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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phlegmatisierung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie einen Datenträger, der dieses Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Der Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen wird in der Regel an stationären Betriebspunkten optimiert. Für Lastwechsel werden gesonderte Funktionen eingesetzt, die den Übergang möglichst optimal bezüglich des Kraftstoffverbrauchs, Abgasemissionen und Ruckelverhalten darstellen sollen. Diese Übergangsfunktionen müssen verschiedenste Effekte berücksichtigen und führen in der Regel zu einem suboptimalen Verhalten dieser Kriterien.
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Ein Aspekt bei Lastwechselvorgängen von Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung ist die sogenannte Überkompensation. Hierbei wird versucht, den Kraftstoffwandfilmaufbau bzw. -abbau bei Lastwechseln zu kompensieren. Auch alle anderen Effekte bezüglich Gemischfehlern werden während dynamischer Lastwechsel korrigiert. Theoretisch müsste die Kraftstoffmenge, die bei positiven Lastwechseln zur Kompensation des Wandfilmaufbaus eingespritzt wird, bei negativen Lastwechseln durch die Verringerung der Einspritzmenge wieder eingespart werden. In der Praxis wird aber in den meisten Fällen bei positiven Lastwechseln der Wandfilmaufbau unter anderem aus Fahrkomfortgründen überkompensiert. Darüber hinaus kann sogar bei kompletter Abschaltung der Einspritzung nicht immer der komplette Wandfilmabbau bei negativen Lastwechseln kompensiert werden. Außerdem wird bei hoher Lastdynamik zusätzlich noch die Lambdaregelung des Motors ausgeschaltet und die Einstellung des Luftkraftstoffgemischs gesteuert. Insofern kann die Überkompensation als eine dynamische Vorsteuerung angesehen werden.
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Ein weiterer Aspekt bei Lastwechselvorgängen ist die Vermeidung von Längsruckelschwingungen. Hierbei wird neben einer Formung eines Solldrehmoments des Motors, d.h. einer Festlegung auf eine Begrenzung und auf eine bestimmte Form, zur Vermeidung der Schwingung zusätzlich eine aktive Ruckeldämpfung vorgesehen. Die Ruckeldämpfung prägt ein zur Schwingung gegenphasiges Drehmoment auf. Dies wird bei Ottomotoren durch das Zündwinkelmoment erreicht. Damit dies in beide Richtungen möglich ist, wird mit einer leichten Zündwinkelverschlechterung gefahren. Dies ist nachteilig für den Kraftstoffverbrauch des Motors.
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Die Vermeidung der hochdynamischen Übergänge eines Verbrennungsmotors wird als Phlegmatisierung bezeichnet.
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Offenbarung der Erfindung
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Phlegmatisierung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs erfolgt eine Aktivierung einer Phlegmatisierungsfunktion der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von gemäß prädiktiver Daten zu erwartenden Lastwechselvorgängen der Verbrennungskraftmaschine. Hierdurch werden die bekannten Verbrauchsnachteile in dynamischen Übergängen einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine mit Benzinsaugrohreinspritzung in einem Hybridsystem minimiert.
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Es ist bevorzugt, dass die prädiktiven Daten einem Navigationssystem eines Kraftfahrzeugs entnommen werden. Aus dem Navigationssystem kann die zu erwartende Strecke übertragen und auf Basis von Informationen, wie Verkehrszeichen, Ortsschildern und Fahrwiderständen, insbesondere Rollreibungen, Hangabtriebskräften, Windkräften und Beschleunigungswiderständen, können zunächst das zu erwartende Lastprofil der Verbrennungskraftmaschine und basierend darauf relevante zu erwartende Lastwechselvorgänge präzidiert werden.
