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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Volumenstromregelventil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
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An einem Heiz-Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs
sind neben einer Brennkraftmaschine weitere sehr verschiedenartige
Nebenaggregate angeschlossen, wie beispielsweise elektrische Maschinen,
Starter, Generatoren oder Elektronikkomponenten der Leistungselektronik,
Getriebe, Hydraulikkomponenten usw. Je nach Betriebszustand müssen die Aggregate
erwärmt
oder gekühlt
werden, wobei das mit Hilfe eines Kühlmittels durch freie oder
erzwungene Konvektion geschieht. Dabei werden die Kühlmittelströme innerhalb
des Heiz-Kühlkreislaufs
in zunehmendem Maße
durch eine zentrale und am Bedarf orientierte Regelung gesteuert
bzw. geregelt, deren Ziel es ist, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission
zu verringern und zudem den Komfort des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
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Die einzelnen Komponenten des Heiz-Kühlkreislaufs
haben unterschiedliche Anforderungen an die Kühlung. Um diese Anforderungen
zu erfüllen, wird
die Kühlmitteltemperatur
entsprechend eingestellt und der Kühlmittelvolumenstrom durch
ein Volumenstromregelventil bedarfsgerecht geregelt oder zumindest
begrenzt.
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Volumenstromregelventile sind aus
der Hydraulik bekannt und werden dort beispielsweise eingesetzt,
wenn trotz unterschiedlicher Belastungen an einem Verbraucher die
Arbeitsgeschwindigkeit konstant bleiben soll. Im Volumenstromregelventil
dieser Art fließt
eine Flüssigkeit
von einem Einlass, in dem ein zylinderförmiger Drosselkörper mit
einer Blende angeordnet ist, über
seitliche Steueröffnungen
im Zylindermantel des Drosselkörpers
und einen Ringspalt weiter zu einem Auslass. Dabei begrenzen die
Steueröffnungen
den Durchfluss, indem sie mit einer Steuerkante im Ventilgehäuse zusammenwirken.
Zudem entsteht beim Durchströmen
der Flüssigkeit
ein Druckgefälle
an der Blende und der Drosselkörper wird
gegen eine Feder verschoben. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und folglich
größer werdendem
Druckgefälle
steigt die auf den Drosselkörper
wirkende Kraft, so dass dieser entgegen der Kraft einer Feder weiter
ausgelenkt wird und sich die Durchflussquerschnitte der seitlichen
Steueröffnungen
entsprechend dem erhöhten
Druckgefälle
verringern. Dadurch bleibt Durchfluss ab einer nominellen Druckdifferenz
annähernd
konstant. Volumenstromregelventile gibt es auch in verstellbarer
Ausführung mit
einstellbarer Federvorspannung und mit einem Rückschlagventil.
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Ein Volumenstromregelventil ist im
Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuch von Bosch, Auflage 23 auf
der Seite 821 dargestellt. Es weist einen axial verschiebbaren Drosselkörper auf,
der einen axial durchströmten
Steuerzylinder mit radialen Steueröffnungen im Zylindermantel
und einem ebenen Bodenteil umfasst. Zudem sind am Drosselkörper eine Messblende
und eine Druckwaage angeordnet. Um den Volumenstrom unabhängig von
einem Lastdruck auf den Drosselkörper
einzustellen, wird das Druckgefälle
an der Messblende durch eine variable Drossel, eine Druckwaage,
konstant geregelt. Dabei entspricht das Druckgefälle einer auf die Druckwaage wirkenden
Federkraft.
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Volumenstromregelventile weisen in
der Regel eine große
Teilevielfalt auf, sind sehr aufwändig herzustellen und teuer.
Zudem sind sie aufgrund des benötigten
großen
Druckabfalls für
einen Einsatz in einem Heiz-Kühlkreislauf
mit Thermomanagement nicht in allen Bereichen geeignet. Diese Kreisläufe weisen
in einigen Zweigen eher geringe Volumenströme auf, deren Strömungskraft
auf den Drosselkörper
somit nicht ausreicht, die Feder und den Durchmesser des Drosselkörpers sinnvoll
zu dimensionieren.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach der Erfindung besitzt der Drosselkörper einen
Umlenkkörper
und die durch die Umlenkung des Volumenstroms am Umlenkkörper erzeugte Kraft
wird zur Verstellung des Drosselkörpers genutzt. Dabei wird die
Kontur des Umlenkkörpers
(54) zweckmäßigerweise
so gestaltet ist, dass sich eine möglichst große Verstellkraft bei einem
möglichst
geringem Strömungswiderstand
ergibt.
