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Die vorliegende Erfindung betrifft einen in einem Anwendungsfall als Schutzelement in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Siebkörper, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine vorteilhafte Verwendung eines Siebkörpers in einem dauerhaften Betrieb in einem mit kohlenstoffhaltigen Partikeln beladenen Fluidstrom, der durch einen Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass beispielsweise im Niederdruck- und/oder Hochdruckbereich einer Abgasanlage eines durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs Siebe eine freie Querschnittsfläche des Abgasstrangs überspannend zusammen mit Dichtungen oder anderen Trägern eingesetzt werden, um in Strömungsrichtung dahinterliegende empfindliche Bauteile vor Fremdstoffen oder Störkörpern zu schützen. Diese Siebe können je nach Abgastemperatur mit festen oder gasförmigen Partikeln durchflutet und beladen werden. Dabei sind alle Bauteile in einem Abgasstrom nach besten Möglichkeiten optimal auf den geringsten Gegendruck der gesamten Abgasanlage auszulegen.
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In bekannten Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art kann ein Sieb-Teil bzw. Siebkörper bei einem Betrieb in Temperaturbereichen unter 600°C in einer Abgasrückführungs- bzw. kurz AGR-Leitung durch Rußbildung und Ablagerungen versotten. Bei Temperaturen unter 600°C sind Partikel, wie vor allem Ruß, festkörperförmig und können den Filter fortschreitend beladen, einen Durchfluss fortschreitend mindern und den Filter damit während eines normalen Betriebs früher oder später ganz blockieren. Derartige Situationen können insbesondere in einem Niederdruck-AGR-Zweig auftreten. Dieser Vorgang kann zu einem erheblichen Anstieg eines Gegendrucks und in letzter Konsequenz sogar zu einem Ausfall einer betreffenden AGR Strecke führen. Aber schon vor einem Ausfall des Bauteils bzw. einer Beschädigung des Filterelements selber führt dieser Vorgang zu einem Leistungsabfall der antreibenden Verbrennungskraftmaschine.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, hier effektive Abhilfe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Siebkörper im Bereich einer freien Querschnittsfläche mindestens teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist, wobei die katalytische Beschichtung eine Verbrennungsaktivität in Bezug auf organische Substanzen in einem Temperaturbereich unterhalb von ca. 600°C aufweist, also unterhalb einer Mindesttemperatur zur selbsttätigen Oxidation von Rußpartikeln der bekannten Art und Zusammensetzung. Damit kann erfindungsgemäß an oder auf einem Sieb ansammelnder Kohlenstoff bzw. Ruß und andere organische Substanzen unter deutlicher Reduktion einer Verbrennungstemperatur von dem Siebkörper beseitigt werden. Die Gefahr einer Versottung oder einer sonstigen, auf einer Ansammlung organischer Substanzen beruhenden Verstopfung ist damit vorteilhafterweise durch eine Beschichtung mit einem katalytischen Material so weit als möglich beseitigt worden.
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Damit wird erfindungsgemäß ein Weg eingeschlagen, der z.B. der Lehre der
DE 10 2013 212 733 A1 entgegengesetzt verläuft. Es wird also unter Einsparung zusätzlicher Messstellen und Elektronik mit elektrischen Zuleitungen sowie kraftstoff-intensiven Regenerationen eines nicht mit Ruß beladenen, stromauf angeordneten Partikelfilters keine gezielte Erhöhung einer Abgastemperatur auf mehr als ca. 600°C mit entsprechenden Regelungsvorgängen hervorgerufen. Stattdessen wird erfindungsgemäß darauf gesetzt, dass bei insbesondere in einem Niederdruck-Abgasrückführzweig deutlich geringeren Betriebstemperaturen ein Verbrennen kohlenstoffhaltiger Ablagerungen durch eine katalytische Beschichtung des Siebkörpers bewirkt wird. Schon durch eine nur teilweise Beschichtung des Siebkörpers wird eine erforderliche thermische Energie deutlich herabgesetzt, sodass eine thermische Umsetzung sicher und selbsttätig gestartet wird, um dann selbstständig bis zu einer weitestgehenden Beseitigung der Ablagerungen auf dem Siebkörper abzulaufen. Durch eine katalytisch wirksame Beschichtung des Siebkörpers bzw. Siebkörpers wird damit erreicht, dass keine zusätzliche thermische Energie, z.B. durch Aufheizen eines vorgeschalteten Rußpartikelfilters, in diesen Siebkörper hin eingebracht werden muss, um eine Beseitigung von Rußpartikeln zu bewirken.
