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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen eines Einspritzventils an einem Kraftstoffsystem einer Verbrennungskraftmaschine.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Motorsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine, welche eingerichtet ist ein Verfahren zum Heizen eines Einspritzventils an einem Kraftstoffsystem der Verbrennungskraftmaschine durchzuführen.
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Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine, die eine Motorsteuerung aufweist, welche eingerichtet ist ein Verfahren zum Heizen eines Einspritzventils an einem Kraftstoffsystem der Verbrennungskraftmaschine durchzuführen.
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Wie in der
EP 1 455 077 A2 offenbart, kann eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Primärkraftstoff oder mit einem Alternativkraftstoff betrieben werden. Der Primärkraftstoff wird zumeist für einen Start der Verbrennungskraftmaschine verwendet und es erfolgt im laufenden Betrieb eine Kraftstoffumschaltung auf den Alternativkraftstoff. Hierbei besteht die Notwendigkeit, ein Einspritzventil für den Alternativkraftstoff vor einer Kraftstoffumschaltung zu beheizen, um dieses auf Betriebstemperatur zu bringen. Wenn allerdings das Einspritzventil während des Heizens öffnet, kann sowohl ein ungewolltes Eintreten von Luft in eine stromaufwärts des Einspritzventils befindliche Kraftstoffleitung als auch ein ungewolltes Austreten von Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung die Folge sein. Luft im Kraftstoffsystem bewirkt eine kurzzeitige Kraftstoffunterversorgung unmittelbar nach dem Umschalten. Austreten von Kraftstoff während des Heizens bewirkt hingegen eine Störung des Verbrennungsluftverhältnisses und eine Ungleichverteilung von Kraftstoff auf die jeweiligen Zylinder.
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Bei der Kraftstoffumschaltung vom Primärkraftstoff auf den Alternativkraftstoff kann ferner das Problem entstehen, dass die Einspritzventile, welche den Alternativkraftstoff in die Verbrennungskraftmaschine einleiten, verklebt sind oder aus anderen Gründen, wie etwa Verschmutzung, Toleranzabweichungen oder Alterung, nicht ordnungsgemäß öffnen.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Verbesserung eines Verfahrens zum Heizen wenigstens eines Einspritzventils an einem Kraftstoffsystem einer Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen störungsfreien Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten und die Ungleichverteilung des Verbrennungsluftverhältnisses sowie eine Laufunruhe der Verbrennungskraftmaschine zu minimieren.
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Um diese Aufgabe zu lösen wird ein Verfahren zum Heizen wenigstens eines Einspritzventils an einem Kraftstoffsystem einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Primärkraftstoff sowie mit wenigstens einem Alternativkraftstoff betreibbar ist, vorgeschlagen, wobei das Einspritzventil zeitlich vor einer Kraftstoffumschaltung vom Primärkraftstoff auf den Alternativkraftstoff beheizt wird und wobei das Beheizen des Einspritzventils in Abhängigkeit einer Ventildruckdifferenz des Einspritzventils erfolgt.
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Unter Ventildruckdifferenz wird die Differenz der Drücke stromab und stromaufwärts des Einspritzventils verstanden. Eine positive Ventildruckdifferenz liegt vor, wenn der Druck stromaufwärts des Einspritzventils größer ist als der Druck stromab des Einspritzventils.
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Der Primärkraftstoff ist hierbei der Kraftstoff, der zum Starten der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird. Liegen Bedingungen für einen störungsfreien Betrieb mit Alternativkraftstoff vor, erfolgt eine Kraftstoffumschaltung auf Betrieb mit Alternativkraftstoff.
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Die Verwendung der Ventildruckdifferenz des Einspritzventils zum Heizen hat den Vorteil, dass die Menge an Alternativkraftstoff, die während des Heizens der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, kontrolliert werden kann. Wie sofort ersichtlich kann die Kraftstoffmenge auch derart kontrolliert werden, dass entweder nur eine geringe Menge an Alternativkraftstoff der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird oder die Zuführung an Alternativkraftstoff vollständig unterbunden wird. Dies kann auch derart ausgestaltet sein, dass die Menge an Luft, die bei einer negativen Ventildruckdifferenz über das Einspritzventil in das Kraftstoffsystem gelangt, minimiert wird.
