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Hintergrund
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer
Vorrichtung zum selektiven Abschalten eines oder mehrerer Einlass- und/oder
Auslassventile.
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2. Stand der Technik
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Herkömmliche
Verbrennungsmotoren nutzen einen nockenwellengetriebenen Ventiltrieb
zum Betreiben von Einlass- und Auslassventilen, die den Austausch
von Gasen und Kraftstoff in den zwischen dem Motorblock und Zylinderkopf
ausgebildeten Brennräumen steuern. Bei Ventiltrieben mit
obenliegender Nockenwelle treiben Nockenwellennocken Kipphebel,
die Ventile betätigen, direkt an, wogegen Motoren mit „Nockenwelle
im Block" oder Stößelstangenmotoren Stößelstangen
zum Verbinden von Nockenwellennocken mit entsprechenden Kipphebeln nutzen.
Relativ dünne (oder flache) Kipphebel, die um eine Kugel
schwenken, die durch einen am Motorblock befestigen Sockel oder
einen Drehpunktsitz gelagert ist, wurden entwickelt, um die Betätigung mehrer
Ventile pro Zylinder zu erleichtern, wie in der gemeinsam gehaltenen
und gleichzeitig angemeldeten
US-Patentanmeldung
Nr. 11/308,021 , eingereicht am 3. März 2006, offenbart
wird. Diese Anordnung betätigt alle zugeordneten Einlass-/Auslassventile
für jede Nockenwellenumdrehung.
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Unter
verschiedenen Motor-, Fahrzeug- und/oder Umgebungsbetriebsbedingungen
kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere Ventile für
einen oder mehrere Zylinder selektiv abzuschalten, d. h. das Öffnen
eines oder mehrerer Einlass- und/oder Auslassventile entweder für
alle Motorzylinder oder eine Untergruppe von Zylindern während
des Startens, Stoppens oder Laufens des Motors selektiv zu verhindern.
Charakteristische Anwendungen für eine selektive Ventilabschaltung
können umfassen: Motoren veränderlichen Hubraums
oder Zylinderabsperrsysteme, die unter ausgewählten Bedingungen
mit einer Untergruppe von Zylindern arbeiten; Abschaltung eines
Einlassventils an einem Motor mit mehreren Einlassventilen pro Zylinder
zum Verbessern von Verwirbelungsbewegung bei ausgewählten
Motordrehzahlen; und Abschalten von Ventilen während Motorstartens
und/oder -laufens, um zum Beispiel die Abgastemperatur zu verändern
und die Betriebstemperatur von Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen
zu steuern.
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Unabhängig
von der bestimmten Anwendung für ein Ventilabschaltsystem
ist es im Allgemeinen wünschenswert, Ventilabschaltung
und anschließende erneute Einschaltung mit anderen Motorereignissen,
wie zum Beispiel Kraftstoffeinspritzung und Kolbenstellung, zuverlässig
synchronisieren zu können. Ferner ist es wünschenswert,
dass das System nicht die Ventiltriebleistung durch Hinzufügen
von Masse bei den sich bewegenden Komponenten beeinträchtigt;
dass es ohne Änderungen komplexer Teile wie z. B. des Zylinderblocks,
des Zylinderkopfs oder des Motorschmiersystems umgesetzt wird; dass es
kompakt und von geringem Gewicht ist; und dass es bei Gas- und Dieselmotoren
mit mehreren Ventilen pro Zylinder einsetzbar ist.
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Kurzdarlegung
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Ein
System und ein Verfahren zum selektiven Abschalten mindestens eines
Einlass-/Auslassventils eines Verbrennungsmotors umfassen eine Drehpunktsitzplatte,
die eine Durchgangsbohrung mit einem Kolben aufweist, der an einem
Ende eine Schwenkkugelpfanne aufweist, die in der Durchgangsbohrung
angeordnet ist, und der in der Bohrung gleiten kann, wenn sich ein
entsprechender Verriegelungsmechanismus in einer Ventilabschaltstellung
befindet. Der Verriegelungsmechanismus beschränkt die Gleitbewegung
des Kolbens in die Durchgangsbohrung der Drehpunktsitzplatte in
der Ventileinschaltstellung, so dass der Kipphebel um die Kugel
schwenkt und das zugeordnete Ventil öffnet. Der Verriegelungsmechanismus
lässt eine Gleitbewegung des Kolbens, der eine Torsionsleerlauffeder entgegenwirkt,
in die Durchgangsbohrung der Drehpunktsitzplatte in der abgeschalteten
Stellung zu, so dass die Kipphebelbewegung zum Öffnen des
zugeordneten Ventils nicht ausreicht. Der Verriegelungsmechanismus
wird als Reaktion auf ein Steuersignal von dem Motor- oder Fahrzeugsteuergerät
durch ein mechanisch gekoppeltes Solenoid betätigt, das über der
Kipphebelabdeckung positioniert ist.
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In
einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Offenbarung umfasst ein Verbrennungsmotor mit mehreren jedem Zylinder
zugeordneten Gasaustauschventilen mindestens ein Ventil, das als
Reaktion auf ein Befehlssignal selektiv abgeschaltet wird. Der Motor
umfasst unabhängig schwenkbare Kipphebel, die jeweils einem
der Gasaustauschventile zugeordnet sind, wobei jeder Kipphebel eine
mittlere Öffnung umfasst, die von einer unteren Wand mit einer
integral ausgebildeten Schwenkkugelaufnahme festgelegt ist. Ein
Drehpunktsitz erstreckt sich durch die mittlere Öffnung
jedes einem bestimmten Zylinder zugeordneten Kipphebels und umfasst
eine obere Fläche mit einer darin ausgebildeten Tasche
mit mindestens einer Keilnabenprofil-Durchgangsbohrung für
jedes Ventil, das selektiv abgeschaltet werden kann, und einer unteren
Fläche mit einer darin ausgebildeten Schwenkkugelaufnahme
für jedes Ventil, das nicht abgeschaltet werden kann. Ein
Kolben mit einem Keilwellenprofil entlang mindestens eines Teils seiner
Länge ist in jeder Durchgangsbohrung des Drehpunktsitzes
angeordnet und kann zwischen einer eingeschalteten Stellung und
einer abgeschalteten Stellung gleiten. Der Kolben umfasst an einem Ende
eine Schwenkkugelaufnahme und ist dafür ausgelegt, an einem
gegenüberliegenden Ende eine Leerlauftorsionsfeder aufzunehmen.
