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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Wassereinspritzsystem, insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen.
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Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzsystemen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Durch eine Wassereinspritzung können hierbei Abgastemperaturen reduziert werden und eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine im Betrieb vermieden werden. Bekannt sind hierbei separate Wassereinspritzsysteme, wie beispielsweise in der
DE 10 2015 208 476 A1 beschrieben. Die bekannten Wassereinspritzsysteme sind hierbei jedoch häufig sehr komplex und insbesondere teuer in der Herstellung. Ein weiterer Problemkreis bei Wassereinspritzsystemen ist die Gefahr eines Gefrierens des Wassers bei Temperaturen unter 0°C. Hierbei können Komponenten des Wassereinspritzsystems beschädigt werden, falls diese noch mit Wasser gefüllt sind. Weiterhin sollte verhindert werden, dass sich Wasser und Kraftstoff vermischen, beispielsweise aufgrund eines vorhandenen Druckunterschiedes zwischen dem Wasser im Wassereinspritzsystem und dem Kraftstoff im Kraftstoffeinspritzsystem. Insbesondere sollte eine Vermischung im Kraftstofftank bzw. Wassertank vermieden werden, da ansonsten die Vorgaben zur Einspritzung von Wasser und Kraftstoff bei vermischtem Wasser bzw. Kraftstoff nicht eingehalten werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine besonders kostengünstige und einfach aufgebaute Wassereinspritzung möglich ist. Hierbei ist das Wassereinspritzsystem sehr robust aufgebaut und ferner kann eine Vermischung von Wasser und Kraftstoff im Wassertank und im Kraftstofftank sicher vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Kraftstoffinjektor, einer Kraftstoffleitung und einer Kraftstoffpumpe umfasst, sowie ein Wassereinspritzsystem mit einem Wassertank, einer Wasserleitung und einer in der Wasserleitung angeordneten Wasserpumpe umfasst. Das Wassereinspritzsystem ist dabei mit dem Kraftstoffeinspritzsystem in Fluidverbindung. Hierbei führt die Wasserleitung zur Kraftstoffpumpe, so dass Wasser in einen Leitungsabschnitt des Kraftstoffeinspritzsystems zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Kraftstoffinjektor zum Kraftstoff gemischt werden kann. Der Kraftstoffinjektor spritzt dann ein Gemisch von Wasser und Kraftstoff ein.
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Ferner ist in der Wasserleitung und/oder der Kraftstoffleitung ein Rückschlagventil angeordnet. Das Rückschlagventil verhindert dabei eine Rückströmung des Wasser-Kraftstoff-Gemisches in den Wassertank bzw. den Kraftstofftank. Durch das Vorsehen wenigstens eines Rückschlagventils in der Wasserleitung oder der Kraftstoffleitung oder des Vorsehens von zwei Rückschlagventilen, jeweils eines in der Wasserleitung und eines in der Kraftstoffleitung, kann ein derartiges unerwünschtes Zurückströmen vermieden werden. Dadurch bleiben Wasser und Kraftstoff im Wassertank bzw. Kraftstofftank sicher getrennt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist das Rückschlagventil ein federbelastet und druckgesteuertes Rückschlagventil. Dadurch ist das Rückschlagventil ein besonders kostengünstig und einfach aufgebautes Bauteil. Das federbelastete Rückschlagventil wird dabei durch Druckunterschiede vor und nach dem Rückschlagventil geöffnet. Durch die Drucksteuerung muss hierbei kein Steuerbefehl an das Rückschlagventil ergehen. Das Öffnen bzw. Schließen erfolgt automatisch bei Überschreiten bzw. Unterschreiten eines vorbestimmten Druckwertes. Das federbelastete Rückschlagventil ist vorzugsweise hinsichtlich des Druckniveaus, bei welchem das Rückschlagventil öffnet, einstellbar.
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Weiter bevorzugt umfasst das Wassereinspritzsystem ein erstes Rückschlagventil, welches in ein Absperrventil in der Wasserleitung des Wassereinspritzsystems integriert ist. Hierdurch kann eine bauraumsparende Anordnung des Rückschlagventils im Wassereinspritzsystem ermöglicht werden.
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Das Absperrventil ist vorzugsweise ein 2/2-Wegeventil, wobei in einer ersten Stellung eine Absperrung der Wasserleitung ausgeführt ist und in einer zweiten Stellung das Rückschlagventil Wasser nur in Richtung zur Kraftstoffpumpe durchlässt.
