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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Wassereinspritzsystem mit vereinfachtem Aufbau und verbessertem Gefrierschutz.
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Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzsystemen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Durch eine Wassereinspritzung kann hierbei eine Reduzierung einer Klopfneigung und eine Senkung von Abgastemperaturen erreicht werden. Bekannt sind hierbei üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme, welche die Wassereinspritzung ermöglichen. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2015 208 476 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Wassereinspritzsystem bekannt, bei dem ein Wasserinjektor Wasser in Richtung eines Einlassventils der Brennkraftmaschine in einem Saugbereich einspritzt. Der Wasserinjektor ist hierbei an einem Einlasskanal zum Zuführen von Verbrennungsluft in einen Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Um eine Erhöhung einer pro Verbrennungszyklus einspritzbaren Wassermenge zu erreichen, sind hierbei bevorzugt zwei Wasserinjektoren pro Zylinder vorgesehen. Dieses System hat sich grundsätzlich bewährt, es wäre jedoch wünschenswert, weitere alternative Wassereinspritzsysteme, insbesondere mit reduzierter Komplexizität und reduzierten Kosten zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine vereinfachte Einspritzung von Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine möglich ist. Hierbei weist das Wassereinspritzsystem einen einfachen Aufbau mit einer reduzierten Teileanzahl auf. Weiterhin kann Wasser in Form eines Wasser-Kraftstoff-Gemischs und/oder als reines Wasser eingespritzt werden. Hierbei umfasst die Brennkraftmaschine ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffleitung, wenigstens einem Kraftstoffinjektor und einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, welche in der Kraftstoffleitung angeordnet ist. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine ein Wassereinspritzsystem mit einem Wassertank, einer Wasserleitung, wenigstens einem Wasserinjektor, welcher an einem Saugbereich der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und eine Verbindungsleitung, welche die Wasserleitung mit der Hochdruck-Kraftstoffpumpe verbindet. Weiterhin ist eine Zweigleitung vorgesehen, welche die Kraftstoffleitung mit der Verbindungsleitung verbindet und ein Wasserdosierventil, welches eine Wassermenge zum Zuführen zum Kraftstoffeinspritzsystem dosiert. Somit kann einerseits Wasser über die Wasserleitung in den Saugbereich der Brennkraftmaschine eingespritzt werden als auch Wasser über die Hochdruck-Kraftstoffpumpe gemeinsam mit dem Kraftstoff eingespritzt werden. Ferner kann in einem Abstellfall über die Zweigleitung und die Verbindungsleitung Wasser aus der Verbindungsleitung entfernt werden, um beispielsweise bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser ein Einfrieren des Wassers in der Verbindungsleitung zu verhindern. Ferner kann auch die Wasserleitung einfach entleert werden, so dass auch hier das Einfrieren von Wasser verhindert wird. Über das Wasserdosierventil kann exakt eine gewünschte, einzuspritzende Wassermenge dosiert werden. Neben der Verhinderung des Einfrierens von Wasser in den Leitungen kann durch die Entfernung des Wassers aus den Leitungen auch ein verbesserter Korrosionsschutz ermöglicht werden. Weiterhin kann der Wasserinjektor auch mit der Umgebung verbunden sein. Hierbei kann der Wasserinjektor Wasser einfach, beispielsweise in einen Motorraum spritzen. Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass durch die Möglichkeit des Entfernens des Wassers aus den Leitungen eine Einfrierfestigkeit der Komponenten des Wassereinspritzsystems nicht mehr zwingend erforderlich ist. Hierdurch kann eine große Kostenreduktion bei der Herstellung der Komponenten des Wassereinspritzsystems erreicht werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist das Wasserdosierventil direkt an der Kraftstoffpumpe angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden und insbesondere eine Länge von Wasserleitungen reduziert werden. Alternativ ist das Wasserdosierventil in die Hochdruck-Kraftstoffpumpe integriert. Hierdurch kann ein Volumen des Wasserdosierventils deutlich reduziert werden und insbesondere Ansprechzeiten und Dosiergenauigkeiten deutlich verbessert werden. Weiter alternativ ist das Wasserdosierventil in der Verbindungsleitung zwischen der Wasserleitung und der Hochdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet. Dabei ist das Wasserdosierventil vorzugsweise möglichst nahe an der Hochdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet.
