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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine,
bei dem eine Ist-Position eines Gaswechselventils über einen
Positionssensor erfasst wird, aus der Ist-Position sowie einer Null-Position
eine Positionsabweichung berechnet wird, bei dem eine Gesamt-Längenänderung des
Gaswechselventils in Abhängigkeit
der Temperatur des Gaswechselventils berechnet wird, bei dem ein
Ventilspiel des Gaswechselventils aus der Positionsabweichung sowie
der Gesamt-Längenänderung bestimmt
wird und an Hand des Ventilspiels der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine
festgelegt wird.
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In
der Praxis werden Großdieselmotoren ohne
automatischen Ventilspielausgleich ausgeliefert. Daher muss nach
einer fest vorgegebenen Betriebsdauer das Ventilspiel durch einen
Servicemechaniker entsprechend einem Wartungsplan eingestellt werden.
Im Wartungsplan sind die Randbedingungen, zum Beispiel Motor-Kühlerwassertemperatur kleiner
40°C, und
die einzelnen Schritte dargestellt. Zuerst wird eine Durchdrehvorrichtung
angebracht, die Zylinderkopfhauben entfernt und mittels der Durchdrehvorrichtung
die Gaswechselventile sequentiell in den geschossenen Zustand gebracht.
Im geschlossenen Zustand wird dann über eine Fühlerlehre das jeweilige Ist-Ventilspiel
geprüft.
Weicht dieses vom Soll-Ventilspiel ab, muss der Servicemechaniker über eine
Einstellschraube das Ist-Ventilspiel so lange nachstellen bis dieses
mit dem Soll-Ventilspiel übereinstimmt.
Bei einem Großdieselmotor
mit zum Beispiel sechzehn Zylindern ist dies aufwendig, kostenintensiv
und verursacht bei einem Schiff entsprechende Hafenliegegebühren.
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Eine
Maßnahme
zur Verbesserung besteht darin, die Ist-Position des Gaswechselventils über einen
Schließkontakt
(
DE 196 52 719 A1 ),
induktiv oder kapazitiv (
DE
198 30 667 A1 ) zu messen und diese der weiteren Steuerung
der Brennkraftmaschine, beispielsweise einer variablen Ventilsteuerung, zu
Grunde zu legen. Aus der
WO 2005/064281 A1 ist es bekannt, die Ist-Position
einer linearen Bewegung über
magnetische Kodierung zu messen, diese mit einer geeichten Null-Position
zu vergleichen und hieraus eine Positionsabweichung zu bestimmen. Kritisch
ist bei diesen Einrichtungen und Verfahren, dass die temperaturverursachte
Längenänderung des
Gaswechselventils als Positionsabweichung zwar erkannt wird, aber
nicht eindeutig als zulässig oder
als nicht zulässig,
im Sinne von Verschleiß,
interpretiert werden kann. Eine eindeutige Aussage zur Betriebsicherheit
ist daher nicht möglich.
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Die
DE 699 17 024 T2 schlägt ein Verfahren zur
Steuerung des Zündzeitpunkts
vor, bei welchem Variationen der Ventilhubkurven berücksichtigt
werden. Verursacht werden die unterschiedlichen Hubkurven durch
die Längenänderung
und das sich dadurch verändernde
Ventilspiel. Ein veränderliches Ventilspiel
des Einlass- und des Auslassventils bewirkt eine Variation der Ventilüberlappung,
ein unterschiedliches Zündgemisch
und einen fehlerhaften Zündzeitpunkt.
Zur Abschätzung
der Öffnungs-
und Schließzeiten
und damit der Überlappung
sieht die
DE 699 17
024 T2 vor, dass die relative Länge des Einlassventils aus
der Temperatur des Kühlmittels berechnet
wird und die relative Länge
des Auslassventils aus der Temperatur des Kühlmittels sowie einem motorleistungsabhängigen Korrekturfaktor
berechnet wird. Hinsichtlich des tatsächlichen Ventilspiels und dessen
Klassifikation ist diese Lösung
jedoch noch nicht optimal.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren mit verbesserter
Betriebssicherheit an Hand des Ventilspiels zu entwerfen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs
gelöst.
Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Das
Verfahren besteht darin, dass eine Ist-Position eines Gaswechselventils über einen
Positionssensor erfasst wird, aus der Ist-Position sowie einer Null-Position
eine Positionsabweichung berechnet wird und eine Gesamt-Längenänderung
des Gaswechselventils in Abhängigkeit
der Temperatur des Gaswechselventils berechnet wird. Danach wird ein
Ventilspiel des Gaswechselventils aus der Positionsabweichung sowie
der Gesamt-Längenänderung bestimmt
und an Hand des Ventilspiels der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine
festgelegt. Bei einem nicht zulässigen
Ventilspiel erfolgt ein Diagnoseeintrag und wird eine Nachfolgeregelung
im Sinne einer Leistungsreduktion der Brennkraftmaschine initiiert.
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Berechnet
wird die Gesamt-Längenänderung
des Gaswechselventils aus der Summe von Einzel-Längenänderungen. Eine Einzel-Längenänderung
wiederum wird für
einen geometrischen Ort des Gaswechselventils aus einem linearen
Ausdehnungskoeffizienten einer Ausgangslänge bei Bezugstemperatur und
einer Temperaturdifferenz berechnet. Bestimmt wird die Temperaturdifferenz
aus der Differenz einer berechneten Temperatur zur Bezugstemperatur,
wobei die berechnete Temperatur in Abhängigkeit des geometrischen
Orts über
eine Kennlinie bestimmt wird. Der geometrische Ort ist über den Abstand
von der Unterseite des Ventiltellers definiert. Die Unterseite des
Ventiltellers ist die Seite, welche den Brennraum in Richtung des
Gaseinlasses oder Gasauslasses verschließt. Von Vorteil ist die eindeutige
Zuordnung des Ventilsspiels zur Ursache.
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Beispielsweise
verursacht eine höhere
Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine eine Temperaturerhöhung am
Gaswechselventil und damit ein geringeres Ventilspiel, welches für diesen
Betriebspunkt zulässig
sein kann. Ebenso zweifelsfrei lässt sich
damit auch der Ventilsitzverschleiß erkennen.
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Die
Kennlinie kann aus einem Kennlinienfeld an Hand einer gemessenen
Referenztemperatur ausgewählt
werden oder aus einer Basiskennlinie an Hand der gemessenen Referenztemperatur
berechnet werden. Die Referenztemperatur wird mittels eines Temperatursensors
in der Nähe
des Gaswechselventils gemessen, beispielsweise in dessen Führungshülse. Alternativ
ist vorgesehen, die Kennlinie über
ein Modell an Hand der eine Verbrennung bestimmenden Parameter zu
berechnen. Über
den Vergleich der modellbasierten Kennlinie mit der gemessenen Referenztemperatur
kann das Modell zusätzlich
auch angepasst werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass eine zustandsabhängige Wartung des
Großdieselmotors
dargestellt werden kann. Durch den Entfall der mechanischen Nachkontrolle des
Ventilspiels durch den Servicemechaniker werden die Wartungskosten
für den
Endkunden deutlich reduziert. Die modellbasierte Lösung bietet
ergänzend
noch den Vorteil, dass das Verfahren als reine Softwarelösung in
einem Nachrüstungspaket
angeboten werden kann.
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In
den Figuren sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt.
Es zeigen:
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1 ein
Systemschaubild mit einem Temperatursensor,
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2 eine
Kennlinie,
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3 ein
Blockschaltbild,
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4 ein
Zeitdiagramm und
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5 einen
Programm-Ablaufplan
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Die 1 zeigt
ein Systemschaubild mit einem Temperatursensor zur Messung einer
Referenztemperatur TREF. Die einzelnen Komponenten sind: ein Zylinderkopf 1 mit
einem Gaswechselventil 2, zum Beispiel ein Einlassventil,
ein Kipphebel 3 zur Betätigung
des Gaswechselventils 2, ein Positionssensor 4,
der Temperatursensor 5 und ein elektronisches Steuergerät 6 (ECU).
Das Bezugszeichen VS kennzeichnet das Ventilspiel zwischen dem Kipphebel 3 und
dem Gaswechselventil 2. Der Positionssensor 4 detektiert die
Ist-Position des Gaswechselventils 2, beispielsweise über einen
induktiven oder kapazitiven Aufnehmer, über eine Optoelektronik oder über einen
magnetisch kodierten Bereich 7 auf dem Ventilschaft 8.