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Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem ein zweites Rückschlagventil und eine Niederdruckpumpe. Das zweite Rückschlagventil ist dabei in der Kraftstoffleitung zwischen der Niederdruckpumpe und der Kraftstoffpumpe angeordnet. Dadurch wird ein Rückströmen von Fluid aus dem Bereich der Kraftstoffpumpe in Richtung zur Niederdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems vermieden. Die Kraftstoffpumpe ist dabei vorzugsweise eine sog. Hochdruckpumpe.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoffinjektor direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Hierdurch kann im Betrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff oder bei gewünschter Wassereinspritzung ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor dabei an einem Rail des Kraftstoffeinspritzsystems angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei eine Vielzahl von Kraftstoffinjektoren am Rail angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist die Kraftstoffpumpe derart im Kraftstoffeinspritzsystem angeordnet, dass ein möglichst kleines Volumen zwischen der Kraftstoffpumpe und dem oder den Kraftstoffinjektoren vorhanden ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass nur eine kleine Menge des Wasser-Kraftstoff-Gemischs im Volumen zwischen der Kraftstoffpumpe und den Kraftstoffinjektoren vorhanden ist.
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Die Wasserpumpe des Wassereinspritzsystems ist bevorzugt ferner eingerichtet, eine Förderrichtung umzukehren. Dadurch kann ein Ansaugen von Wasser aus der Wasserleitung ermöglicht werden. Somit kann das Wasser nicht mehr in der Wasserleitung und den in der Wasserleitung eingebauten Komponenten gefrieren und entsprechend treten keine Beschädigungen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser aufgrund von gefrierenden Wassers auf.
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Die Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise ferner eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine nach einem Abstellbefehl zum Anhalten der Brennkraftmaschine solange weiter zu betreiben, bis das in dem Leitungsabschnitt zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Kraftstoffinjektor enthaltende Wasser-Kraftstoff-Gemisch ausgetragen ist und sich nur noch nachgeförderter Kraftstoff im Leitungsabschnitt befindet. Hierbei ist die Steuereinheit ferner bevorzugt eingerichtet, die Wasserpumpe anzuhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass mittels der Kraftstoffpumpe kein zusätzliches Wasser in den Leitungsabschnitt zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Kraftstoffinjektor angesaugt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Wasserleitung ein Dosierventil angeordnet. Das Dosierventil ist eingerichtet, eine Wassermenge entsprechend einem Wassereinspritzbefehl zur Kraftstoffpumpe zu dosieren.
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Die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe wird vorzugsweise mittels einer Steuereinheit ausgeführt, welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Drucks des Fluids im Leitungsabschnitt zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Kraftstoffinjektor die Kraftstoffpumpe zu betreiben.
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Weiter bevorzugt ist die Wasserpumpe in einem Wassertank angeordnet. Hierbei ist besonders bevorzugt ein Absperrventil und die Wasserpumpe in einem Modul zusammengefasst, welches bevorzugt im Wassertank angeordnet ist.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die Brennkraftmaschine 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem 2 und ein Wassereinspritzsystem 3. Das Kraftstoffeinspritzsystem 2 umfasst einen Kraftstofftank 20, eine Kraftstoffleitung 21, eine Niederdruckpumpe 22 und eine Hochdruckpumpe 23. Die Kraftstoffleitung 21 verbindet dabei den Kraftstofftank 20 mit einem Rail 24. Am Rail 24 kann ein Drucksensor 25 angeordnet sein.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, sind am Rail 24 eine Vielzahl von Kraftstoffinjektoren 4 angeordnet. Hierbei spritzt jeder Kraftstoffinjektor 4 unmittelbar in einen Brennraum 5 der Brennkraftmaschine ein. In 1 ist dies nur schematisch für einen der Kraftstoffinjektoren dargestellt.
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Das Wassereinspritzsystem 3 umfasst einen Wassertank 30, eine Wasserleitung 31 und eine Wasserpumpe 32. Die Wasserleitung 31 führt dabei vom Wassertank 30 zur Hochdruckpumpe 23 des Kraftstoffeinspritzsystems. Dadurch kann die Hochdruckpumpe 23 des Kraftstoffeinspritzsystems sowohl Kraftstoff als auch Wasser ansaugen. Somit wird dem Rail 24 und den Kraftstoffinjektoren 4 ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch in Form einer Emulsion zugeführt, welches direkt in den Brennraum 5 eingespritzt werden kann.
