WO2004058528A1 - Verfahren zur beheizung eines innenraumes eines fahrzeuges, sowie vorrichtung hierzu - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a ner driving for heating an interior of a vehicle according to the preamble of claim 1, and a device therefor.
  • the invention is based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset and the associated device in such a way that a further increase in the Heat transfer to the coolant and thus an increase in the heat output available.
  • the thermal exhaust gas energy is used, in particular additionally used, for the interior heating, specifically by exhaust gas recirculation and heat exchange of the recirculated exhaust gas component against the coolant, which is heated for interior heating.
  • the residual energy of the recirculated exhaust gas portion additionally heats up the fresh air drawn in, so that the exhaust gas temperature is raised not only by the type of injection which lowers the efficiency, but also by the fact that there is a higher inlet temperature.
  • the internal combustion engine can be operated in the low-load region of the warm-up phase with a very high exhaust gas recirculation rate, which is up to the range of, compared to conventional exhaust gas recirculation rates for internal combustion engines 70% can suffice and for which a design range of 50 to 60% is particularly advantageous.
  • an operating mode according to the invention for an internal combustion engine proves to be expedient, in particular also when the internal combustion engine is being charged, the branching in the exhaust gas recirculation from the exhaust pipe in connection with the charging, in particular via an exhaust gas turbocharger, preferably taking place before the exhaust pipe flows into the exhaust gas turbocharger, so that there is a high temperature level of the exhaust gases at the heat exchanger.
  • the high thermal energy of the exhaust gases also has an advantageous effect on the efficiency and performance of the charger.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention.
  • Fig. 2 shows under a) and b) injection courses lying within the scope of the invention.
  • FIG. 1 illustrates a diesel internal combustion engine 1 to be used as the drive source of a vehicle, not shown, by the schematic representation of a cylinder region 2.
  • the cylinder area 2 shown comprises a piston 5, which operates on a crankshaft (not shown), which delimits a combustion chamber 4 and to which gas-exchange control elements 3 are assigned on the inlet and outlet side, via which the connection of the combustion chamber 4 to the inlet and outlet channels 6, which are also only indicated schematically or 7 is controlled.
  • Inlet channels 6 and outlet channels 7 are connected to the internal combustion engine 1 with regard to their mode of operation with exhaust gas recirculation via an exhaust gas recirculation channel 8 in which a heat exchanger 9 is located and which is connected to the inlet channel 6 via an exhaust gas recirculation valve 10.
  • the exhaust gas recirculation duct 8 between the turbocharger 11 and the internal combustion engine 1 is connected to the exhaust duct 7 and it is the exhaust gas recirculation valve, as with 10 'Illustrated, preferably arranged near the branch of the exhaust gas recirculation duct 8 from the outlet duct 7.
  • the internal combustion engine 1 is liquid-cooled in a manner not shown and has a cooling circuit which is connected to the exhaust gas recirculation channel 8 via the heat exchanger 9, the connection to the cooling circuit of the internal combustion engine 1 being illustrated by the connecting lines 12.
  • the control unit 14 is also assigned to the internal combustion engine 1, which in a known manner as a function of a plurality for the Operation of the vehicle and the operation of the internal combustion engine relevant parameters, among other things, controls the exhaust gas recirculation valve 10, the injection nozzle 13 and possibly also the turbocharger 11, the relevant control paths being indicated by lines 15 to 17.
  • Modern diesel injection internal combustion engines work with such good efficiency that the waste heat generated, particularly in the warm-up phase, but generally also in low-load operating states, for heating the vehicle interior, in particular for rapidly heating it up, often does not occur through heat exchange against the cooling circuit of the internal combustion engine sufficient, especially with appropriate degrees of cold.
  • This is remedied according to the invention in that the thermal energy contained in the exhaust gases of the internal combustion engine as waste heat is also used to heat the vehicle interior, namely by recooling the exhaust gas components returned to the inlet side via the exhaust gas recirculation channel 8 via the heat exchanger 9.
  • the exhaust gas recirculation has one An increase in the temperature level given on the intake side compared to the ambient temperature, and thus also an increase in the starting temperature in the combustion chamber 4 for the compression, so that despite the reduction in the degree of filling due to the temperature, there is a rapid increase in the ignition temperature depending on the compression, and thus - based on ° crank angle - one late injection is possible.
