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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und
mit einem Abgasturbolader, der eine mehrflutige Turbine aufweist,
nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, werden zur Leistungssteigerung
aufgeladen, also in einer solchen Weise betrieben, dass Verbrennungsluft
der Brennkraftmaschine mit einem Überdruck zugeführt
wird. Hierfür haben Abgasturbolader weite Verbreitungen
gefunden, die von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben
werden. Mit deren Turbine ist ein Verdichter drehfest verbunden,
der Verbrennungsluft unter Überdruck dem Ansaugtrakt der
Brennkraftmaschine zuführt. Um derartige Abgasturbolader
in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine effektiv und
ohne prinzipbedingte, übermäßige Leistungsunterschiede
in verschiedenen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine betreiben
zu können, werden derartige Abgasturbolader mit verstellbaren
Turbinen oder mit einer verstellbaren Abgasanströmung versehen.
Beispielsweise ist bekannt, zur Verbesserung der Betriebsführung der
Turbine schaltbare Bypässe oder Wastegates vorzusehen,
oder die Turbine mit einer verstellbaren Turbinengeometrie auszurüsten,
also dergestalt, dass entweder im Betrieb über den Betriebsbereich (also
beispielsweise von einer niedrigen hin zu einer hohen Drehzahl der
Brennkraftmaschine und umgekehrt) die Anströmung der Turbine
durch eine variable Leitbeschaufelung oder die Geometrie der Turbine selbst
verstellt wird. Beispielsweise ist aus der
DE 42 42 494 C1 bekannt,
eine Turbine mit einem verstellbaren Strömungsleitapparat
zu versehen, wobei insbesondere für mehrflutige Turbinen
entsprechend angepasste Strömungsleitapparate vorgesehen
sind, die ihrerseits in Verstellung und Geometrie differieren. An
diesem Stand der Technik ist nachteilig, dass verstellbare Strömungsleitapparate
wie auch verstellbare Turbinengeometrien in ungünstigen
Fällen aufgrund der in der Turbine herrschenden Betriebsbedingungen,
nämlich sehr hohe Temperaturen bei teilweise sehr hohen
Laufdrehzahlen, zu Störungen neigen. Insbesondere durch
die sehr hohen Temperaturen der Abgase, die in die Turbine eingebracht
werden, können Bestandteile der Turbine, beispielsweise
deren Gehäuse oder Strömungsleitapparate, in ungünstigen
Fällen zur Verzunderung neigen oder aufgrund thermischer
Beanspruchung verklemmen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern
und einem Abgasturbolader mit mehrflutiger Turbine bereitzustellen,
die die genannten Nachteile vermeidet und hierbei eine betriebssichere
Konstruktion wie auch eine optimierte Nutzung der Abgase der Brennkraftmaschine
ohne unerwünschte Rückwirkungen auf die Brennkraftmaschine
bereitstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Hierzu
wird eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mit einem
Abgasturbolader vorgeschlagen, der eine mehrflutige Turbine aufweist,
die ein Turbinenrad und ein das Turbinenrad umgebendes Turbinengehäuse
aufweist, wobei das Turbinengehäuse mehrere, über
den Umfang des Turbinenrads verteilt angeordnete, sich jeweils über einen
Umfangswinkelbereich erstreckende Anströmkammern aufweist,
die jeweils von einer Flut beaufschlagt werden. Dabei ist vorgesehen,
dass der Umfangswinkelbereich von mindestens einer der Anströmkammern
gegenüber dem Umfangswinkelbereich von mindestens einer
anderen der Anströmkammern unterschiedlich groß ist.
