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Die Erfindung betrifft einen Abgasbrenner für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zum Betrieben eines solchen Abgasbrenners gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig und gefahrenbehaftet ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, welche mit dem heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Bei tiefen Außentemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von -7 °C, insbesondere von unter -10 °C, kann die Harnstoff-Wasser-Lösung in Abhängigkeit des Harnstoffgehalts der Harnstoff-Wasser-Lösung gefrieren. Um eine Eindosierung des Reduktionsmittels zu ermöglichen, sind elektrische Heizelemente bekannt, welche zumindest einen Teil des Vorratsbehälters, in welchem die Harnstoff-Wasser-Lösung bevorratet ist, aufheizen, um zumindest eine Teilmenge der Harnstoff-Wasser-Lösung zu verflüssigen und diese in die Abgasanlage eindosieren zu können.
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Ferner besteht, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen, die Herausforderung, die Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere einen Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden möglichst zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors auf eine sogenannte Light-Off-Temperatur aufzuheizen, um eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu beschleunigen, sind Abgasbrenner bekannt, welche ein heißes Brennerabgas in die Abgasanlage einleiten, um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu beschleunigen.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besteht das Problem, dass der Zeitraum von der Aktivierung des Abgasbrenners bis zum Zünden des ersten Kraftstoffs im Abgasbrenner zu lang ist und sich der Zeitraum für das Aufheizen der Abgasnachbehandlung um diesen Zeitraum für den Brennerstart verlängert.
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Die
DE 42 43 964 A1 offenbart eine Flammglühkerze mit einem Gehäuse, das einen Anschlußnippel mit einer Kraftstoffdosiereinrichtung aufweist. Ein Heizstab ist koaxial im Gehäuse angeordnet und ein Schutzrohr umgibt den vom Gehäuse vorstehenden Teil des Heizstabes. Das Schutzrohr ist am Heizstabende geschlossen und mit wenigstens einer Lufteintrittsöffnung und einer seitlichen Öffnung versehen, die axial im Abstand voneinander angeordnet sind.
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Aus der
DE 21 15 620 A1 ist eine Flammglühkerze zum Anlassen von Dieselmotoren bekannt. Die Flammglühkerze ist in das Saugrohr des Dieselmotors eingebaut und mit einem Kraftstoffanschluss und einem Glühstift mit einer schraubenlinienförmig aufgewickelten Heizwendel in seinem Innern versehen. Derartige Flammglühstiftkerzen dienen zum Vorwärmen der den Zylindern des Dieselmotors zuzuführenden Verbrennungsluft, wobei in der Regel Wert darauf gelegt wird, das die Verdampfungs- und Entflammungstemperatur des Kraftstoffs möglichst schnell erreicht wird.
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DE 195 04 183 A1 beschreibt einen Abgasbrenner zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, welcher voll im Abgasrohr, insbesondere in einem erweiterten geradlinigen koaxialen Abgasrohrabschnitt, angeordnet ist. Dadurch kann ein Partikelfilter axial angeströmt werden, was einen vereinfachten Aufbau und eine gute Temperaturverteilung bedeutet. Der Abgasbrenner wird in der Startphase durch die Wärme des Motorabgases vorgewärmt. Während der Brennerbetriebsphase kühlt das Motorabgas die Brenneroberfläche, sodass keine thermische Überlastung erfolgt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2011 008 748 A1 eine Regenerationsvorrichtung für einen Dieselpartikelfilter bekannt. Die Regenerationsvorrichtung umfasst einen an den Messanschluss des Gehäuses des Dieselpartikelfilters anschließbaren Brenner. Eine Steuerung steuert die Regeneration des im Gehäuse des Dieselpartikelfilters angeordneten Filtermoduls.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem Abgasbrenner einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners zu ermöglichen und somit die Abgasnachbehandlungskomponenten des Abgasnachbehandlungssystems möglichst schnell nach einem Start des Verbrennungsmotors auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, bei welcher eine effiziente Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen limitierten Abgaskomponenten möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Abgasbrenner für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gelöst, welcher eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, eine Kraftstoffversorgung zur Zufuhr von Kraftfahrstoff in die Brennkammer und eine Luftversorgung zur Zufuhr von Frischluft in die Brennkammer umfasst. Der Abgasbrenner umfasst ferner eine Flammstartkerze zum Aufheizen des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs, wobei die Flammstartkerze mindestens eine erste Heizzone und eine von der ersten Heizzone verschiedene zweite Heizzone aufweist. Dabei sind die Temperaturen in den beiden Heizzonen im Wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar. Unter einer Flammstartkerze ist in diesem Zusammenhang eine Glühkerze zu verstehen, welche sowohl die der Brennkammer des Abgasbrenners zugeführte Luft als auch den der Brennkammer zugeführten Kraftstoff erwärmt, sodass eine Entzündung des Kraftstoffs in der Brennkammer ermöglicht wird. Eine solche Flammstartkerze ist notwendig, um den Abgasbrenner zu starten und somit die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors aufheizen zu können. Unter einer Heizzone ist in diesem Zusammenhang ein Abschnitt der Flammstartkerze zu verstehen, welcher durch einen elektrischen Heizwiderstand eine Erwärmung des jeweiligen Abschnitts der Flammstartkerze bewirkt. Unter einem im Wesentlichen unabhängigen Aufheizen der beiden Heizzonen ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Heizzonen unabhängig voneinander angesteuert werden können, wobei jedoch eine gewisse Wärmeübertragung, insbesondere durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, zwischen den beiden Heizzonen nicht ausgeschlossen wird.
