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Einrichtung zur Einspritzung von Wasser
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in eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung nach dem Oberbeariff des Patentanspruchs 1. Sie steht im Zusammenhang
mit den gegenwärtig intensiven Bemühungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades von
Brennkraftmaschinen durch Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs Solche Bestrebungen
werden erschwert durch das Erfordernis, gewisse maximale Emissionen luftverschmutzender
Anteile wie Stickoxyd (NOx) einzuhalten. Emissionen dieser Art werden bei relativ
hohen Brennkammertemperaturen erzeugt.
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Um die Brennkammertemperaturen zu verringern, wurde bisher der Zündzeitpunkt
von den Herstellern verzögert. Dies verringert zwar die Brennkammertemperaturen
und somit auch die Emissionen von NO , führt jedoch zu einem geringeren x Maschinenwirkungsgrad
und höherem Kraftstoffverbrauch.
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Viele der gegenwärtig handelsüblichen Kraftstoffehaben niedrige Oktanzahlen,
da aus ihnen das Blei ausgesondert ist. Solche niedrigen Oktanzahlen führen zu der
Tendenz, daß die Brennkraftmaschine bei schwerer Belastung klopft.
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Dieser Faktor erfordert gleichfalls eine Zündzeitpunktverzögerung
und beeinträchtigt deshalb auch den Wirkungsgrad.
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Außerdem können sich Kohlenstoffablagerungen im Zylinder, auf dem
Kolben und an den Zündkerzen ausbilden,wodurch die Neigung zum Klopfen und Dieseln
erhöht und die Zündgenauigkeit verringert wird. Auch diese Faktoren beeinträchtigen
die wirtschaftliche Betriebsweise der Maschine.
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Es ist bereits bekannt, daß das Einspritzen von Wasser in Form eines
zerstäubten Sprühstrahls die Verbrennungstemperatur
in den Zylindern
verringern kann und auch die Tendenz zum Klopfen verringert. Außerdem kann dadurch
die Temperatur auch bei relativ frühem Zündzeitpunkt verringert werden, so daß das
Klopfen und die Ausbildung luftverschmutzender Anteile reduziert werden.
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Auch ergibt sich insgesamt ein weicherer Maschinenbetrieb, verbunden
mit dem zusätzlichen Vorteil, daß geringere Kohlenstoffablagerungen auftreten. Somit
werden dann die vorstehend erläuterten Probleme verringert, und es kann Kraftstoff
mit niedrigeren Oktan zahlen verwendet und dabei der Zündzeitpunkt vorverlegt werden.
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Einrichtungen zur Wassereinspritzung, die seit langem bekannt sind,
wurden jedoch bisher nicht weitläufig eingesetzt. Die Wassereinspritzung zusammen
mit nicht klopfenden Kraftstoffgemischen kann die Leistungsabgabe verringern und
unter diesen Umständen den Maschinenwirkungsgrad bzw.
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der Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen.
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Ferner kann die Beinführung von Wasser auch die Korrosion der Maschinenteile
begünstigen, insbesondere der Drosselklappe im Vergaser, wenn die Einspritzung vor
dem Vergaser erfolgt. Die Einführung von Wasser in die Brennkraftmaschine bei relativ
niedrigen Temperaturen erhöht die Möglichkeit der Vereisung, verschlechtert das
Startverhalten und die Fahreigenschaften bis zum Warmlaufen.
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Es wurden bisher auch Ablaßvorrichtungen zusammen mit Einspritzeinrichtungen
verwendet, um das Wasser aus dem System abzuführen und zu verhindern, daß es in
die Brennkraftmaschine einsickert, wenn diese stillgesetzt wird.
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Auch wurden bisher Öldruckschalter in Verbindung mit der Einspritzung
verwende-t, um zu verhindern, daß Wasser bei
Betriebspausen der
Maschine nicht in diese eintritt.
