DE102010003291A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei unkontrollierten Verbrennungen im Verbrennungsmotors (1) erfasst werden. Um die schädigenden Auswirkungen der unkontrollierten Verbrennungen auf den Verbrennungsmotor zu vermindern, wird nach der Erfassung einer entstehenden unkontrollierten Verbrennung (B) die entstehende unkontrollierte Verbrennung (B) reduziert.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die unkontrollierten Verbrennungen im Verbrennungsmotor erfasst werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- In einem Benzinmotor führt eine Verbrennung des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches dazu, das Fahrzeug in den Fahrbetrieb zu versetzen bzw. den Fahrbetrieb aufrecht zu erhalten. Dabei wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Zündfunken einer Zündkerze eingeleitet. Während sich die Flammenfront im Brennraum ausbreitet, kommt es durch hohe Drücke und Temperaturen zu Selbstzündungen. Die dann schlagartig ablaufende Verbrennung verursacht im Brennraum des Benzinmotors einen starken Druckanstieg, der eine Druckwelle erzeugt, die sich ausbreitet und auf die den Brennraum begrenzenden Wände trifft, wo die hochfrequenten Schwingungen in Körperschall umgewandelt werden. Diese Schwingungen werden durch Klopfsensoren (Körperschallsensoren) detektiert und bei der Ansteuerung des Benzinmotors durch eine Klopfregelung berücksichtigt, um Motorschäden zu verhindern. Der Benzinmotor wird dabei wirkungsgradoptimal immer an der Klopfgrenze betrieben, wodurch Beschädigungen des Benzinmotors durch das Klopfen vermieden werden.
- Neben den beschriebenen klopfenden Verbrennungen treten aber auch Selbstentflammungen auf, die durch heiße Stellen im Brennraum, Öltröpfchen oder heiße Restgaszonen im Kraftstoff-Luft-Gemisch verursacht werden. Solche Selbstentflammungen können als Vorentflammungen vor dem Auftreten des Zündfunkens und als Nachentflammungen nach dem Auftreten des Zündfunkens vorkommen. Die Selbstentflammungen zeichnen sich durch Verbrennungsdrücke mit hohen Druckamplituden und/oder Gradienten aus, welche sehr schnell zu Motorschäden führen können.
- Offenbarung der Erfindung
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von unkontrollierten Verbrennungen anzugeben, bei welchen die schädigenden Auswirkungen der unkontrollierten Verbrennungen auf den Verbrennungsmotor vermindert werden.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass nach der Erfassung einer entstehenden, unkontrollierten Verbrennung die entstehende unkontrollierte Verbrennung reduziert wird. Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass in demselben Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors, in welchem die unkontrollierte Verbrennung bereits in ihrer Entstehung detektiert wird, sofort Maßnahmen zur Reduzierung der unkontrollierten Verbrennung durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass eine vollständige Ausbildung der unkontrollierten Verbrennung unterbunden wird, wobei die sonst üblichen hohen Druckwerte der unkontrollierten Verbrennung vermindert werden. Daraus ergibt sich eine Verminderung der Belastung des Verbrennungsmotors in dem aktuellen Arbeitszyklus.
- Vorteilhafterweise wird zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennung ein Druck im Brennraum des Verbrennungsmotors mit einer vorgegebenen betriebpunktabhängigen Druckschwelle verglichen, wobei bei einer Überschreitung der Druckschwelle auf das Vorliegen einer unkontrollierten Verbrennung geschlossen wird. Durch eine Druckmessung im Brennraum lässt sich eine unkontrollierte Verbrennung sehr einfach erkennen. Außerdem führt dieses Vorgehen zu einer besonders frühen Detektierung von unkontrollierten Verbrennungen, wodurch sehr rasch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können und somit die Gefahr von einer Beschädigung des Motors unterbunden wird. Alternativ wird zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennungen ein Gradient des Druckanstieges im Brennraum mit einer vorgegebenen betriebspunktabhängigen Gradientenschwelle verglichen, wobei bei einer Überschreitung der Gradientenschwelle auf das Vorliegen unkontrollierter Verbrennungen geschlossen wird. Die Auswertung des Druckgradienten erlaubt eine sehr schnelle Bestimmung einer unkontrollierten Verbrennung, was dazu führt, dass in dem Arbeitzyklus des Verbrennungsmotors, in welchem die unkontrollierte Verbrennung detektiert wird, sofort anschließend eine Maßnahme zur Eingrenzung der unkontrollierten Verbrennung eingeleitet werden kann, wodurch die Ausbildung der unkontrollierten Verbrennung eingedämmt wird.
