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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Anordnung mit Lambdasonden zum Überwachen des Alterungszustandes eines Katalysators.
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Im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs sind Sensoren zur Kontrolle der Effizienz eines Abgasnachbehandlungssystems, besonders von Katalysatoren, angeordnet. Sauerstoffsensoren, auch als Lambdasonden bezeichnet, erfassen den Sauerstoffgehalt im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Die Lambdasonden dienen zur Steuerung der Kraftstoff-Luft-Gemisch-Aufbereitung und zur Diagnose von zwischen ihnen angeordneten Katalysatoren. Neben Lambdasonden werden im Abgasnachbehandlungssystem auch andere Sensoren verwendet, z.B. Stickoxidsensoren.
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Häufig werden zwei oder mehrere Sensoren des gleichen oder ähnlichen Typs in einem System angeordnet, um einen Wert eines Betriebsparameters zu erfassen. In der Regel ist dabei ein Sensor stromaufwärts einer Komponente, z.B. eines Katalysators in einem Abgastrakt, angeordnet und ein weiterer Sensor stromabwärts davon. Ein typisches Beispiel einer dualen Sensoranordnung sind zwei Lambdasensoren, von denen einer stromaufwärts und einer stromabwärts eines Katalysators, z.B. eines Stickoxidspeicherkatalysators, angeordnet ist, um die Funktionstüchtigkeit des Stickoxidspeicherkatalysators zu erfassen. Dies ist ausführlich dargestellt in der Patentschrift zu
DE 10 2012 218 728 B4 , auf deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Um Kosten zu reduzieren, werden identische Teile für Sensoren der jeweiligen Typen verwendet, die an verschiedenen Positionen angeordnet werden. Es ist jedoch wesentlich, dass Sensoren, die für bestimmte Positionen vorgesehen sind, nicht mit Sensoren vertauscht angeordnet werden, die für andere Positionen vorgesehen sind. Vertauschte Anordnungen führen zu falschen Signalen, die sich im weiteren Verlauf der Steuerung der Kraftfahrzeugkomponenten negativ auswirken können, z.B. durch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch oder gar durch Beschädigung von Teilen des Abgasnachbehandlungssystems.
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Herkömmliche Maßnahmen, ein Vertauschen von Sensoren zu vermeiden, sind z.B. Farbkodierungen von Sensoren oder elektrischen Leitungen, verschiedene Steckervarianten, verschiedene Größen der Sensoren u.a. Andere Ansätze bestehen im Austauschen bereits eingebauter Sensoren. Ein weiterer Ansatz besteht in einer Vertauschdiagnose für Lambdasonden, in der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine verändert wird, und die Reaktionszeiten bis zum Auftreten der Änderungen in den Signalen der Lambdasonden verglichen werden (
DE 101 17 244 A1 ). Ein weiterer Ansatz besteht im Bestimmen der Anordnung von stromauf- und stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonden aus einem Differenzwert, der auf der Basis von Sensorwerten berechnet wurde (
JP 2008-121 455 A1 ). Es besteht die Aufgabe, den Stand der Technik zu verbessern, um mit vertauscht angeordneten Sensoren zu arbeiten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbespielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen mindestens eines Katalysators einer Brennkraftmaschine durch Steuern von Sensoren, die in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind, wobei ein erster Sensor stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist und ein zweiter Sensor stromabwärts des Katalysators angeordnet ist, mit den Schritten
- – S1) Überführen der Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitspanne Δt in einen unterstöchiometrischen Betrieb,
- – S2) Erfassen eines ersten Luftwertes λ1 im Abgastrakt durch den ersten Sensor,
- – S3) Erfassen eines zweiten Luftwertes λ2 im Abgastrakt durch den zweiten Sensor,
- – S4) Berechnen eines relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses c aus den ermittelten Sensor-Werten,
- – S5) Bestimmen einer Sensorenanordnung aus dem bestimmten relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wobei
– bei c < 1 – x die Sensoren korrekt angeordnet sind,
– bei c > 1 + x die Sensoren vertauscht angeordnet sind,
wobei x ein Schwellenwert ist, der von 1 subtrahiert oder zu 1 addiert wird, um das berechnete relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c wiederzugeben, und
- – S6) Tauschen der vom ersten und zweiten Sensor eingehenden Sensorenwerte in einer Input-Konfiguration, wenn die Sensoren vertauscht angeordnet sind,
wobei bei einem berechneten relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis c innerhalb eines Wertebereiches 1 – x < c < 1 + x ein Fehlersignal ausgelöst wird, das anzeigt, dass der Katalysator einen Alterungszustand mit mangelnder Funktionsfähigkeit erreicht hat und ausgewechselt werden sollte.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Detektion einer vertauschten Sensorenanordnung zu einem Monitoring (Überwachen) der Funktion eines Katalysators genutzt werden kann. Ist der erste Sensor, der stromaufwärts angeordnet ist, ein Sensor, der stromabwärts angeordnet werden sollte, und ist der zweite Sensor, der stromabwärts angeordnet ist, ein Sensor, der stromaufwärts angeordnet werden sollte, ändert sich die Signalverteilung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die in einem Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen ist. Eine vertauschte Anordnung entspricht dabei Signalen, die über 1 liegt. Ist die Anordnung korrekt, liegt sie unter 1. Das relative Luft-Kraftstoffverhältnis wird aus den gemessenen Luftverhältnissen λ1 und λ2 analog zu dem Verhältniswert (A
2/A
1) in
DE 10 2012 218 728 B4 berechnet. Dabei erhöht sich das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c mit dem Alterungszustand des Katalysators und nähert sich 1 an. Dabei nähern sich die Werte von zwei Seiten an, sowohl bei einem Wert c von unter 1, wenn die Sensoren in einer korrekten Anordnung vorliegen, als auch bei einem Wert c von über 1, wenn die Sensoren in einer vertauschten Anordnung vorliegen.
