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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur
Nachbehandlung von Abgasen, insbesondere von Abgasen von Brennkraftmaschinen,
beispielsweise im Automobilbereich, in der Energieerzeugung oder
in ähnlichen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik.
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Aus
derartigen Bereichen sind Techniken bekannt, bei welchen schadstoffvermindernde
Medien, insbesondere fluide Medien (beispielsweise Flüssigkeiten
oder Gase), in das Abgas eindosiert, beispielsweise eingesprüht,
werden. Dabei werden unterschiedliche Techniken und unterschiedliche
Arten von Medien eingesetzt, welche beispielsweise in
DE 10 2004 004 738 A1 beschrieben
sind. Ein wesentliches Anwendungsbeispiel, auf welches die vorliegende
Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist das Einsprühen
einer Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas von Dieselmotoren,
um den Anteil der Stickoxide (NO
x) im Abgas
zu vermindern. Dabei wird in einer Reduktionsreaktion das NO
x unter Bildung von Stickstoff und Wasser
zu N
2O reduziert. Auch andere Reduktionsmittel
und/oder Reduktionsmittel-Vorläufer (welche sich beispielsweise
erst im Abgas oder im Bereich des Abgases zum Reduktionsmittel umsetzen)
sind bekannt. Derartige Verfahren werden oft auch als SCR-Verfahren
(SCR: selektive catalytic reduction) bezeichnet. Durch die selektive
katalytische Reduktion werden beispielsweise Stickoxide mit hoher
Selektivität zu Stickstoff reduziert, wodurch die Stickoxidkonzentration
im Abgas deutlich verringert werden kann. Harnstoff-Wasser-Lösungen
als Beispiele für Reduktionsmittel sind beispielsweise
unter dem Markennamen „AdBlue" erhältlich. Durch
thermische Zersetzung des Harnstoffs entsteht aus dem Harnstoff
als Reduktionsmittel-Vorläufer das eigentliche Reduktionsmittel,
nämlich gasförmiges Ammoniak.
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Neben
Verfahren und Vorrichtungen, welche auf der Verwendung von Reduktionsmitteln
oder Reduktionsmittel-Vorläufern als schadstoffvermindernde
Medien basieren, sind auch andere Arten von schadstoffvermindernden
Medien bekannt. So wird beispielsweise, eben falls in
DE 10 2004 004 738 A1 , die
nachmotorische Erwärmung von Abgas durch Einspritzen von
Kraftstoff in den Abgasstrang beschrieben, wodurch die zur Regeneration
von nachgeschalteten Katalysatoren oder Dieselpartikelfiltern erforderlichen
Abgastemperaturen erreicht werden. Hierbei handelt es sich also
um ein Beispiel eines „indirekt" schadstoffvermindernden
Mediums, dessen Einbringung in das Abgas jedoch ebenfalls allgemein dem
Zweck der kurzfristigen, mittelfristigen oder langfristigen Schadstoffverminderung
dient. Zahlreiche andere Ausführungsbeispiele schadstoffvermindernder
Medien sind bekannt.
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Bei
bekannten Dosiervorrichtungen, wie beispielsweise der
DE 10 2004 004 738 A1 ,
wird in der Regel ein Dosiermodul verwendet, welches beispielsweise
ein Dosierventil zum Erzeugen eines Sprays, eines Strahls, eines
Nebels oder einer anderen Art von Strahl oder Wolke des schadstoffvermindernden
Mediums enthält. Das Dosiermodul kann beispielsweise mit
einem entsprechenden Tank zur Aufnahme des schadstoffvermindernden
Mediums verbunden sein, wobei sinngemäß auch mehrere schadstoffvermindernde
Medien in Kombination oder sequenziell verwendet werden können.
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Eine
Problematik besteht dabei in vielen Fällen darin, das schadstoffvermindernde
Medium möglichst optimal mit dem Abgas, welches durch ein
Strömungsrohr (beispielsweise einen Teil eines Abgasstrangs
einer Brennkraftmaschine) strömt, zu vermischen. In
DE 10 2004 004 738
A1 wird das Dosiermodul unmittelbar in das Strömungsrohr
eingebracht, wobei der Strahl des schadstoffvermindernden Mediums,
um eine bessere Verteilung im Abgas zu erzielen, auf ein Prallblech
gesprüht wird. Zusätzlich kann noch ein Mischer
in dem Strömungsrohr vorgesehen sein.
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Die
in
DE 10 2004
004 738 A1 beschriebene Durchmischung kann weiter dadurch
verbessert werden, dass das Dosiermodul, beispielsweise ein Dosierventil
des Dosiermoduls, mit einem Stutzen, beispielsweise einem trichterähnlichen
Stutzen, mit dem Strömungsrohr verbunden wird. Dieser Stutzen
kann beispielsweise an dem Strömungsrohr angebracht werden
oder unmittelbar in das Strömungsrohr integriert werden,
beispielsweise in einem Strömungsrohrsegment des Strömungsrohrs.
Ein Beispiel einer derartigen Anordnung mit einem Stutzen ist in
DE 10 2005 063 081
A1 offenbart. Der Stutzen wird beispielsweise unter einem
Winkel von 20 bis 60° relativ zu dem Strömungsrohr
geneigt, so dass ein zugeführter Sprühnebel unter
einem flachen Winkel zur Strömungsrichtung des Abgases
in das Strömungsrohr eintritt. Der Stutzen kann beispielsweise
zylinderförmig, konisch oder trichterförmig ausgestaltet sein,
beispielsweise mit einer sich hin zum Strömungsrohr verbreiternden Öffnung.
