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Die
Erfindung betrifft einen Partikelfilterkörper in Wabenkörperbauform
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine
mit einem dementsprechenden Partikelfilterkörper.
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Aus
der
DE 30 43 996 A1 ist
ein Partikelfilterkörper in zylindrischer Wabenkörperbauform
mit einer Vielzahl von zueinander parallelen, schlanken und gerade
verlaufenden Durchgangskanälen bekannt, bei welchem die
Durchgangskanäle sich von einer stirnseitigen Eintrittsseite
des Partikelfilterkörpers zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden stirnseitigen
Austrittsseite des Partikelfilterkörpers erstrecken. Dabei
sind direkt benachbarte Durchgangskanäle durch poröse,
gasdurchlässige Wände voneinander getrennt. Der
Partikelfilterkörper dient zum Ausfiltern partikelförmiger
Bestandteile, insbesondere von Rußpartikeln aus dem Abgas
von Dieselmotoren. Zur Erzielung einer angestrebten Filterwirkung
sind die Durchgangskanäle entweder an der Einlassseite
oder an der Auslassseite gasdicht verschlossen. Auf diese Weise
sind Einlasskanäle und Auslasskanäle ausgebildet.
Das in einen einlassseitig offenen Einlasskanal des Partikelfilterkörpers
einströmende Abgas wird infolge von dessen auslassseitigem
Verschluss durch die porösen Wände in einen benachbarten,
auslassseitig offenen Auslasskanal gezwungen, wobei im Abgas enthaltene
Partikel aus dem Abgas ausgefiltert werden.
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Derartige,
als wall-flow- oder Wandflusspartikelfilter bezeichnete Bauformen
sind neben anderen Bauformen wie Tiefenfilter oder Sintermetallfilter
als Bestandteil von Partikelfilteranlagen von Dieselmotoren, insbesondere
bei Kraftfahrzeugen inzwischen weit verbreitet.
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Ausgefilterte
Rußpartikel lagern sich im Laufe der Betriebszeit im Allgemeinen
in zunehmendem Ausmaß auf den Wänden des Partikelfilterkörpers ab,
was zu einem ansteigenden Abgasgegendruck führt. Aus diesem
Grund ist es notwendig, den Partikelfilterkörper von Zeit
zu Zeit durch Abbrennen des abgelagerten Rußes zu reinigen
bzw. zu regenerieren. Hierfür wird dem Partikelfilter ein
durch Heizmaßnahmen auf typischerweise über 550°C
erhitztes, sauerstoffhaltiges Abgas zugeführt. Die Heizmaßnahmen
sind jedoch aufwändig, wobei zusätzlich Wärmeverluste
durch eine radiale Wärmeabfuhr den zur Aufheizung erforderlichen
Energieeintrag erhöhen und eine gleichmäßige
Durcherhitzung des Partikelfilters erschweren. Zur Verminderung
dieser Wärmeverluste wird in der
DE 41 09 847 A1 vorgeschlagen,
einen Spalt zwischen dem Partikelfilterkörper und dem umgebenden
Gehäuse derart vorzusehen, dass sich eine aus Abgas bestehende
Gashülle rings um den Partikelfilterkörper ausbildet.
Geläufig ist ferner eine Verwendung von den Partikelfilter
umhüllenden wärmeisolierend wirkenden Lagermatten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Partikelfilterbauteil anzugeben, welches
geringe Wärmeverluste aufweist. Eine weitere Aufgabe ist
es, eine Brennkraftmaschine mit einer Partikelfilteranlage anzugeben,
bei welcher eine möglichst verlust arme Aufheizung zur Partikelfilterregeneration
ermöglicht ist.
