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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wasserei nspritzvorri chtung.
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Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 208 476 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt.
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Bei Wassereinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen ist normalerweise ein Wassertank vorgesehen, so dass jederzeit Wasser zur Einspritzung in das Saugrohr oder die Brennkammer der Brennkraftmaschine verfügbar ist. Zusätzlich kann bei derartigen Wassereinspritzsystemen Wasser mit Hilfe einer Wassergewinnungsanlage beispielsweise aus dem Abgassystem der Brennkraftmaschine in dem Kraftfahrzeug oder aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs gewonnen werden und beispielsweise auch dem Wassertank zugeführt werden. Von dem Wassertank kann Wasser beispielsweise mittels einer Pumpe über eine Verteilervorrichtung zu Einspritzventilen, durch die das Wasser dann beispielsweise in ein Saugrohr oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, befördert werden. Dazu kann, wie bei Einspritzsystemen für Brennstoff, die Verteilervorrichtung, beispielsweise in Form eines Rails, dazu vorgesehen sein Wasser zu speichern und auf mehrere Einspritzventile, durch die das Wasser dann eingespritzt werden kann, zu verteilen.
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Eine Besonderheit von Einspritzvorrichtungen für Wasser gegenüber Einspritzvorrichtungen für Brennstoffe ist, dass das Wasser in der Wassereinspritzvorrichtung, insbesondere in dem Wassertank, beispielsweise nach Abstellen der Brennkraftmaschine gefrieren kann. Um die Wassereinspritzvorrichtung dann wieder in Betrieb zu nehmen, muss das gefrorene Wasser aufgetaut werden. Dazu können in der Wassereinspritzvorrichtung beispielsweise elektrische Heizungen vorgesehen sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine umfassend wenigstens einen Wassertank zum Speichern von Wasser, wenigstens einen Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine, wenigstens ein Fördermodul mit einem Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in den Wasserinjektor vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist an dem Fördermodul wenigstens ein erster Anschluss ausgebildet, der durch wenigstens eine erste Leitung mit dem Wassertank verbunden ist, wobei an dem Fördermodul weiterhin wenigstens ein zweiter Anschluss ausgebildet ist, der durch wenigstens eine zweite Leitung mit dem Wasserinjektor verbunden ist, wobei an dem Fördermodul weiterhin wenigstens ein dritter Anschluss ausgebildet ist, der durch wenigstens eine Rückleitung mit dem Wassertank verbunden ist, wobei das Fördermodul wenigstens eine Heizvorrichtung zum Heizen von durch das Fördermodul fließendes Wassers umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine den Vorteil auf, dass im Wassertank aufgetautes Wasser durch die erste Leitung zu dem Fördermodul mit der Heizvorrichtung gefördert werden kann. In dem Fördermodul kann mit Hilfe der Heizvorrichtung das Wasser aufgeheizt werden und anschließend durch die Rückleitung wieder in den Wassertank zurückgefördert werden. So kann das aufgeheizte und wieder in den Wassertank zurückgeförderte Wasser weiteres Wasser, beispielsweise gefrorenes Wasser im Wassertank aufheizen und/oder schmelzen. Wasser kann also von dem Wassertank durch die erste Leitung, das Fördermodul und die Rückleitung wieder in den Wassertank zurückgefördert werden und dort den Wassertank und/oder in dem Wasser angeordnetes weiteres gefrorenes und/oder aufgetautes Wasser erhitzen. Das Wasser kann somit vorteilhaft im Kreis gefördert werden, wobei das Wasser bei der Förderung im Kreis das Fördermodul mit der Heizvorrichtung durchläuft, wobei das Wasser beim Durchlaufen der Heizvorrichtung Wärme von der Heizvorrichtung aufnimmt und beim Durchlaufen des Wassertanks Wärme an gefrorenes und/oder nicht gefrorenes Wasser im Wassertank abgeben kann. Somit kann vorteilhaft bei gefrorenem Wasser in der Wassereinspritzvorrichtung eine geringe Menge an aufgetautem Wasser in dem Kreislauf aus Wassertank, erster Leitung, Fördermodul und Rückleitung gefördert werden. Dabei kann das Wasser bei der Heizvorrichtung Wärme aufnehmen und diese an gefrorenes Wasser in der Wassereinspritzvorrichtung abgeben, so dass das gesamte Wasser in der Wassereinspritzvorrichtung aufgetaut werden kann.
