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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader zur Aufladung und mit einem Einkreiskühlsystem zur Kühlung der Brennkraftmaschine mittels eines flüssigen Kühlmittels, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler mindestens eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine mit Aufladung.
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An Bord von Schiffen ist es üblich, die zu kühlenden Maschinen und Aggregate in zwei Gruppen zusammenzufassen, die jeweils an getrennte Kühlmittelkreisläufe und zwar an einen so genannten Hochtemperaturkreislauf an einen so genannten Niedertemperaturkreislauf angeschlossen sind. An den Hochtemperaturkreislauf sind die so genannten Warmläufer, wie zum Beispiel die Hauptmaschine und die Dieselgeneratoren, und an den Niedrigtemperaturkreislauf, Ölkühler, Ladeluftkühler und dergleichen angeschlossen.
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Brennkraftmaschinen mit Abgasturboladern sind allgemein bekannt. Die
DE A1 3047672 beschreibt eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer Brennkraftinaschine und der Ladeluft. Da es allgemein bei der Kühlung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen erwünscht ist, die Motor- bzw. Verbrennungstemperatur auf einem höheren Niveau als die der Ladeluft bzw. anderer Medien zu halten, werden zu diesem Zweck auch bei der
DE A1 3047672 zwei getrennte Kühlkreisläufe für die Motorkühlung einerseits und für den Ladeluftkühler andererseits vorgeschlagen.
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Des Weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE A1 2655017 eine weitere Brennkraftmaschine mit Aufladung bekannt, bei der mehrere Ladeluftkühler mit unterschiedlichem Temperaturniveau vorgesehen sind, wobei die einzelnen Kühler auf der Ladeluftseite mit fallender und im Kühlluftstrom mit steigender Temperatur in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Lösungen ist, dass zwei getrennte Kühlkreisläufe einen größeren Teileaufwand benötigen als ein Einkreissystem. Einkreiskühlsysteme, die die oben beschriebenen Kühlkreisläufe zusammenfassen, sind bekannt. So zeigt beispielsweise die
EP-A1 54792 einen Kühlkreislauf, bei dem die gesamte Motorkühlwassermenge im Hinblick auf einen guten Austauschgrad durch einen Luft-Wasser-Hauptkühler geleitet und danach in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine über einen als Nebenkühler ausgebildeten Kühler und einen Ladeluftkühler geleitet wird und dann mit dem anderen Teilstrom vor Eintritt in die Brennkraftmaschine wieder vereinigt wird. Die Aufteilung erfolgt entweder durch ein Teilmengen-Regelventil, welches temperatur- oder zeitabhängig gesteuert wird, oder durch ein Mengenregelventil, welches im Nebenkreis vorliegt und vom Systemdruck oder der Temperatur gesteuert wird.
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Nachteilig ist, dass bei Motoren mit großem Betriebsdrehzahlbereich und mit dem üblichen konstanten Übersetzungsverhältnis der vom Motor angetriebenen Wasserpumpe der Strömungsdruck sehr stark schwankt. Wegen der Regelträgheit sind deshalb bei krassen Belastungsänderungen gefährliche Betriebszustände im Ladeluftkühler zu erwarten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkreislauf der gattungsgemäßen Art auf möglichst einfache Weise so auszugestalten, dass einerseits die für die Hochleistungsmotoren mit extrem schwankender Motorbelastung geforderte rasche Aufwärmung des Motors nach dem Kaltstart innerhalb weniger Minuten erreicht und bei Teillast die Warmhaltung des Motors durch den Ladeluftkühler nicht beeinträchtigt wird, und dass andererseits ständig eine intensive Kühlung der Ladeluft erzielt werden kann, indem ohne Zeitverzögerung sofortige Bereitschaft des Ladeluftkühlers zur vollen Leistung gegeben ist, wie diese bei häufigen schroffen Laständerungen nötig ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader zur Aufladung und mit einem Einkreiskühlsystem zur Kühlung der Brennkraftmaschine mittels eines flüssigen Kühlmittels, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler, eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gelöst, dass ein erster den mindestens einen Rückkühler, den mindestens einen Ladeluftkühler überbrückender erster Bypass und/oder ein zweiter den mindestens einen Rückkühler überbrückender zweiter Bypass und/oder ein den Ölkühler überbrückender dritter Bypass vorgesehen ist, wobei mindestens einer der drei Bypässe ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende aufweist.