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Durch die unabhängige Beheizung der ersten Heizzone, welche primär der Verdampfung des Kraftstoffs dient und der zweiten Heizzone, welche primär der Entzündung des Kraftstoffs dient, ist ein besonders schneller und emissionsarmer Start des Abgasbrenners möglich. Insbesondere ermöglicht die Flammstartkerze, dass die Verdampfung des Kraftstoffs in der Brennkammer des Abgasbrenners verbessert wird und gleichzeitig die Luft in der Brennkammer erhitzt wird, um eine gezielte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs an einer der Brennkammer zugewandten Glühstabspitze der Flammstartkerze zu erreichen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasbrenners möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Heizzone einen ersten Heizwiderstand und die zweite Heizzone einen zweiten Heizwiderstand aufweist, wobei die beiden Heizwiderstände unabhängig voneinander angesteuert werden können. Durch zwei unterschiedliche ansteuerbare Heizwiderstände kann auf einfache und effektive Art und Weise ein Trennung der beiden Heizzonen der Flammstartkerze erfolgen. Dabei kann insbesondere durch eine unterschiedliche Ansteuerung der beiden Heizwiderstände eine unabhängige Temperaturregelung für die beiden Heizzonen der Flammstartkerze erfolgen. Dies ermöglicht es, dass nur Energie in die Flammstartkerze eingebracht werden muss, sodass nach einer Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer eine Verdampfung des Kraftstoffs und eine Sicherstellung der Zündung des Kraftstoffluftgemischs gewährleistet ist. Somit kann der Energieverbrauch der Flammstartkerze gegenüber einer Flammstartkerze mit nur einer Heizzone verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die zweite Heizzone an einem der Brennkammer zugewandten Ende der Flammstartkerze ausgebildet ist. Dadurch kann die zweite Heizzone auf die Zündung beziehungsweise Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer ausgelegt werden, sodass diese Heizzone insbesondere bei einer hinreichend hohen Temperatur in der Brennkammer deaktiviert werden kann, wenn die bestehende Flammenfront dazu ausreicht, neu in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoff zu verdampfen beziehungsweise eine hinreichende Verdampfung des Kraftstoffs durch die erste Heizzone erreicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die erste Heizzone im Bereich eines Kraftstoffanschlusses der Flammstartkerze ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Verdampfung des Kraftstoffs oder von Teilen des Kraftstoffs erreicht werden, sodass an der Glühstabspitze ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass die erste Heizzone ein Verdampfersieb, ein Verdampfernetz und/oder ein Verdampferrohr zur Verdampfung des der Flammstartkerze zugeführten Kraftstoffs aufweist. Durch ein Verdampfersieb und/oder ein Verdampferrohr kann die Fläche, an welcher der Kraftstoff aufgeheizt wird, vergrößert werden, wodurch der Wärmeübergang verbessert und somit die Verdampfung des Kraftstoffs erleichtert wird. Ferner kann durch ein Verdampfersieb verhindert werden, dass feste Bestandteile des Kraftstoffs, insbesondere Paraffinausscheidungen, welche nur langsam und für eine Zündung unzureichend verdampfen, zurückgehalten werden und erst dann der ersten Heizzone der Flammstartkerze zugeführt werden, wenn sich die festen Kraftstoffbestandteile hinreichend verflüssigt haben. Zudem nimmt der Anteil an unverdampfen, flüssigen Kraftstoffkomponenten ab, da genügend Zeit für eine Verdampfung gegeben ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass sich die erste Heizzone von einer Isolierung im Bereich einer elektrischen Kontaktierung der Flammstartkerze bis zu einer Schutzrohröffnung in einem Schutzrohr der Flammstartkerze erstreckt. Dadurch