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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine masseelektrodefreie Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Zündelektrode, welche von einem Gehäuse umgeben ist und das Gehäuse mit einem Ende überragt, während das andere Ende der Zündelektrode mit einer, auf einem Trägerkörper angeordneten Teslaspule elektrisch verbunden ist.
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In der Kraftfahrzeugindustrie gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Dazu werden auch neuartige Zündsysteme, sogenannte Korona-Zündsysteme entwickelt, welche neben den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen eingesetzt werden können. Bei diesen Korona-Zündsystemen wird das zur Verbrennung im Verbrennungsmotor anstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugung eines Plasmas entflammt. An der Zündelektrodenspitze tritt bei Spannungssteigerung vor dem eigentlichen Gasdurchschlag eine Vorentflammung auf – die sogenannte Koronaentladung. Dabei bilden sich Plasma-Streamer aus, die weit in den Brennraum des Verbrennungsmotors reichen. Man spricht dann auch von sogenannten Raumzündungsverfahren.
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Gemäß der
WO 2004/063560 A1 umfasst ein Korona-Zündsystem eine Teslaspule, die über eine Hochfrequenzwechselspannung in Resonanz versetzt wird. Dadurch wird an einer, in den Brennraum des Verbrennungsmotors ragenden Zündelektrodenspitze einer, mit der Teslaspule verbundenen Zündelektrode eine hohe Spannung generiert, die im Brennraum des Verbrennungsmotors ein extrem hohes elektrisches Feld erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch das so erzeugte Plasma lässt sich die Entflammung des Gemisches deutlich verkürzen, was einen thermodynamisch deutlich verbesserten Verbrennungsprozess als beim Einsatz einer herkömmlichen Zündkerze nach sich zieht.
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In der Zündvorrichtung ist die Teslaspule auf einem Trägerkörper angeordnet, welcher aus Kunststoff besteht. Dieser Trägerkörper dient als Abschluss eines, üblicherweise aus Metall bestehenden Gehäuses. Aufgrund der Funktion der Zündelektrode und der Einbaubedingungen der Zündvorrichtung in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ist der Trägerkörper hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, wobei sich eine Verlustwärme einerseits aus dem Zündprozess ergibt, zum anderen aber auch durch den Betrieb der Teslaspule erzeugt wird, die in folge der anliegenden Spannung eine hohe Verlustwärme abgibt. Aufgrund der hohen thermischen Beanspruchung ist der Trägerkörper aus Kunststoffwerkstoffen nur begrenzt einsetzbar, da dessen Lebensdauer und somit die Funktionssicherheit der Zündvorrichtung sehr beschränkt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine masseelektrodefreie Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges anzugeben, welche trotz thermisch hoher Beanspruchung während des Betriebes in einem Verbrennungsmotor eine lange Lebensdauer aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Trägerkörper als keramisches Bauteil ausgebildet ist. Das hat den Vorteil, dass ein keramischer Werkstoff eine hohe thermische Belastbarkeit aushält und eine verbesserte Wärmeabfuhr der während des Verbrennungsprozesses bzw. des Betriebes der Teslaspule erzeugten Verlustwärme nach außen ermöglicht. Ein solcher keramischer Trägerkörper verlängert die Einsatzdauer der Zündvorrichtung unter den extremen Umgebungsbedingungen im Verbrennungsmotor. Gleichzeitig besitzt das keramische Material eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit, wodurch die Umgebung der Zündvorrichtung vor hohen Wechselspannungen geschützt wird.