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Diese Maßnahmen können jedoch einen gewissen Eintritt von Wasser in
die Brennkraftmaschine nicht ausschließen und ermöglichen ferner, daß das Wasser
bei relativ niedrigen Maschinentemperaturen eingespritzt wird. Ferner führt ein
vollständiges Ablassen des Wassers aus dem Einspritzsystem zu einer unerwünschten
Verzögerung der Wassereinspritzung nach einem solchen Ablaßzyklus oder nach Stillsetzen
der Maschine, bei dem gleichfalls das Wasser aus dem System abgeführt wird.
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Es wäre ferner wünschenswert, ein Wassereinspritzsystem leicht nachrüstbar
bei relativ einfachem und billigem Aufbau vorzusehen, so daß es leicht und ohne
größere Abänderungen der Brennkraftmaschine ohne komplizierte Einbauerfordernisse
installiert werden kann.
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Ein weiterer Nachteil der bisherigen Wassereinspritzsysteme besteht
in dem relativ großen Wasserverbrauch, womit umfangreiche Wasserbehälter oder sehr
häufige Nachfüllungen solcher Behälter erforderlich sind und die Wartungsarbeiten
aufwendiger werden.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Wassereinspritzeinrichtung
anzugeben, die sehr wirksam arbeitet und zu einem höheren Betriebswirkungsgrad der
Brennkraftmaschine führt, wobei gleichzeitig die Vorverlegung des Zündzeitpunktes
auf optimale Werte möglich sein soll.
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Dabei soll der Eintritt von Wasser in die Brennkraftmaschine zuverlässig
immer dann verhindert werden, wenn diese nicht in Betrieb ist oder wenn sie kalt
betrieben wird, d.h. unterhalb der normalen Betriebstemperatur.
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Die Einrichtung soll einen minimalen Wasserverbrauch haben,
damit
der Aufwand an Wasserbehältern oder an Nachfüllungsarbeit möglichst gering ist.
Außerdem soll eine verbesserte Abführung von Kohlenstoffablagerungen durch die Wassereinspritzung
möglich sein, insbesondere wenn ein Kraftfahrzeug mit einer Wassereinspritzeinrichtung
nachgerüstet wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Wassereinspritzeinrichtung arbeitet mit Druckeinspritzung über
eine Sprühdüse, die im Luftfilter angeordnet ist und einen Tröpfchenstrahl in den
Ansaugkanal des Vergasers leitet. Die Strömung wird durch eine elektrisch betriebene
Einspritzpumpe gesteuert, die nur bei Einschaltung eine Wassereinspritzung bewirkt.
Die Einspritzung wird bei Abschaltung der Einspritzpumpe unterbrochen.
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Die Pumpeneinschaltung wird wiederum durch eine Steuerschaltung gesteuert,
in der die Einspritzung nur bei relativ hohen Drehmomentanforderungen bewirkt wird,
d.h.
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bei solchen Leistungswerten, bei denen mit größter Wahrscheinlichkeit
Klopferscheinungen auftreten, so daß die Wassereinspritzung die Klopfneigung verringert
und eine Vorverlegung des Zündzeitpunktes ohne Klopfen sowie die Ausbildung minimaler
Anteile an Stickoxyd ermöglicht.
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Die Einspritzung wird auch dann verhindert, wenn die Maschinentemperatur
unter der normalen Betriebstemperatur liegt, so daß kein Wasser in die kalte Brennkraftmaschine
eingespritzt wird.
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Die Steuerung der eingespritzten Strömung erfolgt gemäß einem noch
zu beschreibenden Ausführungsbeispiel durch
einen Unterdruckschalter,
der mit dem Ansaugunterdruck verbunden ist und mit dem Speisestromkreis der Einspritzpumpe
verbunden bzw. in Reihe geschaltet ist, so daß die Pumpe bis zum Abfallen des Unterdrucks
unter einen vorbestimmten Wert abgeschaltet ist und nicht eingeschaltet wird, bevor
ein relativ hoher Ansaugunterdruck erreicht wird, was ein Anzeichen für ein hohes
Drehmoment ist.
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Ähnlich ist auch ein Unterdruckschalter mit einem dem Kühlsystem zugeordneten
temperaturabhängig arbeitenden Ventil verbunden und in den Speisestromkreis der
Einspritzpumpe geschaltet, um die Einspritzung zu verhindern, bevor die Brennkraftmaschine
ihre normale Betriebstemperatur erreicht hat.
