EP0925433B1 - Verfahren zur regelung des kraftstoff-luft-verhältnisses einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0925433B1
EP0925433B1 EP97928228A EP97928228A EP0925433B1 EP 0925433 B1 EP0925433 B1 EP 0925433B1 EP 97928228 A EP97928228 A EP 97928228A EP 97928228 A EP97928228 A EP 97928228A EP 0925433 B1 EP0925433 B1 EP 0925433B1
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probe
lambda
signal
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
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    • F02D41/1486—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor with correction for particular operating conditions
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    • F02D41/1474—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method by detecting the commutation time of the sensor

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the fuel-air ratio an internal combustion engine according to the preamble of Claim 1.
  • control devices for Internal combustion engines are known in which the oxygen content in the exhaust duct is measured and evaluated (US Pat. No. 5,134,847, Patent Abstract of Japan 58-048755).
  • oxygen measuring probes so-called lambda probes known, e.g. according to the principle of ion conduction by a Solid electrolytes work due to an oxygen partial pressure difference and according to the oxygen partial pressure present in the exhaust gas Output voltage signal that the transition from lack of oxygen to Excess oxygen or vice versa has a voltage jump.
  • the output signal of the lambda probe is evaluated by a controller, which in turn regulates the fuel-air mixture via an actuator.
  • the regulation of the fuel-air ratio primarily results in a Reduction of harmful proportions of exhaust gas emissions from internal combustion engines sought.
  • From US-PS-4,796,425 is a method for controlling a fuel-air ratio known in which the probes the fuel-air ratio influenced by various correction factors. There is a Correction depending on the function of the period of the signal of the first lambda sensor.
  • a regulation is known from Patent Abstracts of Japan 58-072647 which the output signal of the controller compared to the output signal of first lambda probe is delayed by a holding time.
  • the hold time is thereby from the inverse ratio of the output signal of the first probe to Output signal of the second probe obtained.
  • the invention has for its object to provide a method which allows an accurate and adaptable scheme, so that the Air-fuel ratio in terms of reducing exhaust emissions is further improved.
  • the object is achieved in that the weighted Correction signal is a hold time through which the output signal of the Controller is delayed.
  • the advantage of the invention is that it is the first lambda probe containing controlled system, a manipulated variable is superimposed by the actual duration of the output signal of the first Lambda sensor is dependent, d. H. it can correct the actual disturbance become.
  • a weighting factor is the ratio of the actual measured period of the first lambda probe to the period of the first lambda probe determined at idle.
  • the holding time is calculated from the comparison of the actually measured output signal of the second lambda probe with a Reference value won.
  • the correction signal is formed here every turn of the lambda sensor located in front of the catalytic converter.
  • the target value advantageously corresponds approximately to the mean value of the Output signal of the second lambda probe when the first lambda sensor.
  • the operating point is set from the signal of the second Lambda sensor time depending on the load and speed corrected the internal combustion engine and fed to the controlled system in which the Fuel injection is adjusted.
  • the device consists of an internal combustion engine 1 a catalyst 2. Air is supplied to the engine 1 via an intake manifold 3.
  • the fuel is injected into the intake manifold 3 via injection valves 4.
  • Lambda sensors 5 and 6 measure the respective lambda value of the exhaust gas before and after the Catalyst 2. Both signals supplied by lambda sensors 5 and 6 are led to a controller with PI characteristic 8, which is usually in a control unit, not shown, is arranged in the motor vehicle.
  • controller 8 uses setpoints 9 and 13 Control signal, which is fed to the injection valves 4.
  • This control signal leads to a change in the fuel metering, which together with the intake air mass (air mass meter 7) one certain lambda value of the exhaust gas results.
  • Each lambda sensor delivers the respective fuel-air mixture representing ⁇ factor a signal curve as shown in Figure 2 is.
  • the resistance or the voltage can be above the ⁇ factor to be viewed as.
