DE102018221135A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, Steuereinheit sowie Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Steuereinheit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, das der Einspritzung eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient, wobei zum Einspritzen der Kraftstoffe ein Zweistoffinjektor (1) mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln verwendet wird, der über ein Gas-Rail (2) mit dem gasförmigen Kraftstoff und über ein Flüssigkraftstoff-Rail (3) mit dem flüssigen Kraftstoff versorgt wird, und wobei der flüssige Kraftstoff zugleich als Steuermedium zur Steuerung der Hubbewegungen der beiden Düsennadeln, insbesondere der Gasnadel, verwendet wird. Erfindungsgemäß wird bei einer Lastabsenkung der Brennkraftmaschine, beispielsweise von Volllast auf Teillast, der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) zunächst erhöht und während des Teillastbetriebs wieder abgesenkt, so dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) während des Teillastbetriebs dem sinkenden Gasdruck im Gas-Rail (2) folgt.Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit und ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Steuereinheit.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, das der Einspritzung eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Zweistoffinjektors mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln durchgeführt.
- Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuereinheit und ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Steuereinheit. Das Kraftstoffeinspritzsystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar.
- Stand der Technik
- Bei der Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“), werden zunehmend höhere Einblasdrücke verwirklicht, um bei Volllast Anforderungen zu erfüllen, wie sie an die Verbrennung von Dieselkraftstoff gestellt werden. Hohe Einblasdrücke führen jedoch zu Einblasraten, die bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine zu groß sind und bei der Umsetzung häufig mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung und/oder erhöhten Emissionen einhergehen. Dies gilt es zu vermeiden.
- Als Lösungsansatz kann ein Druckregelventil zur Gasdruckregelung an einem Gas-Rail für den gasförmigen Kraftstoff vorgesehen werden, über den mindestens ein Kraftstoffinjektor mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgbar ist. Die Gasdruckregelung über einen solchen Druckregler erfolgt jedoch aufgrund der hohen Kompressibilität des gasförmigen Kraftstoffs sehr langsam. Ferner fallen große Steuermengen an, die dem System verloren gehen. Denn wegen des niedrigen Druckniveaus können sie weder in den Gastank zurückgeführt, noch der Verbrennung zugeführt werden. Ein Abblasen der anfallenden Steuermengen in die Umgebung ist aufgrund des hohen Erwärmungspotenzials („global warming“) ebenfalls nicht möglich.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einspritzrate beim Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine zu gestalten, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.
- Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Steuereinheit mit dem Merkmalen des Anspruchs 9 sowie das Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Offenbarung der Erfindung
- Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, das der Einspritzung eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Zum Einspritzen der Kraftstoffe wird dabei ein Zweistoffinjektor mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln verwendet, der über ein Gas-Rail mit dem gasförmigen Kraftstoff und über ein Flüssigkraftstoff-Rail mit dem flüssigen Kraftstoff versorgt wird. Der flüssige Kraftstoff wird dabei zugleich als Steuermedium zur Steuerung der Hubbewegungen der beiden Düsennadeln, insbesondere der Gasnadel, verwendet. Erfindungsgemäß wird bei einer Lastabsenkung der Brennkraftmaschine, beispielsweise von Volllast auf Teillast, der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail zunächst erhöht. Dies hat den Effekt, dass die Öffnungsbewegung der Gasnadel verlangsamt wird. Auf diese Weise kann eine lastabhängige Formung der Gas-Einspritzrate erreicht werden. Während des Teillastbetriebs wird dann der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail wieder abgesenkt, so dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail während des Teillastbetriebs dem sinkenden Gasdruck im Gas-Rail folgt.
- Durch das anfängliche Erhöhen des Flüssigkraftstoffdrucks bzw. Steuerdrucks und die damit einhergehende Verlangsamung des Öffnens der Gasnadel wird die Einspritzrate durch Sitzdrosselung soweit reduziert, dass sie in etwa der Rate bei niedrigem Gasdruck entspricht. Das heißt, dass der Gasdruck im Gas-Rail zur Realisierung einer lastabhängigen Steuerung der Einspritzrate des gasförmigen Kraftstoffs nicht mehr geregelt werden muss, so dass ein Druckregelventil zur Gasdruckregelung entfallen kann. Mit Wegfall des Gasdruckreglers fallen auch keine abzuführenden großen Steuermengen mehr an. Folglich kann auf eine Anbindung des Gas-Rails an einen Rücklauf verzichtet werden. Zugleich bleibt die Versorgung des Zweistoffinjektors mit variablem Gasdruck gesichert. Denn bei geöffneter Gasnadel wird gasförmiger Kraftstoff aus dem Gas-Rail entnommen, so dass der Gasdruck im Gas-Rail über mehrere Einspritzzyklen hinweg langsam absinkt. Durch erneute Befüllung des Gas-Rails mit gasförmigem Kraftstoff kann der Gasdruck im Gas-Rail bei Bedarf wieder angehoben werden. Eines Gasdruckreglers mit einem Rücklaufanschluss bedarf es demnach nicht.
