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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem aus einem Gasgemisch bestehenden Messgas, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einer Steuereinrichtung abläuft, sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einer Steuereinrichtung ausgeführt wird.
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Stand der Technik
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Sogenannte Konzentrationssonden zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils eines Gasgemisches sind bekannt. Mit diesen können Gasbestandteile wie Sauerstoff oder Stickstoff in einem Gasgemisch quantitativ erfasst werden.
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Im Bereich der Automobiltechnik werden sogenannte Nernstsonden als Breitband-Lambdasonden eingesetzt, die in an sich bekannter Weise mittels eines PI- oder PID-Nernstspannungsreglers betrieben werden. Ein solcher Nernstspannungsregler hält die Lambdasonde in einem Betriebspunkt bei einer Nernstspannung von in diesem Anwendungsbeispiel 450 mV, wobei ein am Reglerausgang anliegender sogenannter Pumpstrom bzw. eine den Pumpstrom charakterisierende Größe als eigentliche Messgröße der Lambdasonde verwendet wird.
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Ein Verfahren zum Betrieb einer genannten Breitband-Lambdasonde geht aus der
DE 10 2011 007 068 A1 hervor. Eine Nernstzelle wird durch eine innere Pumpelektrode und eine Referenzelektrode gebildet. Eine Regelschaltung, an der eine Referenzspannung Uref von 450 mV und das Ausgangssignal einer Referenzelektrode anliegt, liefert den genannten Pumpstrom, mit dem eine äußere Pumpelektrode beaufschlagt wird. Der Pumpstrom kann abgegriffen werden und bildet ein Maß für die Sauerstoffkonzentration z.B. im Abgas einer Brennkraftmaschine. An eine Pumpzelle wird eine Spannung angelegt, wobei sich bei ausreichend hoher Spannung ein Grenzstrom einstellt, der proportional zum Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Lambdasonde ist. Die Regelschaltung bewirkt, dass einer Konzentrationssonde von der Pumpzelle immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt wird, dass an bzw. in der Konzentrationssonde der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Sauerstoffüberschuss im Abgas (Magerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei Sauerstoffmangel im Abgas (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt.
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Mittels einer genannten Nernstspannungsregelung wird eine Nernstspannung Un auf einen Sollwert Unsoll eingeregelt. Der hierfür notwendige Pumpstrom Ip erzeugt eine Pumpspannung Up, die innerhalb zweier vorgegebener Schwellenwerte liegen muss, um die Sonde nicht durch eine zu große Pumpspannung zu zerstören.
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Wie ebenfalls an sich bekannt, dienen die bei der genannten Regelschaltung vorgesehenen Regelparameter P (= Proportionalanteil) und D (= Differentialanteil) insbesondere dazu, die Dynamik des Regelkreises zu erhöhen (P) bzw. den Regelkreis zu stabilisieren (D). Jedoch liefern P- und D-Anteile der Messgröße keinen gültigen Beitrag zum Lambdawert, sondern erschweren eine genaue Bestimmung des Lambdawerts aufgrund ihrer relativ starken Schwankungen, die eine Glättung des Messsignals erforderlich machen.
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Deshalb ist der Lambdawert meist erst dann ausreichend genau bestimmbar, wenn P- und D-Anteil abgeklungen sind (= 0). Bei Brennkraftmaschinen mit einem System zur Zylindergleichstellung führt eine Vertrimmung des Lambdawerts zu einer kurzzeitigen Änderung der Nernstspannung. Auf diese kurzzeitige Änderung reagieren insbesondere die P- und D-Anteile der Regelung, welche jedoch nicht auf eine solche Situation optimiert sind, wodurch die sich ergebende Amplitude des erfassten Pumpstromsignals kein gültiges Maß für die Lambda-Vertrimmung darstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer hier betroffenen Konzentrationssonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem aus einem Gasgemisch bestehenden Messgas, wobei die Konzentrationssonde ein dem Messgas aussetzbares Sensorelement hat, welches einen elektrischen Messstrom erzeugt, der ein Maß für die Konzentration der Gaskomponente in dem Messgas ist, sowie eine PI- oder PID-Regelung zur Einregelung eines Betriebspunkts des Sensorelementes aufweist, vorzusehen, dass bei der Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente der Proportionalanteil des PI-Reglers bzw. der Proportionalanteil und/oder der Differentialanteil des PID-Reglers zumindest teilweise nicht berücksichtigt werden bzw. unberücksichtigt bleiben.
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Gemäß einer ersten Variante werden nur der Proportionalanteil und der Integralanteil bei der Bestimmung der Konzentration berücksichtigt, wobei der Differentialanteil unterdrückt wird und der Proportionalanteil gegenüber dem Integralanteil untergewichtet wird, so dass das Messergebnis durch den Integralanteil der Regelung maßgeblich bestimmt ist.