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Um eine Dosierung einer einzuspritzenden Wassermenge zu ermöglichen, ist in der Wasserleitung 31 ferner noch ein Dosierventil 7 angeordnet. Das Dosierventil 7 ist dabei eingerichtet, eine Verbindung des Wassereinspritzsystems zur Hochdruckpumpe 23 freizugeben oder zu verschließen und eine einzuspritzende Wassermenge zu dosieren. Wie in 1 gezeigt, ist das Dosierventil 7 zwischen der Wasserpumpe 32 und der Hochdruckpumpe 23 angeordnet.
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Ferner umfasst die Brennkraftmaschine 1 eine Steuereinheit 10, welche eingerichtet ist, die Hochdruckpumpe 23, die Niederdruckpumpe 22 und die Wasserpumpe 32 anzutreiben. Ferner ist die Steuereinheit 10 eingerichtet, das Dosierventil 7 anzusteuern sowie die Kraftstoffinjektoren 4 anzusteuern.
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Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine ein Rückschlagventil 8. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Rückschlagventil 8 in der Wasserleitung 31 angeordnet.
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Ferner ist in der Wasserleitung 31 noch ein Absperrventil 9 angeordnet, um ein vollständiges Absperren bzw. Freigeben der Verbindung zwischen dem Wassertank 30 und der Kraftstoffpumpe 23 bereitzustellen. Das Rückschlagventil 8 ist dabei in der Wasserleitung 31 zwischen dem Absperrventil 9 und dem Dosierventil 7 angeordnet.
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Das Rückschlagventil 8 ist ein federbelastetes, druckgesteuertes Rückschlagventil. Das Rückschlagventil 8 öffnet hierbei, wenn ein Druck im Bereich zwischen dem Absperrventil 9 und dem Rückschlagventil 8 größer ist als ein Druck im Bereich zwischen dem Rückschlagventil 8 und dem Dosierventil 7.
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Das Rückschlagventil 8 ist ein einfaches, kostengünstiges und sehr robustes Bauteil.
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Die Funktion der Brennkraftmaschine 1 ist hierbei wie folgt. Wenn die Brennkraftmaschine betrieben werden soll, ohne dass eine Wassereinspritzung notwendig ist, ist das Dosierventil 7 in der Wasserleitung 31 geschlossen und die Hochdruckpumpe 23 saugt ausschließlich Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 20 an. Ein Vordruck des Kraftstoffs wird durch die Niederdruckpumpe 22 erzeugt. Demnach spritzen die Kraftstoffinjektoren 4 ausschließlich Kraftstoff in die Brennräume 5 der Brennkraftmaschine.
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Wenn eine Einspritzung von Wasser notwendig ist, wird die Wasserpumpe 32 betrieben, so dass ein Druck in der Wasserleitung 31 steigt und vorzugweise höher ist als ein Druck, welcher in einem Leitungsbereich 21a zwischen der Hochdruckpumpe 23 und dem Kraftstoffrail 24 vorhanden ist. Dann kann auf einfache Weise mittels des Dosierventils 7 Wasser in den Leitungsbereich 21a über die Hochdruckpumpe 23 zugeführt werden. Somit ist ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch als Emulsion in dem Leitungsbereich 21a und dem Kraftstoffrail 24 vorhanden und diese Emulsion kann dann über die Kraftstoffinjektoren 4 in die Brennräume 5 eingespritzt werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann somit im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch im Leitungsbereich 21a vorhanden sein. Bei einem sofortigen Abstellen der Brennkraftmaschine wäre es somit möglich, dass Wasser im Leitungsbereich 21a und im Rail 24 bzw. im Bereich der Kraftstoffinjektoren 4 vorhanden ist und die Gefahr eines Gefrierens des Wassers besteht.
