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Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
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Aus der
EP 1 947 451 A2 ist bereits ein Sensor für Harnstoff bekannt. Der Harnstoff befindet sich dabei in einer wässrigen Lösung, die in einem Tank eingefüllt ist, in der auch der Sensor angeordnet ist. Der Tank ist einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugehörig, mit welcher Stickstoffoxide – chemisch NO
x – reduzierbar sind. Das zugehörige Reduktionsverfahren wird als SCR bezeichnet.
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In der
DE 10 2008 012 780 A1 ist eine nach dem Prinzip SCR arbeitende Abgasnachbehandlungseinrichtung ausführlich beschrieben. Diese weist eine Pumpeinheit und ein Dosierventil auf.
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Aus der
US 2005 0 110 500 A1 ist ein System zum Testen eines Kabels bekannt, das basierend auf einer Induktivitäts- und Impedanzmessung eine Veränderung des Widerstands des Kabels ermitteln und so ein Eindringen von Flüssigkeit bzw. eine Kontamination des Kabels erkennen kann.
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Aus der
DE 34 85 767 T2 ist eine Vorrichtung zum Überwachen einer langgestreckten Bahn bekannt, die durch Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem Versorgungsteil und einem Lokalisierungsteil mit bekannten Impedanzcharakteristiken das Auftreten von Ereignissen, etwa von Druck- oder Temperaturänderungen oder die Anwesenheit von Flüssigkeit, erfassen kann.
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Im Folgenden ist eine Harnstoff-Wasser-Lösung kurz als HWL bezeichnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer HWL verwendenden Abgasnachbehandlungseinrichtu den Schaden im Falle einer HWL-Leckage im Bereich der Elektrik zu begrenzen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und mit einem Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass HWL nicht in Bereiche der Abgasnachbehandlungseinrichtung eindringen kann, in denen sich elektrische und/oder elektronische Kontaktierungen befinden. Solche Kontaktierungen sind beispielsweise Platinen oder Kabelbäume. Erfindungsgemäß wird der Schaden nach dem Auftreten eines internen Lecks durch die Abschaltung der Spannungsversorgung begrenzt. Für eine Abschaltung ist jedoch eine rasche und zugleich sichere Erkennung des Lecks notwendig. Da die Platinen und Kabelbäume innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung Stellglieder steuern bzw. regeln, wird erfindungsgemäß deren Funktionsfähigkeit zur Sensierung der durch ein Leck eindringenden HWL herangezogen.
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Erfindungsgemäß ist dazu ein Sensor für HWL vorgesehen. Der Sensor kann sowohl im Bereich des Dosierventils als auch im Bereich der Pumpeinheit der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein. Der Sensor ist ein Bauteil, das im trockenen Zustand einen sehr hohen elektrischen Widerstand hat und bei Benetzung mit HWL einen sehr niedrigen Widerstand hat. Im Gegensatz zu bekannten „resistiven Betauungssensoren” ist der erfindungsgemäße Sensor mit sehr hohen Stromstärken bis mindestens 10 Ampere belastbar.
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Dieser Sensor weist elektrisch leitende Oberflächen auf, die durch einen elektrischen Widerstand zumindest teilweise elektrisch getrennt sind. Dieser Widerstand kann beispielsweise ein poröses Material sein, das im Wesentlichen nicht elektrisch leitend – aber flüssigkeitsdurchlässig – ist. Dieses poröse Material ist dann beispielsweise in einem Spalt zwischen den beiden leitenden Oberflächen angeordnet. Da dieser Spalt vorzugsweise sehr dünn ist, kann als Widerstand auch eine trennende Luftschicht vorgesehen sein. Damit sind ausschlaggebende Abmessungen die Spaltdicke und die Größe der elektrisch leitenden Oberflächen. Die Oberflächen sind beispielsweise mit zwei Kabeln oder Leiterbahnen parallel zu einem elektrischen Stellglied geschaltet.
