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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle,
deren Anodenseite mit einem Brennstoffzweig verbunden ist, über
welchen Brennstoff mittels einer im Brennstoffzweig angeordneten
Dosiereinheit an die Anodenseite dosiert zuführbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines
Brennstoffzellensystems in einer Kaltstartphase.
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Aus
der
DE 10 2005
047 972 A1 ist eine Anodeneinlasseinheit für ein
Brennstoffzellensystem bekannt. Das Brennstoffzellensystem umfasst
eine Wasserstoffquelle, einen Brennstoffzellenstapel und eine Wasserstoffeinlasseinheit,
die auf einen Wasserstoffdurchfluss von der Wasserstoffquelle anspricht
und einen gesteuerten Wasserdurchfluss von der Wasserstoffquelle
an den Brennstoffzellenstapel vorsieht, wobei die Einlasseinheit
zumindest einen Injektor mit einem Einschaltverhältnis
umfasst, das den Durchsatz zu dem Brennstoffzellenstapel festlegt.
Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem ein Ventil
zum Lenken einer Wasserstoffströmung an eine andere Komponente
in dem Brennstoffzellensystem, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
verschieden ist. Mit diesem Ventil kann der Wasserstoff an der Kathodenseite des
Stapels zur Mischung mit Luft geführt werden, um eine Verbrennung
in der Kathodenseite zum Aufheizen des Stapels beim Kaltstart vorzusehen.
Diese Vorgehensweise ist sehr aufwendig.
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Darüber
hinaus ist bekannt, dass bestimmte Komponenten des Brennstoffzellensystems
in einer Kaltstartphase mit erhöhtem Aufwand, beispielsweise
durch ein zusätzliches Heizelement, kaltstartfähig gemacht
werden müssen.
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Darüber
hinaus sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen auf der Anodenseite
zur Eindosierung des Wasserstoffs Strahlpumpen eingesetzt werden,
um den hohen Wasserstoffdruck des Tanksystems zur Rezirkulation
in der Anode der Brennstoffzelle einsetzen zu können. Kühlt
das Brennstoffzellensystem auf Temperaturen nahe oder unterhalb
der Nullgradgrenze ab, so können an oder in der Düse
der Strahlpumpe kleine Wassertropfen gefrieren die beim Neustart
den Durchfluss und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems
begrenzen. Wassertropfen an der Düse der Strahlpumpe sind besonders
kritisch, da diese direkt den engsten Querschnitt der Wasserstoffzuführung
und somit den Durchfluss begrenzen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
und ein Verfahren zu schaffen, mit welchem das Kaltstartverhalten
verbessert werden kann.
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Dieses
Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale
nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach
Anspruch 13 aufweist, gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst
zumindest eine Brennstoffzelle, deren Anodenseite mit einem Brennstoffzweig
verbunden ist, über welchen Brennstoff mittels einer im Brennstoffzweig
angeordneten Dosiereinheit an die Anodenseite zuführbar
ist. Vor der Dosiereinheit zweigt von dem Brennstoffzweig ein Kaltstartzweig ab,
welcher nach der Dosiereinheit in den Brennstoffzweig mündet
und zum Eindosieren von Wasserstoff in den Brennstoffzweig in einer
Kaltstartphase der Brennstoffzelle bei aufgrund von Flüssigkeitsausfrierungen
zumindest reduziertem Durchlassquerschnitt der Dosiereinheit ausgebildet
ist. Der Kaltstartzweig stellt somit insbesondere quasi einen Bypass
zur Dosiereinheit in dem Brennstoffzweig dar und ermöglicht
somit insbesondere bei einem zumindest teilweise zugefrorenen Durchlass
der Dosiereinheit das spezifische Zuführen von Brennstoff
an die Brennstoffzelle. Das Kaltstartverhalten kann dadurch wesentlich
verbessert werden.
