DE10359071B3 - Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung und eine der Hauptantriebseinrichtung zur kurzzeitigen Erhöhung der Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs zumindest zeitweise zuschaltbare und über einen lad- und entladbaren Energiespeicher versorgte Zusatzantriebseinrichtung. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, jederzeit eine reproduzierbare Boostleistung bereitstellen zu können. DOLLAR A Das Problem wird gelöst, indem eine Antriebssteuereinrichtung Verwendung findet, die derart ausgebildet ist, dass sie in einem Fahrbetrieb mit entladenem Energiespeicher ein Signal generiert, welches die automatische Einstellung einer Gangübersetzung initiiert, durch die ein erhöhtes Beschleunigungspotential vorgehalten wird oder welches der Ansteuerung eines Anzeigemittels dient, das den Fahrzeugführer auffordert, einen entsprechenden Gangwechsel manuell vorzunehmen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Es sind bereits verschiedene Antriebseinheiten für Kraftfahrzeuge mit mehreren miteinander kombinierten bzw. gekoppelten Antriebseinrichtungen bekannt. Vielfach Anwendung finden Antriebseinheiten, die eine Brennkraftmaschine als Hauptantriebseinrichtung und eine zumindest zeitweise zuschaltbare elektrische Maschine als Zusatzantriebseinrichtung aufweisen. Die kombinierten Antriebseinheiten können dabei unterschiedliche Ziele verfolgen.
- Bei einer Gruppe dieser Antriebseinheiten steht im Vordergrund, eine möglichst energiesparende und emissionsvermeidende Betriebsart der Fahrzeuge. Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass in Betriebsphasen mit geringeren Leistungsanforderungen, z.B. im Stadtverkehr, im Stauverkehr, bei allen stop-and-go-Phasen bzw. beim Einparken ein emissionsfreier Betrieb ausschließlich über den Elektromotor stattfindet und bei Betriebsphasen mit höherer Leistungsanforderung der Elektromotor durch die Brennkraftmaschine abgelöst wird.
- Bei einer anderen Gruppe von Antriebseinheiten dient die neben der Brennkraftmaschine vorhandene und in den Antriebsstrang bzw. Antriebsfluss einschaltbare elektrische Maschine lediglich Komfortmaßnahmen.
- Eine weitere Gruppe von Antriebseinheiten hat zum Ziel, bei Fahrsituationen mit erhöhtem Leistungsbedarf (z.B. bei kick-down) eine möglichst hohe Beschleunigung für das Fahrzeug bereitzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, indem in der Beschleunigungsphase der Elektromotor mit seinem deutlich schnelleren Ansprechverhalten (hohes Drehmoment schnell abrufbar – nahezu unverzögert) in den Antriebsfluss des Fahrzeugs eingeschaltet wird und die Drehmomente von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine sich zu einem deutlich verbesserten Beschleunigungsverhalten addieren.
- Aus der
DE 102 18 983 A1 ist eine Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine bekannt, wobei die Verbrennungsmaschine als Hauptantriebseinrichtung dient und die elektrische Maschine zum Zwecke einer Drehmomentaufnahme oder einer Drehmomentabgabe in den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zwischengeschaltet ist. Durch die gezielte Zwischenschaltung der elektrischen Maschine in den Antriebskraftfluss zwischen Verbrennungsmaschine und Getriebe kann der Schaltzeitpunkt eines automatisierten oder vollautomatischen Getriebes beeinflusst werden und so ein ungewolltes Hin- und Herschalten in bestimmten Lastsituationen vermieden werden. - In der
DE 101 48 345 A1 wird eine mit einer Brennkraftmaschine gekoppelte elektrische Maschine beschrieben, die über eine Steuereinrichtung je nach Anforderung entweder in einem wirkungsgradoptimalen Betriebszustand oder in einem dynamischoptimalen Betriebszustand betreibbar ist. Dabei wird die elektrische Maschine im Normalbetrieb energieoptimiert im wirkungsgradoptimalen Betriebszustand betrieben und für den Betrieb beispielsweise als Startermotor im dynamischoptimalen Betriebszustand betrieben. In einem anderen Betrieb (mit dynamischoptimalem Betriebszustand) der elektrischen Maschine ist diese zur Unterstützung von Schaltvorgängen eingesetzt. Hierbei wird über die elektrische Maschine im dynamischoptimalen Betrieb eine beschleunigte Synchronisation zwischen Brennkraftmaschinenausgang und Getriebeeingang erreicht. - Ferner ist aus der
DE 100 43 724 A1 ein Gerät zum Regeln eines Fahrzeugs bekannt, das ebenfalls einen busy-shift genannten häufigen Gangwechsel verhindert. Hierbei ist vorgesehen, bei einem niedrigen Ladezustand der Batterie das Getriebe zurückzuschalten, um durch ein erhöhtes Antriebsmoment das Phänomen des busy-shift vermeiden zu können. - Aus der
