DE102008015600A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wobei Abgas über einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, in eine Abgasanlage geleitet, für eine Niederdruckabgasrückführung (Niederdruck-AGR) stromab des Dieselpartikelfilters Abgas aus der Abgasanlage abgezweigt und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers einer Frischluftanlage über ein Niederdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, wobei ferner für eine Hochdruckabgasrückführung (Hochdruck-AGR) Abgas stromauf einer Turbine des Abgasturboladers aus der Abgasanlage abgezweigt und stromab des Verdichters der Frischluftanlage über ein Hochdruck-AGR-Ventil zugeführt wird. Hierbei wird während einer Regeneration des Partikelfilters das Hochdruck-AGR-Ventil vollständig geschlossen und das Niederdruck-AGR-Ventil wenigstens teilweise geöffnet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wobei Abgas über einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, in einer Abgasanlage geleitet, für eine Niederdruckabgasrückführung (Niederdruck-AGR) stromab des Dieselpartikelfilters Abgas aus der Abgasanlage abgezweigt und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers einer Frischluftanlage über ein Niederdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, wobei ferner für eine Hochdruckabgasrückführung (Hochdruck-AGR) Abgas stromauf einer Turbine des Abgasturboladers aus der Abgasanlage abgezweigt und stromab des Verdichters der Frischluftanlage über ein Hochdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Aus der
DE 600 24 020 T2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter im Abgastrakt bekannt, wobei ein rückzuführendes Abgas stromab dieses Partikelfilters dem Abgastrakt entnommen und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers einem Frischlufttrakt zugeführt wird. Hierdurch wird eine Verschmutzung des Verdichters und eines dem Verdichter nachgeschalteten Ladeluftkühlers vermieden. - Während einer Regeneration eines Partikelfilters im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist eine herkömmliche Hochdruck-AGR aus folgenden Gründen nicht möglich. Aufgrund des hohen HC-Anteils des vor einem Oxidationskatalysator (DOC) entnommen, zurückgeführten Abgases führt dieses zu verfrühten Zündungen. Eine Rückführung von Abgas über die Hochdruckstrecke führt weiterhin zu einer Verringerung des Volumenstroms durch den Partikelfilter und damit zu einer schlechteren Erwärmung verbunden mit einem schlechteren Rußabbrand. Das über die HD-AGR-Strecke zurückgeführte Abgas hat während der DPF-Regeneration zu hohe Temperaturen, so dass ein Bauteilschutz der Ansaugstrecke nicht ausreichend gewährleistet ist.
- Für die Zulassung eines Fahrzeugs mit Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter (DPF), ist eine kombinierte Prüfung aus herkömmlicher Emissionsmessung und den so genannten KI-Faktoren notwendig. Dabei ist der Zusammenhang wie folgt: Je kürzer das Intervall zwischen zwei Regenerationen oder je höher die (NOx-)Emissionen im Test mit aktiver Regeneration, desto schlechter ist das (NOx-)Gesamtergebnis der kombinierten Prüfung. Daraus folgt, dass eine Reduzierung der NOx-Emissionen für das Gesamtergebnis durch eine verringerte Emission während einer DPF-Regeneration erreicht werden kann. Eine Maßnahme zur Senkung die NOx-Emissionen besteht darin, Abgas zur Verbrennung zurück zu führen. Die bisher technisch vorhandene (herkömmliche) Hochdruck-AGR kann während der DPF-Regeneration aus den zuvor genannten Gründen nicht eingesetzt werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich der Emission während der Regeneration des Partikelfilters zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
- Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass während einer Regeneration des Partikelfilters das Hochdruck-AGR-Ventil vollständig geschlossen und das Niederdruck-AGR-Ventil wenigstens teilweise geöffnet wird.
- Dies hat den Vorteil, dass während der Partikelfilterregeneration eine reduzierte Schadstoffemission und ein verbessertes Abbrandverhalten durch eine Erhöhung des Volumenstromes durch den Partikelfilter erzielt wird. Es wird während der Regeneration insbesondere eine geringere Stickoxidemission und damit verbunden ein verringerter Beitrag des Fahrzyklus mit Regeneration bei der Ermittlung der zulassungsrelevanten KI-Faktoren erzielt.
- Zur Regeneration des Partikelfilters wird beispielsweise ein Lambdawert kleiner 1 eingestellt und/oder werden zur Regeneration des Partikelfilters zusätzliche Einspritzungen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine durchgeführt.