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Dabei wird vorteilhaft das bereits in der Wassereinspritzvorrichtung vorhandene Wasser, das auch zur Einspritzung vorgesehen ist, zur Wärmeübertragung im Wassereinspritzsystem und zum Heizen des Wassereinspritzsystems genutzt. Die thermische Anbindung der Heizvorrichtung wird vorteilhaft einfach durch das bereits in der Wassereinspritzvorrichtung vorhandene Wasser realisiert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das Fördermodul ein Modulgehäuse umfasst, wobei die Heizvorrichtung in dem Modulgehäuse angeordnet ist. So können vorteilhaft alle in dem Modulgehäuse angeordneten Bauteile, wie beispielsweise das Förderelement, oder ein Absperrventil, ein Rückschlagventil, eine Blende und/oder ein Drucksensor geheizt werden. Weiterhin können so vorteilhaft gut alle in dem Modulgehäuse angeordneten Leitungen und somit auch das gesamte durch das Modulgehäuse fließende Wasser durch die Heizvorrichtung geheizt werden. Dazu können die in dem Modulgehäuse angeordneten Bauteile und Leitungen zum Beispiel in direkten wärmeleitenden Kontakt miteinander stehen oder beispielsweise auch mittels wärmeleitenden Bauelementen miteinander wärmeleitend kontaktiert sein. Somit kann durch ein derart ausgebildetes Fördermodul das gesamte Wassereinspritzsystem vorteilhaft gut und effizient geheizt werden.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der erste Anschluss und/oder der zweite Anschluss und/oder der dritte Anschluss an dem Modulgehäuse ausgebildet sind.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das Fördermodul wenigstens ein Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil und/oder eine Blende und/oder einen Drucksensor umfasst. Somit kann eine vorteilhaft kompakte Bauweise des Fördermoduls erreicht werden und das Absperrventil und/oder das Rückschlagventil können vorteilhaft zusammen mit dem Wasser in der Einspritzanlage und dem Förderelement durch die Heizvorrichtung erwärmt und aufgetaut werden.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das Fördermodul ein in dem Modulgehäuse des Fördermoduls angeordnetes Absperrventil und/oder ein in dem Modulgehäuse des Fördermoduls angeordnetes Rückschlagventil und/oder eine in dem Modulgehäuse des Fördermoduls angeordnete Blende und/oder ein in dem Modulgehäuse des Fördermoduls angeordneten Drucksensor umfasst. Durch diese in dem Modulgehäuse angeordneten Bauelemente kann die Wärme der Heizvorrichtung vorteilhaft gut und einfach an die Bauelemente abgegeben werden Darüber hinaus kann das Fördermodul vorteilhaft kompakt gestaltet sein.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Wassereinspritzvorrichtung eine Vorheizvorrichtung zum Vorheizen von Wasser in dem Wassertank umfasst. Durch die Heizvorrichtung kann eine Menge an Wasser in der Wassereinspritzvorrichtung geschmolzen werden. Diese geschmolzene Menge an Wasser kann dann über die erste Leitung dem Fördermodul zugeführt werden und dort mithilfe der Heizvorrichtung weiter erwärmt werden und über die Rückleitung wieder in den Wassertank zurückgefördert werden. Bei diesem Umlauf kann das Wasser Wärme auf weiteres gefrorenes Wasser übertragen und dieses schmelzen.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Vorheizvorrichtung an dem Wassertank angeordnet ist. Somit kann durch die Vorheizvorrichtung in den Wassertank gefrorenes Wasser vorgetaut werden und anschließend über die erste Leitung dem Fördermodul zugeführt werden und dort erwärmt werden. Von dort aus kann es durch die Rückleitung wieder zurück zum Wassertank gefördert werden und dort weiteres gefrorenes Wasser auftauen.
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Weiterhin erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die Wassereinspritzvorrichtung umfasst wenigstens einen Wassertank zum Speichern von Wasser und wenigstens einen Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine und wenigstens ein Fördermodul zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank zu dem Einspritzventil. Die Schritte des Verfahrens umfassen einen Schritt zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in das Fördermodul durch eine Hinleitung, einen Schritt zum Heizen des Wassers in dem Fördermodul durch eine in dem Fördermodul angeordnete Heizvorrichtung, einen Schritt zum Rückfördern des geheizten Wassers von dem Fördermodul zu dem Wassertank durch eine Rückleitung, einen Schritt zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank zu dem Wasserinjektor durch das Fördermodul und Einspritzen des Wassers durch den Wasserinjektor in die Brennkraftmaschine. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Wassereinspritzvorrichtung gefrorenes Wasser durch eine geringe Menge an bereits flüssigen Wasser durch die Förderung und Aufheizung des bereits flüssigen Wassers aufgetaut werden.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Schritte des Verfahrens weiterhin einen Schritt zum Vorheizen von in dem Wassertank gefrorenem Wasser mittels einer Vorheizvorrichtung umfasst. Durch die Vorheizvorrichtung kann in dem Wassertank gefrorenes Wasser vorgetaut werden und anschließend über die erste Leitung dem Fördermodul zugeführt werden und dort erwärmt werden. Von dort aus kann es in die Rückleitung wieder zurück zum Wassertank gefördert werden und dort weiteres gefrorenes Wasser auftauen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung,
- 2 eine Wassereinspritzvorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Fördermoduls.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine Wassereinspritzvorrichtung 1 einer Brennkraftmaschine 2 im Detail gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben.