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Während das Navigationssystem „statische“ Informationen wie Verkehrszeichen und/oder Streckentopologie, die sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit im Verlauf der Fahrt nicht ändern werden, zur Verfügung stellt, befindet sich das Kraftfahrzeug aber während seiner Fahrt in einem Verkehrsfluss, sodass eher zufällige Ereignisse, wie das Erscheinen und das Verhalten anderer Verkehrsteilnehmer zu weiteren Phlegmatisierungsereignissen führen können. Es ist daher besonders bevorzugt, dass die prädiktiven Daten zusätzlich aus Sensordaten einer Umfelderkennung des Kraftfahrzeugs ermittelt werden. Bei diesen Sensordaten kann es sich beispielsweise um Daten eines Radars oder um Kameradaten handeln.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die zu erwartenden Lastwechselvorgänge der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einem Fahrermodell ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, da in Abhängigkeit des Fahrers des Kraftfahrzeugs nicht jede Laständerung in einer Phlegmatisierungsanforderung mündet. Denn ein energiebewusster Fahrer löst per se keine Phlegmatisierungsereignisse aus. Für auf Basis des Fahrermodells erkannte Phlegmatisierungsereignisse kann entschieden werden, welche potentiellen Phlegmatisierungsereignisse auch tatsächlich phlegmatisiert werden sollen und mit welcher Rampensteigung dies erfolgt.
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Wenn das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug ist, ist es bevorzugt, dass die Aktivierung der Phlegmatisierungsfunktion der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Ladung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgt. Besonders bevorzugt ist in der Betriebsstrategie für die Phlegmatisierung die Möglichkeit vorgesehen, die Rampensteigung der Verbrennungskraftmaschine weiter abzuflachen, um damit beispielsweise mehr elektrische Energie durch den Elektromotor des Hybridfahrzeugs zu verbrauchen, um das Rekooperationspotential zu erhöhen, wenn dies im Sinne einer langfristigen Betriebsstrategie sinnvoll ist. Der zum Solldrehmoment fehlende Momentenbetrag der Verbrennungskraftmaschine und die Leistung sollten in einem Hybridfahrzeug vorzugsweise durch einen Elektromotor als positives Moment bereitgestellt werden können, wenn das maximale Drehmoment und die Drehzahl bzw. Leistung des Elektromotors festgesetzt sind. Die dafür notwendige elektrische Leistung muss der Energiespeicher, insbesondere ein elektrischer Traktionsspeicher, prinzipiell während des Lastwechsels bereitstellen können, d.h. Strom-, Spannungs- und Leistungsgrenzen müssen währen des Ladens und Entladens eingehalten werden. Die elektrische Energie bzw. Leistung muss über die Zeitdauer der Laständerung in dem Energiespeicher verfügbar sein bzw. von diesem bereitgestellt werden können. Bei ausreichender elektrischer Energie für eine elektromotorisch unterstützte Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine über eine präzidierte Route des Kraftfahrzeugs kann die Zündwinkelreserve zugunsten eines verbrauchsoptimalen Zündwinkels für den statischen Lastbetrieb im Arbeitsbereich des Leerlaufdrehzahlreglers aufgegeben werden, sodass der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine sinkt. Die Laufunruheregelung erfolg hierbei ebenfalls durch den Elektromotor.