- In einer weiteren Alternative wird zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennung die Lage des Druckanstieges im Brennraum mit einem ausgegebenen Zündwinkel verglichen. Da die Lageerfassung mittels eines Kurbelwellensensors erfolgt, welcher schon für andere Prozesse im Verbrennungsmotor installiert ist, kann auf zusätzliche Sensoren verzichtet werden, was eine kostengünstige und konstruktiv einfache Lösung zur Folge hat.
- In einer Ausgestaltung wird zur Reduzierung der laufenden unkontrollierten Verbrennungen zusätzlich Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingebracht. Durch die Einbringung des Kraftstoffes unmittelbar nach der Feststellung des Vorliegens einer unkontrollierten Verbrennung tritt eine Verdampfung des Kraftstoffes auf, die eine Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt, wodurch dessen Brennfähigkeit reduziert wird. Durch die starke Anfettung wird die Brennfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs zusätzlich vermindert. Beide Effekte führen zu einer Verringerung der unkontrollierten Verbrennung und somit der Motorbelastung.
- In einer Weiterbildung wird nach Abschluss der zusätzlichen Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum eines betroffenen Zylinders die Kraftstoffeinspritzung für mindestens einen darauffolgenden Verbrennungszyklus des Verbrennungsmotors unterbrochen. Dadurch wird sicher gestellt, dass die unkontrollierte Verbrennung vollständig abgeklungen ist, bis wieder ein neues Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum des Verbrennungsmotors injiziert wird.
- Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die unkontrollierten Verbrennungen im Verbrennungsmotor erfasst werden. Um die Gefahr eines Schadens an dem Verbrennungsmotor zu minimieren, sind Mittel vorhanden, welche nach der Erfassung einer entstehenden unkontrollierten Verbrennung die entstehende unkontrollierte Verbrennung reduzieren. Durch eine frühzeitige Erkennung der unkontrollierten Verbrennungen lassen sich die Maßnahmen zur Verminderung der schädigenden Auswirkungen der unkontrollierten Verbrennungen noch in der Messphase während der Ausbildung der unkontrollierten Verbrennungen einleiten, so dass die unkontrollierten Verbrennungen in ihrer Intensität abgeschwächt werden, was zu einer Verminderung der Belastung des Verbrennungsmotors durch die unkontrollierten Verbrennungen führt.
- In einer Ausgestaltung weist jeder Zylinder des Verbrennungsmotors einen Brennraumdrucksensor auf, dessen Signale von einen Mikrocontroller abgetastet werden, welcher die Amplitude des Drucksignales und/oder den Gradienten der Drucksignale jeweils mit einem Vergleichsdruck vergleicht und bei Überschreitung des Vergleichsdruckes sofort eine Zufuhr von Kraftstoff in den überwachten Zylinder des Verbrennungsmotors veranlasst. Durch die softwaremäßige Verarbeitung der Drucksignale im Mikrocontroller entfällt jeder hardwaremäßige Aufwand für die Prüfung auf das Vorhandensein von unkontrollierten Verbrennungen.
- Vorteilhafterweise liegt an einem ersten Ausgang des Mikrocontrollers eine, dem betriebspunktabhängigen Druckschwellwert entsprechende erste Vergleichsspannung und an einem zweiten Ausgang des Mikrocontrollers eine dem betriebspunktabhängigen Gradientenschwellwert entsprechende zweite Vergleichspannung an, welche an einen ersten bzw. zweiten Komparator führen, wobei das Signal des Brennraumdrucksensors auf beide Komparatoren geführt ist und der Ausgang der beiden Komparatoren mit einem Einspritzsteuergerät verbunden ist, welches bei Übersteigung der ersten und/oder zweiten Vergleichspannung ein Einspritzventil für eine zusätzliche Kraftstoffzufuhr in dem überwachten Zylinder des Verbrennungsmotors ansteuert. Durch die gezielte Ansteuerung der beiden Ausgänge des Mikrocontrollers können einfach Messfenster erzeugt werden. Weiterhin bietet eine solche analoge Signalauswertung die Möglichkeit einer besonders kurzen Reaktionszeit auf eine beginnende unkontrollierte Verbrennung und ist somit schneller als eine digitale Lösung.
