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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend eine vorbestimmte Menge an Kühlmittel, zumindest einen Flüssig-Gas-Wärmetauscher, zumindest ein Thermostatventil, einen Ausgleichsbehälter zur kühlmitteltemperaturabhängigen Aufnahme eines Teils des Kühlmittels und Verbindungselemente zur Herstellung fluidtechnischer Verbindungen.
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik ist der Einsatz verschiedener Medienpfade und Medienkreisläufe zur Gewährleistung eines sicheren und dauerhaften Betriebs eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bekannt.
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Einen der wichtigsten Medienkreisläufe stellt ein weit verbreitetes Kühlsystem mit einem flüssigen Kühlmittel als Medium zum Abführen von bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs entstehender Wärme an die Umgebung dar.
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Beispielsweise kann ein Kraftfahrzeug ein Motorkühlsystem zum Übertragen der bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehenden Prozesswärme an die Außenluft aufweisen. Das Motorkühlsystem ist dazu vorgesehen, eine Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors möglichst rasch zu erreichen, die Betriebstemperatur zu halten und eine Überhitzung des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Ein dabei häufig eingesetztes Kühlmittel enthält beispielsweise eine Wasser-Glykol-Mischung mit Zusätzen zur Verhinderung von Korrosion innerhalb des Motorkühlsystems. Das Motorkühlsystem kann beispielsweise einen Ausgleichsbehälter zur Aufnahme des Kühlmittels beinhalten, das durch die Wärmeausdehnung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unterschiedliche Volumina aufweist. Wenn die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Motorkühlsystems ansteigt, wird durch die Wärmeausdehnung des Kühlmittels im Ausgleichsbehälter ein Druckanstieg verursacht, da das darin eingeschlossene Luftvolumen abnimmt. Ein Druckausgleich kann erreicht werden, indem Luft aus dem Ausgleichsbehälter durch ein Ventil freigegeben wird. Wenn die Temperatur und der Druck des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter unter den atmosphärischen Luftdruck fallen, kann Luft durch ein anderes Ventil in den Ausgleichsbehälter eingesaugt werden.
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Das Motorkühlsystem kann ferner einen Flüssig-Gas-Wärmetauscher aufweisen, der üblicherweise als Kühler bezeichnet wird, und der zur Übertragung von Wärme des einen Hohlraum des Kühlers durchfließenden Kühlmittels an die Außenluft, beispielsweise an einen durchströmenden Fahrtwind, vorgesehen ist. Unmittelbar an dem Kühler kann ein Thermostatventil angeordnet sein, das abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels einen Kühlmittelpfad herstellt, der von einem kleinen Kühlmittelkreislauf bei einer niedrigen Kühlmitteltemperatur, der eine Kühlmittelpumpe und zumindest einen Teil des Motorblocks beinhaltet, ab einer vorbestimmten Kühlmitteltemperatur zu einem großen Kühlmittelkreislauf wechselt, der zusätzlich den Kühler und den Ausgleichsbehälter einschließt.
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Ein anderer wichtiger Medienkreislauf ist die Ölschmierung, in der Schmieröl als Medium eingesetzt wird. Bei der bekannten Nasssumpfschmierung wird eine unterhalb eines Kurbelgehäuses angeordnete Ölwanne zur Aufnahme eines Schmiermittelvorrats eingesetzt. Eine Ölpumpe befördert das Schmieröl von der Ölwanne durch einen Ölfilter und vorgesehene Kanäle zur Kurbelwelle, insbesondere zu den unteren Pleuellagern. Beispielsweise durch die Bewegung der Kurbelwelle kann das Schmieröl zu den oberen Pleuellagern und den Unterseiten der Zylinderkolben gelangen, von wo es in die Ölwanne zurückfließen kann.
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Zur Vermeidung einer Überhitzung eines in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors ist eine vorbestimmte Mindestmenge eines Kühlmittels in einem Kühlsystem einzuhalten. Zur Überwachung einer Kühlmittelmenge sind im Stand der Technik verschiedene Vorschläge bekannt.
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Beispielsweise beschreibt die
US 9,726,069 B2 Verfahren und Systeme, die eine Verbesserung einer Schätzung eines Motorkühlmittelpegels bereitstellen, um die Gefahr einer Motorüberhitzung zu verringern. Das Flüssigkeitsniveau in einem Kühlmittelüberlaufreservoir wird basierend auf einem Flüssigkeitsniveau in einem hohlen vertikalen Standrohr gefolgert, das mit dem Reservoir an oberen und unteren Stellen fluidtechnisch gekoppelt ist. Ein Ultraschallsensor, der in einer Aussparung am Boden des vertikalen Standrohrs positioniert ist, überträgt in intermittierender Weise Signale, empfängt ihre Echos nach Reflexion von der Kühlmitteloberfläche und schätzt den Flüssigkeitsstand im Standrohr auf der Grundlage von Echozeiten.
