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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Dosiermodul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
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Bei dem einzudosierenden Reduktionsmittel handelt es sich vorzugsweise um eine wässrige Harnstofflösung, welche zur Reduzierung von Stickoxiden (NOX) in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Das Verfahren ist auch als Selektive Katalytische Reduktion (SCR) bekannt. Die wässrige Harnstofflösung führt im Abgas zur Bildung von Ammoniak, das in einem nachgeschalteten Katalysator mit den Stickoxiden zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert. Die Zugabe der wässrigen Harnstofflösung erfolgt über Dosiersysteme, die zumindest einen Tank zur Bevorratung und ein Dosiermodul zum Eindosieren des Reduktionsmittels umfassen.
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Stand der Technik
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Es sind Dosiersysteme bekannt, bei welchen die wässrige Harnstofflösung mittels Druckluft in den Abgasstrang eingedüst wird. Die Druckluft bewirkt eine feine Zerstäubung der Harnstofflösung. Nachteilig hieran ist jedoch, dass solche Systeme sowohl einen Druckluftgenerator als auch eine elektrisch angetriebene Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels benötigen. Daher sind ferner Systeme bekannt, bei welchen der Einspritzdruck mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe erzeugt und die Einspritzmenge über die Ansteuerung des Ventils bestimmt wird. Die Qualität der Zerstäubung ist jedoch geringer als bei solchen Systemen, die druckluftunterstützt arbeiten.
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Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die Dosierstelle nicht zentral im Abgasrohr, sondern in der Regel seitlich am Abgasrohr angeordnet ist. Zur Sicherstellung einer homogenen Verteilung der Harnstoffwasserlösung im Abgasrohr ist daher ferner ein Gasmischer erforderlich.
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Aus der
DE 199 63 394 A1 geht eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels hervor, welche ein Einspritzventil zum Einbringen des Reduktionsmittels in eine Mischkammer sowie Luftzufuhrmittel zur Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Luft umfasst, so dass ein Reduktionsmittel-Luft-Gemisch gebildet wird. Das Reduktionsmittel-Luft-Gemisch wird zur Verdichtung und Beschleunigung einer Düse mit einer Abrisskante zugeführt, an welcher die Bildung eines Aerosols in Form eines Aerosolstrahls erfolgt. Um einen schnellen Transport des Aerosols durch eine Aerosolleitung, insbesondere ein Sprührohr, zum genauen und zeitgerechten Dosieren des Aerosols zu ermöglichen, wird weiterhin vorgeschlagen, über eine weitere Luftzufuhr ein Luftpolster zu erzeugen, das den Aerosolstrahl radial gleichmäßig umgibt. Somit wird eine Wandfilmbildung weitgehend verhindert und der Transport des Aerosols durch die Aerosolleitung bzw. das Sprührohr beschleunigt. Dies ermöglicht die Ausbildung längerer Aerosolleitungen, um eine optimale Anordnung der Dosierstelle im Abgasrohr zu ermöglichen.
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Ausgehend von einem luftunterstützten Dosiersystem der vorstehend genannten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zum Eindosieren eines Reduktionsmittels anzugeben, das bei verringerter Luftmenge ein hohes Zerstäubungspotenzial besitzt. Insbesondere soll durch Verwendung einfacher und kostengünstig herstellbarer Bauteile eine hervorragende Sprühqualität und damit ein verbesserter Wirkungsgrad der Selektiven Katalytischen Reduktion bewirkt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Dosiermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Eindosieren eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine wird eine über ein Dosierventil zugemessene Menge des Reduktionsmittels in einer Kammer mit Druckluft beaufschlagt und über ein Sprührohr in das Abgasrohr eingespritzt. Erfindungsgemäß erfolgt die Beaufschlagung mit Druckluft zur Aerosolbildung getaktet und/oder zeitlich versetzt zur Zumessung des Reduktionsmittels über das Dosierventil.