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Bezüglich
des Partikelfilterbauteils wird diese Aufgabe durch einen Partikelfilterkörper
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich
der Brennkraftmaschine wird die Aufgabe durch die in Anspruch 6
angegebenen Merkmale gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Partikelfilterkörper
ist dadurch gekennzeichnet, dass er neben einem ersten Teil von
Durchgangskanälen, die entweder an der Eintrittsseite oder
an der Austrittsseite gasundurchlässig verschlossen sind,
einen zweiten Teil von Durchgangskanälen aufweist, welche
beidseitig, d. h. sowohl an der Eintrittsseite als auch an der Austrittsseite
verschlossen sind, wobei beidseitig verschlossene Durchgangskanäle
in einem radialen Randbereich des Partikelfilterkörpers
angeordnet sind. Die im Randbereich angeordneten beidseitig an ihren Enden
verschlossenen Durchgangskanäle bilden eine im Partikelfilterkörper
selbst angeordnete radial außen liegende wärmeisolierende
Schicht aus. Auf diese Weise vermindern sich Wärmeverluste
bei einer Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand und der
Wärmehaushalt ist generell verbessert. Es kann natürlich
vorgesehen sein, die Wärmeisolierung zusätzlich
durch eine wärmeisolierende Umhüllung des Partikelfilterkörpers
zu steigern.
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Der
Querschnitt der Durchgangskanäle kann dabei als regelmäßiges
Dreieck, Viereck, Fünfeck, Sechseck, Siebeneck oder Achteck
ausgebildet sein, wobei unterschiedliche Ausführungsformen
bei ein und demselben Partikelfilterkörper möglich
sind. Bevorzugt ist ein quadratischer Querschnitt für alle Durchgangskanäle.
Der Partikelfilterkörper selbst ist bevorzugt zylindrisch,
mit viereckigem, insbesondere quadratischem, ovalem oder rundem
Querschnitt ausgebildet. Die Porengröße der Wände
liegt bevorzugt zwischen 1 μm und 50 μm, insbesondere überwiegend
zwischen 5 μm und 20 μm. Die genannten Zahlenwerte
beziehen sich dabei auf das Maximum einer typischerweise vorhandenen
statistischen Häufigkeitsverteilung der Porengröße.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchgangskanäle in
Reihen und Spalten angeordnet und zumindest die radial endseitig
in den Reihen und Spalten angeordneten Durchgangskanäle
sind als beidseitig verschlossene Durchgangskanäle ausgebildet.
Die wärmeisolierende Wirkung der beidseitig verschlossenen
Durchgangskanäle ist verstärkt, wenn sowohl die
jeweils radial endseitig in den Reihen und Spalten angeordneten
Durchgangskanäle als auch deren nächste und gegebenenfalls
deren übernächste Nachbarn als beidseitig verschlossene Durchgangskanäle
ausgeführt sind. Erfindungsgemäß werden
eine oder mehrere zueinander benachbarte und radial randseitig angeordnete,
beidseitig jeweils an ihrem Ende verschlossene Durchgangskanäle
derart vorgesehen, dass im Partikelfilterkörper ein radial äußerer
und geschlossener Ringbereich solcher Durchgangskanäle
ausgebildet ist. Je nachdem, ob nur die jeweils äußersten
Durchgangskanäle oder zusätzlich zu diesen weitere
benachbarte Durchgangskanäle beidseitig verschlossen ausgeführt
sind, ergibt sich ein Ringbereich mit diesen Durchgangskanälen,
der eine Stärke aufweist, welche zumindest überwiegend
den Querabmessungen eines oder mehrerer Durchgangskanäle
entspricht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Zelldichte
der Durchgangskanäle des Partikelfilterkörpers
zwischen 100 cpsi und 400 cpsi und die Wandstärke beträgt
zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Die üblicherweise verwendete
Größe cpsi (cells per square-inch) für
die Zelldichte ist dabei als Anzahl der durch die Durchgangskanäle
gebildeten Zellen je Flächeneinheit der Querschnittsfläche
des Partikelfilterkörpers zu verstehen. Dabei entsprechen
einer bevorzugten Zelldichte von etwa 200 cpsi etwa 31 Zellen je
cm2. In den genannten Wertebereichen kann
einerseits eine gute mechanische Stabilität und andererseits
eine hohen Wandoberfläche bei gleichzeitig zufriedenstellendem
Abgasgegendruckverhalten erzielt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest für
die Wände des ersten Teils der Durchgangskanäle
eine katalytisch wirksame Beschichtung, insbesondere von der Art
eines Dreiwege-Katalysators, eines Stickoxid-Speicherkatalysators,
eines SCR-Katalysators oder eines Oxidationskatalysators vorgesehen.
