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Die
Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem ersten Kanal, der sich in zwei Kanäle aufteilt,
zwei Durchtrittsöffnungen, zwei Hubventilen, die die Durchtrittsöffnungen
beherrschen und fest mit jeweils einem Bewegungsübertragungselement
verbunden sind, einem Aktuator, über den beide Bewegungsübertragungselemente
antreibbar sind und einer getrieblichen Umformeinrichtung, über
die die Bewegung des Aktuators auf die Bewegungsübertragungselemente übertragbar
ist und die zumindest eine Erhebung aufweist, die je nach Stellung
der getrieblichen Umformeinrichtung mit den Bewegungsübertragungselementen
zur Betätigung der Hubventile zusammenwirkt.
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Derartige
Ventilvorrichtungen werden beispielsweise in Abgasrückführsystemen
mit Abgaskühler und Bypassleitung benutzt, um den rückgeführten
Abgasstrom in die Bypassleitung oder den Abgaskühler getrennt
voneinander regeln zu können. Solche Systeme dienen insbesondere
der schnelleren Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine und führen
so zu einem verminderten Schadstoffausstoß.
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So
ist aus der
DE 100
25 877 C2 eine Abgasrückführvorrichtung
bekannt, bei der zwei übereinander angeordnete, von Ventilschließgliedern
beherrschte Durchtrittsöffnungen zwei Auslässe
von einem Einlass trennen. Dabei verläuft die Ventilstange des
ersten Ventilschließgliedes innerhalb der rohrförmig
ausgestalteten Ventilstange des zweiten Ventilschließgliedes. Über
einen pneumatisch betätigten Aktuator mit zwei Evakuierungsräumen
können die Ventile getrennt voneinander geregelt bewegt
werden. Eine derartige Ausführung entspricht jedoch im Wesentlichen
durch die zwei anzusteuernden Evakuierungsräume zwei Stellvorrichtungen
in einem gemeinsamen Gehäuse, die getrennt voneinander
angesteuert werden müssen.
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Aus
der
DE 198 12 702
A1 ist ebenfalls eine Ventilanordnung zur Steuerung eines
zum Saugrohr einer Verbrennungskraftmaschine zurückgeführten Abgasstroms
bekannt, bei der zwei Ventilschließglieder beweglich auf
einer Ventilstange angeordnet sind, wobei diese über eine
Feder in Schließrichtung vorgespannt sind. Die Durchtrittsöffnungen
dieser Anordnung liegen vertikal übereinander. Eine Öffnung
des ersten Ventils erfolgt immer erst nach einem Verschluss des
zweiten Ventils, so dass eine getrennte kontinuierliche Regelung
des Abgasstroms in beide Auslässe möglich ist.
Je nach Anordnung der Leitungen und vorhandenem Bauraum kann es
jedoch notwendig sein, die Durchtrittsöffnungen nebeneinander
anzuordnen.
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Ein
derartiges Ventilsystem mit nebeneinander angeordneten, von einem
Ventilschließglied beherrschten Durchtrittsöffnungen
ist aus der
DE 102 21
711 A1 bekannt. Über einen Elektromotor mit angetriebenem
Excenter wird hierbei die rotatorische Bewegung der Motorwelle über
eine getriebliche Umformeinrichtung mit mehreren Excentern in eine
lineare Hubbewegung zweier Ventilglieder umgewandelt. Je nach Stellung
der Excenter zueinander folgt hieraus eine synchrone oder asynchrone
Betätigung der Ventile. Somit ist ein derartiges Ventilsystem
jedoch nicht geeignet, einen Abgasstrom in einen Bypasskanal oder
einen Abgaskühler zu regeln, da eine Bewegung des einen
Ventils ohne Bewegung des anderen Ventils nicht möglich
ist.
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Schließlich
ist aus der
DE
10 2005 044 089 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung eines
Abgasstromes bekannt, bei der zwei nebeneinander angeordnete Ventile über
eine Welle betätigt werden, an der Nocken ausgebildet sind,
die bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegen,
wobei das erste Ventil mit dem ersten Nocken und das zweite Ventil
mit dem zweiten Nocken in Kontakt steht. Auf diese Weise können
die beiden Ventile abwechselnd unabhängig voneinander betätigt
werden. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es jedoch nicht möglich,
eine thermische Regelung bei konstantem Strom durchzuführen.