Die Anflutung des Turbinenrades erfolgt folglich über im
Turbinengehäuse angeordnete beziehungsweise ausgebildete Anströmkammern,
wobei diese jeweils von einer der Fluten beaufschlagt werden. Unter
Flut ist hierbei der Anteil des Abgasvolumenstromes gemeint, der
durch die Aufteilung des Abgasvolumenstroms der Brennkraftmaschine
insgesamt in die Fluten jeweils definiert ist. Jede der Fluten weist
hierbei ihre eigene Anströmkammer auf, wobei diese sich über
den Umfangswinkel des Turbinenrades erstrecken. Der Umfangswinkel
um die Turbine (letztlich ein Vollkreis) wird von den Anströmkammern
der Fluten umgriffen, dergestalt, dass jede Anströmkammer
und damit jede Flut des Abgasvolumenstroms in einem anderen Segment
dieses Vollkreises angreift. Derartige, gleich winkelverteilte Anordnungen über
den gesamten Umfangswinkel sind aus der bereits erwähnten
DE 42 42 494 C1 ,
dort
3, prinzipiell bekannt. Anders
als dort sind erfindungsgemäß die Anströmkammern
in ihrer Verteilung über den Umfangswinkel aber in unterschiedlich
große Umfangswinkelbereiche aufgeteilt, dergestalt, dass
wenigstens eine Anströmkammer einen Umfangswinkelbereich
aufweist, der zumindest gegenüber demjenigen einer anderen Anströmkammer
unterschiedlich groß ist. Bei einer Aufteilung in zwei
Fluten ist es demzufolge vorgesehen, eine der Anströmkammern über
einen größeren Umfangswinkelbereich der Turbine
und die andere über einen kleineren Umfangswinkelbereich
der Turbine auszubilden.
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Weiter
ist vorgesehen, dass die Fluten aus den Abgasen der Zylinder der
Brennkraftmaschine gebildet sind, wobei die Abgasvolumenströme
(Volumen pro Zeiteinheit) der einzelnen Fluten unterschiedlich groß und/oder
gleich groß sind. Bei der Ausbildung der Anströmkammern über
unterschiedlich große Umfangswinkelbereiche wird hierbei
der unterschiedlichen Bemessung der einzelnen Fluten und der unterschiedlichen
Abgasvolumenströme der Fluten Rechnung getragen. Es ist
allerdings auch möglich, die Abgasvolumenströme
der einzelnen Fluten gleich groß auszubilden, wobei bei
unterschiedlich bemessenen Anströmkammern eine unterschiedliche
Anströmung des Turbinenrades erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind die Anströmkammern
an unterschiedliche Anzahlen von Zylindern der Brennkraftmaschine
angeschlossen. Die vorstehend beschriebenen Fluten werden demzufolge
derart gebildet, dass sie Abgasvolumenströme einzelner
Zylinder zusammenfassen, wobei die Fluten unterschiedliche Anzahlen
von Zylindern zusammenfassen. Beispielsweise ist es denkbar, eine erste
Flut mit den Abgasvolumenströmen von zwei Zylindern auszubilden,
eine zweite mit den Abgasvolumenströmen von drei Zylindern
und eine dritte mit den Abgasvolumenströmen von nur einem
Zylinder.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die zu einer Flut
zusammengefassten Zylinder derart gewählt, dass die Zündzeitpunkte
der für eine Zusammenfassung gewählten Zylinder
einen möglichst großen Abstand haben. Hierdurch
wird gewährleistet, dass sich die einzelnen Zylinder, die
zu einer Flut zusammengefasst sind, nicht in unterwünschter
Weise gegenseitig beeinflussen. Insbesondere wird so ein sehr gutes
Spülvermögen erreicht, was einen hohen Füllungsgrad
des Zylinders mit geringem Restgasanteil und damit eine effektivere
Verbrennung und Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine im jeweiligen
Zylinder bewirkt. Dadurch, dass die Zündzeitpunkte der
zu der Flut zusammengefassten Zylinder möglichst weit auseinander
liegen, wird, bedingt durch den zyklischen Ablauf der Verbrennung
in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, sichergestellt, dass eine
vollständige Ausströmung eines Zylinders erfolgt,
ohne dass von einem anderen Zylinder, der zur selben Flut gehört,
ausströmendes Abgas auf den ersten Zylinder zurückwirkt.
Zwischen der Abgasausspülung der Zylinder ist nämlich
ausreichend Zeit, damit sich die Auslassventile vollständig
schließen können, sodass eine unerwünschte
Rückwirkung nicht erfolgt. Die Ladungswechsel der einzelnen
Zylinder beeinflussen sich auf diese Weise in geringstmöglicher
Weise. Bei Direkteinspritzung wird ein Kraftstoffüberschieben
vorteilhaft verhindert. Gleichzeitig tritt durch die Restgasminderung
eine Temperaturabsenkung im Brennraum ein, wodurch sich der Füllungsgrad
erhöhen lässt und überdies vorteilhaft
eine geringere Klopfneigung besteht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens
eine der Fluten an weniger Zylinder angeschlossen als mindestens
eine der anderen Fluten. Unter Flut wird hier nicht nur der Abgasvolumenstrom
eines Zylinders beziehungsweise der zusammengefasste Abgasvolumenstrom
mehrerer Zylinder verstanden, sondern vielmehr auch die konstruktive
Ausführung einer solchen Zusammenfassung und Weiterleitung
des Abgasvolumenstroms, beispielsweise durch eine entsprechende
konstruktive Ausbildung des Abgaskrümmers. Der Abgasvolumenstrom
wird hierbei beispielsweise so aufgeteilt, dass eine Flut an weniger
Zylinder angeschlossen ist als mindestens eine der anderen Fluten.
