DE10349603A1 - System und Verfahren zum Regenerieren von Filter- und Katalysatorbauteilen eines Auspuffsystems - Google Patents
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Abstract
System und Verfahren zum Regenerieren von Teilchenfiltern, Katalysator-Rußfiltern und NOx-Katalysatoren für ein Fahrzeug, das eine Dieselbrennkraftmaschine aufweist. Ein Brennkraftmaschinensteuermodul steuert den Betrieb der Brennkraftmaschine und Regenerierungsfunktionen. Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine vereinigte Anordnung aus Starter/Generator/Schwungrad/Retarder auf. Eine Lastbankheizvorrichtung ist in dem Auspuffsystem vorgesehen, die aktiviert wird, um direkt Abgase zu erwärmen, wodurch deren Temperatur erhöht wird, damit die Temperaturen erreicht werden, die zum Regenerieren und Entschwefeln benötigt werden. Die Aktivierung der Heizvorrichtung wirkt als Belastung durch die vereinigte Anordnung aus Starter/Generator/Schwungrad/Retarder, wodurch die Belastung der Brennkraftmaschine erhöht wird, und hierdurch wiederum die Temperatur des Abgases auf Pegel erhöht wird, die zum Regenerieren und Entschwefeln benötigt werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Regenerieren von Filtern und Katalysatoren eines Dieselbrennkraftmaschinenauspuffsystems.
- Diese Brennkraftmaschinenauspuffsysteme weisen Teilchenfilter auf, Katalysator-Russfilter, und NOx-Adsorberkatalysatoren, welche die Abgase reinigen, und die Brennkraftmaschinenemissionen verringern. Es ist erforderlich, Auspuffsystembestandteile regelmäßig zu regenerieren und zu entschwefeln, um einen effizienten Betrieb sicherzustellen.
- Das Regenerieren von Dieselbrennkraftmaschinen-Teilchenfiltern erfordert das Erhitzen der Filter auf Temperaturen von annähernd 500 °C über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten. Das Regenerieren von Katalysator-Russfiltern erfordert eine Erhitzung der Filter auf Temperaturen von annähernd 400 °C über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten. Das Entschwefeln von NOx-Rdsorbern erfordert das Erhitzen der Katalysatoren auf Temperaturen von annähernd 700 °C über zumindest 5 Minuten, während die Brennkraftmaschine mit einer fetten Luft/Kraftstoffmischung betrieben wird (Überschuss an Kraftstoff, keine Sauerstoffzufuhr), wodurch Abgas mit höheren Konzentrationen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erzeugt wird, und ohne Sauerstoff. Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, dadurch hohe Katalysatortemperaturen zu erzielen, dass die Katalysatorbauteile in der Nähe des Auslasses der Turboladerturbine der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Diese Vorgehensweise ist infolge des beschränkten Raums bei Straßenfahrzeugen in der Praxis nicht einsetzbar.
- Die bevorzugte Art und Weise zum Durchführen eines Regenerationszyklus besteht darin, die Filter- und Katalysatorbauteile zu erhitzen, während das Fahrzeug stillsteht, beispielsweise beim Anhalten zum Nachtanken. Hohe Abgastemperaturen werden am wirksamsten dadurch erzeugt, dass die Brennkraftmaschine belastet wird. Es ist allerdings schwierig, eine Brennkraftmaschine ausreichend zu belasten, während ein Fahrzeug stillsteht. Die einzigen Belastungen der Brennkraftmaschinen, wenn ein Fahrzeug stillsteht, sind elektrische Verbraucher, beispielsweise jene, die zur Beleuchtung und zu Klimaanlagensystemen gehören, sowie mechanische Verbraucher, die mit dem Betrieb eines Luftkompressors in Verbindung stehen, eines Kühlgebläses, sowie mit der Leerlaufbelastung der Brennkraftmaschine. Diese Belastungen sind im Vergleich zu den Belastungen vernachlässigbar, die auf der Straße auftreten, wenn ein beladenes Fahrzeug eine Steigung herauffährt. Die bevorzugte Art und Weise der Durchführung eines Regenierungszyklus besteht darin, die Filter- und Katalysatorbestandteile zu erhitzen, während das Fahrzeug anhält, beispielsweise beim Anhalten zum Nachtanken.
- Es besteht ein Bedürfnis nach einem wirksamen System zum Aufbringen einer höheren Belastung der Brennkraftmaschine, wenn das Fahrzeug stillsteht, um hierdurch höhere Temperaturen zu erzeugen, die zum Regenerieren von Filter- und Katalysatorbauteilen des Auspuffsystems benötigt werden.
