DE102008048366A1 - Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine und Verfahren zum Steuern der Anordnung - Google Patents
Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine und Verfahren zum Steuern der Anordnung Download PDFInfo
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Abstract
Eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (1) mit einer Ansaugleitung (14) und einer Abgasleitung (15), weist Folgendes auf: einen Abgasturbolader (2) mit zumindest einem Verdichterlaufrad (4) zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine (1), und mit zumindest einem Antriebslaufrad (5) zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine (1) zum Antrieb des Verdichterlaufrads (4); und eine Druckluftzufuhreinrichtung (7) zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1), wobei die Druckluftzufuhreinrichtung (7) mit einem Ladelufteinlass (10) mit dem Verdichterlaufrad (4), mit einem Auslass (13) mit der Ansaugleitung (14) und mit einem Drucklufteinlass (11) mit einer Druckluftquelle verbunden ist, wobei das zumindest eine Verdichterlaufrad (4) des Abgasturboladers (2) ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern einer solchen Anordnung.
- Verbrennungsmaschinen, wie zum Beispiel Dieselmotoren, sind sehr häufig mit Abgasturboladern ausgerüstet. Ein Antriebslaufrad, angetrieben durch einen Abgasstrom der Verbrennungsmaschine, treibt ein Verdichterlaufrad zur Verdichtung von Frischgas an. Verdichterlaufräder sind aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellt. Dies hat insbesondere seine Ursache in der niedrigeren spezifischen Masse und damit auch niedrigem Massenträgheitsmoment, was besonders bei Drehmomentanforderungen, d. h. beim Beschleunigen der Verbrennungsmaschine von Bedeutung ist, denn der Abgasturbolader kann nicht in jedem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine ausreichend Luft fördern und somit einen genügenden Ansaugdruck erzeugen. Beispielsweise weisen Kolbenmaschinen wie Dieselmotoren mit Abgasturbolader zum Beispiel einen Betriebszustand beim Beschleunigen auf, der als „Turboloch” bezeichnet wird. Hierbei reagiert die Verbrennungsmaschine beim Gasgeben mit einer Drehzahlerhöhung erst nach einer bestimmten Verzögerungszeit, in welcher keine Abgasenergie, d. h. auch kein genügender Abgasdruck, zum Antrieb des Abgasturboladers und somit keine komprimierte Ansaugluft mit entsprechendem Ansaugdruck zur Verfügung steht. Bei diesem Beschleunigungsvorgang muss der Abgasmassenstrom den Turbolader beschleunigen, bis dieser seinen vollen Ladedruck aufbauen kann. Die Zeit zum Erreichen des maximalen Ladedrucks bzw. Ladeluftdrucks hängt maßgeblich von der Massenträgheit der Laufräder (Verdichterlaufrad, Antriebslaufrad bzw. Turbine) des Turboladers ab.
- Zur Überbrückung dieses „Turbolochs” sind Lösungsvorschläge gemacht worden, wobei Druckluft, zum Beispiel aus einem von einem Luftkompressor gespeisten Behälter, gesteuert in die Verbrennungsmaschine eingeleitet wird, um bei erhöhtem Ansaugluftbedarf der Verbrennungsmaschine diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels einer Frischgasversorgungsvorrichtung, welche zwischen dem Verdichter des Turboladers bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Ladeluftkühler und der Saugleitung angeordnet ist und in der
WO 2006/089779 A1 - Unter Frischgas ist hier Ansaugluft zu verstehen. Druckluft ist davon zu unterscheiden, sie wird separat, zum Beispiel mittels eines Kompressors erzeugt und in einem Behälter gespeichert. Ladeluft ist die vom Turbolader verdichtete Ansaugluft bzw. das von ihm verdichtete Frischgas.