wird ein möglichst großer Bereich der Flammstartkerze beziehungsweise eine möglichst große Oberfläche für das Aufheizen des Kraftstoffs nutzbar gemacht, sodass eine möglichst große Menge an Kraftstoff verdampfen kann. Dadurch kann die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer des Abgasbrenners verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass sich die zweite Heizzone von einer Schutzrohröffnung in einem Schutzrohr der Flammstartkerze bis zu einer der Brennkammer zugewandten Glühstabspitze der Flammstartkerze erstreckt. Diese Zone kann genutzt werden, um einen definierten Zündpunkt in der Brennkammer zu schaffen, an welchem das Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebssicher entzündet werden kann. Dabei kann die zweite Heizzone im Vergleich zur ersten Heizzone entsprechend klein und kompakt ausgelegt werden, wodurch der Energieverbrauch für die zweite Heizzone minimiert werden kann, solange ein heißer Punkt gegeben ist, an welchem sich der Kraftstoff entzündet
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Heizzone und der zweiten Heizzone eine unbeheizte dritte Zone ausgebildet ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Trennung der beiden Heizzonen erreicht werden, sodass die Wärmeübertragung von einer Heizzone auf die jeweils andere Heizzone minimiert werden kann. Dadurch kann die Temperaturregelung in den Heizzonen vereinfacht werden bzw. die Genauigkeit der Temperaturregelung in den Heizzonen verbessert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Abgasbrenners ist vorgesehen, dass in der ersten Heizzone und/oder in der zweiten Heizzone ein Temperaturfühler angeordnet ist. Durch einen Temperaturfühler kann die Temperatur in der jeweiligen Heizzone auf einfache Art und Weise bestimmt werden. Dadurch wird eine Temperaturregelung für die jeweilige Heizzone vereinfacht. Durch eine Temperaturmessung kann auf eine modellbasierte Berechnung der Temperatur verzichtet werden, wodurch die Rechenleistung eines Steuergeräts für den Abgasbrenner reduziert werden kann.
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Alternativ kann auch ein Widerstand des jeweiligen Heizelements ermittelt werden, da der Heizwiderstand in dem relevanten Temperaturbereich sich streng monoton steigend, vorzugsweise im Wesentlichen proportional mit der Temperatur der jeweiligen Heizzone verändert und aus dem elektrischen Widerstand des Heizwiderstandes auf die Temperatur in der jeweiligen Heizzone geschlossen werden kann.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen solchen Abgasbrenner zum Aufheizen mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystem umfasst. Bei einem solchen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches mindestens einen SCR-Katalysator umfasst, lassen sich die Nachteile eines verlangsamten Brennerstartes oder höherer Emissionen des Abgasbrenners durch eine Reduzierung der Verkokung der Einspritzdüse des Abgasbrenners verringern. Dadurch entstehen in der Aufheizphase des Abgasnachbehandlungssystem weniger Emissionen, welche unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners an einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte umfasst:
- - Aktivierung des Abgasbrenners, wobei die erste Heizzone und die zweite Heizzone der Flammstartkerze aktiviert werden,
- - Aktivieren der Kraftstoffversorgung des Abgasbrenners, wenn beide Heizzonen der Flammstartkerze ihre für einen Brennerstart des Abgasbrenners vorgegebene Zieltemperatur erreicht haben, wobei
- - über die erste Heizzone eine Kraftstofftemperatur des zu verdampfenden Kraftstoffs eingeregelt wird, und wobei
- - über die zweite Heizzone eine Temperatur an der Glühstabspitze der Flammkerze eingeregelt wird, um eine Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer sicherzustellen.