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In 1 sind die Brennkraftmaschine 2 sowie die Wassereinspritzvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Brennkraftmaschine 2 weist eine Vielzahl von Zylindern auf. Die Brennkraftmaschine 2 umfasst pro Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist die Brennkraftmaschine 2 pro Zylinder beispielsweise einen Einlasskanal 22 auf, über welchen Luft zum Brennraum 20 zugeführt wird. Abgas wird über einen Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu sind am Einlasskanal 22 ein Einlassventil 25 und am Abgaskanal 23 ein Auslassventil 26 angeordnet. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet ferner ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Die Wassereinspritzvorrichtung 1 ist dabei eine Einspritzvorrichtung durch die Wasser in die Brennkraftmaschine 2 eingespritzt wird. Dabei können neben dem Wasser auch andere Medien mit dem Wasser vermengt sein und zusammen mit dem Wasser gespeichert, gefördert und eingespritzt werden. So können dem Wasser beispielsweise Alkohole, wie beispielsweise Ethanol oder Methanol oder andere Zusatzstoffe, die beispielsweise ein Gefrieren des Wassers verhindern, zugemengt sein.
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Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst wenigstens einen Wasserinjektor 6. Der Wasserinjektor 6 ist am Einlasskanal 22 angeordnet. Der Wasserinjektor 6 spritzt Wasser in den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 ein. Der Wasserinjektor 6 wird beispielsweise durch eine Steuereinheit 13 angesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wasserinjektor 6 pro Zylinder vorgesehen. Alternativ können zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge zwei Wasserinjektoren pro Zylinder angeordnet sein. Es kann aber beispielsweise auch nur ein Wasserinjektor 6 für alle Zylinder vorgesehen sein.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Wassereinspritzvorrichtung 1 dargestellt. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst einen Wassertank 5, in dem Wasser gespeichert ist. Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 Wasserinjektoren 6. Die Wasserinjektoren 6 können beispielsweise an einem in den Figuren nicht dargestellten Verteiler 9, der Wasser auf die Wasserinjektoren 6 verteilt, angeschlossen sein. Die Wasserinjektoren 6 sind zum Einspritzen von Wasser in die Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Wasserinjektoren 6 sind durch eine Leitung 7, 8 mit dem Wassertank 5 verbunden. Die Leitung 7, 8 umfasst eine erste Leitung 7, die den Wassertank 5 mit dem Fördermodul 60 verbindet. Weiterhin umfasst die Leitung 7, 8 eine zweite Leitung 8, die das Fördermodul 60 mit dem Wasserinjektor 6 verbindet.
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Das Fördermodul 60 umfasst ein Förderelement 3. Das Förderelement 3 kann beispielsweise als Pumpe ausgebildet sein. Das Förderelement 3 ist beispielsweise in das Fördermodul 60 integriert. Das Förderelement 3 kann Wasser vom Wassertank 5 zu den Wasserinjektoren 6 fördern. Weiterhin kann das Förderelement 3 Wasser vom Wassertank 5 durch die erste Leitung 7 zu dem Fördermodul 60 und über die Rückleitung 42 wieder zurück in den Wassertank 5 fördern.
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Wie in 2 dargestellt umfasst das Fördermodul 60 ein Modulgehäuse 65. Das Modulgehäuse 65 ist in 2 schematisch dargestellt. Das Förderelement 3 ist in dem Modulgehäuse 65 angeordnet und somit in das Filtermodul 60 integriert. Das Modulgehäuse 65 umgibt beispielsweise das Förderelement 3 und bildet dergestalt das Fördermodul 60. An dem Fördermodul 60 sind Anschlüsse 61, 62, 63 ausgebildet. Der erste Anschluss 61 ist durch eine erste Leitung 7 mit dem Wassertank 5 verbunden. Der zweite Anschluss 62 ist durch die zweite Leitung 8 mit dem Wasserinjektor 6 verbunden. Der dritte Anschluss 63 ist durch die Rückleitung 42 mit dem Wassertank 5 verbunden. Wasser kann über den ersten Anschluss 61 in das Fördermodul 60 fließen und über den zweiten Anschluss 62 oder den dritten Anschluss 63 wieder aus dem Fördermodul 60 herausfließen.
