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Stand der Technik
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Grundsätzlich bekannt sind Systeme zur Einspritzung von Wasser in den Brennraum einer Brennkraftmaschine und die damit verbundenen Wirkungen, Klopfneigung und Abgastemperatur zu reduzieren, und somit eine Steigerung der Effizienz der Verbrennung zu ermöglichen.
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In diesem Zusammenhang sind auch Kraftstoffpumpen bekannt, mit einem Pumpengehäuse an dem ein Kraftstoffanschluss zur Zuführung von Kraftstoff vorgesehen ist und an dem separat vom Kraftstoffanschluss ein Wasseranschluss zur Zuführung von Wasser vorgesehen ist und mit einem Auslass zur Ausgabe einer verdichteten Kraftstoff-Wasser-Emulsion; beispielsweise aus der
EP 3 029 301 A1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung wird eine Ausgestaltung der Kraftstoffpumpe angegeben, die es ermöglicht, der Pumpe über den Wasseranschluss zugeführtes Wasser mit hoher Dynamik zu verdichten und weiterzuleiten.
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So kann eine über den Wasseranschluss und die erste Verbindungsbohrung in den mit Kraftstoff gefüllten Niederdruckraum gelangende Wassermenge durch die Mulde zu der zweiten Verbindungsbohrung, weiter zu dem Einlassventil und von dort über den Förderraum zu dem Auslass geführt werden, ohne sich mehr als erwünscht mit dem im Niederdruckraum befindlichen Kraftstoff zu durchmischen. Die Totzeit, die vergeht, bis der Verbrennung in der Brennkraftmaschine tatsächlich Wasser zugeführt wird, ist somit gering.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Verbindungsbohrung außerhalb der Mulde in den Niederdruckraum mündet. Die Mulde kann in diesem Fall relativ klein ausgeführt sein, sie lässt sich also mit geringem Fertigungsaufwand am Pumpenkörper herstellen, beispielsweise durch Zerspanung einbringen.
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Die Mulde kann in diesem Fall beispielsweise nierenförmig ausgebildet sein, wobei die Nierenform sich im Umfangswinkel über weniger als 90° erstreckt.
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Die Nierenform kann beispielsweise in axialer Aufsicht die Form eines Kreisringabschnitts haben. Die in Umfangsrichtung weisenden Enden können dabei abgerundet sein.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Verbindungsbohrung innerhalb der Mulde in den Niederdruckraum mündet. Die Mulde kann in diesem Fall größer ausgeführt sein, beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Mulde in Form eines Kreisringabschnitts (also Nierenform) ausgebildet ist, wobei der Kreisringabschnitt sich im Umfangswinkel über mindestens 90° erstreckt.
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Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass eine über den Wasseranschluss und die erste Verbindungsbohrung in den mit Kraftstoff gefüllten Niederdruckraum gelangende Wassermenge auf kurzem Wege, nämlich im Wesentlichen lediglich direkt durch die Mulde, in die zweite Verbindungsbohrung zu dem Einlassventil und von dort über den Förderraum zu dem Auslass gelangt, ohne sich mehr als erwünscht mit dem im Niederdruckraum befindlichen Kraftstoff zu durchmischen. Die Totzeit, die vergeht, bis der Verbrennung in der Brennkraftmaschine tatsächlich Wasser zugeführt wird, verringert sich auf diese Weise weiter.
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Bei der Kraftstoffpumpe kann es sich beispielsweise um eine Benzin-Hochdruckpumpe handeln, beispielsweise zur Verdichtung eines Kraftstoffs auf 200 bar oder auf 350 bar oder sogar auf noch höhere Drücke.
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Es handelt sich insbesondere um eine Kolbenpumpe. Die Verschiebbarkeit des Kolbens legt insofern eine axiale Richtung im Rahmen der Erfindung fest, sowie eine radiale Richtung senkrecht hierzu, sowie, noch einmal senkrecht zu diesen beiden Richtungen, eine Umfangsrichtung.
