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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die Wassereinspritzvorrichtung umfasst wenigstens einen Wassertank zum Speichern von Wasser, wenigstens zwei Wasserinjektoren zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine, wenigstens ein Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in die Wasserinjektoren, wobei das Förderelement durch wenigstens eine erste Leitung mit dem Wassertank verbunden ist, wobei das Förderelement durch wenigstens eine zweite Leitung mit den Wasserinjektoren verbunden ist, wobei die Wassereinspritzvorrichtung weiterhin wenigstens einen Verteiler zum Verteilen des Wassers aus der zweiten Leitung auf die Wasserinjektoren umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Verteiler wenigstens eine Heizvorrichtung zum Heizen von durch den Verteiler fließendem Wasser oder im Verteiler verbliebenen gefrorenen Restwasser.
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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 Wasser in dem Verteiler der Wassereinspritzvorrichtung durch die Heizvorrichtung des Verteilers aufgeheizt werden kann. So kann die Wassereinspritzvorrichtung auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts betrieben werden. Auch kann, beispielsweise im Falle des Betreibens des Kraftfahrzeugs nach längeren Abstellphasen, in der Wassereinspritzvorrichtung gefrorenes Wasser schnell wieder aufgetaut werden. Die Heizvorrichtung des Verteilers, die den Verteiler heizt, kann Wärme besonders gut an eventuell gefrorenes Wasser oder Restwasser im Verteiler abgeben und dieses auftauen. Des Weiteren kann die Wärme gut an das flüssige Wasser der Wassereinspritzvorrichtung übertragen werden, da das Wasser vor dem Einspritzen in die Brennkraftmaschine durch den Verteiler fließt und der Verteiler im Vergleich zu anderen Elementen der Wassereinspritzvorrichtung große Kontaktoberflächen zu Wasser aufweist. Durch diese großen Kontaktoberflächen kann Wärme von der Heizvorrichtung vorteilhaft gut und effizient an das durch den Verteiler fließende Wasser abgegeben werden und das Wasser somit vorteilhaft gut erwärmt werden. Im Vergleich zur Erwärmung des Wassers in der Wassereinspritzvorrichtung an anderen Elementen der Wassereinspritzvorrichtung wird die Wärme durch das die Heizvorrichtung des Verteilers besonders gut und effizient an das Wasser in der Wassereinspritzung übertragen.
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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 vorgesehen, dass der Verteiler derart an die Brennkraftmaschine angebunden ist, dass die Heizvorrichtung als thermischer Kontakt von der Brennkraftmaschine zum Verteiler ausgebildet ist. Somit wird vorteilhaft die Abwärme der Brennkraftmaschine zum Heizen des Verteilers verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass auf weitere Elemente zur Heizung beispielsweise auch verzichtet werden kann und die Erwärmung des Wassers in der Wassereinspritzung, beispielsweise auch ausschließlich durch die Abwärme der Brennkraftmaschine erfolgen kann. So kann z.B. mittels eines Blechs die Wärme von einem Motorblock der Brennkraftmaschine an den Verteiler weitergegeben werden, oder eine Befestigung des Verteilers selbst wird wärmeleitend ausgeführt, beispielsweise durch Verwendung einer Blechschelle. Alternativ kann der Verteiler auch auf der dem Abgaskrümmer abgewandten Seite eines Hitzeblechs befestigt werden. So kann einerseits sichergestellt werden, dass das Filterelement nicht zu stark durch Strahlungswärme aufgeheizt wird, andererseits wird durch das Hitzeblech Wärme an den Verteiler übertragen.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als elektrische Heizung ausgebildet ist. So kann der Verteiler besonders gut und vorteilhaft auch unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine geheizt werden, was beispielsweise auch in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geschehen kann. Die elektrische Heizung kann entweder in den Verteiler integriert werden, beispielsweise durch einen Heizstab oder eine Heizmatte, oder von außen an dem Verteiler angebracht sein, beispielsweise durch eine elektrische Heizmatte.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung ein PTC-Heizelement umfasst.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass der Verteiler zumindest teilweise aus Metall ausgebildet ist.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass der Verteiler zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung eine Polymerheizung umfasst, wobei die Polymerheizung aus einem Polymer mit leitfähigen Füllstoffen ausgebildet ist.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass der Verteiler ein aus Metall ausgebildetes Basisteil umfasst, wobei das Basisteil von dem Polymer der Polymerheizung umspritzt ist.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als hydraulische Heizung, insbesondere als Wärmetauscher, ausgebildet ist. Durch eine hydraulische Heizung des Verteilers kann bereits vorhandene Wärme in dem Kraftfahrzeug auf den Verteiler übertragen werden und somit beispielsweise auch auf eine externe Heizung verzichtet werden.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die als hydraulische Heizung ausgebildete Heizvorrichtung an einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Somit wird vorteilhaft die Abwärme der Brennkraftmaschine zum Heizen des Verteilers verwendet. Beispielsweise kann die hydraulische Heizung als mäanderförmige Rohrleitung innerhalb des Verteilers oder am Verteiler ausgebildet sein, durch die ein Teilstrom des Motorkühlwassers geleitet wird.