Die
DE 10 2005 063
081 A1 schlägt weiterhin optional die Verwen dung
von Oberflächenverdampfern und statischen Mischern zur
verbesserten Durchmischung des schadstoffvermindernden Mediums mit
dem Abgas vor.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Dosiervorrichtungen lassen jedoch
Raum für weitere Verbesserungen hinsichtlich der Durchmischung
des schadstoffvermindernden Mediums mit dem Abgas. So bildet sich
beispielsweise in
DE
10 2005 063 081 A1 durch das am trichterförmigen
Stutzen vorbeiströmende Abgas innerhalb des Stutzens eine
zirkulierende Strömung mit Wirbeln aus. Der Gasaustausch zwischen
dem Stutzen und dem Abgas ist dabei jedoch gering. Unter bestimmten
Randbedingungen kann es zudem im Stutzen und/oder am Dosiermodul zur
Bildung von Ablagerungen kommen. Durch derartige Ablagerungen beispielsweise
am Dosierventil des Dosiermoduls kann die Sprayaufbereitung beeinträchtigt
werden, und es kann teilweise zu Beeinträchtigungen der
Funktion des Dosiersystems kommen.
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Das
Spray des eindosierten schadstoffvermindernden Mediums sollte einen
möglichst hohen Verdampfungsgrad und eine möglichst
hohe Gleichverteilung erreichen. Die Zurückversetzung des
Dosiermoduls durch Verwendung eines zusätzlichen Stutzens
schützt zwar das Dosiermodul vor einer direkten Wärmeeinbringung
durch das Abgas. Nachteilig an der Verwendung des zurückgesetzten
Stutzens ist es jedoch, dass feine Tropfen durch die Sekundärströmung
im Stutzen abgelenkt werden können und beispielsweise auch
an den kälteren Wänden des Stutzens abgeschieden
werden können. So können sich beispielsweise unerwünschte
Nebenprodukte an den Stutzenwänden ausbilden. Beispielsweise
kann sich aus abgeschiedenem AdBlue kristalliner Harnstoff bilden,
bei heißeren Betriebspunkten auch Folgeprodukte.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Dosiervorrichtung zum Einbringen eines schadstoffvermindernden
Mediums in ein durch ein Strömungsrohr, insbesondere eines Abgasstrangs
einer Brennkraftmaschine, strömendes Abgas vorgeschlagen,
welches die Nachteile bekannter Dosiervorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet.
Die Dosiervorrichtung umfasst ein Dosiermodul zum Dosieren des schadstoffvermindernden Mediums.
Für die Ausgestaltung des Dosiermoduls und des schadstoffvermindernden
Mediums, wobei es sich beispielsweise um ein festes und/oder flüssiges
und/oder gasförmiges Medium oder um eine Kombination verschiedener
Medien handeln kann, kann weitgehend auf den oben beschriebenen
Stand der Technik, insbesondere die
DE 10 2005 063 081 A1 und
die
DE 10 2004
004 738 A1 verwiesen werden. Die Dosiervorrichtung kann
als montierbares Teil ausgestaltet sein, welches an dem Strömungsrohr
montiert werden kann, oder kann das Strömungsrohr oder
ein Strömungsrohrsegment umfassen, beispielsweise ähnlich
zur Ausgestaltung in der
DE 10 2005 063 081 A1 . Die Dosiervorrichtung
umfasst ein Dosiermodul und einen das Dosiermodul und das Strömungsrohr
verbindenden Stutzen. Daneben kann die Dosiervorrichtung weitere
Elemente umfassen. In der folgenden Beschreibung wird, ohne Beschränkung
weiterer möglicher Ausgestaltungen des schadstoffvermindernden
Mediums, davon ausgegangen, dass es sich bei dem schadstoffvermindernden
Medium um ein flüssiges oder gasförmiges Medium
handelt, insbesondere um ein flüssiges oder gasförmiges
Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittel-Vorläufer,
wie beispielsweise AdBlue.
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Zur
Optimierung des Gasaustausches zwischen dem Stutzen und dem Abgas
und der Verminderung der Bildung von Ablagerungen wurden Untersuchungen
durchgeführt und dabei als Ursache der genannten Problematiken
vor allem folgende Effekte identifiziert:
- – Umlenkung
und Ablagerung kleinster Tropfen durch induzierte Wirbel in dem
Stutzen
- – Kondensation von schadstoffverminderndem Medium oder
Folgeprodukten aus der Gasphase, insbesondere an den Stutzenwänden
- – Tropfen mit sehr großen Austrittswinkeln
aus dem Dosiermodul, insbesondere einem Dosierventil des Dosiermoduls,
treffen direkt auf einen Flansch der Dosiervorrichtung
- – flüssiges schadstoffverminderndes Medium setzt
sich an einer Düsenspitze des Dosiermoduls beim Öffnen
und Schließen eines Dosierventils fest.
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Unter
Berücksichtigung dieser Erkenntnis besteht ein wesentlicher
Gedanke der vorliegenden Erfindung darin, den Stutzen, welcher das
Dosiermodul und das Strömungsrohr verbindet (wobei sinngemäß auch
mehrere Stutzen vorgesehen sein können), durch ein Hilfsfluid
zu spülen. Eine derartige Spülung kann eine verbesserte
Durchmischung und eine Verminderung von Ablagerungen an der Stutzenwand
bedingen. Durch die Spülung wird beispielsweise die Ausbildung
eines Wirbels im Stutzen unterdrückt und das schadstoffvermindernde
Medium, insbesondere das flüssige und/oder gasförmige Reduktionsmittel
oder der Reduktionsmittel-Vorläufer, rasch aus dem Stutzen
abgeführt. Die Wahrscheinlichkeit der Ablagerung von flüssigem
oder gasförmigem Reduktionsmittel an der Wand des Stutzens
und somit die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Ablagerungsprodukten
werden somit vermindert.
