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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung einer Wassereinspritzvorrichtung sowie eine Wassereinspritzvorrichtung mit einer verbesserten Pumpenanordnung.
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Um unzulässig hohe Temperaturen im Brennraum und an Komponenten im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist es bekannt, eine Wassereinspritzung in den Brennraum und/oder in ein Saugrohr vorzunehmen. Auch hat eine Wassereinspritzung positive Auswirkungen auf eine Abgaszusammensetzung. Von daher werden in jüngster Zeit verstärkt separate Wassereinspritzsysteme bei Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, welche als Hauptbestandteile üblicherweise einen Wassertank, eine Pumpe und einen Wasserinjektor umfassen. Ein Problemkreis bei Wassereinspritzungen sind jedoch tiefe Außentemperaturen unter 0 °C, da hierbei die Gefahr eines Einfrierens des Wassers im Wassereinspritzsystem gegen ist, was zu Schäden an Bauteilen des Wassereinspritzsystems führen kann. Damit Wassereinspritzsysteme in alle Brennkraftmaschinen eingebaut werden können, ist es ferner notwendig, dass sehr kostengünstige und robuste Lösungen für Wassereinspritzsysteme vorhanden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung einer Wassereinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Gefahr eines Einfrierens der Wassereinspritzvorrichtung und insbesondere der Pumpenanordnung verhindert werden kann. Dabei weist die erfindungsgemäße Pumpenanordnung einen sehr einfachen und robusten und auch einfach anzusteuernden Aufbau auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Pumpenanordnung der Wassereinspritzvorrichtung eine Pumpe, eine Zufuhrleitung und eine Förderleitung aufweist. Die Zufuhrleitung führt von einem Wassertank oder dergleichen zu einem Pumpeneingang an der Pumpe und die Förderleitung führt von der Pumpe zu einem Wasserinjektor oder zu einem Rail, an welchem wenigstens ein Wasserinjektor angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Pumpenanordnung ein Vier-/Zwei-Wegeventil, welches eine erste und eine zweite Stellung einnehmen kann. Das Vier-/Zwei-Wegeventil weist vier Anschlüsse und zwei Stellungen auf ist dabei derart angeordnet, dass es mit dem Pumpeneingang und dem Pumpenausgang verbunden ist. In der ersten Stellung des Vier-/Zwei-Wegeventils ist der Pumpeneingang mit dem Wassertank verbunden und der Pumpenausgang ist mit dem Wasserinjektor verbunden. Dies ist die normale Förderstellung der Pumpenanordnung. In der zweiten Stellung des Vier-/Zwei-Wegeventils ist der Pumpeneingang mit dem Wasserinjektor verbunden und der Pumpenausgang ist mit dem Tank verbunden. Somit kann in der zweiten Stellung die Förderleitung zwischen Pumpe und Wasserinjektor leergesaugt werden, sodass hier kein Einfrieren von Wasser in der Förderleitung möglich ist. Durch den Betrieb der Pumpe wird ferner auch die Pumpe selbst leergesaugt sowie noch in der Ansaugleitung vorhandenes Wasser kann zurück in den Wassertank gefördert werden. Somit kann auch das in der Ansaugleitung vorhandene Wasser vollständig aus der Ansaugleitung entfernt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist die Pumpe eine Pumpe ohne Richtungsumkehr einer Förderrichtung. Mit anderen Worten kann die Pumpe nur in eine einzige Richtung angetrieben werden. Hierdurch kann eine Ansteuerung der Pumpe signifikant vereinfacht werden. Durch Umschalten des Vier-/Zwei-Wegeventils kann dabei die Förderung der Pumpe vom Normalbetrieb, bei dem über die Ansaugleitung angesaugt wird und in die Förderleitung gefördert wird, umgekehrt werden, sodass aus der Förderleitung angesaugt wird und in die Ansaugleitung zurück zum Wassertank gefördert wird.
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Besonders bevorzugt umfasst die Pumpenanordnung ferner einen elektrischen Antrieb zum Antreiben der Pumpe. Dadurch ist einfacher und sicherer Antrieb der Pumpe möglich.