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Die
US 2016/0186645 A1 schlägt in einer Weiterbildung der Verfahren und Systeme der
US 9,726,069 B2 zusätzlich vor, das Sensorausgangssignal mit einer Größe zu kompensieren, die auf Fahrzeugbewegungsparametern basiert, um eine Verzerrung des Flüssigkeitsniveaus aufgrund eines bewegungsinduzierten Schwappens zu kompensieren.
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Da der Dampfdruck eines Wasser enthaltenden Kühlmittels wegen dessen nichtlinearer Sättigungsdampfdruckkurve erst kurz vor Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors merklich ansteigt, besteht insbesondere bei einem Anlassen des Motors bei kaltem Kühlmittel die Gefahr von Kavitation innerhalb der Kühlmittelpumpe, die eine verkürzte Lebensdauer der Kühlmittelpumpe zur Folge haben kann.
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Zur Lösung dieses Problems schlägt beispielsweise die
US 8,065,980 B2 ein Motorkühlsystem vor, das mit einem Kühlkreislauf versehen ist, der eine Kühlmittelpumpe zum Versorgen eines Motors mit einem Kühlmittel und zum Umwälzen des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf beinhaltet. Der Kühlkreislauf weist stromabwärts des Motors wenigstens einen Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlmittels auf, wobei stromaufwärts der Kühlmittelpumpe ein Ausdehnungsbehälter mit dem Kühlkreislauf verbunden ist. Das Kühlsystem wird durch eine Druckreguliereinrichtung mit Druck beaufschlagt, die dazu vorgesehen ist, ein dem Kühlkreis aus dem Ausdehnungsbehälter während zumindest eines vorbestimmten Betriebsmodus des Motors zugeführtes Kühlmittel unter Druck zu setzen. Die Druckreguliereinrichtung kann eine steuerbare Pumpe oder ein Injektor sein, der angeordnet ist, um Kühlmittel unter Druck zur Kühlmittelpumpe in dem Kühlkreislauf zuzuführen. Diese Anordnung kann verwendet werden, um Kavitation in der Kühlmittelpumpe während bestimmter Betriebsbedingungen, wie z. B. einem Anlassen des Motors bei kaltem Kühlmittel, zu verhindern. Der Ausdehnungsbehälter ist während aller normalen Motorbetriebsarten gegenüber der Umgebungsatmosphäre geschlossen.
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Ferner ist aus der
US 2015/0345365 A1 eine Anordnung und ein Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Kühlsystems bekannt, das einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug kühlt. Das Kühlsystem umfasst eine Kühlmittelpumpe zum Umwälzen des Kühlmittels in dem Kühlsystem, einen Ausdehnungsbehälter, der es dem Kühlmittel in dem Kühlsystem erlaubt, sich auszudehnen, und ein Überdruckventil, das Luft bei einem bestimmten Druck innerhalb des Kühlsystems freigibt. Eine unter Druck stehende Druckluft-Zuführvorrichtung ermöglicht die Zufuhr von Druckluft zu dem Kühlsystem durch Zuführen eines kontinuierlichen Luftstroms zu dem Kühlsystem, während der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, und die Zufuhr eines Luftstroms einer Größe, die zumindest der geschätzten Leckage des Kühlsystems entspricht. Dadurch kann Kavitation in der Kühlmittelpumpe während eines Anlassens des Motors bei kaltem Kühlmittel verhindert werden.
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Um eine Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors möglichst rasch zu erreichen, wird in manchen Motorkühlsystemen das Kühlmittel erst dann umgewälzt, wenn eine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht ist. Dies kann zu erheblichen Materialbelastungen führen, wenn nach Erreichen der vorgegebenen Mindesttemperatur eine zu geringe Menge Kühlmittel in den Kühler eingeleitet wird, was zu einem ungleichmäßigen Kühlmittelfluss innerhalb des Kühlers führen kann.
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Als Abhilfe beschreibt die
US 8,794,193 B2 eine Vorrichtung zum Kühlen eines Verbrennungsmotors, bei der die Umwälzung von Kühlwasser angehalten wird, bis das Kühlwasser eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, mit der eine Abnahme der Haltbarkeit eines Kühlers unterbunden werden kann, die sonst durch eine thermische Belastung verursacht wird, die auftritt, wenn die Umwälzung des Kühlwassers neu gestartet und das Kühlwasser in den Kühler eingeleitet wird. Ein Verbrennungsmotor umfasst eine elektrische Pumpe, einen Wassertemperatursensor, einen Kühler und einen Thermostat. Der Wassertemperatursensor erfasst eine Kühlwassertemperatur. Der Kühler kann das Kühlwasser zwischen dem Kühler und einem Motorkühlsystem zirkulieren lassen. Wenn die Kühlwassertemperatur so groß wie oder größer als eine Ventilöffnungstemperatur ist, öffnet der Thermostat und das Kühlwasser wird in den Kühler eingeleitet. Eine elektronische Steuerungsvorrichtung führt eine Steuerung derart durch, dass der Auslassdruck des Kühlwassers durch die elektrische Pumpe erhöht wird, bevor der Thermostat öffnet und Kühlwasser in den Kühler eingeleitet wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Haltbarkeit des Wärmetauschers durch thermische Belastung aufgrund eines ungleichmäßigen Flusses verschlechtert wird, während gleichzeitig ein Auftreten von lokalem Sieden des Kühlwassers verhindert wird.
