DE102015206838A1 - Method for operating an exhaust aftertreatment device of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) eines Kraftfahrzeugs mit einer im Normalbetrieb im Magermixbetrieb betriebenen Brennkraftmaschine (6), mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator (8) und einem in Abgasströmungsrichtung (A) nachgeschalteten zweiten NOx-Speicherkatalysator (10) sowie zumindest einer zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator (8) und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator (10) angeordneten Breitband-Lambdasonde (12), mit den Schritten: Durchführen eines ersten Regenerationsschritts mit einem fetten Gemisch, um den ersten NOx-Speicherkatalysator (8) zu regenerieren, und Durchführen eines zweiten Regenerationsschritts mit einem fetten Gemisch, um den zweiten NOx-Speicherkatalysator (10) zu regenerieren. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) und ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6).The invention relates to a method for operating an exhaust gas aftertreatment device (6) of a motor vehicle having an internal combustion engine (6) operated in normal lean burn mode with a first NOx storage catalytic converter (8) and a second NOx storage catalytic converter (10) connected downstream in the exhaust gas flow direction (A). and at least one broadband lambda probe (12) arranged between the first NOx storage catalytic converter (8) and the second NOx storage catalytic converter (10), comprising the steps of: performing a first regeneration step with a rich mixture in order to charge the first NOx storage catalytic converter (8 ), and performing a second regeneration step with a rich mixture to regenerate the second NOx storage catalyst (10). Furthermore, the invention relates to an exhaust aftertreatment device (6) and a motor vehicle, in particular passenger car, with such an exhaust aftertreatment device (6).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer im Normalbetrieb im Magermixbetrieb betriebenen Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.The invention relates to a method for operating an exhaust gas aftertreatment device of a motor vehicle with an internal combustion engine operated in normal operation in lean burn mode. Furthermore, the invention relates to an exhaust aftertreatment device and a motor vehicle, in particular passenger car, with such an exhaust aftertreatment device.
Mit Abgasnachbehandlungsvorrichtungen werden Verbrennungsgase, nachdem sie den Brennraum oder die Brennkammer einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine verlassen haben, auf mechanischem, katalytischem oder chemischem Wege gereinigt, um so gesetzliche Schadstofflimits einhalten zu können. With exhaust aftertreatment devices, combustion gases, after they have left the combustion chamber or the combustion chamber of an internal combustion engine driving the motor vehicle, cleaned by mechanical, catalytic or chemical means, so as to be able to comply with legal pollutant limits.
Moderne Magermix-Ottomotoren arbeiten in einem Magermixbetrieb mit einem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Zwar ist die Oxidation von CO (Kohlenmonoxid) und CmHn (unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe) bei Sauerstoffüberschuss analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch muss NOx (Stickoxide) zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem stöchiometrischen bis fetten Abgasgemisch. Daher sind Katalysatoren mit zusätzlichen chemischen Elementen erforderlich, die eine Speicherung von NOx ermöglichen, sogenannte NOx-Speicherkatalysatoren. Um die zukünftigen Abgasnormen einzuhalten, werden auch PKW mit Dieselmotoren in Zukunft mit NOx-Speicherkatalysatoren ausgerüstet.Modern lean burn gasoline engines operate in a lean burn mode with an excess of oxygen (λ> 1) to increase engine efficiency. Conventional catalysts can therefore not be used. Although the oxidation of CO (carbon monoxide) and C m H n (incompletely combusted hydrocarbons) in the presence of excess oxygen is still possible analogous to the conventional three-way catalyst, but NOx (nitrogen oxides) must be cached. Their catalytic reduction succeeds only in a stoichiometric to rich exhaust gas mixture. Therefore, catalysts with additional chemical elements are required, which allow a storage of NOx, so-called NOx storage catalysts. In order to comply with future emission standards, cars with diesel engines will also be equipped with NOx storage catalytic converters in the future.
