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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine.
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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 vorgesehen, 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 eines Förderelements, beispielsweise mittels einer Pumpe, über einen Verteiler zu Wasserinjektoren befördert werden. Durch die Wasserinjektoren wird das Wasser dann beispielsweise in ein Saugrohr oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dazu kann, wie bei Einspritzsystemen für Brennstoff, der Verteiler dazu vorgesehen sein, Wasser zu speichern und auf mehrere Wasserinjektoren zu verteilen.
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Zwischen den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, bei denen das Wassereinspritzsystem aktiviert wird, ist die zum Fördern des Wassers benutzte Pumpe abgeschaltet. Das heißt, dass das Wasser in den Wasserinjektoren und den Leitungen des Wassereinspritzsystems steht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Wassereinspritzvorrichtung umfasst wenigstens einen Wassertank zum Speichern von Wasser, wenigstens einen Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine, wenigstens ein Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in den Wasserinjektor, wobei das Förderelement fluidisch mit dem Wassertank verbunden ist und fluidisch mit einem Verteiler verbunden ist, an dem der Wasserinjektor angeschlossen ist. Erfindungsgemäß umfasst die Wassereinspritzvorrichtung weiterhin einen Luftspeicher zur Speicherung von Luft aus dem Verteiler, wobei der Luftspeicher mit dem Verteiler fluidisch verbunden ist, so dass Luft aus dem Verteiler in den Luftspeicher fließen kann, wobei der Verteiler zwischen dem Förderelement und dem Luftspeicher angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs den Vorteil auf, dass durch den Luftspeicher am Verteiler (Rail) beim ersten Druckaufbau in der Wassereinspritzvorrichtung Luft aus dem Verteiler in den Luftspeicher geschoben werden kann. Diese Luft kann in dem Druckspeicher komprimiert werden. Der Druckspeicher stellt somit in der Wassereinspritzvorrichtung einen Raum zur Verfügung, der der Aufnahme der Luft aus dem Verteiler und weiteren Komponenten der Wassereinspirtzvorrichtung, wie beispielsweise der Leitungen, dienen kann.
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Der erste Druckaufbau in der Wassereinspirtzvorrichtung findet beispielsweise beim ersten Betreiben des Förderelements statt, wenn Wasser aus dem Wassertank in den Verteiler und die Wasserinjektoren gefördert wird. Beim Füllen des Verteilers und der Wasserinjektoren mit Wasser wird die Luft durch das Wasser aus dem Verteiler und den Wasserinjektoren verdrängt und in den Luftspeicher geschoben. Startet nun der Einspritzbetrieb ist die Luft vorteilhaft aus dem Verteiler und den Wasserinjektoren verdrängt und Wasser kann ohne Luftblasen in die Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Ein zeitaufwändiges Austragen der Luft aus dem Verteiler durch die Wasserinjektoren ist damit nicht mehr nötig, bei dem sonst Wasser ungenutzt in den Motor eingebracht wird.
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Somit wird insgesamt das Befüllen des Verteilers und der Wasserinjektoren in der Wassereinspritzvorrichtung beschleunigt und es wird eine schnelle Betriebsbereitschaft des Wassereinspritzsystems sichergestellt. Weiterhin werden Luftblasen bei der Einspritzung vermieden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung ergibt sich beim Leersaugen der Wasserinjektoren und des Verteilers beim Abstellen der Wassereinspritzvorrichtung bzw. der Brennkraftmaschine. Beim Abstellen der Wassereinspritzvorrichtung wird das Wasser aus den Wasserinjektoren und dem Verteiler zurück in den Wassertank gesaugt. Dabei unterstützt die in dem Luftspeicher gespeicherte Luft den Absaugvorgang indem sich die Luft wieder aus dem Luftspeicher heraus zurück in den Verteiler und die Wasserinjektoren ausbreitet und dabei das Wasser in dem Verteiler und den Wasserinjektoren verdrängt.