Infolge dieser besonders vorteilhaften Ausführung wird
die Filterwirkung des Partikelfilterkörpers um eine Funktion
eines Abgaskatalysators nach dem Dreiwege-, Stickoxid-Speicher-,
Oxidations- oder SCR-Prinzip ergänzt bzw. erweitert. Auf diese
Weise kann ein Bauteil eingespart werden und es resultieren entsprechende
Kosten- und Einbauvorteile. Bevorzugt ist eine oxidationskatalytische
Beschichtung mit einer den Rußabbrand fördernden Wirkung.
Dadurch können für eine Partikelfilterregeneration
durch Rußabbrand niedrigere Temperaturen gewählt
werden und der Energieaufwand ist weiter vermindert. Dabei kann
auf eine innenseitige Beschichtung der Wände von beidseitig
verschlossenen Durchgangskanälen auch verzichtet werden,
da diese von Abgas nicht durchströmt werden. Vorzugsweise
sind jedoch zumindest die Wände katalytisch beschichtet,
welche von strömendem Abgas erreicht werden können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Partikelfilterkörper
einen Aufbau aus einem keramischen Material, insbesondere auf SiC-,
Cordierit, Mullit oder Aluminiumtitanat-Basis auf. Die genannten
Materialien sind insbeson dere aufgrund ihrer Temperaturfestigkeit
und ihres Wärmedehnungs- und Wärmeleitungsverhaltens
besonders gut für einen Einsatz in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen
geeignet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
einem Partikelfilter zur Reinigung von Abgas, das von der Brennkraftmaschine
abgegeben wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Partikelfilter
einen Partikelfilterkörper nach einem der Ansprüche
1 bis 5 aufweist. Infolge der verringerten Wärmeabfuhr
des Partikelfilterkörpers können Partikelfilterregenerationen
in einem vergrößerten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine
durchgeführt werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit
des Brennkraftmaschinenbetriebs insgesamt.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen
veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die
vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit angeschlossener
Abgasreinigungsanlage,
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2 eine
schematische Längsschnitt-Darstellung einer vorteilhaften
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Partikelfilterkörpers,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ansicht auf eine Stirnseite einer
ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Partikelfilterkörpers und
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4 eine
schematische Darstellung einer Ansicht auf eine Stirnseite einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Partikelfilterkörpers.
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Die
schematische Darstellung von 1 zeigt
eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 1 mit
hier beispielhaft 4 Zylindern und mit einer angeschlossenen
Abgasreinigungsanlage 2. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 wird über
eine Abgasleitung 3 der Abgasreinigungsanlage 2 mit
einem Partikelfilterbauteil 4 zugeführt. Der Übersichtlichkeit
halber sind weitere Komponenten, welche zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und
der Abgasreinigungsanlage 2 vorgesehen sind oder vorgesehen
sein können, nicht eingezeichnet. Es versteht sich jedoch,
dass die Abgasreinigungsanlage 2 weitere Bauteile, wie
beispielsweise Sensoren und Katalysatoren aufweisen kann, welche
dem Partikelfilterbauteil 4 vor- und/oder nachgeschaltet
sind.
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Im
Gehäuse des Partikelfilterbauteils 4 ist ein Partikelfilterkörper 5 angeordnet,
welcher in der Lage ist, partikelförmige Bestandteile aus
dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 auszufiltern. Vorzugsweise
ist der Partikelfilterkörper 5 von einer nicht
dargestellten Lagermatte umhüllt, die den Partikelfilterkörper 5 mechanisch
im Gehäuse des Partikelfilterbauteils 4 fixiert
und gleichzeitig der Wärmedämmung dient.
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Der
in 2 schematisch im Längsschnitt dargestellte
Partikelfilterkörper 5 weist von einer stirnseitigen
Eintrittsseite 10 sich zu einer gegenüberliegenden
stirnseitigen Austrittsseite 11 erstreckende schlanke und
gerade verlaufende Durchgangskanäle 6a, 6b auf.
Dabei sind der Übersichtlichkeit halber nur einige einer
Vielzahl von Durchgangskanälen 6a, 6b dargestellt.