Insbesondere kann dies dadurch geschehen, dass beispielsweise eine
der Fluten so ausgebildet wird, dass ein Abgaskrümmer nur
an beispielsweise zwei Zylinder der Brennkraftmaschine angeschlossen
ist, ein anderer Abgaskrümmer einer anderen Flut aber an
drei oder an vier Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei die Zylinder
der einen Flut stets andere sind als die der anderen Flut. Ein Zylinder
ist demzufolge nicht an zwei oder mehr Fluten angeschlossen. Hierdurch lässt
sich eine vorteilhafte Aufteilung des Abgasvolumenstroms in die
verschiedenen Fluten erreichen, die in der gewünschten
Weise das Turbinenrad in dessen unterschiedlich ausgestalteten Anströmkammern
beaufschlagen.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist mindestens eine der Fluten an nur einen Zylinder angeschlossen,
und mindestens eine andere der Fluten ist an mehr als nur einen
Zylinder angeschlossen. Die nur von einem Zylinder beaufschlagte
Flut weist demzufolge einen geringeren Abgasvolumenstrom auf als
die Fluten, die an mehr als nur einem Zylinder angeschlossen sind.
Es lässt sich hierbei der Abgasvolumenstrom der Brennkraftmaschine
in einer vorteilhaften und besonders vielfältigen Art und
Weise der Zylinderzahl und dem Betriebsbereich des Abgasturboladers
vorteilhaft anpassen. Insbesondere kann das Laufverhalten des Turbinenrades
beziehungsweise insgesamt des Laufzeuges des Abgasturboladers, bestehend
aus Turbinenrad und Verdichterlaufrad, vorteilhaft den gewünschten
Einsatzbereichen angepasst werden.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform,
weist die an wenige Zylinder, insbesondere nur an einen Zylinder,
angeschlossene Flut keinen Bypass auf, während eine an
mehr als nur einen Zylinder angeschlossene Flut einen Bypass für
das Durchströmen des Turbinenrads aufweist oder aufweisen
können. Ein Bypass ist ohne komplizierte und störanfällige
Mechanismen leicht und preiswert herzustellen und aus dem Stand
der Technik bekannt. Über derartige Bypässe lässt
sich durch Verhindern des Umströmens des Turbinenrades
die Leistung des Abgasturboladers regeln, insbesondere an Betriebszustände
der Brennkraftmaschine in sehr einfacher Weise ohne fehleranfällige
Verstellgeometrien anpassen. Hierbei lässt sich vorteilhaft
die nur an einen Zylinder oder nur an wenige Zylinder angeschlossene
Flut bypassfrei ausgestalten, was beispielsweise der Aufrechterhaltung
der Drehzahl des Turbinenrades dient und hierdurch ein einfaches
und beschleunigtes, verzögerungsfreies Hochlaufen ermöglicht.
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Es
wird in einer solchen Ausgestaltung verhindert, dass die Drehzahl
des Turbinenrads unter ein bestimmtes Niveau absinkt, wie dies aber
im Stand der Technik durchaus geläufig ist. Ein solches Absinken
unter ein bestimmtes Drehzahlniveau erschwert nämlich das
Hochlaufen des Laufzeugs in unterwünschter Weise bei erneuter
Druckbeaufschlagung durch Freigabe der Fluten, was zu einem unerwünscht
verzögerten Ansprechen des Abgasturboladers führt.
