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Stand der Technik
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Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, insbesondere mit Dieselmotoren, müssen aufgrund der gesetzlichen Abgasgrenzwerte unter anderem Luftschadstoffe, wie zum Beispiel Stickoxide (NOx), immer mehr reduziert werden. Ein weit verbreitetes Verfahren, das hierbei zum Einsatz kommt, ist das so genannte ”SCR”-Verfahren (”Selective Catalytic Reduction”). Hierbei wird während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein flüssiges Reduktionsmittel mithilfe einer Pumpe aus einem Vorratsbehälter zu einer Düse im Bereich eines in den rohrförmigen Abgasstrang integrierten Katalysators gefördert. Als Reduktionsmittel findet in der Regel eine ca. 32,5%-ige Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Handelsnamen ”AdBlue®” Verwendung. Die Effektivität des ”SCR”-Verfahrens hängt unter anderem von der Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom, einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit und einer homogenen Temperaturverteilung im Bereich des Katalysators ab. Das Reduktionsmittel kann sich thermisch zu CO2 und NH3 zersetzen, wobei das Ammoniak zur katalytischen Reduktion von NOx zu N2 benötigt wird. Im Zuge der Thermolyse des Harnstoffes entsteht eine Vielzahl von festen und gasförmigen Reaktionsprodukten, deren Entstehung und Zerfall unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Insbesondere die festen Reaktionsprodukte führen zu Ablagerungen, die die Funktionsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage, insbesondere durch Querschnittsveränderungen, langfristig beeinträchtigen.
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Zur Verringerung weiterer Luftschadstoffe, zum Beispiel in der Form mikroskopisch kleiner Rußpartikel oder dergleichen, werden in modernen Abgasreinigungssystemen von Kraftfahrzeugen oftmals auch Feinstofffilter, insbesondere so genannte Dieselpartikelfilter (”DPF”), eingesetzt, die im allgemeinen dem Katalysator vorgeschaltet sind. Im Betrieb setzen sich die Dieselpartikelfilter zunehmend mit Feinstoffpartikeln zu, wodurch der Strömungswiderstand ansteigt, der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors abnimmt und die Reinigungswirkung nicht mehr in vollem Umfang gegeben ist. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich die feinen Schadstoffpartikel in den Filterzellen in festgelegten Abständen abzubrennen. Zu diesem Zweck wird die Temperatur im Bereich des Dieselpartikelfilters bis auf ca. 600° erhöht, wodurch die im Partikelfilter ablagerten Rußpartikel ”abgebrannt” werden. Die für die thermische Zersetzung der Rußpartikel erforderliche Temperatur kann beispielsweise durch chemische Brenner und/oder elektrische Heizeinrichtungen erzeugt werden. Die im Bereich des Dieselpartikelfilters beim Abbrennen bzw. der so genannten ”thermischen Regeneration” herrschenden hohen Temperaturen bewirken zugleich einen Abbau von Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. einen Abbau der Reaktionsprodukte desselben. Problematisch sind Abgasreinigungssysteme, bei denen zwar ein Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden vorgesehen ist, bei denen aber kein Feinstofffilter, insbesondere kein Dieselpartikelfilter, vorgesehen bzw. zur Einhaltung der einschlägigen gesetzlichen Abgasnormen notwendig ist. In einer solchen Konstellation besteht keine Möglichkeit, den Bereich vor dem Katalysator von etwaigen Ablagerungen des Reduktionsmittels zu befreien.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abgasreinigungssystem für Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere mit einem Dieselmotor, ohne Feinstaub- bzw. Feinpartikelfilter zu schaffen, bei dem dennoch eine Möglichkeit zur Reduktion von Ablagerungen des Reduktionsmittels im Bereich des Katalysators gegeben ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Vorrichtung zur Reduktion von Luftschadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugdieselmotors, mithilfe eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, offenbart, wobei das Reduktionsmittel mittels einer Düse im Bereich einer Aufweitung eines Rohrabschnittes einsprühbar ist und der Aufweitung ein Katalysator nachgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Aufweitung mindestens eine Heizeinrichtung angeordnet, um Ablagerungen des Reduktionsmittels und/oder Ablagerungen von Reaktionsprodukten des Reduktionsmittels thermisch abzubauen.
