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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Steuergerät und einem Verfahren zur Steuerung einer selbstzündenden Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2011 087 988 ist bereits eine so genannte Dual-Fuel-Brennkraftmaschine bekannt, bei der als erster Kraftstoff ein Gas und als zweiter Kraftstoff Diesel verwendet wird. Der gasförmige Kraftstoff wird in den Brennraum eingebracht und durch Einspritzen von Dieselkraftstoff in den Brennraum gezündet. Üblicher Weise hängt dabei das Mengenverhältnis der jeweiligen Kraftstoffe zueinander, von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Drehzahl und Last, ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Steuergerät bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer selbstzündenden Brennkraftmaschine hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Anpassung der Steuerung an einer Klopfneigung des ersten Kraftstoffs erfolgt. Es kann so ein optimierter Betrieb hinsichtlich der Klopfneigung dieses Kraftstoffs realisiert werden. Es wird so ein wirkungsgradoptimierter Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht, so dass die Verbrennung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad erfolgt. Es wird so der Verbrauch der Brennkraftmaschine reduziert, und die ausgestoßenen Schadstoffe verringert.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Die Lernphase zum Lernen der Knopfneigung des ersten Kraftstoffs wird vorteilhafter Weise unmittelbar nach einer Betankung ausgelöst. Es wird so vermieden, dass es zu einem zu starken Auftreten von Klopfereignissen kommt. In der Lernphase wird zunächst von einem Kraftstoff mit hoher Klopfneigung ausgegangen. Es erfolgt dann, vorzugsweise schrittweise eine Verstellung in Richtung eines Betriebs mit einem Kraftstoff geringerer Klopfneigung bis es zum Auftreten von Klopfen kommt. Es wird so ein Betrieb mit zu starken Klopfereignissen vermieden. Weiterhin kann die so gelernte Klopfneigung des Kraftstoffs in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine verwendet werden. Es ist daher nicht erforderlich eine Lernphase in jedem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine durchzuführen, sondern es kann beispielsweise ein Wert für die Klopfneigung der nur in einem geringen Last- und Drehzahlbereich gelernt wurde, auch für einen hohen Lastbereich bzw. eine hohe Drehzahl Verwendung finden. Die Lernphase kann somit auf einen kurzen Bereich unmittelbar nach der Betankung begrenzt bleiben. Nach der Lernphase erfolgt dann ein normaler Betrieb der Brennkraftmaschine, wobei dabei aber weiterhin eine Klopfregelung erfolgt. Weiterhin können sich die Kraftstoffe nicht nur hinsichtlich ihrer Klopfneigung sondern auch hinsichtlich ihres Brennwerts unterscheiden. Es ist daher nach einer Betankung auch eine Brennwertkorrektur vorgesehen, in der das Steuergerät ermittelt, wie sich der neu getankte Kraftstoff bzw. die neu im Tank vorliegende Mischung von altem Kraftstoff und neuem Kraftstoff hinsichtlich des Brennwertes verhalten. Die Lernphase für die Klopfneigung des Kraftstoffs und die Brennwertkorrektur dürfen nicht gleichzeitig erfolgen, da sie sich gegenseitig behindern. Es kann so die Steuerung der selbstzündenden Brennkraftmaschine optimal an veränderten Eigenschaften des ersten Kraftstoffs angepasst werden und so ein wirkungsgradoptimierter und für den Motor schonender Betrieb der Brennkraftmaschine realisiert werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Steuergerät und eine Brennkraftmaschine und
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2 Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Steuerung einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 100 dargestellt, die von einem Steuergerät 1 gesteuert wird. Die Brennkraftmaschine 100 weist ein Zylinder 101 auf, in dem ein Kolben 102 angeordnet ist. Der Zylinder 101 und der Kolben 102 bildet ein Brennraum 103, in dem die Verbrennung der Brennkraftmaschine 100 erfolgt. Dazu wird dem Brennraum 103 über eine Luftzuführung 104 Frischluft zugeführt. Nach der Verbrennung werden die Abgase des Verbrennungsprozesses durch die Abgasabführung 105 aus dem Brennraum 103 weggeführt. Entsprechende Lufteinlass- oder Abgasauslassventile des Zylinders 101 sind aus Gründen der Einfachheit der Darstellung in der 1 nicht dargestellt. In der Luftzuführung 104 ist ein Kraftstoffventil 107 vorgesehen, welches mit einer Steuerleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Das Steuergerät 1 kann somit die Menge eines ersten Kraftstoffs durch Betätigen des Kraftstoffventil 107 kontrollieren und somit eine Menge eines ersten Kraftstoff der mit der zugeführten Luft in dem Brennraum 103 gelangt, kontrollieren.
