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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit einem in
einem Injektorkörper angeordneten Hochdruckraum, welcher
an eine Hochdruckquelle für Kraftstoff anschließbar
und über von einer Düsennadel gesteuerte Einspritzdüsen
mit einem Brennraum verbindbar ist, und mit einem Aktor, der mit
der Ventilnadel zu deren Betätigung antriebsmäßig
gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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Derartige
Kraftstoffinjektoren werden serienmäßig bei so
genannten Common-Rail-Systemen zur Kraftstoffeinspritzung in die
Brennräume des Motors eingesetzt. Vorteilhaft ist dabei,
dass der Einspritzdruck ohne Rückwirkungen auf den Betrieb
des Kraftstoffinjektors an die Belastung sowie die Drehzahl des
Motors angepasst werden kann.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2008 002 438.4 geht ein
Kraftstoffinjektor der vorgenannten Art hervor. Dabei ist vorgesehen,
dass der Aktor und die Düsennadel miteinander direkt hydraulisch gekoppelt
sind. Die hydraulische Kopplung bietet einerseits den Vorteil, dass
der Kraftstoffinjektor sich bei wechselnden Betriebstemperaturen
und damit einhergehenden Veränderungen der Maße
seiner Elemente automatisch justiert. Andererseits kann durch die
hydraulische Kopplung ohne weiteres eine wünschenswerte
Hubübersetzung zwischen den Aktorhüben und den Öffnungs-
und Schließhüben der Düsennadel gewährleistet
werden.
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Ein ähnlicher
Kraftstoffinjektor wird in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2008 002 416.3 dargestellt.
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Allerdings
sind umfangreiche konstruktive Maßnahmen notwendig, um
eine druckausgeglichene Anordnung der Düsennadel gewährleisten
zu können. Eine solche druckausgeglichene Anordnung ist notwendig,
um die für den Öffnungshub bzw. den Schließhub
der Düsennadel notwendigen Stellkräfte und die
dafür notwendigen Aktorkräfte und damit den Aufwand
für den Aktor gering zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung steht im Zusammenhang mit dem Problem, die Leistungsfähigkeit
des Aktors nach Möglichkeit zu begrenzen, so dass für
den Aktor ein geringes Bauvolumen sowie ein geringer konstruktiver
Aufwand ausreichend sind und ein Kraftstoffinjektor mit geringem
Bauvolumen gewährleistet werden kann.
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Dementsprechend
ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit geringem
Leistungsbedarf des Aktors zu schaffen.
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Deshalb
ist bei der Erfindung vorgesehen, die Ventilnadel mit einem Verdränger
zu verbinden, der in einem vom Hochdruckraum abgetrennten Steuerraum
verdrängerwirksam angeordnet ist, welcher gedrosselt mit
dem Hochdruckraum verbunden und über ein vom Aktor betätigbares
Entlastungsventil mit einem Niederdruckbereich verbindbar ist.
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Erfindungsgemäß ist
also eine servogesteuerte Düsennadel vorgesehen, d. h.
der Aktor ist lediglich indirekt mit der Ventilnadel gekoppelt,
indem der Aktor lediglich ein den Druck in einem Steuerraum bestimmendes
Entlastungsventil betätigt und der Druck im Steuerraum
seinerseits die Düsennadel steuert. Im Ergebnis kann damit
der Leistungsbedarf des Aktors entsprechend den für die
Ventilsteuerung notwendigen geringen Kräften äußerst
begrenzt werden. Darüber hinaus kann das Öffnungs-
und Schließverhalten der Düsennadel in besonders
gut reproduzierbarer Weise durch konstruktiv vorgehbare hydraulische
Parameter, insbesondere die Drosselwiderstände, die bei
der Zu- und Ableitung von Hydraulikmedium in den bzw. aus dem Steuerraum wirksam
werden, eingestellt werden.