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Dementsprechend
wird vorgeschlagen, dass die Dosiervorrichtung eine Spülvorrichtung
aufweist, welche eingerichtet ist, um einen den Stutzen zumindest
teilweise in Richtung des Strömungsrohres durchströmenden
Hilfsstrom des Hilfsfluids zu erzeugen. Unter ei fern „Hilfsfluid"
können dabei ein oder mehrere Fluide, das heißt
gasförmige und/oder flüssige Medien verstanden
werden. Insbesondere kann als Hilfsfluid das Abgas selbst verwendet
werden, also ein Teil des Abgases, welcher beispielsweise vom Hauptstrom
des Abgases abgezweigt wird. Alternativ oder zusätzlich
können als Hilfsfluid jedoch auch von dem Abgas verschiedene
Trägermedien verwendet werden, beispielsweise Druckluft,
Stickstoff, Frischluft oder ähnliches. Wird ein Teil des
Abgases abgezweigt und als Hilfsfluid verwendet, so kann dieser
Teil des Abgases beispielsweise aus einem Hochdruckteil des Abgasstrangs
abgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann
auch Abgas aus dem Strömungsrohr selbst verwendet werden,
beispielsweise Abgas, welches vor der Einmündung des Stutzens
der Dosiervorrichtung abgeführt wird. Verschiedene andere
Alternativen oder Kombinationen sind denkbar. Dabei sollte die Spülung
durch die Spülvorrichtung insbesondere derart erfolgen,
dass der Hilfsstrom des Hilfsfluids die Quergeschwindigkeiten des
schadstoffvermindernden Mediums im Stutzen verringert.
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Das
Hilfsfluid kann dem Stutzen beispielsweise über mindestens
eine Spülleitung zugeführt werden. Diese Spülleitung
kann insbesondere im oberen Bereich des Stutzens, also im Bereich
des Stutzens, welcher von der Mündung des Stutzens in das
Strömungsrohr entfernt angeordnet ist, beispielsweise im
ersten Drittel oder ersten Viertel des Stutzens, angeordnet sein.
Anstelle einer einzelnen Einmündung der Spülleitung
können auch eine Mehrzahl von Einmündungen vorgesehen
sein.
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Die
Spülleitung kann beispielsweise zumindest teilweise separat
von dem Stutzen ausgebildet sein, also beispielsweise ein Spülleitungsrohr
umfassen, welches getrennt von dem Stutzen ausgebildet ist und an
einer Mündungsstelle in den Stutzen mündet.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Spülleitung jedoch auch
ganz oder teilweise in dem Stutzen integriert sein. So ist es besonders
bevorzugt, wenn der Stutzen eine Innenschale aufweist, wobei die Spülleitung
zumindest teilweise in einem Zwischenraum zwischen dem Stutzen und
der Innenschale aufgenommen ist und/oder zumindest teilweise durch
den Zwischenraum zwischen dem Stutzen und der Innenschale gebildet
wird. Die Innenschale kann beispielsweise zylinderförmig
oder konisch ausgebildet sein und in den Stutzen eingebracht werden.
Unter einer Innenschale ist dabei ein Element zu verstehen, welches
die Innenwand des Stutzens zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig,
abdeckt. Insbesondere kann es sich hierbei um ein konisches oder zylinderförmiges
Schalenelement oder ein Segment eines derartigen Schalenelements
handeln. Eine segmentförmig ausgestaltete Innenschale kann
auch beispielsweise, wie unten aufgeführt, eine „Prallwand"
umfassen, welche lediglich einen Teil der Innenwand des Stutzens
abdeckt.
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Die
Verwendung mindestens einer Innenschale bietet weiterhin den Vorteil,
dass die Wandtemperatur in dem von dem schadstoffvermindernden Medium
durchströmten Bereich bei Beibehaltung der thermischen
Einsatzgrenze des Dosiermoduls und/oder der gesamten Dosiervorrichtung
erhöht werden kann. So kann die Innenschale beispielsweise
(zum Beispiel durch Verwendung entsprechender Isolierungen und/oder
Montagen und/oder stoffschlüssigen, kraftschlüssigen
oder formschlüssigen Verbindungen) zumindest teilweise
von dem restlichen Stutzen thermisch entkoppelt sein. Dabei kann die
Innenschale vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass das schadstoffvermindernde
Medium vollständig oder zumindest überwiegend
durch das Innere der Innenschale (das heißt nicht durch
den Zwischenraum zwischen Innenschale und Stutzen) strömt.
Die Innenschale dient somit gleichzeitig auch der Strömungsführung
des schadstoffvermindernden Mediums. Gleichzeitig schafft die Innenschale
einen thermisch getrennten Bereich zwischen dem eigentlichen Stutzen,
welcher mit dem Dosiermodul verbunden ist und welcher somit keiner
extremen thermischen Belastung ausgesetzt sein sollte, und dem vom
schadstoffvermindernden Medium durchströmten Innenbereich,
welcher zur Verminderung von Ablagerungen möglichst hoch
temperiert sein sollte. Auf diese Weise wird durch Verwendung der
Innenschale das Risiko der Ablagerungsbildung verringert. Die Verwendung
der Innenschale bietet sich also auch in dem Fall an, in welchem
der Zwischenraum zwischen dem Stutzen und der Innenschale nicht
zur Aufnahme der Spülleitung genutzt wird.
