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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Wasserfördermodul zum Einspritzen von Wasser in oder vor den Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer eine Pumpe aufweisende Fördereinheit zur Förderung des Wassers aus einem Tank, wobei das Wasser mittels der Pumpe entlang einer Dosierleitung zu einer Einspritzstelle förderbar ist, wobei die Fördereinheit einen Wasserauslass aufweist, durch welchen Wasser aus der Fördereinheit hinausgefördert werden kann.
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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in eine Brennkraftmaschine.
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Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich ihres Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal bezüglich des Verbrauchs 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 z.B. aus der
WO 2014/080266 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, bei dem das Wasser in den Massenstrom der Abgasrückführung eingespritzt wird.
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Grundsätzlich weisen Wasserfördermodule hierzu zumindest einen Tank zur Bevorratung des Wassers auf und weiterhin geeignete Fördermittel, wie beispielsweise eine Pumpe, um das Wasser entlang geeigneter Leitungen zum Brennraum oder vor den Brennraum zu leiten.
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Da Wasser einen Gefrierpunkt aufweist, welcher im Rahmen der üblichen Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs regelmäßig erreicht wird, ist das Einfrieren des im Tank bevorrateten Wassers oder des in den Leitungen beziehungsweise dem Fördermodul befindlichen Wassers regelmäßig zu erwarten, weswegen Vorkehrungen getroffen werden müssen, die eine Beschädigung des gesamten Wasserfördermoduls verhindern.
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Die Ausdehnung von Wasser innerhalb einer Förderleitung kann durch das Einfrieren bis ca. 10% des Ausgangsvolumen betragen, weswegen regelmäßig Förderleitungen vorgesehen werden, die einen möglichst großen Anteil dieser Ausdehnung kompensieren können. Weiterhin wird versucht die Leitungen bei Nichtgebrauch möglichst wasserfrei zu halten, um das Einfrieren der Leitungen zu vermeiden. Alternativ werden Kompensationsvolumen an den Förderleitungen vorgesehen, die die Volumenvergrößerung ausgleichen sollen.
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Die
DE 21 2017 000 219 U1 offenbart einen Tank zum Speichern von demineralisiertem Wasser in einem Fahrzeug und auf ein System zum Einspritzen von demineralisiertem Wasser in einen Lufteinlass stromaufwärts einer Brennkammer oder direkt in die Brennkammer eines Fahrzeugs.
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Die
US 2013 / 0 263 938 A1 offenbart ein Tankmodul für einen Flüssigkeitstank, und insbesondere für einen Tank zur Bevorratung eines fluiden Reduktionsmittels zur Verminderung schädlicher Komponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen.
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Die
DE 20 2007 013 316 U1 offenbart eine Anschlussvorrichtung für mindestens eine Medienleitung insbesondere für eine Harnstoff-Wasser-Lösung zur Abgas-Nachbehandlung in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Anschlussteil mit einer Aufnahme zum umfangsgemäß abgedichteten Einstecken eines leitungsseitigen Steckabschnittes und mit Haltemitteln zum Arretieren des eingesteckten Steckabschnittes gegen Lösen.
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Die
DE 10 2008 050 431 B3 offenbart ein Magnetventil zum Dosieren eines wasserhaltigen Fluids, insbesondere von Harnstoff-Wasser-Lösungen zur Abgasbehandlung an Brennkraftmaschinen.
