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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für zumindest
ein Nebenaggregat einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft zudem eine Verbrennungskraftmaschine
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Antriebe
für Nebenaggregate eines Motors mit einem Planetengetriebe
und zwei elektrischen Maschinen sind bereits aus der
EP 1 066 168 B1 , der
EP 1 801 386 A1 sowie
aus der
WO 2005/119
023 A1 bekannt. Dabei offenbart die
WO 2005/119 023 A1 insbesondere,
dass zwei elektrische Maschinen im Inneren eines Gehäuses
angeordnet sind, wobei dieses Gehäuse als Riemenscheibe
ausgebildet ist.
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Die
bekannten Antriebe für Nebenaggregate einer Verbrennungskraftmaschine
haben den Nachteil einer komplizierten Riemenanordnung inne, was einen
Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht,
denn so wird ein beträchtlicher Anteil des Kraftstoffverbrauchs
der Verbrennungskraftmaschine für Verluste bei den Nebenaggregaten
und beim Riementrieb aufgewendet. Einzelkomponenten im Riementrieb
sorgen für hohe Komplexität, schlechte gegenseitige
Abstimmung und großen Bauraumbedarf.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antrieb der
eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, um einen Kraftstoffverbrauch
einer Verbrennungskraftmaschine durch den Antrieb von Nebenaggregaten
zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Erfindung gehört
auch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
solche Antriebsanordnung für zumindest ein Nebenaggregat,
insbesondere ein Kältemittelverdichter, einer Verbrennungskraftmaschine
weist zwei elektrische Maschinen und ein Leistungsverzweigungsgetriebe,
insbesondere ein Planetengetriebe, auf, welches zwischen einer Kurbelwelle
der Verbrennungskraftmaschine einerseits und den elektrischen Maschinen
und/oder dem zumindest einen Nebenaggregat andererseits angeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß ist
bei dieser Anordnung vorgesehen, dass das zumindest eine Nebenaggregat,
insbesondere der Kältemittelverdichter, und die elektrischen
Maschinen zu einem Aggregat zusammengefasst sind. Durch diese Zusammenfassung wird
eine komplizierte Riemenanordnung vermieden, wodurch die Verluste
im Riementrieb und dadurch ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine reduziert
werden.
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Weiterhin
wird so ermöglicht, dass beispielsweise der Kältemittelverdichter
einer Klimaanlage in einem Kraftwagen und/oder ein Aggregat zur
Stromerzeugung in demselbigen weiterhin zwar mechanisch, aber optimiert
von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird bzw. werden.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind die elektrischen Maschinen mittels eines Kältemittels
des Kältemittelverdichters kühlbar, was einen
effizienteren Betrieb der Maschinen ermöglicht, wodurch
der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine weiter reduziert
werden kann.
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Darüber
hinaus ist das Aggregat aus den elektrischen Maschinen und dem zumindest
einen Nebenaggregat lediglich über eine Riemenscheibe und
einen einfachen Riemen antreibbar. Diese Tatsache reduziert die
Verluste im Riementrieb und vermeidet somit einen unnötigen
Kraftstoffverbrauch, der für die Verluste aufgebracht werden
müsste.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Antriebsanordnung für das zumindest eine Nebenaggregat
der Verbrennungskraftmaschine eine Regelungseinheit zur Regelung
der elektrischen Maschinen. Durch die beschriebene unkomplizierte
Gestaltung des Riementriebs und einen durch die Regelungseinheit
ermöglichten bedarfsgerechten Einsatz der elektrischen
Maschinen und damit von elektrisch betriebenen Nebenaggregaten, wie
beispielsweise ein elektrisch betriebener Turbolader, ist eine deutliche
Steigerung der Effizienz der Verbrennungskraftmaschine durch Reduzierung
von Verlusten ermöglicht. Dies kommt der Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs zusätzlich zugute.
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Erfindungsgemäß ist
auch die Integration einer Leistungselektronik zum Betreiben der
elektrischen Maschinen und/oder weiteren elektrischen Nebenaggregaten
in das Aggregat aus dem zumindest einen Nebenaggregat und den beiden
elektrischen Maschinen vorgesehen.
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Dies
reduziert einen Materialeinsatz durch die Vermeidung von unnötig
langen Verkabelungen und/oder Verdrahtungen und zusätzlicher
Gehäuse und/oder Gehäuseteilen und/oder Befestigungsmitteln
für diese.