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Ein Einspritzventil beinhaltet eine magnetisierbare Spule, mittels welcher durch Aufbringen eines elektrischen Stromes eine Ventilnadel geöffnet werden kann. Da derartige Einspritzventile einen statischen Durchfluss aufweisen und die Spulen selbst zum Heizen verwendet werden können, ist es vorteilhaft für die vorliegende Erfindung, wenn zum Heizen das Einspritzventil während einer Ansteuerdauer mit einem elektrischen Strom bestromt wird. Die Ansteuerdauer ist hierbei der Parameter, mit welchem die Heizleistung gesteuert werden kann, wenn die Spannung und der Strom zum Ansteuern des Einspritzventiles nicht veränderlich ist. Dies ist vorteilhaft, da zum Steuern der Heizleistung ein in einer Motorsteuerung ohnehin vorhandenes Signal verwendet werden kann und die Ansteuerdauer in einem bekannten Verhältnis zu der Einspritzmenge steht. Somit kann die Ansteuerdauer so gewählt werden, dass nur eine geringe Menge an Kraftstoff oder gar keine Menge an Kraftstoff entweicht, sofern das Einspritzventil eine Grenzansteuerdauer aufweist, ab welcher noch kein Kraftstoff eingespritzt wird.
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Da die Ansteuerdauer zum Beheizen des Einspritzventils in einem Verhältnis zu der Heizleistung steht, ist es vorteilhaft für die Erfindung, wenn die Kraftstoffumschaltung erfolgt, wenn ein zeitliches Integral der Ansteuerdauer größer als ein Heizschwellwert ist.
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Ungleichverteilung liegt vor, wenn einem von mehreren Zylindern der Verbrennungskraftmaschine relativ zu den weiteren Zylindern ein unterschiedliches Gemisch zugeführt wird. Dies kann durch zyklisches und abwechselndes Ansteuern der Einspritzventile auftreten. Insofern versteht es sich, dass ein Heizen durch Bestromen der Einspritzventile nicht in jedem Zyklus sondern auch intermittierend erfolgen kann. So ist es möglich, beispielsweise nur in jedem achten Zyklus zu Heizen, um die gewünschte Heizleistung zu kontrollieren.
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Es versteht sich, dass der Primärkraftstoff ebenfalls ein gasförmiger Kraftstoff sein kann. Weiterhin versteht es sich, dass das der Aufgabe zugrunde liegende Problem auch an einem einen flüssigen Alternativkraftstoff verwendenden Kraftstoffsystem auftreten kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Es zeigen die
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1 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine,
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2 ein Diagramm zur Bestimmung des Heizparameters,
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3 schematisch die Bildung der Umschaltbedingung und
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4 schematisch die Bildung des weiteren Heizparameters.
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Die 1 stellt eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Zylinder 25, einem hubbeweglich im Zylinder 25 aufgenommen Kolben 26 und mit einem Auslassventil 27 und mit einem Einlassventil 30 dar. Im Zylinder 25 befindet sich oberseitig eine Zündkerze 29, und öffnet das Einlassventil 30, kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 25 gelangen, und das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch kann bei Öffnen des Auslassventils 27 in den Abgaskanal 28 entweichen. Vor dem Einlassventil 30 ist ein Saugrohr 14 ausgebildet, das stromaufwärts über eine Drosselklappe 23 in einen Luftfilter 22 mündet. Bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 wird Luft über den Luftfilter 22 durch das Saugrohr 14 angesaugt.
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Weiterhin verfügt die Verbrennungskraftmaschine 1 über eine Primäreinspritzdüse 13, an welche Primärkraftstoff 10 aus einem Primärkraftstofftank 12 über eine Primärkraftstoffleitung 24 herangeführt wird, und das Einspritzventil 13 ermöglicht ein Einspritzen des Primärkraftstoffes 12 in das Saugrohr 14.