Ein jedem Kolben zugeordneter Verriegelungsmechanismus umfasst ein
in der Tasche des Drehpunktsitzes angeordnetes Keilnabenprofil-Verriegelungszahnrad,
das zwischen einer eingeschalteten Stellung, die eine Gleitbewegung
des Kolbens durch Fehlausrichtung des Keilnabenprofils des Verriegelungszahnrads
und des Keilwellenprofils des Kolbens beschränkt, und einer
abgeschalteten Stellung, die das Keilnabenprofil des Verriegelungszahnrads
mit dem Keilwellenprofil des Kolbens ausrichtet, um eine Gleitbewegung
des Kolbens in der Drehpunktsitzplatte zu ermöglichen, drehbar.
Eine Leerlauftorsionsfeder weist einen ersten Federschenkel in Kontakt
mit einem zugeordneten Kolben und einen zweiten Schenkel in Kontakt mit
dem Drehpunktsitz auf, um eine Vorspannkraft vorzusehen, die der Gleitbewegung
des zugeordneten Kolbens in der Durchgangsbohrung widersteht, wenn
sich der Kolben im abgeschalteten Zustand als Reaktion auf den Kipphebel
bewegt, und den Kolben während des Grundkreisteils der
Nockenwellendrehung zu der eingeschalteten Stellung zurückführt. Ein
Solenoid ist über der Kipphebelabdeckung angeordnet und
durch eine Sechskantwelle mit einem Antriebszahnrad mechanisch verbunden,
das in der Tasche des Drehpunktsitzes angeordnet ist und mit mindestens
einem Verriegelungszahnrad gekoppelt ist, um das Antriebszahnrad
und das zugeordnete Verriegelungszahnrad/die zugeordneten Verriegelungsräder
als Reaktion auf ein Befehlssignal zwischen eingeschalteten und
abgeschalteten Stellungen zu drehen.
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Eine
Ausführung eines Verfahrens zum Abschalten eines Einlass-/Auslassventils
in einem Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Offenbarung umfasst
das Drehen eines Verriegelungszahnrads zwischen einer eingeschalteten
Stellung, die ein Gleiten eines Schwenkkugelkolbens in einer entsprechenden
Bohrung in einem Drehpunktsitz verhindert, so dass der Kipphebel
um die Schwenkkugel schwenkt, um ein zugeordnetes Gasaustauschventil zu öffnen,
und einer abgeschalteten Stellung, die den Kolben in der entsprechenden
Bohrung in dem Drehpunktsitz gleiten lässt, so dass die
Kipphebelbewegung nicht ausreicht, um das zugeordnete Gasaustauschventil
zu öffnen.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst Ausführungen mit verschiedenen
Vorteilen. Zum Beispiel sehen die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung
eine Ventilabschaltung für einen Fremdzündungs-
oder Kompressionszündungsverbrennungsmotor mit mehreren
Ventilen pro Zylinder unter Verwendung von kostengünstigen,
direkt gebildeten Komponenten mit wenig oder keiner maschinellen Bearbeitung
und eines Verriegelungsmechanismus vor, die die Masse des aktiven
Ventiltriebs nicht vergrößern. Das Verriegelungssystem
ist an einer Drehpunktsitzanordnung enthalten, die mit einer Standarddrehpunktsitzanordnung
austauschbar ist, so dass keine Abwandlung des Zylinderkopfs erforderlich
ist. Eine Betätigung des Systems nutzt Drehbewegung, so
dass keine Anfälligkeit für lineare G-Lasten vorliegt,
und wird von einem mechanisch gekoppelten (keine Hydraulik), schnell
ansprechenden Solenoid angetrieben, um eine zuverlässige
Zeitsteuerung der Betätigung vorzusehen. Ein direktes Koppeln des
betätigenden Solenoids erfordert keine Abwandlung des Motorschmiersystems
und liefert eine zuverlässige Betätigung, die
nicht von niedrigem oder sich ändernden Öldruck
beeinflusst wird, der bei niedrigen Motordrehzahlen häufig
vorkommt. Zudem sieht das direkt ansprechende Solenoid der vorliegenden
Offenbarung einen schnell ansprechenden Verriegelungsmechanismus
vor, der gekoppelt werden kann, um mehrere Ventile mit Hilfe eines
einzigen Solenoids abzuschalten. Das betätigende Solenoid
kann außerhalb der Kipphebelabdeckung angebracht sein,
so dass das Solenoid nicht anfällig für Motorölverunreinigung
ist und für eine Steuerleitungsmontage und jede anschließende
Wartung leicht zugänglich ist.