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Vorzugsweise ist die katalytische Beschichtung auf Basis von Alkali- und/oder Erdalkalilegierungen aufgebaut und weist eine hohe Abriebfestigkeit bei hoher Effizienz in der katalytischen Umsetzung von organischen Feststoffen mit einer Verbrennungsaktivität unter ca. 400°C auf. Hinsichtlich geeigneter katalytisch wirkender Substanzen sowie Beschichtungsverfahren wird an dieser Stelle vollumfänglich auf die Offenbarungen der
EP 2 134 795 B1 sowie der
EP 2 393 948 B1 verwiesen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Siebkörper mit einer Dichtung einstückig zur Bildung einer Siebdichtung verbunden. Diverse Ausführungsformen für derartige Siebdichtungen mit Siebkörpern, die besonders zur Senkung eines Durchströmungswiderstandes ausgebildet sind, sind insbesondere aus der
WO 2015/014992 A1 bekannt. Um mögliche Schäden durch den Eintrag z.B. abplatzender Keramikpartikel in einem Abgas-Strom von Brennkammern einer Verbrennungskraftmaschine abzuhalten, ist an einer entsprechenden Abzweigung des Abgasstranges eine derartige Siebdichtung als Schutz vorgesehen. Siebdichtungen haben sich in Abgasrückführ- bzw. kurz AGR-Leitungen von Brennkraftmaschinen bewährt. Nun werden sie erfindungsgemäß vorteilhafterweise um eine katalytische Eigenschaft zur selbsttägigen und dauerhaften Beseitigung kohlenstoffhaltiger Feststoffe erweitert ausgerüstet.
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Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren erfolgt eine Verarbeitung eines Sieb-Teils bzw. Siebkörpers aus einem bereits zuvor katalytisch ausgerüsteten Material, d.h. metallischem Gewebe, Gewirke, mikro-perforiertem Blech etc.. Da die katalytische Beschichtung einerseits eine hohe Abriebfestigkeit aufweist, andererseits die katalytische Funktionalität tolerant gegenüber Kratzern oder sonstigen Beschädigungen ist, weist ein Siebkörper auch nach Abschluss einer dreidimensionalen Formgebung mit mehreren Verformungsschritten immer noch eine dauerhaft ausreichende katalytische Eigenschaft auf. Damit wird ein erfindungsgemäß ausgebildeter Siebkörper für einen dauerhaften und zudem wartungsfreien Betrieb in einem Fluidstrom eingesetzt. Insbesondere erübrigen sich erfindungsgemäß alle separaten Maßnahmen zu einem zusätzlich Brennstoff verzehrenden Aufheizen eines Abgasstroms.
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Alternativ hierzu wird ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, in dem ein fertig hergestellter bzw. ausgeformter und einbaubereiter Siebkörper oder eine Siebdichtung nur teilweise mit einer katalytischen Lösung und insbesondere einer katalytisch wirkenden Beschichtung in wässriger Lösung benetzt wird, insbesondere durch Eintunken oder Eintauchen. Nach einem Trocknungsschritt ist bereits eine ausreichende Anhaftung der katalytisch wirkenden Teil-Beschichtung in und an dem Sieb-Material gegeben, so dass ein fertig durch eine zusätzliche katalytische Beschichtung ausgerüstetes Bauteil einem Einbrennprozess unterzogen werden kann. Da die hierbei herrschenden Temperaturen weitgehend denen eines späteren regulären Einsatzes in einem eingebauten Zustand entsprechend, kann dieser separate Einbrennschritt entfallen und ein Einbrennen nach erfolgtem Einbau während einer Inbetriebnahme oder Erst-Inbetriebnahme erfolgen.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
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1: eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung einer bekannten Siebdichtung in einem Einsatz in einer nicht weiter dargestellten Abgasleitung und;
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2a und 2b: wesentliche Schritte einer Fertigung einer Siebdichtung unter Verwendung eines katalytisch beschichteten Siebkörpers.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Die Skizze von
1 zeigt einen Ausschnitt einer nicht weiter dargestellten Abgas-Rückführung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Um ein Eindringen von Partikeln aus dem Abgasstrang über die Abgas-Rückführung z.B. in eine Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden, ist eine Siebdichtung
1 in einer Ebene D zur Bereitstellung einer Dichtungsfunktion zwischen einem ersten Flansch
2 und einem zweiten Flansch
3 vorgesehen, siehe
WO 2015/014992 A1 zu Details. Die Siebdichtung
1 weist einen hier nur angedeuteten Siebkörper
4 mit einer nachfolgend nicht näher beschriebenen dreidimensionalen Gestaltung auf und wird entlang eines Pfeils F von einem Fluid bzw. Abgas durchströmt. Der Siebkörper