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Die Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine erfolgt vorzugsweise, indem Lastwechsel der Verbrennungskraftmaschine rampenförmig durchgeführt werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einer Alterung einer Lambdasonde in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine ermittelt wird. Der Phlegmatisierungsgrad der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, hängt von der Dynamik der Lambdaregelung ab. Die Güte der Lambdaregelung, insbesondere bei moderaten Lastwechseln, bestimmt somit den optimalen Lastgradienten der Verbrennungskraftmaschine bezüglich Verbrauch und Emissionen. Die Berücksichtigung der Alterung der Lambdasonde ermöglicht es, wenn eine Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine dadurch erfolgt, dass deren Last rampenförmig auf einen neuen Lastpunkt gefahren wird, Alterungseffekte zu kompensieren, indem die Rampensteigung adaptiert wird. Die optimale Rampensteigung kann besonders bevorzugt während des Applikationsprozesses in einem Referenzkraftfahrzeug durchgeführt werden, insbesondere unter Nutzung von Mittellagenkomponenten. Die Qualität der Lambdaregelung ändert sich beispielsweise aufgrund der Lambdasondenalterung über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs und die am Referenzkraftfahrzeug angepasste Rampensteigung ist somit für spezifische Fahrzeuge nicht mehr optimal. Die Adaptionsfunktion ermittelt besonders vorzugsweise auf Basis von Anteilen des Lambdareglers, insbesondere von P- und/oder D- und/oder I-Anteilen, im Phlegmatisierungsfall einen Adaptionswert und korrigiert hiermit die Rampensteigung für das nächste Phlegmatisierungsereignis. Die Korrektur kann zu einer höheren oder zu einer geringeren Rampensteigung erfolgen. Zur Adaption der Rampensteigung erfolgt insbesondere eine Erkennung, ob die Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine aktiv ist und die Berechnung des Adaptionswerts aus dem Lambdaregler.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in einem vorhandenen Steuergerät zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu führt es alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Der erfindungsgemäße Datenträger speichert das erfindungsgemäße Computerprogramm. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein Steuergerät wird das erfindungsgemäße Steuergerät erhalten, das dazu ausgebildet ist, eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu phlegmatisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Lastwechsel einer Verbrennungskraftmaschine bezüglich einer Lambdasondenvorsteuerung gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt schematisch die Implementierung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Softwarefunktion.
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4 zeigt in mehreren Diagrammen den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In 1 ist der Verlauf des Füllungssignals F einer Verbrennungskraftmaschine bei einem Lastwechsel, der Verlauf der Mehr-/Minderkraftstoffmenge M und der Einfluss auf den Lambdawert λ einer herkömmlichen Übergangskompensation dargestellt. Der Sollverlauf des Füllungssignals F mit der Zeit t ist als Rechtecksignalverlauf dargestellt. Er entspricht dem Verlauf des gewünschten Drehmoments. Aus diesem resultieren Kraftstoffmengen 11 im Wandfilm des Saugrohres der Verbrennungskraftmaschine. Der Istverlauf des Füllungsignals F weicht durch den Saugrohrfülleffekt vom Sollverlauf ab. Zusätzlich zu einer Kraftstoffmenge 12 in bzw. aus dem Wandfilm fällt hierbei eine Kraftstoffmenge 13 für eine Überkompensation bei einem positiven Lastwechsel, eine Kraftstoffmenge 14 für eine Übergangskompensation bei einem negativen Lastwechsel und eine Kraftstoffmenge 15 für eine Unterkompensation bei einem negativen Lastwechsel an. Die Kraftstoffmenge 13 aus der Überkompensation bei positivem Lastwechsel und die Kraftstoffmenge 15 der Unterkompensation bei einem negativen Lastwechsel entweichen jeweils ungenutzt in die Umwelt. Außerdem führen diese beiden Kraftstoffmengen 13, 15 jeweils zu einer Absenkung des Lambdawertes unter 1. Schließlich tritt beim positiven Lastwechsel ein Aktualisierungsfehler 16 des Lambdawertes auf.