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Die
obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden
eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen in
Verbindung mit den Begleitzeichnungen mühelos hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Teilquerschnitt, der eine Ausführung eines Verbrennungsmotors
mit einem selektiven Einlass-/Auslassventil-Abschaltsystem nach
der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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2 ist
eine Montageansicht, die Komponenten eines selektiven Ventilabschaltmechanismus nach
einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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3 ist
eine teilweise montierte Ansicht eines Ventilabschaltmechanismus
nach einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung; und
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4 ist
ein teilweiser Querschnitt, der den Betrieb eines Ventilabschaltmechanismus
nach einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Eingehende Beschreibung der bevorzugten
Ausführung(en)
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Wie
für den Durchschnittsfachmann verständlich ist,
können verschiedene Merkmale der unter Bezug auf eine der
Figuren veranschaulichten und beschriebenen Ausführungen
mit in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulichten Merkmalen
kombiniert werden, um alternative Ausführungen zu erzeugen,
die nicht eigens veranschaulicht oder beschrieben werden. Die veranschaulichten Merkmalskombinationen
stellen charakteristische Ausführungen für typische
Anwendungen bereit. Es können aber verschiedene Kombinationen
und Abwandlungen der Merkmale, die mit der Lehre der vorliegenden
Offenbarung konform sind, für bestimmte Anwendungen oder
Umsetzungen erwünscht sein. Die in den Darstellungen verwendeten
charakteristischen Ausführungen betreffen im Allgemeinen
einen direkteingespritzten Viertakt-Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor
mit mehreren Zylindern mit einer Nockenwelle im Block oder Stößelstangen-Ventiltrieb.
Der Durchschnittsfachmann kann ähnliche Anwendungen oder
Umsetzungen mit anderen Motor-/Fahrzeugtechnologien erkennen, einschließlich
aber nicht ausschließlich zum Beispiel fremdgezündete
Motoren mit Ventiltrieben mit einzelner oder doppelter obenliegender
Nockenwelle.
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Die 1–4 veranschaulichen
den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Ventiltrieb mit mindestens
einem selektiv abgeschalteten Ventil nach einer charakteristischen
Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Mehrzylinderverbrennungsmotor 10 ist
mit Ausnahme verschiedener Ventiltriebkomponenten wie hierin beschrieben
zum Vorsehen selektiver Abschaltung eines oder mehrerer Einlass-/Auslassventile
allgemein von herkömmlicher Auslegung. Daher werden dem
Motor und Ventiltrieb zugeordnete verschiedene herkömmliche
Merkmale nicht eigens veranschaulicht oder beschrieben. Der Durchschnittsfachmann
wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Typen
und Auslegungen von Motoren verwendet werden kann, einschließlich
aber nicht ausschließlich Kompressionszündungs-
und Fremdzündungsmotoren, die zum Beispiel in „V"-Konfiguration
oder einer Reihenauslegung angeordnet sind. Die zum Beschreiben
der Erfindung gezeigten charakteristischen Ausführungen umfassen
einen Kompressionszündungsdieselmotor mit vier Ventilen
pro Zylinder. Die vorliegende Erfindung kann aber in allen Anwendungen
mit mindestens zwei Gasaustauschventilen verwendet werden, einschließlich
Anwendungen mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem
Auslassventil. Analog ist die Erfindung besonders zur Verwendung in
Motoren mit mehreren Ventilen geeignet, die aufgrund seines kompakten
Designs gleichzeitig durch einen einzelnen Nockenwellennocken und
-stößel gesteuert werden, wenngleich die Erfindung
auch in Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen separate Stößel
zum Betätigen jedes Ventils verwendet werden. Während
die vorliegende Erfindung in einer Auslegung mit einem Motor mit
Nockenwelle im Block unter Verwendung von Stößelstangen
zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile gezeigt wird (auch
als Ventiltrieb Typ 5 bezeichnet), kann die Erfindung auch auf Anwendungen übertragen
werden, bei denen die Kipphebel direkt durch eine Nockenwelle mittels
eines Stößels betätigt werden (auch als Ventiltrieb
Typ 4 bezeichnet). Der Durchschnittsfachmann wird verschiedene andere
Motorauslegungen erkennen, bei denen eine erfindungsgemäße
Kipphebelanordnung vorteilhaft sein kann.
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Wie
in dem Teilfreischnitt/Querschnitt einer charakteristischen Anwendung
in 1 gezeigt, umfasst der Mehrzylinderverbrennungsmotor 10 eine
in einem Motorblock 14 angeordnete Nockenwelle 12 und
kann als Motor mit Nockenwelle im Block bezeichnet werden. Jeder
Zylinder 16 (wovon nur einer gezeigt wird) umfasst einen
Hubkolben 18, der durch eine Pleuelstange 20 mit
einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle verbunden ist. Der Zylinderkopf 22 ist
an dem Motorblock 14 befestigt und sieht (nicht dargestellte)
herkömmliche Einlass- und Auslassdurchlässe vor,
die mit (nicht dargestellten) entsprechenden Kanälen im
Zylinderkopf 22 verbunden sind, die Gasauslassventilen 28 zugeordnet
sind, die Einlassventile 30, 32 sowie Auslassventile 36, 38 umfassen.
Der Zylinderkopf 22 umfasst herkömmliche Ausstattung, beispielsweise
Ventilführungen,
-sitze etc. (nicht dargestellt),
die dem Betrieb der Gasaustauschventile 28 zugeordnet sind.
Ein Kraftstoffinjektor 40 liefert dem Zylinder 16 als
Reaktion auf ein von einem zugeordneten Motorsteuergerät
geliefertes Signal Kraftstoff. Auch wenn in 1 ein Direkteinspritzmotor
gezeigt wird, kann die vorliegende Erfindung in Motoren mit anderen
Kraftstoffeinspritzstrategien verwendet werden, beispielsweise Kanaleinspritzung.
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Der
Motor 10 umfasst einen Ventiltrieb 50 zum Steuern
des Einlassens von Luft und/oder Kraftstoff (bei kanaleingespritzten
Motoren) in den Zylinder 16 und Ablassen von Verbrennungsgasen.
