DE102013209236A1 - Motorsystem und verfahren zum betrieb eines motors mit direkteinspritzung - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Motorsystem 5 mit einem direkteingespritzten Motor 20 und einer elektronischen Steuerung 40 offenbart. Der Motor enthält mehrere Zylinder 11, 12, 13, die jeweils eine Brennkammer 30 haben, in die jeweils ein Spitzenteil 61 eines Kraftstoffeinspritzventils 60 ragt. Die Kraftstoffeinspritzventilspitze 61 ist mit einem katalytischen Material 65 beschichtet, und die Steuerung 40 ist zum Betrieb des Motors 20 in einem Heizbetriebsmodus betreibbar, wann immer eine Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils 61 erforderlich ist. Durch Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils 61 werden Kohlenstoffablagerungen, die sich ansonsten darauf ansammeln würden, entfernt. Es werden verschiedene Verfahren zur Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze 61 vorgeschlagen, darunter Betreiben des Motors mit einer reduzierten Anzahl von Zylindern und Ändern des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der eingespritzten Kraftstoffmenge und des Zündzeitpunkts, um die Verbrennungstemperatur zu erhöhen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Motoren mit Direkteinspritzung und insbesondere den Betrieb solch eines Motors auf eine Art und Weise, die Partikelemissionen aus dem Motor auf ein Minimum reduziert.
- Verschiedene gesetzliche und internationale Bestimmungen sind in Kraft oder werden untersucht, um die Erzeugung von Partikeln auf ein Minimum zu reduzieren. Für Benzindirekteinspritzung (GDI – gasoline direct injection) ist es besonders wichtig, ein sehr genaues Strahlbild zu erhalten, um die Erzeugung von Partikeln auf ein Minimum zu reduzieren.
- Ein Problem bei Direkteinspritzung und insbesondere GDI besteht darin, dass sich Ablagerungen auf einem Spitzenteil jedes Kraftstoffeinspritzventils ansammeln, weil dieses dem Verbrennungsprozess ausgesetzt ist.
- Um die erforderlichen genauen Strahlbilder zu erhalten, müssen die Kraftstoffeinspritzventile mit sehr detaillierten Strukturen, wie zum Beispiel scharfen Kanten, hergestellt werden, und diese werden durch die Ansammlungen von Koksablagerungen am Spitzenteil des Kraftstoffeinspritzventils, die zu einer verstärkten Rußerzeugung führen, beeinträchtigt. Die Koksablagerungen basieren im Allgemeinen auf Kohlenstoff und werden als Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses erzeugt.
- Da die Koksablagerungen poröser Natur sind kann Kraftstoff darüber hinaus in der Koksablagerung verweilen und wird dann spät im Verbrennungsprozess verbrannt, was zu der Erzeugung von Ruß führt.
- Zum Reduzieren oder Eliminieren einer solchen Verkokung ist aus der japanischen Patentveröffentlichung
JP-A-59041662 - Die Anmelder haben festgestellt, dass unter normalen Arbeitsbedingungen, wenn der Motor unter Last ist, solch eine katalytische Beschichtung dann dahingehend wirkt, Koksansammlung zu reduzieren und das Entfernen solcher Ablagerungen während des Betriebs des Motors zu erleichtern.
- Es ist jedoch ein Problem, dass das katalytische Material bei leichter Last oder bei sich wiederholenden Stopp-Start-Bedingungen, unter denen sich Verkokung aufgrund der relativ niedrigen Temperatur des Spitzenteils des Kraftstoffeinspritzventils unter solchen Bedingungen bilden kann, nicht sehr effektiv ist.
- Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Motorsystems mit Direkteinspritzung und eines Verfahrens zum Betrieb solch eines Motorsystems, dass die effiziente Verwendung solchen katalytischen Materials unter allen Betriebslasten gewährleistet.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Motorsystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: einen Motor mit Direkteinspritzung, der einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben verschiebbar gestützt wird, um zusammen mit einem Zylinderkopf eine Brennkammer zu bilden, ein Kraftstoffeinspritzventil für den Zylinder mit einem katalytisch beschichteten Spitzenteil, der in die Brennkammer ragt, und eine elektronische Steuerung zum Steuern des Betriebs des Motors, wobei die elektronische Steuerung dazu betreibbar ist, den Motor in einem Heizbetriebsmodus zu betreiben, wenn Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist.
- Wenn keine Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils erforderlich ist, kann die elektronische Steuerung dazu betrieben werden, den Motor in einem Normalbetriebsmodus zu betreiben.
- Eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze kann erforderlich sein, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt.
- Eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze kann erforderlich sein, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt und eine Entkokung der Einspritzventilspitze erforderlich ist.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffmenge umfassen.
- Bei dem Motor kann es sich um einen Mehrzylindermotor handeln. In diesem Fall umfasst der Betrieb des Motors im Heizmodus Verwenden der elektronischen Steuerung zur Deaktivierung mindestens eines der Zylinder des Motors, um die Last jedes noch arbeitenden Zylinders zu vergrößern.
- Die Zylinder des Motors können in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge deaktiviert werden.