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Bei der Brennkraftmaschine kann es sich beispielsweise um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine handeln.
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Bei dem Kraftstoff kann es sich beispielsweise um einen Kraftstoff wie Benzin handeln, also beispielsweise einen Kraftstoff, der in Wasser unlöslich ist und/oder der eine geringere Dichte als Wasser aufweist.
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Bei Wasser kann es sich um destilliertes und/oder entmineralisiertes Wasser handeln. Alternativ kann es sich auch um Flüssigkeiten handeln, in denen Wasser enthalten ist, beispielsweise ein Wasser-Ethanolgemisch und/oder ein Wasser-Methanolgemisch.
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Bei der Zuführung von einer Flüssigkeit (beispielsweise Kraftstoff und/oder Wasser) zu der Kraftstoffpumpe kann es sich um eine fluidisch Verbindung handeln, durch die die Flüssigkeit durch einen Anschlussstutzen in einen Niederdruckraum der Kraftstoffpumpe und weiter über ein Einlassventil in einen Förderraum der Kraftstoffpumpe gelangt.
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Dem Kraftstoffanschluss und dem Wasseranschluss können insbesondere jeweils durch ein stromaufwärts angeordnetes Rückschlagventil oder eine stromaufwärts angeordnete Vorpumpe eine zu der Pumpe hinführende Flussrichtung des betreffenden Mediums zugeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe weist ein Pumpengehäuse mit einem Pumpenkörper auf, an dem ein Wasseranschluss, beispielsweise ein Anschlussstutzen des Wasseranschlusses vorgesehen ist. Der Anschlussstutzen stellt insbesondere eine mit einem Absatz versehene Rohrleitung dar, die insbesondere eine Mündung eines im Inneren des Pumpengehäuses befindlichen Strömungskanals abdeckt und so den Strömungskanal fluidisch fortsetzt.
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Der Anschlussstutzen kann einstückig mit dem Pumpenkörper ausgebildet sein oder an dem Pumpenkörper befestigt sein. Die Befestigung kann dabei eine lösbare Befestigung sein, beispielsweise eine Verschraubung. Andererseits kann der Anschlussstutzen dabei auch unlösbar an dem Pumpenkörper befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe weist ferner einen Kraftstoffanschluss auf, wobei der Wasseranschluss und der Kraftstoffanschluss separat voneinander realisiert sind. Der Pfad, auf dem Wasser über den Wasseranschluss in den Niederdruckraum der Kraftstoffpumpe gelangt, ist also disjunkt von dem Pfad, auf dem Kraftstoff in den Niederdruckraum der Kraftstoffpumpe gelangt. Zusammen mit dem Auslass weist die erfindungsgemäße Pumpe in Summe insbesondere drei fluidische Anschlüsse, beispielsweise drei Anschlussstutzen auf, die beispielsweise alle am Pumpenkörper montiert sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass zwei zweite Verbindungsbohrungen vorgesehen sind, die in axialer Richtung im Pumpenkörper verlaufen und den Niederdruckraum mit dem Einlassventil verbinden. Auf diese Weise können dem Einlassventil große Fluidmengen strömungsgünstig zugeführt werden. Die Leistung der Brennkraftmaschine kann also hoch sein.
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Weiterbildungen der Erfindung legen weitere Mindestdimensionen der Mulde fest, durch die die erfindungsgemäßen Vorteile besonders hervortreten. So kann vorgesehen sein, dass die Mulde in axialer Richtung eine Tiefe aufweist, die nicht kleiner ist als der halbe (oder sogar der volle) Bohrungsradius der ersten und/oder zweiten Verbindungsbohrung. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Mulde in radialer Richtung eine Breite aufweist, die nicht kleiner ist als der doppelte (oder sogar dreifache) Bohrungsradius der ersten und/oder zweiten Verbindungsbohrung.
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Andererseits sollte die Tiefe der Mulde insbesondere kleiner sein als ein Viertel der Höhe des Pumpenkörpers in axialer Richtung.
