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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, dem einlaßseitig
Frischluft zugeführt wird, wobei der Verbrennungsmotor
ein Kühlsystem mit einem Motorkühlkreislauf und
einen Luftkühlkreislauf mit einem Luftkühler aufweist.
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Die
EP 1 623 101 B1 offenbart
einen Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug
mit einem Turbolader, mit einem Niedertemperatur-Kreislauf mit einem
Niedertemperaturkühler. Der Kreislauf weist eine Turbinen/Pumpenkombination
auf, bei der eine Pumpe drehfest mit einer Turbine gekoppelt ist.
Die Turbine ist durch ein Kühlmittel eines Haupt-Kühlmittel-Kreislaufs
antreibbar, wobei die Pumpe den Niedertemperaturkreislauf umwälzt.
Die
EP 1 623 101 B1 beschreibt,
dass der Hauptkühlmittelkreislauf und der Niedertemperaturkreislauf
miteinander verbindbar sind, wobei der Hauptkühlmittelkreislauf
einen Hauptkühler aufweist. Durch die Verbindung des Hauptkühlmittelkreislaufs
mit dem Niedertemperaturkreislauf, ist der Niedertemperaturkreislauf
in den Hauptkühlmittelkreislauf integriert, so dass die
Ladeluftabkühlung bei bestimmten Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors begrenzt werden kann. Wird die Ladeluft temperiert,
also die Ladeluftabkühlung begrenzt, kann der Niedertemperaturkühler
gemäß einem Ausführungsbeispiel umgangen werden.
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Ein
Ottomotor hat gegenüber einem Dieselmotor Brennverfahren
bedingte Prozeßverluste bei einem Teillastbetrieb, die
so genannten Ladungswechselverluste. Ein Dieselmotor zum Beispiel
saugt (auch bei aufgeladenen Diesel- bzw. Verbrennungsmotoren wird
der Einfachheit halber von einem „Saugen” gesprochen)
immer die gleiche Luftmasse in den Zylinder. Zur Lastregelung werden
unterschiedliche Mengenbeträge an Kraftstoff in den Brennraum eingeführt,
so dass sich jeweils unterschiedliche Kraftstoff-/Luftverhältnisse
ergeben.
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Der
Ottomotor benötigt bei Teillast fast immer das gleiche
Kraftstoff-/Luftverhältnis (Lambda = 1; genau soviel Luft,
wie gerade zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigt wird).
Insofern wird dem Ottomotor im Teillastbetrieb weniger Kraftstoff
zugeführt, weswegen weniger Luft angesaugt werden muß. Hierzu
ist z. B. in einer Einlaßleitung, welche dem Verbrennungsmotor
Frischluft zuführt, ein Drosselelement angeordnet. Das
Drosselelement kann z. B. als Drosselklappe ausgeführt
sein, so dass der Luftstrom bzw. der Massenstrom an Frischluft gedrosselt wird.
Dabei entsteht ein Unterdruck. Gegen diesen Unterdruck muß der
Kolben bzw. die Kolben die Frischluft in den bzw. in die Zylinder
bzw. in den/die Brennraum/Brennräume saugen, was einen
höheren Arbeitsaufwand bedeutet als bei Umgebungsdruck. Daraus
resultieren die Prozeßverluste bzw. die Ladungswechselverluste.
Ladungswechselverluste wirken sich nachteilig auf die Effektivität
des Verbrennungsmotors und auf den Kraftstoffverbrauch aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor bzw.
ein Kühlsystem der Eingangs genannten Art mit einfachen
Mitteln so zu verbessern, dass die vorgenannten Nachteile vermieden
sind, wobei gleichzeitig bei verbessertem Kraftstoffverbrauch die
Effektivität des Verbrennungsmotors unter Vermeidung von
Ladungswechselverlusten erhöht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Zweckmäßig
ist, dass die einlaßseitige Frischluft in einem Teillastbetrieb
des Verbrennungsmotors generell frei von Zumischungen auf eine Temperatur
oberhalb der Kühltemperatur des Luftkühlers aufwärmbar
ist.
