WO2001006105A1 - Verfahren zur regelung eines arbeitsmodus einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur regelung eines arbeitsmodus einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Definitions

  • step S4 it is determined on the basis of the parameters made available whether it makes sense at all to switch internal combustion engine 16 to lean operation or to leave it in lean operation. For example, it can first be checked whether it is possible with a motor to allow the working mode with ⁇ > 1 with regard to the requested load. It is also conceivable to calculate a maximum permissible duration of a cooling phase, that is to say the lean operation until the regeneration operation has to be stopped, on the basis of a cumulative raw NO x emission predicted over a predeterminable period of time and the NO x storage capacity determined. If the duration of the cooling phase falls below a predefinable minimum duration, the regeneration operation is started.
  • a step S5 the NO x emission detected in a step S6 downstream of the NO x storage catalytic converter 12 is compared with a predefinable threshold value for the NO x emission downstream of the NO x storage catalytic converter 12. In the same way, a comparison of an accumulated NO x emission downstream of the NO x storage catalytic converter 12 is also possible. If the (cumulative) emission exceeds the threshold value, it can be checked in a step S7 whether a NO x reduction measure can be taken by influencing the operating parameters of the internal combustion engine 16. If this is not possible, the regeneration mode is set with ⁇ ⁇ 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet sind, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben und wobei die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur wenigstens eines, in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators erfolgt. Es ist vorgesehen, dass der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare Grenztemperatur (GT) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) und/oder einem aktuellen Katalysatorzustand des NOx-Speicherkatalysators (12) eingestellt wird.

Description

Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, einer Verbrennungskraftmaschine Mittel zuzuordnen, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben. Weiterhin ist bekannt, zur Reinigung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine in einem Abgaskanal einen NOx-Speicherkatalysator anzuordnen. Dabei kann über zusätzlich in dem Abgaskanal angeordnete Sensoren beispielsweise ein Gehalt einer Gaskomponente am Abgas erfaßt werden oder aber auch eine Temperatur oder ein Temperaturverlauf verfolgt werden. Daneben können dererlei Größen auch über geeignete Modelle prognostiziert werden, so daß es letztendlich möglich ist, ausgewählte Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine quantitativ zu erfassen, wie eine Abgastemperatur, eine Rohemission ausgewählter Gaskomponenten, eine Raumgeschwindigkeit des Abgases, eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Motordrehzahl oder eine angeforderte Last.
In gleicher Weise kann ein aktueller Katalysatorzustand ermittelt werden. So sind entweder auf rechnerischem Wege oder durch Messungen eine Katalysatortemperatur, ein NOx- oder SOx-Beladungszustand, eine NOx-Speicherfähigkeit, eine Wärmekapazität des Speicherkatalysators oder dergleichen erfaßbar. Die Mittel zur Steuerung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine sowie die Verfahren zur Erfassung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und des aktuellen Katalysatorzustandes sind bekannt und werden daher im Zusammenhang mit dieser Beschreibung nicht näher erläutert.
Liegt während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches Sauerstoff in einem Überschuß vor, so befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in einem sogenannten mageren Arbeitsmodus mit λ > 1 (Magerbetrieb). Das unter anderem während des Verbrennungsvorganges gebildete NOx wird durch den NOx- Speicherkatalysator als Nitrat absorbiert, und zwar so lange, bis eine NOx- Desorptionstemperatur erreicht oder eine NOx-Speicherkapazität erschöpft ist. Zur Vermeidung von NOx-Emissionen stromab des NOx-Speicherkatalysators muß vor diesem Zeitpunkt ein Wechsel in einen Arbeitsmodus mit λ < 1 (Regenerationsbetrieb) stattfinden. Unter solchen Bedingungen wird das absorbierte NOx wieder desorbiert und an einer Katalysatorkomponente des Speicherkatalysators mit Reduktionsmitteln, wie CO, HC oder H2, umgesetzt. Der Anteil der Reduktionsmittel steigt in dem Regenerationsbetrieb während des Verbrennungsvorganges deutlich an, da in diesem Fall ein Unterschuß von Sauerstoff im Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt.
