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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
eines Verbrennungsmotors. Zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
eines Verbrennungsmotors wird das Signal wenigstens eines Abgassensors
ausgewertet und durch Anpassung der dem Verbrennungsmotor zugeführten
Kraftstoffmenge erfolgt in einer Steuerung oder Regelung die Einstellung
des gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnisses.
Als Abgassensoren sind sogenannte Lambdasonden vorbekannt, welche
den Sauerstoffanteil im Abgas messen. Es wird dabei zwischen kontinuierlich
messenden Sonden mit über den gesamten Bereich spezifizierter,
nahezu linearer Sondenkennlinie und Sprungsonden mit stark nichtlinearer
Kennlinie des Sauerstoffanteils zur Ausgangsspannung der Sonde unterschieden.
In der Lambdaregelung verwendete Sprungsonden weisen eine Schaltcharakteristik
auf, welche eine starke Änderung der Sondenausgangsspannung
bei einer geringen Änderung des Lambdawertes im Bereich
um Lambda gleich 1 hervorruft. Aus Kostengründen werden
vermehrt Sprungsonden zur Lambdaregelung eingesetzt, welche nur
im Kennlinienbereich des Fett-Mager-Überganges im Lambdawert
nahe 1 präzise spezifiziert sind und dort eine große
Steigung aufweisen. Daher wird diese Sonde üblicherweise nur
in 2-Punkt-Reglerstrukturen zur Einregelung eines Gemischwertes
nahe Lambda 1 genutzt. Bei der Zweipunktregelung erfolgt eine Zwangsanregung des
Lambdasondensignals über die periodische Variation der
Einspritzmenge. Die Periodendauer der Schwingung des Messsignals
der Lambdasonde ist sowohl von der Totzeit der Strecke (Gaslaufzeit
bis zur Sonde), als auch der Totzeit der Lambdasonde selbst abhängig.
Die Gaslaufzeit schwankt dabei über Last und Drehzahl,
wobei weiterhin die Temperatur und die Sondenalterung zu Veränderungen
der Messung der Lambdasonde führen. Eine gleichbleibende
Periodendauer der Schwingung des Messsignals der Lambdasonde ist
für die Zweipunktregelung wünschenswert. Vorbekannt
ist es dabei, beispielsweise aus der
DE 44 20 946 A1 , die Parameter des positiven
sowie negativen P-Sprungs sowie der Parameter des Integralanteils
in Kennfeldern abzulegen und vorzugsweise über Last und
Drehzahl gemäß den Betriebsbedingungen des Motors
zu adaptieren. Hierfür müssen jeweils Kennfelder
für die last- und drehzahlbezogenen Kennwerte für
P-Sprung und I-Anteil vorzugsweise bei Prüfstandsläufen
bedatet werden. Die fest bedateten Kennfelder haben weiterhin den
Nachteil, dass diese auf Streckenänderungen sowie Sondenalterung
nicht reagieren können. Nachteilig ist dabei, dass bei
fest aus Kennfeldern ausgelesenen Parametern des Kraftstoffanteils
für den P-Sprung und die I-Steigung der gesamte Regelhub
sich vergrößern kann. Im Extremfall können
bei langsamen Schwingungsbildern aufgrund gealterter Sensoren stark
vergrößerte Regelhübe entstehen, die
durch die sich zyklisch ändernde Kraftstoffmasse eine spürbare
Schwingung im Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine erzeugen.
Wünschenswert ist es daher, eine hinsichtlich des Regelhubes
begrenzte Lambdaregelung bereitzustellen.
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Weiterhin
vorbekannt ist aus der
DE
10 2006 017 863.7 und
DE
10 2006 049 348.6 eine Lambdaregelung mittels eines Zweipunktreglers,
bei welchem zum Einstellen eines gewünschten Lambdawertes
der Schaltpunkt des Zweipunktreglers adaptiert wird.
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Hierbei
wird die Oszillation des Messsignals der Lambdasonde um den Schaltpunkt
aufgenommen, wobei ein gleichbleibender Regelhub gesichert wird.
