalysator zur Abgasnachbehandlung von Abgasen, die von der Brennkraftmaschine 10 während des Betriebes ausgestoßen werden. Bei dem Spannungswandler 16 handelt es sich vorliegend um einen DC-DC-Wandler.
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Wie in 1 erkennbar ist, sind im Inneren des Ladeluftkühlers 12 eine Vielzahl von Platten 18 - hier in horizontaler Richtung - angeordnet. Bei diesen Platten 18 handelt es sich um flüssigkeitsdurchströmte Kühlelemente, die dazu dienen, der diese durchströmenden Ladeluft Wärme zu entziehen und diese mittels der Flüssigkeit möglichst zügig aus dem Ladeluftkühler 12 herauszufördern. Im Betrieb der Brennkraftmaschine strömt zu kühlende Ladeluft gemäß den in 1 eingetragenen Pfeilen von rechts nach links in Richtung des Brennraums (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10.
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Unmittelbar benachbart zu dem Ladeluftkühler 12 ist die Kontrollvorrichtung 14 derart angeordnet, dass die unterste Platte 18 unmittelbar an ein Trennelement 20 eines einseitig offenen Kontrollvorrichtungsgehäuses 32 der Kontrollvorrichtung 14 angrenzt. Dadurch wird die Kühlleistung des Ladeluftkühlers 12 auch zur Kühlung des Trennelements 20 und damit auch der Kontrollvorrichtung 14 eingesetzt, indem die unterste Platte 18 das Trennelement 20 kühlt und damit auch die in Richtung des Kontrollvorrichtungsgehäuses 28 weisende Seite des Trennelements 20 eine Kühlwirkung entfaltet. Diese Seite des Trennelements kann insbesondere zur unmittelbaren Anordnung von sich im Betrieb besonders erhitzenden Elementen genutzt werden, wie z.B. einer oder mehrerer Spulen eines DC-DC-Wandlers. Optional kann eine Dichtung (nicht dargestellt) derart zwischen Ladeluftkühler 12 und der Kontrollvorrichtung 14 vorgesehen sein, dass das Innere des Ladeluftkühlers 12 und das Innere des Kontrollvorrichtungsgehäuses 32 gegeneinander abgedichtet sind.
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In der gezeigten Ausführungsform ist eine Flüssigkeitsdurchführung von dem Ladeluftkühler 12 zu weiteren Platten 22 realisiert, die in der Kontrollvorrichtung 14 angeordnet sind und von der gleichen Flüssigkeit durchströmt werden wie die Platten 18 des Ladeluftkühlers 12.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu, kann von dem Ladeluftkühler 12 ein in das Gehäuse der Kontrollvorrichtung 14 hineinragendes Durchführungselement 24 vorgesehen sein, das beispielsweise zur Durchführung der Flüssigkeit von den Platten 18 zu den Platten 22 genutzt und/oder für eine verbesserte Wärmeübertragung von der Kontrollvorrichtung 14 zu dem Ladeluftkühler 12 genutzt werden kann.
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Alternativ oder in Ergänzung zu dem oben beschriebenen Durchführungselement 24 mit Mitteln zur Durchführung von Flüssigkeit, kann als ein Durchführungselement 24 auch eine Rippe oder mehrere Rippen ausgebildet sein, insbesondere derart, dass in dem Kontrollvorrichtungsgehäuse 32 entstehende Wärme effizient in Richtung des Ladeluftkühlers 12 gefördert wird.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist innerhalb der Kontrollvorrichtung 14 ein Kühlpaket 26 gebildet, in welchem diejenigen Elemente der Kontrollvorrichtung 14 angeordnet sind, welche sich während des Betriebes besonders stark erwärmen und deren effiziente Kühlung vorteilhaft und sinnvoll ist, insbesondere wärmeabgebende elektrische Elemente, wie z.B. Spulen. Die Elemente (nicht dargestellt) sind dabei vorzugsweise unmittelbar mit dem Trennelement 20 und/oder mit einer der Platten 22 verbunden.
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Durch die gezeigte Anordnung der Kontrollvorrichtung 14 unmittelbar benachbart zu dem Ladeluftkühler 12 wird Abwärme der Kontrollvorrichtung 14 zumindest teilweise effizient über den Ladeluftkühler 12 abgeführt.
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Vorzugsweise ist der Ladeluftkühler 12 - wie in 1 dargestellt - gebildet durch ein LLK-Gehäuse 28, das im Querschnitt u-förmig ausgebildet ist und eine Einführseite (hier die einseitig offene Unterseite) aufweist, über welche ein in den Ladeluftkühler einzusetzendes Plattenpaket 30 mit den Platten 18 als vormontierte Einheit einsetzbar ist. Das LLK-Gehäuse 28 kann optional einen eigenen Deckel (nicht gezeigt) aufweisen, um das Gehäuse 28 von der Unterseite her zu verschließen, nachdem das Plattenpaket 30 eingesetzt ist. In der gezeigten Ausführungsform dient als „Deckel“ das Kontrollvorrichtungsgehäuse 32mit dem Trennelement 20, wodurch die Unterseite des LLK-Gehäuses 28 flüssigkeitsdicht verschlossen wird. Bei dem gezeigten Kontrollvorrichtungsgehäuse 32 ist das Durchführungselement 24 Teil des Kontrollvorrichtungsgehäuses 32 sein. Das Durchführungselement 24 ist, wenn es auch zur Flüssigkeitsdurchführung eingesetzt wird, vorzugsweise derart gestaltet, dass es beim Einsetzen in die Platten 18 und/oder beim Herstellen der Verbindung zu den Platten 22, insbesondere bei der Montage des Kontrollvorrichtungsgehäuses 32, automatisch eine abgedichtete Verbindung zwischen den Platten 18 und den Platten 22 herstellt.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Ladeluftkühler
- 14
- Kontrollvorrichtung
- 16
- Spannungswandler
- 18
- Platte
- 20
- Begrenzungswand
- 22
- Platte
- 24
- Durchführungselement
- 26
- Kühlpaket
- 28
- LLK-Gehäuse
- 30
- Plattenpaket
- 32
- Kontrollvorrichtungsgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007030464 A1 [0002]
- DE 102010063602 A1 [0003]
- EP 3503229 A1 [0005]
- DE 19940802 A1 [0006]
