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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anpassen
einer Einspritzcharakteristik nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und
eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Viele
Brennkraftmaschinen weisen eine Einspritzvorrichtung auf, wobei
diese über Injektoren verfügt, mit denen Kraftstoff
in die Brennräume eingespritzt wird. Um die Kraftstoffmenge
optimal zu bemessen, werden die Injektoren oder Einspritzventile mittels
einer geeigneten Steuervorrichtung angesteuert. Die Bemessung der
Kraftstoffmenge erfolgt dabei in der Regel zeitgesteuert, d. h.
der Injektor wird für eine genau festgelegte Zeit geöffnet
und anschließend wieder geschlossen. Diese Zeit wird hier
als Ansteuerdauer des Injektors bezeichnet.
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Zumeist
liegt in einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine ein Kennfeld
vor, welches eine Soll-Einspritzcharakteristik festlegt, d. h. eine
Zuordnung zwischen eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuerdauer.
Eine genaue Einstellbarkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge ist
wichtig, damit die Brennkraftmaschine an ihrem optimalen Betriebspunkt
arbeiten kann.
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Aufgrund
von fertigungsbedingten Streuungen oder altersbedingten Änderungen
der Injektoren bzw. der Brennkraftmaschine an sich kann eine Ist-Einspritzcharakteristik
von der Soll-Einspritzcharakteristik abweichen. Dies bedeutet, dass
die Zuordnung zwischen Ansteuerdauer und eingespritzter Kraftstoffmenge
im Ist-Zustand vom Soll-Zustand abweichen kann. Da es sich bei den Änderungen
zumeist um sehr kleine Einspritzmengenänderungen handelt,
deren Absolutwert weitgehend unabhängig von der Ansteuerdauer
bzw. der Einspritzmenge ist, kann zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
häufig eine Kleinstmengenadaption vorgenommen werden.
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Eine
derartige Kleinstmengenadaption ist in der Druckschrift
DE 102 57 686 A1 genauer
beschrieben. Dabei wird eine ein Referenz-Einspritzverhalten wiedergebende
Einspritzventilcharakteristik eines angesteuerten Injektors einer
Brennkraftmaschine an alterungsbedingte Änderungen eines
Ist-Einspritzverhaltens angepasst, indem während eines
keine Kraftstoffeinspritzung erfordernden Betriebszustandes der
Brennkraftmaschine das Einspritzventil intermittierend gemäß einer
Ansteuerdauer angesteuert wird, während ansonsten keine
Kraftstoffeinspritzung erfolgt, so dass mindestens einem Arbeitszyklus
der Brennkraftmaschine mit Ansteuerung mindestens ein Arbeitszyklus
ohne Ansteuerung des Einspritzventils folgt oder vorangeht und jeweils
ein Drehzahlwert oder ein Wert einer drehzahlabhängigen
Größe der Brennkraftmaschine für den
Arbeitszyklus mit Ansteuerung und für mindestens einen
der Arbeitszyklen ohne Ansteuerung detektiert wird und eine Differenz
der detektierten Werte gebildet und damit eine Korrektur der Einspritzcharakteristik
vorgenommen wird.
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Das
Verfahren aus der genannten Druckschrift führt dann zu
befriedigenden Ergebnissen, wenn es sich bei der Brennkraftmaschine
um eine Dieselmaschine handelt. Ein Nachteil dieses Verfahrens hängt
damit zusammen, dass für eine Berücksichtigung
des während des Arbeitszyklus mit Ansteuerung gemessenen
Werts lediglich vorausgesetzt wird, dass eine Einspritzung stattgefunden
hat. Da es bei Ottomotoren bzw. Brennkraftmaschinen mit aktiver
Zündung nicht zwangsläufig zu einer Zündung
einer eingespritzten Kleinstmenge kommen muss, ist das dort offenbarte
Verfahren für Brennkraftmaschinen mit aktiver Zündung
nicht geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es also, ein entsprechendes Verfahren zum Anpassen
einer Einspritzcharakteristik vorzuschlagen, dass zur Anwendung
an einem Ottomotor geeignet ist. Der Erfindung liegt ferner die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der ein solches
Verfahren durchführbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der
untergeordneten Ansprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Differenz
zweier aufeinander folgender Segmentzeiten des dem ausgewählten
Injektor zugeordneten Zylinders oder eine andere Größe,
die eine zeitliche Änderung einer Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit
wiedergibt, für den mindestens einen Arbeitszyklus mit
Ansteuerung des Injektors und für den mindestens einen
Arbeitszyklus ohne Ansteuerung des Injektors als Messwert ermittelt.
Als Segmentzeit wird hierbei die Zeit bezeichnet, welche eine Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine für ein Überstreichen eines bestimmten
Winkelsegments benötigt. Ein Winkelsegment kann dabei z.
B. mit einer Größe von 720° geteilt durch
die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine definiert sein. Die
Winkelsegmente sollten so bestimmt werden, dass im Fall einer Ansteuerung des
entsprechenden Injektors eine in den Zylinder mittels Injektor eingespritzte
Kraftstoffmenge bei oder kurz vor Überstreichen eines der
zwei Winkelsegmente gezündet wird und so eine messbare
Veränderung der Segmentzeit eintritt.