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Aufgrund der druckluftunterstützten Zerstäubung des Reduktionsmittels wird eine gute homogene Verteilung bei kleinen Tropfendurchmessern bewirkt. Die Taktung der Druckbeaufschlagung führt zudem zu einer Verringerung der Luftmenge, da das Sprührohr nicht permanent, sondern lediglich zeitweise von Druckluft durchströmt wird. Die getaktete Druckbeaufschlagung wirkt zudem einem Austrocknen des Sprührohres entgegen. Das Sprührohr wiederum ermöglicht eine günstige zentrale Dosierposition, so dass eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels gewährleistet ist.
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Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung mit Druckluft zur Aerosolbildung getaktet und zeitlich getrennt von der Zumessung des Reduktionsmittels. D. h., dass während der Zumessung des Reduktionsmittels in die Kammer die Druckluftzufuhr unterbrochen ist. Dadurch ist es möglich, den hydraulischen Druck derart abzusenken, dass kostengünstige hydraulische Bauteile verwendet werden können, die zudem weniger anfällig gegenüber Eisdruck sind. Denn die als Reduktionsmittel bevorzugt eingesetzte wässrige Harnstofflösung weist den Nachteil auf, dass sie bei Umgebungstemperaturen von weniger als minus 11°Celsius gefriert und sich ausdehnt. Durch Absenkung des hydraulischen Systemdrucks kann der Gefahr von Eisdruckschäden entgegengewirkt werden. Der Systemdruck kann beispielsweise 0,5 bar oder 1 bar betragen. Zudem fördert ein geringer Systemdruck die Bildung eines Schnurstrahls, so dass die zugemessene Menge Reduktionsmittel unter Vermeidung einer Wandfilmbildung schnell durch das Sprührohr transportiert wird. Im Bereich wenigstens einer Einspritzöffnung des Sprührohes sammelt sich die zugemessene Menge Reduktionsmittel bevor sie zur Zerstäubung mit Druckluft und über die wenigstens eine Einspritzöffnung in das Abgasrohr eingespritzt wird. Da die Druckluft lediglich der Zerstäubung des Reduktionsmittels und nicht dem Transport des Reduktionsmittels durch das Sprührohr dient, kann die erforderliche Luftmenge weiter verringert werden. Denn im Unterschied zu herkömmlichen druckluftunterstützten Dosiersystemen erfolgt der Transport des Reduktionsmittels nicht über einen schubspannungsgetriebenen Wandfilm, sondern in Form eines Schnurstrahls, während die Druckluftzufuhr unterbrochen ist.
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Weiterhin vorzugsweise wird der Luftdruck unabhängig von der Zumessmenge gewählt. Alternativ oder ergänzend kann die Taktfrequenz der Druckbeaufschlagung an die Zumessmenge angepasst werden. Ein gleichbleibender maximaler Luftdruck gewährleistet, dass in allen Betriebspunkten, insbesondere bei geringen Zumessmengen, stets eine gute Zerstäubung bewirkt wird. Bevorzugt wird jedoch die Taktfrequenz der Druckbeaufschlagung derart an die Zumessmenge angepasst, dass eine nahezu vollständige Entleerung des Sprührohres gewährleistet ist. Bei geringen Zumessmengen kann dementsprechend die Dauer der Druckbeaufschlagung kurz und bei größeren Mengen länger gewählt werden. Der maximale Luftdruck bleibt hingegen gleich. Als maximaler Luftdruck wird vorzugsweise ein Wert über 6 bar, weiterhin vorzugsweise über 8 bar gewählt. Die mittels der Druckbeaufschlagung bewirkte Entleerung des Sprührohres führt ferner dazu, dass das System weitgehend eisdruckfest ist. Um auch das Dosierventil eisdruckfest auszuführen, kann dieses Druckausgleichselemente, wie beispielsweise Moosgummi- oder Tefloneinlagen, aufweisen.
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Das Dosierventil zum Zumessen des Reduktionsmittels kann elektrisch angesteuert oder druckgesteuert werden, wobei im letztgenannten Fall die druckgesteuerte Zumessung vorzugsweise mittels einer vorgeschalteten Dosierpumpe realisiert wird. Ein druckgesteuertes Dosierventil weist den Vorteil auf, dass der Einsatz eines elektrischen Bauteils am Sprührohr entbehrlich ist, so dass das Sprührohr zur Optimierung der Dosierposition tiefer in das Abgasrohr eingebaut werden kann. Denn aufgrund der fehlenden elektrischen Elemente ist das druckgesteuerte Dosierventil weniger temperaturempfindlich.