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Eine weitere wichtige Voraussetzung für ein effektives Abführen von bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs entstandener Wärme an die Umgebung ist die Vermeidung von Dampfblasen innerhalb des Kühlmittels, beispielsweise in innerhalb des Zylinderkopfes angeordneten Kühlkanälen. Dies kann durch eine Erhöhung eines Betriebsdrucks innerhalb des Kühlmittels bewirkt werden.
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Zum Beispiel ist aus der
US 7,222,495 B2 eine alternative Ausführung eines Motorkühlsystems mit einer Vorrichtung zum Kühlen und Reinigen eines Kraftfahrzeugs bekannt, die zur Klimatisierung des Fahrgastraums des Fahrzeugs und zum Kühlen seines Motorblocks ausgelegt ist. Die Vorrichtung beinhaltet eine Pumpe, einen Absorber, einen Hochdruckgenerator, einen Niederdruckgenerator, einen Kondensator und einen Verdampfer. Die Komponenten der Vorrichtung sind durch eine Hauptrohrleitung verbunden, die ein Frostschutzmittel enthält. Dabei beinhaltet die Vorrichtung des Weiteren ein Temperatur-/Druckregelventil, das stromabwärts des Motorblocks angeordnet ist, um einen konstanten Druck, beispielsweise 1,5 bar, und eine konstante Temperatur in dem Teil des Kühlkreislaufs um den Motor herum innerhalb des Motorblocks aufrechtzuerhalten. Dadurch wird verhindert, das Wasser innerhalb dieses Teils des Kühlkreislaufs verdampft, wodurch es ermöglicht ist, die Kühlung des Motorblocks aufrechtzuerhalten.
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Die Temperatur im Motorraum wird durch eine Kühlvorrichtung stabilisiert, die die Abwärme des Motors selbst nutzt. Die Vorrichtung klimatisiert außerdem den Fahrgastraum, während die Abgase gereinigt werden, ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch, da dazu die Abwärme des Motorblocks und vorteilhafterweise auch der Abgase des Motors genutzt wird.
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Die
US 6,532,910 B2 beschreibt ein verbessertes Kühlsystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Turbolader ausgestattet, der den Motorlufteinlassverteiler mit Druck beaufschlagt. Der Motor ist ferner mit einem Kühlsystem ausgestattet, das einen Ausdehnungsbehälter enthält. Eine Leitung verbindet den mit Druck beaufschlagten Motorlufteinlassverteiler mit dem Kühlsystem, insbesondere mit dem Ausdehnungsbehälter, um den Druck in dem Kühlsystem ab einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu erhöhen, wodurch eine Erhöhung der maximalen Temperatur ermöglicht wird, die das Kühlmittel in dem Kühlsystem erreichen kann. In der Leitung ist ein Stromregelventil angeordnet, das als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet ist und eine Strömung vom Motorlufteinlassverteiler zum Ausdehnungsbehälter zulässt. In einer Ausführungsform ist in der Leitung ein Richtungssteuerventil angeordnet, das durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert wird. Ein Steueralgorithmus für die Steuereinheit basiert auf ausgewählten Parametern wie Kühlmitteldruck, Motorlast, Ladedruck, Kühlmitteltemperatur, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Kühlsystemkapazität, Lüftergeschwindigkeit und Arbeitszyklus.
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Die
DE 10 2015 100 832 A1 offenbart ein System zum Druckbeaufschlagen eines Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine, die mit einer Turboverdichtereinheit ausgestattet ist, wobei der Turboverdichter eine Turbine, die auf einer Abgasleitung des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und einen Verdichter, der an der Einlassleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist, besitzt, wobei die Brennkraftmaschine einen Kühlkreislauf umfasst, der ein Ausdehnungsgefäß umfasst, dass durch ein Druckluftrohr mit einem Punkt der Einlassleitung stromabwärts des Verdichters verbunden ist, und wobei das Druckluftrohr ein mechanisches Ventil umfasst, dass dafür ausgelegt ist, das Druckluftrohr in Bezug auf einen Differenzdruck zwischen einem Punkt stromaufwärts und einem Punkt stromabwärts des mechanischen Ventils selbst zu öffnen und zu schließen.
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Aus der
US 2011 / 0 308 484 A1 ist ein Verfahren zum Regeln des Eingangsdrucks der Kühlmittelpumpe eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei das Verfahren die Schritte des Erzeugens von Druckluft über einen Mechanismus und des Leitens eines Teils der vom Mechanismus kommenden Druckluft zu einem Kühlmittelsystem des Verbrennungsmotors umfasst.
