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Ölgekühlter Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten Verbrennungsmotor mit Trockensumpfschmierung,
bei der eine Druckölpumpe zur Schmierölversorgung der Lagerstellen und eine Rückförderpumpe
ztiil Ansaugen und Rückführen des sich i1a Unterteil des iiotors ansainmelnen und
zur Kühlung der Motorgehäuseteile verwendeten Motoröles in den Ölkeislauf vorgesehen
sind.
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Durch Öl gekühlte Verbrennun£;suotoren dieser +rt sind bekannt (DE-OS
25 24 272). bei den bekannten bauarten ist das Motor gehäuse dadurch gekühlt, daß
das von den Ventiltriebteilen abtropfende sowie aus der Ölförderleitung abgespritzte
und von dem Trockensumpfbehälter, der im oberen 1'eil des Kurbelgehäuses integriert
ist, aufgefangene Schmieröl jeden Zylinder der brennkraftmaschine umgibt und kühlt.
Den Ölkühlkreislauf hält die Druckölpumpe, d.h also die das Frischöl zu den Lagerstellen
fördernde Pumpe dadurch aufrecht, daß sie mit ihrer Saugseite an eine Absaugrinne
angeschlossen ist, die den Abschluß des Trockensumpfbehälters bildet. Diese Bauarten
weisen neben einer Reihe von Vorteilen aber auch die Eigenart auf, daß an dem heißesten
Zylinderteil des Kurbelgehäuses wegen der geringen kontinuierlichen Ölgeschwindigkeit
und wegen der sich im Gehäuse ausscheidenden Entlüftungsmenge eine größere wärmeabfuhr
verhindert wird. Dazu kommt, daß auch ein relativ großer Teil des rotors mit wasser
gekühlt werden muß
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen ölgekühlten Verbrennungsmotor dieser Gattung so auszubilden, daß eine bessere
und wirkungsvollere Kühlung durch Öl möglich ist, die es auch erlaubt, die Wasserkühlung
einzuschränken.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Rückförderpumpe als luftunempfindliche
Hochdruckpumpe ausgebildet ist und mit der Druckseite an die im Motorgehäuse vorgesehenen
Kühlräume angeschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung saugt die Rückförderpumpe
aus der Ansaugrinne ein Ül- und Ül/buftgemisch an fördert es mit relativ hoher Geschwindigkeit
durch die Kühlräume und sorgt somit für eine intensivere Kühlung. Dabei wird bewußt
ein bl/Luftgemisch mit angesaugt und durch die Lihlräume gefördert, weil sich dadurch
bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung selbsttätig eine intermittierende stoßweise
Förderung des G'l- und bl/Luftgemisches durch die Kühlräume ergibt. Die neue Ölkühlung
ist deshalb - an sich entgegen geläufigen Überlegungen - besonders wirksam, weil
die bei den bekannten Bauarten an den rauhen Gußwänden des Kurbelgehäuses anhaftende,
sehr dünne, heiße ölschicht, die eine Art Isolierschicht bildet, die den stetigen
Wärmefluß hindert, nicht auftritt. Diese von der Zähigkeit des gleis abhängige Schicht
muß laufend abgelöst werden, und das erfolgt mit der erfindungsgemäßen intermittierenden
Druckölluftförderung, die mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Das Öl muß bei dieser
Ausführung zwangsgeführt alle heißen stellen umspülen und kann eine wesentlich intensivere
Kühlung als bei bekannten Bauarten bewirken, bei denen das Prischöl ohne Luftanteil
durch die Kühlräume durchgesaugt wird.
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Eine besonders günstige Ausführungsform ergibt sich, wenn der Ansaugstutzen
der Rückförderpumpe an einer am Boden des I/iotorblockes angeordneten Absaugrinne
angeschlossen ist, weil sich dort das gesamte zur Schmierung und auch zur Kühlung
verwendete
Öl- und Öl/Luftgemisch sammelt. Erfindungsgemäß wird
die Rückförderpumpe auch gegenüber der Förderleistung der Druckölpumpe überdimensioniert,
und zwar zweckmäßig etwa doppelt so groß in ihrer Förderleistung, weil dadurch die
Gewähr dafür gegeben ist, daß sie auch die gesamte anfallende Ol- und Öl/Luftmenge
erfaßt und zur Kühlung zurückdrückt.
