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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Zündsystem
und insbesondere einen Injektor für derartige Zündsysteme.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Man hat herausgefunden, dass ein
zuverlässiges
Zünden
unter Verwendung konventioneller Flugzeugtriebwerkszündsysteme
unter bestimmten Situationen nicht möglich ist. Von besonderer Schwierigkeit
ist der Versuch, ein kleines Triebwerk bei einer sehr niedrigen
Drehzahl unter Verwendung von Brennstoffinjektoren mit großer Strömungszahl oder
Luftblas-Brennstoffinjektoren zu zünden. Kleine Maschinen können während Anlass-Zuständen keinen
signifikanten Brennkörperdruckabfall
erzeugen und deshalb ist die Zerstäubung des Brennstoffs durch
den Hauptbrennstoffinjektor schlecht.
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Injektoren mit großer Strömungszahl
sind für optimale
Performance bei voller Leistung bemessen. Die Brennstoffströmungsmengen
während
des Anlassbetriebs sind nicht ausreichend, die Injektoren bei den
Anlassbetriebs-Strömungsraten
druckzubeaufschlagen und somit ist der Zerstäubung des Brennstoffs unangemessen,
was zu Schwierigkeiten führt.
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Sogenannte "Heißstarts" können sich
ergeben, wenn die Brennstoffströmungsrate
bei derartigen Zuständen
niedriger Drehzahl erhöht
wird. Um das genannte Problem zu lösen, werden sehr kleine Druckzerstäuber, die
als Primärinjektoren
bekannt sind, in Verbindung mit größeren Sekundärinjektoren verwendet.
Die kleine Größe dieser
Primärinjektoren erzeugt
einen größeren Brennstoffdruck
bei niedriger Drehzahl und erlaubt eine bessere Zerstäubung des Brennstoffs.
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Der Nachteil bei diesen kleinen Primärinjektoren
ist deren Tendenz, in Folge der sehr kleinen Öffnungsgrößen verschmutzt zu werden.
Das erfordert verstärkte
Wartung im Einsatz. Außerdem
tragen eine zweite Brennstoffverzweigungseinrichtung und Brennstoffströmungsteilerventile
zur Komplexität
des Systems und zu den Kosten bei. Bei großer Höhe und bei Zuständen, bei
denen ein Flammenausfall der Brennkammereinrichtung vorherrschender
sein kann, ist es erforderlich, dass die Primärinjektoren kontinuierlich
arbeiten, um Brennstoff in die Brennkammer zu injizieren, was in
der Tat Brennstoff von den Sekundärbrennstoffinjektoren ableitet
und so das Kühlen
der Sekundärinjektoren
beeinträchtigt.
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Sogenannte Fackel-Zünder nutzen
einen kleinen Primärinjektor
in enger Nähe
zu dem Zünder und
eliminieren so das Bedürfnis
nach einer großen Anzahl
von kleinen Injektoren. Jedoch haben diese Primärinjektoren immer noch das
Problem der Verschmutzung in Anbetracht von deren sehr kleinen Öffnungsgrößen. Zum
Kühlen
des Injektors muss er während
des gesamten Maschinenzyklus betrieben werden.
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Obwohl Fackel-Zünder manche Probleme insbesondere
der Zündung
während
Anlasszuständen
niedriger Drehzahl lösen
können,
kann deren Leistung immer noch bei großen Höhen beeinträchtigt sein, wenn es erforderlich
ist, nach einem Flammenausfall wieder zu zünden, weil die Luftströmungsraten
und der Brennkammerdruckabfall viel größer sind.