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Nichtsdestoweniger
ergibt sich daraus der Vorteil, dass die Leistungselektronik eben
so wie die elektrischen Maschinen durch das Kältemittel
des Kältemittelverdichters kühlbar ist. Das Resultat
daraus ist, dass die Leistungselektronik effizienter bei gleich
bleibender Leistung bzw. mit einer höheren Leistung arbeiten
kann, was der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine,
bei der eine beschriebene Antriebsanordnung für zumindest
ein Nebenaggregat zum Einsatz kommt, zugute kommt.
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Darüber
hinaus ist die Integration weiterer Nebenaggregate, wie zum Beispiel
einer Wasserpumpe für ein Kühlwasser oder einer
Pumpe für eine Lenkunterstützungseinrichtung und/oder
weitere Nebenaggregate durchaus denkbar, um den Riementrieb weniger
komplex zu gestalten zur Reduzierung der Verluste und des Kraftstoffverbrauchs
der Verbrennungskraftmaschine.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung
ergeben sich aus der Optimierung von Betriebsdrehzahlen der elektrischen
Maschinen und/oder des zumindest einen Nebenaggregats, die in ihrem
jeweiligen optimalen Drehzahlbereich betrieben werden können,
wodurch ein im Hinblick auf die Effizienz bestmöglicher
Betrieb ermöglicht wird.
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Wie
schon angedeutet erweist sich die Reduzierung einer Teilevielfalt
und der Komplexität im Riementrieb für eine einfachere
Montage und/oder Reparatur als auch für eine Reduzierung
des Gewichts des Kraftwagens mit einer derartigen Antriebsanordnung
als vorteilhaft. Diese Gewichtersparung senkt den Kraftstoffverbrauch
weiter.
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Im
Hinblick auf einzelne Schritte im Produktions- und Montageprozess
eines Kraftwagens mit einer derartigen Antriebsanordnung wird durch
die beschriebene Integration ein multifunktionales Zulieferer-Modul
geschaffen, welches verbleibend mechanisch angetriebene Funktionen
wie Bordnetzversorgung und Klimatisierung durch Verdichtung des
Kältemittels energieoptimal darstellt, sowie weitere umfangreiche
Funktionalitäten bietet.
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In
diesem Zusammenhang sei beispielsweise eine Start-Stopp-Funktion
erwähnt, bei der während eines automatischen Stopps
der Verbrennungskraftmaschine eine Übergangsklimatisierung
realisiert werden muss, da bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine
der Kältemittelverdichter nun nicht mehr von der Verbrennungskraftmaschine,
sondern über die erfindungsgemäße Antriebsanordnung antreibbar
ist.
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Die
Antriebsanordnung stellt somit eine Hilfsbetriebseinheit, eine so
genannte Auxiliary-Power-Unit dar, die einen breiten Leistungsumfang
aufweist. So liefert sie Strom für ein Bordnetz des Kraftwagens
und ist für einen Start der betriebswarmen Verbrennungskraftmaschine
bei beispielsweise einem automatischen Stopp während des Start-Stopp-Betriebs
einsetzbar.
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Zudem
ist über sie in der beschriebenen Weise der Kältemittelverdichter
für die Klimaanlage gerade bei dem erwähnten automatischen
Stopp der Verbrennungskraftmaschine antreibbar, wodurch eine Kühlung
eines Innenraums des Kraftwagens auch bei stehender Verbrennungskraftmaschine
ermöglicht ist.
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Die
Reduktion des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine
in einem Normalbetrieb wird dadurch realisiert, dass die Auxiliary-Power-Unit eine
mechanische Antriebsenergie der Verbrennungskraftmaschine nutzt
und eine optimierte Drehzahl für den Kältemittelverdichter
darstellt, was die Effizienz des Betriebs maximiert und die Verluste
im Riementrieb und damit den Kraftstoffverbrauch wie beschrieben
reduziert, was besonders im Neuen Europäischen Fahrzyklus
vorteilhaft zum Ausdruck kommt. In diesem Neuen Europäischen
Fahrzyklus kann beispielsweise der Kältemittelverdichter
und eine elektrische Maschine stillgelegt werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine
weniger Energie zum Betreiben dieser aufbringen muss.
