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Die
Erfindung betrifft einen Schmierstoffspeicherbehälter sowie
einen Schmierstoffkreislauf.
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Aus
der
DE 42 02 572 C2 ist
ein Schmierstoffkreislauf für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche
einen Schmierstoffspeicherbehälter aufweist. Dieser Schmierstoffspeicherbehälter
weist ein erstes Speichervolumen auf, welches über einen
ersten Eingang mit einer Schmierstoffrückführleitung
und über einen Ausgang mit einer Ölwanne der Brennkraftmaschinen
verbunden ist. Mit diesem Schmierstoffkreislauf soll die Ölmenge,
die unmittelbar nach dem Start und während des Warmlaufs
durch die Brennkraftmaschine zirkuliert, klein gehalten werden, um
möglichst schnell eine günstige Betriebstemperatur
der Brennkraftmaschine zu erreichen.
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Ein
weiterer Schmierstoffkreislauf mit einem Schmierstoffspeicherbehälter
ist aus der
EP 1 598 532
B1 bekannt.
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Mit
den bekannten Schmierstoffkreisläufen lässt sich
eine Verbesserung des Betriebsverhaltens unmittelbar nach dem Start
und während des Warmlaufs einer Brennkraftmaschine erreichen.
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Die
Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, nicht nur während
des Motorwarmlaufs sondern auch im betriebswarmen Zustand eine Reduzierung
der Reibleistung und damit eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
einer Brennkraftmaschine zu erreichen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den Merkmalen der Ansprüchen 1, 5 bzw. 7.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Schmierstoffspeicherbehälter
mit einem ersten Speichervolumen, mindestens einem ersten Eingang
sowie einem Ausgang ein zweites Speichervolumen vorgesehen. Mit
einem zweiten Speichervolumen wird die Möglichkeit geschaffen,
auf die Menge des in einem Schmierstoffkreislauf zirkulierenden Schmierstoffes,
insbesondere auf ein durch eine Brennkraftmaschine zirkulierenden Ölvolumen
sehr gezielt Einfluss zu nehmen, wodurch sich die Schmierstofftemperatur,
insbesondere eine Öltemperatur in sehr engen Grenzen halten
lässt, wodurch sich die Reibleistung und damit der Kraftstoffverbrauch
nicht nur während der Motorwarmlaufphase sondern auch in
betriebswarmen Zustand verringern lässt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite
Speichervolumen einen ventilgesteuerten Zulauf und einen ventilgesteuerten
Ablauf auf, wobei ein dazu vorgesehenes Zulaufventil und ein dazu
vorgesehenes Ablaufventil miteinander gekoppelt sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zentrifuge
vorgesehen. Mit einer solchen Zentrifuge kann eine Ölverschäumung
reduziert werden, wodurch die Effizienz eines Ölkreislaufes
gesteigert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Schmierstoffspeicherbehälter
ein zweiter Eingang zum Anschluss eines Blow-By-Systems vorgesehen.
Dies erlaubt es, Öl aus einem Blow-By-System über
die Zentrifuge in den Ölkreislauf zurückzuführen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung, für den auch selbstständig
Schutz beansprucht wird, ist vorgesehen, dass das erste Speichervolumen
eine thermisch isolierende Behälterwandung aufweist. Durch
ein thermisch isoliertes Speichervolumen können die Temperaturschwankungen
in einem Schmierstoffkreislauf reduziert werden, was insbesondere
bei einem Betrieb eines Kraftfahrzeuges, welches wiederholt still
gesetzt wird, vorteilhaft ist. Ein wiederholtes Stillsetzen eines
Kraftfahrzeuges erfolgt insbesondere im Startverkehr bei gewerblichen
Personentransporten (Taxiunternehmen) und bei Zustelldiensten.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die thermisch isolierende Behälterwandung nach Art
einer Thermoskanne und insbesondere doppelwandig ausgeführt
ist. Auf diese Weise lassen sich eine besonders effektive Wärmespeicherung
und damit sehr kurze Wiederaufwärmphasen einer Brennkraftmaschine
erreichen.