Ferner ist bekannt, die Katalysatortemperatur zu erfassen und mit Hinblick auf eine mögliche NOx-Desorption einen Grenzwert der Temperatur vorzugeben, bei dem ein Wechsel in den Regenerationsmodus stattfinden muß. Ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unter λ < 1 führt allerdings zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, und daher ist eine Regenerationsdauer in der Praxis möglichst gering zu halten. Da eine NOx-Desorptionscharakteristik und damit die NOx- Desorptionstemperatur stark abhängig ist von dem aktuellen Katalysatorzustand, wird zur Vermeidung von NOx-Emissionen stromab des Speicherkatalysators die Grenztemperatur mit einem erheblichen Sicherheitsabstand festgelegt. Eine feste Grenztemperatur ist jedoch aus zweierlei Gründen nachteilig. Zum einen können auch oberhalb der Grenztemperatur Randbedingungen vorliegen, die einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in magerer Atmosphäre erlauben, und damit ist ein unnötiger Mehrverbrauch gegeben. Zum anderen ist dabei störend, daß die Abgastemperatur im Regenerationsbetrieb im allgemeinen über der Abgastemperatur im Magerbetrieb liegt und ein Abkühlen des Speicherkatalysators somit erschwert wird.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine wesentlich flexibler zu gestalten, so daß auch nach einem Überschreiten der Katalysatortemperatur über die Grenztemperatur noch ein Wechsel in den Magerbetrieb stattfinden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare Grenztemperatur in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und/oder einem aktuellen Katalysatorzustand des NOx-Speicherkatalysators eingestellt wird, ist es möglich, auch oberhalb der Grenztemperatur einen Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens fließt wenigstens einer der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und/oder der aktuelle Katalysatorzustand in ein Kennfeld ein, über das der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird. Auf diese Weise können in sehr einfacher Weise die Randbedingungen (aktueller Katalysatorzustand und Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine) bei der Auswahl des Arbeitsmodus berücksichtigt werden.
Eine Dauer eines Arbeitsmodus, insbesondere nach dem Wechsel in den Magerbetrieb, kann unter Berücksichtigung des aktuellen Katalysatorzustandes und der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Ebenso ist denkbar, gemäß diesen Randbedingungen auch eine Frequenz für den Wechsel von dem Regenerationsbetrieb in den Magerbetrieb und zurück (Wobblefrequenz) zu bestimmen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach einem Wechsel in den Magerbetrieb stromab des Speicherkatalysators mit einem geeigneten Sensor eine NOx-Konzentration oder eine über einen vorgebbaren Zeitraum kumulierte NOx-Emission zu erfassen. Überschreitet die NOx-Konzentration einen vorgebbaren Schwellenwert oder überschreitet die kumulierte NOx-Emission innerhalb des vorgebbaren Zeitraumes einen vorgebbaren Schwellenwert, so kann der Magerbetrieb unterbrochen werden. Auf diese Weise ist es möglich, die NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators möglichst gering zu halten und den gegebenenfalls vorliegenden gesetzlichen Normen Genüge zu tun.
Ferner ist es denkbar, beim Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine NOx-Rohemission (NOx-Emission stromauf des Speicherkatalysators), die NOx- Konzentration oder die kumulierte NOx-Emission eine NOx-Minderungsmaßnahme durch eine Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine zu ergreifen. Natürlich kann die NOx-Minderungsmaßnahme auch in Abhängigkeit von der stromab des Speicherkatalysators erfaßten NOx-Emission initiiert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines NOx-Speicherkatalysators in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine;
Figur 2 einen Verlauf einer Katalysatortemperatur und
Figur 3 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Regelung eines Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine.
In der Figur 1 ist in schematischer Weise eine Anordnung 10 eines NOx- Speicherkatalysators 12 in einem Abgaskanal 14 einer Verbrennungskraftmaschine 16 dargestellt. Ferner sind in dem Abgaskanal 14 Sensoren 18, 20 angeordnet, die es erlauben, einen Gehalt einer Gaskomponente am Abgas zu bestimmen (Gassensoren) oder zur Erfassung einer Temperatur dienen (Temperatursensoren). Anzahl, Lage und Typ solcher Sensoren 18, 20 sind in einem hohen Maße variabel. Eine Erfassung und Auswertung der Signale derartiger Sensoren 18, 20 ist bekannt und soll im Rahmen dieser Beschreibung nicht näher erläutert werden. Daneben ist es in bekannter Weise möglich, mit Hilfe von geeigneten Modellen den Gehalt der Gaskomponenten oder die Temperatur in ausgewählten Bereichen der Anordnung 10 zu berechnen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine Darstellung von der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Mitteln verzichtet, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine eine Regelung eines Arbeitsmodus erlauben. Derartige Mittel zur Beeinflussung der Betriebsparameter sind hinlänglich bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Ebenso ist es bekannt, eine Katalysatortemperatur, beispielsweise mittels des Sensors 20, zu erfassen und die Regelung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 in Abhängigkeit von dieser Katalysatortemperatur durchzuführen.