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Es
ergibt sich daher die Aufgabe, eine Ventilvorrichtung mit nur einem
Aktuator zu schaffen, die in definierten Betriebszuständen
geeignet ist, den Gasstrom in zwei parallelen Kanälen entsprechend
der Motoranforderungen auch bezüglich der Aufteilung seiner
Gasströme zu regeln, wobei auf ein separates vorgeschaltetes
Ventil zur Mengenregelung verzichtet werden soll.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zumindest eine Erhebung
derart ausgebildet ist, dass je nach Stellung der getrieblichen
Umformeinrichtung wahlweise kein Eingriff der zumindest einen Erhebung
mit einem der Bewegungsübertragungselemente besteht oder
die zumindest eine Erhebung lediglich mit dem ersten Bewegungsübertragungselement
in Eingriff steht oder die zumindest eine Erhebung lediglich mit
dem zweiten Bewegungsübertragungselement in Eingriff steht
oder beide Bewegungsübertragungselemente mit der zumindest
einen Erhebung in Eingriff stehen. Zusätzlich ist eine Temperaturregelung
bei Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem Abgaskühler-Bypass-System
möglich.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Erhebung durch ein Nockenelement
gebildet. Bei entsprechender konstruktiver Ausführung des
Nockens ist so eine einfache Ausgestaltung zur voneinander unabhängigen
Regelung der Ventile und zur Temperaturregelung bei der Verwendung
im Abgaskühler-Bypass-System geschaffen.
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In
einer weiterführenden Ausgestaltung ist der Nocken auf
einer drehbaren Welle angeordnet. So kann der Antrieb direkt über
die angetriebene Welle erfolgen, so dass Montage- und Herstellkosten gesenkt
werden.
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Vorzugsweise
sind die Hubventile über außerhalb des Abgas durchströmten
Bereichs angeordnete Federelemente in Schließrichtung belastet,
wodurch eine fail-safe Funktion der Ventilvorrichtung erreicht wird,
ohne Einbauten im Kanal zu benötigen. Des Weiteren kann
die Rückstellung auch im Normalbetrieb über die
Federelemente erfolgen, so dass die Erhebung nicht als beidseitig
wirkende Kurvenbahn ausgeführt werden muss.
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Alternativ
sind die Erhebungen durch Kulissen gebildet, welche vertikal zur
Bewegungsrichtung der Hubventile verschiebbar oder verdrehbar sind. So
kann auch die Rückstellung direkt als zwangsgeführte
Bewegung erfolgen, so dass ein Ausfall von Federelementen nicht
die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung beeinflusst.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die getriebliche
Umformeinrichtung eine Zahnstange auf, die senkrecht zu den Ventilstangen
angeordnet ist und die mit einem Antriebszahnrad kämmt.
So kann ohne viele Übersetzungsstufen des Getriebes eine
genaue Querschnittsregelung der beiden Kanäle erreicht
werden. Eine derartige Ventilvorrichtung ist im Aufbau einfach,
erleichtert die Montage und ist zur Regelung weiter voneinander entfernten
Kanalquerschnitten verwendbar.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist genau eine Erhebung derart
ausgebildet, dass in einer Ausgangsstellung der Umformeinrichtung
beide Hubventile geschlossen sind, bei folgender Betätigung der
getrieblichen Umformeinrichtung in einem ersten Stellungsbereich
das erste Hubventil zu öffnen und gegebenenfalls durch
Drehrichtungsumkehr zu schließen ist, bei weiterer Betätigung
in gleicher Richtung in einem zweiten Stellungsbereich das zweite
Hubventil geöffnet wird während das erste Hubventil
geschlossen wird und nach dem vollständigen Schließen
des ersten Hubventils das zweite Hubventil in einem dritten Stellungsbereich
geschlossen wird und gegebenenfalls durch Drehrichtungsumkehr zu öffnen
ist. Bei dieser Ausführung ist eine reine Temperaturregelung
bei gleicher geförderter Gasmenge sowie eine Mengenregelung
jedes Ventils bei geschlossenem jeweils anderen Ventil möglich.
