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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Probennahme von rückgeführtem
Abgas von einem Verbrennungsmotor, insbesondere der Dieselart.
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Die
Probennahmen sollen dazu dienen, die Verbindungen und/oder die Bestandteile,
die in diesem Gas enthalten sind, zu sammeln und/oder zu analysieren
und/oder zu messen, um so insbesondere die Schadstoffe zu bestimmen
und zu quantifizieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erstellung sehr strenger Antischadstoffbestimmungen erfordert in
zunehmendem Maße die Verwendung komplizierter Verbrennungsmoden
für Verbrennungsmotoren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs
und der Schadstoffemissionen.
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Ein
Beispiel dafür ist der Verbrennungsmotor der Dieselart,
der einen Abgasrückführungskreislauf verwendet,
der als EGR-(Exhaust Gas Recirculation)Kreislauf bezeichnet wird.
Das Hauptziel dieses Kreislaufs ist die Zufuhr von Abgas vom Motorauspuff,
wie dem Abgaskrümmer oder der Abgasleitung, zu dem Ansaugstutzen
dieses Motors.
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Dadurch
wird die einströmende Luft verdünnt und, aufgrund
des Vorhandenseins von Kohlendioxid (CO2)
und Wasser (H2O), die Verbrennungstemperatur
gesenkt. Diese Temperaturabnahme führt zu einer Verringerung
des Anteils an Stickstoffoxiden (NOx) im
Verhältnis zu einer herkömmlichen Dieselverbrennung.
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Jüngste
Studien haben die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung dieses
rückgeführten Gases auf die Einleitung und den
Fortlauf der Verbrennung in dieser Art von Motor gezeigt.
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Es
ist daher wesentlich, die Zusammensetzung des rückgeführten
Abgases (oder EGR-Gases) von seinem Einströmen in den EGR-Kreislauf
bis zu seinem Ausströmen exakt zu kennen.
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Bisher
bekannte Abgasprobennahmesysteme, wie das System, das in dem
französischen Patent Nr. 2,780,507 ,
eingereicht von der Antragstellerin, beschrieben ist, ermöglichen
keine Probennahme und Analyse der Bestandteile dieses rückgeführten
Abgases. Tatsächlich erfordern diese Systeme die Verwendung
von kaltem und verdünntem Abgas, um verschiedene Probennahmen
und Analysen zu ermöglichen.
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Dies
ist bei rückgeführtem Abgas nicht anwendbar, dessen
Temperatur entsprechend den Motorarbeitspunkten sehr hoch ist, nämlich
etwa 250°C. Ein S dieses Gases am EGR-Kreislaufeinlass
würde zu einer Standardisierung seiner Zusammensetzung
und folglich zu einer Drift in der Probennahme und Analyse der Bestandteile
des Gases führen.
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Ferner
erfährt dieses Abgas eine Veränderung seiner Zusammensetzung
zwischen dem Einlass und dem Auslass des EGR-Kreislaufes, und es
könnte notwendig sein, diese Veränderung zu kennen.
Die Wirkung einer Verdünnung besteht darin, diese Veränderung
zu stoppen, indem eine ausreichende Menge an Luft mit dem Abgas
gemischt wird, um die Reaktionszeit zu verringern oder sogar zu
stoppen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer örtlichen
Probennahme des rückgeführten Abgases, d. h.,
von dem EGR-Kreislauf und im ursprünglichen Zustand des
Gases.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft somit ein System zur Probennahme
von rückgeführtem Abgas von einem Verbrennungsmotor,
insbesondere einem Dieselmotor, umfassend einen Abgasrückführungskreislauf zwischen
dem Auspuff dieses Motors und seinem Ansaugstutzen, wobei der Kreislauf
eine Zirkulationsleitung für rückgeführtes
Gas umfasst, die ein Zirkulationsregelventil für das Gas
trägt, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei
Probennahmepunkte an der Zirkulationsleitung für rückgeführtes
Gas und eine Verteilervorrichtung umfasst, die das zur Probe entnommene
Gas zu mindestens einem Analysesystem sendet.