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Besteht der Drosselkörper aus
einem Steuerzylinder und einem Bodenteil, kann der Bodenteil als
Umlenkkörper
dienen, indem seine Kontur an ihrer Anströmseite in den Steuerzylinder
hineinragt und sich an ihrer Abströmseite bündig und etwa tangential an
die Steueröffnungen
anschließt.
Durch diese Form des Bodenteils wird ein auf den Drosselkörper wirkender
Volumenstrom in seiner Richtung umgelenkt. Durch die Umlenkung übt der Volumenstrom eine
Kraft auf den Drosselkörper
aus, deren Größe von der
Geschwindigkeit des Volumenstroms abhängt. Dadurch wird der Drosselkörper in
Abhängigkeit
vom Volumenstrom verstellt, so dass sich die Drosselöffnungen
mit zunehmender Geschwindigkeit verkleinern. Im Gegensatz zu den
bekannten Volumenstromregelventilen, bei denen sich die Verstellkraft
in erster Linie aus der statischen Druckdifferenz an den benetzten
Flächen
des Drosselkörpers
ergibt, werden bei dem erfindungsgemäßen Volumenstromregelventil
die dynamischen Strömungskräfte bei
der Umlenkung der Strömung
genutzt. Bei einem geringem Strömungswiderstand
des erfindungsgemäßen Volumenstromregelventils
entstehen dadurch größere Kräfte auf
den Drosselkörper,
so dass es für
verschiedene Einsatzfälle
einfach zu dimensionieren ist, insbesondere für einen Einsatz in einem Heiz-Kühlkreislauf
mit Thermomanagement. Hier sind in einigen Zweigen nur kleine Volumenströme vorhanden, deren
Strömungskraft
nicht ausreicht, ein für
bekannte Volumenstromregelventile erforderliches Druckgefälle zu erzeugen.
Ein erfindungsgemäßes Volumenstromregelventil
kann daher in vorteilhafter Weise den Kühlmittelvolumenstrom durch
kühlmittelgekühlte Nebenaggregate,
wie einen Starter oder einen Generator, unabhängig von der Fördermenge
der Kühlmittelpumpe
im Hauptkreislauf auf den zur Kühlung maximal
benötigten
Volumenstrom begrenzen.
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Neben der Kontur des Bodenteils beeinflusst die
Innenkontur des Steuerzylinders die Strömungsgeschwindigkeit und Umlenkung
und damit die auf den Drosselkörper
einwirkende Verstellkraft. Aus diesem Grund kann die Innenkontur
konisch auf die Kontur des Bodenteils zulaufen. Gegen die Verstellkraft
wirkt der Druckverlust am Drosselkörper, der möglichst gering sein sollte,
um den Strömungswiderstand
in definierten Grenzen zu halten. Die Erfindung sieht deshalb eine
Druckausgleichskammer unterhalb des Drosselkörpers und Druckausgleichsbohrungen
im Bodenteil vor, über
die ein statischer Druckausgleich zwischen der Anströmseite und
der Abströmseite
des Volumenstromregelventils erreicht wird.
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Übersteigt
die Verstellkraft bei zunehmenden Volumenstrom durch den Drosselkörper eine
entgegen wirkende Federkraft, taucht der Drosselkörper in einen
ortsfesten Führungszylinder
ein, der an seinem dem Drosselkörper
zugewandten Ende eine Steuerkante aufweist, welche die Steueröffnungen
jetzt um den Betrag des Verstellwegs abdeckt. Dadurch verkleinert
sich eine Drosselstelle und es stellt sich ein gewünschter
Volumenstrom ein. Innerhalb eines Arbeitsbereichs steigt der Volumenstrom
bei weiter erhöhtem
Druck entsprechend der Federcharakteristik und der Größe des Verstellwegs
zwischen voll geöffneter
und ganz geschlossener Ventilposition mehr oder weniger an. Im Idealfall
bleibt er nach Erreichen des Sollvolumenstroms konstant. Um dem
Idealfall möglichst
nahe zu kommen, sollten die Steueröffnungen schon bei einer geringen
Er höhung
der auf den Drosselkörper
wirkenden Verstellkraft bedeutend verkleinert werden. Dies wird
durch eine lange Feder erreicht, die eine flache Kennlinie aufweist,
bei der die Federkraft bei einem kleinen Verstellweg nur um einen
sehr geringen Betrag ansteigt. Um den Verstellweg klein zu halten,
weisen die Steueröffnungen in
Bewegungsrichtung eine geringe Erstreckung auf.
