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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1. Ferner
betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem
Kraftstoff-Injektor.
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Die
DE 10 2005 053 112
A1 beschreibt einen Kraftstoff-Injektor dem ein Dichtelement
zugeordnet ist, mit dem der Brennraum einer Brennkraftmaschine gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Das Dichtelement ist mit einem Sicherungselement
gesichert.
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Die
Außengeometrie bekannter Kraftstoff-Injektoren und insbesondere
die Außengeometrie des in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
hineinragenden Düsenkörpers ist bei nahezu allen
Bauarten und -formen von Kraftstoff-Injektoren weitgehend identisch
und zeichnet sich durch einen langen Schaft aus, welcher in eine
entsprechende Aufnahmebohrung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingebaut
ist. Der Düsenschaft hat unmittelbaren Kontakt zum Brennraum,
d. h. er wird durch die Verbrennungsgase und deren chemischen, reaktiven Zwischen-
und Folgeprodukte, wie beispielsweise atomarer Wasserstoff, im Ringraum
zum Zylinderkopf beaufschlagt. Der Düsenkörper
bekannter Kraftstoff-Injektoren ist mittels einer Düsenspannmutter durch
Krafteinleitung an einer Düsenkörperschulter mit
einem Haltekörper (Gehäuseteil) des Kraftstoff-Injektors
verspannt, um innere Dichtkräfte gegen Hydraulikleckage
zu erzeugen. Der gesamte Kraftstoff-Injektor wird mit einer axialen
Pratzkraft in den Zylinderkopf eingespannt, um den Brennraum gegen
die Umgebung abzudichten. Hierzu ist es bekannt Kupferdichtscheiben
mit Innennasen zur Zentrierung einzusetzen. Steigende Einspritz-
und Verbrennungsdrücke bei künftigen Entwicklungsgenerationen,
insbesondere bei Common-Rail-Injektoren, welche unter permanentem
hydraulischen Innendruck stehen, erfordern eine Steigerung der Dichtkräfte,
was in einem oberen Bereich des Düsenschaftes, insbesondere
am Übergang zum Düsenbund des Düsenkörpers
zu hohen mechanischen Spannungen führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor
vorzuschlagen, dessen Düsenkörper besser vor chemischen
reaktiven Zwischen- und Folgeprodukten der Verbrennung im Brennraum
der Brennkraftmaschine geschützt ist. Ferner besteht die
Aufgabe darin, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kraftstoff-Injektor
anzugeben. Insbesondere soll der Schutz des Düsenkörpers
des Kraftstoff-Injektors vor den Verbrennungsprodukten unabhängig
von einem Koaxialitätsversatz zwischen Spannmutter und
Düsenkörper gegeben sein.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den
Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus
zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, festigkeitskritische Stellen
des Düsenkörpers, insbesondere einen Übergangsbereich
zwischen einem Düsenschaft und einem Düsenbund
vor Kondensat bzw. chemischen, reaktiven Zwischen- und Folgeprodukten
der Verbrennung durch das Vorsehen mindestens einer Dichtung zu
schützen. Durch das Vorsehen einer derartigen, zum Schützen
mindestens eines festigkeitskritischen Bereichs des Düsenkörpers
ausgebildeten und angeordneten Dichtung, insbesondere gemäß den
folgenden erläuterten Ausführungsvarianten, können
Korrosionsnarben als auch die sogenannte wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion
am Düsenkörper, insbesondere am Düsenschaft,
vermieden werden. Diese Effekte könnten ohne eine derartige
Dichtung schließlich zum Versagen des Düsenkörpers
durch Bruch führen.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors
bzw. der Brennkraftmaschine, bei der die ein- oder mehrteilige Dichtung,
zumindest abschnittsweise axial zwischen dem Düsenkörper,
vorzugsweise zwischen dem Bund des Düsenkörpers
und der Spannmutter angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ
kann die Dichtung zumindest abschnittsweise axial zwischen der Spannmutter
und der Brennkraftmaschine angeordnet werden.