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Vorzugsweise
kann ein Probennahmepunkt in der Nähe des Einlasses des
Abgasrückführungskreislaufes angeordnet sein.
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Ein
Probennahmepunkt kann in der Nähe des Auslasses des Abgasrückführungskreislaufes
angeordnet sein.
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Wenn
die Leitung einen Gaskühler für rückgeführtes
Abgas trägt, kann ein Probennahmepunkt in der Nähe
des Kühlereinlasses und/oder in der Nähe des Kühlerauslasses
angeordnet sein.
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Vorzugsweise
kann jeder Probennahmepunkt ein Drosselungsmittel umfassen.
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Das
Analysesystem kann Mittel zum Sammeln der Aldehyde/Ketone umfassen,
die in dem rückgeführten Abgas enthalten sind.
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Das
Mittel zum Sammeln der Aldehyde/Ketone kann mindestens eine Patrone
umfassen, die mindestens 2,4-Dinitrophenylhydrazin enthält.
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Das
Analysesystem kann Mittel zum Adsorbieren der polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffe umfassen, die in dem rückgeführten
Abgas enthalten sind.
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Das
Mittel zum Adsorbieren der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe
kann mindestens eine Patrone umfassen, die mindestens Polystyrol,
Divinylbenzol und Quarzwolle enthält.
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Das
Analysesystem kann Mittel zum Messen der Bestandteile des Abgases
umfassen.
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Das
Analysesystem kann Mittel zum Messen mindestens der Stickstoffoxide
(NOx) und/oder des Sauerstoffs (O2) und/oder des Kohlendioxids (CO2) und/oder des Kohlenmonoxids (CO) und/oder
der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) des Gases umfassen.
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Die
Verteilervorrichtung kann ermöglichen, das gesammelte Gas
zu einem System zum Messen der anfänglichen physikalischen
Parameter des Gases zu senden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Probennahme von rückgeführtem
Abgas von einem Verbrennungsmotor, insbesondere der Dieselart, das
in einer Leitung eines Abgasrückführungskreislaufes
zwischen dem Auspuff dieses Motors und dessen Ansaugstutzen zirkuliert,
dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, das heiße
und unverdünnte rückgeführte Abgas, das
in der Leitung zirkuliert, an mindestens zwei Punkten dieser Leitung
zu sammeln und es zu Verteilervorrichtungen zu führen,
um es zu mindestens einem Analysesystem zu senden.
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Kurze Beschreibung der Figur
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden
Beschreibung, die als nicht einschränkendes Beispiel angeführt
ist, unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur offensichtlich,
die ein System gemäß der Erfindung zur Ausführung
von Probennahmen des rückgeführten Abgases von
einem Verbrennungsmotor zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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In
dieser Figur umfasst der Verbrennungsmotor 10, insbesondere
der Dieselart, einen Abgasrückführungskreislauf 12 (oder
EGR-Kreislauf).
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Der
Motor umfasst mindestens einen Zylinder 14, der eine Verbrennungskammer 16 enthält,
in der die Verbrennung eines Kraftstoffgemisches stattfindet. Ein
Einlasskrümmer 18, der an eine Frischluftversorgungsleitung 20 angeschlossen
ist, die zu dem Luftversorgungskreislauf des Motors gehört,
ermöglicht den Anschluss aller Ansaugmittel (nicht dargestellt)
des Motors, wie Leitungen mit Ansaugventilen. Ein Abgaskrümmer 22 ermöglicht
ein Sammeln des Abgases, das durch die Verbrennung des Kraftstoffgemisches
in den Verbrennungskammern entsteht, mit Hilfe von Auspuffmittel,
die ebenso nicht dargestellt sind (Auslassleitungen und Auslassventile),
zu dessen Abgabe durch eine Auslassleitung 24.