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Dieser Teilstrom gibt dann die Wärme an das Wasser im Verteiler ab. Dies hat den Vorteil, dass auf weitere Elemente zur Heizung verzichtet werden kann und die Erwärmung des Wassers in der Wassereinspritzung, ausschließlich durch die Abwärme der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
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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 Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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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.
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Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst wenigstens zwei Wasserinjektoren 6. Die Wasserinjektoren 6 sind an Einlasskanälen 22 angeordnet. Die Wasserinjektoren 6 spritzen Wasser in die Einlasskanäle 22 der Brennkraftmaschine 2 ein. Die Wasserinjektoren 6 werden 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 6 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 sind an einem Verteiler 9, der Wasser auf die Wasserinjektoren 6 verteilt, angeschlossen. Der Verteiler 9 wird auch Rail genannt. Der Verteiler 9 ist beispielsweise rohrförmig und weist entlang seiner Längserstreckung Injektortassen auf, in die die Wasserinjektoren 6 eingesetzt sind. 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 Förderelement 3 verbindet. Weiterhin umfasst die Leitung 7, 8 eine zweite Leitung 8, die das Förderelement 3 mit dem Wasserinjektor 6 verbindet.
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Das Förderelement 3 kann beispielsweise als Pumpe ausgebildet sein. Das Förderelement 3 ist beispielsweise in ein 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 Förderelement 3 und über eine Rückleitung 42 wieder zurück in den Wassertank 5 fördern.
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Das Förderelement 3 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 Förderelement 3 verbunden. Weiterhin ist das Förderelement 3 durch die zweite Leitung 8 mit den Wasserinjektoren 6 verbunden. Wasser aus dem Wassertank 5 kann somit über die erste Leitung 7 zu dem Förderelement 3 weiter durch die zweite Leitung 8 zu den Wasserinjektoren 6 gefördert werden.
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Die Wasserinjektoren 6 spritzen das Wasser dann in eine Brennkraftmaschine 2 ein. Das Wasser kann dabei beispielsweise, wie in 1 dargestellt, in den Einlasskanal 22 eingespritzt werden.
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Wie in 2 dargestellt, kann die Wassereinspritzvorrichtung 1 weiterhin wenigstens ein Filterelement 50 umfassen. Das Filterelement 50 ist zur Filterung des Wassers in der Wassereinspritzvorrichtung 1 vorgesehen. Bei der Filterung des Wassers durchläuft das Wasser das Filterelement 50. Das Filterelement 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel in der zweiten Leitung 8 angeordnet. Somit durchläuft das Wasser beim Durchlaufen der zweiten Leitung 8 das Filterelement 50 und wird in diesem gefiltert.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist außer dem Filterelement 50 in der zweiten Leitung 8 noch ein weiteres Filterelement 51 in der ersten Leitung 7 vorgesehen. Das weitere Filterelement 51 dient als Vorfilter, in dem das Wasser vorgefiltert wird bevor es das Filterelement 50, das als Hauptfilter dient, erreicht.
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Weiterhin kann die Wassereinspritzvorrichtung 1, wie in diesem Ausführungsbeispiel, eine Rückleitung 42 umfassen. Durch die Rückleitung 42 ist die zweite Leitung 8 mit dem Wassertank 5 verbunden. Wasser kann somit über die erste Leitung 7 dem Förderelement 3 zugeführt werden und über die zweite Leitung 8 und die Rückleitung 42 wieder in den Wassertank 5 zurückgeführt werden. In der Rückleitung 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Blende 33 und ein Rückschlagventil 34 angeordnet. Weiterhin ist in der Wassereinspritzvorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel in der zweiten Leitung 8 ein Drucksensor 35 vorgesehen.
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Der Verteiler 9 wird von einer Heizvorrichtung 55 geheizt. Die Heizvorrichtung 55 ist in 2 schematisch dargestellt. Die Heizvorrichtung 55 ist zum Heizen von Wasser, das den Verteiler 9 durchfließt oder das sich, beispielsweise in gefrorenem Zustand, in dem Verteiler 9 befindet, vorgesehen. Die Heizvorrichtung 55 dient dazu, gefrorenes Wasser im Verteiler 9 bei niedriger Umgebungstemperatur unter 0° Celsius aufzutauen und somit die Betriebsbereitschaft des Verteilers 9 zu ermöglichen. Weiterhin wird der Verteiler 9 innen in den wasserführenden Bereichen auf eine Temperatur über 0° Celsius erwärmt, so dass durch den Verteiler 9 fließendes Wasser im Betrieb nicht einfrieren kann.
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Die Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise als elektrische Heizvorrichtung und/oder als hydraulische Heizvorrichtung ausgebildet sein. Die Heizvorrichtung 55 ist mit dem Verteiler 9 thermisch leitend verbunden. Dazu können beispielsweise in den schematischen Figuren nicht dargestellte thermisch leitende Bauelemente die Heizvorrichtung 55 mit dem Verteiler 9 thermisch leitend verbinden.
