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DE102016203430B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler (R), wobei der Regler (R) eine Lambdaregelung durchführt, bei dem
- eine Stellgröße (SG) des Reglers (R) ermittelt wird,
- ein Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird,
- abhängig von der Stellgröße (SG) und dem Vorwärtsmodell (FM) ein Vorhersagewert ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort,
- abhängig von dem Vorhersagewert die Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt, wobei
- eine erste Totzeit (T_DLY) ermittelt wird, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer Einspritzmenge in einer Motorsteuerung und
- abhängig von der ersten Totzeit (T_DLY) das Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird, wobei die erste Totzeit (T_DLY) abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt.
  • Bei einer Einzelzylinderregelung, welche auch CILC (Cylinder Individual Lambda Control) genannt werden kann, wird typischerweise ein langsam arbeitender Regler verwendet. Trotzdem kommt es häufig bei einigen Betriebspunkten zu Überschwingungen oder zu Dauerschwingen.
  • DE 10 2013 017 260 B3 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit einer Brennkraftmaschine und einem Katalysator zur Reinigung von Abgas der Brennkraftmaschine, wobei stromaufwärts des Katalysators eine, ein erstes Lambdasignal bereitstellende erste Lambdasonde und stromabwärts des Katalysators eine, ein zweites Lambdasignal bereitstellende zweite Lambdasonde vorgesehen ist, und wobei anhand des ersten Lambdasignals eine Lambdaführungsregelung und anhand des zweiten Lambdasignals eine der Lambdaführungsregelung überlagerte Lambdatrimmregelung durchgeführt wird. Dabei ist vorgesehen, dass für die Lambdatrimmregelung ein Regler und ein den Katalysator modellierender Beobachter verwendet werden, wobei dem Regler ein Sollwert sowie ein mittels des Beobachters ermittelter Modellfehler als Eingangsgrößen und den Beobachter eine mittels des Reglers ermittelte Stellgröße als Eingangsgröße zugeführt werden.
  • Die DE 102 59 312 A1 offenbart eine Regelungstechnik des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Bestimmen eines Rückführregelungswerts zur Rückführregelung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wobei ein Parameter eines Anlagenmodells, welches eine Anlage zwischen einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor durch eine Übertragungsfunktion darstellt, berechnet wird.
  • Die DE 10 2011 006 787 A1 offenbart ein Kraftstoffregelkreissystem für einen Motor, umfassend: eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals; einen Verzögerungskompensationsfilter zum Empfangen einer Summe aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und einem von einem Proportional-Integral-Controller ausgegebenen Kraftstoff-Luft-Steuersignal, wobei der Verzögerungskompensationsfilter ein Systemverzögerungskompensationssignal liefert; einen Abgassensor zum Liefern eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von einem gefilterten Kraftstoff-Luft-Signal subtrahiert wird, und dieses Ergebnis wird zu dem Systemverzögerungskompensationssignal addiert, um ein an den Proportional-Integral-Controller geliefertes Fehlersignal zu erzeugen, um das verzögerungskompensierte Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen; und einen Transientenkraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen.
  • Die DE 10 2008 001 569 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Adaption eines Dynamikmodells einer Abgassonde, die Bestandteil eines Abgaskanals einer Brennkraftmaschine ist und mit der ein Lambdawert zur Regelung einer Luft-Kraftstoff-Zusammensetzung bestimmt wird, wobei in einer Steuereinrichtung bzw. in einer Diagnoseeinrichtung der Brennkraftmaschine parallel dazu ein simulierter Lambdawert berechnet wird und von einer Anwenderfunktion sowohl der simulierte als auch der gemessene Lambdawert verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass im laufenden Fahrzeugbetrieb durch Auswerten einer Signaländerung bei Anregung des Systems ein Sprungverhalten der Abgassonde bestimmt und anhand dieser Ergebnisse das Dynamikmodell der Abgassonde adaptiert wird.
  • Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es die Lambdaregelung zu verbessern, insbesondere bei der Einzelzylinderregelung.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen.