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Der
EGR-Kreislauf 12 umfasst eine Zirkulationsleitung für
rückgeführtes Abgas 26 (oder EGR-Leitung),
die den Motorauspuff, hier an einem Bypass-Punkt 28 auf
der Auslassleitung 24, mit dem Motoransaugstutzen, hier
mit einem Verbindungspunkt 30 mit der Frischluftversorgungsleitung 20,
verbindet.
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Natürlich
kann die EGR-Leitung, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen,
als Alternative den Auspuffkrümmer 22 mit dem
Ansaugkrümmer 18 verbinden.
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Diese
EGR-Leitung trägt in die Zirkulationsrichtung des rezirkulierten
Abgases vom Bypass 28 bis zum Verbindungspunkt 30 der
Ansaugleitung 20 ein Drosselungsmittel 32 (oder
ein EGR-Ventil), das die Regulierung der Abgasmenge, die in dem
EGR-Kreislauf zirkuliert, mit Hilfe mehrere Positionen zwischen
einer vollständig offenen Position und einer vollständig
geschlossenen Position ermöglicht. Die Leitung trägt
auch einen Kühler für rezirkuliertes Abgas 34,
durch den ein Kühlfluid strömt, das zum Beispiel
von dem üblichen Kühlungskreislauf des Motors
stammt.
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Somit
ist für Motorarbeitsbereiche, wenn Abgas zu dem Ansaugstutzen
geleitet werden soll, das Ventil 32 in einer seiner offenen
Positionen, hier in seiner vollständig offenen Position,
wie in der Figur dargestellt, so dass ein Teil des Abgases, das
in der Leitung 24 zirkuliert, am Bypass-Punkt 28 zu
der Leitung 26 umgelenkt wird, so das es darin bis zum
Verbindungspunkt 30 zirkuliert.
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Mindestens
zwei Abgriffspunkte (oder Probennahmepunkte) und, in Verbindung
mit dem beschriebenen Beispiel, vier Abgriffspunkte 36A, 36B, 36C und 36D sind
bereitgestellt, um die Veränderung des EGR-Gases, das in
dieser Leitung 26 zirkuliert, zu untersuchen.
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Zwei
Abgriffspunkte 36A und 36B sind bereitgestellt,
einer, 36A, in der Nähe des Einlasses der EGR-Leitung 26,
vorzugsweise nach dem EGR-Ventil in der zuvor definierten Zirkulationsrichtung
des Gases. Der andere Abgriffspunkt, 36B, ist in der Nähe
des Auslasses dieser Leitung bereitgestellt, stromaufwärts
von dem Verbindungspunkt 30 und stromabwärts von
dem Kühler. Vorzugsweise ist ein Abgriffspunkt 36C stromaufwärts
von dem Kühler 34 in der Nähe seines
Einlasses zwischen dem Ventil 32 und dem Kühler
angeordnet, und ein weiterer Abgriffspunkt 36D ist stromabwärts
von diesem Kühler in der Nähe seines Auslasses,
zwischen dem Kühler und dem Abgriffspunkt 36B bereitgestellt.
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Diese
Abgriffspunkte sind auf der Leitung derart angeordnet, dass sie
die Strömung nicht verändert können,
und komplementär zu den Elementen, die für gewöhnlich
auf der Leitung vorhanden sind, wie Detektoren, Thermosonden, ...
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Ein
Probennahmerohr 38A, ..., 38D, vorzugsweise wärmeisoliert,
das ein Drosselungsmittel 40A, ..., 40D trägt,
ist an jedem Abgriffspunkt angeordnet.