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Vorzugsweise ist ein Kraftstoffinjektor direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, dass Kraftstoff bzw. das Wasser-Kraftstoff-Gemisch direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dadurch kann eine deutlich wirksamere Beeinflussung des Verbrennungsprozesses durch das Wasser erreicht werden. Ferner ergibt sich dadurch eine signifikante Reduzierung des Wasserverbrauchs im Vergleich mit einer Wassereinspritzung in einen Saugbereich der Brennkraftmaschine.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Brennkraftmaschine ferner ein erstes Rückschlagventil, welches in der Verbindungsleitung angeordnet ist. Das erste Rückschlagventil öffnet dabei von der Wasserleitung ausgehend zur Verbindungsleitung. Das erste Rückschlagventil ist dabei derart eingestellt, dass erst nach Erreichen eines vorbestimmten Druckniveaus in der Wasserleitung dieses öffnet und das Wasser in die Verbindungsleitung strömen kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein schnelles Ansaugen des Wassers aus der Verbindungsleitung durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe möglich ist, um kurze Ansprechzeiten und hohe Dosiergenauigkeiten sicherzustellen.
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Weiter bevorzugt ist ein zweites Rückschlagventil vorgesehen, welches in der Zweigleitung angeordnet ist. Hierbei öffnet das zweite Rückschlagventil ausgehend von der Kraftstoffleitung zur Verbindungsleitung. Dadurch ist es möglich, dass das in der Verbindungsleitung vorhandene Wasser durch Kraftstoff verdrängt wird, so dass ein Einfrieren des Wassers in der Verbindungsleitung nicht möglich ist. Hierbei öffnet das zweite Rückschlagventil immer dann, wenn ein Druck in der Verbindungsleitung geringer ist als ein Druck in der Kraftstoffleitung. Die Zweigleitung zweigt hierbei bevorzugt von einem Bereich der Kraftstoffleitung ab, welcher zwischen dem Tank und der Hochdruck-Kraftstoffpumpe liegt. Hierbei ist weiter bevorzugt in der Kraftstoffleitung ferner noch eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet. Die Niederdruck-Kraftstoffpumpe ist vorzugsweise im Kraftstofftank selbst angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Brennkraftmaschine ferner eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das Wasserdosierventil anzusteuern.
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Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Wasserdosierventil derart angesteuert wird, dass bei einem Beenden der Wassereinspritzung das Wasserdosierventil geöffnet bleibt. Hierdurch wird das Wasser, welches in der Verbindungsleitung zwischen der Wasserleitung und der Hochdruck-Kraftstoffpumpe vorhanden ist, ausgespült, da durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe über die Zweigleitung auch Kraftstoff angesaugt wird und Wasser aus der Verbindungsleitung entfernt wird. Vorzugsweise wird auch die Wasserpumpe abgestellt, so dass der Druck in der Wasserleitung kleiner wird als der Kraftstoffdruck.
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Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine die Wasserpumpe in umgekehrter Förderrichtung zu betreiben und den Wasserinjektor zu öffnen. Durch das Umkehren der Förderrichtung der Wasserpumpe in Richtung zum Wassertank wird die Wasserleitung leergesaugt, so dass kein Wasser mehr in der Wasserleitung vorhanden ist, um ein Einfrieren des Wassers in der Wasserleitung zu vermeiden. Über den geöffneten Wasserinjektor wird Luft aus dem Saugbereich der Brennkraftmaschine oder der Umgebung angesaugt. Ferner kann dadurch ein verbesserter Korrosionsschutz erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ferner eingerichtet, bei einem Start der Brennkraftmaschine die Wasserpumpe in normaler Förderrichtung zu betreiben und den Wasserinjektor zu öffnen, um Luft aus der Wasserleitung zu entfernen. Wenn die Luft entfernt ist, kann Wasser mittels des Wasserinjektors in den Saugbereich der Brennkraftmaschine eingespritzt werden oder in die Umgebung ausgespritzt werden. Dann wird der Wasserinjektor geschlossen. Bei Erreichen eines vorbestimmten Druckniveaus in der Wasserleitung, welches höher ist als ein Druckniveau des Kraftstoffs nach der Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist die Steuereinheit ferner eingerichtet, das Wasserdosierventil zu öffnen. Gleichzeitig wird dann vorzugsweise die Einspritzung von Wasser mittels des Wasserinjektors beendet. Hierdurch wird sichergestellt, dass erst nach Erreichen eines vorbestimmten Druckniveaus in der Wasserleitung eine Einspritzung von Wasser über das Wasserdosierventil ausgeführt wird, um eine Dosiergenauigkeit der eingespritzten Wassermenge zu erhöhen.