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GB 1 377 648 beschreibt ein Flammenrohr für eine Brennkammer
einer Gasturbinenmaschine und die unabhängigen Ansprüche wurden
gegenüber diesem
Dokument abgegrenzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, ein Zündsystem
bereitzustellen, das Injektoren bei niedriger Drehzahl während eines
Anlassbetriebs oder bei Zuständen
in großer
Höhe, wenn
die Brennstoffströmungsraten
niedrig sind, entzünden
kann.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, das Bedürfnis nach
Injektoren mit kleiner Öffnung
zu eliminieren.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, eine kontinuierlich
steuerbare Quelle bereitzustellen, damit es zu einem Brennen kommen
kann, sobald eine brennbare Mischung von Luft und Brennstoff zugeführt wird.
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Es ist noch ein weiteres Ziel der
vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform,
ein verbessertes Brennstoffverteilungssystem für einen Zünder bereitzustellen, welches
das Auftreten von Kohleaufbau und Verkokung verringert, da kleine Öffnungen
oder kleine tote Bereiche in den Leitungen nicht vorhanden sind.
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Gemäß einem ersten breiten Aspekt
liefert die vorliegende Erfindung eine Brennstoff- und -Luft-Verteilervorrichtung
für einen
Zünder
für eine Brennkammereinrichtung
in einer Gasturbinenmaschine, wie in Anspruch 1 beansprucht.
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Gemäß einer spezielleren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der Zünder
ein Plasmazünder
des Typs, der in dem US-Patent 5 587 630, Dooley, welches am 24.
Dezember 1996 erteilt wurde, beschrieben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Leitungen, welche Brennstoff
dem porösen
rohrförmigen
Element zuführen,
relativ große
Bohrungs-Leitungen und verringern so die Risiken des Verkokens.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das rohrförmige poröse Element ein Kreiszylinder
und die Porösität des Zylinders
ist im Bereich von zwischen 60 Poren pro Inch und 200 Poren pro
Inch.
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Es ist auch angedacht, dass die rohrförmige Einrichtung
sphärisch
oder kegelstumpfförmig
sein kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verteilen von zerstäubtem Brennstoff
auf einem Zünder
in einer Brennkammer, wie in Anspruch 12 beansprucht. Somit ist,
wie man sich vorstellen kann, das ringförmige poröse Element in der Brennkammereinrichtung
installiert, wobei die Zünderspitze
gerade in der Bohrung der rohrförmigen
Einrichtung ist, und wobei der flüssige Brennstoff der porösen rohrförmigen Einrichtung
zugeführt
wird, wo der Brennstoff durch Kapillarwirkung das poröse Element
tränken
wird, wobei aber auch die druckbeaufschlagte Luft, die auch dem porösen rohrförmigen Element
zugeführt
wird, den Brennstoff zerstäuben
wird, wenn sie den Brennstoff in den Bohrungsbereich der rohrförmigen Einrichtung trägt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform ist die Fähigkeit,
reine Luftblas-Injektoren (air blast injectors) in der Brennkammereinrichtung
bei niedrigen Anlass-Drehzahlen und Zuständen großer Höhe zu verwenden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausbildung
eines Verbrennungshohlraums, der durch kontrollierte Brennstoff-
und Luft-Strömungsraten
unabhängig
von den Zuständen in
der Brennkammereinrichtung versorgt wird.
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Außerdem kann der Plasma-Zünder von
der Luftströmung
durch das poröse
Rohr gekühlt
werden.
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Eine Strömungszahl ist definiert als
die Brennstoffmassenströmung
geteilt durch das Quadrat des Druckabfalls über die Düse für das Antreiben dieser Strömung. Je
kleiner die Strömungszahl
ist, umso größer ist
der erforderliche Druckabfall, damit eine bestimmte Brennstoffrate
strömt.
