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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen an einem Ventilteller im Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einer zur Ausführung des Verfahrens ausgebildeten Steuerungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine.
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Es ist ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Für die Einspritzung des Kraftstoffs, die Gemischaufbereitung im Brennraum sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung. Probleme bei der direkten Einspritzung von Kraftstoff bereiten dabei vor allem Ablagerungen aus Verunreinigungen des Kraftstoffs und aus unvollständiger Verbrennung resultierende Verkokungen von Elementen der Brennkraftmaschine. Zu diesen Elementen zählen z. B. Ventilbestandteile und Teile einer Einspritzvorrichtung, vor allem die zur Einspritzung verwendete Einspritzdüse, auch Injektor genannt. Bei der Einspritzung verbrennen kleinste Mengen an Kraftstoff, die beim Einspritzen an der Einspritzvorrichtung haften bleiben, unvollständig, wenn gegen Ende der Verbrennung der Sauerstoff nahezu aufgebraucht ist. An der Einspritz-vorrichtung bilden sich dadurch Ablagerungen, z. B. von Verkokungsrückständen. Diese Ablagerungen können die Geometrie der Einspritzvorrichtung nachteilig verändern und dazu führen, dass die Ausbildung des Einspritzstrahls beeinflusst bzw. behindert und auf diese Weise die Gemischaufbereitung empfindlich gestört wird. Ablagerungen, besonders Verkokungen bereiten auch an den Ventilen und im Brennraum Probleme, wo sie zu Motorschäden führen können.
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Zum anderen lagert sich eingespritzter Kraftstoff in den Ablagerungen, z. B. porösen Verkokungsrückständen, ein, der dann häufig gegen Ende der Verbrennung, wenn der für die Verbrennung bereitgestellte Sauerstoff nahezu aufgebraucht ist, unvollständig verbrennt und Ruß bildet, welcher wiederum zur Erhöhung der Partikelemission beiträgt. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte bekannt, die der Entwicklung von Verkokungsrückständen entgegenwirken sollen und/oder dazu dienen, Ablagerungen von Verkokungsrückständen abzubauen, d. h. den Brennraum von diesen Verkokungsrückständen zu befreien und zu reinigen. So gibt es zum Beispiel Ansätze, eine klopfende Verbrennung gezielt zu induzieren, um dadurch den Brennraum zu reinigen und/oder eine Reinigungsflüssigkeit in die angesaugte Verbrennungsluft einzubringen (
DE 199 45 813 A1 ). Diese Maßnahmen sind hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission jedoch als kritisch anzusehen. Weiterhin gibt es Ansätze, in den Brennraum eine katalytische Beschichtung einzufügen, die zur Oxidation von Verkokungsrückständen verwendet wird (
DE 10 2012 203 802 A1 ,
DE 10 2011 077 416 B3 ). Diese Beschichtungen funktionieren jedoch nicht unter allen Betriebsbedingungen optimal. Die Verwendung katalytischer Beschichtung ist kostenaufwendig und bedarf weiterer Vorrichtungen, die beispielsweise der Erhöhung der Temperatur im Bereich der katalytischen Beschichtung dienen.
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Die Druckschrift
DE 102 03 750 A1 offenbart ein Verfahren, in dem zur Entkokung bzw. Säuberung eines Kraftstoff-Einlasskanals einer Einspritzeinrichtung zeitlich versetzt zur Hauptinjektion zusätzlicher Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Reinigung des Brennraums von Verkokungsrückständen besteht in der temporären Einspritzung von Kraftstoff mit erhöhtem Druck (
DE 10 2012 023 598 A1 ,
DE 103 16 391 A1 ). In diesen Verfahren bedingt der erhöhte Druck jedoch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch. Es besteht damit die Aufgabe, Ablagerungen an Elementen in Brennräumen von Brennkraftmaschinen effektiv zu entfernen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 8 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung.
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Unter „Periode“ wird die Zahl der Einspritzungen während eines Arbeitszyklus einer Brennkraftmaschine verstanden, für die der Kraftstoff mit erhöhtem Druck eingespritzt wird. Bei den in der vorliegenden Anmeldung bevorzugten fremdgezündeten Brennkraftmaschinen handelt es sich dabei typischerweise um eine Einspritzung pro Arbeitszyklus, bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen können auch mehrere Einspritzungen pro Arbeitszyklus stattfinden.