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Die Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise auch als thermischer Kontakt von der Brennkraftmaschine 2 zum Verteiler 9 ausgebildet sein. Dabei ist Verteiler 9 derart an der Brennkraftmaschine 2 angeordnet, dass Wärme von der Brennkraftmaschine 2 auf den Verteiler 9 übertragen wird. Der thermische Kontakt zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Verteiler 9 bildet somit die Heizvorrichtung 55. Dazu können beispielsweise in den schematischen Figuren nicht dargestellte thermisch leitende Bauelemente die Brennkraftmaschine 2 mit dem Verteiler 9 thermisch leitend verbinden und somit die Heizvorrichtung 55 bilden. So kann beispielsweise mittels eines Blechs die Wärme von einem Motorblock der Brennkraftmaschine an den Verteiler 9 weitergegeben werden, oder eine Befestigung des Verteilers 9 selbst wird wärmeleitend ausgeführt, beispielsweise durch Verwendung einer Blechschelle. Alternativ kann der Verteiler 9 auch auf der dem Abgaskrümmer abgewandten Seite eines Hitzeblechs befestigt werden. So kann einerseits sichergestellt werden, dass der Verteiler 9 nicht zu stark durch Strahlungswärme aufgeheizt wird, andererseits wird durch das Hitzeblech Wärme an den Verteiler 9 übertragen.
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Die Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise auch ein PTC-Heizelement umfassen. PTC-Heizelemente (Positive Temperature Coefficient Elemente) sind keramische Kaltleiter, also temperaturabhängige Widerstandsbauelemente. PTC-Heizelemente weisen als wesentliche Eigenschaft einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und leiten bei tiefen Temperaturen elektrischen Strom besser als bei hohen Temperaturen.
Sie bestehen beispielsweise aus dotierten, polykristallinen keramischen Werkstoffen beispielsweise auf Grundlage von Bariumtitanat. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich der PTC-Widerstand, wodurch die Stromleitfähigkeit und damit die Leistungsabgabe sinkt. Mit abnehmender Temperatur sinkt der Widerstand, die Stromleitfähigkeit und die Leistungsabgabe steigt. Durch diesen integrierten Temperaturbegrenzungseffekt verfügen die PTC-Heizelemente über eine hohe Betriebssicherheit. Bei entsprechender Auslegung ist eine selbsttätige Regelung der PTC-Heizelemente möglich.
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Die Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise auch als elektrische Heizung ausgebildet sein. So kann die Heizvorrichtung 55 beispielsweise in dem Verteiler 9 integriert werden, beispielsweise durch einen elektrischen Heizstab oder eine elektrische Heizmatte, oder von außen an dem Verteiler 9 angebracht sein, beispielsweise durch eine elektrische Heizmatte.
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Der Verteiler 9 kann beispielsweise zumindest teilweise aus Metall ausgebildet sein. Durch das Metall kann Wärme von der Heizvorrichtung 55 vorteilhaft gut an das Wasser in dem Verteiler 9 geleitet werden. Ist die Heizvorrichtung 55 als PTC-HeizHeizelement ausgebildet, so kann ein oder mehrere Standard-PTC-Heizelemente an dem Metallrail angebracht sein und die von dem PTC-Heizelementen erzeugte Wärme kann vorteilhaft gut über das Metall an das Wasser in dem Verteiler 9 weitergeleitet werden.
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Der Verteiler 9 kann beispielsweise auch zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet sein. PTC-Heizelemente können mit entsprechender Geometrie und/oder zusätzlichen Wärmeleitern, beispielsweise integrierten Wärmeleitblechen, auch an einen Verteiler 9 aus Kunststoff angebunden werden.
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Die Heizvorrichtung 55 kann, weise auch eine Polymerheizung umfassen. Die Polymerheizung ist dabei beispielsweise aus einem Polymer mit leitfähigen Füllstoffen ausgebildet. Ist der Verteiler dabei beispielsweise zumindest teilweise aus Metall ausgebildet, umfasst also beispielsweise ein aus Metall ausgebildetes Basisteil, so kann dieses Basisteil beispielsweise von dem Polymer der Polymerheizung umspritzt sein und somit die von der Polymerheizung erzeugte Wärme über das wärmeleitfähige Metall des Verteilers 9 an das Wasser in dem Verteiler 9 geleitet werden. Eine als Polymerheizung ausgebildete Heizvorrichtung 55 kann aber auch an einen Verteiler 9 aus Kunststoff angebracht werden, sodass der gesamte Verteiler 9 aus Kunststoff besteht.
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Weiterhin kann der Heizvorrichtung 55 des Verteilers 9 beispielsweise hydraulische Heizung ausgebildet sein. So kann die Heizvorrichtung 55 beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Die als Wärmetauscher ausgebildete Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise in den Verteiler 99 integriert sein oder mit zusätzlichen Leitungen mit Anschlüssen von außen an den Verteiler 9 angebracht sein. Dabei kann der Wärmetauscher einen Verteiler 9 aus Metall und/oder Kunststoff Reizen und somit auftauen. Die als hydraulische Heizung ausgebildete Heizvorrichtung 55 kann beispielsweise an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen 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]
