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Stand der Technik
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DE 196 50 865 A1 beschreibt
ein Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffdruckes in einem Steuerraum
eines Einspritzventils, etwa eines Common-Rail-Einspritzsystems. Über
den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Ventilkolbens
gesteuert, durch die eine Einspritzöffnung des Einspritzventils
geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst
einen Elektromagneten, einen beweglichen Anker und ein mit dem Anker
bewegtes und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung
beaufschlagtes Ventilglied, das mit dem Ventilsatz des Magnetventils
zusammenwirkt und so den Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum steuert.
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Es
ist ein Common-Rail-Injektor mit einem zweiteilig ausgebildeten
Anker bekannt, der durch einen Magneten angezogen wird. Der Anker übt
im stromlosen Falle die Schließkraft auf eine Ventilkugel aus.
Wird der Elektromagnet bestromt, bewegt sich der Anker um den Ankerhubweg
nach oben, die Schließkraft auf die Ventilkugel wird Null
und ein Abströmventil öffnet. Eine Ankerführung,
die fest im Injektorkörper des Kraftstoffinjektors verschraubt
ist, nimmt den Ankerbolzen in axiale Richtung bewegbar auf. Auf
dem Ankerbolzen wird die Ankerplatte geführt, die ihrerseits
vom Elektromagneten angezogen wird.
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Die
Ankerplatte hat einen definierten Überhubanschlag auf der
Ankerführung, der die kinetische Energie der Bewegung des
Ankers nach dem Abschalten des Elektromagneten aus dem System nimmt.
Wenn die Ventilkugel in ihren Sitz trifft, wird der Ankerbolzen
in seiner Bewegung gestoppt. Die Ankerplatte kann noch um einen Überhub
weiter fliegen (ballistische Betriebsphase), bevor sie auf den Überhubanschlag
auftrifft. Somit muss nur ein Teil der kinetischen Energie aus der
Bewegung des Ankerbolzens im Ventilsitz abgebaut werden. Ein Teil der
kinetischen Energie der Ankerplatte wird im Injektorkörper
abgebaut.
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Einspritzmengenabweichungen
in der ballistischen Betriebsphase können von Kraftstoffinjektor zu
Kraftstoffinjektor unterschiedlich sein und aus dem Bereich des
Magnetventiles herrühren. Kraftstoffinjektoren, deren Magnetventil
mit einem zweiteilig ausgebildeten Anker versehen ist, können
an einer Führungshülse ein unterschiedliches Prellverhalten aufweisen.
Ein „Einschaltpreller”, der speziell bei hohen
Drücken auftritt, kann unterschiedlich stark ausgeprägt
sein und auch Einfluss auf die Einspritzmenge in der ballistischen
Phase des Kraftstoffinjektors haben. Bei derzeit eingesetzten Ankerbolzen
von Magnetventilen wird aus fertigungstechnischen Gründen
an der Oberseite des Ankerbolzens im Bereich der Schulter nur Winkelgeometrien
von > 90° gefertigt.
Die Schulterfläche des Ankerbolzens stellt die Kontaktfläche
der Ankerplatte, die relativ beweglich zum Ankerbolzen angeordnet
ist, in Bezug auf die Stirnseite des Ankerbolzens dar.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, zum Beispiel unter Verwendung eines Hartdrehprozesses an
der Stirnseite, insbesondere der Schulterfläche, an der
ein Kontakt zwischen der Ankerplatte und dem Ankerbolzen auftritt,
eine Winkelgeometrie < 90° zu fertigen.
Bei Winkelgeometrien von < 90° ist
gewährleistet, dass der Ankerbolzen eine genau definierte Auflagefläche
in Bezug auf die relativ bewegbare Ankerplatte enthält.
Die Winkelgeometrie, in der an der Stirnseite, der Schulterfläche
des Ankerbolzens der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Winkel ausgebildet ist, liegt im Bereich von –1°,
wobei eine Abstufung in verschiedenen Winkelminuten-Abstufungen
so zum Beispiel 15', 30' und 45 Winkelminuten vorgenommen werden
kann.