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Das ebenfalls zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe vorgeschlagene Dosiersystem zum Eindosieren eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine umfasst ein Dosierventil sowie ein an eine Druckluftversorgung anschließbares Sprührohr zur Verbindung des Dosierventils mit dem Abgasrohr. Das Sprührohr besitzt dabei wenigstens eine Einspritzöffnung, über welche das Reduktionsmittel druckluftunterstützt in das Abgasrohr einspritzbar ist. Erfindungsgemäß ist das Dosierventil zum Zumessen des Reduktionsmittels elektrisch ansteuerbar oder druckgesteuert, wobei der hydraulische Druck weniger als der Luftdruck, vorzugsweise weniger als die Hälfte des Luftdrucks beträgt. Eine Absenkung des hydraulischen Drucks, beispielsweise auf 4 bar oder 2 bar oder noch darunter, ist möglich, da das Dosierventil des vorgeschlagenen Dosiersystems lediglich der Zumessung dient, während die Zerstäubung des Reduktionsmittels durch Beaufschlagung mit Druckluft erfolgt. Der geringe hydraulische Druck bewirkt ferner, dass der Austrag des Reduktionsmittels in Form eines Schnurstrahls erfolgt, welcher einen schnellen Transport des Reduktionsmittels durch das Sprührohr bis vor an die wenigstens eine Einspritzöffnung ermöglicht. Der geringe hydraulische Druck ist bereits mittels einfacher hydraulischer Bauteile bewirkbar, so dass das Dosiersystem kostengünstig herstellbar ist. Zudem ist bereits aufgrund des geringen Systemdrucks eine gewisse Eisdruckfestigkeit gegeben. Diese kann dadurch weiter erhöht werden, dass das Dosierventil Moosgummi- oder Tefloneinlagen als Druckausgleichselemente besitzt. Um eine druckgesteuerte Zumessung des Reduktionsmittels zu bewirken, kann dem Dosierventil eine Dosierpumpe vorgeschaltet sein. Die Anordnung eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauteils in Nähe des Abgasrohres ist somit entbehrlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sprührohr gerade geführt, um den Transport des Reduktionsmittels in Form eines Schnurstrahls bis hin zur wenigstens einen Einspritzöffnung zu ermöglichen. Alternativ oder ergänzend kann das Dosierventil mit einer Schnurstrahldüse ausgestattet sein. Vorzugsweise ermöglicht die Schnurstrahldüse eine Ausrichtung des Schnurstrahls auf die wenigstens eine Einspritzöffnung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Sprührohr wenigstens eine Einspritzöffnung, die als gerade Bohrung ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mehrere Einspritzöffnungen als gerade Bohrung ausgebildet und derart ausgerichtet, dass die hierüber ausgetragenen Sprühstrahlen sich treffen. Auf diese Weise wird eine gute Zerstäubung und Verteilung des Reduktionsmittels bewirkt. Alternativ kann wenigstens eine Einspritzöffnung mit Absatz und S-Schlag ausgeführt sein. Das heißt, dass die Bohrung zur Ausbildung eines Spritzlochs eine Einlassöffnung und eine Austrittsöffnung besitzt, die zueinander über einen Absatz versetzt sind. Dadurch erfährt das hindurch strömende Medium eine Strömungsumlenkung, welche aufgrund ihrer Form S-Schlag genannt wird. Durch die Strömungsumlenkung wird der Strömung eine starke, zerstäubungsfördernde Turbulenz aufgeprägt, welche beim Verlassen des Spritzlochs dazu führt, dass das Medium in feinste Tröpfchen zerfällt.
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Zur Taktung der Druckluftbeaufschlagung ist das Sprührohr über ein Druckluftventil an die Druckluftversorgung anschließbar. Bei dem Druckluftventil kann es sich beispielsweise um ein elektrisch ansteuerbares 2/2 Wegeventil handeln. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Druckluftventils wird demnach eine im Sprührohr ausgebildete Kammer mit Druckluft beaufschlagt oder die Druckluftzufuhr unterbrochen. Sowohl die Dauer der Druckluftbeaufschlagung als auch die Dauer der Unterbrechung der Druckluftbeaufschlagung ist über das Druckluftventil steuerbar.
