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Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Förder- und Dosiersystem zur Dosierung einer gefrierfähigen, flüssigen Lösung in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben des hydraulischen Förder- und Dosiersystems.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert.
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Das Grundprinzip eines SCR-Katalysators besteht darin, dass Stickoxidmoleküle auf der Katalysatoroberfläche bei Vorhandensein von NH3 als Reduktionsmittel zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Das erforderliche Reduktionsmittel wird üblicherweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang eindosiert. Hierfür ist eine Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators vorgesehen.
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Zur Eindüsung der flüssigen Reduktionsmittellösung sind hydraulische Förder- und Dosiersysteme bekannt, die im Allgemeinen zumindest eine Förderpumpe und ein Dosiermodul mit beispielsweise einem oder mehreren elektrisch ansteuerbaren Dosierventilen umfassen. Das Reduktionsmittel wird über eine hydraulische Versorgungsleitung (Druckleitung) in bedarfsabhängiger Weise in den Abgasstrang eingesprüht. Das System ist in der Regel mit einem Sensor insbesondere zur Messung der Temperatur und des Drucks ausgestattet und umfasst eine elektronische Steuereinheit.
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Da es sich bei der flüssigen Reduktionsmittellösung um eine gefrierfähige Lösung handelt, die je nach Zusammensetzung beispielsweise unterhalb einer Temperatur von ca. –10° C gefriert, ist es im Hinblick auf Frostschäden durch Eisdruck in den Leitungen und Ventilen oftmals vorgesehen, das System teilweise oder vollständig nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs zu entleeren bzw. zu belüften. Hierfür können beispielsweise eine Rücklaufleitung mit Rücklaufdrossel und eine Umkehr der Förderrichtung der Förderpumpe vorgesehen sein. Andere Systeme sind mit einer separaten Rückförderpumpe in einem Rücklaufpfad ausgestattet. Zur Belüftung des Dosiermoduls bzw. des Dosierventils oder der Dosierventile wird üblicherweise nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs das Dosiermodul geöffnet. Die Rückförderpumpe oder die in einem Rückfördermodus betriebene Förderpumpe saugen Abgas in das System ein und die zurückgesaugte Reduktionsmittellösung fließt in den Vorratstank zurück. Dieses Rücksaugen erfolgt üblicherweise automatisch im Nachlauf, sobald die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs abgestellt wurde. Für dieses aktive Entleeren des Systems ist eine Energiezufuhr im Zuge des Nachlaufs erforderlich.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2011 078 528 A1 betrifft eine Eisdruckkompensationsleitung für ein SCR-System. Die Förderleitung ist hierbei mit Hohlräumen und Federn ausgestattet, um das Ausdehnen bei einem Gefrieren der Reduktionsmittellösung und eine federbedingte Relaxation bei einem Schmelzen der Lösung zu ermöglichen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 030 050 A1 ist eine Vorrichtung zur Belüftung eines Systems, mit dem ein gefrierfähiger Betriebs-/Hilfsstoff in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eindosiert wird, bekannt. Das System enthält einen hydraulischen Federspeicher, wobei in dem Federspeicher während des regulären Betriebs durch den herrschenden Betriebsdruck Energie gespeichert wird. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine wird diese Energie im stromlosen Zustand derart freigesetzt, dass ein Unterdruck zum Absaugen des Betriebs-/Hilfsstoffes aus Komponenten des Systems erzeugt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem hydraulischen Förder- und Dosiersystem zur Dosierung einer gefrierfähigen, flüssigen Lösung in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine aus, wobei das Förder- und Dosiersystem wenigstens eine Förderpumpe, eine Druckleitung und wenigstens ein Dosiermodul, das das oder die Dosierventil(e) enthält, aufweist. Das System ist so eingerichtet, dass nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine ein zumindest teilweises Entleeren der Lösung aus dem Förder- und Dosiersystem vorgesehen ist. Hierbei ist vor allem ein Entleeren des Dosierventils oder der Dosierventile das Ziel, um Frostschäden durch Eisdruck, der durch die gefrierende Lösung entsteht, zu vermeiden. Weiterhin kann eine Entleerung des Leitungssystems, insbesondere der Druckleitung, und gegebenenfalls der Förderpumpe ganz oder teilweise vorgesehen sein, um auch hier die Gefahr von Frostschäden zu verringern.
