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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung
in einem Tank, vorzugsweise in einem Tank mit zerklüfteter
Geometrie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Programmprodukt
mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens
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Stand der Technik
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Zur
Bestimmung von Tankfüllständen werden unterschiedliche
Arten von Tankfüllstandsgebern, die unterschiedliche Prinzipien
der Messung verwenden, eingesetzt.
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Eine
sehr häufig eingesetzte Form eines Tankfüllstandsgebers
weist einen an einem Halter verschwenkbar gelagerten Schwimmerhebel
auf, der mit einer Sensoreinheit zum Erfassen der Verschwenkstellung
des Schwimmerhebels verbunden ist. Diese Erfassung kann beispielsweise
mit Hilfe eines Potentiometers aber auch berührungslos
erfolgen. Ein derartiger Füllstandsgeber stellt ein füllstandsabhängiges
Spannungssignal zur Verfügung.
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Nun
existieren auch Fahrzeugstanks mit teilweise komplizierter und zerklüfteter
Geometrie.
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Derartige
Tanks sind beispielsweise sogenannte Satteltanks für Kraftfahrzeuge,
die aus mehreren Teilvolumina bestehen, die miteinander verbunden
sind. Ein solcher Satteltank geht beispielsweise aus der
DE 196 27 578 A1 hervor.
Dieser Tank weist eine sogenannte Transfer-Saugstrahlpumpe auf, welche
ein Umpumpen der Flüssigkeit zwischen den Teilvolumina
ermöglichen.
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Derartige
Satteltanks oder andere Tanks mit zerklüfteter Geometrie
weisen mehrere Füllstandsgeber auf, die in den jeweiligen
Teilvolumina angeordnet sind. Diese Tankfüllstandgeber
sind beispielsweise potentiometerbasierte Füllstandsgeber,
welche die Stellung eines an einem Hebelarm gelagerten Schwimmers
erfassen. Diese Füllstandsgeber können zwar bereits
zum Erfassen des Füllstands auch von Kraftstoffen, die
Ethanolbeimischungen aufweisen, eingesetzt werden, die gewünschte
Genauigkeit und Zuverlässigkeit ist jedoch noch nicht in allen
Fällen gegeben.
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Um
nun eine genaue Gemischvorsteuerung auch bei FlexFuel-Systemen,
also bei Motoren, welche Kraftstoffe mit unterschiedlichen Ethanolanteilen verwenden,
zu ermöglichen, wird mit beispielsweise im Steuergerät
implizierten Verfahren der Ethanolgehalt im Kraftstoff berechnet.
Diese Verfahren stützen sich unter anderem auf das Tankfüllstandssignal,
das mit hoher Genauigkeit bestimmt werden muss. Gerade bei Tanks
mit zerklüfteter Geometrie, insbesondere bei Satteltanks,
ist eine genaue Bestimmung des Füllstandssignals.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung
in einem Tank, insbesondere in einem Fahrzeugtank mit zerklüfteter
Geometrie zu vermitteln, welches unter Verwendung an sich bekannter
Füllstandssensoren eine verbesserte und präzise
Füllstandsbestimmung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die getrennte Auswertung
der Füllstandsgeber-Signale und das in Beziehung setzen
dieser Signale zueinander wird die Genauigkeit der Füllstandsbestimmung
wesentlich erhöht.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des Verfahrens gemäß dem unabhängigem
Anspruch möglich. So sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung
vor, die zeitlichen Verläufe der den Füllstand
am jeweiligen Einbauort der Tankfüllstandsgeber charakterisierenden
Signale der Füllstandgeber simultan zu erfassen und aus
diesen auf den Füllstand in dem Tank zu schließen.
Durch die simultane Erfassung der zeitlichen Verläufe der
Tankfüllstandsgeber-Signale und einen Vergleich dieser Signale
können mit hoher Genauigkeit Aussagen über die
Füllstände in den einzelnen Tankvolumina und damit
auch über den Gesamtfüllstand getroffen werden.
