DE60013472T2 - Verfahren zur regelung des starts einer brennkraftmaschine mit direkteinspritzung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung des Starts einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung eines Versorgungskraftstoffs, der dem Motor über Mittel zum Unterdrucksetzen des Kraftstoffs zugeführt wird.
- In
1 der beiliegenden Zeichnung ist eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung vom bekannten Typ dargestellt, welche ein Kraftstoffreservoir1 und eine vom Reservoir1 gespeiste Kraftstoffpumpe2 aufweist, die mit einem Druckregler3 in Verbindung steht, zum Fördern des Kraftstoffs durch einen Filter4 zu einer zweiten Pumpe, wobei der durch die Pumpe2 geförderte Kraftstoff auf einen ersten Druckpegel gebracht wird, der höher ist als der atmosphärische Druck, aber relativ tief, weshalb die Pumpe2 den Namen „Niederdruckpumpe" führt. Die zweite Pumpe5 , die mechanisch vom Motor angetrieben wird, erhöht den Druck des Kraftstoffs noch weiter auf einen zweiten Pegel, der höher ist als der erste Pegel und geeignet ist für die Versorgung der Kraftstoffeinspritzdüsen61 ,62 ,63 ,63 , die an einem Rohr7 zur Kraftstoffversorgung der Zylinder der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung (nicht dargestellt) angebracht sind. - Der Druck des durch die sogenannte "Hochdruckpumpe"
5 geförderten Kraftstoffs wird durch einen elektromechanischen Regler8 festgesetzt, wie z. B. ein durch einen Rechner9 gesteuertes Magnetventil. In diesem Fall liefert ein Sensor 10 dem Rechner9 ein Signal, welches für den Druck P des im Rohr7 enthaltenen Kraftstoff steht, um dem Rechner zu erlauben, den Druck des Kraftstoffs in diesem Rohr auf dem vorbestimmten erforderlichen Niveau in der Größenordnung von 50 bis 100 bar zu regeln. Der Rechner wird zur Zeit durch den Betriebssteuerungsrechner des Motors gebildet, der unter anderem die Einspritzdüsen6i , (wobei i im dargestellten Beispiel von 1 bis 4 läuft) und insbesondere die Öffnungszeiten derselben steuert. - Der nicht von den Einspritzdüsen
6 ; abgegebene Kraftstoff wird durch eine Leitung11 ,12 , die auf atmosphärem Druck liegt, zum Tank zurückgeleitet. - Gemäß einem bekannten Startverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die durch die in
1 dargestellte Vorrichtung gespeist wird, wird dieser Start mit einem Kraftstoff bewirkt, der den Einspritzdüsen6 ; des Motors bei einem relativ tiefen Druck (4 bis 5 bar) geliefert wird, der schnell durch die Niederdruckpumpe erreicht wird, welche, da sie elektrisch gesteuert wird, von dem Augenblick an versorgt werden kann, an dem das Fahrzeug unter Spannung (Kontakt) gesetzt wird, vor dem Anspringen des Motors. - Im Fall einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zwingt jedoch ein Start bei niedrigem Druck des Kraftstoffs dazu, auf ein Luft/Kraftstoffgemisch auszuweichen, das in der Größenordnung von 10 mal fetter ist als ein stöchiometrisches Gemisch, wobei die Zusammensetzung dieses Gemischs auf der Höhe der klassischerweise in den Zylindern zum Zünden des Motors angeordneten Zündkerzen nicht optimal ist für einen Motor dieses Typs, der dazu gedacht ist, normalerweise mit Kraftstoff auf hohem Druck, höher als 50 bar, gespeist zu werden. Daraus ergeben sich zu lange Startzeiten des Motors, insbesondere in Umgebungen mit niedriger und sehr niedriger Temperatur, und eine große Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen des Motors während des Starts desselben.
- Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Starts einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bereitzustellen, welches diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere erlaubt, die Startzeit des Motors bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen zu verkürzen und dabei gleichzeitig die Erzeugung unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu verringern.
- Dieses Ziel der Erfindung wird, ebenso wie andere Ziele, die beim Lesen der folgenden Beschreibung deutlich werden, mit einem Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Starts einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung eines Versorgungskraftstoffs erreicht, der dem Motor durch Mittel zur Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs geliefert wird, wobei das Verfahren sich dadurch auszeichnet, dass während dem Start a) die Temperatur E des Motors und der Druck P des durch die Mittel zur Druckbeaufschlagung geförderten Kraftstoffs überwacht wird, b) wenn T kleiner ist als eine vorbestimmte Temperaturschwelle Ts, wählt man einen Startmodus des Motors mit einem Kraftstoff bei hohem Druck von dem Moment an, an dem der Druck P größer wird als ein vorbestimmter Schwellendruck Ps1, und c) wenn T > Ts, wird ein Startmodus des Motors mit einem Kraftstoff bei niedrigem Druck gewählt.