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Durch
die Winkelgeometrie an der der axial bewegbaren Ankerplatte zuweisenden
Stirnseite des Ankerbolzens der Ankerbaugruppe ist gewährleistet, dass
die Anlage der Ankerplatte am Ankerbolzen definiert, d. h. außentragend
ist – verglichen mit der aktuellen Geometrie. Durch die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Winkelgeometrie
an der der Ankerplatte zuweisenden Stirnseite des Ankerbolzens oberhalb der
an diesem axial bewegbar angeordneten Ankerplatte, verläuft
der so genannte „Einschaltpreller”, bei dem es
zum Loslösen des Ankerbolzens von der Ankerplatte kommt,
gleichmäßig. Dadurch ist die Exemplarstreuung
hinsichtlich der Einspritzmenge bei höheren Systemdrücken
deutlich reduziert. Beim Auftreffen der Ankerplatte auf der Anschlagfläche
einer Führungshülse wird das im Magnetventil befindliche Medium,
d. h. abgesteuerter Kraftstoff, in einem Ringspalt verdichtet. Dieser
Druckaufbau kann bei der Geometrie des Ankerbolzens zu einer zusätzlichen
aufgrund des herrschenden Druckes erfolgenden Unterstützung
der Ankerbolzenbewegung ausgenutzt werden. Der Raum, in dem sich
die Komponenten des Magnetventiles zur Betätigung des Kraftstoffinjektors
befinden, wird bei jedem Betätigen des kugelförmig
ausgeführten Schließelementes des Steuerraumes,
mit aus diesem abgesteuerter Kraftstoffmenge befüllt. Daher
ist der Spalt, der ein Volumen darstellt, stets mit abgesteuerter
Kraftstoffmenge be füllt, die bei Einschaltvorgang des Magnetventiles
komprimiert wird und eine Kraft erzeugt, welche die Bewegung des
Ankerbolzens unterstützt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung des Magnetventiles,
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1.1 die derzeitige Ausgestaltung des Ankerbolzens,
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1.2 die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausgestaltung des Ankerbolzens,
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2 den
wie erfindungsgemäß vorgeschlagen gestalteten
Ankerbolzen,
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3 eine
Draufsicht auf dessen Oberseite,
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4 die
sich einstellende Reduktion der Exemplarstreuung und
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5 den
Verlauf des Ventilhubes von Magnetventilen mit einem Ankerbolzen,
dessen Anschlagfläche mit einem Winkel von > 90° gefertigt
ist und mit einem Ankerbolzen, dessen Anschlagfläche einen
Winkel < 90° beträgt.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 1 ist eine Schnittdarstellung
eines Magnetventiles, welches insbesondere zur Betätigung
eines Kraftstoffinjektors eingesetzt wird, zu entnehmen.
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1 zeigt
ein Magnetventil 10, dessen Magnetgruppe einen Magnetkern 12 sowie
eine in diesen eingebettete Magnetspule 14 umfasst. Der
Magnetkern 12 umschließt eine Führungshülse 16,
an deren unterer Stirnseite eine Anschlagfläche 40 ausgeführt
ist. Der Magnetkern 12, die in diesen eingebettete Magnetspule 14 und
die Führungshülse 16 sind symmetrisch
zu einer Ventilachse 22 ausgeführt. Das Magnetventil 10 umfasst
darüber hinaus eine Ankerbaugruppe 20, die – wie
in 1 dargestellt – über eine Schließfeder 18 in
Schließrichtung des Magnetventiles 10 beaufschlagt
ist. Die Ankerbaugruppe 20 ist ebenfalls symmetrisch zur
Ventilachse 22 ausgebildet und umfasst eine verschieblich
an einem Ankerbolzen 26 gelagerte Ankerplatte 24.
Die dem Magnetkern 12 mit darin eingebetteter Magnetspule 14 zuweisende
Seite der Ankerplatte 24 ist durch Bezugszeichen 28 bezeichnet.