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Vorteilhaft
ist, dass sich eine Erhöhung der Temperatur der Frischluft,
auf eine Verringerung der Dichte der Frischluft auswirkt, so dass
der Verbrennungsmotor, wenn die Frischluft angewärmt wird,
weniger Unterdruck androsseln muß um Lambda = 1 zu erreichen.
So wird vorteilhaft ein Erzeugen von Unterdruck durch die Drosselklappe
weitgehend vermieden, da diese den Frischluftstrom nicht so stark drosseln
muß. Wird aber weniger Unterdruck (vom Betrag her) erzeugt,
verringern sich entsprechend auch die Ladungswechselverluste, denn
der Frischluftstrom muß nicht so stark gedrosselt werden,
so dass der bzw. die Kolben nicht mehr gegen einen so starken Unterdruck
Frischluft ansaugen müssen. Dies wirkt sich wiederum direkt
vorteilhaft auf die Effektivität des Verbrennungsmotors
und auf einen verringerten Kraftstoffverbrauch auf.
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Der
Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, dass der Frischluft
Abgase des Verbrennungsmotors, über die so genannte Abgasrückführung
(AGR), zugeführt werden können. Obwohl in dem
Abgasrückführsystem Kühlelemente angeordnet
sind, wird sich die Frischluft durch diese Zumischung wohl auch
etwas aufwärmen können. Hier geht die Erfindung
einen anderen Weg; denn erfindungsgemäß wird die
Frischluft erwärmt, indem keine derartigen Zumischungen
oder andere Zumischungen zum Aufwärmen der Frischluft vorgesehen werden
sollen. Gleichwohl muß damit aber nicht auf eine AGR verzichtet
werden. Wesentlich ist, dass die Frischluft in einem Teillastbetrieb
des Verbrennungsmotors, vorzugsweise des aufgeladenen Ottomotors, einfach
so erwärmt wird, indem ein vorhandener Ladeluftkühler
wahlweise entweder von dem Kühlmedium des Motorkühlkreislaufs
oder von dem Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs
durchströmt wird, so dass die Frischluft entsprechend aufgewärmt
wird. Insofern ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Luftkühler
entweder von Kühlmedium aus einem Motorkühlkreislauf
oder aus einem Luftkühlkreislauf durchströmt wird,
so dass die Frischluft in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors
auf einen Temperaturbetrag entsprechend dem Temperaturbetrag des Kühlmediums
in dem Motorkühlkreislauf aufwärmbar ist, wenn
der Luftkühler von dem Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf
durchströmt wird. Dies ist im Sinne der Erfindung nur in
einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erforderlich. Wird
der Luftkühler von dem Kühlmedium aus dem Luftkühlkreislauf durchströmt,
wird die Frischluft natürlich entsprechend gekühlt
(Ladeluftkühlung).
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Günstig
im Sinne der Erfindung ist, dass der Motorkühlkreislauf über
eine schaltbare Verbindung mit dem Luftkühlkreislauf verbunden
ist, wobei der Luftkühlkreislauf im Folgenden als Ladeluftkühlkreislauf
bezeichnet wird. Hierzu ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Motorkühlkreislauf
einen Ventilabzweig aufweist, welcher in einem Steuerelement des
Ladeluftkühlkreislaufs mündet, wobei dem Steuerelement in
Strömungsrichtung des Kühlmediums ein Pumpelement
nachgeschaltet ist, dem wiederum der Ladeluftkühler nachgeschaltet
ist. In besonders günstiger Ausgestaltung ist der Ventilabzweig
aus dem Motorkühlkreislauf auslaßseitig in Strömungsrichtung
des Kühlmediums gesehen hinter einem Abzweig zu einem Hauptwärmetauscher
und vor einem Kabinenwärmetauscher angeordnet.
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Zweckmäßiger
weise weist der Ladeluftkühlkreislauf eine Verbindungsleitung
auf, welche in Strömungsrichtung des Kühlmediums
gesehen hinter dem Ladeluftkühler angeordnet ist, und in
Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen vor
dem Kabinenwärmetauscher in dem Motorkühlkreislauf mündet.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist das Steuerelement des Ladeluftkühlkreislaufs
als Drei-Wege-Ventil ausgeführt. Das Steuerelement ist
als schaltbares Ventil ausgeführt, welches über
Betriebsparameter gesteuert wird. Hierzu kann das Steuerelement
mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs in Verbindung
stehen. Das Steuerelement ist bevorzugt bezüglich der Betriebsparameter
Teillastbetrieb oder Vollastbetrieb steuerbar.