Es wird bezüglich der Oszillation des Messsignals der Lambdasonde
um den jeweiligen Schaltpunkt ein Sollwert der Oszillation vorgegeben,
wobei der Schaltpunkt des Zweipunktreglers derart verschoben wird,
dass sich der Sollwert der Oszillation einstellt. Als Merkmal der
Oszillation werden verschiedene amplitudenbezogene Parameter der
Oszillation ausgewertet. Die Regelung erfolgt dabei auf einen Sollwert
der Oszillation, wobei sich der Schaltpunkt des Zweipunktreglers
in Abhängigkeit davon einstellt. Bei einem definierten
Regelhub (vorzugsweise 2% Abweichung von der eingestellten Kraftstoffmasse)
wird die sich einstellende Sondenausgangsspannung hinsichtlich der
Amplitude ihrer Schwingung (sog. Restwelligkeit) gemessen. Es erfolgt
eine Regelung auf die Messgröße der Restwelligkeit
derart, dass der Schaltpunkt des Zweipunktreglers solange verschoben
wird, bis sich die gewünschte, vorgebbare Restwelligkeit
einstellt. Das Verfahren geht von der Erkenntnis aus, dass die Sondenkennlinie
temperatur- oder alterungsbedingt hinsichtlich der Zuordnung der
Sondenausgangsspannung zum Lambdawert driftet. Erfindungsgemäß vorteilhaft
wird durch das Verschieben des Schaltpunktes bis zum Erreichen einer vorgebbaren
Restwelligkeit eine gewünschte Verstellung des Lambdawertes erreicht,
ohne einen absoluten Schaltpunkt für den Regler vorzugeben.
Alternativ erfolgt eine Auswertung der Krümmung der Sondenkennlinie,
welche spezifisch für einen zugehörigen Lambdawert
ist. Es wird dabei die Form der Sondenkennlinie analysiert, welche
weitgehend temperatur- und alterungsstabil einem definierten Lambdawert
zuordenbar ist.
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Als Äquivalent
der Krümmung der Sondenkennlinie wird die Unsymmetrie der
Schwingung der Sondenausgangsspannung in einer Zweipunktregelung
ermittelt. Bei einem definierten Regelhub (vorzugsweise 1–2%
Abweichung von der eingestellten Kraftstoffmasse) wird die sich
einstellende Sondenausgangsspannung hinsichtlich ihrer Schwingung analysiert,
wobei die Unsymmetrie der Schwingung in Bezug zum Schaltpunkt ausgewertet
wird.
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Das
Restwelligkeitssignal kann aufgrund von arbeitspunktbedingten Abweichungen
für ein und denselben vorgegebenen Lambdawert schwanken. Ein
Arbeitspunkt ist dabei hinsichtlich seiner Position im Drehzahl-Lastkennfeld
bestimmt. Mit wechselndem Arbeitspunkt erhält man bei festem
Regelhub ein veränderliches Übertragungsverhalten
der Lambdamodulation. Ausgehend von der Zwangsanregung der sich
periodisch ändernden Kraftstoffmasse stellt sich ein Schwingverhalten
des Messsignals der Lambdasonde ein. Insbesondere bei stark gealterten „langsamen"
Lambdasonden wirkt sich dieselbe Zwangsanregung unterschiedlich
auf das Messsignal der Lambdasonde und somit negativ auf die Steuerung
des Lambdawertes auf Basis des Restwelligkeitssignals aus.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die Lambdaregelung hinsichtlich ihrer
Genauigkeit zu verbessern und den Einfluss des sich arbeitspunktabhängig ändernden Übertragungsverhaltens
zu vermindern.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass arbeitspunktbedingte
Abweichungen des Lambdasondensignals sich in den Schwingungsparametern
niederschlagen und die Genauigkeit der Regelung verbessert wird,
wenn die Schwingungsparameter arbeitspunktspezifisch beeinflusst
werden. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen,
die Vorgabewerte der sich zyklisch ändernden Kraftstoffmasse
zu beeinflussen, wobei insbesondere eine Stabilisierung des Hubes
der Zwangsanregung erfolgt.
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Die
Aufgabe wird für gattungsgemäße Verfahren
erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen
eines Kraftstoff-/Luftgemisches wird ein Zweipunktregler eingesetzt,
der in Abhängigkeit eines Messsignals einer als Sprungsonde
ausgeführten Lambdasonde ein gewünschtes Kraftstoff-/Luftgemisch
einregelt. Nach dem Überschreiten der definierten Schaltschwelle
des Reglers erfolgt eine Kraftstoffanpassung in Form eines sogenannten P-Sprungs
und eines I-Hubes, der auf einer I-Steigung basiert. P-Sprung und
I-Hub kennzeichnen Änderungen der Kraftstoffmasse, welche
auf Basis der Lambdaregelung der Basiseinspritzmenge hinzuaddiert
werden. Während des Regelverfahrens werden die Parameter
P-Sprung und I-Steigung für die Lambdaregelung adaptiert.
Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Adaption
des P-Sprungs und/oder der I-Steigung als Funktion der Periodendauer
der Schwingung des Messsignals der Lambdasonde. In vorteilhafter
Weise wird damit ein selbsteinstellender Regler geschaffen, bei
dem P-Sprung und I-Steigung nicht mehr arbeitspunktspezifisch ermittelt,
sondern anhand der gemessenen Periodendauer der Schwingung des Messsignals
der Lambdasonde adaptiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Erwartungswert
für die Periodendauer ermittelt. Dieser wird als Sollwert
für die Periodendauer der Schwingung des Messsignals der
Lambdasonde aus einem arbeitspunktabhängigen, wenigstens über
Last und Drehzahl definierten Kennfeld vorgegeben und in Abhängigkeit
von der Messung der Periodendauer erfolgt eine Adaption des P-Sprungs und/oder
der I-Steigung als Funktion der Abweichung des Istwertes der gemessenen
Periodendauer der Schwingung des Messsignals von dessen Sollwert.
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Bei
einer Ist-Periodendauer, die kleiner als der Sollwert der Periodendauer
der Schwingung des Messsignals ist, erfolgt eine Adaption dahingehend, dass
eine betragsmäßige Erhöhung der I-Steigung und/oder
eine betragsmäßige Verminderung des P-Sprungs
erfolgt. Damit wird stationär betragsmäßig die
Höhe des I-Hubes wieder P-Sprung angenähert. Im
umgekehrten Fall, bei dem die Periodendauer der Schwingung des Messsignals
größer als deren Sollwert ist, erfolgt eine betragsmäßige
Verminderung der I-Steigung und/oder eine betragsmäßige
Erhöhung des P-Sprungs. Auch hier wird stationär
I-Hub wieder P-Sprung angenähert. Bevorzugt erfolgt eine Adaption
der I-Steigung und ein Konstanthalten des P-Sprungs, um einen gleichbleibenden
Regelhub zu sichern.
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Es
zeigen:
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1:
Kennlinienverläufe der Sondenausgangsspannung über
dem Lambdawert für eine Sprungsonde bei verschiedenen Temperaturen,
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2:
das normale Schwingungsbild der Kraftstoffmasse, welche aufgrund
der für die Lambdaregelung notwendigen Zwangsanregung erfolgt
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3:
das Schwingungsbild der Kraftstoffmasse, welche aufgrund der für
die Lambdaregelung notwendigen Zwangsanregung erfolgt und eine verlängerte
Periodendauer aufweist,
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4:
das normale Schwingungsbild der Kraftstoffmasse, welche aufgrund
der für die Lambdaregelung notwendigen Zwangsanregung erfolgt und
eine verkürzte Periodendauer aufweist.
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Die
Lambdaregelung ist für Ottomotoren mit einem 3-Wege-Katalysator
notwendig, da dieser nur in einem sehr engen Bereich des Kraftstoff-/Luftverhältnisses
(Lambdawert) in der Lage ist, die Schadstoffkomponenten HC, CO und
NOx wirkungsvoll zu reduzieren. Das Lambdafenster
(Regelbereich der Sprungsonde bei Zweipunktregelung gemäß Stand der
Technik) liegt in einem Bereich zwischen Lambdawerten von 0,99 bis
1. Die geforderte Genauigkeit wird nur mit einer Regelung erreicht,
welche im Falle einer Sprungsonde als Zweipunktregelung mit einem Schaltpunkt
bei einem gewünschten Lambdawert nahe 1 ausgeführt
ist. Mit dem Signal der Sprungsonden können lediglich qualitative
Aussagen über den Lambdawert getroffen werden. In Abhängigkeit
vom gemessenen Lambdawert wird das Signal der Einspritzmenge modifiziert.
Zeigt das Lambdasignal Werte größer oder kleiner
1 an, so wird durch Änderung der Stellgröße
(Einspritzmenge) um einen definierten oder in Kennlinien abgelegten
Wert (Regelhub) die Regelung in Richtung des gewünschten Lambdawertes
beeinflusst. Es stellt sich damit ein Pendeln um den gewünschten
Lambdawert ein, welches durch eine Schwingung des Signals der Sondenausgangsspannung
messbar ist. Beispielhaft sind verschiedene Sondenkennlinien in 1 dargestellt.
