DE4112013C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer
Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine nach
der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des Oberbegriffs des An
spruchs 8.
Aus der DE-OS 39 25 877 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der
hier eingangs genannten Art bekannt, bei denen mittels einer
Lambdasonde der Sauerstoffgehalt der Abgase der Brennkraft
maschine erfaßt und geregelt wird. Die Stellgröße des Reg
lers wird auf eine sogenannte Vorsteuerung der eingespritzen
Kraftstoffmenge bei Vollast aufgeschaltet. Die Vorsteuerung
unterstützt den Lambdaregler dynamisch, weil seine Regelge
schwindigkeit durch Totzeit in der Strecke beschränkt ist.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Toleranzen der
Vorsteuerung bei der Ablösung von Teillast in die Vollast
durch die Lambdaregelung zu Streuungen im instationären Ver
halten des Systems führen. Es entstehen Rußspitzen bei einer
raschen Beschleunigung oder zu schlechte Beschleunigungswer
te aus niederen Drehzahlen heraus bzw. bei einer Belastung
der Brennkraftmaschine.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer
Brennkraftmaschine anzugeben, bei denen auch bei Einsatz einer Vorsteuerung
ein günstiges instationäres Verhalten erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die
Merkmale des Anspruchs 1 bzw. bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung
gemäß der Erfindung zur Kraftstoffzumessung bei ei
ner Brennkraftmaschine haben gegenüber
dem gattungsgemäßen Stand der Technik nach der DE-OS 39 25 877
den Vorteil, daß sich die Streuungen reduzieren
lassen, so daß sich ein definiertes instationäres und damit
günstiges Verhalten des Systems einstellt. Es werden Rußspitzen und eine
schlechte Beschleunigung vermieden.
Insbesondere durch die Kaskaden-Regelung (vergl. Anspruch 9), bei der
ein Lambda-Regler mit einem Rampenregler für die
zeitliche Ableitung des Lambda-Werts kombiniert
wird, kann bei einem Vollastsprung des Systems eine
rasche Einstellung des Sollwerts der Kraftstoff
menge erreicht werden, ohne daß es zu Rußspitzen
oder zu einer zu geringen Beschleunigung des mit
der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahr
zeugs kommt.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des
Verfahrens, bei der die Regelung der zeitlichen Ab
leitung des Lambda-Werts in Abhängigkeit von dem
Ausgangssignal bzw. von der Stellgröße der Regelung
des Lambda-Wertes erfolgt (vergl. Anspruch 2). Bei einer derartigen
Ausgestaltung der Regelung wirken sich die Ein
flüsse von ungenauen Vorsteuersignalen nur gering
im Regelverhalten aus.
Weiter wird eine Ausführungsform des Verfahrens be
vorzugt, bei dem große Ausgangsignale des Lambda-
Reglers einen vorgebbaren konstanten Grenzwert für
die Regelung der zeitlichen Änderung des Lambda-
Werts bewirken (vergl. Anspruch 3). Durch die gewünschte Nichtlineari
tät des Systems kann bei großen Ausgangssignalen
ein konstanter Sollwert an den Regler für die zeit
liche Ableitung des Lambda-Werts angelegt werden.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen (vergl. Ansprüche 4 bis 7).
Zweckmäßige Weiterbildungen der Vorrichtung sind - soweit noch nicht diskutiert -
in den Ansprüchen 10 bis 14 angegeben.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren und
die Vorrichtung bei Diesel-Brennkraftmaschinen einsetzen, daher wird
als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Diesel-Brennkraftmaschine
gewählt (vergl. Ansprüche 7 und 14).
Die Erfindung wir im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm des Rußanteils in den Ab
gasen einer Diesel-Brennkraftmaschine bei
einem Vollastsprung bei verschiedenen
Regelverhalten des Kraftstoffzumessung-
Systems und
Fig. 2 eine Skizze eines Regelkreises für Vor
richtung zur Kraftstoffzumessung bei
einer Diesel-Brennkraftmaschine.