- Jeder deaktivierte Zylinder kann zum Pumpen von Luft, während er deaktiviert ist, angeordnet sein.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann unterstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders umfassen, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur und eine oxidierende Umgebung in dem mindestens einen mager betriebenen Zylinder zu fördern.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und magereren Betrieb mindestens eines Zylinders als der mindestens eine überstöchiometrisch betriebene Zylinder umfassen, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur in dem mindestens einen magerer betriebenen Zylinder zu fördern.
- Bei dem Motor kann es sich um einen Motor mit Fremdzündung handeln, und Betrieb des Motors im Heizmodus kann Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung zur Einstellung des Zündzeitpunkts der Zündung nach spät oder nach früh bezüglich einer normalen Steuerzeitstellung umfassen.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildeten Motorsystem bereitgestellt.
- Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung bereitgestellt, wobei jeder Zylinder des Motors ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem katalytisch beschichteten Spitzenteil aufweist, der Verbrennungsprodukten ausgesetzt ist, wobei das Verfahren Betrieb des Motors in einem Heizbetriebsmodus, wenn Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, umfasst.
- Wenn keine Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils erforderlich ist, kann das Verfahren Betrieb des Motors in einem Normalbetriebsmodus umfassen.
- Eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze kann erforderlich sein, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt.
- Eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze kann erforderlich sein, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt und Entkokung des Einspritzventilspitzenteils erforderlich ist.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann Einstellen des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der in jeden arbeitenden Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge umfassen.
- Bei dem Motor kann es sich um einen Mehrzylindermotor handeln. In diesem Fall kann der Betrieb des Motors im Heizmodus Deaktivieren mindestens eines der Zylinder des Motors umfassen, um die Last jedes noch arbeitenden Zylinders zu vergrößern.
- Die Zylinder des Motors können in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge deaktiviert werden.
- Jeder deaktivierte Zylinder kann zum Pumpen von Luft, während er deaktiviert ist, angeordnet sein.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann unterstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders umfassen, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur und eine oxidierende Umgebung in dem mindestens einen mager betriebenen Zylinder zu fördern.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus kann überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und magereren Betrieb mindestens eines Zylinders als der mindestens eine überstöchiometrisch betriebene Zylinder umfassen, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur in dem mindestens einen magerer betriebenen Zylinder zu fördern.
- Bei dem Motor kann es sich um einen Motor mit Fremdzündung handeln, und Betrieb des Motors im Heizmodus kann Einstellung des Zeitpunkts nach spät oder nach früh bezüglich einer normalen Steuerzeitstellung für jeden arbeitenden Zylinder umfassen.
- Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der Zeichnung zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm, das ein Motorsystem gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zeigt; -
2A einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinder eines Reihen-Dreizylindermotors mit Direkteinspritzung, der Teil des Motorsystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bildet; -
2B einen vergrößerten Querschnitt durch einen Spitzenteil eines Kraftstoffeinspritzventils, das in dem in2 gezeigten Motor verwendet wird; -
3 ein detailliertes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Motors mit Direkteinspritzung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. - Besonders auf die
1 ,2A und2B Bezug nehmend, wird ein Kraftfahrzeug1 mit einem Motorsystem5 gezeigt, das einen Dreizylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotor20 mit Direkteinspritzung, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung21 für den Motor20 , eine elektronische Steuerung40 , eine Bedieneranforderungseingabevorrichtung in Form eines Fahrpedals15 und einen zugehörigen Fahrpedalstellungssensor16 umfasst. - Es versteht sich, dass die elektronische Steuerung
40 mehrere miteinander verbundene elektronische Steuerungen, Steuereinheiten oder elektronische Verarbeitungseinrichtungen, wie zum Beispiel eine Zündsteuerung, eine Kraftstoffeinspritzsteuerung und eine Antriebsstrangsteuerung, umfassen kann und der Übersicht halber als eine einzige Einheit gezeigt wird. - Des Weiteren enthält das Motorsystem
5 einen Abgastemperatursensor18 zur Bereitstellung einer Ausgabe, die die Temperatur des in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung21 eintretenden Abgases anzeigen kann, und einen Motordrehzahlsensor31 , der einem Zahnring an einem Schwungrad9 des Motors20 zugeordnet ist. - Es versteht sich, dass andere Mittel zum Messen der Motordrehzahl verwendet werden könnten und dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Zahnrings und eines Motordrehzahlsensors beschränkt ist. Weiterhin versteht sich, dass die Abgastemperatur modelliert werden könnte und nicht gemessen zu werden bräuchte.