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Im Leckagefall in den Bereich des Stellgliedes fließende HWL kann zumindest zum Teil zwischen die Oberflächen dringen und den Widerstand zwischen den beiden Oberflächen herabsetzen.
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Da der Sensor parallel zu dem elektrischen Stellglied in dem zu überwachenden Bereich geschaltet ist, braucht er weder eine eigene Stromversorgung noch eine Verbindung außerhalb des von HWL abgedichteten elektrischen Bereichs. Der Sensor ist für Gleichstrom und Wechselstrom gleichermaßen verwendbar. Im Gegensatz dazu stehen beispielsweise klassische Feuchtesensoren, die eine Spannungsversorgung und eine Schaltung zur Aufbereitung des Messsignals benötigen. Das Messsignal muss zudem bei solchen klassischen Feuchtesensoren aus dem zu überwachenden Bereich herausgeführt werden.
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Die Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung Anwendung finden, welche die HWL ohne Unterstützung von Druckluft in den Abgasstrang einspritzt. Solche Abgasnachbehandlungseinrichtungen werden auch als „Liquid only” bezeichnet. Druckluftunterstützte Abgasnachbehandlungseinrichtungen werden auch als „Air Assisted” bezeichnet.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Elektromotor und einem elektromagnetischen Ventil,
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2 schematisch die Ansteuerung des Elektromotors aus 1, wobei ein Sensor parallel zu zwei Anschlüssen des Elektromotors geschaltet ist,
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3 den Sensor aus 1 in einer ersten Ausführungsform und
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4 den Sensor aus 1 in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, mit welcher eine HWL in einen Abgasstrom 1 eines Dieselmotors 2 eingespritzt wird. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist dabei eine Pumpeinheit 3 auf, welche die HWL ansaugt und diese HWL unter Druck setzt und sie unter Druck an eine Dosiereinheit 4 weiterleitet, welche einen Teil der HWL in den heißen Abgasstrom 1 einspritzt. Außerdem wird die Dosiereinheit 4 von der im Kreislauf zwischen der Pumpeinheit 3 und der Dosiereinheit 4 umlaufenden HWL gekühlt.
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Die Pumpeinheit 3 umfasst eine Pumpe 5, einen Druckfilter 6 und eine Steuerungseinheit 7.
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Die Pumpe 5 ist als Membranpumpe ausgeführt und umfasst einen bürstenlosen Elektromotor 8 mit einem ähnlich einem Kurbeltrieb arbeitenden Excentergetriebe 9. Dieses Excentergetriebe 9 bewegt den mittigen Bereich einer Membran 10 hin und her, welche an deren Umfang in einem Gehäuse 11 eingespannt ist. In diesem Gehäuse 11 sind außerdem zwei Rückschlagventile 12, 13 eingesetzt. Das eine Rückschlagventil 12 öffnet in die eine Richtung, so dass ein von der Membran 10 unter Druck setzbarer Druckraum 14 unter Druck stehende HWL abgeben kann. Das andere Rückschlagventil 13 öffnet in die entgegen gesetzte Richtung, so dass der Druckraum 14 HWL ansaugen kann. Von jedem Rückschlagventil 12, 13 geht ein eigener in das Gehäuse 11 eingearbeiteter Kanal ab. Das HWL ansaugende Rückschlagventil 13 saugt die HWL über einen Saugkanal 15 von einem HWL-Sauganschluss 16 an.
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Aus dem Druckraum 14 wird die HWL von der Membran 10 über das andere Rückschlagventil 12 und den von diesem abgehenden Druckkanal zu dem Druckfilter 6 geleitet. Von diesem Druckfilter 6 wird die HWL zu einem HWL-Druckanschluss 17 geleitet. Mit diesem Druckfilter 6 wird die Dosiereinheit 4 vor Schmutzpartikeln und damit vor Verstopfung geschützt. Der dem Druckfilter 6 folgende HWL-Druckanschluss 17 ist mit einer HWL-Leitung 37 verbunden. Über diese externe HWL-Leitung 37 ist der HWL-Druckanschluss 17 mit der Dosiereinheit 4 verbunden. Über die HWL-Leitung 19 ist der HWL-Sauganschluss 16 der Pumpeinheit 3 mit einem Tank 21 der HWL verbunden.