- Aufgrund der derzeitigen aktuellen Rahmenbedingungen, insbesondere die kommenden Emissionsgesetzgebungen (z. B. EU5; EU6 usw.) sind weitere Schritte notwendig. Einer davon ist die externe Abgasrückführung (AGR) als ein zentrales Mittel, um insbesondere die Grenzwerte der NOx-Emissionen zu erfüllen. Dies beruht auf dem Effekt, dass gekühltes Abgas dem Motor wieder zugeführt wird. Abgas ist damit inert und nimmt nicht an der Verbrennung teil. Dadurch sinkt die Verbrennungstemperatur, welche, neben dem Sauerstoffüberschuss, die bestimmende Größe für die NOx-Bildung ist. Dabei gilt folgender Zusammenhang: Je höher die AGR-Raten, desto niedriger ist die Verbrennungstemperatur und desto niedriger sind die NOx-Emissionen. Derzeit stehen AGR-Raten von bis zu 50% zur Diskussion. Um diese Raten zu realisieren, in Verbindung mit der gleichen Frischluft/gasmenge, sind deutlich höhere Ladedrücke (z. B. bis zu 4,5 bar) notwendig. Dadurch entstehen am Verdichterrad des Turboladers deutlich höhere Kräfte und Temperaturen als bei aktuellen Verbrennungsmaschinen. Nachteilig dabei ist, dass Aluminium diesen Belastungen nicht mehr standhalten kann. Als Lösung sind hier Verdichterräder aus Titan entwickelt worden, die auch bei Fahrzeugen mit extremen Beanspruchungen bereits in Serie laufen. Da Titan als Werkstoff sehr kostenaufwändig ist, entstehen hier bezüglich Funktionserfüllung aufgrund gesetzlicher Anforderungen und Kosten ein Konflikt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass überlastete Verdichterräder aus Aluminium und auch aus Titan eine der häufigsten Ausfallursachen von Turboladern sein können.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungsmaschine und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Anordnung bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile behoben beziehungsweise bedeutend verringert und weitere Vorteile geschaffen sind.
- Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Frischgasversorgung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
- Demgemäß weist eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine mit einer Ansaugleitung und einer Abgasleitung, Folgendes auf: einen Abgasturbolader mit zumindest einem Verdichterlaufrad zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine, und mit zumindest einem Antriebslaufrad zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine zum Antrieb des Verdichterlaufrads; und eine Druckluftzufuhreinrichtung zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine, wobei die Druckluftzufuhreinrichtung mit einem Ladelufteinlass mit dem Verdichterlaufrad, mit einem Auslass mit der Ansaugleitung und mit einem Drucklufteinlass mit einer Druckluftquelle verbunden ist, ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht. Vorzugsweise ist das gesamte zumindest eine Verdichterlaufrad des Abgasturboladers aus Stahl ausgebildet.
- Obwohl ein Verdichterlaufrad aus Stahl ein größeres Massenträgheitsmoment aufweist und somit ein Beschleunigen des Abgasturboladers bei erhöhter Drehmomentanforderung verzögern würde ergibt sich in Kombination mit der Druckluftzufuhreinrichtung der überraschende Effekt, dass der zuvor beschriebene Konflikt lösbar ist. Die Druckluftzufuhreinrichtung reduziert durch gesteuerte Einblasung bzw. Zufuhr von Druckluft bei erhöhter Drehmomentanforderung in die Ansaugleitung der Verbrennungsmaschine das „Turboloch” fast vollständig. Dadurch ergibt sich der Einsatz von Stahl für ein Verdichterlaufrad mit höherem Massenträgheitsmoment. Auf Aluminium oder Titan als Werkstoff mit den oben beschriebenen Nachteilen kann somit verzichtet werden. Hierdurch wir es auch möglich, den funktionalen Vorteil von Stahlverdichterrädern zu nutzen, denn das höhere Massenträgheitsmoment weist bei einem Gangwechsel bedeutende Vorteile auf. Während eines Schaltvorgangs bremst ein Aluminium- oder Titanverdichterlaufrad deutlich mehr als ein Verdichterlaufrad aus Stahl ab. Daraus folgt, dass in der nächsten Getriebeübersetzungsstufe das Verdichterrad aus Aluminium oder Titan eine weit größere Zeit als das Verdichterrad aus Stahl benötigt, um die optimale Drehzahl zu erreichen. Hierbei ergibt sich auch eine vorteilhafte Kraftstoffersparnis.
