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Stand der Technik
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DE 10 2006 028 015
A1 bezieht sich auf einen pneumatischen Stellantrieb mit
integrierter elektropneumatischer Positionsregelung. Der elektropneumatische
Steller dient der Betätigung von Aggregaten einer Verbrennungskraftmaschine.
Der elektropneumatische Steller umfasst ein Gehäuse, in dem
ein Stellglied beweglich aufgenommen ist. Dem Stellglied ist ein
Steuerschieber zugeordnet, der abhängig von der Relativposition
des Stellgliedes einer Druckkammer des Gehäuses belüftet,
entlüftet oder verschließt. Gemäß der
Lösung aus
DE
10 2006 028 015 A1 ist das Stellglied hohl ausgeführt
und umfasst einen Belüftungskanal sowie einen Entlüftungskanal. Der
Steuerschieber des elektropneumatischen Stellers ist über
eine sich an einem Anschlag des Stellgliedes abstützende
Feder oder einen den Steuerschieber umschließenden Regelschieber
vorgespannt. Der Steuerschieber ist von einer Magnetspule umschlossen,
die abhängig vom Tastverhältnis eines an dieser
anliegenden PWM-Signals eine der Kraft der Feder entgegenwirkende
Magnetkraft erzeugt. Die Magnetspule erstreckt sich axial parallel zum
Stellglied und umfasst eine Vielzahl von Kupferwicklungen, was die
Herstellkosten ungünstig beeinflusst sowie hinsichtlich
des Gewichtes des aus
DE 10
2006 028 015 A1 bekannten pneumatischen Stellantriebes
eher ungünstig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, wird ein elektropneumatischer Steller bereitgestellt, der
anstelle eines in
DE
10 2006 028 015 A1 verwirklichten Hülsenschieberventilkonzeptes
ein Plattenventilkonzept verwirklicht und bei dem anstelle eines
Langhubmagneten mit einem Hubweg von ca. 20 mm und mehr ein Kurzhubmagnet
eingesetzt wird, der einen Hubweg in der Größenordnung von
wenigen mm realisiert. Der Einsatz eines Kurzhubmagneten bietet
den Vorteil, dass zur Erzeugung einer gleichen Magnetkraft erheblich
weniger Kupfer erforderlich ist und dass das bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung verwirklichte Plattenventilkonzept erheblich kostengünstiger
gefertigt werden kann. Dies hat seine Ursache darin, dass teuer
und aufwändig herzustellende Passungen beim Plattenventilkonzept
entfallen können. Darüber hinaus ergeben sich
bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektropneumatischen
Steller wesentlich geringere Anforderungen hinsichtlich der Luftqualität, was
nicht zuletzt die Fertigung bzw. die Anforderungen an die eingesetzten
Filter günstig beeinflusst.
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Bei
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektropneumatischen
Stellantrieb ist ein hülsenförmig ausgebildeter
Magnetanker kraftschlüssig mit einem Führungseinsatz
verbunden. Der Führungseinsatz seinerseits gleitet koaxial
auf einem Führungsrohr, welches mit dem Gehäuse
des elektropneumatischen Stellers fest und luftdicht verbunden ist. Über das
Führungsrohr wird ein Versorgungsunterdruck, der durch
eine Unterdruckquelle bereitgestellt und aufrechterhalten wird,
bis an das Plattenventilsystem herangeführt.
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Der
koaxial gleitend auf dem Führungsrohr aufgenommene Führungseinsatz
ist darüber hinaus kraftschlüssig mit dem Ventilgehäuse
des elektropneumatischen Stellantriebes verbunden. Über
mindestens einen Faltenbalg wird Außenluft mit Umgebungsdruckniveau
an das Plattenventilsystem herangeführt. Am plattenventilseitigen
Ende des Führungseinsatzes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektropneumatischen
Stellers ist im Inneren des Führungseinsatzes ein Querschnitt
ausgespart. Dieser ausgesparte Querschnitt steht über mindestens eine
z. B. als Bohrung beschaffene Queröffnung mit einer Arbeitskammer
des elektropneumatischen Stellers in Verbindung.