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Die Heizeinrichtung ermöglicht es, die sich bevorzugt im Bereich des Rohrabschnittes ablagernden Reste des Reduktionsmittels bzw. dessen Reaktionsprodukte in vorgegebenen Zeitintervallen thermisch zu zersetzen. Hierdurch wird eine einwandfreie Funktion der Vorrichtung zur Reduktion von Luftschadstoffen über die gesamte Betriebsdauer des Kraftfahrzeugs erreicht.
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Im Fall einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung ist die mindestens eine Heizeinrichtung mit mindestens einer Heizwendel gebildet, die vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors durchströmt bzw. umströmt wird.
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Dies ermöglicht zum einen ein kontrolliertes Abbrennen von Rückständen des Reduktionsmittels und zugleich eine Feinvermischung des eingespritzten Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom. Infolge der Wirkung der Heizwendel werden feinste Verwirbelungen im Abgasstrom generiert, die zu einer optimalen Konzentrations- und Temperaturverteilung des eingespritzten Reduktionsmittels im Abgasstrom und damit zu einer hoch effektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Katalysator führen. Ein zusätzlicher Feinmischer vor dem Katalysator ist bei dieser Ausführung nicht notwendig, da die Feinmischung bereits durch die Heizwendel bewirkt wird.
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Mittels der Heizwendel im Bereich der Aufweitung ist eine Temperatur von bis zu 650°C erzeugbar, um die Ablagerungen des Reduktionsmittels und dessen Zersetzungsprodukte möglichst rückstandsfrei zu entfernen. Die mittels der Heizwendel erzeugbaren Temperaturen im Bereich der Aufweitung des Rohrabschnittes liegen in einem Bereich, der auch bei der thermischen Regeneration von Dieselpartikelfiltern auftritt. Somit ist eine zuverlässige Beseitigung der Ablagerungen im Abgasrohr sichergestellt.
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Eine vorteilhafte Fortbildung sieht vor, dass die mindestens eine Heizwendel elektrisch betrieben ist. Hierdurch ist eine präzise Temperierung und Regelung möglich, die bevorzugt unter der Kontrolle einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung erfolgt, die für die Motor- und/oder Abgassystemsteuerung zuständig ist.
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Das Reduktionsmittel wird bevorzugt im Bereich der Heizwendel in den Abgasstrom eingespritzt, um eine optimale Wirbelbildung zu erzielen.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Heizeinrichtung mit mindestens einer Heizmatte gebildet, die im Bereich der Aufweitung angeordnet ist, wobei im Bereich der Aufweitung ein Feinmischer vorgesehen ist.
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Die Heizmatten sind bevorzugt gleichmäßig verteilt außenseitig an der Aufweitung des Rohrabschnittes des Abgasreinigungssystems positioniert. Als Heizmatten kommen beliebige beheizbare Flächengebilde, wie zum Beispiel Heizfolien, Flächenheizdrähte oder lineare Heizdrähte zum Einsatz. In der Regel sind mehrere miteinander elektrisch verschaltete Heizmatten vorzusehen, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeerzeugung sicherzustellen. In dieser Konstellation ist jedoch ein zusätzlicher Feinmischer erforderlich, um die kleinen (Mikro-)Wirbel im Abgasstrom zu erzeugen, die zur Optimierung der katalytischen Stickstoffreduktion im Katalysator während des ”SCR”-Verfahrens notwendig sind. Der Feinmischer ist bevorzugt in einem geringen Abstand vor dem Katalysator im Abgasrohr angeordnet und verfügt im Allgemeinen über dieselbe Querschnittsfläche bzw. denselben Durchmesser wie der Katalysator selbst. Der Feinmischer kann zum Beispiel mit einer gesinterten Metallplatte, einem feinen Drahtnetz, einem Drahtgewebe, einem retikulierten, offenporigen Metallschaum und/oder einem offenporigen Keramikschaum gebildet sein. Entscheidend ist eine hinreichende Temperaturfestigkeit des für den Feinmischer eingesetzten Materials.