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In
einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
genau eine Erhebung derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung
der Umformeinrichtung beide Hubventile geschlossen sind, bei folgender
Betätigung der getrieblichen Umformeinrichtung in einem
ersten Stellungsbereich das erste Hubventil zu öffnen und
gegebenenfalls durch Drehrichtungsumkehr wieder zu schließen
ist, bei weiterer Betätigung in einem zweiten Stellungsbereich
zunächst zusätzlich zum geöffneten ersten Hubventil
das zweite Hubventil geöffnet wird und gegebenenfalls durch
Drehrichtungsumkehr zu schließen ist, bei weiterer Betätigung
das erste Hubventil bei geöffnetem zweiten Hubventil geschlossen wird und
gegebenenfalls durch Drehrichtungsumkehr zu schließen ist
und bei folgender weiter Betätigung in einem dritten Stellungsbereich
das zweite Hubventil geschlossen wird während das erste
Hubventil geschlossen ist und gegebenenfalls durch Drehrichtungsumkehr
zu öffnen ist. So kann bei einem geschlossenen Ventil das
jeweils andere Ventil zur Mengenregelung betätigt werden
und in einem anderen Stellungsbereich bei einem geöffneten
Ventil das andere geöffnet beziehungsweise geschlossen
werden, so dass eine mengenabhängige Temperaturregelung
bei Verwendung an einem Wärmetauscher-Bypass-System erreicht
wird.
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Auch
ist es denkbar, mehrere Nockenelemente auf einer Welle auszubilden,
wobei der erste Nocken im ersten Stellungsbereich mit dem ersten Hubventil
zusammenwirkt, im zweiten Stellungsbereich der erste Nocken mit
dem zweiten Hubventil und der zweite Nocken mit dem ersten Hubventil
zusammenwirkt und im dritten Stellungsbereich der zweite Nocken
mit dem zweiten Hubventil zusammenwirkt. Hierdurch wird es möglich,
auf einfache Weise die oben beschriebenen Regelungsmöglichkeiten
auch mit mehreren Nocken zu verwirklichen, wodurch auch zusätzliche
Regelungsmöglichkeiten bestehen.
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In
einer bevorzugten Anwendung ist der eine der zwei Kanäle
mit einem Abgaskühler verbunden und der andere der zwei
Kanäle ein Bypasskanal zur Umgehung des Abgaskühlers.
So können die unterschiedlichen Abgasströme unabhängig
voneinander über nur einen Aktuator geregelt werden oder
abhängig voneinander geregelt werden, so dass das Temperaturmanagement
zur Verminderung der Schadstoffemissionen verbessert wird.
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Es
wird somit eine Ventilvorrichtung zur Verfügung gestellt,
mit der auch bei nebeneinander angeordneten Durchtrittsöffnungen
dennoch eine kontinuierliche Regelung zweier Gasströme
mittels zweier Schließkörper und gegebenenfalls
eine voneinander abhängige Regelung zweier Kanäle über
nur einen Aktuator möglich sind. Zusätzlich weist
diese Vorrichtung eine hohe Lebensdauer aufgrund der geringen Belastungen
durch Verschmutzung bei hohen Temperaturen auf, da die zur Bewegung
notwendigen Bauteile außerhalb des geförderten
Gasstroms angeordnet werden können.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung einer Ventilvorrichtung
am Beispiel einer Abgasrückführvorrichtung ist
in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Die
Figur zeigt eine Prinzipskizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Ventilvorrichtung mit aufgeschnittenem Gehäuse.
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Die
in der Figur dargestellte Ventilvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 2,
in dem ein erster Kanal 4, der als Einlass dient, ausgebildet
ist und in zwei parallel geschaltete Kanäle 6, 8 mündet,
die als Auslässe der Ventilvorrichtung dienen. Über
den ersten Kanal 4 gelangt Abgas aus einer nicht dargestellten Abgasrückführleitung
in das Gehäuse 2, in dem zwei Durchtrittsöffnungen 10, 12 horizontal
nebeneinander angeordnet sind, über die das Abgas vom ersten Kanal 4 zu
den Auslasskanälen 6, 8 strömen
kann. Dabei ist der erste Auslasskanal 6 beispielsweise
mit einer Leitung verbunden, die zu einem Abgaskühler führt,
während der zweite Auslasskanal 8 mit einem den
Kühler umgehenden Bypasskanal verbunden ist.