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Die Rückförderpumpe muß bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine solche
sein, die beim Auftreten von Luft in der Förderflüssigkeit unempfindlich reagiert.
Die Rückförderpuinpe kann daher eine Zahnradpumpe oder auch eine Solbenpumpe sein,
wobei sich die Zahnradpumpe bei Versuchen als zweckmäßig erwiesen hat.
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Die Erfindung erlaubt es wegen der intensiveren Kühlung, die Kühlräume
nur im oberen Bereich des Kurbelgehäuses vorzusehen und sie so anzuordnen, daf:
die Zylinderwände maximal nur auf Hublänge gekühlt sind. Die Temperatur an den Zylindern
wird deshalb unten im Kurbelgehäuse angehoben, so daß ein gleichmäßigeres, jedoch
etwas höheres Temperaturniveau über der Zylinderlänge vorhanden ist. Im unteren
Totpunktbereich ergibt sich daraus ein kleineres Kolbenspiel, so daß dort wesentlich
geringere Kolbenkippergehäusche entstehen. Diese Geräusche werden im oberen Totpunktbereich
durch die Ölfüllung gedämpft, die gegenüber Wasser wirkungsvoller ist. Dabei sollte
die Lühlraunhöhe möglichst niedrig gehalten werden, damit die Kühlölströmung vol
an den Zylinderumfang hernageführt werden kann, der einhalt möglichst klein gehalten
wird und trotzdem eine möglichst hohe Ölgeschwindigkeit erreicht wird. Es ist daher
zweckmäßig, wenn die höhe der Kühlräume im Bereich der Zylinder nur etwa zwei Drittel
der Hublänge beträgt. Die Zahnradpumpe überwindet jeden Widerstand im Kühlsystem.
Eine 1lügelpiunpe, wie sie beispielsweise bei Wasserkühlung vorgesehen ist, könnte
diese Aufgabe nicht oder nicht vollständig erfüllen.
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Im Ölkreislauf hinter den Kühlräumen wird ein außerhalb des Motorgehäuses
liegender Ölbehälter zur Entspannung und Entlüftung des hotoröles vorgesehen, der
an sich bei Trockensumpfschmierung bekannt ist. liter wird der ölbehälter aber auch
in den Kühlkreislauf eingeschaltet, und er weist den Vorteil auf, daß bei dieser
Ausgestaltung die Druckölpumpe trotz der neuartigen und intensiveren Kühlung beruhigtes,
vollkommen entlüftetes und frisches Schmieröl- aus diesem ölbehälter ansaugen kann.
In dem von der Druckölpumpe betriebenen Schmierölkreislauf hinter der Druckölpumpe
kann in bekannter Weise ein ölkühler mit Thermostat vorgesehen sein, und es ist
auch möglich, hinter der Druckölpumpe und hinter dem ölkühler ein Überdruckventil
im Schlaierölkreislauf-anzuordnen, das über eine Leitung überschüssiges Schmieröl
dem Kühlölkreislauf zuführt oder auch zusätzlich - wie auch aus der DE-OS 25 24
272 bekannt - auf die Zylinderwände o.dgl. spritzt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
braucht ausschließlich der Zylinderkopf noch mit wasser gekühlt zu werden. Durch
die neue Kühl art kann der übrige Teil des Motors mit Ül gekühlt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bringt auch noch den Vorteil mit sich,
da an den von der Rückförderpumpe betriebenen Kühlölkreislauf die Krafthfahrzeugheizung
angeschlossen werden kann.