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Das erfindungsgemäße hydraulische Förder- und Dosiersystem zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Dosiermodul und der Förderpumpe wenigstens ein Entleerungsventil vorgesehen ist, das im stromlosen Zustand geöffnet ist. Auch das Dosiermodul bzw. das oder die Dosierventile sind im stromlosen Zustand geöffnet. Über das Entleerungsventil kann dann im stromlosen Zustand eine Entleerung bzw. Belüftung des Förder- und Dosiersystems erfolgen, wobei insbesondere das Dosiermodul entleert bzw. belüftet wird, wodurch Frostschäden an dem oder den Dosierventil(en) und gegebenenfalls an weiteren frostempfindlichen Bauteilen vermieden werden. Diese Ausgestaltung eines hydraulischen Förder- und Dosiersystems hat den besonderen Vorteil, dass eine Entleerung des Dosiermoduls auch dann erfolgen kann, wenn nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine keine Energiezufuhr zur Verfügung steht und sich das System im stromlosen Zustand befindet. Beispielsweise nach einem Not-Aus des Systems oder einem Abklemmen der Batterie steht keine Energie für die Durchführung eines Nachlaufes zur Verfügung, der die Voraussetzung für ein aktives Rücksaugen zur Entleerung bzw. zur Belüftung des Systems wäre. Bei dem erfindungsgemäßen Förder- und Dosiersystem ist nach einer Unterbrechung der Energiezufuhr das Entleerungsventil geöffnet, da es sich im stromlosen Zustand befindet, sodass die Entleerung bzw. Belüftung des Dosiermoduls über das dann geöffnete Entleerungsventil und das geöffnete Dosierventil auf passive Weise, also ohne Energiezufuhr erfolgen kann. Wenn während des Rücksaugvorganges bzw. während des Normalbetriebs ein stromloser Zustand der Ansteuerung eintritt, ist also sowohl das Dosierventil oder gegebenenfalls die Dosierventile als auch das Entleerungsventil geöffnet, sodass die im Leitungssystem (Druckleitung) zwischen dem Entleerungsventil und dem Dosiermodul enthaltene Lösung über das Entleerungsventil entleert wird. Dabei dringt das Abgas aus dem Abgastrakt durch das geöffnete Dosierventil in die Druckleitung des Förder- und Dosiersystems ein. Auf diese Weise erfolgt eine Belüftung des Dosiermoduls und dieses Leitungsabschnittes im stromlosen Zustand.
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Zusätzlich zu der erfindungsgemäß vorgesehenen passiven Entleerung sollte das System weiterhin auch für eine aktive Entleerung bzw. Belüftung eingerichtet sein. Zu diesem Zweck kann die Förderpumpe mit einer Umschalteinheit versehen sein, beispielsweise einem 4/2-Wegeventil. In anderen Systemen kann ein Rücklaufkanal mit Schaltventil oder ein separater Rückförderpfad mit einer Rückförderpumpe vorgesehen sein. Die passive Entleerung gemäß der Erfindung ist vor allem für den Fall vorgesehen, dass ein stromloser Zustand z.B. durch einen Batterietrennschalter bzw. Not-Aus vor dem geplanten Ende des aktiven Entleerungsprozesses entsteht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Förder- und Dosiersystems befindet sich das Entleerungsventil an einer tiefsten Stelle im Leitungssystem zwischen der Förderpumpe und dem Dosiermodul, sodass im stromlosen Zustand eine Entleerung über das Entleerungsventil durch Nutzung der Lageenergie durch die Positionierung des Entleerungsventils gewissermaßen nach dem Saugheberprinzip erfolgt. Hierbei baut sich der vorhandene Druck im Leitungssystem bei einer plötzlichen Spannungsunterbrechung der Ansteuerung über die stromlos offenen Belüftungs- und Dosierventile schnell ab, sodass sich das Dosierventil und das Entlüftungsventil sowie das verbindende Schlauchstück über das genannte Saugheberprinzip entleeren.
