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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeug-Hubkolbenmotors,
mit mehreren Brennräumen,
in denen jeweils nach einem Mehrtaktverfahren ein Kraftstoff/Luft-Gemisch unter
Energiefreisetzung verbrannt wird, wobei in den Brennräumen erzeugtes
Abgas einer Abgasreinigungsanlage zugeführt wird, wobei die Abgasreinigungsanlage
einen Katalysator, insbesondere einen Reduktionskatalysator, weiter
insbesondere einen SCR-Katalysator umfasst, in dem Schadstoffe gemindert
werden durch physikalische und/oder chemische Reaktionen, in dem
insbesondere Stickoxide mittels eines Reduktionsmittels chemisch
umgesetzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine
zur Durchführung
des genannten Verfahrens.
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Aus
der
EP 0 708 809 B1 ist
ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors bekannt, bei dem zur Abgasreinigung
dem Diesel-Kraftstoff
Partikel eines Metalls der Platingruppe zugesetzt werden und in
der Nähe
des Endes des Arbeitshubes (dritter Takt) eines Arbeitsspiels eine
wässrige
Reduktionsmittel-Lösung in
die Verbrennungsabgase eingespritzt wird. Anschließend sollen
die so behandelten Verbrennungsabgase in einem Reduktionskatalysator
zum Abbau von Stickoxiden reduziert werden. Als Reduktionsmittel
sind NH-haltige Zusammensetzungen wie Harnstoff, Cyanursäure, Ammoniumcarbonat
etc. gewählt,
die im Reduktionskatalysator Ammoniak bilden oder freisetzen.
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Aus
der
DE 41 26 705 C2 ist
ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxidemissionen von selbstzündenden
Verbrennungsmotoren bekannt. Dabei wird während des Betriebs des Motors
ein Reduktionsmittel in Form von Ammoniak oder Harnstoff in einer
Lösung
direkt und unabhängig
von der Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum des Motors eingespritzt
wird. Dies geschieht bevorzugt nach einer Zündung bei einem Kurbelwinkel
von 35° nach
dem oberen Totpunkt, wobei die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels
an die aktuelle Motorleistung angepasst wird.
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Aus
den US-Patenten Nr. 5,404,841 und 5,535,708 ist jeweils ein Verfahren
zur Reduzierung von Stickoxidemissionen einer Diesel-Brennkraftmaschine
bekannt, bei dem aus einer Harnstofflösung und einem Diesel-Kraftstoff
eine Emulsion hergestellt wird. Der Emulsion wird optional ferner
eine Anzahl von katalytisch wirkenden Metallpartikeln aus einem Metall
der Platin-Gruppe, Kupfer, Eisen oder Mangan, etc. beigemischt.
Hierzu sind dem Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine
neben einem Kraftstofftank ein Mixer zum Mischen von Wasser und
Harnstofflösung
sowie ein Emulsionierer zugeordnet. Die erzeugte Emulsion wird während eines normalen
Arbeitsprozesses der Brennkraftmaschine zugegeben und mitverbrannt,
wobei eine reduzierte Flammentemperatur und eine chemische Reaktion von
Harnstoff, Wasser und Stickoxiden zu elementarem Stickstoff, Wasser
und Kohlendioxid erwartet wird.
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In
der JP-A-03-213614 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung
offenbart, bei der mittels eines Injektors ein Reduktionsmittel
in Form von Harnstoff in das Abgas der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Abgestimmt mit der Einspritzung von Kraftstoff für den normalen
Betrieb wird bei einer Abgastemperatur von über 850°C Harnstoff in den Brennraum
oder in den Auslasskrümmer
gebracht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein
Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei denen
auf kostengünstige
Weise eine besonders wirksame Aufbereitung von Reduktionsmittel
zur Verwendung des aufbereiteten Reduktionsmittels im Abgasstrang
der Brennkraftmaschine ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der jeweiligen abhängigen
Ansprüche.