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Zwischen
den Messwerten der Arbeitszyklen mit und ohne Ansteuerung wird eine
Relation gebildet und diese zur Korrektur der Einspritzcharakteristik verwendet,
wobei zur Berücksichtigung von Zündaussetzern
der mindestens eine Messwert für den Arbeitszyklus mit
Ansteuerung jeweils dahingehend geprüft wird, ob dieser
Messwert vom Messwert oder den Messwerten des Injektors im Arbeitszyklus
oder in den Arbeitszyklen ohne Ansteuerung signifikant abweicht.
Nur wenn dies der Fall ist, wird die genannte und ermittelte Relation
zur Korrektur der Einspritzcharakteristik verwendet. Bei der genannten
Relation kann es sich z. B. um eine Differenz zwischen dem Messwert
mit Ansteuerung des Injektors und dem Messwert ohne Ansteuerung
oder einem über mehrere Arbeitszyklen erfassten Mittelwert
für den Messwert ohne Ansteuerung handeln oder um einen ähnlichen
Wert, der die tatsächliche Einspritzmenge im Arbeitszyklus
mit Ansteuerung des Injektors widerspiegelt.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, dass Messwerte, in denen es zwar zu einer Einspritzung kommt,
jedoch zu keiner Zündung des eingespritzten Kraftstoffgemisches,
aussortiert werden. Dadurch wird eine Verfälschung der
vorgenommenen Korrektur aufgrund einer durch Zündaussetzer
verursachten fehlerhaften Einschätzung der Ist-Einspritzcharakteristik
verhindert. Da sich die Differenz aufeinander folgender Segmentzeiten
oder die andere Größe, die eine zeitliche Änderung
der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit wiedergibt, bei einer Einspritzung
ohne Zündung nur wenig von dem entsprechenden Messwert
für den Arbeitszyklus ohne Einspritzung unterscheidet,
kann bei Kenntnis der Differenz zweier aufeinander folgender Segmentzeiten
bzw. des Messwertes für die genannte andere Größe
für den Arbeitszyklus ohne Ansteuerung eine zuverlässige
Entscheidung darüber getroffen werden, ob es bei der Erfassung
eines Messwerts mit Ansteuerung zu einer Entzündung des
Kraftstoffes gekommen ist.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass es weitgehend
von äußeren Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
unabhängig ist. Die Segmentzeit bzw. die Drehzahl oder
Umlaufgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine stellt keine konstante
Größe dar, sondern lediglich die Momentaufnahme
einer in der Regel zeitlich veränderlichen Größe.
Dadurch, dass jeweils die Differenz zweier derartiger Größen
bzw. die Winkelbeschleunigung einer Kurbelwellenbewegung ermittelt
wird, und die so erhaltenen Messwerte mit und ohne Einspritzung verglichen
werden, hat eine reibungs- oder neigungsbedingte Abbremsung oder
Beschleunigung der Brennkraftmaschine keinen das Ergebnis verfälschenden
Einfluss auf das Verfahren. So wird eine zuverlässige und
genaue Anpassung der Ein spritzcharakteristik an die gewünschten
Soll-Werte für die Einspritzmenge möglich.
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Bei
der Messung kann die abgegebene Kraftstoffmenge durch einen Vergleich
der im Arbeitszyklus mit Ansteuerung und im Arbeitszyklus ohne Ansteuerung
wirkenden Drehmomentwerte berechnet werden. Das Drehmoment ist dabei
das Produkt aus Trägheitsmoment und Winkelbeschleunigung,
wobei die Winkelbeschleunigung beispielsweise über einen
Drehzahlgradienten oder eine Segmentzeitdifferenz während
eines Arbeitszyklus mit Ansteuerung und einen Drehzahlgradienten
oder eine Segmentzeitdifferenz während eines Arbeitszyklus ohne
Ansteuerung gebildet wird. Das Trägheitsmoment der Brennkraftmaschine
ist dabei durch die Schwungmasse von Kolben, Kurbelwelle, Nockenwelle
und eventuellen Schwungmassen beeinflusst und stellt eine für
eine Brennkraftmaschine festliegende unveränderliche Größe
dar. Dabei kann zusätzlich ein Faktor für die
innere Reibung der Brennkraftmaschine hinzugefügt werden,
wie beispielsweise in der Druckschrift
DE 102 57 686 A1 beschrieben. In
gleicher Weise sind in dieser Druckschrift mehrere Möglichkeiten,
einen Drehmomentwert aus Segmentzeiten oder Drehzahlgradienten zu
ermitteln, beschrieben.
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Besonders
bevorzugt wird das Verfahren über mehrere Arbeitszyklen
der Brennkraftmaschine durchgeführt. Wenn mehrere Zyklen,
beispielsweise 10 bis 100, vorzugsweise 10 bis 20 Zyklen, verwendet
werden, lässt sich eine zuverlässige und statistische
Auswertung der Messwerte vornehmen. Dies ist insbesondere deswegen
wichtig, damit in Abhängigkeit von den Messwerten, welche
in den Arbeitszyklen ohne Ansteuerung ermittelt werden, eine vernünftige
Schwelle bzw. ein vernünftiges statistisches Maß ermittelt
werden kann, um Messwerte in Arbeitszyklen mit Ansteuerung des Injektors,
also mit Kraftstoffeinspritzung, bei welchen keine Zündung
stattfindet, zu detektieren.
