Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung in einem Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.

Eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung ist beispielsweise in der DE 10 2014 222 463 A1 beschrieben.

Zur Verbesserung des Betriebs eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs ist es bekannt, dem Kraftstoff Wasser beizumischen. Hierzu wird üblicherweise eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung verwendet, auch als Wassereinspritzanlage bezeichnet. Eine solche Vorrichtung umfasst üblicherweise eine Pumpe, welche Wasser aus einem Wasserbehälter über geeignete Leitungen, d.h. über eine Zuleitung, einer Anzahl von Einspritzdüsen zuführt. Mittels der Einspritzdüsen, auch als Injektoren bezeichnet, wird dann im Betrieb Wasser beispielsweise in den Ansaugtrakt im Fahrzeug eingedüst. Nach Beendigung des Fahrtbetriebs verbleibt möglicherweise Wasser in den Einspritzdüsen und der Zuleitung. Um eine Beschädigung der Vorrichtung durch Gefrieren dieses Wassers zu verhindern, wird die Vorrichtung bei Fahrtende üblicherweise entwässert, beispielsweise wie in der eingangs genannten DE 10 2014 222 463 A1 beschrieben.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Wassereinspritzung anzugeben, welche in verbesserter Weise gegen eine Beschädigung durch gefrierendes Wasser geschützt ist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Zusammenhang mit der Vorrichtung genannten Weiterbildungen und Vorteile sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.

Die Vorrichtung dient zur Wassereinspritzung in einem Fahrzeug, welches insbesondere einen Verbrennungsmotor, kurz Motor, aufweist. Die Vorrichtung weist einen Wasserbehälter auf, welcher über eine Zuleitung mit einer Anzahl von Einspritzdüsen verbunden ist. Die Vorrichtung ist in einem Förderbetrieb betreibbar, zur Förderung von Wasser von dem Wasserbehälter über die Zuleitung zu den Einspritzdüsen, d.h. zum Einspritzen von Wasser z.B. in einen Ansaugtrakt des Fahrzeugs. Weiterhin ist die Vorrichtung vorzugsweise auch in einem Entwässerungsbetrieb betreibbar, zur Entwässerung der Einspritzdüsen und der Zuleitung, d.h. zum Entfernen von Wasser aus den Einspritzdüsen und der Zuleitung. Der Entwässerungsbetrieb und der Förderbetrieb schließen sich insbesondere gegenseitig aus, d.h. zu einem gegebenen Zeitpunkt kann nur einer der beiden Betriebe durchgeführt werden. Der Förderbetrieb wird insbesondere ausschließlich in einem Fahrbetrieb verwendet, d.h. wenn der Verbrennungsmotor eingeschaltet ist und das Fahrzeug aktiv ist.

Die Zuleitung ist in einem Standbetrieb ein insbesondere gegenüber der Umgebung abgeschlossenes Leitungssystem, wodurch kein Druckausgleich mit der Umgebung möglich ist. Mit anderen Worten: die Vorrichtung ist beim Abstellen des Fahrzeugs, d.h. im Standbetrieb, insbesondere druckdicht abgeschlossen. Die Zuleitung ist einerseits durch die Sperrvorrichtung abgeschlossen und andererseits durch die Einspritzdüsen, durch welche im Betrieb Wasser in den Motor gespritzt wird, welche im Standbetrieb jedoch zweckmäßigerweise geschlossen sind. Im Standbetrieb ist die Zuleitung demnach insbesondere dadurch abgeschlossen, dass die Einspritzdüsen geschlossen sind, insbesondere da diese im Standbetrieb nicht benötigt werden und daher stromlos sind.

Insbesondere ist bei geöffneter Sperrvorrichtung die Zuleitung einerseits durch die Einspritzdüsen und andererseits durch den Wasserbehälter abgeschlossen und damit grundsätzlich auch gegenüber der Umgebung abgeschlossen. In einer Variante bildet eine Luftansaugung für den Entwässerungsbetrieb ein drittes Ende, welches zweckmäßigerweise durch ein Luftventil abgeschlossen wird, wenn keine Luft angesaugt wird, d.h. wenn keine Entwässerung erfolgt. Der Abschluss durch den Wasserbehälter ist insbesondere nicht notwendigerweise druckdicht, z.B. wenn der Wasserbehälter in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch ein Überdruckventil mit der Umgebung verbunden ist. Insbesondere besteht jedoch das oben geschilderte Problem eines möglichen Unterdrucks weiterhin.