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Unter „Arbeitszyklus“ wird das einmalige Durchlaufen der vier Arbeitsschritte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen einer Brennkraftmaschine verstanden.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen an einem Ventilteller in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mindestens einen Zylinder und eine Steuerungseinrichtung umfasst und jeder Zylinder eine Einspritzvorrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders mit einem Einspritzdruck aufweist,
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wobei zur Entfernung von Ablagerungen folgende Schritte durchgeführt werden:
- – S1) Erfassen des Status des Ventiltellers in Bezug auf Ablagerungen,
- – S2) Senden eines Signals von der Steuereinrichtung zur Erhöhung des Einspritzdrucks an eine Einspritzpumpe, wenn der Status des Ventiltellers ergibt, dass ein Schwellenwert einer Ablagerung erreicht wurde, und bei Erreichen des Schwellenwertes
- – S3) Erhöhen des Einspritzdrucks von einem Arbeitsdruck auf einen zweiten Druck,
- – S4) Verringern des Einspritzdrucks vom zweiten Druck auf den Arbeitsdruck,
- – S5) Wiederholen des Verfahrens von Schritt S1 an,
und wobei der zweite Druck mindestens das 2,5-fache des Arbeitsdrucks beträgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, weil es ermöglicht, Ablagerungen von einem Ventilteller im Brennraum einer Brennkraftmaschine effektiv zu lösen. Besonders vorteilhaft ist die im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine erhöhte, kurze Einspritzzeit unter einem zweiten Druck, der mindestens das 2,5-fache des Arbeitsdrucks beträgt, weil dadurch Ablagerungen effektiv gelöst werden können, gleichzeitig aber der Kraftstoffverbrauch geringer gehalten wird als bei Einspritzungen mit einem zweiten Druck, der geringer ist als das 2,5-fache des Arbeitsdrucks.
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Der Schwellenwert einer Ablagerung, der als Auslöser für Schritt S2 genommen wird, bemisst sich an einer bestimmten Menge an Ablagerungen, also z. B. Verkokungsrückständen, an dem Ventilteller. Der Grad an Ablagerungen kann über das Erfassen eines brennkammerindividuellen Drehmoments, von Schallsignalen oder des Aussetzens der Maschine erkannt werden.
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Der Arbeitsdruck beträgt vorzugsweise 150–200 bar. Der zweite Druck beträgt bevorzugt bis zu 500 bar, und ebenfalls bevorzugt bis zu 800 bar. Die Höhe des zweiten Drucks wird dabei von der Steuerungseinrichtung vorzugsweise abhängig vom Grad der Ablagerungen eingestellt. Der Druck, mit dem der Kraftstoff durch den Injektor eingespritzt wird, wird dabei durch die Einspritzpumpe erzeugt. Die Brennkraftmaschine kann auch als Commonrail-Brennkraftmaschine ausgebildet sein, wobei für eine Reinigung der Speicherdruck des Kraftstoffs im Commonrail-System erhöht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Erhöhung des Einspritzdrucks, d. h. vom Arbeitsdruck auf den zweiten Druck, zusätzlich nach einer festgelegten Routine in regelmäßigen Abständen. Dabei erfolgt die Erhöhung des Einspritzdrucks vom Arbeitsdruck auf den zweiten Druck vorzugsweise in einem festgelegten zeitlichen Abstand.
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Alternativ kann die Erhöhung des Einspritzdrucks vom Arbeitsdruck auf den zweiten Druck in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erfolgen, d.h. nach einer bestimmten Anzahl von Einspritzungen, die bei einem Arbeitsdruck erfolgt sind, eine Erhöhung auf den zweiten Druck erfolgt. Der Vorteil hierbei besteht darin, dass die Erhöhung des Einspritzdrucks von der Laufleistung des Motors abhängt.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in dem Verfahren der Einspritzdruck des Kraftstoffs beim Einspritzen durch die Einspritzvorrichtung in den Brennraum für eine bestimmte Periode von Einspritzzyklen vom Arbeitsdruck auf den zweiten Druck erhöht wird. Dabei wird die Zahl der Einspritzungen durch die Steuerungseinrichtung festgelegt, die diese Zahl beispielsweise in Abhängigkeit vom Grad der Ablagerungen bestimmt.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einspritzdruck zusätzlich erhöht wird, wenn eine bestimmte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die Steuerungseinrichtung erfasst also die Zeitdauer, in der die Brennkraftmaschine insgesamt gelaufen ist, um dann den Druck des Kraftstoffes in der Einspritzvorrichtung zu erhöhen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Einspritzdruck erhöht, wenn eine bestimmte Fahrstrecke mit dem zur Brennkraftmaschine gehörenden Kraftfahrzeug absolviert wurde. Die Steuerungseinrichtung kann dazu mit dem Kilometerzähler verbunden sein und der Einspritzpumpe nach einer bestimmten Fahrstrecke signalisieren, den Einspritzdruck zu erhöhen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerungseinrichtung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und mindestens einem Zylinder zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorteile der Brennkraftmaschine entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerungseinrichtung und mindestens einem Zylinder zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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2 ein Fließdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 ein Fließdiagram einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 wird Kraftstoff durch eine Einspritzvorrichtung 2 in einen Brennraum 4 eingespritzt. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, d. h. um einen Ottomotor, bei dem das Entzünden des Kraftstoff-/Luftgemischs durch eine Zündkerze gezündet wird. Die Höhe des Drucks, mit dem der Kraftstoff eingespritzt wird, wird dabei von einer Steuerungseinrichtung 3 festgelegt, wobei entsprechende Signale von der Steuerungseinrichtung 3 an die Einspritzpumpe 5 übermittelt werden. Dabei erzeugt die Einspritzpumpe auf ein Signal der Steuerungseinrichtung 3 einen höheren Druck als den Arbeitsdruck. Das heißt, dass in der gleichen Zeit oder auch in kürzerer Zeit wie bei Einspritzungen mit Arbeitsdruck eine höhere Menge an Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung in den Brennraum 4 gespritzt wird. Die Steuerungseinrichtung 3 gibt dabei die Zeit oder die Periode vor, in welcher bzw. in welchen der Kraftstoff mit erhöhtem Druck in den Brennraum 4 gespritzt wird. Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung 3 zusätzlich ausgebildet, den Grad der Ablagerungen zu erfassen. Die Ablagerungen sind im unten beschriebenen Ausführungsbeispiel Verkokungsrückstände an der Spitze der Einspritzvorrichtung. Besonders werden erfindungsgemäß Ablagerungen an Ventiltellern von Einlassventilen erfasst. Die Steuerungseinrichtung ist dabei ausgebildet, verschiedene durch Sensoren gemessene und übermittelte Werte von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine aufzunehmen. So können durch Sensoren beispielsweise ein brennkammerindividuelles Drehmoment, Schallsignale oder das Aussetzen der Maschine erfasst werden. Entsprechend dieser Signale kann die Steuerungseinrichtung den Druck, der durch die Einspritzpumpe erzeugt wird, erhöhen, um Ablagerungsrückstände zu entfernen.
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Am Brennraum 4 ist ein Schallsensor 7 angeordnet, der über Schallsignale erfasst, ob und zu welchem Grad Ablagerungen, in diesem Beispiel besonders von Verkokungsrückständen an der Spitze der Einspritzvorrichtung 2, vorhanden sind. Es kann aber auch ein anderer Sensor 7 vorhanden sein, z. B. für das Erfassen von brennkammerindividuellen Drehmomenten. Die Einspritzpumpe 5 bewirkt den Druck, mit dem Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung 2 in die Brennkammer 4 gespritzt wird. Die Einspritzpumpe 5 erhält den Kraftstoff aus einem Tank (nicht gezeigt) durch die Kraftstoffleitung 6. Alternativ kann der Kraftstoff über ein Commonrail-System bereitgestellt und mit Druck beaufschlagt werden.
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In der in 2 beispielhaft gezeigten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt S1, während dem die Einspritzungen von Kraftstoff in den Brennraum 4 unter einem Arbeitsdruck erfolgen, durch den Sensor 7 erfasst, ob Ablagerungen von Verkokungsrückständen an der Spitze der Einspritzvorrichtung 2 vorhanden sind, und die Information an eine Steuerungseinrichtung 3 übermittelt. Ermittelt die Steuerungseinrichtung 3, dass Ablagerungen von Verkokungsrückständen an der Spitze der Einspritzvorrichtung 2 vorhanden sind und der Grad der Ablagerungen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (Y wie Yes, Ja: Schwellenwert erreicht bzw. überschritten), sendet sie der Einspritzpumpe 5 in einem zweiten Schritt S2 ein Signal zur Erhöhung des Einspritzdrucks auf einen zweiten Druck. Werden in Schritt S1 keine Verkokung festgestellt, erfolgt kein Signal durch die Steuerungseinrichtung 3 an die Einspritzpumpe 5 (N wie No, Nein: Schwellenwert nicht erreicht), und Schritt S1 des Verfahrens wird von neuem durchgeführt.
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In einem dritten Schritt S3 wird der Einspritzdruck auf einen zweiten Druck erhöht, um die Ablagerungen zu lösen. Alternativ können auch Ablagerungen auf anderen Elementen im Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1, z. B. auf Ventiltellern, detektiert und gelöst werden. In einem vierten Schritt S4 wird der Einspritzdruck wieder auf den Arbeitsdruck verringert.
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In einem fünften Schritt S5 wird der Status der Spitze der Einspritzvorrichtung 2 in Bezug auf noch vorhandene Ablagerungen überprüft. Das Verfahren wird von Schritt S2 an wiederholt, wenn die Ablagerungen einen Schwellenwert überschreiten (Y). Das Verfahren beginnt wieder von Schritt S1 an, wenn der entsprechende Schwellenwert nicht überschritten wird (N).