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Durch die parallel zum Rückkühler im zweiten Bypass vorgesehene Blende wird mit vorteilhaft einfachen Mitteln der am Rückkühler vorbeigeleitete Kühlmittelstrom gedrosselt. Dadurch fließt mehr Kühlmittel durch den Rückkühler, so dass die Vereinigung der beiden Teilströme der Kühlmittelstrom eine niedrigere Temperatur aufweist und dadurch der oder die Ladeluftkühler besser gekühlt werden. Mit anderen Worten: der oder die Ladeluftkühler werden auf einem niedrigeren Temperaturniveau betrieben, so dass dadurch mehr Ladeluft in die Zylinder strömt und die Leistung der Verbrennungskrafmaschine gesteigert wird.
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Ergänzend oder alternativ zu der Drosselung des am Rückkühler vorbei strömenden Kühlmittels kann auch erfindungsgemäß ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende im ersten Bypass vorgesehen werden. Die Blende im ersten Bypass hat zur Folge, dass weniger Kühlmittel am Rückkühler vorbei geleitet wird. Es wird also ein geringerer Anteil des Kühlmittelstroms ohne Kühlung wieder direkt der Brennkraftmaschine zugeleitet, was zunächst die Zeitdauer erhöht, die der Motor beim Kaltstart benötigt, um auf die Betriebstemperatur zu gelangen. Bei geeigneter Abstimmung jedoch, ist dieser Nachteil vernachlässigbar, da der die Ladeluftkühler verlassende erwärmte Kühlmittelstrom mit dem Strom des ersten Bypasses vor Eintritt in die Brennkraftmaschine vereinigt wird und so zur schnelleren Erwärmung der Maschine nach einem Kaltstart führt.
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Mit Vorteil lässt sich das Mengenverhältnis der Kühlmittelströme, die über den Rückkühler einerseits und über den zweiten Bypass andererseits geführt werden, einstellen, wenn in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass in Fliessrichtung des Kühlmittels vor dem mindestens einen Rückkühler ein Mengenteilungsventil vorgesehen ist, von dem der zweite Bypass abzweigt.
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Dadurch, dass das Mengenteilungsventil temperaturgesteuert ausgebildet ist, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Vorlauftemperatur des Mengenteilungsventils, passt sich das Teilungsverhältnis selbsttätig an verschiedene Betriebszustände der Maschine an. Bei einem Kaltstart kann die über den Rückkühler geführte Kühlmittelmenge solange niedrig gehalten werden, bis die Betriebstemperatur des Motors erreicht ist. Erst dann wird das Teilungsverhältnis so geregelt, dass der gewünschte höhere Kühlmittelstrom über den Rückkühler zu dem Ladeluftkühler geführt wird.
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Wenn in weiterer Ausgestaltung ein dritter den mindestens einen Ölkühler überbrückender Bypass vorgesehen ist, wobei vorzugsweise im dritten Bypass ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende, vorgesehen ist und/oder in Fliessrichtung des Kühlmittels vor dem mindestens einen Ölkühler ein Mengenteilungsventil vorgesehen ist, von dem der dritte Bypass abzweigt, kann die Öltemperatur in weiten Bereichen an die Temperatur des Motorkühlwassers angepasst werden. Temperaturspannungen werden somit wirkungsvoll vermieden.
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Dadurch, dass der mindestens eine Ladeluftkühler aus mindestens einem Hochdruckladeluftkühler und mindestens einem Niederdruckladeluftkühler besteht, die im Kühlkreislauf parallel geschaltet angeordnet sind, werden sowohl der Hochdruck- als auch der Niederdruckladeluftkühler mit derselben Vorlauftemperatur des Kühlmittels versorgt. Die Ladeluft lässt sich in dieser Ausgestaltung auf ein besonders vorteilhaft niedriges Temperaturniveau kühlen.