Wird hingegen vorgesehen, eine nur an wenige, insbesondere an nur
einen Zylinder angeschlossene Flut stets dem Turbinenrad zuzuführen, also
bypassfrei auszubilden, wird hierdurch die Aufrechterhaltung der
Drehzahl des Turbinenrades und des Laufzeugs auch während
der über die anderen Segmente erfolgenden Regelungsphase
sichergestellt, sodass in jedem Zeitpunkt ein sehr schnelles und
praktisch verzögerungsfreies Ansprechen des Abgasturboladers
sichergestellt ist.
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Die
Abstimmung der vorstehend beschriebenen Geometrien, also insbesondere
der jeweiligen Segmentverhältnisse, also der Bestimmung
des Umfangswinkelbereiches jeder Anströmkammer, des jeweiligen
Umschlingungswinkels, der Querschnittsgestaltung der Fluten sowie
der Bypassauslegung kann in weiten Bereichen und sehr vorteilhaft
den Anforderungen des jeweiligen Abgasturboladers beziehungsweise
der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben sowie aus den nachfolgend näher
beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, ohne jedoch hierauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
fünfzylindrige Brennkraftmaschine mit einer dreiflutigen
Turbine und
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2 einen
Querschnitt durch die dreiflutige Turbine.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2,
nämlich einem ersten Zylinder 2.1, einem zweiten
Zylinder 2.2, einem dritten Zylinder 2.3, einem
vierten Zylinder 2.4 und einem fünften Zylinder 2.5. Über
Abgaskrümmer 3 werden Abgasvolumenströme
der einzelnen Zylinder 2 abgeführt. Es werden
hierbei über einen ersten Abgaskrümmer 3.1 die
Abgase des ersten Zylinders 2.1 und des vierten Zylinders 2.4 zusammengefasst
zu einer Flut 4, nämlich einer ersten Flut 4.1.
Weiter werden die Abgasvolumenströme des zweiten Zylinders 2.2 und des
fünften Zylinders 2.5 in einem zweiten Abgaskrümmer 3.2 zu
einer dritten Flut 4.3 zusammengefasst, wohingegen der
Abgasvolumenstrom des dritten Zylinders 2.3 über
einen dritten Abgaskrümmer 3.3 eine zweite Flut 4.2 ausbildet.
Die drei Fluten 4, nämlich die erste Flut 4.1 bis
zur dritten Flut 4.3, werden zum Betrieb eines an die Brennkraftmaschine 1 angeschlossenen
Abgasturboladers 5, von dem vorliegend nur die Turbine 6 dargestellt
ist, der Turbine 6 zugeführt. Von der Turbine 6 abgehend
werden die Abgasvolumenströme der einzelnen Fluten 4 über ein
nur symbolisch dargestelltes Abgasableitesystem 7 abgeführt.
Die Zusammenfassung der Abgasvolumenströme der einzelnen
Zylinder 2 ist hierbei so gewählt, dass die Zündabstände
der einzelnen Zylinder 2 beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 einen
möglichst großen Abstand aufweisen. Demzufolge
sind der erste Zylinder 2.1 und der vierte Zylinder 2.4 zur ersten
Flut 4.1 zusammengefasst, was über eine entsprechende
konstruktive Ausbildung des ersten Abgaskrümmers 3.1 erfolgt.
Die zweite Flut 4.2 wird nur von dem dritten Zylinder 2.3 gebildet,
während die dritte Flut 4.3 über eine
entsprechend konstruktive Ausgestaltung des zweiten Abgaskrümmers 3.2 von dem
zweiten Zylinder 2.2 und dem fünften Zylinder 2.5 gebildet
wird. Bei einer solchen Zusammenfassung einzelner Zylinder 2 zu
Fluten 4, wobei kein Zylinder 2 mehr als nur einer
Flut 4 angeschlossen ist, lässt sich eine gegenseitige
Beeinflussung der einzelnen Zylinder 2 über die
Abgaskrümmer 3 weitestgehend ausschließen,
wodurch ein sehr vorteilhaftes Spülverhalten erreicht wird.
Die Ausbildung der zweiten Flut 4.2 mit dem Abgasvolumen-Strom
nur des dritten Zylinders 2.3 lässt die Drehzahlaufrechterhaltung
der Turbine 6 auch dann zu, wenn die erste Flut 4.1 und
die dritte Flut 4.3 durch (hier nicht dargestellte) Bypässe
oder andere Regel- und/oder Absperrmechanismen die Turbine 6 nicht
beaufschlagen, sondern beispielsweise an der Turbine 6 vorbeigeleitet
werden, um entsprechenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 Rechnung
zu tragen. Selbstverständlich kann die Zusammenfassung
der einzelnen Zylinder 2 in Abhängigkeit von der
Zylinderzahl der Brennkraftmaschine 1 und von deren Zündreihenfolge
von dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen.