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Die vertauschte Anordnung von Sensoren kann Software-gestützt ermittelt werden. Die Input-Konfiguration ist eine Software, welche die von den Sensoren aufgenommenen Werte verarbeitet und zur Berechnung weiterer Parameter nutzt. Es sind keine zusätzlichen Hardware-gestützten Maßnahmen nötig. Zusätzlich ist das Verfahren vorteilhaft, weil ohne mechanisches Eingreifen, um die Sensoren anders anzuordnen, Software-gesteuert die Werte von als vertauscht angeordnet erkannten Sensoren als richtige Werte genommen werden können, indem sie „rückgetauscht“ werden. Das bedeutet, dass ein Wert von einem vertauscht stromaufwärts des Katalysators angeordneten Sensor, der eigentlich für ein Anordnen stromabwärts des Katalysators vorgesehen ist, als ein Wert eines Sensors genommen wird, der stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist, und dass ein Wert von einem vertauscht stromabwärts des Katalysators angeordneten Sensor, der eigentlich für ein Anordnen stromaufwärts des Katalysators vorgesehen ist, als ein Wert eines Sensors genommen wird, der stromabwärts des Katalysators angeordnet ist. Besonders vorteilhaft kann durch die Beobachtung des Wertes c unabhängig von der Anordnung der Sensoren vorteilhaft die Funktion des Katalysators überwacht werden. Das Verfahren ist damit zeit- und kostengünstiger als herkömmliche Verfahren bzw. Maßnahmen.
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Vorzugsweise werden als Sensoren, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, Lambdasonden verwendet. Weiterhin wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise die Funktion eines Stickoxidspeicherkatalysators überwacht.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sensorenwerte bei einer Temperatur von mindestens 250°C aufgenommen werden. Ab 250°C lassen sich die ermittelten Werte für das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis übersichtlicher voneinander trennen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn x in der Ungleichung c > 1 + x bzw. c < 1 – x einen Wert von über 0,25 hat. Über entsprechen die Werte mit hoher Wahrscheinlichkeit, besonders bei Temperaturen von über 250°C, vertauscht bzw. korrekt angeordneten Sensoren. Es ist in diesem Sinne ebenfalls bevorzugt, wenn x in der Ungleichung c > 1 + x bzw. c < 1 – x einen Wert von über 0,5 hat. Es ist auch möglich, dass x in der Ungleichung c > 1 + x einen Wert von 0,25 hat, und in der Ungleichung c > 1 – x einen Wert von 0,5.
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Besonders bevorzugt wird das Fehlersignal ausgelöst, wenn der Wert von c zwischen 0,75 und 1,25 liegt. Mit anderen Worten liegt der Wertebereich von c, in dem das Fehlersignal ausgelöst wird, vorzugsweise zwischen 0,75 und 1,25.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, mindestens einem im Abgastrakt angeordneten Katalysator, mindestens einem stromaufwärts des Katalysators angeordneten ersten Sensor, mindestens einem stromabwärts des Katalysators angeordneten zweiten Sensor, und mindestens einer Regeleinrichtung, die ausgebildet ist, Signale von den Sensoren zu empfangen, aus den Sensordaten ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis c zu berechnen, mit dem berechneten relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis c zu bestimmen, ob die Sensoren vertauscht angeordnet sind, und die die eingehenden Sensorenwerte in einer Input-Konfiguration gegeneinander zu tauschen, wenn die Sensoren vertauscht angeordnet sind, wobei die Regeleinrichtung weiterhin ausgebildet ist, bei einem berechneten relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis c innerhalb eines Wertebereiches 1 – x < c < 1 + x ein Fehlersignal auszulösen, dass der Katalysator einen Alterungszustand mit mangelnder Funktionsfähigkeit erreicht hat und ausgewechselt werden sollte. Die Vorteile der Anordnung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Sensoren sind vorzugsweise Lambdasonden. Der Katalysator ist vorzugsweise ein Stickoxidspeicherkatalysator.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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2 ein Diagramm, in dem ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von der Temperatur abgetragen ist.