Um diese Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide im NOx-Speicherkatalysatoren zu erreichen werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der Wirkung des Edelmetallkatalysators auf oxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch regelmäßiges, kurzzeitiges „Anfetten“ laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NOx-Moleküle wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie CmHn und/oder CO weiter reduziert werden. In order to achieve this intermediate storage of the nitrogen oxides in the NOx storage catalysts, a noble metal catalyst such as platinum and a NOx storage component, which is usually an alkaline earth metal such as barium, are applied to suitable supports. In the lean, that is oxygen-rich, atmosphere, the nitrogen oxides are oxidized under the action of the noble metal catalyst, absorbed to form nitrates such as barium nitrate in the catalyst and thus removed from the exhaust gas stream. By regular, brief "enrichment" of these reactions take place in the opposite direction, whereby the NOx molecules are released back into the exhaust stream and further reduced by the existing in the rich atmosphere reducing components such as C m H n and / or CO.
Ist die Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators erschöpft, wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt. In diesem kurzen, fetten Regenerations-Zyklus wird das im Katalysator zwischengespeicherte NOx zu Stickstoff reduziert und damit der NOx-Speicherkatalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu minimieren und gültige Grenzwerte der Euro-Normen einzuhalten. If the absorption capacity of the NOx storage catalytic converter is exhausted, the engine electronics briefly set a rich, reducing exhaust gas mixture. In this short, fat regeneration cycle, the NOx temporarily stored in the catalytic converter is reduced to nitrogen, thereby preparing the NOx storage catalytic converter for the next storage cycle. This procedure makes it possible to minimize the pollutant emissions of lean-burn engines and to comply with the applicable limit values of the Euro standards.
Zur Überwachung der Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators ist es bekannt, Sensorsignale von zwei Breitband-Lambdasonden auszuwerten, von denen eine eingangsseitig und die andere ausgangsseitig von dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind. Ein Vergleich der Signalverläufe der beiden Breitband-Lambdasonden erlaubt es, einen Reduktionsmittelschlupf (engl. reductants slip) zu bestimmen, aus dem wiederum ein Zeitverlauf eines Schlupfverhältnis bestimmt werden kann, um die restliche Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. Voraussetzung hierfür sind jedoch stabile Messwerte. Dies Verfahren ist aus der
Ferner ist es zur Überwachung der Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators bekannt, eine Sauerstoffspeicherbestimmung unmittelbar nach einem Betrieb mit einem fetten Gemisch durchzuführen, bei der direkt nach dem Übergang bzw. Rückkehr zum Magermixbetrieb Sauerstoff schnell in dem NOx-Speicherkatalysators gespeichert wird. Um den gespeicherten Sauerstoff zu bestimmen und vergleichen zu können ist es erforderlich, dass die Regeneration abgeschlossen wurde, d. h. die Sauerstoffregeneration vollständig ist, so dass die Sauerstoffspeicherung mit einem leeren NOx-Speicherkatalysator beginnt.Further, for monitoring the intake capacity of the NOx trap catalyst, it is known to perform an oxygen storage determination immediately after a rich mixture operation, in which oxygen is rapidly stored in the NOx trap catalyst immediately after the transition to the lean burn mode. In order to determine and compare the stored oxygen it is necessary that the regeneration has been completed, i. H. the oxygen regeneration is complete, so that the oxygen storage begins with an empty NOx storage catalyst.
Ferner ist z. B. aus der
Ein NOx-Speicherkatalysator speichert nicht nur NOx, sondern auch Sauerstoff. Während einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators werden HC und CO neben NOx verwendet, um Sauerstoff zu konvertieren.An NOx storage catalyst stores not only NOx but also oxygen. During regeneration of the NOx trap catalyst, HC and CO are used in addition to NOx to convert oxygen.
Die Umwandlung von NOx weist eine langsamere Reaktionsgeschwindigkeit als die Umwandlung von Sauerstoff auf. Dies kann mit einer stromabwärts von dem NOx-Speicherkatalysator angeordneten Lambdasonde während der Regeneration erfasst werden.The conversion of NOx has a slower reaction rate than the conversion of oxygen. This may be with a downstream of the NOx storage catalyst arranged lambda probe can be detected during regeneration.