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Das
Abzweigen des Kaltstartzweiges von dem Brennstoffzweig kann einerseits
derart erfolgen, dass zwischen dem Brennstoffbehälter und
der Dosiereinheit eine Leitung angeordnet ist, von welcher der Kaltstartzweig
abzweigt. Unter einem Abzweigen des Kaltstartzweigs von dem Brennstoffzweig
wird jedoch auch eine Ausführung verstanden, bei der direkt vom
Brennstoffbehälter der Kaltstartzweig weggeführt
ist. Prinzipiell ist der Brennstoffbehälter dem Brennstoffzweig
zugeordnet, so dass auch diese genannte Ausführung unter
der Formulierung, dass der Kaltstartzweig vor der Dosiereinheit
von dem Brennstoffzweig abzweigt, darunter zu verstehen ist.
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Zusätzliche
Heizelemente und dergleichen sind bei dieser Ausführung
somit nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus kann durch
diesen Kaltstartzweig die erforderliche Brennstoffzuführung
schneller und exakter erfolgen, als dies bei einer Ausführung
der Fall ist, bei der die Dosiereinheit zunächst über
Heizelemente aufgeheizt werden muss.
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Vorzugsweise
ist in den Kaltstartzweigen eine Kaltstarteinheit zur Dosierung
des Wasserstoffs angeordnet. Die Zuführung des Wasserstoffs über den
Kaltstartzweig kann dadurch nochmals verbessert und präzisiert
werden.
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Vorzugsweise
weist die Kaltstarteinheit einen größeren Durchlassquerschnitt
als die Dosiereinheit auf. Gerade durch diese Ausgestaltung kann in
besonders bevorzugter Weise auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen
stets ermöglicht werden, dass Brennstoff über
den Kaltstartzweig der Brennstoffzelle zugeführt werden
kann. Ein Zufrieren der Kaltstarteinheit kann somit quasi auch bei
sehr tiefen Temperaturen vermieden werden.
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Vorzugsweise
ist der Kaltstartzweig, insbesondere die Kaltstarteinheit, nur in
der Kaltstartphase zum Durchlass des Brennstoffs freigegeben. Es
wird somit eine Komponente des Brennstoffzellensystems bereitgestellt,
welche betriebsphasenspezifisch aktiviert ist und somit im Normalbetrieb
des Brennstoffzellensystems nicht benötigt wird. Da diese
Komponente somit für den normalen Betrieb nicht ausgelegt werden
muss, kann sie speziell für den Kaltstart ausgelegt werden.
Dies kann beispielsweise insbesondere durch den bereits genannten
größeren Durchlassquerschnitt im Vergleich zur
Dosiereinheit in relativ einfach und aufwandsarmer Weise erreicht
werden. Darüber hinaus kann durch die Ausgestaltung, dass
der Kaltstartzweig und insbesondere die Kaltstarteinheit nur in
der Kaltstartphase zum Durchlass von Brennstoff freigegeben ist,
auch verhindert werden, dass eine unerwünschte Wasseransammlung
in dem Kaltstartzweig in relativ großer Menge gegeben ist,
welche dann auch wieder bei tiefen Temperaturen ausfrieren könnte.
Dies kann durch diese spezifische Ausführung verhindert
werden, so dass die volle Einsetzbarkeit des Kaltstartzweigs stets
gegeben ist.
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Vorzugsweise
ist der Kaltstartzweig und insbesondere die Kaltstarteinheit ohne
eine Strahlpumpe ausgeführt und darüber hinaus
vorzugsweise mit einem entsprechend großen Durchlassquerschnitt versehen,
so dass für jeden Kaltstart der erforderliche Brennstoff
zur Verfügung gestellt werden kann.
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Vorzugsweise
ist die Kaltstarteinheit ein Ventil. Durch diese Ausgestaltung kann
ein relativ einfaches und bauraumsparendes Teil bereitgestellt werden,
welches darüber hinaus funktionszuverlässig ist.