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Zweckmäßigerweise ist das Entleerungsventil so ausgestaltet, dass es durch elektrische Ansteuerung geschlossen werden kann. Nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine und während eines gegebenenfalls vorgesehenen Nachlaufs, bei dem Energie zugeführt wird, bei dem also eine Stromzufuhr gegeben ist, ist das Entleerungsventil dann geschlossen und es kann der für den Regelfall gegebenenfalls vorgesehene Rücksaugvorgang durchgeführt werden. Hierbei kann beispielsweise eine gegebenenfalls vorhandene Rückförderpumpe angesteuert werden, sodass die Lösung zumindest teilweise aus dem Dosiermodul und dem Leitungssystem zurückgesaugt und zurück in den Tank gefördert wird. Das Dosierventil des Dosiermoduls wird in diesem gegebenenfalls vorgesehenen Nachlauf elektrisch deaktiviert, d.h. also geöffnet, sodass das Dosierventil mittels des eingesaugten Abgases aus dem Abgastrakt belüftet wird. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Förder- und Dosiersystems kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die Energiezufuhr nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine unterbrochen ist, beispielsweise durch Not-Aus oder Abklemmen der Batterie. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Öffnung des Entleerungsventils und des Dosierventils im stromlosen Zustand können sich das Dosierventil und der Leitungsabschnitt zwischen dem Dosierventil und dem Entleerungsventil (Druckleitung) über das Entleerungsventil entleeren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Förder- und Dosiersystems ist für die aus dem Entleerungsventil austretende Flüssigkeit ein Auffanggefäß vorgesehen. Das Auffanggefäß kann mit einer Füllstandsüberwachung ausgestattet sein, und das Auffanggefäß kann bei Bedarf durch den Nutzer oder den Service geleert werden. Alternativ kann eine Rückführung der aus dem Entleerungsventil austretenden Flüssigkeit in den Tank vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Förder- und Dosiersystem mit eisdruckfesten Komponenten, also insbesondere einem eisdruckfesten Fördermodul und eisdruckfesten Schläuchen und Schlauchverbindungen ausgestattet sein, sodass die erfindungsgemäß vorgesehene Belüftung des oder der Dosierventile in jedem Fall ausreichend ist, um Eisdruckschäden zuverlässig zu vermeiden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Förder- und Dosiersystems, wie es oben beschrieben wurde. Als erfindungswesentliches Merkmal ist dieses hydraulische Förder- und Dosiersystem mit einem Entleerungsventil ausgestattet, das im stromlosen Zustand geöffnet ist. Das Dosierventil ist ebenfalls so ausgestaltet, dass es im stromlosen Zustand geöffnet ist, sodass Abgas aus dem Abgastrakt in das Förder- und Dosiersystem bei der passiven Entleerung im stromlosen Zustand angesaugt wird. Zweckmäßigerweise befindet sich das Entleerungsventil an einer tiefsten Stelle zwischen der Förderpumpe und dem Dosiermodul. Im stromlosen Zustand entleert sich das Förder- und Dosiersystem zwischen dem Dosiermodul und dem Entleerungsventil infolge des herrschenden hydrostatischen Druckes, sodass zumindest das Dosierventil des Dosiermoduls und gegebenenfalls weitere Schlauchabschnitte belüftet werden.