Im elektronischen Steuergerät 6 wird dann
aus der Ist-Position
und einer Nullposition eine Positionsabweichung berechnet. Im weiteren
Text wird davon ausgegangen, dass der Positionssensor 4 eine
integrierte Auswerteeinheit umfasst, welche die Positionsabweichung
dPOS der Ist-Position zur geeichten Null-Position als Ausgangssignal bereitstellt.
Bezugnahmen im Text auf die Positionsabweichung dPOS sind daher
in dem Sinn zu verstehen, dass die Positionsabweichung dPOS vom
Positionssensor 4 bereitgestellt wird oder vom elektronischen Steuergerät 6 berechnet
wird. Über
den Temperatursensor 5 wird in der Nähe des Gaswechselventils 2, beispielsweise
an der Führungshülse 9,
die Referenztemperatur TREF gemessen. Auf Grund der bekannten Materialeigenschaften
besteht eine entsprechende Korrelation zur Temperatur des Gaswechselventils 2.
Die Position des Gaswechselventils 2 bzw. die Positionsabweichung
dPOS und die Referenztemperatur TREF sind Eingangsgrößen des
elektronischen Steuergeräts 6.
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Das
elektronische Steuergerät 6 bestimmt die
Betriebsweise der Brennkraftmaschine. Dieses beinhaltet die üblichen
Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine,
Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen
sind die für den
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten
in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische
Steuergerät 6 aus
den Eingangsgrößen die
Ausgangsgrößen. In 1 sind
die weiteren Eingangsgrößen mit
dem Bezugszeichen EIN zusammengefasst. Unter den weiteren Eingangsgrößen EIN
sind beispielsweise ein Raildruck, eine Motordrehzahl, eine Leistungsanforderung,
der Ladeluftdruck eines Turboladers, die Temperatur der Ladeluft,
die Abgastemperatur und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel sowie des Kraftstoffs
zusammengefasst. Die Ausgangsgrößen des
elektronischen Steuergeräts 6 sind
mit dem Bezugszeichen AUS zusammengefasst. Dieses steht stellvertretend
für die
weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine,
beispielsweise ein Spritzbeginn bzw. Spritzende zur Ansteuerung
der Injektoren und ein Signal zur Ansteuerung einer Saugdrossel
bei einem Common-Railsystem.
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Die
Funktionalität
ist folgende:
Nachdem das elektronische Steuergerät 6 die
Positionsabweichung dPOS und die Referenztemperatur TREF eingelesen
hat, wird in Abhängigkeit
der Referenztemperatur TREF eine Kennlinie (2) ausgewählt. Für einen
geometrischen Ort des Gaswechselventils wird dann über die
Kennlinie eine Temperatur für
diesen geometrischen Ort berechnet. Unter geometrischen Ort ist
im Sinne der Erfindung eine Scheibe endlicher Dicke des Gaswechselventils
zu verstehen, zum Beispiel eine Scheibe mit der Dicke 1 mm. Der
geometrische Ort ist über
den Abstand von der Unterseite des Ventiltellers definiert. Die
Unterseite 14 des Ventiltellers 13 ist die Seite,
welche den Brennraum 12 in Richtung des Gaseinlasses 15 oder Gasauslasses
verschließt.
An Hand der berechneten Temperatur und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten
wird anschließend
eine Einzel-Längenänderung
für diesen
geometrischen Ort gemäß folgender Beziehung
berechnet: dL(i) = Alpha·dT(i)·L0(i)mit dT(i)
= T(i) – T0
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Hierin
bedeuten:
- dL(i)
- Einzel-Längenänderung
des Gaswechselventils am geometrischen Ort i
- Alpha
- linearer Ausdehnungskoeffizient
(konstant)
- dT(i)
- Temperaturänderung
gegenüber
der Bezugstemperatur
- L0(i)
- Ausgangslänge des
Elements i bei Bezugstemperatur
- T(i)
- berechnete Temperatur
am Ort i
- T0
- Bezugstemperatur
- i
- Laufvariable entsprechend
einem Element, Wert 1, 2...
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Im
Anschluss daran wird iterativ für
weitere geometrische Orte des Gaswechselventils 2 über die Kennlinie
die weiteren Temperaturen bestimmt und gemäß der oben ausgeführter Zuordnung
die weiteren Einzel-Längenänderungen
berechnet. Danach werden die Einzel-Längenänderungen zu einer Gesamt- Längenänderung addiert, welche als
Maß für die temperaturverursachte
Längenänderung
des Gaswechselventils steht. An Hand der Positionsabweichung dPOS
und der Gesamt-Längenänderung wird
dann das Ventilspiel VS bestimmt, beurteilt und der weitere Betrieb
der Brennkraftmaschine festgelegt.