Fig. 1 gibt ein Diagramm wieder, aus dem der zeit
liche Verlauf des Regel-Verhaltens der Vorrichtung
bei einem Vollastsprung wiedergegeben ist. Fig. 1
zeigt das Verhalten einer Diesel-Brennkraftmaschine
bei untertouriger Fahrweise (siehe die gestrichelte
Linie a) sowie bei einem sehr steil ansteigenden
Drehzahlverlauf, bei einer Beschleunigung aus dem
ersten Gang heraus (siehe die strichpunktierte Li
nie b).
Schließlich ist zwischen den beiden Kurvenverläufen
das Verhalten einer Brennkraftmaschine eingezeich
net, welche mit einem Verfahren bzw. einer Vorrich
tung zur Kraftstoffzumessung versehen ist, welches
anhand von Fig. 2 erläutert wird.
Aus Fig. 1 ergibt sich, daß bei einem Kurvenver
lauf gemäß Diagramm a, beispielsweise bei einer Be
schleunigung aus dem vierten Gang heraus, die Dreh
zahl nur sehr langsam ansteigt und der Ladedruck
aufbau vorwiegend über die eingespritzte Kraft
stoffmenge erfolgt. Diagramm a verdeutlicht auch,
daß sich erst nach einer relativ langen Zeit die
Vollastbeschleunigung einstellt, bei der sich der
Sollwert Lambdasoll einstellt. In Fig. 1 ist ein
sogenannter Kleinsignalbereich für den Sollwert
Lambdasoll ±10% eingezeichnet.
Bei einer zusätzlichen Belastung des Kraftfahr
zeugs, beispielsweise durch einen Anhänger oder bei
einer Beschleunigung im vierten Gang am Berg wird
der eingeschwungene Arbeitspunkt nach einem
Vollastsprung, also nach der vollen Betätigung des
Fahrpedals, noch später erreicht. Dasselbe Verhal
ten stellt sich auch dann ein, wenn sich aufgrund
der Vorsteuerung des Systems bezüglich der vorge
gebenen einzuspritzenden Kraftstoffmenge ein Men
genfehler von beispielsweise -10% einstellt.
Ein grundsätzlich anderes Verhalten ergibt der Kur
venverlauf gemäß Diagramm b in Fig. 1. Er stellt
sich bei einem steilen Ladedruckanstieg ein, der
bei einer Beschleunigung aus dem ersten Gang heraus
gegeben ist. Aus der strichpunktierten Linie wird
deutlich, daß zunächst der Kleinsignalbereich für
den Sollwert von Lambda überschritten wird. Bei
diesem Überschwingen ergibt sich eine Rußspitze,
die aus umwelttechnischen Gründen unbedingt vermie
den werden soll. Insgesamt erreicht allerdings das
Diagramm b den Kleinsignalbereich früher als das
Diagramm a. Jedoch findet ein relativ langsamer
Einschwingvorgang statt, bis der Arbeitspunkt end
gültig erreicht ist.
Ein anhand von Diagramm b dargestelltes Über
schwingverhalten ergibt sich auch bei einer zu
großen Vorsteuermenge von beispielsweise 10%.
Schließlich wird in dem mit durchgezogener Linie
angedeuteten Diagramm c die Reaktion des Systems
auf den Vollastsprung, der unten in Fig. 1 darge
stellt ist, wiedergegeben. Dieses Diagramm zeigt
das Verhalten des Systems bei Einsatz des erfin
dungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß
der Erfindung, die anhand von Fig. 2 näher erläu
tert wird.
Fig. 2 zeigt eine Kaskaden-Regelung für eine Vor
richtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Diesel-
Brennkraftmaschine.
Mit durchgezogenen Linien ist eine Regelung für die
zeitliche Ableitung des Lambda-Werts eingezeichnet,
der die Ausgangswerte bzw. Stellgröße einer Lambda-
Regelung eingegeben werden, die in Fig. 2 mit ge
strichelten Linien dargestellt ist. Die Lambda-Re
gelung ist an sich bekannt, so daß hier auf Einzel
heiten nicht eingegangen zu werden braucht. Bei
diesem Verfahren wird der Sauerstoffgehalt im Abgas
der Brennkraftmaschine erfaßt und auf den Sollwert
von Lambda beziehungsweise Sauerstoff geregelt, so
daß die zu einem vorgegebenen Ruß-Grenzwert ge
wünschte Kraftstoffmenge MEsoll eingespritzt wird.