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Durch eine entsprechende Formgebung
des Bodenteils am Drosselkörper,
Druckausgleichsbohrungen mit einem definierten Durchmesser und eine spezielle
Federcharakteristik wird die Volumenstromkennlinie des erfindungsgemäßen Volumenstromregelventils
qualitativ und quantitativ an die Anforderungen eines bestimmten
Aggregats angepasst. Bei entsprechenden Veränderungen ist das Volumenstromregelventil
in verschiedenen Zweigen des Kühlkreislaufs
einsetzbar und somit in großen
Stückzahlen
und kostengünstig
herzustellen. Überdies
umfasst es im Vergleich zu bekannten Ventilen weniger Bauteile,
indem sonst übliche
Einrichtungen zum Einstellen der Federvorspannung oder Rückschlagventile
entfallen. Das Volumenstromregelventil ist kompakt aufgebaut und
besitzt ein zweiteiliges Gehäuse, wobei
ein oberes und ein unteres Gehäuseteil
jeweils einen Schlauchanschluss aufweisen, so dass das Ventil vorteilhafterweise
weitgehend in den Bereich des Schlauchanschlusses eines zu kühlenden
Aggregats integriert werden kann und keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Volumenstromregelventil
konstruktiv so gestaltet, dass es in einem Kühlmantel eines Aggregats integriert
werden kann. Dadurch sind weitere Einsatzmöglichkeiten gegeben.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Heiz-Kühlkreislaufs
eines Kraftfahrzeugs,
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2 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Volumenstromregelventil
und
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3 eine
Variante zu 2.
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Eine Brennkraftmaschine 10,
mit einem Zylinderkopf 12 und einem Motorblock 14 ist
an einem Kühlmittelkreislauf 16 angeschlossen,
in dem eine Pumpe 30 ein Kühlmittel in Pfeilrichtung fördert (1). Das Kühlmittel
strömt
vom Zylinderkopf 12 über
einen ersten Kühlmittelweg 22,
eine Bypassleitung, direkt zum Motorblock 14 zurück. Dieser
kleine Kreislauf bringt wenig Kühlleistung
auf, so dass die Brennkraftmaschine 10 schnell ihre Betriebstemperatur
erreicht und der Kraftstoffverbrauch vorteilhafterweise reduziert
wird. Parallel zur Bypassleitung 22 ist ein zweiter Kühlmittelweg
zu einem Hauptkühler 18 vorgesehen,
der mit einem Lüfter 20 zusammenarbeitet
und dem Kühlmittel überschüssige Wärme entzieht.
Ein Thermostatventil 34, das an der Abzweigung des zweiten
Kühlmittelwegs
angeordnet ist, verteilt den Kühlmittelstrom
auf den Hauptkühler 18 und/oder
die Bypassleitung 22. Das Thermostatventil 34 ist
als 3-Wege-Ventil ausgeführt
und weist einen zusätzlichen
Anschluss zu einem Ausgleichsbehälter 32 auf.
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Über
einen dritten Kühlmittelweg
strömt
das Kühlmittel
vom Zylinderkopf 12 zu einem Heizungswärmetauscher 24 und
von dort zum Motorblock 14 der Brennkraftmaschine 10 zurück. Der
Heizungswärmetauscher 24 besteht
aus zwei Komponenten und dient dazu, Wärme für einen Fahrgastraum eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs bereit zu stellen. Der Durchfluss durch
die einzelnen Komponenten des Heizungswärmetauschers 24 wird
durch Regelventile 38 begrenzt, die zweckmäßigerweise
von einer nicht dargestellten elektronischen Steuereinheit in bekannter
Weise angesteuert werden.
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Im Kühlmittelkreislauf 16 sind
außerdem noch
Kühlmittelzweige
für kühlmittelgekühlte elektrische
Maschinen 26, wie beispielsweise Starter oder Generatoren,
und Elektronikkomponenten 28, z.B. Leistungstransistoren,
vorgesehen. Im dargestellten Beispiel ist eine elektrische Maschine 26 in
einer Zweigleitung 84 angeordnet, die parallel zur Bypassleitung 22 verläuft. Zudem
ist in einer Verbindungsleitung 82 zwischen der Bypassleitung 22 und
der Zweigleitung 84 eine Elektronikkomponente 28 angeordnet.
Um den Kühlmittelstrom
durch die einzelnen Aggregate 26, 28 bedarfsgerecht
zu begrenzen, ist in der Zweigleitung 84 ein Volumenstromregelventil 36 vorgesehen.