Sauerstoff wird schnell, innerhalb von ein bis zwei Sekunden, in dem NOx-Speicherkatalysator unmittelbar nach der Regeneration gespeichert. Gleichzeitig mit der Sauerstoffspeicherung erfolgt eine NOx-Speicherung, die sich allerdings über einen längeren Zeitraum erstreckt, üblicherweise einige Minuten, bevor der NOx-Speicherkatalysator gesättigt ist.Oxygen is stored quickly, within one to two seconds, in the NOx storage catalyst immediately after regeneration. Simultaneously with the oxygen storage takes place a NOx storage, which, however, extends over a longer period of time, usually a few minutes before the NOx storage catalyst is saturated.
Nach einer langen NOx-Lagerzeit, wenn relativ viel NOx in dem NOx-Speicherkatalysator gespeichert ist, sinkt typischerweise das Sensorsignal der ausgangsseitigen Lambdasonde langsam unter Eins während einer Regeneration aufgrund der langsamen NOx-Umwandlung.After a long NOx storage time, when a relatively large amount of NOx is stored in the NOx storage catalyst, typically, the sensor signal of the output side lambda probe slowly decreases below unity during regeneration due to the slow NOx conversion.
Bei einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit zwei in Strömungsrichtung in Reihe geschalteten NOx-Katalysatoren ist das Sensorsignal der ausgangsseitigen Lambdasonde des ersten NOx-Speicherkatalysators das eingangsseitige Sensorsignal des zweiten NOx-Speicherkatalysators. Jedoch ist das Sensorsignal nicht geeignet, um den Reduktionsmittelschlupf zu bestimmen, da die Bestimmung bei einem Lambda von Eins nicht robust gegenüber Sensorfehlern ist und der Lambdawert während der Regeneration sich nur schwer kontrollieren lässt, insbesondere lässt sich auch der Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators nicht robust bestimmen.In an exhaust gas treatment device with two NOx catalysts connected in series in the flow direction, the sensor signal of the output-side lambda probe of the first NOx storage catalytic converter is the input-side sensor signal of the second NOx storage catalytic converter. However, the sensor signal is not suitable to determine the reducing agent slip, since the determination at a lambda of one is not robust to sensor errors and the lambda value during the regeneration difficult to control, in particular, the aging state of the NOx storage catalyst can not be robust determine.
Hingegen ist im Fall einer Sauerstoffspeicherbestimmung die Menge der Reduktionsmittel, die dem zweiten NOx-Speicherkatalysator zugeführt werden, gering, sodass die Regeneration eine lange Zeitdauer benötigten würde, um eine vollständige Regeneration zu erreichen. Jedoch ist während eines Fahrbetriebs eine solch lange Zeitdauer praktisch nicht gegeben.On the other hand, in the case of oxygen storage determination, the amount of the reductants supplied to the second NOx storage catalyst is small, so that the regeneration would take a long time to achieve complete regeneration. However, during a driving operation, such a long period of time is practically not given.
Es besteht daher Bedarf daran, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator und einem in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten zweiten NOx-Speicherkatalysator sowie zumindest einer zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator angeordneten Breitband-Lambdasonde zuverlässig betrieben werden kann.There is therefore a need to show a way, such as an exhaust gas aftertreatment device of a motor vehicle with a first NOx storage catalyst and downstream in the exhaust gas flow direction second NOx storage catalyst and at least one arranged between the first NOx storage and the second NOx storage catalyst broadband lambda probe reliably can be operated.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasbachbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer im Normalbetrieb im Magermixbetrieb betriebenen Brennkraftmaschine, mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator und einem in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten zweiten NOx-Speicherkatalysator sowie zumindest einer zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator angeordneten Breitband-Lambdasonde, bei dem ein erster Regenerationsschritt mit einem fetten Gemisch durchgeführt wird, um den ersten NOx-Speicherkatalysator zu regenerieren, und ein zweiter Regenerationsschritt mit einem fetten Gemisch durchgeführt wird, um den zweiten NOx-Speicherkatalysator zu regenerieren. Dabei wird unter einem Magermixbetrieb ein Betrieb mit einem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades verstanden, während unter einem fetten Gemisch ein Gemisch mit Sauerstoffmangel (λ < 1) verstanden wird. Nach einer kurzen NOx-Speicherperiode, wenn nur ein geringfügiger Anteil von NOx in dem NOx-Speicherkatalysator gespeichert ist, aber noch eine Sauerstoffspeicherung stattfindet, fällt das Sensorsignal der Breitband-Lambdasonde schnell unterhalb einen Wert von Eins während der Regeneration aufgrund der schnellen Sauerstoffkonvertierung. Nun kann das