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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen Rahmenzusammenbau für ein Kraftfahrzeug
und insbesondere auf eine längliche
Schiene in dem Rahmenzusammenbau gerichtet, die derart ausgebildet
ist, dass sie ein Fluidspeichervolumen darin vorsehen kann.
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Es
sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um ein wasserstoffbetriebenes Kraftfahrzeug,
das eine Brennstoffzelle als die Grundkomponente der Antriebsanlage
für das
Fahrzeug verwendet, zu vermarkten. Diese Technologie besitzt erheblich
andere Konstruktionszwänge
im Vergleich zu denen, denen Fahrzeugkonstrukteure herkömmlicher
Verbrennungsmotoren ausgesetzt sind. Ein derartiger Parameter betrifft
das Packen der verschiedenen Komponenten in ein auf Brennstoffzellen
basierendes Fahrzeug. Diesbezüglich
kann eine Antriebsstrangkomponente eines auf Brennstoffzellen basierenden
Fahrzeugs im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungsmotoren allgemein verteilter über den Rahmenzusammenbau vorgesehen
sein. Somit eignet sich ein auf Brennstoffzellen basierendes Fahrzeug
selbst für
ein modulares Packkonzept gegenüber
herkömmlichen
Fahrzeugkonstruktionen. Jedoch haben die Anzahl wie auch Masse der
mit einem brennstoffzellenbasierten Fahrzeug in Verbindung stehenden
Komponenten neue Konstruktionsherausforderungen für den Fahrzeugingenieur
zur Folge.
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Eine
derartige Herausforderung liegt darin, eine geeignete Quelle für Betriebsfluide
für die
brennstoffzellenbasierte Antriebsanlage vorzusehen, um eine ausreichende
Reichweite bzw. Fahrflexibilität
für ein
derartiges Fahrzeug zu erreichen. Derartige Betriebsfluide umfassen
den wasserstoffhaltigen Brennstoff und Oxidationsmittel oder Luft,
die als Zufuhrströme
zu dem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie
verwendet werden. Zusätzlich kann
das Betriebsfluid ein Kühlfluid
umfassen, das durch die verschiedenen Komponenten der Antriebsanlage
umgewälzt
wird, um dessen richtige Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Ähnlicherweise
können
für Fahrzeuge,
die ein Wasserstoffreformiersystem an Bord verwenden, die Betriebsfluide
ferner einen auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff und Wasser,
die in dem Reformierprozess verwendet werden, umfassen. Es muss
für jedes
dieser Betriebsfluide eine geeignete Quelle an dem Fahrzeug vorgesehen
werden, um die gewünschten
Reichweite bzw. Fahrflexibilität
zu erreichen.
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Demgemäß besteht
ein Bedarf, ein angemessenes Fluidspeichervolumen an Bord des Kraftfahrzeugs
vorzusehen, während
das Packungsvolumen wie auch die mit derartigen Speichervolumen
in Verbindung stehende zusätzliche
Masse minimiert werden. Somit würde
ein Fluidspeichersystem, das einen existierenden Aufbau verwendet,
eine solche Verbesserung darstellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Kraftfahrzeug des Typs gerichtet,
das einen Rahmenzusammenbau besitzt, bei dem eines der Rahmenelemente
als ein Fluidspeichervolumen verwendet wird. Insbesondere wird ein
länglicher
Schienenabschnitt des Rahmenzusammenbaus mit einem geschlossenen
Abschnitt als ein Fluidspeichervolumen für ein Betriebsfluid des Fahrzeugs
verwendet. Bei einer Ausführungsform
ist das Fluidspeichervolumen ein unter Druck stehendes Volumen,
das zur Wasserstoffspeicherung verwendet wird, um eine Quelle für wasserstoffhaltigen
Brennstoff für
eine brennstoffzellenbasierte Antriebsanlage vorzusehen. Bei einer
anderen Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung auf ein Fluidspeichervolumen gerichtet,
um eine Quelle für
Druckluft für
die auf Brennstoffzellen basierenden Antriebsanlage vorzusehen.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung auf ein Fluidspeichervolumen gerichtet,
um eine Quelle für
Kühlfluid
für die
Antriebsanlage des Fahrzeugs vorzusehen. Bei einer noch anderen
Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung auf ein Fluidspeichervolumen gerichtet,
um eine Quelle für Wasser
oder Wasserdampf für
die Antriebsanlage des Fahrzeugs vorzusehen.