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Vorteilhafterweise liegt die Teslaspule als radiale Wicklung direkt auf dem keramischen Bauteil auf. Dadurch wird die Verlustwärme der Teslaspule unmittelbar auf das keramische Bauteil übertragen und von diesem an die Umgebung der Zündvorrichtung abgegeben. Da die Zündvorrichtung in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors eingebaut ist und dieser ständig durch ein Kühlmittel gekühlt wird, wird die von dem keramischen Bauteil abgegebene Wärme sofort aus dem Verbrennungsmotor abgeführt. Darüber hinaus wird durch Verwendung der radial gewickelten Teslaspule, welche einlagig ausgeführt ist, der Bauraum für die Zündvorrichtung verkleinert. Trotz dieses geringen Bauraumes werden funktionsbedingt während des Betriebes der Teslaspule hohe Spannungen bis zu 40 kV ausgehalten, die durch das keramische Bauteil gegenüber der Umgebung der Zündvorrichtung isoliert werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Teslaspule einerseits mit einem, nach außen geführten Spannungsanschluss und andererseits mit einem Hochspannungsanschluss für die Zündelektrode verbunden, insbesondere verlötet. Ein solcher Lötprozess lässt sich einfach durchführen, wenn das keramische Bauteil durch eine geeignete Oberflächenbehandlung vorbehandelt ist. Die erforderlichen Lötprozesse zur Herstellung der mechanischen Verbindung zu den Anschlussteilen sind aufgrund der hohen Prozesstemperatur vor der Bewickelung des keramischen Bauteiles mit der Teslaspule durchzuführen.
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In einer Weiterbildung ist das, mit einem, unter Druck stehenden Edelgas gefüllte Gehäuse durch das keramische Bauteil druckdicht verschlossen. Das Edelgas dient bei Drücken von > 20 bar zur Isolation der hochspannungsführenden Bauteile innerhalb der Zündvorrichtung, wie der Zündelektrode und der Teslaspule. Da Keramik eine deutlich verbesserte Gasdichtheit gegenüber Kunststoffwerkstoffen aufweist, wird ein Druckabfall innerhalb des Gehäuses durch die Abdeckung des Gehäuses mit dem keramischen Bauteil zuverlässig verhindert, da dieses eine 100%ige Gasdichtheit herstellt.
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In einer Variante ist das Gehäuse zur Aufnahme des keramischen Bauteiles trompetenähnlich geformt. Das hat zur Folge, dass das Gehäuse einteilig ausgestaltet werden kann, was die Dichtigkeit der Zündvorrichtung verbessert. Dabei umgibt das Gehäuse mit seinem schmal ausgeformten Durchmesser die Zündelektrode, während es sich gegenüber dem keramischen Bauteil aufweitet, so dass das keramische Bauteil mit der Teslaspule in die trompetenähnliche Aufweitung des Gehäuses eingreifen kann und dort mit dem Gehäuse ebenso wie mit den Spannungsanschlüsse verlötet werden kann.
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Insbesondere weist das keramische Bauteil auf der, der Zündelektrode entgegengesetzten Seite mehrere Rippen auf, welche insbesondere axial zur Teslaspule ausgebildet sind. Durch diese Ausgestaltung hat das keramische Bauteil nicht bloß die Funktion des Trägers der Teslaspule, sondern dient gleichzeitig als Kühlkörper, wobei die von der Teslaspule abgegebene Verlustwärme infolge der Vergrößerung der Oberfläche des keramischen Bauteiles durch die Rippen besser an die Umgebung abgegeben wird. Neben einer verbesserten Wärmeabfuhr wird durch die Ausformung der Rippen die mechanische Stabilität des keramischen Bauteils als Trägerkörper der Teslaspule verbessert.
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In einer anderen Ausführungsform ist das keramische Bauteil auf der, die Rippen tragenden Seite mit einer Gehäuseabdeckung versehen. Die Gehäuseabdeckung bildet den Abschluss der Zündvorrichtung, wobei sie den nach außen geführten Spannungsanschluss aufnimmt und eine Verbindung mit einem Steuergerät, welches die Zündvorrichtung in ihrem Betrieb ansteuert, herstellt.
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In einer Weiterbildung weist die Gehäuseabdeckung loch- oder schlitzähnlich ausgebildete Öffnungen auf. Durch eine solche Gehäuseabdeckung wird ein Berührungsschutz der außen an dem keramischen Bauteil liegenden Rippen gegen elektrische Aufladung hergestellt.