- Der Motor
20 umfasst in diesem Fall drei Zylinder11 ,12 und13 , die in einer Reihe angeordnet sind, wodurch es zwei äußere Zylinder11 ,13 und einen mittleren Zylinder12 , der zwischen den beiden äußeren Zylindern11 ,13 angeordnet ist, gibt. - Ein Abgaskrümmer
6 leitet den Motor20 verlassendes Abgas durch eine Auslassleitung7 zu der Nachbehandlungsvorrichtung21 , und ein Endrohr8 leitet Abgas von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung21 an die Atmosphäre, wie durch den Pfeil 'E' gezeigt. Es versteht sich, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung20 einer beliebigen, bekannten Art sein kann, die zur Reduzierung der Emissionen aus dem Motor20 geeignet ist, und dass mehr als eine Art von Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit der Auslassleitung7 verbunden sein kann. Weiterhin versteht sich, dass eine oder mehrere Vorrichtungen zur Reduzierung von Auslassgeräuschen in dem Endrohr8 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung oder -vorrichtungen21 angebracht sein kann/können. - Ein Einlasskrümmer
17 leitet Luft von der Atmosphäre (in1 nicht gezeigt) in den Motor20 . In einigen Fällen kann die in den Einlasskrümmer17 eintretende Luft einen erhöhten Druck aufweisen, wenn ein Turbolader oder eine andere Form von Einlassluftaufladeeinrichtung am Motor20 angebracht ist. - Die Stellung des Fahrpedals
15 wird durch den Fahrpedalstellungssensor16 erfasst, und die Ausgabe aus dem Sensor16 wird als Eingabe in die elektronische Steuerung40 zugeführt, wo sie verarbeitet wird, um eine Anzeige der Bedienermotordrehmomentanforderung bereitzustellen. - Die Ausgabe aus dem Motordrehzahlsensor
31 wird durch die elektronische Steuerung40 als eine Anzeige für die Istmotordrehzahl verwendet. -
2A ist ein Querschnitt eines der Zylinder11 oder12 oder13 des Motors20 , der den Aufbau des Motors20 ausführlicher zeigt. - Der Motor
20 enthält einen Motorblock22 mit in diesem Fall drei Zylinderbohrungen24 , die die Zylinder11 ,12 ,13 definieren. Jeder Zylinder11 ,12 ,13 hat eine jeweilige Brennkammer30 und jede Brennkammer30 wird durch einen Zylinderkopf28 des Motors20 , die jeweilige Zylinderbohrung24 und einen jeweiligen Kolben10 definiert. - Jeder Kolben
10 wird durch eine jeweilige Zylinderbohrung24 entlang einer Längsachse42 des jeweiligen Zylinders11 ,12 und13 verschiebbar gestützt. Jeder Kolben10 ist zur Hin- und Herbewegung in seiner jeweiligen Zylinderbohrung24 angeordnet und ist durch eine (nicht gezeigte) Verbindungstange auf herkömmliche Weise mit einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle gekoppelt. Jeder Kolben10 enthält ein gewölbtes oberes Ende mit einer darin ausgebildeten Verbrennungsmulde14 , um eine gewünschte Luft-Kraftstoff-Gemischwolkenbildung zu erzeugen. - Der Zylinderkopf
28 enthält verschiedene Auslasskanäle46 und Einlasskanäle48 , um Gas von den 3 Zylindern11 ,12 und13 einzulassen und abzuführen. Bei der offenbarten Ausführungsform enthält jeder Zylinder11 ,12 und13 zwei Einlasskanäle48 und zwei Auslasskanäle46 (wobei nur jeweils einer davon in2A gezeigt wird). Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass alternative Konfigurationen eine andere Anzahl von Einlasskanälen und Auslasskanälen haben könnten. - Jede Brennkammer
30 enthält ein Einlassventil50 für jeden Einlasskanal48 und ein Auslassventil52 für jeden Auslasskanal46 . Jedes Einlassventil50 koppelt die jeweilige Brennkammer30 gezielt mit dem zugehörigen Einlasskrümmer17 (in2A nicht gezeigt). Analog dazu koppelt jedes Auslassventil52 die jeweilige Brennkammer30 mit dem zugehörigen Auslasskrümmer6 (in2A nicht gezeigt). - Es versteht sich, dass der Einlasskrümmer
17 und/oder der Auslasskrümmer6 in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung integral mit dem Zylinderkopf28 ausgebildet sein kann/können oder getrennte Komponenten sein können. - Die Einlassventile
50 und die Auslassventile52 des Motors20 können unter Verwendung einer beliebigen Anzahl bekannter Strategien, einschließlich einer herkömmlichen Nockenwellenanordnung, variabler Nockenwellenverstellung und/oder variabler Anordnungen, oder durch Verwendung von zum Beispiel elektromagnetischen Ventilaktoren, betätigt werden. - Jede Brennkammer
30 enthält weiterhin eine Zündquelle, die in diesem Fall in Form einer jeweiligen Zündkerze62 , die sich durch ein Dach des jeweiligen Zylinders11 ,12 und13 erstreckt, vorliegt. - Des Weiteren enthält jede Brennkammer
30 ein zugehöriges Kraftstoffeinspritzventil60 , das im Zylinderkopf28 angebracht ist. Jedes Kraftstoffeinspritzventil60 hat einen Spitzenteil61 , der in der jeweiligen Brennkammer30 positioniert ist und der im Gebrauch Verbrennungsprodukten ausgesetzt ist. Bei einem seitenmontierten Kraftstoffeinspritzungsventil60 , wie gezeigt, ist eine Längsachse jedes Kraftstoffeinspritzventils60 in einem Winkel bezüglich der Zylinderlängsachse42 des jeweiligen Zylinders11 ,12 und13 angeordnet, und dieser Winkel hängt von der besonderen Anwendung und Implementierung ab. Es versteht sich, dass das Kraftstoffeinspritzventil60 nicht seitenmontiert sein muss und oben montiert sein kann, um nach unten zu sprühen, anstatt seitenmontiert zu sein, und dass die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Kraftstoffeinspritzventilposition oder – ausrichtung beschränkt ist. - Jeder Spitzenteil