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Weiterhin weist die Kraftstoffversorgung der Verbrennungskraftmaschine 1 einen Alternativkraftstoff 11 auf, der in einem Alternativkraftstofftank 15 bevorratet ist. Der Primärkraftstoff 10 ist beispielsweise Benzin oder Diesel, und der Alternativkraftstoff 11 ist ein Gas, beispielsweise Flüssiggas, insbesondere LPG (Liquified Petroleum Gas) oder andere Gase, die geeignet sind, eine Verbrennungskraftmaschine 1 zu betreiben, wie beispielsweise Erdgas (CNG/LNG: Comprimied Natural Gas, Liquified Natural Gas) oder Wasserstoff oder ein Gemisch aus den vorgenannten Kraftstoffen.
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Es versteht sich, dass zwischen dem Saugrohr 14 und dem Luftfilter 22 auch ein Verdichter angeordnet sein kann, mittels welchem die angesaugt Luft komprimiert wird. Insofern können im Saugrohr 14 auch Drücke größer als 1bar (absolut) auftreten.
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Der Zuführtrakt für den Alternativkraftstoff 11 beginnt mit dem Alternativkraftstofftank 15, an den sich eine Hochdruckleitung 31 anschließt. Der Systemdruck im Alternativkraftstofftank 15 und damit in der Hochdruckleitung 31 beträgt typischerweise 11 bar für LPG und 200 bar für Erdgas. In der Hochdruckleitung 31 ist ein Absperrventil 19 angebracht, an das sich ein Verdampfer 21 und im Falle von Erdgas ein (nicht dargestellter) Druckminderer anschließt. Im Verdampfer 21 wird der flüssige Alternativkraftstoff 11 vorzugsweise vollständig verdampft, und während der Verdampfung erfolgt ein Druckabfall auf einen Mitteldruck, der mittels des Verdampfers auf einen Wert von 1 bar über einem Druck im Saugrohr 14 eingestellt wird. Damit schließt sich an den Verdampfer 21 eine Mitteldruckleitung 18 an, die den im Wesentlichen verdampften Alternativkraftstoff 11 an ein Einspritzventil 17 führt. Das Einspritzventil 17 wird über eine Steuereinrichtung 20 so angesteuert, dass das Einspritzventil 17 synchronisiert zum Ansaugtakt der Verbrennungskraftmaschine 1 pulsartig öffnet und eine quantifizierte Menge an Alternativkraftstoff 11 an eine sich an das Einspritzventil 17 anschließende Niederdruckleitung 16 abgibt. Über die Niederdruckleitung 16 wird der Alternativkraftstoff 11 an das Saugrohr 14 geführt und vermischt sich in diesem mit über den Luftfilter 22 angesaugter Luft. Der in der Mitteldruckleitung 18 eingestellte Kraftstoffdruck liegt etwa 1 bar über einem Druck der Niederdruckleitung 16.
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Die Steuereinrichtung 20 bildet mit dem Einspritzventil 17 und nicht näher gezeigten Druckmesseinrichtungen wenigstens in der Niederdruckleitung 16 und in der Mitteldruckleitung 18 eine Heizeinrichtung, die so ausgebildet ist, dass die Beheizung des Einspritzventils 17 wenigstens einen Heizparameter aufweist und wobei der Heizparameter anhand einer Ventildruckdifferenz des Einspritzventils bestimmt wird. Der Heizparameter ist hierbei die Ansteuerdauer des Einspritzventils 17.
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Die Steuereinrichtung 20, die eine Motorsteuerung beinhaltet, dient dabei in Wirkverbindung mit dem Einspritzventil 17 zum gewöhnlichen Betrieb des Einspritzventils 17 zur Zuteilung des Alternativkraftstoffes 11 an die Verbrennungskraftmaschine 1, wobei die Steuereinrichtung 20 zusätzlich dazu ausgebildet ist, die erfindungsgemäße Heizeinrichtung zur Kraftstoffumschaltung einer Kraftstoffversorgung der Verbrennungskraftmaschine 1 vom Primärkraftstoff 10 auf den Alternativkraftstoff 11 zu steuern. Die Steuerung ist hierbei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt. Somit kann in der Steuereinrichtung 20 wenigstens eine der Heizbedingungen einprogrammiert werden.
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Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 1 wird neben des Druckes in der Niederdruckleitung 16 und der Mitteldruckleitung 18 auch eine Kühlwassertemperatur der Verbrennungskraftmaschine 1 gemessen und fortlaufend in der Steuereinrichtung 20 ausgewertet. Aus den Drücken der beiden Druckleitungen 16, 18 wird die Ventildruckdifferenz gebildet, welche als Heizbedingung zur Bildung des Heizparameters herangezogen wird.