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Ferner sollte die Mulde in radialer Richtung insbesondere eine Breite aufweisen, die nicht größer ist als ein Viertel der äußeren Radialerstreckung des Pumpenkörpers, also beispielsweise nicht mehr als der halbe Radius eines in axialer Aufsicht runden Pumpenkörpers.
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Auf diese Weise hat die Mulde insbesondere den Charakter eines den Wassertransport leitenden strukturellen Merkmals der Kraftstoffpumpe und des Pumpengehäuses. Es resultieren in besonderem Maße die erfindungsgemäßen Vorteile.
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Die Mulde kann seitlich durch in axiale Richtung verlaufende Wände begrenzt sein. Dies ist einerseits leicht zu fertigen, beispielsweise durch Zerspanung, andererseits resultieren in besonderem Maße die erfindungsgemäßen Vorteile.
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Vorteilhafterweise kann in der ersten Verbindungsbohrung ein Wasserfilter angeordnet werden.
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Vorteilhafterweise kann in dem Niederdruckraum ein Druckdämpfer angeordnet sein.
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Zur beschleunigten Durchleitung einer Kraftstoff-Wasseremulsion durch die Mulde ist bevorzugt, dass die Kraftstoffpumpe mit dem Pumpenkörper nach unten und dem Pumpendeckel nach oben in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine montiert ist, sodass eine über den Wasseranschluss und die erste Verbindungsbohrung in den mit Kraftstoff gefüllten Niederdruckraum gelangende Wassermenge bevorzugt durch die Mulde in die zweite Verbindungsbogen zu dem Einlassventil und von dort über den Förderraum zu dem Auslass gelangt. Die Richtung „unten“ ist hier so festgelegt, dass mit „unten“ die Richtung festgelegt ist, in die die lokale Schwerkraft am Ort der bestimmungsgemäßen Durchführung des Verfahrens zeigt oder zumindest eine in diese Richtung zeigende Komponente aufweist. Mit „oben“ ist die Richtung festgelegt, die der als „unten“ festgelegten Richtung entgegengerichtet ist.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine mit Wasserdirekteinspritzung;
- 2 eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Ansichten;
- 3 eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, über einen Kraftstoffanschluss 20 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt.
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Aus einem Wassertank 60 wird ferner Wasser über eine Wasserpumpe 62, ein Dosierventil 64 und einen Wasseranschluss 70 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt.
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In der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 vermischt sich der Kraftstoff mit dem Wasser zu einer Emulsion, die auf einen hohen Druck verdichtet und über ein Hochdruckrail 32 und einen Hochdruckinjektor 34 einem Brennraum 36 der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wo sie mit über ein Saugrohr 38 zugeführter Luft vermischt und nachfolgend durch einen mit einer Zündkerze erzeugten Funken entzündet wird.
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Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 30 mittels einer Nockenscheibe 31 in axialer Richtung bewegt werden kann.
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Die in der 1 nur schematisch dargestellte Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist nachfolgend im Detail und in verschiedenen Ansichten abgebildet.
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Die 2a, 2b und 2c und 2d zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Außenansicht von schräg oben (2a), in einer Aufsicht und einer perspektivischen Ansicht eines horizontalen Schnitts (2b und 2c) und in der perspektivischen Ansicht eines axialen Schnitts (2d).
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Die beispielhaft gezeigte Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 weist ein Pumpengehäuse 40 auf, das aus einem Pumpenkörper 41 und einem auf diesen beispielsweise unlösbar montierten Pumpendeckel 42 besteht. Im Pumpenkörper 41 ist ein Förderraum 44 ausgebildet, der durch einen im Pumpenkörper in axialer Richtung verschiebbaren Pumpenkolben 30 nach unten begrenzt ist.