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Ein solches Verfahren ermöglicht einen Betrieb des Abgasbrenners, welcher einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners ermöglicht. Dadurch können die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden, wodurch insbesondere die Kaltstartemissionen verringert werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Erreichen der Zieltemperatur die Temperatur in der ersten Heizzone unabhängig von der Temperatur in der zweiten Heizzone geregelt wird. Dadurch können für jede Heizzone individuell optimale Temperaturen zur Verdampfung des Kraftstoffs beziehungsweise zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs eingestellt werden, wodurch eine besonders emissionsarme und saubere Verbrennung erreicht werden kann. Ferner kann der Energiebedarf der Flammstartkerze minimiert werden, da nur soviel Energie in die jeweilige Heizzone eingetragen werden muss, dass die jeweilige Funktion erfüllt ist. Dabei kann beispielsweise die zweite Heizzone deaktiviert werden, wenn ein stabiler Betriebspunkt des Abgasbrenners erreicht ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem Abschalten des Abgasbrenners die Kraftstoffversorgung abgeschaltet wird und parallel die Luftversorgung in die Brennkammer verringert wird, um die Auskühlgeschwindigkeit der Brennkammer zu verlangsamen, wobei der sich in der Flammstartkerze befindliche Restkraftstoff in die Brennkammer abgegeben und durch die zweite Heizzone entzündet wird. Dadurch können Sekundäremissionen des Abgasbrenners, insbesondere Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, durch aus dem Abgasbrenner emittierten Kraftstoff minimiert werden. Ist der gesamte Restkraftstoff verbrannt, wird die Luftversorgung des Abgasbrenners ebenfalls abgeschaltet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ermittlung einer Temperatur im Bereich der zweiten Heizzone erfolgt und die Luftversorgung nach Abschluss der Verbrennung des Restkraftstoffs aus der Flammstartkerze aufrecht erhalten wird, um eine thermische Überlastung der Flammstartkerze zu verhindern, solange die Temperatur in der zweiten Heizzone oberhalb einer Schwellentemperatur liegt. Durch den verbleibenden Luftstrom kann eine Kühlung der Flammstartkerze oder sonstiger Bauteile in der Brennkammer des Abgasbrenners erreicht werden, wodurch eine thermische Überlastung vermieden wird. Alternativ kann die Luftversorgung auch abgeschaltet werden, wenn der Abgasbrenner deaktiviert wird, um den Energieverbrauch zu minimieren.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Abkühlgeschwindigkeit der Heizzonen in einem Modell in einem Steuergerät des Abgasbrenners hinterlegt werden und zur Analyse der Funktionsfähigkeit der Flammstartkerze ein bei einer Bestromung der entsprechenden Heizzone ermittelter Temperaturverlauf mit einem gemäß dem Modell zu erwartenden Temperaturverlauf für die jeweilige Heizzone verglichen wird. Dadurch kann eine On-Board-Diagnose zur Funktion der einzelnen Heizzonen der Flammstartkerze realisiert werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die ermittelten Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten der Heizzonen mit den im Modell hinterlegten Werten verglichen werden, wobei eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperatur in der Brennkammer des Abgasbrenners berücksichtigt werden. Die Heizzonen können vorzugsweise nach Außerbetriebnahme des Abgasbrenners geprüft werden, in dem zunächst der Heizwiderstand in einer der beiden Heizzonen bestromt wird und die Temperaturen in beiden Heizzonen gemessen werden. Anschließend wird der Heizwiderstand in der anderen Heizzone bestromt und in beiden Heizzonen die Temperatur gemessen. Aus den gemessenen Werten können Aufheizkurven, die Beharrungstemperaturen und/oder die Abkühlkurven der jeweiligen Heizzone bestimmt werden. Diese Kurven können mit den im Modell hinterlegten Werten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung über einen Grenzwert hinaus auf eine Fehlfunktion der Flammstartkerze geschlossen werden kann. Dabei erfolgt zunächst eine Adaption der Ansteuerwerte der Flammstartkerze, um die Abweichungen zu kompensieren. Steigen die Abweichungen weiter an oder lassen sich durch eine Adaption nicht mehr kompensieren, so erfolgt im Rahmen einer On-Board-Diagnose eine Fehlermeldung, welche zum Austausch der Flammstartkerze auffordert.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem ein erfindungsgemäßer Abgasbrenner angeordnet ist,
- 2 einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner in einer schematischen Darstellung,
- 3 eine Flammstartkerze für einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner in einer schematischen Darstellung, und
- 4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgasbrenners.
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1 zeigt ein Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Brennräumen 12, wobei an jedem Brennraum 12 ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung von Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 16 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 18 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock und mindestens einen Zylinderkopf auf.
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Zur Kraftstoffversorgung der Kraftstoffinjektoren 14 sind eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein Kraftstoffhochdruckspeicher vorgesehen, welcher durch die Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird.