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Weiterhin ist ein weiteres Einspritzventil 106 vorgesehen, welches ebenfalls durch eine Steuerleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Durch dieses Einspritzventil 106 kann das Steuergerät 1 noch eine zusätzliche Menge an Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum 103 einspritzen. Üblicher Weise handelt es sich bei dem Einspritzventil 106 um ein Einspritzventil, durch das Dieselkraftstoff in den Brennraum 103 eingebracht wird. Bei dem Kraftstoffventil 107 handelt es sich typischer Weise um ein Gasventil, mit dem ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise CNG (compressed natural gas) oder LPG (liquefied petroleum gas) in die Luftzuführung 104 eingeblasen wird. Alternativ kann es sich aber auch um ein Kraftstoffventil für einen flüssigen Kraftstoff, wie beispielsweise Alkohol oder Benzin handeln.
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Das Steuergerät 1 hatte somit die Möglichkeit einen ersten Kraftstoff in gewünschter Menge im Brennraum 103 einzubringen. Das unmittelbar in den Brennraum einspritzende Ventil 106 wird dazu verwendet weiteren Kraftstoff in den Brennraum 103 einzuspritzen. Dabei kann insbesondere der genaue Zeitpunkt dieser Einspritzung kontrolliert werden. Mit dem Einspritzventil 106 wird ein Kraftstoff in den Brennraum 103 eingespritzt, der zur Selbstentzündung fähig ist. Dabei handelt es sich typischer Weise um Dieselkraftstoff, der aufgrund seiner hohen Entflammungsneigung bei Einspritzung in einem stark komprimierten Brennraum 106 sich von selbst entzündet, ohne dass es dazu eines Zündfunkens bedarf. Die Einspritzung dieses Kraftstoffs unmittelbar in den Brennraum 103 ist daher geeignet, den Zeitpunkt der Verbrennung sowohl des ersten Kraftstoffs der über das Ventil 107 in den Brennraum 103 eingebracht wurde, wie auch die Entzündung des zweiten Kraftstoffs, der durch das Einspritzventil 106 unmittelbar in den Brennraum 103 eingebracht wird, zu kontrollieren. Es kann so durch direktes Einspritzen eines zu Selbstentflammung fähigen zweiten Kraftstoffs die Verbrennung eines ersten Kraftstoffs, der nicht selbstentzündend ist, gesteuert werden.
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Alternativ können auch beide Ventile 106, 107 direkt in den Brennraum münden. Der erste Kraftstoff wird dabei aber während einer Betriebsphase eingespritzt in der noch Luft in den Brennraum einströmt, so dass sich der erste Kraftstoff gut mit der eingebrachten Luft vermischt. Wenn dann das Lufteinlassventil geschlossen ist und das Gemisch von erstem Kraftstoff und Luft in dem Brennraum 103 durch einen Aufwärtsbewegung des Kolben 102 komprimiert wird erfolgt erst die Einspritzung durch das Einspritzventil 106 und so die Entflammung des im Brennraum eingebrachten ersten Kraftstoff.
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Eine derartige Brennkraftmaschine 100 wird typischer Weise als Dual-Fuel-Brennkraftmaschine bezeichnet. Derartige Brennkraftmaschinen können alternativ entweder ausschließlich mit dem flüssigen Kraftstoff, der durch das Einspritzventil 106 direkt in den Brennraum eingespritzt wird, betrieben werden oder aber mit beiden Kraftstoffen, d. h. den Kraftstoff, der vom Kraftstoffventil 107 eingebracht wird und dem Kraftstoff, der durch das Einspritzventil 106 direkt in den Brennraum eingespritzt wird.