DE 44 22 647 A1 ist ein Verfahren zur automatischen Steuerung der Bereitstellung von Leistung in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb bekannt. Für den Fall, dass die angeforderte Antriebsleistung größer als eine vorgegebene Grundleistung ist, wird durch den Elektromotor, bei ausreichender Ladung eines elektrischen den Elektromotor versorgenden Energiespeichers, additiv ein Teil der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug bereitgestellt. - Eine Antriebseinheit mit einer Brennkraftmaschine und mit einer elektrischen Maschine, bei der mittels der elektrischen Maschine das Ansprechverhalten der Antriebseinheit aufgrund einer auf einen Fahrerwunsch zurückzuführenden Leistungsanforderung verbessert wird (sogenannter Boostbetrieb), ist bereits aus der
DE 199 19 452 A1 bekannt. Für den Fall, dass ein erhöhter Fahrantrieb-Leistungsbedarf vorhanden ist, diesem aber nicht nachgekommen werden kann, wird hier auf eine Zuschaltung der elektrischen Maschine verzichtet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit bereitzustellen, die bei einer auftretenden Leistungsanforderung jederzeit ein der Leistungsanforderung entsprechendes reproduzierbares Ansprechverhalten der Antriebseinheit gewährleistet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Verhalten der Antriebseinheit mit Boostfunktion abhängig von dem Ladezustand des Energiespeichers der Zusatzantriebseinheit ist, die im Falle einer entsprechenden Leistungsanforderung die Hauptantriebseinrichtung unterstützen soll. Hier setzt der Gegenstand der Erfindung an, durch den dem Fahrzeugführer bei einer entsprechenden Leistungsanforderung jederzeit ein reproduzierbares, der Leistungsanforderung entsprechendes Ansprechverhalten und Leistungsangebot der Antriebseinheit zur Verfügung gestellt wird.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Durch die erfindungsgemäße Antriebssteuereinrichtung wird in einem Fahrbetrieb, in dem der Energiespeicher der zuschaltbaren Zusatzantriebseinrichtung eine gewisse Mindestlademenge (Ladezustand) nicht aufweist und somit eine vom Fahrzeugführer erwartete spontan abrufbare erhöhte Antriebsleistung durch die Zusatzantriebseinrichtung nicht oder nur eingeschränkt zur Verfügung steht, ein Signal generiert, welches ein Vollautomatikgetriebe (stufenlos oder gestuft) veranlasst die Einstellung einer Gangübersetzung vorzunehmen, durch die eine erhöhte Antriebsleistung über die somit „vorgespannte" Hauptantriebseinrichtung auf Abruf bereit gestellt wird (vorgehalten wird). Vorzugsweise wird hierfür die Gangübersetzung um ein oder zwei Stufen zurückgeschaltet, so dass unter Beibehaltung der vor dem Gangwechsel aufgrund des Fahrerwunsches vorliegenden Fahrgeschwindigkeit die Drehzahl der Hauptantriebseinrichtung erhöht und somit eine erhöhte Antriebsleistung spontan (d.h. mit verringerter Verzögerung) abrufbar ist.
- In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Energiespeicher der Zusatzantriebseinrichtung während des Fahrbetriebs mit entladenem Energiespeicher (Energiespeicher mit einer gespeicherten Lademenge unterhalb einer definierten Lademengeschwelle) kontinuierlich über die Hauptantriebseinrichtung geladen und für den Fall einer aufgrund eines Fahrerwunsches auftretenden erhöhten Antriebsleistungsanforderung (Leistungsanforderung oberhalb einer definierten Leistungsschwelle) der Ladevorgang des Energiespeichers abgebrochen. So wird zum Einen die Hauptantriebseinrichtung aufgrund der gewählten Gangübersetzung quasi „vorgespannt" und zum Anderen die Hauptantriebseinrichtung durch den Lastabwurf „Ladevorgang des Energiespeichers" entlastet, so dass einer im Vergleich zum Normalbetrieb erhöhten und spontanen Leistungsanforderung so nachgekommen werden kann, als würde der Antrieb durch eine Kombination von Hauptantriebseinrichtung im Normalbetrieb und zugeschalteter Zusatzantriebseinrichtung realisiert. Hierdurch wird erreicht, dass der Fahrer zu jedem Zeitpunkt des Fahrzeugbetriebs stets das gleiche leistungsverbesserte Ansprechverhalten der Antriebseinheit abrufen kann und nicht – je nach Ladezustand des Energiespeichers der Zusatzantriebseinrichtung – ggf. auf eine entsprechende Leistungsanforderung nach erhöhter Leistung (z.B. durch kick-down) keine entsprechende Reaktion der Antriebseinheit abrufen kann.