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Wie bereits ausgeführt, verhindert die Einspritzeinrichtung die Einströmung
von Wasser zur Einspritzdüse, wenn die Einspritzpumpe abgeschaltet ist. Um jedoch
auch das Einsickern oder Eintropfen von Wasser an der Düse bei stillstehender Maschine
zu verhindern, ist ein Reinigungssystem vorgesehen, welches die Düse und einen kurzen
Abschnitt des Zuführungskanals vor der Düse evakuiert, nachdem die Brennkraftmaschine
stillgesetzt ist.
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Dadurch wird das Einsickern von Wasser in die Brennkraftmaschine bei
deren Stillstand verhindert und gleichzeitig der schnelle Start der Einspritzung
beim nächsten Einspritzzyklus ermöglicht, denn es wird nur ein relativ kleines Volumen
evakuiert.
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Die Reinigungsanordnung umfaßt eine Reinigungspumpe, die durch ein
verzögert arbeitendes Relais gesteuert wird.
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Dieses wird wiederum betätigt, wenn der Zündschlüssel betätigt wird,
und die Reinigungspume wird nur für kurze
Intervalle in der Größenordnung
von 10 Sekunden immer dann betätigt, wenn die Brennkraftmaschine stillgesetzt wird.
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Die Reiigungspumpe ist an ihrer Eintrittsseite an einen T-Verbinder
angeschlossen, der in der Wasserzuführung kurz vor der Einspritzdüse angeordnet
ist. Sie zieht auf diese Weise das Wasser aus der Zuführung und der Einspritzdüse
und führt es zu dem Wasserbehälter zurück. Bei dem zu beschreibenden, unter Druck
arbeitenden System wird verhindert, daß das Wasser im übrigen Teil der Zuführung
an dem T-Verbinder vorbeiströmt, so daß es nicht in die Maschine einsickern kann
und jeglich Tendenz zur Korrosion minimal gehalten wird.
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Die Einspritzdüse selbst ist innerhalb des Luftfilters geneigt angeordnet
und richtet den Wasserstrahl abwärts in den Venturikanal des Vergasers, wenn das
Reinigungssystem vorgesehen ist. Ist dieses nicht vorgesehen, so kann gemäß einer
anderen Ausführungsform die Einspritzdüse steiler gegenüber der Vertikalen geneigt
sein, um das Eintropfen von Wasser auf die Drosselklappe des Vergasers zu verhindern
oder zu reduzieren.
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Die Einspritzdüse selbst ist so ausgebildet, daß sie einen Strahl
von Wassertröpfchen abgibt, nicht jedoch einen atomisierten oder verdampften Strahl.
Diese Einspritzung von Wassertröpfchen beschleunigt die Beseitigung von Kohlenstoffablagerungen
in solchen Brennkraftmaschinen, bei denen durch Betrieb ohne Wassereinspritzung
Ablagerungen dieser Art erzeugt wurden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstelluna eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, und Fig. 2 eine Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
bei dem die Einspritzdüse unter einem Winkel montiert ist, der die steile Lage gegenüber
der Horizontalen und damit die Neigung des Einsickerns von Wasser in die Brennkraftmaschine
verhindert, wenn kein Reinigungssystem vorgesehen ist.
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Die Wassereinspritzeinrichtung ist gemäß Fig. 1 einer Kolben-Brennkraftmaschine
10 zugeordnet, die Luft ansaugt, mit einer Drosselklappe 24 gesteuert wird und in
Fig. 1 nur teilweise dargestellt ist. Die Einspritzung erfolgt mittels einer Einspritzdüse
12, die in einem Luftfilter 14 montiert ist und unter einem Winkel von etwa 450
abwärts geneigt ist, so daß sie den Einspritzstrahl in den Vergaser 16 so einleitet,
daß er in den Venturikanal 18 eintritt und danach in den Innenraum 20 des Ansaugsystems
22 gelangt.