Sie ist ein Maß der Öffnungsgröße der Düse. Kleine
Strömungszahlen
sind irgendwo von 0,5 bis 1,5, während
große Strömungszahlen
größer als
10 sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben
wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen,
die illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, und
für die
gilt:
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1 ist
eine Teilachsialschnittansicht, die eine Brennkammereinrichtung
einer Gasturbinenmaschine zeigt, welche die vorliegende Erfindung
inkorporiert;
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2 ist
ein vergrößerter Axialschnitt
eines Fackel-Zünders
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
ein Radialschnitt, der entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist;
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4A ist
eine schematische Ansicht des in 2 gezeigten
Fackel-Zünders
und zeigt einige Details der Plasmaelektrode; und
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4B ist
eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Zünders, der
eine andere Plasmaelektrodenkonfiguration zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Es wird nun auf die 1 Bezug genommen. Dort ist schematisch
ein Fackel-Zünder 10 gezeigt, der
an einer Brennkammereinrichtung 13 angebracht ist. Tatsächlich weist
der Fackelzünder
einen Plasmazünder 12 in
axialer Ausrichtung mit einem von dem rohrförmigen Element 18 in
dem Gehäuse 16 in 1 definierten Hohlraum auf.
Ein Brennstoffinjektor 34 ist schematisch neben dem Fackelzünder 10 gezeigt.
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Unter Bezugnahme auf die 2 ist der Plasmazünder 12 schematisch
gezeigt. Jedoch ist der bevorzugte Plasmazünder gemäß US Patent 5 587 630, welches
am 24. Dezember 1996 Kevin A. Dooley erteilt wurde und auf die In haberin
des vorliegenden Patents übertragen
wurde, ausgebildet. In diesem Patent liefert der Plasma-Zünder 12 einen kontinuierlichen
gasförmigen
Plasmabogen über
den Zünderspalt
an der Zünderspitze.
Die Beschreibung in dem genannten Patent ist hier durch Bezugnahme inkorporiert.
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Ein rohrförmiges poröses Element 18 hat eine
kreisförmige
zylinderförmige
Gestalt in der vorliegenden Ausführungsform.
Der poröse
Zylinder 18 definiert eine axiale Öffnung oder Bohrung 20,
die durch eine innere Oberfläche 22 definiert
ist. Der Zylinder hat einen äußere zurückgesetzte
Oberfläche 24.
Der Zylinder ist in dem Gehäuse 16 angebracht, welches
an dem Äußeren der
Brennkammerwand angebracht ist. Die Bohrung 20 definiert
eine Austrittsöffnung 20a an
der Brennkammerwand 14.
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Der Zylinder 18 ist aus
einem porösen
Keramik- oder Metallmaterial mit einer hohen Wärmebeständigkeit hergestellt. Die Keramikversion
des zylinderförmigen
Rohrs 18 ist ein Hochtemperatur-Siliziumkarbid. In dem
Fall eines Metallrohrs kann Inco 718TM verwendet
werden. Hochtemperatur-Nickellegierungen sind generell angedacht.
Ein bevorzugter Bereich des porösen
Materials ist von 100 Poren pro Inch (39,37 Poren pro Zentimeter)
bis 200 Poren pro Inch (78,74 Poren pro Zentimeter). Die maximale
Porosität
wäre Material
mit 60 Poren pro Inch (23,6 Poren pro Zentimeter). Es ist angedacht,
dass der Zylinder eine größere Dichte
näher an
der inneren Oberfläche 22 haben
könnte,
um die Kapillarwirkung zu erhöhen.
Der Zylinder 18 könnte
eine maximale Länge
von 4 Inch (10,16 Zentimeter) und eine minimale Länge von
2 Inch (5,08 Zentimeter) haben. Ein bevorzugter Zylinder 18 würde einen
inneren Durchmesser von nicht mehr als einem halben Inch (5,27 Zentimeter)
und eine maximale Gesamtlänge
von 2 Inch (5,08 Zentimeter) und einen Außendurchmesser von einem Inch
(2,54 Zentimeter) oder weniger haben. Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 ist der Zylinder mit einem äußeren (zurückgesetzten)
Durchmesser D gezeigt, wobei der innere Durchmesser der Bohrung 20d ist
und L die Länge
ist. Die Dicke der zurückgesetzten
Zylinderwand ist t. Somit gilt UD ~ 3–8 und vorzugsweise 4, und
d/D ~ < 0,5, vorzugsweise 0,5;
ebenso gilt t/d ~ 1.
