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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Baueinheit eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine
mit hydraulisch variabler Gaswechselventilbetätigung. Die
Baueinheit umfasst ein Gehäuse mit einer Ausnehmung, ein fest
in der Ausnehmung eingepasstes Nehmergehäuse und einen
in einer Bohrung des Nehmergehäuses axialbeweglich gelagerten
Nehmerkolben. Dieser wirkt einerseits mit einem Gaswechselventil zusammen
und begrenzt andererseits eine in der Bohrung verlaufende Nehmerkammer,
wobei das durch die Wandung der Ausnehmung radial ausgerichtete
Nehmergehäuse eine einem Boden der Ausnehmung zugewandte
Stirnseite mit einer Dichtfläche aufweist, die zumindest
mittelbar gegen den Boden der Ausnehmung verspannt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
derartige Baueinheit ist aus der als gattungsbildend betrachteten
EP 1 344 900 B1 vorbekannt.
Bei der dort vorgeschlagenen Baueinheit handelt es sich um ein in
den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine montierbares Gehäuse
zur Aufnahme von spezifischen Komponenten eines hydraulischen Ventiltriebs,
welche zur variablen Übertragung eines Nockenhubs auf das
Gaswechselventil nach dem bekannten Lost-Motion-Prinzip erforderlich
sind. Konkret handelt es sich bei diesen Komponenten um ein Gebergehäuse
mit einem darin geführten und eine Geberkammer begrenzenden
Geberkolben als nockenseitigem Antrieb, das ventilseitige Nehmergehäuse
mit dem Nehmerkolben als ventilseitigem Abtrieb, ein an die Geberkammer
und die Nehmerkammer angeschlossenes, elektrisch ansteuerbares Hydraulikventil
zum zeitlich variablen Absteuern von Hydraulikmittel aus den Kammern
sowie um einen Druckspeicher zur Zwischenspeicherung des abgesteuerten
Hydraulikmittels.
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Die
der nachfolgend beschriebenen Erfindung zugrunde liegende Problematik
betrifft die konstruktive Ausgestaltung des ventilseitigen Abtriebs. Hintergrund
dieser Problematik ist das Erfordernis, den Schließzeitpunkt
des Gaswechselventils unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unabhängig
von der Erhebung des Nockens präzise steuern zu können
und dabei mechanisch und akustisch akzeptable Schließgeschwindigkeiten
des Gaswechselventils nicht zu überschreiten. Da bekanntlich
die Qualität des Ventilschließvorgangs von einem genau
dosierten Volumenstrom des Hydraulikmittelstroms abhängt,
der in einem engen Zeitfenster kurz vor Erreichen der Ventilschließposition
lediglich über eine so genannte hydraulische Ventilbremse
in Form einer Drosselstelle aus der Nehmerkammer abfließt, würden
ungewollte Undichtigkeiten in der Nehmerkammer zu undefinierten
Leckageströmen und folglich zu einer negativen Beeinträchtigung
des dann nur noch unzureichend präzise vorher bestimmbaren Ventilschließvorgangs
führen.
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Bei
der konstruktiven Ausführung der ventilseitigen Abtriebseite
einer Baueinheit gemäß der eingangs zitierten
Druckschrift kann jedoch das Risiko derartiger Undichtigkeiten aufgrund
von unvermeidbaren Bauteiltoleranzen erheblich sein. Der Grund hierfür
ist, dass sich das in der Ausnehmung des Gehäuses fest
eingepasste Nehmergehäuse mit seiner Außenmantelfläche
in der Wandung der Ausnehmung radial ausrichtet, so dass auf die
Wandung bezogene Planlauftoleranzen des Bodens der Ausnehmung und/oder
auf die Außenman telfläche des Nehmergehäuses
bezogene Planlauftoleranzen von dessen Stirnseite zu einem lokalen
Spalt zwischen der stirnseitigen Dichtfläche auf der Stirnseite
und dem Boden führen, wobei der Spalt seinerseits einen
undefinierten Abfluss von Hydraulikmittel aus der Nehmerkammer zum
Zeitpunkt des Ventilschließvorgangs bewirkt.