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Im Betrieb verhindert das Rückschlagventil 8 nun, dass beispielsweise bei einem Abstellen der Kraftstoffpumpe 23 ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch aus einem Leitungsbereich 21a zwischen der Kraftstoffpumpe 23 und dem Rail 24 zurück in Richtung des Wassertanks 30 strömt. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist hierbei zwischen dem Rückschlagventil 8 und der Kraftstoffpumpe 23 noch das Dosierventil 7 angeordnet. Allerdings ist es möglich, dass das Dosierventil 7 defekt ist, beispielsweise wenn das Dosierventil in der offenen Stellung verklemmt ist. Dann wäre es ohne das Rückschlagventil 8 möglich, dass ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch aufgrund des hohen Druckniveaus im Leitungsbereich 21a ohne das Rückschlagventil 8 in die Wasserleitung 31 und zurück in den Wassertank 30 strömen würde. Hierdurch würde sich im Wassertank 30 ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch ansammeln. Dadurch kann jedoch nicht mehr sichergestellt werden, dass exakt die vorbestimmte Menge an Wasser über das Wassereinspritzsystem zur Kraftstoffpumpe 23 geführt wird, da hierbei immer ein gewisser Anteil von Kraftstoff enthalten wäre.
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Somit kann erfindungsgemäß sicher verhindert werden, dass ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch aus dem Leitungsabschnitt 21a in den Wassertank 30 gelangt. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung insbesondere hinsichtlich des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine deutlich verbessert und vorgegebene Grenzwerte von Abgasbestandteilen können eingehalten werden.
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Wie aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, ist der Aufbau des Kraftstoffeinspritzsystems 2 sehr robust. Ferner kann das Wassereinspritzsystem 3 mit einer sehr geringen Anzahl von Bauteilen bereitgestellt werden, so dass das Wassereinspritzsystem 3 einfach und kostengünstig bereitstellbar ist.
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2 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Rückschlagventil 8 in das Absperrventil 9 integriert. Das Absperrventil 9 weist hierbei zwei Stellungen auf, nämlich die in 2 gezeigte geschlossene Stellung, in welcher eine Verbindung zwischen dem Wassertank 30 und der Kraftstoffpumpe 23 unterbrochen ist und eine geöffnete Stellung, wobei in der geöffneten Stellung das Rückschlagventil eine Fluidverbindung ausgehend von der Kraftstoffpumpe in Richtung zum Wassertank 30 verhindert. Durch diesen Aufbau im zweiten Ausführungsbeispiel kann ein besonders kompakter und platzsparender Aufbau erreicht werden. Das Rückschlagventil 8 ist in das Absperrventil 9 integriert und benötigt keinen separaten Bauraum.
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3 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist beim dritten Ausführungsbeispiel ein Rückschlagventil 8 in einer Kraftstoffleitung 21 angeordnet. Hierbei verhindert das Rückschlagventil 8 ein Rückströmen von Fluid, ausgehend von der Hochdruckpumpe 23 in Richtung zum Kraftstofftank 20. Dadurch kann im Betrieb verhindert werden, dass ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine im Leitungsbereich 21a vorhanden sein kann, in Richtung zurück zum Kraftstofftank 20 strömen kann. Dies ist insbesondere deshalb theoretisch möglich, da ein Druckniveau im Leitungsbereich 21a im Vergleich zum Druckniveau der restlichen Kraftstoffleitung 21 sehr hoch ist. Somit kann im Kraftstofftank 20 eine Vermischung des Kraftstoffs mit Wasser verhindert werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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4 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind beim vierten Ausführungsbeispiel zwei Rückschlagventile vorgesehen. Hierbei ist ein erstes Rückschlagventil 81 in der Wasserleitung 31 angeordnet und ein zweites Rückschlagventil 82 ist in der Kraftstoffleitung 21 angeordnet. Durch die Anordnung von zwei Rückschlagventilen kann somit verhindert werden, dass das Wasser-Kraftstoff-Gemisch aus dem Leitungsbereich 21 in den Wassertank 20 oder den Kraftstofftank 30 zurückströmt, falls die Brennkraftmaschine abgestellt wird.
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5 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie beim vierten Ausführungsbeispiel umfasst das fünfte Ausführungsbeispiel ebenfalls ein erstes Rückschlagventil 81 und ein zweites Rückschlagventil 82. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist das erste Rückschlagventil 81 dabei in das Absperrventil 9 integriert. Hierdurch kann in der Offenstellung des Absperrventils vermieden werden, dass Kraftstoff ausgehend von der Kraftstoffpumpe 23 in Richtung zum Wassertank 30 strömt. Das zweite Rückschlagventil 82 ist hierbei wie im dritten Ausführungsbeispiel von 3 in der Kraftstoffleitung 21 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208476 A1 [0002]