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Eine
andere oder zusätzliche Maßnahme sieht vor, den
zeitlichen Verlauf des Summensignals der Signale der Füllstandsgeber
zu bestimmen und aus dem Verhältnis des Summensignals zu
den Signalen der einzelnen Füllstandsgeber auf den Füllstand
in dem Tank bzw. auf die Füllstände in den einzelnen
Tankvolumina zu schließen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, aus dem Gradienten
der zeitlichen Verläufe der Signale der Füllstandsgeber
auf die Füllstände einzelner Tankvolumina, in
denen die Füllstandsgeber angeordnet sind, und/oder auf
den Gesamtfüllstand im Tank zu schließen. Die
Gradienten der zeitlichen Verläufe ermöglichen
insbesondere auch eine Aussage über das Befüllen
oder Entleeren des Tanks und insoweit auch eine Aussage über
den momentanen Füllstand des Tanks.
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Alternativ
oder zusätzlich kann vorgesehen sein, aus der Summe der
Gradienten der zeitlichen Verläufe der Signale der Füllstandsgeber
auf den Gesamtfüllstand im Tank zu schließen.
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Der
Vergleich der Gradienten der zeitlichen Verläufe der Signale
der Füllstandsgeber untereinander und/oder mit vorgebbaren,
die Tankgeometrie berücksichtigenden Werten lässt
Schlüsse auf die Füllstände in den einzelnen
Tankvolumina, in denen die Füllstandsgeber angeordnet sind,
und/oder auf den Gesamtfüllstand des Tanks zu.
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Besonders
vorteilhaft ist aufgrund eines solchen Vergleichs der Gradienten
der zeitlichen Verläufe der Füllstandsgeber mit
den vorgebbaren, die Tankgeometrie berücksichtigten Werten
auch eine Kalibrierung der die Füllstände charakterisierten
Signale der Tankfüllstandsgeber möglich.
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Eine
solche Kalibrierung ist auch möglich durch einen Vergleich
der zeitlichen Verläufe der Gradienten der Signale der
Füllstandsgeber mit dem zeitlichen Verlauf des Gradienten
der Summe der Signale der Füllstandsgeber.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
einen Tank in Form eines Satteltanks, bei dem das erfindungsgemäße
Verfahren zum Einsatz kommt;
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2 den
Tankfüllstand über der Zeit während eines
Befüllungsvorgangs und
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3 den
Tankfüllstand über der Zeit während eines
Entleerungsvorgangs des Tanks.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Das
nachfolgend beschriebene Verfahren wird anhand eines in 1 schematisch
dargestellten sogenannten Satteltanks beschrieben, der drei Teilvolumina
V1, V2 und V3 umfasst. Es versteht sich, dass die Erfindung
nicht auf einen solchen Satteltank beschränkt ist, sondern
rein prinzipiell bei einem beliebigen Tank anwendbar ist, insbesondere
bei einem Tank mit zerklüfteter Geometrie und bestehend
aus mehreren Teilvolumina. Das nachfolgend beschriebene Verfahren
ist in diesem Falle an die entsprechende Geometrie des Tanks anzupassen.
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In
dem Teilvolumen V1 ist eine an sich bekannte
Tankeinbaueinheit TEE angeordnet. Diese Tankeinbaueinheit ist nicht
im Detail dargestellt. Sie weist im Wesentlichen eine Elektrokraftstoffpumpe auf,
die den Kraftstoff aus dem Tank herauspumpt. In dem ersten Teilvolumen
V1 ist ferner ein erster Füllstandsgeber
TSG1 verbaut, der auch Teil der Tankeinbaueinheit
sein kann. Ein solcher Füllstandsgeber weist beispielsweise
einen Schwimmer auf, der an einem Hebelarm angeordnet ist und auf
der Oberfläche des Kraftstoffs schwimmt. Abhängig
von dem Füllstand bewegt sich der Hebel. Die Hebelauslenkung
wird entweder durch ein Potentiometer oder auf andere Weise, auch
berührungslos, erfasst. Das Ausgangssignal des Tankfüllstandsgebers
TSG1 wird einer (nicht dargestellten) Steuer-
und Recheneinheit, beispielsweise der Motorsteuereinheit zugeführt.