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Vorzugsweise
werden die beschriebenen Schritte des Verfahrens zum Anpassen der
Einspritzcharakteristik sukzessive für min destens zwei,
vorzugsweise für alle Injektoren der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn während eines Arbeitszyklus
der Brennkraftmaschine jeweils ein Einspritzventil angesteuert wird,
um die Einspritzcharakteristik dieses Injektors besonders genau
studieren zu können. Nach mehreren Arbeitszyklen, bei welchen
dieser ausgewählte Injektor angesteuert wurde, kann ein
weiterer Injektor bzw. können nacheinander alle Injektoren
der Brennkraftmaschine in entsprechender Weise angesteuert werden.
Auf diese Weise lässt sich die Einspritzcharakteristik
nicht nur für einen einzelnen Injektor, sondern für
die gesamte Brennkraftmaschine anpassen.
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Bevorzugt
wird das Verfahren zum Anpassen der Einspritzcharakteristik mittels
einer Steuerung vollzogen, welche vorzugsweise automatisch in jeder
Schubphase, d. h. während eines keine Kraftstoffeinspritzung
erfordernden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine, oder jeweils
in oder nach einem bestimmten Brennkraftmaschinen-Laufzeitintervall
oder nach einem bestimmten Brennkraftmaschinen-Laufdistanzintervall
während einer Schubphase durchgeführt wird. Eine
Anpassung der Einspritzcharakteristik sollte regelmäßig,
muss jedoch nicht fortlaufend vorgenommen werden. Mittels einer
automatisierten Steuerung können sich Intervalle festlegen lassen,
wobei sich hier beispielsweise ein Laufdistanzintervall von etwa
10.000 km oder ein Laufzeitintervall von etwa 50 Motorstunden anbieten
würde. Selbstverständlich können diese
Größen entsprechend den allgemeinen Erfahrungen
mit Brennkraftmaschinen und den Anforderungen im Alltag angepasst
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden
die genannten Verfahrensschritte für mindestens zwei verschiedene,
vorzugsweise eine Vielzahl von Ansteuerdauern durchgeführt.
Dadurch, dass die Verfahrensschritte über eine Vielzahl
von Ansteuerdauern vorgenommen werden, kann die gesamte Einspritzcharakteristik
des Injektors genauer angepasst werden, weil sich so auch eine Abhängigkeit
eines Drift der tatsächlichen Einspritzmenge von der Ansteuerdauer
ermitteln lässt. In einer bevorzugten Ausführung
werden dabei die Ansteuerdauern schrittweise erhöht, wobei
die Schrittweite von der gewünschten Genauigkeit der Korrektur
der Einspritzventilcharakteristik abhängt. In der Regel
werden zwei Schritte genügen, mit denen eine Überprüfung
bei einer minimalen und bei einer etwas größeren
Ansteuerdauer bzw. Einspritzmenge vorgenommen wird.
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Besonders
vorzugsweise wird das Verfahren derart durchgeführt, dass
ein zum Ansteuern eines Injektors dienendes Kennfeld bei der Korrektur
angepasst wird, wobei das Kennfeld die Ansteuerdauer, vorzugsweise
abhängig von Temperatur und/oder Kraftstoffdruck und/oder
weiteren Parametern, in Relation setzt zur Einspritzmenge oder zu
einer die Einspritzmenge festlegenden Größe, beispielsweise
zu einem Soll-Drehmoment. Im laufenden Betrieb verändert
sich die innerhalb einer bestimmten Ansteuerdauer eingebrachte Kraftstoffmenge,
so dass die Relation zwischen beiden neu bestimmt werden muss. Durch
das Vorhalten der Relation in einem Kennfeld können die
innerhalb des Verfahrens gewonnenen Werte zur Motorsteuerung und
zum Anpassen der Einspritzcharakteristik verwendet werden. Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn außer der Ansteuerdauer
auch die Einspritzmenge beeinflussende Temperatur und/oder der Kraftstoffdruck
vermerkt sind, um eine genauere Ansteuerung der Injektoren zu ermöglichen.
Die beschriebene Kleinstmengenadaptation ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn während des normalen Betriebszustandes die Ventile
oder Injektoren die Brennräume der Brennkraftmaschine für jeden
Arbeitstakt mit einer Mehrzahl zumindest teilweise kleiner Einspritzungen
füllen. Mit einem genau angepassten Kennfeld zuvor beschriebener
Art kann erreicht werden, dass beispielsweise strenge Abgasnormen
eingehalten werden können, da die Toleranzen bei den Injektoren
sehr gering gehalten werden können. Auch kann durch eine
mit der Erfindung auch langfristig mögliche genaue Ansteuerung
der Injektoren ein besonders wirtschaftlicher Betrieb realisiert
werden.
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Hinsichtlich
der Entscheidung, ob ein in einem Arbeitszyklus mit Ansteuerung
gewonnener Messwert signifikant von einem Messwert aus einem Arbeitszyklus
ohne Ansteuerung abweicht, können die Messwerte sowohl
der Arbeitszyklen mit Ansteuerung als auch die Messwerte der Arbeitszyklen
ohne Ansteuerung gemessen werden und dann eine Auswertung aller
Messwerte vorgenommen werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich
ein Arbeitszyklus mit Ansteuerung eines Injektors und ein Arbeitszyklus ohne
Ansteuerung abwechseln.