- Die zeitweise Erhöhung des Flüssigkraftstoffdrucks im Flüssigkraftstoff-Rail führt zu einem Differenzdruck, der eine hohe Belastung für ein Dichtelement des Zweistoffinjektors darstellen kann, das der Trennung der beiden Kraftstoffe dient. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Belastung jedoch reduziert, da der Flüssigkraftstoffdruck nur bei einer Lastabsenkung und zudem nur kurzzeitig erhöht wird. Denn im Teillastbetrieb führen die Gaseinspritzungen zu einem sinkenden Gasdruck im Gas-Rail, so dass bereits kurz nach der Erhöhung des Flüssigkraftstoffdrucks im Flüssigkraftstoff-Rail dieser wieder abgesenkt werden kann. Da der Flüssigkraftstoffdruck dem sinkenden Gasdruck im Gas-Rail folgt, bleibt die Sitzdrosselung erhalten.
- Im Übrigen, das heißt in allen anderen Betriebsmodi, kann auf eine minimale Druckdifferenz geregelt werden.
- Bevorzugt wird der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail derart eingestellt und/oder variiert, dass er dauerhaft höher als der Gasdruck im Gas-Rail ist. Der höhere Flüssigkraftstoffdruck verhindert, dass gasförmiger Kraftstoff im Wege der Leckage in den Bereich des Flüssigkraftstoffs gelangt. Die Druckdifferenz ist jedoch vorzugsweise gering, um die Belastung des üblicherweise zur Medientrennung vorgesehenen Dichtelements gering zu halten.
- Des Weiteren bevorzugt wird der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail derart eingestellt und/oder variiert, dass er im transienten Bereich des Lastwechsels der Brennkraftmaschine, beispielsweise von Volllast auf Teillast, sein Maximum erreicht. Der transiente Bereich bezeichnet den Übergangsbereich, beispielsweise von Volllast auf Teillast. Das heißt, dass die Erhöhung des Flüssigkraftstoffdrucks mit dem Lastwechsel erfolgt und nur von kurzer Dauer ist, so dass das Maximum noch in den transienten Bereich fällt. Im Teillastbetrieb wird der Flüssigkraftstoffdruck bereits wieder abgesenkt, so dass auch die maximale Belastung des der Medientrennung dienenden Dichtelements nur von kurzer Dauer ist.
- Weiterhin bevorzugt wird der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail derart eingestellt und/oder variiert, dass er noch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wieder sein Minimum erreicht. Vorteilhafterweise liegt das Minimum knapp über dem Gasdruckniveau, um eine Gasleckage in den Flüssigkraftstoffbereich zu verhindern.
- Ferner wird vorgeschlagen, dass zur Anhebung des Gasdrucks im Gas-Rail ein in einer Gasversorgungsleitung angeordnetes Ventil geöffnet wird, wobei eine Verbindung des Gas-Rails über die Gasversorgungsleitung mit einem Zwischenspeicher hergestellt wird, über den das Gas-Rail mit gasförmigem Kraftstoff versorgt wird. Über die Gasversorgungsleitung strömt somit gasförmiger Kraftstoff in das Gas-Rail, was dazu führt, dass der Gasdruck im Gas-Rail ansteigt, sofern nicht zeitgleich die gleiche Menge an gasförmigem Kraftstoff aus dem Gas-Rail entnommen wird. Bleibt das Ventil geschlossen, führt die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff aus dem Gas-Rail zu einer Absenkung des Gasdrucks. Auf diese Weise kann der Gasdruck im Gas-Rail „geregelt“ werden, wobei sich das Ventil nicht wie ein Druckregler, sondern wie ein Druckminderer verhält. Das Ventil weist insbesondere keine Anbindung an einen Rücklauf auf, da - im Unterschied zum Gasdruckregler - keine Steuermengen abzuführen sind.
- Vorteilhafterweise wird das Ventil mit Hilfe einer Steuereinheit elektrisch angesteuert. Somit entfällt die Versorgung mit flüssigem Kraftstoff oder einem anderen Druckmittel als Steuermedium.
- Da mit der Entnahme von gasförmigem Kraftstoff aus dem Gas-Rail der Gasdruck absinkt, muss zur Absenkung des Gasdrucks im Gas-Rail lediglich gasförmiger Kraftstoff über mehrere Einspritzzyklen hinweg aus dem Gas-Rail entnommen und mittels des Zweistoffinjektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Auf diese Weise kann der Gasdruck im Gas-Rail rücklaufmengenfrei gesteuert werden.