  • a very elongated combustion can be achieved, in particular with appropriate timing of the injection quantities, which, although reducing the efficiency of the internal combustion engine from a performance point of view, leads to a stronger heating of the cooling circuit and to higher exhaust gas temperatures due to the higher waste heat associated with this mode of operation.
  • Fig. 2 shows under a) the stroke of the nozzle needle over ° crank angle in a control of the injection process, in which only one main injection is used and in which the main injection in the sense of the targeted reduction in efficiency is only stretched, ie extended, in the Area extended after OT.
  • injection profile curves according to FIG. 2 are only examples of the possibilities given within the scope of the invention, especially since further design options are opened up via very fast-switching injection injectors.
  • the exhaust gas recirculation can be operated at much higher exhaust gas recirculation rates compared to the power operation of the internal combustion engine, it being within the scope of the invention to work with exhaust gas recirculation rates up to 70%. Ranges from 40 to 70%, in particular from about 50 to 60%, have proven to be particularly advantageous. Depending on the design of the internal combustion engine, the size of the cubic capacity and the respective mode of operation, it may also be advantageous to work with exhaust gas recirculation values below this.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeuges über die Abwärme einer Brennkraftmaschine, die mit Abgasrückführung arbeitet, wird die Abgasrückführung über einen Wärmetauscher zur Innenraumbeheizung genutzt, wobei in lastarmen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine die Einspritzung gezielt auf eine Verringerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist, im Vergleich zum Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei auf eine Leistungsoptimierung der Brennkraftmaschine ausgerichteter Einspritzung.

Description

Verfahren zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeuges, sowie Vorrichtung hierzu.
Die Erfindung betrifft ein Nerfahren zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Vorrichtung hierzu.
Aus der DE 196 44 402 Cl sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt . Ausgehend von einer mit Kraftstoffeinspritzung betriebenen Dieselbrennkraftmaschine, in deren Kühlkreislauf ein Heizwärmetauscher zur Beheizung des Innenraumes des Fahrzeuges eingebunden ist, wird die Brennkraftmaschine zur Erhöhung der für die Innenraumbe- heizung zur Verfügung stehenden Heizleistung in lastarmen Be- triebszuständen, insbesondere während der Warmlaufphase, mit gezielter Verringerung ihres Wirkungsgrades betrieben, um einen höheren Wärmeeintrag auf das Kühlmittel , und damit eine höhere Wärmeabgabe auf den Heizwärmetauscher zu erreichen. Zur gezielten Verringerung des Wirkungsgrades wird vorgesehen, dass die Einspritzung - bezogen auf den optimalen EinspritzZeitpunkt für die Leistung der Brennkraftmaschine - nach spät verschoben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art, und die zugehörige Vorrichtung, dahingehend weiterzubilden, dass sich eine weitere Erhöhung der Wärmeabgabe an das Kühlmittel und damit eine Erhöhung der abrufbaren Heizleistung ergibt.
Erreicht wird dies mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, bzw. einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 19. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird für die Innenraumbeheizung die thermische Abgasenergie genutzt, insbesondere zusätzlich genutzt, und zwar durch Abgasrückführung und Wärmeaustausch des rückgeführten Abgasanteiles gegen das Kühlmittel, das aufgeheizt zur Innenraumbeheizung dient. Die Restenergie des zurückgeführten Abgasanteiles erbringt zusätzlich eine Aufheizung der angesaugten Frischluft, so dass die Abgastemperatur nicht nur über die den Wirkungsgrad verschlechternde Art der Einspritzung angehoben wird, sondern zusätzlich noch dadurch, dass sich eine höhere Eingangstemperatur ergibt. Diese wiederum führt zu einem steileren Druckanstieg im Verdichtungstakt und ermöglicht somit eine Vorverlagerung des Zündzeitpunktes, so dass sich eine Verlängerung der Brennphase ergibt, und in dieser durch entsprechende Steuerung des Einspritzverlaufes, beispielsweise durch Vor- und/oder Nacheinspritzungen bei entsprechender Taktung, eine Verlängerung der Brennzeit und eine Vergleichmäßigung der Verbrennung. Diese wirkt sich in vorteilhafter Weise auch auf das insbesondere in der Warmlaufphase kritische Geräuschverhalten der Brennkraftmaschine aus, so dass die erfindungsgemäße Lösung neben einem „ofenartigen" Brennverhalten mit - bezogen auf eine leistungsopti- mierte Einspritzung - gewollt verschlechtertem Wirkungsgrad und dadurch verbesserter Beheizung des Fahrzeuginnenraumes auch akustisch zu einem besseren Komfortverhalten führt.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die Brennkraftmaschine im lastarmen Bereich der Warmlaufphase mit einer - zu üblichen Abgasrückführraten für Brennkraftmaschinen - sehr hohen Ab- gasrückführrate betrieben werden, die bis in den Bereich von 70 % reichen kann und für die ein Auslegungsbereich von 50 bis 60 % insbesondere vorteilhaft ist.