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Für eine Brennkraftmaschine wird gemäß der
DE 101 38 083 A1 ein Kühlwasser-Kreislaufsystem vorgeschlagen, bei dem das Druckniveau auf der Saugsweite der Kühlwasser-Pumpe mittels eines Verdichters vorgebbar ist. Der Verdichter kann hierbei als separates Aggregat oder als Bestandteil eines Abgasturboladers ausgeführt sein. Dadurch soll die Kavitation innerhalb des Kühlwasser-Kreislaufsystems der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Die
DE 22 21 388 A offenbart einen strömungsmittelbetätigten Kolben-Druckverstärker, der kontinuierlich einen Flüssigkeitsstrom mit Drücken in der Größenordnung von ungefähr 490MPa (5000 kp/cm2) z.B. zum Flüssigkeitsstrahlschneiden zu erzeugen vermag.
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Bei einem Verfahren zur Druck- und Durchflussregelung eines Schmierölkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine in Kraftfahrzeugen erfolgt gemäß der
DE 10 2006 019 086 A1 die Basisregelung und/oder Begrenzung des maximalen Schmieröldurchsatzes in den Hauptölzweigen im Zylinderblock und im Zylinderkopf, welche aus dem Hauptölkanal der Verbrennungskraftmaschine gespeist werden, mit einer Haupt-Ölkreis-Regelvorrichtung. In Verbindung mit der spezifischen Variabilität dieser Haupt-Ölkreis-Regelvorrichtung und/oder mit einer Zusatz-Ölkreis-Regelvorrichtung wird mittels motorzustandsabhängiger Kontrollstrategien der Öltransport zum Zylinderkopf temporär erhöht, um den Wärmeeintrag in das Motoröl zu erhöhen und den Wärmeeintrag in das Kühlmittel zu reduzieren.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet das Gebiet der Kühlsysteme mit einem flüssigen Kühlmittel als Medium zum Abführen von bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehender Wärme noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Verwendung eines bei Normalbedingungen flüssigen Kühlmittels bereitzustellen, das eine Blasenbildung im Kühlmittelfluss durch verdampfendes Kühlmittel ab einem Kaltstart des Verbrennungsmotors innerhalb des Kühlsystems wirksam verhindert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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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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Das erfindungsgemäße Kühlsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs weist
- - eine vorbestimmte Menge an Kühlmittel,
- - zumindest einen Flüssig-Gas-Wärmetauscher,
- - zumindest ein kühlmitteltemperaturabhängiges Steuerelement,
- - einen Ausgleichsbehälter zur kühlmitteltemperaturabhängigen Aufnahme eines Teils des Kühlmittels,
- - Verbindungselemente zur Herstellung fluidtechnischer Verbindungen und
- - eine Kühlmittelpumpe auf.
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Dabei könnte zumindest eine direkte oder zumindest eine aktivierungsabhängige fluidtechnische Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und einem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes des Kraftfahrzeugs eingerichtet sein. Erfindungsgemäß ist zumindest eine kraftübertragende Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und einem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes des Kraftfahrzeugs eingerichtet.
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Unter einem „Kraftfahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Sattelschlepper oder ein Kraftomnibus verstanden werden. Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere speziell dafür programmiert, ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
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Unter dem Begriff „fluidtechnische Verbindung“ soll insbesondere eine Verbindung verstanden werden, die einen stofflichen Austausch eines Fluids oder Mediums ermöglicht. Unter dem Begriff „aktivierungsabhängige fluidtechnische Verbindung“ soll insbesondere verstanden werden, dass die fluidtechnische Verbindung durch einen Aktivierungsvorgang hergestellt und durch Wegfall der Aktivierung wieder getrennt werden kann.
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Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das Kühlsystem über den Ausgleichsbehälter mit einem gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erhöhten Druck beaufschlagt werden kann. Insbesondere bei einem Anlassen des Motors bei kaltem Kühlmittel, d.h. bei einem Druck, der im Wesentlichen dem normalen Atmosphärendruck entspricht, kann dadurch bei einer Erwärmung des Kühlmittels durch den Betrieb des Verbrennungsmotors vorteilhaft eine Blasenbildung im Kühlmittelfluss durch verdampfendes Kühlmittel wirksam verhindert werden. Als Folge kann die Wärmeabführleistung des Kühlmittelsystems gewährleistet werden. Dies gilt insbesondere für Kühlmittelsysteme, bei denen zwecks raschen Erreichens einer nominellen Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors eine Umwälzung des Kühlmittels ganz oder teilweise unterbrochen wird, wie beispielsweise in so genannten „Split-Cooling“-Kühlsystemen, bei denen in einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors eine Kühlmittelströmung im Motorblock unterbunden wird und gegebenenfalls lediglich die Auslassseite des Zylinderkopfes gekühlt wird. Auf die Anmelderin zurückgehende „Split-Cooling“-Kühlsysteme sind im Stand der Technik bekannt.
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Allerdings können mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem vorteilhaft Kavitationseffekte in der Kühlmittelpumpe ab einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verringert oder vollständig vermieden werden.
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Bevorzugt ist das zumindest eine kühlmitteltemperaturabhängige Steuerelement als kontinuierlich verstellbares Ventil, vorzugsweise als Thermostatventil, ausgebildet.