Der Ankerbolzen 26 der Ankerbaugruppe 20 ist in
einer Ankerbolzenführung 30 oberhalb eines Ventilsitzes 34 des
Magnetventilsitzes geführt. Aus der Darstellung gemäß 1 geht
hervor, dass die Ankerplatte 24, die am Ankerbolzen 26 der
Ankerbaugruppe 20 verschieblich geführt ist, über
eine Ankerfeder 38 beaufschlagt ist, die sich an der Innenseite
einer Ventilspannmutter 32, welche gleichzeitig die Ankerbolzenführung 30 bildet, abstützt.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht zudem
hervor, dass das Magnetventil 10 ein kugelförmig
ausgebildetes Schließelement 36 umfasst, welches
den Ventilsitz 34, der in der Ventilachse 22 liegt, verschließt.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass der Ventilsitz 34 als Kegelsitz ausgebildet ist und
im in 1 dargestellten Zustand durch das hier beispielsweise
kugelförmig ausgebildete Schließelement 36,
ausgebildet als Quetschspalt, eingeschlossen ist. Dieses ist mit
abgesteuerter Kraftstoffmenge befüllt.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 lässt
sich überdies entnehmen, dass zwischen der Planseite 28 der
verschieblich am Ankerbolzen 26 gelagerten Ankerplatte 24 und
der Stirnseite der Führungshülse 16 ein
Volumen 42 eingeschlossen ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 1.1 geht eine
aus dem Stand der Technik bekannte Ankerbaugruppe hervor. Wie 1.1 zeigt, umfasst die in 1.1 dargestellte
Ankerbaugruppe 20 den Ankerbolzen 26 und die daran
verschieblich aufgenommene Ankerplatte 24, die durch die
Ankerfeder 38 vorgespannt ist. 1.1 zeigt,
dass eine Schulter 66 am Absatz 64 des Ankerbolzens 26 in
einer Winkelgeometrie 50 > 90° ausgeführt
ist. Dadurch trägt die Schulter 66 am Absatz 64 nur
innen, während der radial außentragende Bereich
der Schulter 66 aufgrund der Winkelgeometrie 50 von > 90° nicht
trägt. Mit Bezugszeichen 62 ist die Mantelfläche
des Ankerbolzens 26 bezeichnet.
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1.2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbaugruppe.
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Wie
der Darstellung gemäß 1.2 zu
entnehmen ist, unterscheidet sich diese durch die Ausgestaltung
des Absatzes 64 von der aus dem Stand der Technik gemäß 1.1 bekannten Ankerbaugruppe. Während
bei dieser, vergleiche Darstellung gemäß 1.1, die Schulter 66 am Absatz 64 in
einer Winkelgeometrie 50 > 90° ausgeführt
ist, verläuft die Schulter 66 am Absatz 64 des
Ankerbolzens 26 der erfindungsgemäßen
Lösung folgend in einer Winkelgeometrie von < 90°, vergleiche
Position 60 in 1.2.
Dadurch bildet sich am Absatz 64 eine durch Bezugszeichen 74 angedeutete
außentragende Anlagefläche, an welcher die Planseite 28,
die verschieblich am Ankerbolzen 26 gelagerten Ankerplatte 24 im
Betrieb des Magnetventiles 10 anschlägt. Diese
außentragende Anlagefläche 74 am Absatz 64 des
Ankerbolzens 26 stellt einen definierten Anschlag für
die Ankerplatte 24 dar.
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Auch
die Ankerplatte 24 gemäß der erfindungsgemäßen
Lösung ist, wie in 1.2 dargestellt,
durch die Ankerfeder 38 abgestützt. Diese stützt
sich ihrerseits, vergleiche Darstellung gemäß der 1,
am Boden der Ventilspannmutter 32 ab.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Ankerbolzens der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbaugruppe.
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2 ist
der symmetrisch zur Ventilachse 22 ausgeführte
Ankerbolzen 26 zu entnehmen. Die Mantelfläche
des Ankerbolzens 26 ist durch Bezugszeichen 62 bezeichnet.