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Zwar
könnte der Spalt vorsorglich durch weiteres axiales Verpressen
des Nehmergehäuses in die Ausnehmung geschlossen werden,
jedoch bestünde dabei das erhöhte Risiko einer
unzulässig hohen Deformation der den Nehmerkolben lagernden Bohrung
und folglich eines Klemmens des Nehmerkolbens in der Bohrung. Zudem
würde diese Problematik durch Gehäuse- und Nehmergehäusewerkstoffe
mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschärft
werden, indem beispielsweise das Gehäuse aus einem Aluminiumwerkstoff
mit vergleichsweise hoher thermischer Ausdehnung und das Nehmergehäuse
aus einem Stahlwerkstoff mit vergleichsweise niedriger thermischer
Ausdehnung bestünde und folglich die Stirnseite des Nehmergehäuses
bei sehr tiefen Temperaturen zusätzlich gegen den Boden
der Ausnehmung verspannt werden würde.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Baueinheit
der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass der vorstehend
erläuterte Nachteil mit einfachen Mitteln beseitigt ist. Demnach
soll die Baueinheit so beschaffen sein, dass auch bei entfeinerten
und folglich kostengünstiger herstellbaren Bauteiltoleranzen
der während der finalen Schließphase des Gaswechselventils
aus der Nehmerkammer abfließende Hydraulikmittelstrom lediglich über
den definierten Querschnitt der hydraulischen Ventilbremse verdrängt
wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, dass im Spannungsfluss zwischen
der Stirnseite des Nehmergehäuses und dem Boden der Ausnehmung
zumindest ein Spaltausgleichselement mit vorbestimmter axialer Verformbarkeit
zur Erzielung einer wenigstens nahezu vollständigen Dichtwirkung
der Dichtfläche angeordnet ist. Mit anderen Worten sollen
alle zwischen der Stirnseite des Nehmergehäuses und dem
Boden der Ausnehmung eingespannten Bauteilflächen durch
elastische und ggf. plastische Verformung des Spaltausgleichselements zumindest
weitestgehend druckdicht gegeneinander verspannt werden.
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Wie
es anhand der nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele
der Erfindung deutlich wird, kann es sich bei dem Spaltausgleichselement
einerseits um ein zwischen der Stirnseite des Nehmergehäuses
und dem Boden der Ausnehmung eingespanntes Bauteil oder um die Stirnseite
oder den Boden selbst handeln, wobei jeweils eine spezielle Oberflächengestaltung
mit vorbestimmter elastischer und optional plastischer Verformbarkeit
vorgesehen ist. Andererseits kann es sich auch um ein Bauteil handeln,
das lediglich eine vorbestimmte elastische und optional plastische
Verformbarkeit aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den Zeichnungen, in denen die Ausführungsbeispiele jeweils
anhand eines für das Verständnis der Erfindung
wesentlichen Ausschnitts der Baueinheit teilweise vereinfacht dargestellt
sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder
funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen
versehen. Es zeigen jeweils im Längsschnitt durch das Nehmergehäuse:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienender Tellerfeder;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienendem rechteckigem Ring;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienendem kreisförmigem Ring;
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienender Quetschkontur am Boden der Ausnehmung;
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5 ein
fünftes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienender Quetschkontur auf einer bodenseitigen Stirnfläche
eines Flansches eines Kappenelements;
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6 ein
sechstes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienender Quetschkontur auf einer ventilseitigen Stirnfläche
eines Flansches eines Kappenelements;
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7 ein
siebtes Ausführungsbeispiel mit als Spaltausgleichselement
dienender Quetschkontur auf der Dichtfläche des Nehmergehäuses
und
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8 eine
als Referenz dienende, nicht erfindungsgemäße
Ausführung der Baueinheit gemäß dem Stand
der Technik.
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Ausführliche Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 offenbart.