Die Lambdaregelung passt die jeweils folgende Einspritzung auf Basis
der vorhergehenden Messung an. Die Messung weist jedoch durch die
Gaslaufzeiten, die Rechenzeit im Steuergerät und die Ansprechzeit
der Lambdasonde einen zeitlichen Versatz zur Einspritzung auf, so
dass sich eine minimale Periodendauer der Schwingung des Lambdawertes ergibt.
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Zur
Einstellung eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses
liegt der Regelschaltpunkt üblicherweise im spezifiziert
stabilen Bereich bei 450 mV.
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2 zeigt
den zeitlichen Verlauf des Lambdareglereingriffs fr auf die einzuspritzende
Kraftstoffmasse. Der Lambdareglereingriff fr stellt eine zyklische
Modifikation der Kraftstoffmasse durch die Zweipunkt-Lambdaregelung
dar. Der Lambdareglereingriff fr wird zur einzuspritzenden Basiskraftstoffmasse
hinzuaddiert. Dargestellt wird diese in Prozent der einzuspritzenden
Basiskraftstoffmasse. Die Änderung der Kraftstoffmasse
wird in einen sogenannten P-Sprung PS und einen I-Hub ICH unterschieden. Der
P-Sprung PS charakterisiert den Anteil des Lambdareglereingriffs
fr, der jeweils bei Erreichen der Schaltschwelle des Zweipunktreglers
von der Kraftstoffmasse abgezogen bzw. zu dieser hinzuaddiert wird
und in Sprungform dem Signal der Kraftstoffmasse aufgeprägt
wird. Übersteigt das Messsignal der Lambdasonde die vorgegebene
Schaltschwelle des Zweipunktreglers, beispielsweise 450 mV, so wird
ein Durchtauchen in den fetten Bereich Lambda < 1 festgestellt. Vom Signal der einzuspritzenden Kraftstoffmenge
wird in Sprungform ein in Prozent bemessener Betrag abgezogen, welcher
sich im Signal des Kraftstoffmasseanteils aufgrund der Lambdaregelung
(Lambdareglereingriff fr) im P-Sprung PS wiederspiegelt. Die geänderte
Kraftstoffeinspritzung ist jedoch aufgrund der Gaslaufzeit und der
Trägheit der Messkette erst zeitverzögert im Messsignal
der Lambdasonde detektierbar. Mit einer weiterhin im Regelalgorithmus
vorgegebenen I-Steigung IS wird das Signal der Kraftstoffmasse bis
zum wiederholten Erreichen der Schaltschwelle modifiziert. Im gewählten
Beispiel, dem Durchtauchen in den fetten Bereich, wird die Kraftstoffmasse
mit dem in der I-Steigung IS definierten Anstieg weiter vermindert.
In der 2 ist dies durch die abfallende Gerade des Lambdareglereingriffs
fr erkennbar. Erreicht das Messsignal der Lambdasonde wiederum den
Schaltpunkt, wird erneut die Kraftstoffmasse mit dem im P-Sprung
PS definierten Prozentwert beaufschlagt. Die Erniedrigung der Kraftstoffmasse
mit der I-Steigung IS wird abgebrochen und es erfolgt der P-Sprung
PS in entgegengesetzte Richtung. Im gewählten Beispiel
wird beim Erreichen der Schaltschwelle aus dem fetten Bereich heraus
ein Durchtauchen in den mageren Bereich detektiert. Das Kraftstoffmassesignal
wird um den im P-Sprung PS definierten Prozentwert sprunghaft erhöht
und nachfolgend mit dem in der I-Steigung IS definierten Anstieg
weiter erhöht, bis der Schaltpunkt des Zweipunktreglers
wieder erreicht ist. Die Modifikation des Kraftstoffsignals aufgrund
der I-Steigung IS bis zum Erreichen der Schaltschwelle wird als
I-Hub ICH bezeichnet. Der Stand der Technik benutzt für
die Vorgabe von P-Sprung PS und I-Steigung IS Kennfelder, welche
drehzahl- und lastabhängig vorgegeben werden. Diese Kennfelder
müssen in aufwändiger Abstimmungsarbeit am Prüfstand
appliziert werden. Aufgrund der Exemplarstreuung und insbesondere der
durch die Alterung der Sensoren auftretenden Abweichungen im Übertragungsverhalten
stellen sich verschiedene Schwingungsbilder der Kraftstoffmasse
ein. 3 zeigt dabei ein Schwingungsbild mit einer im
Vergleich zur Normabstimmung gealterten Lambdasonde mit verlangsamter Übertragung des
Messsignals. Aufgrund der im Vergleich zur Normbedatung längeren
Laufzeit zwischen Kraftstoffmasseänderung und der Messung
dieser durch die Lambdasonde wird die Kraftstoffmasse mit dem in
der I-Steigung IS definierten Anstieg modifiziert. Der Lambdareglereingriff
fr auf das Kraftstoffmassesignal wird damit hinsichtlich des Regelhubes
vergrößert. Der eingestellte Lambdawert schwingt
mit größerer Amplitude, was im Extremfall zu unerwünscht starken
Schwankungen der Kraftstoffmasse führt. Die Schwingfrequenz
des Lambdareglereingriffs ist hierbei geringer. Der Anteil der Modifikation
der Kraftstoffmasse durch den P-Sprung PS ist kleiner, als die durch
die I-Steigung IS über die I-Laufweite verursachte Kraftstoffmodifikation
(I-Hub).