- Wie aus dem folgenden hervorgeht, erreicht man die oben genannten Ziele dadurch, dass der Motor normalerweise mit Kraftstoff bei hohem Druck gestartet wird, anstatt herkömmlicherweise bei niedrigem Druck.
- Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Startmodus mit einem Kraftstoff bei hohem Druck, wenn der Druck des Kraftstoffs größer bleibt als ein vorbestimmter Schwellendruck Ps2, der kleiner ist als der Schwellendruck Ps1, eine in jeden Zylinder des Motors einzuspritzende Kraftstoffmenge berechnet und daraus eine Öffnungszeitdauer der betrachteten Einspritzdüse sowie der Öffnungszeitpunkt der Einspritzdüse abgeleitet, der dazu geeignet ist, das Schließen der Einspritzdüse in Phase mit einer Winkelposition der Kurbelwelle zu erlauben, die um einen vorbestimmten Winkel weiter ist als diejenige zum Zeitpunkt der Zündung des Luft/Kraftstoffgemischs.
- Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung und dem Studium der beiliegenden Zeichnung deutlich werden, in denen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ist, die in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist, und -
2 und3 Gruppen von Graphen zeigen, welche Starutmodi des Motors bei hohem bzw. niedrigem Druck des Versorgungskraftstoffes des Motors zeigen. - In der
2 der beiliegenden Zeichnung ist ein Graph dargestellt, der die Entwicklung der Drehzahl N des Motors, des Drucks P des an den Motor gelieferten Kraftstoffs, der Menge Q des eingespritzten Kraftstoffs und der Phase φ des Einspritzendes des Kraftstoffs in einer Startsituation des Motors mit einem Kraftstoff bei hohem Druck gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. - Der Betriebssteuerungsrechner
9 des Motors übernimmt die Ausführung der Regelungs- bzw. Steuerungsstrategie des Motorstarts gemäß der vorliegenden Erfindung. Herkömmlicherweise empfängt er verschiedene zur Motorsteuerung notwendige Signale und insbesondere das durch den Drcksensor10 des Kraftstoffs gelieferte Signal (siehe1 ), ein für die Drehzahl des Motors stehende Signal N und ein für die Temperatur des Motors stehendes Signal T, welches normalerweise von einem (nicht gezeigten) Temperatursensor des Kühlwassers des Motors geliefert wird. Der Rechner9 bestimmt darüber hinaus die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einspritzdüsen6 ; zum Regeln der in die Zylinder des Motors eingespritzten Kraftstoffmenge sowie der Phase dieser Kraftstoffeinspritzungen und insbesondere der Phase φ des Einspritzendes. - Der Rechner
9 ist vorschriftsmäßig so programmiert, dass er die Startstrategie des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt, die nun sukzessive im Zusammenhang mit den Graphen der2 und3 erklärt wird. - Wie in
2 dargestellt, geht die Drehzahl N des Motors beim Einschalten des Motors zum Zeitpunkt t0, welches klassischerweise durch einen elektrischen Anlasser ausgelöst wird, auf einen Wert ungleich 0 und der Druck P des Kraftstoffs beginnt zu steigen. - Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung führt der Rechner
9 eine Startstrategie des Motors in einem Modus bei "hohem" Druck des Kraftstoffs aus, wenn die Temperatur T des Motors kleiner ist als eine vorbestimmte Schwellentemperatur, z. B. Ts = 40°C, welche für einen "Kaltstart" des Motors charakteristisch ist. - Gemäß dieser Strategie beginnt die Einspritzung von Kraftstoff in den Motor sobald zum Zeitpunkt t1 der Druck P des Kraftstoffs eine vorbestimmte Schwelle Ps1 wie z. B. Ps1 = 30 bar überschreitet, welche eine gute Zerstäubungsqualität des Kraftstoffs in den Einspritzdüsen
6 ; garantiert, wobei die eingespritzte Menge auf einem Pegel Q1 festgelegt ist, der einem relativ mageren Luft/Kraftstoffgemisch entspricht, und zwar in der Größenordnung von 5 mal dem stöchiometrischen Verhältnis bei T = 20°, was halb so fett ist wie bei niedrigem Druck notwendig ist, jedoch zur Speisung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung von Kraftstoff bei hohem Druck (normalerweise 50 bar oder mehr) geeignet ist. - Der Rechner
9 überwacht weiter die Entwicklungen des Drucks P des Kraftstoffs nach dem Zeitpunkt t0. Die ab dem Zeitpunkt t1 angewandte Strategie bleibt unverändert, selbst wenn dieser Druck wieder unter den Schwellenwert Ps1 fällt, wie durch die durchgezogene Linie dargestellt, solange sie nicht unter eine weitere vorbestimmte Schwelle Ps2 fällt (in dem Teil des Graphen mit punktierter Linie), die beispielsweise bei 10 bar festgesetzt ist. - Wird die Schwelle Ps2 überschritten, gibt der Rechner die oben beschriebene Startstrategie für hohen Kraftstoffdruck auf, da der notwendige hohe Druck während der betrachteten Startphase nicht durch die verwendeten Druckbeaufschlagungsmittel sichergestellt werden kann. Eine derartige Situation kann z. B. von einer Schwierigkeit beim Ansaugen der Hochdruckpumpe oder einer größeren einspritzenden Benzinmenge als die Fördermenge der Hochdruckpumpe herrühren.