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Weiter bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine ein Rail, von welchem aus die Kraftstoffinjektoren mit Kraftstoff bzw. mit dem Wasser-Kraftstoff-Gemisch versorgt werden.
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Die Erfassung des Drucks in der Wasserleitung und die Erfassung des Drucks in der Kraftstoffleitung wird vorzugsweise mittels Drucksensoren durchgeführt, welche mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Steuereinheit kann auch in weitere in der Brennkraftmaschine vorgesehenen Steuereinheiten integriert sein oder eine separate Steuereinheit sein.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem und einem Wassereinspritzsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ein Wassereinspritzsystem 2 und ein Kraftstoffeinspritzsystem 3.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 3 umfasst einen Kraftstofftank 30, eine Kraftstoffleitung 33, eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31, welche in der Kraftstoffleitung 33 angeordnet ist, und einen Kraftstoffinjektor 32. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Kraftstoffinjektor 32 dabei direkt an einen Brennraum 10 der Brennkraftmaschine angeordnet. Hierdurch kann eine Direkteinspritzung in den Brennraum 10 ermöglicht werden. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die Brennräume der anderen Kraftstoffinjektoren 32 in 1 nicht gezeigt.
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Weiterhin umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem 3 eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe 35, welche im Kraftstofftank 30 angeordnet ist und ein Kraftstoffrail 34. Die Kraftstoffinjektoren 32 sind dabei jeweils mit dem Kraftstoffrail 34 verbunden.
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Das Wassereinspritzsystem 2 umfasst einen Wassertank 20, eine Wasserleitung 22 und eine Wasserpumpe 21. Die Wasserpumpe 21 ist dabei im Wassertank 20 angeordnet. Ferner umfasst das Wassereinspritzsystem 2 einen Wasserinjektor 23. Der Wasserinjektor 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel am Ende der Wasserleitung an einem Saugbereich 11 der Brennkraftmaschine angeordnet. Es sei angemerkt, dass der Wasserinjektor 23 alternativ auch einfach zur Umgebung hin angeordnet sein kann, um eine Möglichkeit des Ansaugens von Luft bei einem Entleervorgang, was später beschrieben wird, der Wasserleitung zu ermöglichen.
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Das Wassereinspritzsystem 2 umfasst ferner ein Wasserdosierventil 4. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist hierbei von der Wasserleitung 22 eine Verbindungsleitung 5 vorgesehen, welche die Wasserleitung 22 mit der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 verbindet. Hierbei ist das Wasserdosierventil 4 in die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 integriert. Dadurch kann ein Bauraum und insbesondere eine Ansprechzeit für die Wassereinspritzung signifikant reduziert werden.
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Weiterhin ist eine Zweigleitung 6 vorgesehen, welche die Kraftstoffleitung 33 mit der Verbindungsleitung 5 verbindet. Die Zweigleitung 6 zweigt dabei von einem Bereich der Kraftstoffleitung 33 ab, welcher zwischen dem Kraftstofftank 30 und der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 liegt.
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Hierbei ist in der Verbindungsleitung 5 ein erstes Rückschlagventil 7 angeordnet. Das erste Rückschlagventil 7 öffnet dabei ausgehend von der Wasserleitung 22 in Richtung zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31.
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Ferner ist in der Zweigleitung 6 ein zweites Rückschlagventil 8 angeordnet. Das zweite Rückschlagventil 8 öffnet ausgehend von der Kraftstoffleitung 33 in Richtung zur Verbindungsleitung 5.