Liegt während eines Verbrennungsvorganges in der Verbrennungskraftmaschine 16 Sauerstoff in einem Überschuß gegenüber einem Kraftstoff vor, so befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in einem Arbeitsmodus mit λ > 1 (Magerbetrieb). Während des Magerbetriebes wird das während des Verbrennungsvorganges entstehende NOx in dem NOx-Speicherkatalysator 12 absorbiert, und zwar so lange, bis entweder eine NOx- Desorptionstemperatur erreicht oder eine NOx-Speicherkapazität überschritten wird.
Unter stöchiometrischen Bedingungen oder bei einem Überschuß des Kraftstoffs gegenüber dem Sauerstoff (λ < 1 ; Regenerationsbetrieb) entstehen im allgemeinen in einem vermehrten Maße Reduktionsmittel, wie CO, HC oder H2. Im Regenerationsbetrieb wird das absorbierte NOx wieder ausgelagert (NOx-Desorption) und mit Hilfe der Reduktionsmittel im NOx-Speicherkatalysator 12 umgesetzt.
Wie bereits erwähnt, ist eine NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 12 temperaturabhängig. Zur Vermeidung einer NOx-Emission stromab des NOx- Speicherkatalysators 12 wird daher die Verbrennungskraftmaschine 16 in dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur GT in den Arbeitsmodus mit λ < 1 (Regenerationsbetrieb) eingestellt. Ein Verlauf der Temperatur während einer solchen Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 ist in der Figur 2 exemplarisch dargestellt. Am Ende einer mageren Phase tmι wird beispielsweise aufgrund einer erhöhten Leistungsanforderung an die Verbrennungskraftmaschine 16 in den Arbeitsmodus mit λ < 1 umgeschaltet.
Im Verlauf einer fetten Phase tf-| wird die Grenztemperatur GT des Katalysators überschritten. Während dieser fetten Phase tf-| wird laufend ein aktueller Katalysatorzustand und/oder wenigstens ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 erfaßt. Ausgewählte Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 können beispielsweise eine Abgastemperatur, eine Rohemission ausgewählter Gaskomponenten, eine Raumgeschwindigkeit des Abgases, eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Motordrehzahl oder eine angeforderte Last sein. Der Katalysatorzustand kann über die Sensoren 18, 20 oder über geeignete Modelle bestimmt werden und umfaßt beispielsweise einen NOx- oder SOx-Beladungszustand, die NOx-Speicherfähigkeit, eine Wärmekapazität des Speicherkatalysators oder die Katalysatortemperatur. Verfahren zur Erfassung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 und des aktuellen Katalysatorzustandes sind bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Nach der Erfassung der Randbedingungen (Katalysatorzustand und Betriebsparameter) erfolgt eine Zuordnung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 über ein Kennfeld, so daß beispielsweise ab einem Zeitpunkt T-| wegen der Zulässigkeit eines mageren Arbeitsmodus im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Wechsel in den Magerbetrieb eingeleitet werden kann. Wie ersichtlich, liegt die Katalysatortemperatur dabei oberhalb der Grenztemperatur GT und sinkt erst ab einem Zeitpunkt T2 unter diese Schwelle. Der Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 16 ist hierbei deutlich verkürzt gegenüber den bekannten Verfahren, die mindestens über die Phasen tm2 und tf-| den Speicherkatalysator 12 mit einem fetten Abgas beaufschlagen werden, wobei zusätzlich eine Dauer der Phase tm2 aufgrund der höheren Abgastemperaturen im Regenerationsbetrieb verlängert ist.
In der Figur 3 ist ein Flußdiagramm zur Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung der NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators 12 dargestellt. In einem ersten Schritt S1 werden - wie bereits erwähnt - die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine, also beispielsweise die Raumgeschwindigkeit des Abgases, die Abgastemperatur, die angeforderte Last oder die NOx-Rohemission, quantitativ erfaßt.