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Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 weist ein Einlassventil 46 auf, das zum Förderraum 44 hin öffnet, und weist ein Auslassventil 48 auf, das vom Förderraum 44 weg in Richtung zu dem Auslass 90 hin öffnet. Ferner ist antiparallel zum Auslassventil 48 ein Druckbegrenzungsventil 49 vorgesehen, das den Druck im stromabwärts des Auslassventils 48 gelegenen Bereich auf einen Maximalwert begrenzt.
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Im Beispiel sind der Wasseranschluss 70, der Kraftstoffanschluss 20 und der Auslass 90 als Anschlussstutzen 81, 82, 83 ausgeführt, die radial am Pumpenkörper 41 beispielsweise unlösbar montiert sind. Es ist vorgesehen, dass die drei Anschlussstutzen 81, 82, 83 zueinander weitgehend baugleich sind, allerdings mit der Maßgabe, dass der dem Wasseranschluss 70 zugeordnete Anschlussstutzen 81 einen kleineren kleinsten Durchmesser Dmin aufweist als der dem Kraftstoffanschluss 20 zugeordnete Anschlusssztutzen 82 und der dem Auslass 90 zugeordnete Anschlussstuzen 83.
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Alternativ könnte der Kraftstoffanschluss 20 auch an anderer Stelle am Pumpengehäuse 40, beispielsweise radial oder axial am Pumpendeckel 42 vorgesehen sein. Auch in diesem Fall erfolgt die Zuführung von Kraftstoff zu der Kraftstoffpumpe 28 bzw. zu dem Niederdruckraum 43. Auch in diesem Fall kann ein entsprechender Anschlussstutzen 82 verwendet werden.
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Eine fluidische Verbindung zwischen dem unterhalb des Pumpendeckels 42 angeordneten Niederdruckraum 43 und dem Wasseranschuss 70 ist durch eine in axialer Richtung im Pumpenkörper 41 verlaufende erste Verbindungsbohrung 51 hergestellt. In der ersten Verbindungsbohrung 51 ist überdies ein Wasserfilter 92 angeordnet, der einen Zutritt von Partikeln mit dem zugeführten Wasser in den stromabwärtige Bereich verhindert.
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Eine fluidische Verbindung zwischen dem Niederdruckraum 43 und dem Kraftstoffanschuss 20 ist durch eine in axialer Richtung im Pumpenkörper 41 verlaufende dritte Verbindungsbohrung 35 hergestellt. In der dritten Verbindungsbohrung 35 ist überdies ein Kraftstofffilter 93 angeordnet, der einen Zutritt von Partikeln mit dem zugeführten Kraftstoff in den stromabwärtigen Bereich verhindert.
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Der Wasserfilter 92 und der Kraftstofffilter 93 können baugleich ausgeführt sein.
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Im Niederdruckraum 43 ist ein Druckdämpfer 94 in Form einer Membrandose fixiert, die aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist und auf die hier nicht näher eigegangen wird.
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Eine zweite Verbindungsbohrung 52, die ebenfalls in axialer Richtung im Pumpenkörper 41 verläuft, verbindet den Niederdruckraum 43 mit der Einlassseite des Einlassventils 46. Das Einlassventil 46 ist als Mengensteuerventil 46` ausgebildet und mittels einer seitlich am Pumpenkörper 41 angeordneten Antriebseinheit 461 elektrisch betätigbar. Im vorliegenden Beispiel sind sogar zwei zweite Verbindungsbohrungen 52 vorgesehen, die zueinander fluidisch und geometrisch parallel sind.
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Entsprechend den hydraulischen Druckverhältnissen und entsprechend der Ansteuerung durch die Antriebseinheit 461 öffnet das Einlassventil 46 zum Förderraum 44 hin oder es schließt in die entgegengesetzte Richtung.
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Durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 30 wird das im Förderraum 44 befindliche Medium verdichtet und über das vom Förderraum 44 weg öffnende Auslassventil 48 und den Auslass 90 beispielsweise zu einem Hochdruckrail 32 gefördert. Antiparallel zum Auslassventil 48 ist ein Druckbegrenzungsventil 49 geschaltet, um unzulässig hohen Drücken im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems 10 vorzubeugen.