  • Bei dem Verfahren wird eine Stellgröße des Reglers ermittelt. Ein Vorwärtsmodell für die Regelung wird ermittelt. Abhängig von der Stellgröße und dem Vorwärtsmodell wird ein Vorhersagewert ermittelt, der repräsentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort. Abhängig von dem Vorhersagewert erfolgt die Regelung der Brennkraftmaschine. Es wird eine erste Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer,Einspritzmenge in einer Motorsteuerung. Abhängig von der ersten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt. Die erste Totzeit wird abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Lambdaregelung, insbesondere bei der Einzelzylinderlambdaregelung von einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, das System mit einer charakteristischen Streckenantwort auf eine Sollwertänderung reagiert. Viele Kenngrößen der charakteristischen Streckenantwort, wie Totzeiten und Tiefpassverhalten, können einfach ermittelt werden. Indem das Vorwärtsmodell verwendet wird, können derartige Totzeiten und Tiefpassverhalten aus der Regelung herausgerechnet werden. Somit können die Reglerparameter derart gewählt werden, dass der Regler deutlich schneller reagiert. Somit kann die Lambdaregelung verbessert werden.
  • Gerade die erste Totzeit, die durch die Berechnung der Einspritzmenge in der Motorsteuerung entsteht, kann mit dem Vorwärtsmodell sehr effizient kompensiert werden, da sich diese Totzeit normalerweise im Betrieb nicht verändert und einfach ermittelbar ist. Die Verzögerung durch die Berechnung der Einspritzmenge umfasst insbesondere die Zeit zwischen der Berechnung der Einspritzmenge und dem Absetzen und/oder Verbrennen der Einspritzmenge.
  • Mittels der Größe des Ringspeichers lässt sich die erste Totzeit sehr einfach ermitteln, da der Ringspeicher die Totzeit sehr genau nachbildet bzw. simuliert.
  • Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine zweite Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke. Abhängig von der zweiten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.
  • Die zweite Totzeit, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke, ist fest durch die zu regelnde Strecke vorgegeben. Somit kann sie sehr einfach ermittelt werden und somit mit dem Vorwärtsmodell sehr effizient kompensiert werden.
  • Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die zweite Totzeit abhängig von einer Last mittels eines Kennfelds ermittelt.
  • Da die zweite Totzeit von der Last abhängt, lässt sie sich sehr gut lastabhängig durch ein Kennfeld beschreiben. Somit kann die zweite Totzeit durch das Kennfeld sehr einfach ermittelt werden.
  • Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die zweite Totzeit abhängig von einem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt, der repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.
  • Die zweite Totzeit lässt sich sehr einfach mittels eines ersten Tiefpasses nachbilden, insbesondere mittels einer Filterkonstante des ersten Tiefpasses. Somit kann die zweite Totzeit sehr gut abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt werden.
  • Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine dritte Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke. Abhängig von der dritten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.
  • Das Sensorverhalten des Messgliedes ist meist in dem System bekannt und kann beispielsweise durch ein weiteres Kennfeld repräsentiert werden, so dass die dritte Totzeit beispielsweise abhängig von dem weiteren Kennfeld ermittelt wird. Das weitere Kennfeld beschreibt hierbei beispielsweise die Gaslaufzeist bis zu einer maximalen Messamplitude. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorverhalten mit einem weiteren Tiefpass beschrieben werden.
  • Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine Kenngröße eines zweiten Tiefpassfilters ermittelt, die repräsentativ ist für eine Tiefpassfilterung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke. Abhängig von der Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.
  • Das Messsignal bei der Messwerterfassung der Einzelzylinderlambdaregelung ist mit relativ starkem Rauschen belegt, so dass hier häufig ein Tiefpassfilter verwendet wird, um einen stabilen Mittelwert zu erzeugen. Insbesondere die Filterkonstante dieses Filters kann somit als Kenngröße verwendet werden um das Vorwärtsmodell für die Regelung zu ermitteln.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler,
    • 2 ein beispielhafter Regelkreis,
    • 3 verschiedene Ausführungsformen eines Vorwärtsmodells,
    • 4 ein beispielhaftes Streckenverhalten,
    • 5 eine beispielhafte Regelung ohne Vorwärtsmodell,
    • 6 eine beispielhafte prognostizierte Streckenantwort und
    • 7 eine beispielhafte Regelung mit Vorwärtsmodell.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler R, wobei der Regler R eine Lambdaregelung durchführt.