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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 einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Wassereinspritzvorrichtung ein Luftabsperrelement umfasst, das zwischen dem Verteiler und dem Luftspeicher angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, eine Verbindung zwischen dem Luftspeicher und dem Verteiler zu unterbrechen oder freizugeben. So kann das Luftabsperrelement geschlossen werden, nachdem die Luft aus dem Verteiler in den Luftspeicher geschoben wurde. So wird die Luft durch das geschlossene Luftabsperrelement in dem Luftspeicher eingeschlossen und von dem Verteiler abgetrennt. Die Luft im Luftspeicher kann somit nicht mehr in den Verteiler zurückfließen. Während des Betriebs der Wassereinspritzvorrichtung, d.h. während Wasser in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird, kann somit verhindert werden, dass Luftbläschen durch die Wasserinjektoren zusammen mit dem Wasser in die Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Ist die in dem Luftspeicher komprimierte Luft durch das geschlossene Luftabsperrelement vom Verteiler abtrennt, so ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass eine hohe Druckdynamik beim Druckaufbau nach Abschaltphasen des Systems sichergestellt wird. Dies wird ermöglicht, da die Luft bei geschlossenem Luftabsperrelement nicht mehr als elastische Feder im System wirken kann, so wie das bei offenem Luftabsperrelement der Fall ist, wenn die Luft beim Befüllen des Verteilers komprimiert werden muss.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Luftabsperrelement als elektrisch aktuiertes Luftabsperrelement ausgebildet ist, das von einem Steuergerät angesteuert wird. So kann das Luftabsperrelement je nach Betriebspunkt der Wassereinspritzvorrichtung geöffnet und geschlossen werden und damit beispielsweise mit dem Förderelement und den Wasserinjektoren abgestimmt betrieben werden. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Luftabsperrelement als elektrisch aktuiertes stromlos geschlossenes Luftabsperrelement ausgebildet ist. Ein so ausgebildetes Luftabsperrelement muss nur während der Befüllung des Verteilers mit Wasser und der Entleerung des Verteilers aktiv angesteuert und damit geöffnet werden. Während des übrigen Fahrzyklus bleibt das Luftabsperrelement stromlos und damit geschlossen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Verteiler länglich mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende ausgebildet ist, wobei die zweite Leitung in dem ersten Ende des Verteilers in den Verteiler mündet und der Luftspeicher an dem zweiten Ende des Verteilers fluidisch mit dem Verteiler verbunden ist. In einer derart ausgebildeten Wassereinspritzvorrichtung kann beim Befüllen des Verteilers durch das Wasser, das vom Förderelement durch die zweite Leitung zum Verteiler gefördert wird, am ersten Ende des Verteilers Druck aufgebaut werden. Das Wasser und der erzeugte Druck am ersten Ende des Verteilers drücken die Luft im Verteiler in Richtung des zweiten Endes des Verteilers. Dort kann die Luft in den Luftspeicher entweichen und wird in diesem komprimiert.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Luftspeicher über eine Verbindungsleitung mit dem Verteiler fluidisch verbunden ist. Dies stellt einen besonders einfachen Aufbau der Wassereinspritzvorrichtung dar.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Wassereinspritzvorrichtung neben dem Verteiler einen weiteren Verteiler umfasst, wobei an jedem der Verteiler Wasserinjektoren angeordnet sind, wobei sich die beiden Verteiler einen gemeinsamen Luftspeicher teilen. Dies ist insbesondere für V-Motoren vorteilhaft, für die die zwei Verteiler für je eine der zwei Zylinderbänke vorgesehen sind. Die beiden Verteiler der Wassereinspritzvorrichtung können vorteilhaft mit einem gemeinsamen Luftspeicher und einem gemeinsamen Luftabsperrelement verbunden sein, so dass die Luft aus beiden Verteilern in dem gemeinsamen Luftspeicher komprimiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform mit zwei Verteilern, beispielsweise für V-Motoren, kann für jeden der zwei Verteiler ein einzelner Luftspeicher mit beispielsweise auch jeweils einem einzelnen Luftabsperrelement vorgesehen sein. Dies kann hinsichtlich des Bauraums vorteilhaft sein.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Wasser. Dabei werden die in Bezug auf die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung erhaltenen Vorteile ebenfalls erhalten. Besonders bevorzugt wird die Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip und mit Benzin betrieben. Als eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung von Benzin bzw. Benzin-Luft-Gemisch durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt.