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Das Fördermodul 60 teilt die Leitung 7, 8 in eine erste Leitung 7 und eine zweite Leitung 8. Dabei ist der Wassertank 5 durch die erste Leitung 7 mit dem Fördermodul 60 verbunden. Weiterhin ist das Fördermodul 60 durch die zweite Leitung 8 mit den Wasserinjektoren 6 verbunden. Wasser aus dem Wassertank 5 kann somit über die erste Leitung 7 zu dem Fördermodul 60 weiter durch die zweite Leitung 8 zu den Wasserinjektoren 6 gefördert werden.
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In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Einspritzvorrichtung 1 umfasst das Fördermodul 60 weiterhin ein Absperrventil 71, ein Rückschlagventil 72, eine Blende 73, und einen Drucksensor 74. Das Absperrventil 71, das Rückschlagventil 72, die Blende 73 und der Drucksensor 74 sind in dem Modulgehäuse 65 angeordnet.
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Weiterhin umfasst das Fördermodul 60 der Wassereinspritzvorrichtung 1 eine Heizvorrichtung 40. Die Heizvorrichtung 40 ist zum Heizen von Wasser, das das Fördermodul 60 durchfließt, vorgesehen. Die Heizvorrichtung 40 kann beispielsweise als elektrische Heizvorrichtung und/oder als hydraulische Heizvorrichtung ausgebildet sein. Die Heizvorrichtung 40 ist beispielsweise mit Leitungen, die durch das Fördermodul 60 verlaufen oder mit in dem Fördermodul 60 angeordneten Bauelementen, wie beispielsweise das Absperrventil 71, das Rückschlagventil 72 eine Blende 73 oder dem Drucksensor 74, thermisch leitend verbunden. Dazu können beispielsweise in den schematischen Figuren nicht dargestellte thermisch leitende Bauelemente die Heizvorrichtung 40 mit den Leitungen im Fördermodul 60 und/oder den anderen in dem Modulgehäuse 65 angeordneten Bauelementen, beispielsweise dem Absperrventil 71, oder dem Rückschlagventil 72 thermisch leitend verbinden.
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Die Heizvorrichtung 40 ist zum Heizen von Wasser, das das Fördermodul 60 durchfließt, vorgesehen. Dazu kann dem Fördermodul 60 Wasser zugeführt werden. Dazu umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 eine erste Leitung 7. Der Wassertank 5 ist durch die erste Leitung 7 mit dem Fördermodul 60 verbunden. Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 eine Rückleitung 42. Durch die Rückleitung 42 ist das Fördermodul 60 mit dem Wassertank 5 verbunden. Wasser kann somit über die erste Leitung 7 dem Fördermodul 60 zugeführt werden und über die Rückleitung 42 von dem Fördermodul 60 in den Wassertank 5 zurückgeführt werden. Der Wassertank 5, die erste Leitung 7, das Fördermodul mit der Heizvorrichtung 40 und die Rückleitung 42 bilden somit zusammen einen Kreislauf, in dem Wasser aus dem Wassertank 5 durch die erste Leitung 7, die Heizvorrichtung 40 und die Rückleitung 42 wieder zurück zum Wassertank 5 gefördert werden kann. Beim Umlauf des Wassers durch diesen Kreislauf wird das Wasser durch die Heizvorrichtung 40 aufgeheizt und transportiert die aufgenommene Wärme in andere Teile des Kreislaufs und/oder der Wassereinspritzvorrichtung 1 und kann dort gefrorenes Wasser vorteilhaft auftauen.
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Die erste Leitung 7, das Fördermodul 60, die Rückleitung 42 und der Wassertank 5 bilden zusammen einen Wasserkreislauf, wobei das im Wassertank 5 gespeicherte Wasser über die erste Leitung 7 zu dem Fördermodul 60 mit der Heizvorrichtung 40 und über die Rückleitung 42 wieder in den Wassertank 5 zurückgefördert werden kann.
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Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel eine Vorheizvorrichtung 45, die dazu eingerichtet ist, Wasser in dem Wassertank 5 vorzutauen, so dass das vorgetaute Wasser über die erste Leitung 7 dem Fördermodul 60 zuführbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vorheizvorrichtung 45 an dem Wassertank 5 angeordnet und dazu eingerichtet den Wassertank 5 zu beheizen und in dem Wassertank 5 gefrorenes Wasser zumindest teilweise zu schmelzen. Die Vorheizvorrichtung 45 kann beispielsweise eine elektrische Heizung sein, die beispielsweise über das Bordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist wird. Die Vorheizvorrichtung 45 kann aber beispielsweise auch als hydraulische Heizvorrichtung ausgebildet sein.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208476 A1 [0002]