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Über eine weitere HWL-Leitung 22 ist die Dosiereinheit 4 mit dem Tank 21 verbunden, so dass sich mit dem Fluss über eine Rücklaufblende 23 in der Dosiereinheit 4 ein Kreislauf bildet. Der Tank 21 weist einen Einfüllstutzen 42 auf.
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Die Pumpeinheit 3 weist zwei Kühlwasseranschlüsse 24, 25 auf. Diese beiden Kühlwasseranschlüsse 24, 25 führen an die beiden Enden eines Kühlkanals, der in das Gehäuse 11 eingearbeitet ist. Da die beiden Kühlwasseranschlüsse 24, 25 andererseits in einen Kühlwasserkreislauf 26 des Dieselmotors 2 geschaltet sind, kann somit die Pumpeinheit 3 durch das heiße Kühlwasser vom Kühlwasserkreislauf 26 aufgetaut bzw. in betriebswarmer Temperatur gehalten werden.
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Die Dosiereinheit 4 umfasst das elektromagnetische Dosierventil 27. Dieses elektromagnetische Dosierventil 27 weist einen Elektromagneten 28 mit einem Anker 29 auf, der eine Schraubendruckfeder 30 gegen deren Federkraft zusammendrücken kann, so dass der HWL-Druck eine Nadel 31 in die geöffnete Stellung schieben kann. Wird der Elektromagnet 28 nicht über seine Anschlüsse 32 bestromt, so drückt die Schraubendruckfeder 30 die Nadel 31 wieder gegen einen Ventilsitz 33 in eine geschlossene Stellung. Die Nadel 31 ist dabei relativ lang in einem Kühlkanal 34 angeordnet, der den Kreislauf zwischen zwei Dosiereinheitanschlüssen 35, 36 schließt. Diese Dosiereinheitanschlüsse 35, 36 sind dazu an den HWL-Leitungen 22, 37 angeschlossen. Wird die HWL im bestromten Zustand des Elektromagneten 28 durch eine zentrale Öffnung im Ventilsitz 33 hindurch gelassen, so wird die HWL durch eine Zerstäuberdüse geleitet. Diese Zerstäuberdüse ist als Dralldüse mit Düsenscheiben ausgeführt. Durch deren Formgebung erfährt die ausströmende HWL einen Drall, der die HWL beim Austritt zerstäubt.
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Eingedüst wird die HWL in einen Bereich des Abgasstranges 1, der vor einem Katalysator 38 liegt.
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Im Bereich der HWL-Leitung 37 ist der Druck und die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels eines Druck- und Temperatursensors 48 ermittelbar.
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Die Dosiereinheit 4 weist im Bereich des Dosiereinheitanschlusses 36 die Rücklaufblende 23 auf. Über diese Rücklaufblende 23 wird die ständige Durchströmung der Dosiereinheit 4 mit HWL sichergestellt. Dadurch wird zum einen die Temperatur der Dosiereinheit 4 niedrig gehalten. Zum anderen wird beim Ausschalten der Stromversorgung der Druck in der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf Tankdruck abgebaut, ohne das dafür Energie zum Öffnen eines Ventils notwendig ist.
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Alle Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung sind so ausgeführt, dass ein Einfrieren der drucklosen HWL nicht zu Beschädigungen führt.
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Es ist ein Motorsteuergerät 20 mit einer angeschlossenen Steuerungseinheit in Form einer Dosiersteuerung 61 vorgesehen. Diese Dosiersteuerung 61 steuert eine in einem Gehäuse 68 für den Elektromotor 8 angeordnete Kontaktierung in Gestalt einer Steuerplatine 39 an.
