DE102006050176A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal und zumindest einem in dem Abgaskanal angeordneten Katalysator, wobei die Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Brennverfahren betrieben wird und wobei zumindest bei einem der Brennverfahren die Brennkraftmaschine in einem Magerbetrieb betrieben wird. Dabei ist es vorgesehen, dass eine Umschaltung zwischen den Brennverfahren in Abhängigkeit von der Konvertierungsrate des Katalysators erfolgt. Das Verfahren ermöglicht es, Brennkraftmaschinen überwiegend in einem Magerbetrieb zu betreiben, ohne zulässige Abgasgrenzwerte zu überschreiten.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal und zumindest einem in dem Abgaskanal angeordneten Katalysator, wobei die Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Brennverfahren betrieben wird und wobei zumindest bei einem der Brennverfahren die Brennkraftmaschine in einem Magerbetrieb betrieben wird.
  • Die Forderung nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch und somit niedrigerer Kohlendioxid-Emissionen von Brennkraftmaschinen bei gleichzeitiger Reduzierung bestehender Abgasgrenzwerte führt zu einem Zielkonflikt bei der Entwicklung von neuen Motorkonzepten. So können aufwändigere Abgasnachbehandlungen zu höherem Kraftstoffverbrauch und höheren Kohlendioxid-Emissionen führen.
  • Ziel neuer Entwicklungen ist es daher, bereits die Rohemissionen von Brennkraftmaschinen bei niedrigem Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
  • In der Firmenschrift Research Info der Firma Robert Bosch GmbH, Ausgabe 02/2005, ist eine neue, in der Entwicklung befindliche Technologe beschrieben, welche die Vorteile von Otto- und Dieselmotoren, nämlich geringe Emissionen und geringer Verbrauch, in einem System vereinen soll. Bei dieser als Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) bezeichneten Technik wird der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff sehr gleichmäßig verteilt und durch die Kompression durch den Kolben selbst entzündet. Dabei ist durch die Verteilung des Kraftstoffs während der Einspritzung und die nachfolgende Homogenisierungsphase das Kraftstoff-Luft-Gemisch so gleichmäßig im Zylinder verteilt, dass sich das Kraftstoffgemisch praktisch gleichzeitig in dem gesamten Brennraum entzündet, ohne dass sich eine Flammenfront ausbildet, was zu einer deutlichen Reduzierung des Stickoxid-Ausstoßes führt.
  • Die Technik ist sowohl für diesel- wie für benzinbetriebene Brennkraftmaschinen geeignet. Sie ermöglicht für benzinbetriebene Brennkraftmaschinen im Vergleich zu konventionellen Ottomotoren einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit der Kohlendioxid-Emission, während sie für Dieselmotoren eine geringere Rohemission bewirkt.
  • Da eine ausreichende Homogenisierung der Kraftstoffverteilung während eines Taktes eines ausreichend langen Homogenisierungszeitraums bedarf, ist HCCI nur bei niedrigen und mittleren Drehzahlen umsetzbar. Bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine muss wieder auf ein konventionelles Brennverfahren, wie der Fremdzündung bei einer benzinbetriebenen Brennkraftmaschine, umgeschaltet werden. Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebstrategien muss dabei schnell und drehmomentneutral erfolgen.
  • Neben dem beschriebenen HCCI-Verfahren sind weitere Technologien bekannt beziehungsweise im Einsatz, welche einen optimierten Wirkungsgrad und somit eine reduzierte Kohlenmonoxid-Emission aufweisen. Stellvertretend seien hierzu mager betriebene Dieselmotoren oder im Schichtbetrieb betriebene Ottomotoren genannt.
  • Zur Simulation von Abgasnachbehandlungsanlagen sind Berechnungsverfahren bekannt, wie sie beispielsweise bei der Brennverfahrensentwicklung eingesetzt werden. Diese ermöglichen, auf Basis von den verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zugeordneten Rohemissionen sowie weiterer Parameter, beispielsweise der Krümmertemperatur, die Berechnung sowohl der transienten Temperaturverteilung in dem Abgaskanal als auch der Schadstoffkonvertierung an den Katalysatoren. Dabei werden die Reaktionsraten für Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff entsprechend an Katalysatoren gemessener Umsatzraten als Funktion der Temperatur definiert.