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In
der 2 ist die Kennlinie 10 zur Berechnung
einer Temperatur und das Gaswechselventil 2 dargestellt.
Die Kennlinie 10 wird aus einem Kennlinienfeld in Abhängigkeit
der Referenztemperatur TREF ausgewählt, wie dies durch die Variable
TREF dargestellt ist. Selbstverständlich kann die Kennlinie 10 auch
aus einer Basiskennlinie und der Referenztemperatur TREF berechnet
werden. Auf der Ordinate ist die Länge L des Gaswechselventils 2 und
auf der Abszisse ist eine Temperatur T aufgetragen. Auf dem Ventilschaft 8 liegt
ein geometrischer Ort L(1). Unter geometrischem Ort ist im Sinne
der Erfindung eine Scheibe endlicher Dicke des Gaswechselventils zu
verstehen, zum Beispiel eine Scheibe mit 1 mm Dicke. Das Bezugszeichen
i zeigt exemplarisch eine derartige Scheibe. Der geometrische Ort
L(1) ist über den
Abstand von der Unterseite 14 des Ventiltellers 13 definiert.
Die Unterseite 14 des Ventiltellers 13 ist die
Seite, welche den Brennraum in Richtung des Gaseinlasses oder Gasauslasses
verschließt.
Der Koordinatenursprung der Kennlinie 10 ist identisch mit
der Unterseite 14 des Gaswechselventils 2. Für den geometrischen
Ort L(1) auf dem Ventilschaft 8 des Gaswechselventils 2 wird über die
Kennlinie 10, Punkt A, eine Temperatur T(1) berechnet.
An Hand der Temperatur T(1) wird dann über die oben beschriebene Zuordnungen
eine Einzel-Längenänderung
dL(1) berechnet. Für
einen geometrischen Ort L(2) wird über die Kennlinie 10,
Punkt B, eine Temperatur T(2) und daraus eine Einzel-Längenänderung dL(2) berechnet. Für einen
geometrischen Ort L(i) wird über
die Kennlinie 10, Punkt I, eine Temperatur T(i) und daraus
eine Einzel-Längenänderung
dL(i) berechnet. Über
dieses iterative Verfahren können die
Einzel-Längenänderungen
und über
Summenbildung dann die Gesamt-Längenänderung
des Gaswechselventils 2 bestimmt werden.
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Die 3 zeigt
als Blockschaltbild eine modellbasierte Lösung zur Berechnung der Kennlinie 10.
Die Eingangsgrößen des
Modells 11 sind vorzugsweise die eine Verbrennung bestimmenden
Parameter: die Leistung P der Brennkraftmaschine, die Motordrehzahl
nMOT, die Temperatur des Kühlerwassers
TKW, der Druck pLL und die Temperatur der Ladeluft TLL, der Spritzbeginn
SB, die Kraftstoffmasse mKR, die Steuerzeiten SZ, die Abgastemperatur TAB
und die Luftmasse mL. In die Berechnung gehen als Konstante die
Geometrie des Gaswechselventils, Bezugszeichen Geo, und der lineare
Ausdehnungskoeffizient Alpha des verwendeten Materials des Gaswechselventils
mit ein. Bei einem geteilten Gaswechselventil, also mit unterschiedlichen
Materialzonen auf dem Schaft, werden dann die unterschiedlichen
linearen Ausdehnungskoeffizienten, zum Beispiel Alpha1 und Alpha2,
verwendet. Die Berechnung der Kennlinie 10 über das
Modell 11 aus den Eingangsgrößen kann beispielsweise an
Hand einer Fuzzy Logic oder eines Bayesnetz erfolgen.
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Die über das
Blockschaltbild der 3 berechnete Kennlinie 10 kann
als Einzellösung
verwendet werden. In diesem Fall werden die Einzel-Längenänderung
dL(i) und die Gesamt-Längenänderung LSUM
an Hand der modellbasierten Kennlinie 10 berechnet. Diese
Lösung
bietet sich immer dann an, wenn keine Referenztemperatur-Messstelle
in der Nähe
des Gaswechselventils vorhanden ist. Bei vorhandener Referenztemperatur-Messstelle
kann die modellbasierte Kennlinie über die Referenztemperatur-Messstelle
abgeglichen werden.