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Die als Hochdruckpunpe ausgebildete Rückförderpumpe sorgt auch dafür,
da> das auftretende Druckgefälle hinter den Kühlräumen, d.h. vor und hinter dem
Wärmetauscher der Kraftfahrzeugheizung noch groß genug ist, um für eine gute Durchströmung
zu sorgen.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, daß das im urbelgehäuse
aufgeheizte Kühlöl über die Kraftwagenheizung zum Teil abgekühlt und dabei der wärmeinhalt
zumindestens teilweise ausgenutzt werden kann. Die Temperatur des Kühlöles liegt
etwa bei 1000 C und darüber, so daß im Gegensatz zu üblichen mit Wasser betriebenen
Fahrzeugheizungen ein wesentlich gröberer
Wärmeinhalt zur Verfügung
steht. Da Öl zudem die Wärme gut hält, steht auch nach längerer Motorstandzeit sofort
wieder Temperatur zur Verfügung, so da3 keine längere Warmlaufphase notwendig ist.
in Umgehungsventil, das zweckmäßig vorgesehen ist, kann dabei die Vorteile mit sich
bringen, daß die Heizung vor zu hohem Druck geschützt ist, zum Beispiel bei Kaltstart,
wenn ein zäher Ülpfropf sich im System befindet. Durch diesen durch das Um0C:ehungsventil
und die Bypaß Leitung vorgesehenen Kurzschluß wird das Ol ohne Wärmeabgabe öfters
über das Kurbelgehäuse gepumpt und erwärmt sich schneller. Das Umgehungsventil schließt
sich dann langsam und spült mit etwas Druck das kalte Ol aus der Heizung Durch diesen
Heizkreislauf kann auch das Kühlwasservolumen verkleinert werden, so daß nur noch
der Zylinderkopf mit Wasser gekühlt wird. Das Wasser, das jetzt nicht mehr iiber
die Fahrzeugheizung läuft und dessen Gesamtmenge geringer ist, erwärmt sich ebenfalls
noch schneller, so daß eine Verkleinerung des Kühlwassersystems vorgenommen werden
kann und damit die Warmlaufphase verkürzt wird.
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Yür das Schmier-, Kühl- und Heizöl werden hochsiedende, kältebeständige
und dünnflüssige Stoffe oder auch deren Mischungen verwendet, die bekannt sind und
die optimale Werte für Schmierung, Wärmeübergang, Wärmeleitung und Wärmetransport
ergeben Schwierigkeiten durch vorhandene Luftblasen im Ölkreislauf treten nicht
auf, da die Rückförderpumpe, die auch die Druckversorgung des Kühlsystems und des
Heizsystems übernimmt, diese Luftblasen mit fördert.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die schematische
Darstellung des Kühl- und Schmierkreislaufes eines ölgekühlten Verbrennungsmotores
gemäß der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich
Fig. 1, jedoch bei einem ölgekühlten Verbrennungsmotor, bei dem auch die Kraftwagenheizung
mit de für die Motorkühlung verwendeten Ül betrieben wird.
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In der ig. 1 ist schematisch der Motorblock 1 eines ölgekühlten Verbrennungsinotors
für ein Kraftfahrzeug dargestellt, der in dieser schematischen Darstellung in den
Bereich des Zylinderkopfes 2, in den oberen Kurbelgehäuseteil 3, der etwa im Bereich
der Zylinder 4 des hier als bechs-Lylinder-Reihenmotor angedeuteten Motors liegt
und in den unteren Bereich 5 des Kurbelgehäuses unterteilt ist. Am Boden des unteren
Bereiches des Kurbelgehäuses ist eine Absaugerinne 6 angeordnet, an der der Anschluß
7 zur Rückförderpumpe 8 angeschlossen ist, die das sich im unteren Kurbelgehäuse
5 und in der Absaugrinne 6 ansammelnde tiotoröl über die Leitung 9 in den oberen
Kurbelgehäuseteil 3 zurückdrückt. Die Rückförderpunpe 8 ist als eine Hochdruckpumpe,
beispielsweise als eine Zahnradpumpe ausgebildet, die luitunempfindlich ist und
daher aus der Absaugrinne das sich ansammelnde Öl und auch ein Ül/Luftgei:iisch
absaugt. Zu diesem Zweck ist die Rückförderpumpe 8 gegenüber der im allgemeninen
auf der gleichen Antriebswelle angeordneten Druckölpumpe 10 im Fördervolumen überdimensioniert,
so daß sie eine intensive, zwangsgeführte strömung in den Kühlräumen erzeugen kann.
