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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Üblicherweise
umfasst eine Brennkraftmaschine mehrere Zylinder, die jeweils einen
Brennraum umschließen, in denen jeweils ein Kolben hubverstellbar
angeordnet ist und denen jeweils zumindest ein Einlassventil und
zumindest ein Auslassventil zur Ladungswechselsteuerung zugeordnet
sind. Bei Ottomotoren bzw. Benzinmotoren kann mit Hilfe einer inneren
Gemischbildung, die auch als Direkteinspritzung bezeichnet wird,
im Bereich der Zündkerze ein gut brennbares Gemisch erzeugt
werden, während der übrige Brennraum im Wesentlichen
mit Luft gefüllt ist. Erreicht wird dies durch eine vergleichsweise
späte Einspritzung des Kraftstoffs während der
Verdichtung. Auf diese Weise entstehen im Brennraum zwei Schichten,
nämlich ein das brennbare Gemisch enthaltender Kern und
eine den Kern umgebende Hülle z. B. aus Luft. Diese Schichtbildung
wird auch als Schichtladung bezeichnet. Die Schichtladung ermöglicht
einen Magerbetrieb mit sehr hohen Luftzahlen und dadurch eine Qualitätsregelung
des Motors. Bei Gemischbildungsverfahren bzw. bei Brennverfahren
wird bei Brennkraftmaschinen zumindest zwischen strahlgeführten,
wandgeführten und luftgeführten Verfahren unterschieden. Diese
Einteilung erfolgt anhand von Mechanismen, die im Schichtladungsbetrieb
für den Transport des Kraftstoffs zur Zündkerze
verantwortlich sind. Maßgebliche Mechanismen können
dabei die Strahldynamik selbst, die Strahlumlenkung an einer Brennraumwand
und die Ladungsbewegung sein, wobei in der Regel eine Kombination
dieser Mechanismen zusammenkommt.
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Problematisch
ist bei Ottomotoren, die mit einem solchen Schichtladungsbetrieb
arbeiten, eine vergleichsweise hohe Stickoxidemission. Dies gilt insbesondere
für die strahlgeführten Verfahren. Zur Absenkung
der Stickoxidemissionen wird häufig mit einer Abgasrückführung
gearbeitet. Die Verträglichkeit für Abgasrückführung,
also die maximale Menge des rückgeführten Abgases
ist dabei begrenzt, so dass sich auch die Emissionswerte nur in
begrenztem Umfang verbessern lassen. Erforderlich ist demnach eine
intensive Abgasnachbehandlung, beispielsweise mittels eines NOX-Speicherkatalysators. Aufgrund
der vergleichsweise hohen Stickoxidemissionen muss ein derartiger
NOX-Speicherkatalysator vergleichsweise häufig regeneriert
werden, wozu Kraftstoff verbraucht wird, was sich nachteilig auf
den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirkt.
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Des
Weiteren stellen, insbesondere in Verbindung mit der Abgasrückführung,
die im Betrieb entstehenden, vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen
ein zusätzliches Problem dar. Denn um die Funktion des
nachgeschalteten Katalysators zu erhalten, wozu eine Mindesttemperatur
erforderlich ist, muss bei niedrigen Lasten auf einen Betrieb mit
homogenem, stöchiometrischem Gemisch umgeschaltet werden,
so dass die Brennkraftmaschine ohne den vorteilhaften Luftüberschuss
betrieben werden muss.
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Aus
der
DE 10 2004
017 989 A1 ist ein Betriebsverfahren für eine
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bekannt, bei
dem im Rahmen einer Voreinspritzung, die während eines
Ansaughubs durchgeführt wird, ein mageres, homogenes Grundgemisch
erzeugt wird und bei dem unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt
im Rahmen einer Haupteinspritzung im Bereich der Zündkerze
ein geschichtetes, fettes Gemisch erzeugt wird. Auf diese Weise
soll die Verbrennungsreaktion auch bei einem hohen Abgasanteil im
Brennraum durch interne oder externe Abgasrückführung
oder bei einem sehr mageren Ladungsgemisch stabilisiert werden können, was
zu einer Kraftstoffeinsparung führen kann.
