DE102011101272B4 - Luftströmungsklappensystem für ein Lüftungsgitter mit diskreter Klappensteuerung - Google Patents

Luftströmungsklappensystem für ein Lüftungsgitter mit diskreter Klappensteuerung Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern einer Luftströmung durch ein Lüftungsgitter an einer Vorderseite eines Fahrzeugs umfasst die Schritte, dass: Fahrzeugbetriebsbedingungen detektiert werden; ein Sollprozentsatz an Luftströmung durch das Lüftungsgitter auf der Grundlage der Sollbetriebsbedingungen ermittelt wird; Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter den ermittelten Sollprozentsatz eines vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine offene Position betätigt werden; und die Luftströmungsklappe für das Lüftungsgitter einen verbleibenden Prozentsatz des vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine geschlossene Position betätigt wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge mit Luftströmungsklappen für Lüftungsgitter und insbesondere Luftströmungsklappensysteme für Lüftungsgitter und Verfahren zum Steuern derartiger Systeme.
  • Luftströmungsklappen für Lüftungsgitter sind Einrichtungen, welche den Betrag einer Luftströmung durch ein Frontlüftungsgitter bzw. einen Kühlergrill eines Fahrzeugs hindurch steuern. Die Luftströmungssteuerung beruht typischerweise auf einem Kühlungs- oder Heizbedarf für Wärmetauscher in einem Kondensator-, Radiator-, Ventilatormodul (CRFM von condenser, radiator, fan module), das hinter dem Lüftungsgitter angeordnet ist. Eine größere Luftströmung sorgt für eine bessere Wärmeübertragung aus den Wärmetauschern im CRFM heraus. Wenn eine verringerte oder keine Luftströmung gewünscht wird, werden die Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter so justiert, dass sie eine Luftströmung durch das Lüftungsgitter hindurch sperren, und umgekehrt können die Luftströmungsklappen so justiert werden, dass eine volle Luftströmung durch das Lüftungsgitter ermöglicht wird, wenn eine zusätzliche Luftströmung gewünscht wird.
  • Luftströmungsklappen für Lüftungsgitter wurden unter Verwendung eines von zwei Verfahren gesteuert. Es gibt diskrete Auf/Zu-Klappen, die sich nur zwischen der offenen und der geschlossenen Position bewegen, und die Entscheidung zum Öffnen beruht auf dem Erreichen eines speziellen Temperaturschwellenwerts, wobei die Klappen oberhalb dieses Schwellenwerts kontinuierlich offen bleiben, und die Entscheidung zum Schließen beruht auf einem Absinken unter diesen Schwellenwert, wobei die Klappen kontinuierlich geschlossen bleiben. Diese Art von System liefert jedoch eine weniger genaue Luftströmungssteuerung als gewünscht und kann zu einem wiederholten zyklischen Öffnen/Schließen führen, wenn die Temperatur um einen Öffnen/Schließen-Temperaturschwellenwert herum schwankt.
  • Die andere Art von Luftströmungsklappensystem für Lüftungsgitter überwindet das Genauigkeitsproblem, indem sie Klappen verwendet, die variabel gesteuert werden. Das heißt, dass die Klappen so gesteuert werden können, dass sie sich in verschiedenen Positionen mit Teilschließung befinden. Durch diese Steuerung kann eine genaue Menge an Luftströmung erreicht werden, indem die Klappen nur um den gewünschten Betrag geöffnet werden. Diese variablen Klappen werden mit einer Pulsbreitenmodulation gesteuert. Während die Pulsbreitenmodulation die variable Steuerung der Klappen ermöglicht, erhöht sie jedoch sowohl die Kosten der physikalischen Hardware als auch die Komplexität des Steueralgorithmus und der Treiber in signifikanter Weise.
  • Die DE 10 2004 034 066 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung der Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Primärkühlsystem und einem Sekundärkühlsystem, bei der das Sekundärkühlsystem bei Überschreitung eines Temperaturschwellenwerts mit variierbarer Kühlleistung zugeschaltet wird.
  • In der US 2006/0 095 178 A1 ist eine Luftströmungssteuerung durch einen Kühlergrill und Stoßstangenöffnungen offenbart, bei der ein Öffnen und Schließen der jeweiligen Kühlergrill- und Stoßstangenöffnungen in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrzeugparametern und Schwellenwerten erfolgt.