Ferner erweist sich eine erfindungsgemäße Betriebsweise für eine Brennkraftmaschine insbesondere auch bei Aufladung der Brennkraftmaschine als zweckmäßig, wobei die Abzweigung in der Abgasrückführung vom Abgasrohr in Verbindung mit der Aufladung, insbesondere über einen Abgasturbolader, bevorzugt vor der Einmündung des Abgasrohres auf den Abgasturbolader erfolgt, so dass am Wärmetauscher ein hohes Temperaturniveau der Abgase gegeben ist. Die hohe thermische Energie der Abgase wirkt sich auch auf den Wirkungsgrad und das Leistungsverhalten des Laders vorteilhaft aus.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das in stark schematisierter Darstellung in
Fig. 1 eine Schemadarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und in
Fig. 2 unter a) und b) im Rahmen der Erfindung liegende Einspritzverläufe zeigt.
In Fig. 1 ist eine als Antriebsquelle eines nicht gezeigten Fahrzeuges einzusetzende Diesel-Brennkraftmaschine 1 durch die schematisierte Darstellung eines Zylinderbereiches 2 veranschaulicht. Der dargestellte Zylinderbereich 2 umfasst einen auf eine nicht gezeigte Kurbelwelle arbeitenden Kolben 5, der einen Brennraum 4 begrenzt und dem einlassseitige und auslassseitige Gaswechselsteuerelemente 3 zugeordnet sind, ü- ber die die Verbindung des Brennraumes 4 zu den ebenfalls lediglich schematisch angedeuteten Ein- und Auslasskanälen 6 bzw. 7 gesteuert ist. Einlasskanäle 6 und Auslasskanäle 7 sind für die Brennkraftmaschine 1 im Hinblick auf deren Arbeitsweise mit Abgasrückführung über einen Abgasruckfuhrkanal 8 verbunden, in dem ein Wärmetauscher 9 liegt und der an den Einlasskanal 6 über ein Abgasrückführventil 10 angeschlossen ist. Dieses kann, wie in Volllinien gezeigt, nahe der Einmündung in den Einlasskanal 6 vorgesehen sein. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel, das die Brennkraftmaschine 1 in Verbindung mit einem im durch den Auslasskanal 7 veranschaulichten Abgasstrang liegenden Turbolader 11 zeigt, ist der -Abgasruckfuhrkanal 8 zwischen Turbolader 11 und Brennkraftmaschine 1 an den Auslasskanal 7 angeschlossen und es ist das Abgasrückführventil, wie mit 10' veranschaulicht, bevorzugt nahe der Abzweigung des Abgasrückführkanales 8 vom Auslasskanal 7 angeordnet .