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Aus
der
DE 102 44 364
A1 ist ein weiteres Betriebsverfahren für eine
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bekannt, das
mit einer frühen Voreinspritzung und einer späten
Haupteinspritzung arbeitet. Die Voreinspritzung wird zur Erzeugung
eines homogenen, mageren Grundgemischs genutzt, während
die Haupteinspritzung im Inneren des Grundgemischs ein Hauptgemisch
bildet, das direkt durch eine Zündkerze gezündet
wird, während das Grundgemisch durch die Verbrennung des
Hauptgemischs zu einer Selbstzündung veranlasst wird.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Brennkraftmaschine bzw. für ein zugehöriges
Betriebsverfahren eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben,
die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass ein Schichtladungsbetrieb
mit höherer Abgasverträglichkeit bzw. mit höheren
Abgastemperaturen ermöglicht wird.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, beim Ladungswechselvorgang
Abgas im Brennraum zurückzubehalten, um dieses als heißes Restgas
zur Schichtladung zu nutzen. Da das im jeweiligen Brennraum zurückbehaltene
Abgas nicht aus dem jeweiligen Brennraum abgeführt wird,
handelt es sich bei der hier vorgeschlagenen Abgasrückhaltung
auch nicht um eine (interne) Abgasrückführung.
Vielmehr kann die hier vorgestellte Abgasrückhaltung zusätzlich
oder alternativ zu einer derartigen internen oder externen Abgasrückführung
realisiert werden. Ziel der Abgasrückhaltung ist in erster
Linie dabei die Erhöhung der Reaktionstemperatur im jeweiligen
Brennraum und hat demnach eine grundsätzlich andere Funktion
als die an sich bekannte Abgasrückführung.
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Erreicht
wird die Abgasrückhaltung erfindungsgemäß dadurch,
dass die Auslassventile bei einem Gaswechselhub vor einem oberen
Totpunkt schließen und die Einlassventile nach dem oberen Totpunkt öffnen.
Hierdurch wird erreicht, dass nicht das gesamte Hubvolumen des jeweiligen
Kolbens ausgetrieben wird, sondern ein vorbestimmtes Restvolumen
an Abgas im jeweiligen Brennraum verbleibt. Dieser zurückgehaltene
Abgasrest wird beim verbleibenden Hub des Kolbens komprimiert und
bis zum Öffnen des jeweiligen Einlassventils zumindest teilweise
wieder entspannt. Durch die Abgasrückhaltung, die hier
durch negative Ventilüberschneidung realisiert wird, wird
das Temperaturniveau im Brennraum und somit während der
Verbrennungsreaktion erhöht. Hierdurch lassen sich einerseits
die Abgasverträglichkeit erhöhen und andererseits
höhere Abgastemperaturen erzielen. Gleichzeitig kann der
gewünschte Schichtladungsbetrieb realisiert werden, auch
bei niedrigen Lasten, da mit Hilfe der Abgasrückhaltung
ausreichend hohe Abgastemperaturen erzielt werden können.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Zeitpunkt
zum Öffnen der Einlassventile soweit nach spät
verschoben werden, bis im jeweiligen Brennraum der Abgasdruck kleiner
ist als oder gleich groß ist wie der Frischluftdruck am
jeweiligen Einlassventil. Durch diese Maßnahme wird erreicht,
dass beim Öffnen des jeweiligen Einlassventils kein oder
kaum Abgas aus dem jeweiligen Brennraum durch das geöffnete
Einlassventil in den Einlasstrakt gelangt.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen
sein, den Schließzeitpunkt der Auslassventile und/oder
den Öffnungszeitpunkt der Einlassventile in Abhängigkeit
der aktuellen Last der Brennkraftmaschine zu wählen. Je
niedriger die Last der Brennkraftmaschine, desto früher
schließen die Auslassventile und desto später öffnen
die Einlassventile. Hierdurch kann die Menge der Abgasrückhaltung
an den Wärmebedarf im Abgas angepasst werden. Zusätzlich
oder alternativ kann auch eine temperaturabhängige Einstellung
des Schließzeitpunkts der Auslassventile und/oder des Öffnungszeitpunkts der
Einlassventile vorgesehen sein. Auf diese Weise ist es möglich,
im Abgas eine Mindesttemperatur bzw. eine Solltemperatur durch Anpassen
der in den Brennräumen zurückgehaltenen Restgasmenge
einzustellen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Öffnungszeiten und Schließzeiten
eines Auslassventils bei einem Ladungswechsel,
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Öffnungszeiten und Schließzeiten
eines Einlassventils während eines Ladungswechsels.