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Alternativ
dazu könnten auch zuerst mehrere Arbeitszyklen ohne Ansteuerung
durchlaufen werden, wobei anhand der dadurch gewonnenen Werte eine
statistische Auswertung der Messwerte der Arbeitszyklen ohne Ansteuerung
vorgenommen wird. Anschließend können dann Messgrößen,
welche beispielsweise aus einer Differenz von Messwerten aus einem
Arbeitszyklus mit Ansteuerung und einem Arbeitszyklus ohne Ansteuerung
ermittelt wurden, einzeln mit der statistischen Auswertung der Messwerte der
Arbeitszyklen ohne Ansteuerung verglichen um so für jeden
mit Einspritzung einer Kleinstmenge erfassten Messwert einzeln zu
ermitteln, ob eine Zündung vorlag oder nicht.
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Aus
den Messwerten, welche in Arbeitszyklen ohne Ansteuerung aufgenommen
werden, kann eine statistische Verteilung ermittelt werden. Diese kann
mittels einer Normal- oder Gleichverteilung genähert werden,
indem insbesondere der Mittelwert und die Varianz der Verteilung
ermittelt werden. Aus der Varianz kann dann die Standardabweichung
ermittelt werden. Ein Kriterium dafür, ob es bei einem Messwert
im Arbeitszyklus mit Ansteuerung zu einer Zündung kam oder
nicht, kann eine von der Standardabweichung abhängige Größe
sein, z. B. ein Vielfaches der Standardabweichung. Es ist jedoch auch
möglich, anhand des Mittelwertes und der Varianz eine für
eine Berücksichtigung eines Messwerts mit Einspritzung
geforderte minimale Absolutabweichung vom Mittelwert der Messwerte
ohne Einspritzung als Bemessungsgrundlage zu bilden. Die Entscheidung,
ob ein in einem Arbeitszyklus mit Ansteuerung gewonnener Messwert
ein zu berücksichtigender Messwert ist und in die Auswertung
zum Anpassen der Einspritzcharakteristik eingehen soll, ist dann positiv,
wenn ein Messwert aus einem Arbeitszyklus mit Ansteuerung signifikant
von der Verteilung der Messwerte im Arbeitszyklus ohne Ansteuerung
abweicht. Das für Messwerte Beschriebene gilt selbstverständlich
auch für Messgrößen, welche aus mehreren
Messwerten generiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso dahingehend
modifiziert werden, dass durch die Variation mindestens eines Parameters,
beispielsweise des Ansteuerzeitpunkts des Injektors, eine Einstellung
ermittelt wird, bei der die Anzahl der Zündaussetzer minimiert
ist. Dies lässt sich anhand der auftretenden Ereignisse
mit und ohne Zündung leicht durch statistisches Auswerten
realisieren. Dadurch wird ein runderer und wirtschaftlicherer Betrieb der
Brennkraftmaschine möglich.
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Besonders
bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem nach der Messung der Werte
im Arbeitszyklus mit und ohne Ansteuerung die Ansteuerdauer eines Injektors
derart angepasst wird, dass ein Soll-Wert für die Einspritzung
der Kleinstmenge bzw. ein Soll-Wert für eine Kraftstoffmenge
erreicht wird und diese Änderung im Betriebszustand der
Brennkraftmaschine auch unter Belastung berücksichtigt
wird. Die für die Kleinstmenge ermittelte Korrektur kann also
in vorteilhaft einfacher Weise als Offset-Korrektur auf alle – in
der Regel größeren – Einspritzungen angewandt
werden.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren zum Anpassen einer Einspritzcharakteristik durch
eine Vorrichtung ausgeführt, die technisch so ausgebildet
ist, dass das Verfahren als Programm durchgeführt werden
kann und implementiert ist. Besonders vorzugsweise ist die Vorrichtung
mit einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine verbunden. Dabei
kann das Verfahren als Software oder als Hardwareverschaltung in
der Steuereinheit implementiert sein. Vorzugsweise kann die Software
mittels eines Updates in eine bereits bestehende Motorsteuerung
einer Brennkraftmaschine übertragen werden und seine Wirkung
be reits dort entfalten. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung
umfasst die Vorrichtung einen Sensor zum Erfassen von Segmentzeiten
einer Kurbelwellenbewegung der Brennkraftmaschine und/oder einer
momentanen Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit. Damit werden die zu
messenden Größen erfasst und anschließend
in der Vorrichtung ausgewertet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt
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1A eine
Darstellung des Verfahrens zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
gemäß dem Stand der Technik bei Dieselmotoren;
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1B eine
Darstellung des Verfahrens zur Anpassung der Einspritzcharakteristik
mit einer Brennkraftmaschine mit aktiver Zündung;
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2A ein
erläuterndes Diagramm zur Segmentzeit;
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2B ein
Diagramm bezüglich des Drehzahlgradienten;
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3 eine
Verteilung der Drehzahlgradienten mit und ohne Ansteuerung;
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4 verschiedene
Verteilungen des Drehzahlgradienten für unterschiedliche
Anzahlen von Zündaussetzern.
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Mittels
eine Injektors wird eine Kraftstoffmasse K in einen Brennraum, also
in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, eingebracht. Der Injektor
wird dabei mittels einer entsprechenden Steuereinheit zum Abgeben
der Kraftstoffmasse K angesteuert, d. h. der Injektor erhält
eine Anweisung, sich für die Ansteuerdauer zu öffnen.