Die Brennkraftmaschine 1 ist in nicht gezeigter Weise flüs- sigkeitsgekühlt und weist einen Kühlkreislauf auf, der zum Abgasruckfuhrkanal 8 über den Wärmetauscher 9 in Verbindung steht, wobei die Verbindung zum Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 durch die Anschlussleitungen 12 veranschaulicht ist. Für den Brennraum 4 des Zylinderbereiches 2 der Diesel- Brennkraftmaschine 1 ist die auf den Brennraum 4 erfolgende Kraftstoffeinspritzung durch eine Einspritzdüse 13 veranschaulicht, und es ist der Brennkraftmaschine 1 des Weiteren ein Steuergerät 14 zugeordnet, das in bekannter Weise in Abhängigkeit von einer Vielzahl für den Betrieb des Fahrzeuges und den Betrieb der Brennkraftmaschine relevanter Parameter u. a. das Abgasrückführventil 10, die Einspritzdüse 13 und gegebenenfalls auch den Turbolader 11 ansteuert, wobei die diesbezüglichen Steuerwege durch die Leitungen 15 bis 17 angedeutet sind. Moderne Diesel-Einspritzbrennkraftmaschinen arbeiten mit so gutem Wirkungsgrad, dass die anfallende Abwärme vor allem in der Warmlaufphase, generell aber auch in lastarmen Betriebs- zuständen, zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes, insbesondere zu einer schnellen Aufheizung desselben, durch Wärmeaustausch gegen den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine häufig nicht ausreicht, vor allem bei entsprechenden Kältegraden. Dem wird erfindungsgemäß dadurch abgeholfen, dass die in den Abgasen der Brennkraftmaschine als Abwärme enthaltene thermische Energie ebenfalls zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes mit herangezogen wird, und zwar durch Rückkühlung der über den Abgasruckfuhrkanal 8 auf die Einlassseite zurückgeführten Abgasanteile über den Wärmetauscher 9. Die Abgasrückführung hat eine Anhebung des einlassseitig gegebenen Temperaturniveaus gegenüber der Umgebungstemperatur zur Folge, und damit auch eine Anhebung der Ausgangstemperatur im Brennraum 4 für die Verdichtung, so dass sich trotz temperaturbedingt verringerten Füllungsgrades verdichtungsabhängig ein schneller Anstieg auf die Zündtemperatur ergibt, und somit - bezogen auf °Kurbelwinkel - eine späte Einspritzung möglich ist. Als Folge davon ist, insbesondere bei entsprechender Taktung der Einspritzmengen eine sehr langgestreckte Verbrennung erreichbar, die zwar den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine unter Leistungsgesichtspunkten verringert, aber aufgrund der mit dieser Arbeitsweise verbundenen höheren Abwärme sowohl zu einer stärkeren Aufheizung des Kühlkreislaufes wie auch zu höheren Abgastemperaturen führt. Dies wiederum wird erfindungsgemäß für die Erhöhung der Heizleistung genutzt, wobei die mit dieser Verfahrensweise verbundene gezielte Verringerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine ohne Nachteile hingenommen werden kann, da sie erfindungsgemäß auf Bereiche lastarmen Betriebes der Brennkraftmaschine beschränkt ist. Fig. 2 zeigt unter a) den Hub der Düsennadel über °Kurbelwinkel bei einer Steuerung des Einspritzverlaufes, bei der nur mit einer Haupteinspritzung gearbeitet wird und bei der die Haupteinspritzung im Sinne der gezielten Verringerung des Wirkungsgrades lediglich gestreckt, d. h. verlängert, und zwar in den Bereich nach OT verlängert wird.
Unter b) ist eine Lösung veranschaulicht, bei der getaktet gearbeitet wird, wobei ■ sowohl im Sinne der Nacheinspritzung, wie strichliert veranschaulicht, eine Taktung erfolgen kann, wie auch im Sinne einer Voreinspritzung, wobei in der Darstellung b) die Haupteinspritzung nach vorne, d. h. gegenüber OT nach vorne verlagert ist, ihrerseits getaktet unterbrochen ist und gegebenenfalls, wie strichliert angedeutet, weitere getaktete Nacheinspritzungen vorgesehen sind.