  • Nachteilig bei dem Einsatz von Brennverfahren mit optimiertem Wirkungsgrad und somit minimiertem Kraftstoffverbrauch ist die insbesondere bei Teillast geringe Abgastemperatur, die zu einer Reduzierung der Temperatur der im Abgaskanal eingesetzten Katalysatoren führt. Eine zu niedrige Katalysatortemperatur führt zu einer Reduzierung der Konvertierungsrate der Abgase an dem Katalysator und somit zu einem erhöhten Schadstoffausstoß.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches einen optimalen Kompromiss zwischen Verbrauchs- und Emissionsminimierung im realen Fahrbetrieb ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine Umschaltung zwischen den Brennverfahren in Abhängigkeit von der Konvertierungsrate des Katalysators erfolgt. Dabei kann die Brennkraftmaschine so lange verbrauchsoptimiert in einem Magerbetrieb betrieben werden, bis die Konvertierungsrate einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Dann kann auf ein zweites, beispielsweise konventionelles Brennverfahren umgeschaltet werden, welches bei einem geringeren Wirkungsgrad und somit erhöhtem Kraftstoffverbrauch und erhöhten Abgastemperaturen eine verbesserte Konvertierungsrate des Katalysators bewirkt. Entspricht die Konvertierungsrate des Katalysators wieder dem Schwellwert beziehungsweise einem weiteren gegenüber dem Schwellwert erhöhten Vorgabewert für die Konvertierungsrate, kann wieder auf das verbrauchsoptimierte Brennverfahren umgeschaltet werden. Die Brennkraftmaschine kann nach diesem Verfahren für einen maximal möglichen Zeitraum verbrauchsoptimiert betrieben werden, ohne dass vorgeschriebene Abgasgrenzwerte überschritten werden. Zusätzliche und kostenintensive Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung, beispielsweise für einen zusätzlichen Katalysator zur Reduzierung von Stickoxiden, können entfallen. Die Wahl der Konvertierungsrate als Kenngröße zur Umschaltung zwischen den Brennverfahren ist gegenüber einer ebenfalls denkbaren Umschaltung in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators vorteilhaft, da eine gemittelte Temperatur im Katalysator die exponentielle Abhängigkeiten beispielsweise einer Kohlenwasserstoff-Konvertierung nicht ausreichend korrekt beschreibt.
  • Eine kostengünstige und ausreichend schnelle Ermittlung der Konvertierungsrate des Katalysators kann dadurch erreicht werden, dass die Konvertierungsrate des Katalysators in einem Berechnungsmodell modelliert wird. Dabei kann auf bekannte Modelle zur Berechnung der Konvertierungsrate von Katalysatoren zurückgegriffen werden. Das Modell kann als Programm in einer separaten Steuereinheit oder in einer übergeordneten Motorsteuerung hinterlegt sein.
  • Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest eines der Brennverfahren zu einer im Vergleich zum Magerbetrieb erhöhten Abgastemperatur führt. Die Konvertierungsrate heutiger Katalysatoren ist insbesondere von deren Temperatur abhängig. Bei längerem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine, besonders im Teillastbereich, sinkt aufgrund der geringen Abgastemperatur die Katalysatortemperatur so weit, dass die geforderte Konvertierungsrate nicht mehr erreicht wird. Durch einen zeitlich begrenzten Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Brennverfahren mit höherer Abgastemperatur, wie es beispielsweise durch Umschalten von einem HCCI-Betrieb zu einem konventionellen, fremdgezündeten Betrieb bei einer benzinbetriebenen Brennkraftmaschine erfolgen kann, wird der Katalysator im Abgasstrom wieder auf die notwendige Betriebstemperatur aufgeheizt.
  • Ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch und somit eine geringe Kohlendioxid-Emission wird dadurch erreicht, dass die Dauer des Magerbetriebs bei gleichzeitiger Einhaltung der zulässigen Abgasgrenzwerte maximiert wird.
  • Die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte insbesondere für Kohlenwasserstoffe kann dadurch erreicht werden, dass die Konvertierungsrate des Katalysators für Kohlenwasserstoffe modelliert wird. Die Konvertierungsrate des Katalysators für Kohlenwasserstoffe dient dann als Grundlage für die Umschaltung zwischen den Brennverfahren.