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Kennzeichnend
für das
erfindungsgemäße Verfahren
ist es, dass während
des Betriebs der Brennkraftmaschine in einem ersten Arbeitsspiel
eines Brennraums eine Kraftstoffzufuhr ausgesetzt wird und in diesem
ersten Arbeitsspiel ein Reduktionsmittel in den Brennraum zugeführt und
nachfolgend in den Katalysator transportiert wird. Ein Arbeitsspiel
umfasst in bekannter Weise zwei oder vier Arbeitstakte, in denen
das Arbeitselement (Kolben o. ä.)
sich durch den Brennraum bewegt, Verbrennungsluft ansaugt (Ansaugtakt),
verdichtet (Kompressionstakt), Expansionsarbeit auf eine (Kurbel-)Welle überträgt (Arbeitstakt)
und ggf. Verbrennungsabgase ausschiebt (Ausschiebetakt). Bei normalem Betrieb
der Brennkraftmaschine wird in wenigstens einen Takt Kraftstoff
eingespritzt, der im Arbeitstakt verbrannt wird. In Sonderbetriebsarten
wie beispielsweise dem Schiebebetrieb wird häufig eine Kraftstoffzufuhr
für längere Zeit,
d.h. für
mehrere Arbeitsspiele in allen Brennräumen der Brennkraftmaschine
unterbrochen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
in einem Arbeitsspiel, in dem die Kraftstoffzufuhr zu einem Brennraum
unterbrochen ist, ein insbesondere stickstoffhaltiges Reduktionsmittel
in den betreffenden Brennraum einzubringen. Das eingebrachte Reduktionsmittel
soll nicht verbrannt, sondern hauptsächlich physikalisch und/oder
chemisch aufbereitet, mit Luft und/oder Abgas vermischt und homogenisiert
werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Reduktionsmittel einer
thermischen Zersetzung zur Freisetzung von Ammoniak-Verbindungen
bzw. reinem Ammoniak unterworfen wird. Hierzu wird es zusammen mit
Luft oder Abgas durch einen oder mehrere Takte des Arbeitsspiels
und anschließend
in den Abgasstrang befördert.
Zudem wird durch eine Aussetzung der Verbrennung bei gleichzeitiger
Zufuhr von nicht brennendem Reduktionsmittel und Luft eine Wärmeabfuhr
aus dem Brennraum realisiert, der somit für ein nachfolgendes Arbeitsspiel
gekühlt
wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist ein Reduktionsmittel in Form einer
Harnstoff-Wasser-Lösung
vorgesehen. Insbesondere eine solche Lösung bedarf der erfindungsgemäßen Aufbereitungsstrategie,
da sie im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine schwierig zu handhaben
ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Harnstoff/Wasser-Lösung besonders
gut konditioniert und mit einem Trägergas vermischt. Sie steht
anschließend
in vorteilhaftem Zustand zur Einlagerung in einen motornahen SCR-Katalysator
bereit.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Reduktionsmittel direkt
in den Brennraum, in einen Auslasskanal oder in einen Einlasskanal
des Brennraums eingespritzt. Dies kann mittels eines direkt am Brennraum,
am Einlass- oder am Auslasskanal des Brennraums angeordneten Injektors
bewerkstelligt werden. Insbesondere kann auch ein Kraftstoffinjektor
eines direkteinspritzenden Motors verwendet werden, der auf einen „bivalenten" Betrieb zum abwechselnden
Einspritzen von Kraftstoff und Reduktionsmittel eingestellt ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Arbeitsspiel
vier Takte, und ein Reduktionsmittel wird in einem ersten und/oder
in einem dritten Takt in den Brennraum gebracht. Im ersten oder
im dritten Takt eines Arbeitsspiels erfolgt im Allgemeinen eine
Expansions- bzw. Arbeitsbewegung des Arbeitselements, und es kann
Gas wahlweise aus dem Einlasskanal oder aus dem Auslasskanal in den
Brennraum gesaugt werden, wenn ein Einlass- oder Auslassventil geöffnet ist.
