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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems, umfassend mindestens einen Brenngastank zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Brenngastanksystem.
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Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brenngastanksysteme, insbesondere Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in einem Brenngastank unter Hochdruck gespeichert wird.
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Stand der Technik
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Bekannt sind mobile Brenngastanksysteme mit mindestens einem Brenngastank zur Speicherung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Der Brenngastank ist dabei in der Regel als Hochdrucktank ausgelegt. Ein Hochdrucktank benötigt immer ein Absperrventil, um den Tank dicht abzusperren, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Aus Gründen der Sicherheit ist das Absperrventil grundsätzlich als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Zur weiteren Absicherung kann dem Absperrventil ein Durchflussbegrenzungsventil vorgeschaltet sein, das im Schadensfall den Durchfluss stark drosselt und somit ein kontrolliertes Abblasen von Brenngas aus dem Brenngastank ermöglicht.
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Das Absperrventil und das Durchflussbegrenzungsventil sind üblicherweise in eine Ventilbaugruppe integriert, die als kompakte Einheit in den Brenngastank, insbesondere im Bereich eines Flaschenhalses des Brenngastanks, einsetzbar ist. Die Integration erfolgt in einen Entnahmepfad der Ventilbaugruppe, der in eine Gasleitung mündet. Neben dem Absperrventil und dem Durchflussbegrenzungsventil sind in der Regel weitere Komponenten, insbesondere weitere Ventile, in den Entnahmepfad integriert.
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Mit der Anzahl der Komponenten im Entnahmepfad steigt der Druckverlust bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank. Die Druckschwelle zur Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils, nachfolgend als Aktivierungsschwelle bezeichnet, muss demnach niedriger als der Differenzdruck über die gesamte Ventilbaugruppe gewählt werden. Damit steigt bei einer Ansteuerung des Absperrventils die Gefahr, dass das Durchflussbegrenzungsventil unbeabsichtigt aktiviert und der Durchfluss durch das geöffnete Absperrventil limitiert wird. Die Gefahr besteht insbesondere bei einem Druckanstieg im Brenngastank und/oder einem Druckabfall in der Gasleitung, so dass die Differenz zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung besonders hoch ist. Ist das Durchflussbegrenzungsventil aktiviert, ist der Durchfluss limitiert, so dass dem Brenngastank nicht die angeforderte Menge Brenngas entnommen werden kann. In einem Brenngastanksystem mit mehreren Brenngastanks führt dies dazu, dass die fehlende Menge einem Brenngastank entnommen wird, bei dem eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils am wenigsten zu erwarten ist. In der Folge kann es daher zu einer ungleichmäßigen Entleerung der mehreren Brenngastanks kommen.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, bei der Entnahme von Brenngas aus einem Brenngastank eine Durchflusslimitierung aufgrund eines aktivierten Durchflussbegrenzungsventils zu verhindern oder zumindest die negativen Folgen einer solchen Durchflusslimitierung zu mindern. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems, das mindestens einen Brenngastank zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank umfasst. Bei dem Verfahren wird zur Entnahme von Brenngas ein Absperrventil angesteuert und geöffnet, das in Entnahmerichtung stromabwärts eines Durchflussbegrenzungsventils in einen Entnahmepfad der Ventilbaugruppe integriert ist, der in eine Gasleitung mündet. Erfindungsgemäß wird vor dem Ansteuern des Absperrventils in einem Schritt (a) geprüft, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist. Bei einer zu erwartenden Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils wird in einem Schritt (b) das Absperrventil in bestimmten zeitlichen Abständen mehrfach hintereinander angesteuert.
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Durch mehrfaches Ansteuern des Absperrventils, wird das Absperrventil mehrfach hintereinander geöffnet. Zwischen zwei Öffnungsphasen ist das Absperrventil geschlossen, so dass kein Brenngas aus dem Brenngastank entnommen wird. Das heißt, dass zwischen zwei Öffnungsphasen der hohe Durchfluss durch das Durchflussbegrenzungsventil und damit dessen Aktivierung gestoppt werden. In der Folge öffnet das Durchflussbegrenzungsventil wieder, so dass das Absperrventil erneut angesteuert bzw. geöffnet werden kann, um Brenngas zu entnehmen. Kommt es zu einer wiederholten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils wird die Ansteuerung des Absperrventils erneut unterbrochen, bis die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils beendet ist und die Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank fortgesetzt werden kann.