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Vorzugsweise
mündet der Kaltstartzweig in Strömungsrichtung
des Brennstoffs vor der Brennstoffzelle in den Brennstoffzweig.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass der Kaltstartzweig in Strömungsrichtung
des Brennstoffs nach einer Einmündung eines dem Brennstoffzweig zugeordneten
Rezirkulationszweigs der Anodenseite in eine Zuführleitung
des Brennstoffzweigs und in Strömungsrichtung des Brennstoffs
vor der Brennstoffzelle in die Zuführleitung mündet.
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In
einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass der
Kaltstartzweig in Strömungsrichtung des Brennstoffs nach
der Brennstoffzelle in den Brennstoffzweig mündet.
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Ebenso
ist es möglich, dass der Kaltstartzweig in den Rezirkulationszweig
der Anodenseite mündet.
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In
besonders bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass der Kaltstartzweig
in Strömungsrichtung des Brennstoffes nach einem Abscheider
in den Rezirkulationszweig oder in die Zuführleitung des Brennstoffzweigs
mündet. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, da nach
dem Abscheider üblicherweise die geringste Menge an Flüssigwasser
vorliegt.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass der Kaltstartzweig, insbesondere
die Kaltstarteinheit, an eine in der Kaltstartphase temperaturbeaufschlagbare
Komponente gekoppelt ist. Bei einer derartigen Ausführung
ist es nicht mehr erforderlich, dass expliziert ein Ventil als Kaltstarteinheit
vorgesehen ist. Die Kaltstarteinheit kann sich somit konstruktiv
auch von einem Ventil unterscheiden, wobei diesbezüglich
ein anderes Ventilprinzip oder aber auch eine Heizvorrichtung vorgesehen
sein kann. Insbesondere kann auch eine thermische Kopplung an die
Brennstoffzelle selbst vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
ist die über den Kaltstartzweig zugeführte Menge
von Brennstoff abhängig von der aufgrund der Reduzierung
des Durchlassquerschnitts über die Dosiereinheit zuführbare
Menge von Brennstoff. Insbesondere ist dies abhängig von der
momentan maximal zuführbaren Menge von Brennstoff durch
die Dosiereinheit. Durch diese Ausgestaltung kann somit eine sehr
präzise Mengendosierung durch den Kaltstartzweig ermöglich
werden, welcher in der Kaltstartphase nahezu zu jedem Zeitpunkt
entsprechend dosiert ist. Das Zuführen von zuviel oder
zuwenig Brennstoff über den Kaltstartzweig kann somit verhindert
werden. Bei fortgeschrittener Kaltstartphase und zumindest bereichsweise
wieder aufgetautem Durchlassquerschnitt der Dosiereinheit, was eine
größere Durchflussmenge von Brennstoff zur Folge
hat, kann abhängig davon dann die Brennstoffmenge durch
den Kaltstartzweig verändert, insbesondere reduziert werden.
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Die
Dosiereinheit kann auch direkt an der Einmündung des Rezirkulationszweigs
in den Brennstoffzweig angeordnet sein.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten
eines Brennstoffzellensystems in einer Kaltstartphase wird in der
Kaltstartphase bei einem aufgrund einer Flüssigkeitsausfrierung
zumindest reduzierten Durchlassquerschnitt einer in einem Brennstoffzweig,
welcher mit der Anodenseite einer Brennstoffzelle verbunden ist,
angeordneten Dosiereinheit zum dosierten Zuführen des Brennstoffs
zur Anodenseite über einen vor der Dosiereinheit von dem Brennstoffzweig
abzweigenden und nach der Dosiereinheit in den Brennstoffzweig mündenden
Kaltstartzweig Brennstoff in den Brennstoffzweig zugeführt. Das Kaltstartverhalten
der Brennstoffzelle kann dadurch wesentlich verbessert werden. Auch
bei zumindest teilweise zugefrorener Dosiereinheit kann somit stets
eine ausreichende Menge Brennstoff an die Brennstoffzelle geleitet
werden.