Aufgrund von mechanischen und elektrischen Gegebenheiten gibt der
Injektor erst ab einem gewissen Wert der Ansteuerdauer eine Kraftstoffmenge
ab. Dieser Wert entspricht also der kürzesten Ansteuerdauer,
bei welcher Kraftstoff abgegeben werden kann. Zu den genauen Ausführungen
bezüglich der minimalen Ansteuerdauer sei hier nochmals
auf die Druckschrift
DE
102 57 686 A1 , dort insbesondere
1,
verwiesen.
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In 1A ist
ein Drehzahlverlauf 1 einer Brennkraftmaschine während
einer Schubphase gezeigt. Ein einzelner Injektor der Brennkraftmaschine, welcher
vorab ausgewählt ist, wird mittels eines Ansteuersignals 2 dazu
angewiesen, in jedem zweiten Arbeitszyklus eine Ansteuerung des
Injektors zur Einspritzung eine Kleinstmenge vorzunehmen, diesen
Arbeitszyklus also als Arbeitszyklus mit Einspritzung 3 durchzuführen.
Zwei Arbeitszyklen mit Einspritzung 3 werden dabei jeweils
durch einen Arbeitszyklus ohne Ansteuerung des entsprechenden Injektors,
also als Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4 getrennt. Die
eingezeichnete Breite des Ansteuersignals 2 in den Arbeitszyklen
mit Einspritzung 3 entspricht dabei nicht der Zeit, über
welche der Injektor geöffnet ist, sondern der Periode eines
gesamten Arbeitszyklus. Der eigentliche Steuerimpuls ist sehr viel kürzer
und wird zu einem Zeitpunkt gegeben, welcher in der Regel kurz vor
einem oberen Totpunkt vor einem Arbeitstakt des entsprechenden Zylinders
liegt.
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Der
Drehzahlverlauf 1 zeigt eine fallende Drehzahl an. Dabei
verläuft der Drehzahlverlauf 1 jedoch nicht gleichmäßig,
sondern entsprechend dem Ansteuersignal 2 aufgrund der
Kraftstoffeinspritzungen in einer leichten Treppenform. Die Brennkraftmaschine
befindet sich dabei im ausgekuppelten Zustand, wobei außer
der Kleinstmengen-Kraftstoffeinspritzung keinerlei weitere Last
an die Maschine gekoppelt wird. Es ist deutlich zu sehen, dass der
Drehzahlverlauf mit Kleinstmengeneinspritzung 5 flacher verläuft,
d. h. die Drehzahl weniger schnell abfällt, wenn es zu
einer Ansteuerung des Injektors kommt, als beim Drehzahlverlauf
ohne Kleinstmengeneinspritzung 6, bei welchem kein Kraftstoff
in den Zylinder eingebracht wird. Bei einem Arbeitszyklus mit Einspritzung 3 kommt
es aufgrund einer Zündung der eingespritzten Kraftstoffmenge
zu einem Drehmoment, welches auf die Brennkraftmaschine wirkt und sich
durch den – im Vergleich zum Drehzahlverlauf 6 ohne
Ansteuerung – nicht so stark abfallenden Drehzahlverlauf 5 bemerkbar
macht.
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Der
Drehzahlverlauf 1 kann über Segmentzeiten ermittelt
werden. Die Segmentzeit gibt im Wesentlichen die momentane Geschwindigkeit
der Kurbelwelle wieder. Diese entspricht einem bestimmten Drehzahlwert,
welcher zumeist auf die Minute bezogen wird. Die Differenz zweier
Drehzahlwerte oder zweier Segmentzeiten kann, normiert auf das Zeitintervall
eines Arbeitszyklus, den Gradienten des Drehzahlverlaufs oder eine
zeitliche Änderung einer Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit
wiedergeben. So lässt sich einfach eine Lehre angeben,
wie aus den Segmentzeiten der Drehzahlverlauf 1 der 1A gefunden
werden kann. In der 1A ist im Wesentlichen eine
"perfekte" Brennkraftmaschine gezeigt, da diese bei jeder Ansteuerung
mit Einspritzung ein Drehmoment in Folge einer Zündung
verzeichnet, das sich in den mit "+" bezeichneten Drehzahlverläufen 5 und
den mit "–" gekennzeichneten Drehzahlverläufen 6 niederschlägt.
Dieser Verlauf ist bei einer Dieselmaschine realistisch, da hier
aufgrund physikalischer Begebenheiten eine Selbstentzündung
der Kraftstoffmenge eintritt.
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In
der 1B ist ein vergleichbarer Drehzahlverlauf 1' eines
Ottomotors gezeigt, welcher unter anderem einen Bereich aufweist,
in welchem sich der Drehzahlverlauf 1' trotz einer Ansteuerung
des Injektors sich nicht wesentlich von den benachbarten Drehzahlverläufen
ohne Kleinstmengeneinspritzung 6 unterscheidet. Dieser
Fall tritt ein, wenn es trotz einer Kraftstoffeinspritzung zu keiner
Zündung des Kraftstoffgemisches kommt, beispielsweise weil
sich nicht genug Kraftstoff oder zündfähiges Gemisch
in unmittelbarer Umgebung einer Zündkerze des entsprechenden
Zylinders befindet, und somit kein Drehmoment auf die Kurbelwelle
wirkt. So ergibt sich in dem genannten Bereich ein Drehzahlverlauf
mit Zündaussetzer 7, der sich im Wesentlichen
nicht von den Drehzahlverläufen ohne Kleinstmengeneinspritzung 6 unterscheidet,
aber stark von den Drehzahlverläufen mit Kleinstmengeneinspritzung 5 abweicht, bei
denen es zu einer Zündung der eingespritzten Kraftstoffmenge
und damit zum Wirken eines Drehmoments kommt.