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Das
Ventilgehäuse des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Stellers verfügt über eine
Rückstellfeder. Die Rückstellfeder stützt
sich an einer Membraneinheit, welche die Arbeitskammer begrenzt,
ab, und an einer Ringfläche am Magnetanker ab. Die Rückstellfeder
durchzieht die Arbeitskammer. Außerdem befindet sich in
der Arbeitskammer eine Regelfeder, die sich am Plattenventil einerseits
und an der Membraneinheit andererseits abstützt.
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Darüber
hinaus befindet sich im Inneren des Ventilgehäuses eine
federbelastete Ventilplatte, welche im ausgeregelten Zustand, d.
h. bei eingestelltem Kräftegleichgewicht, sowohl die Unterdruck-
als auch die Atmosphärenzuleitung verschließt.
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Beim
erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektropneumatischen
Steller erfolgt eine Sollwertregelung in Form eines pulsweitenmodulierten
Signals mit einer Frequenz von etwa 300 Hz, welches als Tastverhältnis
vorgegeben werden kann. Entsprechend dieses PWM-Signals erzeugt
die Magnetspule des elektropneumatischen Stellers eine effektive
Magnetkraft, welche der Kraft der Regelfeder entgegenwirkt. Je nach
Situation erfolgt bei einem den Isthub übersteigenden Sollhub
eine Entlüftung der Arbeitskammer dadurch, dass der Magnetanker
des Magnetkreises die Ventilplatte vom Ende des Führungseinsatzes
abhebt bzw. bei einem den Sollhub übersteigenden Isthub
eine Belüftung der Arbeitskammer erfolgt, indem das Ventilgehäuse
den Führungseinsatz von der Ventilplatte abhebt. Die jeweils
sich einstellenden Druckausgleichsvorgänge erfolgen integrierend,
so lange, bis das jeweilige dem Positions-Sollwert entsprechende
Kräftegleichgewicht erneut erreicht wird.
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Eine
Störgrößenregelung erfolgt beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Steller dadurch, dass Änderungen in
einer Istposition, d. h. das Einwirken einer äußeren
Störgröße, bei konstantem Positions-Sollwert über
eine Änderung der Regelfederspannung zu einer Störung des
Kräftegleichgewichtes führen, so dass vorzeichenabhängig
entweder be- oder entlüftet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 in
schematischer Weise die einer Verbrennungskraftmaschine zugeordneten
Ansaugtrakt- und Abgastrakt-seitigen Komponenten und
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2 einen
Längsschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Steller.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
einen Ansaugtrakt 10, in den ein Verdichterteil 14 einer
Aufladeeinrichtung 12 integriert ist. Die bevorzugt als
Abgasturbolader beschaffene Aufladeeinrichtung 12 umfasst
darüber hinaus einen Turbinenteil 17, dessen Turbinenlaufrad 18 in einer
Abgasleitung 36 liegt. Das Verdichterteil 14 der Aufladeeinrichtung 12 umfasst
ein Verdichterlaufrad 17, welches mit dem Turbinenlaufrad 18 des
Turbinenteiles 17 beispielsweise über eine starre
Welle gekoppelt ist. Die einer Verbrennungskraftmaschine über
den Ansaugtrakt 10 bzw. das Verdichterteil 14 der
Aufladeeinrichtung 12 zuströmende Frischluft wird
im Verdichterteil 14 verdichtet und gelangt nach Passage
eines Zwischenkühlers 20 und einer Drosseleinrichtung 22 über
ein Einlassventil 26 in einen Brennraum 30 einer
Verbrennungskraftmaschine. Im Bereich des Einlassventils 26 befindet
sich am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine ein Kraftstoffinjektor 24.
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Abgas
wird aus dem Brennraum 30 über ein Auslassventil 28 ausgeschoben,
wenn sich ein Kolben 32 innerhalb des Brennraums 30 in
Richtung auf seinen oberen Totpunkt bewegt. Die Kolben 32 sind mit
einer Kurbelwelle verbunden, die im in 1 angedeuteten
Kurbelgehäuse 34 gelagert ist.
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In
der Abgasleitung 36, in welcher das Abgas strömt,
befindet sich das Turbinenlaufrad 18 des Turbinenteils 17 sowie
ein dem Turbinenteil 17 zugeordnetes Wastegate 38.