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2 zeigt die Steuerplatine 39 für den Elektromotor 8. Die Steuerplatine 39 weist vier Anschlusspins 40, 41, 43, 44 auf, die über verschiedene Verschaltungen mit der Stromversorgung 45 – insbesondere einer Batterie – und einem Abschaltgerät 46 zum Abschalten der Stromversorgung 45 verbunden sind.
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Die Stromversorgung 45 führt einerseits den Pluspol 47 auf den Anschlusspin 44 der Steuerplatine 39, welcher der Betriebsspannung zugeordnet ist. Andererseits führt die Stromversorgung 45 den Minuspol 48 auf den Anschlusspin 40, welcher mit der Fahrzeugmasse gekoppelt ist. Von diesem Anschlusspin 40 wird eine Leitung zu einem Schalter 49 am Steuergerät 50 geführt. Dieser Schalter 49 ist dem Abschaltgerät 46 innerhalb des Steuergerätes zugeordnet. Der Schalter 49 führt im geschlossenen Zustand den Minuspol bzw. die Fahrzeugmasse auf den Anschlusspin 41, welcher dem Drehzahlsollwert zugeordnet ist.
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Von der Steuerplatine 39 werden drei Phasen W1, W2, W3 auf den Elektromotor 8 geführt. Die drei Phasen W1, W2, W3 weisen jeweils ein Potential zueinander auf. Zwei Phasen W2, W3 der drei Phasen sind mittels eines Sensors 51 für HWL überbrückbar. Damit ist der Sensor 51 parallel zum Elektromotor 8 geschaltet. Dieser Sensor 51 ist in 3 detaillierter dargestellt.
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Der Sensor 51 weist zwei elektrisch leitfähige Platten 52, 53 auf. Diese beiden Platten 52, 53 sind parallel zueinander beabstandet. Dabei bildet sich ein dünner Spalt 55 zwischen den einander zugewandten elektrisch leitenden Oberflächen 66, 67 der beiden Platten 52, 53. In dem in 3 dargestellten Fall, dass der Sensor 51 einer HWL 56 ausgesetzt ist, wird diese infolge der Kapillarwirkung des Spaltes 55 bzw. der Oberflächenspannung der HWL 56 in den Spalt 55 gesaugt. Da HWL ein Elektrolyt ist, stellt es eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Platten 52, 53 her. Die eine Platte 52 ist über einen Leiter 57 auf die zweite Phase W2 geführt, wohingegen die andere Platte 53 über einen Leiter 58 auf die dritte Phase W3 geführt ist. Damit ist der Widerstand des Sensors 51 ohne HWL zwischen den Platten 52, 53 theoretisch unendlich hoch. Der Widerstand zwischen den beiden Phasen W2, W3 wird alleinig durch die Induktivität der beiden zugehörigen Wicklungen 59, 60 des Elektromotors 8 bestimmt. Befindet sich hingegen HWL 56 zwischen den Platten 52, 53, so ist der Widerstand zwischen den Leitern 57, 58 sehr gering. Die ausschlaggebende Größe für den Widerstand ist dabei neben der Menge HWL noch die Breite des Spaltes 55 und die Größe bzw. Fläche der Platten 52, 53.
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Befindet sich nun HWL 56 zwischen den Platten 52, 53 so nimmt der Stromfluss über die HWL 56 einen großen Teil der für den Elektromotor 8 bestimmten elektrischen Energie weg. Dabei wird die Spannung zwischen den beiden Wicklungen 59, 60 so weit verringert, dass der Elektromotor 8 stehen bleibt. Die Steuerplatine 39 erkennt eine Blockade und meldet diese an die Dosiersteuerung 61. Mit dieser Information kann die Software der Dosiersteuerung 61 das Abgasnachbehandlungssystem von der Stromversorgung trennen.