Sensorsignal der Breitband-Lambdasonde zur Überwachung der Aufnahmekapazität des zweiten NOx-Speicherkatalysators herangezogen werden, da es hierfür tief genug ist. Somit wird eine Information bereitgestellt, die nach ihrer Auswertung zur Überwachung einer Degeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators verwendet werden kann.The object of the invention is achieved by a method for operating a Abgasbachbehandlungsvorrichtung a motor vehicle with a normal operation in lean burn operation internal combustion engine, with a first NOx storage catalyst and downstream in exhaust gas flow direction of the second NOx storage catalyst and at least one between the first NOx storage catalyst and the second NOx catalytic converter arranged broadband lambda probe in which a first regeneration step is performed with a rich mixture to regenerate the first NOx storage catalyst, and a second regeneration step is performed with a rich mixture to regenerate the second NOx storage catalyst. Here, under a lean burn operation, an operation with an excess of oxygen (λ> 1) is understood to increase the engine efficiency, while a rich mixture is understood to mean a mixture with an oxygen deficiency (λ <1). After a short NOx storage period, when only a minor amount of NOx is stored in the NOx storage catalyst but oxygen storage is still taking place, the broadband lambda sensor signal falls rapidly below a value of one during regeneration due to the fast oxygen conversion. Now, the sensor signal of the broadband lambda probe can be used to monitor the absorption capacity of the second NOx storage catalyst, since it is deep enough for this purpose. Thus, information is provided, which can be used after its evaluation for monitoring a degeneration of the second NOx storage catalyst.
Gemäß einer Ausführungsform wird in einem Zwischenschritt zwischen dem ersten Regenerationsschritt und dem zweiten Regenerationsschritt ein mit der Breitband-Lambdasonde gemessener Lambda-Wert mit einem Schwellwert kleiner Eins verglichen und das Verfahren nur dann mit dem zweiten Regenerationsschritt fortgesetzt, wenn der gemessene Lambda-Wert kleiner als der Schwellwert ist. So wird sichergestellt, dass das Verfahren nur dann mit dem zweiten Regenerationsschritt fortgesetzt wird, wenn der Lambda-Wert auf einen Wert kleiner Eins aufgrund der Sauerstoffkonvertierung gefallen ist. So wird die Betriebssicherheit erhöht.According to one embodiment, in an intermediate step between the first regeneration step and the second regeneration step, a lambda value measured with the broadband lambda probe is compared with a threshold value less than one, and the method is continued with the second regeneration step only if the measured lambda value is less than the threshold is. This ensures that the method is continued with the second regeneration step only if the lambda value has fallen to a value less than one due to the oxygen conversion. This increases operational safety.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt das Signal der Breitband-Lambdasonde ausgewertet, um einen Alterungszustand des zweiten NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. So kann zielgerichtet eine Regeneration eingeleitet werden, um die Funktionsfähigkeit des zweiten NOx-Speicherkatalysators aufrecht zu erhalten.According to a further embodiment, the signal of the broadband lambda probe is evaluated in a further step in order to determine an aging state of the second NOx storage catalytic converter. Thus, targeted regeneration can be initiated in order to maintain the operability of the second NOx storage catalytic converter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Reduktionsmittelschlupf bestimmt und ausgewertet, um einen Alterungszustand des zweiten NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. Dies ist nun möglich, da der Lambdawert tief genug ist. Dies erlaubt es, eine Degeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators zuverlässig zu bestimmen. In another embodiment, a reductant slip is determined and evaluated to determine an aging condition of the second NOx storage catalyst. This is now possible because the lambda value is deep enough. This makes it possible to reliably determine a degeneration of the second NOx storage catalyst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Sauerstoffspeicherbestimmung durchgeführt und ausgewertet, um einen Alterungsszustand des zweiten NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. Dies ist nun möglich, da Sauerstoff in dem zweiten NOx-Speicherkatalysator nun schnell abgebaut wird. Auch dies erlaubt es, eine Degeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators zuverlässig zu bestimmen. According to another embodiment, an oxygen storage determination is performed and evaluated to determine an aging condition of the second NOx storage catalyst. This is now possible because oxygen in the second NOx storage catalyst is now rapidly degraded. This also makes it possible to reliably determine a degeneration of the second NOx storage catalyst.