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Um
eine optimale Dichtwirkung zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die
Dichtung eine Elastomermasse (elastische, vorzugsweise gummielastische Dichtmasse)
umfasst. Durch die elastische Verformung beim Zusammenbau des Kraftstoff-Injektors und/oder
beim Einbau des Kraftstoff-Injektors in die Brennkraftmaschine kann
durch die elastische Verformung der Dichtmasse eine optimale, toleranzunempfindliche
Dichtwirkung erzielt werden. Ein weiterer Vorteil des Vorsehens
von elastomerer Dichtmasse besteht darin, dass durch die hohen elastischen Radialkräfte,
mit denen sich die Dichtmasse bevorzugt am Düsenschaft
des Düsenkörpers abstützt gleichzeitig
eine Verliersicherungsfunktion bei der Montage erreicht wird.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die
elastische Dichtmasse auf eine Metallscheibe, insbesondere eine
Kupferscheibe aufvulkanisiert ist, also fest und unverrückbar
mit der Metallscheibe verbunden ist. Dabei ist es weiter bevorzugt,
wenn die elastische Dichtmasse radial an dem Düsenschaft
des Düsenkörpers anliegt. Weiter bevorzugt ist
es, wenn die Dichtmasse zusätzlich in axialer Richtung
auf dem Zylinderkopf oder dem Düsenkörper anliegt.
Die mit elastischer Dichtmasse versehene Metallscheibe hat dann
nicht nur die Aufgabe, den Brennraum gegenüber der Umgebung
abzudichten, sondern zusätzlich eine Gasdichtheit zwischen
Schaftabsatz (Übergangsbereich zwischen Düsenschaft
und Düsenbund) und dem Brennraum herzustellen. Wie bereits
angedeutet, ist es bevorzugt, die elastomere Dichtmasse am Innendurchmesser
der Metallscheibe anzuordnen. Bevorzugt wird hierzu die Innengeometrie
der Metallscheibe entsprechend ausgeformt, beispielsweise mit einem Zahnprofil
versehen, um eine verbesserte Verbindung zwischen Dichtmasse und
Metallscheibe zu erreichen. Bevorzugt wird bei der Montage die mit
der elastischen Dichtmasse versehene Metallscheibe selbstzentrierend
auf einen konischen Düsenschaftabschnitt aufgezogen und
ist hierdurch völlig toleranzunempfindlich gegenüber
Koaxialversatz zwischen Spannmutter und Düsenkörper.
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Wie
eingangs erwähnt, kann die Dichtmasse radial und/oder axial
dichtend angeordnet werden. Bei einer axial dichtenden Anordnung,
bei der Dichtmasse vorzugsweise unmittelbar an der Brennkraftmaschine,
insbesondere am Zylinderkopf anliegt, umfasst die Dichtmasse hierzu
bevorzugt eine (axiale) Dichtlippe, die dafür sorgt, dass
der Brennraum gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossen ist.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist die Dichtmasse nicht
auf eine Metallscheibe aufvulkanisiert, sondern als eigenständiges
Bauteil ausgebildet, welches formschlüssig an der ein-
oder mehrteiligen Metallscheibe, insbesondere Kupferscheibe gehalten
ist.