Zugleich kann ein hierbei frühzeitig
in den Takt eingespritztes Reduktionsmittel während des gesamten Takts verwirbelt und
in Kontakt mit der Brennraumoberfläche gebracht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das erste Arbeitsspiel
nach einem oder mehreren in demselben Brennraum vorangegangenen
Arbeitsspielen mit normaler Kraftstoffeinspritzung gewählt. Es
wird hierbei eine Aussetzung der Kraftstoffeinspritzung an einem
oder mehreren Brennräumen
der Brennkraftmaschine gewählt,
die im normalen Arbeitsbetrieb insbesondere auch bei mittlerer oder
höherer
Last der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Magerbetrieb
der Brennkraftmaschine punktuell eingesetzt werden kann. Positiver
Effekt ist, dass die Brennraumtemperatur wirksam abgesenkt wird. Beim
Kaltstartbetrieb kann ein derartiges Vorgehen ebenfalls sinnvoll
sein, da eine Zudosierung des Reduktionsmittels in den Brennraum
im Allgemeinen voraussetzt, dass ein motornaher edelmetallhaltiger Oxidationskatalysator
noch nicht seine Anspringtemperatur für eine Umsetzung des Reduktionsmittels erreicht
hat. Folglich kann im Kaltstartbetrieb mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Einlagerung von Reduktionsmittel in einen SCR-Katalysator realisiert
werden, auch wenn ein Oxidationskatalysator zwischen Brennkraftmaschine
und SCR-Katalysator geschaltet ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das erste Arbeitsspiel
nach einem oder mehreren in demselben Brennraum vorangegangenen
Arbeitsspielen ohne Kraftstoffeinspritzung bei betriebswarmer Brennkraftmaschine
gewählt.
Eine besonders gute Konditionierung ergibt sich beispielsweise im Schiebebetrieb
der Brennkraftmaschine, wenn sowohl der Brennraum als auch der Abgasstrang
eine jeweils mittlere Temperatur aufweisen, die ein homogenisiertes
Schleusen von Harnstoff/Wasser-Lösung und/oder
ammoniakhaltiger Zersetzungsprodukte bis in einen SCR-Katalysator
ermöglicht.
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Obige
sowie weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen
des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der anschließenden Beschreibung
und der Zeichnung. Darin zeigt die einzige Figur schematisch einen
Brennraum einer als Hubkolbenmotor ausgeführten Brennkraftmaschine, an
dem das erfindungsgemäße Verfahren
durchführbar
ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine als mehrzylindriger Hubkolben-Verbrennungsmotor
ausgestaltete Brennkraftmaschine (z.B. Personenkraftwagen-Ottomotor),
der wenigstens in einigen Betriebszuständen mit einem in Summe mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben
wird (Luft/Kraftstoffverhältnis λ > 1 bezogen auf ein
Arbeitsspiel). Die Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock, in
dem zylindrische Bohrungen 1 zur Führung jeweils eines beweglichen
Kolbens 2 vorgesehen sind, wobei die Bohrungen zur Bildung
von Brennräumen 3 nach
oben mit einem an sich bekannten Zylinderkopf 4 abgeschlossen
sind (vgl. Figur). Die Kolben 2 übertragen über zugehörige Pleuel 2a Kräfte auf
eine am Motorblock gelagerte Kurbelwelle, an der das Motorabtriebsmoment
abzunehmen ist.
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Die
Brennkraftmaschine umfasst ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem
mit je einem in dem Zylinderkopf 4 gelagerten Kraftstoffinjektor 5 pro
Brennraum. Entsprechend lässt
sich der Kraftstoff mittels des Kraftstoffinjektors 5 direkt
in den Brennraum 3 einspritzen. Die beispielhaft gewählte Ausführungsform
bezieht sich dabei auf eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
Direkteinspritzung (Otto-DE-Motor), mit der alle Arten von Homogen- und/oder
Schichtladebetrieb durchführbar
sind, und weist daher eine Zündkerze 6 auf.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
ist eine selbstzündende Brennkraftmaschine
vorgesehen, die nach dem Dieselprozess arbeitet. Als Kraftstoffinjektor
kommen sowohl Pumpe-Düse-Systeme
als auch Common-Rail-Systeme in Frage.
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Im
Zylinderkopf 4 sind für
den Ladungswechsel eines jeden Brennraums 3 je ein Einlasskanal 7 sowie
ein Auslasskanal 8 vorgesehen, die über ein Einlassventil 9 bzw.
ein Auslassventil 10 gegen den Brennraum 3 abschließbar sind.