- Zur weiteren Erhöhung des Volumenstromes der Niederdruck-AGR über den Partikelfilter während der Regeneration wird in der Abgasanlage stromab der Entnahme der Niederdruck-AGR eine wenigstens teilweise Abgasklappe geschlossen.
- Zur weiteren Abgasreinigung von unerwünschten Schadstoffen, wird das Abgas zusätzlich über einen NOx-Speicherkatalysator (NSC) in der Abgasanlage geleitet, wobei zweckmäßigerweise das Abgas für die Niederdruck-AGR stromauf oder stromab des NOx-Speicherkatalysator {NSC) von der Abgasanlage abgezweigt wird. Mit der Regeneration des Partikelfilters wird bevorzugt gleichzeitig der NOx-Speicherkatalysator regeneriert.
- Zweckmäßigerweise wird bzw. bleibt das Niederdruck-AGR-Ventil auch im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine geöffnet.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- Die in der einzigen Fig. dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Form einer Dieselbrennkraftmaschine umfasst einen Motorblock
10 mit Arbeitszylindern12 , wobei jedem Arbeitszylinder12 je ein Zylinderdrucksensor14 und ein Common-Rail-Injektor16 zugeordnet ist. Eine Frischluftanlage18 führt den Arbeitszylinder12 Frischluft als Verbrennungsluft zu und eine Abgasanlage20 führt Abgas aus den Arbeitszylindern12 ab. - In der Frischluftanlage
18 ist in Strömungsrichtung der Frischluft22 gesehen folgendes angeordnet, ein Luftfilter24 , ein Luftmassenmesser HFM26 , ein Verdichter28 eine Abgasturboladers (ATL)30 , ein Ladeluftkühler (LLK)32 , ein Duosensor34 , welcher sowohl eine Temperatur T2 als auch eine Druck p2 misst, eine Regelklappe36 und ein Schaltsaugrohr38 . - In der Abgasanlage
20 ist ausgehend vom Motorblock10 in Strömungsrichtung des Abgases40 folgendes angeordnet, ein erster Temperatursensor42 , welcher eine Temperatur T3 misst, eine Turbine44 des ATL30 , ein an der Turbine44 angeordneter Wegsensor46 , eine erste Lambdasonde48 , ein zweiter Temperatursensor50 , welcher eine Temperatur T4 misst, ein Oxidationskatalysator (DOC)52 , ein dritter Temperatursensor54 , welcher eine Temperatur T* misst, ein Dieselpartikelfilter (DPF)56 , ein erster Differenzdrucksensor58 , welcher einen Druckabfall über den Dieselpartikelfilter (DPF)56 bestimmt, einen vierter Temperatursensor60 , welcher eine Temperatur T4 bestimmt, eine Abgasklappe62 , einen NOx-Speicherkatalysator64 , eine zweite Lambdasonde66 und eine H2S-Sperrkatalysator68 . - Stromab des DPF
56 , d. h. auf einer Niederdruckseite der Abgasanlage20 , zweigt von der Abgasanlage20 eine Niederdruck-Abgasrückführungs-Leitung (ND-AGR-Leitung)70 ab, die stromauf des Verdichters28 und stromab des Luftfilters24 bzw. des HFM26 wieder in die Frischluftanlage18 mündet. In der ND-AGR-Leitung70 ist ausgehend von der Abzweigung von der Abgasanlage20 in Strömungsrichtung eines ND-AGR-Massenstromes72 gesehen folgendes angeordnet, ein AGR-Kühler74 , ein ND-AGR-Ventil76 , ein zweiter Differenzdrucksensor78 , welcher eine Druckabfall über den AGR-Kühler74 und das ND-AGR-Ventil76 bestimmt, und fünfter Temperatursensor80 , welcher eine Temperatur TND-AGR des ND-AGR-Massenstromes72 bestimmt. - Stromauf der Turbine
44 des ATL30 , d. h. auf einer Hochdruckseite der Abgasanlage20 , zweigt von der Abgasanlage20 eine Hochdruck-Abgasrückführungs-Leitung (HD-AGR-Leitung)83 ab, die stromab der Regelklappe36 und stromauf des Schaltsaugrohres in die Frischluftanlage18 mündet. Mittels dieser HD-AGR-Leitung83 wird ein HD-AGR-Massenstrom84 über ein HD-AGR-Ventil86 in die Frischluftanlage18 geleitet. In der dargestellten Ausführungsform ist in der HD-AGR-Leitung83 kein AGR-Kühler eingezeichnet. Optional kann jedoch eine Kühlung des HD-AGR-Massenstromes84 entweder über die Rohrlänge der HD-AGR-Leitung83 oder über einen zusätzlichen, in der HD-AGR-Leitung83 angeordneten AGR-Kühler erfolgen. - Die dargestellte Brennkraftmaschine weist somit eine Abgasrückführung (AGR) auf, bei der Abgas stromauf der Turbine