- In einer Weiterbildung ist der Mikrocontroller Bestandteil des Brennraumdrucksensors. Dabei stellt insbesondere der Brennraumdrucksensor mit der Auswerteschaltung ein komplexes Bauelement dar, was mit jedem beliebigen Steuergerät zur Veranlassung einer Kraftstoffeinspritzung verschaltet werden kann.
- Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
- Es zeigt:
-
1 : Vorrichtung zur Bestimmung einer unkontrollierten Verbrennung in einem Benzinmotor -
2 : Darstellung der Zylinderdruckverläufe mit und ohne eine unkontrollierte Verbrennung -
3 : Blockschaltbild zur Erfassung und Auswertung unkontrollierter Verbrennungen -
4 : prinzipieller Programmablauf zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen. - Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung einer Verbrennung in einem Benzinmotor1 . Der als Turbolader ausgebildete Benzinmotor1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder2 ,3 ,4 ,5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in dem Zylindern2 ,3 ,4 ,5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange6 ,7 ,8 ,9 mit der Kurbelwelle10 verbunden sind und diese auf Grund der durch die Verbrennungen verursachten Druckänderungen antreiben. Die Zylinder2 ,3 ,4 ,5 sind mit einem Verdichter11 verbunden, dessen Luftansaugrohr13 durch eine Drosselklappe12 abgeschlossen ist. In jeden Zylinder2 ,3 ,4 ,5 ragt eine Düse14a ,14b ,14c ,14d zur Einspritzung von Kraftstoff, wodurch sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. - Im Brennraum
16 jedes Zylinders2 ,3 ,4 ,5 ist ein Brennraumdrucksensor15a ,15b ,15c ,15d angeordnet, welcher kontinuierlich über alle Arbeitstakte des Benzinmotors1 den Druck im Brennraum16 jedes Zylinders2 ,3 ,4 ,5 detektiert und an ein Steuergerät17 weiterleitet, das anhand des ermittelten Druckes die Verbrennungen klassifiziert. Weiterhin ist das Steuergerät17 über ein Einspritzsteuergerät18 mit den einzelnen Kraftstoffeinspritzdüsen14a ,14b ,14c ,14d verbunden. - Beim Öffnen der Drosselklappe
12 strömt die Luft in das Saugrohr11 und somit in die Zylinder2 ,3 ,4 ,5 , in welche durch die Düsen14a ,14b ,14c ,14d Kraftstoff eingespritzt wird. Durch einen von einer nicht weiter dargestellten Zündkerze ausgelösten Funken wird in den Zylindern2 ,3 ,4 ,5 nacheinander eine Verbrennung ausgelöst, welche einen Druckanstieg im Zylinder2 ,3 ,4 ,5 auslöst, der über den Kolben und die Pleuelstange6 ,7 ,8 ,9 auf die Kurbelwelle10 übertragen wird und diese in Bewegung setzt. Der Druck p über dem sich ändernden Kurbelwellenwinkel φ, welcher bei einer solchen normalen, kontrollierten Verbrennung entsteht, ist in2 , Kurve A dargestellt. - Neben den kontrollierten Verbrennungen treten Verbrennungen auf, die einen sehr frühen Brennbeginn bzw. Verbrennungslagen aufweisen, die noch vor dem Zündzeitpunkt der Zündkerze liegen. Diese Verbrennungen werden als Superklopfer bezeichnet. Ein solcher Superklopfer ist im Kurve B der
2 dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass Superklopfer im Vergleich zu Normalverbrennungen wesentlich höhere Drücke p erzeugen, die schädigend für den Benzinmotor1 sind. Zum Vergleich ist in2 als Kurve C eine klopfende Verbrennung dargestellt, welche auf Grund der Einstellung des Zündwinkels nach einem späten Kurbelwellenwinkel φ eine Beschädigung des Benzinmotors gerade noch vermeidet. Weiterhin ist die Kompressionskurve D dargestellt, welche durch die Bewegung des Zylinders2 ,3 ,4 ,5 in Richtung oberer Totpunkt den Druck p in dem Brennraum16 verdichtet. Wie aus dem Vergleich der Kurven in2 ersichtlich, entwickelt sich ein Superklopfer vor dem Zündzeitpunkt ZZP und weist Druckamplituden auf, die die Amplitude der anderen Verbrennung weit überschreitet. Darüber hinaus ist ein Superklopfer durch einen sehr steilen Druckanstieg gekennzeichnet. - Zur Feststellung, ob ein Superklopfer vorliegt, wird eine Schaltung verwendet, wie sie in