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2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Phlegmatisierung eines Ottomotors eines Hybridkraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt 21 werden ein Fahrerwunsch für einen positiven Lastwechsel PLW und einem negativen Lastwechsel NLW als Änderung des Wunschdrehmoments dargestellt. Im nächsten Verfahrensschritt 22 wird das Wuschdrehmoment geformt, um beispielsweise ein Ruckeln des Triebstrangs infolge schlagartiger Laständerungen zu vermeiden. Hierzu wird ein Kurvenverlauf 221 fest appliziert. Eine Fahrzeugbetriebsstrategie zur Freigabe der Phlegmatisierung wird in Schritt 23 bereitgestellt. In Schritt 24 sind ein erfindungsgemäßer rampenförmiger Lastwechsel 241 für die Verbrennungskraftmaschine sowie die daraus resultierende Sollvorgabe 242 für den Elektromotor dargestellt. Während eines positiven Lastwechsels wird das Solldrehmoment für die Verbrennungskraftmaschine dabei gegenüber dem in Schritt 22 ermittelten Verlauf weiter reduziert und der fehlende Betrag durch einen Elektromotor ausgeglichen. Bei einem negativen Lastwechsel wird gegenüber dem in Schritt 22 ermittelten Verlauf die Anforderung an das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine weiter reduziert und der fehlende Betrag durch einen Generator ausgeglichen. Die Vorgabe für das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine wird dabei in beiden Fällen so weit abgeflacht, dass es zu einer deutlichen Reduzierung des Kraftstoffverlusts infolge von Kraftstoffüber- und -unterkompensation bei positiven und nachfolgend negativen Lastwechseln kommt. Der Optimierungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich somit von der Erfüllung der Momentenanforderung des Fahrers nur durch die Verbrennungskraftmaschine, wie in Schritt 22 ermittelt, bis zu dem maximal durch den Elektromotor darstellbaren Drehmoment ab Lastwechselbeginn. Der Lastverlauf des erfindungsgemäß phlegmatisierten Verbrennungsmotors ist in der Darstellung 25 gezeigt. Kraftstoffverluste infolge Kraftstoffüber- und/oder -unterkompensation sind nicht dargestellt. Die in den Wandfilm gehende Kraftstoffmenge wird im Rahmen der Genauigkeit der Lambdaregelung ohne eine Überfettung des Gemisches an den Wandfilm angelagert und gleichzeitig findet eine stöchiometrische Verbrennung statt. Umgekehrt wird bei negativem Lastwechsel die abgebaute Wandfilmmenge im Rahmen der Genauigkeit der Lambdaregelung durch eine Verringerung der Einspritzmenge ohne eine Unterkompensation ausgeglichen. In Summe wird dadurch ein verbrauchsneutraler Wandfilmauf- bzw. -abbau erreicht. In der Darstellung 26 ist der für die Phlegmatisierung notwendige Momentenbedarf durch den Elektromotor dargestellt. Neben dem Grundbedarf 261 sind elektrische Verluste beim Entladen der Batterie 262 und beim Laden der Batterie 263 dargestellt.
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In 3 ist gezeigt, wie in einer Ausführungsform der Erfindung das erfindungsgemäße Verfahren in einer Software implementiert werden kann die im Steuergerät eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit Ottomotor abläuft. Über ein Navigationssystem wird ein elektronischer Horizont 301 bereitgestellt. Dynamische Karten 302 können dem Internet oder einer Cloud entnommen werden. Dann erfolgt eine Aufbereitung 303 der bereitgestellten Prädiktionsdaten. Aus diesen erfolgt eine Entnahme 304 der bevorstehenden zeitlichen Änderung von Höhe und Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Fahrzeugsensoren, wie ein Radar oder eine Kamera, stellen Abstandsdaten 305 bereit, die zusammen der bevorstehenden zeitlichen Änderung von Höhe und Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs einer Nahfelderfassung 306 zugeführt werden. Aus dieser wird ein prädiktives Deltamoment 307 ermittelt, welches einem Modell für den Energieaufwand eines Lastwechsels 308 übergeben wird. Diesem wird der Energieaufwand für einen Lastwechsel 309 entnommen