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Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass durch das Vorsehen von möglichst flexiblen Leitungen erhöhte Kosten entstehen. Weiterhin können aus stark flexiblen Leitungen auch anderweitige negative Eigenschaften für das Fördermodul resultieren. Das Vorsehen von Kompensationsvolumen ist technisch sehr aufwändig und verschlechtert insbesondere die Adaptierbarkeit für Fördermodule an unterschiedliche Fahrzeuge. Das Entleeren der Förderleitungen ist aufwändig, da beispielsweise die Förderpumpe speziell angepasst werden muss, um das Entleeren der Förderleitungen zu ermöglichen. Außerdem müssen Vorkehrungen getroffen werden, die verhindern, dass die Pumpe Luft ansaugt und trocken läuft. Weiterhin ist es insbesondere kritisch, wenn die Pumpe mit Luft an dem Förderelement der Pumpe anläuft, da hierdurch den Verschließ erhöht wird und weiterhin eine deutlich höhere Drehzahl der Pumpe benötigt wird, um das Anfördern des Wassers sicherzustellen.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Wasserfördermodul zu schaffen, welches besonders gut gegen Beschädigungen infolge von Einfrieren des Wassers im Fördermodul und insbesondere in den Förderleitungen geschützt ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Wasserfördermoduls wird durch ein Wasserfördermodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Wasserfördermodul zum Einspritzen von Wasser in oder vor den Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer eine Pumpe aufweisende Fördereinheit zur Förderung des Wassers aus einem Tank, wobei das Wasser mittels der Pumpe entlang einer Dosierleitung zu einer Einspritzstelle förderbar ist, wobei die Fördereinheit einen Wasserauslass aufweist, durch welchen Wasser aus der Fördereinheit hinausgefördert werden kann, wobei der Wasserauslass durch ein Anschlussstecker gebildet ist, auf welchen die Dosierleitung aufsteckbar ist, wobei Wasser aus der Fördereinheit entlang des Anschlusssteckers in die Dosierleitung förderbar ist, wobei der Anschlussstecker einen vom Wasser durchströmbaren Abschnitt aufweist, der Teil einer Fluidleitung von der Fördereinheit zur Dosierleitung ist, wobei der durchströmbare Abschnitt einen entlang einer Durchströmungsrichtung veränderlichen Leitungsquerschnitt aufweist.
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Der Anschlussstecker kann beispielsweise durch einen festen Rohrabschnitt gebildet sein, über welchen die Dosierleitung gesteckt wird. Mittels eines Fixierelementes, wie beispielsweise einer Rastklemme, kann die Dosierleitung an dem Anschlussstecker befestigt werden. Das Wasser wird durch die Pumpe aus der Fördereinheit gefördert, wobei in Förderrichtung dem Pumpenausgang der Anschlussstecker nachgelagert ist. Zwischen dem Pumpenausgang und dem Anschlussstecker ist die Führung des zu fördernden Wassers, sofern der Anschlussstecker nicht direkt an den Pumpenausgang angrenzt, durch einen Leitungsabschnitt gebildet, der auch als Auslasskanal bezeichnet wird.
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Der Anschlussstecker weist einen durchströmbaren Innenraum auf, der durch eine Wandung begrenzt ist und so einen für das Wasser durchströmbaren Abschnitt bildet. Der Anschlussstecker ist bevorzugt als starrer nicht beziehungsweise nur gering elastischer Leitungsabschnitt ausgebildet und ragt von der durch die Fördereinheit, den Filter und die Steuerungselektronik ausgebildeten Baugruppe ab.
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Der durchströmbare Abschnitt des Anschlusssteckers wird gewöhnlich in der Richtung von der Fördereinheit hin zur Dosierleitung durchströmt. Dies stellt die Förderrichtung für das Wasser dar. Insbesondere beim Stillstand der Pumpe kann es zu geringfügigen Rückflüssen kommen, wobei der Anschlussstecker dann entgegen der eigentlichen Förderrichtung durchflossen wird.
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Sollte es zu einem Absinken der Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt des Wassers im System kommen, kann es zu einem Einfrieren des Wassers kommen. Hierbei kann das Wasser beispielsweise im Bereich der Dosierleitung, im Bereich des Anschlusssteckers oder im Bereich der Fördereinheit einfrieren. Regelmäßig friert das Wasser zuerst im Bereich des Anschlusssteckers, da dieser gewöhnlich nicht wie die Dosierleitung und die Fördereinheit thermisch isoliert ist. Insbesondere der Bereich des Anschlusssteckers ist wenig umbaut und somit den tiefen Temperaturen in der Umgebung ausgesetzt.