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Der
in 1B gezeigte Drehzahlverlauf 1' wird durch
Erfassen der entsprechenden Segmentzeiten mit einem Sensor ermittelt,
der eine Kurbelwellenbewegung abtastet. Dabei werden insbesondere Differenzen
zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Segmentzeiten als Messwerte
erfasst, die eine Drehzahländerung bzw. eine Änderung
der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit wiedergeben. Beim Auswerten
dieser Messwerte zum Zweck einer Anpassung oder Korrektur einer
Einspritzcharakteristik des Ottomotors an alterungsbedingte Änderungen oder
fertigungsbedingte Streuungen eines Ist-Einspritzverhaltens wird
nun ein Messwert, der dem den Drehzahlverlauf mit Zündaussetzer 7 wiedergebenden
Abschnitt des Drehzahlverlaufs 1' entspricht, detektiert
und verworfen, da dieser Drehzahlverlauf mit Zündaussetzer 7 sich
offensichtlich nicht signifikant von den Drehzahlverläufen
ohne Einspritzung 6 abhebt. Dies wird anhand 2B nochmals
ausführlicher beschrieben.
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In 2A ist
in einem Diagramm ein Zeitverlauf eines Segmentzeitsignals 8 gezeigt.
Auf der Abszisse ist dabei die fortlaufende Zeit t aufgetragen, auf
der Ordinate die Segmentzeit Tα,
also diejenige Zeit ist, welche die Kurbelwelle benötigt,
um ein gewisses Winkelsegment zurückzulegen. Die Darstellung
der 2A bezieht sich auf einen Vierzylindermotor, welcher
(aus dem Diagramm nicht ersichtlich) mit einem Viertaktverfahren
betrieben wird. Ein Arbeitszyklus ist hier in vier Winkelsegmente
von jeweils 180° eingeteilt, die jeweils einem Arbeitstakt
eines der mit I bis IV bezeichneten Zylinder zugeordnet ist, wobei
die gemessenen Segmentzeiten in der Darstellung der 2A jeweils
bis zur Vollendung eines Arbeitszyklus aufaddiert werden. Es können
jedoch auch beliebig kleinere oder relativ verschobene Intervalle
gewählt werden. In dem hier gezeigten Verlauf des Segmentzeitsignals 8 wird
ein Injektor des zweiten Zylinders II angesteuert. So ist beispielsweise
in einem ersten dem Zylinder II zugeordneten Intervall, das in einen
Arbeitzyklus ohne Einspritzung 4 fällt, die Segmentzeit
TII,1 eingetragen. Zudem ist auf der Ordinate
die Umlaufdauer T+ für einen Durchlauf des Arbeitszyklus
ohne Einspritzung 4 aufgetragen.
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In
einem darauf folgenden Arbeitszyklus wird der Injektor des Zylinders
II mittels eines Steuerimpulses 9 angesteuert. Hier kommt
es aufgrund der Einspritzung einer Kleinstmenge und der daraufhin erfolgenden
Zündung zu einem auf die Kurbelwelle übertragenen
Drehmoment, wodurch diese das dem Zylinder II zugeordnete Winkelsegment
in einer kürzeren Zeit TII,2 durchläuft.
Ebenso ist die entsprechende Umlaufdauer T–, also einer
Gesamtdauer des Arbeitszyklus mit Einspritzung 3, kürzer
als die Gesamtdauer T+ des Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4.
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Aus
den Segmentzeiten Tα und den Umlaufdauern
T– und T+ eines Arbeitszyklus mit Einspritzung 3 oder
eines Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4 kann eine momentane
Drehzahl, d. h. eine Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, bestimmt
werden. Deren Werte werden beispielsweise, wie in den 1A, 1B gezeigt,
in einen Drehzahlverlauf 1, 1' umgewandelt. Es
ist jedoch auch möglich, über die Umlaufdauer
T+ bzw. T– zu einem ähnlichen Ergebnis zu kommen,
da die Umlaufdauer im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Drehzahl
ist.
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In
der 2B ist das Verhältnis von fortlaufender
Zeit t und einem Drehzahlgradienten ΔN gezeigt. Auf der
Zeitachse sind verschiedene Abschnitte den einander abwechselnden
Arbeitszyklen mit Einspritzung 3, 3' und Arbeitszyklen
ohne Einspritzung 4, 4' zugeordnet, wie bereits
anhand 2A beschrieben. Dabei bezieht
sich 2B auf einen Achtzylinder-Ottomotor, bei dem in
einer Schubphase in einem ausgewählten Zylinder mit dem
entsprechenden Injektor in jedem zweiten Arbeitszyklus eine Kleinstmenge
eingespritzt wird, die keinen merklichen Vortrieb verursachen, sondern
nur einer Kleinsmengenadaption geschilderter Art dienen soll. In 2B sind
dementsprechend Steuerimpulse 9 eingezeichnet, welche hier
symbolhaft andeuten soll, dass zu jedem zweiten Arbeitszyklus eine
Ansteuerung des ausgewählten Injektors erfolgt. Zwischen den
Steuerimpulsen ist eine Treppenfunktion eingezeichnet, die mit acht
verschiedenen Werten jeweils eines von acht Winkelsegmenten – hier
jeweils mit einer Größe von 90° Grad
festgelegt – für jeden Arbeitszyklus angibt. Der
Drehzahlgradient ΔN entspricht einer Winkelbeschleunigung.