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In
dem zweiten Teilvolumen V2 ist ein weiterer
Füllstandsgeber TSG2 angeordnet,
der den Füllstand des Kraftstoffs in diesem Teilvolumen
V2 erfasst, darüber hinaus ist
in diesem Volumen V2 auch eine Pumpe P,
insbesondere eine Transfer-Saugstrahlpumpe angeordnet, die den Kraftstoff vom
Teilvolumen V2 in das Teilvolumen V1 pumpt. Ein an dem Tank T angeordneter Einfüllstutzen
ES mündet in das Teilvolumen V2.
Aus diesem Grunde ist die Transfer-Saugstrahlpumpe P in diesem Teilvolumen angeordnet. Über
den beiden getrennten Teilvolumina V1 und
V2 ist ein diese beiden verbindendes Teilvolumen
V3 angeordnet. Bei einem Befüllen
des Tanks über den Einfüllstutzen ES wird zunächst
das Teilvolumen V2 gefüllt, bis
der Kraftstoff in Teilvolumen V1 überläuft.
Nachdem auch dieses vollständig gefüllt ist steigt
der Kraftstofffüllstand in Teilvolumen V3.
Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die beiden Füllstandsgeber
TSG1 und TSG2 in
den beiden Teilvolumina V1 und V2 so angeordnet sind, dass sie den Füllstand
auch im Teilvolumen V3 erfassen können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der
Füllstande wird nun nachfolgend in Verbindung mit 2,
welche einen Befüllungsvorgang schematisch darstellt, und 3,
welche einen Entleerungsvorgang in dem Tank schematisch darstellt,
erläutert.
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Der
Verlauf der Tankfüllstandsgeber-Signale für einen
Befüllungsvorgang, dargestellt in 2, gestaltet
sich wie folgt:
Bei einem vollständig entleerten Tank
wird zunächst das Teilvolumen V2 befüllt.
In diesem Fall nimmt das Signal des Füllstandsgebers TSG2 zu, in 2 durch eine
Ursprungsgerade mit nicht verschwindender Steigung, in 2 bezeichnet
als TSG2, dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt ändert
sich das Füllstandssignal des Tankfüllstandsgebers
TSG1 nicht, in 2 durch eine
mit der Abszisse zusammenfallenden Gerade, in 1 bezeichnet
als TSG1, dargestellt. Nachdem das Volumen
V2 gefüllt ist, ändert
sich zunächst das Signal des Füllstandsgebers
TSG2 nicht. Da sich jedoch das Teilvolumen
V1 füllt, ändert sich das Signal des Füllstandsgebers
TSG1, welches nun über der Zeit
zu steigen beginnt. In 2 ist diese Steigung genau so
groß wie die Steigung des Signals des Füllstandsgebers
TSG2 während des Befüllungsvorgangs
des Volumens V2. Dies muss allerdings nicht zwangsläufig
so sein. Im dargestellten Beispiel ist dies deshalb der Fall, weil
die horizontalen Querschnitte der Teilvolumina, die die Steigung
bestimmen, gleich sind. Der Zeitpunkt, ab dem sich das Signal des
Füllstandsgebers TSG2 nicht mehr ändert, und
das Signal des Füllstandsgebers TSG1 zu
steigen beginnt, wird beim Erstbefüllen eines vollständig entleerten
Tanks als Eichpunkt 1 EP1 verwendet. In diesem
Fall kann aufgrund der Füllstands-Signale des Tankfüllstandsgebers
TSG1 und des Tankfüllstandsgebers
TSG2 auf das Volumen V2 geschlossen werden,
wobei die Tankgeometrie hier berücksichtigt wird.