Der Ventiltrieb 50 umfasst Ventile 28, Ventilfedern 52, Kipphebel 54,
Stößelstangen 56 und Stößel 58,
die manchmal als Nockenstößel bezeichnet werden.
Die Nockenwelle 12 umfasst Nocken 70 zum Betätigen der
Ventile 28. In einer Ausführung umfasst die Nockenwelle 12 einen
einzelnen Nocken zum Betreiben eines Paars von Einlassventilen 30, 32 und
einen anderen einzelnen Nocken zum Betreiben eines Paars zugeordneter
Auslassventile 36 und 38. Daher kann jeder Stößel 58 unabhängig
betreibbare Hydraulikspielausgleichselemente umfassen, um Spiel
in Verbindung mit jedem des Paars von Stößelstangen, Kipphebeln
und Ventilen auszugleichen.
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Jedes
Ventil 30, 32, 36, 38 weist
einen zugeordneten, unabhängig schwenkbaren Kipphebel 100, 102, 104, 106 (am
Besten in 3 gezeigt) auf. Die einem Zylinder
zugeordneten Kipphebel 54 sind an einem entsprechenden
Drehpunktsitz 60 angebracht, der am Zylinderkopf 22 befestigt
ist. Die Kipphebel 54 schwenken um eine Schwenkkugel 74,
die durch den Drehpunktsitz 60 gelagert ist, um ein zugeordnetes Ventil 28 zu öffnen,
wobei das Ventil durch die Kraft einer zugeordneten Ventilfeder 52 geschlossen
ist. Der Drehpunktsitz 60 umfasst eine selektive Ventilabschaltvorrichtung 62,
die durch ein Drehsolenoid 64 angetrieben wird, das durch
eine Welle 66 mechanisch gekoppelt ist, die sich durch
die Kipphebelabdeckung 68 erstreckt und einen Verriegelungsmechanismus 70 antreibt,
der einem Kolben 72 zugeordnet ist, der die Schwenkkugel 74 lagert.
Der Verriegelungsmechanismus 70 und der Kolben 72 sind durch
eine untere Platte 76 und eine obere Platte 78 in
dem Drehpunktsitz 60 aufgenommen, wie in größerem
Detail hierin veranschaulicht und beschrieben wird (siehe zum Beispiel 4).
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Bei
Betrieb berührt der Stößel 58 den
Nocken 80 der Nockenwelle 12. Wenn die Nockenwelle 12 dreht,
hebt der Nocken 80 den Stößel 58 und
die zugeordneten Stößelstangen 56 an,
die entsprechende Kräfte auf zugeordnete Kipphebel 100, 102 ausüben.
Jeder Kipphebel 100, 102 schwenkt in einer einzigen
Ebene um eine entsprechende Aufnahme 74, die von dem Drehpunktsitz 60 gelagert
wird. Bei Ventilen, die nicht selektiv abgeschaltet werden können,
wird die Schwenkkugel 74 direkt von einer entsprechenden
Pfanne in der unteren Fläche des Drehpunktsitzes 60 gelagert.
Bei Ventilen, die einer offenbarungsgemäßen selektiven
Abschaltungsvorrichtung zugeordnet sind, wird die Schwenkkugel 74 von
einem entsprechenden Kolben 72 gelagert, der im Wesentlichen
fest ist (nach Beseitigen mechanischen Spiels durch die (in etwa)
anfängliche 0,1 mm Aufwärtsbewegung des Kolbens 72),
wenn er sich im Modus mit eingeschaltetem Ventil befindet. Bei Ventilen,
die nicht abgeschaltet werden können und bei selektiv abgeschalteten
Ventilen im eingeschalteten Modus schwenken daher die Kipphebel 100, 102 um entsprechende
Schwenkkugeln, um die im Allgemeinen aufwärts gerichtete
Bewegung von den Stößelstangen 56 in
eine im Allgemeinen abwärts gerichtete Bewegung zum Bewegen
der Ventile 28 gegen die zugeordneten Federn 52 umzusetzen,
um zugeordnete Einlass-/Auslasskanäle zu dem Zylinder 16 zu öffnen.
Bei selektiv abgeschalteten Ventilen im abgeschalteten Modus gleitet
der Kolben 72 in dem Drehpunktsitz 60 als Reaktion
auf eine Aufwärtsbewegung der Stößelstange 56,
so dass die sich ergebende Schwenkbewegung des Kipphebels 100 vermindert
und ungenügend ist, um die Kraft einer zugeordneten Ventilfeder 52 zu überwinden,
so dass das zugeordnete Einlass-/Auslassventil bzw. die zugeordneten
Einlass-/Auslassventile geschlossen bleibt/bleiben.
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Die 2–3 zeigen
Komponenten in einer selektiven Ventilabschaltvorrichtung 62 nach
einer offenbarungsgemäßen Ausführung.
Wie für den Fachmann nachvollziehbar ist, werden nur die
Komponenten eingehend veranschaulicht und beschrieben, die dem Betrieb
des Ventilabschaltmerkmals der vorliegenden Offenbarung zugeordnet
sind. Komponenten und Einzelheiten des Drehpunktsitzes 60 in Verbindung
mit dem Betrieb der verbleibenden Ventile des Drehpunktsitzes werden
nicht gezeigt. Zum Beispiel umfasst die untere Fläche des
Drehpunktsitzkörpers 60 darin ausgebildete Schwenkkugelaufnahmen
zum Aufnehmen von Schwenkkugeln, die den Kipphebeln 104, 106 für
jedes Ventil zugeordnet sind, das nicht abgeschaltet werden kann.