Ein ähnlicher Verlauf ergäbe sich für
die schon genannte als Differenz zweier aufeinander folgender Segmentzeiten aus
jedem Arbeitzyklus definierte Messgröße die ebenfalls
ein Maß für die Kurbelwellenwinkelbeschleunigung
ist.
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Zum
einen ist in 2B die für jeden Arbeitszyklus
mit Einspritzung 3, 3' einmal gemessene Winkelbeschleunigung
mit Kleinstmengeneinspritzung 10 aufgetragen. Der Verlauf
dieser Drehbeschleunigung 10 ist stark stufenartig. Im
Wesentlichen lassen sich zwei Gruppen von Werten für diese
Messgröße festlegen: zum einen Winkelbeschleunigungen
mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 und
zum anderen Winkelbeschleunigung mit ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11'.
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Des
Weiteren ist die für jeden Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4, 4' einmal
gemessene Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 gezeigt.
Es ist deutlich erkennbar, dass die Winkelbeschleunigungen mit ungezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11' in einem Wertebereich liegen,
welcher im Wesentlichen der Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 entspricht.
Nach einer Vielzahl von Einzelmessungen lässt sich für
die Winkelbeschleunigung ein Streuungsintervall der Messwerte ohne
Kleinstmengeneinspritzung 50 festlegen. Dieses ist in der 2B als
schraffierter Bereich gezeigt. Als Kriterium für die Größe
des Streuungsintervalls der Messwerte ohne Kleinstmengeneinspritzung 50 kann
dabei eine Abweichung vom Mittelwert um ein Vielfaches der Standardabweichung
oder eine Absolutabweichung vom Mittelwert oder eine Absolutabweichung
vom Maximalwert der Messwerte der Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 verwendet
werden.
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Es
ist leicht zu erkennen, dass die Messwerte für die Winkelbeschleunigung
mit ungezündeter Einspritzung 11', aufgenommen in
Arbeitszyklen, bei welchen zwar eine Kleinstmengeneinspritzung vorgenommen
wird, diese Kleinstmenge jedoch nicht gezündet wird, sich
im Wesentlichen alle innerhalb des Streuungsintervalls der Messwerte
ohne Kleinstmengeneinspritzung 50 befinden. Diese Messwerte weichen
also im Wesentlichen nicht signifikant von den Messwerten ohne Ansteuerung
bzw. den daraus gebildeten Größen ab. Nachdem
die Messwerte für die Winkelbeschleunigung mit ungezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11' als Fehlzündungen
zuzuordnen erkannt worden sind, kann mit den verbliebenen Messwerten
für die Winkelbeschleunigung mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 ebenfalls
ein Streuungsintervall, nämlich ein Streuungsintervall der
Messwerte mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 60,
gebildet werden. Dieses ist in 2B ebenfalls
als schraffierter Bereich eingezeichnet.
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Dies
soll noch einmal näher in der 3 erläutert
werden. In der 3 ist auf der Abszisse der Wert
des Drehzahlgradienten ΔN aufgetragen, auf der Ordinate
die Anzahl der aufgetretenen Ereignisse bzw. die Verteilung p der
Drehzahlgradienten. Die Messwerte für die Winkelbeschleunigung
mit Kleinstmengeneinspritzung 10 sind in einem Histogramm oder
einer Verteilung mit zwei Teilbereichen, nämlich einem
die Winkelbeschleunigung mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 wiedergebenden
Teilbereich 100 und einem die Winkelbeschleunigung mit
ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11' wiedergebenden
Teilbereich 110, dargestellt. Des Weiteren ist ein Histogramm
oder eine Verteilung 120 der Winkelbeschleunigung ohne
Kleinstmengeneinspritzung 12 gezeigt. Dabei wurden alle
Verteilungen an eine Gauß'schen Verteilung genähert,
wobei die Messwerte für die Winkelbeschleunigungen mit
gezündeter und ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 und 11' getrennt
behandelt wurden.
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Es
ist deutlich erkennbar, dass die erstgenannte Verteilung im Teilbereich 110 innerhalb
der Verteilung 120 liegt. Ebenso ist erkennbar, dass der Teilbereich 100 der
erstgenannten Verteilung statistisch gesehen weit vom Histogramm 120 und vom Histogramm 110 entfernt
ist. Auch ein leichtes Überlappen des Teilbereichs 100 mit
der Verteilung 120 könnte zu großen Teilen
noch statistisch behandelt und analysiert werden. Ist die Verteilung 120 einmal ermittelt,
kann relativ zuverlässig vorhergesagt werden, ob eine Messwert
des Verlaufs der Winkelbeschleunigung mit Kleinstmengeneinspritzung 10 zu den
Messwerten für die Winkelbeschleunigung mit gezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11 oder zu den Messwerten für
die Winkelbeschleunigung mit ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11' zugehörig
ist. Auf diese Weise wird deutlich, dass das hier erläuterte
Verfahren zum Detektieren von Fehlzündungen und dem Verwerfen
der während der Fehlzündungen gemachten Messwerte
die bisherigen Verfahren zum Anpassen einer Einspritzcharakteristik
ergänzt und insbesondere für Ottomotoren zugänglich
macht.