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Gemäß der
Erfindung weist das Entlastungsventil einen mit dem Aktor hydraulisch
gekoppelten Schließkörper auf. Damit lassen sich
eine wünschenswerte Hubübersetzung zwischen dem
Aktorhub und dem Öffnungshub des Schließkörpers
sowie eine automatische Anpassung der Position des Schließkörpers
an die Position des Aktors gewährleisten, d. h. durch thermische
Belastungen verursachte Änderungen der Maße von
Elementen des Kraftstoffinjektors werden automatisch kompensiert, so
dass ein gut reproduzierbares Steuerverhalten des Kraftstoffinjektors
gewährleistet wird.
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Für
die hydraulische Kopplung kann zweckmäßig vorgesehen
sein, dass der Aktor einen in einem Geberarbeitsraum verdrängerwirksamen
Geberkolben betätigt und der Schließkörper
des Entlastungsventils mit einem Nehmerkolben verbunden ist, welcher
in einem mit dem Geberarbeitsraum kommunizierenden Nehmerarbeitsraum
verdrängerwirksam angeordnet ist und bei Zufuhr von Fluid
in den Nehmerarbeitsraum einen den Schließkörper
in dessen Offenlage überführenden Öffnungshub
ausführt.
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Vorzugsweise
ist das Schließglied des Entlastungsventils druckausgeglichen
angeordnet, so dass die notwendigen Aktorkräfte extrem
gering bleiben.
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In
zweckmäßiger konstruktiver Ausgestaltung der Erfindung
kann das Schließglied des Entlastungsventils als in einer
zum Steuerraum offenen Bohrung geführter Plunger ausgebildet
sein, dessen Querschnitt dem Querschnitt des dem Schließköper zugeordneten
Sitzes des Entlastungsventils entspricht.
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Des
Weiteren ist zweckmäßig vorgesehen, die hydraulische
Kopplung zwischen dem Schließglied des Entlastungsventils
und dem Aktor niederdruckseitig anzuordnen.
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Im Übrigen
wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche
und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand
der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
näher erläutert wird.
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Schutz
wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen
sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der
angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen schematisierten Axialschnitt
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors.
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Ausführungsform der
Erfindung
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Gemäß der
Zeichnung besitzt der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
einen Injektorkörper 1 mit einem Niederdruckkörper 2 sowie
einen Düsenkörper 3, der mit dem Niederdruckkörper 2 mittels
einer Überwurfmutter 4 unter axialer Zwischenschaltung
eines ersten und zweiten Zwischenkörpers 5 und 6 verbunden
ist. Der Niederdruckkörper 2 umfasst einen Niederdruckraum 7,
der mit einer zu einem Kraftstoffreservoir bzw. Tank führenden
Rücklaufleitung 8 sowie über Bohrungen
im Zwischenkörper 5 mit einem Ringraum 9 verbunden
ist, welcher innerhalb der Überwurfmutter 4 zwischen
dem Innenumfang der Überwurfmutter 4 und dem Außenumfängen
der Zwischenkörper 5 und 6 sowie des
Düsenkörpers 3 angeordnet ist. Der Düsenkörper 3 umschließt
einen Hochdruckraum 10, der über eine den Niederdruckkörper 2 sowie
die Zwischenkörper 5 und 6 durchsetzende
Hochdruckleitung 11 mit einer Hockdruckquelle für
Kraftstoff, in der Regel ein so genanntes Common Rail (CR) verbunden
und über Einspritzdüsen 12, die mittels
einer Düsennadel 13 gesteuert werden, mit einem
nicht näher dargestellten Brennraum eines Motors zur Kraftstoffeinspritzung verbindbar
ist.
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Die
Düsennadel 13 ist mit einem plungerartigen Steuerkolben 14 verbunden,
der in einem vom Hochdruckraum 10 abgetrennten Steuerraum 15 verdrängerwirksam
angeordnet ist. Der Steuerraum 15 wird vom Hochdruckraum 10 durch
eine auf dem Steuerkolben 14 axial verschiebbare Dichthülse 16 abgetrennt,
die mittels einer Schraubendruckfeder 17, welche zwischen
einem Kragen am Steuerkolben 14 und dem zugewandten Stirnrand
der Dichthülse 16 eingespannt ist, gegen die zugewandte
Stirnseite des Zwischenkörpers 6 gespannt, wobei
die Dichthülse 16 mit einer stirnseitigen schar fen
Ringkante dicht auf einer ringlinienförmigen Zone am Zwischenkörper 6 aufsitzt.