Entlang der Zuleitung, d.h. insbesondere zwischen dem Wasserbehälter und den Einspritzdüsen, ist eine Sperrvorrichtung angeordnet, welche im Förderbetrieb und im Entwässerungsbetrieb geöffnet ist und welche im Standbetrieb geschlossen ist, zum Absperren und zum Trockenhalten der Zuleitung. Unter Standbetrieb wird insbesondere verstanden, dass der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist, beispielsweise wenn das Fahrzeug geparkt ist. Im Standbetrieb erfolgt keine Einspritzung von Wasser. Die Sperrvorrichtung trennt dann den Wasserbehälter von den Einspritzdüsen.

Auch sonstige Öffnungen, beispielsweise zum Ansaugen von Luft zwecks Entwässerung im Entwässerungsbetrieb, sind zumindest im Standbetrieb zweckmäßigerweise verschlossen. Bei einer solchen abgeschlossenen Zuleitung ist auf besonders einfache Weise verhindert, dass Schmutz in die Vorrichtung eindringt und letztendlich die Einspritzdüsen verstopft oder in den Ansaugtrakt oder den Motor gelangt. Die Sperrvorrichtung verhindert dann im Standbetrieb ein ungewolltes Ansaugen von Wasser aus dem Wasserbehälter aufgrund eines Druckabfalls innerhalb der gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Zuleitung. Insofern kann eine abgeschlossene Zuleitung mit Sperrvorrichtung gefahrlos auch niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden.

Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass selbst bei einer entwässerten Zuleitung noch das Problem einer möglichen Beschädigung durch gefrierendes Wasser besteht. Dies resultiert insbesondere daraus, dass bei einem Abkühlen der Vorrichtung und aufgrund der Abgeschlossenheit der Zuleitung der Druck in ebenjener Zuleitung abfällt und Wasser aus dem Wasserbehälter in die Zuleitung und möglicherweise bis zu den Einspritzdüsen gezogen wird. Bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen, d.h. unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, besteht dann die Gefahr des Gefrierens des unbeabsichtigt in die Zuleitung gelangten Wassers. Durch den resultierenden Eisdruck können insbesondere die Einspritzdüsen und deren Ventilmechanik, mithin der gesamte Ventilblock beschädigt werden.

Grundsätzlich ist es möglich, die Zuleitung im Standbetrieb zu beheizen, um einen Druckabfall zu vermeiden. Hierfür wird jedoch nachteilig Energie benötigt, welche beispielsweise der Batterie des Fahrzeugs entnommen wird und entsprechend zu deren Entladung beiträgt. Je nach Standzeit ist eine entsprechend starke Entladung der Batterie die Folge.

Deutlich vorteilhafter ist dagegen die Verwendung einer Sperrvorrichtung, welche im Standbetrieb den Zugang zum Wasserbehälter absperrt und somit insbesondere auf mechanische Weise ein Vordringen von Wasser verhindert. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht somit insbesondere darin, dass eine Beschädigung der Vorrichtung durch gefrierendes Wasser effektiv und auf konstruktiv einfache Weise verhindert wird. Dazu dient die Sperrvorrichtung, welche ein Vordringen von Wasser aus dem Wasserbehälter in Richtung der Einspritzdüsen verhindert, selbst wenn durch eine Abkühlung der Vorrichtung in der Zuleitung ein Druckabfall erfolgt. Die Sperrvorrichtung wirkt dabei als Barriere, über welche hinaus das Wasser nicht weiter in die Zuleitung vordringen kann. Zwischen der Sperrvorrichtung und den Einspritzdüsen wird die Zuleitung somit trocken gehalten.

Die Sperrvorrichtung weist insbesondere lediglich zwei Schaltzustände auf, nämliche einen geschlossenen und einen offenen Zustand. Im offenen Zustand kann Wasser durch die Sperrvorrichtung hindurch gefördert werden, in geschlossenem Zustand wird dies verhindert.

Bevorzugterweise ist die Sperrvorrichtung als Absperrventil ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung ist in konstruktiver Hinsicht besonders einfach und insgesamt auch besonders kostengünstig. Das Absperrventil ist insbesondere ein einfaches Ventil mit zwei Anschlüssen, welche mit der Zuleitung verbunden sind, sodass das Ventil die Zuleitung in zwei Abschnitte unterteilt, welche in geschlossenem Zustand des Absperrventils voneinander getrennt sind.

Zweckmäßigerweise ist die Sperrvorrichtung ein separates, d.h. insbesondere eigenständiges Bauteil und dadurch frei entlang der Zuleitung positionierbar. Außerdem ist die Sperrvorrichtung in dieser Ausgestaltung auch auf einfache Weise an bestehende Vorrichtungen nachrüstbar.