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Ein
weiterer sehr wichtiger Aspekt des Leistungsumfangs der Auxiliary-Power-Unit
betrifft die Rekuperation. Das bedeutet, dass bei Schubphasen des
Kraftwagens eine Bewegungsenergie des gesamten Kraftwagens durch
die zwei installierten elektrischen Maschinen und dem Leistungsverzweigungsgetriebe,
das vorzugsweise ein Planetengetriebe ist, in deutlich höherem
Maße als bei konventionellen Riementriebsanordnungen in
elektrische Energie umgewandelt und gegebenenfalls zwischengespeichert
oder anderweitig verwendet werden kann. Diese Eigenschaft kommt
in Verbindung mit der Litium-Ionen Batterietechnologie, mit Ihrer
erhöhten Leistungsdichte und Zyklenstabilität,
besonders zur vorteilhaft Geltung.
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In
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der
Leistungsumfang der Auxiliary-Power-Unit auch eine Boostfunktion.
So kann die erfindungsgemäße Antriebsanordnung,
die die Auxiliary-Power-Unit bildet, bei einer durch einen Fahrer des
Kraftwagens gewünschten plötzlichen hohen Drehmomentanforderung
die Verbrennungskraftmaschine zur Erfüllung dieses Drehmomentwunsches unterstützen.
Dies kann in einer ersten Stufe durch ein zusätzliches,
durch die E-Maschinen auf die Kurbelwelle aufgebrachtes Drehmoment
geschehen und in einer zweiten Stufe, mittels der integrierten Steuerung,
durch zeitweise Lastabsenkung der Nebenaggregate, insbesondere des
Kältemittelverdichters und der Bordnetzstromerzeugung.
Dies ist besonders bei Beschleunigungsvorgängen aber auch
in anderen Fahrsituationen denkbar.
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Weitere
mögliche Funktionen oder eine Reduktion des Leistungsumfangs
sind ebenso wie die Integration weiterer Nebenaggregate denkbar.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Riementriebs mit einer konventionellen
Riementriebsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
Antrieb für Nebenaggregate mittels E-Variator, enthaltend
zwei elektrische Maschinen und ein Planetengetriebe, gemäß dem
Stand der Technik,
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3 eine
Prinzipdarstellung der Anordnung und des Leistungsflusses des Antriebs
für Nebenaggregate aus 2, und
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4 eine
Antriebsanordnung für eine Hilfsbetriebseinheit, die zwei
elektrische Maschinen, ein Planetengetriebe, einen Kältemittelverdichter
und eine Steuerungselektronik enthält.
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Während 1 einen
Riementrieb mit einer konventionellen verlustbehafteten Riementriebsanordnung
zeigt, ist in 2 eine Verbrennungskraftmaschine
mit einer Antriebsanordnung für Nebenaggregate zu sehen,
die ebenfalls eine relativ komplizierte Riementriebsanordnung aufweist. 3 zeigt zur
Verdeutlichung dieser Tatsache in einer Prinzipdarstellung die Anordnung
und den Leistungsfluss der einzelnen Komponenten der Antriebsanordnung aus 2,
während im Gegensatz dazu 4 eine Antriebsanordnung
zeigt, die eine einfache Riementriebsanordnung zur Reduzierung von
Verlusten im Riementrieb aufweist.
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1 zeigt
einen Riementrieb 10 mit einer konventionellen Riementriebsanordnung.
Eine nicht dargestellte Verbrennungskraftmaschine treibt über ihre
Kurbelwelle und das Kurbelwellenrad 22 mittels eines Riemens 28 mehrere
Nebenaggregate an. Zu diesen Nebenaggregaten gehört ein
Klimakompressor 18, der ein Kältemittel für
eine Klimaanlage verdichtet, um einen Innenraum eines Kraftwagens
zu kühlen und/oder zu entfeuchten.
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Des
Weiteren wird ein mechanischer Lader 12 mittels des Riemens 28 angetrieben,
der angesaugte Luft verdichten soll, um eine Leistungsausbeute der
Verbrennungskraftmaschine zu steigern. Der Riemen 28 selbst
wird über einen Autospanner 16 ständig
nachgespannt, um ein Spiel und damit ein Durchrutschen zu vermeiden,
was hohe Verluste und einen ineffizienten Betrieb der Nebenaggregate
und damit einen sehr hohen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine
zur Folge hätte.
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Der
Riemen 28 wird über eine Umlenkrolle 14 umgelenkt
und treibt eine Lenkhelfpumpe 20 an, die ein unter Druck
stehendes Fluid für eine nicht dargestellte Servolenkung
in dem Kraftwagen bereitstellt.
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Als
weiteres Nebenaggregat wird ein Generator 26 zur Erzeugung
von Strom für ein Bordnetz des Kraftwagens über
den Riemen 28 und das Kurbelwellenrad 22 von der
Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
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Eine
Wasserpumpe 24 dient dazu, die Verbrennungskraftmaschine
zur Kühlung mit Kühlwasser zu versorgen und zu
umströmen. Auch sie wird mittels des Riemens 28 angetrieben.