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Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskrümmer, welcher die Abgase mehrerer Brennräume 12 einem gemeinsamen Abgaskanal 22 zuführt. In dem Abgaskanal 22 sind stromabwärts des Abgaskrümmers eine Turbine 26 eines Abgasturbolader 24, stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 28, insbesondere ein Oxidationskatalysator 30 und stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 28 zumindest eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente 32, 38 angeordnet. Dabei ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel stromabwärts des Oxidationskatalysator 30 eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 32 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Form eines Partikelfilters 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters 34 eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente 38 in Form eines SCR-Katalysators 40 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 mit der SCR-Beschichtung 36 ist ein erstes Dosierelement 42 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere von wässriger Harnstofflösung angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 40 ist ein zweites Dosierelement 44 angeordnet.
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Ferner ist in der Abgasanlage 20 stromaufwärts mindestens einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 32, 38 ein Abgasbrenner 50 mit einer Brennkammer 52, einer Kraftstoffversorgung 54 und einer Luftversorgung 62 angeordnet, um die Abgasnachbehandlungskomponente 28, 32, 38 im Wesentlichen unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors 10 aufheizen zu können. Der Abgasbrenner 50 weist eine Flammstartkerze 66 auf, um einen möglichst schnellen und emissionsarmen Start des Abgasbrenners 50 zu ermöglichen. Dabei ist die Einleitstelle für den Abgasbrenner vorzugsweise wie in 1 dargestellt stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des Oxidationskatalysator 30 angeordnet. Alternativ kann die Einleitstelle auch stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 angeordnet sein. Die Kraftstoffversorgung 54 wird durch eine Dosiervorrichtung 55 oder Abschaltvorrichtung 55 gesteuert, welche die Zufuhr von Kraftstoff zum Abgasbrenner 50 beziehungsweise zur Flammstartkerze 66 steuert.
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Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 99 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit und eine Recheneinheit umfasst. In der Speichereinheit ist ein Computerprogrammcode abgelegt, welcher die Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 und in die Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 sowie das Aufheizen der Flammstartkerze 66 steuert, wenn der Computerprogrammcode durch die Recheneinheit des Steuergeräts 99 ausgeführt wird.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner 50 mit einer Brennkammer 52 zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, eine Kraftstoffversorgung 54 zur Zufuhr von Kraftstoff in die Brennkammer 52, einer Luftversorgung 62 zur Zufuhr von Frischluft in die Brennkammer, sowie einer Flammstartkerze 66 zum Aufheizen des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs. Dabei weist die Flammstartkerze 66 eine erste Heizzone 68 und eine von der ersten Heizzone 68 verschiedene zweite Heizzone 70 auf, wobei die Temperaturen der beiden Heizzonen 68, 70 im Wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar sind. Dazu weist die erste Heizzone 68 einen ersten Heizwiderstand 96 und die zweite Heizzone 70 einen zweiten Heizwiderstand 98 auf. Zwischen der ersten Heizzone 68 und der zweiten Heizzone kann eine unbeheizte Zone 69 ausgebildet sein, welche die beiden Heizzonen 68, 70 voneinander trennt.
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Der Abgasbrenner 50 umfasst einen Drall- oder Turbulenzerzeuger 60 mit einem Luftzufuhrkanal 64, welcher mit der Luftversorgung 62 verbunden ist. Der Abgasbrenner 50 kann ferner eine Einspritzdüse 56 sowie einen Düsenhalter 58, in welchem die Einspritzdüse 56 integriert ist. Die Einspritzdüse 56 kann bei der vorgeschlagenen Lösung auch entfallen oder in die Flammstartkerze 66 integriert sein. Neben der Flammstartkerze 66 kann der Abgasbrenner 50 eine zusätzliche Zündquelle 94 aufweisen, um eine Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 50 sicherzustellen und insbesondere einen Start des Abgasbrenners 50 zu erleichtern.
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In 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Flammstartkerze 66 für einen erfindungsgemäßen Abgasbrenner 50 dargestellt. Die Flammstartkerze 66 umfasst ein Kerzengehäuse 76, in welchem ein Glühstab 82 angeordnet ist. Der Glühstab 82 ist an einem im eingebauten Zustand der Brennkammer 52 abgewandten Ende über eine elektrische Kontaktierung 72 mit einer Stromversorgung verbunden. Zwischen der elektrischen Kontaktierung 72 und dem Kerzengehäuse 76 ist eine Isolierung 74 vorgesehen. Der Glühstab 82 weist an seinem der elektrischen Kontaktierung 72 gegenüberliegenden Ende eine Glühstabspitze 88 auf, welche der Brennkammer 52 im eingebauten Zustand in den Abgasbrenner 50 zugewandt ist.