In einer besonders geeigneten Ausführungsform ist die Sperrvorrichtung elektrisch schaltbar und in stromlosem Zustand geschlossen sowie in bestromtem Zustand geöffnet. Beispielsweise ist die Sperrvorrichtung ein elektrisch schaltbares Ventil. Dadurch, dass die Sperrvorrichtung in stromlosem Zustand geschlossen ist, ist im Standbetrieb, wenn die Zuleitung abgesperrt sein soll, vorteilhaft keine Energieversorgung für die Sperrvorrichtung notwendig. Eine Bestromung ist dann notwendig, wenn die Sperrvorrichtung geöffnet wird, d.h. im Förderbetrieb und im Entwässerungsbetrieb.

Entlang der Zuleitung ist insbesondere eine Pumpe angeordnet, zur Förderung von Wasser. Die Pumpe weist eine Saugseite und eine Druckseite auf. Im Förderbetrieb ist die Saugseite der Pumpe mit dem Wasserbehälter verbunden, zum Ansaugen von Wasser aus demselben. Die Druckseite ist mit den Einspritzdüsen verbunden. Dabei werden die Verbindungen insbesondere durch die Zuleitung gebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Saugseite sowie die Druckseite im Förderbetrieb sowie im Entwässerungsbetrieb identisch, sodass Wasser sowohl im Förderbetrieb als auch im Entwässerungsbetrieb in gleicher Richtung durch die Pumpe strömt. Mit anderen Worten: im Förderbetrieb entspricht die Saugseite auch der Saugseite im Entwässerungsbetrieb und die Druckseite im Förderbetrieb auch der Druckseite im Entwässerungsbetrieb. Mit anderen Worten: in beiden Betrieben wird die Pumpe in gleicher Richtung betrieben. Dadurch ist es insbesondere möglich, auf ein Rückwärtsdrehen der Pumpe zu verzichten. Auf diese Weise ist ein Entwässerungsbetrieb in gleicher Richtung wie der Förderbetrieb realisiert. Die Beibehaltung der Förderrichtung der Pumpe in beiden Betrieben ermöglicht vorteilhaft auch eine Verwendung von solchen Pumpen, die nicht zum Rückwärtsdrehen geeignet sind. Eine besonders geeignete Pumpe ist eine kostengünstige Membranpumpe und allgemein eine Pumpe, welche keine Schmierung erfordert. Grundsätzlich ist jedoch als Pumpe zunächst jeder Pumpentyp verwendbar, insbesondere auch eine Kolbenpumpe.

Zum Umschalten zwischen dem Förderbetrieb und dem Entwässerungsbetrieb weist die Vorrichtung insbesondere ein Ventil auf, welches vorzugsweise nicht die Sperrvorrichtung ist oder diese umfasst, sondern bezüglich dieser als separates Bauteil ausgebildet ist. Dadurch ist das Umschalten zwischen Förder- und Entwässerungsbetrieb vorteilhaft unabhängig vom Absperren der Zuleitung. Das Ventil ist zweckmäßigerweise derart angeordnet, dass lediglich eine Pumpe zum Fördern von Wasser und zum Entwässern benötigt wird. Zum Umschalten zwischen dem Förderbetrieb und dem Entwässerungsbetrieb wird lediglich das Ventil umgeschaltet. Der Entwässerungsbetrieb ist dann insbesondere ein Rücksaugbetrieb, d.h. es erfolgt im Entwässerungsbetrieb ein Rücksaugen von Wasser in den Wasserbehälter.

Besonders geeignet zum Umschalten zwischen Förder- und Entwässerungsbetrieb ist ein Ventil, welches als 4/2-Wegeventil ausgebildet ist. Diese Variante ist bezüglich der Ventilanzahl deutlich vereinfacht, insbesondere wird zum Umschalten lediglich ein Ventil benötigt, und ermöglicht somit eine besonders kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung. Varianten mit anderen Ventilen, insbesondere wie in der eingangs genannten DE 10 2014 222 463 A1 beschrieben, sind grundsätzlich möglich.

Vorzugsweise ist die Sperrvorrichtung zwischen der Pumpe und dem Wasserbehälter angeordnet, d.h. auf der Saugseite der Pumpe im Förderbetrieb. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass Wasser bis zur Pumpe angesaugt wird und beim Gefrieren selbige beschädigt. Dieselbe Pumpe dient insbesondere sowohl zur Förderung von Wasser im Förderbetrieb als auch zur Entwässerung im Entwässerungsbetrieb.