Analog verzichtet 3 auf die obere Platte 78 und
die untere Platte 76, um die Beziehung verschiedener Komponenten,
die ansonsten verdeckt sein würden, im montierten Zustand
besser zu veranschaulichen.
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Die
Vorrichtung 62 umfasst einen Drehpunktsitzkörper 60 mit
einer in einer oberen Fläche ausgebildeten Tasche 90.
Die Tasche 90 umfasst zusätzlich zu einem ausgesparten
Bereich zum Aufnehmen des unteren Teils 94 eines Antriebszahnrads 96 Durchgangsbohrungen 92, 92',
die jedem Ventil, das selektiv abgeschaltet werden kann, entsprechen.
Die Durchgangsbohrungen 92, 92' umfassen mindestens einen
sich axial erstreckenden Schlitz (oder alternativ einen Keil), der
sich entlang mindestens eines Teils deren Länge erstreckt,
der mit einem entsprechenden Keil (oder alternativ einem Schlitz)
in zugeordneten Kolben 72, 72' zusammenwirkt,
so dass die Kolben 72, 72' in jeweiligen Durchgangsbohrungen 92, 92' ohne
Drehen gleiten.
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In
einer bevorzugten Ausführung umfasst jeder Kolben 72, 72' einen
oberen zylindrischen Teil ohne Kerbung oder Nute, die in einer oberen
Fläche enden und zum Aufnehmen eines Endes 120 einer Torsionsleerlauffeder 122 ausgelegt
sind. Die obere Fläche der Kolben 72, 72' kann
wie in 2 und 3 gezeigt allgemein konkav sein,
um die Montage zu erleichtern und Kontakt mit entsprechenden Federn 122, 122' zu
halten, oder kann abhängig von der bestimmten Anwendung
und Umsetzung andere Merkmale, wie zum Beispiel einen U-förmigen
Kanal (4) umfassen. Die Kolben 72, 72' umfassen
einen unteren Teil mit einem geraden Keilwellenprofil mit mehreren,
sich axial erstreckenden und umlaufend gleichmäßig
beabstandeten Nuten mit insgesamt 9 (neun) Nuten etwa vierzig (40)
Grad mittig. Die Kolben 72, 72' umfassen ein (nicht
eigens dargestelltes) unteres Ende mit einer konkaven Aufnahme, die
jeweils zum Koppeln mit einer Schwenkkugel 74, 74' ausgelegt
ist. Durchgangsbohrungen 92, 92' des Drehpunktsitzes 60 können
ein zusammenwirkendes gerades Keilnabenprofil mit mehreren sich
axial erstreckenden, gleichmäßig beabstandeten
Nuten aufweisen, die die Kolben 72, 72' in die
entsprechende Durchgangsbohrung 92, 92' ohne Drehen
gleitend einrücken lassen.
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Der
Verriegelungsmechanismus 70 umfasst Verriegelungszahnräder 130, 130',
die in der Tasche 90 des Drehpunktsitzes 60 angeordnet
sind. Die Verriegelungszahnräder 130, 130' umfassen
mindestens eine Innenkeil oder Schlitz und weisen bevorzugt ein Keilnabenprofil
auf, das mit einem entsprechenden Schlitz, Keil oder einer Kerbung
des unteren Teils der Kolben 72, 72' jeweils zusammenwirkt,
um ein Gleiten (mit Ausnahme einer dem mechanischen Spiel zugeordneten
kleinen Bewegung) der Kolben 72, 72' in entsprechenden
Durchgangsbohrungen 92, 92' abhängig
von der Drehstellung der Verriegelungszahnräder 130, 130' zu
ermöglichen oder zu verhindern. In der Ventilabschaltstellung
ist zum Beispiel die Innenverzahnung der Verriegelungszahnräder 130, 130' mit
der Außenverzahnung der Kolben 72, 72' ausgerichtet,
um die entsprechenden Nuten oder Zähne kämmen
zu lassen, wenn die Kolben in den entsprechenden Durchgangsbohrungen 92, 92' gleiten,
und um die Zahnräder 130, 130' als Reaktion
auf eine Aufwärtsbewegung der mit den Kolben 72, 72' mittels
der Schwenkkugeln 74, 74' verbundenen Kipphebel
zu verriegeln. In der Ventileinschaltstellung werden die Verriegelungszahnräder 130, 130' durch
das Antriebszahnrad 96 gedreht, so dass die Innenzähne
der Verriegelungszahnräder 130, 130' die
Außenzähne der Kolben 72, 72' berühren
und ein Gleiten der Kolben in den Bohrungen 92, 92' verhindern.
Zum Steuern des Betrags des Leerlaufhubs (oder Vorhubs), der vor
dem Einsetzen der Ventilbewegung erfolgt, um präzise Ventilereignisse
sicherzustellen, werden die Verriegelungszahnräder 130, 130' aus
einer Gruppe von Verriegelungszahnrädern mit unterschiedlichen
Dicken während der Montage des Drehpunktsitzes 60 gewählt.
Unterschiedliche Dicken können abhängig von der
jeweils erforderlichen Präzision durch maschinelles Bearbeiten
einer Seite der Zahnräder vor der Montage oder durch verschiedene
andere Herstellungsverfahren vorgesehen werden.
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Wie
in 2 veranschaulicht sind der untere Teil des Antriebszahnrads 94 und
die Verriegelungszahnräder 130, 130' in
der Tasche 90 des Drehpunktsitzes 60 angeordnet.
Eine obere Platte 78 (1, 4)
sichert die Verriegelungszahnräder 130, 130' und
das Antriebszahnrad 96 in der Tasche 90, ohne eine
Drehung der Zahnräder in der Tasche 90 zu hemmen.