  • Ein optimierter Kompromiss zwischen minimiertem Kraftstoffverbrauch beziehungsweise minimierter Kohlendioxid-Emission und minimierter Schadstoffemission ist dann gegeben, wenn die Umschaltung aus dem Magerbetrieb dann erfolgt, wenn die Konvertierungsrate des Katalysators für Kohlenwasserstoffe einen Schwellwert unterschreitet, der in einem Bereich von 95% bis 99%, bevorzugt bei 98%, liegt. Dabei ist sicher gestellt, dass in Kombination mit der thermischen Trägheit des Katalysatorsystems immer eine ausreichende Konvertierung stattfindet.
  • Ein geringer Kraftstoffverbrauch und somit eine geringe Kohlendioxid-Emission kann dadurch erreicht werden, dass die Brennkraftmaschine im Magerbetrieb als Benzin-Selbstzünder, als Ottomotor im Schichtbetrieb oder als Diesel-Selbstzünder betrieben wird. Der Diesel-Selbstzünder kann dabei als Diesel-HCCI, also in als Homogeneous Charge Compression Ignition bezeichneter Technologie, ausgelegt sein, bei der eine homogene Diesel-Verbrennung durch kontrollierte Selbstzündung erfolgt.
  • Eine ausreichend genaue Berechnung der Konvertierungsrate bei möglichst geringem Speicherbedarf für das Berechnungsprogramm sowie die dafür benötigten Daten als Grundlage für die Umschaltung zwischen den Brennverfahren kann dadurch erreicht werden, dass zur Modellierung der Konvertierungsrate des Katalysators ein modulares Berechnungsmodell verwendet wird, das die Rohrstrecken und die Katalysatorelemente des Abgaskanals enthält und eine transiente Temperaturverteilung im Abgaskanal und/oder des Katalysators ermittelt.
  • Dabei wird bevorzugt die modellierte Konvertierungsrate des Katalysators aus temperaturabhängigen Reaktionsraten für Kohlenmonoxid, Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff ermittelt. Die Reaktionsraten können als an Katalysatoren gemessene Umsatzraten in dem Berechnungsmodell hinterlegt sein.
  • Eine von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängige Bestimmung der Konvertierungsrate des Katalysators wird dadurch ermöglicht, dass als Parameter die gemessene und/oder modellierte Temperatur eines Krümmers im Abgaskanal der Brennkraftmaschine und/oder eine gemessene und/oder modellierte Rohemission der Brennkraftmaschine in das Berechnungsmodell einfließen.
  • Die Konvertierungsfähigkeit von Katalysatoren unterliegt einer Alterung, die über die Lebensdauer der Katalysatoren zu geringeren Konvertierungsraten führt, was sich insbesondere im Niedertemperaturbereich beziehungsweise im Light-Off auswirkt. Um Kohlenwasserstoff-Durchbrüche sicher zu vermeiden kann es vorgesehen sein, dass die Alterung des Katalysators in dem Berechnungsmodell berücksichtigt wird.
  • Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei Benzinmotoren mit Selbstzündung oder bei zumindest zeitweise im Schichtbetrieb betriebenen Ottomotoren oder bei Dieselmotoren einsetzen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 das Ergebnis einer Simulation der Kohlenwasserstoff-Konvertierung ohne eine von der Konvertierungsrate eines Katalysators abhängige Umschaltung des Brennverfahrens,
  • 2 das Ergebnis einer Simulation der Kohlenwasserstoff-Konvertierung mit einer von der Konvertierungsrate eines Katalysators abhängigen Umschaltung des Brennverfahrens. Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Kohlenwasserstoff-Konvertierung ohne eine von der Konvertierungsrate 15 eines Katalysators abhängige Umschaltung des Brennverfahrens.
  • In einem Diagramm 10 ist auf einer x-Achse 11 die Zeit in Sekunden angegeben. Auf einer y-Achse 12 ist eine Geschwindigkeit in Kilometer/Stunde sowie in gleicher Skalierung eine Kohlenwasserstoff-Konvertierungsrate in Prozent aufgetragen.