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Die Leitung 9 grenzt an die nicht im einzelnen gezeigten, im oberen
Kurbelgehäuseteil 3 angeordneten Kühlräume für die Zylinder 4 an. Die Kühlräume
sind an die Rückführleitung 11 und an den Ölbehälter 12 angeschlossen, und zwar
so, daß das noch mit Luft angereicherte aus dem oberen Kurbelgehäuseteil 3 austretende
Kühlöl von oben auf ein Prallblech 13 auftrifft und von dort aus nach unten abtropft.
Der Ölbehälter ist mit einer
Entlüftungsleitung 14 versehen und
enthält in seinem unteren Teil vollkommen entlüftetes Frischöl, das über die Leitung
15 von der Druckölpumpe 10 angesaugt und dann über die Leitung 16 einem Filter 17
und dann über einen Ölthermostat 18 dem Ölkühler 19 und von dort über die Leitung
20 und 21 dem Hauptölkanal 22 unter Druck zugeführt wird. Der Hauptölkanal 22 führt
in an sich bekannter Weise zu allen Lagerstellen des Piotors, d.h. also sowohl zu
den Lagerstellen der Isockenwelle als auch zu denen der Kurbelwelle und zu anderen
Teilen.
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Diese Verteilung des unter Druck stehenden Frischöles ist nicht näher
gezeigt. Sie entspricht den bekannten Ausführungen. Dem Hauptölkanal 22 wird somit
von der Druckölpumpe 10 nur reines Schmieröl zugeführt.
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Vom Thermostat 18 zweigt noch eine Bypass-Leitung 23 ab, die beispielsweise
in der Anlaufphase das Schmieröl nicht über den Ölkühler führt, so daß es zusammen
mit dem Eühlölkreislauf, der noch beschrieben werden wird, schneller warm wird.
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Zwischen der Leitung 20 und der beitung 21 ist ein Überdruckventil
24 angeordnet, das beispielsweise bei Voll-Lastbetrieb und zu hohem Druck des Schmieröles
öffnet und über die Verbindungsleitung 25 das überschüssige kühlere schmieröl den
Kühlräume im oberen Kurbelgehäuseteil 3 zuführt. Das kann dadurch geschehen, daß
dieses überschüssige Schmieröl dem durch die Leitung 9 von der Rückförderpumpe 8
her unter Druck ankommenden Schmieröl und Luftgemisch beigemengt wird oder auch
dadurch, daß, wie an sich bekannt, dieses überschüssige Schmieröl auf zu kühlende
Teile gespritzt wird.
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Der Motorblock 1 und die dazugehörige Anordnung weist daher zwei Ölkreisläufe
auf. Einmal den an sich bekannten Schmierölkreislauf, der aus der Druckölpumpe 10
und den daran anliegenden Teilen, wie Thermostat 18, Filter 17, Ölkühler 19 und
dem Hauptölkanal 22 besteht. Zum zweiten den Kühlölkreislauf,
der
sich aus der Rückförderpumpe 8, den Kühlräume im oberen Kurbelgehäuseteil 3, der
Leitung 11, dem Ölbehälter 12 und der Absaugerinne 6 mit der Leitung 7 zusammensetzt.
Der Dlotor besitzt schließlich noch einen Wasserkreislauf durch den Zylinderkopf
2, der mit einer Wasserpumpe 26 versehen ist, die Kühlwasser durch den Zylinderkopf
2 im Sinne des Pfeiles 27 durchdrückt und über einen Wasserthermostat 28 entweder
über die Leitung 29 zum Wasserkühler 30 oder über die vom Thermostat 28 abzweigende
Leitung 31 unmittelbar in die Änsaugleitung 32 zur Wasserpumpe zurückführt. An diesen
Kühlwasserkreislauf ist bei dieser Ausführungsform auch die Kraftwagenheizung angeschlossen,
deren Wärmetauscher 33 über das Regelorgan 34 an den Wasserkreislauf anschließbar
ist.