Die obere Platte 78 sieht einen mechanischen Aufwärtsanschlag
für die Verriegelungszahnräder 74, 74' gegen
die Aufwärtskraft von zugeordneten Kipphebeln vor, die
durch die Schwenkkugeln 74, 74' und die Kolben 72, 72' in
dem verriegelten Modus oder Modus mit eingeschaltetem Ventil übertragen wird.
Die obere Platte 78 umfasst Löcher, die es dem oberen
Teil 98 des Antriebszahnrads 96 und dem oberen
Teil der Kolben 72, 72' erlauben, sich dadurch zu
erstrecken. Der obere Teil 98 des Antriebszahnrads 96 ist
für mechanische Verbindung mit der Welle 66 ausgelegt.
In einer Ausführung weist die Antriebswelle 66 einen
sechseckigen Querschnitt mit einem kugelförmigen Ende auf,
um eine nachgiebige Verbindung mit dem oberen Teil 98 des
Antriebszahnrads 96 vorzusehen, was die Montage der Verbindung
durch die Kipphebelabdeckung 69 erleichtert (1, 4)
erleichtert.
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Das
Antriebszahnrad 96 ist mit dem Verriegelungszahnrad 130 direkt
mechanisch gekoppelt, welches wiederum direkt mit dem Verriegelungszahnrad 130' mechanisch
gekoppelt ist. Diese Anordnung erlaubt das Zusammenfassen mehrerer
Verriegelungszahnräder, die durch ein einziges Antriebszahnrad
und ein zugeordnetes Solenoid im Wesentlichen gleichzeitig betätigt
werden können. Die direkte mechanische Kopplung verringert
verglichen mit hydraulisch betätigten Systemen die Komplexität,
unterliegt nicht sich änderndem Öldruck und erfordert keine
Verbindung mit dem Motorschmiersystem. In einer Ausführung
umfasst das Antriebszahnrad 96 einen unteren Teil 94 mit
mindestens einem äußeren Vorsprung, der mit einem
oder mehreren entsprechenden äußeren Vorsprüngen
des Verriegelungszahnrads 130 greift. Analog umfasst das
Verriegelungszahnrad 130 mindestens einen äußeren
Vorsprung, der mit einem entsprechenden äußeren
Vorsprung an dem Verriegelungszahnrad 130' greift. Es ist
wünschenswert, das Spiel in der Kopplung des Antriebszahnrads 96 und
der Verriegelungszahnräder 130, 130' und
etwaiger zusätzlicher Verriegelungszahnräder zu
minimieren. In einer Ausführung ist die Verbindung dafür
ausgelegt, das Spiel zwischen den Verriegelungszahnrädern 130, 130' und dem
Antriebszahnrad 96 zu minimieren, die um zwanzig Grad (20)
zwischen den verriegelten und nicht verriegelten Stellungen gedreht
werden.
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Die
Leerlauftorsionsfedern 122, 122' sind mit einem
Schenkel 120, 120' in Kontakt mit der oberen Fläche
eines entsprechenden Kolbens 72, 72' und mit dem
anderen Schenkel 124, 12' in Kontakt mit dem Drehpunktsitz 60 angeordnet.
Abhängig von der jeweiligen Umsetzung können die
Schenkel 124, 124' in einer Tasche oder Nut (nicht
dargestellt) in dem Drehpunktsitz 60 angeordnet sein und
zum Beispiel durch die obere Platte 78 (1, 4)
oder die untere Platte (1, 4) gefasst
oder lose gehalten sein. Die Torsionsfedern 122, 122' sehen
eine vorspannende oder entgegen gerichtete Abwärtskraft
zu den Kolben 72, 72' vor, die einer Aufwärtsgleitbewegung
der Kolben 72, 72' in entsprechenden Bohrungen 92, 92' während
des Modus mit abgeschaltetem Ventil widersteht und die Kolben 92, 92' während
des Grundkreisteils der Drehung der Nockenwelle (1)
zu der eingeschalteten Stellung zurückführt. Die
Federkraft der Torsionsfedern 122, 122' wird so
gewählt, dass die Schenkel 120, 120' Kontakt
mit den Kolben 72, 72' halten, wenn die Kolben
während des Modus mit abgeschaltetem Ventil in dem Drehpunktsitz 60 gleiten,
und eine ausreichende Kraft vorsehen, so dass die zugeordneten Spielausgleichselemente 58 (1)
richtig arbeiten, d. h. nicht unnötig als Reaktion auf
eine Änderung des Einschaltmodus ausgleichen. Die von den
Torsionsfedern 122, 122' vorgesehene Federkraft
wird ebenfalls im Verhältnis zu den Ventilfedern 52 (1)
gesteuert, so dass die Kipphebelbewegung im Modus mit abgeschalteten
Ventil zu einer eher umsetzenden Bewegung (mit etwas Schwenken)
führt, wenn der Kolben 72 in dem Drehpunktsitz 60 gleitet,
so dass die Kipphebelbewegung nicht ausreicht, um das entsprechende
Einlass-/Auslassventil zu öffnen.
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Abhängig
von der jeweiligen Anwendung und Umsetzung kann die Federkraft der
Torsionsfeder 122 oder 122' so gewählt
werden, dass das entsprechende Ventil geöffnet wird, selbst
wenn sich die Verriegelungszahnräder 130, 130' in
der Ventilabschaltstellung befinden, was den Kolben 72, 72' ein Gleiten
in dem Drehpunktsitz 60 erlaubt. Die Wahl einer Torsionsfeder 122' mit
einer wesentlich höheren Federkraft als die der Torsionsfeder 122 dient
zum Begrenzen der Gleitbewegung des Kolbens 72', selbst
wenn sich das Verriegelungszahnrad 130' in der Ventilabschaltstellung
befindet, so dass eine Schwenkbewegung des Kipphebels 102 (3)
ausreicht, um ein entsprechendes Ventil zu öffnen, während
die Bewegung des Kipphebels 100 nicht ausreicht, um ein
entsprechendes Ventil zu öffnen.