  • Das Programm kann beispielsweise von einer Steuervorrichtung 50 abgearbeitet werden. Die Steuervorrichtung 50 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikationsschnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein. Auf dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung 50 ist hierfür insbesondere das Programm gespeichert.
  • Die Steuervorrichtung 50 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler R bezeichnet werden, wobei der Regler R eine Lambdaregelung durchführt.
  • In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.
  • In einem Schritt S3 wird eine Stellgröße SG des Reglers R ermittelt.
  • In einem Schritt S5 wird ein Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt.
  • Zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM wird beispielsweise eine erste Totzeit T_DLY ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer Einspritzmenge in einer Motorsteuerung und abhängig von der ersten Totzeit T_DLY wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt.
  • Die erste Totzeit T_DLY wird beispielsweise abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt.
  • Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine zweite Totzeit t1 ermittelt, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke und abhängig von der zweiten Totzeit t1 wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt.
    Die zweite Totzeit t2 wird beispielsweise abhängig von einer Last mittels eines Kennfelds ermittelt und/oder abhängig von einem vorgegebenen ersten Tiefpass, der repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.
  • Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine dritte Totzeit t2 ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Signalerfassung eines Messglieds MG der Regelstrecke und abhängig von der dritten Totzeit t2 wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt.
  • Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine Kenngröße eines zweiten Tiefpassfilters ermittelt, der repräsentativ ist für eine Tiefpassfilterung bei der Signalerfassung des Messglieds MG der Regelstrecke und abhängig von der Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.
  • In einem Schritt S7 wird abhängig von der Stellgröße SG und dem Vorwärtsmodell FM ein Vorhersagewert ermittelt, der repräsentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort.
  • In einem Schritt S9 erfolgt abhängig von dem Vorhersagewert die Regelung der Brennkraftmaschine.
  • In einem Schritt S11 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder in dem Schritt S1 gestartet werden.
  • 2 zeigt einen beispielhaften Regelkreis für die Regelung.
  • Der Regler R gibt die Stellgröße SG aus, welche in eine Strecke S mit einer ersten Totzeit t1 geführt wird. Eine Regelgröße wird rückgeführt. Für die Rückführung erfasst das Messglied MG die Regelgröße . Das Messglied MG benötigt für die Signalerfassung die dritte Totzeit t2 und eine Tiefpassfilterung mit einer Filterkonstante m. Das so erfasste Signal wird von einer Führungsgröße subtrahiert.
  • Die Stellgröße SG wird zusätzlich dem Vorwärtsmodell FM zugeführt, so dass der Vorhersagewert ermittelt werden kann, der repräsentativ ist für die prognostizierte Streckenantwort des Vorwärtsmodells FM. Der Vorhersagewert wird von der Stellgröße SG subtrahiert. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird von dem Ergebnis der Subtraktion von der Führungsgröße und dem erfassten Signal subtrahiert zum Erzeugen einer Regelabweichung, die dem Regler R eingangsseitig zugeführt wird.
  • 3 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Vorwärtsmodells FM.
  • In dem ersten Beispiel VAR1 umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit t1, wobei die zweite Totzeit t1 abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt wird, der repräsentativ ist für die Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.
  • Das erste Beispiel VAR1 des Vorwärtsmodells FM ist somit ein sehr einfach zu ermittelndes Vorwärtsmodell.
  • In dem zweiten Beispiel VAR2 umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit t1, wobei die zweite Totzeit t1 abhängig von einer Last mittels des Kennfelds ermittelt wird.
  • Das zweite Beispiel VAR2 des Vorwärtsmodells FM ist somit insbesondere vorteilhaft, wenn das Kennfeld verfügbar ist.
  • In dem dritten Beispiel VAR3 umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY, die zweite Totzeit t1, die dritte Totzeit t2 und/oder die Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters, insbesondere die Filterkonstante m. Die zweite Totzeit t1 wird hierbei abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt. Die dritte Totzeit t2 und/oder die Kenngröße wird abhängig von dem zweiten Tiefpassfilter ermittelt.