- Für den Fall, dass der Energiespeicher eine entsprechende Lademenge aufweist – also als aufgeladen gilt – wird die für den Normalbetrieb (in dem die Getriebeübersetzung in Abhängigkeit von der Drehzahl nach den Standardkennlinien vorgegeben ist) vorgesehene Gangübersetzung wieder hergestellt und bei einer Leistungsanforderung oberhalb der vorgegebenen Leistungsschwelle der Antrieb gemeinsam von der Hauptantriebseinrichtung und der Zusatzantriebseinrichtung bewerkstelligt (sogenannter herkömmlicher oder echter Boostbetrieb).
- In der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Hauptantriebseinrichtung als Brennkraftmaschine, die Zusatzantriebseinrichtung als elektrische Maschine und ihr Energiespeicher in Form von Leistungskondensatoren (sogenannten supercaps) und/oder Akkumulatoren gebildet.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : eine mögliche Ausführungsform der Antriebseinheit gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, -
2 : in schematischer Darstellung eine erhöhte Leistungsanforderung und die daraufhin erfolgende Reaktion einer Antriebseinheit mit und ohne Boost-Betrieb und -
3 : in schematischer Darstellung den Lastabwurf durch Abbruch des Ladevorgangs des Energiespeichers. -
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit den wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Antriebseinheit2 . Dabei umfasst die Antriebseinheit2 eine Hauptantriebseinrichtung4 in Form einer Brennkraftmaschine, eine der Hauptantriebseinrichtung4 zur kurzzeitigen Erhöhung der Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs zumindest zeitweise zuschaltbare Zusatzantriebseinrichtung6 in Form einer elektrischen Maschine, einen Energiespeicher8 in Form von Leistungskondensatoren (sogenannte supercaps) und/oder einem Akkumulator, eine Getriebeeinheit10 nebst integrierter Kupplung12 sowie ein Getriebesteuergerät14 zur Ansteuerung von Getriebeeinheit10 und Kupplung12 . Die Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. So kann zum Beispiel die Zusatzantriebseinrichtung6 auch unmittelbar mit der Kurbelwelle gekoppelt bzw. verbunden sein. Zur Koordination von Hauptantriebseinrichtung4 und Zusatzantriebseinrichtung6 weist die erfindungsgemäße Antriebseinheit2 ferner eine Antriebssteuereinrichtung16 auf, die derart ausgebildet ist, dass sie in einem Fahrbetrieb mit entladenem Energiespeicher8 ein Signal generiert, welches die automatische Einstellung einer Gangübersetzung initiiert, durch die insbesondere unter Beibehaltung der vor dem Gangwechsel vorliegenden Fahrgeschwindigkeit ein im Vergleich zum Normalbetrieb erhöhtes spontan abrufbares Beschleunigungspotential vorgehalten wird. - Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die erfindungsgemäße Ausführung für ein Kraftfahrzeug mit Vollautomatikgetriebe. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Getriebesteuergerät
14 und die Antriebssteuereinrichtung16 als separate Steuergeräte ausgeführt. Dies ist aber nicht zwingend – so können Getriebesteuergerät14 und/oder Antriebssteuereinrichtung16 auch in ein zentrales Motorsteuergerät integriert sein (nicht dargestellt). Zur gezielten Ansteuerung der Brennkraftmaschine4 und der elektrischen Maschine6 verarbeitet die Antriebssteuereinrichtung16 verschiedenste Informationen i1...in. Um einen Boost-Betrieb jederzeit zu gewährleisten muss die Antriebssteuereinrichtung16 einerseits stets über den aktuellen Ladezustand des Energiespeichers8 unterrichtet sein und andererseits überwachen, ob eine erhöhte Leistungsanforderung vorliegt, aufgrund derer ein Boost-Betrieb erwartet wird. - Hat der Energiespeicher
8 einen ausreichend hohen Ladezustand, wird das Kraftfahrzeug in einem sogenannten Normalbetrieb betrieben, der sich dadurch auszeichnet, dass die Gangwechsel des Kraftfahrzeugs in herkömmlich bekannter Weise nach fest hinterlegten Kennlinien in Abhängigkeit von der Drehzahl, Fahrertyperkennung, Last und/oder anderen Betriebsparametern automatisch vorgenommen werden. Sollte im sogenannten Normalbetrieb von der Antriebssteuereinrichtung16 (aufgrund einer Sensorinformation i1...in) eine erhöhte Leistungsanforderung detektiert werden, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass bestimmte Grenzwerte von Position und/oder Verstellgeschwindigkeit bzw. Verstellbeschleunigung eines Leistungseinstellelementes18 (z.B. Fahrpedal) überschritten werden, wird ein sogenannter echter Boost-Betrieb, bei dem die erhöhte Leistungsanforderung durch einen gemeinsamen Antrieb von Brennkraftmaschine4 und elektrischer Maschine6 erfolgt, eingeleitet. - Liegt ein Fahrbetrieb vor, bei dem der Energiespeicher