- Der Rechner
9 kehrt somit zu einer Startstrategie bei niedrigem Druck des Kraftstoffs zurück, welche eine Anfettung des Luft-/Kraftstoffgemischs und somit eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge Q von Q1 auf Q2 beinhaltet (siehe den in punktierter Linie dargestellten Teil des Graphen). - Die oben beschriebene Strategie ist spezifisch für die Startphase des Motors mit der Dauer (t2–t0). Nach dem Zeitpunkt t2 werden die eingespritzten Kraftstoffmengen und die Steuerwinkel dieser Mengen sequentiell durch klassische "Kartographien" geregelt und gesteuert, deren Eingangsgrößen z. B. der Druck der in den Motor einströmenden Luft und die Motordrehzahl sind.
- Während der Startphase (t1, t2) werden die Steuerzeiten der Kraftstoffeinspritzungen wie folgt bestimmt. Der Rechner bestimmt die einzuspritzende Benzinmenge Q1 und eine entsprechende Öffnungszeit ti der Einspritzdüse. Der Rechner bestimmt anschließend die Öffnungs- und Schließzeiten der Einspritzdüse derart, dass die Einspritzphase vor der Erregung der Zündkerze zum Entzünden des Luft-/Kraftstoffgemisches beendet ist.
- Man weiß, dass dieser Zündzeitpunkt in einem Motorzyklus, der einer Umdrehung von 720° der zum Motor gehörigen Kurbelwelle entspricht, (für einen Vierzylindermotor) durch den Vorschubwinkel bei der Zündung α ermittelt wird, der mit Bezug zum Durchgang des oberen Totpnkts am Ende des Verdichtungstakts des entsprechenden Zylinders gemessen wird. Mit diesem Winkelbezug bestimmt man den Zeitpunkt t, des Auslösens der Einspritzung als Funktion der Öffnungsdauer t; der Einspritzdüse derartig, dass der Schließzeitpunkt derselben auftritt, wenn die Kurbelwelle eine Position erreicht, die um einen Winkel α + φ vor dem oberen Totpunkt liegt.
- Da die Einspritzung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung während der Ansaugphase und schließlich der Verdichtungsphase des Luft/Kraftstoffgemischs im betrachteten Zylinder geschieht, wird das Einspritzen beim Start bei hohem Kraftstoffdruck gemäß der Erfindung während der Verdichtungsphase des Gemisches (φ = φ1) unterbrochen, wobei die Ansaugventile des Zylinders geschlossen sind, und dies solange, wie der Kraftstoffdruck ausreichend hoch ist, um unter Berücksichtigung des im Zylinder herrschenden Drucks in diesen eingespritzt zu werden, z. B. solange, bis der Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs z. B. über 10 bar liegt.
- Unterhalb dieses Drucks kehrt man erfindungsgemäß in einen Betriebsmodus zurück, der darauf ausgelegt ist, den Kraftstoff bei niedrigem Druck zu liefern, wie auf den Graphen der
2 beginnend beim Zeitpunkt t1 durch die unterbrochenen Linien dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzung hält somit früher (φ = φ2) während der Ansaugphase des Luft-/Kraftstoffgemisches an, welches demnach im wesentlichen bei atmosphärischem Druck bleibt, wobei die Ventile offen sind. - Wie in
2 dargestellt, geschieht der Übergang von der Phase φ1 zur Phase φ2 über Zwischenstufen, die regelmäßig bei aufeinanderfolgenden Rotationsschritten der Kurbelwelle des Motors von z. B. 50°, inkrementiert werden, um eine Verstärkung des Druckabfalls des Kraftstoffs zu vermeiden. - Der Start der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bei hohem Kraftstoffdruck erlaubt, Verbrennungen mit guter Qualität dank der Zusammensetzung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der Nähe der Zündkerze sicherzustellen, die man nur mit einem Kraftstoff bei hohem Druck erreichen kann. Diese guten Verbrennungen erlauben, die Startzeit des Motors bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen z. B. auf unter 2 s zu beschleunigen. Sie erlauben ferner, die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verringern, die durch die Abgase transportiert werden, und somit die Umweltverschmutzung durch dieses Gas.