Der Ankerbolzen 26 gemäß der perspektivischen
Ansicht in 2 umfasst im Bereich des Absatzes 64 die
außentragende Anlagefläche 74, die sich
aufgrund der in 1.2 dargestellten Ausführung
der Winkelgeometrie 60 < 90° in
Bezug auf die Ventilachse 22 ergibt. Im Unterschied zum
in 1.1 dargestellten Ankerbolzen 26, der
eine innentragende Schulter 66 aufweist, ist der Absatz 64 am
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ankerbolzen 26 so
ausgebildet, dass sich die außentragende Anlagenfläche 74 einstellt.
Die außentragende Anlagenfläche 74 wird
am Ankerbolzen 26, der ein Drehteil darstellt, bevorzugt
mittels des Hartdrehprozesses gefertigt. Neben einer Eindrehung
von –1° kann die Eindrehung am Absatz 64 des
Ankerbolzens 26 auch als eine erste Winkelminuteneindrehung
von 15' ausgeführt sein, vergleiche Position 68 in 2.
Es sind auch verschiedene weitere Abstufungen in Bezug auf die Winkelminuteneindrehung,
so zum Beispiel eine zweite Winkelminuteneindrehung von 30' sowie
eine dritte Winkelminuteneindrehung 72 von 45' im Bereich
der außentragenden Anlagenfläche 74 am
Absatz 64 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbolzens 26 der Ankerbaugruppe 20 möglich.
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Allen
den aufgezählten Winkelgeometrien ist gemeinsam, dass sich
bei Anschlag der Planseite 28 der verschieblich an der
Mantelfläche 62 des Ankerbolzens 26 gelagerten
Ankerplatte 24 am Absatz 64 dort die außentragende
Anlagefläche 74 einstellt, die zu einer erheblichen
Verbesserung des Schaltverhaltens des Magnetventiles, insbesondere
des so genannten „Einschaltprellers”, bei dem
es zum Loslösen des Ankerbolzens 26 von der Ankerplatte 24 kommt,
beiträgt. Durch die Reduzierung der Streubreiten beim Einschaltpreller
wird die Exemplarstreuung hinsichtlich der in den Brennraum eingebrachten Einspritzmenge,
insbesondere bei hohem Systemdruck, deutlich reduziert.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass in der Draufsicht die außentragende Anlagefläche 74 eine
im Wesentlichen glatte Fläche darstellt, die im innenliegenden
Bereich zur Ventilachse 22 hin tiefer liegt als im Bereich
der Mantelfläche 62, so dass sich die außentragende
Anlagefläche 74, d. h. im Bereich der Mantelfläche 62 des
Ankerbolzens 26 einstellt.
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4 zeigt
die über einen Kraftstoffinjektor eingespritzte Kraftstoffmenge
in mm3/Hub aufgetragen über die
Schaltzeit des Kraftstoffinjektors in μs.
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Wie 4 zeigt,
stellt sich bei einem mit einer Schulter 66 gemäß 1.1 in einer Winkelgeometrie 50 von > 90° gefertigten
Ankerbolzen 26 eine durch Bezugszeichen 82 identifizierter
erster Streuungsbereich ein, während durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ein zweiter, im Vergleich zum ersten Streubereich 82 erheblich
reduzierter Streubereich 84, erreicht werden kann. Dies ist
auf die am Absatz 64 des Ankerbolzens 26 ausgebildete
außentragende Anlagefläche 74 zurückzuführen
und darauf dass in dieser eingeschlossenes Volumen, sobald sich
die Planseite 28 der Ankerplatte 24 an die außentragende
Anlagefläche 74 des Ankerbolzens 26 anlegt,
verdichtet wird.