8 keinen ausreichenden Ladezustand aufweist, kann der echte Boost-Betrieb bei einer entsprechenden erhöhten Leistungsanforderung nicht oder nicht ausreichend gewährleistet werden. Gemäß der Erfindung wird bei detektiertem nicht ausreichendem Ladezustand des Energiespeichers8 von der Antriebssteuereinrichtung16 ein Signal generiert, welches das Getriebesteuergerät14 veranlasst eine Gangübersetzung vorzunehmen, bei der unter Beibehaltung der gewünschten Fahrgeschwindigkeit ein erhöhtes Beschleunigungspotential vorgehalten werden kann. Hierfür veranlasst das Getriebesteuergerät14 die Getriebe-Kupplungs-Einheit10 ,12 beispielsweise ein oder zwei Gangstufen zurückzuschalten (wodurch die Brennkraftmaschine4 mit einer höheren Drehzahl betrieben wird) und auf diese Weise die Brennkraftmaschine quasi vorzuspannen, so dass sie bei einer vorliegenden erhöhten Leistungsanforderung schneller das gewünschte Leistungspotential bereitstellen kann. Vorzugsweise wird während dieses „vorgespannten" Betriebs der Energiespeicher8 über die Brennkraftmaschine aufgeladen. Hierfür wird über die Brennkraftmaschine4 die elektrische Maschine6 , die dann als Generator arbeitet, angetrieben und lädt den Leistungskondensator8 und/oder den Akkumulator8 auf. Wird eine erhöhte Leistungsanforderung detektiert, kann die Brennkraftmaschine4 aufgrund des Betriebs bei erhöhter Drehzahl schneller das geforderte Leistungspotential bereitstellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranlasst die Antriebsansteuereinrichtung16 bei Vorliegen einer erhöhten Leistungsanforderung, dass der Ladevorgang des Energiespeichers8 unterbrochen wird. Aufgrund dieser Unterbrechung wird die Brennkraftmaschine4 zusätzlich entlastet und kann so diesen Leistungsanteil zusätzlich zur Befriedigung der erhöhten Leistungsanforderung bereitstellen. Hierdurch wird ein quasi unechter Boostbetrieb realisiert, durch den die zeitlichen Lücken eines echten Boostbetriebs aufgrund eines entladenen Energiespeichers8 für die Zusatzantriebseinheit6 kompensiert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Antriebseinheit2 wird ein reproduzierbares Leistungsverhalten mit einer jederzeit abrufbaren Boostfunktion für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. -
2 veranschaulicht in der Kurve K1 eine erhöhte Leistungsanforderung sowie die entsprechende Reaktion bei Vorliegen und Nichtvorliegen einer erhöhten Leistungsanforderung. Wiedergegeben ist hier stellvertretend für andere Größen der Auslenkwinkel alpha eines Fahrpedals in Abhängigkeit von der Zeit. Wird hier beispielsweise aufgrund eines kick-down ein Schwellenwert für die Steigung des Fahrpedalwinkels über der Zeit überschritten, wird von der Antriebseinheit2 aufgrund der Bereitstellung eines erhöhten Leistungspotentials in kürzester Zeit (Δt = t2-t1) ausgehend von einem aktuell eingestellten Drehmoment M1 das geforderte Drehmoment M2 ausgangsseitig eingestellt (mit Boostfunktion – gepunkteter Linienteil K2' der Kurve K2). Wird keine erhöhte Leistungsanforderung detektiert – also z.B. der vorgegebene Schwellenwert für die Steigung des Fahrpedalwinkels über der Zeit nicht überschritten – wird das geforderte Drehmoment mit normaler zeitlicher Verzögerung (Δt = t3-t1 – ohne Boostfunktion – strichpunktierter Linienteil K2'' der Kurve K2) ausgangsseitig bereitgestellt. - In
3 ist noch einmal der Lastabwurf durch Unterbrechung des Ladevorgangs des Energiespeichers8 veranschaulicht. Bei Erkennen einer erhöhten Leistungsanforderung im Zeitpunkt tL wird durch die Unterbrechung des Ladevorgangs die Motorlast ML von einer Motorlast ML1 mit Ladevorgang sprungartig auf eine Motorlast ML2 ohne Ladevorgang herabgesetzt – wodurch die Hauptantriebseinrichtung4 diesen Differenzanteil (ΔML = ML1 – ML2) mehr an Leistung kurzfristig (d.h. mit ähnlicher Spontanität wie dies über die elektrische Maschine mit geladenem Energiespeicher möglich wäre) bereitstellen kann. - Die Erfindung ist nicht auf die Ausführung gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere der Energiespeicher
8 muss sich nicht auf die Ausführung als elektrischer Speicher beschränken, sondern kann vielmehr auch als Druckspeicher oder Federkraftspeicher oder dergleichen ausgebildet sein. Entsprechend seiner Ausgestaltung müssen ggf. weitere Mittel zur Energiewandlung vorhanden sein.