Die Schraubendruckfeder 17 wirkt gleichzeitig als Schließfeder
der Düsennadel 13, die von der Feder 17 gegen
einen ringlinienförmigen Sitz 18 gespannt wird,
so dass in Schließlage der Düsennadel 13 ein
Düseneingangsraum 19 vom Hochdruckraum 10 abgetrennt
wird.
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Der
Steuerraum 15 ist einerseits über eine Eingangsdrossel 20 und
eine daran anschließende Ausnehmung im Zwischenkörper 5 mit
der Hochdruckleitung 11 und andererseits über
eine Ausgangsleitung bzw. -drossel 21 mit einem Ventilraum 22 eines
Entlastungsventils 23 verbunden, dessen plungerartiger
Schließkörper 24 einen den Zwischenkörper 6 zunächst
axial und dann radial durchsetzenden Ausgang 25 steuert,
so dass der Ventilraum 22 in der dargestellten Schließlage
des Schließkörpers 24 vom Ringraum 9 und
damit vom Niederdruckraum 7 abgetrennt und in Offenlage
des Schließkörpers 24 mit dem Ringraum 9 und
damit mit dem Niederdruckraum 7 und der daran anschließenden
Rücklaufleitung 8 kommuniziert.
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An
seinem dem Zwischenkörper 6 zugewandten Ende besitzt
der Schließkörper 24 eine scharfe Dichtkante,
die mit einer ringlinienförmigen Zone eines Flachsitzes 26 auf
der oberen Stirnseite des Zwischenkörpers 6 zusammenwirkt.
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Grundsätzlich
können die miteinander dichtend zusammenwirkenden Elemente
am Schließkörper 24 und am Zwischenkörper 6 auch
andere Formen aufweisen. Beispielsweise könnte der Schließkörper 24 eine
kegelige oder sphärische kreisförmige Dichtfläche
besitzen, die mit einem passenden, bspw. als Ringkante ausgebildeten
Sitz am Zwischenkörper 6 zusammenwirkt. Jedoch
sollten die miteinander zusammenwirkenden Dichtelemente derart ausgebildet
sein, dass in der dargestellten Schließlage des Schließkörpers 24 praktisch
dessen gesamter Querschnitt nur von dem im Ausgang 25 anstehenden
Niederdruck des Ringraums 9 bzw. des Niederdruckraums 7 in Öffnungsrichtung
beaufschlagt wird.
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Der
plungerförmige Schließköper 24 ist
axial verschiebbar in einer den Zwischenkörper 5 durchsetzenden
Axialbohrung angeordnet, an der ein radial innen durch den Schließ körper 24 begrenzter
Ringraum 27 vorgesehen ist, der über Bohrungen
im Zwischenkörper 5 mit dem Ringraum 9 bzw.
dem Niederdruckraum 7 kommuniziert.
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An
seinem vom Zwischenkörper 6 abgewandten Ende ist
der Schließkörper 24 mit einem Nehmerkolben 28 verbunden,
der in einem Nehmerarbeitsraum 29 verdrängerwirksam
angeordnet ist. Dieser Nehmerarbeitsraum 29 ist in einer
zum Niederdruckraum 7 offenen Bohrung im Zwischenkörper 5 angeordnet
und bildet einen das mit dem Nehmerkolben 28 verbundene
Ende des Schließkörpers 24 umschließenden
Ringraum, der durch den Nehmerkolben 28 vom Niederdruckraum 7 abgetrennt
wird. Innerhalb des Nehmerkolbens 28 ist eine nach oben
offene Sackbohrung vorgesehen, in der ein plungerartiger Geberkolben 30 axial
verschiebbar angeordnet ist, wobei dieser Geberkolben 30 im
Nehmerkolben 28 einen Geberarbeitsraum 31 vom
Niederdruckraum 7 absperrt. Der Geberarbeitsraum 31 und
der Nehmerarbeitsraum 29 sind miteinander über
eine im Nehmerkolben 28 angeordnete Axialbohrung 32,
die vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildet ist, verbunden.