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Vorzugsweise
wird der Kaltstartzweig nur in der Kaltstartphase zum Zuführen
von Brennstoff freigegeben. Diese spezifische Betriebsart ermöglicht somit
einen optimalen Einsatz des Kaltstartzweigs und verhindert darüber
hinaus das Ansammeln von unerwünschtem Wasswer in dem Kaltstartzweig,
welches im abgestellten Zustand des Systems bei tiefen Umgebungstemperaturen
zum Einfrieren führen würde.
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Vorzugsweise
wird der über den Kaltstartzweig zugeführte Brennstoff
in Strömungsrichtung des Brennstoffs nach einem Abschalten
des Brennstoffzweigs in einen Rezirkulationszweig der Anodenseite
oder eine Abgasleitung des Brennstoffzweigs eingeleitet.
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Vorzugsweise
wird die über den Kaltstartzweig zugeführte Menge
von Brennstoff abhängig von der aufgrund der Reduzierung
des Durchlassquerschnitts über die Dosiereinheit zuführbaren
Menge von Brennstoff dosiert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens anzusehen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgen anhand einer schematische Zeichnung näher
erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei ein schematisch
dargestelltes Brennstoffzellensystem.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist als mobiles Brennstoffzellensystem
ausgebildet und zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2,
insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger
Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle
vorzugsweise ausgebildet ist.
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Die
Brennstoffzelle 2 umfasst eine Kathodenseite 3,
welche durch eine Membran 5 von einer Anodenseite 4 separiert
ist.
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Darüber
hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzweig 6,
der einen Behälter 7 aufweist, in dem Wasserstoff
oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Brennstoff enthalten ist. Darüber
hinaus umfasst der Brennstoffzweig 6 eine Dosiereinheit 8,
welche im Ausführungsbeispiel parallel geschaltete Komponenten 9 und 10 in
Form von Ventilen aufweist, welche zur Durchflussdruckregelung vorgesehen
sind. Die Dosiereinheit 8 ist vorzugsweise als Strahlpumpe
ausgebildet.
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Der
Brennstoffzweig 6 umfasst eine von dem Behälter 7 zur
Anodenseite 4 führende Zuführleitung 15 sowie
eine von der Anodenseite 4 wegführende Abgasleitung 13.
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Darüber
hinaus umfasst der Brennstoffzweig 6 einen Rezirkulationszweig 11 der
Anodenseite 4. Der Rezirkulationszweig 11 zweigt
an der Abzweigung 12 von der Abgasleitung 13 weg
und mündet an der Einmündung 14 in die
Zuführleitung 15. In dem Rezirkulationszweig 11 ist
ein Abscheider 16 sowie ein dem nachgeordnetes Gebläse 17 angeordnet. Die
Dosiereinheit kann auch direkt an der Einmündung 14 angeordnet
sein.
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Von
dem Brennstoffzweig 6 zweigt in Strömungsrichtung
des Brennstoffs vor der Dosiereinheit 8 ein Kaltstartzweig 18 ab.
Im Ausführungsbeispiel ist dazu vorgesehen, dass der Kaltstartzweig 18 zwischen
dem Behälter 7 und der Dosiereinheit 8 an
der Abzweigung 19 von der Zuführleitung 15 abzweigt. Es
kann auch vorgesehen sein, dass der Kaltstartzweig 18 direkt
von dem Behälter 7 abzweigt (gestrichelte Linie).
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In
einer ersten Ausführung ist vorgesehen, dass der Kaltstartzweig 18 an
einer Einmündung 20 in die Zuführleitung 15 einmündet.
Die Einmündung 20 ist somit in Strömungsrichtung
des Brennstoffs nach der Dosiereinheit 8 und vor der Anodenseite 4 und
somit auch vor der Brennstoffzelle 2.