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Im Kühlmittelkreislauf 16 ermittelt
die Steuereinheit in Abhängigkeit
von einer Vielzahl gemessener Zustandsgrößen den Kühlleistungsbedarf bzw. Wärmebedarf
jedes einzelnen vom Kühlsystem
erfassten Aggregats oder Bauteils und regelt die Kühlmittelströme individuell,
jedoch unter Berücksichtigung
des Gesamtsystems. Dabei bilden die elektrisch ansteuerbare Pumpe 30 und
die Ventile 34, 36, 38 die zur Steuerung
der Stoff- und Wärmeströme benötigten Stelleinrichtungen.
Aufgrund des unterschiedlichen Bedarfs an Kühl- bzw. Heizleistung weisen
die einzelnen Kühlmittelzweige
jedoch teilweise stark unterschiedliche Kühlmittelvolumenströme auf. So
ist in dem Hauptkühlkreislauf
der Brennkraftmaschine 10, welcher den Kühlmittelzweig über den Hauptkühler 18 und
die Bypassleitung 22 umfasst, ein relativ großer Kühlmittelvolumenstrom
zur Kühlung
der Brennkraftmaschine 10 notwendig. Im Gegensatz dazu
benötigen
Zusatzaggregate, wie die elektrischen Maschinen 26 oder
Elektronikkomponenten 28, zur bedarfsgerechten Kühlung einen
wesentlich geringeren Kühlmittelvolumenstrom.
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Da das erfindungsgemäße Volumenstromregelventil 36 die
erforderliche Verstellkraft für
seinen Drosselkörper 48, 54 weniger
durch ein Druckgefälle als
durch das Umlenken des anströmenden
Kühlmittels
an einem als Umlenkkörper
dienenden Bodenteil 54 erzeugt, ist es auch für Einsatzfälle geeignet,
bei denen das Druckniveau und die Volumenströme relativ gering sind, z.B.
in einem Kühlmittelkreislauf 16 einer
Brennkraftmaschine 10. Das Volumenstromregelventil 36,
das in der Zuleitung zu der elektrischen Maschine 26 bzw.
der Elektronik komponente 28 angeordnet ist, kann in eine
entsprechende Schlauchleitung eingesetzt (2) oder integraler Bestandteil eines
Kühlmantels 80 der
zugehörigen
Gehäuse sein.
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In der ersten Ausführungsform
(2) ist ein Gehäuse 40, 44 des
Volumenstromregelventils 36 zur einfacheren Fertigung geteilt,
wobei die Trennfuge 46 zwischen einem oberen Gehäuseteil 40 und
einem unteren Gehäuseteil 44 ungefähr quer
zur Verstellrichtung eines Drosselkörpers 48,54 verläuft. Die Gehäuseteile
sind dicht miteinander verbunden, z.B. durch Kleben oder Schweißen oder
unter Verwendung eines Dichtrings mittels Schrauben oder dgl. Sie
besitzen jeweils einen Schlauchanschluss 42 und werden
zweckmäßigerweise
in einem Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt.
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Das Kühlmittel strömt von einem
Einlass 76 im oberen Gehäuseteil 40 in Strömungsrichtung 70 zu
einem Auslass 78 im unteren Gehäuseteil 44. Dabei
trifft es zuerst auf den axial verschiebbaren Drosselkörper, der
einen Steuerzylinder 48 mit dem Bodenteil 54 aufweist.
Auf der Anströmseite
hat der Steuerzylinder 48 einen radial nach außen vorstehenden
Kragen 52, der im Einlass 76 des oberen Gehäuseteils 40 geführt ist
und an dem sich eine Feder 72 mit einem Ende abstützt. Das
andere Ende der Feder 72 ist im oberen Gehäuseteil 40 gehalten.
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Der Bodenteil 54 besitzt
eine in den Steuerzylinder 48 hineinragende Kontur 56,
durch die der Kühlmittelvolumenstrom
auf radial im Steuerzylinder 48 angeordnete Steueröffnungen 50 umgelenkt
wird. Die Kontur 56 des Bodenteils 54 schließt an ihrer
Abströmseite
bündig
und etwa tangential an die Steueröffnungen 50 an, so
dass bei völlig
geöffneten
Steueröff nungen 50,
die Kühlmittelströmung praktisch verlustfrei
umgelenkt wird. Durch die Form der Kontur 56 und gegebenenfalls
der Innenwand des Steuerzylinders 48 verringert sich der
Strömungsquerschnitt, so
dass bei gleichem Volumenstrom die Geschwindigkeit zunimmt und bei
der Umlenkung des Volumenstroms eine beträchtliche Stellkraft erzeugt,
die näherungsweise
proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit
ist. Bei einem konstanten Volumenstrom stellt sich ein Gleichgewicht
zwischen der Stellkraft und der Kraft der Feder 72 ein.