- Diese und andere Probleme werden von der Erfindung der Anmelderin gelöst, wie nachstehend angegeben.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Regenerieren von Teilchenfiltern und Katalysator-Russfiltern für Brennkraftmaschinen zur Verfügung gestellt. Das System weist eine vereinigte Anordnung auf, die einen Starter, einen Generator, ein Schwungrad und einen Retarder umfasst. Das System weist weiterhin eine Lastbankheizvorrichtung auf, die in dem Auspuffsystem vorgesehen ist. Ein Brennkraftmaschinensteuermodul ist so ausgebildet, dass es ein Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus empfängt, wenn das Fahrzeug stillsteht, und die Brennkraftmaschine im Leerlauf betrieben wird. In Reaktion auf den Empfang des Signals zum Einleiten eines Regenerierungszyklus aktiviert das Steuermodul die Lastbankheizvorrichtung, wodurch die Brennkraftmaschine belastet wird. Das Brennkraftmaschinensteuermodul stellt weiterhin Brennkraftmaschinenbetriebsparameter ein.
- Das System weist weiterhin einen Sensor zur Erfassung der Temperatur des Abgases auf. Wenn der Sensor ein Signal empfängt, das anzeigt, dass die Abgastemperatur zum Regenerieren unzureichend ist, wird die Lastbankheizvorrichtung aktiviert. Die Lastbankheizvorrichtung erhöht direkt die Temperatur des Abgases, und erhöht die Belastung der Brennkraftmaschine. Elektrische Energie, die von der vereinigten Starter/Generator/Schwungrad/Retarderanordnung stammt, erhöht die Belastung der Brennkraftmaschine. Weiterhin sorgt das Brennkraftmaschinensteuermodul dazu, dass die Brennkraftmaschine auf eine gewünschte Betriebsdrehzahl gebracht wird.
- Das Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus für ein Filter kann von einem Sensor erzeugt werden, der den Staudruck in dem Auspuff überwacht. Das Signal zum Einleiten eines Entschwefelungszyklus eines NOx-Adsorberkatalysators wird in Reaktion auf Signale eingeleitet, die von Abgas-NOx-Sensoren, Temperatursensoren, und/oder Luft/Kraftstoffverhältnissensoren empfangen werden, die von dem Brennkraftmaschinensteuermodul im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht werden. Ein Brennkraftmaschinenbetriebsparameter, der eingestellt wird, ist das Luft/Kraftstoffverhältnis. Kraftstoffversorgungs- und Zündzeitpunktbrennkraftmaschinenbetriebsparameter können von dem Brennkraftmaschinensteuermodul zum Entschwefeln und zum Regenerieren eingestellt werden.
- Ein Warnleuchte kann in Reaktion darauf aktiviert werden, dass das Brennkraftmaschinensteuermodul das Signal zum Einleiten eines Regenierungszyklus empfängt. Nach Aktivieren der Warnleuchte kann das Brennkraftmaschinensteuermodul die Brennkraftmaschine abschalten, es sei denn, dass eine Bedienungsperson den Regenerierungszyklus einleitet. Die Bedienungsperson wird von der Warnleuchte angewiesen, den Regenerierungszyklus durch Betätigung eines Handschalters zu aktivieren.
- Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regenerieren von Teilchenfiltern, Katalysator-Russfiltern und NOx-Adsorberkatalysatoren für Fahrzeuge mit Brennkraftmaschinen zur Verfügung gestellt. Die Brennkraftmaschine weist ein Brennkraftmaschinensteuermodul und eine vereinigte Anordnung aus Starter/Generator, Schwungrad/Retarder auf. Das Verfahren umfasst, den Zustand des Teilchenfilters, der Katalysator-Russfilter und der NOx-Adsorberkatalysatoren abzutasten, und ein Reinigungszykluseinleitungssignal dann zu erzeugen, wenn erfasst wird, dass die Filter oder die Katalysatoren eine Reinigung benötigen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine und des Fahrzeugs werden überwacht, um festzustellen, ob die Brennkraftmaschine im Leerlauf arbeitet, und das Fahrzeug angehalten ist, wodurch ein Brennkraftmaschinenleerlauf/Fahrzeugstoppsignal erzeugt wird. Nach Empfang des Reinigungszykluseinleitungssignals für die Brennkraftmaschine und des Brennkraftmaschinenleerlauf/Fahrzeugstoppsignals stellt das Brennkraftmaschinensteuermodul Brennkraftmaschinensteuerparameter ein, dass die Brennkraftmaschine bei einer bestimmten Betriebsdrehzahl arbeitet. Auch die Temperatur des Abgasstroms wird erfasst. Wird festgestellt, dass die Abgastemperatur zum Regenerieren der Filter unzureichend ist, so wird ein Niedertemperatursignal erzeugt. Wenn das Brennkraftmaschinensteuermodul ein Niedertemperatursignal empfängt, aktiviert es eine Heizvorrichtung im Auspuffrohr, welche direkt das Abgas erhitzt. Das Aktivieren der Heizvorrichtung erhöht die Belastung, die durch die vereinigte Einheit aus Starter/Generator/Schwungrad/Retarder auf die Brennkraftmaschine einwirkt, wodurch das Abgas ebenfalls erwärmt wird.