61 enthält mindestens einen Durchlass, ein Loch oder eine Düse, durch das bzw. die im Gebrauch Kraftstoff in die jeweilige Brennkammer30 eingespritzt wird. In diesem Fall weist jeder Spitzenteil61 acht Durchlässe64 auf, die im aktivierten Zustand acht kegelförmige Kraftstoffstrahlen in die jeweilige Brennkammer30 erzeugen. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Mehrloch-Einspritzventilkonfiguration beschränkt ist und dass auch andere Einspritzventilkonfigurationen, wie zum Beispiel eine sich nach außen öffnende Ventilkonfiguration wie beispielsweise das in der veröffentlichten europäischen PatentanmeldungEP-A-1854995 gezeigte Einspritzventil, von der Verwendung der vorliegenden Erfindung profitieren könnten. - Jeder Spitzenteil
61 weist eine darauf aufgebrachte katalytische Beschichtung65 auf, um die Ansammlung von auf Kohlenstoff basierenden Ablagerungen, die oftmals als Koks auf dem Spitzenteil61 bezeichnet werden, auf ein Minimum zu reduzieren. In diesem Fall ist die katalytische Beschichtung65 nur auf einer Endfläche des Spitzenteils61 aufgebracht, aber bei anderen Ausführungsformen könnte auch eine andere Beschichtungsanordnung verwendet werden. - Im Betrieb spritzt jedes Kraftstoffeinspritzventil
60 als Reaktion auf ein oder mehrere durch die Motorsteuerung40 erzeugte entsprechende Kraftstoffeinspritzsignale60a Kraftstoff im Wesentlichen gleichzeitig durch Durchlässe64 direkt in die jeweilige Brennkammer30 , um ein gewünschtes Kraftstoffstrahlbild zu erzeugen. Die Kraftstoffeinspritzventile werden mittels einer Druckleitung (in Figur nicht dargestellt) mit Kraftstoff versorgt. - Deshalb umfasst das Motorsystem
5 in diesem Fall einen Dreizylindermotor20 mit Direkteinspritzung, der drei Zylinder11 ,12 und13 aufweist, in denen jeweils ein jeweiliger Kolben10 verschiebbar gestützt wird, um zusammen mit dem Zylinderkopf28 eine Brennkammer30 zu bilden. Jeder Zylinder11 ,12 ,13 weist ein jeweiliges Kraftstoffeinspritzventil60 mit einem katalytisch beschichteten Spitzenteil61 auf, das sich durch die Zylinderwand22 des jeweiligen Zylinders11 ,12 und13 erstreckt, um so in die Brennkammer30 zu ragen. - Die elektronische Steuerung
40 ist dazu angeordnet, den Betrieb des Motors20 zu steuern, und kann den Motor20 in einem Normalbetriebsmodus und/oder einem Heizbetriebsmodus betreiben. - Im Normalbetriebsmodus wird der Motor
20 dazu betrieben, durch einen Bediener gestellte Drehmomentanforderungen zu erfüllen, wie durch die Stellung des Gaspedals15 angezeigt. Bei Betrieb im Normalbetriebsmodus sind die Zeitsteuerung und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs derart, wie zur Erfüllung der erwünschten Drehmomentanforderung auf effiziente Weise erforderlich, ohne hohe Abgasemissionspegel zu erzeugen. Ebenso ist der Zündzeitpunkt auf eine normale Position eingestellt, um eine effiziente Verbrennung in den jeweiligen Brennkammern30 des Motors20 zu erzeugen. - Wenn der Motor
20 unter Niedriglastbedingungen, wie zum Beispiel Leerlauf im Verkehr, arbeitet oder sich das Fahrzeug1 mit geringer Geschwindigkeit bewegt, die sehr wenig Drehmomentabgabe erfordert, oder wiederholtem und häufigem Stoppen und Starten unterliegt, neigt die Temperatur der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteile61 der jeweiligen Kraftstoffeinspritzventile60 dazu, auf eine Temperatur zu fallen, die der des umgebenden Materials des Motors20 , die in der Regel in einem Bereich von 100°C liegt, ähnelt. Da das katalytische Material, mit dem der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteil61 beschichtet ist, nur über einer Anspringtemperatur, die in diesem Fall 200°C beträgt, effektiv arbeitet, erzeugt Betrieb unter dieser Anspringtemperatur eine geringe oder gar keine günstige katalytische Wirkung, wodurch es zu Verkoken kommen kann. Es versteht sich, dass die Istanspringtemperatur von der Zusammensetzung des katalytischen Materials abhängig ist und dass 200°C nur beispielhaft angegeben sind. - Die elektronische Steuerung
40 kann deshalb dazu betrieben werden, zu bestimmen, ob eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze61 erforderlich ist, und wenn die Erwärmung erforderlich ist, den Motor20 im Heizbetriebsmodus zu betreiben. - Die elektronische Steuerung
40 kann durch Verwendung einer Direktmessung der Temperatur und durch Vergleich der gemessenen Temperatur mit einem Niedrigtemperaturgrenzwert, wie zum Beispiel 200°C, bestimmen, ob Erwärmung erforderlich ist. In diesem Fall müsste ein Temperatursensor an jedem der Kraftstoffeinspritzventile60 positioniert werden, und die Ausgabe aus den jeweiligen Temperatursensoren würde von der elektronischen Steuerung40 empfangen und mit der Niedrigtemperaturgrenze verglichen werden, wie oben besprochen. Es liegt auf der Hand, dass die Temperatur der Spitzenteile61 nicht tatsächlich gemessen werden müsste; es wäre möglich, die Temperatur nahe den Spitzenteilen61 zu messen und dann experimentell erzeugte Konvertierungen zu verwenden, die in einer Nachschlagtabelle in der elektronischen Steuerung40 gespeichert werden könnten oder in Form einer ausführbaren Gleichung zur Umwandlung der gemessenen Temperatur in die Spitzenteiltemperatur vorliegen könnten. - Als weitere Option könnte die Temperatur auf Grundlage verschiedener Motorsensoren, wie zum Beispiel die Motorkühlmitteltemperatur, die Zylinderkopftemperatur, die Motordrehzahl, die Motorlast oder der Zündzeitpunkt, modelliert werden, wodurch Schätzungen für die Verbrennungstemperatur und/oder die Abgastemperatur bereitgestellt werden könnten, anhand derer abgeleitet werden könnte, wann Erwärmung der Spitzenteile erforderlich ist.