3 dargestellt ist, wobei der Einfachheit halber nur ein Brennraumdrucksensor15a und ein Einspritzventil14a , welche im Zylinder2 enthalten sind, betrachtet werden. Das Steuergerät17 umfasst dabei eine Platine19 , auf welcher ein Mikrocontroller20 sowie zwei Komparatoren23 und24 angeordnet sind. Der Mikrocontroller20 weist dabei zwei Ausgänge21 und22 auf, wobei an jedem Ausgang eine Schwellwertspannung angelegt ist. Am Ausgang21 liegt eine Druckschwellwertspannung an, während am Ausgang22 eine Druckgradientenschwellwertspannung eingestellt ist. Der Druckschwellwert bzw. der Druckgradientenschwellwert werden dabei in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Benzinmotors1 oder von dessen Last eingestellt. Der Ausgang21 des Mikrocontrollers20 führt an einen Eingang des ersten Komparators23 , an dessen zweitem Eingang ein Signal des Brennraumdrucksensors15a liegt. Der Ausgang22 des Mikrocontrollers20 ist mit dem ersten Eingang des zweiten Komparators24 verbunden, an dessen zweitem Eingang ebenfalls das Signal des Brennraumdrucksensors15a anliegt. Überschreitet das Signal des Brennraumsdrucksensors15a entweder den Druckschwellwert oder den Gradientenschwellwert, erzeugt der Komparator23 oder24 ein Ausgangssignal, welches jeweils an das Einspritzsteuergerät18 geführt ist. Unmittelbar nach dem Empfang eines Komparatorausgangssignales steuert das Einspritzsteuergerät18 das Einspritzventil14a an, so dass dem Brennraum16 des Zylinders2 zusätzlich Kraftstoff zugeführt wird. - Das Verfahren zur Bestimmung und Reduzierung von Superklopfern soll nun beispielhaft anhand der
4 erläutert werden. In Block101 wird mittels der Brennraumdrucksensoren15a ,15b ,15c ,15d über einen Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders2 ,3 ,4 ,5 kontinuierlich der Druck im Brennraum16 gemessen. Unter einem Arbeitzyklus wird dabei bei dem im vorliegenden Fall betrachteten 4-Takt-Benzinmotor der Zyklus Ansaugen der Luft, Verdichten, Zünden und Ausstoßen der Abgase verstanden. Zur Feststellung eines beginnenden Superklopfers wird im Block102 ein Schwellwertvergleich mit dem Brennraumdruck p für jeden Zylinder2 ,3 ,4 ,5 durchgeführt, welcher von den Brennraumdrucksensoren15a ,15b ,15c ,15d gemessen wird. Der jeweils anliegende Brennraumdruck p wird mittels des Komparators23 mit dem betriebspunktabhängig eingestellten Druckschwellwert verglichen. Übersteigt der gemessene Brennraumdruck p den Druckschwellwert, wird im Block103 ein Superklopfer, also eine unkontrollierte Verbrennung in ihrem Entstehen erkannt. Im Block104 wird unmittelbar danach, also noch im selben Arbeitstakt, in welchem die Druckmessung erfolgt ist, das Einspritzsteuergerät18 angesteuert, welches eine Kraftstoffeinspritzung über die Einspritzdüse14a ,14b ,14c ,14d für den jeweiligen Zylinder2 ,3 ,4 ,5 initiiert. Im Block105 werden für den folgenden, mindestens einen Arbeitstakt die Einspritzung in den Brennraum16 des Zylinders2 ,3 ,4 ,5 eingestellt, in welchem der Superklopfer aufgetreten ist. - Alternativ zum Vergleich des Brennraumdruckes mit dem Druckschwellwert kann im Block
103 aber auch ein Vergleich des Gradienten des von dem Brennraumdrucksensor15a ,15b ,15c ,15d gelieferten Signals mit einem Gradientenschwellwert erfolgen, um einen Superklopfer zu erkennen. Der Druckschwellwert bzw. der Gradientenschwellwert sind dabei in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Benzinmotors1 festgelegt und in einem nicht weiter dargestellten Speicher des Steuergerätes17 abgespeichert. - Durch die Verminderung eines Superklopfers infolge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung werden schädigende Auswirkungen auf den Benzinmotor
1 unterbunden, da die zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff infolge der auftretenden Verdampfung zu einer Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum16 führt und durch die starke Anfettung das Gemisch zusätzlich in seiner Brennfähigkeit reduziert wird.