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Wie aus 2 ersichtlich, kann der Zusammenhang zwischen des als Ansteuerdauer ausgebildeten Heizparameters und der aus der Ventildruckdifferenz des Einspritzventils gebildeten Heizbedingung nicht-linear in der Form ausgebildet werden, dass nahe einer Ventildruckdifferenz von 0 mbar das Einspritzventil mit einer hohen Ansteuerdauer bestromt wird. Die Ansteuerdauer ist hierbei derart hoch gewählt, dass ein Öffnen des Einspritzventils 17 in jedem Fall auftritt. Die sehr geringe Ventildruckdifferenz führt allerdings dazu, dass ein Entweichen von Gas aus der Mitteldruckleitung 18 in die Niederdruckleitung 16 minimiert wird. Sobald die Ventildruckdifferenz ansteigt und die Menge an Gas, welches in das Saugrohr 14 strömen würde, ebenfalls ansteigt, wird die Ansteuerdauer verringert. Zu höheren Ventildruckdifferenzen muss die Ansteuerdauer nicht notwendigerweise bis auf 0 ms reduziert werden, da das Einspritzventil 17 eine Mindestansteuerdauer aufweist, unter welcher ein physikalisches Öffnen nicht mehr möglich ist. Ferner ist es möglich, dass eine Mechanik des Einspritzventiles 17 derart ausgebildet ist, dass eine hohe Ventildruckdifferenz dem Öffnen des Einspritzventiles 17 entgegenwirkt und eine höhere Ansteuerdauer erforderlich ist, um ein Öffnen zu bewirken. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Nadel oder ein anders ausgeprägtes Schließelement der Einspritzdüse 17 gegen den Kraftstoffdruck in der Mitteldruckleitung 18 wirkt.
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Zu negativen Ventildruckdifferenzen ist es notwendig die Ansteuerdauer stark zu verringern, um einen negativen Massenstrom am Einspritzventil 17 zu verhindern. Der negative Massenstrom führt zu einem Eintrag von Luft in die Mitteldruckleitung 18, wodurch der Motorbetrieb während der Kraftstoffumschaltung von Benzin nach LPG wegen fehlenden Gases auf Grund des in der Mitteldruckleitung 18 entstehenden Luftpolsters gestört wird. Daher liegen Ansteuerdauern im Bereich negativer Ventildruckdifferenzen in einem Bereich unterhalb der Mindestansteuerdauer, um das Beheizen der Spulen des Einspritzventils 17 sowie das Einspritzventil 17 selbst nicht übermäßig minimieren zu müssen.
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Das Beheizen des Einspritzventiles 17 mit geringen Ansteuerdauern kann den Nachteil haben, dass zwar ein Beheizen dieser dennoch erfolgen kann, doch das Ablösen einer möglicherweise vorliegenden Verklebung des Einspritzventiles 17 nicht ausreichend vor dem Umschalten von Benzin- auf Gasbetrieb gelöst wird. Das Umschalten, welches ab einer definierten Kühlwassertemperatur erlaubt wird, beinhaltet in der vorliegenden Ausgestaltung eine Umschaltbedingung, welche zusätzlich erfüllt sein muss, um ein Umschalten zuzulassen.
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Wie aus 3 ersichtlich wird zur Bildung der Umschaltbedingung die Ansteuerdauer herangezogen. Das Integral der Ansteuerdauer wird hierzu mit dem Heizschwellwert verglichen. Übersteigt das Integral der Ansteuerdauer den Heizschwellwert, wird die Umschaltbedingung erfüllt und ein Umschalten von Benzin auf Gas durchgeführt, sofern die Kühlwassertemperatur ebenfalls ausreichend hoch ist.
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Das Integral der Ansteuerdauer steht hierbei stellvertretend für die über die Bestromung des Einspritzventils 17 in dieses eingebrachte Heizleistung. Alternativ könnte auch der Strom und/oder die Heizleistung zur Bildung einer in das Einspritzventil 17 eingetragenen Wärmemenge herangezogen werden.