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Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Heizmatte elektrisch betrieben ist und das Reduktionsmittel im Bereich der Aufweitung und/oder des Feinmischers in den Abgasstrom eingespritzt wird.
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Dadurch, dass das Reduktionsmittel im Bereich vor dem Feinmischer in den Abgasstrom eingedüst wird, ergibt sich eine optimale Verwirbelung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom. Hierdurch stellt sich eine optimale Gleichverteilung der Temperatur, der Konzentration und der Strömungsgeschwindigkeit des im Abgasstrom feinstverteilten Reduktionsmittels ein, so dass der im Katalysator ablaufende Reduktionsprozess zur Verminderung der Stickoxide in allen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors unter idealen Randbedingungen abläuft. Die elektrisch betriebenen Heizmatten vereinfachen darüber hinaus die Steuerung und/oder Regelung der zur zuverlässigen Beseitigung der Ablagerungen erforderlichen Temperatur im Bereich der Aufweitung des Abgasrohrs.
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Mittels der mindestens einen, bevorzugt elektrisch betriebenen Heizmatte lassen sich im Bereich der Aufweitung und/oder in einem Bereich des Feinmischers Temperaturen bis zu 650°C erzeugen. Hierdurch ist eine sichere Entfernung aller im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Ablagerungen gewährleistet, die durch das Reduktionsmittel selbst und/oder von dessen Reaktionsprodukten entstehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Reduktion von Luftschadstoffen im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors; und
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2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.
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Ausführungsformen
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, bei der ein separater Feinmischer entbehrlich ist.
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Die Vorrichtung 10 zur Reduktion von Luftschadstoffen in einem Abgasstrom 12 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors umfasst unter anderem einen geradlinigen Rohrabschnitt 14 mit einer sich daran anschließenden konischen Aufweitung 16. Der Rohrabschnitt 14 ist Teil eines nicht näher dargestellten Abgassystems zur Ableitung des vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases. An die Aufweitung 16 schließt sich ein bevorzugt rohrförmiger Katalysatorrohrabschnitt 18 mit einem, im Vergleich zum Rohrabschnitt 14, erheblich vergrößerten Durchmesser an. Im Katalysatorrohrabschnitt 18 ist ein Katalysator 20 integriert, in dem das ”SCR”-Verfahren zur katalytischen Verminderung der Stickoxide im Abgasstrom 12 abläuft. Die Aufweitung 16 dient unter anderem zur Durchmesseranpassung des geradlinigen Rohrabschnittes 14 an den Katalysator 20. Daneben bewirkt die Aufweitung 16 eine Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes 12 vor dem Katalysator 20.
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Dem Katalysator 20 ist eine Heizeinrichtung, die im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer elektrischen Heizwendel 22 bzw. einer Heizspirale gebildet ist, vorgelagert. Die Heizwendel 22 ist mit einem elektrischen Widerstandsheizdraht gebildet, der ähnlich einer Zylinderspule über eine Vielzahl von Windungen mit bevorzugt gleichem Durchmesser verfügt.