Erhöht sich
mit zunehmendem Volumenstrom die Stellkraft, wird der Drosselkörper 48, 54 entgegen
der Kraft der Feder 72 in einen gehäusefesten Führungszylinder 62 geschoben,
wobei die Steueröffnungen 50 vermehrt
durch eine Steuerkante 60 am oberen Rand des Führungszylinders 62 überdeckt
und verkleinert werden. Dadurch wird der Volumenstrom vermindert, so
dass er im gewünschten
Maße annähernd konstant
gehalten wird. Um dies zu erreichen, muss sich der Öffnungsquerschnitt
der Steueröffnungen 50 signifikant
bei einer Veränderung
der Stellkraft verändern.
Dies erreicht man in vorteilhafter Weise durch eine lange Feder 72,
deren Federkraft bei einem kleinen Verstellweg nur unwesentlich
ansteigt. Um den Verstellweg klein zu halten, werden deshalb auch
die Steueröffnungen
in Verstellrichtung kurz dimensioniert. Bei sich verringerndem Volumenstrom
verstellt die Feder 72 den Steuerzylinder 48 wieder
in Öffnungsrichtung,
so dass der Strömungsquerschnitt der
Steueröffnungen 50 wieder
zunimmt.
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Bei der Ausführung des Volumenstromregelventils 36 nach 2 ist der Führungszylinder 62 durch
Stege 64 im unteren Gehäuseteil 44 gehalten und
wird von einem Ringspalt 58 umgeben. Durch diesen strömt das Kühlmittel,
nachdem es die Steu eröffnungen 50 passiert
hat zum Auslass 78, der koaxial zum Einlass 76 angeordnet
ist. Bei der Ausführung
nach 3 ist der Auslass 78 quer
zum Einlass 76 angeordnet, so dass der Ringspalt 58 entfallen kann.
Am Einlass 76 ist ein Schlauchanschluss 42 vorgesehen.
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Der Führungszylinder 62 bildet
mit dem Bodenteil 54 eine Druckausgleichskammer 74,
die einerseits über
eine Druckausgleichsbohrung 66 mit dem Einlass 76 und
andererseits über
eine Druckausgleichsbohrung 68 mit dem Auslass 78 verbunden
ist. Die Druckausgleichsbohrungen 66 beeinflussen die Druckdifferenz
zwischen dem Einlass 76 und Auslass 78, wodurch
man einen zusätzlich
Parameter zum Einstellen des Volumenstrom erhält.
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Wichtige Freiheitsgrade bei der Dimensionierung
des Volumenstromregelventils 36 sind also die Form des
Bodenteils 54 und der Steueröffnungen 50, die in
Bewegungsrichtung des Drosselkörpers eine
geringe Erstreckung aufweisen, ferner die Federkraft, welche durch
eine flache Kennlinie bestimmt wird und zudem der Strömungswiderstand des
Volumenstromregelventils 36, der durch die Druckausgleichsbohrungen
beeinflusst wird.
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinderkopf
- 14
- Motorblock
- 16
- Kühlmittelkreislauf
- 18
- Hauptkühler
- 20
- Lüfter
- 22
- Bypassleitung
- 24
- Heizungswärmetauscher
- 26
- elektrische
Maschine
- 28
- Elektronikkomponente
- 30
- Pumpe
- 32
- Ausgleichsbehälter
- 34
- Thermostatventil
- 36
- Volumenstromregelventil
- 38
- Volumenstromregelventil
- 40
- oberes
Gehäuseteil
- 42
- Schlauchanschluss
- 44
- unteres
Gehäuseteil
- 46
- Trennfuge
- 48
- Steuerzylinder
- 50
- Steueröffnung
- 52
- Kragen
- 54
- Bodenteil
- 56
- Kontur
des Bodenteils
- 58
- Ringspalt
- 60
- Steuerkante
- 62
- Führungszylinder
- 64
- Steg
- 66
- Druckausgleichsbohrung
- 68
- Druckausgleichsbohrung
- 70
- Strömungsrichtung
- 72
- Feder
- 74
- Druckausgleichskammer
- 76
- Einlass
- 78
- Auslass
- 80
- Kühlmantel
- 82
- Verbindungsleitung
- 84
- Zweigleitung