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Von
jedem Probennahmerohr kann eine Verteilervorrichtung 42A,
..., 42D, eine Leitung 44A, ..., 44D zu
einem ersten Analysesystem 46A, ..., 46D positionieren,
so dass die Aldehyde/Ketone der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe
(PAHs) gesammelt werden können, die in diesem ERG-Gas enthalten
sind, eine zweite Leitung 48A, ..., 48D zu einem
zweiten Analysesystem 50A, ..., 50D positionieren,
so dass die Mengen an Bestandteilen gemessen werden können,
die in diesem EGR-Gas enthalten sind, wie eine Gasanalysebank 5,
die die Quantifizierung der Stickstoffoxide (NOx)
und/oder des Sauerstoffs (O2) und/oder des Kohlendioxids
(CO2) und oder des Kohlenmonoxids (CO) und/oder
der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) alleine oder in Kombination
miteinander ermöglicht, und eine dritte Leitung 53A,
..., 52D aufweisen, die das gesammelte EGR-Gas um das erste
Probennahmesystem umleitet, so dass es zu einem Messsystem (nicht
dargestellt) gesendet wird, wo die anfänglichen physikalischen
Parameter dieses Gases, wie Strömungsrate, Temperatur,
... gemessen werden.
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Vorzugsweise
ist das Drosselungsmittel 40A, ..., 40B vom Mehrwegventiltyp,
insbesondere vom Dreiwegventiltyp, das entweder die Isolierung,
falls notwendig, jedes Abgriffspunktes, oder die Beförderung
des gesammelten Gases zu der Leitung 44A, ..., 44D ermöglicht,
die an das erste Analysesystem 46A, ..., 46D angeschlossen
ist, und/oder zu der zweiten Leitung 48A, ..., 48D,
die an das zweite Analysesystem 50A, ..., 50D angeschlossen
ist, und/oder zu der dritten Leitung 52A, ..., 52D.
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Vorzugsweise
ist eine Thermosonde (kein Bezugszeichen in dieser Figur) an jeder
Verteilervorrichtung angeordnet, so dass die Temperatur des EGR-Gases
an den Abgriffspunkten nach dem Passieren metallischer Teile bekannt
ist.
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Wie
in der Figur erkennbar ist, die eine Konfiguration des ersten Analysesystems 46A,
..., 46D zeigt, das zur Aldehyd/Keton-Sammlung ausgebildet
ist, wird mindestens eine DNPH(2,4-Dinitrophenylhydrazin)-beschichtete
Silikapatrone 46, die an die Leitung 44A, ..., 44D angeschlossen
ist, verwendet, so dass das EGR-Gas, das von dem Abgriffspunkt gesammelt
wird, durch diese Patronen strömt. Die Aldehyde und Ketone reagieren
sofort mit dem vorhandenen DNPH und die gebildeten Hydrazone werden
sofort an der Patrone gehalten. Zwei Patronen 54 sind vorzugsweise
in Serie angeordnet, so dass ein Patronensättigungsphänomen verhindert
wird. Vorzugsweise ist eine Walze 56, die diese Patronen
trägt, bereitgestellt.
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Wie
dem Fachmann bekannt ist, werden die Patronen von dem Träger
entfernt, sobald die Probennahme durchgeführt ist. Die
Aldehyd- und Keton-Hydrazonderivate werden dann durch ein organisches Lösungsmittel
eluiert. Die flüssige eluierte Lösung kann somit
zum Beispiel durch Flüssigchromatographie analysiert werden.
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Als
Alternative können die DNPH-Patronen (und vielleicht der
Träger dieser Patronen) zum Sammeln der PAHs durch Patronen
ersetzt werden, die mit XAD2 (Polystyrol
und Divinylbenzol) und Quarzwolle gefüllt sind, und das
ERG-Gas, das in Leitung 44A, ..., 44D zirkuliert
und von den Abgriffspunkten gesammelt wird, strömt durch
diese hindurch. Diese Patronen können auch auf einem Träger
montiert sein.