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Problematisch bei derartigen Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen ist oft eine schwankende Qualität des Kraftstoffs, der durch das Kraftstoffventil 107 in den Brennraum 103 eingebracht wird. Diese Kraftstoffe schwanken insbesondere hinsichtlich der Klopffestigkeit oder Klopfneigung, die durch die so genannte Oktanzahl (ROZ) beschrieben wird. Benzin schwankt beispielsweise zwischen einem ROZ-Wert von 91 bis 100, CNG von 120 bis 130, LPG zwischen 103 bis 111, Ethanol typischer Weise 109 und E85 (85 % Ethanol) von 104. Durch die unterschiedlichen Mischungen von Benzin und Ethanol im Kraftstoff bzw. unterschiedliche Schwankungen der Gaszusammensetzung bei gasförmigen Kraftstoffen ist somit die Klopfneigung des Motors bei einem Betrieb mit derartigen Kraftstoffen variabel.
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Weiterhin kann von dem Steuergerät 1 auch das Mengenverhältnis der Kraftstoffe beeinflusst werden. Üblicher Weise wird angestrebt, Dual-Fuel-Motoren mit einem hohen Anteil des ersten Kraftstoffs, der durch das Kraftstoffventil 107 in den Brennraum 103 eingebracht wird, zu betreiben. Dabei können jedoch nicht für alle Betriebszustände der Brennkraftmaschine ein gleiches Mengenverhältnis vom ersten Kraftstoff (Kraftstoffventil 107) zu zweitem Kraftstoff (Einspritzventil 106) realisiert werden. Das maximal mögliche Mengenverhältnis von erstem Kraftstoff relativ zum zweiten Kraftstoff wird typischerweise durch die Klopfneigung der Verbrennung des ersten Kraftstoff im Brennraum 103 begrenzt. Die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs ist daher der begrenzende Faktor hinsichtlich eines maximal möglichen Mengenverhältnisses vom ersten Kraftstoff zum zweiten Kraftstoff. Weiterhin hängt dieses Mengenverhältnis von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Drehzahl, Last, Kühlwassertemperatur, Temperatur der zugeführten Luft und dergleichen ab. Das Steuergerät 1 realisiert somit durch Ansteuerung der Ventile 107 und 106 in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine jeweils ein maximales Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs zum zweiten Kraftstoff. Dabei muss die Oktanzahl des ersten Kraftstoffs, d. h. die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs berücksichtigt werden. Bei einem ersten Kraftstoff mit hoher Klopfneigung wird typischer Weise über alle Betriebsbereiche hinweg ein geringeres Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs zum zweiten Kraftstoff realisiert als wenn der erste Kraftstoff eine geringere Klopfneigung aufweist.
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An der Außenseite des Zylinders ist ein Klopfsensor 109 angeordnet, der durch eine elektrische Zuleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Das Steuergerät 1 überprüft somit kontinuierliche Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine 100 dahingehend, ob klopfende Verbrennungen auftreten oder nicht. Bei einer klopfenden Verbrennung entzündet sich der in den Brennraum 103 eingebrachte erste Kraftstoff an mehreren Stellen gleichzeitig, ohne dass es dazu der Einspritzung des zweiten Kraftstoffs durch das Einspritzventil 106 bedarf. Durch klopfende Verbrennungen können starke Druckschwankungen und Temperaturschwankungen im Zylinder 101 auftreten, die zu einer Zerstörung der Brennkraftmaschine führen können. Ein derartiger Betrieb der Brennkraftmaschine 100 muss daher durch Auswertung der Signale des Klopfsensors 109 erkannt und durch eine entsprechend veränderte Ansteuerung durch das Steuergerät 1 verhindert werden.
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In Abhängigkeit von einer Klopfneigung des ersten Kraftstoffs wird daher das maximal mögliche Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs relativ zum zweiten Kraftstoff begrenzt. Durch das Steuergerät 1 wird daher eine Lernphase initiiert, in der die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs, der durch das Einspritzventil 107 in den Brennraum 103 eingebracht wird, gelernt wird. Nachdem dann die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs ermittelt wurde, wird diese Klopfneigung für die weitere Steuerung der Brennkraftmaschine 100 durch das Steuergerät 1 verwendet. Insbesondere wird die so gelernte Klopfneigung dazu verwendet, um ein maximal mögliches Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs zum zweiten Kraftstoff einzustellen. Beispielsweise ist es möglich, die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs nur in einem Bereich niedriger Drehzahl und niedriger Last zu lernen. Dieser Wert kann dann aber auch für die Einstellung des Mengenverhältnisses bei einer hohen Last und einer hohen Drehzahl Verwendung finden.
