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Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage

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DE102004005072A1
DE102004005072A1 DE200410005072 DE102004005072A DE102004005072A1 DE 102004005072 A1 DE102004005072 A1 DE 102004005072A1 DE 200410005072 DE200410005072 DE 200410005072 DE 102004005072 A DE102004005072 A DE 102004005072A DE 102004005072 A1 DE102004005072 A1 DE 102004005072A1
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Thomas Hauber
Hartmut Lueders
Andreas Pfaeffle
Ralf Wirth
Marcel Wuest
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines Partikelfilters, einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine mit von einer Steuereinrichtung (10) gesteuerten Regenerationszyklen. Eine optimierte Regeneration der Abgasnachbehandlungsanlage wird dadurch erzielt, dass der Steuereinrichtung (10) die Fahrstrecke betreffende Informationsdaten zugeführt werden und dass die Regenerationszyklen unter Berücksichtigung der Informationsdaten gesteuert werden (Fig. 1).

Description

  • [0001]
    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines Partikelfilters, einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine mit von einer Steuereinrichtung gesteuerten Regenerationszyklen.
  • [0002]
    Ein derartiges (ohne druckschriftlichen Beleg) als bekannt angenommenes Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage erfolgt in Abhängigkeit von definierten Motorbetriebszuständen auf der Grundlage diesbezüglich relevanter Parameter. Die Regenerationszyklen umfassen dabei den eigentlichen Regenerationsvorgang und eine gewisse Dauer zwischen den einzelnen Regenerationsvorgängen. Für die Regeneration sind zum Teil Änderungen des Motorbetriebszustandes im gerade aktuellen, durch Lastmoment und Dreh zahl gekennzeichneten Motorbetriebspunkt notwendig. Dies können z.B. bei der thermischen Dieselpartikelfilterregeneration abgastemperaturerhöhende Maßnahmen sein. Abgastemperaturerhöhende Maßnahmen sind z.B. die Verschiebung des Einspritzbeginns der Haupteinspritzung nach Spät oder die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung im selben Arbeitszyklus nach der Haupteinspritzung als sogenannte Nacheinspritzung. Während der Regeneration können unter ungünstigen Betriebsbedingungen erhöhte Abgasemissionen auftreten.
  • [0003]
    Nach Einleitung der Regeneration sollten je nach Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems bestimmte Motorbetriebspunkte im Verlauf der Regeneration nicht mehr angefahren werden. Beispielsweise ist bei der thermischen Regeneration von Dieselpartikelfiltern der Übergang in den Schubbetrieb oder den Leerlauf nach Beginn der Regeneration der Vollständigkeit des Rußabbrandes abträglich oder bei hoch beladenem Filter sogar systemschädigend.
  • [0004]
    Im Dieselpartikelfilter läuft nach Überschreiten der charakteristischen Zündtemperatur ein exothermer Prozess mit einer Temperaturerhöhung im Dieselpartikelfilter ab. Die Größe der Temperaturerhöhung kann u.a. von der Zusammensetzung und Menge des Reaktionsgases bzw. Abgases (Sauerstoffkonzentration, Abgasmassenstrom) der im Filter befindlichen Rußmasse und der Abgastemperatur vor dem Filter abhängen. Mit Übergang in den Schubbetrieb oder Leerlauf besteht die Gefahr, dass im Falle eines hoch beladenen Filters der Abgasmassenstrom abnimmt bei gleichzeitiger Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes. Dies kann zu einer Temperaturerhöhung im Dieselpartikelfilter führen, die zu dessen Zerstörung führen kann. Andere Zusammenhänge gelten z.B. für Desorptions-NOx-Abgasnachbehandlungssysteme bei Speicherkatalysatoren.
  • [0005]
    Bei den in den vergangenen Jahren entwickelten Partikelfiltersystemen kann die Partikelemission bei Dieselfahrzeugen stark verringert werden. Die Emissionsreduzierung beträgt z.B. mehr als 97% der Partikelmasse. Der Partikelfilter muss in gewissen Zeitabständen von seinen Rußablagerungen befreit werden, damit der Durchflusswiderstand die Motorleistung nicht reduziert. Dazu wird die Rußschicht abgebrannt, wobei sich aus dem Ruß Kohlendioxyd CO2 und Wasserdampf bilden. Zur Rußverbrennung sind Abgastemperaturen von z.B. > als 550°C erforderlich. Diese Temperaturen werden im Fahrzeugeinsatz nicht zuverlässig erreicht, so dass Zusatzmaßnahmen für die Regeneration ergriffen werden. Grundsätzlich kann man zwischen aktiven und passiven Systemen für die Regeneration unterscheiden. Auch beim Einsatz von Systemen, durch die die Rußzündtemperatur abgesenkt wird, wie z.B. katalytischer Rußfilter, CRT-System oder katalytischen Kraftstoffzusätzen, müssen aktive Maßnahmen eingesetzt werden, um einen sicheren Filterbetrieb realisieren zu können.