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Die
Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere an Schmierstoffkreisläufen
einer Brennkraftmaschine. Daher wird auch für einen Schmierstoffkreislauf
einer Brennkraftmaschine, der dadurch gekennzeichnet ist, dass an
ein Leitungssystem des Schmierstoffkreislaufs ein Schmierstoffbehälter
nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeschlossen ist, selbstständig
Schutz beansprucht. Hinsichtlich der Wirkungsweise und Vorteile
wird auf die entsprechende Beschreibung im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Schmierstoffspeicherbehälter ausdrücklich Bezug
genommen und verwiesen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem
Schmierstoffkreislauf zur Kühlung des Schmierstoffes an
das Leitungssystem ein Wärmetauscher angeschlossen. Dadurch
lässt sich eine Überhitzung des Schmierstoffs
wirksam verhindern.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an das Leitungssystem
ein Öldruckschwankungskompensator angeschlossen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schmierstoffpumpe
als druck- und volumenstromgeregelte Ölpumpe ausgebildet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 Einen
Schmierstoffkreislauf gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung mit einem Schmierstoffspeicherbehälter
gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung
der Erfindung in schematischer Darstellung.
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Der
in 1 gezeigte Schmierstoffkreislauf 100 ist
an einer Brennkraftmaschine 102 ausgebildet. Diese Brennkraftmaschine 102 weist
eine Ölwanne (nicht gezeigt) auf, die als Trockensumpf-Ölwanne ausgebildet
ist. Daher kann die Verbrennungskraftmaschine 102 auch
als „Motor mit Trockensumpf-Ölwanne" bezeichnet
werden. Der erfindungsgemäße Schmierstoffkreislauf 100 sollte
vorzugsweise an einer Verbrennungskraftmaschine 102 ausgebildet werden,
denn an einer solchen Brennkraftmaschine 102 mit isolierter Ölwanne
(mit Nasssumpf und integrierten, variablen Ölkammern) erfordert
die Erfindung einen höheren Aufwand und damit auch höhere Kosten.
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Der
Schmierstoffkreislauf 100 weist eine Schmierstoffpumpe 104 auf,
die als druck- und volumenstromgeregelte Öldruckpumpe mit
Ansaugpumpe ausgebildet ist. Mit dieser Schmierstoffpumpe 104 wird über
ein Ölsieb 106 Schmierstoff, insbesondere Motoröl über
eine erste Leitung 108 aus der Trockensumpf-Ölwanne
der Brennkraftmaschine 102 angesaugt.
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Die
Schmierstoffpumpe 104 fördert den Schmierstoff über
eine zweite Leitung 110 zu einem Schmierstoffspeicherbehälter 112,
an welchem die zweite Leitung 110 an einem ersten Eingang 114 endet.
Von einem an dem Schmierstoffspeicherbehälter 112 ausgebildeten
Ausgang 116 führt eine dritte Leitung 118 zurück
zu der Schmierstoffpumpe 104. Eine vierte Leitung 120 führt
von der Druckseite der Schmierstoffpumpe 104 zu einer Regelventileinheit 122,
die über eine fünfte Leitung 124 und
einen Ölfilter 126 einerseits mit einem Hauptölkanal 128 der Brennkraftmaschine 102 und über
eine sechste Leitung 130 andererseits mit einem Wärmetauscher 132 verbunden
ist. Von dem Wärmetauscher 132 führt eine
siebte Leitung 134 zu dem Ölfilter 126,
sodass je nach Betriebsstellung der Regelventileinheit 122 Schmierstoff
direkt oder alternativ über den Wärmetauscher 132 dem
Hauptölkanal 128 zur Verfügung gestellt
wird.
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Die
Regelventileinheit ist derart ausgebildet, dass bei einer Öltemperatur
kleiner gleich 75°C und bei einer Öltemperatur
größer 120°C eine Ventileinheit V1 der
Regelventileinheit 122 geschlossen ist, während
gleichzeitig eine Ventileinheit V2 offen ist, während in
dem dazwischen liegenden Bereich (größer 75°C
bis kleiner gleich 115°C) die Ventileinheit V1 offen und
die Ventileinheit V2 geschlossen ist.