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Innerhalb
des Niederdruckraums 7 ist ein vorzugsweise piezoelektrischer
Aktor 33 angeordnet, der mit einer kugelkalottenförmigen
Wölbung auf der oberen Stirnseite eines mit dem Aktor 33 verbundenen
Fußteils 34 an einem Boden des Niederdruckkörpers 2 und
mit einer ähnlich kugelkalottenförmigen Wölbung
an der unteren Stirnseite eines mit dem Aktor 33 verbundenen
Kopfteils 35 am Geberkolben 30 abgestützt
ist. Durch die genannten Wölbungen eine gewisse Schräglage
des Aktors 33 relativ zur Achse des Schließglieds 24 bzw.
des Geberkolbens 30 zugelassen werden.
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Zwischen
den einander zugewandten Stirnseiten des Kopfteils 35 und
des Zwischenkörpers 5 ist eine Schraubendruckfeder 36 eingespannt,
die das Kopfteil 35 und damit dem Aktor 33 vom
Zwischenkörper 5 abzurücken sucht.
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Außerdem
ist zwischen dem oberen Stirnrand des Nehmerkolbens 28 und
der zugewandten Stirnseite des Kopfteils 35 eine Schraubendruckfeder 37 eingespannt,
die den Nehmerkolben 28 und damit auch den Schließkörper 24 nach
abwärts in die Schließlage des Schließkörpers 24 spannt.
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Der
dargestellte Kraftstoffinjektor funktioniert wie folgt:
Der
Aktor 33 lässt sich über seine elektrischen
Kontakte 38 elektrisch entladen bzw. durch Verbindung mit
einer elektrischen Spannungsquelle elektrisch aufladen. Im elektrisch
entladenen Zustand hat der Aktor 33 seine vertikal kurze
Länge, bei elektrischer Aufladung geht der Aktor 33 in
einen vertikal elongierten Zustand über.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt ist, sind die Einspritzdüsen 12 bei
elektrisch entladenem Aktor 33 durch die auf dem Sitz 18 aufsitzende
Düsennadel 13 abgesperrt. Es wird also kein Kraftstoff
in den angeschlossenen Brennraum eingespritzt.
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Wenn
nun der Aktor 33 elektrisch aufgeladen und dementsprechend
vertikal elongiert wird, führt das Kopfteil 35 gegenüber
der zeichnerisch dargestellten Lage einen Abwärtshub aus,
mit der Folge, dass auch der Geberkolben 30 im Nehmerkolben 28 nach
abwärts geschoben wird und dementsprechend den Geberarbeitsraum 31 verkleinert.
Damit wird Fluid aus dem Geberarbeitsraum 31 über
die Axialbohrung 32 im Nehmerkolben 28 in den
Nehmerarbeitsraum 29 verschoben und der Nehmerkolben 28 bewegt
sich zusammen mit dem Schließkörper 24 in Aufwärtsrichtung.
Dies hat zur Folge, dass das Entlastungsventil 23 geöffnet
und dessen Ventilraum 22 mit dem Ringraum 9 bzw.
dem Niederdruckraum 7 verbunden wird. Dementsprechend sinkt
der Druck im Steuerraum 15, welcher zuvor über
die Eingangsdrossel 20 mit dem Hochdruck der Hochdruckleitung 11 aufgeladen
worden war, auf den Druck des Niederdruckraums 7 ab. Damit
wird die Düsennadel 13 durch den im Hochdruckraum 10 anstehenden
hohen Druck, welcher auf einen effektiven Querschnitt wirkt, der
durch die Differenz zwischen dem Querschnitt des Steuerkolbens 14 und
den Querschnitt des Sitzes 18 bestimmt wird, nach aufwärts
verschoben, wobei der Hochdruckraum 10 mit dem Eingangsraum 19 der
Einspritzdüsen 12 verbunden und Kraftstoff durch
die Einspritzdüsen 12 in den benachbarten Brennraum
eingespritzt wird.