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Gemäß einer zweiten Variante werden nur der Differentialanteil und der Integralanteil bei der Bestimmung der Konzentration berücksichtigt, wobei der Proportionalanteil unterdrückt wird und der Differentialanteil gegenüber dem Integralanteil untergewichtet wird, so dass das Messergebnis durch den Integralanteil der Regelung maßgeblich bestimmt ist.
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Gemäß einer dritten Variante werden der Proportionalanteil, der Differentialanteil und der Integralanteil bei der Bestimmung der Konzentration berücksichtigt, wobei der Proportionalanteil und der Differentialanteil gegenüber dem Integralanteil untergewichtet werden, so dass das Messergebnis durch den Integralanteil der Regelung maßgeblich bestimmt ist.
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Gemäß einer vierten Variante wird nur der Integralanteil bei der Bestimmung der Konzentration berücksichtigt, wobei der Proportionalanteil und der Differentialanteil unterdrückt werden, so dass das Messergebnis nur durch den Integralanteil der Regelung bestimmt ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich dadurch, dass der Ausgang des genannten Reglers nicht in jedem Fall einen Messstrom liefert, der als gültiges Maß für die Konzentration der zu messenden Gaskomponente gelten kann. Denn der Messstrom liefert nur dann einen korrekten Wert der Konzentration, wenn die Regelung stabil auf einen genannten Betriebspunkt eingeregelt ist und der Ausgang des Reglers im Wesentlichen dem Wert des genannten Integralanteils entspricht.
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Das Messergebnis ist dann nicht negativ beeinflusst durch den D-Anteil und ggf. auch den P-Anteil des Reglers, die ohnehin, wie oben erwähnt, keinen gültigen Beitrag zur Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente liefern.
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Die Erfindung ermöglicht ein gegenüber dem Stand der Technik geringer veränderliches und damit zeitlich stabileres Messergebnis, d.h. einen zeitlich stabileren Konzentrationswert der zu messenden Gaskomponente, und daher eine genauere Erfassung der Konzentration, ohne die Dynamik oder die Stabilität der Regelung nachteilig zu beeinträchtigen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher die Erfassung relativ kleiner Abweichungen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente.
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Bei einem erfindungsgemäß generierten Messsignal ist man auch in der Lage, kurzzeitige Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Messgas eines Kraftfahrzeugs, wie sie z.B. bei einer Einzelzylindervertrimmung vorkommen, quantitativ richtig zu erfassen.
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Die Erfindung kann bevorzugt bei einer Breitband-Lambdasonde einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, und zwar in einem Lambdasonden-ASIC mit einem analogen oder digitalen Nernstspannungsregler, zur Anwendung kommen. In diesem Anwendungsbeispiel entsprechen das genannte Sensorelement der Kombination aus Nernst- und Pumpzelle sowie der Messstrom einem Pumpstrom. Zudem entspricht der genannte Betriebspunkt des Sensorelementes in diesem Anwendungsbeispiel in an sich bekannter Weise einer Sollspannung für die Regelung der Nernstspannung, beispielsweise 450 mV. Jedoch kann die Erfindung auch bei anderen Sondentypen zum Einsatz kommen, mittels derer die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch gemessen wird. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung auch außerhalb der Automobiltechnik, z.B. bei in Nutzfahrzeugen, Schiffen oder dergleichen eingesetzten Brennkraftmaschinen und im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik oder anderen technischen oder industriellen Anwendungen, bei welchen eine Messsonde mit einer entsprechenden Auswerteschaltung zum Einsatz kommt, mit den hierin beschriebenen Vorteilen anwendbar ist.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Lambdasonde, insbesondere einer Breitband-Lambdasonde, kann ein die Messgröße definierender Zusammenhang P_Lambda zwischen einer Abweichung dUn von einem Startwert Un0 und der gewünschten Reaktion des Pumpstroms dIp gemäß P_Lambda = dIp/dUn berücksichtigt werden. Bei dieser Anwendung kann ferner vorgesehen sein, dass als Messgröße der momentane Integralanteil des Reglers I_akt sowie die momentane Regelabweichung der Nernstspannung dUn_akt gemäß der Gleichung Ip_Lambda = I_akt + P_Lambda·dUn_akt berücksichtigt wird. Weiter kann vorgesehen sein, dass der Einfluss des tatsächlich benutzten P-, D- und Integralanteils auf den Startwert der Nernstspannung Un0 berücksichtigt wird, wobei die Beziehung dIp = P_Lambda·dUn angewendet wird. Insbesondere unter Berücksichtigung der genannten mathematischen Zusammenhänge kann das erfindungsgemäße Verfahren mit relativ geringem technischem und demnach auch kostengünstigem Aufwand in einem genannten ASIC realisiert werden, da das grundsätzliche Schaltungslayout nicht geändert werden muss. Es müssen lediglich weitere den Integralanteil betreffende Daten bzw. Signale ausgegeben bzw. genutzt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte beschaltete Breitband-Lambdasonde zur Erläuterung ihres Funktionsprinzips, insbesondere einer bei der Erfindung zugrunde liegenden Nernstspannungsregelung.