- Die Anmelderin hat beobachtet, dass bei einem Kaltstart die Hochdruckpumpe
5 von den ersten Umdrehungen des Motors an einen Kraftstoffdruck liefern kann, der dazu ausreicht, eine angemessene Zerstäubung des Kraftstoffes in den Zylindern des Motors sicherzustellen und damit die oben genannten Vorteile zu erreichen. - Im Gegensatz dazu sind bei einem Warmstart (T > Ts) die Erfordernisse der Vorschriften über die Startzeit sehr viel strenger und erfordern im allgemeinen, dass die Startzeit weniger als ½ s beträgt. In diesem Fall überschreiten die ersten Umdrehungen, die zum Liefern eines geeigneten hohen Drucks des Kraftstoffs erforderlich sind, die erlaubte Startdauer. Außerdem können die Risiken der Erzeugung von Kraftstoffdämpfen beim Eingang der Hochdruckpumpe weiter den Start verzögern.
- Die klassische bei indirekter Einspritzung verwendete Lösung, die darin besteht, simultan stromaufwärts von jedem Zylinder eine bestimmte Kraftstoffmenge einzuspritzen, erweist sich im Fall eines Motors mit Direkteinspritzung als ungeeignet. Da die Kraftstoffeinspritzung direkt im Zylinder erfolgt, ohne von der Schranke der Ansaugventile zum Erreichen einer adäquaten Verteilung zu profitieren, stoßen die Zylinder in der Expansion- oder Ausstoßphase Kraftstoff durch die Auspuffanlage aus, wodurch im allgemeinen eine Verunreinigung durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe entsteht.
- Gemäß der Erfindung wählt man also eine Startstrategie mit niedrigem Druck, bei der der elektromechanische Regler
8 (1 ) und die Niederdruckpumpe2 von dem Augenblick an, an dem das Fahrzeug unter Spannung (Kontakt) gesetzt wird, derart angesteuert wird, dass im Kraftstoffkreislauf eine Kraftstoffzirkulation unter dem maximal von der Pumpe2 und dem Druckregler3 erlaubten Druck in Gang kommt. Vorteilhaft reicht es bei einer Variante der Versorgungsvorrichtung der1 , bei welcher die vom Einspritzrohr kommende Kraftstoffrückleitung11 stromaufwärts des Reglers3 verbunden ist, den elektromechanischen Regler8 gänzlich offen zu regeln. Diese Steuerung ist im Graphen P der3 durch die unterbrochene Linie dargestellt. - Parallel und ab dem Zeitpunkt t0, zu dem der Motor sich dreht, bestimmt der Rechner
9 eine einzuspritzende Kraftstoffmenge Q3 und die entsprechende Öffnungsdauer der Einspritzdüsen Ti. Gleichzeitig beobachtet man die Signale, die die Winkelposition des Motors markieren, d. h. klassischerweise das Signal eines Sensors, der eine Singularität auf einer mit der Kurbelwelle verbundenen Scheibe ortet, und das Signal eines Sensors, der die Position der Nockenwelle angibt. Ab der Ortung einer Markierung auf einem dieser Signale kann man abschätzen, welcher der nächste Zylinder in der Ansaugphase sein wird, und den entsprechenden Öffnungsmoment des Einlassventils. Tatsächlich besteht eine konstruktive mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle und den Ventilen. Man steuert also die Einspritzung in den Zylinder ab der Öffnung des Ventils und während der Dauer ti. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt sequentiell, bei offenem Einlassventil, in den folgenden Zylindern, mit einer programmierbaren Winkelverschiebung (die der Zylinder anzahl des Motors entspricht) im Verhältnis zur betrachteten Markierung, während wenigstens einem Motorzyklus. Das Verfahren erlaubt, während man das erste Auftreten des Signals "Nockenwelle" oder "Kurbelwelle" beobachtet, eine erste Einspritzung mit einem mittleren Zeitvorsprung von einer halben Motorumdrehung (für einen Motor mit vier Zylindern), bezogen auf klassische Synchronisationsmethoden, zu realisieren und somit ungefähr ½ s auf die Dauer der Startphase zu gewinnen. - Ein derartiger Warmstart bei niedrigem Kraftstoffdruck ist ebenfalls schneller als ein Kaltstart bei hohem Druck, denn er erlaubt, eventuelle in der Hochdruckpumpe vorhandene Kraftstoffdämpfe auszuspülen, die andernfalls die Funktion dieser Pumpe stören könnten.