Das Wastegate 38 wird über einen Wastegatesteller 40 betätigt,
der seinerseits über einen elektropneumatischen Steller 50 (PAU)
betätigt wird. Nach Passage des Wastegates 38 bzw.
des Turbinenteiles 17 der Aufladeeinrichtung 12 strömt das
Abgas einer Abgasanlage 44 mit Abgaskatalysator, Lambdasonden
und gegebenenfalls einem Dieselpartikelfilter zu.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist ein
Längsschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Stellantrieb zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene elektropneumatische
Steller 50 umfasst ein Gehäuse 52, in
welchem ein sich in axialer Richtung erstreckendes Füh rungsrohr 54 eingelassen
ist. Innerhalb des Führungsrohres 54 befindet
sich ein Hohlraum; das Rohr 54 umfasst des Weiteren einen
Unterdruckanschluss 58, in welchem zum Beispiel über
eine Unterdruckpumpe oder dergleichen ein Unterdruck pu ansteht.
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Koaxial
zum Führungsrohr 54 des elektropneumatischen Stellers 50 ist
ein Führungseinsatz 56 angeordnet, der auf der
Mantelfläche des Führungsrohres 54 gleitet.
Der Führungseinsatz 56 und ein Magnetanker 60 sind
fest miteinander verbunden. Der Magnetanker 60 wirkt mit
einer Magnetspule 82 zusammen. Die Magnetspule 82 befindet
sich ebenfalls im Gehäuse 52 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Stellers 50 gemäß 2.
Der Führungseinsatz 56 umfasst zumindest einen
Faltenbalg 96, über welchen in einem Luftfilter 94 gereinigte
Frischluft einer Ventilplatte 90 eines Plattenventiles 86 zuströmt.
Dazu verfügt der Führungseinsatz 56 über
mindestens einen Belüftungskanal 100, der die
Frischluft an die Ventilplatte 90 transportiert, die durch
eine Vorspannfeder 88 vorgespannt ist. Des Weiteren umfasst
der Führungseinsatz 56 an seiner der Ventilplatte 90 des
Plattenventiles 86 zuweisenden Seite eine ringförmig
ausgebildete Aussparung 62. Von dieser in Ringform ausgebildeten
Aussparung des Führungseinsatzes 56 erstreckt
sich mindestens eine Querbohrung 64 in die Arbeitskammer 66 des
elektropneumatischen Stellers 50. Über die mindestens
eine Querbohrung 64 erfolgt sowohl die Belüftung
als auch die Entlüftung der Arbeitskammer 66.
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Des
Weiteren ist dem Führungseinsatz 56 eine Hülse 102 zugeordnet.
Zwischen der Hülse 102 und einer Glocke 70,
die die Membran 74 abstützt, befindet sich eine
Regelfeder 92. Die Glocke 70 stabilisiert eine
elastische Eigenschaften aufweisende Membran 74, die an
einer Einspannstelle 76 am Gehäuse 52 befestigt
ist. Die einen Rollbalgabschnitt aufweisende Membran 74 begrenzt
die Arbeitskammer 66 mit ihrer Innenseite, während
die Außenseite der Membran 74 dem Atmosphärendruck
patm ausgesetzt ist, der über eine Öffnung 80 im
Gehäuse 52 des elektropneumatischen Stellers 50 wirkt.
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Des
Weiteren stützt sich an der Glocke 70 eine Rückstellfeder 68 ab.
Innerhalb der Hülse 102, die kraftschlüssig
mit dem Führungseinsatz 56 verbunden ist und die
durch die Regelfeder 92 für Positionsregelung
beaufschlagt ist, befindet sich die Ventilplatte 90, die über
eine Vorspannfeder 88 an der Hülse 102 abgestützt
ist.
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Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Membran 74 an
der Glocke 70 befestigt ist und die Glocke 70 ihrerseits
mit einer Membranstange 72 verbunden ist. Die Membranstange 72 kann
zum Beispiel ein Kugelgelenk 78 umfassen, welches eine Auslenkbarkeit
eines Stellgliedes, welches durch die Membranstange 72 schlussendlich
bewegt wird, ermöglicht.