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In der 2 werden Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren startet im Programmblock 200, in dem eine Abfrage erfolgt, ob eine Betankung erkannt wurde. Unter Betankung wird hier das Füllen eines Tanks für den ersten Kraftstoff verstanden. Diese Betankungserkennung 200 erfolgt kontinuierlich, wie dies durch den Pfeil 201 dargestellt ist. Zur Erkennung der Betankung 200 sind verschiedene Verfahren vorstellbar. Zum Einen kann ein Tankverschluss der zum Betanken des Fahrzeugs geöffnet werden muss, mit einem Sensor versehen werden. Durch Öffnen des Tankverschlusses kann so festgestellt werden, dass eine Betankung wahrscheinlich ist. Weiterhin kann für die Betankung ein Füllstand des Tanks ausgewertet werden. Zur Erkennung des Füllstands kann beispielsweise ein Drucksensor oder sofern der Kraftstoff im Tank flüssig ist, ein Sensor für den Flüssigkeitslevel im Tank verwendet werden. Wenn eine starke Änderung des Füllstands, ausgehend von einem nahezu leeren Tank zu einem fast vollen Tank festgestellt wird, wird (ggf. verknüpft mit einem Signal, dass der Tankverschluss geöffnet wurde) ein Signal erzeugt, das eine Betankung des Tanks anzeigt. Die dazu notwendigen Berechnungen können im Steuergerät 1 oder aber in einem separaten Steuergerät, das dann eine entsprechende Nachricht an das Steuergerät 1 sendet, durchgeführt werden.
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Sofern im Schritt 200 eine Betankung erkannt wurde, folgt der Schritt 202. Im Schritt 202 erfolgt ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einer Sicherheitsverstellung. Dazu wird davon ausgegangen, dass der Tank nun mit einem Kraftstoff mit hoher Klopfneigung gefüllt ist und die Steuersignale des Steuergeräts 1 berücksichtigen dies bei der Ansteuerung der Brennkraftmaschine 100. Insbesondere wird dabei das zulässige Mengenverhältnis an erstem Kraftstoff zu zweitem Kraftstoff begrenzt, d. h. die Menge an Kraftstoff mit hoher Klopfneigung im Brennraum 103 wird auf einen Wert begrenzt, bei dem auch bei dem Kraftstoff mit hoher Klopfneigung kein Klopfen auftreten kann. Wenn der neu betankte Kraftstoff aber eine geringere Klopfneigung aufweist, bedeutet dies, dass der Motor nicht an seinem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, da die Brennkraftmaschine 100 mit einem besseren Wirkungsgrad bzw. einem höheren Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs zum zweiten Kraftstoff betrieben werden kann. Ausgehend von dem Betrieb 202 mit einem Kraftstoff mit hoher Klopfneigung erfolgt nun ein Versuch, ob auch ein Betrieb mit einem Kraftstoff geringerer Klopfneigung möglich ist. Dazu folgt auf den Schritt 202 der Schritt 203, indem die Signale des Klopfsensors 109 ausgewertet werden und überprüft wird, ob es zum Klopfen kommt. Wenn im Schritt 203 Klopfen festgestellt wird, so folgt auf den Schritt 203 der Schritt 207, indem die aktuell vermutete hohe Klopfneigung als tatsächliche Klopfneigung des Kraftstoffs festgeschrieben wird. Wenn im Schritt 203 kein Klopfen festgestellt wird, folgt der Schritt 204, indem der Betrieb der Brennkraftmaschine 100 in Richtung eines ersten Kraftstoffs mit geringerer Klopfneigung verstellt wird. Das Steuergerät 1 versucht somit, ob auch ein Betrieb mit einem geringeren Wert der Klopfneigung möglich ist. Auf den Schritt 204 folgt dann wieder der Schritt 203, indem untersucht wird, ob bei dem nun versuchsweise eingestellten Wert für eine geringere Klopfneigung noch ein klopffreier Betrieb möglich ist. Wenn es dabei zum Klopfen kommt, folgt auf den Schritt 203 wieder der Schritt 207, indem der aktuelle Wert der Klopfneigung