Die Brennkraftmaschine ist hier lediglich durch ein
Rechteck angedeutet und als Regelstrecke gekenn
zeichnet.
Der Sollwert von Lambda wird bei einer erfindungs
gemäßen Regelung 10 auf eine Additionsstelle 12 ge
geben, an die andererseits der Istwert von Lambda
Lambdaist mit negativem Vorzeichen aufgegeben wird.
Die Differenz des Sollwertes und des Istwertes wird
einem Lambda-Regler 14 eingegeben, der beispiels
weise als PI-Regler ausgebildet ist. Die Stellgröße
dieses Lambda-Reglers, also das Ausgangssignal die
ses Reglers bildet das Eingangssignal für die Rege
lung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Wertes,
die - wie gesagt - mit durchgezogenen Linien darge
stellt ist.
Gemäß Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Lambda-
Reglers 14 auf ein nichtlineares Regelglied 16 auf
gegeben, an dessen Ausgang das Signal für den Soll
wert der zeitlichen Ableitung des Lambda-Wertes er
scheint. Dieses Ausgangssignal wird auf eine zweite
Additionsstelle 18 gegeben, der mit negativem Vor
zeichen das Ausgangssignal eines Differenzierers 20
zugeleitet wird. Der Differenzierer verarbeitet das
Istsignal der Regelstrecke 22. An seinem Ausgang
liegt das Signal für die zeitliche Ableitung des
Lambda-Wertes an, welches an die zweite Additions
stelle 18 weitergeleitet wird.
Die Differenz zwischen der zeitlichen Ableitung des
Sollwertes und der zeitlichen Ableitung des Ist
wertes von Lambda wird einem Rampen-Regler 24 mit
P-Verhalten eingegeben, an dessen Ausgang die ge
wünschte Kraftstoffmenge MEsoll der Diesel-Brenn
kraftmaschine, erscheint.
Im folgenden soll auf die Funktion der Kaskaden-Re
gelung der Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bzw.
auf das Verfahren zur Kraftstoffzumessung näher
eingegangen werden.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß es zwei Kurvenver
läufe gibt, nämlich das Diagramm gemäß der ge
strichelten Linie a und das Diagramm der strich
punktieren Linie b, die quasi das Grenzverhalten
einer Vorrichtung wiedergeben: Zum einen ist er
sichtlich, daß ohne eine Kaskaden-Regelung gemäß
Fig. 2 das Einschwingverhalten aufgrund eines
Vollastsprungs sehr lange dauert, während das Dia
gramm gemäß der Kurve b verdeutlicht, daß zwar eine
sehr rasche Reaktion des Systems möglich ist, daß
dabei jedoch eine Rußspitze aufgrund eines Über
schwingvorgangs auftritt. Aufgrund der mit der Kas
kaden-Regelung gemäß Fig. 2 erreichten geregelten
Rampensteilheit ergibt sich ein relativ rasches
Einschwingverhalten des Systems, ohne daß es zu
Rußspitzen aufgrund eines Überschwingens kommt.
Dabei zeichnet sich die Kaskaden-Regelung gemäß
Fig. 2 durch ein selektives Verhalten aus: Bei einem
Großsignal, also bei einem großem Ausgangssignal
des Lambda-Reglers 14 wird durch das nichtlineare
Regelglied 16 eine Begrenzung auf einen vorgebbaren
Grenzwert erreicht. Das nichtlineare Verhalten des
Regelglieds 16 ist so eingestellt, daß bei einem
hohen Eingangswert der Sollwert der zeitlichen Ab
leitung des Lambda-Werts begrenzt wird. Damit wird
sichergestellt, daß der unterlagerte Regler 24 die
Rampensteilheit, also die zeitliche Ableitung des
Lambda-Werts, definiert begrenzt. Dem Rampenregler
24 wird durch das nichtlineare Regelglied 16 ein
konstanter Sollwert vorgegeben, solange die Stell
größe des Lambda-Reglers 14 einen vorgegebenen
Grenzwert überschreitet.