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Flüssiger Brennstoff kann dem
rohrförmigen Zylinder 18 am
Einlass 30 aufgebracht werden. Der Brennstoff wird durch
Kapillarwirkung in die Wand des rohrförmigen Zylinder 18 gesaugt.
Druckbeaufschlagte P3 Luft von der Maschine kann durch Öffnungen 32 in
das Gehäuse 16 gelangen
und so durch die Wand des rohrförmigen
Zylinders 18 in den durch die Bohrung 20 gebildeten
Hohlraum strömen
und dabei Brennstoff mitnehmen und ihn durch das poröse Material
der Wand zerstäuben.
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Somit ist es nicht erforderlich,
die Brennstoff- und Luft-Mischung zu verwirbeln, um sie zu zerstäuben, sondern
sie wird natürlich
zerstäubt,
wenn sie durch das poröse
Material hindurchgeht. Somit tritt die in das durch die zurückgesetzte äußere Wand 24 und
das Gehäuse 16 gebildete
Plenum gelangende Luft durch die poröse Wand des rohrförmigen Zylinders 18 hindurch
und entkommt in den Hohlraum mit einer niedrigen Geschwindigkeit
und beladen mit einer Menge von verdampftem Brennstoff, der bei
der Bewegung der Luft durch das poröse Material aufgenommen wurde.
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Der Plasmazünder 12 ist an dem
an Ende 20b des rohrförmigen
Zylinders 18 zu dem Gehäuse 16 wie
gezeigt positioniert. Der Plasma-Zünder 12 liefert eine
intensive lokale Wärmequelle,
welche die Brennstoff-Luft-Mischung in dem durch die Bohrung oder Öffnung 20 gebildeten
Hohlraum entzündet.
Die expandierenden Verbrennungsgase entkommen in die Brennkammer 13 und
schaffen eine viel größere Wärmequelle
für das
Entzünden
des Injektors 34 als das durch den Plasmazünder alleine
verfügbar
wäre. Man
hat gesehen, dass eine derartige Anordnung eine Zündung mit
reinen Luftblas-Brennstoffinjektoren bei sehr niedrigen Brennstoffdrücken liefert.
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Obwohl kontinuierliche Plasma-Zünder bevorzugt
sind, würde
eine derartige Anordnung auch ein erfolgreiches Zünden mit
konventionellen intermittierenden Zündern liefern.
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Es wurde auch beobachtet, dass, sobald
die Wärme
von den Gasen in dem Hohlraum auf die innere Oberfläche 22 aufgebracht
wird, der Brennstoff mit einer zunehmenden Geschwindigkeit zu verdampfen
beginnt. Die Verdampfung von der Oberfläche 22 saugt mehr
Brennstoff von der porösen
Wand an die Oberfläche 22 durch
Kapillarwirkung, während die
Luftströmung
weiterhin durch das poröse
Material hindurchtritt. Es besteht eine Tendenz für den Brennstoff
und die Luft, sich vorzuvermischen und das führt zu einer kontinuierlichen
blauen Flamme, die kontinuierlich weiter brennt, selbst nachdem
die Plasmaquelle abgeschalten wurde, und sie hört dann auf zu brennen, sobald
der Brennstoff erschöpft
ist.
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Eine kontinuierliche Strömung von
Luft durch den rohrförmigen
Zylinder 18 hält
das poröse
Material kalt, trotz der Anwesenheit der Flamme. Wenn die Lufttemperatur
zunimmt, wird der Rest des Brennstoffs verdampft und trocknet so
das Rohr vollständig für den Rest
von dessen Zyklus. Die kontinuierliche Luftströmung in der von dem Zünder entfernten
Position trägt
dazu bei, den Zünder
gegen die harschen Bedingungen der Verbrennungskammer zu schützen. Niedrige
Luftströmungsraten
verhindern eine größere Unterbrechung
des Hauptverbrennungsgaswegs.