  • Eine erste Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf einer der Simulation zugrunde gelegten Geschwindigkeit 13 eines mit einer Brennkraftmaschine betriebenen Kraftfahrzeuges, welche die Belastung der Brennkraftmaschine repräsentiert. Die Brennkraftmaschine ist in dem Ausführungsbeispiel mit Benzin betrieben und kann in zwei Brennverfahren, entweder konventionell mit Fremdzündung oder mit Benzin-Selbstzündung, betrieben werden.
  • In einer zweiten Kurve ist der zeitliche Verlauf eines Schaltsignals Brennverfahren 14 ohne Bezug auf die auf der y-Achse 12 angegebene Skalierung dargestellt.
  • Eine dritte Kurve zeigt eine aufgrund der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine berechnete Konvertierungsrate 15 für Kohlenwasserstoffe eines Katalysators, ebenfalls im zeitlichen Verlauf dargestellt.
  • Der Verlauf der Geschwindigkeit 13 entspricht einem gemäß NEDC (New European Driving Cycle) vorgegebenen Geschwindigkeitsablauf zur Bestimmung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeuges.
  • Der Verlauf des Schaltsignals Brennverfahren 14 zeigt an, wann die Brennkraftmaschine im konventionellen Betrieb und wann im Mager-Betrieb betrieben wird. Dabei entspricht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der konventionelle Betrieb dem eines fremdgezündeten Ottomotors, während der Mager-Betrieb in Benzin-Selbstzündung erfolgt. Das niedrigere Schaltsignal Brenn verfahren 14 markiert die Bereiche, in denen die Brennkraftmaschine konventionell betrieben wird, während das höhere Schaltsignal Brennverfahren 14 die Zeiträume, in denen die Brennkraftmaschine im Magerbetrieb betrieben wird, angibt. Die Umschaltung zwischen den Brennverfahren erfolgt in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine, unabhängig von der Konvertierungsrate 15 für Kohlenwasserstoffe des Katalysators.
  • Der Verlauf der Konvertierungsrate 15 für Kohlenwasserstoffe zeigt an, dass es nach längeren Betriebszeiten der Brennkraftmaschine im Magerbetrieb zu signifikanten Durchbrüchen 16 von Kohlenwasserstoffen aufgrund einer absinkenden Konvertierungsrate 15 kommt. Dies ist in erster Linie auf zu niedrige Katalysator-Temperaturen, bedingt durch die niedrigen Abgastemperaturen im Magerbetrieb unter Teillast, zurückzuführen. Grenzwerte für Kohlenwasserstoff-Emissionen können so nicht eingehalten werden.
  • 2 das Ergebnis einer Simulation der Kohlenwasserstoff-Konvertierung mit einer von der Konvertierungsrate eines Katalysators abhängigen Umschaltung des Brennverfahrens.
  • Die in dem Diagramm 10 in 2 benutzten Bezeichner entsprechen den in 1 benutzten Bezeichnern.
  • Neben der Umschaltung zwischen den Brennverfahren konventionell und mager in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine erfolgt hier auch eine Umschaltung in Abhängigkeit von der berechneten Konvertierungsrate 15 für Kohlenwasserstoffe. Dabei wurde in dem Ausführungsbeispiel ein Schwellwert von 98% für die Konvertierungsrate 15 festgelegt, unterhalb der in den konventionellen Betrieb geschaltet wird.
  • Der Verlauf der simulierten Konvertierungsrate 15 für Kohlenwasserstoffe zeigt, dass Durchbrüche von Kohlenwasserstoff sicher vermieden werden können. Dabei wird die Brennkraftmaschine weiterhin im Teillastbereich überwiegend im Magerbetrieb betrieben, wie der Verlauf des Schaltsignals Brennverfahren 14 zeigt. Das Verfahren ermöglicht somit einen optimalen Kompromiss zwischen Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
  • Die Konvertierungsrate 15 des Katalysators für Kohlenwasserstoffe wird anhand einer Simulation ermittelt. Die unter verschiedenen Betriebsarten im Kennfeld erfassten Rohemissionen der Brennkraftmaschine fließen als Ausgangsdaten in die Simulation der Abgasnachbehandlungsstrecke ein.