In dieser Phase bestimmt daher der Rampenregler 24
das Verhalten des Gesamtsystems, indem sich eine
geregelte Rampensteilheit gemäß dem Kurvenverlauf c
in Fig. 1 ergibt. Durch die Bestimmung der Parame
ter des Rampenreglers 24 und des nichtlinearen Re
gelglieds 16 kann die Steilheit der Rampe einge
stellt werden, was durch eine gestrichelte Kurven
schar zu dem Diagramm angedeutet wird.
Aufgrund der Tatsache, daß der Regelstrecke 22,
also, der Brennkraftmaschine, mit einer definierten
Änderungsgeschwindigkeit eine eingespritze Kraft
stoffmenge MEsoll eingegeben wird, entspricht
letztlich die Annäherung des Istwerts für Lambda an
den Sollwert. Dadurch reduziert sich das Ausgangs
signal des Lambda-Reglers 14 immer weiter, bis
schließlich die Stellgröße am Eingang des nicht
linearen Reglerelements 16 so klein geworden ist,
daß der vorgegebene Grenzwert nicht mehr erreicht
ist. Innerhalb des in Fig. 1 wiedergegebenen
Kleinsignalbereichs, also innerhalb des Bandes um
den Lambda-Sollwert Lambdasoll arbeitet der Rampen
regler 24 linear, so daß dieser keinen weiteren
Einfluß auf das Regelverhalten des Gesamtsystems
nimmt. In diesem Fall bestimmt sich das Verhalten
der Kaskaden-Regelung ausschließlich nach dem vor
gegebenen Sollwert für Lambda, dem eingegebenen
Lambdasoll. Das heißt, der Lambda-Regler 14 be
stimmt dann das Regelverhalten des Gesamtsystems.
Insgesamt ist erkennbar, daß aufgrund des nicht
linearen Regelelements 16 im Anstiegsbereich des
Diagramms c (siehe Fig. 1) eine konstante Steigung
eingestellt wird. Im stationären Fall, also nach
Erreichen des Kleinsignalbandes um den Sollwert von
Lambda liefert der Differenzierer 20 keinen weite
ren Beitrag an die Additionsstelle 18, so daß
schließlich das Gesamtverhalten der Vorrichtung von
dem Sollwert von Lambda eingestellt wird.
Für die Differentiation des Differenzierers 20 kön
nen mehrere Verfahren eingesetzt werden:
Der Istwert von Lambda kann gemessen und an
schließend differenziert werden. Bei diesem Verfah
ren geht die Totzeit der Strecke 22 in das gesamte
Regelverhalten mit ein.
Es ist auch möglich, die eingespritzten Kraftstoff
mengen ME sowie die der Brennkraftmaschine zuge
führten Luftmengen ML zu berechnen und dann eine
Differentiation durchzuführen. Bei diesen Verfahren
gehen Totzeiten der Regelstrecke 22 nicht in die
Kraftstoffzumessung mit ein.
Schließlich ist es noch möglich, einen sogenannten
Beobachter einzusetzen, bei dem durch eine Kombina
tion von Erfassung und Berechnung der einzelnen
Meßwerte eine Teilsimulation durchgeführt wird, und
anschließend das Ergebnis einer Differentiation un
terworfen wird. Auch hierbei wird vermieden, daß
die Totzeit der Strecke 22 in das Berechnungsver
fahren mit eingeht.
Insgesamt ist erkennbar, daß sowohl die Vorrichtung
als auch das hier beschriebene Verfahren zur Kraft
stoffzumessung ein definiertes instationäres Ver
halten des Gesamtsystems ergeben, so daß sich
Streuungen innerhalb einer Fahrzeugflotte, soweit
Rußspitzen und Beschleunigungsverhalten angespro
chen sind, reduzieren lassen.
Zu der Kurvenschar des Diagramms c in Fig. 1 ist
noch festzuhalten, daß im Falle eines Großsignals
im fetten Lambda-Bereich die Kennlinie des Dia
gramms steiler verläuft, weil bei bereits auf
tretendem Rauch im Abgas die eingespritzte Kraft
stoffmenge noch schneller reduziert werden soll.