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Dem in der 3 gezeigten Integrator kann ferner ein Berechnungsblock vorgeschaltet sein, welcher Ansteuerdauern erst ab der Mindestansteuerdauer zum Integrator weiterleitet. Somit wird die Umschaltbedingung tatsächlich erst erfüllt, wenn das Einspritzventil 17 für definierte Zyklen geöffnet hat.
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Das Öffnen des Einspritzventils 17 während des Beheizens bewirkt, wie bereits vorstehend erläutert, eine Zuführung von Gas in das Saugrohr 14 und mithin in den Zylinder 25 der Verbrennungskraftmaschine 1. Die daraufhin entstehende Ungleichverteilung unter den verschiedenen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine ist Abhängig vom Verhältnis der Masse des Gases zur der Masse des eingespritzten Benzins. Folglich ist das Maß der Ungleichverteilung nicht nur Abhängig von der Menge des eingetragenen Gases sondern auch von der Einspritzmenge des Benzins. In Betriebspunkten mit hohen Einspritzmengen ist somit die Verbrennungskraftmaschine wesentlich unempfindlicher gegenüber dem durch das zusätzliche Gas verursachte Ungleichgewicht des Verbrennungsluftverhältnisses der einzelnen Zylinder.
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Das Ungleichgewicht zwischen den Zylindern 25 der Verbrennungskraftmaschine 1 rührt daher, dass das Bestromen der Einspritzventile 17 in einem definierten Abstand erfolgt, um über die Anzahl der Heizzyklen einerseits die eingebrachte Heizenergie zu steuern und andererseits die Masse an zusätzlich eingebrachtem Gas zu begrenzen. Beispielsweise kann zum Bestromen der Einspritzventile 25 ein Abstand von neun Zyklen gesetzt werden, was zur Folge hätte, dass nur bei jedem neunten Einspritzvorgang der Primäreinspritzventile 13 eine Bestromung des Einspritzventils 17 erfolgt. Wie sofort ersichtlich tritt hierbei eine Ungleichverteilung der Kraftstoffmasse der Zylinder 25 auf, da auf einen Heizzyklus, der eine kleine Menge an Gas entweichen lassen kann, acht Zyklen ohne zusätzlichen Kraftstoff folgen.
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4 zeigt den schematischen Zusammenhang zwischen weiteren Heizbedingung und dem weiteren Heizparameter. Hierbei ist die weitere Heizbedingung eine Motorlast der Verbrennungskraftmaschine 1. Der daraus mittels eines nicht-linearen Zusammenhangs ermittele weitere Heizparameter entspricht einem Ansteuerfaktor mit dem die Ansteuerdauer in der Steuereinrichtung 20 faktorisiert wird. Die Wichtung der Ansteuerdauer mit dem Ansteuerfaktor führt dazu, dass bei geringen Motorlasten, wie sie etwas bei langsamer Konstantfahrt oder im Leerlauf auftreten, die Ansteuerdauer entsprechend verringert wird. Durch diese Maßnahme wird der Anteil an Gas relativ zum Anteil Benzin gering gehalten, was wiederum eine Störung des Verbrennungsluftverhältnisses minimiert und die Ungleichverteilung zwischen den Zylindern minimiert. Wie sofort ersichtlich kann statt der Motorlast auch eine Einspritzmenge oder ein Saugrohrdruck der Verbrennungskraftmaschine 1 als weitere Heizbedingung Herangezogen werden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere besteht die Möglichkeit, jede der Heizbedingungen miteinander beliebig zu kombinieren und diese zum Beheizen des Einspritzventils 17 abzufragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 10
- Primärkraftstoff
- 11
- Alternativkraftstoff
- 12
- Primärkraftstofftank
- 13
- Primäreinspritzdüse
- 14
- Saugrohr
- 15
- Alternativkraftstofftank
- 16
- Niederdruckleitung
- 17
- Einspritzventil
- 18
- Mitteldruckleitung
- 19
- Absperrventil
- 20
- Steuereinrichtung
- 21
- Verdampfer
- 22
- Luftfilter
- 23
- Drosselklappe
- 24
- Primärkraftstoffleitung
- 25
- Zylinder
- 26
- Kolben
- 27
- Auslassventil
- 28
- Abgaskanal
- 29
- Zündkerze
- 30
- Einlassventil
- 31
- Hochdruckleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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