  • Die DE 10 2005 034 775 A1 offenbart eine Jalousiesteuerung für einen Kühlergrill eines Kraftfahrzeugs, die den Betriebszustand der Klimaanlage berücksichtigt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Steuern einer Luftströmung durch ein Lüftungsgitter an einer Vorderseite eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: Fahrzeugbetriebsbedingungen detektiert werden; ein Sollprozentsatz von Luftströmung durch das Lüftungsgitter auf der Grundlage der Sollbetriebsbedingungen ermittelt wird; Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter für den ermittelten Sollprozentsatz eines vorbestimmten Zeitintervalls in eine offene Position betätigt werden; und die Luftströmungsklappe für das Lüftungsgitter für einen verbleibenden Prozentsatz des vorbestimmten Zeitintervalls in eine geschlossene Position betätigt wird.
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Fahrzeug, das eine Vorderseite mit einem Lüftungsgitter mit dort hindurch verlaufenden Lüftungsgitteröffnungen; ein Kondensator-, Radiator-, Ventilatormodul, das hinter den Lüftungsgitteröffnungen angeordnet ist; und ein Luftströmungsklappensystem für das Lüftungsgitter umfasst, das nahe bei den Lüftungsgitteröffnungen angeordnet ist und Klappen enthält, die bewegbar sind, um eine Luftströmung durch die Lüftungsgitteröffnungen selektiv zu sperren, und das ein diskretes Klappenstellglied enthält, das gesteuert werden kann, um die Klappen zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zu bewegen. Das Fahrzeug enthält auch einen Controller in Kommunikation mit dem diskreten Klappenstellglied, um die Klappen zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position zu bewegen, wobei der Controller ausgestaltet ist, um Fahrzeugbetriebsbedingungen zu detektieren; einen Sollprozentsatz von Luftströmung durch das Lüftungsgitter auf der Grundlage der Sollbetriebsbedingungen zu ermitteln; Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter für den ermittelten Sollprozentsatz eines vorbestimmten Zeitintervalls in eine offene Position zu betätigen; und die Luftströmungsklappe für das Lüftungsgitter für einen verbleibenden Prozentsatz des vorbestimmten Zeitintervalls in eine geschlossene Position zu betätigen.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass eine effektive variable Luftströmungssteuerung erreicht wird, um eine Luftströmung durch das Lüftungsgitter hindurch präzise zu steuern, während ein diskretes Auf/Zu-Klappenstellglied und entsprechende Steuerungen verwendet werden, was die Kosten und die Komplexität des Luftströmungsklappensystems für das Lüftungsgitter minimiert. Das Luftströmungsklappensystem für das Lüftungsgitter ermöglicht eine insgesamt verbesserte Kraftstoffsparsamkeit für das Fahrzeug, indem der gesamte aerodynamische Luftwiderstand verringert wird, während dennoch eine Luftströmung nach Bedarf an das CRFM geliefert wird. Die über die Zeit gemittelten aerodynamischen Verbesserungen können im Wesentlichen gleich denjenigen sein, wie bei einem mit variabler Impulsbreite modulierten Controller, aber ohne die Kosten und die Komplexität. Die modulierte Luftströmung durch das Lüftungsgitter kann präzise gesteuert werden, um Kühlungsanforderungen des Antriebsstrangs und der Klimaanlage zu erfüllen, ohne dass Klappen mit variabler Position benötigt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs, das ein Luftströmungsklappensystem für ein Lüftungsgitter enthält.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Luftströmungsklappensystems für das Lüftungsgitter veranschaulicht.
  • 3A und 3B sind Graphen, die ein Beispiel zum Betreiben des Luftströmungsklappensystems für das Lüftungsgitter und der resultierenden Maschinenkühlmitteltemperatur zeigen.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezug auf 1 ist ein Fahrzeug gezeigt, das allgemein mit 20 bezeichnet ist. Das Fahrzeug 20 kann ein Antriebsaggregat, wie etwa eine Brennkraftmaschine 22, und ein Getriebe 24 enthalten. Kühlmittel, das von einer Wasserpumpe 27 durch einen Radiator 26 gepumpt wird, kann zum Kühlen der Maschine 22 eingesetzt werden. Außerdem kann Getriebeöl durch einen Getriebeölkühler 28 strömen, um das Getriebe zu kühlen. Der Getriebeölkühler 28 und der Radiator 26 können Teil eines Kondensator-, Radiator-, Ventilatormoduls (CRFM) 30 sein, welches auch einen Kondensator 32 eines Klimaanlagensystems 34 enthalten kann. Andere Wärmetauscher, z. B. ein (nicht gezeigter) Wärmetauscher zum Kühlen von Antriebsstrangelektronik, können auch Teil des CRFM sein. Das CRFM 30 kann auch einen Maschinenventilator 36 enthalten, der von einem Motor 38 angetrieben werden kann.