44 sowie stromab des DPF56 aus der Abgasanlage20 entnommen und nach Abkühlung stromauf des Verdichters28 sowie stromab des LLK32 der Frischluftanlage18 zugeführt wird. Die Regelung des AGR-Menge, d. h. des rückgeführten Abgasmassenstromes erfolgt mittels der Abgasklappe62 und den AGR-Ventilen76 und86 . Die Brennkraftmaschine kann dabei wahlweise ohne AGR, mit HD-AGR oder ND-AGR oder gleichzeitig mit HD-AGR und ND-AGR betrieben werden. Dies erzielt insgesamt einen sauberen AGR-Massenstrom72 und84 , eine bessere Abkühlung des AGR-Massenstromes72 bzw.84 , keine Versottung des AGR-Kühlers, eine gute Durchmischung von AGR-Massenstrom72 bzw.84 mit Frischluft88 in der Frischluftanlage. Es sind hohe AGR-Raten möglich und es ist ein teilhomogener Betrieb der Brennkraftmaschine möglich. - Mit Hilfe der Abgasklappe
62 und des ND-AGR-Ventils76 vor dem Verdichter28 wird der rückgeführte ND-AGR-Massenstrom72 zwischen Luftmassenmesser26 und Verdichter28 der Frischluft88 zugeführt. Hierbei wird zunächst nur über das ND-EGR-Ventil76 gearbeitet, solange ein ausreichendes Druckgefälle zur Förderung des ND-AGR-Massenstromes72 vorhanden ist. Ist dies nicht mehr der Fall, wird zusätzlich die Abgasklappe62 etwas angestellt, um das Druckgefälle über das ND-EGR-Ventil76 zu erhöhen. Dabei ist eine sehr gute Durchmischung des ND-AGR-Massenstromes72 mit der Frischluft88 gewährleistet. Ein weiterer Vorteil besteht u. a. darin, dass das rückgeführte Abgas72 sauber und nahezu pulsationsfrei ist. Zusätzlich steht eine erhöhte Verdichterleistung zur Verfügung, da beim ND-AGR-Betrieb das gesamte Abgas40 und nicht wie bisher nur ein Teilstrom der nicht rückgeführt wird, durch die Turbine geleitet wird. Da das rückgeführte Abgas72 nach dem Verdichter28 durch den leistungsfähigen Ladeluftkühler32 (LLK) geleitet wird, ist die Abgas-/Luftmischung auch relativ kalt. Der Motor kann je nach Bedarf sowohl mit der HD-AGR-Strecke82 als auch mit der ND-AGR-Strecke70 betrieben werden. Für den Betrieb des Motors benötigt man einige Sensoren und Aktuatoren, deren Funktionen im nachfolgenden erläutert werden. - Das AGR-System der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst u. a. folgende Komponenten:
- 1. Abgasklappe
62 (elektrisch, Lageregelung im Motorsteuergerät) - Im ND-AGR-Pfad
70 : - 2. AGR-Ventil
76 (elektrisch mit Lagerückmeldung, Lageregelung durch das Motorsteuergerät) - 3. AGR-Kühler
74 - 4. Differenzdrucksensorik
78 , alternativ Absolutdruck vor EGR-Kühler74 (in Strömungsrichtung) - 5. AGR-Temperatursensor
80 TND_AGR, optional zur Realisierung der OBD-Anforderungen (On Board Diagnose) in NAR (Nord Amerika) - Der AGR-Kühler stellt sicher, dass am Verdichter
28 im AGR-Betrieb keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten. Der Differenzdrucksensor78 dient zum Erfassen des Abgasvolumenstromes durch die ND-AGR-Strecke70 . Dieser Volumenstrom. wird für eine Volumenstromberechnung über den DPF56 und damit zur Beladungserfassung verwendet. Weiterhin dient dieser Volumenstrom als Ist-Größe der Abgasrate für die Abgasratenreglung. Der Temperatursensor80 hat zwei Aufgaben: Er dient zu Diagnosezwecken (Wirkungsgradüberwachung des Kühlers), sowie zur Abschaltung der AGR bei drohender Übertemperatur des Verdichters28 . Der AGR-Kühler74 kann kleiner dimensioniert werden als ohne diesen Temperatursensor80 . - Die Abgasklappe