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind auf die besonderen baulichen Merkmale
der länglichen
Schiene gerichtet. Genauer kann das Innenvolumen der länglichen
Schiene in einzelne Kammern unterteilt sein, um eine Speicherung
diverser Betriebsfluide vorzusehen. Alternativ dazu können die
einzelnen Kammern voneinander abgedichtet sein und dazu verwendet
werden, ein Innenspeichervolumen zusätzlich zu konventionelleren Funktionen
der baulichen Elemente vorzusehen, wie beispielsweise eine Befestigungsfläche für Fahrzeugkomponenten
vorzusehen und um einen Trägeraufbau,
wie beispielsweise einen Kabelbaum, durch diese hindurch zu führen.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Be schreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform
eines Kraftfahrzeugs mit einem Rahmenzusammenbau gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 eine
Schnittansicht einer länglichen Schiene
des in 1 gezeigten Rahmenzusammenbaus ist;
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3 eine
Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer länglichen
Schiene des in 1 gezeigten Rahmenzusammenbaus
ist;
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4 eine
Schnittansicht einer anderen alternativen Ausführungsform einer länglichen
Schiene des Rahmenzusammenbaus ist;
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5 eine
Schnittansicht einer noch weiteren alternativen Ausführungsform
für eine
längliche Schiene
des Rahmenzusammenbaus ist;
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6 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
eines Kraftfahrzeugs mit einem Rahmenzusammenbau gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Wie
in den Zeichnungen gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung auf
ein Kraftfahrzeug gerichtet, das allgemein mit Bezugszeichen 10 gezeigt
ist. Das Kraftfahrzeug 10 besitzt einen Rahmenzusammenbau 12,
der den primären
Stützaufbau
für die verbleibenden
Komponenten des Kraftfahrzeugs 10 vorsieht. Ein Satz Räder 14 ist
auf eine herkömmliche Art
und Weise an dem Rahmenzusammenbau 12 zur Rotation angebracht.
Der Rahmenzusammenbau 12 trägt einen Antriebsstrang 16,
der über
die Welle 18 funktionell mit den Rädern 14 gekoppelt
ist. Auf diese Art und Weise kann der Antriebsstrang 16 zumindest eines
der Räder 14 antreiben.
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Bei
der ersten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt
ist, umfasst die Antriebsanlage 16 eine Brennstoffzelle 20,
die dazu dient, Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie
umzuwandeln, und einen Elektromotor 22, der elektrisch
mit der Brennstoffzelle 20 verbunden ist und dazu dient,
die Welle 18 drehbar anzutreiben. Diesbezüglich kann
der Motor 22 einen Getriebezusammenbau oder eine andere
geeignete Antriebsstrangkomponente zur Lieferung von Rotationsenergie
an die Räder 14 umfassen.
Neben dem vorderen Abschnitt des Rahmenzusammenbaus 12 ist
ein Kühler 24 vorgesehen.
Der Kühler 24 steht
in Fluidverbindung mit dem Antriebsstrang 16, so dass ein
durch diesen hindurch umgewälztes
Kühlfluid dazu
dient, in der Antriebsanlage 16 erzeugte Wärmeenergie
zu dissipieren. Ein Paar Brennstofftanks 28 ist in einer
im Allgemeinen längs
verlaufenden Richtung orientiert und wird von dem Rahmenzusammenbau 12 getragen.
Die Brennstofftanks 28 stehen in Fluidverbindung mit dem
Antriebsstrang 16, um eine Primärquelle für Brennstoff in der Form eines wasserstoffhaltigen
Gasstroms für
die Brennstoffzelle 20 vorsehen zu können.
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In 6 ist
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
eines Kraftfahrzeugs 10' gezeigt.
Das Kraftfahrzeug 10' ist ähnlich dem
oben beschriebenen Kraftfahrzeug 10 mit den folgenden Ausnahmen ausgebildet.