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Im
umgekehrten Fall, der in 4 dargestellt ist, übersteigt
der Anteil des P-Sprungs PS die durch die I-Steigung IS bis zum
wiederholten Überschreiten der Schaltschwelle hervorgerufene
Modifikation der Kraftstoffmasse (I-Hub).
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Zur
Stabilisierung der Schwingung soll erfindungsgemäß sichergestellt
werden, dass der P-Sprung PS gleich dem I-Hub ICH ist. Dies erfolgt über
einen adaptiven Eingriff auf die I-Steigung IS und/oder den P-Sprung
PS in Abhängigkeit von der Schwingfrequenz des Lambdareglereingriffs
fr. Besonders bevorzugt wird auf Basis der Periodendauermessung
die I-Steigung IS adaptiert. Bei einem verzögerten Schwingungsbild,
wie in 3 dargestellt, erfolgt bei einer Abweichung der
gemessenen Periodendauer vom Soll-/Erwartungswert für diesen
Arbeitspunkt eine Verminderung der I-Steigung IS. Die sich an den
P-Sprung PS anschließende Änderung der Kraftstoffmasse
wird damit vermindert, so dass bei einem verzögerten Erreichen
der Schaltschwelle eine geringere Kraftstoffmodifikation erfolgt.
Der anschließende P-Sprung PS in die entgegengesetzte Richtung
wird damit betragsmäßig der durch den I-Hub ICH
bewirkten Änderung angepasst. Im umgekehrten Fall, der
in 4 dargestellt ist, erfolgt eine Adaption der I-Steigung
IS hin zu größeren Steigungsbeträgen,
so dass auch hier P-Sprung PS = I-Hub ICH eingestellt wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird der in einem
Kennfeld über Last und Drehzahl abgelegte Erwartungswert
für die Periodendauer der Schwingung des Lambdareglereingriffs
fr mit einer gemessenen Periodendauer des Lambdareglereingriffs
fr verglichen. In Abhängigkeit von der Abweichung erfolgt
eine I-Steigungskorrektur für den nächsten Regelschritt.
Die I-Steigungskorrektur erfolgt dahingehend, dass im Schwingungsbild des
am Reglerausgang generierten Kraftstoffmassenanteils vom Lambdaregler
die Anteile P-Sprung PS und I-Hub ICH gleiche Größe
aufweisen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann ein fest eingestelltes Verhältnis
von P-Sprung PS zu I-Hub ICH genutzt werden in welchem die Anteile
gezielt zueinander vertrimmt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine periodendauerkorrigierte
Steigungskorrektur der I-Steigung IS. Hierbei wird aus dem Soll-
und Istwert der Periodendauer eine korrigierte Periodendauer ermittelt
und aus der Korrektur der Periodendauer basierend ergibt sich die
notwendige korrigierte I-Steigung IS.
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In
dem in 3 dargestellten verzögerten Schwingungsbild
erfolgt eine starke Veränderung der Periodendauer bei einer
I-Steigungskorrektur. Diese führt dazu, dass der erste
Korrekturschritt flacher als nötig ausfällt, um
dann im Folgenden in den Zielwert einzuschwingen. Dieser Effekt
lässt sich verhindern in dem die Periodendauerveränderung
für diesen Fall berechnet wird und in die berechnete I-Steigungskorrektur
einfliesst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4420946
A1 [0001]
- - DE 102006017863 [0002]
- - DE 102006049348 [0002]