4 ist im Bereich der Dichtungsfunktion so mit einer Dichtung
5 fixiert, dass Gase über eine volle freie Querschnittsfläche A eines an den Flansch
3 anschließenden Rohrs
6 durch den Siebkörper
4 hindurch treten können. Die Fixierung des Siebkörpers
4 an der Dichtung
5 findet gemäß der Offenbarung der europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
EP 13178968.7 z.B. durch eine Faltung statt, durch die eine ringförmig geschlossene Wulst
7 gebildet wird. Eine entsprechend dauerhaft zuverlässige Verbindung kann alternativ auch durch eine Klemmung oder eine Kombination aus Faltung und Klemmung hergestellt werden, was hier aber nicht weiter zeichnerisch dargestellt oder beschrieben wird. Auch mit Blick auf Möglichkeiten der konstruktiven Ausgestaltung des Siebkörpers
4 wird auf die Offenbarung der genannten Patentanmeldung verwiesen. Im Weiteren wird in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung davon ausgegangen, dass der Siebkörper
4 ein Gewebe bzw. Geflecht aus Metalldrähten umfasst.
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Um die Dichtungsfunktion an dem Abgasstrang im Bereich der Flansche 2, 3 nicht zu beeinträchtigten, ist in dem Ausführungsbeispiel von 1 an dem ersten Flansch 2 eine radiale Ausnehmung 8 vorgesehen. Diese Ausnehmung 8 ist zur Aufnahme der Wulst 7 so dimensioniert, dass bei Fixierung der Flansche 2, 3 durch Ausnehmungen 9 hierdurch die Dichtung 5 eine vollflächige Verpressung erfährt und eine Dichtwirkung nicht ausschließlich auf einer Fixierung der Wulst 7 zwischen den Flanschen 2, 3 beruht.
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Eine Siebdichtung 1 der vorstehend beschriebenen Art hat sich als Schutz vor Eintragung von Partikeln in Brennkammern einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine in einer AGR-Leitung bewährt. Dennoch ist festgestellt worden, dass Siebkörper bei einem Betrieb mit Abgasströmen in Temperaturbereichen unter 600°C in der AGR-Leitung durch Rußbildung und Ablagerungen versotten. Dieser Vorgang kann zu einem erheblichen Anstieg eines Gasgegendrucks und in letzter Konsequenz sogar zu einem Ausfall einer betreffenden AGR-Strecke führen, insbesondere in einem Niederdruck-AGR-Zweig, da sich hier ein erhöhter Durchströmungswiderstand noch schneller nachteilig auf eine vorgeschriebene Funktionalität auswirkt.
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Als Lösung dieses Problems ist die Siebdichtung
1 in der Abbildung von
1 um eine katalytische Beschichtung
10 des Siebkörpers
4 erweitert worden. Diese Beschichtung ist gemäß der Offenbarung der
EP 2 134 795 B1 sowie der
EP 2 393 948 B1 ausgebildet und wird nasschemisch auf das Material des Siebkörpers
4 aufgetragen, unter niedrigerer Temperatur vorgetrocknet und schließlich unter eine hohen Temperatur verfestigt bzw. eingebrannt. Vorteilhafterweise ist es für das Vorhandensein der katalytischen Eigenschaft des Siebkörpers
4 nur erforderlich, dass im Bereich des freien Querschnitts A in einem Bereich der Katalysator bzw. die katalytische Beschichtung vorhanden ist. Mit anderen Worten kann eine im Zuge des vorstehend beschriebenen nasschemischen Verfahrens erzeugte Beschichtung durch nachfolgende, i.d.R. mechanische Trenn- und Umformungsschritte verletzt oder gar teilweise beseitig worden sein, was das Vorhandensein und die katalytische Funktion und Eigenschaft des Siebkörpers
4 nicht beeinträchtigt. Es ist also vorteilhafterweise möglich, ein bereits zuvor katalytisch ausgerüstetes flächiges Material, d.h. metallisches Gewebe, Gewirke, mikro-perforiertem Blech etc. als quasi Endlosmaterial zuzuschneiden und auch in eine dreidimensionale Form des dargestellten Siebkörpers
4 hin mechanisch zu verformen. Auch wenn die katalytische Beschichtung einerseits eine hohe Abriebfestigkeit aufweist, so ist die katalytische Funktionalität andererseits mit Blick auf ihre Funktionalität auch tolerant gegenüber Kratzern oder sonstigen Beschädigungen. Ein Siebkörper
4 weist so auch nach Abschluss einer dreidimensionalen Formgebung mit mehreren Verformungsschritten immer noch eine dauerhaft ausreichende katalytische Eigenschaft auf. Damit ist es günstig, wenn diese katalytische Eigenschaft der Beschichtung gerade im Bereich eines Talgrunds bzw. eines relativen Extremums
11 des Siebkörpers
4 vorhanden ist, da sich regelmäßig hier zuerst thermisch umzusetzende kohlstoffhaltige Partikel ansammeln.