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Wenn
nachfolgend der Aktor 33 wieder elektrisch entladen und
dementsprechend vertikal verkürzt wird, kann sich der Geberkolben 30 unter
Vergrößerung des Geberarbeitsraums 31 relativ
zum Nehmerkolben 28 nach aufwärts verschieben,
so dass der Geberarbeitsraum 31 über die Axialbohrung 32 im
Nehmerkolben 28 Fluid aus dem Neh merarbeitsraum 29 aufnimmt,
wobei sich der Nehmerkolben 28 zusammen mit dem Schließglied 24 des
Entlastungsventils 23 nach abwärts in die Schließlage des
Schließglieds 24 verlagert. Damit wird der Steuerraum 15 vom
Niederdruck des Ringraums 9 bzw. des Niederdruckraums 7 abgetrennt
und über die Eingangsdrossel 20 mit Hochdruckfluid
aus der Hochdruckleitung 11 beladen, so dass die Schraubendruckfeder 17 die
Düsennadel 13 wieder in die dargestellte Schließlage
auf den Sitz 18 einstellen kann.
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Durch
entsprechende Bemessung der Drosselwiderstände der Eingangsdrossel 20 und
der Ausgangsleitung bzw. -drossel 21 sowie der Axialbohrung 32 im
Nehmerkolben 28 und einer ggf. in der Hochdruckleitung 11 angeordneten
Drossel 39 kann die Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit
der Düsennadel 13 eingestellt werden. Im Hinblick
auf einen möglichst geringen Leistungsbedarf des Aktors 33 ist vorteilhaft,
dass der Schließköper 24 des Entlastungsventils 23 ständig
druckausgeglichen ist. In der dargestellten Schließlage
wird die untere Stirnseite des Schließkörpers 24 nur
vom Niederdruck des Ringraums 9 bzw. des Niederdruckraums 7 beaufschlagt,
dessen Niederdruck auch am oberen Ende des Schließkörpers 24 wirksam
ist. Wenn der Schließkörper 24 seine
Offenlage hat, wirkt auf die untere Stirnseite des Schließkörpers 24 ebenfalls
nur der vorgenannten Niederdruck, weil der Ventilraum 22 nunmehr
mit dem Ringraum 9 bzw. dem Niederdruckraum 7 kommuniziert.
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Der
Nehmerarbeitsraum 29 ist auch dann, wenn im Ventilraum 22 bei
in Schließlage befindlichem Schließkörper 24 Hochdruck
ansteht, gegenüber einem Hochdruck-Leckagestrom durch den Ringspalt
zwischen dem Außenumfang des Schließkörpers 24 und
dem Innenumfang der den Schließkörper 24 aufnehmenden
Bohrung des Zwischenkörpers 5 abgesichert, weil
ein solcher Leckagestrom durch den Ringraum 24 vor Erreichen
des Nehmerarbeitsraums 29 zum Ringraum 9 und damit
zum Niederdruckraum 7 ausgeleitet wird.
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Der
Drosselwiderstand der ggf. in der Hochdruckleitung 11 angeordneten
Drossel 39 ist vorzugsweise geringer als der Drosselwiderstand
der Einspritzdüsen 12, so dass in der Einspritzphase,
das heißt bei in Offenlage befindlicher Düsennadel 13,
im Hochdruckraum 10 kein nennenswerter Druckabfall gegenüber
der die Hochdruckleitung 11 spei senden Hochdruckquelle
(Common Rail CR) auftreten kann. Damit wird die Leistung der Hochdruckquelle
in der Einspritzphase optimal genutzt.
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In
der Zeichnung sind der Aktor 33 und die Düsennadel 13 exzentrisch
zueinander angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass die Hochdruckleitungen 11 innerhalb
eines sehr massiven Bereiches des Niederdruckkörpers 2 angeordnet
sein kann.
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Im Übrigen
kann vorgesehen sein, im Niederdruckraum eines vorgegebenen Überdruck
aufrecht zu erhalten (von z. B. 10 bar). Dazu kann die Rücklaufleitung 8 durch
ein auf den vorgegebenen Überdruck eingestelltes Druckbegrenzungsventil
gesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008002438 [0003]
- - DE 102008002416 [0004]