Die in Fig. 2 dargestellten Regler für den Lambda-
Wert bzw. für die zeitliche Ableitung des Lambda-
Werts können noch mit zusätzlichen Signalen beauf
schlagt werden, beispielsweise, um einen gesteuer
ten Eingriff auf die Rampenzunahme zu erreichen.
Hierbei kann unter anderem der momentan gewählte
Gang des Kraftfahrzeugs Berücksichtigung finden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftma
schine, bei dem mittels einer Lambdasonde ein Lambdawert,
der den Sauerstoffgehalt der Abgase charakterisiert, er
faßt und eine Vorsteuerung der eingespritzten Kraftstoff
menge durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
eingespritzte Kraftstoffmenge ausgehend von einer Rege
lung der zeitlichen Ableitung des Lambdawerts und einer
Regelung des Lambdawerts vorgebbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Regelung der zeitlichen Ableitung des
Lambda-Werts in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal
der Regelung des Lambda-Werts erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß bei einem großen Ausgangssignal der Rege
lung des Lambda-Werts ein vorgebbarer, konstanter
Grenzwert für die Regelung der zeitlichen Ableitung
des Lambda-Werts vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Grenzwert von anderen Größen steuerbar
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß bei einem kleinen Ausgangssignal der Rege
lung des Lambda-Werts ein lineares Verhalten der
Regelung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Werts
eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß bei der Regelung der Ram
pensteilheit ein Sollwert für die zeitliche Ablei
tung des Lambda-Werts und die zeitliche Ableitung
des Istwerts des Lambda-Werts berücksichtigt wer
den.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß das Verfahren zur Steuerung einer Diesel-Brennkraftmaschine
oder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraft
maschine, mit einer Lambdasonde, die einen Lambdawert,
der den Sauerstoffgehalt der Abgase charakterisiert, er
faßt, mit einer Vorsteuereinrichtung für die eingespritz
te Kraftstoffmenge, dadurch gekennzeichnet, daß eine Re
gelung der zeitlichen Ableitung des Lambdawerts und eine
Regelung des Lambdawerts die eingespritzte Kraftstoffmen
ge vorgeben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Regler (24) für die zeitliche Ab
leitung des Lambda-Werts ein unterlagerter Regler
verwendbar ist, der sowohl einen Sollwert für die
zeitliche Ableitung als auch die zeitliche Ablei
tung des Istwerts des Lambda-Werts verarbeitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß mit dem Regler (24) für die zeitliche
Ableitung des Lambda-Werts ein Differenzierer (20)
kombinierbar ist, der die zeitliche Ableitung des
Istwerts des Lambda-Werts liefert.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche
Ableitung sowohl durch Differenzieren des Meßsi
gnals Lambdaist, als auch durch Berechnung (zur
Vermeidung von Totzeit) gewonnen wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung
der Rampensteilheit beim alleinigen Lambda-Regler
(ohne Kaskade) abhängig von der Abweichung zwischen
Lambdasoll und Lambdaist erfolgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschal
tung des alleinigen Lambda-Reglers auf einen
Lambda-Regler im mageren Bereich bis zu einem
Schwellwert erfolgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung einer Diesel-Brennkraft
maschine oder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914112013 DE4112013C2 (de) | 1991-04-12 | 1991-04-12 | Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914112013 DE4112013C2 (de) | 1991-04-12 | 1991-04-12 | Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4112013A1 DE4112013A1 (de) | 1992-10-15 |
DE4112013C2 true DE4112013C2 (de) | 2000-06-08 |
Family
ID=6429482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914112013 Expired - Fee Related DE4112013C2 (de) | 1991-04-12 | 1991-04-12 | Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4112013C2 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102635455B (zh) * | 2012-04-20 | 2013-11-20 | 大连理工大学 | 一种混合动力车用增压发动机惯性力矩瞬态控制方法 |
DE202014005189U1 (de) | 2014-06-21 | 2015-09-23 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) | Computerprogramm zur Steuerung einer Sauerstoffkonzentration |
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DE3925877A1 (de) * | 1989-08-04 | 1991-02-07 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur steuerung der kraftstoffzumessung bei einer dieselbrennkraftmaschine |
-
1991
- 1991-04-12 DE DE19914112013 patent/DE4112013C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4112013A1 (de) | 1992-10-15 |
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