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In 1 ist
sehr gut zu erkennen, dass es aufgrund der komplizierten Riementriebsanordnung und
der Vielzahl an Nebenaggregaten, die ständig von der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben werden, zu hohen Verlusten kommt, insbesondere dann,
wenn der Riemen 28 nicht korrekt durch den Autospanner 16 gespannt
wird. Diese Verluste resultieren in einem stark erhöhten
Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine.
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Die 2 zeigt
eine Verbrennungskraftmaschine 30, die einen Antrieb 34 für
Nebenaggregate aufweist. Dieser Antrieb 34, ein so genannter
E-Variator, umfasst zwei elektrische Maschinen und ein Planetengetriebe
zum Antrieb von Nebenaggregaten der Verbrennungskraftmaschine 30.
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Wie
in 2 zu sehen ist, wird eine Wasserpumpe 32 weiterhin
mechanisch angetrieben (vgl. 1). Der
E-Variator 34 weist zwei Riemenebenen 38, 40 auf. Über
die Riemenebene 38 wird er mittels eines Riemens 39 und
einem Kurbelwellenrad 41 von der Verbrennungskraftmaschine 30 angetrieben. Über
die zweite Riemenebene 40 treibt der E-Variator 34 über
einen Riemen 42 einen Kältemittelverdichter 36 an,
der ebenso wie der Kältemittelverdichter 18 in 1 die
Funktion hat, ein Kältemittel einer Klimaanlage zur Kühlung
eines Innenraums eines Kraftwagens zu verdichten.
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Auch
eine Antriebsanordnung für Nebenaggregate in Form des E-Variators 34 in 2 weist nach
wie vor eine komplizierte und verlustbehaftete Riementriebsanordnung
auf, was in 3 deutlicher zum Ausdruck kommt.
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3 zeigt
die Anordnung des E-Variators 34 aus 2 zu
der Verbrennungskraftmaschine und den Nebenaggregaten. Die dargestellten
Pfeile deuten dabei qualitativ den Energie- bzw. Leistungsfluss an.
Ein Planetengetriebe 37 des E-Variators 34 wird von
dem Kurbelwellenrad 41 der Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
Das Planetengetriebe 37 ist eine Form eines Leistungsverzweigungsgetriebes, und
wie dieser Name schon sagt, ist es in der Lage, die Eingangsleistung
zu verzweigen, also zu verteilen.
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Ein
Teil der Leistung fließt zu einer ersten elektrischen Maschine 44,
die einer Stromversorgung eines Bordnetzes 46 eines Kraftwagens
dient. Ein weiterer Teil der Leistung fließt über
einen Riemen 47 zu einer Mehrzahl an Nebenaggregaten. Die in 3 dargestellte
Anzahl der Nebenaggregate kann dabei variieren, sie ist also nicht
auf vier festgelegt.
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Eines
dieser Nebenaggregate ist eine zweite elektrische Maschine 48,
die ebenso der Stromversorgung des Bordnetzes 46 dient.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass besonders
die erste elektrische Maschine 44 durch Lastverschiebung
der Bordnetzstromversorgung zwischen den elektrischen Maschinen 44 und 48 eine
Drehzahlregelung der Riemenebene 40 durch Lastverschiebung
ermöglichtermöglicht wird. Somit kann die Verbrennungskraftmaschinekönnen
die Nebenaggregate, besonders der Kältemittelverdichter,
in einem optimalen Betriebsfenster hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchsihres
Antriebsleistungsbedarfs betrieben werden, unabhängig von
der Drehzahl des Motors, die sich an seinem jeweiligen Fahrzustand
orientiert... Bei dieser ersten elektrischen Maschine 44 ist
auch eine Umkehrung des Leistungsflusses in Richtung des Planetengetriebes 37 denkbar,
um so den beschriebenen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in
einem optimalen Betriebsfenster durch Lastverschiebung zu ermöglichen. Über
einen Betrieb der elektrischen Maschinen als Motoren kann sowohl
der Kältemittelverdichter in Stoppphasen des Verbrennungsmotors
den Kältemittelverdichter elektrisch antreiben als auch
der Verbrennungsmotor im Start/Stopp Betrieb gestartet werden.