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Wie
zuvor in Verbindung mit den DNPH-Patronen erwähnt, wird
die Patrone entfernt, sobald die Stufe der Probennahme beendet ist,
und die PAHs werden aus dieser Patrone durch ein bekanntes Mittel,
insbesondere unter Verwendung von Dichlormethan, extrahiert, um
eine flüssige Probe zu erhalten. Diese Probe wird dann
durch eine Analysevorrichtung behandelt und/oder analysiert, zum
Beispiel durch Hochleistungsflüssigchromatographie, die
eine Identifizierung und Quantifizierung der PAHs ermöglicht,
die in dem gesammelten EGR-Gas enthalten sind.
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Damit
das EGR-Gas, das in dem EGR-Kreislauf zirkuliert, gesammelt werden
kann, werden somit die Ventile 40A, ..., 40D in
die offene Position gebracht. In dieser Konfiguration wird ein Teil
des EGR-Gases, das in der Leitung 26 zirkuliert, in jedes
Rohr 38A, ..., 38D geleitet, so dass es die Verteilervorrichtung 42A,
..., 42D erreicht, an die dieses angeschlossen ist.
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Mit
Hilfe dieser Verteilervorrichtung werden die Ventile 40A,
..., 40D so positioniert, dass das EGR-Gas, dass an den
verschiedenen Abgriffspunkten gesammelt wurde, in der ersten Leitung
zu dem ersten Analysesystem zirkulieren kann, um die Aldehyde/Ketone
oder die PAHs zu sammeln, und in der zweiten Leitung zu dem zweiten
Analysesystem, um die Schadstoffe zu messen, sowie in die dritte
Leitung, um das erste Probennahmesystem zu umgehen.
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Die
folgende Tabelle zeigt einen Teil der Ergebnisse, die von Probennahmen
erhalten wurden, die gemäß dem System der Erfindung
durchgeführt wurden, und abhängig von der Zirkulation
des EGr-Gases zwischen verschiedenen aufeinander folgenden Abgriffspunkten.
| Überwachte
Spezies | Zirkulation
zwischen Abgriffspunkten
36A → 36C | Zirkulation
zwischen Abgriffspunkten
36C → 36D | Zirkulation
zwischen Abgriffspunkten
36D → 36B |
| HC | ↘ | ↘ | ↘ |
| NOx | ↗ | ↗ | ↗ |
| Aldehyde/Ketone
(Formaldehyd, Acetaldehyd, ... ) | ↘ | ↘ | ↘ |
| PAH
2 Ringe (Naphthalen, 1-Methylnaphthalen, ... ) | ↘ | ↘ | ↘ |
| PAH
mindestens 3 Ringe (Fluoren, Phenanthren, ...) | ↗ | ↗ | ↗ |
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Es
ist zu erkennen, dass der Anteil von HC, der in dem EGR-Gas enthalten
ist, signifikant immer mehr vom Abgriffspunkt 36A zu Abgriffspunkt 36B abnimmt,
während der NOx-Gehalt steigt.
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In
Bezug auf die Probennahme von Aldehyden/Ketonen wurde beobachtet,
dass ihr Anteil signifikant von dem Einlass-Abgriffspunkt 36A zu
dem Auslass-Abgriffspunkt 36B abnimmt.
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In
Bezug auf die PAHs sank der Naphthalen-, der 1-Methyl-naphthalen-
und der 2-Methyl-naphthalengehalt nicht stark zwischen Punkten 36A und 36D,
nahm aber signifikant von Punkt 36D zu Punkt 36B ab.
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Hinsichtlich
Fluoren, Fluoranthen und Pyren, wird der stärkste Anstieg
zwischen den Punkten 36C und 36B beobachtet.
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Diese
Ergebnisse ermöglichen, auf die Parameter des rückgeführten
Gases (Strömungsrate, Kühltemperatur, ...) und/oder
die Motorarbeitsparameter (Kraftstoff(/Luft-Verhältnis,
MIP, Motordrehzahl, ...) Einfluss zu nehmen, um die gewünschten
Werte in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und den Anteil an Schadstoffen,
die an die Atmosphäre abgegeben werden, zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt
und umfasst jede Variante und jedes Äquivalent.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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