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Weiterhin bevorzugt ist das vorgeschlagene Dosiersystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Demzufolge muss das Dosiersystem zumindest eine getaktete und/oder zeitlich versetzte Beaufschlagung mit Druckluft in Bezug auf den Zeitpunkt der Zumessung des Reduktionsmittels ermöglichen.
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Bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen. Dosiersystems werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Dosiersystems und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Dosiersystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Dosiersystem ist über ein Sprührohr 4 mit einem Abgasrohr 1 verbindbar. Das Sprührohr 4 ist im Wesentlichen gerade geführt und weist eine zylinderförmige Kammer 3 auf, welche sich zum im Abgasrohr 1 aufgenommenen Ende hin verjüngt. An diesem Ende sind im Einspritzrohr 4 mehrere Einspritzöffnungen 7 in Form gerader Bohrungen ausgebildet, über welche eine als Reduktionsmittel dienende wässrige Harnstofflösung in das Abgasrohr 1 eingespritzt wird. Hierbei vermischt sich die wässrige Harnstofflösung mit den Abgasen, die das Abgasrohr 1 in Richtung des Pfeils durchströmen. Um eine homogene Verteilung und gute Durchmischung der wässrigen Harnstofflösung und damit einen hohen Wirkungsgrad der NOx-Reduktion zu bewirken, wird die wässrige Harnstofflösung druckluftunterstützt über die Einspritzöffnungen 7 ausgetragen. Das Sprührohr 4 ist demzufolge an eine Druckversorgung 6 anschließbar, wobei der Anschluss über ein Druckluftventil 9 erfolgt. Über das Druckluftventil 9 kann die Beaufschlagung einer in der Kammer 3 befindlichen Reduktionsmittelmenge mit Druckluft getaktet erfolgen, so dass das Sprührohr 4 nicht permanent, sondern lediglich zeitweise von Druckluft durchströmt wird. Die Zumessung des Reduktionsmittels erfolgt über ein Dosierventil 2 mit einer Schnurstrahldüse 8, so dass der Austrag des Reduktionsmittels in Form eines Schnurstrahls erfolgt. Die Schnurstrahldüse 8 ist auf die Einspritzöffnungen 7 ausgerichtet, so dass sich im Bereich der Einspritzöffnungen 7 die zugemessene Reduktionsmittelmenge im Bereich eines Reservoirs 11 sammelt. Die Ausbildung eines Schnurstrahls ist im Bereich der Schnurstrahldüse 8 und im Bereich des Reservoirs 11 schematisch dargestellt und weist das Bezugszeichen 10 auf. Die Bildung eines Schnurstrahls 10 wird dadurch unterstützt, dass der hydraulische Druck der hydraulischen Systemkomponenten gering gewählt ist und vorzugsweise bei 0,5 bis 1 bar liegt. Das hydraulische System umfasst neben dem Dosierventil 2 eine Pumpe 5, mittels welcher das Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmittel-Vorratsbehälter 13 dem Dosierventil 2 zugeführt wird. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird über die Pumpe 5 permanent Reduktionsmittel gefördert, wobei ein Rücklauf 12 überschüssiges Reduktionsmittel in den Vorratsbehälter 13 zurückfördert. Das Dosierventil 2 wird in dem Ausführungsbeispiel der 1 entsprechend dem Druckluftventil 9 elektrisch angesteuert. Dabei ist die Steuerung der beiden Ventile 2, 9 derart programmiert, dass zunächst das Dosierventil 2 öffnet und die Zumessung des Reduktionsmittels in die Kammer 3 des Sprührohrs 4 bewirkt. Erst wenn die zugemessene Menge des Reduktionsmittels das Reservoir 11 im Bereich der Einspritzöffnungen 7 erreicht hat, wird das Druckluftventil 9 geöffnet und die Kammer 3 bzw. das hierin befindliche Reduktionsmittel mit Druckluft beaufschlagt, so dass die Zerstäubung des Reduktionsmittels zeitlich getrennt von der Zumessung erfolgt. Die zeitliche Trennung ermöglicht eine Verringerung des hydraulischen Drucks, da das hydraulische System lediglich