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Im Beispiel zwei Stufenraumbohrungen 53 verbinden den Niederdruckraum 43 mit einem unterhalb des Pumpenkörpers 41 angeordneten Ausgleichsraum, der auf seiner Unterseite durch einen am Pumpenkörper 41 befestigten Dichtungsträger begrenzt ist.
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Es ist vorgesehen, dass auf der Oberseite des Pumpenkörpers 41, dem Pumpendeckel 42 gegenüberliegend eine nierenförmige Mulde 55 ausgebildet ist, in der die erste Verbindungsbohrung 51 und die zweite Verbindungsbohrung 52 in den Niederdruckraum 43 münden. Die Mulde 55 hat im Beispiel eine Tiefe, die dem Bohrungsradius 54 der ersten Verbindungsbohrung 51 entspricht. Die Mulde 55 erstreckt sich im Beispiel aus axialer Richtung gesehen entlang des Umfangs des Pumpenkörpers 41 über einen Winkel α von 120°.
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Die Nierenform der Mulde 55 beschreibt insbesondere ihre Ausbildung als in axialer Aufsicht gebogen erscheinendes als Sackloch ausgebildetes Langloch.
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Wird über den Wasseranschluss 70 Wasser zugeführt und über den Kraftstoffanschluss 20 Kraftstoff zugeführt, dessen Dichte geringer ist als die Dichte von Wasser und der in Wasser nicht löslich ist, beispielsweise ein Kraftstoff wie Benzin, gelangt über die erste Verbindungsbohrung 51 Wasser in die Mulde 55. Innerhalb der Mulde 55 kommt es zu einer gewissen Durchmischung - es bildet sich beispielsweise eine Emulsion. Diese gelangt - vorrangig eines bereits in dem Niederdruckraum 43 befindlichen Kraftstoffs - direkt zu der zweiten Verbindungsbohrung 52 und von dort über das Einlassventil 46, über den Förderraum 44, über den Auslass 90 und über das Hochdruckrail 32 zu Hochdruckinjektoren 34, die die Emulsion in einen Brennraum 36 einer Brennkraftmaschine direkt einspritzen.
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Durch den Wasseranteil im eingespritzten Medium kann die Effizienz der Verbrennung im Brennraum gesteigert werden und die Entstehung unerwünschter Abgasbestandteile vermindert werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es unterscheidet sich von dem vorangehend gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Mulde 55 kleiner ausgeführt ist, der Winkel α beträgt im Beispiel nur knapp 60°. Es münden auch lediglich die beiden zweiten Verbindungsbohrungen 52 in der Mulde 55 in den Niederdruckraum 43, nicht aber die erste Verbindungsbohrung 51, die neben der Mulde 55 in den Niederdruckraum mündet.
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Wasser, das in diesem Ausführbeispiel in dem Niederdruckraum 43 gelangt, gelangt also erst nachfolgend in die Mulde 55, indem es in diese hinabfließt.
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Hierbei und nachfolgend vermischt es sich mit Kraftstoff, sodass sich wie oben, mit Hinblick auf das erste Ausführungsbeispiel erläutert, eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion bildet, die über die zweiten Verbindungsbohrungen 52 weitertransportiert wird und letztlich die Verbrennung in der Brennkraftmaschine mit Hinblick auf Effizienz und Emissionen verbessert.
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In beiden Ausführungsformen ist es möglich, dass einzelne oder alle Komponenten, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch mit Wasser in Berührung kommen, insbesondere Komponenten innerhalb des Einlassventils 46, des Auslassventils 48, des Druckbegrenzungsventils 49, des Pumpenkolbens 30 und so weiter, aus einem korrosionsbeständigen Stahl bestehen, wobei die Korrosionsbeständigkeit durch Passivierung und/oder Kolsterisierung und/oder sonstige Beschichtung weiter erhöht sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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