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Wesentlich
ist, dass der Motorkühlkreislauf mit dem Ladeluftkühlkreislauf
in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors über den
Ventilabzweig und die Verbindungsleitung verbunden ist. Das Steuerelement
in der bevorzugten Ausgestaltung als Drei-Wege-Ventil ist dann entsprechend
geschaltet, so dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf
in den Ladeluftkühlkreislauf strömen kann. Der
eigentliche Ladeluftkühlkreislauf ist dann geschlossen.
Die beiden Kühlmedienströme der beiden zuvor getrennten
Kreisläufe vermischen sich also nicht, wenn das Steuerelement
entsprechend geschaltet ist. Lediglich der Pfad aufweisend den Ventilabzweig,
das Steuerelement, das Pumpelement und durch den Ladeluftkühler
sowie die Rückführung über die Verbindungsleitung
in den Motorkühlkreislauf kann durchströmt werden.
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In
dem Motorkühlkreislauf kann das Kühlmedium auslaßseitig,
also nach Verlassen des Verbrennungsmotors eine Temperatur von bis
zu 105°C aufweisen. Insofern kann das in dem Ladeluftkühlkreislauf,
bzw. das in dem beschriebenen Strömungspfad strömende
Kühlmedium eine entsprechende Temperatur aufweisen. Gelangt
derartig heißes Kühlmedium in den Ladeluftkühler,
wird sich die durch diesen strömende Frischluft entsprechend
erwärmen bzw. aufheizen.
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Die
Frischluft wird so durch einfache Mittel aufgewärmt, so
dass sich deren Dichte reduziert. Dadurch wird vorteilhaft erreicht,
dass ein im Vergleich zum Stand der Technik reduzierter Unterdruckbetrag erzeugt
wird. Dadurch verringern sich vorteilhaft Ladungswechselverluste.
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Die
Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei Ottomotoren mit zumindest
einem Turbolader. Bei diesen Motoren ist zum Kühlen der
Ladeluft der Ladeluftkühler vorgesehen. Dieser kühlt
die Ladeluft, bzw. die Frischluft auf ca. 30° bis 45°C.
Bei Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors ist das Steuerelement so
schaltbar, dass beide Kühlkreisläufe von einander getrennt
sind. Erst bei Teillastbetrieb besteht eine Verbindung, bzw. wird
Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf durch den
Pfad Ventilabzweig, Steuerelement, Pumpelement, Ladeluftkühler
und Verbindungsleitung zurück in den Motorkühlkreislauf
strömend geführt, ohne dass sich beide Kühlmediumströme
vermischen (das in dem Pfad befindliche Kühlmedium mit
der entsprechenden Temperatur des Luftkühlkreislaufes,
wird aus diesem Pfad ohne Vermischung mit dem eintretenden Kühlmedium
herausgeführt). Der Pfad kann auch als Teillastumgehung bezeichnet
werden. Insofern weist das Kühlsystem eine Teillastumgehung
auf, die aus dem Motorkühlkreislauf bzw. seinem Heizungskreislauf
vor seinem Kabinenwärmetauscher abzweigt, so dass Kühlmedium
aus dem Motorkühlkreislauf bei einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors
durch den Luftkühler geleitet wird und, die in dem Motorkühlkreislauf
bzw. seinem Heizungskreislauf vor seinem Kabinenwärmetauscher
mündet, so dass die einlaßseitige Frischluft bei
dem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors generell frei von Zumischungen
auf eine Temperatur oberhalb einer Kühltemperatur des Luftkühlers
aufwärmbar ist. Natürlich kann die Teillastumgehung
auch bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, welche keinen Ladeluftkühlkreislauf
aufweisen, wobei dann lediglich die Teillastumgehung mit ihren Komponenten
entsprechend angepaßt installiert werden kann, wobei die
Komponente Ladeluftkühler als entsprechender Wärmetauscher
ausgeführt sein kann. Sinnvollerweise wird bevorzugt der
vorhandene Ladeluftkühlkreislauf genutzt. Der Ladeluftkühler hat
so eine Doppelfunktion. Zum einen bewirkt der Ladeluftkühler
ein Abkühlen der Ladeluft. Zum anderen bewirkt der Ladeluftkühler
ein Aufwärmen der Frischluft im Teillastbetrieb, wobei
sich die beiden Kühlmediumströme nicht vermischen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige:
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1 einen
Verbrennungsmotor mit zugeordneten Kühlkreisläufen
in prinzipieller Darstellung.