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4 zeigt in einer weiteren alternative Ausgestaltung den Sensor 62. Dabei ist zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Platten 63, 64 ein nicht elektrisch leitendes aber flüssigkeitsdurchlässiges poröses Material 65 eingebracht.
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Anstelle der Platten 52, 53 bzw. 63, 64 können die beiden elektrisch leitenden Oberflächen 66, 67 auch eine andere Form aufweisen. Beispielweise könnte eine Oberfläche als Rohr ausgeführt sein, innerhalb dessen sich als andere Oberfläche ein Stab konzentrisch befindet.
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Der zu schützende Verbraucher muss nicht der Elektromotor 8 sein. Es kann sich beispielsweise auch um den Elektromagneten 28 handeln.
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Das zu schützende Stellglied muss nicht elektromagnetisch sein. Beispielsweise ist auch die Piezoelektrik als Grundprinzip eines Stellgliedes machbar.
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Die dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtung kann insbesondere bei einem schweren Nutzfahrzeug Anwendung finden, da dieses zum einen zumeist mit einem Dieselmotor ausgeführt ist. Bei Dieselmotoren ist die NOx-Reduktion besonders notwendig. Zum anderen sind die Bauraumverhältnisse und Beschleunigungen bei einem solchen schweren Nutzfahrzeug derart, dass sich die Anordnung einer infolge des Elektromagneten 28 relativ großen und schweren Dosiereinheit anbietet. Die Erfindung kann jedoch auch bei kleinen Personenkraftwagen Anwendung finden. Ferner kann die Erfindung auch bei Benzinmotoren Anwendung finden.
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Dem Ventilsitz kann eine Dralldüse folgen. Anstelle der Dralldüse kann jedoch auch eine andere Zerstäuberdüse vorgesehen sein.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasstrom
- 2
- Dieselmotor
- 3
- Pumpeinheit
- 4
- Dosiereinheit
- 5
- Pumpe
- 6
- Druckfilter
- 7
- Steuerungseinheit
- 8
- Elektromotor
- 9
- Excentergetriebe
- 10
- Membran
- 11
- Gehäuse
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Druckraum
- 15
- Saugkanal
- 16
- HWL-Sauganschluss
- 17
- HWL-Druckanschluss
- 18
- Druckkanal
- 19
- HWL-Leitung
- 20
- Motorsteuergerät
- 21
- Tank
- 22
- HWL-Leitung
- 23
- Rücklaufblende
- 24
- Kühlwasseranschluss
- 25
- Kühlwasseranschluss
- 26
- Kühlwasserkreislauf
- 27
- Dosierventil
- 28
- Elektromagnet
- 29
- Anker
- 30
- Schraubendruckfeder
- 31
- Nadel
- 32
- Anschluss
- 33
- Ventilsitz
- 34
- Kühlkanal
- 35
- Dosiereinheitanschluss
- 36
- Dosiereinheitanschluss
- 37
- HWL-Leitung
- 38
- Katalysator
- 39
- Steuerplatine
- 40
- Anschlusspin
- 41
- Anschlusspin
- 42
- Einfüllstutzen
- 43
- Anschlusspin
- 44
- Anschlusspin
- 45
- Stromversorgung
- 46
- Abschaltgerät
- 47
- Pluspol
- 48
- Druck- und Temperatursensor
- 49
- Schalter
- 50
- Steuergerät
- 51
- Sensor
- 52
- Platte
- 53
- Platte
- 54
- Drehzahlsensor
- 55
- Spalt
- 56
- HWL
- 57
- Leiter
- 58
- Leiter
- 59
- Wicklung
- 60
- Wicklung
- 61
- Dosiersteuerung
- 62
- Alternativer Sensor
- 63
- Platte
- 64
- Platte
- 65
- poröses Material
- 66
- elektrisch leitende Oberfläche
- 67
- elektrisch leitende Oberfläche
- 68
- Gehäuse