Claims (7)
- Antriebseinheit (
2 ) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine Hauptantriebseinrichtung (4 ), – und eine der Hauptantriebseinrichtung (4 ) zur kurzzeitigen Erhöhung der Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs zumindest zeitweise zuschaltbare und über einen lad- und entladbaren Energiespeicher (8 ) versorgte Zusatzantriebseinrichtung (6 ), – wobei die Antriebseinheit (2 ) in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen einer erhöhten Leistungsanforderung entweder in einem Normalbetrieb, in dem ein aufgrund eines Fahrerwunsches gefordertes Drehmoment (M2) innerhalb einer ersten Zeitdauer (t3-t1) einstellbar ist, oder in einem sogenannten echten Boostbetrieb, in dem das aufgrund des Fahrerwunsches geforderte Drehmoment (M2) durch einen gemeinsamen Antrieb von Hauptantriebseinrichtung (4 ) und Zusatzantriebseinrichtung (4 ) erfolgt, innerhalb einer zweiten, gegenüber der ersten Zeitdauer (t3-t1) verkürzten Zeitdauer (t2-t1) einstellbar ist, betreibbar ist, gekennzeichnet durch – eine Antriebssteuereinrichtung (16 ) die derart ausgebildet ist, dass sie in einem Fahrbetrieb mit entladenem Energiespeicher (8 ), in dem ein vom Fahrzeugführer erwarteter echter Boostbetrieb nicht oder nur eingeschränkt zur Verfügung steht, ein Signal generiert, welches die automatische Einstellung einer Gangübersetzung initiiert, durch die ein erhöhtes Beschleunigungspotential vorgehalten wird derart, dass der Fahrer zu jedem Zeitpunkt des Fahrbetriebs das gleiche leistungsverbesserte Ansprechverhalten der Antriebseinheit (2 ) abrufen kann. - Antriebseinheit (
2 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (16 ) derart ausgebildet ist, dass sie eine auf einen Fahrerwunsch zurückzuführende Leistungsanforderung oberhalb einer bestimmten Leistungsschwelle erkennt und während des Ladebetriebs den Ladevorgang des Energiespeichers (8 ) unterbricht. - Antriebseinheit (
2 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuereinrichtung (16 ) derart ausgebildet ist, dass sie in einem Ladezustand des Energiespeichers (8 ) oberhalb einer bestimmten Lademenge und einer Leistungsanforderung oberhalb der bestimmten Leistungsschwelle den Antrieb des Kraftfahrzeugs derart steuert, dass zumindest kurzzeitig der Antrieb des Kraftfahrzeugs gemeinsam über die Hauptantriebseinrichtung (4 ) und die Zusatzantriebseinrichtung (6 ) erfolgt. - Antriebseinheit (
2 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuereinrichtung (16 ) derart ausgebildet ist, dass sie veranlasst, dass der Energiespeicher (8 ) über die Hauptantriebseinrichtung (4 ) aufgeladen wird. - Antriebseinheit (
2 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzantriebseinrichtung (6 ) als Elektromotor ausgebildet ist. - Antriebseinheit (
2 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (8 ) als Kondensator und/oder Akkumulator ausgebildet ist. - Antriebseinheit (
2 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanforderung in Abhängigkeit von der Fahrpedalstellung und/oder der Drosselklappenstellung und/oder einer oder mehreren hierzu gleichwirkenden Größe(n) bestimmt wird.
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