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Bei dem Medium im Ausgleichsbehälter kann es sich um das Kühlmittel oder die über einem Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittels im Ausgleichsbehälter befindliche Luft handeln.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung auf bereits bestehende Kühlsysteme einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen durch eine entsprechende Nachrüstung anwendbar ist.
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In bevorzugter Ausführungsform des Kühlsystems ist zumindest ein anderer Medienpfad oder Medienkreislauf von einem Lufteinlassbereich eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung gebildet. Durch den unmittelbar nach einem Start des Verbrennungsmotors gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erhöhten Druck im Lufteinlassbereich kann Luft in den Ausgleichsbehälter geleitet werden, und das Kühlsystem kann über den Ausgleichsbehälter mit einem gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erhöhten Druck beaufschlagt werden.
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Die Motoraufladung kann, ohne darauf beschränkt zu sein, mittels eines Turboladers, eines Kompressors oder eines Gebläses hergestellt sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen des Kühlsystems ist, zusätzlich zu dem Medienpfad des Lufteinlassbereiches oder alleinig, zumindest ein anderer Medienpfad oder Medienkreislauf von einem Ölschmierungskreislauf des Kraftfahrzeugs gebildet. In einer geeigneten Ausgestaltung kann der unmittelbar nach einem Start des Verbrennungsmotors gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erhöhte Druck im Ölschmierungskreislauf über den Ausgleichsbehälter auf das Kühlsystem übertragen werden.
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Die zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung beinhaltet ein in Richtung des Ausgleichsbehälters durchlässiges, aktivierbares Rückschlagventil. Auf diese Weise kann bei einem zeitweiligen Absinken des Drucks in dem zumindest einen anderen Medienpfad oder Medienkreislauf der erhöhte Druck im Kühlsystem aufrechterhalten werden.
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Das Rückschlagventil kann, ohne darauf beschränkt zu sein, durch Erreichen eines bestimmten Mindestdrucks in dem zumindest einen anderen Medienpfad oder Medienkreislauf aktivierbar sein.
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In einer Ausführungsformen des Kühlsystems beinhaltet die zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung ein elektrisch ansteuerbares Ventil. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Drucks des Kühlsystems in flexibler Weise und, in einer geeigneten Ausgestaltung, auch automatisch ausführbar sein.
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Die zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung beinhaltet eine Drosselklappe zur Durchflussbegrenzung. Bei einer geeigneten Auslegung der Drosselklappe kann dadurch eine konstruktiv besonders einfache Erhöhung des Drucks des Kühlsystems erreicht werden.
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In einer Ausführungsformen des Kühlsystems beinhaltet die zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung ein Druckregelventil zur Begrenzung des Drucks im Ausgleichsbehälter. Dadurch kann eine Erhöhung des Drucks des Kühlsystems auf einen vorbestimmten Druck erreicht werden, der beispielsweise geringer sein kann als ein Auslösedruck eines üblicherweise eingerichteten Überdruckventils an einer Oberseite des Ausgleichsbehälters, so dass ein Auslösen des Überdruckventils und ein Verlust an Kühlmittel vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäß beinhaltet die zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung einen Druckverstärker. Auf diese Weise kann bei gleichem Druck in dem zumindest einen anderen Medienpfad oder Medienkreislauf eine größere Erhöhung des Drucks im Kühlsystem erzielt werden, wodurch die Betriebssicherheit des Kühlsystems in Bezug auf die Vermeidung einer Blasenbildung durch siedendes Kühlmittel und die Vermeidung von Kavitation in der Kühlmittelpumpe erhöht werden kann.
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Bevorzugt beinhaltet die zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter und dem Medium zumindest eines anderen Medienpfads oder Medienkreislaufes eingerichtete Verbindung ein Druckübertragungselement mit Medientrennung oder einen Fluid-Trenner mit beweglicher Trennwand oder mit einer Membran. Dadurch kann eine Erhöhung des Drucks im Kühlsystem ohne eine stoffliche Vermischung der beteiligten Medien erreicht werden.
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In bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems, in denen zumindest ein anderer Medienpfad oder Medienkreislauf vom Ölschmierungskreislauf des Kraftfahrzeugs gebildet ist, weist der Ölschmierungskreislauf eine kennfeldsteuerbare Ölpumpe auf. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Drucks im Kühlsystem auf flexible Weise und abhängig von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, beispielsweise dessen aktuellem Betriebslastpunkt, und/oder Fahrparametern des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Fahrgeschwindigkeit, ausgelegt werden.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Kühlsystems eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit „Split Cooling“. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 2 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit „Split Cooling“,
- 3 eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer alternativen fluidtechnischen Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und einem Medium eines anderen Medienpfads,
- 4 eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer weiteren alternativen fluidtechnischen Verbindung,
- 5 eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer weiteren alternativen fluidtechnischen Verbindung,
- 6 eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer weiteren alternativen fluidtechnischen Verbindung,
- 7 eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 in erfindungsgemäßer Ausgestaltung mit einer kraftübertragenden Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und einem Medium eines anderen Medienpfads,
- 8 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kühlsystems gemäß der 7 mit einer kraftübertragenden Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und einem Medium eines anderen Medienkreislaufs,
- 9 eine schematische Darstellung eines Details des erfindungsgemäßen Kühlsystems gemäß der 8, und
- 10 eine Tabelle mit typischen Druckwerten in einem aufgeladenen Lufteinlassbereich des Verbrennungsmotors gemäß der 2 in Abhängigkeit eines Betriebslastpunkts des Verbrennungsmotors und einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs.