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Die Maßnahme, dass der mindestens eine Ölkühler im Kühlkreislauf in Serie mit dem mindestens einen Ladeluftkühler, vorzugsweise in Fliessrichtung des Kühlmittels hinter dem mindestens einen Niederdruckladeluftkühler, geschaltet angeordnet ist, dient dem Zweck, den Ölkühler mit vorgewärmten Kühlmittel zu versorgen. Insbesondere soll die Kühlmitteltemperatur nicht weit von der des Motors entfernt liegen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelpumpe in einer Zulaufleitung zur Brennkraftmaschine in Fliessrichtung des Kühlmittels hinter dem mindestens einen Rückkühler, dem mindestens einen Ladeluftkühler und dem ggf. mindestens einen Ölkühler angeordnet ist. Hierdurch ist auch bei Leitungsbruch eine Notversorgung der Brennkraftmaschine sichergestellt. Diese wird durch die Pumpe unmittelbar versorgt, so dass der höchste Druck direkt am Kühlwassereintritt der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Entsprechend ist auch ein Kühlmittelreservoir mit Ausdehnungsgefäß direkt vor der Pumpe angeordnet.
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Alternativ kann der mindestens eine Ölkühler im Kühlkreislauf im ersten Bypass in Fliessrichtung des Kühlmittels in Serie oder parallel mit diesem geschaltet angeordnet sein. Die Wahl wird der Fachmann in Abhängigkeit der gewünschten Kühlwassertemperatur oder Mengen- und Druckaufteilung des Kühlwassers vornehmen.
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Insbesondere bei Schiffsantrieben ist es von Vorteil, wenn der Rückkühler wassergekühlt, vorzugsweise seewassergekühlt, ausgebildet ist. Der Rückkühler kann dann vorzugsweise klein dimensioniert werden.
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Besonders bewährt hat sich eine Gehäusegestaltung, bei der die Brennkraftmaschine ein gekühltes Kurbelgehäuse mit mindestens einem Zylinderkopf und ein gekühltes Abgasturbolagergehäuse aufweist, die in Fließrichtung des Kühlmittels zwischen Kühlmittelpumpe und Rückkühler in Serie geschaltet sind, wobei das Abgasturboladergehäuse in Fließrichtung hinter dem Kurbelgehäuse angeordnet ist.
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Die Verfahrensaufgabe wird bei einem Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine mit Aufladung mittels eines Einkreiskühlsystems, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler, eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gelöst, dass ein von der Brennungskraftmaschine kommender Kühlmittelstrom in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom dem Rückkühler zugeführt wird, während der zweite Teilstrom an dem mindestens einen Rückkühler und dem mindestens einen Ladeluftkühler über einen ersten Bypass vorbeigeleitet und vorzugsweise mittels eines Drosselorgans gedrosselt wird und diese Teilströme vor der Kühlmittelpumpe wieder vereinigt werden und/oder ein am Rückkühler über einen zweiten Bypass vorbeigeführter Bypasstrom des ersten Teilstroms des Kühlmittels gedrosselt wird. Die Leistungssteigerung ergibt sich insbesondere dadurch, dass sich erfindungsgemäß auch bei einem Einkreiskühlsystem, die Ladeluft in ihrem Temperaturniveau weiter drücken lässt. Dieser Gewinn wird bei den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ohne Gefahr für die Maschine durch unkontrollierbare Kühlzustände bei plötzlichen Laständerungen oder Drehzahländerungen erreicht. Mit Vorteil ist die Öltemperatur nach dem Ölwärmetauscher von der Motorkühlwassertemperatur entkoppelt, welche bei den Mischkreisläufen nach dem Stand der Technik im Motorkennfeld und bei unterschiedlichen Randbedingungen deutliche Unterschiede aufweisen kann. Erfindungsgemäß ist die Kühlwassertemperatur vor dem Ladeluftkühler im gesamten Motorkennfeldbereich gegenüber dem Temperaturniveau nach dem Stand der Technik deutlich reduziert.
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In Ausgestaltung des Verfahrens zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine ist mit Vorteil vorgesehen, dass der zweite Teilstrom gedrosselt wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Teilstrom dem Ölkühler zugeführt.
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Bevor die Teilströme des Kühlmittels wieder in die Brennkraftmaschine eintreten, ist es vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Teilstrom hinter dem mindestens einen Ladeluftkühler wieder zusammengeführt werden.