- Als Alternative zur Direkttemperaturmessung oder modellierten Temperatur könnte die Temperatur der Spitzenteile
61 von dem Tastverhältnis des Motors20 abgeleitet werden. Das heißt, die Drehzahl des Motors20 und die Drehmomentanforderung vom Gaspedal oder andere Verbrennungsvariablen, wie zum Beispiel Luftladung, Zündzeitpunkt, Einlasslufttemperatur und Nockensteuerung, könnten zur Bestimmung verwendet werden, wenn die Motorbetriebsbedingungen so sind, dass eine Erwärmung der Einspritzventilspitzen61 wahrscheinlich erforderlich ist, damit das katalytische Material effektiv arbeiten kann. - Neben dem Obigen basiert die Planung des Heizmodus möglicherweise nicht allein auf der Temperatur der Spitzenteile
61 , sondern auf einem Anlagerungsmodell. Das heißt, es kann vorkommen, dass der Heizmodus nicht jedes Mal verwendet wird, wenn die Temperatur der Spitzenteile61 als unter der Anspringtemperatur liegend gemessen oder geschätzt wird; es kann sein, dass der Heizmodus nur dann eingesetzt wird, wenn die Temperatur der Spitzenteile61 als unter der Anspringtemperatur liegend gemessen oder geschätzt wird und die anhand eines Anlagerungsmodells vorhergesagte Koksansammlung schätzungsgemäß wahrscheinlich das Kraftstoffstrahlbild bedeutend und nachteilig beeinflusst. - Wann immer keine Erwärmung der Einspritzventilspitzenteile
61 erforderlich ist, ist die elektronische Steuerung40 dazu betreibbar, den Motor20 in dem oben besprochenen Normalbetriebsmodus zu betreiben. - Es können mehrere Verfahren verwendet werden, um die Temperatur der Spitzenteile
61 zu erhöhen. - In einem ersten Lösungsansatz umfasst der Betrieb des Motors im Heizmodus Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung
40 zur Einstellung des Zündzeitpunkts nach spät oder nach früh bezüglich der normalen Steuerzeitstellung. Der erste Lösungsansatz basiert deshalb auf Zündzeitpunkteinstellung von der optimalen Steuerzeit weg, um das beste Drehmoment zu erreichen. Diese Einstellung beeinflusst den Luft- und Kraftstoffmassenstrom durch den Motor20 und die Gastemperaturen während des Verbrennungsprozesses. - Durch Verwendung von Zündzeitpunktverstellung nach spät wird der Massenstrom erhöht und kann die in der Brennkammer verbrauchte Gesamtenergie erhöht werden, jedoch neigt Zündzeitpunktverstellung nach spät dazu, die Spitzentemperatur und den Spitzendruck zu senken. Extreme Ausmaße von Zündzeitpunktverstellung nach spät können durch Einspritzung eines bestimmten Teils des Kraftstoffs synchron mit dem Funkenzündungsereignis zur Erzeugung einer stabilen Zündung erleichtert werden.
- Durch Verwendung von Zündzeitpunktverstellung nach früh, das heißt einer weiter nach früh verstellten Zündzeitpunkteinstellung als der Zeitpunkt für das beste Drehmoment, werden der Massenstrom sowie die Verbrennungstemperatur und der Druck erhöht. Somit ist es wahrscheinlicher, dass Zündzeitpunktverstellung nach früh eine schnelle Wärmezunahme an den Einspritzventilspitzenteilen
61 fördert, da mehr Energie in der Brennkammer verbraucht wird, während bei Zündzeitpunktverstellung nach spät die Tendenz besteht, dass überschüssige Energie aus der Brennkammer30 ausgestoßen wird und die Temperatur der zu der (den) Nachbehandlungsvorrichtung(en)21 strömenden Abgase erhöht wird. Deshalb kann Zündzeitpunktverstellung nach spät nützlich sein, wenn der Motor20 aus dem kalten Zustand gestartet wird, und Zündzeitpunktverstellung nach früh kann günstiger sein, wenn der Motor20 eine Zeit lang betrieben worden ist und die Nachbehandlungsvorrichtung(en)21 effizienter arbeitet (arbeiten). - Wenn große Ausmaße von Zündzeitpunktverstellung nach früh verwendet werden, dann können die Verbrennungsstabilität und Zufuhrgasemissionen durch Einstellung eines bestimmten Teils des Kraftstoffeinspritzungsereignisses im Einklang mit dem Zündereignis verbessert werden.