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Die
Innenschale kann insbesondere an der stromaufwärtigen Seite
des Stutzens, das heißt stromaufwärts hinsichtlich
der Hauptströmungsrichtung des Abgases in dem Strömungsrohr
bezüglich der Mündung des Stutzens in das Strömungsrohr,
in das Strömungsrohr hineinragen. Auf diese Weise kann
beispielsweise eine Verwirbelung an der Mündung des Stutzens
erfolgen und/oder es kann ein Teil des Abgases in einen Zwischenraum
zwischen dem Stutzen und der Innenschale abgelenkt werden, um als
Hilfsfluid zu fungieren. In der Nähe des Dosiermoduls kann
die Innenschale Öffnungen aufweisen, durch welche der Zwischenraum
mit dem Innenraum der Innenschale verbunden ist, so dass das Hilfsfluid in
das Innere der Innenschale eindringen und dort wiederum zum Strömungsrohr
zurückströmen kann. In einer Weiterentwicklung
kann das Dosiermodul mit einem Rohr oder einem Ansatz verbunden
sein, wobei das Rohr oder der Ansatz in den Stutzen hineinragen.
Im Bereich der Mündung des Rohres oder Ansatzes in den
Stutzen kann der Zwischenraum die besagte Öffnung aufweisen,
so dass das Hilfsfluid aus dem Zwischenraum in das Innere der Innenschale
einströmen und sich dort mit dem schadstoffvermindernden
Medium vermischen kann. Anschließend können die
Mischungen aus schadstoffverminderndem Medium und Hilfsfluid in
Richtung des Strömungsrohres strömen.
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Die
Innenschale kann allgemein auch Teil eines doppelwandigen Rohrs
sein. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Innenschale nicht nur
den Stutzen des Dosiermoduls ganz oder teilweise ausfüllen kann,
sondern auch einen Teil des Abgasrohrs. So kann beispielsweise die
Innenschale in das Strömungsrohr hineinragen und das Strömungsrohr
zumindest in einem Abschnitt des Strömungsrohres zumindest
partiell auskleiden. Zwischen der Innenschale und dem Strömungsrohr
kann dann zumindest in mindestens einem Bereich der bzw. ein Zwischenraum
ausgebildet sein. Die Innenschale kann dann beispielsweise durch
mindestens einen Flansch und/oder durch mindestens eine umlaufende
Befestigung mit dem als Außenschale fungierenden Strömungsrohr
bzw. Abgasrohr verbunden sein.
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Weiterhin
kann im Bereich des Zwischenraumes, in welchem ein doppelwandiges
Rohr mit der Innenschale ausgebildet ist, ein Wärmeübertrag
auf die Außenschale des doppelwandigen Rohres verbessert
werden. So kann beispielsweise das Außenrohr dort, wo es
die Innenschale überdeckt, auf der Innen- oder der Außenseite
mit Rippen oder Noppen zur Verbesserung des Wärmeübergangs
versehen werden. Beispielsweise können der Stutzen und/oder das
Strömungsrohr in dem Bereich des Zwischenraums zumindest
teilweise mit derartigen Rippen und/oder Noppen zur Verbesserung
eines Wärmeübertrags auf den Stutzen und/oder
das Strömungsrohr versehen sein. So können die
Temperatur des durchströmenden Abgases bzw. Spülgases
weiter gesenkt werden und eine Überhitzung des Dosierventils
vermieden werden.
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Wie
oben beschrieben, kann als Hilfsfluid insbesondere das Abgas selbst
eingesetzt werden. In diesem Fall kann beispielsweise die Spülleitung mit
dem Strömungsrohr verbunden sein und einen Einlauf hin
zum Strömungsrohr ausbilden. Die Spülleitung kann
dabei getrennt von dem Stutzen ausgebildet sein und/oder auch ganz
oder teilweise mit dem Stutzen verbunden oder in diesen integriert
sein. Abgas kann in die Spülleitung eindringen und von dem
Einlauf durch die Spülleitung hin zu einer Mündungsstelle
innerhalb des Stutzens strömen. Wie oben beschrieben, ist
diese Mündungsstelle vorzugsweise im Bereich der Verbindung
zwischen dem Dosiermodul und dem Stutzen angeordnet, beispielsweise
im ersten Drittel oder im ersten Viertel des Stutzens. Besonders
bevorzugt ist es dabei, wenn der Einlauf der Spülleitung
derart ausgestaltet ist, dass sich in diesem Bereich ein Staudruck
in dem Abgas ausbildet. Dieser Staudruck kann als „treibende Kraft"
für das Einströmen des Abgases als Hilfsfluid in
die Spülleitung und anschließend in den Stutzen dienen.
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Weiterhin
kann es von Vorteil sein, wenn in der Spülleitung mindestens
ein Ventil zur Steuerung des Zustroms des Hilfsfluids aufgenommen
ist. Auf diese Weise kann beispielsweise mittels des Ventils der
Zustrom des Hilfsfluids angepasst werden. Beispiels weise kann die
Dosiervorrichtung zusätzlich mindestens eine elektrische
Steuerung zur Ansteuerung des mindestens einen Ventils aufweisen.
Diese elektronische Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise
identisch mit einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors sein.