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Insgesamt hat das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Förder- und Dosiersystem vor allem den Vorteil, dass auch bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine zumindest das Dosierventil des Systems belüftet wird, sodass es nicht zu Frostschäden durch gefrierende Lösung bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen kommen kann.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines hydraulischen Förder- und Dosiersystems als Computerprogramm bzw. als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch beispielsweise bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, wenn sie mit dem erforderlichen Entleerungsventil ausgestattet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems (Stand der Technik) und
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2 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Förder- und Dosiersystems gemäß der Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt in schematischer Weise die an sich bekannten Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems. Im Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 11 ist ein SCR-Katalysator 12 angeordnet, der durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) selektiv Stickoxide im Abgas reduziert. Für die Reaktion wird Ammoniak (NH3) eingesetzt, das reduzierend wirkt. NH3 wird durch die Einspritzung einer flüssigen Harnstoffwasserlösung (Reduktionsmittellösung) über die Dosiereinrichtung 13 (Dosierventil) in den Abgasstrang 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 bedarfsabhängig eingebracht. Die wässrige Harnstofflösung wird in einem Reduktionsmitteltank 14 bevorratet, aus dem die Lösung mittels einer Förderpumpe 15 über die Druckleitung 16 der eigentlichen Dosiereinrichtung 13 zugeführt wird. Zur Überwachung der Stickoxidkonzentration im Abgas ist stromabwärts des SCR-Katalysators 12 ein NOx-Sensor 17 vorgesehen. Die Steuerung der Dosierung und die Erfassung und Auswertung der Stickoxidwerte erfolgen in einer Auswerteeinheit 18, insbesondere in einer Steuereinheit des SCR-Katalysatorsystems oder in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine.
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Üblicherweise verwendete Harnstofflösungen, z.B. AdBlue®, gefrieren bei Temperaturen von circa –10° C oder weniger. Zur Vermeidung von Frostschäden an den empfindlichen Bauteilen des Förder- und Dosiersystems ist daher üblicherweise ein Rücksaugen des Mediums aus der Dosiereinrichtung 13 (Dosiermodul) bzw. dem oder den Dosierventilen und gegebenenfalls aus Leitungsteilen und/oder der Förderpumpe 15 vorgesehen.
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2 illustriert die Komponenten eines erfindungsgemäßen hydraulischen Förder- und Dosiersystems in einer beispielhaften Ausführungsform. Die gefrierfähige Lösung (Reduktionsmittellösung) wird mit Hilfe eines Fördermoduls 21 aus einem Vorratstank 24 gefördert und mittels eines Dosiermoduls 23, das ein oder mehrere elektrisch ansteuerbare Dosierventile umfasst, in den Abgasstrang (nicht gezeigt) einer Brennkraftmaschine in bedarfsabhängiger Weise eingesprüht. Das Fördermodul 21 umfasst eine Förderpumpe 25, die mittels eines Motors 22 betrieben wird. Die Förderpumpe 25 saugt die flüssige Lösung aus dem Vorratstank 24 über eine Ansaugleitung 27, in der sich ein Filter 28 befindet, an. In Förderrichtung der Pumpe 25 ist ein Rückschlagventil 29 vorgesehen, das beispielsweise für einen Öffnungsdruck von 500 mbar ± 100 mbar ausgelegt ist. In Förderrichtung durchläuft die Lösung dann einen Hauptfilter 30, dem ein Druckdämpfer 31 zugeordnet ist. Weiterhin ist ein Drucksensor 32 im nachfolgenden Schlauchabschnitt vorgesehen. Innerhalb der sich anschließenden Druckleitung 26 zwischen dem Fördermodul 21 und dem Dosiermodul 23 befindet sich das erfindungsgemäße Entleerungsventil 33, das bevorzugt in einem Siphon 34 an einer tiefsten Stelle zwischen dem Fördermodul 21 und dem Dosiermodul 23 angeordnet ist. Hier nicht dargestellt ist ein möglicher separater Auffangbehälter für die aus dem Entleerungsventil 33 austretende Flüssigkeit. Prinzipiell ist auch eine Rückführung der aus dem Entleerungsventil 33 austretenden Flüssigkeit in den Tank 24 möglich, wobei in diesem Fall zweckmäßigerweise Vorkehrungen gegen eine Verschmutzung oder Kristallisierung der austretenden Flüssigkeit getroffen werden sollten, beispielsweise mittels eines geeigneten Filters.
