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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Moderne Verbrennungsmotoren werden zur Leistungssteigerung über einen Turbolader aufgeladen. Beim Verdichten im Turbolader erhitzt sich die Luft stark. Um die Bauteilgrenztemperaturen im Abgasstrang einzuhalten ist es daher erforderlich, die erhitze Luft vor Eintritt in den Verbrennungsmotor erneut zu kühlen. Diese kann beispielsweise über einen Wasser-Kreislauf erfolgen.
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Aus der
DE 10 2016 013 926 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium führenden Kreislaufsystem bekannt. Das Kreislaufsystem weist einen mit dem Kühlmedium durchströmbaren, ersten Wärmeübertrager, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, auf. Das Kreislaufsystem weist weiterhin einen Ejektor, mittels welchem das Kühlmedium mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist, auf. Zusätzlich weist das Kreislaufsystem einen zweiten Wärmeübertrager auf, welcher parallel zu dem ersten Wärmeübertrager mit dem Kühlmedium durchströmbar ist und mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist. Dabei ist der Ejektor in einer Fluidströmungsrichtung des Kreislaufsystems hinter dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Der erste Wärmeübertrager ist in einem ersten Kreislaufteil des Kreislaufsystems gemeinsam mit einer Fördereinrichtung zur Förderung des Kühlmediums angeordnet, wobei der erste Kreislaufteil in eine Druckseite des Ejektors mündet. Der zweite Wärmeübertrager ist gemeinsam mit einem Expansionsventil in einem zweiten Kreislaufteil des Kreislaufsystems angeordnet, wobei der zweite Kreislaufteil in eine Saugseite des Ejektors mündet. Bei einem Betrieb der Fördereinrichtung zur Förderung des Kühlmediums durch das Kreislaufsystem liegt durch Zusammenwirken des Expansionsventils und des Ejektors in dem zweiten Kreislaufteil ein geringerer Fluiddruck des Kühlmediums vor als in dem ersten Kreislaufteil.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2015 016 394 A1 eine Kühlanordnung für einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Kühlanordnung einen Niedertemperatur-Kühlkreis, in dem ein Kühlmittel durch einen Niedertemperatur-Kühler und durch den Ladeluftkühler zirkuliert, umfasst. Der Niedertemperatur-Kühler liegt in einem von einem Lüfter unterstützten Luftstrom. Ferner ist ein Kältekreis vorgesehen, welchen einen Kondensator, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Kompressor umfasst. Dem Verdampfer sind im Kältekreis parallel ein weiteres Expansionsventil und ein weiterer Verdampfer geschaltet, wobei der weitere Verdampfer der Aufnahme von Wärme aus dem im Niedertemperatur-Kühlkreis zirkulierenden Kühlmittel durch Verdampfen eines Kältemittels dient. Der weitere Verdampfer ist im Niedertemperatur-Kühlkreis dem Niedertemperaturkühler nachgeschaltet und dem Ladeluftkühler vorgeschaltet, wobei der Kondensator im Luftstrom parallel zum Niedertemperatur-Kühler angeordnet ist. Im Kältekreis ist dem Kompressor nachgelagert und dem Kondensator vorgelagert ein weiterer Kondensator angeordnet.