  • [0006]
    Das CRT-System funktioniert schon, sobald Abgastemperaturen > als 250°C erreicht werden. Dies kann jedoch bei modernen Dieselfahrzeugen auch nicht immer sichergestellt werden, so dass sich zuviel Ruß im Filter ansammeln kann, wodurch hohe Gegendrücke und Leistungsverringerung in der Brennkraftmaschinen entstehen. In diesen Fällen müssen normalerweise aktive Systeme zugeschaltet werden, um die nötigen Abgastemperaturen zu erreichen. Dafür ist jedoch bei allen Maßnahmen zusätzliche Energie (Wärme) notwendig, die letztendlich aus dem Kraftstoff erzeugt wird (z.B. elektrische Energie aus der Batterie zur Erzeugung von Wärme in einer Heizscheibe, Kraftstoffbrenner, Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Motorbrennraum). Somit erhöht sich der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges durch das Abgasreinigungssystem. Auch bei anderen Abgasreinigungssystemen bzw. Abgasnachbehandlungssystemen, wie z.B. dem NOx-Speicherkatalysator sind bestimmte Temperaturbereiche erforderlich, um die Funktion (Regeneration) sicherstellen zu können. Die Regenerationsmaßnahmen, d.h. u.a. die Wahl des Zeitpunktes, bei dem eine Regeneration eines Partikelfilters eingeleitet wird, orientiert sich heute z.B. an der gefahrenen Strecke (z.B. nach 400 bis 700 km) und der Druckdifferenz über dem Partikelfilter. Sobald die Druckdifferenz um einen bestimmten Wert zugenommen hat bzw. eine bestimmte Strecke gefahren wurde, wird die Regeneration eingeleitet, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind, die eine Regeneration ermöglichen, wie Motortemperatur, Abgastemperatur oder dgl. Insgesamt wird bei bisherigen Abgasnachbehandlungssystemen eine Regeneration, also abhängig vom Beladungszustand und dem Betriebszustand, der Brennkraftmaschine durchgeführt.
  • [0007]
    Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung der vorstehend erläuterten Zusammenhänge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage bereitzustellen, mit dem unter Einhaltung möglichst guter Abgaswerte die Gefahr schädlicher Auswirkungen auf das Abgasnachbehandlungssystem und die Brennkraftmaschine minimiert wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • [0008]
    Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Steuereinrichtung die Fahrstrecke betreffende Informationsdaten zugeführt werden und dass die Regenerationszyklen unter Berücksichtigung der Informationsdaten gesteuert werden.
  • [0009]
    Durch die Ausnutzung von die Fahrstrecke betreffenden Informationsdaten zur Steuerung der Regenerationszyklen kann in vorausschauender Strategie z.B. vermieden werden, dass ein z.B. über mehrere Minuten andauernder Regenerationsvorgang eines Rußpartikelfilters in Folge ungünstiger Motorbetriebsparameter beendet werden muss bzw. zu einer Schädigung des Nachbehandlungssystems führt. Auch kann die Regeneration, die in der Regel mit schlechteren Abgaswerten als im Normalbetrieb verbunden ist, äußeren Anforderungen angepasst werden, z.B. in einem Tunnel unterbunden werden.
  • [0010]
    Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen angegeben. So wird eine vorteilhafte Ausnutzung von Informationen bei geringem Aufbauaufwand dadurch erreicht, dass die Informationsdaten von einem globalen Positionsbestimmungssystem, einem Verkehrstelematiksystem, einem Fahrstreckenrechner und/oder einem Navigationssystem zugeführt werden.
  • [0011]
    Der steuerungstechnische Aufwand kann z.B. dadurch gering gehalten werden, dass die Informationsdaten mittels der Steuereinrichtung oder einer vorgeschalteten Recheneinheit aus allgemeineren Fahrstreckendaten extrahiert werden.