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2 zeigt schematisch ein Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer genannten Breitband-Lambdasonde beschrieben. Es ist allerdings hervorzuheben, dass es bei dem Verfahren auf den Sondentyp nicht ankommt, so dass auch andere Sondentypen mit diesem Verfahren betrieben werden können.
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In der aus
DE 10 2011 007 068 A1 entnommenen
1 ist schematisch der an sich bekannte Aufbau einer solchen Breitband-Lambdasonde sowie deren Beschaltung dargestellt. Diese weist eine Nernst-Konzentrationssonde
110 und eine Sauerstoffpumpzelle
120 auf, wobei die Sauerstoffpumpzelle
120 durch eine äußere Pumpelektrode (APE)
131 und eine innere Pumpelektrode (IPE)
132 gebildet wird. Die äußere Pumpelektrode
131 ist dem Abgas A ausgesetzt und die innere, ringförmige Pumpelektrode
132 ist in einem Hohlraum
133 angeordnet, der über einen Kanal
134 und einen Diffusionsspalt, in dem eine Diffusionsbarriere
130 angeordnet ist, mit dem Abgas A verbunden ist. Die Nernstzelle
110 wird durch die innere Pumpelektrode
132 und eine Referenzelektrode (RE)
141, die in einem inneren Referenzluftkanal
140 angeordnet ist, gebildet. Die Sonde wird durch eine Heizung
150, an der eine Heizspannung UH anliegt, auf Betriebstemperatur gebracht.
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Eine Regelschaltung 160, gebildet beispielsweise durch einen Operationsverstärker, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine Referenzspannung Uref von insbesondere 450 mV anliegt und an dessen invertierendem Eingang das Ausgangssignal der Referenzelektrode 141 anliegt, erzeugt einen Pumpstrom Ip, mit dem die äußere Pumpelektrode 131 bzw. die innere Pumpelektrode 132 beaufschlagt wird. Der Pumpstrom Ip kann mittels Anschlussklemmen 161, 162 abgegriffen werden. Er bildet ein Maß für die Sauerstoffkonzentration, wie nachfolgend kurz beschrieben wird.
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An die Pumpzelle 120 wird eine Spannung angelegt. Ist die Spannung groß genug, stellt sich ein "Grenzstrom" ein, der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde ist. Mit dem Strom werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffatome transportiert. Die Regelschaltung 160 bewirkt, dass der Konzentrationssonde 110 von der Pumpzelle 120 über den engen Diffusionsspalt und die Diffusionsbarriere 130 immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas A zugeführt wird, dass an ihr der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Sauerstoffüberschuss im Abgas (Magerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei Sauerstoffmangel im Abgas (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Up Sauerstoff zugeführt. Der Pumpstrom Ip, der über die Klemmen 161, 162 abgreifbar ist, bildet das Ausgangssignal. Er stellt ein Maß der Sauerstoffkonzentration und damit den Ausgangspunkt zur Berechnung des Lambdawerts dar. Mittels der Nernstspannungsregelung wird die Nernstspannung Un auf den Sollwert Unsoll (typ. 450 mV) eingeregelt, welcher dem genannten Betriebspunkt der Breitband-Lambdasonde entspricht.
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In 2 ist schematisch das Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde dargestellt. Die Breitband-Lambdasonde umfasst den Innenwiderstand Rie 220 und eine fiktive Spannungsquelle 221, die die Nernstspannung Un0 bereitstellt. Die Pumpzelle wird durch eine fiktive Spannungsquelle 231, die die Pumpspannung UP0 bereitstellt, und einen Innenwiderstand Ria 230 gebildet. Zwischen der äußeren Pumpelektrode APE, in 1 mit Bezugszeichen 131 versehen, und der inneren Pumpelektrode IPE, in 1 mit Bezugszeichen 132 versehen, fällt die Pumpspannung Up ab. Zwischen der inneren Pumpelektrode IPE und der Referenzelektrode RE, in 1 mit Bezugszeichen 141 versehen, fällt die Nernstspannung Un ab. Über entsprechende Klemmen sind die äußere Pumpelektrode APE und die innere Pumpelektrode IPE und die Referenzelektrode RE mit einer Schaltungs- bzw. Steuereinheit 270 verbunden, welche u.a. den Nernstspannungsregler 275 enthält. Bei dem Nernstspannungsregler handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen eingangs genannten PI- oder PID-Regler. Der Nernstspannungsregler 275 kann als analoge Schaltung (wie in 1) oder als digitaler Regler in der Steuereinheit 270 implementiert sein.