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Bevorzugt
ist dabei eine mehrteilige Ausbildung der Metallscheibe, wobei die
(Gesamt-)Metallscheibe vorzugsweise durch mehrere axial nebeneinander
angeordnete Metallscheiben gebildet wird. Für die meisten
Anwendungszwecke wird es ausreichend sein, die Metallscheibe aus
zwei axial benachbarten Metallscheiben auszubilden, wobei die Metallscheiben
zwischen sich am Innenumfang eine Nut ausbilden, in der das elastomere
Ringelement aufgenommen ist. Für verschiedene zu applizierende Dichtscheibendicken
kann mindestens eine weitere Scheibe vorgesehen werden, die bevorzugt
gleichzeitig als Stützscheibe für den Elastomerring
(Ringelement) dient.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform, bei der die
elastische Dichtmasse als eigenständiges Ringelement ausgebildet
ist, kann diese in einem axialen Hinterschnitt des Düsenbundes
des Düsenkörpers aufgenommen sein. Anders ausgedrückt
ist stirnseitig im Düsenbund eine Nut zur Aufnahme eines
elastischen Ringelementes vorgesehen. Die maximal auftretenden mechanischen
Spannungen treten bei dieser Variante in Folge einer geeigneten
Geometrie des Hinterschnitts in einem oberen Bereich auf, welcher
durch das insbesondere als O-Ring ausgebildete Ringelement von Kondensat und
Kondensatprodukten verdeckt wird. Die erforderlichen Flächenpressungen
in der Hinterschnittnut können durch die hohe Genauigkeit
des Ringelementdurchmessers (vorzugsweise O-Ringdurchmessers) und
den Hinterschnittabmessungen gezielt eingestellt werden. So ist
es möglich die Düsenkörperschulter (Düsenbund)
und die stirnseitige Nut in einer Operation gemeinsam in Form zu
schleifen. Der Koaxialversatz der Düsenspannmutter zum
Düsenkörper kann durch eine zusätzliche,
als Stützscheibe ausgebildete Metallscheibe kompensiert
werden, wodurch die Krafteinleitung in das Ringelement homogen wird.
Ein weiterer Vorteil der zuvor beschriebenen Variante besteht darin,
dass die zusätzliche, als Stützscheibe fungierende
Metallscheibe reibmomentmindernd an der Schnittstelle zwischen Düsenschulter
und Spannmutter wirken kann.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Dichtung
als, vorzugsweise elastomermassenfreie, Bundhülse ausgebildet,
wobei jedoch auch eine Ausführungsform denkbar ist, bei
der die Bundhülse mit Elastomermaterial versehen ist oder mit
einem elastomeren Element zusammenwirkt. Eine metallische, vorzugsweise
korrosionsbeständige Bundhülse wird bei der Fertigung
bevorzugt über den festigkeits- und korrosionskritischen
Düsenschaftbereich aufgezogen. Bevorzugt handelt es sich bei
der Bundhülse um eine Schrumpfhülse, die auf den
Düsenschaft aufgeschrumpft wird. Die Bundhülse
kann beispielsweise als kostengünstiges Tiefziehteil in
Edelstahl-Ausführung ausgebildet werden. In Folge der hohen
Düsenschaftdurchmessergenauigkeit ist eine robuste Übermaßauslegung
möglich. Ein weiterer Vorteil dieser Variante besteht darin,
dass die Bundhülse reibmomentmindernd an der Schnittstelle
zwischen Düsenkörperschulter und Spannmutter wirken
kann.