62 und das ND-EGR-Ventil76 sind die Stellglieder der AGR-Regelung. Sowohl das ND-EGR-Ventil wie die Abgasklappe können kontinuierlich verstellt werden. Dabei wird grundsätzlich zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsmodi unterschieden: - 1. Normalbetrieb (Fahrbetrieb mit Abgasrückführung):
- Die Frischluftmasse
88 wird in üblicher Weise geregelt. Dabei wird der Istwert der Frischluftmasse88 über den HFM26 gemessen und mit einem Sollwert in einem Steuergerät (nicht dargestellt) verglichen. Die Regelklappe36 ist vollständig geöffnet. Dabei wird das HD-EGR-Ventil86 gesteuert. Die Stellgröße des Reglers geht bei kleinen Stellgrößen auf das ND-EGR-Ventil76 und die Abgasklappe62 bleibt wirkungsgradoptimal geöffnet. Erst wenn das ND-EGR-Ventil76 weit geöffnet ist und der Differenzdruck über dieses Ventil76 zu gering ist, wird die Abgasklappe62 als Stellgröße des Reglers verwendet, wobei die Abgasklappe62 dann so angestellt wird, dass der Differenzdruck über das ND-EGR-Ventil76 wieder ansteigt. In den meisten Betriebpunkten ist letzteres der Fall. Der Übergang ist kontinuierlich. - 2. Abgasnachbehandlung (Fahrbetrieb mit Regenerationsmaßnahmen):
- Als Abgasnachbehandlungsmaßnahmen müssen der DPF
56 sowie der NOx-Speicherkatalysator64 (NSC) regeneriert werden. Die Frischluftmasse88 wird mit Hilfe der Regelklappe36 geregelt. Davon unabhängig wird die mittels des zweiten Differenzdrucksensors78 erfasste Abgasrückführrate geregelt (zweiter Regelkreis). Auch dabei wird, wie zuvor, zuerst das ND-EGR-Ventil76 geöffnet und dann bei Bedarf die Abgasklappe62 weiter geschlossen. Die NSC-Regeneration erfolgt in bekannter Weise durch Anfettung (λ < 1) wobei eine Kombination aus Drosselung über die Abgasklappe62 und erhöhter ND-AGR-Rate zur Anwendung kommt. - Die Regeneration des DPF
56 erfolgt nicht durch Anfetten sondern durch erhöhte Abgastemperaturen beispielsweise über zusätzliche Einspritzungen. - In beiden Fällen ist ein Wirkungsgradoptimaler Arbeitspunkt sichergestellt, da immer zuerst das ND-AGR-Ventil
76 geöffnet und erst dann die Abgasklappe62 geschlossen wird. So werden die Drosselverluste minimiert. - Da im Warmlauf die Kühlwirkung des Ladluftkühlers
32 zu groß ist, sodass die HC-Emissionen zu stark ansteigen würden, ist die HD-AGR-Strecke82 vorgesehen. Dies verbessert auch die Dynamik, vor allem aus dem Fahrzeug-Stillstand. Das Abgasvolumen, das sich innerhalb der gesamten AGR-Strecke (inklusive Ladeluftkühler) befindet, muss beim Anfahren (bzw. bei hoher Momentenanforderung) erst durch Frischluft ersetzt werden. Eine Kühlung des HD-AGR-Massenstromes84 ist nicht unbedingt notwendig, gleichwohl kann in der HD-AGR-Strecke70 ein AGR-Kühler optional vorgesehen sein. - Im Zusammenhang mit dem NOx-Speicherkatalysator
64 ist die ND-AGR von besonderem Vorteil. Die Möglichkeit, den Katalysator64 zu regenerieren (sowohl DeNox, als auch DeSox) ist durch die maximal zulässigen Bauteiltemperaturen begrenzt. Die Begrenzung ist vor allem durch die Turbinentemperatur des Abgasturboladers30 bestimmt. Diese Temperaturen können während der Regeneration mit Hilfe der ND-AGR-Strecke70 effektiv gesenkt werden, so dass sich der mögliche Arbeitsbereich des Katalysators zu erheblich höheren Lasten gegenüber reinen HD-AGR-Systemen erweitert. - Abgas, welches über die Niederdruckstrecke Turbine
44 , Dieselpartikelfilter (DPF)56 , ND-EGR-Ventil76 , Verdichter28 , Ladeluftkühler (LLK)32 , Regelklappe36 und Saugrohr38 zurückgeführt wird, ist durch die katalytische Wirkung des Oxidationskatalysators52 weitgehend frei von Kohlenwasserstoffen (HC) und kann ohne die Gefahr von Frühzündungen mit großen ND-AGR-Raten zurückgeführt werden. - Um diese Abgasrückführung gezielt zurückzuführen, ist optional als unterstützendes System eine Ratenregelung vorgesehen. Weiterhin wird trotz der Rückführung von Abgas über die Niederdruckstrecke der gesamte Abgasvolumenstrom zunächst über den Dieselpartikelfilter (DPF)