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Die
erste bis siebte Leitung 108, 110, 118, 120, 124, 130, 134 bilden
zusammen ein Leitungssystem, über welches die Schmierstoffpumpe 104 mit den
Schmierstellen der Brennkraftmaschine 102 verbunden ist,
wobei diese Schmierstellen Schmierstoffverbraucher im Sinne der
Erfindung sind.
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An
das Leitungssystem ist über den Hauptölkanal 128 und
eine achte Leitung 136 ein Öldruckschwankungskompensator 138 angeschlossen.
Diese Öldruckschwankungskompensator 138 soll kurzzeitige
Druckabfälle und Druckspitzen im Hauptölkanal 128 kompensieren
und somit den Motor schützen. Da die Schmierstoffpumpe 104 als
eine variable Ölpumpe zur Reibleistungsreduzierung definiert
ist, ist in der vorliegenden besonders bevorzugten Ausführungsform
der Volumenstrom der Ölkreislaufes auf das erforderliche
Minimum ausgelegt. Der Öldruckschwankungskompensator 138 ist
also als Sicherheitseinrichtung anzusehen, die unter Inkaufnahme
eines vertretbaren Risikos auch entfallen kann. Die Funktionsweise
des Öldruckschwankungskompensators 138 ist wie
folgt:
Im Ruhezustand vor dem Motorstart beträgt POEL2 ca.
0,5 bar (POELHK = 0 bar)
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Wenn
der Motor gestartet wird, öffnet eine Ventileinheit V4,
sobald die Druckdifferenz POELHK (Öldruck im Hauptölkanal 128)
und POEL2 (Öldruck in der Ausgleichskammer des Öldruckschwankungskompensator 138)
größer 2,0 bar beträgt. V3 bleibt geschlossen.
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Sobald
der Motor läuft besteht zwischen POELHK und POEL2 keine
Druckdifferenz mehr. V3 und V4 sind somit beide geschlossen.
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Eine
mit Stickstoff gefüllte Kammer ist bei POEL2 = 4,5 bar
bis auf ein minimales Volumen komprimiert.
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Fällt
der Druck POELHK ab, öffnet V3 ab einer Druckdifferenz
von 0,5 bar. Somit kann kurzzeitig Öl aus dem Druckspeicher
in den Hauptölkanal 128 fließen.
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Sobald
der Druck POELHK wieder ansteigt, wiederholt sich der Vorgang 2.
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Umgekehrt
können durch das Ölvolumen im Druckspeicher auch
kurzzeitige Druckspitzen der Pumpe abgefangen werden.
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V3 öffnet
bei einem Druckdelta von 0,5 bar. Somit wird ein minimales Restölvolumen
im Druckspeicher, sowie eine gewisse Trägheit gegenüber Druckpulsation
gewährleistet. Zudem dient das Ventil als Rückschlagventil.
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V4 öffnet
bei einem Druckdelta von 2,0 bar. Somit ist ein schneller Öldruckaufbau
bei Motorstart gegeben.
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Der
Schmierstoffspeicherbehälter 112, der auch als Öltank
mit variablen Volumen bezeichnet werden könnte, weist in
einem Gehäuse 140 ein erstes Speichervolumen 142 sowie
ein zweites Speichervolumen 144 auf. Ferner ist in dem
Schmierstoffspeicherbehälter 112 eine Zentrifugenkammer 146 ausgebildet,
in der sich eine Zentrifuge 148 befindet. Die Zentrifugenkammer 146 befindet
sich oberhalb der Speichervolumina 142, 144, sodass
durch die Zentrifuge 148 beruhigter Schmierstoff, insbesondere
beruhigtes Motorenöl über eine Trichterwand 150 und
einen Zufuhrstutzen 152 in das erste bzw. zweite Speichervolumen 142, 144 unter
Schwerkraftwirkung strömen kann.