  • [0012]
    Verschiedene Möglichkeiten, die Information über die Fahrstrecke bereitzustellen, bestehen darin, dass die Informationsdaten und/oder die Fahrstreckendaten vor Fahrtantritt oder aktuell während der Fahrt ermittelt werden.
  • [0013]
    Vorteilhafte Maßnahmen bei der Steuerungsstrategie bestehen darin, dass in der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von den Informationsdaten ermittelt wird, ob ein aufgrund einer Regenerationsanforderung eines Abgasnachbehandlungssystems vorgesehener Regenerationsvorgang vorgezogen oder verzögert wird und dass der Regenerationszyklus in Abhängigkeit von diesem Ermittlungsergebnis gegebenenfalls modifiziert wird.
  • [0014]
    Alternativ oder zusätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass in der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von den Informationsdaten ermittelt wird, ob ein modifizierter Regenerationsvorgang (Regenerationsprozess, Regenerationsphase) durchgeführt wird. Verschiedene modifizierte Regenerationsvorgänge und damit auch Regenerationszyklen können z.B. durch eine aktuelle Berechnung entsprechend einer vorgegebenen Modellierung aktuell ermittelt werden oder abgespeichert sein und aufgrund bestimmter Kriterien zur Durchführung der Regenierung aus dem Speicher entnommen werden.
  • [0015]
    Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich dadurch, dass die Informationsdaten oder Fahrtstreckendaten aufbereitet und über einen Bus zu der Steuereinrichtung geführt werden, so dass z.B. relevante Daten über einen vorhandenen CAN-Bus zugeführt werden können. Für eine vorteilhafte Steuerungsstrategie ist es ferner günstig, dass die Informationsdaten Angaben über Steigungen, Gefällstrecken, abgaskritische Strecken und/oder Verkehrsstaus beinhalten.
  • [0016]
    Zu einer Optimierung des Verfahrens tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass bei einer Steigung die höhere Temperatur der Brennkraftmaschine für einen Regenerationsvorgang einbezogen wird, und/oder dass bei einer bevorstehenden Gefällstrecke oder einer abgaskritischen Strecke ein Regenerationsvorgang auf der Grundlage einer Optimierungsstrategie verzögert, vorgezogen und/oder verkürzt wird.
  • [0017]
    Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • [0018]
    1 ein schematisches Blockschaltbild für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage und
  • [0019]
    2 ein Ausführungsbeispiel für einen Steuerungsteil einer in 1 gezeigten Steuerungseinrichtung mit einem Zustandsautomaten.
  • Ausführungsbeispiel
  • [0020]
    Gemäß 1 werden einer Steuerungseinrichtung 10 mit einem Zustandsautomaten zur Regeneration außer den Signalen bzw. Daten eines Abgasnachbehandlungssystems 1 des Weiteren die Fahrstrecke des Fahrzeuges betreffende Informationsdaten eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) 30 und/oder eines Verkehrstelematiksystems 20 zugeführt, um eine Regeneration des Nachbehandlungssystems über eine geeignete Vorrichtung 40 zu starten. Die zu regenierende Abgasnachbehandlungsanlage ist einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine zugeordnet.
  • [0021]
    Mit den z.B. von dem globalen Positionsbestimmungssystem 30 oder dem Verkehrstelematiksystem 20 oder ähnlichem System mit Fahrstreckenrechner und/oder Navigationssystem der Steuereinrichtung 10 zugeführten Informationsdaten kann nun einefahrtstreckenabhängige, vorausschauende Regenerationsstrategie getroffen werden, die in der Steuereinrichtung 10 in Verbindung mit den Daten des Abgasnachbehandlungssystems 1 ermittelt wird. Die Regenerationsstrategie ist darauf ausgerichtet, dass eine Regeneration vermieden wird, wenn sie mit ungünstigen Motorbetriebszuständen und/oder äußeren Bedingungen zusammentreffen würde. Die von z.B. dem globalen Positionsbestimmungssystem 30 und/oder dem Verkehrstelematiksystem 20 zugeführten Informationsdaten betreffen beispielsweise Verkehrsstörungen, die zu einem Stoppen des Fahrzeuges und damit einem Übergang in den unteren Leerlauf führen können. Hierzu können z.B. vor Beginn einer Regeneration eines in der Abgasnachbehandlungsanlage angeordneten Dieselpartikelfilters die Information über den aktuellen Standort und die Fahrtrichtung aus dem globalen Positionsbestimmungssystem 30 mit den Informationen des Verkehrstelematiksystems 20 über Verkehrsstörungen abgeglichen werden. So kann verhindert werden, dass im Betrieb kurz vor Auffahren auf eine Verkehrsstörung eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird und die eingangs beschriebene exotherme Funktion beginnt. Denkbar sind auch Beeinflussungen des Regenerationsverhaltens bzw. des Regenerationszyklus mit dem Regenerationsvorgang, wie er von dem Abgasnachbehandlungssystem 1 in Abhängigkeit allein von den Informationen des globalen Positionsbestimmungssystems 30 vorgesehen ist, wie z.B. die Verhinderung einer Regeneration kurz vor Einfahrt in einen Straßentunnel oder ein Parkhaus.