Die Durchgangskanäle 6a, 6b verlaufen
parallel zueinander, wobei benachbarte Durchgangskanäle
durch poröse, gasdurchlässige Wände 7 voneinander
getrennt sind. Die Dicke der Wände 7 liegt bevorzugt
im Bereich von 0,2 mm und 0,4 mm. Die Porosität liegt bevorzugt zwischen
30 und 70 wobei eine mittlere Porengröße zwischen
1 μm und 50 μm bevorzugt ist. Die Wände 7 sind
vorzugsweise durchgehend gleichartig porös ausgebildet.
Die Durchgangskanäle 6a, 6b weisen einen über
ihre Länge gleichbleibenden quadratischen Querschnitt auf,
wobei andere Querschnittsformen ebenfalls möglich sind.
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Der
Partikelfilterkörper 5 weist eine zylindrische
Form mit einem vorzugsweise über die Länge gleichbleibenden
runden Querschnitt auf, wobei andere Querschnittsformen, etwa quadratisch,
rechteckig oder oval natürlich möglich sind. Der
Partikelfilterkörper 5 ist vorzugsweise aus SiC-Keramik
aufgebaut. Andere Materialien wie Cordierit, Mullit oder Aluminiumtitanat
können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin kann der Partikelfilterkörper 5 auch aus
einer Mehrzahl von in Reihen und Spalten angeordneten gleichartigen
Segmenten aufgebaut sein, wobei die Segmente aneinander anliegen
und vorzugsweise mit einem keramischen Kleber verbunden sind.
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Die
mit 6a bezeichneten Durchgangskanäle bilden einen
ersten Teil der insgesamt vorhandenen Durchgangskanäle 6a, 6b.
Die Durchgangskanäle 6a sind entweder an der stirnseitigen
Eintrittsseite 10 oder an der gegenüberliegenden
stirnseitigen Austrittsseite 11 mit einem gasundurchlässigen
Verschlussstopfen 8 versehen. Abgesehen vom Verschlussstopfen 8 sind
sie über ihren sonstigen axialen Verlauf gesehen frei durchströmbar
ausgebildet und somit entweder an der Austrittsseite 11 oder
an der Eintrittsseite 10 offen. Hingegen ist der verbleibende
zweite Teil der Durchgangskanäle 6a, 6b sowohl
an der Eintrittsseite 10 als auch an der Austrittseite 11 mit
einem Verschlussstopfen 8 versehen. Die beidseitig an ihren
Enden verschlossen Durchgangskanäle sind mit 6b bezeichnet.
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Die
beidseitig verschlossenen Durchgangskanäle 6b befinden
sich im radial äußersten Randbereich des Partikelfilterkörpers 5.
Vorzugsweise sind alle der radial am weitesten außen angeordneten Durchgangskanäle
als beidseitig verschlossene Durchgangskanäle 6b ausgebildet.
Auf diese Weise ist ein geschlossener randseitiger Ringbereich des Partikelfilterkörpers 5 ausgebildet,
der aus diesen Durchgangskanälen 6b besteht. Da
die beidseitig verschlossenen Durchgangskanäle 6b von
Abgas nicht durchströmt werden können, wirkt der
randseitige Ringbereich des Partikelfilterkörpers 5 als
wärmeisolierender Luft- bzw. Gasspalt. Beim Aufheizen des
Partikelfilterkörpers 5 zur Regeneration durch Rußabbrand
ist somit eine Wärmeabfuhr über dessen Manteloberfläche
vermindert und die Aufheizung, beispielsweise durch erhitztes Abgas,
ist erleichtert. Zudem ist eine gleichmäßigere
Temperaturverteilung über die Querschnittsfläche
des Partikelfilterkörpers 5 ermöglicht.
Dadurch ist insgesamt die Durchführung einer Partikelfilterregeneration
erleichtert und es erfolgt ein gleichmäßigerer
Rußabbrand.
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Es
ist vorzugsweise vorgesehen, eine katalytisch wirksame Beschichtung 9 auf
die Innenseite der Wände 7 zumindest des ersten
Teils der Durchgangsskanäle 6a, 6b aufzubringen.