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Vorteilhafterweise sind die Öffnungen bei auf dem keramischen Bauteil aufliegender Gehäuseabdeckung beabstandet zu den Rippen ausgebildet. Eine solche Ausbildung ermöglicht einen zuverlässigen Berührungsschutz innenliegender Bauteile der Zündvorrichtung.
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In einer Variante weisen die Öffnungen kleinere Abmaße auf als die Rippen des keramischen Bauteiles. Durch solche schmal und besonders klein ausgebildeten loch- oder schlitzähnlichen Öffnungen wird eine Berührung des keramischen Bauteils von außen durch die Gehäuseabdeckung hindurch sicher unterbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das keramische Bauteil in einem Sinterverfahren hergestellt. Eine solche Herstellungsmöglichkeit ist besonders preisgünstig, da die Herstellung des Trägerkörpers als keramisches Bauteil während eines Sinterprozesses aus einem gepressten oder gespritzten Rohling erfolgt. Das so hergestellte keramische Bauteil besitzt als Trägerkörper eine hohe mechanische Stabilität und ist daher gleichzeitig als Abdichtung des Gehäuses verwendbar.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Prinzipaufbau eines Korona-Zündsystems
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2: Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems
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3: prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
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4: ein Ausführungsbeispiel für einen Trägerkörper einer Teslaspule in der Zündvorrichtung gemäß 3.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist das Funktionsprinzip eines Korona-Zündsystems dargestellt. Wie aus 1a ersichtlich, besteht ein solches Korona-Zündsystem grundsätzlich aus einem Steuergerät 1, welches über ein Hochfrequenzkabel 2 mit der Zündvorrichtung 3 verbunden ist. Die Zündvorrichtung 3 umfasst dabei eine Zündelektrode 4, welche mittig in einem Metallgehäuse 13 gelagert ist. Die Zündelektrode 4 überragt das Metallgehäuse 13 mit einer Zündelektrodenspitze 6, wobei die Zündelektrodenspitze 6 teilweise von einem Keramikisolator 5 umgeben ist und in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors ragt.
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In 1b sind der Aufbau der Ansteuerschaltung und deren Verbindung mit der Zündvorrichtung 3 konkreter dargestellt. Eine Gleichspannung 7 wird auf dem Mittelabgriff eines Übertragers 8 geführt, welcher an einer Primärspule 8a des Übertragers 8 angeordnet ist. An beiden Enden der Primärspule 8a ist eine Schaltstufe 9 angeordnet. Durch die abwechselnde und schnelle Schaltung eines Schalters der Schaltstufe 9, welcher als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) bzw. ein MOSFET an den beiden Enden der Primärspule 8a mit ca. 1 MHz beschaltet wird, wird in der Sekundärspule 8b des Übertragers 8 eine Wechselspannung von effektiv Ueff = 400 Volt erzeugt. Die Sekundärspule 8b des Übertragers 8 bildet mit einer Teslaspule 10 und konstruktiv bedingten Kapazitäten 11 einen Reihenresonanzkreis. Dieser Reihenresonanzkreis führt bei Resonanzfrequenzen von ca. 1 MHz zu einer Spannungsüberhöhung Uc,max am Mittelabgriff der Teslaspule 10 von bis zu +/–30 kV. Die Resonanzfrequenz ist dabei in Abhängigkeit von der Zündvorrichtung 3 geregelt. Die Spannungsüberhöhung Uc,max an der Teslaspule 10 wird der Zündelektrode 4 der Zündvorrichtung zugeführt.
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Eine Koronaeinsetzspannung, welche die Spannung ist, ab der die Raumentladungseffekte und somit auch eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors auftreten, ist prinzipiell abhängig von einer Feldüberhöhung des elektrischen Feldes an der Zündelektrodenspitze 6. Umso kleiner der Radius der Zündelektrodenspitze 6 ist, umso niedriger ist die Koronaeinsetzspannung. Vorteilhaft für ein Korona-Zündsystem sind dabei möglichst niedrige Koronaeinsetzspannungen. Dadurch werden übermäßige Belastungen der Isolationswerkstoffe, aus welchen der Keramikisolator 5 gebildet ist, vermieden.