- Bevorzugt wird der Gasdruck im Gas-Rail überwacht und als Eingangsgröße bei der Steuerung des Flüssigkraftstoffdrucks im Flüssigkraftstoff-Rail verwendet. Die Überwachung des Gasdrucks kann mit Hilfe eines am Gas-Rail angeordneten Drucksensors vorgenommen werden, der seine Messdaten an die Steuereinheit übermittelt. Mit Hilfe der Steuereinheit kann dann der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail, beispielsweise durch entsprechendes Ansteuern eines am Flüssigkraftstoff-Rail angeordneten Ventils, verändert werden.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere Erdgas als gasförmigen Kraftstoff und Dieselkraftstoff als flüssiger Kraftstoff verwendet werden. Der Dieselkraftstoff kann in diesem Fall zugleich zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs eingesetzt werden. Der Dieselkraftstoff wird hierzu im Wege einer Piloteinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Das heißt, dass die Dieselnadel früher als die Gasnadel geöffnet wird.
- Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Steuereinheit vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. In der Steuereinheit ist hierzu bevorzugt ein Computerprogramm mit einem entsprechenden Programmcode hinterlegt.
- Darüber hinaus wird ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Steuereinheit umfasst. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann somit nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
- Bevorzugt umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem ferner einen Zweistoffinjektor mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln, ein Gas-Rail zur Versorgung des Zweistoffinjektors mit dem gasförmigen Kraftstoff und ein Flüssigkraftstoff-Rail zur Versorgung des Zweistoffinjektors mit dem flüssigen Kraftstoff. Über den Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail sind die Hubbewegungen der beiden Düsennadeln, insbesondere der Gasnadel, steuerbar.
- Des Weiteren bevorzugt ist das Gas-Rail in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Ventils über eine Gasversorgungsleitung mit einem Zwischenspeicher verbindbar. Der Zwischenspeicher dient der Versorgung des Gas-Rails mit Erdgas. Eine Anbindung des Gas-Rails an eine Rücklaufleitung ist nicht vorgesehen, und zwar weder unmittelbar noch mittelbar über das in der Gasversorgungsleitung angeordnete Ventil. Über das Ventil kann dem Gas-Rail lediglich neues Erdgas zugeführt werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems und -
2 eine graphische Darstellung einer Regelstrategie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Das in der
1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem dient der Einspritzung von Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Erdgas wird in einem Gastank8 vorgehalten. Die Entnahme erfolgt mit Hilfe eines Förderaggregats9 , das in einen Zwischenspeicher7 fördert. Dieser ist - in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Ventils5 - über eine Gasversorgungsleitung4 mit einem Gas-Rail2 verbindbar. Stromaufwärts des Zwischenspeichers7 sind ein Wärmetauscher10 und ein Überströmventil11 in der Gasversorgungsleitung4 angeordnet. Das Überströmventil11 ist absteuerseitig über eine Rücklaufleitung12 mit dem Gastank8 verbunden. - Die Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt mittels eines Zweistoffinjektors
1 , der an das Gas-Rail2 angeschlossen ist. Mittels des Zweistoffinjektors1 ist ferner ein flüssiger Kraftstoff, vorliegend Dieselkraftstoff, einspritzbar, der in einem Dieseltank13 bevorratet wird. Der Dieselkraftstoff wird mittels einer Pumpe14 dem Dieseltank13 entnommen und einem Flüssigkraftstoff-Rail3 zugeführt, über den der Zweistoffinjektor1 mit Dieselkraftstoff versorgbar ist. Mit Hilfe des Dieselkraftstoffs wird das Erdgas im Brennraum der Brennkraftmaschine gezündet. Des Weiteren dient der Dieselkraftstoff als Steuermedium, mit dessen Hilfe die Hubbewegungen zweier koaxial angeordneter, ineinander geführter Düsennadeln des Zweistoffinjektors2 steuerbar. - Der Dieseldruck im Flüssigkraftstoff-Rail
3 ist mittels eines Druckregelventils15 steuerbar, das über eine Rücklaufleitung16 mit dem Dieseltank13 verbunden ist. Die Ansteuerung des Druckregelventils15 erfolgt mittels einer Steuereinheit6 , die hierzu über eine Steuerleitung17 mit dem Druckregelventil16 verbunden ist. Über weitere Steuerleitungen17 ist die Steuereinheit6 mit dem Ventil5 und dem Förderaggregat9 verbunden. Ferner werden der Steuereinheit6 Messdaten von Drucksensoren18 übermittelt, die am Gas-Rail2 , am Flüssigkraftstoff-Rail3 und am Zwischenspeicher7 angeordnet sind. - Mit Hilfe des in der