  • Der Simulation liegt ein modulares Berechnungsmodell für die Rohrstrecken und Katalysatorelemente der Abgasnachbehandlungsstrecke zugrunde, welches sowohl die transiente Temperaturverteilung im Abgasstrang als auch die Schadstoffkonvertierung beschreibt.
  • Für ein Modul wird in frei wählbarer axialer Diskretisierung die eindimensionale Massen- und Energieerhaltung für Gasströmungen und Rohr- und Kanalwand gelöst. Dabei finden neben der Wärmeleitung Nusselt-Beziehungen für den inneren konvektiven Wärmeübergang von Gasströmungen an die Rohrwand Verwendung. Der äußere Wärmeübergang von der Rohrstrecke an die Umgebung wird über einen jeweils konstanten Wärmeübergangskoeffizienten für die natürliche Konvektion sowie über einen zusätzlichen Strahlungsterm berücksichtigt.
  • Für ein Katalysatormodul wird die axiale Wärmeleitung im Wabenkörper wie auch die Isolation durch die Quellmatten erfasst. Neben Massen- und Energieerhaltung wird im Katalysatormodul auch die Stofferhaltung über Globalreaktionen berechnet. Die Reaktionsraten für Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, beispielsweise als C3H6, werden entsprechend gemessener Umsatzraten an Katalysatoren als Funktion der Temperatur definiert.
  • Eingabedaten für die Berechnung der Konvertierungsrate des Katalysators in das Berechnungsmodell des Abgasstrangs sind die Krümmertemperatur und Rohemissionen der Brennkraftmaschine in der jeweiligen Betriebsart.
  • Das Modell gibt am Ende die Temperaturen und Konvertierungsraten 15 des Katalysators aus, die relevant sind für die Erlaubnis des Magerbetriebs.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal und zumindest einem in dem Abgaskanal angeordneten Katalysator, wobei die Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Brennverfahren betrieben wird und wobei zumindest bei einem der Brennverfahren die Brennkraftmaschine in einem Magerbetrieb betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung zwischen den Brennverfahren in Abhängigkeit von der Konvertierungsrate (15) des Katalysators erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertierungsrate (15) des Katalysators in einem Berechnungsmodell modelliert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Brennverfahren zu einer im Vergleich zum Magerbetrieb erhöhten Abgastemperatur führt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen den Brennverfahren derart erfolgt, dass die Dauer des Magerbetriebs bei gleichzeitiger Einhaltung der zulässigen Abgasgrenzwerte maximiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertierungsrate (15) des Katalysators für Kohlenwasserstoffe modelliert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung aus dem Magerbetrieb dann erfolgt, wenn die Konvertierungsrate (15) des Katalysators für Kohlenwasserstoffe einen Schwellwert unterschreitet, der in einem Bereich von 95% bis 99%, bevorzugt bei 98%, liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im Magerbetrieb als Benzin-Selbstzünder, als Ottomotor im Schichtbetrieb oder als Diesel-Selbstzünder betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modellierung der Konvertierungsrate (15) des Katalysators ein modulares Berechnungsmodell verwendet wird, das die Rohrstrecken und die Katalysatorelemente des Abgaskanals enthält und eine transiente Temperaturverteilung im Abgaskanal und/oder des Katalysators ermittelt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die modellierte Konvertierungsrate (15) des Katalysators aus temperaturabhängigen Reaktionsraten für Kohlenmonoxid, Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die gemessene und/oder modellierte Temperatur eines Krümmers im Abgaskanal der Brennkraftmaschine und/oder eine gemessene und/oder modellierte Rohemission der Brennkraftmaschine in das Berechnungsmodell einfließen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung des Katalysators in dem Berechnungsmodell berücksichtigt wird.
  12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Benzinmotoren mit Selbstzündung oder bei zumindest zeitweise im Schichtbetrieb betriebenen Ottomotoren oder bei Dieselmotoren eingesetzt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009010021A1 (de) * 2009-02-21 2010-09-02 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators
DE102013200569A1 (de) 2013-01-16 2014-07-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem 3-Wege-Katalysator sowie Steuer- und/oder Regeleinrichtung und Computerprogramm

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