Alternativ oder zusätzlich können auch getrennte
elektronische Steuerungen verwendet werden. Die elektronische Steuerung
kann beispielsweise mindestens einen Mikrocomputer umfassen. Auch
andere Arten der Ausgestaltung der elektronischen Steuerung sind
jedoch denkbar. Insbesondere kann die Steuerung derart ausgestaltet
sein, dass diese das Ventil getaktet ansteuert. Alternativ oder
zusätzlich kann die Ansteuerung des Ventils auch an Betriebszustände
einer Brennkraftmaschine angepasst werden. Beispielsweise kann,
wie oben beschrieben, ein Regenerationsbetrieb mindestens eines
Katalysators vorgesehen sein, in welchem der Zustrom von Hilfsfluid und/oder
von schadstoffverminderndem Medium angepasst werden muss. Beispielsweise
kann dies zu einer Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang genutzt
werden, um einen Partikelfilter zu regenerieren. Die Steuerung zur
Steuerung des Ventils kann auch mit einer Steuerung des gesamten
Dosiermoduls verbunden sein, insbesondere ganz oder teilweise identisch
mit einer derartigen Steuerung der Dosiervorrichtung sein, so dass
insbesondere beispielsweise eine Steuerung eines Dosierventils der
Dosiervorrichtung mit der Steuerung des mindestens einen Ventils
synchronisiert und/oder gekoppelt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
dem Stand der Technik entsprechende Dosiervorrichtung;
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2 eine
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung mit einer separaten
Spülleitung;
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung mit einer teilweise in einen Stutzen integrierten
Spülleitung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung mit einer Spülvorrichtung mit einem separaten
Trägermedium als Hilfsfluid;
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5 eine
gegenüber 3 modifizierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung; und
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6 eine
weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtungen
gemäß den 3 und 5.
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Ausführungsformen
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In
1 ist
eine dem Stand der Technik entsprechende Dosiervorrichtung
110 schematisch
dargestellt. Beispielsweise kann diese Dosiervorrichtung zumindest
näherungsweise der Dosiervorrichtung gemäß der
DE 10 2005 063 081
A1 entsprechen.
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Die
Dosiervorrichtung
110 weist ein Dosiermodul
112 auf,
welches über einen als zurückgezogener Stutzen
ausgebildeten Stutzen
114 mit einem Strömungsrohr
116 verbunden
ist. Das Strömungsrohr
116 kann Bestandteil der
Dosiervorrichtung
110 sein oder kann separat von der Dosiervorrichtung
110 ausgebildet
sein. Wie in
DE
10 2005 063 081 A1 dargestellt, kann die Dosiervorrichtung
110 beispielsweise
in ein Segment des Strömungsrohrs
116 integriert
sein oder kann auf das Strömungsrohr
116 aufmontiert
werden. Durch das Strömungsrohr
116 strömt
ein Abgas mit einer Hauptströmungsrichtung
118.
Die Dosiervorrichtung
110 und der Stutzen
114 sind
unter einem Winkel α (Winkel zwischen der Haupt-Einspritzrichtung
und der Hauptströmungsrichtung
118) zum Strömungsrohr
116 angeordnet. Dieser
Winkel kann, wie oben beschrieben, beispielsweise zwischen 20 und
60° liegen, kann jedoch auch in einem anderen Bereich liegen,
beispielsweise zwischen 20° und 85°, insbesondere
zwischen 30° und 70°.
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Das
Dosiermodul
112 weist ein Dosierventil
120 auf,
welches für ein Einsprühen oder Einspritzen eines
schadstoffvermindernden Mediums
122 in das Abgas sorgt.
Das Dosierventil
120 ist in einem Kühlkörper
angebracht, welcher eine Mehrzahl von Kühlrippen
124 aufweist.
Durch diese Kühlrippen
124 wird Wärme,
welche durch das Abgas in das Dosierventil
120 eingetragen
wird, an die Umgebung abgeführt und so die Temperatur des
Dosierventils
120 gesenkt. Das Dosiermodul
112 weist
einen elektrischen Stecker
126 zur Ansteuerung des Dosierventils
120 und
einen Zulauf
128 zur Zuführung des schadstoffvermindernden
Mediums
122 zum Dosierventil
120 auf. Für
weitere Einzelheiten möglicher Ausgestaltungen des Dosiermoduls
112 und
der gesamten Dosiervorrichtung
110 kann auf die Beschreibung
des Standes der Technik, beispielsweise in
DE 10 2005 063 081 A1 ,
verwiesen werden.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausgestaltung der Dosiervorrichtung 110 gemäß dem
Stand der Technik mit dem zurückgezogenen Stutzen 114 wird durch
das Vorbeiströmen des Abgases an dem Stutzen 114 eine
Sekundärströmung 130 erzeugt bzw. induziert.
Diese Se kundärströmung 130 führt
zu einer Wirbelbildung im Inneren des Stutzens 114. Die
Sekundärströmung 130 weist somit eine
Querkomponente zum Spray des schadstoffvermindernden Mediums 122 auf,
welches im Fall eines fluiden beziehungsweise flüssigen
schadstoffvermindernden Mediums beispielsweise zum Austreiben kleiner
Tropfen mit Durchmessern von beispielsweise kleiner als 20 μm
führen kann. Diese Tropfen können zur Abscheidung
eines Films des schadstoffvermindernden Mediums an der im Vergleich
zum Abgas kühleren Innenwand 132 des Stutzens 114 führen.