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Die 4 zeigt
als Zeitdiagramm den Temperatureinfluss auf ein gemessenes Ventilspiel
VS. Zum Zeitpunkt t1 befindet sich die Brennkraftmaschine im stationären Betrieb.
Im stationären
Betrieb pendelt das Ventilspiel VS nur unwesentlich um einen Mittelwert
MW. Zum Zeitpunkt t2 ändern
sich die oben beschriebenen Randbedingungen, wodurch das Ventilspiel
VS stark abnimmt. Im schraffiert dargestellten Zeitraum t2/t3 pendelt
das Ventilspiel auf niederem Niveau. Über das erfindungsgemäße Verfahren
wird das geringere Ventilspiel eindeutig als durch die Temperatur
verursacht identifiziert. In diesem Fall erfolgt keine weitere Aktion.
Ab dem Zeitpunkt t3 wird davon ausgegangen, dass sich die Temperatur
des Gaswechselventils wieder verringert und das Ventilspiel sich
auf den ursprünglichen
Mittelwert MW wieder einpendelt.
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Die 5 zeigt
einen reduzierten Programm-Ablaufplan des Verfahrens als Teil eines
ausführbaren
Programms. Bei S1 wird die Positionsabweichung dPOS eingelesen,
welche über
den Positionssensor aus der Ist-Position zu einer Null-Position berechnet
wird. Anschließend
wird bei S2 die Referenztemperatur TREF eingelesen. An Hand der
Referenztemperatur TREF wird bei S3 eine Kennlinie (2:
Bezugszeichen 10) bestimmt. Bestimmt wird diese entweder
indem aus einem Kennlinienfeld in Abhängigkeit der Referenztemperatur
TREF eine Kennlinie als maßgeblich
gesetzt wird oder indem diese aus einer Basiskennlinie berechnet
wird. Wenn die Kennlinie über
ein Modell berechnet wird, wird der Schritt S3 durch den Schritt
S3A ersetzt. Danach werden bei S4 über eine iterative Schleife
die Einzel-Längenänderungen
dL(i) und die Gesamt-Längenänderung
LSUM aus der Summe der Einzel-Längenänderungen
dL(i) berechnet. Eine Einzel-Längenänderung
wird an Hand der oben beschriebenen Zuordnungen für einen
geometrischen Ort des Gaswechselventils über die Kennlinie berechnet.
An Hand der Positionsabweichung dPOS und der Gesamt-Längenänderung
LSUM wird dann das Ventilspiel VS bestimmt, S5. Bei S6 wird dieses
auf Zulässigkeit
geprüft.
Liegt das Ventilspiel VS im zulässigen Bereich,
Abfrageergebnis S6: ja, dann wird der Programm-Ablaufplan beim Punkt
A und dem Schritt S1 fortgesetzt. Ist das Ventilspiel VS nicht zulässig, Abfrageergebnis
S6: nein, so wird bei S7 ein Diagnoseeintrag vorgenommen, bei S8
eine Warnung an den Bediener ausgegeben und bei S9 eine Nachfolgeregelung
initiiert. In der Nachfolgeregelung wird die Leistung der Brennkraftmaschine
begrenzt. Damit ist der Programm-Ablaufplan beendet.
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Zusammenfassend
ergeben sich für
die Erfindung folgende Vorteile:
- – Überwachung
des Ventiltriebs auf Ventilsitzverschleiß in Echtzeit (Online);
- – Verringerung
des Wartungsaufwands durch bedarfsabhängige Wartungsmaßnahmen;
- – Reduktion
der Wartungskosten, da eine mechanische Kontrolle des Ventilspiels
mittels einer Fühlerlehre
entfällt;
- – Die
modellbasierte Ausführung
kann als Software-Nachrüstlösung angeboten
werden;
- – Die
Funktion kann als Eingangsgröße für andere Regelungen,
zum Beispiel eines variablen Ventiltriebs, dienen.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Gaswechselventil
- 3
- Kipphebel
- 4
- Positionssensor
- 5
- Temperatursensor
- 6
- elektronisches
Steuergerät
- 7
- magnetisch
kodierter Bereich
- 8
- Ventilschaft
- 9
- Führungshülse
- 10
- Kennlinie
- 11
- Modell
- 12
- Brennraum
- 13
- Ventilteller
- 14
- Unterseite
Ventilteller
- 15
- Gaseinlass