Besonders zweckmäßig ist zudem eine Ausgestaltung, bei welcher die Sperrvorrichtung zwischen dem Ventil und dem Wasserbehälter angeordnet ist, sodass die Zuleitung unabhängig vom Schaltzustand des Ventils möglichst effektiv absperrbar ist. Insgesamt ist es vorteilhaft, die Sperrvorrichtung möglichst nah am Wasserbehälter anzuordnen, um möglichst weite Teile der Zuleitung gegenüber dem Wasserbehälter abzusperren. Mit anderen Worten: die Sperrvorrichtung ist zweckmäßigerweise unmittelbar hinter dem Wasserbehälter angeordnet. Unter „unmittelbar" wird insbesondere verstanden, dass zwischen dem Wasserbehälter und der Sperrvorrichtung keine weiteren Komponenten entlang der Zuleitung angeordnet sind. Eine solche möglichst nahe Positionierung der Sperrvorrichtung am Wasserbehälter ist insbesondere dann auf einfache Weise realisierbar, wenn die Sperrvorrichtung als separates Teil ausgebildet ist und bei der Konstruktion der Vorrichtung entsprechend frei positionierbar ist.

Das Verfahren dient zum Betrieb einer Vorrichtung zur Wassereinspritzung in einem Fahrzeug, insbesondere einer Vorrichtung wie oben beschrieben. In einem Förderbetrieb wird Wasser von einem Wasserbehälter über eine Zuleitung zu einer Anzahl von Einspritzdüsen gefördert. Die Zuleitung ist in einem Standbetrieb ein abgeschlossenes Leitungssystem. Weiterhin ist eine Sperrvorrichtung angeordnet, welche im Förderbetrieb geöffnet wird und im Standbetrieb geschlossen wird, zum Trockenhalten der Zuleitung zwischen der Sperrvorrichtung und den Einspritzdüsen. Unter„Trockenhalten" wird insbesondere verstanden, dass ein Eindringen von Wasser verhindert wird. Vorzugsweise werden in einem Entwässerungsbetrieb die Einspritzdüsen und die Zuleitung entwässert. Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich sinngemäß aus den Vorteilen der oben beschriebenen Vorrichtung.

Beim Abstellen des Fahrzeugs wird die Sperrvorrichtung zweckmäßigerweise geöffnet und der Entwässerungsbetrieb solange eingeschaltet, bis die Zuleitung lediglich mit Luft gefüllt ist, d.h. vollständig entwässert und somit trocken ist. Anschließend wird der Entwässerungsbetrieb ausgeschaltet und die Sperrvorrichtung geschlossen. Dadurch wird zunächst sichergestellt, dass vor dem Absperren möglicherweise in der Zuleitung angesammeltes Wasser zunächst entfernt wird, bevor dann die Zuleitung abgesperrt wird. Die Zuleitung wird also zunächst getrocknet und dann abgesperrt. Dies erfolgt sinnvollerweise beim Einleiten des Standbetriebs, wenn also das Fahrzeug abgestellt wird und der Standbetrieb aktiviert wird. Der Motor wird dann ausgeschaltet und das Fahrzeug wird für den Standbetrieb sozusagen vorbereitet, indem zunächst die Zuleitung entwässert und dann abschließend abgesperrt wird.

Die Sperrvorrichtung wird bevorzugterweise lediglich im Förderbetrieb und im Entwässerungsbetrieb geöffnet und wird ansonsten geschlossen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass lediglich dann, wenn auch Wasser durch die Zuleitung gefördert werden soll, ein Vordringen von Wasser möglich ist und ansonsten nicht. Die Zuleitung ist somit standardmäßig abgesperrt und wird lediglich dann geöffnet, wenn Wasser eingespritzt oder zurückgesaugt werden soll. Insbesondere bei einem in geschlossenem Zustand stromlosen Ventil als Sperrvorrichtung wird dadurch auch der Energiebedarf der Vorrichtung reduziert.