- Ein weiterer Vorteil der Verdichterlaufräder aus Stahl ist die deutlich höhere Robustheit. Das wiederum ermöglicht höhere Drehzahlen und höhere Druckverhältnisse des Turboladers. Außerdem kann es möglich sein, die Anzahl notwendiger Ladungsstufen zu verringern (z. B. Reduzierung eines zweistufigen Laders auf einen einstufigen Lader). So können weitere Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart werden.
- In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die Druckluftzufuhreinrichtung mit Ventilen zur gesteuerten Zufuhr von Druckluft an die Verbrennungsmaschine ausgebildet ist, wenn ein Druck des vom Verdichterrad verdichteten Frischgases in zumindest einem bestimmten Betriebszustand der Verbrennungsmaschine einen vorher festgelegten Wert unterschreitet. Dazu können dass die Ventile von einer Steuereinrichtung der Druckluftzufuhreinrichtung gesteuert werden. Es ist aber auch möglich, dass die Anordnung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhreinrichtung und zur Ermittlung von Betriebsparametern des Abgasturboladers aufweist. Natürlich können dabei die im Fahrzeug vorhandenen Betriebsparameter einer Motorsteuerung benutzt werden. Es ist auch denkbar, dass eine solche Steuerung in die Motorsteuerung integrierbar ist.
- Die Druckluftquelle kann zum Beispiel einen Druckluftbehälter und einen diesen speisenden Druckluftkompressor aufweisen. Andere Druckluftquellen, wie beispielsweise ein elektrischer Druckluftkompressor ohne Speicher sind möglich.
- Die Anordnung kann einen Ladeluftkühler, welcher zwischen dem Verdichterlaufrad des Abgasturboladers und der Druckluftzufuhreinrichtung angeordnet ist, und auch eine Abgasrückführung aufweisen.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern der oben beschriebenen Anordnung weist folgende Verfahrensschritte auf: Ermitteln der jeweiligen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine und eines Abgasturboladers durch eine Steuereinrichtung und/oder eine Motorsteuerung; Zuführen von Druckluft mittels einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Druckluftzufuhreinrichtung zur Verbrennungsmaschine, wenn ein Ladeluftdruck des Abgasturboladers unter einem gemäß der jeweiligen ermittelten Betriebsparameter erforderlichen Druckwert liegt; oder Zuführen von Ladeluft des Abgasturboladers zur Verbrennungsmaschine.
- Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Frischgasversorgung; und -
2 eine grafische Darstellung von Motordrehmomenten. - Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
-
1 illustriert eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine1 , deren Abgasleitung15 mit einem Antriebslaufrad5 eines Abgasturboladers2 gekoppelt ist. Der Abgasturbolader2 besitzt ein Verdichterlaufrad4 , das mit dem Antriebslaufrad5 drehfest gekoppelt ist. Das Verdichterlaufrad4 verdichtet Frischgas aus einem Frischgaseinlass2 zur Erhöhung eines Ansaugdrucks in einer Ansaugleitung14 für die Verbrennungsmaschine1 , wodurch zum Beispiel ein Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs mit der Verbrennungsmaschine1 und eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht werden. Das Verdichterlaufrad4 wird von dem Antriebslaufrad5 angetrieben, welches zum Beispiel eine Turbine ist, die vom Abgas der Verbrennungsmaschine1 angetrieben wird und dazu in der Abgasleitung15 in Strömungsrichtung vor einem Abgasauslass16 angeordnet ist. - Bevor die von dem Verdichterlaufrad