  • [0022]
    Bedingt durch Streckenzeitkonstanten von Abgasnachbehandlungssystemen 1 sind teilweise Regenerationszeiten, d.h. Dauern von Regenerationsvorgängen im Minutenbereich erforderlich. Dynamische Änderungen des Motorbetriebszustandes finden jedoch üblicherweise mit deutlich kleineren Zeitkonstanten statt. Um Regenerationen vollständig durchführen zu können oder kritische Systemzustände zu verhindern, werden die die Fahrtstrecke betreffenden Informationsdaten vorausschauend geeignet ausgewählt.
  • [0023]
    Dabei werden die von dem globalen Positionsbestimmungssystem 30, dem Verkehrstelematiksystem 20 oder einem Fahrtstreckenrechner oder dgl. für die Steuereinrichtung 10 beispielsweise eines Motorsteuergerätes in geeigneter Form z.B. über einen CAN-Bus geführt und in dieser Form übergeben. Hierbei ist es nicht unbedingt erforderlich, die vollständige Information zu übergeben.
  • [0024]
    Ausreichend ist z.B. eine Information über die Zulässigkeit der entsprechenden Regenerationsmaßnahmen. Die Übergabe kann z.B., wie in 2 gezeigt, in Form einer Bitleiste 11 betreffend die Information des globalen Positionsbestimmungsssystems 30 und/oder einer Bitleiste 12 betreffend die Information des Verkehrstelematiksystems 20 erfolgen. Vorstellbar ist z.B. eine Bitleiste 11 für die GPS-Informationen und eine Bitleiste 12 für die Informationen der Verkehrstelematik. Sofern erforderlich, werden diese beiden Bitleisten 11, 12 in der Steuereinrichtung 10 bzw. dem Motorsteuergerät logisch mittels einer entsprechenden Verknüpfungseinheit 13 verknüpft. Beim Vorliegen eines Wahrheitswertes der verknüpften Signale wird eine von dem Abgasnachbehandlungssystem 1 angeforderte Regeneration gemäß einer ANB-Anforderung 15 verhindert. Die Wahrheitswerte der so aufgebauten Verarbeitungsanordnung finden sich in einer Logiktabelle 16. Um die von dem Abgasnachbehandlungssystem 1 angeforderte Regeneration zu verhindern, kann z.B. ein entsprechendes Verknüpfungsglied 14.1 eines Verarbeitungsteils 14 vorgesehen sein. Das Ausgangssignal des z.B. in Form eines UND-Glieds bestehenden Verknüpfungsglieds 14.1 wird beispielsweise über ein Negierglied 14.2 einem weiteren Verknüpfungsglied 14.3 in Form eines UND-Glieds zugeführt, dem als weiteres Eingangssignal die Regenerationsanforderung 15 des Abgasnachbehandlungssystems 1 zum Erzeugen einer korrigierten Regenerationsanforderung zugeführt ist.
  • [0025]
    Heutige Navigationssysteme in Kraftfahrzeugen dienen in der Regel der Routenplanung und Zielführung. Vorliegend sind insbesondere auch Navigationssysteme von Vorteil, die neben der Straßenkarte zusätzlich auch Informationen zur Geländeform und damit zu Steigungsstrecken und Gefällen von Fahrbahnen enthalten. Fährt das Fahrzeug eine Steigungsstrecke, so entstehen dabei deutlich höhere Abgastemperaturen, als wenn das Fahrzeug in der Ebene oder auch auf einer Gefällstrecke gefahren wird, weil bei der Bergfahrt höhere Motorleistungen benötigt werden. Diese höheren Abgastemperaturen können ausgenutzt werden, um z.B. bei Dieselfahrzeugen einen Partikelfilter zu regenieren. Falls die Abgastemperatur für die Regeneration nicht ausreicht, müssen auch hier aktive Maßnahmen eingesetzt werden. Die notwendige Temperaturerhöhung ist jedoch geringer als ohne die erhöhte Last durch die Fahrbahnsteigung, so dass die Fahrbahnsteigung für die Regeneration positiv ausgenutzt werden kann.