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Die Einspritzdüse 12 ist so ausgebildet, daß sie einen Strahl von
Wassertröpfchen und nicht einen fein zerstäubten bzw. atomisierten oder verdampften
Strahl erzeugt, wodurch eine schnellere Entfernung von Kohlenstoffablagerungen auftritt,
die bisher in den Brennkraftmaschinen unvermeidbar waren.
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Eine Düse dieser Art wird auch in Feuerlöschanlagen und für ähnliche
Zwecke verwendet. Ein handelsüblicher Typ ist beispielsweise das Modell 6471--A-400
der Firma Spraying Systems.
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Die Drosselklappe 24 ist unterhalb des Venturikanals 18 angeordnet
und bemißt die in die Brennkraftmaschine eingeführte Luft in bekannter Weise. Bei
Vergasermaschinen wird der Kraftstoff im vorgegebenen Mischverhältnis in die Luftströmung
mittels Bemessungsdüsen in gleichfalls bekannter Weise eingeführt.
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Die Erfindung kann auch bei anderen Arten der Kraftstoffzuführung
Anwendung finden, d.h. bei Einspritzmaschinen oder Maschinen mit Ladern, wenn eine
Luftzuführung vorgesehen ist, in die der Wasserstrahl eingeleitet werden kann.
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Gemäß der Erfindung tritt eine Einspritzung von Wasser nicht in allen
Betriebszuständen auf, sondern nur bei Feststellung eines eine erhöhte Naschinenbelastung
anzeigenden Drehmoments. Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend erläuterten Vorteile
auch bei einem solchen Teilbetrieb weitestgehend erzielt werden. Diese Betriebsart
ist in erster Linie erforderlich und erwünscht während solcher Betriebszustände,
in denen eine Neigung zum Klopfen auftritt, d.h. bei hoher Maschinenbelastung.
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Zur Steuerung der Wassereinspritzung ist eine Einspritzpumpe 26 vorgesehen,
die über eine Eintrittsleitung 28 von einem Behälter 30 mit Wasser gespeist wird.
Durch einen Teilzeitbetrieb kann ein relativ kleiner Behälter 30 ausreichen, der
beispielsweise für normale Betriebsbedingungen nur ca. 8 Liter fassen muß.
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Die Einrichtung wird nur dann betätigt, wenn die Einspritzpumpe 26
das von dem Behälter 30 erhaltene Wasser unter Druck setzt. Der Pumpenaustritt ist
mit der Einspritzdüse 12 über eine Leitung 32 verbunden, die infolge von Luftsperren
und durch die Querschnittsverengung an der Einspritzdüse
12 eine
Wasserströmung nur dann weiterleitet, wenn die Einspritzpumpe 26 eingeschaltet ist.
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Wenn die Einspritzpumpe 26 abgeschaltet ist, tritt auch keine Wassereinspritzung
auf.
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Ein Filter 34 kann in der Leitung 32 vorgesehen sein, um eine Verstopfung
an der Einspritzdüse 12 sowie den Eintritt von Fremdkörpern in diese oder in die
Brennkraftmaschine selbst zu verhindern.
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Um einen Betrieb der Einspritzpumpe 26 zu verhindern, wenn das Drehmoment
unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, ist eine Steuervorrichtung vorgesehen.
Diese Steuervorrichtung umfaßt einen Unterdruckschalter 36 handelsüblicher Ausführung,
der den Unterdruck über eine Zweigleitung 39 feststellt, die wiederum mit dem Innenraum
des Ansaugsystems 22 verbunden ist. Eine solche Steuervorrichtung ist beispielsweise
das Modell Sketch 101 von Borg-Warner.
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Bekanntlich ermöglicht eine solche Vorrichtung die Feststellung des
jeweils geforderten Drehmoments.
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Hierzu kann auch eine andere geeignete Vorrichtung vorgesehen sein,
beispielsweise eine mechanische, abhängig von der Drosselklappenstellung arbeitende
Gelenkvorrichtung. Der Unterdruckschalter 36 ist mit der Batterie 38 und dem Anschluß
40 der Einspritzpumpe in Reihe geschaltet.
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Die Einspritzpumpe 26 wird, wie bereits erläutert, elektrisch betrieben,
und kann beispielsweise von der Art sein, wie sie für Scheibenwaschanlagen verwendet
wird.