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4 ist
ein Teilquerschnitt, der den Betrieb einer offenbarungsgemäßen
Einlass-/Auslassventil-Abschaltvorrichtung veranschaulicht. Das
Solenoid 64 ist über der Kipphebelabdeckung 68 angeordnet
und daran durch entsprechende Befestigungsmittel 142 befestigt.
Es ist wünschenswert, dass das Solenoid 64 über
der Kipphebelabdeckung 68 positioniert ist, um den Einbau
und den Anschluss von Steuerleitungen 144 zu erleichtern,
während eine unnötige Belastung durch Motorschmieröl
verhindert wird. Das Solenoid 64 ist bevorzugt eine Art,
die keine Empfindlichkeit gegenüber linearen G-Lasten hat, beispielsweise
ein bürstenloser Drehmomentaktuator der drehenden Ausführung,
der inhärent haltbarer ist und ein flacheres Ansprechen
aufweist. Eine Drehrückstellfeder 140 kann mit
dem Solenoid 64 oder der Welle 66 verbunden werden,
um das Antriebszahnrad 96 und das zugeordnete Verriegelungszahnrad 130 zu
einer vorgegebenen Sollstellung zurückzustellen, wenn von
dem Solenoid 64 Leistung abgenommen wird, d. h. um das
Antriebszahnrad 96 abhängig von der jeweiligen
Anwendung und Umsetzung entweder in der Ventileinschaltstellung
oder der Ventilabschaltstellung zu positionieren.
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Wie
vorstehend beschrieben steht die obere Platte 78 in Kontakt
mit mindestens einem Teil der oberen Fläche des Drehpunktsitzes 60,
um zumindest teilweise die Tasche 90 (2)
zum Fassen von Antriebszahnrad 96 und Verriegelungszahnrad 130 abzudecken.
Die obere Platte 78 kann auch optional eine andere Aussparung,
Tasche oder Nut abdecken, um den Schenkel 124 der Feder 122 zu
fassen. Die obere Platte 78 ist durch entsprechende Befestigungsmittel 150 an
der unteren Platte 76 befestigt, die einen Teil der unteren
Fläche des Drehpunktsitzes 60 bedeckt. Die obere
Platte 78 sieht einen mechanischen Aufwärtsanschlag
für das Verriegelungszahnrad 130 und den Kolben 72 vor,
wenn sich wie gezeigt das Verriegelungszahnrad 130 in der
Ventileinschaltstellung befindet. Wenn während des Betriebs
das Solenoid 64 das Antriebszahnrad 96 mittels
der Welle 66 betätigt, dreht das Antriebszahnrad 96 das
direkt gekoppelte Verriegelungszahnrad 130 (und jedes andere
mit dem Verriegelungszahnrad 130 gekoppelte Verriegelungszahnrad)
zur Ventilabschaltstellung, so dass sich der Kolben 72 nach
oben in gleitenden Kammeingriff mit dem Verriegelungszahnrad 130 bewegt,
aber bevorzugt die obere Platte 78 nicht berührt.
In einer Ausführung bewegt sich der Kolben 72 als
Reaktion auf Bewegung des Kipphebels 100 in der Ventilabschaltstellung
etwa 3,6 Millimeter (mm) gegen die entgegengesetzte Federkraft der
Torsionsfeder 122, so dass die Kipphebelbewegung nicht
ausreicht, um die zugeordnete Ventilfeder zu überwinden,
und das Ventil geschlossen bleibt. Wenn die Nockenwelle 80 (1)
durch den Grundkreis des dem Kipphebel 100 zugeordneten
Nocken dreht, stellt die Feder 122 den Kolben 72 zur
eingeschalteten Stellung zurück, wobei die untere Platte 76 für
den Kolben 72 einen mechanischen Abwärtsanschlag
vorsieht. Wird die Leistung/das Steuersignal von dem Solenoid 64 entfernt,
dreht die Rückstellfeder 140 das Antriebszahnrad 96 mittels
der Welle 66 zur Ventileinschaltstellung, was wiederum
das Verriegelungszahnrad 130 dreht, so dass die unteren Enden
der Zähne/Nuten an dem Verriegelungszahnrad 130 die
oberen Enden der Zähne/Nuten am Kolben 72 berühren,
um eine Gleitbewegung des Kolbens 72 in dem Drehpunktsitz 60 zu
beschränken.
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Das
Abschalten eines oder mehrerer Einlass-/Auslassventile für
einen oder mehrere Zylinder kann durch ein dediziertes Steuergerät
auf Mikroprozessorbasis gesteuert werden oder ist bevorzugt in die
Motor- und/oder Fahrzeugsteuerstrategie integriert, die durch den
Programmcode in einem Motorsteuermodul (ECM, vom engl. Engine Control
Module), einem Antriebsstrangsteuermodul (PCM, vom engl. Powertrain
Control Module) oder dergleichen in Verbindung mit dem Solenoid 64 umgesetzt
wird. Das Abschalten eines oder mehrerer Ventile/Zylinder kann als
Reaktion auf verschiedene Motor-, Fahrzeug- und/oder Umgebungsbetriebsbedingungen ausgeführt
werden, um verschiedene Funktionen oder Betriebsarten umzusetzen,
die zum Beispiel das Vorsehen veränderlichen Hubs oder
von Zylinderabschalten zum Arbeiten mit einer Untergruppe von Zylindern,
das Abschalten eines Einlassventils bei einem Motor mit mehreren
Einlassventilen pro Zylinder zum Verbessern der Verwirbelungsbewegung
bei gewählten Drehzahlen und das Abschalten von Ventilen während
Motorstartens und/oder Motorlaufs zum Verändern von Abgastemperatur
und Steuern der Betriebstemperatur von Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen
umfassen können. Der Durchschnittsfachmann wird verschiedene
andere Anwendungen zum Steuern selektiver Ventilabschaltung gemäß der vorliegenden
Offenbarung erkennen.