Entlang der Zuleitung ist insbesondere eine Pumpe angeordnet, welche in einer bevorzugten Ausgestaltung im Förderbetrieb und im Entwässerungsbetrieb eingeschaltet wird, wobei die Sperrvorrichtung geöffnet wird, wenn die Pumpe eingeschaltet wird, und geschlossen wird, wenn die Pumpe ausgeschaltet wird. Die Pumpe und die Sperrvorrichtung sind somit miteinander gekoppelt. Mit anderen Worten: ist die Pumpe aktiv, so ist die Sperrvorrichtung offen, um eine Förderung von Wasser zu ermöglichen, ist die Pumpe hingegen inaktiv, so ist die Sperrvorrichtung geschlossen. In dieser Ausgestaltung sind zweckmäßigerweise die Stromversorgung der Pumpe und der Sperrvorrichtung miteinander gekoppelt, sodass bei aktivierter Pumpe auch die Sperrvorrichtung bestromt und entsprechend automatisch geöffnet wird und ansonsten stromlos ist und automatisch schließt. Zur Ansteuerung insbesondere der Sperrvorrichtung, der Pumpe und/oder des Ventils zum Umschalten zwischen Förder- und Entwässerungsbetrieb, ist eine Steuereinheit angeordnet. Diese ist beispielsweise eine eigenständige Steuereinheit der Vorrichtung, bevorzugterweise jedoch ein Teil einer Motorsteuerung des Fahrzeugs.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung für ein Fahrzeug.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 2 zur Wassereinspritzung dargestellt, d.h. eine Wassereinspritzanlage. Die Vorrichtung 2 weist einen Wasserbehälter 4 auf, aus welchem im Förderbetrieb mittels einer Pumpe 6 Wasser zu einer Anzahl von Einspritzdüsen 8 gefördert wird. Dabei wird das Wasser über eine Zuleitung 10 gefördert, entlang welcher die Pumpe 6 angeordnet ist. Zum Umschalten zwischen dem Förderbetrieb und einem Entwässerungsbetrieb ist entlang der Zuleitung 10 zwischen dem Wasserbehälter 4 und der Pumpe 6 ein Ventil 12 angeordnet. Dieses ist mit einer Saugseite 6A und einer Druckseite 6B der Pumpe 6 verbunden. Das Umschalten zwischen Förderbetrieb und Entwässerungsbetrieb ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein einzelnes 4/2-Wegeventil 12 realisiert. Die Durchflussrichtung durch die Pumpe 6 ist in beiden Betrieben gleich.

Die Fig. 1 zeigt die Vorrichtung 2 in einem Förderbetrieb, in welchem die Saugseite 6A mit dem Wasserbehälter 4 verbunden und die Druckseite 6B mit den Einspritzdüsen 8. Im Entwässerungsbetrieb ist die Saugseite 6A mit den Einspritzdüsen 8 verbunden und die Druckseite 6B mit dem Wasserbehälter 4. Zum Umschalten zwischen Förderbetrieb und Entwässerungsbetrieb wird das Ventil 12 mittels einer Steuereinrichtung 14 in den jeweils anderen Schaltzustand verbracht. Die Pumpe 6 fördert in diesem Betrieb dann Luft in Richtung der Einspritzdüsen 8, wodurch die Zuleitung 10 und die Einspritzdüsen 8 entwässert und getrocknet werden.

Beim Abstellen des Fahrzeugs ist es möglich, dass sich die Zuleitung 10 abkühlt, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird und Wasser vom Wasserbehälter 4 in die Zuleitung 10 und in Richtung der Einspritzdüsen 8 gesaugt wird. Bei niedrigen Außentemperaturen von unter 0°C besteht dann die Gefahr, dass dieses Wasser gefriert und dass die Zuleitung 10 und/oder die Einspritzdüsen 8 beschädigt werden. Um dies zu verhindern ist entlang der Zuleitung 10 eine Sperrvorrichtung 1 6 angeordnet, welche hier als Absperrventil ausgebildet ist. Die Sperrvorrichtung 16 wird dann im Standbetrieb geschlossen, sodass trotz unter Umständen niedriger Temperatur kein Wasser in die Zuleitung 10 gesaugt wird.

Ein besonders umfassender Schutz der Zuleitung 10 wird dadurch erzielt, dass die Sperrvorrichtung möglichst nah und wie in Fig. 1 gezeigt unmittelbar hinter dem Wasserbehälter 4 und noch vor der Pumpe 6 und dem Ventil 12 angeordnet ist. Die Sperrvorrichtung 1 6 ist weiterhin als separates Teil ausgeführt und nicht in die Pumpe 6 oder das Ventil 12 integriert. Insbesondere ist die Sperrvorrichtung 1 6 dadurch unabhängig vom Ventil 12 betreibbar.

Bezugszeichenliste

2 Vorrichtung zur Wassereinspritzung

4 Wasserbehälter

6 Pumpe

6A Saugseite

6B Druckseite

8 Einspritzdüse

10 Zuleitung

12 Ventil

14 Steuereinheit

16 Sperrvorrichtung