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Die
Brennkraftmaschine umfasst weiter eine Abgasreinigungsanlage, bei
der in nicht näher
dargestellter Weise ein an sich bekannter optionaler Oxidationskatalysator
sowie ein an sich bekannter SCR-Katalysator nacheinander in einer
Abgasleitung angeordnet sind. Unter einem SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic
Reduction) ist hier wie üblich
ein Katalysator zu verstehen, der in der Lage ist, NH3 (Ammoniak)
zu speichern und unter oxidierenden Abgasbedingungen zugeführte Stickoxide
mit eingespeichertem oder mit zugeführtem NH3 überwiegend
zu unschädlichem
N2 (Stickstoff) zu reduzieren. Optional
lässt sich
der SCR-Katalysator
mit einem vorgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator kombinieren. Stickoxid-Speicherkatalysator
und SCR-Katalysator dienen somit hauptsächlich der Stickoxidentfernung
bei magerem Betrieb der zugehörigen
Brennkraftmaschine. Die Katalysatoren sind vorzugsweise als Wabenkörper ausgeführt.
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Bei überwiegend
mager betriebener Brennkraftmaschine lässt sich nicht genügend als
Reduktionsmittel dienendes NH3 verbrauchsgünstig „onboard" erzeugen, sodass
eine Zudosierung von extern bereitgestelltem Reduktionsmittel erforderlich ist. Üblicherweise
liegt ein Reduktionsmittel, insbesondere im Fahrzeug mitführbarer
Harnstoff, in Form einer wässrigen
Lösung
vor, die vor dem Einbringen ins Abgassystem konditioniert bzw. aufbereitet
werden muss. Vor allem hinsichtlich der Temperatur und der Vermischung
mit einem Trägergas
(Luft, Abgas, etc.) sind bestimmte Randbedingungen einzuhalten, um
Ablagerungen und schlechtes Reaktionsverhalten zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist daher
im Rahmen eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
vorgesehen, ein Reduktionsmittel, insbesondere eine übliche Harnstoff/Wasser-Lösung oder dergleichen, durch
einen Brennraum 3 der Brennkraftmaschine zu schleusen.
Dabei kann diese Funktion auf einen einzelnen Brennraum der Brennkraftmaschine oder
auf mehrere bzw. alle Brennräume
erstreckt werden. Hierzu ist wenigstens einem Brennraum ein Injektor 11 zur
Zufuhr des Reduktionsmittels zugeordnet. Nachdem das Reduktionsmittel
den Brennraum 3 verlassen hat, wird es zur Abgasreinigungsanlage
und insbesondere zu einem darin enthaltenen SCR-Katalysator mit
Ammoniak-Speicherfunktion transportiert.
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Eine
Zufuhr von Reduktionsmittel in einen Brennraum findet bevorzugt
während
eines ersten Arbeitsspiels statt, in dem eine Kraftstoffzufuhr zu dem
betreffenden Brennraum 3 unterbrochen wird. Es ergibt sich
eine gute Aufbereitung des Reduktionsmittels im warmen Brennraum 3,
der seinerseits kurzzeitig, nämlich
während
des ersten Arbeitsspiels (ohne Verbrennungsprozess bei gleichzeitiger
Zufuhr von kühlem
Reduktionsmittel) durch Wärmeabgabe an
Reduktionsmittel und Ansaugluft gekühlt wird. Durch die erfindungsgemäße Erhitzung
des Reduktionsmittels über
die Bauteilwärme
eines (betriebswarmen) Brennraums kann das Reduktionsmittel auch bei
Temperaturen im Abgasstrang von unter 180°C zudosiert und im SCR-Katalysator
eingelagert werden. Gerade in diesem Fall kann ggf. ein motornaher Oxidationskatalysator
(ohne einen allfälligen
Bypass) von Reduktionsmittel unverändert passiert werden, weil
der Oxidationskatalysator noch nicht seine Anspringtemperatur zur
Oxidation von Ammoniak erreicht haben sollte. Optional sind natürlich Bypass-Rohrleitungen
für bestimmte,
dem SCR-Katalysator vorgeschaltete Abgasreinigungselemente vorsehbar,
die bei einer Zugabe von Reduktionsmittel in einen Brennraum aktivierbar
sind.
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In
einem dem ersten Arbeitsspiel (unmittelbar) nachfolgenden zweiten
Arbeitsspiel kann erneut ein Verbrennungsprozess in dem Brennraum 3 durchgeführt werden.