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Weiter bevorzugt umfasst die Pumpenanordnung einen Wassertank, wobei der Wassertank höher angeordnet ist als die Pumpe. Somit muss beim Zurückpumpen durch die Pumpe ein Höhenunterschied bis zum Wassertank überwunden werden. Dies hat jedoch den Vorteil, dass der Wassertank völlig unabhängig von der Position der Pumpe angeordnet werden kann und so ein großer Gestaltungsspielraum hinsichtlich einer Anordnung der Pumpenanordnung in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug, möglich ist.
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Weiter bevorzugt umfasst die Pumpenanordnung ein Abschaltventil, welches in der Saugleitung angeordnet ist. Das Abschaltventil kann dabei die Saugleitung freigeben und versperren. Insbesondere versperrt das Abschaltventil die Saugleitung, nachdem die Saugleitung mittels der Pumpe leergefördert wurde. Das Abschaltventil ist besonders bevorzugt in der Saugleitung zwischen dem Wassertank und dem Vier-/Zwei-Wegeventil angeordnet.
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Das Abschaltventil ist besonders bevorzugt elektrisch antreibbar und mittels Federkraft rückstellbar. In einer nicht bestromten Stellung befindet sich das Vier-/Zwei-Wegeventil in der ersten Stellung.
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Eine besonders kostengünstige und kompakte Pumpenanordnung kann erhalten werden, wenn eine Vielzahl von Bauteilen der Pumpenanordnung zu einem kompakten Modul zusammengefasst sind. Hierdurch muss lediglich ein Modul mit wenigen Schnittstellen in eine Brennkraftmaschine eingebaut werden. Besonders bevorzugt sind als Schnittstellen am Modul ein Fluideingang für die Saugleitung, ein Fluidausgang für die Förderleitung und ein gemeinsamer elektrischer Anschluss für alle elektrischen Verbraucher des Moduls vorgesehen. Das Modul der Pumpenanordnung umfasst besonders bevorzugt neben der Pumpe und dem Antrieb der Pumpe das Vier-/Zwei-Wegeventil vorzugsweise einen Filter und weiter bevorzugt das Abschaltventil. Weiter bevorzugt umfasst das Modul ferner einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks, wobei der Drucksensor in der Förderleitung angeordnet ist.
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Weiter bevorzugt umfasst das Modul ferner eine Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung umfasst einen Heizkreislauf, welcher vorzugsweise mit einem Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Ein Wärmetauscher der Heizeinrichtung ist besonders bevorzugt benachbart zur Pumpe angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist ein Thermostatventil vorgesehen, welches den Heizkreislauf nur dann freigibt, wenn eine Temperatur an dem Thermostatventil kleiner ist als eine vorgegebene Temperatur, z.B. 8°C.
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Wenn die Pumpenanordnung als Modul vorgesehen ist, ist das Modul besonders bevorzugt direkt an einem Wassertank oder dgl. angeordnet. Weiter bevorzugt ist das Modul alternativ direkt im Wassertank angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Ferner kann auf eine lange Saugleitung verzichtet werden, da unmittelbar aus dem Wassertank direkt angesaugt werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Wassereinspritzvorrichtung umfassend eine erfindungsgemäße Pumpenanordnung. Die Wassereinspritzvorrichtung wird insbesondere bei Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung einer Pumpenanordnung und einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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2 eine schematische Darstellung einer Pumpenanordnung und einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Wassereinspritzvorrichtung 1 mit einer Pumpenanordnung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 einen Wassertank 9 und eine Vielzahl von Wasserinjektoren 11, welche an einem Rail 10 angeordnet sind. Wasser wird mittels eines Wasser-Förder-Moduls 20 vom Wassertank 9 zum Rail 10 gefördert.
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Das Wasser-Förder-Modul 20 umfasst die Pumpenanordnung 2, welche eine Pumpe 3 und ein Vier-/Zwei-Wegeventil 5 umfasst. Die Pumpe 3 wird mittels eines elektrischen Antriebs 4 angetrieben.