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Die Einspritzung von Kraftstoff mit erhöhtem (zweiten) Druck kann dabei für genau eine Einspritzung, erfolgen. Es ist aber bevorzugt, dass der Einspritzdruck für eine Folge von Einspritzvorgängen erhöht wird. Vorzugsweise beträgt die Periode von Einspritzungen, in denen Kraftstoff mit erhöhtem Druck in den Brennraum gespritzt wird, bis zu 5, bevorzugt bis zu 10, ebenfalls bevorzugt bis zu 20, ebenfalls bevorzugt bis zu 50, und ebenfalls bevorzugt bis zu 100. Dabei wird die Zahl der Einspritzungen durch die Steuerungseinrichtung festgelegt, die diese Zahl beispielsweise in Abhängigkeit vom Grad der Ablagerungen durch Verkokungen bestimmt.
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Der Einspritzdruck des Kraftstoffs wird im Ausführungsbeispiel für 10 Einspritzzyklen auf einen zweiten Druck von 500 bar erhöht (S3). Danach wird der Kraftstoff wieder mit Arbeitsdruck von 150 bis 200 bar in den Brennraum 4 gespritzt (S4). Die Einspritzpumpe 5 könnte den Einspritzdruck aber auch auf einen zweiten Druck von bis zu 600 bar erhöhen, oder auf einen zweiten Druck von bis zu 700 bar, oder 800 bar. Weiterhin kann die Steuerungseinrichtung 3 die Zahl der Einspritzzyklen mit erhöhtem zweiten Druck während einer Folge von zusammengehörigen Einspritzzyklen verschieden hoch einstellen, so dass beispielsweise eine erste Anzahl von Einspritzzyklen 5 beträgt und bei einem zweiten Druck von 300 bar erfolgt, und eine zweite Anzahl von 10 Einspritzzyklen bei einem zweiten Druck von 500 bar erfolgt und dann eine dritte Anzahl von 20 Einspritzzyklen bei einem zweiten Druck von 600 bar erfolgt.
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In der in 3 beispielhaft gezeigten weiteren Ausführungsform des Verfahrens sendet die Steuerungseinrichtung 3 in Schritt S11 zeitlich gesteuert Signale an die Einspritzpumpe 5, damit diese den Einspritzdruck für einen bestimmte Folge von Einspritzzyklen vom Arbeitsdruck auf einen zweiten Druck zweiten Druck von 500 bar erhöht (S12), oder auf einen zweiten Druck von bis zu 600 bar, oder auf bis zu 700 bar, oder auf bis zu 800 bar. In dieser Ausführungsform erfolgt die Einspritzdruckerhöhung unabhängig von tatsächlich vorhandenen Ablagerungen an Elementen im Brennraum der Brennkraftmaschine 1. Dabei kann die zeitliche Steuerung durch ein Zeitrelais geschehen, durch welches die Steuerungseinrichtung 3 in regelmäßigen zeitlichen Abständen, z. B. alle 5 min oder alle 60 min, der Einspritzpumpe 5 ein Signal sendet, den Druck für einen oder mehrere Einspritzvorgänge zu erhöhen. Danach wird der Kraftstoff wieder mit Arbeitsdruck von 150 bis 200 bar in den Brennraum 4 gespritzt (S13). Die unter 2 erläuterte Variation der Zahl der Einspritzzyklen mit erhöhtem Einspritzdruck, der während einer Folge von zusammengehörigen Einspritzzyklen verschieden hoch eingestellt werden kann, ist natürlich auch in dieser Ausführungsform anwendbar.
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Die Steuerungseinrichtung 3 kann in Schritt S11 auch Signale zur Einspritzdruckerhöhung an die Einspritzpumpe 5 senden, wenn eine durch die Steuerungseinrichtung 3 erfasste bestimmte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine 1 erreicht wurde, z. B. 30 Betriebssekunden, fünf Betriebsminuten, eine Betriebsstunde, oder zwei Betriebsstunden, weiterhin wenn eine bestimmte Anzahl von Arbeitszyklen durch die Brennkraftmaschine 1 erreicht wurde, z. B. 10.000, 50.000, 100.000 oder 500.000, oder wenn eine bestimmte Fahrtstrecke mit dem zur Brennkraftmaschine 1 gehörenden Fahrzeug absolviert wurde, z. B. 100 m, 500 m, 1 km, 2 km, 5 km oder 10 km.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Einspritzvorrichtung
- 3
- Steuereinrichtung
- 4
- Brennraum
- 5
- Einspritzpumpe
- 6
- Kraftstoffleitung
- 7
- Sensor