  • Ein oder mehrere Controller 40 können mit der Maschine 22 und dem Getriebe 24 sowie dem Klimaanlagensystem 34 und dem Motor 38 in Verbindung stehen und diese steuern. Der Controller 40 kann mit verschiedenen Sensoren in Verbindung stehen, wie z. B. einem Maschinenkühlmitteltemperatursensor 42, einem Klimaanlagensystem-Drucksensor 44, einem Getriebeöltemperatursensor 46 sowie anderen Sensoren, die Fachleuten bekannt sind. Der Controller 40 kann ein einzelner Controller oder mehrere diskrete Controller in Verbindung miteinander sein und kann in verschiedenen Kombinationen von Hardware und Software vorliegen, wie Fachleuten bekannt ist. Der Controller 40 kann auch mit einem diskreten Klappenstellglied 48 in Verbindung stehen, das Teil eines Luftströmungsklappensystems 50 für ein Lüftungsgitter ist.
  • Das Luftströmungsklappensystem 50 für ein Lüftungsgitter arbeitet mit einem Lüftungsgitter 52 zusammen, das in der Vorderseite des Fahrzeugs 20 montiert ist und Lüftungsgitteröffnungen 54 aufweist, welche eine Luftströmung durch das CRFM 30 ermöglichen. Das System 50 enthält auch Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter, die benachbart zum Lüftungsgitter 52 montiert sind (zur Klarheit der Darstellung der verschiedenen Elemente in 1 über dem Lüftungsgitter 52 gezeigt). Die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter können Klappen 58, die selektiv auf die Luftgitteröffnungen 54 ausgerichtet werden können, um eine Strömung durch die Luftgitteröffnungen 54 zu sperren, und Klappenöffnungen 60 enthalten, die selektiv auf die Luftgitteröffnungen 54 ausgerichtet werden können, um eine Luftströmung durch die Öffnungen 54 hindurch zu ermöglichen. Die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter können beispielsweise mit einem diskreten Klappenstellglied 48, das die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter anhebt und absenkt, nach oben und nach unten gleiten, um eine Luftströmung selektiv zuzulassen und zu blockieren, oder sie können sich mit einem diskreten Klappenstellglied, das ein Schwenken der Klappen 56 bewirkt, drehen oder verschwenken, um eine Luftströmung selektiv zu sperren und zuzulassen.
  • Der Controller 40 und das diskrete Klappenstellglied 48, wie es in der vorliegenden Anmeldung definiert ist, arbeiten zusammen, um die Klappen 56 zwischen der einen oder der anderen von nur zwei Positionen zu bewegen. Das heißt, dass die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter entweder so positioniert sind, dass sie die gesamte (oder im Wesentlichen die gesamte) Luftströmung durch die Lüftungsgitteröffnungen 54 hindurch sperren, eine Klappenschließposition, oder so positioniert sind, dass eine vollständige (oder im Wesentlichen vollständige) Luftströmung durch die Lüftungsgitteröffnungen 54 ermöglicht wird, eine Klappenöffnungsposition. Diese binäre Klappenpositionierung ermöglicht verringerte Kosten und Komplexität, weil kein variables oder pulsbreitenmoduliertes Stellglied und ein entsprechender Stellgliedtreiber benötigt werden – ein einfacher Ein/Aus-Treiber und ein Stellglied mit zwei Positionen sind alles, was für die Luftströmungsklappensteuerung für das Lüftungsgitter benötigt wird.
  • 2 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben des Luftströmungsklappensystems 50 für das Lüftungsgitter für das in 1 gezeigte Fahrzeug. Bei Block 100 detektieren Sensoren die verschiedenen Betriebsbedingungen von Fahrzeugkomponenten. Beispielsweise kann der Controller 40 unter Anderem die Maschinenkühlmitteltemperatur, die Getriebeöltemperatur und den Betriebszustand des Klimaanlagensystems lesen. Auch andere Lesewerte, wie z. B. die Maschinenlast, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Umgebungstemperatur können gelesen werden. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann verwendbar sein, da der variable Klappenbetrieb nur bei Fahrzeuggeschwindigkeiten über einem vorbestimmten Geschwindigkeitsschwellenwert verwendet werden kann. Der vorbestimmte Geschwindigkeitsschwellenwert kann beispielsweise eine Geschwindigkeit im Bereich von fünfundvierzig bis sechzig Kilometer pro Stunde sein.