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Die Flammstartkerze 66 weist ferner einen Kraftstoffanschluss 78 auf, mit welchem der Flammstartkerze 66 ein Kraftstoff 48 zum Betrieb des Abgasbrenners 50 zugeführt werden kann. Die Flammstartkerze 66 weist ein Verdampferrohr 80 auf, um den Kraftstoff zumindest teilweise zu verdampfen und der Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 zuzuführen. Zur Vergrößerung der Fläche für die Verdampfung des Kraftstoffs kann die Flammstartkerze 66 zusätzlich zu dem Verdampferrohr 80 ein Verdampfernetz 81 aufweisen. Die Flammstartkerze 66 kann ferner ein Schutzsieb 46 aufweisen, um den Eintrag von festen Kraftstoffkomponenten oder Verunreinigungen in das Verdampferrohr 80 zu vermeiden. Das Verdampferrohr 80 ist von einem Schutzrohr 84 ummantelt, welches im Bereich der Glühstabspitze 88 Schutzrohröffnungen 85 aufweist, durch welche der verdampfte Kraftstoff 48 in die Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 übertreten kann. Ferner weist die Flammstartkerze 66 eine Flammhülse 86 auf, um den Zündbereich an der Glühstabspitze 88 zu begrenzen und optimale Zündbedingungen für das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu schaffen. Dabei verhindert die Flammhülse 86 ein Auslöschen einer bereits entzündete Flamme an der Spitze der Flammstartkerze 66.
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Die Flammstartkerze 66 weist eine erste Heizzone 68 mit einem ersten Heizwiderstand 96 und eine zweite Heizzone 70 mit einem zweiten Heizwiderstand 98 auf, welche über zweielektrische Kontaktierungen 72 unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dabei erstreckt sich die erste Heizzone 68 von der Isolierung 74 bis zu den Schutzrohröffnungen 85 der Flammstartkerze 66 und dient primär der Verdampfung des Kraftstoffs 48. Die zweite Heizzone 70 erstreckt sich von den Schutzrohröffnungen 85 bis zur Glühstabspitze 88 und dient primär der Entzündung der Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 52. Zwischen der ersten Heizzone 68 und der zweiten Heizzone 70 kann eine unbeheizte dritte Zone 69 liegen, welche die erste Heizzone 68 von der zweiten Heizzone 70 räumlich trennt. In beiden Heizzonen 68, 70 kann die Temperatur der jeweiligen Heizzone über den Widerstand des jeweiligen Heizelements 96, 98 ermittelt werden, da der Widerstand der Heizwiderstände im relevanten Temperaturbereich eine streng monotone sich stetig über die Temperatur ändernde Funktion aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann in den Heizzonen 68, 70 jeweils ein Temperaturfühler 90, 92 angeordnet sein, um die Temperatur in der jeweiligen Heizzone 68, 70 zu ermitteln.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners 50. Bei Anforderung eines Starts des Abgasbrenners 50 werden zunächst in einem Verfahrensschritt <100> beide Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 bestromt. Die Bestromung wird dabei mit der maximal möglichen Intensität durchgeführt, um möglichst schnell ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 52 des Abgasbrenners 50 vorliegen zu haben. Die Bestromung mit maximaler Intensität erfolgt, bis beide Heizzonen 68, 70 ihre jeweilige Zieltemperatur erreicht haben. Anschließend wird die Temperatur in einem Verfahrensschritt <110> in der jeweiligen Heizzone 68, 70 individuell auf das jeweils gewünschte Niveau eingeregelt. Die Regelung kann beispielsweise durch eine gepulste Bestromung, durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Stroms oder durch eine Stromquelle mit variabler Spannung erfolgen.
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Dabei wird die erste Heizzone 68 auf eine Temperatur eingeregelt, welche größer ist als der Siedebeginn des Kraftstoffs 48, vorzugsweise werden dabei in der ersten Heizzone 68 mindestens 10 Volumenprozent, vorzugsweise mindestens 20 Volumenprozent, , besonders bevorzugt mindestens 30 Volumenprozent des der Flammstartkerze zugeführten Kraftstoffs verdampft. Die zweite Heizzone 70 wird zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt, welche oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs 48 liegt. Dabei wird die zweite Heizzone 70 vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 600°C aufgeheizt. Falls der Abgasbrenner 50 neben der Flammglühkerze 66 über eine zusätzliche Zündquelle 94 in der Brennkammer 52 verfügt, kann die zweite Heizzone 70 dazu genutzt werden, um eine optimale Temperatur für die Nachverdampfung des Kraftstoffs 48 in der Brennkammer 52 einzustellen. Dabei liegt die Temperatur der weiteren Zündquelle 94 vorzugsweise unterhalb der Temperatur der zweiten Heizzone 70 der Flammglühkerze 66, insbesondere im Bereich von 300°C - 500°C. Die weitere Zündquelle 94 kann insbesondere eine Funkenzünder, insbesondere eine Zündkerze, einen thermischen Zünder oder eine zweite Flammstartkerze sein.