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Durch das Einfrieren des Wassers kommt es zu einer deutlichen Volumenzunahme des Wassers, wodurch einerseits Wasser innerhalb des Leitungssystems verdrängt wird und andererseits durch das Entstehen des Eises zusätzlich Volumen innerhalb des Leitungssystems besetzt wird. Durch das Einfrieren kann es somit vorkommen, dass Wasser aus dem Anschlussstecker in Richtung der Fördereinheit gedrückt wird. Auch können kleine Eisstücke in diese Richtung gedrückt werden. Insbesondere der als Auslasskanal definierte Bereich, welcher zwischen dem Pumpenausgang und dem Anschlussstecker ausgebildet ist, ist besonders anfällig für Beschädigungen infolge des Wassers oder Eises, welches durch das Einfrieren in diesen hineingedrückt wird.
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Insbesondere mit Blick darauf, dass ein Abfließen von Wasser aus diesem Bereich oftmals durch ein Ventil unterbunden ist, kann es zu extrem hohen Drücken in diesem Bereich kommen, wodurch eine Beschädigung verursacht werden kann.
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Der Anschlussstecker beziehungsweise der durchströmbare Abschnitt weist vorteilhaft einen entlang einer Durchströmungsrichtung, also von einem seiner Endbereiche zum anderen Endbereich, einen veränderlichen Leitungsquerschnitt auf. Dies kann beispielsweise durch ein konisches Zulaufen des Leitungsquerschnitts erreicht werden. Alternativ können in ihrer Erstreckung begrenzte Bereiche einen verkleinerten Leitungsquerschnitt aufweisen, beispielsweise durch einen in Umfangsrichtung umlaufende Absatz oder Vorsprung.
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Vorteilhaft an einer solchen Ausgestaltung ist insbesondere, dass durch eine geeignete Gestaltung des Leitungsquerschnitts das Hineindrücken von Wasser und Eis in den Auslasskanal reduziert beziehungsweise gänzlich vermieden werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der durchströmbare Querschnitt des durchströmbaren Abschnitts sich von der Dosierleitung hin zur Fördereinheit verjüngt. Diese verhindert insbesondere das Eisstücke durch den Anschlussstecker hin zur Fördereinheit gedrückt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Abschnitt in Strömungsrichtung von der Fördereinheit hin zur Dosierleitung einen sich wiederholt verjüngenden und wieder zunehmenden Leitungsquerschnitt aufweist. Ein solcher sich verjüngender und wieder erweiternder Leitungsquerschnitt bildet eine Art Filterelement aus, welches insbesondere Festkörper, wie beispielsweise Eisstücke aufhält.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der durchströmbare Abschnitt in einem Längsschnitt eine sägezahnartige Kontur aufweist. Eine sägezahnartige Kontur, welche durch in Umfangrichtung umlaufende und in radialer Richtung zackenartige Abschnitte gebildet ist, ist besonders vorteilhaft dazu geeignet um Eisstücke aufzuhalten, da sich diese an einem der zackenartigen Vorsprünge verfangen und dort blockiert werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der durchströmbare Abschnitt eine Kontur aufweist, die den Strömungswiderstand in der Strömungsrichtung von der Dosierleitung hin zur Fördereinheit stärker erhöht als entlang der Strömungsrichtung von der Fördereinheit hin zur Dosierleitung. Hierdurch wird die Rückförderung von Wasser und/oder Eis in Richtung der Fördereinheit erschwert, wohingegen die Förderung des Wassers in der Hauptförderrichtung während des Betriebs vereinfacht wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der durchströmbare Abschnitt ein Filterelement für das durch den Abschnitt strömbare Fluid ausbildet, welches durch zackenartige Taschen an der den durchströmbaren Abschnitt nach außen begrenzenden Wandung ausgebildet ist. Die zackenartigen Taschen halten Eisstücke auf, indem sie einen physischen Widerstand für diese bilden. Weiterhin wird der durch die Taschen erzeugte Druckverlust das Rückströmen von Wasser und/oder Eis reduzieren.