1 dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems kann die Einspritzrate des gasförmigen Kraftstoffs lastabhängig gesteuert werden, und zwar über den Dieseldruck im Flüssigkraftstoff-Rail3 . - Wie beispielhaft in der
2 dargestellt kann bei einer Lastabsenkung (untere Kurve) der Dieseldruck im transienten Bereich a des Lastwechsels kurz erhöht werden, so dass die Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck und dem Dieseldruck steigt (mittlere Kurve). Der erhöhte Dieseldruck bewirkt, dass die Gasnadel langsamer öffnet, so dass keine oder erst mit Verzögerung eine Sitzentdrosselung erfolgt. Entsprechend sinkt der Durchfluss bei geöffneter Gasnadel. Da mit der Entnahme von Erdgas aus dem Gas-Rail2 der Gasdruck im Gas-Rail2 sinkt (obere Kurve), kann in Folge der Dieseldruck wieder abgesenkt werden, so dass der Differenzdruckverlauf (mittlere Kurve) dem Gasdruckverlauf (obere Kurve) folgt. Noch im Teillastbetrieb erreicht der Differenzdruck sein Minimum, wobei das Minimum immer größer als Null ist, da das Dieseldruckniveau über dem Gasdruckniveau liegt, um eine Gasleckage in den Dieselbereich zu verhindern. - Die lastabhängige Steuerung der Einspritzrate des gasförmigen Kraftstoffs kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens rücklaufmengenfrei vorgenommen werden. Da der Differenzdruck nur kurzzeitig ein Maximum erreicht, wird die Belastung eines der Medientrennung dienenden Dichtelements so gering wie möglich gehalten. Eine Anbindung des Gas-Rails
2 - unmittelbar oder mittelbar über das Ventil5 - an die Rücklaufleitung12 ist nicht erforderlich, da keine Gasmengen aus dem Gas-Rail2 in den Gastank8 zurückgeführt werden. Das Ventil5 wird nur geöffnet, wenn das Gas-Rail2 mit Erdgas aus dem Zwischenspeicher7 befüllt werden soll, um den Gasdruck im Gas-Rail2 anzuheben. Zur Absenkung des Gasdrucks im Gas-Rail2 wird Erdgas entnommen und dem Zweistoffinjektor1 zur Einspritzung zugeführt.
Claims (10)
- Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, das der Einspritzung eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient, wobei zum Einspritzen der Kraftstoffe ein Zweistoffinjektor (1) mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln verwendet wird, der über ein Gas-Rail (2) mit dem gasförmigen Kraftstoff und über ein Flüssigkraftstoff-Rail (3) mit dem flüssigen Kraftstoff versorgt wird, und wobei der flüssige Kraftstoff zugleich als Steuermedium zur Steuerung der Hubbewegungen der beiden Düsennadeln, insbesondere der Gasnadel, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lastabsenkung der Brennkraftmaschine, beispielsweise von Volllast auf Teillast, der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) zunächst erhöht und während des Teillastbetriebs wieder abgesenkt wird, so dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) während des Teillastbetriebs dem sinkenden Gasdruck im Gas-Rail (2) folgt.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) derart eingestellt und/oder variiert wird, dass er dauerhaft höher als der Gasdruck im Gas-Rail (2) ist. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) derart eingestellt und/oder variiert wird, dass er im transienten Bereich der Lastabsenkung der Brennkraftmaschine, beispielsweise von Volllast auf Teillast, sein Maximum erreicht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail (3) derart eingestellt und/oder variiert wird, dass er noch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wieder sein Minimum erreicht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anhebung des Gasdrucks im Gas-Rail (2) ein in einer Gasversorgungsleitung (4) angeordnetes Ventil (5) geöffnet wird, wobei eine Verbindung des Gas-Rails (2) über die Gasversorgungsleitung (4) mit einem Zwischenspeicher (7) hergestellt wird, über den das Gas-Rail (2) mit gasförmigem Kraftstoff versorgt wird.
- Verfahren nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (5) mit Hilfe einer Steuereinheit (6) elektrisch angesteuert wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Absenkung des Gasdrucks im Gas-Rail (2) über mehrere Einspritzzyklen hinweg gasförmiger Kraftstoff aus dem Gas-Rail (2) entnommen und mittels des Zweistoffinjektors (1) in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, so dass der Gasdruck im Gas-Rail (2) rücklaufmengenfrei gesteuert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck im Gas-Rail (2) überwacht wird und als Eingangsgröße bei der Steuerung des Flüssigkraftstoffdrucks im Flüssigkraftstoff-Rail (3) verwendet wird.
- Steuereinheit (6), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
- Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Steuereinheit (6) nach
Anspruch 9 .
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