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Die
DE 10 2013 205 318 A1 beschreibt eine aufgeladene Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit einer Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen eines Motorblocks der Brennkraftmaschine, mit einer in der Frischluftanlage angeordneten Ladeeinrichtung und mit einer zweistufigen Ladeluftkühlung zum Kühlen der Frischluft stromab der Ladeeinrichtung. Die Frischluftanlage weist ein an den Motorblock angeschlossenes und die Frischluft auf die Brennräume verteilendes Saugmodul und eine Ladeluftleitung auf, die von der Ladeeinrichtung zum Saugmodul führt. Eine erste Kühlstufe der Ladeluftkühlung ist durch einen Kühler gebildet und eine zweite Kühlstufe der Ladeluftkühlung ist durch einen Verdampfer eines Kältekreises gebildet, in dem ein Kältemittel zirkuliert, wobei der Verdampfer im Saugmodul angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlvorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst ein ein Kühlmedium führendes Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen, wobei
- - in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einem Kondensator fluidisch gekoppelt ist,
- - in einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit dem Kondensator fluidisch gekoppelt ist und
- - sich das Kreislaufsystem in Strömungsrichtung nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil aufteilt. Erfindungsgemäß ist im zweiten Kreislaufteil ein Kältemittelverdichter vor dem Eintritt in den Kondensator angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Kühlung der Ansaugluft in einem einzigen Kreislauf anstatt dort zwei Stufen mit separaten Kreisläufen luftseitig zu verbinden. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee eines zweistufigen Kältekreislaufs, der auf der einen Seite als Kältemitteldirektkühlung und auf der anderen Seite als konventioneller Klimakreislauf arbeitet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine umgebungsunabhängige Kühlung der Ladeluft die zudem unabhängig von der Fahrzeugklimatisierung ist, so dass keine Komforteinbußen auftreten. Die zweistufige Kühlung wird kostengünstig in einem System gebündelt. Somit wird die Ladelufttemperatur im Saugrohr komplett einstellbar. Durch die präzise Kontrolle der Ladelufttemperatur ist eine Optimierung des Motorbetriebs möglich. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Verbesserung des thermischen Bauteilschutzes im Abgas und daher die Ermöglichung noch höher verdichtender, effizienterer Motoren erreicht. Ferner werden Kraftstoffeinsparungen durch Verbesserung der Schwerpunktlage des Motors bei der Verbrennung (geringere Klopfneigung durch kühlere Lufttemperaturen) ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Schaltbild einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
- 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs und
- 3 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist ein schematisches Schaltbild einer Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen von Ladeluft L für eine Verbrennungskraftmaschine 3.
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Es ist bekannt, dass zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen 3 Teile einer Abgasenergie über einen Turbolader 2 zurückgewonnen werden. Mit dieser Leistung wird Luft vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3, d. h. die Ladeluft L, vorverdichtet, wodurch sich die Dichte der Luft erhöht und bei gleichem Volumen einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 3 mehr Sauerstoff zugeführt werden kann. Somit kann ein Hubraum der Verbrennungskraftmaschine 3 bei gleicher oder höherer Leistung reduziert werden, wodurch ein Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Während der Verdichtung der Luft erhitzt sich diese jedoch stark. Um eine optimale Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 3 sicherzustellen, beispielsweise um ein so genanntes Klopfen in Benzinmotoren zu vermeiden, und eine Temperatur nach der Verbrennungskraftmaschine 3 aus Bauteilschutzgründen zu beschränken, wird die verdichtete Ladeluft L mittels der Kühlvorrichtung 1 vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3 gekühlt.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein ein Kühlmedium M führendes Kreislaufsystem 4 mit zwei Kreislaufteilen 4.1, 4.2.
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In einem ersten Kreislaufteil 4.1 ist ein mit dem Kühlmedium M durchströmter erster Wärmetauscher 5 vorgesehen. Mittels des ersten Wärmetauschers 5, beispielsweise einem Hochtemperatur-Wärmetauscher oder Hochtemperatur-Verdampfer, ist Wärme zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der erste Wärmetauscher 5 eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung 6 zur Förderung des Kühlmediums M, beispielsweise einer Förderpumpe oder einem Verdichter, und ausgangsseitig mit einem insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauscher 10 fluidisch gekoppelt. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil 4.1 geschalteten zweiten Kreislaufteil 4.2 ist ein zweiter Wärmetauscher 8 vorgesehen. Mittels des zweiten Wärmetauschers 8, beispielsweise eines Niedertemperatur-Wärmetauschers oder Niedertemperatur-Verdampfers, ist Wärme zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der zweite Wärmetauscher 8 eingangsseitig mit einem Expansionsventil 9 und ausgangsseitig mittelbar mit dem insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauscher 10 fluidisch gekoppelt.
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Das heißt, der erste Kreislaufteil 4.1 und der zweite Kreislaufteil 4.2 sind vor dem insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauscher 10 miteinander verbunden. Stromab des insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauschers 10 sind die beiden Kreislaufteile 4.1, 4.2 wieder getrennt.
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Weiterhin kann der zweite Wärmetauscher 8 ausgangsseitig mit einer Wärmeabgabeseite 11.1 eines integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt sein und das Expansionsventil 9 kann eingangsseitig mit einer Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt sein.