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Abweichend von den exemplarisch gezeigten drei Windungen der Heizwendel 22 kann diese auch eine größere oder kleinere Windungszahl aufweisen, wobei zusätzlich der Durchmesser der einzelnen Windungen variieren kann. Eine Querschnittsfläche der Heizwendel 22 ist geringfügig kleiner gewählt als eine Querschnittsfläche der Aufweitung 16. Mittels einer Düse 24 wird das nicht näher bezeichnete Reduktionsmittel in den Bereich der Aufweitung 16 bzw. unmittelbar in den Bereich der Heizwendel 22 eingespritzt. Hierbei bildet sich ein näherungsweise kegelförmiger Sprühnebel 26 aus. Der vom Verbrennungsmotor emittierte Abgasstrom 12 durchsetzt nacheinander den geradlinigen Rohrabschnitt 14, die Heizwendel 22 und den Katalysator 20, wobei im Bereich der Heizwendel 22 eine innige Vermischung bzw. eine Verwirbelung des eingespritzten Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom 12 erfolgt. Mittels der Heizwendel 22 wird im Bereich der Aufweitung 16 eine mikroskopische Verwirbelung generiert, so dass ein dem Katalysator 20 vorgelagerter Feinmischer bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung nicht mehr notwendig ist, um im Bereich des Katalysators 20 eine optimale Verminderung der Stickoxide NOx im Wege des ”SCR”-Verfahrens zu bewirken. Infolge der Mischungswirkung der Heizwendel 22 ergibt sich eine optimale Temperatur-, Konzentrations- und Geschwindigkeitsverteilung des Reduktionsmittels innerhalb des Abgasstroms 12 nach dem Einspritzen im Bereich der Aufweitung 16 bzw. des Katalysatorrohrabschnittes 18.
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Die elektrische Heizwendel 22 wird beispielsweise über zwei (Steck-)Anschlüsse 28, 30, die aus dem Inneren des Rohrabschnittes 14 bzw. der Aufweitung 16 nach außen geführt sind, mit elektrischer Energie versorgt. Durch die Heizwendel 22 lassen sich Temperaturen in einem Bereich zwischen 400°C und 650° erzeugen und mit hoher Genauigkeit aufrecht erhalten, um die sich in diesem Bereich bevorzugt bildenden Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. dessen chemische Zersetzungsprodukte, wirkungsvoll thermisch zersetzen und hierdurch dauerhaft abbauen zu können. Die Ansteuerung der Heizwendel 22 erfolgt vorzugsweise mittels einer nicht dargestellten Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die eine exakte Temperierung und darüber hinaus die Einhaltung vorprogrammierter zeitabhängiger Temperaturverläufe bzw. Temperaturrampen erlaubt. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kann als integraler Bestandteil einer nicht dargestellten Motorsteuerung des Verbrennungsmotors ausgeführt sein. Um unerwünschte Korrosionsprozesse an der Heizwendel 22 auszuschließen, ist diese zumindest mit einer hinreichend korrosionsbeständigen Metalllegierung, wie zum Beispiel mit Edelstahl oder mit Platin, beschichtet. Alternativ kann die Heizwendel 22 auch mit chemisch hinreichend beständigen keramischen Materialien beschichtet sein.
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Abweichend von der in 1 dargestellten Heizwendel 22 können zwei, drei oder mehr Heizwendeln vorgesehen sein, deren Querschnittsflächen dann in der Regel kleiner als eine Querschnittsfläche des Rohrabschnittes 14 im Bereich der Aufweitung 16 gewählt wird. In einer solchen Konstellation liegen die Heizwendeln jeweils bevorzugt in einer Ebene nebeneinander. Abweichend von der gezeigten spiralförmigen Ausführung der Heizwendel 22 kann diese eine hiervon abweichende geometrische Gestalt aufweisen. Da die zum Abbrennen der Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. dessen chemischer Reaktionsprodukte erforderliche Temperatur von bis zu 650°C mittels der Heizwendel 22 erzeugt wird, ist das Vorhandensein eines Dieselpartikelfilters vor der Heizwendel 22 nicht mehr zwingend erforderlich, sofern die relevanten gesetzlichen Partikelemissionsgrenzwerte auch ohne Feinpartikelfilter bzw. ”DPF” einzuhalten sind.
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Die 2 illustriert eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung mit einem zusätzlichen Feinmischer.