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In
einer weiteren Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass
der Kaltstartzweig 18 nach der Brennstoffzelle 2 in
den Brennstoffzweig 6 (gestrichelte Linie) mündet.
Bei einer derartigen Ausführung kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass die Einmündung 21 nach der Anodenseite 4 vorgesehen ist,
welche in die Abgasleitung 13 mündet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass der Kaltstartzweig 18 gemäß der
gestrichelten Alternativdarstellung in den Rezirkulationszweig 11 an
der Einmündung 22 einmündet. Insbesondere
ist dies an einer Stelle vorgesehen, welche nach dem Abscheider 16 ausgebildet ist.
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Prinzipiell
kann auch vorgesehen sein, dass der Abscheider 16 in der
Abgasleitung 13 angeordnet ist und die Einmündung 22 dann
in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abscheider 16 in
die Abgasleitung 13 mündet.
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Der
Kaltstartzweig 18 umfasst im Ausführungsbeispiel
eine Kaltstarteinheit 23, welche in einfacher Weise als
Ventil ausgebildet sein kann. Die Kaltstarteinheit 23 weist
einen im Vergleich zu den Komponenten 9 und 10 größeren
Durchlassquerschnitt auf.
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Der
Kaltstartzweig 18 ist lediglich während der Kaltstartphase
des Brennstoffzellensystems 1 freigegeben, und es kann
somit nur in dieser Kaltstartphase Brennstoff von dem Behälter 7 über
den Kaltstartzweig 18 zur Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 geleitet
werden. Insbesondere ist dies nur dann der Fall, wenn die Durchlassquerschnitte
der Komponenten 9 und 10 zumindest teilweises
aufgrund von Flüssigkeitsausfrierungen reduziert sind und
somit die Brennstoffzuführung über die Dosiereinheit 8 dieser
Kaltstartphase zur Anodenseite 4 eingeschränkt
oder verhindert ist.
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Selbstverständlich
kann der Kaltstartzweig 18 mehrere Kaltstarteinheiten 23 umfassen,
welche dann auch wiederum vorzugsweise parallel zueinander geschaltet
sein können. Neben einer Ausgestaltung der Kaltstarteinheit 23 als
einfaches Ventil kann auch ein Heizelement vorgesehen sein. Ebenso
kann vorgesehen sein, dass der Kaltstartzweig 18 an eine in
der Kaltstartphase temperaturbeaufschlagbare Komponente des Brennstoffzellensystems 1 thermisch
gekoppelt ist. Insbesondere kann hier auch eine thermische Kopplung
an die Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein.
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Darüber
hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Dosiereinheit 8 mit
zumindest einem Heizelement gekoppelt ist, welches zur Temperaturbeaufschlagung
besonders in der Kaltstartphase für die Dosiereinheit 8 vorgesehen
ist, und somit bei zumindest teilweise zugefrorenen Komponenten 9 und 10 zum
Auftauen für diese vorgesehen ist.
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In
der Kaltstartphase kann vorgesehen sein, dass die Zuführung
von Brennstoff zur Anodenseite 4 über den Kaltstartzweig 18 solange
erfolgt, bis die Brennstoffzelle 2 bzw. das Brennstoffzellensystem 1 gestartet
ist und/oder die Dosiereinheit 8 zur ausreichenden Zuführung
von Brennstoff zur Anodenseite 4 aufgetaut ist.
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Kathodenseite
- 4
- Anodenseite
- 5
- Membran
- 6
- Brennstoffzweig
- 7
- Behälter
- 8
- Dosiereinheit
- 9,
10
- Komponenten
- 11
- Rezirkulationszweig
- 12,
19
- Abzweigung
- 13
- Abgasleitung
- 14,
20, 21, 22
- Einmündung
- 15
- Zuführleitung
- 16
- Abscheider
- 17
- Gebläse
- 18
- Kaltstartzweig
- 23
- Kaltstarteinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005047972
A1 [0002]