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Die vorgeschlagene Ansteuerstrategie verhindert eine Durchflusslimitierung aufgrund einer unbeabsichtigten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils. Sofern das Durchflussbegrenzungsventil bereits aktiviert ist, kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Ansteuerstrategie die Durchflusslimitierung schnell wieder aufgehoben werden, so dass selbst bei ungünstigen Druckverhältnissen dem Brenngastank Brenngas entnommen werden kann. In mobilen Brenngastanksystemen ist somit die Systemverfügbarkeit und damit die volle Reichweite des Fahrzeugs wieder hergestellt. Bei Brenngastanksystemen mit mehreren Brenngastanks kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Ansteuerstrategie eine ungleichmäßige Entleerung der Brenngastanks verhindert werden.
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Durch die vorgeschlagene Ansteuerstrategie ergeben sich reduzierte Anforderungen für die in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe. Entsprechend vereinfacht sich die Auslegung der Ventilbaugruppe.
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Bevorzugt wird bzw. werden zur Prüfung in Schritt (a) der aktuelle Druck im Brenngastank und/oder der aktuelle Druck in der Gasleitung sensorisch erfasst. Anhand des aktuellen Drucks im Brenngastank bzw. des aktuellen Drucks in der Gasleitung kann in bestimmten Fällen bereits abgeschätzt werden, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist.
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Ein solcher Fall kann beispielsweise gegeben sein, wenn der Brenngastank bei abgestelltem Fahrzeug über längere Zeit der Sonneneinstrahlung ausgesetzt war, so dass die Erwärmung zu einem auffällig hohen Druckanstieg im Brenngastank führt. Dieser kann sensorisch erfasst werden und ggf. mit einem maximalen Druckwert verglichen werden, der im Normalfall erreicht wird. Ein deutlich höherer Wert lässt dann auf eine zu erwartende Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bei Ansteuerung des Absperrventils schließen, und zwar auch ohne Kenntnis des aktuellen Drucks in der Gasleitung.
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Ein solcher Fall kann des Weiteren gegeben sein, wenn die Gasleitung eine Leckage aufweist, so dass es zu einem auffällig hohen Druckabfall in der Gasleitung kommt. Auch dieser kann sensorisch erfasst und ggf. mit einem minimalen Druckwert verglichen werden, der im Normalfall erreicht wird. Ein deutlich geringerer Wert lässt dann wiederum auf eine zu erwartende Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bei Ansteuerung des Absperrventils schließen. Die Kenntnis des aktuellen Drucks im Brenngastank ist hierfür nicht erforderlich.
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Die sensorische Erfassung des Drucks im Brenngastank und in der Gasleitung setzt eine entsprechende Sensorik voraus. Nicht immer ist jedoch ein Brenngastank mit einer entsprechenden Sensorik, insbesondere einem Tankdrucksensor, ausgestattet. Alternativ oder ergänzend wird daher vorgeschlagen, dass der Druck im Brenngastank anhand eines weiteren Parameters, insbesondere der Temperatur, ermittelt wird. Der Druck im Brenngastank kann dann anhand des Temperaturverlaufs geschätzt werden.
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In Ermangelung eines Tankdrucksensors können beispielsweise vor dem Abstellen des Fahrzeugs und vor dem Schließen des Absperrventils die Temperatur im Brenngastank und der Druck in der Gasleitung sensorisch erfasst und gespeichert werden. Vor einem erneuten Start des Fahrzeugs wird dann wiederholt die Temperatur im Brenngastank sensorisch erfasst, so dass unter Berücksichtigung der Temperaturänderung während der Abstellphase und des Drucks in der Gasleitung der zu erwartende Druck im Brenngastank nach der folgenden Formel berechnet werden kann:
mit
p1 = der Druck in der Gasleitung vor dem Abstellen
p2 = der aktuelle Druck im Brenngastank
T1 = die Temperatur im Brenngastank vor dem Abstellen
T2 = die aktuelle Temperatur im Brenngastank
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Prüfung in Schritt (a) der Differenzdruck über die Ventilbaugruppe, das heißt die Differenz zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung, ermittelt wird. Hierzu kann folgende Formel verwendet werden:
mit
p2 = der aktuelle Druck im Brenngastank
p3 = der aktuelle Druck in der Gasleitung
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Anhand des ermittelten Differenzdrucks vor einer Ansteuerung des Absperrventils kann sehr genau geprüft werden, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist, wenn das Absperrventil angesteuert und geöffnet wird. Denn je höher der Differenzdruck ist, desto größer ist der Durchfluss durch das Durchflussbegrenzungsventil und damit die Gefahr einer unbeabsichtigten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bzw. einer Durchflusslimitierung.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass nach einer Ansteuerung des Absperrventils in Schritt (b) die Ansteuerung des Absperrventils so lange unterbrochen wird, bis die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils beendet ist. Das heißt, dass das Absperrventil erst wieder geöffnet wird, wenn keine Durchflusslimitierung mehr gegeben ist. Dadurch ist sichergestellt, dass dem Brenngastank wieder Brenngas entnommen werden kann, zumindest bis zu einer erneuten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils. Denn die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils erfolgt mit einer gewissen Verzögerung. Aufgrund dieser Verzögerung kommt es bereits zu einem gewissen Druckausgleich zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung, so dass ggf. eine weitere Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils vermieden werden kann.