Die Einspritzverlaufskurven gemäß Fig. 2 stehen für die im Rahmen der Erfindung gegebenen Möglichkeiten nur beispielhaft, zumal über sehr schnell schaltende Einspritzinjektoren weitergehende Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet sind.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abgas- rückführung mit, im Vergleich zum Leistungsbetrieb der Brennkraftmaschine, weit höheren Abgasrückführraten betrieben werden, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, mit Abgasrück- führraten bis in den Bereich zu 70 % zu arbeiten. Bereiche von 40 - 70 %, insbesondere von etwa 50 bis 60 % haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. In Abhängigkeit von der Auslegung der Brennkraftmaschine, der Größe der Hubräume und der jeweiligen Betriebsweise kann es aber auch von Vorteil sein, mit darunter liegenden Abgasrückführwerten zu arbeiten. Dies ungeachtet des im Rahmen der Erfindung vorteilhaften Laderbetriebes der Brennkraftmaschine, da die im Rahmen der Erfindung höheren Abgastemperaturen lediglich im lastarmen Betrieb anfallen, somit eine relativ hohe thermische Energie der Abgase aufgrund der relativ kleinen Abgasmenge keine thermische Überlastung des Abgasturboladers nach sich zieht, andererseits aber bei vergleichsweise geringer Abgasmenge eine hohe Laderleistung zur Folge hat .
Dies ermöglicht hohe Laderdrehzahlen im unteren Leistungsbereich des Motors. Beim Wechsel - hin zu hoher Leistung (Drehmoment) - wird so eine deutliche Steigerung der Motordynamik möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeuges, das mit einer mit Kraftstoffeinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine ausgerüstet ist, bei dem die von der Brennkraftmaschine an ein Kühlmedium abgegebene Abwärme über einen Heizwärmetauscher einer Innenraumheizung zugeführt wird und bei dem die Einspritzung zur Erhöhung der auf das Kühlmedium abgegebenen Wärmemenge in last rmen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit gezielter Verringerung des Wirkungsgrades betrieben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Brennkraftmaschine (1) mit Abgasrückführung, Kühlung des über die Abgasrückführung laufenden Abgasanteiles im Wärmeaustausch gegen das Kühlmittel zur Innenraumbeheizung und Aufheizung der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft über den zurückgeführten Abgasanteil arbeitet .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasrückführung mit einer Rückführrate im Bereich von 10 bis 70 % arbeitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasrückführrate im Bereich von 40 bis 70 % liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasrückführrate im Bereich um 50 bis 60 % liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung hinsichtlich des Einspritzverlaufes auf eine Maximierung des Wärmeeintrages auf das Abgas ausgelegt ist .
6. Verfahren nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung - bezogen auf den optimalen Einspritzpunkt für die Leistung der Brennkraftmaschine - einen nach spät verschobenen Verlaufsbereich aufweist .
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung nach spät verschoben ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung getaktet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung einen Einspritzverlauf mit Haupteinspritzung sowie Vor- und/oder Nacheinspritzung aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung mit zumindest einem Voreinspritztakt arbeitet .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung mit zumindest einem Nacheinspritztakt arbeitet .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung mit einer nach spät verschobenen Haupteinspritzung arbeitet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einspritzung mit einer gestreckten, in Vor- und Nacheinspritzung verlängerten Haupteinspritzung arbeitet.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Brennkraftmaschine mit Aufladung arbeitet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung arbeitet .
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasentnahme für die Abgasrückführung vom Abgasrohr erfolgt .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasentnahme für die Abgasrückführung im Zulauf auf den Lader, insbesondere den Turbolader erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die angesaugte Luftmasse in Teillast durch große AGR- Raten minimiert und der Ladedruck aufgrund großer Turbinenleistung maximiert wird.
19. Vorrichtung zur Beheizung eines Innenraumes eines Fahrzeuges, das mit einer mit Kraftstoffeinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine ausgerüstet ist und bei dem die Brennkraftmaschine einen Kühlkreislauf aufweist, der mit einem Wärmetauscher einer Innenraumbeheizung verbunden ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Brennkraftmaschine (1) mit Abgasrückführung ausgerüstet ist und dass die Abgasrückführung im Übergang von ihrem auslassseitigen Anschluss an den Abgasstrang auf ihren einlassseitigen Anschluss mit dem Wärmetauscher (9) der Innenraumbeheizung wirkverbunden ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasrückführung über den Wärmetauscher der Innenraumbeheizung läuft.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasrückführung über den im Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine liegenden Wärmetauscher läuft.
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