- Die Heizvorrichtung ist eine Lastbankheizvorrichtung, welche die Temperatur des Abgases infolge der Erhöhung der auf die Brennkraftmaschine einwirkenden Belastung erhöht, die durch die vereinigte Anordnung einwirkt.
- Gemäß anderen Aspekten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Signal zum Einleiten eines Regenerationszyklus von einem Sensor erzeugt, der den Abgasdruck überwacht. Ein Signal zum Einleiten eines Entschwefelungszyklus kann auf Grundlage von Ausgangssignalen von Abgas-NOx-Sensoren, Temperatursensoren, und Luft/Kraftstoffverhältnissensoren erzeugt werden, die von dem Brennkraftmaschinensteuermodul empfangen werden, wobei dieses Signal wiederum das Entschwefeln eines NOx-Adsorberkatalysators einleitet. Das Brennkraftmaschinensteuermodul kann weiterhin das Luft/Kraftstoffverhältnis einstellen, wenn ein NOx-Adsorberkatalysator entschwefelt wird. Kraftstoffversorgung und der Zündzeitpunkt können zusätzlich zu dem Luft/Kraftstoffverhältnis derartige Brennkraftmaschinenbetriebsparameter darstellen, die von dem Brennkraftmaschinensteuermodul eingestellt werden.
- Eine Warnleuchte kann in Reaktion darauf aktiviert werden, dass das Brennkraftmaschinensteuermodul das Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus empfängt. Nach Aktivieren der Warnleuchte sperrt das Brennkraftmaschinensteuermodul die Brennkraftmaschine, es sei denn, dass eine Bedienungsperson den Regenerierungszyklus einleitet. Die Bedienungsperson betätigt einen Handschalter zum Einleiten eines Regenerierungszyklus nach Aktivierung der Warnleuchte.
- Diese und andere Aspekte der Erfindung werden noch besser anhand der beigefügten Zeichnung und der folgenden, detaillierten Beschreibung verständlich.
- In der Zeichnung ist schematisch eine Brennkraftmaschine dargestellt, die ein Auspuffsystemkomponenten- Regenerierungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
- In der Zeichnung ist schematisch eine Brennkraftmaschine
10 für ein Kraftfahrzeug12 dargestellt. Die Brennkraftmaschine10 weist ein Brennkraftmaschinensteuermodul14 auf, das den Betriebsablauf der Brennkraftmaschinen10 steuert, und darüber hinaus das Regenerieren und Entschwefeln von Auspuffbestandteilen gemäß der vorliegenden Erfindung steuert, wie dies nachstehend erläutert wird. - Ein Auslasskrümmersensor
16 und Auspuffendrohrsensoren18 stellen Information für das Brennkraftmaschinensteuermodul14 zur Verfügung, die zum Steuern des Regenerierens von Auspuffbestandteilen verwendet wird. Der Auslasskrümmersensor16 kann Information in Bezug auf NOx-Pegeln, Luft/Brennstoffverhältnisse (λ), Temperatur, und Druck zur Verfügung stellen. Auslasskrümmersensoren16 und Endrohrsensoren18 stellen Information in Bezug auf NOx, λ, und die Temperatur zur Verfügung, die es dem ECM14 ermöglicht, ein sich ergebendes Bedürfnis nach Regenerierung festzustellen. Das ECM kann auch andere Brennkraftmaschinenbetriebsparameter überwachen, um festzustellen, wann eine Regenerierung erforderlich ist. Eine Warnleuchte26 wird aktiviert, nachdem festgestellt wurde, dass es erforderlich ist, ein Teilchenfilter20 , ein Katalysator-Russfilter22 , oder einen NOx-Adsorberkatalysator24 zu regenerieren. Das Leuchten der Warnleuchte fordert die Bedienungsperson auf, einen Schalter28 zu betätigen, um den Regenerierungs/Entschwefelungszyklus beim nächsten Anhalten zum Tanken zu aktivieren. - Wenn das Fahrzeug zum Tanken anhält, bleibt die Brennkraftmaschine
10 normalerweise im Leerlauf. Zu diesem Zeitpunkt steuert, bei angehaltenem Fahrzeug, das ECM die Kraftstoffversorgung, die Zündung, die Drehzahl und andere Brennkraftmaschinenbetriebsparameter je nach Erfordernis, damit die Brennkraftmaschine mit einer vorgegebenen Betriebsdrehzahl läuft. Wenn ein NOx-Adsorberkatalysator regeneriert werden soll, wird auch entsprechend das Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert. - Falls die Abgastemperatur zum Regenerieren/Entschwefeln nicht ausreicht, wird eine Heizvorrichtungslastbank