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Eine
hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine, die insbesondere mit
einer Kraftstoffdirekteinspritzung arbeitet, besitzt mehrere Zylinder.
Sie ist zweckmäßig als Benzinmotor oder Ottomotor
oder fremdgezündeter Motor ausgestaltet. Der jeweilige Zylinder
umschließt in üblicher Weise einen Brennraum und
nimmt einen darin hubverstellbaren Kolben auf. Ferner ist je Zylinder
zumindest ein Auslassventil und zumindest ein Einlassventil vorgesehen.
Es ist klar, dass moderne Brennkraftmaschinen je Zylinder auch mehrere
Einlassventile und/oder mehrere Auslassventile aufweisen können. Üblicherweise
werden mehrere Einlassventile je Zylinder synchron angesteuert.
Ebenso werden üblicherweise mehrere Auslassventile je Zylinder
synchron angesteuert. Moderne Ventiltriebe ermöglichen
jedoch auch eine separate Ansteuerung der Einlassventile bzw. der
Auslassventile je Zylinder.
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Das
hier vorgestellte Betriebsverfahren bzw. die hier vorgestellte Brennkraftmaschine
bezieht sich dabei jeweils auf ein Auslassventil und ein Einlassventil
je Zylinder. Es ist jedoch klar, dass bei anderen Ausführungsformen
in der gleichen Weise auch mehrere Auslassventile bzw. mehrere Einlassventile
je Zylinder synchron gesteuert werden können.
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Das
in 1 wiedergegebene Diagramm zeigt für einen
Zylinder den Expansionshub des zugehörigen Kolbens, der
bei einem Vier-Takt-Motor von 0° Kurbelwellenwinkel (KWW)
bis 180° KWW reicht. Ferner ist in 1 ein Ausstoßhub
gezeigt, der von 180° KWW bis 360° KWW reicht. 2 zeigt dann
den Ansaughub, der bei 360° KWW beginnt und bei 540° KWW
endet. Der nachfolgende Kompressionshub beginnt bei 540° KWW
und endet dann bei 720° KWW, was dem Ausgangspunkt, nämlich
0° KWW entspricht.
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Das
jeweilige Auslassventil besitzt einen Öffnungszeitpunkt
Ab, der im Beispiel vor dem unteren Totpunkt ZUT zwischen Expansionshub
und Ausstoßhub liegt. Dieser untere Totpunkt ZUT liegt
bei 180° KWW. Der Schließzeitpunkt des Auslassventils As
ist zur Realisierung einer Abgasrückhaltung vor dem oberen
Totpunkt GOT, der bei 360° KWW liegt, positioniert. Im
Beispiel liegt der Schließzeitpunkt As des Auslassventils
bei etwa 60° KWW vor dem zugehörigen oberen Totpunkt
GOT. Es ist jedoch klar, dass der Schließzeitpunkt As des
Auslassventils auch näher am oberen Totpunkt GOT liegen
kann. Beispielsweise ist auch ein Abstand von etwa 30° KWW
denkbar.