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Die Vorrichtung 50 zur Reinigung eines Abgasstroms 52 umfasst unter anderem einen geradlinigen Rohrabschnitt 54, an den sich eine konische Aufweitung 56 anschließt. Die Aufweitung 56 geht in einen Katalysatorrohrabschnitt 58 über, in den ein Katalysator 60 integriert ist. Das nicht bezeichnete Reduktionsmittel wird mittels einer Düse 62 unter Bildung eines kegelförmigen Sprühnebels 64 in den Bereich der Aufweitung 56 bzw. eines Feinmischers 66 eingespritzt. Beim Einspritzvorgang des Reduktionsmittels trifft der Sprühnebel 64 zumindest bereichsweise auf den Feinmischer 66 auf und mischt sich dort mit dem Abgasstrom 52. Durch den Feinmischer 66 wird eine Vielzahl von Wirbeln erzeugt, die zu einer intensiven Vermischung des durch das Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom 52 erzeugten Aerosols führt. Dies führt zu einer optimalen Gleichverteilung der Temperatur, der Konzentration und der Geschwindigkeit des im Abgasstrom 52 feinstverteilten Reduktionsmittels, wodurch sich eine optimale Verminderung der Stickoxide im Katalysator 60 einstellt.
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Um das kontrollierte Abbrennen der sich bevorzugt im Bereich der Aufweitung 56 ablagernden Rückstände des Reduktionsmittels zu ermöglichen, sind vier als elektrische Heizmatten 68 bis 74 ausgebildete Heizeinrichtungen vorgesehen, die über die beiden Anschlüsse 76, 78 mit elektrischer Energie versorgt werden. Abweichend von der in 2 gezeigten außenseitigen Anordnung und Verteilung der Heizmatten 68 bis 74 kann eine abweichende Anzahl und/oder Anordnung der Heizmatten im Bereich der Aufweitung 56 bzw. des Katalysatorrohrabschnittes 58 vorgesehen sein. Mittels der vier, auf einer nicht bezeichneten Außenfläche der Vorrichtung 50 positionierten Heizmatten 68 bis 74 lässt sich im Bereich der Aufweitung 56 bzw. des Katalysatorrohrabschnittes 58 eine Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 400°C und 650°C erzeugen, wodurch sich Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. von dessen Zersetzungsprodukten zuverlässig, dauerhaft und definiert abbauen lassen.
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Die Ansteuerung der Heizmatten 68 bis 74 erfolgt mittels einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die die Heizmatten 68 bis 74 bevorzugt in festgelegten Zeitintervallen auf die zur Entfernung der Rückstände des Reduktionsmittels und dessen Zersetzungsprodukte erforderliche Abbrenntemperatur in einem Bereich zwischen 400°C und 650°C aufheizt. Alternativ können Sensoren vorgesehen sein, um eine kritische Materialstärke der schädlichen Ablagerungen zu detektieren, um dann kontrolliert von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung den Aufheizvorgang der Heizmatten 68 bis 74 einzuleiten, um den Abbrennprozess zu starten.
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Da die Heizmatten 68 bis 74 auf der Außenfläche der Aufweitung 56 des Rohrabschnittes 54 bzw. des Katalysatorrohrabschnittes 58 platziert sind, ist im Allgemeinen das Durchlaufen einer Vorwärmphase erforderlich, bis der Bereich der Aufweitung 56 bzw. des Feinmischers 66 auf die notwendige Abbrenntemperatur aufgeheizt ist.
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Infolge des Vorhandenseins einer separaten Heizeinrichtung können Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. dessen chemische Zersetzungs- bzw. Zwischenprodukte durch Abbrennen nahezu rückstandsfrei von den Innenflächen des geradlinigen Rohrabschnittes 14, 54 und der Aufweitung 16, 56 entfernt werden, so dass auch im Langzeitbetrieb keine nachteiligen Veränderungen der strömungstechnischen Eigenschaften auftreten und jederzeit unter allen denkbaren Betriebszuständen des Verbrennungsmotors eine effektive Abgasreinigung sicher gestellt ist.