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1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 1 der einen Motorkühlkreislauf 2 und
einen Luftkühlkreislauf 3 aufweist. Der Luftkühlkreislauf 3 wird
im Folgenden als Ladeluftkühlkreislauf 3 bezeichnet.
In beiden Kühlkreisläufen 2 und 3 strömt
jeweils ein Kühlmedium, bevorzugt herkömmlicher
Art. In 1 ist eine Einlaßleitung
zum Zuführen von Frischluft nicht dargestellt. Ebenso ist
ein Drosselelement in der Einlaßleitung nicht dargestellt.
Auch auf eine Darstellung eines Turboladers wurde verzichtet. Insofern
zeigt Figur einen Verbrennungsmotor 1 der im wesentlichen dem
Stand der Technik entspricht.
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Der
Verbrennungsmotor 1 weist einlaßseitig eine Wasserpumpe 4 und
einen Thermostaten 6 auf. Auslaßseitig ist ein
Leitungsabschnitt 7 angeordnet, welcher aus dem Verbrennungsmotor 1 strömendes Kühlmedium
ableitet. Der Leitungsabschnitt 7 mündet in einen
Kühlerkreislauf 8 und in einen Heizungskreislauf 9,
welche zusammen mit dem Leitungsabschnitt 7 den Motorkühlkreislauf 2 bzw.
Hauptkühlkreislauf bilden.
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Der
Kühlerkreislauf 8 zweigt auslaßseitig
aus dem Leitungsabschnitt 7 ab, und führt über
eine Leitung 11 zu einem Hauptwärmetauscher 12.
Von diesem führt eine Leitung 13 zum Thermostaten 6.
Das Kühlmedium strömt so aus dem Verbrennungsmotor 1 kommend
durch den Hauptwärmetauscher 12, in dem das Kühlmedium
abgekühlt wird zurück zum Verbrennungsmotor 1.
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Der
Heizungskreislauf 9 ist zunächst als Fortführung
des Leitungsabschnitts 7 dargestellt, so dass Kühlmedium
aus dem Verbrennungsmotor 1 kommend zu einem Kabinenwärmetauscher 14 bzw. Kabinenheizung 14 strömt.
Von dem Kabinenwärmetauscher 14 führt
eine Leitung 16 zum Thermostaten 6.
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Auslaßseitig
ist noch eine Leitung 17 vorgesehen, welche zu einer Entgasungseinrichtung 18 führt.
Die Leitung 17 zweigt in Strömungsrichtung des Kühlmediums
gesehen vor dem Abzweig der Leitung 11 aus dem Leitungsabschnitt 7 ab.
Von der Entgasungseinrichtung 18 führt eine Leitung 19 zum
Motorkühlkreislauf 2 bzw. zu dem Heizungskreislauf 9 zurück.
Die Leitung 18 mündet, wie beispielhaft dargestellt,
in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen hinter
dem Kabinenwärmetauscher 14 in dem Heizungskreislauf 9.
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Der
Ladeluftkühlkreislauf 3 weist eine Pumpe 21,
einen Luftkühler 22 und ein Kühlelement 23 auf.
Zwischen den jeweiligen Komponenten sind entsprechende Leitungen
vorgesehen. Der Luftkühler 22 wird im Folgenden
als Ladeluftkühler 22 bezeichnet.
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Grundsätzlich
ist der Ladeluftkühlkreislauf 3 von dem Motorkühlkreislauf 2 getrennt.