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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. Die Varianten gemäß den 2 bis 6 zeigen keine erfindungsgemäße Ausgestaltung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Kühlsystems eines Verbrennungsmotors 10 eines Kraftfahrzeugs mit „Split Cooling“-Konzept.
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Das Kühlsystem beinhaltet eine vorbestimmte Menge an Kühlmittel 24, das beispielsweise von einem Wasser-Glykol-Gemisch (typisch ≥ 40% Glykol) gebildet ist. Ferner weist das Kühlsystem einen Flüssig-Gas-Wärmetauscher 38 auf, der in bekannter Weise an einer Vorderseite des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und gemeinhin auch als „Kühler“ bezeichnet wird. Zwei als Thermostatventile ausgebildete, kühlmitteltemperaturabhängige Steuerelemente 28, 30 des Kühlsystems stellen abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels 24 fluidtechnische Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten des Kühlsystems her. Zum Kühlsystem gehören außerdem ein Ausgleichsbehälter 22 zur kühlmitteltemperaturabhängigen Aufnahme eines Teils des Kühlmittels 24 und eine Kühlmittelpumpe 20. Das Kühlsystem beinhaltet eine Vielzahl von Verbindungselementen wie Rohrleitungen und Schläuche zur Herstellung fluidtechnischer Verbindungen.
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Zum Kühlsystem gehört zudem ein weiterer Flüssig-Gas-Wärmetauscher 40 einer Kabinenheizung, der zur Abgabe von Wärme in einen Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
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Der Verbrennungsmotor 10 des Kraftfahrzeugs ist mit einer Motoraufladung ausgestattet, die als Turbolader 32 ausgebildet ist. Eine Antriebsturbine 34 des Turboladers 32 wird in bekannter Weise von einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 angetrieben. Die Antriebsturbine 34 bewegt dadurch einen auf der gleichen Achse angeordneten Verdichter 36, der einem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 Luft mit einem gegenüber dem äußeren Luftdruck erhöhten Druck zuführt. Typische Druckwerte sind in der Tabelle der 10 in Abhängigkeit eines Betriebslastpunkts des Verbrennungsmotors 10 (U/min, obere Zeile) und einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (km/h, erste Spalte) angegeben.
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Der Verbrennungsmotor 10 beinhaltet einen Zylinderkopf mit einem einlassseitigen Zylinderkopf-Kühlmantelteil 14 und einem davon innerhalb des Verbrennungsmotors 10 fluidtechnisch getrennten abgasseitigen Zylinderkopf-Kühlmantelteil 16. Der Verbrennungsmotor 10 weist außerdem einen Motorblock mit einem Motorblock-Kühlmantel 18 auf, der innerhalb des Verbrennungsmotors 10 fluidtechnisch von den Zylinderkopf-Kühlmantelteilen 14, 16 getrennt ist.
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Die vorbestimmte Menge an Kühlmittel 24 ist derart bemessen, dass bei kaltem, d.h. auf Außentemperatur befindlichem Kühlmittel 24 etwa die Hälfte des Ausgleichsbehälter 22 mit Kühlmittel 24 und der darüber angeordnete Raum mit Luft 26 gefüllt ist, deren Druck dem normalen Atmosphärendruck zzgl. des Partialdrucks des Kühlmittels 24 entspricht (im Folgenden kürzer: normaler Atmosphärendruck).
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Während einer Startphase des Verbrennungsmotors 10 des Kraftfahrzeugs mit kaltem, d.h. auf Außentemperatur befindlichem Kühlmittel 24 sind die beiden Thermostate 28, 30 geschlossen und die Kühlmittelpumpe 20 fördert das Kühlmittel 24 entlang eines ersten Kühlkreislaufs, der den abgasseitigen Zylinderkopf-Kühlmittelteil 16 und den Flüssig-Gas-Wärmetauscher 40 der Kabinenheizung beinhaltet.
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Bei steigender Kühlmitteltemperatur öffnet zunächst das erste Thermostatventil 28 und die Kühlmittelpumpe 20 fördert das Kühlmittel 24 zusätzlich zum ersten Kühlkreislauf durch den Motorblock-Kühlmantel 18, den einlassseitigen Zylinderkopf-Kühlmittelteil 14 und einen Kühlmantelteil einer Ölfilter/Ölkühler-Baugruppe 76, die Teil eines in der 1 nicht näher dargestellten Ölschmierungskreislaufs ist. Der Ausgleichsbehälter 22 ist an einer Unterseite fluidtechnisch mit dem kleinen Kühlkreislauf verbunden.