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Eine konischer Hohlraum 26 ist
mit einer konischen Wand 28 in der Basis des Gehäuses gebildet und
endet an dem Ende 20b der Bohrung 20 und ist vorgesehen,
um das Überfluten
des Zünders
mit flüssigem
Brennstoff zu verhindern. Tangential in den Hohlraum 26 injizierte
Luft bläst
Brennstoff aus der Basis. Die Drallwirkung trägt dazu bei, flüssigen Brennstoff
weg von der Plasmaoberfläche
zu halten und dabei Dampf in die durch die Bohrung 20 gebildete
Rezirkulationszone anzuziehen. Das kann beim Zünden und beim Stabilisieren
der Flamme in diesem Bereich helfen. Luft von der hilfsweisen externen Luftzufuhr
ist beim Kontrollieren der Prozesse in dem Basishohlraum bevorzugt.
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Die 4a und 4b zeigen detaillierter die verschiedenen
Anordnungen, die vorgenommen werden könnten, um die Leistung des
Zünders
zu maximieren. Beispielsweise werden in der 4a die Luft und der Brennstoff unterhalb
der Oberfläche in
deren Zentralelektrode 40 des Zünders injiziert und verwirbelt,
um eine Rezirkulationszone Z in der Bohrung oder Öffnung 20 und über der
Zünderelektrode zu
schaffen. Das Plasma tritt auf zwischen dem Gehäuse 42 der Elektrode 12 und
der Zentralelektrode 40.
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Die Bezugszeichen in der 4b korrespondieren zu ähnlichen
Elementen der 4a, sie
wurden jedoch um 100 erhöht. In dieser Ausführungsform
wurde die Öffnung 144,
die durch die Basis gebildet wird, verringert und so eine Stufe 142 gebildet. Die
Luft und Brennstoff gelangen in diesem Fall in die Rezirkulationszone,
die durch die Bohrung oder Öffnung 120 definiert
ist, durch die Öffnung 144.
Ein Verwirbeln und Vermischen wird deshalb an der derart gebildeten
Stufe 142 induziert. Das Plasma wird zwischen der Elektrodenscheibe 140 und
der Wand 128 der Basis beobachtet.
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Der sich in dem porösen Material
entwickelnde Kapillardruck wird durch die Porengröße kontrolliert.
Je kleiner die Porengröße ist,
umso höher
ist der Kapillardruck. Der Kapillardruck bestimmt die Brennstoffförderrate,
die sich während
der Zündsequenzen entwickeln,
und kontrolliert auch die Menge an Luftströmung durch das poröse Material.
Typischerweise ist der Kapillardruck sehr annähernd der gleiche wie der Druckabfall über die
Brennkammereinrichtung während
der Startsequenz. Das trägt
dazu bei, die Luftströmung
vor der Zündung
zu begrenzen und lässt
es ihr dabei zu, freier zu strömen,
sobald das Zünden
erzielt wurde.
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Es ist angedacht, dass Brennstoffkanäle in das
poröse
Material zum schnellen Zuführen
von Brennstoff während
Anlassvorgängen
gebohrt werden können.
Brennstoff strömt
durch die Kanäle
und kann schnell die gesamte poröse
Wand sättigen. Eine
andere Verbesserung, die angedacht wurde, ist das Erwärmen des
porösen
Materials, um den in dem porösen
Material gehaltenen Brennstoff vorzuwärmen, um eine schnellere Zündung über einen
breiteren Bereich ro fördern.
Außerdem
können
katalytische Oberflächenmaterialien
aufgebracht werden, um Verbrennungsreaktionen zu fördern.