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Die
Durchtrittsöffnungen 10, 12 sind von
am Gehäuse 2 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 16 umgeben,
die mit Schließkörpern zweier Hubventile 18, 20 zusammenwirken,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Ventilschließglieder 22, 24 ausgebildet sind.
Dabei beherrscht das Ventilschließglied 22 die Durchtrittsöffnung 10,
um eine fluidische Verbindung des ersten Kanals 4 mit dem
Abgaskühler unterbrechen zu können, während
das zweite Ventilschließglied 24 die Durchtrittsöffnung 12 zum
Bypasskanal beherrscht.
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Die
Ventilschließglieder 22, 24 sind fest
auf einem ersten Ende von Bewegungsübertragungselementen 26, 28 angeordnet,
die aus jeweils einer Ventilstange 30, 32 mit
daran am zum Ventilschließglied 22, 24 entgegengesetzten
Ende über Bolzen 34, 36 befestigten Rollen 38, 40 gebildet
sind. Die Ventilstangen 30, 32 ragen durch das
Gehäuse 2 in einen Raum 42, in dem eine
getriebliche Umformeinrichtung 44 angeordnet ist. Diese
besteht aus einer Welle 46, an der zwei Erhebungen 48, 50 in
Form von Nockenelementen ausgebildet sind. Die Welle 46 wird über
einen nicht dargestellten Aktuator in bekannter Weise betätigt,
also entsprechend vorliegender Steuersignale in Drehung versetzt.
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Konzentrisch
um die Ventilstangen 30, 32 sind im Raum 42 Federelemente 52, 54 angeordnet, deren
erstes Ende sich gegen das Gehäuse 2 abstützt
und deren zweites Ende sich gegen fest mit den Ventilstangen 30, 32 verbundene
Platten 56, 58 abstützt. Die Federelemente 52, 54 sind
hier unter Vorspannung angebracht, so dass die Hubventile 18, 20 durch
die Federelemente 52, 54 in Schließrichtung
der Hubventile 18, 20 belastet sind.
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Bei
der folgenden Funktionsbeschreibung wird als Ausgangspunkt eine
Stellung der Welle 46 gewählt, bei der die Welle 46 im
Vergleich zur Darstellung in der Figur um circa 180° gedreht
ist. In dieser Ausgangstellung befinden sich beide Rollen 38, 40 nicht
in Kontakt mit den Nockenelementen 48, 50, so
dass das erste Ventilschließglied 22 auf den Ventilsitz 14 aufliegt
und das zweite Ventilschließglied 24 auf dem Ventilsitz 16 aufliegt.
In diesem Zustand findet entsprechend keine Abgasrückführung
statt.
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Wird
die Welle 46 aus der Ausgangsstellung gegen den Uhrzeigersinn
gedreht, kommt die Rolle 38 in Kontakt mit dem Nockenelement 50.
Hierdurch wird der Schließkörper 22 entgegen
der Federkraft vom Ventilsitz 14 abgehoben. Das Nockenelement 50 ist
dabei so ausgebildet, dass eine Regelung der in den Kanal 6 geförderten
Abgasmenge in diesem ersten Stellungsbereich möglich ist.
Das zweite Hubventil 20 verbleibt in diesem Bereich in
seiner geschlossenen Position. Dies bedeutet, dass eine geregelte
Menge Abgas zum Kühler geführt wird.
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Bei
weiterer Betätigung der Welle 46 entgegen dem
Uhrzeigersinn gerät zunächst wiederum das Nockenelement 50 diesmal
in Kontakt mit der zweiten Rolle 40 des zweiten Hubventils 20.
Dieses wird durch weitere Drehung vollständig geöffnet,
erreicht also die Maximalerhebung des Nockenelementes 50.