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Während
das erste Speichervolumen 142 zu dem Zufuhrstutzen 152 offen
ist, erfolgt ein Zufluss zu dem zweiten Speichervolumen 144,
dass gegenüber dem ersten Speichervolumen 142 durch
eine Trennwand 154 getrennt ist, nur dann, wenn ein Zulauf 156,
an dem sich ein Zulaufventil V5 befindet, geöffnet ist.
Das genannte Ventil V5 ist allerdings mit einem Ablaufventil V6
gekoppelt, welches an einem Ablauf 158 des zweiten Speichervolumens 144 angeordnet
ist. Der Ablauf 158 des zweiten Speichervolumens mündet
in das erste Speichervolumen 142.
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Neben
dem bereits zuvor genannten ersten Eingang 114 weist der
Schmierstoffspeicherbehälter 112 oberhalb der
Zentrifugenkammer 146 noch einen zweiten Eingang 160 auf,
an welchem ein Blow-By-System 162 der Brennkraftmaschine 102 anschließbar
ist.
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Das
Gehäuse 140 ist so ausgebildet, dass dessen Behälterwandung 164,
die gleichzeitig die Behälterwandung des Schmierstoffspeicherbehälters 112 ist,
zumindest im Bereich des ersten und zweiten Speichervolumens 142, 144 thermisch
isoliert ausgebildet ist. Für das zweite Speichervolumen 144 kann darüber
hinaus noch eine Zusatzisolierung vorgesehen sein. Die Funktionsweise
des Schmierstoffspeicherbehälters 112 ist wie
folgt:
In der Motorwarmlaufphase wird das Öl (teilweise Ölnebel)
von der Schmierstoffpumpe 104 (Ölsaugpumpe) aus
der Ölwanne in den oberen Bereich des Schmierstoffspeicherbehälters 112 (Öltanks)
gepumpt. Dort wird das Öl über die Zentrifuge 148 beruhigt,
um die Ölverschäumung möglichst gering
zu halten. Da in diesem Betriebszustand die Ventile V5 und V6 geschlossen
sind, fließt das Öl nur über das erste
Speichervolumen 142 (Ölkammer 1) wieder zur Druckpumpe.
Sobald TOIL größer 105°C wird, werden
die Ventile V5 und V6 gleichzeitig geöffnet. Das Öl
durchströmt jetzt beide Kammern, womit das Ölvolumen
aus beiden Kammern zur Motorschmierung/Motorkühlung zur
Verfügung steht. Sinkt die Öltemperatur wieder
(z. B. unter 100°C), schließen die beiden Ventile
und es arbeitet wieder nur der Ölkreislauf über
Kammer 1.
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Die
Entlüftungssteigleitungen 166 im Öltank dienen
ausschließlich der Entlüftung der einzelnen Ölkammern.
Sie sollten im Tank integriert sein.
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Zu
der besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist noch folgendes anzumerken:
Durch die variable Ölpumpe
kann in jedem Motorbetriebspunkt der minimal erforderliche Volumenstrom und
Druck eingestellt werden. Somit verringert sich die benötigte
Antriebsleistung der Ölpumpe und zugleich die Panschverluste
im KGH, was eine zusätzliche Reibleistungsminderung zur
Folge hat. Die Einsparung der Ölpumpenantriebsleistung
durch Volumenstromreglung macht sich eher im Kundenverbrauch als
im NEFZ bemerkbar. Jedoch macht sich die Zusatzeinsparung durch
Druckabsenkung auch im NEFZ bemerkbar.
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Die Ölabsaugpumpe
benötigt zwar einen Zusatz an Antriebsleistung, welcher
sich aber durch den Reibleistungsvorteil durch vermiedene Panschverluste
wieder kompensiert. Als Erfahrungswerte sollte die Saugpumpe im
Verhältnis zur Druckpumpe ca. 2:1 bis 2,5:1 betragen. Somit
wird ein möglicher Ölstau im KGH verhindert und
es herrscht stets ein Unterdruck im KGH, was eine Ursache für
die oben genannte Minderung der Reibleistung ist.