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Das aufgewärmte Kühlwasser flieht dann über die Leitung 35 durch den
Wärmetauscher 33 und über die Leitung 36 wieder zurück zur Wasserpumpe 26. Lin wassergekühltes
Kurbelgehäuse schluckt z.. im Winterbetrieb in seinem kalten Unterteil mit großer
Oberfläche viel Wasserwärme und verlängert somit ungünstigerweise die Warmlaufphase.
Dieser nachteil entfällt erfindungsgemäß.
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Die zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse befindliche Zylinderkopfdichtung
hat keine Durchbrüche für den Wasserdurchtritt. Sie ist damit einfacher in der Herstellung,
hat ein besseres Setzverhalten beim Zylinderkopfanzug und ist sicherer gegen Undichtheiten.
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Wie schematisch in der Fig.1 angedeutet ist, sind die im oberen Kurbelgehäuseteil
3 angeordneten Kühlräume in ihrer Höhe so ausgelegt, daß der Abstand a zwischen
der l'rennungsebene 37 zwischen Kurbelgehäuseteil 3 und Zylinderkopf 2 und der unteren
Begrenzung 38 der Kühlräume etwa nur zwei Drittel der Hublänge h der einzelnen Zylinder
4 beträgt. Durch diese Ausgestaltung können die Kühlräume verhältnismäßig klein
dimensioniert
werden, so daß das von der Rückförderpumpe 8 unter
Druck angeförderte Kühlöl und bl/Luftgemisch wegen des geringen Volumens der Kühlräume
mit großer Geschwindigkeit durch die Kühlräume gedrückt werden kann. Da die Rückförderpumpe
wegen ihres großen Fördervolumens aus der Absaugerinne nicht nur das sich ansammelnde
Kühlöl absaugt, dessen ankommende Menge wegen der geringeren Fördermengenauslegung
der Druckölpumpe 10 kleiner ist als das von der Rückförderpumpe 8 angesaugte Volumen,
fördert die Rückförderpumpe 8 ein Öl- und Öl/Luftgemisch in die kühlräume des oberen
Kurbelgehäuses 3. Da die Rückförderpumpe 8 als luftunempfindlich fördernde Zahnradpumpe
oder auch als eine Kolbenpumpe ausgebildet ist, fördert sie dieses Kühlöl und Öl/Luftgemisch
intermittierend und ruckartig durch die Kühlräume, was den an sich nicht zu erwartenden
Vorteil mit sich bringt, daß sich an den Kühlwänden der Kühlräume kein Yilm oder
keine feine Ölschicht bildet, die eine Art Isolierschicht bildet und den Wärmeübergang
behindert. Erfindungsgemäß reißt dieser heiße Ölfilm ständig ab, wird laufend durch
neue kühlere Flüssigkeitsschichten ersetzt, 80 daß eine wesentlich bessere Kühlwirkung
gegenüber bekannten system erreicht wird. Voraussetzung ist, daß die Rückförderpumpe
8 ein wesentlich größeres Fördervolumen besitzt als die DrucKölpumpe 10. Im Ausführungsbeispiel
kann sie ihrem Fördervolumen etwa doppelt so hoch ausgelegt sein wie die Druckölpumpe
10.
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Das durch die Kühlräume geförderte Kühlöl und bl/Luftgemisch kann
sich dann durch die Leitung 11 und vor allen Dingen im Ölbehälter 12 entspannen,
wird dort entlüftet und kann als Frischöl durch die Druckölpumpe 10 wieder angesaugt
werden.
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In der Fig. 2 ist eine Abwandlung des Nühl- und EIeizungssystems insofern
gezeigt, als bei dieser Ausführungsform die Kraftwagenheizung nicht in der in der
Fig. 1 gezeigten Weise
mit dem den Zylinderkopf durchströmenden
Kühlwasser, sondern ebenfalls mit Öl betrieben wird. Diese Ausgestaltung ist möglich,
weil das hühlöl erfindungsgemäß -unter Druck durch die Kühlräume gedrückt wird und
auf diese Weise auch unter Druck durcn den Wärmetauscher 33 der Kraftwagenheizung
gefördert werden kann.