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Weiterhin ist eine Steuereinheit 9 vorgesehen, welche eingerichtet ist, das Wasserdosierventil 4 zu steuern. Die Steuereinheit 9 ist ferner eingerichtet, die Wasserpumpe 21 sowie den Wasserinjektor 23 zu steuern. Die Steuereinheit 9 ist dabei eine separate Steuereinheit für das Wassereinspritzsystem 2. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst selbstverständlich weitere Steuereinheiten, welche im Detail in 1 nicht dargestellt sind. Insbesondere umfasst die Brennkraftmaschine ein Motorsteuergerät, welche die Kraftstoffeinspritzung über die Kraftstoffinjektoren sowie die Hochdruck- und Niederdruck-Kraftstoffpumpe ansteuert, was aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nicht gezeigt ist.
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Die Steuereinheit 9 steuert somit bei einem Wasserbedarf, welcher beispielsweise durch ein Motorsteuergerät vorgegeben wird, die Wassereinspritzung über das Wasserdosierventil 4 und/oder über den Wasserinjektor 23.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Wassereinspritzung ist dabei wie folgt. Nach einem Start der Brennkraftmaschine wird Wasserdruck in der Wasserleitung 22 durch Betreiben der Wasserpumpe 21 aufgebaut. Hierbei sind das Wasserdosierventil 4 geschlossen sowie der Wasserinjektor 23 zumindest zuerst geöffnet, um Luft aus der Wasserleitung ausströmen zu lassen. Sobald ein vorbestimmter Druck in der Wasserleitung 22 erreicht ist, öffnet das erste Rückschlagventil 7. Hierdurch steht der Wasserdruck auch in der Verbindungsleitung 5 an und somit unmittelbar am Wasserdosierventil 4. Das erste Rückschlagventil 7 wird hierbei derart eingestellt, dass dieses ab einem Druckniveau öffnet, welches größer ist als ein Druck des Kraftstoffs in einem Leitungsabschnitt 33a der Kraftstoffleitung 33 in Strömungsrichtung nach der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31. Wie aus 1 ersichtlich ist, liegt der Leitungsabschnitt 33a in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 und dem Kraftstoffrail 34. Zum schnelleren Druckaufbau wird der Wasserinjektor 23 nach Entweichen der Luft aus der Wasserleitung geschlossen.
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Sobald nun eine Wassereinspritzung erfolgen soll, steuert die Steuereinheit 9 das Wasserdosierventil 4 an, so dass dieses öffnet. Hierdurch saugt die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 neben dem Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 30 zusätzlich auch noch Wasser aus der Verbindungsleitung 5 an. Um das Druckniveau in der Wasserleitung 22 und der Verbindungsleitung 5 hochzuhalten, wird die Wasserpumpe 21 bevorzugt weiter betrieben. Die Wasserpumpe 21 kann hierbei kontinuierlich betrieben werden oder in Intervallen.
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Durch das gemeinsame Ansaugen von Kraftstoff und Wasser mittels der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 ergibt sich somit im Leitungsabschnitt 33a und im Rail 34 ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch, welches über die Kraftstoffinjektoren 32 direkt in die Brennräume 10 der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierdurch kann eine signifikant wirksamere Beeinflussung des Verbrennungsprozesses in den Brennräumen 10 erreicht werden und ferner eine deutliche Reduzierung eines Wasserverbrauchs, da mittels des Wasserdosierventils 4 eine hochgenaue Dosierung der benötigten Wassermenge möglich ist.
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Da im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine der Druck in der Verbindungsleitung 5 größer ist als in der Kraftstoffleitung 33, bleibt das zweite Rückschlagventil 8 immer geschlossen.
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Es sei angemerkt, dass bei Bedarf zusätzlich auch noch Wasser über den Wasserinjektor 23 in den Saugbereich der Brennkraftmaschine 11 eingespritzt werden kann, um beispielsweise eine weitere Einspritzung von Wasser zu ermöglichen, wenn das Wasserdosierventil 4 vollständig geöffnet ist und die benötigte Wassermenge, welche über das Wasserdosierventil 4 eingespritzt wird, nicht ausreichend ist.