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In einem alternativen Herstellungsverfahren wird ein fertig hergestellter bzw. ausgeformter und einbaubereiter Siebkörper 4 oder eine Siebdichtung 1 nur teilweise mit einer katalytischen Lösung und insbesondere einer katalytisch wirkenden Beschichtung in wässriger Lösung benetzt, insbesondere durch Eintunken. Nach einem Trocknungsschritt ist bereits eine ausreichende Anhaftung der katalytisch wirkenden Teil-Beschichtung 10‘ in und an dem Sieb-Material gegeben, wie in 1 durch die gepunktete Linie angedeutet. So kann ein fertig durch eine zusätzliche katalytische Teil-Beschichtung 10‘ ausgerüstetes Bauteil anschließend einem Einbrennprozess unter Temperaturen um ca. 1.000°C unterzogen werden. Dieser Einbrennprozess kann jedoch – je nach Einsatzbedingungen – auch in einem fertig verbauten Zustand des Siebkörpers 4 oder der Siebdichtung 1 im Rahmen einer Erst-Inbetriebnahme vollzogen werden, zumal eine Umsetzung von Kohlenstoff ebenfalls die erforderlichen Temperaturen eines Einbrennprozesses bewirken kann. Auch hierbei wird eine dauerhaft katalytisch wirkende Beschichtung erzeugt.
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Die Abbildungen der 2a und 2b zeigen im Sinne eines finalen Zusammenbaus wesentliche Schritte einer Fertigung einer Siebdichtung 1 unter Verwendung des Siebkörpers 4 mit der katalytisch wirkenden Beschichtung 10. Hierzu sind der Siebkörper 4 und die Dichtung 5 entsprechend mechanisch vorbereitet bzw. geformt worden. Dabei weist die Dichtung 5 gegenüber der Darstellung der 1 zusätzlich eine konzentrisch um die Wulst 7 verlaufende, kreisförmig geschlossene Lamelle 12 bzw. Dichtsicke auf. Diese geschlossene Lamelle 12 dient einer Erhöhung der Dichtigkeit der Dichtung 5 zwischen den Flanschen 2, 3.
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An dem Siebkörper 4 ist an einem freien Endbereich 13 in einem ersten Verfahrensschritt ein radial nach außen umgekrempelter Rand 14 vorgeformt worden. Dieser Rand 14 wurde nachfolgend noch nach innen gerichtet eingezogen. Gemäß der Skizze von 2a wird der Siebkörper 4 in die zugehörige Dichtung 5 eingesetzt, wobei die zuvor im Wesentlichen ebene Dichtung 5 mit einer umlaufenden Sicke 15 einem geschlossenen Kragen 16 versehen worden ist. Der geschlossene Kragen 16 der Dichtung 5 und der umgekrempelte Rand 14 des Siebkörpers 4 sind derart aufeinander abgestimmt, dass der umgekrempelte Rand 14 den Kragen 16 teilweise hintergreift. Gemäß der Darstellung von 2a wird das Dichtungselement so eingesetzt, dass der Rand 14 des Siebkörpers 4 als dreidimensional geformtes Siebgewebe den Kragen 16 der Dichtung derart übergreift, dass mindestens ein Teil des Randes 14 den Kragen 16 hintergreift und so auch relativ weit in der Sicke 15 eingreift.