der Zumessung und nicht der Zerstäubung dient. Das hydraulische System kann somit einfach ausgeführt und mit einfachen Maßnahmen gegen Eisdruck abgesichert werden. Da die Zerstäubung mittels Druckluft bewirkt wird, ist der Luftdruck entsprechend hoch auszuführen. Der Luftdruck ist demnach höher als der hydraulische Druck auf der hydraulischen Seite. Um eine gute Zerstäubung zu bewirken, reicht beispielsweise bereits ein Luftdruck von 7,8 bar aus, der über ein vorhandenes Druckluftbordnetz den meisten Nutzfahrzeugen zur Verfügung steht. Dadurch, dass die Druckluft nur während der Dosierpausen am Sprührohr 4 ansteht, kann die erforderliche Druckluftmenge deutlich reduziert werden. Zudem kann die Druckluftmenge über die Taktung der jeweiligen Zumessmenge angepasst werden, so dass geringe Mengen an Reduktionsmittel über eine kurzzeitige Beaufschlagung mit Druckluft eingespritzt werden, was wiederum Druckluft einspart. Dabei kann das Druckniveau beibehalten werden, so dass auch bei geringen Einspritzmengen eine gute Zerstäubung und homogene Verteilung des Reduktionsmittels gewährleistet ist. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind beide Ventile 2, 9 als elektrisch angesteuerte 2/2-Wegeventile realisiert.
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Das in der 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosiersystems unterscheidet sich von dem der 1 im Wesentlichen dadurch, dass das Dosierventil 2 druckgesteuert ist und diesem zudem eine Dosierpumpe 5 zur Zumessung des Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Dementsprechend kann ein Rücklauf 12 von der Pumpe 5 zum Reduktionsmittel-Vorratsbehälter 13 entfallen. Das druckgesteuerte Ventil des Ausführungsbeispiels der 2 weist den Vorteil auf, dass am Sprührohr 4 kein temperaturempfindliches elektrisches Bauteil angeordnet ist, so dass das Sprührohr 4 zur Optimierung der Dosierposition tiefer in das Abgasrohr 1 einsetzbar ist. Eine Kombination aus Sprührohr 4 und druckgesteuertem Dosierventil 2 ist auch deshalb von Vorteil, da das druckgesteuerte Ventil 2 keine Zerstäubung des Reduktionsmittels, sondern lediglich die Zumessung bewirken muss. Denn bekannte druckgesteuerte Reduktionsmittel-Dosiersysteme sind aufgrund eines Einbruchs des hydraulischen Systemdrucks am Spritzende und einer damit einhergehenden schlechten Zerstäubung zunehmend in die Kritik geraten. Da die Zerstäubung jedoch bei dem erfindungsgemäßen Dosiersystem über die Beaufschlagung mit Druckluft erfolgt, wirkt sich der Einsatz eines druckgesteuerten Dosierventils 2 vorliegend nicht nachteilig aus. Da das druckgesteuerte Dosiersystem zudem geschlossen ausgeführt ist, d. h. ohne Rücklauf zwischen der Dosierpumpe 5 und dem druckgesteuerten Dosierventil 2, kann die Zumessmenge genau bestimmt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Dosiersystem, wie es beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt ist, werden an das Druckniveau der Hydraulik nur geringe Anforderungen gestellt, da das hydraulische System lediglich der Zumessung des Reduktionsmittels und nicht der Zerstäubung dient. Die Zerstäubung erfolgt durch eine Beaufschlagung des Reduktionsmittels mit Druckluft. Da ferner die Zumessung und die Zerstäubung zeitlich getrennt voneinander erfolgen und die Druckluftmenge bzw. die Dauer der Beaufschlagung mit Druckluft auf die Zumessmenge derart abgestimmt ist, dass in den Dosierpausen eine vollständige Entleerung des Sprührohrs 4 bewirkt wird, erweist sich das System zudem als eisdruckfest. Aufgrund der geringen Druckanforderung an das hydraulische System kann auch dieses in einfacher Weise eisdruckfest gebaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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