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Wie
ein Durchschnittsfachmann beruhend auf der in den 1–4 veranschaulichten
und beschriebenen Vorrichtung erkennen wird, umfasst ein Verfahren
zum selektiven Abschalten eines Gasaustauschventils eines Verbrennungsmotors
nach einer offenbarungsgemäßen Ausführung
das selektive Drehen eines Verriegelungszahnrads zu einer Ventileinschaltstellung,
die ein Gleiten des Kolbens in einer entsprechenden Bohrung in dem
Drehpunktsitz verhindert, so dass der zugeordnete Kipphebel um eine
Schwenkkugel schwenkt, um ein zugeordnetes Gasaustauschventil zu öffnen,
sowie das Drehen des Verriegelungszahnrads zu einer Ventilabschaltstellung,
die dem Kolben ein Gleiten in einer entsprechenden Bohrung in dem
Drehpunktsitz ermöglicht, so dass die Kipphebelbewegung
nicht ausreicht, um die Ventilfeder zum Öffnen des zugeordneten
Gasaustauschventils zu überwinden. Das Verfahren kann auch
das Vorspannen des Kolbens hin zur eingeschalteten Stellung umfassen.
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Bei
Ausführen mit einem Verriegelungszahnrad oder mehreren
Verriegelungszahnrädern, die ein Keilnabenprofil umfassen,
wobei der zugeordnete Kolben/die zugeordneten Kolben ein Keilwellenprofil umfasst/umfassen,
kann ein Verfahren zum selektiven Abschalten eines Einlass-/Auslassventils
das Drehen des Verriegelungszahnrads zu der abgeschalteten Stellung
umfassen, um das Keilnabenprofil des Verriegelungszahnrads mit dem
Keilwellenprofil des Kolbens auszurichten, damit der Kolben in dem
Verriegelungszahnrad als Reaktion auf Bewegung des zugeordneten
Kipphebels gleiten kann, so dass die Kipphebelbewegung nicht ausreicht,
um das zugeordnete Einlass-/Auslassventil zu öffnen. Eine Drehung
des Verriegelungszahnrads entweder zur Ventileinschaltstellung oder
der Ventilabschaltstellung kann durch ein Drehsolenoid, das mit
dem Verriegelungszahnrad mechanisch gekoppelt ist, kombiniert mit
einer Rückstellfeder ausgeführt werden, die das
Verriegelungszahnrad in eine Sollstellung vorspannt.
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Somit
offenbaren offenbarungsgemäße Ausführungen
Systeme und Verfahren für die Ventilabschaltung eines oder
mehrerer Einlass-/Auslassventile eines Verbrennungsmotors unter
Verwendung kostengünstiger, direkt ausgebildeter Komponenten mit
wenig oder keiner maschineller Bearbeitung und eines Verriegelungsmechanismus,
der dem aktiven Ventiltrieb keine zusätzliche Masse hinzufügt.
Das Verriegelungssystem ist an einer Drehpunktsitzanordnung enthalten,
die mit einer Standarddrehpunktsitzanordnung austauschbar ist, so
dass keine Abwandlung des Zylinderkopfs erforderlich ist. Die Betätigung
des Systems nutzt Drehbewegung, so dass keine Empfindlichkeit gegenüber
linearen G-Lasten vorliegt, und wird durch ein mechanisch gekoppeltes (keine
Hydraulik), schnell ansprechendes Solenoid angetrieben, um zuverlässige
Betätigungszeiten vorzusehen. Ein direktes Koppeln des
Betätigungssolenoids erfordert keine Abwandlung des Motorschmiersystems
und sieht eine zuverlässige Betätigung vor, die
nicht von niedrigem oder veränderlichem Öldruck beeinflusst
wird, der bei niedrigen Motordrehzahlen üblich ist. Zudem
sieht das direkt ansprechende Solenoid einen schnell ansprechenden
Verriegelungsmechanismus vor, der gekoppelt werden kann, um unter
Verwendung eines einzigen Solenoids mehrere Ventile abzuschalten.
Das Betätigungssolenoid kann außerhalb der Kipphebelabdeckung
angebracht werden, so dass das Solenoid nicht für Verunreinigung durch
Motoröl anfällig ist und für die Steuerleitungsmontage
und jede anschließende Wartung leicht zugänglich
ist.
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Während
eingehend die beste Methode beschrieben wurde, wird der Fachmann
verschiedene alternative Auslegungen und Ausführungen innerhalb
des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche erkennen. Es
wurden mehrere Ausführungen verglichen und gegenübergestellt.
Einige Ausführungen wurden im Hinblick auf eine oder mehrere
erwünschte Eigenschaften als vorteilhaft oder gegenüber
anderen Ausführungen bevorzugt beschrieben. Der Fachmann
ist sich aber bewusst, dass eine oder mehrere Eigenschaften umfasst
sein können, um erwünschte Systemattribute zu
erreichen, die von der spezifischen Anwendung abhängen.
Diese Attribute umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt:
Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebensdauerkosten, Markttauglichkeit,
Aussehen, Platzbedarf, Größe, Wartbarkeit, Gewicht,
Herstellbarkeit, einfache Montage etc. Die hierin erläuterten
Ausführungen, die gegenüber einer anderen Ausführung
bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als unterlegen
beschrieben werden, liegen nicht außerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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