und an eine generelle Freigabe 310 übergeben. Einer Kostenberechnung 311 werden Höhe und Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs übergeben. Diese führt die Kosten an elektrischer Energie für die erfindungsgemäße Phlegmatisierung unter Einbeziehung zukünftiger Daten der generellen Freigabe zu. Strom und Spannung 313, Gradienten 314 und Anschaltdauer 315 einer Lambdasonde werden einem Modell für die Alterung der Lambdasonde 316 übergeben. Dieses ermittelt einen Schädigungsfaktor 317 und übergibt diese an die generelle Freigabe 310 und an eine Berechnung 318 zur Ausgabe einer Deltamomentenschwelle 319. Diese wird zusammen mit einem von der generellen Freigabe 310 erstellten Freigabeflag 320 einer Phlegmatisierungsaufteilung 321 übergeben. Aus einem Gaspedalwert 322 wird eine Berechnung 323 eines Fahrerwunschmoments 324 vorgenommen. Indem das Fahrerwunschmoment 324 auf Fahrbarkeit phlegmatisiert wird 325, wird ein gefiltertes Fahrerwunschmoment 326 erhalten, welches ebenfalls der Phlegmatisierungsaufteilung 321 übergeben wird. Diese ermittelt eine energieoptimale Rampensteigung der Last der Verbrennungskraftmaschine, aus der sich direkt die Lastaufteilung zwischen Verbrennungskraftmaschine 327 und Elektromotor 328 ergibt. Wenn die Kosten für die Bereitstellung elektrischer Energien niedrig sind, kann die Rampe dabei weiter abgeflacht werden. Dadurch wird für den positiven Lastwechsel möglichst viel elektrische Energie verbraucht und Rekooperationspotential erhöht.
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Die Bestimmung von voraussichtlicher Höhe h und Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs über die Wegstrecke s aus den Prädiktionsdaten ermöglicht es erfindungsgemäß, wie in 4 dargestellt ist, eine Phlegmatisierungsanforderung P zu ermitteln. Wenn dabei der Verlauf der Geschwindigkeit v über die Wegstrecke s bekannt ist, wird daraus der Lastverlauf l(W) und l(f) der Verbrennungskraftmaschine abgeleitet und daraus wiederum der fahrerspezifische Lastwechselgradient L abgeleitet. Über die Auswertung der Regleranteile P, I und W der Lambdaregelstrecke wird ein Alterungsfaktor bestimmt, der den maximalen Gradienten für die Lambdaregelung weiter abflachen kann. Wenn der Lastwechselgradient L, welcher dem Fahrerwunsch entspricht, größer als der für die Lambdaregelung ausregelbare Gradient inklusive des Alterungsfaktors ist, wird eine Phlegmatisierung gesetzt. Die Betriebsstrategie bzw. das Fahrzeugenergiemanagement entscheidet dabei, welches Phlegmatisierungsereignis phlegmatisiert wird. Die Phlegmatisierung kann durch den Elektromotor erfolgen. Die Betriebsstrategie bzw. das Fahrzeugenergiemanagement kann entscheiden, den Lastwechselgradienten für die Verbrennungskraftmaschine weiter abzuflachen, um elektrische Energie zu verbrauchen, was Vorteile für die Abgasemission der Verbrennungskraftmaschine hat, indem ein geringerer Rußpeak und/oder ein geringerer NOx-Peak auftritt. Die Betriebsstrategie bzw. das Fahrzeugenergiemanagement kann somit optimal die Alterung des elektrischen Pfades berücksichtigen und Phlegmatisierungsereignisse verbieten, um deren Anzahl zu verringern. Die Bestimmung von Schädigungsfaktoren bzw. der Alterung kann dabei in der im Stand der Technik bekannten Weise erfolgen.
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Es ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, für die Kostenoptimierung der Abgasnachbehandlung eine generelle Phlegmatisierung durchzuführen, um Emissionsvorgaben zu erfüllen und fehlende elektrische Energie einer Traktionsbatterie durch Lastpunktanhebung zusätzlich zur Rekuperation zu erzeugen. Dies führt zu geringeren Kosten für die Abgasnachbehandlung, da beispielsweise auf einen Rußfilter verzichtet werden kann und Katalysatorgrößen verringert werden können. Auch eine stärkere Phlegmatisierung in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart kann vorgesehen sein, um die Emissionen hierbei deutlich zu reduzieren.