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In
den Fällen der hier dargestellten Figuren wurde jeweils
ein Injektor angesteuert, um das Anpassen der Einspritzcharakteristik
zu ermöglichen. Selbstverständlich können
sukzessiv auch zwei oder vorzugsweise alle Injektoren der Brennkraftmaschine angesteuert
werden, so dass die Einspritzcharakteristik für alle Injektoren
angepasst wird.
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Die
hier gezeigten Messwerte und die daraus ermittelten Werte werden
vorzugsweise mittels einer Steuerung ausgewertet. Ebenso kann es
sinnvoll sein, dass das Verfahren für mindestens zwei verschiedene,
vorzugsweise eine Vielzahl von Ansteuerdauern durchgeführt
wird, da so die Einspritzcharakteristik optimal angepasst werden
kann. Dazu gehört auch, dass die oftmals innerhalb eines
Kennfeldes abgespeicherten Wertepaare Ansteuerdauer zu Kraftstoffmenge
dahingehend korrigiert werden, dass beim Anpassen der Einspritzcharakteristik
die neuen Ansteuerdauern zu den Kraftstoffmengen zugeordnet werden.
Selbstverständlich kann das Verfahren auch dahingehend
variiert werden, dass das Einspritzen zu unterschiedlichen Ansteuerzeitpunkten
oder bei unterschiedlichen Kraftstoffdrücken erfolgt, was insbesondere
dann interessant ist, wenn der Einspritzvorgang eines Injektors
in mehrere Schritten er folgt, d. h. die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge durch
mehrmaliges Öffnungen des Injektors vollzogen wird.
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Eine
weitere interessante Variante des Verfahrens wird anhand von 4 beschrieben.
In 4 sind zwei Verteilungen zu sehen, eine erste Verteilung
aus den Teilbereichen 100 und 110 und eine zweite
Verteilung aus den Teilbereichen 100' und 110'.
Die Teilbereiche 100, 100' der Histogramme geben
Drehzahlgradienten an, welche bei einer Ansteuerung des Injektors
zur Kleinstmengeneinspritzung bei einer Zündung aufgezeichnet
worden sind. Analog dazu sind die Teilbereiche 110, 110' diejenigen
Teile der jeweiligen Verteilung, bei welchen es trotz Einspritzung
zu keiner Entzündung des Gemisches kam. Die unterschiedlichen
Verteilungen wurden aufgrund einer Variation von entweder Ansteuerdauer,
Ansteuerzeitpunkt oder weiteren dem Fachmann bekannten Parametern,
welche einen Einfluss auf die Einspritzcharakteristik haben können,
ermittelt. Auf diese Weise kann eine Einspritzcharakteristik gefunden
werden, welche, wie die Verteilung mit den Teilbereichen 100 und 110 zeigt,
besonders wenige Zündaussetzer aufweist. Eine derartige
Einspritzcharakteristik kann wiederum in einem Kennfeld abgespeichert
bzw. abgelegt werden.
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Bei
dem anhand der 1 bis 4 beschriebenen
Verfahren wird nach Auswertung der Einspritzcharakteristik eines
Injektors im Arbeitszyklus jeweils mit und ohne Ansteuerung des
Injektors die Ansteuerdauer des gewählten Injektors derart
angepasst, dass ein Soll-Wert der Abweichung der Messwerte für
die Arbeitszyklen mit Ansteuerung des Injektors und Zündung
von den Messwerten bzw. einem Mittelwert der Messwerte ohne Ansteuerung
für die Einspritzung der Kleinstmenge erreicht wird, wobei
eine dafür vorgenommene Änderung oder Korrektur
als Offset-Korrektur im Betriebszustand der Brennkraftmaschine auch
für größere Einspritzungen berücksichtigt
wird. Dies bedeutet, dass auch im normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
d. h. unter Beschleunigung und dauerhaftem Lastbetrieb, die mittels
Kleinstmengenadaption ermittelten Ansteuerdauer-Kraftstoffmengen-Paare
herbeigezogen werden, um auch für größere
Einspritzmengen korrigierte Ansteuerdauern zu bestimmen und so einen
wirtschaftlichen und runden Lauf der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Die
Kleinstmengenadaption, bei der die Einspritzcharakteristik in beschriebener
Weise mit einer Korrektur von Ansteuerzeiten für gewünschte
Einspritzmengen angepasst wird, z. B. zur Kompensation einer Drift
des Einspritzverhaltens des entsprechenden Injektors, wird so vorgenommen,
dass von den Messwerten für die Winkelbeschleunigung mit Kleinstmengeneinspritzung 10 nur
diejenigen verwendet werden, die Winkelbeschleunigungen mit gezündeter
Kleinstmengeneinspritzung wiedergeben. Dazu werden die Messwerte
mit Hilfe der beschriebenen statistischen Kriterien darauf geprüft,
ob sie signifikant von den Messwerten in den Arbeitszyklen ohne
Einspritzung abweichen, und verworfen, wann das nicht der Fall ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10257686
A1 [0005, 0013, 0032]