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Wenn
nun auch das Teilvolumen V1 vollständig
befüllt ist, beginnt sich das Volumen V3 zu
füllen. In diesem Falle steigt sowohl das Signal des Füllstandsgebers
TSG1 als auch das Signal des Füllstandsgebers
TSG2, jedoch mit geringerer Steigung. Dieser
Zustand ist in 2 durch die Gerade G bezeichnet.
Das Eintreten dieser Steigungsänderung definiert einen
weiteren Eichpunkt 2 EP2, der eine Bestimmung
des Volumens V1 + V2 ermöglicht.
Wobei wiederum die Geometrie des Tanks also dessen Abmessungen,
die bekannt sind, berücksichtigt werden.
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Die
Steigungen der Signale der beiden Füllstandsgeber TSG1 und TSG2 sind während
des Befüllens des Teilvolumens V3 proportional
zueinander. Aufgrund dieser Proportionalität kann eine
Plausibilisierung/Diagnose der Füllstandsgeber vorgenommen
werden.
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Im
Falle einer Erstbefüllung sowie im Falle eines vollständig
entleerten Tanks kann auch die Differenz der Signale an den Eichpunkten
EP1 und EP2 zur
Kalibrierung des Tankfüllstandsgebers TSG1 verwendet
werden. Die Differenz des Signals zu Beginn des Befüllungsvorgangs
und des Signals am Eichpunkt EP1 kann zur
Kalibrierung des Füllstandsgebers TSG2 herangezogen
werden.
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Dieses
Summensignal Σ stellt die Summe der einzelnen Signale dar.
Wie der 2 zu entnehmen ist, steigt das
Summensignal Σ kontinuierlich über die Zeit an.
Das Summensignal Σ liefert eine Aussage über den
Füllstand in dem Tank.
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In 3 ist
die Entleerung des Tanks T beispielsweise aufgrund des Kraftstoffverbrauchs
einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt.
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In 3 wird
vereinfachend von einer linearen Abnahme ausgegangen. Die Erfindung
ist hierauf jedoch nicht beschränkt, es kann auch eine
nicht-lineare Abnahme vorliegen. In diesem Fall gelten die nachfolgend
aufgeführten Überlegungen sinngemäß. Rein
prinzipiell kann die Abnahme des Kraftstoffs auch aus der Verbrauchsmenge
des Verbrennungsmotors, die der Motorsteuerung bekannt ist, bestimmt
werden.
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Zunächst
entleert sich das über den Volumina V1 und
V2 liegende Teilvolumen V3.
Die Signale der Füllstandsgeber TSG1 und
TSG2 nehmen in diesem Falle beide über
der Zeit ab. Auch hier sind wie im Falle eines Befüllungsvorganges
die Änderungsgeschwindigkeiten, das heißt die
Gradienten der zeitlichen Verläufe der Füllstandsgeber
TSG1 und TSG2 proportional
zueinander und können so zur Plausibilisierung/Diagnose
auf die beschriebene Weise herangezogen werden.
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Nachdem
das Teilvolumen V3 vollständig entleert
ist, leert sich das Teilvolumen V2. Die
maximale Entleergeschwindigkeit ist ein Kriterium für die Auslegung
der Saugstrahlpumpe, die eine solche Fördermenge bereitstellen
muss, dass der maximale Motorverbrauch abgedeckt ist. Das Signal
des Füllstandsgebers TSG1 bleibt
beim Entleeren des Volumens V2 konstant,
das heißt der zeitliche Gradient ist null, die Kurve verläuft
parallel zur Zeit-Achse. Das Signal des Füllstandsgebers
TSG2 fällt stärker, das heißt
der nega tive Gradient des zeitlichen Verlaufs des Füllstandssignals
des Tankfüllstandsgebers TSG2 wird
größer. Der Beginn dieses Zustands definiert den
Eichpunkt EP2, der für eine Bestimmung
der Füllmenge V1 + V2 herangezogen
werden kann. Darüber hinaus kann dieser Punkt auch für
eine Bilanzierung unter Berücksichtigung der Motorverbrauchsmenge
in der Motorsteuerung verwendet werden.