Gleichzeitig wird in einem zweiten Schritt S2 der aktuelle Katalysatorzustand beispielsweise über die Sensoren 18, 20 gemessen oder mit Hilfe von geeigneten Modellen berechnet. Übersteigt dabei die aktuelle Katalysatortemperatur die Grenztemperatur (Schritt S3), so kann dies zur Einleitung einer kennfeldgesteuerten Änderung der Einstellung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 in einem Schritt S4 führen. Hierbei fließen ausgewählte Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine als auch ausgewählte Parameter des aktuellen Katalysatorzustandes, wie beispielsweise eine NOx-Desorptionscharakteristik für einen aktuellen NOx- oder SOx-Beladungszustand in das Kennfeld ein.
In dem Schritt S4 wird anhand der zur Verfügung gestellten Parameter ermittelt, ob es überhaupt sinnvoll ist, die Verbrennungskraftmaschine 16 in den Magerbetrieb zu schalten oder im Magerbetrieb zu belassen. Beispielsweise kann dazu zunächst überprüft werden, ob es mit Hinsicht auf die angeforderte Last motorisch möglich ist, den Arbeitsmodus mit λ > 1 zu gewähren. Denkbar ist auch, anhand einer über einen vorgebbaren Zeitraum prognostizierten kumulierten NOx-Rohemission und der ermittelten NOx-Speicheriähigkeit eine maximale zulässige Dauer einer Abkühlphase, das heißt des Magerbetriebes, bis der Regenerationsbetrieb eingestellt werden muß, zu berechnen. Unterschreitet die Dauer der Abkühlphase eine vorgebbare Mindestdauer, so wird der Regenerationsbetrieb aufgenommen. In einem Schritt S5 wird die in einem Schritt S6 erfaßte NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 mit einem vorgebbaren Schwellenwert für die NOx- Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 verglichen. In gleicher Weise ist auch ein Vergleich einer über einen vorgebbaren Zeitraum kumulierten NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 möglich. Überschreitet die (kumulierte) Emission den Schwellenwert, so kann in einem Schritt S7 überprüft werden, ob eine NOx-Minderungsmaßnahme durch eine Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 ergriffen werden kann. Ist dies nicht möglich, so wird der Regenerationsbetrieb mit λ < 1 eingestellt. Ist die NOx-Minderungsmaßnahme möglich oder ist der Schwellenwert der (kumulierten) Emission noch nicht überschritten, so ist der Magerbetrieb mit λ > 1 möglich. Über den Schritt S5 ist es möglich, die NOx- Emission beziehungsweise die kumulierte NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators 12 laufend zu überprüfen. Daneben kann auch ein Schwellenwert für eine kumulierte NOx-Rohemission stromauf des NOx-Speicherkatalysators 22 vorgegeben werden und beim Überschreiten dieses Schwellenwertes - sofern möglich - die NOx- Minderungsmaßnahme eingeleitet werden.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet sind, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben und wobei die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur wenigstens eines, in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare Grenztemperatur (GT) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) und/oder einem aktuellen Katalysatorzustand des NOx-Speicherkatalysators (12) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) und/oder der aktuelle Katalysatorzustand in ein Kennfeld einfließen und über das Kennfeld der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) bestimmt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) zumindest eine Abgastemperatur, eine Motordrehzahl, eine angeforderte Last, eine Raumgeschwindigkeit eines Abgases, einen Gehalt wenigstens einer Gaskomponente am Abgas (Rohemission) oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Katalysatorzustand die Katalysatortemperatur, eine NOx- Speicherfähigkeit, eine NOx-Konvertierungsrate oder eine Wärmeleitfähigkeit des Speicherkatalysators umfaßt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dauer eines Arbeitsmodus mit λ > 1 (Magerbetrieb) in Abhängigkeit von dem aktuellen Katalysatorzustand und den Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (16) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Unterschreiten der berechneten Dauer des Magerbetriebes unter eine vorgebbare Mindestdauer ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) mit λ < 1 (Regenerationsbetrieb) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz eines Wechsels (Wobblefrequenz) des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von dem aktuellen Katalysatorzustand und den Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (16) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb bis zum Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine NOx-Emission stromab des NOx- Speicherkatalysators (12) aufrechterhalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb bis zum Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine über einen vorgebbaren Zeitraum kumulierte NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (12) aufrechterhalten wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine NOx-Rohemission, der NOx-Emission oder der kumulierten NOx- Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (12) eine NOx- Minderungsmaßnahme durch eine Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) ergriffen wird.
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