Alternativ wird erneut die Zufuhr von Kraftstoff unterbunden, wobei
wahlweise eine Zufuhr von Reduktionsmittel und/oder Frischluft und/oder
Abgas durchgeführt
wird. In einem dem ersten Arbeitsspiel (unmittelbar) vorangehenden
dritten Arbeitsspiel wird ein Verbrennungsprozess durchgeführt, wenn
eine besonders gute Erwärmung
des Reduktionsmittels erzielt werden soll. In einem dem ersten Arbeitsspiel
vorangehenden dritten Arbeitsspiel wird insbesondere bei betriebswarmer
Brennkraftmaschine eine Zufuhr von Kraftstoff unterbrochen, wenn eine
Abkühlung
des Brennraums und/oder eines Abgasreinigungssystems vor einer Reduktionsmittel-Zugabe
erzielt werden soll.
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Erfindungsgemäß wird das
Reduktionsmittel in dem Brennraum besonders gut verwirbelt und mit Luft
und/oder Abgas vermischt, wenn es in einem ersten Arbeitstakt (Ansaugtakt)
des betreffenden Arbeitsspiels eingespritzt und in einem vierten
Arbeitstakt (Ausschiebetakt) aus dem Brennraum entlassen wird. Ferner
werden Einlassventil 9 und Auslassventil 10 in üblicher
Weise (entsprechend einem normalen Arbeitsspiel mit Verbrennungsprozess)
betätigt.
Eine Abgasrückführung kann
während
des ersten Arbeitsspiels ein- oder
ausgeschaltet sein. Eine Zufuhr von Reduktionsmittel wird entsprechend
der Darstellung in der Figur mittels eines zusätzlichen Injektors 11 bewerkstelligt,
wobei der Injektor 11 direkt in den Brennraum einspritzt.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
ist der Injektor 11 brennraumnah im Einlasskanal 7 angeordnet.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Kraftstoffinjektor 5 für einen
bivalenten Betrieb ausgelegt, sodass er eine Einspritzung von Reduktionsmittel
mit übernehmen kann.
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Eine
Zufuhr von Reduktionsmittel in den Brennraum 3 findet weiterhin
bevorzugt in einem dritten Arbeitstakt (Arbeitsbzw. Expansionstakt)
des betreffenden ersten Arbeitsspiels statt, wobei es wiederum in
einem vierten Arbeitstakt (Ausschiebetakt) aus dem Brennraum entlassen
wird. Auch hier werden Einlassventil 9 und Auslassventil 10 in üblicher Weise (entsprechend
einem normalen Arbeitsspiel mit Verbrennungsprozess) betätigt, wenn
eine Zufuhr von Reduktionsmittel entsprechend der Darstellung in
der Figur mittels eines Injektors bewerkstelligt werden kann, der
direkt in den Brennraum einspritzt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
ist der Injektor im Einlasskanal oder im Auslasskanal angeordnet,
wobei im dritten Arbeitstakt des ersten Arbeitsspiels dann Einlassventil
und/oder Auslassventil „außer der
Reihe" geöffnet werden.
Eine Anordnung des Injektors 11 im Einlasskanal und eine
entsprechende Zudosierung im Einlasskanal haben bauliche Vorteile
und bewirken eine gute Homogenisierung sowie eine deutliche Absenkung
der Brennraumtemperatur. Letzteres zielt auf eine bessere Brennraumfüllung und
insgesamt niedrigere Verbrennungstemperaturen in einem nachfolgenden
zweiten Arbeitsspiel in dem betroffenen Brennraum.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine besonders wirkungsvolle Homogenisierung und Aufbereitung von
Reduktionsmitteln für
SCR-Katalysatoren und dergleichen, wobei eine gesonderte Einheit
zur Bereitstellung eines als Trägergas
dienenden Spülluftstroms
entbehrlich wird. Ferner wird eine vorteilhafte Abkühlung eines
entsprechenden Brennraums der Brennkraftmaschine erreicht, die eine
bessere Füllung
des Brennraums und geringere Rohemissionen anschließend an
die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht.
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Die
Merkmale der lediglich beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
lassen sich nahezu beliebig miteinander kombinieren, sodass sich
weitere vorteilhafte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben können.