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Sodann
leert sich das Teilvolumen V1. In diesem
Falle bleibt das Signal des Füllstandsgebers TSG2 konstant bei einem Minimalwert, in 3 fällt das
Signal des Füllstandsgebers TSG2 mit
der Zeitachse zusammen. Das Signal des Füllstandsgebers TSG1 fällt, das heißt der
Gradient des zeitlichen Verlaufs des Signals des Füllstandsgebers
TSG1 ist negativ. Er entspricht wiederum
dem Wert des Gradienten des Füllstandsgebers TSG2 unter der Annahme, dass die beiden Volumina
V1 und V2 identisch
sind.
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Der
Beginn der Änderung der Steigung des Signals des Füllstandsgebers
TSG2 bzw. des Signals des Füllstandsgebers
TSG1 kann als Eichpunkt 3 EP3 verwendet
werden. Unter Verwendung der Differenz der Signale bei Eichpunkt
2 EP2 und Eichpunkt 3 EP3 ist
eine Kalibrierung des Füllstandsgebers TSG2 möglich.
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Eine
Kalibrierungsmöglichkeit für das Signal des Füllstandsgebers
TSG1 ist durch das Signal bei Eichpunkt
3 EP3 und dem unteren Totpunkt des Füllstandsgebers
gegeben. Bei einer vollständigen Entleerung des Teilvolumens
V1 sitzt der Füllstandsgeber nämlich
an seinem unteren Totpunkt auf, das Signal ändert sich
nicht mehr und das zugehörige Restvolumen in V1 ist
in diesem Falle bekannt. Das Signal des Füllstandsgebers
TSG1 lässt sich auch aus der Bestimmung
der Differenz zwischen dem Maximalsignal und dem Signal bei Eichpunkt
2 EP2 kalibrieren. Ein weiterer Kalibrierungspunkt
könnte auch dort festgelegt werden, wo sich die Signale
der beiden Füllstandsgeber TSG1 und
TSG2 nicht mehr ändern. In diesem
Falle haben beide Füllstandsgeber ihren oberen Totpunkt
erreicht und diese Stellung entspricht dem Volumen V1 +
V2 + V3.
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Sofern
sich die oberen Totpunkte der Füllstandsgeber TSG1 und TSG2 unterscheiden,
ist rein prinzipiell eine Kalibrierung des Füllstandsgebers
mit dem höheren oberen Totpunkt über entsprechende Differenzsignale
denkbar.
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Das
vorbeschriebene Verfahren basiert auf der getrennten zeitlichen
Auswertung der Füllstandsgeber-Signale. Es wird also nicht
nur – wie beim Stand der Technik – das Summensignal
ausgewertet, welches über den Gesamtfüllstand
des Tanks Auskunft gibt, sondern auch die Einzelsignale werden ausgewertet
und bewertet. Hierdurch ist eine Definition von Eichpunkten im Tank
möglich. Aufgrund dieser Eichpunkte ist eine Bestimmung
absoluter Tankfüllmengen möglich. Der Vorteil
des vorstehend beschriebenen Verfahrens liegt in dem Abgleich bzw. der
Korrektur der erfassten Füllstandswerte. Hierdurch ist
eine Steigerung der Genauigkeit des Füllstandswerts und
damit eine Steigerung der Genauigkeit der Kraftstoffqualitätserkennung,
deren Erkennungsverfahren unter anderem auf der Bestimmung des Füllstands
basieren, möglich. Durch die vorstehend beschriebenen Eichpunkte
sind darüber hinaus bei bekanntem Volumen auch Voraussagen über
das noch vorhandene Kraftstoffvolumen und damit Aussagen über
die Reichweite des Fahrzeugs und dergleichen möglich.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm
auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer
Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode
kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein,
den das Steuergerät lesen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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