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3 ein Diagramm, in dem ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von der Temperatur abgetragen ist.
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4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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5 ein Fließdiagramm des Verfahrens gemäß 4 in einer detaillierten Darstellung.
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1 zeigt eine Anordnung 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 mit drei Zylindern 2a und einem Abgastrakt 3, in dem die Abgase der Zylinder 2a abgeführt werden. Die Brennkraftmaschine 2 kann auch eine andere Anzahl an Zylindern aufweisen, z.B. zwei, vier, fünf, sechs oder acht. Die Brennkraftmaschine 2 kann selbstzündend oder fremdgezündet sein. Im Abgastrakt 3 ist ein Stickoxidspeicherkatalysator 4 angeordnet. In einer Abgasnachbehandlungsanlage kann der Stickoxidspeicherkatalysator 4 zusammen mit anderen Katalysatoren angeordnet sein, z.B. einem Oxidationskatalysator, einem Drei-Wege-Katalysator, oder einem Partikelfilter.
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Stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 4 ist eine erste Lambdasonde 5 und stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 4 eine zweite Lambdasonde 6 angeordnet. Die Lambdasonden 5, 6 dienen zum Erfassen eines ersten Luftwertes λ1 bzw. eines zweiten Luftwertes λ2 im Abgastrakt. Weiterhin ist ein Temperatursensor 7 im Abgastrakt 3 stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 4 angeordnet. Es können weitere Lambdasonden oder Temperatursensoren an beliebigen Stellen im Abgastrakt 3 angeordnet sein. Weiterhin können Stickoxidsensoren zusammen mit oder anstelle der Lambdasonden verwendet werden. Die Lambdasonden 5, 6 und ggf. weitere Sensoren sind mit einer Regeleinrichtung 8 verbunden. Die Regeleinrichtung 8 ist besonders ausgebildet, Luftwerte λ1 und λ2 von den Lambdasonden 5 bzw. 6 zu empfangen, aus den Werten ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis c zu berechnen, mit dem berechneten relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis c zu bestimmen, ob die Lambdasonden 5, 6 vertauscht angeordnet sind, und die die eingehenden Werte in einer Input-Konfiguration gegeneinander zu tauschen, wenn die Lambdasonden 5, 6 vertauscht angeordnet sind.
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In 2 sind in Gestalt eines Diagramms relative Luft-Kraftstoff-Verhältnisse c, die aus den Luftverhältnissen λ1 und λ2 ermittelt wurden, in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen, wobei sich die Lambdasonden zum Erfassen der Luftverhältnisse in einer korrekten Anordnung befinden. In 2 wird der Alterungszustand eines Katalysators, besonders eines Stickoxidspeicherkatalysators, erfasst. Die Alterungszustände in 2 lassen sich in drei Gruppen gliedern. Niedrige Werte entsprechen relativ neuwertigen, voll funktionsfähigen Katalysatoren (kreisförmige Datenpunkte). Werte, die sich dem Wert 1 annähern, entsprechen mittelalten, aber noch funktionsfähigen Katalysatoren (quadratförmige Datenpunkte), oder stark gealterten, im Grunde nicht mehr funktionsfähigen Katalysatoren (karoförmige Datenpunkte), die ausgetauscht werden sollten.
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In 3 sind in Gestalt eines Diagramms relative Luft-Kraftstoff-Verhältnisse c, die aus den Luftverhältnissen λ1 und λ2 ermittelt wurden, in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen, wobei hier die Lambdasonden zum Teil vertauscht wurden. Dunkle kreisförmige Datenpunkte entsprechen hier neuwertigen, voll funktionsfähigen Katalysatoren in einer korrekten Anordnung der Lambdasensoren 5, 6. Die hellen kreisförmigen Punkte entsprechen neuwertigen, voll funktionsfähigen Katalysatoren in einer vertauschten Anordnung der Lambdasensoren 5, 6. Dunkle karoförmige Datenpunkte entsprechen gealterten, im Grunde nicht mehr funktionsfähigen Katalysatoren in einer korrekten Anordnung der Lambdasensoren 5, 6, und helle karoförmige Datenpunkte entsprechen gealterten, im Grunde nicht mehr funktionsfähigen Katalysatoren in einer vertauschten Anordnung der Lambdasonden 5, 6. Die Werte der gealterten Katalysatoren sind dem durch eine waagerechte Linie verdeutlichtem Wert 1 angenähert, unabhängig davon, ob die Lambdasonden 5, 6 in einer korrekten oder vertauschten Anordnung vorliegen. Eine korrekte Anordnung der Lambdasonden 5, 6 in einem funktionsfähigen Katalysator ist damit an Werten des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis c zu erkennen, die deutlich unter dem Wert 1 liegen. Eine vertauschte Anordnung der Lambdasonden 5, 6 in einem funktionsfähigen Katalysator ist dagegen an Werten zu erkennen, die deutlich über dem Wert 1 liegen.