  • [0026]
    Mit einem Navigationssystem, das Informationen zur Geländeform enthält, kann die Regenerationsstrategie, z.B. die Wahl des Zeitpunktes, bei dem eine Regeneration des Partikelfilters eingeleitet wird, oder welche Parameter für die Regeneration gewählt werden, optimiert werden, wobei vorausschauend eine günstige Fahrstrecke, wie z.B. Steigung, für die Regeneration gewählt wird. Dadurch kann z.B. nach einer bestimmten Fahrstrecke, nach der wahrscheinlich eine Regeneration erforderlich wird, geprüft werden, ob auf der geplanten Fahrtroute in nicht zu großer Entfernung eine Steigungsstrecke gefahren wird. Dann kann die Regeneration gezielt dort eingeleitet werden. Mit einem solchen vorausschauenden System ist es möglich, die Regenerationsstrategie und den Kraftstoffverbrauch für die Regenerationsmaßnahmen deutlich zu verbessern.
  • [0027]
    Grundsätzlich könnte das Navigationsgerät auch ohne eingegebene Fahrtroute Informationen zum optimierten Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems an das Motorsteuergerät bzw. die Steuereinrichtung 10 liefern, indem z.B. aus der Position des Fahrzeugs und der Fahrtroute mögliche Steigungsstrecken ermittelt werden, die wahrscheinlich angefahren werden. Dann kann wiederum dort eine Regeneration ausgelöst werden. Außerdem kann das Einleiten eines Regenerationsvorganges auch auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, wenn aufgrund der Informationen von der Steuereinrichtung 10 abzusehen ist, dass die Fahrzeit, die bis zur nächsten Gefällstrecke benötigt wird, nicht mehr für die vollständige Regeneration ausreicht, da bei einer Gefällstrecke die Abgastemperatur sinkt, weil eine niedrigere Motorleistung zum Betrieb des Fahrzeugs benötigt wird bzw. der Motor in den Schubbetrieb geht.
  • [0028]
    Zudem kann mit dem Navigationsgerät verhindert werden, dass eine Filterregeneration z.B. in Tunnels eingeleitet wird. Dies ist sinnvoll, da bei der Regeneration eines Partikelfilters u.U. Substanzen entstehen können, die die Luft zusätzlich belasten.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines Partikelfilters, einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine mit von einer Steuereinrichtung (10) gesteuerten Regenerationszyklen, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (10) die Fahrstrecke betreffende Informationsdaten zugeführt werden und dass die Regenerationszyklen unter Berücksichtigung der Informationsdaten gesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsdaten von einem globalen Positionsbestimmungssystem (30), einem Verkehrstelematiksystem (20), einem Fahrstreckenrechner und/oder einem Navigationssystem zugeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsdaten mittels der Steuereinrichtung (10) oder einer vorgeschalteten Recheneinheit aus allgemeineren Fahrstreckendaten extrahiert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Informationsdaten und/oder die Fahrstreckendaten vor Fahrtantritt oder aktuell während der Fahrt ermittelt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Informationsdaten ermittelt wird, ob ein aufgrund einer Regenerationsanforderung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) vorgesehener Regenerationsvorgang vorgezogen oder verzögert wird und dass der Regenerationszyklus in Abhängigkeit von diesem Ermittlungsergebnis gegebenenfalls modifiziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Informationsdaten ermittelt wird, ob ein modifizierter Regenerationsvorgang durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsdaten oder Fahrtstreckendaten aufbereitet und über einen Bus zu der Steuereinrichtung (10) geführt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsdaten Angaben über Steigungen, Gefällstrecken, abgaskritische Strecken und/oder Verkehrsstaus beinhalten.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Steigung die höhere Temperatur der Brennkraftmaschine für einen Regenerationsvorgang einbezogen wird, und/oder dass bei einer bevorstehenden Gefällstrecke oder einer abgaskritischen Strecke ein Regenerationsvorgang auf der Grundlage einer Optimierungsstrategie verzögert, vorgezogen und/oder verkürzt wird.
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