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Bei
der Magnetspule 82 handelt es sich bevorzugt um einen Kurzhubmagneten.
Dieser benötigt im Vergleich zu einem Langhubmagneten bei
gleicher zu erzeugender Magnetkraft erheblich weniger Kupfer. Während
bei Langhubmagneten Hübe von bis zu 20 mm erreicht werden,
erzeugen Kurzhubmagneten einen Hub von wenigen mm.
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Am
Führungseinsatz 56 ist das sehr robuste Plattenventil 86 aufgenommen.
Bei dieser Bauform des Ventils können Feinpassungen entfallen
und daher kann eine erheblich günstigere Fertigung des Plattenventiles 86 erreicht
werden. Des Weiteren können aufgrund der wesentlich größeren
Toleranzen beim Plattenventil 86 weit geringere Anforderungen
an die Luftqualität und damit an die Qualität
des eingesetzten Luftfilters 94 gestellt werden. Damit können
preiswertere Luftfilter 94 eingesetzt werden, über
welche Frischluft am Umgebungsluftanschluss 98 in den Belüftungskanal 100 des
axial beweglich auf dem Führungsrohr 54 angeordneten
Führungseinsatzes 56 gelangt. Der Führungseinsatz 56 gleitet auf
der Mantelfläche des ortsfest angeordneten Führungsrohres 54.
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Während über
das Führungsrohr 54 ein Unterdruck pu,
der zum Beispiel durch eine Unterdruckpumpe erzeugt wird, an das
ventilseitige Ende des Führungsrohres 54 gelangt,
gelangt über den Umgebungsluftanschluss 98, den
diesem vorgeschalteten Luftfilter 94 und den mindestens
einen Faltenbalg 96 des Führungseinsatzes 56 Luft
zur Belüftung der Arbeitskammer 66 ebenfalls an
das ventilseitige Ende des Führungseinsatzes 56.
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Der
Magnetanker 60 ist fest mit dem Führungseinsatz 56 verbunden,
ferner ist die Hülse 100 des Plattenventiles 86 fest
mit dem Führungseinsatz 56 verbunden. Innerhalb
des Gehäuses 52 des elektropneumatischen Stellers 50 befindet sich
die Rückstellfeder 68, die sich an der die Membran 74 stabilisierenden
Glocke 70, abstützt. Zwischen der Federkraft der
Regelfeder 92 und der bei Bestromung der Magnetspule 82 erzeugten
Magnetkraft entsteht zwischen diesen Komponenten ein Kräftegleichgewicht. Bleibt
dieses Kräftegleichgewicht bestehen, so ist die im Inneren
der Hülse 102 angeordnete federbelastete Ventilplatte 90 ausgeregelt
und die mindestens eine Querbohrung 64 zur Be- oder Entlüftung
der Arbeitskammer 66 verschlossen. Dies bedeutet, dass in
der Arbeitskammer 66 entsprechend eines Sollwertes ein
bestimmtes Druckniveau herrscht.
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Die
Sollposition, die die Membranstange 72 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
elektropneumatischen Stellers 50 annehmen soll, wird in
Form eines pulsweitenmodulierten Signals, so zum Beispiel ca. 300
Hz als Tastverhältnis (TV), an den elektropneumatischen
Steller 50 übertragen. Entsprechend dieses Signals
wird die Magnetspule 82 bestromt. Die bei der Bestromung
erzeugte Magnetkraft wirkt der Federkraft, die durch die Regelfeder 92 erzeugt wird,
entgegen. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
durchzieht die Regelfeder 92 die Arbeitskammer 66 und
stützt sich einerseits an der Hülse 102,
die fest mit dem Führungseinsatz 56 verbunden
ist, und andererseits an der Innenseite der Glocke 70 ab.
Zwischen der Magnetkraft und der durch die Regelfeder 92 erzeugten
Kraft stellt sich das bereits erwähnte Kräftegleichgewicht
ein. Je nach geforderter Betätigung der Membranstange 72 erfolgt
bei einem Sollhub, der größer als der aktuelle Isthub
ist, d. h. bei einer links von der Istposition liegenden Sollposition,
eine Entlüftung der Arbeitskammer 66 dadurch,
dass der Magnetanker 60 die Hülse 102 und
den damit verbundenen Führungseinsatz 56 gegen
die Ventilplatte 90 schiebt und diese das Ende des stationär
angeordneten, mit Unterdruckniveau beaufschlagten Führungsrohres 54 freigibt.