Der Antriebsstrang 16' des
Kraftfahrzeugs 10' zeigt
einen verteilten Antriebsstrang, bei dem ein Antriebsmotor 22' benachbart
von jedem der Räder 14' angeordnet
und elektrisch mit der Brennstoffzelle 20' durch eine Reihe von Drähten, die
einen Kabelbaum 30' bilden,
gekoppelt ist. Vier Brennstofftanks 28' sind quer orientiert und wird
von dem Rahmenzusammenbau 12' getragen.
Die Brennstofftanks 28' stehen
in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle 20', um für diese
eine primäre
Quelle für Wasserstoffzufuhrgas
vorzusehen.
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Wie
in den 1 und 6 gezeigt ist, umfasst der Rahmenzusammenbau 12, 12' ein Paar längs gerichteter,
länglicher
Rahmenschienen 32, 32' und eine Anzahl quer gerichteter,
länglicher
Querschienen 34, 34',
die einen allgemein leiterförmigen Rahmenzusammenbau 12, 12' definieren.
Bei dieser Gestaltung sehen die Längsschienen 32, 32' und Querschienen 34, 34' den Grundaufbau
und die Grundabstützanordnung
für die
verbleibenden Komponenten des Kraftfahrzeugs 10, 10' vor. Der Rahmenzu sammenbau 12, 12' umfasst ferner
einen Zusatzrahmenzusammenbau 36, 36'. Der Zusatzrahmenzusammenbau 36, 36' kann verschiedene
Funktionen ausführen,
wie beispielsweise das Bereitstellen von Befestigungspunkten für andere
Komponenten des Kraftfahrzeugs 10, 10', wie z.B. der
Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt). Der Zusatzrahmenzusammenbau 36, 36' kann auch eine
Knautschzone 38, 38' definieren.
Wie in den Figuren gezeigt ist, umfasst der Zusatzrahmenzusammenbau 36, 36' ein Paar längs orientierter
Schienen 40, 40',
die sich allgemein parallel zu den Rahmenschienen 32, 32' erstrecken.
Vordere Querschienen 42, 42' und rückwärtige Querschienen 44, 44' verbinden die
Längsschiene 40, 40' mit der Längsschiene 32, 32'. Der Zusatzrahmenzusammenbau 36, 36' der bevorzugten Ausführungsformen
ist lediglich beispielhafter Natur, und für Fachleute ist es offensichtlich,
dass der Zusatzrahmenzusammenbau in einer Gestaltung ausgebildet
wird, die von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmt
ist.
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Wie
vorher beschrieben wurde, sieht die vorliegende Erfindung die wirksame
Verwendung des in den Rahmenschienenkomponenten 32, 32', 34, 34' des Rahmenzusammenbaus 12, 12' definierten,
umschlossenen Volumens vor, um ein Fluidspeichervolumen vorzusehen,
das allgemein in den Figuren mit den Bezugszeichen 46, 46' bezeichnet
ist. Diesbezüglich
können
eine oder mehrere der länglichen Schienen 32, 32' und 34, 34' einen geschlossenen Abschnitt
definieren, um das Fluidspeichervolumen 46, 46' vorzusehen.
Es kann ein einzelner länglicher Schienenabschnitt
dazu verwendet werden, das Fluidspeichervolumen vorzusehen. Alternativ
dazu können
mehrere längliche
Schienenabschnitte in Fluidverbindung miteinander stehen, so dass
das Fluidspeichervolumen in mehreren länglichen Schienenabschnitten
definiert ist.
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In
den 2–5 ist
die Querschnittsgestaltung einer länglichen Schiene, die das Fluidspeichervolumen
vorsieht, genauer beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die folgende
Beschreibung einen beliebigen länglichen
Schienenabschnitt betrifft, wie beispielsweise eine längs gerichtete
längliche
Schiene 32, 32' oder
einen quer gerichteten länglichen Schienenabschnitt 34, 34'. Jedoch wird
im Folgenden nur Bezug auf die längliche
Schiene 32 genommen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, besitzt die längliche Schiene 32 einen
allgemein rechtwinkligen Querschnitt mit einer Seitenwand 48 und
Endwänden 49 (wie
in 1 gezeigt ist), die einen geschlossenen Abschnitt
darin definieren. An der Innenfläche
der Seitenwand 48 ist eine Auskleidung 52 ausgebildet, um
das Speichervolumen 50 in der länglichen Schiene 32 abzudichten.