4 verdichtete Ansaugluft als Ladeluft in die Verbrennungsmaschine1 gelangt, wird sie in diesem Ausführungsbeispiel zunächst durch einen Ladeluftkühler6 geleitet. Dieser ist notwendig, um die beim hohen Verdichten erhitzte Ladeluft abzukühlen. Zwischen dem Ladeluftkühler6 und der Ansaugleitung14 ist eine Druckluftzufuhreinrichtung7 eingeschaltet. Sie ist mit einem Ladelufteinlass10 mit dem Ladeluftkühler6 und mit einem Auslass13 mit der Saugleitung14 verbunden. Diese Druckluftzufuhreinrichtung7 ist wie oben angegeben in derWO 2006/089779 A1 10 und dem Auslass13 befindet sich ein Klappenelement, das verstellbar ist. Weiterhin ist ein Drucklufteinlass11 mit dem Auslass13 und über ein Ventil über eine Druckluftleitung12 mit einer Druckluftquelle verbunden, welche hier ein Druckluftbehälter8 , gespeist von einem von der Verbrennungsmaschine1 angetriebenen Druckluftkompressor9 ist. Eine nicht gezeigte Steuereinrichtung dient zur Steuerung des ebenfalls nicht gezeigten Ventils und des Klappenelementes. Sie ist hier auch mit ebenfalls nicht dargestellten Drucksensoren im Auslass13 und Ladelufteinlass10 verbunden. So kann in diesem Beispiel eine Drehmomentanforderung bei einem „Kick-Down” festgestellt werden. In diesem Fall öffnet das Ventil für Druckluft die Verbindung vom Drucklufteinlass11 zum Auslass13 . Zuvor wird das gesteuerte Klappenelement geschlossen, so dass die Druckluft nicht über den Ladelufteinlass10 in den Abgasturbolader2 entgegen der Ansaugrichtung einströmen kann, sondern über den Auslass13 gerichtet in die Saugleitung14 strömt. Bei Beenden der Druckluftzufuhr wird dieses Klappenelement wieder geöffnet und das Ventil zur Druckluftleitung12 geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ladeluftdruck durch den Abgasturbolader2 wieder ausreichend. - Es wird – auch auf anderem als beschriebenen Weg möglich – ein Betriebszustand der Verbrennungsmaschine und des Turboladers (hier: dessen Ladeluftdruck) ermittelt. Ist bei einer Drehmomentanforderung der Ladeluftdruck unter einem erforderlichen Wert, so wird unmittelbar Druckluft der Verbrennungsmaschine
1 zugeführt, um dies so genannte „Turboloch” zu „stopfen”. Sobald der Turbolader2 genügend Ladeluftdruck generiert, wird die Druckluftzufuhr unterbrochen und das Verdichterlaufrad4 des Turboladers2 wieder als Ladeluftlieferant verwendet. Dabei kann die Druckluftzufuhr die höhere Anlaufzeit eines Stahlverdicherlaufrades4 überbrücken. - Hierzu zeigt
2 eine grafische Darstellung, welche ein Motordrehmoment der Verbrennungsmaschine1 über der Zeit t für verschiedene Verdichterlaufräder4 mit unterschiedlichen Werkstoffen in unterschiedlichen Kombinationen von Anordnungen zur Frischgasversorgung der Verbrennungsmaschine1 illustriert. - Die Kurve
17 stellt einen ersten Motordrehmomentverlauf17 dar, bei dem ein Verdichterlaufrad4 aus Stahl eingesetzt ist und keine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung7 vorliegt. Ein 90%iges Motordrehmoment M90 wird erst bei einem Zeitpunkt t4 erreicht. Vor diesem Zeitpunkt t4 liegt ein Zeitpunkt t3, welcher durch ein Verdichterlaufrad aus Titan, ebenfalls ohne die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung7 , einen zweiten Motordrehmomentverlauf18 erreicht wird. Ohne die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung7 wird mittels eines Verdichterlaufrads4 aus Aluminium mit einem dritten Motordrehmomentverlauf19 ein noch früherer Zeitpunkt t2 zum Erreichen des 90%igen Motordrehmoments M90 erzielt. Wird nun die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung7 gleichzeitig mit einem Verdichterlaufrad4 aus Stahl eingesetzt, so ergibt sich der vierte Motordrehmomentverlauf20 mit dem frühesten Zeitpunkt t1 zum Erreichen des 90%igen Motordrehmoments trotz eines wesentlich höheren Massenträgheitsmoments des Verdichterlaufrads4 gegenüber den anderen Laufrädern aus dem Stand der Technik. Bei diesem vierten Motordrehmomentverlauf20 kann das Verdichterlaufrad4 sogar aus einem beliebigen Material sein, wobei Stahl in der oben beschriebenen Anwendung hinsichtlich Dauerfestigkeit und Temperaturfestigkeit, Kosten und Nutzen vorteilhaft ist. - Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