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Ferner
führt die Erfindung auf eine Brennkraftmaschine mit einem
zuvor beschriebenen Kraftstoff-Injektor, wobei dem Kraftstoff-Injektor
eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Dichtung zugeordnet ist,
die gefährdete Bereiche des Düsenkörpers des
Kraftstoff-Injektors vor Verbrennungsprodukten aus der Brennkraftmaschine
schützt. Bevorzugt handelt es sich bei diesem gefährdeten
Bereich um einen Übergangsbereich zwischen einem Düsenschaft
und einem Düsenbund des Düsenkörpers.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1a eine
Draufsicht auf den Kraftstoff-Injektor gemäß 1b in
Betrachtungsrichtung A,
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1b eine
Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Injektor, wobei dem Kraftstoff-Injektor
eine Dichtung zugeordnet ist, die axial zwischen einer Düsenspannmutter
und einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist,
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2 eine
alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors
mit einer als Bundhülse ausgebildeten Dichtung,
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3 eine
weitere alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors,
bei der die Dichtung aus einem ringförmigen, elastischen
Dichtelement und einer Metallscheibe besteht, wobei die zwei Komponenten
der Dichtung axial zwischen einem Düsenbund eines Düsenkörpers
und einer Düsenspannmutter angeordnet sind,
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4 eine
weitere alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors
mit einer zweiteiligen Dichtung, umfassend ein O-Ring-Dichtelement
sowie eine Metallscheibe mit Innenumfangsnut zur formschlüssigen
Aufnahme bzw. zum formschlüssigen Halten der Elastomerdichtung
und
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5 eine
weitere alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors,
bei der die Metallscheibe im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 zweiteilig
ausgeführt ist.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
den 1a und 1b ist
ein Kraftstoff-Injektor 1 gezeigt. Dieser umfasst axial
zwischen einer unteren, ringförmigen Stirnseite 2 einer Düsenspannmutter 3 und
einem Zylinderkopf 4 einer Brennkraftmaschine 5 eine
Dichtung 6. Die Dichtung 6 schützt einen
oberen Bereich 7 eines von der Düsenspannmutter 3 gegen
einen nicht gezeigten Haltekörper des Kraftstoff-Injektors 1 verspannten
Düsenkörpers 8 vor Verbrennungsprodukten
aus einem Brennraum 9 der Brennkraftmaschine 5,
in den der Düsenkörper 8 mit einem unteren
Düsenschaft 10 axial hineinragt. Insbesondere
schützt die Dichtung 6 einen Übergangsbereich 11 zwischen
axialem Düsenschaft 10 und einem Düsenbund 12 (Ringschulter)
des Düsenkörpers 8 vor den vorgenannten
Verbrennungsprodukten, wobei die Düsenspannmutter 3 in
axialer Richtung an diesem Düsenbund 12 anliegt und
so den Düsenkörper 8 in axialer Richtung
kraftbeaufschlagt.
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Der
Kraftstoff-Injektor 1 wird mittels einer nicht dargestellten
Pratze mit einer Pratzkraft in axialer Richtung der Zeichnungsebene
nach unten gegen den Zylinderkopf 4 beaufschlagt.
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Die
Dichtung 6 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
eine als Kupferscheibe ausgebildete Metallscheibe 13, auf
die eine elastomere, ringförmige Dichtmasse 14 aufvulkanisiert
ist. Die elastomere Dichtmasse 14 stützt sich
mit einer radialen Dichtkraft in radialer Richtung nach innen am
Düsenschaft 10 ab. Gleichzeitig liegt die elastomere Dichtmasse 14 mit
einer axialen Dichtlippe 15 unmittelbar auf dem Zylinderkopf 4 auf,
und verhindert somit nicht nur einen Gasdurchtritt in Richtung Übergangsbereich 11 des
Düsenkörpers 8, sondern auch in die Umgebung.
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1a zeigt
eine Draufsicht auf die Dichtung 6 des Kraftstoff-Injektors 1 von
unten, also in der eingezeichneten Betrachtungsrichtung A. Zu erkennen ist,
dass ein Innenumfang 16 der Metallscheibe 13 mit
einer Verzahnung 17 versehen ist, um einen optimalen Halt
der elastomeren Dichtmasse 14 zu gewährleisten.
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Aus 1b ergibt
sich, dass die Dichtung 6 an einem zwischen axialer Richtung
nach oben konisch erweiternden Abschnitt 18 des Düsenkörpers 8 anliegt,
wodurch eine Selbstzentrierung der Dichtung 6 erzielt wird.
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2b zeigt eine alternative Ausführungsvariante
eines Kraftstoff-Injektors 1. Auch bei dieser Ausführungsvariante
ist eine Dichtung 6 zum Schutz des Übergangsbereichs 11 zwischen
Düsenschaft 10 des Düsenkörpers 8 und
dem Düsenbund 12 des Düsenkörpers 8 vorgesehen.
Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
umfasst die Dichtung 6 gemäß 2 kein
Elastomermaterial – es handelt sich vielmehr um eine Bundhülse 19 aus
Metall, die auf den Düsenkörper 8 aufgeschrumpft
ist. Die als Schrumpfhülse ausgebildete Bundhülse 19 umfasst
einen sich in radialer Richtung erstreckenden Bund abschnitt 20,
der axial zwischen dem Düsenbund 12 und der Düsenspannmutter 3 geklemmt ist.
Der Bundabschnitt 20 ragt in radialer Richtung nach innen
bis an den Düsenschaft 10 und geht dort über
in einen Axialhülsenabschnitt 21, der von dem Düsenschaft 10 in
axialer Richtung nach unten durchsetzt ist. Der Axialhülsenabschnitt 21 liegt
dichtend an dem Düsenschaft 10 an, so dass ein
Gaseintritt in einen Bereich radial zwischen dem Axialhülsenabschnitt 21 und
dem Düsenschaft 10 sicher verhindert wird, wodurch
der Übergangsbereich 11 sicher geschützt
ist.
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3 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsvariante. Zu erkennen
ist wiederum eine Dichtung 6, die axial zwischen dem Düsenkörper 8 und der
Düsenspannmutter 3, genauer zwischen dem Düsenbund 12 und
einer inneren Ringschulter 22 der Düsenspannmutter 3 aufgenommen
ist. Die Dichtung 6 ist zweiteilig ausgeführt
und umfasst elastische Dichtmasse 14, die als eingeständiges
Ringelement 23, hier als O-Ringdichtung ausgebildet ist,
die in axialer Richtung geklemmt ist zwischen dem Düsenkörper 8 und
einer als Stützscheibe fungierenden Metallscheibe 13.
Zur Aufnahme des Ringelementes 23 ist eine Ringnut 25 (Hinterschnitt)
in einer unteren Stirnseite des Düsenbundes 12 vorgesehen.
Bei der gezeigten Ausführungsvariante treten die größten
mechanischen Spannungen in Folge der gebogenen, insbesondere halbkreisförmig
gebogenen, Innengeometrie der Ringnut 25 in einem oberen
Bereich der Ringnut 25 auf, welcher durch das Ringelement 23 zuverlässig
gegenüber Kondensat sowie Kondensatprodukten geschützt
ist.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der eine Dichtung 6 vorgesehen
ist, die bei der Variante gemäß 4 axial
zwischen der Düsenspannmutter 3 und dem Zylinderkopf 4 der
Brennkraftmaschine 5 angeordnet ist. Die Dichtung 6 umfasst
eine Metallscheibe 13, die an ihrem Innenumfang eine Innenumfangsnut 24 aufweist,
in der die als Ringelement 23 ausgebildete elastische Dichtmasse 14 aufgenommen
ist. Die elastische Dichtmasse 14 drückt mit einer
Radialkraft nach radial innen gegen den Düsenschaft 10 des
Düsenkörpers 8.
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5 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch,
dass die Metallscheibe 13 nicht einteilig, sondern zweiteilig
ausgebildet ist und aus zwei Teilscheiben 26, 27 besteht, die
in axialer Richtung aneinander anliegen und die zwischen sich am
Innenumfang eine Innenumfangsnut 24 zur Auf nahme der als
Ringelement 23 ausgebildeten Dichtmasse 14 dient,
welche ein von der Metallscheibe 13 unabhängiges
Bauteil ist. Bei Bedarf kann mindestens eine, vorzugsweise ausschließlich eine,
weitere Teilscheibe, vorzugsweise zwischen der Teilscheibe 26 und
der Düsenspannmutter 3 vorgesehen werden, um hierdurch
den Kraftstoff-Injektor 1 an unterschiedliche Einbaubedingungen
an unterschiedlichen Brennkraftmaschinen 5 auf einfache Weise
anpassen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005053112
A1 [0002]