festgeschrieben wird. Wenn es im Schritt 203 nicht zu Klopfen kommt, folgt wieder der Schritt 204, indem vom Steuergerät 1 wieder eine Verstellung in Richtung eines ersten Kraftstoffs mit geringerer Klopfneigung versucht wird. Die Schritte 203 und 204 erfolgen solange nacheinander, bis ein Wert für die Klopfneigung des ersten Kraftstoffs gefunden ist, bei dem gerade eben erste schwache Klopfsignale auftreten bzw. es zu einer geringen Anzahl von Klopfereignissen kommt. Dabei erfolgt die Verstellung im Schritt 204 vorzugsweise in kleinen Schritten, um nicht schlagartig den Betrieb der Brennkraftmaschine in einen stark klopfenden Bereich zu verstellen. Nachdem durch eine Abfolge der Schritte 203 und 204 die Klopfneigung des Kraftstoffs nach der Betankung ermittelt wurde, folgt der Schritt 207, indem ein weiterer Betrieb der Brennkraftmaschine mit der so ermittelten Klopfneigung erfolgt. In Abhängigkeit von der ermittelten Klopfneigung wird dabei insbesondere das Mengenverhältnis von erstem Kraftstoff zu zweitem Kraftstoff beeinflusst. Wenn der erste Kraftstoff eine geringere Klopfneigung aufweist, so wird das Mengenverhältnis des ersten Kraftstoffs zu zweitem Kraftstoff höher gewählt als wenn eine höhere Klopfneigung ermittelt wurde. Der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine 100 erfolgt dann mit einer Klopfregelung, bei der die Signale des Klopfsensors 109 kontinuierlich ausgewertet werden. Insbesondere kann der Zeitpunkt der Einspritzung des zweiten Kraftstoffs mit dem Einspritzventil 106 verändert werden, um kurzfristig ein Auftreten von Klopfen zu beeinflussen. Wenn durch die Klopfregelung ein Klopfereignis festgestellt wurde, so wird in der nachfolgenden Verbrennung der Zeitpunkt der Einspritzung des ersten Kraftstoffs mit dem Einspritzventil 106 in Richtung spät, d. h. zu späteren Zeitpunkten bzw. Winkeln der Brennkraftmaschine 100 verschoben. Es kann so unmittelbar auf das Auftreten von klopfenden Verbrennungen reagiert werden und die Brennkraftmaschine kann im Wesentlichen ohne Klopfereignisse betrieben werden.
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Weiterhin kann die Qualität des ersten Kraftstoffs noch hinsichtlich seines Brennwerts schwanken. Insbesondere bei gasförmigen Kraftstoffen kann der Brennwert aufgrund des Mischungsverhältnisses von unterschiedlichen gasförmigen Kraftstoffen (beispielsweise Butan oder Methan) variieren. Weiterhin können auch noch inerte Gase, wie beispielsweise CO2 oder Stickstoff in wechselnden Mengen im gasförmigen Kraftstoff enthalten sein. In alkoholhaltigen Kraftstoffen kann ein variabler Anteil an Wasser enthalten sein. Nach einer Betankung sollte daher eine Brennwertanpassung erfolgen, indem der Brennwert des neu betankten Kraftstoffs ermittelt wird. Dies erfolgt üblicher Weise durch Auswertung eines Sauerstoffsignals des Abgases mittels eines so genannten Lambdasensors. Durch den Lambdasensor wird festgestellt, wie viel Sauerstoff im Abgas enthalten ist, wobei eine Verbrennung, bei der das Luftkraftstoffverhältnis auf einen festen Lambdawert (z. Bsp. = 1) eingestellt ist, bevorzugt wird. Bei einem festen Lambdawert steht die eingebrachte Kraftstoffmenge in einemkonstanten (z. Bsp. stöchiometrischen) Verhältnis zu eingebrachten Luft- bzw. Sauerstoffmenge. Da während dieser Brennwertanpassung eine Veränderung der Absolutmenge an erstem Kraftstoff erfolgt, stört dieses Verfahren das Lernverfahren der Klopfneigung. Das Steuergerät 1 steuert die Brennkraftmaschine 100 daher so, dass diese beiden Verfahren nicht gleichzeitig erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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