30 aktiviert, welche Heizelemente32 aufweist. Das Aktivieren der Heizelemente32 erhöht die Abgastemperatur durch direkte Erwärmung des Abgases. Zusätzlich erhöht die Aktivierung der Heizvorrichtungslastbank30 die Belastung der Brennkraftmaschine10 , da elektrische Energie, die von den Heizelementen32 benötigt wird, von der vereinigten Anordnung34 aus Starter/Generator, Schwungrad/Retarder erhalten wird. Die Belastung, welche die vereinigte Anordnung aus Starter/Generator/Schwungrad/Retarder auf die Brennkraftmaschine10 ausübt, erhöht die Belastung der Brennkraftmaschine10 , wodurch wiederum die Abgastemperatur ansteigt. Auf diese Weise wird die Wärme des Abgasstroms wirksam auf Pegel erhöht, die dazu erforderlich sind, Teilchenabgasfilter20 und Katalysator-Russfilter22 zu regenerieren, und NOx-Katalysatoren24 zu entschwefeln. - Falls die Bedienungsperson bei einem nachfolgenden Anhalten zum Tanken nicht einen Regenerierungs/Entschwefelungszyklus einleitet, nachdem die Warnleuchte geleuchtet hat, kann das ECM das Fahrzeug sperren. Das ECM kann das Fahrzeug dadurch sperren, dass es einen Gangeingriff im Getriebe verhindert, oder die Drosselklappe der Brennkraftmaschine sperrt. Das ECM kann auch andere Maßnahmen ergreifen, um den Betrieb des Fahrzeugs zu verhindern, bis der Regenerierungs/Entschwefelungszyklus von der Bedienungsperson eingeleitet wurde. Alternativ kann das System einen Alarm aktivieren, oder die Warnleuchte blinken lassen, um zusätzlich der Bedienungsperson mitzuteilen, dass es erforderlich ist, den Regenerierungs/Entschwefelungszyklus durchzuführen.
- Zwar wurden Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben, jedoch sollen diese Ausführungsformen nicht sämtliche Formen der Erfindung erläutern und beschreiben. Stattdessen stellen die bei der Beschreibung verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe dar, und wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Claims (18)
- System zum Regenerieren von Teilchenfiltern, Katalysator-Russfiltern, und N0x-Adsorberkatalysatoren für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei vorgesehen sind: ein Starter; ein Generator; ein Schwungrad; ein Retarder, wobei der Starter, der Generator, das Schwungrad und der Retarder als vereinigte Anordnung ausgebildet sind; eine Lastbankheizvorrichtung, die in einem Auspuffrohr angeordnet ist, und ein Brennkraftmaschinensteuermodul, das dazu ausgebildet ist, ein Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus zu empfangen, wobei das Brennkraftmaschinensteuermodul die Lastbankheizvorrichtung aktiviert, welche eine Belastung der Brennkraftmaschine darstellt, und Brennkraftmaschinenbetriebsparameter einstellt, nach Empfang des Signals zum Einleiten des Regenerierungszyklus, wenn das Fahrzeug stillsteht, und die Brennkraftmaschine leerläuft.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der Temperatur des Abgases vorgesehen ist, der ein Niedertemperatursignal erzeugt, welches anzeigt, dass die Abgastemperatur unterhalb eines vorbestimmten Pegels liegt, der zum Regenerieren ausreicht, wobei die Lastbankheizvorrichtung aktiviert wird, welche die Temperatur des Abgases erhöht, und die Belastung der Brennkraftmaschine erhöht, durch Einsatz der vereinigten Anordnung, wobei das Brennkraftmaschinensteuermodul die Brennkraftmaschine auf eine vorgegebene Betriebsdrehzahl bringt.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus für ein Filter von einem Sensor in dem Auspuff erzeugt wird, der den Abgasstaudruck überwacht.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zum Einleiten eines Entschwefelungszyklus eines NOx-Adsorberkatalysators in Reaktion auf Signale eingeleitet wird, die von Abgas-NOx-Sensoren, Temperatursensoren, Luft/Kraftstoffverhälnissensoren durch das Brennkraftmaschinensteuermodul empfangen werden.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Entschwefelungszyklus eines NOx-Adsorberkatalysators der eingestellte Brennkraftmaschinenbetriebsparameter das Luft/Kraftstoffverhältnis ist.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschinenbetriebsparameter, die von dem Brennkraftmaschinensteuermodul eingestellt werden, Kraftstoffversorgungs- und Zündeinstellparameter sind.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Warnleuchte in Reaktion darauf aktiviert wird, dass das Brennkraftmaschinensteuermodul das Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus empfängt.