Weiterhin kann die hohe Verweilzeit und Konzentration von gasförmigem
schadstoffverminderndem Medium 122 zu Kondensation an der
Innenwand des Stutzens 114 führen.
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In
den 2 bis 6 sind hingegen erfindungsgemäße
Weiterbildungen der Dosiervorrichtung 110, beispielsweise
der Dosiervorrichtung 110 gemäß 1,
dargestellt. Für die meisten Komponenten dieser Dosiervorrichtungen 110 gemäß der Erfindung
kann auf die Beschreibung der Dosiervorrichtung 110 in 1 verwiesen
werden. Auch andere Ausgestaltungen der Dosiervorrichtung 110 sind jedoch
möglich.
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Im
Gegensatz zu der in 1 gezeigten, dem Stand der Technik
entsprechenden Ausführung der Dosiervorrichtung 110 weist
die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 110 gemäß den 2 bis 6 eine
Spülvorrichtung 134 zur Spülung des Stutzens 114 mit
einem Hilfsfluid auf. Dabei zeigen die Ausführungsbeispiele
in den 2, 3, 5 und 6 Ausführungsformen,
bei welchen als Hilfsfluid das Abgas oder ein Teil des Abgases selbst
verwendet wird, wohingegen 4 ein Ausführungsbeispiel
zeigt, bei welchem ein separates Trägermedium (beispielsweise
Druckluft) als Hilfsfluid verwendet wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel der Dosiervorrichtung 110 in 2 wird
ein Teil des Abgasmassenstroms aus dem Strömungsrohr 116 über
einen Einlauf 136 in eine Spülleitung 138 eingeleitet
und über diese Spülleitung 138 zu einer
Mündungsstelle 140 im oberen Bereich des Stutzens 114 geführt.
Die Spülleitung 138 ist dabei in weiten Teilen
separat von dem Stutzen 114 ausgebildet. Der Einlauf ist
stromaufwärts des Stutzens 114 in dem Strömungsrohr 116 angeordnet
und derart ausgebildet, dass sich im Bereich des Einlaufs 136 ein
Staudruck des Abgases vor dem Einlauf 136 bildet.
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Durch
Einleiten des Abgases als Hilfsfluid in den Stutzen bildet sich
innerhalb des Stutzens 114 eine konvektive Strömung 142 innerhalb
des Stutzens 114 aus. Diese konvektive Strömung 142 ist
lediglich ein Beispiel eines Hilfsstroms des Hilfsfluids, welcher
grundsätzlich auch anders ausgestaltet sein kann, beispielsweise
als laminarer oder turbulenter Strom oder als Strom mit verschiedenen
Strömungsschichten, wobei jedoch stets insgesamt ein Massentransport
des Hilfsfluids hin zum Strömungsrohr 116 erfolgen
soll. Das schad stoffreduzierende Medium 122 tritt aus dem
Dosierventil 120 aus und wird, sei es beispielsweise in
flüssiger und/oder in gasförmiger Form, durch
die konvektive Strömung 142 rasch aus dem Stutzen 114 abtransportiert.
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Der
Massenstrom in der Spülleitung 138 kann über
deren Durchmesser d sowie die Ausformung des Einlaufs 136 für
den jeweiligen Massenstrombereich des Abgases, beispielsweise des
Abgases einer Brennkraftmaschine, so ausgelegt werden, dass eine
einwandfreie Funktion der Spülung sichergestellt ist. Hierbei
ist es vorteilhaft, den Staudruck des Abgases im Bereich des Einlaufs 136 auszunutzen.
Neben einer kontinuierlichen Spülung ist beispielsweise
auch eine getaktete Spülung denkbar, um den Eintrag von
Wärme in die Dosiervorrichtung 110 zu minimieren.
Hierfür kann ein zusätzliches Ventil 144 in
der Spülleitung 138 vorgesehen sein, welches in 2 angedeutet
ist. Dieses Ventil 144 kann beispielsweise mit einer Steuerung
(in 2 nicht dargestellt) verbunden sein. Diese Steuerung kann
beispielsweise eine Steuerung sein, welche auch die Dosiervorrichtung 110 beziehungsweise das
Dosiermodul 112 ansteuert und welche beispielsweise mit
dem in 1 dargestellten Stecker 126 verbunden
sein kann.
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In 2 ist
die Spülvorrichtung 134 derart ausgebildet, dass
deren Spülleitung 138 getrennt von dem Stutzen 114 ausgebildet
ist. Dass dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss, sondern
dass es vorteilhaft sein kann, die Spülleitung 138 ganz
oder teilweise mit dem Stutzen 114 zu integrieren, ist
beispielhaft in den Ausführungsbeispielen gemäß den 3, 5 und 6 dargestellt.
So weist bei dem Ausführungsbeispiel der Dosiervorrichtung 110 gemäß 3 die
Spülvorrichtung 134 auf der stromaufwärtigen
Seite des Stutzens 114 innerhalb des Stutzens 114 eine
Prallwand 146 auf. Diese Prallwand 146 ist gekrümmt
ausgebildet und ragt in das Strömungsrohr 116 hinein.
Zwischen der Prallwand 146 und der Wand des Strömungsrohrs 114 bildet
sich ein Zwischenraum 148 aus, welcher als Spülleitung 138 dient.
Am unteren Ende der Prallwand 146 ist eine Öffnung
innerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet, welche
den Einlauf 136 zur Spülleitung 138 darstellt.
An ihrem oberen Ende weist die Prallwand 146 eine Öffnung 150 auf,
durch welche das in den Zwischenraum 148 eingeströmte
Abgas ins Innere des Stutzens 114 einströmen kann,
um dort die konvektive Strömung 142 auszubilden.