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Die Pumpenanordnung 2 umfasst ferner ein elektrisches Abschaltventil 6, welches in einer Zufuhrleitung 12 angeordnet ist. Die Zufuhrleitung 12 führt von dem Wassertank 9 zur Pumpe 3. Ferner ist eine Förderleitung 13 vorgesehen, welche von der Pumpe 3 zum Rail 10 führt.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist ferner ein Filter 7 zwischen dem Abschaltventil 6 und dem Vier-/Zwei-Wegeventil 5 angeordnet.
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Das Wasser-Förder-Modul 20 weist somit zwei hydraulische Anschlüsse auf, nämlich einen Zufuhrleitungsanschluss 14 und einen Förderleitungsanschluss 15. Weiterhin ist ein einziger elektrischer Anschluss 16 vorgesehen. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der elektrische Anschluss 16 mit allen elektrischen Einrichtungen im Modul verbunden. Hierbei ist im Modul 20 auch ein Drucksensor 8 vorgesehen, welcher an der Förderleitung 13 einen Druck in der Förderleitung 13 misst. Ferner sind auch das Vier-/Zwei-Wegeventil 5, das Abschaltventil 6 und der elektrische Antrieb 4 mit dem elektrischen Anschluss 16 des Wasser-Förder-Moduls 20 verbunden.
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In einer ersten Stellung des Vier-/Zwei-Wegeventils 5 ist die Zufuhrleitung 12 mit einem Pumpeneingang 32 verbunden und die Förderleitung 13 mit einem Pumpenausgang 31 verbunden. Diese Stellung ist in 1 gezeigt.
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Die Funktion der Pumpenanordnung 2 ist dabei wie folgt: 1 zeigt die Normalposition (erste Stellung), in welcher das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 nicht bestromt ist. Hierbei ist die Zufuhrleitung 12 über das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 mit der Pumpe 3 verbunden. Von der Pumpe 3 führt die Förderleitung 13 wieder durch das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 zum Förderleitungsanschluss 15 und von dort zum Rail 10.
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Die Pumpe 3 ist eine möglichst einfach aufgebaute Pumpe, z. B. eine Strömungspumpe. Dabei ist die Pumpe 3 nur in eine Richtung antreibbar, was in 1 durch den Pfeil A angedeutet ist. Somit wird Wasser in der ersten Stellung aus dem Wassertank 9 über die Zufuhrleitung 12, die Pumpe 3 und die Förderleitung 13 zum Rail 10 und somit zu den Wasserinjektoren 11 geführt.
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Wenn nun die Förderleitung 13 und die Zufuhrleitung 12 entleert werden sollen, wird das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 bestromt, sodass das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 in eine zweite Stellung übergeht. In der zweiten Stellung ist die Zufuhrleitung 12 mit dem Pumpenausgang 31 verbunden und die Förderleitung 13 mit dem Pumpeneingang 32 verbunden. Somit kann durch Betätigung der Pumpe 3 in gleicher Richtung, d. h. ohne Umkehrung der Förderrichtung der Pumpe, die Förderleitung 13 mittels der Pumpe 3 leergesaugt werden.
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Die Pumpe 3 weist eine ausreichende Leistung auf, sodass auch durch weiteres Betätigen der Pumpe die Zufuhrleitung 12 von der Pumpe 3 zum Wassertank 9 durch den mit der Pumpe 3 aufgebauten Druck entleert wird. Während des Entleervorgangs der Leitungen ist dabei das elektrische Abschaltventil 6 in der offenen Stellung. Nachdem die Leitungen derart entleert wurden, wird das elektrische Abschaltventil 6 geschlossen, sodass kein Rückströmen von Wasser aus dem Wassertank 9 in die Pumpe 3 möglich ist. Es kann alternativ auch vorgesehen werden, dass die Ansteuerungen von Abschaltventil 6 und 4/2-Wegeventil 5 gleichzeitig erfolgen; bei einer solchen Anordnung kann eine Endstufe in einer Steuereinheit und ein Kontakt-Pin im elektrischen Anschluss 16 eingespart werden.