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In einem Betrieb der Kühlvorrichtung 1 tritt die vom Turbolader 2 verdichtete Ladeluft L in den ersten Wärmetauscher 5 ein und wird dort abgekühlt, bevor sie der Verbrennungskraftmaschine 3 zugeführt wird. Dem Kühlmedium M, insbesondere einem Kältemittel, wird in dem insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauscher 10 die von der Ladeluft L aufgenommene Wärme entzogen und beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben.
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Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher 10 teilt sich das Kreislaufsystem 4 an einer Abzweigung 12 in die zwei Kreislaufteile 4.1, 4.2 auf.
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Im ersten Kreislaufteil 4.1 erfährt das Kühlmedium M durch die Fördervorrichtung 6 eine Druckerhöhung im Vergleich zum weiteren Wärmetauscher 10. Im ersten Wärmetauscher 5 nimmt das Kühlmedium M die Wärme aus der Ladeluft L auf, bevor es weiter zum weiteren Wärmetauscher 10 strömt. Die Ladeluft L wird dabei von ihrer maximalen Temperatur bei Eintritt in den ersten Wärmetauscher 5 auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt.
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Im zweiten Kreislaufteil 4.2 wird in einer Ausführungsform ein Teil des Kühlmediums M mittels der Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter abgekühlt, anschließend im Expansionsventil 9 entspannt und durch den zweiten Wärmetauscher 8 geleitet. Die Ladeluft L durchströmt nach dem Passieren des ersten Wärmetauschers 5 weiter in den zweiten Wärmetauscher 8, der die restliche, abzuführende Wärme der Ladeluft L an das im zweiten Kreislaufteil4.2 geführte Kühlmedium M abgibt. Hierbei kann eine Entspannung des Kühlmediums M auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgen. Danach wird das Kühlmedium M in einer Ausführungsform mittels der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter erhitzt, insbesondere überhitzt, und vereint sich wieder mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1. Ein Temperaturniveau im zweiten Wärmetauscher 8 kann dabei über eine Drosselwirkung des Expansionsventils 9 einstellbar sein.
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Zu dieser Regelung kann das Expansionsventil 9 eine nicht dargestellte Regeleinheit umfassen, welche beispielsweise mit zumindest einem, in Strömungsrichtung unmittelbar nach einem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 angeordneten, nicht näher dargestellten Temperatursensor datentechnisch gekoppelt ist.
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Anhand von Signalen des Temperatursensors kann die Temperatur des überhitzten Kühlmediums M in Strömungsrichtung nach dem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 ermittelt werden. In Abhängigkeit dieser Temperatur, deren Sollwert eine Regelgröße für das Expansionsventil 9 bildet, kann die Regelung des Expansionsventils 9 erfolgen. Diese Regelung erfolgt dabei elektrisch und/oder thermisch, wobei mittels der Regelung sichergestellt werden kann, dass das Kühlmedium M im integrierten Wärmetauscher 11 vollständig überhitzt wird.
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Die hier vorgeschlagene Erfindung verwendet einen Kältemittelverdichter 13 am Ende des zweiten Kreislaufteils 4.2 vor der Zusammenführung mit dem ersten Kreislaufteil 4.1.
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Im ersten Wärmetauscher 5, beispielsweise einem Hochtemperatur-Verdampfer, wird das Kühlmedium M verdampft und kühlt dadurch die verdichtete Ladeluft L in einer ersten Stufe ab.
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Der zweite Kreislaufteil 4.2 wird über ein Expansionsventil 9 geführt, in dem sich das Kühlmedium M entspannt und die Temperatur reduziert wird. Anschließend wird das Kühlmedium M im Wärmetauscher 8, insbesondere einem Niedertemperatur-Verdampfer, verdampft. Hierdurch wird die Ladeluft L in einer zweiten Kühlstufe auf die Zieltemperatur vor Saugrohr-Eintritt abgekühlt.