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Wesentlich
ist, dass der Ladeluftkühlkreislauf 3 mit dem
Motorkühlkreislauf 2 verbunden wird, wobei die
Verbindung so schaltbar ist, dass der Motorkühlkreislauf 2 nur
in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 1 mit dem
Ladeluftkühlkreislauf 3 verbunden ist. Sind beide
Kreisläufe 2 und 3 miteinander verbunden,
strömt Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 strömend
durch einen Teilabschnitt des Ladeluftkühlkreislaufes 2,
also entlang einem vorbestimmten Pfad, zurück in den Motorkühlkreislauf 2.
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Vorteilhaft
ist dem Ladeluftkühlkreislauf 3 ein Steuerelement 26 zugeordnet.
Aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. aus dem Heizungskreislauf 9 zweigt ein
Ventilabzweig 24 ab, der in dem Steuerelement 26 mündet.
Das Steuerelement 26 ist in dem Ladeluftkühlkreislauf 3 in
Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen beispielhaft
vor der Pumpe 21 angeordnet. In Strömungsrichtung
des Mediums gesehen hinter dem Ladeluftkühler 22 ist
eine Verbindungsleitung 27 angeordnet, die in Strömungsrichtung
des Mediums gesehen vor dem Kabinenwärmetauscher 14 in dem
Motorkühlkreislauf 2 bzw. in dem Heizungskreislauf 9 mündet.
Insofern wird Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw.
dem Heizungskreislauf 9 vor dem Kabinenwärmetauscher 14 abgezweigt
und vor diesem wieder zugeführt.
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Vorteilhaft
ist so ein Umgehungsabschnitt 28 bzw. eine Teillastumgehung 28 aus
den entsprechenden Komponenten des Ladeluftkühlkreislaufs 3 zusammen
mit dem Ventilabzweig 24, dem Steuerelement 26 und
der Verbindungsleitung 27 gebildet.
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Das
Steuerelement 26 ist in bevorzugter Ausgestaltung als Drei-Wege-Ventil
ausgeführt. Ist dieses so geschaltet, dass Kühlmedium
aus dem Motorkühlkreislauf 2 bzw. aus dem Heizungskreislauf 9 über
den Ventilabzweig 24, also den Umgehungsabschnitt 28 bzw.
der Teillastumgehung 28 entlang strömt, ist der
restliche Abschnitt des Ladeluftkühlkreislaufes 3 geschlossen.
Denkbar ist, ein zusätzliches Steuerelement vorzusehen,
welches der Verbindungsleitung 27 zugeordnet sein könnte,
um zum Beispiel Saugverluste aus dem Rest der Ladeluftkühlkreislaufes 3 zu
vermeiden.
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Wesentlich
ist insgesamt, dass Kühlmedium aus dem Motorkühlkreislauf 2 zum
Ladeluftkühler 22 geleitet, und anschließend
dem Motorkühlkreislauf 2 wieder zurückgeführt
wird. Das Kühlmedium kann auslaßseitig eine Temperatur
von bis zu 105°C bzw. einen Temperaturbetrag von 90°C
bis 105°C aufweisen. Dieses relativ heiße Kühlmedium
wird dem Motorkühlkreislauf 2, bevorzugt seinem
Heizungskreislauf 9 entnommen, und über den Umgehungsabschnitt
bzw. über die Teillastumgehung 28 dem Motorkühlkreislauf 2,
bevorzugt seinem Heizungskreislauf 9 wieder zugeführt.
Dabei durchströmt das relativ heiße Kühlmedium
des Motorkühlkreislaufes 2 bzw. des Heizungskreislaufes 9 den
Ladeluftkühler 22, durch den auch die Frischluft
strömt, welche so auf eine Temperatur von bis zu 105°C,
also auf eine Temperatur oberhalb einer Kühltemperatur
des Ladeluftkühlers 22 aufgewärmt werden
kann. Es wird eine schaltbare Verbindung der beiden Kreisläufe 2 und 3 zur
Verfügung gestellt, so dass der Ladeluftkühler 22 sein
Kühlmedium wahlweise aus beiden Kreisläufen 2 oder 3,
welche unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen, beziehen kann.
Vorteilhaft wird so quasi eine thermische Entdrosselung erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1623101
B1 [0002, 0002]