Dargestellt ist ein abtriebseitiger Ausschnitt einer Baueinheit
eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variabler
Gaswechselventilbetätigung, die als solche dem Fachmann
beispielsweise aus der eingangs zitierten Druckschrift geläufig
ist. Die vormontierte und in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
angeordnete Baueinheit 1 umfasst ein Gehäuse 2 aus
Aluminiumwerkstoff, ein in einer hohlzylindrischen Ausnehmung 3 des
Gehäuses 2 angeordnetes Neh mergehäuse 4 aus
Stahlwerkstoff und einen in einer Bohrung 5 des Nehmergehäuses 4 axial
beweglich gelagerten Nehmerkolben 6. Der hier mit einem
Druckstück 7 und einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement 8 mehrteilig
ausgebildete Nehmerkolben 6 wirkt einerseits mit einem
in Schließrichtung kraftbeaufschlagten Gaswechselventil 9 zusammen und
begrenzt andererseits eine mit Hydraulikmittel gefüllte
Nehmerkammer 10, die in der simultanen Hubphase des Nehmerkolbens 6 und
des Gaswechselventils 9 in bekannter Art und Weise über
Kanäle 11 im Nehmergehäuse 4 und über
ein in Richtung der Nehmerkammer 10 öffnendes
Rückschlagventil 12 hydraulisch mit einer antriebseitigen
Geberkammer 13 kommuniziert.
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Das
Rückschlagventil 12 ist Teil eines auf das Nehmergehäuse 4 aufgesetzten
und die Nehmerkammer 10 begrenzenden Kappenelements 14, das
mit einer Außenkappe 15, einer darin eingesetzten
Innenkappe 16 und einem zwischen der Außenkappe 15 und
der Innenkappe 16 beweglich angeordneten und als Kugel
ausgebildeten Rückschlagventilkörper 17 mehrteilig
ausgebildet ist. Bei dem Kappenelement 14 handelt es sich
dennoch um ein nur optionales Bauteil der Baueinheit 1,
da eine ventilferne Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 alternativ auch
unmittelbar gegen einen Boden 19 der Ausnehmung 3 verspannt
sein kann.
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Während
des Schließvorgangs des Gaswechselventils 9 ist
das Rückschlagventil 12 geschlossen, d. h. der
Rückschlagventilkörper 17 befindet sich
in Anlage an der Außenkappe 15. Nach vollständiger Überdeckung
der Kanäle 11 durch das Druckstück 7 ist
nur noch ein gedrosseltes Abströmen von Hydraulikmittel
aus der Nehmerkammer 10 bei entsprechendem Abbremsen des
Gaswechselventils 9 möglich. Das gedrosselte Abströmen
des Hydraulikmittels erfolgt sowohl über einen in 3 dargestellten
und einen definierten axialen Querschnittsverlauf aufweisenden Schlitz 20 an
der Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 als
auch über eine Drosselbohrung 21 mit definiertem
Querschnitt im Kappenelement 14. Sowohl der Schlitz 20 als
auch die Drosselbohrung 21 dienen bekanntermaßen
als Öffnungsquerschnitte einer so genannten hydraulischen
Ventilbremse, die einen definierten Schließvorgang des
bei hydraulisch variablen Ventiltrieben vom geberseitigen Nockenhub
kinematisch entkoppelten Gaswechselventils 9 generieren.