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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, wenigstens einen Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine, wenigstens ein Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in den Wasserinjektor, wobei das Förderelement fluidisch mit dem Wassertank verbunden ist und fluidisch mit einem Verteiler verbunden ist, an dem der Wasserinjektor angeschlossen ist. Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung einen Luftspeicher zur Speicherung von Luft aus dem Verteiler, der mit dem Verteiler fluidisch verbunden ist, so dass Luft aus dem Verteiler in den Luftspeicher fließen kann, wobei der Verteiler zwischen dem Förderelement und dem Luftspeicher angeordnet ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Befüllen. In dem Schritt zum Befüllen wird das Förderelement in einer Förderrichtung betrieben um Wasser aus dem Wassertank durch das Förderelement in den Verteiler zu pumpen, wobei währenddessen ein Luftabsperrelement, das zwischen dem Verteiler und dem Luftspeicher angeordnet ist, geöffnet ist, so dass Luft aus dem Verteiler in den Luftspeicher strömt. Somit kann die Luft, die sich in dem Verteiler oder anderen Komponenten der Wassereinspritzvorrichtung befindet, durch das Wasser aus dem Verteiler und den Wasserinjektoren heraus in den Luftspeicher hinein verdrängt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Einspritzen umfasst. In dem Schritt zum Einspritzen wird Wasser durch den Wasserinjektor in die Brennkraftmaschine eingespritzt. Gleichzeitig ist in dem Schritt zum Einspritzen das Luftabsperrelement geschlossen und damit der Luftspeicher von dem Verteiler abgetrennt. So kann ein Zurückfließen der in dem Luftspeicher gespeicherten und komprimierten Luft in den Verteiler und den Wasserinjektor vorteilhaft vermieden werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Verfahren einen weiteren Schritt zum Entleeren umfasst. In dem Schritt zum Entleeren wird das Förderelement in einer Rückförderrichtung betrieben um Wasser aus dem Verteiler in den Wassertank zu fördern. In dem Schritt zum Entleeren wird gleichzeitig das Luftabsperrelement geöffnet und es fließt Luft aus dem Luftspeicher in den Verteiler. Die vorher in dem Luftspeicher komprimierte Luft kann somit wieder expandieren und Wasser aus dem Verteiler und dem Wasserinjektor verdrängen. Somit wird durch die Luft aus dem Luftspeicher die Entleerung des Verteilers und der Wasserinjektoren vorteilhaft unterstützt.
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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 stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem Wasserinjektor einer Wassereinspritzvorrichtung,
- 2 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Wassereinspritzvorrichtung 1 einer Brennkraftmaschine 2 im Detail gemäß einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 2 beschrieben. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben.
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In 1 ist die Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt, welche eine Vielzahl von Zylindern aufweist, sowie ein Teil der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung 1. 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 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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Am Einlasskanal 22 ist ferner ein Wasserinjektor 6 angeordnet, welcher über eine in den Figuren nicht dargestellte Steuereinheit gesteuert wird und Wasser in den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wasserinjektor 6 pro Zylinder vorgesehen. Alternativ können zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge beispielsweise auch zwei Wasserinjektoren 6 pro Zylinder angeordnet sein. Die Wasserinjektoren 6 sind Teil der in 2 dargestellten Wassereinspritzvorrichtung 1.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wassereinspritzvorrichtung 1. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 weist ein als Pumpe ausgebildetes Förderelement 3 auf. Des Weiteren umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 einen Wassertank 5. Der Wassertank 5 ist fluidisch mit dem Förderelement 3 verbunden. Der Wassertank 5 kann beispielsweise durch eine erste Leitung 7 mit dem Förderelement 3 fluidisch verbundensein. Das Förderelement 3 kann aber beispielsweise auch im Wassertank 5 verbaut sein und beispielsweise als Tauchpumpe ausgebildet sein. Das Förderelement 3 ist weiterhin fluidisch mit einem Verteiler 9 bzw. einen Rail verbunden, an dem eine Vielzahl an Wasserinjektoren 6 angeschlossen ist. Das Förderelement 3 kann beispielsweise über eine zweite Leitung 8 fluidisch mit einem Verteiler 9 verbunden sein. Der elektrische Antrieb des Förderelements 3 wird über eine Steuereinheit gesteuert.