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Das Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine lässt sich auch bei bereits im Feld betriebenen Maschinen ohne größeren Aufwand nachrüsten und anwenden, wenn als Drosselorgan eine Blende oder zur Kühlmittelstromteilung ein Mengenteilungsventil verwendet wird, wobei das Mengenteilungsventil vorzugsweise geregelt ausgebildet ist, insbesondere durch eine Temperatur oder einen Druck im Vorlauf.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Mischkühlkreislauf in einer ersten Ausführung mit Blende in einem ersten Bypass und mit einem Ölkühler in Serie mit einem Ladeluftkühler,
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2 ein Schema eines erfindungsgemäßen Mischkühlkreislauf in einer zweiten Ausführung mit Blende und mit einem Ölkühler in einem ersten Bypass parallel zu einem Rückkühler mit Ladeluftkühler,
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3 ein Schema eines erfindungsgemäßen Mischkühlkreislauf in einer dritten Ausführung mit einer Blende in einem ersten Bypass und mit einem dazu parallel geschalteten Ölkühler und
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4 ein Schema eines erfindungsgemäßen Mischkühlkreislauf in einer vierten Ausführung mit einer Blende in einem dritten Bypass und mit einem dazu parallel geschalteten Ölkühler im Vorlauf zur Kühlmittepumpe.
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Die 1 bis 3 zeigen erfindungsgemäße Mischkühlwasserkreisläufe für Brennkraftmaschine mit Aufladung. In den 1 bis 3 ist auf der linken Seite durch unterbrochene Linienführung mit der Bezugsziffer 1 schematisch die Brennkraftmaschine bezeichnet. Als Teil des Kühlkreislaufes besteht die Maschine aus einem gekühlten Abgasturbolader 2 und dessen Gehäuse 27, die in Serie mit dem Kurbelgehäuse 26 und den Zylinderköpfen 31 geschaltet sind.
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In den 1 bis 3 fließt das Kühlmittel 4 von der Pumpe 9 kommend durch die Zulaufleitung 24 in Richtung 14 zum Eintritt in die Brennkraftmaschine 1. Nachdem das Kühlmittel die Brennkraftmaschine 1 verlassen hat, wird es an der Stelle 32 in zwei Stränge 37, 38 geteilt, die sich an der Stelle 33 wieder vereinigen um von dort wieder zurück zur Pumpe 9 zu fließen. Als Reservoir dient dabei für das Kühlmittel 4 das Ausdehnungsgefäß 28, dass mit dem Kühlmittelkreis an Stelle 30 verbunden ist.
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Die erwähnten beiden Leitungstränge, die an Stelle 32 geteilt werden und sich an Stelle 33 wieder vereinigen, bilden zwei parallel geschaltete Leitungswege, von denen der erste 37 einen ersten Bypass 10 bildet und der andere zweite 38, im Wesentlichen parallel geführt, den Rückkühler 6 beinhaltet, der von Seewasser 25 durchflossen ist, um das ihn durchfließende Kühlmittel 4 zu kühlen. In diesem Strang 38 ist zusätzlich parallel zum Rückkühler 6 ein zweiter Bypass 11 geschaltet, so dass das Kühlmittel 4 von Stelle 32 in Richtung 14 fließend von dem Mengenteilungsventil 15 auf den Rückkühler 6 und den zweiten Bypass 11 verteilt wird, um an Stelle 34 wieder vereint zu werden. Von dort kommend gelangt das Kühlmittel dann zum Ladeluftkühler, der in den 1 bis 3 aufgeteilt ist und zwar in einen Niederdruckladeluftkühler 23 und zwei dazu parallel geschaltete Hochdruckladeluftkühler 22, die zusammen den Ladeluftkühler 7 bilden. Die aus dem Ladeluftkühler austretenden Kühlmittelströme werden an Stelle 36 wieder vereinigt, um an Stelle 33 mit dem Kühlmittel aus dem ersten Bypass 10 gemeinsam der Pumpe 9 zugeführt zu werden. Vor den in den 1 bis 3 dargestellten Rückkühlern 6 und/oder Ölkühlern 8 können Mengenteilungsventile 15, 21 vorgesehen sein, die in Abhängigkeit des im Zulauf herrschenden Drucks oder der Temperatur gesteuert werden, um einen Teil der zufließenden Kühlmittelmenge über Bypässe 11, 17 an den Kühlern vorbei zu führen.
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Die 1 bis 3 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Lage der Drosselorgane 12, bzw. Blenden 13, in den Leitungswegen des Kühlwassers sowie in der Schaltung des mit Ziffer 8 markierten Ölkühlers.