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Bei weiter steigender Kühlmitteltemperatur öffnet auch das zweite Thermostatventil 30. Die Kühlmittelpumpe 20 fördert das Kühlmittel 24 nunmehr entlang eines großen Kühlkreislaufs; d.h. durch den abgasseitigen Zylinderkopf-Kühlmittelteil 16, den Motorblock-Kühlmantel 18, den einlassseitigen Zylinderkopf-Kühlmittelteil 14 und den Kühler 38 zurück zur Kühlmittelpumpe 20, wobei der Kühlmantelteil der Ölfilter/Ölkühler-Baugruppe 76 in einem Nebenstrom durchflossen wird.
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Bei einer maximalen Kühlmitteltemperatur beträgt ein maximaler Druck im Ausgleichsbehälter 22 etwa 1,4 bar (rel.).
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Kühlsystems eines Verbrennungsmotors 10 eines Kraftfahrzeugs, das gemäß dem „Split Cooling“-Konzept aufgebaut ist. Das Kühlsystem, der Verbrennungsmotor 10 und das Kraftfahrzeug entsprechen bis auf die im Folgenden zu beschreibenden Unterschiede der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, dargestellt in 1.
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In dem Kühlsystem gemäß der 2 ist eine direkte fluidtechnische Verbindung 42 zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter 22, das von der unter normalem Atmosphärendruck stehenden Luft 26 über dem Kühlmittel 24 gebildet ist, und einem Medium eines anderen Medienpfads des Kraftfahrzeugs eingerichtet, wobei der Medienpfad von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 und das Medium von der aufgeladenen Luft im Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Bei einem Start und insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 wird ein Teilluftstrom aus dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 in den Luftraum des Ausgleichsbehälters 22 geleitet, wodurch der erhöhte Druck des Lufteinlassbereichs 12 auf das Kühlsystem und insbesondere auf das Kühlmittel 24 übertragen wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer alternativen fluidtechnischen, aktivierungsabhängigen Verbindung 44 zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Die aktivierungsabhängige fluidtechnische Verbindung 44 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 beinhaltet ein in Richtung des Ausgleichsbehälters 22 durchlässiges, aktivierbares Rückschlagventil 46. Das Rückschlagventil 46 kann als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet sein. Eine Aktivierung des Rückschlagventils 46 und damit die Herstellung der fluidtechnischen Verbindung 44 erfolgt dadurch, dass der Druck des aufgeladenen Lufteinlassbereichs 12 einen Schwellenwert für denjenigen Druck überschreitet, der von der Kraft der Federbelastung des Rückschlagventils 46 vorgegeben ist. Unterschreitet der Druck des aufgeladenen Lufteinlassbereichs 12 den Schwellenwert, dann schließt das Rückschlagventil 46, und der erhöhte Druck im Kühlmittel 24 des Kühlsystems bleibt erhalten.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer weiteren alternativen fluidtechnischen, aktivierungsabhängigen Verbindung 48 zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Die aktivierungsabhängige fluidtechnische Verbindung 48 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 beinhaltet ein elektrisch ansteuerbares Ventil 50, das als 3-Wege-Ventil ausgeführt sein kann. Eine Aktivierung und damit die Herstellung der fluidtechnischen Verbindung 48 erfolgt durch eine entsprechende Ansteuerung des Ventils 50 mittels eines elektronischen Steuergerätes 52. Das elektronische Steuergerät 52 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, Daten von einer Motorkontrolleinheit des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) zu erhalten, die sich auf einen momentanen Betriebszustand des Turboladers 32 beziehen. Auf diese Weise kann die fluidtechnische Verbindung 48 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 durch Ansteuerung des Ventils 50 beispielsweise bei einem gewünschten Ladedruck im Lufteinlassbereich 12 hergestellt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer alternativen direkten fluidtechnischen Verbindung 54 zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Die direkte fluidtechnische Verbindung 54 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 beinhaltet eine Drosselklappe 56 zur Durchflussbegrenzung, mit der die Luftmenge, die vom Lufteinlassbereich 12 in den Ausgleichsbehälter 22 geleitet wird, gesteuert werden kann.
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6 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer weiteren alternativen direkten fluidtechnischen Verbindung 58 zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Die direkte fluidtechnische Verbindung 58 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 beinhaltet ein Druckregelventil 60 zur Begrenzung des Drucks im Ausgleichsbehälter 22. Der Regelungsdruck des Druckregelventils 60 ist derart gewählt, dass ein an einer Oberseite des Ausgleichsbehälters 22 üblicherweise eingerichtetes Überdruckventil (nicht dargestellt) nicht anspricht.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 in erfindungsgemäßer Ausgestaltung mit einer kraftübertragenden Verbindung 62 zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist.
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Die kraftübertragende Verbindung 62 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 beinhaltet einen Druckverstärker 64 zur Druckerhöhung. Durch den Druckverstärker 64 kann ein gegenüber dem Lufteinlassbereich 12 des Verbrennungsmotors 10 erhöhter Druck im Ausgleichsbehälter 22 erreicht werden. Druckverstärker sind im Stand der Technik bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.