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Haben beide Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 ihre Zieltemperatur erreicht, so wird in einem Verfahrensschritt <120> die Kraftstoffversorgung 54 für den Abgasbrenner 50 aktiviert. Dabei wird zumindest eine Teilmenge des der Flammglühkerze 66 zugeführten Kraftstoffs 48 verdampft. Der verdampfte Kraftstoff 48 wird über die zweite Heizzone 70 und/oder die zusätzliche Zündquelle 94 entzündet.
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Durch die unabhängige Regelung der Temperaturen in den beiden Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 kann eine hinreichende Verdampfung und Entzündung des Kraftstoffs 48 beim Betrieb des Abgasbrenners 50 sichergestellt werden. Sofern der verdampfte Kraftstoff 48 sicher gezündet hat, kann die Temperatur in der zweiten Heizzone 70 reduziert oder die zweite Heizzone 70 komplett deaktiviert werden, wodurch der Stromverbrauch der Flammglühkerze 66 reduziert werden kann. Dies wird insbesondere durch eine Reduzierung der Heizleistung in der ersten Heizzone 68 erreicht.
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Im Betrieb wird der Abgasbrenner 50 in einem Verfahrensschritt <130> mit einem, für den jeweiligen Betriebspunkt günstigen Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben, wobei die der Brennkammer 52 zugeführte Kraftstoff- und Luftmenge entsprechend abgestimmt werden. Dabei können Totzeiten des Systems der Flammstartkerze 66 und der Luftversorgung 62 entsprechend berücksichtigt werden. Insbesondere kann im Rahmen einer Vorsteuerung die Leistung der Heizzonen 68, 70 angepasst werden, bevor sich die der Brennkammer 52 zugeführte Kraftstoffmenge ändert um die thermische Trägheit des Systems zu kompensieren.
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Bei einem Abschalten des Abgasbrenners 50 wird in einem Verfahrensschritt <140> zunächst die Kraftstoffversorgung 54 abgeschaltet. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <150> die der Brennkammer 52 zugeführte Luftmenge reduziert, um die Auskühlgeschwindigkeit der Brennkammer 52 zu verlangsamen, wodurch der Restkraftstoff in der Flammglühkerze 66 emissionsarm verbrannt werden kann. Um Restkraftstoff 48 aus der Flammglühkerze 66 auszutreiben, ist ein Mindestluftstrom erforderlich, unabhängig davon, ob eine Durchspülung der Flammglühkerze 66 aus Gründen des thermischen Bauteilschutzes erforderlich ist.
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Die erste Heizzone 68 wird dabei auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Kraftstoffs 48 erwärmt, während die zweite Heizzone 70 auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs 48 liegt, wodurch der restliche, sich zum Zeitpunkt der Abschaltung in der Flammglühkerze 66 befindliche Kraftstoff 48, verbrannt wird. Dadurch können die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen minimiert werden.
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Ist der Kraftstoff 48 vollständig verbrannt, so kann in einem Verfahrensschritt <160> die Luftversorgung 62 für den Abgasbrenner 50 abgeschaltet werden. Sollte es aus Gründen des Bauteilschutzes notwendig sein, kann die Luftversorgung jedoch auch aufrecht erhalten bleiben, um einen Kühlluftstrom in die Brennkammer 52 einzuleiten. Dabei werden die erste Heizzone 68 und die zweite Heizzone 70 deaktiviert. Dabei kann insbesondere in der zweiten Heizzone 70 eine Temperaturmessung erfolgen, wobei bei Unterschreiten einer Schwellentemperatur die Luftversorgung abgeschaltet werden kann.