- System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aktivieren der Warnleuchte das Brennkraftmaschinensteuermodul die Brennkraftmaschine sperrt, es sei denn, dass eine Bedienungsperson den Regenerierungszyklus einleitet.
- System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedienungsperson den Regenerierungszyklus durch Betätigung eines Handschalters nach Einschalten der Warnleuchte aktiviert.
- Verfahren zum Regenerieren von Teilchenfiltern, Katalysator-Russfiltern und NOx-Adsorberkatalysatoren für ein Fahrzeug, das eine Dieselbrennkraftmaschine aufweist, die ein Brennkraftmaschinensteuermodul und eine vereinigte Anordnung aus Starter/Generator/Schwungrad/Retarder aufweist, wobei vorgesehen sind: Erfassung des Zustands der Teilchenfilter, der Katalysator-Russfilter, und der NOx-Adsorberkatalysatoren, und Erzeugen eines Signals zum Einleiten eines Reinigungszyklus nach Feststellung, dass die Filter und Katalysatoren eine Reinigung benötigen; Überwachung des Betriebs der Brennkraftmaschine und des Fahrzeugs, um zu bestimmen, ob die Brennkraftmaschine leerläuft, und ob das Fahrzeug anhält, und Erzeugen eines Brennkraftmaschinenleerlauf/Fahrzeugstoppsignals; Empfangen des Signals zum Einleiten eines Brennkraftmaschinenzyklus und des Brennkraftmaschinenleerlauf/Fahrzeugstoppsignals durch das Brennkraftmaschinensteuermodul; Einleitung von Einstellungen von Brennkraftmaschinensteuerparametern, damit die Brennkraftmaschine auf eine vorgegebene Betriebsdrehzahl gebracht wird; Erfassung der Temperatur eines Abgasstroms und Erzeugen eines Niedertemperatursignals bei Feststellung, dass die Abgastemperatur zum Regenerieren der Filter nicht ausreicht; Aktivieren einer Heizvorrichtung im Auspuffrohr in Reaktion auf den Empfang des Niedertemperatursignals durch das Brennkraftmaschinensteuermodul, wobei die Heizvorrichtung direkt das Abgas erwärmt, und auch die Belastung der Brennkraftmaschine durch die vereinigte Anordnung aus Starter/Generator, Schwungrad/Retarder erhöht, wodurch das Abgas erwärmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Lastbankheizvorrichtung ist, welche die Temperatur des Abgases erhöht, und gleichzeitig die auf die Brennkraftmaschine durch die vereinigte Anordnung einwirkende Belastung erhöht.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus durch einen Sensor erzeugt wird, der den Abgasstaudruck überwacht.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal zum Einleiten eines Entschwefelungszyklus erzeugt wird, das auf Ausgangssignalen von Abgas-NOx-Sensoren, Temperatursensoren, und Luft/Kraftstoffverhältnissensoren beruht, die von dem Brennkraftmaschinensteuermodul empfangen werden, und das das Entschwefeln eines NOx-Adsorberkatalysators einleitet.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein NOx-Adsorberkatalysator durch Einstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses entschwefelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschinenbetriebsparameter, von dem Brennkraftmaschinensteuermodul eingestellt werden, Kraftstoffversorgungs- und Zündparameter sind.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Warnleuchte in Reaktion darauf aktiviert wird, dass das Brennkraftmaschinensteuermodul das Signal zum Einleiten eines Regenerierungszyklus empfängt.
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aktivieren der Warnleuchte das Brennkraftmaschinensteuermodul die Brennkraftmaschine sperrt, es sei denn, dass eine Bedienungsperson den Regenerierungszyklus einleitet.
- Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Handschalter von der Bedienungsperson nach Aktivierung der Warnleuchte betätigt wird.
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