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Sie wird von der Batterie 38 dann gespeist, wenn die Steuerschaltung
sie mit ihr verbindet.
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Nur wenn der Unterdruckschalter 36 einen vorbestimmten Unterdruck
feststellt, wird eine Verbindungsleitung 42 mit der Batterie 38 verbunden. Es sind
ferner Masseleitungen 44 und 46 vorgesehen, die in an sich bekannter Weise geschaltet
sind.
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Gemäß einem zweiten wichtigen Merkmal der Erfindung ist innerhalb
der Steuervorrichtung eine temperaturabhängig arbeitende Anordnung vorgesehen, die
die Betätigung der Einspritzpumpe 26 und die Einleitung der Wassereinspritzung verhindert,
bevor die Brennkraftmaschine ihre normale Betriebstemperatur erreicht hat. Dadurch
werden Schwierigkeiten beim Anlassen vermieden und Korrosionseffekte verhindert,
die durch das Einspritzen von Wasser in eine kalte Brennkraftmaschine verursacht
werden könnten.
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Die temperaturabhängig arbeitende Vorrichtung ist vorteilhaft ein
temperaturabhängig arbeitendes Ventil 48, das in den modernen Brennkraftmaschinen
ohnehin vorhanden ist. Ein solches Ventil 48, das auch als PVS-Ventil bezeichnet
wird, ist im Kühlsystem der Brennkraftmaschine angeordnet und ragt mit einem Teil
in das Kühlwasser hinein, der in Fig. 1 bei 50 teilweise dargestellt ist.
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Das Ventil ist mit dem Ansaugunterdruck z.B. über eine Abzweigleitung
52 verbunden und wird mit einer weiteren Leitung 54 erst dann verbunden, wenn die
Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, die über das Kühlmittel festgestellt
wird, einen Wert entsprechend der normalen Betriebstemperatur erreicht hat.
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Ein temperaturabhängig arbeitender Unterdruckschalter 56
ist
mit seiner Unterdruckkammer an die Leitung 54 angeschlossen. Dieser Schalter 56
kann gleichfalls vom Typ Sketch 101 der Firma Borg-Warner sein und schließt seine
Kontakte bei Öffnung des Ventils 48, wenn die Brennkraftmaschine ihre normale Betriebstemperatur
erreicht hat.
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Dadurch wird der elektrische Stromkreis zwischen der Batterie 38 und
dem Anschluß 40 der Einspritzpume 26 über die Leitung 58 geschlossen und die Einspritzpumpe
26 eingeschaltet, so daß eine Wassereinspritzung erfolgt.
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Es ist also zu erkennen, daß die Einspritzung verhindert wird, wenn
nicht ein vorbestimmtes Drehmoment vorliegt und nicht die normale Betriebstemperatur
erreicht ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann auch die Neigung des
Wassereinsickerns über die Einspritzdüse 12 beseitigt werden. Eine Wasserströmung
ist bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung bei abgeschalteter Einspritzpumpe 26
am Austritt der Einspritzpumpe 12 nicht möglich. Es könnte jedoch ein gewisses Einsickern
und Abtropfen von Wasser auf die Drosselklappe 24 eintreten und möglicherweise Korrosion
verursachen.
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Diese Tendenz wird mit einer Reinigungsanordnung beseitigt, die einen
kurzen Abschnitt der Wasserzuführung in der Leitung 32 sowie in der Einspritzdüse
12 evakuiert.
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Eine solche Reinigungsanordnung umfaßt eine kleine, elektrisch betätigte
Reinigungspumpe 62 und eine Reinigungsleitung 64, die zu einem T-Verbinder 66 kurz
vor dem Zuführungsabschnitt 60 führt und an den Eintritt der Reinigungspumpe 62
angeschlossen ist. Der Austritt der
Reinigungspumpe 62 ist mit
einer Leitung 68 verbunden, die zum Wasserbehälter 30 führt.