- Die Einspritzzeit ti ist eine Funktion von verschiedenen klassischen Parametern: Motordrehzahl, Druck der Ansaugluft, Temperatur des Kühlwassers, Kraftstoffdruck und, gemäß der vorliegenden Erfindung, des gewählten Startmodus: Hochdruck oder Niederdruck, wobei die einzuspritzende Kraftstoffmenge bei einem Start bei Hochdruck vorteilhaft kleiner ist.
- Gemäß der Erfindung beendet man die Startphase zum Zeitpunkt t2 (s.
2 und3 ) durch ein Verfahren, das dem Start bei hohem Druck oder bei niedrigem Druck gemein ist. Dieses Beenden erfolgt also bei Überschreitung einer Schwelle der Drehzahl N oder am Ende eines vorbestimmten Zeitintervalls. - Nach dem Beenden der Startphase verwendet der Rechner
9 die klassischen Kartographien zum Bestimmen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einspritzdüsen, wobei diese Kartographien z. B. als Eingangsparameter den Druck der in den Motor angesaugten Luft und die Drehzahl N des Motors haben. Der Übergang zu dieser kartographierten Kraftstoffmenge Q erfolgt durch progressive Dekrementierung der für die Startphase berechneten Menge.
Claims (4)
- Verfahren zur Regelung oder Steuerung des Starts einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung eines Versorgungskraftstoffs, der dem Motor über Mittel zur Druckbeaufschlagung (
2 ,5 ) des Kraftstoffs geliefert wird, bei welchem während des Starts, a) die Temperatur T des Motors und der Druck (P) des durch die Mittel zur Druckbeaufschlagung gelieferten Kraftstoffs überwacht wird, b) wenn die Temperatur T kleiner als eine vorbestimmte Schwellentemperatur Ts ist, wird ein Startmodus des Motors mit einem Kraftstoff auf hohem Druck von dem Moment an eingeleitet, an dem der Druck (P) größer wird als ein vorbestimmter Schwellendruck Ps1 und c) wenn T > Ts ist, wird eine Startmodus des Motors mit einem Kraftstoff auf niedrigem Druck eingeleitet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Startmodus mit einem Kraftstoff auf hohem Druck, wenn der Druck des Kraftstoffs größer als ein vorbestimmter Schwellenwert Ps2 bleibt, der kleiner ist als die Schwelle Ps1, eine in jeden Zylinder des Motors einzuspritzende Kraftstoffmenge (Q1) berechnet wird und eine Öffnungszeitdauer (ti) der betrachteten Einspritzdüse abgeleitet wird, so dass der Öffnungszeitpunkt der Einspritzdüse (6 ;), der dazu geeignet ist, das Schließen der Einspritzdüse (6 ;) bei geschlossenen Ventilen zu erlauben, in Phase mit einer Winkelposition der Kurbelwelle des Motors ist, die um einen vorbestimmten Winkel (φ1) vor dem Zündzeitpunkt des Luft/Kraftstoffgemisches liegt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Startmodus mit einem Kraftstoff auf hohem Druck zu einem Start des Motors mit einem Kraftstoff auf niedrigem Druck zurückkehrt, wenn der Druck (P) des Kraftstoffs unter eine vorbestimmte Schwelle Ps2 fällt, die kleiner ist als die Schwelle Ps1.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Rückkehr zum Start des Motors mit einem Kraftstoff auf niedrigem Druck eine Menge (Q2) von auf niedrigem Druck einzuspritzendem Kraftstoff berechnet, diese Menge sequentiell in die Zylinder des Motors einspritzt, wobei die Dauer (ti) der Einspritzung und der Öffnungszeitpunkt jeder Einspritzdüse derart gewählt ist, dass das Schließen der Einspritzdüsen bei offenen Ventilen in Phase mit einer Winkelposition der Kurbelwelle des Motors erfolgt, die um einen vorbestimmten Winkel (φ2) vor der Position des Zündzeitpunkts des Luft-/Kraftstoffgemisches liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine sequentielle Einspritzung des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors gesteuert oder geregelt wird, die auf die Öffnung des Einlassventils des ersten Zylinders phasiert ist.
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