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Die
Regelventileinheit steuert den Ölvolumenstrom über
den Wärmetauscher. Bei kaltem Motor fließt der Ölvolumenstrom über
den Wärmetauscher, um Wärmeenergie dem schneller
aufheizendem Wasser zu entziehen. Ab ca. 75°C wird das
Ventil zum Wärmetauscher geschlossen und das Bypass-Ventil
geöffnet, da ab dieser Temperatur der Wärmetauscher
die Erwärmung des Öls eher hemmt. Erst wenn das Öl
Temperaturen über 115°C erreicht, öffnet
sich das Ventil zum Wärmetauscher und der Bypass wird verschlossen.
Jetzt kann das Öl über den Wärmetauscher
gekühlt werden, bis es wieder eine Temperatur von ca. 110°C
erreicht hat. Dann öffnet wieder der Bypass und das Ventil
zum Wärmetauscher wird geschlossen. Es ist unbedingt sicherzustellen,
dass niemals der Zustand eintreffen kann, dass beide Ventile geschlossen
sind (z. B. über Stufenschaltung).
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Das
System ist gut mit weiteren Wärmemanagementsystemen wie
Wasserkreislauf oder Abgaswärmenutzung kombinierbar da
es einerseits unabhängig, aber auch integrierbar zu betreiben
ist.
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Das
System ist auch mit einem Latentwärmespeicher kombinierbar.
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Insbesondere
mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
folgende Vorteile erzielt:
- – Schnellere
Aufwärmung des Öls durch die im Warmlauf verringerte Ölmenge
und den isolierten Öltank;
- – Reduzierung der Reibleistung durch schnellere Aufwärmehase
des Öls;
- – Reduzierung der Antriebsleistung der Öldruckpumpe
durch Regelung von Druck und Volumenstrom auf das erforderliche
Minimum;
- – Reduzierung der Reibleistung durch Reduktion der
Panschverluste im KGH;
- – Durch die Reduzierung der Reibleistung folglich Kraftstoffverbrauchseinsparungen
im NEFZ und Kundenverbrauch (weniger CO2 Ausstoß);
- – Isolierter Öltank speichert Wärmeenergie
des Öls länger als Nasssumpf-Ölwannen
(Start nach kurzen Pausen);
- – Durch die Steuerung der Ventile im Öltank
und der Regelventileinheit sind konstante Öltemperaturen über
verschiedene Lastkollektive gut regelbar;
- – Durch den Trockensumpf ist die Konstruktion eine
KGH mit Bedplate und integrierter Ölwanne realisierbar
(Leichtbau), dadurch Gewichtseinsparung und Absenkung des Motorschwerpunktes
im Fahrzeug (Fahrdynamik);
- – Das System ist auch bei Extrembedingungen wie hohen
Neigungswinkel (Geländewagen) oder hohen Querbeschleunigung
(Sportwagen) stabil; und
- – Mit vertretbaren Aufwand realisierbar, da keine komplizierten
Technologien oder exotische Materialien eingesetzt werden.
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- 100
- Schmierstoffkreislauf
- 102
- Brennkraftmaschine
- 104
- Schmierstoffpumpe
- 106
- Ölsieb
- 108
- erste
Leitung
- 110
- zweite
Leitung
- 112
- Schmierstoffspeicherbehälter
- 114
- erster
Eingang
- 116
- Ausgang
- 118
- dritte
Leitung
- 120
- vierte
Leitung
- 122
- Regelventileinheit
- 124
- fünfte
Leitung
- 126
- Ölfilter
- 128
- Hauptölkanal
- 130
- sechste
Leitung
- 132
- Wärmetauscher
- 134
- siebte
Leitung
- 136
- achte
Leitung
- 138
- Öldruckschwankungskompensator
- 140
- Gehäuse
- 142
- erstes
Speichervolumen
- 144
- zweites
Speichervolumen
- 146
- Zentrifugenkammer
- 148
- Zentrifuge
- 150
- Trichterwand
- 152
- Zufuhrstutzen
- 154
- Trennwand
- 156
- Zulauf
- 158
- Ablauf
- 160
- zweiter
Eingang
- 162
- Blow-By-System
- 164
- Behälterwandung
- 166
- Entlüftungssteigleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4202572
C2 [0002]
- - EP 1598532 B1 [0003]