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Wenn die Reinigungspumpe 62 eingeschaltet wird, so wird Wasser von
der Einspritzdüse 12 und dem kurzen Abschnitt 60 der Wasserzuführung abgesaugt und
in den Wasserbehälter 30 geführt. Dadurch kann das Wasser nicht mehr in die Brennkraftmaschine
einsickern, da es nicht an dem T-Verbinder 66 vorbeigelangt. Trotzdem ist nur ein
relativ kleines Wasservolumen erforderlich, um den Leitungsabschnitt 60 vor der
Einspritzdüse 12 wieder zu füllen, so daß die Einspritzung beim nächsten Einspritzzyklus
praktisch augenblicklich wieder beginnt.
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Zur Betätigung der Reinigungspumpe 62 innerhalb eines kurzen Reinigungszyklus
nach jedem Abschalten der Brennkraftmaschine ist eine Vorrichtung vorgesehen, die
beispielsweise für eine Zeit in der Größenordnung von 10 Sekunden wirksam wird.
Die entsprechende Steuerung erfolgt bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einem verzögert arbeitenden Relais 70, dessen Kontakte zwischen die Batterie
38 und die Speiseleitung 72 der Reinigungspumpe 62 geschaltet sind.
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Das Relais 70 ist beispielsweise das Modell 27-209 der Hoagland Company
und enthält zwei Kontakte, die in den Stromkreis so eingefügt sind, daß die Reinigungspumpe
62 eingeschaltet wird, nachdem der Zündschalter 74 ausgeschaltet ist. Das Relais
70 arbeitet so, daß bei Ausschalten des Zündungsschalters 74 ein heizbares Element
abgeschaltet wird, welches die Kontakte für eine vorbestimmte Zeit geschlossen hält,
bis es soweit abgekühlt ist, daß die Kontakte geöffnet werden. Eine solche Arbeitsweise
ist für sich bereits bekannt.
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Ist kein Reinigungssystem vorgesehen, so kann gemäß einem weiteren,
in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Einspritzdüse 12 mit einem größeren
Winkel gegenüber der Vertikalen geneigt sein, beispielsweise mit einem Winkel von
600, so daß das Eintropfen oder Einsickern von Wasser in den Venturikanal 18 minimal
gehalten wird.
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Sollte ein Einsickern auftreten, so wird das Wasser direkt auf die
Drosselklappe geleitet und gelangt somit direkt durch den Luftkanal des Vergasers
in den Innenraum des Ansaugsystems 22, wodurch gleichfalls Korrosionserscheinungen
minimal gehalten werden.
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Die Erfindung löst also die ihr gestellte Aufgabe zufriedenstellend
und unter geringstmöglichem Aufwand.
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Der Teilzeitbetrieb der Wassereinspritzung hält den Wasserverbrauch
minimal und ermöglicht doch die Nutzung der damit erzielbaren Vorteile, die in erster
Linie in einer Verringerung des Klopfens, in einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs
auch durch Vorverlequng des Zündzeitpunktes, in einer Verringerung der erforderlichen
Oktanzahl des Kraftstoffs, in einer Verringerung der Ausbildung von Stickoxyden,
in einer verringerten Betriebstemperatur und in geringeren Kohlenstoffablagerungen
an den Wänden der Brennkammern, an den Ventilen und den Zündkerzen bestehen. Alle
diese Effekte werden trotz des nur zeitweisen Betriebes der Wassereinspritzung praktisch
vollständig erzielt.
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Eine Einrichtung nach der Erfindung ist einfach, billig und mit handelsüblichen
Teilen aufgebaut, so daß sie bei relativ geringen Kosten hergestellt und ohne größere
Abänderungen der Brennkraftmaschine eingebaut bzw. nachgerüstet werden kann.
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Gleichzeitig können die Korrosionswirkungen der Wassereinspritzungen
beseitigt werden, in dem z.B. das zusätzliche Reinigungssystem vorgesehen wird.
Das Problem des schlechten Anlaufs der Maschine durch die Wassereinspritzung im
kalten Zustand ist durch die temperaturabhängig arbeitende Anordnung beseitigt,
die eine Wassereinspritzung verhindert, bevor die Brennkraftmaschine ihre normale
Betriebstemperatur erreicht hat.