Diese Öffnung 150 bildet somit gleichzeitig die
Mündungsstelle 140 der Spülleitung 138 aus.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel der Dosiervorrichtung 110 gemäß 3 ist
die Spülleitung 138 durch den Zwischenraum 148 zwischen
der Prallwand 146 und dem Stutzen 114 ausgebildet.
In Erweiterung dieses Prinzips kann die anströmseitige Prallwand 146 als
spezielles Beispiel einer Innenschale 152 ausgedehnt werden
zu einer vollständig umlaufenden Innenschale 152,
welche in dem Stutzen 114 aufgenommen ist. Zwei Ausführungsbeispiele einer
Dosiervorrichtung 110 mit einer derartigen Innenschale 152 sind
in den 5 und 6 dargestellt. Dabei weist in
den dargestellten Ausführungsbeispielen die Innenschale 152,
wie auch der Stutzen 114, eine konische, trichterförmige
Gestalt auf, so dass der (in den 5 und 6 nicht
dargestellte) Strahl des schadstoffvermindernden Mediums 152 innerhalb
des Stutzens 114 vollständig im Inneren der Innenschale 152 verläuft.
Auch andere Gestalten sind jedoch möglich, beispielsweise
zylinderförmige Ausgestaltungen und/oder Ausführungen
mit einem nicht-runden Querschnitt der Innenschale 152,
beispielsweise mit ovalem oder polygonalem Querschnitt, beispielsweise
rechteckigem und/oder quadratischem Querschnitt.
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Dabei
ist die Innenschale 152 in den dargestellten Ausführungsbeispielen
derart ausgestaltet, dass diese am stromaufwärtigen Ende
in das strömende Abgas im Strömungsrohr 116 hineinragt.
Die Vorderkante der Innenschale 152 bildet somit wiederum, ähnlich
zur Ausgestaltung in 3, eine Prallwand 146.
Zwischen der Prallwand 146 und der Wand des Strömungsrohrs 116 ist
im Bereich der Vorderkante wiederum ein Einlauf 136 ausgebildet, durch
welchen Abgas als Hilfsfluid 154 in den als Spülleitung 138 wirkenden
Zwischenraum 148 zwischen Innenschale 152 und
Stutzen 114 einströmen kann. Am oberen Ende der
Innenschale 152 ist mindestens eine, beispielsweise umlaufende
oder teilweise umlaufende, Öffnung 150 ausgebildet,
durch welche das Hilfsfluid 154 ins Innere der Innenschale 152 strömen
kann, um dort die konvektive Strömung 142 auszubilden,
welche das schadstoffvermindernde Medium 122 (in den 5 und 6 nicht
dargestellt) aus dem Stutzen 114 austreibt und in das Strömungsrohr 116 befördert.
Durch die in den 5 und 6 dargestellte
Anordnung wird also erreicht, dass ein Teilstrom des Abgases als
Hilfsfluid 154 in den Zwischenraum 148 zwischen
der Innenschale 152 und dem Stutzen 114 geleitet
wird. Durch die in die Strömung hineinragende Prallwand 146 der
Innenschale 152 wird ein Staudruck an dem Einlauf 136 gebildet,
welcher die Strömung des Hilfsfluids 154 vorantreibt.
Dabei ist die Prallwand 146 bei dem Ausführungsbeispiel
in 6 zusätzlich entgegen der Hauptströmungsrichtung 118 des
Abgases im Strömungsrohr 116 gebogen, so dass
eine Erhöhung des Staudrucks bewirkt wird. Dieser Teilstrom
des Abgases wird am oberen Ende der Innenschale 152 an
der Mündungsstelle 140 ins Innere der Innenschale 152 umgelenkt.
Diese Umlenkung kann optional zusätzlich dadurch verbessert
werden, dass in diesem Bereich Umlenkelemente vorgesehen sind. In den
in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen
dient jeweils ein Schweißstutzen 158 mit zur Öffnung 150 hin
abgeschrägten Kanten als Umlenkelement 156.
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Das
derart umgelenkte Abgas als Hilfsfluid 154 wird dadurch
ins Innere der Innenschale 152 umgelenkt. Dadurch wird
das Spray und/oder die Gasphase des schadstoffvermindernden Mediums 152 strömungsgeführt,
das heißt die Sekundärströmung innerhalb
des Stut zens 114 (Rezirkulation) wird durch das Ausblasen
mittels des Hilfsfluids 154 kompensiert. Querkomponenten
der Strömung in der Umgebung des Sprays werden reduziert.
Hierdurch wird die Abscheidung an der Stutzenwand des Stutzens 114 beziehungsweise
an der Innenseite der Innenschale 152 reduziert. Das Dosierventil 120 mündet
dabei bei den in den 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispielen in ein Rohr 160, welches als
Verlängerung eines Dosiermodulkonus 162 ausgebildet
ist. Dieses Rohr 160 ragt ins Innere der Innenschale 152 hinein
und ist von dem Schweißstutzen 158 umgeben. Auf
diese Weise wird das schadstoffvermindernde Medium 152 unmittelbar
in die konvektive Strömung 152 hineingesprüht.