Bei weiterer Drehung in diesem Stellungsbereich gerät die
Rolle 38 in Kontakt mit dem ersten Nockenelement 48,
so dass das Ventilschließglied 22 vom Ventilsitz 14abgehoben
wird während das zweite Hubventil 20 in seiner
geöffneten Stellung verbleibt. Es erfolgt somit in diesem
Bereich eine mengenabhängige Temperaturregelung des Abgasstroms,
wobei bei im Wesentlichen gleicher über den Bypasskanal
zurückgeführter Menge die über den Abgaskühler
geführte Menge wächst. Durch Weiterdrehen der
Welle bleiben zunächst beide Ventile in ihrer die Kanäle 6, 8 frei
gebenden Position. Diese Stellung ist auch in der Figur dargestellt.
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Es
wird deutlich, dass bei weiterer Drehung das Hubventil 20 geschlossen
wird, also der Schließkörper 24 durch
die Federkraft langsam in Richtung des Ventilsitzes 16 geführt
wird, während das Hubventil 18 in seiner den Durchtrittsquerschnitt 10 frei gebenden
Stellung verharrt. Somit ist in diesem Bereich eine mengenabhängige
Temperaturregelung des Abgasstroms möglich, wobei im Gegensatz
zur vorherigen Stellung diesmal bei im Wesentlichen gleicher über
den Abgaskühler zurückgeführten Menge
die über den Bypass geführte Menge verringert beziehungsweise
bei umgekehrter Drehrichtung erhöht wird.
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Bei
weiterer Drehung entfällt der Kontakt zwischen der Rolle 38 und
dem Nocken 48 ebenfalls. Beide Ventile 18, 20 sind
geschlossen.
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In
einem dritten Bereich bei weiter fortgesetzter Drehung entsteht
nunmehr ein Kontakt zwischen der Rolle 40 und dem Nocken 48.
Das Hubventil 20 kann in diesem Bereich geöffnet
und geschlossen werden, während das erste Hubventil 18 die
Durchtrittsöffnung 10 verschließt. In
diesem Bereich wird der Bypassstrom in seiner Menge geregelt.
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Es
sollte deutlich sein, dass es sich bei dem Ausführungsbeispiel
nur um eine von vielen Möglichkeiten zur Ausführung
einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung handelt.
So lässt sich eine derartige Regelung beispielsweise auch
durch einen einzigen Nocken verwirklichen, der sich über
einen entsprechenden Umfang der Welle erstreckt. Der Fachmann wird
auch erkennen, dass, falls der Abstand der ersten Rampe zur zweiten
Rampe im Wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden Ventilen entspricht, auch
eine Regelung möglich ist, bei der bei konstantem rückgeführten
Abgasstrom eine reine Temperaturregelung erreicht wird, da dann
das erste Ventil immer in gleicher Weise öffnet wie das
andere Ventil schließt. Dies lässt sich selbstverständlich
auch bei einer Ausführung mit zwei Nocken verwirklichen,
die sowohl auf axial gleicher Länge der Welle angeordnet
sein können als auch hintereinander.
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Erwähnenswert
ist es auch, dass statt der Nocken Kulissen verwendet werden können,
die an einem axial verschiebbaren Element angeordnet werden können,
welches vertikal zur Bewegungsrichtung der Ventile beispielsweise über
eine Zahnstange vom Aktuator bewegt wird. Bei einer derartigen Ausführung
besteht eine Zwangsführung der Ventile sowohl in Öffnungsrichtung
als auch in Schließrichtung, so dass auf die Federelemente
gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Mit
einer Ausführung mit reinen Erhebungen bei axialer Bewegung
können so je nach Anwendung gegebenenfalls hintereinander
verschiedenste Varianten des abhängigen oder unabhängigen
Schließens und Öffnens der Ventile verwirklicht
werden. Weitere konstruktive Modifikationen im Aufbau der Ventilvorrichtung
sind denkbar. Die Erfindung ist entsprechend nicht durch die beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Ebenso kann die
Ventilvorrichtung auch hinter einer Kühlvorrichtung angeordnet
werden.
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Es
wird deutlich, dass durch die Erfindung eine Ventilvorrichtung geschaffen
wird, mit der eine Temperatur- und Mengenregelung zweier zu regelnder
Ströme mit nur einem Aktuator möglich wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10025877
C2 [0003]
- - DE 19812702 A1 [0004]
- - DE 10221711 A1 [0005]
- - DE 102005044089 A1 [0006]