- Der Betrieb des Motors im Heizmodus könnte auch Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung
40 zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und der in jede Brennkammer30 eingespritzten Kraftstoffmenge umfassen. - Zum Beispiel würde magerer Betrieb eines Zylinders, während andere zum Ausgleich fett betrieben werden, stöchiometrischen Betrieb im Auslass (gut für Nachbehandlung) aufrechterhalten, aber die Temperatur im Zylinder, in dem Entkokung erfolgt, erhöhen. Es versteht sich, dass durch einen leicht mageren Betrieb eines Zylinders die Verbrennungstemperatur in dem Zylinder erhöht wird und eine oxidierende Umgebung geschaffen wird. Bei einem Einzylindermotor könnte der Zylinder zwischen mager und fett variiert werden, so dass das durchschnittliche Abgas über die Zeit stöchiometrisch ist. Dadurch würde stöchiometrischer Betrieb im Auslass (gut für Nachbehandlung) gehalten werden, aber die Temperatur in dem Zylinder, in dem Entkokung erfolgt, erhöht werden. Solch eine Technik würde jedoch zur Vermeidung von Pumpen Drehmomentausgleich erfordern. Drehmomentausgleich könnte bei einem Motor mit Fremdzündung über Zündzeitpunkteinstellung erreicht werden.
- Bei einem zweiten Lösungsansatz, der nur auf Motoren mit mehr als einem Zylinder, wie zum Beispiel Mehrzylindermotoren, anwendbar ist, kann eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteile
61 durch gezieltes Deaktivieren eines oder mehrerer Zylinder des Motors20 erreicht werden. Deshalb umfasst Betrieb des Motors20 im Heizmodus Verwendung der elektronischen Steuerung40 zur Deaktivierung mindestens eines Zylinders11 ,12 und13 des Motors20 , um die Last jedes noch arbeitenden Zylinders11 ,12 und13 zu vergrößern. - Die Zylinder
11 ,12 und13 des Motors20 werden in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge, die von der Zündfolge der Zylinder11 ,12 ,13 abhängig ist, deaktiviert, um Drehmomentschwankungen auf ein Minimum zu reduzieren. Es versteht sich, dass bei Motoren mit mehr als zwei Zylindern mehr als ein Zylinder gleichzeitig deaktiviert werden können, um die Last an den im Betrieb verbleibenden Zylindern weiter zu erhöhen. - Bei dem beispielhaft hier bereitgestellten Dreizylindermotor
20 werden die Zylinder11 ,12 ,13 in der Reihenfolge11 ,12 ,13 ;11 ,12 ,13 und so weiter jeweils einzeln deaktiviert. Der deaktivierte Zylinder kann für eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen des Motors20 deaktiviert bleiben oder kann solange deaktiviert bleiben, bis die katalytischen Beschichtungen65 auf den jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilspitzenteilen61 der arbeitenden Zylinder ausreichend erwärmt worden sind, um sie zu aktivieren. - Es versteht sich, dass, wenn ein deaktivierter Zylinder
11 ,12 ,13 erneut aktiviert wird, sich die schnelle Erwärmung günstig auf das Lösen oder Entfernen jeglicher Koksablagerungen, die sich auf den jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilspitzenteilen61 angesammelt haben, auswirkt. Die mit einem Deaktivierungsereignis in Verbindung stehende Kühlung kann sich auch positiv auf das Lösen von Koksablagerung auswirken. - Vorzugsweise ist jeder deaktivierte Zylinder
11 ,12 ,13 dazu angeordnet, Luft zu pumpen, während er deaktiviert ist, was dadurch erreicht werden kann, dass dem jeweiligen deaktivierten Zylinder11 ,12 ,13 einfach kein Kraftstoff zugeführt wird. - Es versteht sich, dass die Verwendung von Zündeinstellung auch auf die nicht deaktivierten Zylinder
11 ,12 ,13 angewandt werden könnte, so dass zum Beispiel die noch arbeitenden Zylinder durch Verwendung einer nach früh oder nach spät verstellten Zündzeitpunkteinstellung betrieben werden könnten. - Nunmehr insbesondere auf
3 Bezug nehmend, wird ein Verfahren100 gezeigt, dass durch die elektronische Steuerung40 verwendet wird, um den Betrieb des Motors20 zu steuern. - Das Verfahren
100 startet bei Schritt110 , der ein Motorbetriebsereignis für das Fahrzeug1 ist. Das heißt, das Verfahren startet, wenn der Motor20 läuft. - Das Verfahren
100 geht dann zu Schritt120 weiter, wenn ermittelt ist, ob eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteile61 erforderlich ist. Wie oben besprochen, kann dies auf Temperaturmessung oder -modellierung basieren oder kann vom Tastverhältnis des Motors20 abgeleitet werden. - Wenn bestimmt wird, dass keine Erwärmung erforderlich ist, dann geht das Verfahren
100 zu Schritt135 weiter, wo ein Normalmotorbetriebsmodus verwendet wird, um den Betrieb des Motors20 zu steuern. Das heißt, die Zündzeitpunkteinstellung und Kraftstoffzufuhr sind so, wie zur Erfüllung der erwünschten Drehmomentanforderung auf effiziente und emissionsarme Weise erforderlich. - Dann geht das Verfahren von Schritt