In diesem Falle erfolgt eine Entlüftung der Arbeitskammer 66 über
die mindestens eine Querbohrung 64 und den sich ergebenden
Spalt zwischen der Ventilplatte 90 und dem Führungsrohr 54.
Bei der Entlüftung der Arbeitskammer 66 über
die mindestens eine Querbohrung 64 bleibt der Führungseinsatz 56 an
die Ventilplatte 90 des Koaxialplattenventils 86 angestellt,
so dass kein Kurzschluss zwischen Atmosphärendruck und
Unterdruck auftreten kann.
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Soll
hingegen zum Erreichen eines Sollhubes, der kleiner als der aktuelle
Isthub ist, eine Belüftung der Arbeitskammer 66 erreicht
werden, erfolgt dies dadurch, dass die Regelfeder 92 die
Hülse 102 und den mit dieser verbundenen Füh rungseinsatz 56 von
der Ventilplatte 90 wegdrückt. Diese ist durch
die Vorspannfeder 88 beaufschlagt, welche die Ventilplatte 90 an
das offene Ende des stationär gelagerten Führungsrohres 54 andrückt.
Werden der Führungseinsatz 56 und die mit diesem
verbundene Hülse 102 durch die Regelfeder 92 weiter
weggedrückt, so entsteht ein umlaufender Spalt zwischen
dem Belüftungskanal 100 und der Ventilplatte 90,
so dass die Arbeitskammer 66 über die Querbohrung 64 belüftet wird.
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Die
jeweiligen Druckausgleichsvorgänge in Bezug auf die Arbeitskammer 66 erfolgen
integrierend so lange, bis das jeweilige, der Sollwertposition entsprechende
Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft der Regelfeder 68 und
der durch die Magnetspule 82 erzeugten Magnetkraft erneut
erreicht wird.
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Eine
Störgrößenregelung lässt sich
durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektropneumatischen
Steller 50 derart realisieren, dass bei einer Änderung
einer aktuellen Istposition durch Auftreten einer äußeren
Störgröße, bei einem konstant weiterhin
vorgegebenen Positionssollwert, der über das PWM-Signal
und das damit verbundene Tastverhältnis am elektropneumatischen
Steller 50 anliegt, eine Änderung der Vorspannung
der Regelfeder 92 auftritt. Da durch die Änderung
der Spannung der Regelfeder 92 das bereits erwähnte
Kräftegleichgewicht gestört wird, welches sich
entsprechend der vorgegebenen Sollwertposition zwischen der Magnetkraft und
der Federkraft eingestellt hat, so erfolgt vorzeichenabhängig
analog zur obenstehend beschriebenen Sollwertregelung entweder eine
Belüftung der Arbeitskammer 66 oder eine Entlüftung
derselben. Zum Entlüften wird die Ventilplatte 90 wiederum
vom fix im Gehäuse 52 montierten Führungsrohr 54 abgestellt,
so dass die Arbeitskammer 66 über die mindestens
eine Querbohrung 64 mit der am Unterdruckanschluss 58 am
Führungsrohr 54 angeschlossenen Unterdruckquelle
in Verbindung tritt. Gleichzeitig verschließt die Ventilplatte 90 jedoch
den Belüftungskanal 100 im Führungseinsatz 56.
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Die
Belüftung der Arbeitskammer 66 erfolgt hingegen über
den Führungseinsatz 56, der zum Belüften
durch das Ventilgehäuse von der Ventilplatte 90 abhebt.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene elektropneumatische
Steller 50 ist prinzipiell bei allen elektropneumatischen
Aktuatoren einsetzbar. In Bezug auf die 1 sei darauf
verwiesen, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene
elektro pneumatische Steller 50 insbesondere zur Betätigung
eines Wastegates 38 an einer Aufladeeinrichtung 12 eingesetzt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006028015
A1 [0001, 0001, 0001, 0002]