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Bevorzugt wird daher der zeitliche Abstand zwischen zwei Ansteuerphasen zum Öffnen des Absperrventils in Abhängigkeit von der Reaktionszeit des Durchflussbegrenzungsventils gewählt.
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Ferner bevorzugt wird vor jeder Ansteuerung des Absperrventils in Schritt (b) die Druckdifferenz über die Ventilbaugruppe ermittelt. Diese Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass die Ansteuerstrategie an die jeweils aktuell ermittelte Druckdifferenz angepasst werden kann („dynamische Ansteuerstrategie“), insbesondere im Hinblick auf Ansteuerdauer und/oder der Dauer der Unterbrechung der Ansteuerung. Der Druckausgleich zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung kann auf diese Weise beschleunigt werden.
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Bevorzugt wird die Häufigkeit der Ansteuerung des Absperrventils und/oder der Unterbrechungen abhängig von der Druckdifferenz über die Ventilbaugruppe vor der ersten Ansteuerung bestimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Aktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bestimmt und das Absperrventil zur Entnahme von Brenngas wird nur dann angesteuert, wenn die Aktivierungsschwelle, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines Sicherheitsvorhalts, unterschritten wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass es nicht zu einer Durchflusslimitierung kommt.
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Eine entsprechende Berücksichtigung der Aktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bietet sich insbesondere bei Brenngastanksystemen mit mehreren Brenngastanks an. Denn in diesem Fall kann die angeforderte Menge Brenngas einem anderen Brenngastank entnommen werden, sofern sichergestellt ist, dass mit der Ansteuerung des Absperrventils keine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist. Vorzugsweise wird daher das Brenngas dem Brenngastank entnommen, in dem der geringste Druck herrscht. Die Entnahme von Brenngas führt zu einer Druckanhebung in der Gasleitung, so dass ein gewisser Druckausgleich zwischen dem Druck in der Gasleitung und dem Tankdruck der jeweils anderen Brenngastanks erreicht wird. Mit fortschreitendem Druckausgleich können dann auch die Absperrventile der anderen Brenngastanks angesteuert und geöffnet werden, so dass diese gleichmäßig entleert werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Deaktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bestimmt wird und das Absperrventil nach einer Unterbrechung der Ansteuerung erst wieder angesteuert wird, wenn die Deaktivierungsschwelle unterschritten wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Durchflusslimitierung aufgehoben ist, bevor das Absperrventil erneut angesteuert bzw. geöffnet wird.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Steuergerät für ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können Zeitpunkt und Häufigkeit der Ansteuerung eines Absperrventils bestimmt werden. In dem Steuergerät können hierzu eine Aktivierungsschwelle und/oder eine Deaktivierungsschwelle eines Durchflussbegrenzungsventils hinterlegt sein. Bei einem Brenngastanksystem mit mehreren Brenngastanks kann abhängig von den tankspezifisch ermittelten Differenzdrücken die Reihenfolge der Ansteuerung der Absperrventile festgelegt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brenngastanksystems, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ventilbaugruppe eines Brenngastanks des Brenngastanksystems der 1 und
- 3 ein Diagramm zur Darstellung der Ansteuerung des in die Ventilbaugruppe der 2 integrierten Absperrventils in Abhängigkeit vom Differenzdruck (dp) zwischen Brenngastank und Gasleitung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Brenngastanksystems 1 mit mehreren Brenngastanks 2 zu entnehmen. Das dargestellte Brenngastanksystem 1 dient der Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 8 mit Brenngas, vorzugsweise Wasserstoff.