Claims (10)
- Verfahren zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei unkontrollierten Verbrennungen im Verbrennungsmotors (
1 ) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erfassung einer entstehenden unkontrollierten Verbrennung (B) die entstehende unkontrollierte Verbrennung (B) reduziert wird. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennung (B) der Druck (p) im Brennraum (
16 ) des Verbrennungsmotors (1 ) mit einer vorgegebenen betriebpunktabhängigen Druckschwelle verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung der Druckschwelle auf das Vorliegen einer unkontrollierten Verbrennung geschlossen wird. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennung (B) ein Gradient des Druckanstieges im Brennraum (
16 ) mit einer vorgegebenen betriebspunktabhängigen Gradientenschwelle verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung der Gradientenschwelle auf das Vorliegen einer unkontrollierten Verbrennung (B) geschlossen wird. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennung (B) die Lage des Druckanstieges im Brennraum (
16 ) mit einem ausgegebenen Zündwinkel (φ) verglichen wird. - Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der laufenden unkontrollierten Verbrennung (B) zusätzlich Kraftstoff in den Brennraum (
16 ) des Verbrennungsmotors (1 ) eingebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der zusätzlichen Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum (
16 ) eines betroffenen Zylinders (2 ,3 ,4 ,5 ) die Kraftstoffeinspritzung für mindestens einen darauffolgenden Verbrennungszyklus des Verbrennungsmotors (1 ) unterbrochen wird. - Vorrichtung zur Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die unkontrollierten Verbrennungen (B) im Verbrennungsmotors (
1 ) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14a ,14b ,14c ,14d ,17 ,18 ) vorhanden sind, welche nach der Erfassung einer entstehenden unkontrollierten Verbrennung (B) die entstehende unkontrollierte Verbrennung (B) reduzieren. - Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder des Verbrennungsmotors (
1 ) einen Brennraumdrucksensor (15a ,15b ,15c ,15d ) aufweist, dessen Signale von einen Mikrocontroller (20 ) abgetastet werden, welcher die Amplitude des Drucksignales (p) und/oder den Gradienten der Drucksignale jeweils mit einem Vergleichsdruck vergleicht und bei Überschreitung des Vergleichsdruckes unmittelbar eine Zufuhr von Kraftstoff in den überwachten Zylinder (2 ,3 ,4 ,5 ) des Verbrennungsmotors (1 ) veranlasst. - Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Ausgang (
21 ) des Mikrocontrollers (20 ) eine, dem betriebspunktabhängigen Druckschwellwert entsprechende erste Vergleichsspannung und an einem zweiten Ausgang (22 ) des Mikrocontrollers (20 ) eine dem betriebspunktabhängigen Gradientenschwellwert entsprechende zweite Vergleichspannung anliegt, welche an einen ersten bzw. zweiten Komparator (23 ,24 ) führen, wobei an beiden Komparatoren (23 ,24 ) das Signal des Brennraumdrucksensors (15a ,15b ,15c ,15d ) anliegt und der Ausgang der beiden Komparatoren (23 ,24 ) mit einem Einspritzsteuergerät (18 ) verbunden ist, welches bei Übersteigung der ersten und/oder zweiten Vergleichspannung ein Einspritzventil (14a ,14b ,14c ,14d ) für eine zusätzliche Kraftstoffzufuhr in dem überwachten Zylinder (2 ,3 ,4 ,5 ) des Verbrennungsmotors (1 ) ansteuert. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (
20 ) Bestandteil des Brennraumdrucksensors (15a ,15b ,15c ,15d ) ist.
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