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Entsprechend 2 öffnet
das Einlassventil zu einem Öffnungszeitpunkt Eö,
der deutlich nach dem oberen Totpunkt GOT liegt. Insbesondere ist
der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt GOT und dem Öffnungszeitpunkt
Eö des Einlassventils etwa gleich groß wie der
Abstand des Schließzeitpunkts As des Auslassventils vor
dem oberen Totpunkt GOT. Das Einlassventil schließt bei
einem Schließzeitpunkt Es, der hier nach dem unteren Totpunkt
GUT, also nach 540° KWW liegt, wodurch der Ladungswechselvorgang
beendet ist. Es folgen Kompressionshub und Expansionshub, worauf
sich der Ladungswechselvorgang wiederholt.
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Für
den Schichtladungsbetrieb wird eine Abgasrückhaltung realisiert,
die durch das frühe Schließen des Auslassventils
und durch das späte Öffnen des Einlassventils
charakterisiert ist. Die Abgasrückhaltung bewirkt, dass
nach dem Expansionshub während des Ausstoßhubs
nicht die gesamte Abgasmenge aus dem Zylinder ausgetrieben wird.
Die im Zylinder verbleibende und durch das frühe Schließen
des Auslassventils darin eingeschlossene Abgasmenge wird durch den
weitergehenden Ausstoßhub komprimiert und zu Beginn des
nachfolgenden Ansaughubs zumindest teilweise wieder entspannt. Das
Restgasvolumen arbeitet dabei wie eine Feder, so dass hier wenig
Energieverluste auftreten. Durch die Abgasrückhaltung kann
das Temperaturniveau im Zylinder bzw. in der Verbrennungsreaktion
erhöht werden. Dies kann bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine
erforderlich sein, um hinreichend hohe Abgastemperaturen erreichen
zu können. Beispielsweise benötigt ein NOX-Speicherkatalysator
eine bestimmte Betriebstemperatur, um seine NOX-Speicherfunktion
durchführen zu können.
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Der
Schichtladungsbetrieb, der hier bevorzugt realisiert werden soll,
arbeitet stark überstöchiometrisch, also mit einer
großen Luftzahl. Gleichzeitig kann dabei eine relativ hohe
Restgasrate verwendet werden, um die NOX-Emissionen zu reduzieren.
Im Falle einer externen Abgasrückführung wird
das Abgas vor seiner Rückführung stark gekühlt.
Mit niedrigen Lasten kann dies dazu führen, dass die Abgastemperatur
unter eine Mindesttemperatur abfällt, die z. B. zum Betreiben
des NOX-Speicherkatalysators oder anderer Abgasbehandlungseinrichtungen
erforderlich ist. Dementsprechend wird die hier vorgestellte Abgasrückhaltung
bevorzugt bei niedrigen Lasten realisiert, wenn die Brennkraftmaschine
im Schichtladungsbetrieb arbeiten soll.
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Die
Menge des im jeweiligen Brennraum zurückzuhaltenden Restgases
kann dabei von der aktuellen Last der Brennkraftmaschine abhängen.
Dementsprechend kann vorgesehen sein, den Schließzeitpunkt
As des Auslassventils in Abhängigkeit der aktuellen Last
der Brennkraftmaschine einzustellen. Je kleiner die Last, desto
weiter wird der Schließzeitpunkt As des Auslassventils
nach früh verschoben. Symmetrisch dazu kann auch der Öffnungszeitpunkt Eö des
Einlassventils entsprechend nach spät verschoben werden.
Durch Variieren des Schließzeitpunkts As des Auslassventils
bzw. des Öffnungszeitpunkts Eö des Einlassventils
kann die Menge des im jeweiligen Brennraum zurückbehaltenen
Restgases variiert werden.