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Die an der Breitbandsonde anliegende Betriebsspannung Un (die sog. „Nernstspannung“) wird in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel mittels eines PID-Nernstspannungsreglers 275 auf einen Spannungs-Sollwert Unsoll geregelt. Der hierfür notwendige Pumpstrom Ip erzeugt eine Pumpspannung Up, die innerhalb zweier vorgegebener Schwellenwerte liegen muss, um die Sonde nicht durch eine zu große Pumpspannung zu zerstören.
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Die Nernstspannungsregelung 275 in der Steuereinheit 270 regelt in der Weise, dass die Nernstspannung Un dem Sollwert Unsoll nahekommt bzw. diesem entspricht. Die Regelung 275 erfolgt dabei mittels eines Integralanteils (I-Anteil), eines Proportionalanteils (P-Anteil) und eines Differentialanteils (D-Anteil). Die sich ergebenden Regelanteile (d.h. der I-, P-, D-Anteil) werden einer Komponente bzw. einem Berechnungsmodul 276 zugeführt, welches einen anhand der Regelanteile (wie nachfolgend beschrieben) Wert für Lambda berechnet und ausgibt bzw. an seinem Ausgang bereitstellt.
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Wie eingangs erwähnt, liefert der D-Anteil des Nernstspannungsreglers 275 aufgrund seiner Schwankungen keinen brauchbaren Beitrag zur Messgröße, d.h. dem sich ergebenden Pumpstrom Ip, der mit dem Wert von Lambda korreliert. Der P-Anteil liefert dagegen eher einen geeigneten Beitrag. Daher wird eine Größe P_Lambda definiert, die den Zusammenhang zwischen einer Abweichung der Nernstspannung dUn von einem vorgegebenen Startwert der Nernstspannung Un0 und der gewünschten Reaktion des Pumpstromwerts dIp definiert, und zwar gemäß der folgenden Gleichung (1): P_Lambda = dIp/dUn. (1)
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Der Wert der Größe P_Lambda ist zusätzlich abhängig vom jeweiligen Sondentyp und insbesondere von der Größe des Wertes von Lambda sowie der Sondentemperatur. Unter der Annahme einer konstanten Sondentemperatur T ergibt sich daher: P_Lambda (Lambda, T) = dIp/dUn. (2)
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Als von dem genannten ASIC auszugebendes Signal wird der momentane I-Anteil des Reglers I_akt sowie die momentane Regelabweichung der Nernstspannung dUn_akt herangezogen. Daraus ergibt sich als Maß für Lambda die folgende Größe: Ip_Lambda = I_akt + P_Lambda·dUn_akt. (3)
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Es ist anzumerken, dass zusätzlich der Einfluss des tatsächlich benutzten P-, D- und I-Anteils auf die Nernstspannung Un0 zu berücksichtigen ist. Dabei kann jedoch die an sich bekannte Beziehung dIp = P_Lambda·dUn angewendet werden.
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Ferner ist hervorzuheben, dass bei der Implementierung möglichst auf im Steuergerät der Brennkraftmaschine bzw. im genannten ASIC intern bereits vorhandene oder alternative, berechnete Größen zurückgegriffen werden kann. Solche Größen können sein:
- – Sämtliche Regelanteile des Pumpstroms Ip (d.h.: P + I + D);
- – Ein Teil des Pumpstroms Ip (z.B. P + I);
- – Der I-Anteil des Pumpstroms Ip;
- – Der P-Anteil des Pumpstroms Ip;
- – Die momentane Regelabweichung dUn_akt;
- – Der Absolutwert von Un_akt (d.h. Un0).
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Die eigentliche Messgröße, als Maß für Lambda, ist dann entweder eine dieser Größen oder eine Kombination dieser Größen, die ggf. noch an den jeweils vorliegenden Sondentyp und/oder den vorliegenden Betriebspunkt der Lambdasonde angepasst werden können.
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Das beschriebene Verfahren, insbesondere die in der 2 gezeigte Komponente 276, kann entweder in Form eines Steuerprogramms in einem bestehenden Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer entsprechenden Steuereinheit realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011007068 A1 [0004, 0024]