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Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel einen Luftspeicher 14. Der Luftspeicher 14 ist dabei fluidisch mit dem Verteiler 9 und somit auch mit den Wasserinjektoren 6 verbunden. Der Luftspeicher 14 kann dabei direkt an dem Verteiler 9 angeordnet sein aber beispielsweise auch, wie in 2 dargestellt, über eine Verbindungsleitung 12 mit dem Verteiler 9 verbunden sein. So kann der Luftspeicher 14 Luft direkt aus dem Verteiler 9 aufnehmen. Der Luftspeicher 14 ist dazu ausgebildet Luft aus dem Verteiler 9 aufzunehmen und zu speichern. So kann Luft aus dem Verteiler 9 über die fluidische Verbindung zwischen Verteiler 9 und Luftspeicher 14 vom Verteiler 9 in den Luftspeicher 14 fließen und auch wieder von dem Luftspeicher 14 in den Verteiler 9 zurückfließen.
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In dem Luftspeicher 14 wird bei der Aufnahme von Luft Druck aufgebaut. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem durch das Förderelement 3 Wasser aus dem Wassertank 5 zu den Wasserinjektoren 6 gefördert wird und dabei Luft aus dem Verteiler 9 und den Wasserinjektoren 6 in den Luftspeicher 14 hinein verdrängt wird. Der Druck kann zumindest teilweise im Luftspeicher 14 gespeichert werden. Dies kann beispielsweise durch Komprimieren der Luft im Luftspeicher 14 erfolgen. Der Luftspeicher 14 kann aber auch beispielsweise als Hydraulikspeicher ausgebildet sein. Der Luftspeicher 14 kann beispielsweise als Hydraulikspeicher mit einem Gas als kompressibles Medium ausgebildet sein oder auch beispielsweise ein Federelement umfassen, die bei Aufnahme von Luft in den Luftspeicher 14 vorgespannt werden. Unter einem Hydraulikspeicher wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein Luftspeicher verstanden, in dem ein Medium, in diesem Fall Luft, unter Druck gehalten wird, wobei der Druck von einer externen Quelle angelegt wird. Der Druck des Mediums komprimiert die externe Quelle. Die externe Quelle kann beispielsweise ein Federelement oder ein Gas sein und wird durch den Druck des Medium, in diesem Fall der Luft, komprimiert.
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Wie in 2 dargestellt umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 weiterhin ein Luftabsperrelement 13. Das Luftabsperrelement 13 ist zwischen dem Verteiler 9 und dem Luftspeicher 14 angeordnet. Das Luftabsperrelement 13 ist dazu ausgebildet, die fluidische Verbindung zwischen dem Verteiler 9 und dem Luftspeicher 14 zu trennen oder freizugeben. Das Luftabsperrelement 13 kann dazu zwischen zwei Schaltstellungen geschaltet werden, einer ersten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13 und einer zweiten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13. In der ersten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13 ist der Luftspeicher 14 fluidisch von dem Verteiler 9 getrennt, so dass keine Luft vom Verteiler 9 zum Luftspeicher 14 oder zurückfließen kann. In der zweiten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13 ist der Luftspeicher 14 fluidisch mit dem Verteiler 9 verbunden, so dass Luft vom Verteiler 9 zum Luftspeicher 14 oder zurückfließen kann. In der ersten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13 ist das Luftabsperrelement 13 geschlossen. In der zweiten Schaltstellung des Luftabsperrelements 13 ist das Luftabsperrelement 13 geöffnet.
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Das Luftabsperrelement 13 ist beispielsweise ein 2/2-Wegeventil. Das Luftabsperrelement 13 ist beispielsweise elektrisch betätigbar und wird über ein nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert. Das Luftabsperrelement 13 kann beispielsweise so gestaltet sein, dass es stromlos, beispielsweise durch eine Schließkraft eines Federelements, geschlossen ist.
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Wie in 2 dargestellt, kann die Wassereinspritzvorrichtung 1 weiterhin ein Absperrelement 11 umfassen. Das Absperrelement 11 ist dazu eingerichtet eine Verbindung zwischen dem Wassertank 5 und dem Förderelement 3 zu unterbrechen. Dazu ist das Absperrelement 11 zwischen dem Wassertank 5 und dem Förderelement 3 in der ersten Leitung 7 angeordnet. Das Absperrelement 11 kann über eine Steuereinheit gesteuert werden. Das Absperrelement 11 kann beispielsweise ein elektrisch betätigtes Absperrelement 11 sein. Das Absperrelement 11 ist beispielsweise ein 2/2-Wegeventil.
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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]