- So kann eine Steuereinrichtung auch mit gespeicherten Tabellenwerten für unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungsmaschine
1 und des Abgasturboladers2 versehen sein, um für jeden Betriebszustand den optimalen Wert für Druckluftzufuhr und Ladeluft für die Verbrennungsmaschine1 einzustellen. -
- 1
- Verbrennungsmaschine
- 2
- Frischgaseinlass
- 3
- Abgasturbolader
- 4
- Verdichterlaufrad
- 5
- Antriebslaufrad
- 6
- Ladeluftkühler
- 7
- Druckluftzufuhreinrichtung
- 8
- Druckluftbehälter
- 9
- Druckluftkompressor
- 10
- Ladelufteinlass
- 11
- Drucklufteinlass
- 12
- Druckluftleitung
- 13
- Auslass
- 14
- Ansaugleitung
- 15
- Abgasleitung
- 16
- Abgasauslass
- 17
- Erster Motordrehmomentverlauf
- 18
- Zweiter Motordrehmomentverlauf
- 19
- Dritter Motordrehmomentverlauf
- 20
- Vierter Motordrehmomentverlauf
- M
- Motordrehmoment
- M90
- 90% des maximalen Motordrehmoments
- t
- Zeit
- 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
-
- - WO 2006/089779 A1 [0003, 0020]
Claims (8)
- Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (
1 ) mit einer Ansaugleitung (14 ) und einer Abgasleitung (15 ), aufweisend: einen Abgasturbolader (2 ) mit zumindest einem Verdichterlaufrad (4 ) zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine (1 ), und mit zumindest einem Antriebslaufrad (5 ) zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine (1 ) zum Antrieb des Verdichterlaufrads (4 ); und eine Druckluftzufuhreinrichtung (7 ) zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1 ), wobei die Druckluftzufuhreinrichtung (7 ) mit einem Ladelufteinlass (10 ) mit dem Verdichterlaufrad (4 ), mit einem Auslass (13 ) mit der Ansaugleitung (14 ) und mit einem Drucklufteinlass (11 ) mit einer Druckluftquelle verbunden ist, wobei das zumindest eine Verdichterlaufrad (4 ) des Abgasturboladers (2 ) ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftzufuhreinrichtung (
7 ) mit Ventilen zur gesteuerten Zufuhr von Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1 ) ausgebildet ist, wenn ein Druck des vom Verdichterrad (4 ) verdichteten Frischgases in zumindest einem bestimmten Betriebszustand der Verbrennungsmaschine (1 ) einen vorher festgelegten Wert unterschreitet. - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile von einer Steuereinrichtung der Druckluftzufuhreinrichtung (
7 ) steuerbar sind. - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhreinrichtung (
7 ) und zur Ermittlung von Betriebsparametern des Abgasturboladers (2 ) aufweist. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle einen Druckluftbehälter (
8 ) und einen diesen speisenden Druckluftkompressor (9 ) aufweist. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend einen Ladeluftkühler (
6 ), welcher zwischen dem Verdichterlaufrad (4 ) des Abgasturboladers (2 ) und der Druckluftzufuhreinrichtung (7 ) angeordnet ist. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Abgasrückführeinrichtung.
- Verfahren zum Steuern einer Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: (i) Ermitteln der jeweiligen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine (1 ) und eines Abgasturboladers (2 ) durch eine Steuereinrichtung und/oder eine Motorsteuerung; (ii) Zuführen von Druckluft mittels einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Druckluftzufuhreinrichtung (7 ) zur Verbrennungsmaschine (1 ), wenn ein Ladeluftdruck des Abgasturboladers (2 ) unter einem gemäß der jeweiligen ermittelten Betriebsparameter erforderlichen Druckwert liegt; oder Zuführen von Ladeluft des Abgasturboladers (2 ) zur Verbrennungsmaschine (1 )
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