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Als
weiteres Nebenaggregat wird mittels des Riemens 47 ein
Kältemittelverdichter 50 angetrieben, der ein
Kältemittel für eine Klimaanlage 52 verdichtet, wodurch
ein Innenraum des Kraftwagens gekühlt werden kann. Optionalerweise,
was durch die gestrichelten Pfeile, Linien und Kästchen
angedeutet ist, sind darüber hinaus über den Riemen 47 eine
Wasserpumpe 54 zu einer Beförderung von Kühlwasser 60 zur
Verbrennungskraftmaschine hin und von dieser weg und eine Lenkhelfpumpe 56 zu
einer Bereitstellung eines unter Druck stehenden Fluids für
beispielsweise eine Servolenkung 58 antreibbar.
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Gerade
durch diese schematische Darstellung in 3 und in
Kombination mit der Darstellung in 2 ist zu
erkennen, dass die Riementriebsanordnung bei dem E-Variator sehr
komplex und damit verlustbehaftet ist, was in einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine resultiert.
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In 4 dargestellt
ist eine Hilfsbetriebseinheit, also eine so genannte Auxiliary-Power-Unit 70, die
eine Antriebsanordnung für zumindest ein Nebenaggregat
einer Verbrennungskraftmaschine mit zwei elektrischen Maschinen
und einem Leistungsverzweigungsgetriebe, insbesondere einem Planetengetriebe,
welches zwischen einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
einerseits und den elektrischen Maschinen und/oder dem zumindest
einen Nebenaggregat anderseits angeordnet ist, darstellt, wobei
das zumindest eine Nebenaggregat, in diesem Fall der Kältemittelverdichter,
das Planetengetriebe und die elektrischen Maschinen zu einem Aggregat, hier
genannt Hilfsbetriebseinheit zusammengefasst sind.
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Die
Hilfsbetriebseinheit (Auxiliary-Power-Unit) in 4 kann
von der in 4 dargestellten Form abweichen
und dient nur der Erläuterung dazu, dass die genannten
Komponenten zu einem Aggregat zusammengefasst sind, und wird mittels
eines einfachen Riemens 72 und mittels eines Kurbelwellenrades 74 von
einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
Bei dem Riemen 72 handelt es sich beispielsweise um einen
Zahnriemen oder um eine andere Art von Riemen.
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In 4 deutlich
zu erkennen ist, dass durch eine derartige einfache Riementriebsanordnung
deren Verluste gering sind, wodurch ein Kraftstoffverbrauch der
Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu konventionellen Riementriebsanordnungen
gemäß dem Stand der Technik deutlich reduziert
werden kann. Dieser Effekt wird weiterhin dadurch verstärkt,
dass der Kältemittelverdichter unabhängig von der
Motordrehzahl mit seiner optimalen Drehzahl betrieben werden kann
und/oder eine mechanische Wasserpumpe, wie sie in den vorhergehenden
Figuren zu sehen ist, in 4 durch eine nicht dargestellte
elektrische Wasserpumpe ersetzt ist.
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- 10
- Riementrieb
- 12
- mechanischer
Lader
- 14
- Umlenkrolle
- 16
- Autospanner
- 18
- Klimakompressor
(entspricht Kältemittelverdichter 36, 50)
- 20
- Lenkhelfpumpe
(entspricht Lenkhelfpumpe 56)
- 22
- Kurbelwellenrad
(entspricht Kurbelwellenrad 41, 74)
- 24
- Wasserpumpe
(entspricht Wasserpumpe 32, 54)
- 26
- Generator
- 28
- Riemen
- 30
- Verbrennungskraftmaschine
- 32
- mechanische
Wasserpumpe (siehe 24)
- 34
- E-Variator
- 36
- Kältemittelverdichter
(siehe 18)
- 37
- Planetengetriebe
- 38
- Riemenebene
- 39
- Riemen
- 40
- Riemenebene
- 41
- Kurbelwellenrad
(siehe 22)
- 42
- Riemen
- 44
- elektrische
Maschine 1
- 46
- Bordnetz
- 47
- Riemen
- 48
- elektrische
Maschine 2
- 50
- Kältemittelverdichter
(siehe 18)
- 52
- Klimaanlage
- 54
- Wasserpumpe
(siehe 24)
- 56
- Lenkhelfpumpe
(siehe 20)
- 58
- Servolenkung
- 60
- Kühlwasser
- 70
- Auxiliary-Power-Unit
- 72
- Riemen
- 74
- Kurbelwellenrad
(siehe 22)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1066168
B1 [0002]
- - EP 1801386 A1 [0002]
- - WO 2005/119023 A1 [0002, 0002]