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Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen der fluidtechnischen oder kraftübertragenden Verbindung zwischen dem Medium (Luft 26) im Ausgleichsbehälter 22 und dem Medium eines anderen Medienpfads, der von dem durch den Turbolader 32 aufgeladenen Lufteinlassbereich 12 gebildet ist, einzeln dargestellt und beschreiben sind, können diese auch in sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, das elektrisch ansteuerbare Ventil 50 des Kühlsystems gemäß der 4 mit dem aktivierbaren Rückschlagventil 46 des Kühlsystems gemäß der 3 zu kombinieren. Weitere Kombinationen wird der Fachmann entsprechend bestehender Anforderungen in sinnvoller Weise zusammenstellen.
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8 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß der 2 mit einer kraftübertragenden Verbindung 66 zwischen dem Medium im Ausgleichsbehälter 22, das von der unter normalem Atmosphärendruck stehenden Luft 26 über dem Kühlmittel 24 gebildet ist, und einem Medium eines anderen Medienkreislaufs des Kraftfahrzeugs, wobei der Medienkreislauf von einem Ölschmierungskreislauf 72 des Kraftfahrzeugs und das Medium von dem im Ölschmierungskreislauf 72 umlaufenden Schmieröl 78 gebildet ist.
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Die kraftübertragende Verbindung 66 zwischen der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 und dem Schmieröl 78 des Ölschmierungskreislaufs 72 beinhaltet ein Druckübertragungselement 70 mit Medientrennung. In einer alternativen Ausführungsform kann das Druckübertragungselement durch einen Fluid-Trenner mit beweglicher Trennwand oder mit einer Membran ersetzt werden.
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Der Ölschmierungskreislauf 72 enthält eine kennfeldsteuerbare Ölpumpe 74 zur Umwälzung des Schmieröls 78 (9). Während eines Betriebs der Ölpumpe 74 steht an einem Ausgang der Ölfilter/Ölkühler-Baugruppe 76 ein Betriebsdruck des Schmieröls 78 an, der durch eine schmierölgefüllte Leitung auf eine Seite des Druckübertragungselements 70 übertragen wird. An der anderen, der Schmierölseite abgewandten Seite des Druckübertragungselements 70 ist eine direkte fluidtechnische Verbindung 68 zu der Luft 26 im Ausgleichsbehälter 22 eingerichtet.
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Die 9 beinhaltet ein Beispiel für ein Kennfeld 80 einer Kennfeldsteuerung der Ölpumpe 74. Die Ölpumpe 74 ist mittels der Kennfeldsteuerung dazu vorgesehen, abhängig von einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10, nämlich dessen aktuellem Betriebslastpunkt, und einem Fahrparameter des Kraftfahrzeugs 10, nämlich dessen Fahrgeschwindigkeit, einen von zwei vorbestimmten Betriebsdruckwerten p1, p2 für das Schmieröl am Ausgang der Ölfilter/Ölkühler-Baugruppe 76 aufzubauen.
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Obwohl die beschriebenen Ausführungsformen des Kühlsystems zumindest eine direkte oder zumindest eine aktivierungsabhängige fluidtechnische Verbindung, erfindunsggemäß zumindest eine kraftübertragende Verbindung zwischen einem Medium im Ausgleichsbehälter und jeweils einem anderen Medienpfad oder Medienkreislauf des Kraftfahrzeugs zeigen, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass derartige Verbindungen mit mehr als einem anderen Medienpfad oder Medienkreislauf des Kraftfahrzeugs, beispielsweise mit dem Lufteinlassbereich des Verbrennungsmotors und dem Ölschmierungskreislauf des Kraftfahrzeugs, eingerichtet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Lufteinlassbereich
- 14
- einlassseitiger Zylinderkopf-Kühlmantelteil
- 16
- abgasseitiger Zylinderkopf-Kühlmantelteil
- 18
- Motorblock-Kühlmantel
- 20
- Kühlmittelpumpe
- 22
- Ausgleichsbehälter
- 24
- Kühlmittel
- 26
- Luft
- 28
- Steuerelement
- 30
- Steuerelement
- 32
- Turbolader
- 34
- Antriebsturbine
- 36
- Verdichter
- 38
- Flüssig-Gas-Wärmetauscher
- 40
- Flüssig-Gas-Wärmetauscher (Heizung)
- 42
- fluidtechnische Verbindung
- 44
- fluidtechnische Verbindung
- 46
- aktivierbares Rückschlagventil
- 48
- fluidtechnische Verbindung
- 50
- elektrisch ansteuerbares Ventil
- 52
- elektronisches Steuergerät
- 54
- fluidtechnische Verbindung
- 56
- Drosselklappe
- 58
- fluidtechnische Verbindung
- 60
- Druckregelventil
- 62
- kraftübertragende Verbindung
- 64
- Druckverstärker
- 66
- kraftübertragende Verbindung
- 68
- fluidtechnische Verbindung
- 70
- Druckübertragungselement
- 72
- Ölschmierungskreislauf
- 74
- Ölpumpe
- 76
- Ölfilter/Ölkühler-Baugruppe
- 78
- Schmieröl
- 80
- Kennfeld
- p1
- Druckwert
- p2
- Druckwert