135 zu Schritt140 über, wo ermittelt wird, ob der Motor20 noch läuft. Wenn der Motor20 nicht läuft, dann endet das Verfahren bei Schritt200 , ansonsten kehrt es aber zu Schritt120 zurück, um erneut zu überprüfen, ob Erwärmung erforderlich ist. - Erneut auf Schritt
120 Bezug nehmend, geht das Verfahren100 , wenn Erwärmung erforderlich ist, zu Schritt130 über, wo die elektronische Steuerung40 den Motor20 in einem Heizbetriebsmodus betreibt. Im Heizbetriebsmodus werden, wie oben besprochen, verschiedene Techniken eingesetzt, um die Temperatur der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteile61 von ihrer Isttemperatur auf eine Temperatur zu erhöhen, auf der die katalytische Beschichtung65 , die auf jeden der Kraftstoffeinspritzventilspitzenteile61 aufgebracht ist, aktiviert ist, um das Entfernen von Koks von den Kraftstoffeinspritzventilspitzenteilen61 zu unterstützen. - Wie zuvor erwähnt basiert die Planung des Heizmodus möglicherweise nicht allein auf der Temperatur der Spitzenteile
61 , sondern auf einem Anlagerungsmodell. In solch einem Fall würde der Verfahrensschritt120 durch einen Schritt ersetzt werden, in dem eine Kombination aus Temperatur und einem vordefinierten Anlagerungsausmaß aus einem Anlagerungsmodell vorhanden sein müssten, damit in den Heizmodus eingetreten werden kann. - Zum Beispiel könnte der Schritt
120 die folgende Form annehmen: –
Wenn Ttip < Tlight-off UND A > Alimit, dann in den Heizmodus eintreten;
SONST Normalmodus verwenden,
wobei: –
Ttip = Messung oder Schätzung der Einspritzventilspitzenteiltemperatur;
Tlight-off = Anspringtemperatur von katalytischem Material;
A = geschätzte Anlagerung aus Anlagerungsmodell; und
Alimit = Anlagerungsausmaß, über dem eine bedeutende nachteilige Auswirkung auf das Strahlbild erwartet werden kann. - Als weitere Alternativen könnte der Schritt
120 durch eine Kombination aus Einspritzventilspitzenteiltemperatur und der Zeit seit Erfolgen des letzten Entkokungsereignisses ersetzt werden, oder die Zeit könnte eine variable Zeitgrenze sein, die auf einem aus einem Anlagerungsmodell vorhergesagten Koksansammlungsausmaß basiert. - Wie oben besprochen, kann der Heizmodus Zündzeitpunkte verwenden, die bezüglich des Zündzeitpunkts, der im Normalbetriebsmodus verwendet werden würde, nach früh oder nach spät verstellt sind, und kann Einstellung der Zeitsteuerung des eingespritzten Kraftstoffs und/oder der eingespritzten Kraftstoffmenge umfassen.
- Als Alternative zu oder in Kombination mit solchen Lösungsansätzen, kann die elektronische Steuerung
40 bei einem Mehrzylindermotor den Motor20 durch Deaktivieren mindestens eines der Zylinder11 ,12 ,13 des Motors20 im Heizmodus betreiben, um die Last der noch arbeitenden Zylinder11 ,12 ,13 zu erhöhen. Wie oben erwähnt, werden die Zylinder11 ,12 ,13 des Motors20 in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge deaktiviert, und jeder nicht deaktivierte Zylinder11 ,12 , wird überstöchiometrisch betrieben, um eine oxidierende Umgebung in dem jeweiligen Zylinder11 ,12 ,13 zu erzeugen. Vorzugsweise ist jeder deaktivierte Zylinder11 ,12 ,13 zum Pumpen von Luft, während er deaktiviert ist, angeordnet. - Dann geht das Verfahren von Schritt
130 zu Schritt140 über, wo ermittelt wird, ob der Motor20 noch läuft. Wenn der Motor20 nicht läuft, dann endet das Verfahren bei Schritt200 , kehrt ansonsten aber zu Schritt120 zurück, um erneut zu überprüfen, ob Erwärmung erforderlich ist. - Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf einen Dreizylindermotor mit Benzindirekteinspritzung beispielhaft beschrieben worden ist, versteht sich, dass sie nicht auf Verwendung mit solch einem Motor beschränkt ist und auch auf Motoren angewandt werden könnte, die eine andere Anzahl von Zylindern aufweisen.
- Sie könnte auch auf Motoren mit Direkteinspritzung angewandt werden, die andere Kraftstoffarten verwenden.
- Bei einem Direkteinspritzmotor (Dieselmotor) versteht sich, dass der Einspritzzeitpunkt dazu verwendet werden kann, die Verbrennungstemperatur zu erhöhen, anstatt den Zündzeitpunkt zu ändern. Bei einem Dieselmotorbetrieb ist leichte Überstöchiometrie normal, und somit kann in diesem Fall Erwärmung durch Normalbetrieb mindestens eines Zylinders, das heißt überstöchiometrischen Betrieb und magereren Betrieb mindestens eines Zylinders als der mindestens eine überstöchiometrisch betriebene Zylinder, verbessert werden, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur in dem mindestens einen magerer betriebenen Zylinder zu fördern.
- Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung zwar unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft beschrieben worden ist, sie aber nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass alternative Ausführungsformen ausgebildet werden könnten, ohne von dem in den angehängten Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
- 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
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- JP 59041662 A [0006]
- EP 1854995 A [0056]
Claims (28)
- Motorsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor mit Direkteinspritzung, der einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben verschiebbar gestützt wird, um zusammen mit einem Zylinderkopf eine Brennkammer zu bilden, ein Kraftstoffeinspritzventil für den Zylinder mit einem katalytisch beschichteten Spitzenteil, der in die Brennkammer ragt, und eine elektronische Steuerung zum Steuern des Betriebs des Motors, wobei die elektronische Steuerung dazu betreibbar ist, den Motor in einem Heizbetriebsmodus zu betreiben, wenn Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist.
- Motorsystem nach Anspruch 1, wobei, wenn keine Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils erforderlich ist, die elektronische Steuerung dazu betrieben werden kann, den Motor in einem Normalbetriebsmodus zu betreiben.
- Motorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt.
- Motorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt und eine Entkokung der Einspritzventilspitze erforderlich ist.
- Motorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffmenge umfasst.
- Motorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei dem Motor um einen Mehrzylindermotor handeln kann.
- Motorsystem nach Anspruch 6, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus Verwenden der elektronischen Steuerung zur Deaktivierung mindestens eines der Zylinder des Motors, um die Last jedes noch arbeitenden Zylinders zu vergrößern, umfasst.
- Motorsystem nach Anspruch 7, wobei die Zylinder des Motors in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge deaktiviert werden.
- Motorsystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder deaktivierte Zylinder zum Pumpen von Luft, während er deaktiviert ist, angeordnet ist.
- Motorsystem nach Anspruch 6, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus unterstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders umfasst, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur und eine oxidierende Umgebung in dem mindestens einen mager betriebenen Zylinder zu fördern.
- Motorsystem nach Anspruch 6, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und magereren Betrieb mindestens eines Zylinders als der mindestens eine überstöchiometrisch betriebene Zylinder umfasst, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur in dem mindestens einen magerer betriebenen Zylinder zu fördern.
- Motorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Motor um einen Motor mit Fremdzündung handelt und Betrieb des Motors im Heizmodus Erhöhen der Verbrennungstemperatur durch Verwendung der elektronischen Steuerung zur Einstellung des Zeitpunkts der Zündung nach spät oder nach früh bezüglich einer normalen Steuerzeitstellung umfasst.
- Kraftfahrzeug mit einem Motorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
- Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, wobei jeder Zylinder des Motors ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem katalytisch beschichteten Spitzenteil aufweist, das Verbrennungsprodukten ausgesetzt ist, wobei das Verfahren Betrieb des Motors in einem Heizbetriebsmodus, wenn Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei, wenn keine Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventilspitzenteils erforderlich ist, das Verfahren Betrieb des Motors in einem Normalbetriebsmodus umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt.
- Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Erwärmung der Kraftstoffeinspritzventilspitze erforderlich ist, wenn die Temperatur des katalytisch beschichteten Spitzenteils unter einer Anspringtemperatur des katalytischen Materials liegt und Entkokung der Einspritzventilspitze erforderlich ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus Einstellen des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der in jeden arbeitenden Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge umfasst.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei es sich bei dem Motor um einen Mehrzylindermotor handelt.
- Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus Deaktivieren mindestens eines der Zylinder des Motors umfasst, um die Last jedes noch arbeitenden Zylinders zu vergrößern.
- Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Zylinder des Motors in einer vorbestimmten sequenziellen Reihenfolge deaktiviert werden.
- Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei jeder deaktivierte Zylinder zum Pumpen von Luft, während er deaktiviert ist, angeordnet ist.
- Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus unterstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders umfasst, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur und eine oxidierende Umgebung in dem mindestens einen mager betriebenen Zylinder zu fördern.
- Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Betrieb des Motors im Heizmodus überstöchiometrischen Betrieb mindestens eines Zylinders und magereren Betrieb mindestens eines Zylinders als der mindestens eine überstöchiometrisch betriebene Zylinder umfasst, um eine erhöhte Verbrennungstemperatur in dem mindestens einen magerer betriebenen Zylinder zu fördern.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei es sich bei dem Motor um einen Motor mit Fremdzündung handelt und Betrieb des Motors im Heizmodus Einstellung des Zündzeitpunkts nach spät oder nach früh bezüglich einer normalen Steuerzeitstellung für jeden arbeitenden Zylinder umfasst.
- Motorsystem, im Wesentlichen wie hier unter Bezugnahme auf die
1 und2 der beigefügten Zeichnung beschrieben. - Motorsystem, im Wesentlichen wie hier unter Bezugnahme auf
1 der beigefügten Zeichnung beschrieben. - Verfahren, im Wesentlichen wie unter Bezugnahme auf
3 der beigefügten Zeichnung beschrieben.
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