Die Zusammenfassung erfolgt sinnvoller weise, wie bereits beschreiben,
stets in der Art, dass die zu einer Flut 4 zusammengefassten
Zylinder 2 einen möglichst großen Zündabstand zueinander
aufweisen. Die Geometrie der Abgaskrümmer 3 und
der einzelnen Fluten 4 ist hierbei an die Abgasvolumenströme,
wie sie sich durch Zusammenfassung einzelner oder mehrerer Zylinder 2 ergeben,
anzupassen.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch die Turbine 6, die
als dreiflutige Turbine 8 ausgebildet ist. Diese weist,
um eine Drehachse 9 gelagert, ein Turbinenrad 10 zum
Betrieb eines hier nicht dargestellten Verdichters des Abgasturboladers 5 auf.
Die Turbine 6 weist hierbei ein Turbinengehäuse 11 auf,
in das Anströmkammern 12 eingebracht sind. Jede
Anströmkammer 12 wird hierbei von einer Flut 4 beaufschlagt.
Die Anströmkammern 12 sind dergestalt ausgebildet,
dass sie über einen das Turbinenrad 10 umgebenden
Vollkreis verteilt sind. Jede Anströmkammer besitzt hierbei
einen Umfangswinkelbereich 13, mit dem sie ein dem Umfangswinkelbereich 13 entsprechendes
Segment des Turbinenrads 10 anströmt. Selbstverständlich
kann das Segment des Turbinenrads, das tatsächlich von
dem Abgasvolumenstrom der jeweiligen Flut 4 beaufschlagt wird,
kleiner als der Umfangswinkelbereich 13 sein, abhängig
von Anströmwinkel und Anströmgeschwindigkeit,
der das Turbinenrad 10 zum vorteilhaften Betrieb treffen
soll. Damit ist gemeint, dass die Anströmkammer 12 nicht
jeweils zum Turbinenrad 10 hin vollständig geöffnet
sein muss, sondern beispielsweise nur über einen dem Turbinenrad 10 benachbarten Bereich
geöffnet ist, im Übrigen jedoch geschlossen. Den
Umfangswinkelbereichen 13 entsprechen unterschiedliche
Umfangswinkel α, β und γ. Hierbei gilt, dass
mindestens einer der Umfangswinkel α, β oder γ ungleich
den anderen Umfangswinkeln α, β oder γ ist.
Beispielsweise ist vorliegend der Umfangswinkel α der ersten
Flut 4.1 zugeordnet, wobei dieser kleiner ist als der Umfangswinkel β,
der der zweiten Flut 4.2 zugeordnet ist. Der Umfangswinkel γ letztlich,
der der dritten Flut 4.3 zugeordnet ist, ist wiederum kleiner als
es die Umfangswinkel α und β jeweils sind. Auf diese
Weise lassen sich die Anström- und Druckverhältnisse
auf das Turbinenrad 10 in Abhängigkeit der Zusammenfassung
von Zylindern 2 (vergleiche 1) zu den
einzelnen Fluten 4 zur vorteilhaften Betriebsführung
der Turbine 6 berücksichtigen.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 2.1
- erster
Zylinder
- 2.2
- zweiter
Zylinder
- 2.3
- dritter
Zylinder
- 2.4
- vierter
Zylinder
- 2.5
- fünfter
Zylinder
- 3
- Abgaskrümmer
- 3.1
- erster
Abgaskrümmer
- 3.2
- zweiter
Abgaskrümmer
- 3.3
- dritter
Abgaskrümmer
- 4
- Flut
- 4.1
- erste
Flut
- 4.2
- zweite
Flut
- 4.3
- dritte
Flut
- 5
- Abgasturbolader
- 6
- Turbine
- 7
- Abgasableitesystem
- 8
- dreiflutige
Turbine
- 9
- Drehachse
- 10
- Turbinenrad
- 11
- Turbinengehäuse
- 12
- Anströmkammer
- 13
- Umfangswinkelbereich
- α, β, γ
- Umfangswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4242494
C1 [0002, 0004]