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Die Pumpe 3 und das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 sind mit einer nicht gezeigten Steuereinheit verbunden, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Vier-/Zwei-Wegeventil 5 von der ersten Stellung von 1 in die zweite Stellung umzuschalten und die Pumpe 3 zu betreiben. Die Bedingungen zum Leersaugen des Rails 10 und der Leitungen können je nach Einsatzgebiet abgestimmt werden. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 dieses Ausführungsbeispiels wird vorzugsweise in einem Fahrzeug verwendet. Daher kann eine der Bedingungen zum Leersaugen des Rails und der Leitungen darin liegen, dass nach einem Abstellen einer Brennkraftmaschine und dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne das Rail und die Leitungen leergepumpt werden. Eine weitere Randbedingung kann hierbei auch eine Außentemperatur sein, wenn diese bspw. nahe 0°C liegt oder 0°C beträgt.
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Nach einer erfolgten Entleerung des Rails 10 und der Leitungen wird die Bestromung des Vier-/Zwei-Wegeventils 5 beendet, sodass dieses durch z. B. eine Federkraft, wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung, d. h. die erste Stellung, zurückgestellt wird. Die Pumpe 3 wird ebenfalls abgestellt und somit sind das Rail und Leitungen sowie insbesondere die Wasserinjektoren 11 nicht mehr mit Wasser gefüllt, sodass ein Einfrieren dieser empfindlichen Teile, insbesondere der Wasserinjektoren 11, nicht mehr auftritt.
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Es sei angemerkt, dass je nach Anwendungsfall verschiedene Bauteile im Modul 20 vorgesehen werden können. Bspw. ist es auch möglich, ein sehr kostengünstiges Modul ausschließlich mit einer Pumpe 3, einem elektrischen Antrieb 4 und einem Vier-/Zwei-Wegeventil 5 vorzusehen.
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Es sei ferner angemerkt, dass das Wasser-Förder-Modul 20 auch unmittelbar am Wassertank 9 angeordnet werden kann. Hierbei wäre dann der Zufuhrleitungsanschluss 14 direkt an einer Wandung des Wassertanks 9 angeordnet. Dadurch kann insbesondere ein ggf. im Wasser-Förder-Modul 20 umfasstes Abschaltventil 6 direkt am Wassertank 9 angeordnet werden. Alternativ kann das Wasser-Förder-Modul 20 auch im Wassertank 9 angeordnet sein.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist der Wassertank 9 über der Pumpe 3 angeordnet. Dadurch würde aufgrund der Schwerkraft Wasser aus dem Wassertank 9 in Richtung zur Pumpe 3 strömen. Um dies zu verhindern, ist ein Abschaltventil 6 in der Zufuhrleitung 12 angeordnet.
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Durch die Verwendung einer kostengünstigen Strömungspumpe, welche nur in eine Richtung antreibbar ist, kann somit eine sehr einfache und kostengünstige Lösung für ein Entleeren von Leitungen einer Wassereinspritzvorrichtung realisiert werden. Vorzugsweise ist die Pumpe dabei aus Kunststoffbauteilen aufgebaut.
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Die Modulbauweise ermöglicht es ferner, dass ein schneller Austausch bei einer Beschädigung oder dergleichen von Bauteilen des Moduls möglich ist. Die Verwendung einer nur in eine Richtung antreibbaren Pumpe macht es ferner möglich, eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerung der Pumpe zu verwenden.
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2 zeigt eine Wassereinspritzvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst das Wasser-Förder-Modul 20 des zweiten Ausführungsbeispiels zusätzlich noch eine Heizeinrichtung 21 mit einem Heizkreislauf 17. Im Heizkreislauf 17 ist benachbart zur Pumpe 3 ein Wärmetauscher 18 vorgesehen. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet ein Thermostatventil, welches den Heizkreislauf 17 nur dann freigibt, wenn die Temperatur am Thermostatventil kleiner als eine vorbestimmte Einstelltemperatur ist, z.B. 8°C. Weiterhin erfolgt eine Ansteuerung des 4/2-Wegeventils 5 und des Abschaltventils 6 gleichzeitig, so dass eine Endstufe in einer Steuereinheit und ein Kontaktpin im elektrischen Anschluss 16 eingespart werden kann. Wie in 2 gezeigt, ist dabei das Abschaltventil 6 direkt mit dem 4/2-Wegeventil 5 verbunden.