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der minimale Leitungsquerschnitt des durchströmbaren Abschnitts geringer ist als der Leitungsquerschnitt auf Seite der Fördereinheit und geringer ist als der Leitungsquerschnitt der Dosierleitung. Dadurch ist sichergestellt, dass insbesondere im Bereich des Anschlusssteckers ein Engpass erzeugt wird, der den Eistransport hin zur Fördereinheit verhindert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht der durch die Fördereinheit, den Filter und die Steuerungselektronik ausgebildeten Baugruppe, wobei insbesondere der nach vorne abragende Anschlussstecker zu sehen ist, und
- 2 eine Ansicht eines Längsschnitts den Anschlussstecker, wobei insbesondere der durchströmbare Abschnitt des Anschlusssteckers gezeigt ist.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine Baugruppe 1 des Wasserfördermoduls mit einer Fördereinheit, einem Filterelement einer Steuerungselektronik und elektrischen Anschlüssen. Nicht gezeigt ist beispielsweise ein Tank, in welchen die gezeigte Baugruppe eingesetzt werden kann. Der Fördereinheit ist in der Hauptförderrichtung der Anschlussstecker 2 nachgelagert. Der Anschlussstecker 2 ist als Spritzgussteil aus einem Kunststoff mit der Bodengruppe der Baugruppe 1 gebildet und steht von dieser ab.
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An den Anschlussstecker 2 kann eine nicht gezeigte Dosierleitung angesteckt werden und mit dem Anschlussstecker verbunden werden. Der Anschlussstecker 2 weist eine glatte Außenfläche auf, über welche die Dosierleitung geschoben werden kann. Innerhalb des Anschlusssteckers 2 ist ein durchströmbarer Abschnitt ausgebildet, welcher von dem aus der Fördereinheit geförderten Wasser durchströmt werden kann.
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Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Anschlussstecker 2. Mit dem Pfeil 3 ist in den 1 und 2 die Flussrichtung des Wassers angezeigt, entlang welcher infolge des Einfrierens des Wassers in oder an dem Anschlussstecker ein Wasserfluss entstehen kann. Dieser ist entgegengesetzt der normalen Förderrichtung.
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In 2 ist die Ausgestaltung der inneren Wandung des Anschlusssteckers 2 zu erkennen. Der Leitungsquerschnitt variiert entlang der Erstreckung des Anschlusssteckers. Die Innenwandung weist eine zackenartige Kontur auf, wodurch eine sägezahnartige Struktur erzeugt wird. Betracht entlang der Hauptförderrichtung nimmt der Leitungsquerschnitt ab durch eine schräge Flanke 4, bevor der Leitungsquerschnitt entlang der senkrecht zur Außenwandung stehenden Flanke 5 wieder zunimmt. Dieser Verlauf wiederholt sich in der Darstellung der 2 beispielhaft viermal.
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Der minimale Leitungsquerschnitt 6 ist geringer als der Leitungsquerschnitt des Auslasskanals oder der Dosierleitung, welche beide in der 2 nicht dargestellt sind.
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Insbesondere entlang des Pfeils 3 betrachtet, stellt die Innenkontur des Anschlusssteckers einen mechanischen Filter dar, der insbesondere durch die steil in den durchströmbaren Querschnitt hineinragenden senkrechten Flanken 5 im Wasser befindliche Festkörper, wie insbesondere Eis, mechanisch blockieren kann. Durch das Aneinanderreihen dieser sägezahnartigen Strukturen kann die Filterstrecke beliebig verlängert oder verkürzt werden. Vorteilhaft ist auch eine Abnahme des minimalen Leitungsquerschnitts 6 von einer sägezahnartigen Struktur zur nächsten, so kann der durch den Anschlussstecker beziehungsweise die innere Struktur des Anschlusssteckers erzeugte Druckverlust noch zusätzlich beeinflusst werden, wodurch die Filterwirkung weiter verbessert wird.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