Ferner gehören zur Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.Further, the invention includes an exhaust aftertreatment device and a motor vehicle, in particular a car, with such an exhaust aftertreatment device.
Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained with reference to a drawing. Show it:
Die
Die Brennkraftmaschine
Die in Abgasströmungsrichtung A der Abgasturbolader-Turbine
Der erste NOx-Speicherkatalysator
Ferner weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abgasnachbehandlungsvorrichtung
Jedoch sind der Partikelfilter
Der Partikelfilter
Der SCR-Katalysator
Des Weiteren weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung
Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite Breitband-Lambdasonde
Die Motorbaugruppe
Zur Motorbaugruppe
Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die
Im Normalbetrieb wird die Brennkraftmaschine
Während der Regeneration fällt aufgrund der schnellen Sauerstoffkonversion der Lambdawert schnell auf einen Wert kleiner Eins, wie dies
In einem Zwischenschritt wird von dem Steuergerät
Es leitet dann das Steuergerät
Wenn der Schwellwertvergleich ergeben hat, dass der Lambdawert kleiner Eins ist, leitet das Steuergerät
In einem weiteren Schritt werden die jeweiligen Signale der ersten Breitband-Lambdasonde
Dies kann durch Bestimmung eines Reduktionsmittelschlupfes (engl. reductants slip) erfolgen, bei dem ein Zeitverlauf eines Schlupfverhältnisses bestimmt wird, um die restliche Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. Ein Verfahren zur Bestimmung des Reduktionsmittelschlupfes ist aus der
Alternativ oder zusätzlich kann eine Sauerstoffspeicherbestimmung unmittelbar nach einem Betrieb mit einem fetten Gemisch durchgeführt werden, um so die restliche Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen bzw. die Genauigkeit der Bestimmung zu erhöhen.Alternatively or additionally, an oxygen storage determination may be made immediately after operation with a rich mixture so as to maintain the remaining capacity of the NOx storage catalyst to determine or increase the accuracy of the determination.
Die
Die
Die
Ein Vergleich der
Die
Die
Somit wird der Reduktionsmittelschlupf bestimmt und ausgewertet, um den Betriebszustand des zweiten NOx-Absorbers
Die
Die
Zu erkennen ist, dass aufgrund des Übertragungsverhaltens analog zu einem Totzeitglied sich eine Art Phasenverschiebung einstellt, die ausgewertet werden kann, den Betriebszustand des zweiten NOx-Absorbers
Die
In beiden Fällen kann das Sensorsignal der Breitband-Lambdasonde
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Motorbaugruppe motor assembly
- 44
- Brennkraftmaschine Internal combustion engine
- 66
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung exhaust aftertreatment device
- 88th
- erster NOx-Speicherkatalysator first NOx storage catalyst
- 1010
- zweiter NOx-Speicherkatalysator second NOx storage catalyst
- 1212
- eingangsseitige Breitband-Lambdasonde input-side broadband lambda probe
- 1414
- Abgasturbolader-Turbine The exhaust gas turbocharger turbine
- 1616
- Partikelfilter particulate Filter
- 1818
- SCR-Katalysator SCR catalyst
- 2020
- Steuergerät control unit
- 2222
- ausgangsseitige Breitband-Lambdasonde output broadband lambda probe
- AA
- Abgasströmungsrichtung Exhaust gas flow direction
- PP
- Pfeilrichtung arrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2001/0037643 A1 [0008] US 2001/0037643 A1 [0008]
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- US 6938412 B2 [0008] US 6938412 B2 [0008]
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