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Bei dieser Ausführungsform bleibt der behmierölkreislauf unverändert
und es ist in Fig. 2 lediglich nicht dargestellt, daß anschließend an die Leitung
16,die von der Druckölpumpe 10 kommt, noch der ölkühler 19 mit Thermostat angeschlossen
ist. Das Drucköl strömt über die Leitung 20 wieder zurück zum xiberdruckventil 24
und von dort aus über die Leitung 21 in den Hauptölkanal 22 bzw. bei zu hohem Druck
über die Leitung 25 zum oberen Kurbelgehäuseteil 3 und zu den Eühlräumen.
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Auch der Kühlölkreislauf bleibt bezüglich der Kühlölanordnung der
gleiche. Die Rückförderpumpe 8 fördert das Kuhlöl und Öl/Luftgemisch über die Leitung
9 in die Kühlräume im oberen Kurbelgehäuseteil 3 und von dort über die gedrosselte
Leitung 11 zurück zum Olbehälter 12. In die Leitung 11 ist bei dieser Ausführung
aber ein Luftabscheider 39 eingesetzt, der einmal über die Entlüftungsleitung 40
mit der Ventilhaube 41 verbunden ist und über die Anschlußleitung 42 zum Regelorgan
34 der Kraftfahrzeugheizung führt, die in diesem Fall mit Öl betrieben wird. Zu
diesem Zweck liegt der Wärmetauscher 33 der Kraftfahrzeugheitzung über die Anschlußleitung
43 an dem Regelorgan 34 an und wird über die Leitung 44 zu der mit der Absaugerinne
6 verbundenen Ansaugleitung 7 der Rückförderpumpe 8 angeschlossen. Zwischen dem
Ansaugleitungsteil 43 und der ßückführleitung 44 ist ein Bypass 45 mit einem Umgehungsventil
46 vorgesehen, das beispielsweise in der Anlaufphase
verhindert,
daß Öl durch den Wärmetauscher 33 mit zu hohem Druck fließt. Beispielsweise könnte
im Wärmetauscher 33 ein kalter Ölpfropfen sitzen. Das Heizöl wird dann über den
Bypass 45 mehrfach im Kurbelgehäuse umgewälzt, heizt sich schneller auf, so daß
dann das Umgehungsventil 46 langsam schließen kann und der Ölpfropf aus dem Wärmetauscher
33 unter gemäßigterem Druck herausgespült werden kann. An dem Anschlußstutzen 43
kann auch noch eine Entlüftungsdrossel 47 vorgesehen sein, die über die Leitung
48 mit der Zuführleitung 11 zum Ölbehälter 12 verbunden ist. Es wird dadurch die
Gewähr dafür gegeben, daß durch den Wärmetauscher 33 weitgehend entlüftetes und
aufgeheiztes Öl geführt wird. selbst wenn das aber nicht der Fall sein sollte, so
wird auch das noch mit Luft angereicherte Öl durch die Wirkung der Rückförderpumpe
8 durch den Wärmetauscher 73 gedrückt.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, daß auch die Eraftfahrzeugheizung
mit wesentlich höheren Temperaturen betrieben werden kann und daß der Wärmeinhalt
des Oles wegen der höheren Temperatur auch größer ist. Da das Öl zudem die Wärme
gut hält, steht auch nach längeren Standpausen des No tors verhältnismäßig schnell
wieder Wärme für die Heizung zur Verfügung. Dazu kommt, daß der Kühlwasserkreislauf,
der nur noch den nylinderkopf zu kühlen hat, im Volumen kleiner ausgebildet werden
kann.
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Auch die Kühlwassermenge kann dadurch schneller auf Temperatur gebracht
werden und gibt zusätzlich Wärme wieder an das Öl ab.
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Durch die neue Kühlanordnung kannen Motoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren
intensiv gekühlt werden. Trotzdem kann die Betriebstemperatur schneller als bei
bisher bekannten Bauformen erreicht werden, so daß sich auch günstige Auswirkungen
auf den Kraftstoffverbrauch und auf die Abgasemission ergeben.