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Bei dem regulären Betrieb verdichtet die Förderpumpe 25 die Lösung, um einen vorgesehenen Systemdruck aufzubauen. Ein Teil der Lösung wird hierbei in der Regel bei der maximalen Dosiermenge wieder über eine Rücklaufleitung 35 in den Vorratstank 24 zurückgefördert. Innerhalb der Rücklaufleitung 35 befindet sich ein weiterer Filter 36, eine Rückflussdrossel 37 und ein Rückschlagventil 38, das beispielsweise für einen Öffnungsdruck von 500 mbar ± 100 mbar eingerichtet. Wenn keine Dosierung des Reduktionsmittels angefordert wird, beispielsweise bei einer Dosierpause, kann 100 % der gepumpten Lösung über die Rücklaufleitung 35 wieder in den Tank 24 zurückgeleitet werden.
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Bei dem hier illustrierten Förder- und Dosiersystem ist eine Möglichkeit zur aktiven Entleerung bzw. Belüftung des Dosiermoduls 23 und gegebenenfalls auch der Druckleitung 26 nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Hierfür ist eine Rückförderpumpe 39 im Bereich einer weiteren separaten Rücklaufleitung 40 angeordnet. Aus Gründen des Frostschutzes kann in einem Nachlauf der Brennkraftmaschine die Rückförderpumpe 39 aktiv angesteuert werden, sodass die Lösung aus dem Dosiermodul 23 zurückgesaugt und Abgas aus dem Abgastrakt angesaugt wird. Das Entleerungsventil 33 ist hierbei durch entsprechende elektrische Ansteuerung geschlossen. Das Dosierventil bzw. das Dosiermodul 23 wird für den Rücksaugvorgang elektrisch deaktiviert, also geöffnet.
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Neben dem aktiven Rücksaugen von Medium erlaubt das hier dargestellte System gemäß der Erfindung eine passive Entleerung des Dosiermoduls 23, wobei über das Entleerungsventil 33 eine Entleerung des Dosiermoduls 23 und des Abschnitts der Druckleitung 26 zwischen dem Dosiermodul 23 und dem Entleerungsventil 33 unter Nutzung der Lageenergie infolge des herrschenden hydrostatischen Drucks gemäß dem Saugheberprinzip erfolgt. Das Entleerungsventil 33 ist hierfür so ausgestaltet, dass es im stromlosen Zustand geöffnet ist. Wenn es nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine zu einer Unterbrechung der Energiezufuhr kommt und keine aktive Entleerung in einem Nachlauf möglich ist, befindet sich das Entleerungsventil 33 in einer geöffneten Position. Auch das Dosierventil des Dosiermoduls 23 ist so ausgestaltet, dass es im stromlosen Zustand ebenfalls geöffnet ist. Folglich entleert sich das Dosiermodul 23 und der Schlauchabschnitt bis zum Entleerungsventil 33 im stromlosen Zustand, sodass durch das damit verbundene Ansaugen von Abgas aus dem Abgastrakt über das Dosiermodul 23 eine Belüftung des Dosiermoduls 23 bzw. des oder der Dosierventile stattfindet.
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Die erfindungsgemäße passive Entleerung über das Entleerungsventil 33 im stromlosen Zustand kann insbesondere bei unvorhergesehener Unterbrechung der Energiezufuhr zum Tragen kommen, z.B. bei einem Not-Aus oder bei einem Abklemmen der Batterie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078528 A1 [0006]
- DE 102010030050 A1 [0007]