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In jeden Brenngastank 2 ist eine Ventilbaugruppe 3 eingesetzt, über die der jeweilige Brenngastank 2 mit einer Gasleitung 7 verbunden ist. Die Gasleitungen 7 werden zusammengeführt, so dass in den Gasleitungen 7 im Wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Dieser wird mit Hilfe eines Drucksensors 9 gemessen. In jeden Brenngastank 2 ist jeweils ein weiterer Drucksensor 9 integriert. Anstelle eines Drucksensors 9 kann in jedem Brenngastank 2 auch nur ein Temperatursensor 10 vorgesehen sein.
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Der 2 ist eine vergrößerte Darstellung einer Ventilbaugruppe 3 eines Brenngastanks 2 zu entnehmen. Durch die Ventilbaugruppe 3 führt ein Entnahmepfad 6, der in die Gasleitung 7 mündet. In den Entnahmepfad 6 sind ein Absperrventil 4 sowie - in Entnahmerichtung stromaufwärts des Absperrventils 4 - ein Durchflussbegrenzungsventil 5 integriert. Zwischen dem Durchflussbegrenzungsventil 5 und dem Absperrventil 4 sind ein weiteres Durchflussbegrenzungsventil 11 zur Durchflussbegrenzung in umgekehrter Strömungsrichtung sowie ein Filter 12 angeordnet. Stromabwärts des Absperrventils 4 sind ferner ein manuell betätigbares Ventil 13 sowie ein weiterer Filter 14 integriert.
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In Entnahmerichtung stromabwärts des Absperrventils 4 zweigt ein Betankungspfad 15 vom Entnahmepfad 6 ab. Die Strömungsrichtung im Betankungspfad 15 ist durch ein integriertes Rückschlagventil 16 vorgegeben. Das Rückschlagventil 16 verhindert auf diese Weise ein Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank 2 über den Betankungspfad 15.
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Die in der 2 dargestellte Ventilbaugruppe 3 weist darüber hinaus einen Entlastungspfad 17 auf, in welchem weitere Ventile 18, 19 angeordnet sind. Zum einen ist ein weiteres manuell betätigbares Ventil 18 vorgesehen, das an allen Ventilen vorbeiführt und auch als „Bleed Valve“ bezeichnet wird. Bei dem Ventil 19 handelt es sich um ein Sicherheitsventil zum Abbau eines etwaigen Überdrucks.
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Wesentliche Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das in der 2 dargestellte Absperrventil 4 sowie das vorgeschaltete Durchflussbegrenzungsventil 5. Die ferner dargestellten Komponenten sind optional und für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der 3 erläutert.
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Bei zunächst noch geschlossenem Absperrventil 4 (siehe Kurve A) herrscht im Brenngastank 2 ein Druck pTank und in der Gasleitung 7 ein Druck pLeitung, der deutlich unter dem Druck pTank liegt, so dass sich ein Differenzdruck dp ergibt. Wird nun das Absperrventil 4 angesteuert, um dieses zu öffnen (siehe Kurve A), strömt Brenngas aus dem Brenngastank 2 in die Gasleitung 7, so dass der Druck pLeitung steil ansteigt. Das heißt, dass der Durchfluss durch das Absperrventil 4 und das Durchflussbegrenzungsventil 5 sehr groß ist. Dies führt mit etwas Verzögerung (siehe Pfeil 20) zur Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils 5 (siehe Kurve B), so dass der Durchfluss limitiert ist. Der Druck pLeitung in der Gasleitung 7 steigt daher nur noch geringfügig an. Zur schnellen Aufhebung der Durchflusslimitierung wird die Ansteuerung des Absperrventils 4 unterbrochen (siehe Kurve A), so dass der Durchfluss gänzlich gesperrt ist und der Druck pLeitung in der Gasleitung 7 nicht weiter ansteigt. Dies führt schließlich zur Aufhebung der Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils 5, so dass im weiteren Verlauf das Absperrventil 4 erneut angesteuert und geöffnet werden kann, bis ein Druckausgleich zwischen dem Druck pTank und dem Druck pLeitung erreicht ist.
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Sollte auf dem Weg zum Druckausgleich das Druckbegrenzungsventil 5 erneut aktiviert werden, kann die Ansteuerung des Absperrventils 4 wiederholt unterbrochen werden.