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Die Koronaeinsetzspannung US,2 ist in 1c dargestellt und liegt vor der Funkendurchbruchspannung C, welche einen zu vermeidenden Gasentladungsbogen BE nach sich zieht.
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Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems wird in 2 verdeutlicht. Dabei ist die an der Zündelektrode 4 anliegende Spannung Urms über den Druck p im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors dargestellt. Diesem Druck p ist die Zündelektrodenspitze 6 der Zündvorrichtung 3 ausgesetzt, da die Zündvorrichtung 3, wie in 1b dargestellt, in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors hineinragt. In 2 ist mit der minimalen Spannung Urms,min die Koronaeinsetzspannung beschrieben, bei welcher sichtbare Plasma-Streamer 6a (1b) in den Verbrennungsmotor hineinreichen. Wird die Spannung weiter erhöht, so wird eine zweite, maximale Spannung Urms,max erreicht, welche der Funkendurchbruchspannung C in 1c entspricht und deren Auftreten einen Abbruch der Koronaentladung bewirkt. Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems befindet sich demzufolge im Bereich zwischen den Spannungen Urms,min und Urms,max. Dazu muss zuverlässig sichergestellt werden, dass die maximale Spannung Urms,max nicht erreicht wird.
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In 3 ist der prinzipielle Aufbau der Zündvorrichtung 3 dargestellt, welcher zum Auslösen einer Korona-Zündung notwendig ist. Die Zündelektrode 4 ist dabei von dem Metallgehäuse 13 umgeben, wobei das Metallgehäuse 13 mit einem Edelgas bei einem Druck von > 20 bar gefüllt ist. Dieses Edelgas dient dabei als Isolator für die hochspannungsführende Zündelektrode 4. An ihrem einen Ende ist die Zündelektrode 4 von dem Keramikisolator 5 umgeben, auf welchen ein Stahlgehäuse 14 aufgesetzt ist. Das eine Ende der Zündelektrode 4 erstreckt sich dabei durch den Keramikisolator 5, welcher sich wiederum mittig durch das Stahlgehäuse 14 ausdehnt. Dabei überragt der Keramikisolator 5 das Stahlgehäuse 14, wobei die Zündelektrodenspitze 6 aus dem Keramikisolator 5 heraustritt. Dieser Teil der Zündvorrichtung 3 wird in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors eingeführt, welcher beispielsweise ein Otto- oder ein Gasmotor sein kann.
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Zur Zuführung der hochfrequenten Hochspannung zur Zündelektrode 4 ist diese mit einer Teslaspule 10 verbunden, wobei die Teslaspule 10 als Flachspule mit nur einer Wicklung ausgebildet ist, die radial um einen Hochspannungsanschluß 15 gewickelt ist und an welchen die Zündelektrode 4 mittig in der Teslaspule 10 angreift. Die elektrische Verbindung der Teslaspule 10 mit der Zündelektrode 4 erfolgt dabei über den Hochspannungsanschluss 15. Zur Zuführung einer Spannung, welche von dem Steuergerät 1 (1a) bereitgestellt wird, ist das weitere Ende der Teslaspule 10 mit einem Anschlusselement 16 verbunden, welches durch eine Gehäuseabdeckung 17 aus der Zündvorrichtung 3 herausragt.
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Das druckdichte Metallgehäuse 13, welches die Zündelektrode 4 umgibt, wird dabei von einem Trägerkörper 18, welcher die Teslaspule 10, den Hochspannungsanschluss 15 sowie das Anschlusselement 16 trägt, abgedichtet. Zu diesem Zweck weist das Metallgehäuse 13 eine trompetenähnliche Form auf, dessen Aufweitung den Trägerkörper 18 aufnimmt. Der Trägerkörper 18 wird paßgenau in die trompetenähnliche Aufweitung eingesetzt und dichtet das mit dem Edelgas gefüllte Metallgehäuse 13 gegenüber der Umwelt druckdicht ab.