  • the probe If the probe is active, it has a signal voltage that is outside of the range (ULSU, ULSO). Delivers during the lean rash the lambda probe has a minimal output signal that is below ULSU lies. A maximum voltage signal appears during the fat rash measured above ULSO in a range of 600 - 800 mV. This maximum value is subject to manufacturing tolerances and signs of aging certain scatter caused by a probe correction factor Getting corrected.
  • the controlled system 11 contains the injection valves 4, the engine 1, the catalytic converter 2, the lambda probe 5 and the lambda probe 6.
  • the controller 8 evaluates both the 1st control loop of the lambda probe 5 (Comparison with setpoint 9) as well as the second control loop of the lambda probe 6 (comparison with setpoint 13) and produces the result described above Control signal.
  • the lambda probe 6 arranged in the exhaust gas duct behind the catalytic converter 2 supplies a lambda value in the form of a signal voltage.
  • This target value U 6SOLL is formed from the mean value measured by the lambda probe 6 when the lambda probe 5 arranged in front of the catalytic converter works without problems.
  • a signal counter 14 with an upstream comparator 14a increments by 1 if the actual value U 6IST is greater than the target value U 6SOLL . It decrements by 1 if the actual value U 6IST is smaller than the setpoint U 6SOLL . If both values are the same, the counter reading is not changed.
  • the counter 14 is arranged in front of the catalytic converter with each change Lambda probe 5 is processed and is therefore clock-controlled by this.
  • the count value is multiplied by a proportionality constant in the value of (0.5 - a few 100) ms / probe change of the first lambda probe, whereby an absolute holding time TH raw is determined.
  • the holding time TH raw obtained in this way is evaluated in a second multiplication point 16 with a weighting factor WF, which is determined by dividing 17 the actually measured period of the first lambda probe by a constant.
  • the constant is a function of the period of the first lambda probe at idle.
  • the holding time TH delays the P jump of the controller 8.
  • the ⁇ control factor is plotted against time.
  • the curves labeled I (dark areas in FIG. 4a) show the temporal Change in the ⁇ control factor without the influence of the second lambda sensor control loop, while the curves marked II (hatched Area in Figure 4a) the change over time of the lambda control factor, below Influence of the control loop of the lambda probe arranged behind the catalytic converter represent.
  • This representation is not intended to illustrate a closed control loop, but rather only serves to illustrate the effect of the holding time TH on the first control loop.
  • the holding time TH is signed, with positive times the P jump of the controller after a lean / rich probe change and negative times the P jump of the controller after a rich / lean change of the probe Decelerate the oxygen sensor located in front of the catalytic converter.
  • the maximum voltage signal is subject to one Lambda probe certain spreads by a probe correction factor Getting corrected.
  • the probe correction factors become independent for both lambda probes 5 and 6 determined from each other by the method described below.
  • a first measuring time is started, in which the maximum probe voltage LS MAX is determined from the arithmetic mean of the measured values.
  • the minimum probe voltage LS MIN is determined in a second measurement time from the arithmetic mean of the measurement values obtained during a second measurement time.
  • the second measurement time follows a second settling time.
  • the first and second measurement times can be the same.
  • LS Cor LS MAX - LS MIN LS AMAX
  • LS AMAX represents a reference value that is stored in the control electronics.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemessen und ausgewertet wird (US-PS-5,134,847, Patent Abstract of Japan 58-048755). Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, sogenannte Lambdasonden bekannt, die z.B. nach dem Prinzip der lonenleitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Spannungssprung aufweist.
Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausgewertet, welcher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.
Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.
Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alterungserscheinungen unterliegt.
Trotzt dieser überlagerten Regelung können die Alterungserscheinungen der ersten Lambdasonde nicht ausreichend korrigiert werden.