  • Das dritte Beispiel VAR3 des Vorwärtsmodells FM bildet die reale Strecke besonders exakt nach.
  • 4 zeigt ein beispielhaftes Streckenverhalten. Wird ein eine Änderung eines Sollwerts SW auf die Regelstrecke bei einer Einzelzylinderlambdaregelung gegeben so setzt sich die Streckenantwort SA1, SA2 insbesondere zusammen aus der ersten Totzeit T_DLY, der zweiten Totzeit t1 und/oder der dritten Totzeit t2 (nicht gezeigt).
  • 5 zeigt eine beispielhafte Regelung ohne Vorwärtsmodell FM. Eine Streckenantwort SA4 zeigt das Verhalten bei einem langsam eingestellten Regler R. Eine weitere Streckenantwort SA3 zeigt das Verhalten bei einem schneller eingestellten Regler R. Hier kann es zu Überschwingen oder Dauerschwingen kommen. 6 zeigt eine beispielhafte prognostizierte Streckenantwort. Auf das Vorwärtsmodell FM wird eine Änderung des Sollwerts SW gegeben, das Vorwärtsmodell FM reagiert hierauf mit einer Vorwärtsmodellstreckenantwort SFM, also der prognostizierten Streckenantwort. In diesem Beispiel umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit t1.
  • 7 zeigt eine beispielhafte Regelung mit dem Vorwärtsmodell FM. Im oberen Teil ist wiederum zu sehen wie eine Änderung des Sollwerts SW auf die Strecke gegeben wird und somit zu einer Streckenantwort SA führt. Die Änderung des Sollwerts SW wird ebenfalls auf das Vorwärtsmodell FM geführt. Im hier gezeigten Idealfall antwortet das Vorwärtsmodell FM mit der Vorwärtsmodellstreckenantwort SFM, die identisch ist mit der Streckenantwort SA.
  • Im unteren Teil ist zu sehen wie eine Änderung der Stellgröße SG zu der Streckenantwort SA führt. Die Differenz von Stellgröße SG und der Vorwärtsmodellstreckenantwort SFM kann dann als Eingangsgröße zurück zum Regler R geführt werden (vergleiche 2).
  • Hierdurch wird bei der Regelung die Totzeit des Systems durch das Vorwärtsmodell kompensiert. Somit können die Reglerparameter derart gewählt werden, dass der Regler deutlich schneller reagiert.
  • Bezugszeichenliste
    • S1-S11
    Schritte
    50
    Steuervorrichtung
    FM
    Vorwärtsmodell
    MG
    Messglied
    R
    Regler
    S
    Strecke
    SA, SA1, SA2 SA4, SA5
    Streckenantworten
    SFM
    Streckenantwort des Vorwärtsmodells
    SG
    Stellgröße
    SW
    Sollwert
    T_DLY
    erste Totzeit
    t1
    zweite Totzeit
    t2
    dritte Totzeit
    VAR1-VAR3
    Beispiele des Vorwärtsmodells

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler (R), wobei der Regler (R) eine Lambdaregelung durchführt, bei dem - eine Stellgröße (SG) des Reglers (R) ermittelt wird, - ein Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird, - abhängig von der Stellgröße (SG) und dem Vorwärtsmodell (FM) ein Vorhersagewert ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort, - abhängig von dem Vorhersagewert die Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt, wobei - eine erste Totzeit (T_DLY) ermittelt wird, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer Einspritzmenge in einer Motorsteuerung und - abhängig von der ersten Totzeit (T_DLY) das Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird, wobei die erste Totzeit (T_DLY) abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt wird.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine zweite Totzeit (t1) ermittelt wird, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke und - abhängig von der zweiten Totzeit (t1) das Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Totzeit (t1) abhängig von einer Last mittels eines Kennfelds ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zweite Totzeit (t1) abhängig von einem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine dritte Totzeit (t2) ermittelt wird, die repräsentativ ist für eine Verzögerung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke und - abhängig von der dritten Totzeit (t2) das Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine Kenngröße eines zweiten Tiefpassfilters ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine Tiefpassfilterung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke und - abhängig von der Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters das Vorwärtsmodell (FM) für die Regelung ermittelt wird.
  7. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
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