  • Auf der Grundlage der Fahrzeugbetriebsbedingungen ermittelt der Controller 40 bei Block 102 den Sollprozentsatz einer Strömung durch die Lüftungsgitteröffnungen 54. Der Controller 40 kann eine Nachschlagetabelle oder andere Mittel zur Ermittlung des Sollprozentsatzes verwenden, wobei die Nachschlagetabelle auf der speziellen Kombination aus Fahrzeug und Antriebsstrang beruht. Beispielsweise kann der Controller 40 ermitteln, dass ein dreiunddreißig prozentiger Luftströmungsdurchsatz durch das Lüftungsgitter 52 gewünscht wird, um die angemessene thermische Kühlung zu erreichen.
  • Nach dem Ermitteln des Sollprozentsatzes betätigt der Controller 40 bei Block 104 das diskrete Klappenstellglied 48, um den Sollprozentsatz zu erreichen. Bei dem vorstehend angegebenen Beispiel kann das diskrete Klappenstellglied 48 zum Erreichen des dreiunddreißig prozentigen Luftströmungsdurchsatzes so betätigt werden, dass die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter zehn Sekunden lang in die offene Position bewegt werden und dann die Klappen 56 zwanzig Sekunden lang in die geschlossene Position bewegt werden. Das Dreißig-Sekunden-Intervall ist nur ein Beispiel und andere vorbestimmte Intervalle können stattdessen verwendet werden. Wenn eine Luftströmung von zwanzig Prozent benötigt wird, können die Klappen in jeder Minute zwölf Sekunden lang geöffnet werden. Obwohl die diskrete Klappenbetätigung Perioden mit voller Luftströmung und vollständiger Sperrung der Luftströmung erzeugt, erzeugt sie im Endeffekt eine variable Luftströmung mit dem Sollprozentsatz, der für die speziellen Fahrzeugbedingungen benötigt wird.
  • Der Prozess wiederholt sich, da der Controller 40 die Fahrzeugbetriebsbedingungen kontinuierlich überwacht. Als Folge kann der Controller 40 eine signifikante Veränderung bei den Betriebsbedingungen detektieren, während die Luftströmungsklappen 56 für das Lüftungsgitter durch einen speziellen Zyklus mit prozentualer Öffnungs/Schließ-Zeit laufen. In diesem Fall kann der Controller 40 die prozentualen Öffnungs/Schließ-Zeiten mitten im Zyklus verändern, um diese Veränderung zu berücksichtigen. Das Endergebnis ist daher, dass die Klappen 56 immer noch auf der Grundlage eines Prozentsatzes von Öffnungszeit und eines entsprechenden Prozentsatzes von Schließzeit gesteuert werden, selbst wenn dieser Prozentsatz vor dem Ende des vorherigen Zyklus eine Veränderung benötigt. Auf diese Weise wird eine präzise Luftströmungssteuerung nur mit einem diskreten Klappenstellglied 48 und einer entsprechenden Steuerelektronik erreicht.
  • 3A und 3B sind Graphen, die jeweils eine entsprechende Zeitlinie für die vergangene Zeit (T) in Minuten entlang der horizontalen Achse aufweisen. 3A zeigt die Maschinenkühlmitteltemperatur in Grad Celsius (°C) entlang der vertikalen Achse und 3B zeigt die binäre geöffnete/geschlossene Position des Luftströmungsklappensystems 50 für das Lüftungsgitter, wobei Pegel 0 eine offene Klappenposition ist und Pegel 1 eine geschlossene Klappenposition ist. Zu Beginn wird bei einer leichten Maschinenlastbedingung die Klappenposition in die geschlossene Klappenposition 200 geschaltet. Unter dieser Bedingung mit geschlossenen Klappen steigt die Maschinenkühlmitteltemperatur langsam an. Wenn die Kühllast ansteigt, pulsiert die Klappe mit erhöhter Frequenz 202. Die Maschinenkühlmitteltemperatur tendiert zum Ansteigen und zum Fallen auf der Grundlage der geöffneten oder geschlossenen Klappenposition. Obwohl die Klappen mit zunehmender Frequenz pulsieren können, beruht die Klappenposition zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt auf dem Prozentsatz der diskreten offenen/geschlossenen Klappenposition, der von dem Controller zu diesem Zeitpunkt ermittelt wurde. Bei großer Last bleiben die Klappen geöffnet 204, um die benötigte Kühlkapazität für das Maschinenkühlmittel oder andere Fahrzeugkomponenten, die diese Kühlkapazität benötigen, bereitzustellen.