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In 1 ist im ersten Bypass 10 eine Blende 13 als Drosselorgan 12 dargestellt. Dadurch wird der Kühlmittelstrom durch den ersten Bypass 10 gedrosselt, dass mehr Kühlmittel durch die parallel zum Bypass 10 angeordneten Leitungswege fließt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch der zweite Bypass 11 durch ein Drosselorgan 12 in Form einer Blende 13 eine Widerstandserhöhung für das ihn durchfließende Kühlmittel erfahren, damit mehr Kühlmittel durch den Rückkühler 6 geleitet wird und damit die Kühlmitteltemperatur an Stelle 35 sinkt. In der Folge wird auch die den Ladeluftkühler zufließende Kühlmitteltemperatur auf ein verringertes Niveau abgesenkt. Die den Ladeluftkühler durchströmende Ladeluft ist mit Pfeil 29 angedeutet.
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Damit nicht auch die Öltemperatur durch Ölkühler 8 entsprechend abgesenkt wird, ist der Ölkühler 8 nicht parallel zu dem Ladeluftkühler 7 sondern in Serie mit dem Niederdruckladeluftkühler 23 geschaltet, so dass ihm nur die Kühlmittelmenge des einen Niederdruckladeluftkühlers mit entsprechend erhöhter Temperatur zufließt. Zusätzlich kann der Zufluss an Kühlmittel zu Ölkühler 8 durch ein Mengenteilungsventil 21 verringert werden und ein Teil durch den dritten Bypass 17 am Ölkühler 8 vorbei geleitet werden. Das Teilungsverhältnis kann zusätzlich durch das im dritten Bypass 17 vorgesehene Drosselorgan 18, beispielsweise Blende 19, beeinflusst werden.
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Eine Blende als Drosselorgan in den 1 bis 3 vorzusehen hat den Vorteil, dass sich ihr Strömungswiederstand quadratisch mit dem Durchfluss ändert. Dieses Verhalten kann genutzt werden, weil auch die abzuführende Wärmemenge einer Brennkraftmaschine in etwa quadratisch mit der Leistungsänderung verknüpft ist.
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Die Anordnung der Teile entspricht in 2 in überwiegendem Umfang der 1 mit dem Unterschied, dass der Ölkühler 8 mit seinem dritten Bypass 17 nicht in Serie mit dem Niederdruckladeluftkühler 23 geschaltet ist, sondern im ersten Bypass 10 angeordnet ist. Durch diese Änderung fließt dem Ölkühler 8 in 2 das Kühlmittel 4 in Fließrichtung 20 mit der Temperatur zu, wie sie das Kühlmittel beim Verlassen der Brennkraftmaschine 1 aufweist.
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Durch entsprechende Abstimmung der im dritten Bypass 17 vorgesehenen Blende 19 kann die aus dem Ölkühler 8 austretende Kühlmitteltemperatur und damit auch die Temperatur des Öles wunschgemäß eingestellt werden.
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In 3 ist im Unterschied zu den 1 und 2 auf das Drosselorgan 12 bzw. die Blende 13 in dem ersten Bypass 10 verzichtet worden. Als Drosselorgan in Bypass 10 fungiert somit der Ölkühler 8 mit seinem gedrosselten Bypass 17.
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In 4 ist im Unterschied zu der 3 und entsprechend den 1 und 2 das Drosselorgan 12 bzw. die Blende 13 in dem ersten Bypass 10 verblieben. Zusätzlich ist hinter dem ersten Bypass 10 mit Drosselorgan der Ölkühler 8 mit seinem gedrosselten dritten Bypass 17 im Vorlauf 20 zur Kühlmittelpumpe geschaltet. Dadurch entspricht die Temperatur des in den Motor eintretenden Kühlwassers im Wesentlichen der Temperatur der an Stelle 16 zusammengeführten Kühlmittelteilströme aus dem Ölkühler 8 und dem dritten Bypass 17.
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Auf diese Weise ist in allen Ausführungsformen gemäß 1 bis 3 sichergestellt, dass der Ölkühler 8 nicht mit kaltem Motorkühlwasser versorgt wird sondern auch bei kalten Randbedingungen schnell auf ein Temperaturniveau gebracht wird, das einen dauerhaften ungefährdeten Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht. Die Öltemperatur ist dadurch von der Motorkühlwassertemperatur entkoppelt. Die bei Mischkreisläufen im Motorkennfeld sonst üblichen deutlichen Unterschiede bei unterschiedlichen Randbedingungen werden erfindungsgemäß vorteilhaft verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3047672 A1 [0004, 0004]
- DE 2655017 A1 [0005]
- EP 54792 A1 [0006]