Die unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine nicht
nur aus Gründen der mechanischen Bauteilbelastung und der
Ventiltriebsakustik, sondern auch im Hinblick auf niedrige Schließzeitpunktschwankungen in
engen Grenzen einzuhaltende Schließgeschwindigkeit des
Gaswechselventils 9 bedingt jedoch einen präzise
einzuhaltenden Öffnungsquerschnitt der hydraulischen Ventilbremse
sowohl bezüglich der Querschnittsgröße
als auch, unter Berücksichtigung des Zusammenspiels mit
dem Druckstück 7, bezüglich der axialen
Querschnittsposition im Nehmergehäuse 4. Umgekehrt
ausgedrückt würden Querschnittsschwankungen der
hydraulischen Ventilbremse zu unerwünscht hohen Abweichungen
der Schließgeschwindigkeit und/oder des Schließzeitpunkts
des Gaswechselventils 9 führen.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Ursache für
derartige Querschnittsveränderungen ist in 8 verdeutlicht,
in der die konstruktiven Gegebenheiten der Baueinheit ohne erfindungsgemäßes
Spaltausgleichselement vergrößert dargestellt
sind. Demnach kann es sich bei der unerwünschten Querschnittsveränderung
insbesondere um einen hier stark übertrieben dargestellten,
keilförmigen Spalt 22 zwischen der ventilfernen
Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 und
einem Flansch 23 des Kappenelements 14 handeln.
Der Spalt 22 wird durch geometrische Ungänzen
infolge unvermeidbarer Bauteiltoleranzen und konkret durch Rechtwinkligkeitsabweichungen
des Nehmergehäuses 4 und der Ausnehmung 3 im
Gehäuse 2 verursacht. Im einzelnen verläuft
die Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 nicht
ideal rechtwinklig zu dessen Außenmantelfläche 24 und/oder
der Boden 19 der Ausnehmung 3 nicht ideal rechtwinkelig
zu deren Wandung 25. Da sich das mittels Einschrauben und/oder
Einpressen fest in der Ausnehmung 3 eingepasste Nehmergehäuse 4 mit
seiner Außenmantelfläche 24 an der Wandung 25 der
Ausnehmung 3 radial ausrichtet, verlaufen im allgemeinen
Fall die der Stirnseite 18 zugewandte Oberfläche 26 des
Bodens 19 und eine auf der Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 verlaufende
Dichtfläche 27 nicht parallel zueinander. Ein weiteres
Einpressen und/oder Einschrauben des Nehmergehäuses 4 in
Richtung des Bodens 19 bei entsprechend lokaler Axialstauchung
des Flansches 23 zwecks Schließen des Spaltes 22 wäre
zwar theoretisch möglich, würde aber bei nichtprozesssicherem
Montagevorgang des Nehmergehäuses 4 die Gefahr
einer unzulässig hohen Deformation der Bohrung 5 und
folglich eines Klemmens des Nehmerkolbens 6 (siehe 1)
in der Bohrung 5 bergen.
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Erfindungsgemäße
Spaltausgleichselemente, die die von der idealen Bauteilgeometrie
abweichenden Ungänzen, insbesondere infolge der vorgenannten
Rechtwinkligkeitstoleranzen kompensieren und zu einer wenigstens
nahezu vollständigen Dichtwirkung der Dichtfläche 27 des
Nehmergehäuses 4 führen, sind nachfolgend
in verschiedenen Ausgestaltungen anhand der 1 bis 7 erläutert.
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Bei
dem in 1 dargestellten Spaltausgleichselement handelt
es sich um eine zwischen dem Boden 19 der Ausnehmung 3 und
dem Flansch 23 des Kappenelements 14 eingespannte
Tellerfeder 28, deren Vorspannkraft so hoch ist, dass sie
den Flansch 23 bei allen auftretenden Druckzuständen
in der Nehmerkammer 10 planparallel dichtend gegen die
Dichtfläche 27 (siehe 8) des Nehmergehäuses 4 presst.
Abweichend von der dargestellten Einzelfeder kann es sich beispielsweise
auch um ein Tellerfederpaket oder eine Schraubentellerfeder handeln.
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In
den 2 und 3 sind jeweils als Ring 29 und 30 ausgebildete
Spaltausgleichselemente dargestellt, die ebenfalls zwischen dem
Boden 19 der Ausnehmung 3 und dem Flansch 23 des
Kappenelements 14 eingespannt sind. Die Ringe 29, 30 unterscheiden
sich durch ihre Querschnittsform, wobei es sich beim Ring 29 um
einen Rechteckring handelt, während der Ring 30 einen
kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist. Die genannten
Querschnittsformen beziehen sich auf den unverformten Zustand der
Ringe 29, 30, d. h. bei noch nicht in das Gehäuse 2 eingepasstem
Nehmergehäuse 4. Als Ringwerkstoffe können
sowohl Elastomere als auch metallische Werkstoffe, wie beispielsweise
Aluminium oder niedrig legierte Stähle vorgesehen sein.