Die katalytische Beschichtung 9 ist vorzugsweise durchgehend
auf den Wänden 7 der entsprechenden Durchgangsskanäle
vorhanden und selbst gasdurchlässig. In dem in 2 dargestellten
Fall ist die katalytische Beschichtung 9 beispielhaft lediglich
auf den Innenseiten der Wände 7 der einseitig
verschlossenen Durchgangskanäle 6a vorgesehen.
Aus fertigungstechnischen Gründen kann es jedoch vorteilhaft
sein, die Wände aller Durchgangskanäle 6a, 6b katalytisch
zu beschichten. Die katalytische Beschichtung kann in der Art einer
Dreiwege-Katalysatorbeschichtung, einer oxidationskatalytisch wirksamen
Beschichtung, einer in Bezug auf eine Stickoxidverminde rung selektiv wirksamen
SCR-Katalysatorbeschichtung oder in der Art einer Stickoxid-Speicherkatalysatorbeschichtung in
ihrer dem Fachmann geläufigen, jeweiligen üblichen
Bedeutung und Ausprägung ausgebildet sein. Dabei kann auch
eine radiale Schichtung von unterschiedlichen Beschichtungsformen
vorteilhaft sein, wodurch eine kombinierte Wirkung ermöglicht
ist. Ebenfalls möglich ist eine in axialer Richtung abschnittsweise
unterschiedlich ausgebildete Beschichtung. Auf diese Weise wird
ein Partikelfilterbauteil mit kombinierter katalytischer und filterwirksamer
Funktion gebildet. Bevorzugt ist eine oxidationskatalytische Beschichtung
mit einer den Rußabbrand fördernden Wirkung.
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In 3 ist
der Partikelfilterkörper 5 gemäß 2 schematisch
in einer Ansicht auf die Eintrittsseite 10 dargestellt.
Dabei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf
eine Darstellung der katalytischen Beschichtung verzichtet. Die
Durchgangskanäle 6a, 6b sind in Spalten
bzw. Reihen angeordnet. Lediglich einseitig verschlossene Durchgangskanäle 6a sind abwechselnd
in den Reihen und Spalten derart angeordnet, dass sich in einer
Draufsicht auf die Eintrittsseite 10 oder die Austrittsseite 11 ein
schachbrettartiges Muster der jeweiligen, endseitig vorgesehenen Verschlussstopfen 8 ergibt.
In der dargestellten Draufsicht ergibt sich ferner ein Bild von
aneinander gereihten Zellen, wobei die Zelldichte bevorzugt zwischen
100 cpsi und 400 cpsi liegt. Besonders bevorzugt ist eine Zelldichte
von ca. 200 cpsi entsprechend etwa 31 Zellen je cm2.
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Gemäß der
in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
ist jeder der radial am weitesten außen liegenden Strömungskanäle
als beidseitig verschlossener Strömungskanal 6b ausgebildet.
Dadurch ergibt sich wie oben erläutert ein radial außen liegender
geschlossener ringförmiger Bereich in der Art eines lediglich
von den dünnen Stegen der Wände 7 unterbrochenen
Luftspalts. Eine Wärmeabfuhr von inneren Bereichen des
Partikelfilterkörpers 5 nach außen ist
somit behindert.
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Die
wärmeisolierende Wirkung des genannten Luftspalts kann
vergrößert werden, wenn zusätzlich zu
den am äußersten Randbereich angeordneten Durchgangskanälen
auch deren jeweils nächster Nachbar als beidseitig verschlossener
Durchgangskanal 6b ausgebildet ist. Eine der 3 analoge
Darstellung einer dementsprechenden zweiten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Partikelfilterkörpers 5 ist
in 4 gezeigt. Im Vergleich zu der in 3 gezeigten
Ausführungsform resultiert durch die zusätzlichen
beidseitig verschlossenen Durchgangskanäle 6b ein
breiterer äußerer Bereich der als Luftspaltisolierung
wirkt. Für diesen Bereich kann auch eine Dicke gewählt
werden, die drei oder mehr Zellen bzw. Kanäle beträgt.
Bevorzugt ist eine Stärke von zwei Zellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3043996
A1 [0002]
- - DE 4109847 A1 [0004]