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Die Direktkühlung des Kühlmediums M, insbesondere eines Kältemittels, läuft durch den ersten Kreislaufteil 4.1 und wird über die Fördervorrichtung 6, insbesondere eine Pumpe, angetrieben. Die Fördervorrichtung 6 dient fast ausschließlich der Volumenbewegung und muss relativ wenig Druckdifferenz aufbringen. Es müssen lediglich die Druckverluste in den stromabwärtsliegenden Komponenten des ersten Wärmetauschers 5, insbesondere eines Hochtemperatur Verdampfers, und des weiteren Wärmetauschers 10, insbesondere eines Kondensators, ausgeglichen werden. Daher ist der Leistungsbedarf der Fördervorrichtung 6 sehr gering. Als Kühlmedium M wird hier flüssiges Kältemittel befördert. Diese erste Kühlstufe kühlt bei richtiger Auslegung auf ähnliche Temperaturen wie eine Wasserkühlung und wird durch die Umgebungstemperatur limitiert. Im ersten Wärmetauscher 5, insbesondere einem Hochtemperatur-Verdampfer verdampft Kältemittel (anstatt eines reinen Wärmetransfers einer Wasserkühlung), sodass für eine lange Zeit eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Ladeluft L und Kühlmedium M in der Komponente sichergestellt ist. Als Folge entsteht eine sehr gute Wärmeleitung aufgrund des hohen Temperaturgradienten.
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Der zweite Kreislaufteil 4.2 funktioniert wie eine klassische Klimatisierung. Das Kühlmedium M, insbesondere ein Kältemittel, wird in dem Expansionsventil 9 auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau entspannt. Das Temperaturniveau kann hierbei umgebungsunabhängig eingestellt werden. Das Kältemittel wird anschließend im zweiten Wärmetauscher 8, insbesondere einem Niedertemperatur-Verdampfer, verdampft und durch den Kältemittel-Verdichter 13 wieder auf den Kondensationsdruck gehoben. Danach vereinigen sich die beiden Kreislaufteile 4.1, 4.2 wieder und geben die Wärme im weiteren Wärmetauscher 10, insbesondere Kondensator, an die Umgebung ab. Der Vorteil des integrierten Kältekreislaufs im zweiten Kreislaufteil 4.2 ist eine passgenaue, auf die Bedingungen des Motors abgestimmte Ausführung. Der Kältemittel-Verdichter 13 kann hierbei kleiner und weniger energieintensiv als der Verdichter einer Fahrzeugklimatisierung ausgelegt werden. Zusätzlich kommt es zu keiner negativen Beeinträchtigung der Klimatisierung des Fahrzeugs, da die eigentliche Klimaanlage anders als im Stand der Technik für diese Lösung nicht verwendet wird.
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2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Verlaufs eines Drucks p in Abhängigkeit von einer spezifischen Enthalpie h für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung 1 während eines Kühlbetriebs. Diese Ausführungsform kommt ohne Einsatz eines integrierten Wärmetauschers 11 aus.
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Die Ladeluft L wird in dieser Lösung ausgehend von der hohen Temperatur nach der Verdichtung in zwei Stufen gekühlt. Der erste Kreislaufteil 4.1 des Kreislaufsystems 4 kühlt die Ladeluft L möglichst stark ab, ist jedoch durch die Umgebungstemperatur beeinträchtigt. Eine zusätzliche Abkühlung, auch unter Umgebungstemperatur, erfolgt anschließend im zweiten Kreislaufteil 4.2 des Kreislaufsystems 4.
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3 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Verlaufs eines Drucks p in Abhängigkeit von einer spezifischen Enthalpie h für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung 1 während eines Kühlbetriebs.
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Die Kühlvorrichtung 1 enthält zusätzlich zur in 2 gezeigten Ausführungsform einen zusätzlichen integrierten Wärmetauscher 11 (englisch: Recuperator). Dieser kann die Leistungsfähigkeit und Effizienz verbessern. Durch eine weitere Unterkühlung des zweiten Kreislaufteils 4.2 ist so eine bessere Ausnutzung des Zweiphasengebiets (und hiermit der konstanten Temperatur) möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- Turbolader
- 3
- Verbrennungskraftmaschine
- 4
- Kreislaufsystem
- 4.1, 4.2
- Kreislaufteile
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Fördervorrichtung
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Expansionsventil
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- integrierter Wärmetauscher
- 11.1
- Wärmeabgabeseite
- 11.2
- Wärmeaufnahmeseite
- 12
- Abzweigung
- 13
- Kältemittelverdichter
- h
- Enthalpie
- L
- Ladeluft
- M
- Kühlmedium
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013926 A1 [0003]
- DE 102015016394 A1 [0004]
- DE 102013205318 A1 [0005]