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Sich noch in dem Verdampferrohr 80 befindliche Kraftstoffreste können alternativ durch eine Aufheizung der ersten Heizzone 68 im Rahmen einer Pyrolyse entfernt werden. Die gegebenenfalls übrig bleibende Asche wird bei der nächsten Inbetriebnahme ausgetragen. Eine solche Pyrolyse muss nicht bei jeder Deaktivierung des Abgasbrenners 50 durchgeführt werden, sondern kann in bestimmten Abständen, beispielsweise in Abhängigkeit von der durch die Flammglühkerze 66 durchgesetzten Kraftstoffmenge, die Betriebsdauer der Flammglühkerze 66, die Anzahl der Startvorgänge des Abgasbrenners 50, zeitgesteuert oder durch eine Überwachung der Veränderung der Aufheiz- und Abkühlkurven der Flammglühkerze 66 erfolgen.
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Zur Diagnose der Flammglühkerze 66 kann die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit der Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 gemessen werden und mit im Steuergerät 99 hinterlegten Werten verglichen werden, wobei weitere Fakten wie die Außentemperatur oder die Temperatur der Brennkammer 52 berücksichtigt werden können, um die Genauigkeit des Diagnoseverfahrens zu steigern. Die Heizzonen 68, 70 der Flammglühkerze 66 können insbesondere nach Abschalten des Abgasbrenners 50 gegeneinander geprüft werden. Dabei wird zunächst eine der Heizzonen 68, 70 bestromt, und die Temperatur in beiden Heizzonen 68, 70, vorzugsweise mittels der Temperaturfühler 90, 92 gemessen. Anschließend wird die andere Heizzone 68, 70 bestromt und erneut die Temperatur in beiden Heizzonen 68, 70 ermittelt. Dabei können die Aufheizkurven, die Beharrungstemperaturen oder die Abkühlkurven ermittelt werden, wobei der Temperaturverlauf in beiden Heizzonen 68, 70 ausgewertet wird.
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Ferner kann bei einem Abgasbrenner 50, welcher eine zusätzliche Zündquelle 94 in der Brennkammer 52 aufweist, die zweite Heizzone 70 dazu genutzt werden, den Kraftstoff 48 nachzuverdampfen, während die eigentliche Zündung durch die zusätzliche Zündquelle 94 erfolgt. Dabei können die Temperaturen in der ersten Heizzone 68 und in der zweiten Heizzone 70 derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine optimale Verdampfung des Kraftstoffs 48 erreicht wird. Im Normalbetrieb des Abgasbrenners 50 erfolgt daher keine Zündung des Kraftstoffs 48 an der Glühstabspitze 88, sondern durch die zusätzliche Zündquelle 94. Jedoch kann die Glühstabspitze 88 als zusätzliche Zündquelle durch die zweite Heizzone 70 aufgeheizt werden, wenn eine Fehlfunktion der zusätzliche Zündquelle 94 vorliegt oder in einer Startphase des Abgasbrenners 50 die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs erhöht werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- erste Abgasnachbehandlungskomponente
- 30
- Oxidationskatalysator
- 32
- zweite Abgasnachbehandlungskomponente
- 34
- Partikelfilter
- 36
- SCR-Beschichtung
- 38
- dritte Abgasnachbehandlungskomponente
- 40
- SCR-Katalysator
- 42
- erstes Dosierelement
- 44
- zweites Dosierelement
- 46
- Schutzsieb / Verdampfersieb
- 48
- Kraftstoff
- 50
- Abgasbrenner
- 52
- Brennkammer
- 54
- Kraftstoffversorgung
- 55
- Abschaltvorrichtung / Dosiervorrichtung
- 56
- Einspritzdüse
- 58
- Düsenhalter
- 60
- Drall- oder Turbulenzerzeuger
- 62
- Luftversorgung
- 64
- Luftzufuhrkanal
- 66
- Flammstartkerze
- 68
- erste Heizzone
- 69
- unbeheizte Zone
- 70
- zweite Heizzone
- 72
- elektrische Kontaktierung
- 74
- Isolierung
- 76
- Kerzengehäuse
- 78
- Kraftstoffanschluss
- 80
- Verdampferrohr
- 81
- Verdampfernetz
- 82
- Glühstab
- 84
- Schutzrohr
- 85
- Schutzrohröffnung
- 86
- Flammhülse
- 88
- Glühstabspitze
- 90
- erster Temperaturfühler
- 92
- zweiter Temperaturfühler
- 94
- zusätzliche Zündquelle
- 96
- erster Heizwiderstand
- 98
- zweiter Heizwiderstand
- 99
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 42 43 964 A1 [0006]
- DE 21 15 620 A1 [0007]
- DE 195 04 183 A1 [0008]
- DE 10 2011 008 748 A1 [0009]