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In einem Verfahren gemäß der Darstellung von 4 wird in einem ersten Schritt S1die Brennkraftmaschine 2 für eine vorgebbare Zeitspanne Δt, z.B. 2, 3, 4, 5 oder mehr Sekunden, in einen unterstöchiometrischen Betrieb überführt. Durch ein entsprechendes Steuern der Brennkraftmaschine 2 wird eine Abgastemperatur von mindestens 250°C erzeugt. In einem zweiten Schritt S2 wird dann durch die erste Lambdasonde 5 im Abgastrakt stromaufwärts des Katalysators 4 ein erster Luftwert λ1 gemessen. In einem dritten Schritt S3 wird durch die zweite Lambdasonde 6 im Abgastrakt stromabwärts des Katalysators 4 ein zweiter Luftwert λ2 gemessen. Die Luftwerte λ1, λ2 werden an die Regeleinrichtung 8 übertragen, die in einem vierten Schritt S4 aus den gemessenen Werten λ1, λ2 ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis c berechnet. In einem fünften Schritt S5 wird aus dem relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis die Anordnung der Lambdasonden 5, 6 bestimmt. Dabei ist die Anordnung der Lambdasonden 5, 6 korrekt, wenn das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c kleiner ist als 0,5 (berechnet aus 1 – x, wobei x > 0,5), wie in 3 dargestellt. Die Anordnung der Lambdasonden 5, 6 ist vertauscht, wenn das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c größer ist als 1,25 (berechnet aus 1 + x, wobei x > 0,25), wie in 3 dargestellt. Sind die Lambdasonden 5, 6 korrekt angeordnet, werden die Daten der Lambdasonden 5, 6 ohne weiteres zum Beurteilen der Funktionsfähigkeit des Katalysators 4 verwendet. Werden die Lambdasonden 5, 6 als vertauscht angeordnet erkannt, werden die in einem sechsten Schritt S6 von der ersten und zweiten Lambdasonde 5, 6 an die Regeleinrichtung 8 übertragenen Werte in einer Input-Konfiguration getauscht, so dass im Endeffekt die richtigen Werte zur Berechnung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet werden.
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In 5 ist das Verfahren ab Schritt S4, in dem das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c berechnet wird, detaillierter dargestellt. Schritt S5 ist dabei in mehrere Alternativen unterteilt. Ist das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c kleiner als 0,75 oder besonders kleiner als 0,5, wird die Anordnung der Lambdasonden 5, 6 in einem fünften Schritt S5a als korrekt beurteilt und in einem sechsten Schritt S6a die Daten der Lambdasonden 5, 6 ohne weiteres zum Beurteilen der Funktionsfähigkeit des Katalysators 4 verwendet.
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Ist das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c größer als 1,25 und besonders größer als 1,5, wird die Anordnung der Lambdasonden 5, 6 in einem fünften Schritt S5b als vertauscht beurteilt und in einem sechsten Schritt S6b die von der ersten und zweiten Lambdasonde 5, 6 an die Regeleinrichtung 8 übertragenen Werte in einer Input-Konfiguration getauscht, so dass im Endeffekt die richtigen Werte zur Berechnung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet werden.
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Befindet sich das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis c in der Nähe des Wertes 1, d.h. liegt c zwischen 0,75 und 1,25, wird in einem fünften Schritt S5c von der Regeleinrichtung 8 geschlussfolgert, dass der Katalysator 4 einen Alterungszustand mit mangelnder Funktionsfähigkeit erreicht hat und ausgewechselt werden sollte. Es wird dann in einem sechsten Schritt S6c ein Fehlersignal ausgelöst, wonach der Katalysator 4 ausgewechselt werden sollte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 2a
- Zylinder
- 3
- Abgastrakt
- 4
- Katalysator
- 5
- erster Sensor
- 6
- zweiter Sensor
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Regeleinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218728 B4 [0003, 0008]
- DE 10117244 A1 [0005]
- JP 2008-121455 A1 [0005]