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Der Siebkörper 4 wird nachfolgend in die Dichtung 5 so vollständig eingesetzt, dass keine weitere Bewegung mehr möglich ist. Zu der in der Abbildung von 2b dargestellten Situation hin erfolgte nun mindestens ein Schritt des Faltens, Verpressens und/oder Klemmens. Am Ende dieses Schritts weist die Anordnung einen im Bereich der Dichtung 5 vergleichsweise ebenen Aufbau auf, der nun im Wesentlichen die Wulst 7 bildet. Demnach läuft die Dichtung 5 in einen verbleibenden Teil der Sicke 15 aus, in der die Wulst 7 liegt. Durch die hier nicht weiter dargestellte Abfolge der durch Faltung miteinander fest verbundenen Teile der Dichtung 5 sowie des Siebkörpers 4 kann die Anordnung jenseits der gestrichelt eingezeichneten Linie von einem Fluid in der freien Querschnittsfläche A durch den Siebkörper 4 durchströmt werden. Im Zuge des abschließenden Pressvorgangs sind also ein Teil des Randes 14 und des Kragens 16 durch Faltung bzw. Verklammerung dauerfest miteinander so verbunden, dass ein Fluid diese Anordnung nur durch den freien Teil des Siebkörpers 4 passieren kann.
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Aufgrund der vorstehend beschriebenen und/oder angedeuteten, teilweise massiven mechanischen Umformungen gerade des Materials des Siebkörpers 4 ist es sehr wahrscheinlich, dass auch eine robuste und abriebfeste Beschichtung 10 auf dem Material des Siebkörpers 4 deutliche Beschädigungen erleidet. Aufgrund der katalytischen Eigenschaft dieser Beschichtung 10 ist es andererseits aber gar nicht notwendig, dass diese Beschichtung 10 vollständig geschlossen über einen gesamten Bereich der freien Querschnittsfläche A vorhanden ist. Um ein Verbrennen angelagerter kohlenstoffhaltiger Partikel an dem Material des Siebkörpers 4 zu starten, ist lediglich ein Zusammentreffen der katalytisch wirkenden Beschichtung 10 mit einem kohlenstoffhaltigen Partikel bei Temperaturen um ca. 350°C notwendig. Eine dann laufende Reaktion läuft dann auch in Bereichen des Siebkörpers 4 ohne Gegenwart einer katalytisch wirkenden Beschichtung 10 solange weiter, bis alle kohlenstoffhaltigen Partikel verbrannt worden und der Siebkörper 4 damit wieder frei durchstrombar ist.
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Die vorstehend beschriebene Siebdichtung 1 kann aufgrund der katalytischen Beschichtung des Siebkörpers 4 dauerhaft und ohne Wartungsintervalle oder gar Wartungseingriffe in einem Fluidstrom eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine auch bei Temperaturen von deutlich weniger als 600°C betrieben werden, ohne dass hierbei beeinträchtigende Ablagerungen bis hin zu Verstopfungen eines AGR entstehen können. Zusätzliche Überwachungsvorrichtungen, Sensoren und separate Prozessschritte für Heizperioden mit zusätzlichem Kraftstoff-Aufwand bei geminderter Motorenleistung können damit entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Siebdichtung
- 2
- erster Flansch
- 3
- zweiter Flansch
- 4
- Siebkörper
- 5
- Dichtung
- 6
- Rohr
- 7
- Wulst/Faltung zur Verbindung Dichtung 5 + Siebkörper 4
- 8
- Ausnehmung am ersten Flansch 2 zur Aufnahme von Wulst 7
- 9
- Ausnehmung für Schraubbolzen zur Verbindung der Flansche 2, 3
- 10
- Beschichtung
- 10‘
- Teil-Beschichtung
- 11
- „relatives Extremum“ des Siebkörpers 4 – maximales Tal
- 12
- kreisförmig geschlossene Lamelle
- 13
- freier Endbereich des Siebkörpers 4
- 14
- Rand des Siebkörpers 4, radial nach außen umgekrempelt
- 15
- Sicke in der Dichtung 5
- 16
- geschlossener Kragen an der Dichtung 5, gegenüber der Dichtungsebene D im Wesentlichen senkrecht aufgestellt
- A
- freie Querschnittsfläche
- D
- Ebene zur Bereitstellung einer Dichtungsfunktion
- F
- Fluid-Flussrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013212733 A1 [0006]
- EP 2134795 B1 [0007, 0018]
- EP 2393948 B1 [0007, 0018]
- WO 2015/014992 A1 [0008, 0015]
- EP 13178968 [0015]