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Der
Darstellung gemäß 5 sind Magnetventilhubverläufe,
aufgetragen über die Ansteuerdauer eines Magnetventiles
gemäß des Standes der Technik und eines Magnetventiles
mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ankerbaugruppe
zu entnehmen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht,
sind die Hubverläufe 96, 98 von Magnetventilen
einander gegenübergestellt. Die mit Bezugszeichen 96 bezeichnete
Kurve bezieht sich auf den Verlauf des Magnethubes eines Magnetventils 10,
bei dem der Ankerbolzen 26 am Absatz 64 in der
Winkelgeometrie 50 > 90° ausgebildet
ist, d. h. eine innentragende Schulter 66 aufweist. Bei
einem Einschaltpreller 90, wie in 5 in gestrichelter
Einkreisung dargestellt, ergibt sich eine erhebliche Streubreite 92 in
Bezug auf die Amplituden der Anschläge der Ankerplatte 24.
Demgegenüber ist mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung bei Einsatz der erfindungsgemäß ausgestalteten
Ankerbaugruppe 20 gemäß 1,
insbesondere mit dem Ankerbolzen 26 mit außentragender
Anlagefläche 74 eine erheblich reduzierte Streubreite 94 zu
erreichen. Deren Amplituden in Bezug auf die Auslenkung der Ankerplatte 24 liegen
in der Größenordnung von etwa 50% der Amplituden,
die innerhalb der Streubreite 92 des Magnetventiles 10 mit
einer innnentragenden Schulter 66 am Ankerbolzen 26 vorliegen.
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Zur
Verdeutlichung und zur Herstellung eines Bezuges zwischen der Verläufen 96 und 98,
sind innerhalb des Einschaltprellers 90 die Amplituden des
Magnetventiles mit dem Anker bolzen 26, der die Winkelgeometrie 50 von > 90° gemäß 1.1 aufweist, zeichnerisch in Zusammenhang gebracht, während
die Streubreite 94, die sich durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbolzen 26 bzw. eine diesen umfassende Ankerbaugruppe 20 und
einem Magnetventil 10 erreichen lässt, durch den
Verlauf 98 und das Bezugszeichen 60, welches auf
die Winkelgeometrie < 90° hinweist,
zeichnerisch verbunden sind, vgl. 1.2.
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Der
durch Bezugszeichen 90 identifizierte Einschaltpreller
ist dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Auftreffen der Ankerplatte 24,
die beweglich am Ankerbolzen 26 geführt ist, auf
die Anschlagfläche am Magnetventil, d. h. beim Kontakt
der Planseite 28 der Ankerplatte 24 mit der unteren
Stirnseite der Führungshülse 16 zu einem
Schwingen der Ankerplatte 24 kommt. Haften der Ankerbolzen 26 und die
an diesem beweglich aufgenommene Ankerplatte 24 aneinander,
so wird dieses Schwingen auf die Ventilnadel, d. h. dem unteren
Bereich des Ankerbolzens 26, an dem das Schließelement 36 aufgenommen
ist, übertragen. Kann sich der Ankerbolzen 26 hingegen
von der Ankerplatte 24 lösen, d. h. stellt sich
eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Bauteilen ein, so schwingt
der Ankerbolzen 26 weiter durch, d. h. der effektive Hubweg
der Ankerbaugruppe 20, insbesondere des Ankerbolzens 26,
wird größer. Die Ursache dafür ist in
einem Druckaufbau beim Einschaltvorgang im Volumen 42,
ausgebildet als Quetschspalt, zu sehen.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
einer außentragenden Anlagefläche 74 im Bereich
des Absatzes 64 des Ankerbolzens 26 in einem Winkel 60 von < 90° in
Bezug auf die Ventilachse 22, bzw. Abstufungen im Winkelminutenbereich, kann
beim Auftreffen der Ankerplatte 24 am Absatz 64 an
der Führungshülse 16 das im Magnetventil 10 befindliche
Medium im Ringspalt, d. h. im Volumen 42 verdichtet werden.
Ein auf diese Weise erzielter Druckaufbau kann beim Ankerbolzen 26 zu
einer zusätzlichen druckbedingten Unterstützung
der Bewegung des Ankerbolzens 26 ausgenutzt werden. Durch
unterschiedliche Auflagedurchmesser kommt es zu unterschiedlichen
Axialkräften auf den Ankerbolzen 26 zum Zeitpunkt
des Loslösens von der Ankerplatte 24.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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