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Wenn im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine die Wassereinspritzung beendet werden soll, steuert die Steuereinheit 9 das Wasserdosierventil 4 derart an, dass dieses geschlossen wird. Ebenfalls bleibt der Wasserinjektor 23 geschlossen. Hierbei verbleibt Wasser in der Verbindungsleitung 5, ohne dass eine Wassereinspritzung erfolgt. Der Wasserdruck in der Verbindungsleitung 5 bleibt hierdurch ebenfalls unbeeinflusst. Gegebenenfalls wird die Wasserpumpe 21 weiter betrieben, um einen vorbestimmten Druck in der Wasserleitung 22 und der Verbindungsleitung 5 aufrecht zu erhalten.
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In einem alternativen Abstellfall kann auch die Wasserpumpe 21 nicht mehr betrieben werden, so dass der Druck in der Wasserleitung 22 sinkt. Wenn hierbei das Wasserdosierventil 4 geöffnet wird, sinkt auch der Druck in der Verbindungsleitung 5 durch den Ansaugvorgang der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31, so dass der Druck in der Kraftstoffleitung 33 größer wird als der Druck in der Verbindungsleitung 5. Dadurch öffnet das zweite Rückschlagventil 8, so dass Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 33 über das zweite Rückschlagventil 8 in die Zweigleitung 6 und die Verbindungsleitung 5 strömt. Hierdurch kann das in der Verbindungsleitung 5 vorhandene Wasser aus der Verbindungsleitung entfernt werden. In der Verbindungsleitung 5 und der Zweigleitung 6 befindet sich dann Kraftstoff. Hierbei ist die Abzweigung zwischen der Zweigleitung 6 und der Verbindungsleitung 5 vorzugsweise möglichst nahe am ersten Rückschlagventil 7 angeordnet, um möglichst alles Wasser vollständig aus der Verbindungsleitung 5 ausspülen zu können.
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Wenn die Brennkraftmaschine 1 abgestellt werden soll, erfolgt dies vorzugsweise dann, wenn schon das Wasser aus der Verbindungsleitung 5 durch den oben beschriebenen Vorgang entfernt wurde. Um hier das Wasser aus dem restlichen Wassereinspritzsystem 2 zu entfernen, um ein Gefrieren des Wassers zu vermeiden bzw. um einen Korrosionsschutz zu ermöglichen, wird der Wasserinjektor 23 geöffnet und die Wasserpumpe 21 in umgekehrter Richtung betrieben. Dadurch saugt die Wasserpumpe 21 Wasser aus der Wasserleitung 22 an und fördert Wasser zurück in den Wassertank 20. Hierbei bleibt das erste Rückschlagventil 7 geschlossen. Durch das Öffnen des Wasserinjektors 23 wird die Wasserleitung 22 dabei belüftet. Da, wie schon angedeutet, vorzugsweise die Verbindungsleitung 5 ebenfalls schon von Wasser geleert wurde und sich nur noch Kraftstoff in der Verbindungsleitung 5 befindet, ist somit das Wassereinspritzsystem einfriersicher und die Brennkraftmaschine kann ohne ein Gefrierproblem des Wassers abgestellt werden.
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Zum Start der Brennkraftmaschine wird die Wasserpumpe 21 wieder betrieben und der Wasserinjektor 23 geöffnet. Dadurch kann dann die in der Wasserleitung 22 vorhandene Luft über den Wasserinjektor 23 entweichen. Sobald die gesamte Luft aus der Wasserleitung 22 entfernt ist, wird der Wasserinjektor 23 bevorzugt geschlossen und somit kann wieder mit dem Druckaufbau in der Wasserleitung 22 begonnen werden. Um dann eine Einspritzung von Wasser zu ermöglichen, wird der Druck in der Wasserleitung 22 wieder über den Kraftstoffdruck angehoben, und das Wasserdosierventil 4 geöffnet, so dass der noch in der Verbindungsleitung 5 vorhandene Kraftstoff aus dieser entfernt wird und durch Wasser ersetzt wird. Dann kann wieder mit der Bildung des Wasser-Kraftstoff-Gemischs mittels der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 31 begonnen werden und die Wassereinspritzung entsprechend den jeweiligen Bedingungen fortgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208476 A1 [0002]