  • Die gesamte thermische Steuerung kann auch eine Schwellenwerttemperatur des Maschinenkühlmittels aufweisen, bei der der Controller den Kühlventilator der Maschine aktiviert, um die Luftströmung durch das CRFM zu erhöhen. Beispielsweise kann der Maschinenventilator aktiviert werden, wenn das Maschinenkühlmittel einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert überschreitet. Dies trägt weiter zur Fähigkeit bei, eine präzise thermische Steuerung aufrecht zu erhalten.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert sind, erkennen.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern einer Luftströmung durch ein Lüftungsgitter an einer Vorderseite eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) Fahrzeugbetriebsbedingungen detektiert werden; (b) ein Sollprozentsatz an Luftströmung durch das Lüftungsgitter auf der Grundlage der Sollbetriebsbedingungen ermittelt wird; (c) Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter den ermittelten Sollprozentsatz eines vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine geöffnete Position betätigt werden; und (d) die Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter einen verbleibenden Prozentsatz des vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine geschlossene Position betätigt werden; wobei Schritte (c) und (d) ferner dadurch definiert sind, dass das vorbestimmte Zeitintervall mindestens dreißig Sekunden beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner dadurch definiert ist, dass die Fahrzeugbetriebsbedingungen umfassen, dass eine Fahrzeuggeschwindigkeit detektiert wird, und wobei Schritte (c) und (d) ferner dadurch definiert sind, dass die Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter auf der Grundlage des ermittelten Sollprozentsatzes nur betätigt werden, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über einem vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellenwert liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner dadurch definiert ist, dass eine Maschinenkühlmitteltemperatur detektiert wird, und wobei das Verfahren einen Schritt (e) des Aktivierens eines Maschinenventilators enthält, wenn die Maschinenkühlmitteltemperatur über einem vorbestimmten Maschinenkühlmitteltemperaturschwellenwert liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner dadurch definiert ist, dass eine der Fahrzeugbetriebsbedingungen eine Maschinenkühlmitteltemperatur ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner dadurch definiert ist, dass eine der Fahrzeugbetriebsbedingungen ist, ob das Klimaanlagensystem eingeschaltet oder ausgeschaltet ist.
  6. Fahrzeug, das umfasst: ein Vorderende mit einem Lüftungsgitter mit dort hindurch verlaufenden Lüftungsgitteröffnungen; ein Kondensator-, Radiator-, Ventilatormodul, das hinter den Lüftungsgitteröffnungen angeordnet ist; ein Luftströmungsklappensystem für das Lüftungsgitter, das in der Nähe der Lüftungsgitteröffnungen angeordnet ist, welches Klappen enthält, die bewegbar sind, um eine Luftströmung durch die Lüftungsgitteröffnungen hindurch selektiv zu sperren und welches ein diskretes Klappenstellglied enthält, das steuerbar ist, um die Klappen zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zu bewegen; und einen Controller in Verbindung mit dem diskreten Klappenstellglied, um die Klappen zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position zu bewegen, wobei der Controller ausgestaltet ist, um: Fahrzeugbetriebsbedingungen zu detektieren; einen Sollprozentsatz an Luftströmung durch das Lüftungsgitter auf der Grundlage der Sollbetriebsbedingungen zu ermitteln; Luftströmungsklappen für das Lüftungsgitter den ermittelten Sollprozentsatz eines vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine offene Position zu betätigen; und die Luftströmungsklappe für das Lüftungsgitter einen verbleibenden Prozentsatz des vorbestimmten Zeitintervalls lang in eine geschlossene Position zu betätigen; wobei das vorbestimmte Zeitintervall mindestens dreißig Sekunden beträgt.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei die Klappen hinter dem Lüftungsgitter angeordnet sind und das diskrete Klappenstellglied ausgestaltet ist, um die Klappen auf lineare Weise zwischen der offenen und der geschlossenen Position zu bewegen.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 6, das einen Maschinenventilator enthält, der benachbart zum Kondensator-, Radiator-, Ventilatormodul und in Verbindung mit dem Controller angeordnet ist, wobei der Controller ausgestaltet ist, um den Maschinenventilator zu aktivieren, wenn sich die Klappen in einer offenen Position befinden und eine Maschinenkühlmitteltemperatur über einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert liegt.
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