Die Auskleidung 52 kann ferner als eine Isolierung dienen,
um eine Wärmeübertragung
von oder zu der Umgebung zu verhindern. Somit ist das umschlossene
Speichervolumen 50 in der Auskleidung 52 definiert.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Fluidspeichervolumen 50 als eine
wiederaufladbare Vorrichtung ausgebildet sein, um Wasserstoff zu
speichern und auszutragen. Genauer wird Wasserstoff in einer festen
Form gespeichert und als ein Gas nach Bedarf geliefert. Zu diesem
Zweck ist das Speichervolumen 50 mit einer Matrix 54 versehen,
die zahlreiche offene Zellen bildet, die ein darin angeordnetes
festes Wasserstoffspeichermedium aufweisen. Ein in dem Speichervolumen 50 angeordnetes
Rohr 56 ermöglicht,
dass das Wasserstoffgas zu und von dem Speichervolumen 50 geleitet
werden kann. Eine Leitung 58 ist ebenfalls in dem Speichervolumen 50 angeordnet
und erlaubt eine Umwälzung
eines Wärmeübertragungsfluides
in der Form von Wasser, Luft, einer anderen Flüssigkeit oder einem anderen
Gas durch diese hindurch, das zur Wärmeübertragung zu und von dem Speichervolumen 50 geeignet
ist. Auf diese Art und Weise dient die längliche Schiene 32 effektiv
als ein Speichervolumen für
unter Druck stehenden Wasserstoff-Brennstoff. Wie es derzeit beabsichtigt
ist, dient die längliche
Schiene 32 als ein Reserve- oder ergänzendes Brennstoffspeichervolumen,
das wesentlich kleiner als das Volumen der Brennstofftanks 28 ist – im Bereich
von weniger als 25 % der Kapazität
der Brennstofftanks 28. Weitere Einzelheiten betreffend
die Verwendung eines festen Wasserstoffspeichermediums in dem Speichervolumen 50 ist
in dem U.S.-Patent Nr. 6,015,041 offenbart, dessen Offenbarung hier
ausdrücklich
durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Wie
in 3 gezeigt ist, besitzt die längliche Schiene 32 einen
allgemein rechtwinkligen Querschnitt mit einer Seitenwand 48,
die das Speichervolumen in einzelne Kammern 50.1, 50.2 unterteilt. Jede
der Kammern 50.1, 50.2 besitzt eine Auskleidung 52.1, 52.2,
die an deren Innenfläche
ausgebildet ist. Wie es derzeit bevorzugt ist, umfasst die erste Kammer 50.1 ein
festes Wasserstoffspeichermedium 54, einen Durchlass 56 und
eine Leitung 58, wie oben in 2 beschrieben
ist. Die zweite Kammer 50.2 sieht ein von dem Fluidspeichervolumen 50.1 separates
und getrenntes Fluidspeichervolumen vor. Auf diese Art und Weise
kann die zweite Kammer eine Speicherung eines zweiten Betriebsfluides
vorsehen, das von dem in der ersten Kammer 50.1 gespeicherten
Betriebsfluid verschieden ist. Beispielsweise ist, wie gezeigt ist,
die zweite Kammer 50.2 derart ausgebildet, dass sie eine
Flüssigkeit,
wie beispielsweise ein Kühlfluid
oder Wasser speichern kann, das von der Antriebsanlage 16 des
Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden kann.
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Wie
in 4 gezeigt ist, besitzt die längliche Schiene 32 einen
allgemein rechtwinkligen Querschnitt mit einer Seitenwand 48,
die ein Fluidspeichervolumen 50.1 und einen Befestigungskanal 50.2 vorsieht.