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Zusätzlich
oder alternativ zu einer lastabhängigen Steuerung kann
auch eine temperaturabhängige Steuerung für den
Schließzeitpunkt As des Auslassventils bzw. für
den Öffnungszeitpunkt Eö des Einlassventils realisiert
werden. Beispielsweise kann im Abgasstrang ein Temperatursensor
angeordnet sein, der die aktuelle Abgastemperatur misst. Fällt die
gemessene Abgastemperatur unter einen Temperaturschwellwert, kann
beim Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine die Abgasrückhaltung aktiviert
werden. Ebenso kann die Einstellung des Schließzeitpunkts
As für das Auslassventil bzw. des Öffnungszeitpunkts
Eö des Einlassventils in Abhängigkeit der Temperatur
eingestellt werden. Je niedriger die gemessene Temperatur, desto
größer die Zeitverschiebung für das Schließen
des Auslassventils nach früh sowie für das Öffnen
des Einlassventils nach spät.
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Ebenso
ist es im Rahmen einer temperaturabhängigen Steuerung denkbar,
beim Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine durch Einstellen
der Schließzeit As des Auslassventils und der Öffnungszeit
Eö des Einlassventils die Restgasmenge im jeweiligen Brennraum
einzustellen, was sich wiederum auf die Abgastemperatur auswirkt.
Je größer die im jeweiligen Brennraum zurückbehaltene
Restgasmenge, desto höher die entstehende Abgastemperatur.
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Bei
niedriger Last der Brennkraftmaschine, die beispielsweise bei einem
Leerlaufbetrieb vorliegt, kann während des Schichtladungsbetriebs
das Auslassventil zwischen 30° KWW und 120° KWW
vor dem zugehörigen oberen Totpunkt GOT geschlossen werden.
Symmetrisch dazu wird das jeweilige Einlassventil dann bevorzugt
zwischen 30° KWW und 120° KWW nach dem oberen
Totpunkt GOT geöffnet.
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Zur
Realisierung variierender Öffnungszeiten bzw. Schließzeiten
für die Gaswechselventile kann die Brennkraftmaschine mit
einem variablen Ventiltrieb ausgestattet sein. Dieser kann auf grundsätzlich
beliebige Weise realisiert sein. Denkbar ist insbesondere ein Einsatz
von Schalt-Schlepphebeln bzw. Schalt-Kipphebeln in Kombination mit
Nockenwellen-Verstellsystemen. Ferner können zur Realisierung
der Abgasrückhaltung andere Nockenprofile verwendet werden,
die beispielsweise reduzierte Ventilhübe realisieren und
reduzierte Nockenbreiten aufweisen. Der mit Hilfe der Kraftstoffdirekteinspritzung
realisierbare Schichtladungsbetrieb wird zweckmäßig
mit der hier vorgestellten Abgasrückhaltung zeitgleich
aktiviert, zumindest bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine.
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Vorzugsweise
können die Einspritzventile für die Kraftstoffdirekteinspritzung
etwa mittig im Brennraum angeordnet werden. Dabei können
vorzugsweise piezoelektrisch betätigbare Einspritzventile
verwendet werden, wobei insbesondere nach außen öffnende
Düsen zur Anwendung kommen. Die Entflammung des Gemisches
kann im Bereich eines Rezirkulationsgebietes am Strahlrand erfolgen.
Der Einspritzdruck kann 200 bar oder mehr betragen und die Einspritzung
kann mit einer oder zwei Unterbrechungen (getaktete Einspritzung)
erfolgen.
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Alternativ
können auch elektromagnetisch betätigbare Einspritzventile
mit Mehrlochdüsen zur Anwendung kommen.
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Die
hier vorgestellte Abgasrückhaltung kann dabei zusätzlich
oder alternativ zu einer ohnehin vorhandenen internen oder externen
Abgasrückführung realisiert werden. Zweckmäßig
wird die Rückführrate der ohnehin vorhandenen
internen oder externen Abgasrückführung adaptiert,
um die im Rahmen der Abgasrückhaltung im jeweiligen Brennraum
verbleibende Abgasmenge zu berücksichtigen, um schließlich nach
dem Ladungswechsel eine vorbestimmte Restgasrate mit vorbestimmter
Temperatur im jeweiligen Brennraum zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004017989
A1 [0005]
- - DE 10244364 A1 [0006]