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Der, die Teslaspule 10 tragende Trägerkörper 18 besteht dabei aus Keramik und weist an seiner, der Teslaspule 10 abgewandten Seite Rippen 19 auf, wie es in 4 dargestellt ist. Auf der Seite der Rippen 19 wird auf den Keramikkörper 18 die Gehäuseabdeckung 17 geschoben, welche eine Führung 21 zur Aufnahme des, an dem Keramikkörper 18 befestigten Anschlusselementes 16 für die Spannungszufuhr von dem Steuergerät 1 aufnimmt. Die Gehäuseabdeckung 17 weist dabei in gleichmäßigen Abständen ausgebildete Schlitze 20 auf, welche beim Aufsetzen der Gehäuseabdeckung 17 auf den Keramikkörper 18 beabstandet den, an dem Keramikkörper 18 ausgebildeten Rippen 19 gegenüberliegen. Da die Rippen 19 größere Abmessungen aufweisen als die Schlitze 20 der Gehäuseabdeckung 17, wird sichergestellt, dass keine Berührung des Keramikkörpers 18 durch die Schlitze 20 der Gehäuseabdeckung 17 möglich ist. Die Rippen 19 des Keramikkörpers 18 dienen dabei nicht nur zur verbesserten Abfuhr der, durch die Teslaspule 10 im Betrieb erzeugten Verlustwärme, sondern erhöhen auch die mechanische Stabilität des Trägerkörpers 18 aus Keramik und somit der gesamten Zündvorrichtung 3.
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Auf der, der Teslaspule 10 zugewandten Seite wird der Trägerkörper 18 durch eine zweite Abdeckung beaufschlagt, welche ein Abstützelement 22 der Wicklung der Teslaspule 10 gegenüber den Vibrationen des Verbrennungsmotors darstellt. Zur Befestigung dieses Abstützelementes 22 ist axial an dem keramischen Trägerkörper 18 ein Zapfen 23 angeordnet, welcher in das Abstützelement 22 eingreift, wodurch dieses an dem Trägerkörper 18 befestigt wird.
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Da die als Flachspule ausgelegte Teslaspule 10 direkt auf dem keramischen Trägerkörper 18 aufliegt, wird die Wicklung der Teslaspule 10 vorzugsweise direkt im Wickelprozess auf den Trägerkörper 18 aufgebracht. Das Anschlußelement 16 und der Hochspannungsanschluß 15 für die Wicklung der Teslaspule 10 werden als Verbindungselemente in den Trägerkörper 18 eingelötet und dienen auch als Kontaktierung zum Primäranschluss des Steuergerätes 1 und zur Herstellung der Hochspannungsverbindung zur Zündelektrode 4. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit des als keramisches Bauteil ausgebildeten Trägerkörpers 18 wird die, von der Teslaspule 10 erzeugte Verlustwärme durch den Trägerkörper 18 nach außen abgeführt und an die Umgebung abgegeben.
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Die erforderlichen Lötprozesse zur Herstellung der mechanischen Verbindung zum Metallgehäuse 13 und dem Hochspannungsanschluß 15 sowie dem Anschlusselement 16 sind aufgrund der hohen Prozesstemperatur vor dem Bewickeln des Trägerkörpers 18 mit der Teslaspule 10 durchzuführen.
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Im Gegensatz zur konventionellen Zündung mit einer Zündkerze ergeben sich bei einem Koronazündsystem Vorteile, wie eine bessere Entflammung des verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemisches, eine deutlich schnellere Entflammung bei reduzierter Klopfneigung sowie eine Entschärfung geometrischer Toleranzprobleme der Zündung, da die Plasma-Streamer 6a der Koronaentladung tiefer in den Brennraum 12 reichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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