Hierdurch werden die oben genannten Vorteile weiter verbessert,
das heißt die Ablagerungen an der Wand des Stutzens 114 und
der Innenschale 152 werden weiter vermindert und die Austragung
des Sprays und/oder gasförmigen schadstoffvermindernden
Mediums 152 aus dem Stutzen 114 wird weiter verbessert.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung der Innenschale 152 liegt
darin, dass diese Innenschale sich durch Minimierung der wärmeübertragenden Kontakte
(beispielsweise durch Verwendung minimal wärmeübertragender
Schweißstellen, durch Verwendung von thermischen Isolationen
oder ähnlichem) thermisch weitgehend von dem Stutzen 114 entkoppeln
lässt. Auf diese Weise kann die Innenschale 152 auf
erhöhter Temperatur gehalten werden, wohingegen der Stutzen 114 auf
einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten wird, um
das Dosiermodul 112 thermisch zu entlasten.
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Durch
Auslegung der Spaltmaße, das heißt durch geeignete
Auslegung des Einlaufs 136, der Dimensionierung des Zwischenraums 148 und
der Dimensionierung der Öffnung 150 ist eine solche
Anordnung optimal, bei welcher bei maximalen Betriebstemperaturen
(das heißt beispielsweise bei einer Regeneration eines
Dieselpartikelfilters) die Wandtemperatur im Bereich des Dosiermodul-Konus 162 und/oder
des Rohres 220°C (vorzugsweise 180°C) nicht überschreitet,
damit, bei Verwendung von Harnstofflösungen, die Bildung
von Ablagerungen aus festen Folgeprodukten vermieden wird. Derartige
Ablagerungen resultieren beispielsweise aus Harnstoffablagerungen,
welche in der Regel nicht vollständig zu vermeiden sind.
Bei zyklisch auftretenden Hochtemperaturen (beispielsweise wiederum
bei einer Regeneration eines Dieselpartikelfilters) sollte hingegen die
Wandtemperatur der Innenschale 152 innerhalb des Stutzens 114 zuverlässig
oberhalb von 350°C liegen, um dort eventuell entstandene
Ablagerungen wieder abzubauen. Mittels der in den 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiele, bei welchen die Innenschale 152 thermisch
weitgehend von dem Stutzen 114 entkoppelt ist, sind diese
Randbedingungen durch geeignete Dimensionierung des Zwischenraumes 148,
des Einlaufs 136 und der Öffnung 150 gut
erreichbar.
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Das
in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der
Innenschale 152 zeigt, im Vergleich zum Ausführungsbeispiel
in 5, dass die Spaltmaße des Zwischenraums 148 in
weiten Bereichen variiert werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel
in 6 wurde darauf geachtet, dass der stromaufwärts
gelegene Zwischenraum 148 (das heißt die „kurze"
Seite des Stutzens 114) mit einem dünneren Spaltmaß versehen
wurde als die lange Seite des Stutzens 114. Hierdurch kann
erreicht werden, dass heißes Abgas während einer
längeren Zeit in Kontakt mit der kühlen Außenwand
des Stutzens 114 steht, um so einen hohen thermischen Eintrag
in das Dosiermodul 112 zu verhindern.
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Die
in den 3, 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiele der Dosiervorrichtung 110 stellen
nur einige der möglichen Ausführungsformen dar,
bei welchen die Spülleitung 138 ganz oder teilweise
in den Stutzen 114 der Dosiervorrichtung 110 integriert
ist. Weiterhin stellen die Ausführungsbeispiele in den 5 und 6,
bei welchen die „Prallwand" 146 zu einer Innenschale 152 erweitert wurde,
welche die Innenwand des Stutzens ganz oder teilweise auskleidet,
wobei auch Öffnungen in der Innenschale 152 vorgesehen
sein können, lediglich Beispiele der möglichen
Ausgestaltung dieser Innenschale 152 dar.
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Bei
den in den 2, 3, 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispielen wird als Hilfsfluid 154 das
Abgas innerhalb des Strömungsrohrs 116 selbst
verwendet. Dies muss jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein.
So kann als Hilfsfluid 154 auch ein von dem Abgas verschiedenes
Trägermedium eingesetzt werden, beispielsweise Druckluft. Ein
derartiges Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt.
Hierbei ist eine Druckluftquelle 164 über eine Spülleitung 138 mit
dem Stutzen 114 verbunden. Die Spülleitung 138 mündet
wiederum im oberen Bereich des Stutzens 114, also nahe
der Mündungsstelle des Dosiermoduls 112 in den
Stutzen 114, in einer Mündungsstelle 150.
Wiederum kann beispielsweise in der Spülleitung 138 ein
Ventil 144 ausgebildet sein. Dieses Ventil kann, wie beispielsweise
auch die Druckluftquelle 164, optional wiederum auch mit
einer Steuerung verbunden werden, beispielsweise einer Steuerung,
welche auch das Dosiermodul 112 beziehungsweise die Dosiervorrichtung 110 ansteuert.
Die Spülung durch die Druckluft kann dabei beispielsweise
kontinuierlich oder gepulst betrieben werden oder wiederum auch
an Betriebszustände angepasst werden. Die Druckluft kann
auch zur Kühlung des Dosierventils 120 verwendet
werden. Die Druckluftquelle kann dabei verschiedenartig ausgestaltet
sein und kann beispielsweise einen Kompressor umfassen, kann jedoch
beispielsweise auch ohnehin in dem System verwendete Hochdruckkomponenten,
wie beispielsweise Kompressoren, einsetzen. Beispielsweise kann
Luft aus einem Frischluftsystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004004738
A1 [0002, 0003, 0004, 0005, 0006, 0009]
- - DE 102005063081 A1 [0006, 0006, 0007, 0009, 0009, 0030, 0031, 0032]