56 geführt. Zusätzlich ist der Volumenstrom noch deutlich erhöht gegenüber einer konventionellen Regeneration ohne ND-AGR. Grund dafür ist das mit Hilfe des Turboladers30 ”im Kreis” bewegte Abgas. - Das Abgas aus der Niederdruck-AGR ist durch die katalytische Wirkung des Oxidationskatalysators
52 weitgehend frei von Kohlenwasserstoffen (HC) und kann ohne die Gefahr von Frühzündungen mit großen ND-AGR-Raten zurückgeführt werden. Es bietet sich weiterhin die Möglichkeit mit Hilfe der Abgasklappe62 O2 zurück zu halten (auch im Schub) und so ein integriertes Sauerstoffmanagement zu realisieren. Es wird insgesamt eine Erhöhung des Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter56 erzielt bzw. der gesamte Abgasvolumenstrom wird zunächst über den Dieselpartikelfilter56 geführt. Mit Hilfe des Turboladers wird das Abgas aus der ND-AGR ”im Kreis” bewegt. Das führt zu einer besseren, gleichmäßigeren Erwärmung verbunden mit einem besseren Rußabbrand im Partikelfilter56 . - Um bei einer DPF-Regeneration das Abgas über die Niederdruckstrecke gezielt (dosiert) zurück zu führen, ist bevorzugt eine Steuerung des Massenstroms über die ND-AGR-Strecke bzw. eine Niederdruck-AGR-Ratenregelung vorgesehen. Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des Abgasmassenstroms über die ND-AGR-Strecke liegt darin, mit die Regelklappe
36 die Brennkraftmaschine anzudrosseln und die ND-AGR-Rate über die herkömmliche Luftmassenregelung zu dosieren. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 60024020 T2 [0002]
Claims (8)
- Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wobei Abgas über einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, in einer Abgasanlage geleitet, für eine Niederdruckabgasrückführung (Niederdruck-AGR) stromab des Dieselpartikelfilters Abgas aus der Abgasanlage abgezweigt und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers einer Frischluftanlage über ein Niederdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, wobei ferner für eine Hochdruckabgasrückführung (Hochdruck-AGR) Abgas stromauf einer Turbine des Abgasturboladers aus der Abgasanlage abgezweigt und stromab des Verdichters der Frischluftanlage über ein Hochdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Regeneration des Partikelfilters das Hochdruck-AGR-Ventil vollständig geschlossen und das Niederdruck-AGR-Ventil wenigstens teilweise geöffnet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Partikelfilters ein Lambdawert kleiner 1 eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Partikelfilters zusätzliche Einspritzungen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.
- Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage stromab der Entnahme der Niederdruck-AGR eine Abgasklappe wenigstens teilweise geschlossen wird.
- Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas zusätzlich über einen NOx-Speicherkatalysator (NSC) in der Abgasanlage geleitet wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas für die Niederdruck-AGR stromauf oder stromab des NOx-Speicherkatalysator (NSC) von der Abgasanlage abgezweigt wird.
- Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Regeneration des Partikelfilters gleichzeitig der NOx-Speicherkatalysator regeneriert wird.
- Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdruck-AGR-Ventil auch im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine geöffnet wird bzw. bleibt.
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