Das Fluidspeichervolumen 50.1 ist derart ausgebildet, dass
es eine Matrix 54 mit einem darin angeordneten festen Wasserstoffspeichermedium, einem
Durchlass 56 und einer Rohrleitung 58 umfasst,
wie bisher bereits beschrieben wurde. An der Innenfläche des
Fluidspeichervolumens 50.1 ist eine isolierende Auskleidung 52 angeordnet.
Der Befestigungskanal 50.2 definiert einen isolierten Befestigungskanal.
Auf diese Art und Weise ist der Befestigungskanal 50.2 von
dem Fluidspeichervolumen 50.1 abgedichtet, so dass eine
Gewindebefestigungseinrichtung 60 durch die Seitenwand 48 der Schiene 32 angebracht
werden kann, ohne den geschlossenen Abschnitt des Fluidspeichervolumens 50.1 zu
unterbrechen oder anderweitig zu stören. Bei dieser Gestaltung
kann die längliche
Schiene 32 als eine Montagefläche für verschiedene Komponenten des
Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden, ohne das Fluidspeichervolumen 50.1,
das den Innenraum in der länglichen
Schiene 32 belegt, zu unterbrechen.
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In 5 besitzt
die längliche
Schiene 32 einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt mit
einer Seitenwand 48, die ein Fluidspeichervolumen 50.1, einen
Befestigungskanal 50.2 und einen umschlossenen Durchgang 50.3 definiert.
In dem Fluidspeichervolumen 50.1 ist eine isolierende Auskleidung 52 angeordnet.
Das Fluidspeichervolumen 50.1 besitzt eine Matrix 54 mit
einem darin angeordneten festen Wasserstoffspeichermedium, einem
Durchlass 56 und einer Rohrleitung 58, wie bisher
beschrieben wurde. Der Befestigungskanal 50.2 ist in der
länglichen
Schiene 32 ähnlich
dem ausgebildet, der in 4 beschrieben ist. Zusätzlich ist
in der länglichen Schiene 32 ein
umschlossener Durchgang 50.3 vorgesehen, der dazu verwendet
werden kann, Fahrzeugkomponenten in dem Rahmenzusammenbau 12 zu
tragen. Beispielsweise kann ein Kabelbaum 62 in dem Durchgang 50.3 getragen
werden. Ähnlicherweise
kann ein rohrförmiges
Element 64 in der Form einer Brennstoffleitung oder einer
Bremsleitung in dem Durchgang 50.3 angeordnet sein, um
diese Elemente in dem Rahmenzusammenbau 12 zu führen.
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Während die
Querschnittsgestaltungen, die in den 2–5 gezeigt
sind, allgemein rechtwinklig dargestellt worden sind, sei es für Fachleute zu
verstehen, dass die jeweilige Querschnittsgestaltung der länglichen
Schiene in Abhängigkeit
von ihrer Anordnung und ihren baulichen Anforderungen in dem Rahmenzusammenbau
variiert. Somit umfasst die vorliegende Erfindung, dass eine längliche
Schiene mit einer Vielzahl von Querschnitten gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann.
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Zusammengefasst
ist die vorliegende Erfindung auf einen Rahmenzusammenbau für Kraftfahrzeuge
gerichtet, bei dem eines der Rahmenelemente als ein Fluidspeichervolumen
verwendet wird. Ein länglicher
Schienenabschnitt des Rahmenzusammenbaus definiert einen geschlossenen
Abschnitt, der als ein Fluidspeichervolumen für ein Betriebsfluid des Fahrzeugs
verwendet wird. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung
mit einem Brennstoffzellen basierten Fahrzeug bestimmt, bei dem
ein Fluidspeichervolumen dazu verwendet werden kann, Wasserstoff,
Druckluft, Wasser oder alternativ ein Kühlfluid zu speichern. Ferner
kann die längliche
Schiene mit verschiedenen Konstruktionsmerkmalen zur Speicherung
eines bestimmten Betriebsfluids versehen sein, die die längliche
Schiene auch zur herkömmlichen
Verwendung als eine Befestigungsstelle für verschiedene Fahrzeugkomponenten
oder zum Führen
von Kabelbäumen
und Brennstoff- oder Bremsleitungen geeignet machen können.