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Bei
dem Spaltausgleichselement gemäß 4 handelt
es sich um eine radial höhenveränderliche Quetschkontur 31,
die als umlaufende Wulst auf einer der Dichtfläche 27 zugewandten
Oberfläche 26' des Bodens 19 selbst ausgebildet
ist. Während der Flansch 23 des Kappenelements 14 mit
ebenen Stirnflächen 32 und 33 zwischen
der Stirnseite 18 des Nehmergehäuses 4 und
dem Boden 19 eingespannt ist und die bodenseitige Stirnfläche 32 die Wulst 31 elastisch
und ggf. plastisch verformt, weist ein anderes Kappenelement 14' gemäß 5 eine dem
eben ausgebildeten Boden 19 der Ausnehmung 3 zugewandte
Stirnfläche 32' mit einer radial höhenveränderlichen
Quetschkontur 34 als Spaltausgleichselement auf. Analog
zum Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist
die Quetschkontur 34 des Flansches 23 als umlaufende
Wulst ausgebildet, die unter elastischer und ggf. plastischer Verformung
gegen den Boden 19 der Ausnehmung 3 verspannt
ist.
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Weitere
beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind schließlich
den 6 und 7 entnehmbar. Bei einem in 6 dargestellten
Kappenelement 14'' weist eine ventilseitige, d. h. der
Dichtfläche 27 des Nehmergehäuses 4 zugewandte
Stirnfläche 33'' des Flansches 23 eine
radial höhenveränderliche, umlaufende Quetschkontur 35 als
Spaltausgleichselement auf. Die Quetschkontur 35 ist als eben
oder ballig geformter und den Flansch 23 in hier übertriebener
Darstellung nach außen verjüngende Fase ausgebildet.
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In 7 weist
die Dichtfläche 27 des Nehmergehäuses 4 eine
radial höhenveränderliche Quetschkontur 36 als
Spaltausgleichselement auf. Bei dieser Quetschkontur 36 handelt
es sich ebenfalls um eine auf der gesamten Stirnseite 18 eben oder
ballig ausgebildete und radial nach außen abfallende Fase.
Bei ausgeführten Nehmergehäusen 4 wäre
ein Abfall der auch hier übertrieben dargestellten Fase 36 von
lediglich 0,1 mm oder kleiner vorzusehen.
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- 1
- Baueinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Ausnehmung
- 4
- Nehmergehäuse
- 5
- Bohrung
- 6
- Nehmerkolben
- 7
- Druckstück
- 8
- hydraulisches
Ventilspielausgleichselement
- 9
- Gaswechselventil
- 10
- Nehmerkammer
- 11
- Kanal
im Nehmergehäuse
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Geberkammer
- 14
- Kappenelement
- 15
- Außenkappe
- 16
- Innenkappe
- 17
- Rückschlagventilkörper
- 18
- Stirnseite
des Nehmergehäuses
- 19
- Boden
der Ausnehmung
- 20
- Schlitz
im Nehmergehäuse
- 21
- Drosselbohrung
- 22
- Spalt
- 23
- Flansch
des Kappenelements
- 24
- Außenmantelfläche
des Nehmergehäuses
- 25
- Wandung
der Ausnehmung
- 26
- Oberfläche
des Bodens
- 27
- Dichtfläche
des Nehmergehäuses
- 28
- Tellerfeder
- 29
- Ring
- 30
- Ring
- 31
- Quetschkontur
- 32
- bodenseitige
Stirnfläche des Kappenelements
- 33
- ventilseitige
Stirnfläche des Kappenelements
- 34
- Quetschkontur
- 35
- Quetschkontur
- 36
- Quetschkontur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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