Aus der US-PS-4,796,425 ist ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bekannt, bei welchem die Sonden das Kraftstoff-Luft-Verhältnis durch verschiedene Korrekturfaktoren beeinflussen. Dabei erfolgt eine Korrektur in Abhängigkeit der Funktion der Periodendauer des Signals der ersten Lambdasonde.
Aus der Patent Abstracts of Japan 58-072647 ist eine Regelung bekannt, bei welcher das Ausgangssignal des Reglers gegenüber dem Ausgangssignal der ersten Lambdasonde um eine Haltezeit verzögert ist. Die Haltezeit wird dabei aus dem umgekehrten Verhältnis des Ausgangssignals der ersten Sonde zum Ausgangssignal der zweiten Sonde gewonnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine genaue und anpassungsfähige Regelung ermöglicht, so daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Sinne einer Verminderung der Abgasemission weiter verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das zu wichtende Korrektursignal eine Haltezeit ist, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die erste Lambdasonde enthaltenden Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde abhängig ist, d. h. es kann die tatsächliche Störung ausgeregelt werden.
Vorteilhafterweise wird ein Wichtungsfaktor aus dem Verhältnis der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde zur Periodendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf bestimmt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Haltezeit aus dem Vergleich des tatsächlich gemessenen Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde mit einem Referenzwert gewonnen. Die Bildung des Korrektursignals erfolgt dabei bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde.
Aus dem tatsächlich gemessenen Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und dem Referenzwert wird eine Differenz gebildet, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.
Vorteilhafterweise entspricht der Sollwert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde.
Zur Betriebspunkteinstellung wird die aus dem Signal der zweiten Lambdasonde gewonnene Zeit in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine korrigiert und der Regelstrecke zugeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1:
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine.
Fig. 2:
Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ-Faktor)
Figr. 3:
Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde.
Fig. 4:
schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator.
Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt.
Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt.
Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Erfassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Katalysator 2 eine weitere Lambdasonde 6 vorgesehen. Die Lambdasonden 5 und 6 messen den jeweiligen Lambdawert des Abgases vor und hinter dem Katalysator 2. Beide von den Lambdasonden 5 und 6 gelieferten Signale werden an einen Regler mit PI-Charakteristik 8 geführt, der gewöhnlich in einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Aus diesen Signalen bildet der Regler 8 mit Hilfe von Sollwerten 9 und 13 ein Stellsignal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird.
Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen mit der angesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7) einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.
Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Je nachdem welcher Typ von Lambdasonde für die Regelung verwendet wird, können entweder der Widerstand oder die Spannung über dem λ-Faktor betrachtet werden.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.
Ist die Sonde aktiv, so weist sie eine Signalspannung auf, welche außerhalb des Bereiches (ULSU, ULSO) liegt. Während des Mager-Ausschlages liefert die Lambdasonde ein minimales Ausgangssignal das unterhalb von ULSU liegt. Während des Fett-Ausschlages wird ein maximales Spannungssignal oberhalb von ULSO in einem Bereich von 600 - 800 mV gemessen. Dieser maximale Wert unterliegt aufgrund von Herstellungstoleranzen und Alterungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.
Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kompensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambdasonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Figur 3 näher erläutert ist.
Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Figur 1 dargestellt, die Einspritzventile 4, den Motor 1, den Katalysator 2, die Lambdasonde 5 sowie die Lamdasonde 6. Der Regler 8 wertet sowohl den 1. Regelkreis der Lambdasonde 5 (Vergleich mit Sollwert 9) als auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 (Vergleich mit Sollwert 13) aus und erzeugt im Ergebnis das oben beschriebene Stellsignal.
Die im Abgaskanal hinter dem Katalysator 2 angeordnete Lambdasonde 6 liefert einen Lambdawert in Form einer Signalspannung. Zu Beginn jedes Regelzyklusses wird überprüft, ob die Sonde aktiv ist. Dies geschieht dadurch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (ULSU, ULSO) befindet. Ist dies der Fall, wird ein Korrektursignal gebildet, in dem der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U6IST an einen Summierpunkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten Sollwertes 13 verglichen wird. Dieser Sollwert U6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1, wenn der Istwert U6IST größer ist als der Sollwert U6SOLL. Er dekrementiert um 1, wenn der Istwert U6IST kleiner als der Sollwert U6SOLL ist. Sind beide Werte gleich, wird der Zählerstand nicht verändert.
Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.
An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportionalitätskonstanten im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit THroh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit THroh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher durch Division 17 der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde durch eine Konstante bestimmt wird. Die Konstante ist dabei eine Funktion der Peridendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf.
Im Vergleich zu bisher an dieser Stelle verwendeten Kennfeldern, bei welchen der Wichtungsfaktor maximal Werte von 1 annehmen konnte, wird jetzt die tatsächliche Störung unabhängig von ihrer Größe ausgeregelt, da durch den größeren Faktor eine Art Selbstverstärkung erreicht wird. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.
Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.
Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Figur 4 dargestellt.
Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.
Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Figur 4a) zeigen die zeitliche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven (schraffierte Fläche in Figur 4a) die zeitliche Änderung des Lambdaregelfaktors, unter Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde darstellen.
Diese Darstellung soll keinen geschlossenen Regelkreis verdeutlichen, sondern dient lediglich zur Verdeutlichung der Wirkung der Haltezeit TH auf den ersten Regelkreis.
Die Haltezeit TH ist vorzeichenbehaftet, wobei positive Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem mager/fett-Sondenumschlag und negative Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem fett/mager-Sondenumschlages der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde verzögern.
In Figur 4b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt, welches von der ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Vergleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regelkreises sich die Impulsdauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Katalysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zunimmt (Figur 4c).
Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgenden Regelzyklen Berücksichtigung.
Wie bereits erwähnt, unterliegt das maximale Spannungssignal einer Lambdasonde gewissen Streuungen die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.
Die Sondenkorrekturfaktoren werden für beide Lambdasonden 5 und 6 unabhängig voneinander nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren bestimmt.
Unter Vollast (d. h. λ < 1) wird nach einer ersten Einschwingzeit eine erste Meßzeit gestartet, in welcher die maximale Sondenspannung LSMAX aus dem arithmetischen Mittelwert der Meßwerte bestimmt wird.
Analog wird im Schubbetrieb (λ < 1) in einer zweiten Meßzeit die minimale Sondenspannung LSMIN aus dem arithmetischen Mittelwert der während einer zweiten Meßzeit gewonnenen Meßwerte bestimmt. Die zweite Meßzeit folgt einer zweiten Einschwingzeit. Die erste und die zweite Meßzeit können dabei gleich sein.
Nach der Ermittlung der maximalen und minimalen Sondenspannung wird einmalig pro Fahrzyklus für jede Sonde getrennt ein Korrekturwert ermittelt. LSKor = LSMAX - LSMIN LSAMAX wobei LSAMAX einen Referenzwert darstellt, der in der Steuerelektronik abgespeichert ist.
Dieser Sondenkorrekturfaktor LS6Kor wird zur Bestimmung des korrigierten Sollwertes USOLLKor für die hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 6 genutzt: LS6SOLLKor = U6SOLL X LS6Kor

Claims (7)

  1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird und der Regler eine Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein Korrektursignal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten, dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, wobei das Korrektursignal in Abhängigkeit von der Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde gewichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu wichtende Korrektursignal eine Haltezeit ist, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wichtungsfaktor aus dem Verhältnis der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde zur Periodendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit aus dem Vergleich des tatsächlich gemessenen Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde mit einem Referenzwert gewonnen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten ersten Lambdasonde gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem tatsächlich gemessenen Ausgangssignal der zweiten Lamdasonde und dem Referenzwert eine Differenz gebildet wird, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert annähernd den Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde bei störungsfreiem Betrieb der ersten Lambdasonde darstellt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des dem Regler zuzuführenden Signals abhängig ist vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
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