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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei gegenläufigen Nockenwellen zur Steuerung eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
EP 0 472 430 B1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit zwei gegenläufigen Nockenwellen zur Steuerung eines Ventils bekannt, wobei die eigentliche Ventilsteuerung über einen Kipphebel erfolgt, der mittig mit dem zu steuernden Ventil und jeweils endseitig mit einem Nocken der jeweiligen Nockenwelle zusammenwirkt.
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Aus der
DE 101 55 669 A1 ist eine Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen hydraulischen Aktor zur Ventilbetätigung und eine den Aktor mit einem Druckmittel versorgende Hochdruckpumpe besitzt. Zur Reduzierung der Gestehungskosten ist die Hochdruckpumpe als Hubschieberpumpe mit einem eine Pumpenkammer begrenzenden, hubangetriebenen Pumpenkolben und einem diesen umschließenden Steuerschieber ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine deutlich erhöhte Variabilität der Ventilsteuerung ermöglicht.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Einlass- oder ein Auslassventil, über eine hydraulische Stelleinrichtung vorzunehmen, die von zwei parallelen und gegenläufig drehenden Nockenwellen betätigt wird. Die erfindungsgemäße hydraulische Stelleinrichtung zum Verstellen des Ventils ist dabei über einen ersten Kolben mit einem Nocken der ersten Nockenwelle, über einen zweiten Kolben mit einem Nocken der zweiten Nockenwelle und über einen dritten Kolben mit dem zu steuernden Ventil wirkungsverbunden, wobei alle drei Kolben über einen gemeinsamen Fluidraum, das heißt insbesondere über einen gemeinsamen Druckraum miteinander verbunden sind. Dieser gemeinsame Druckraum bewirkt ein Verstellen des Ventils, sofern zumindest der erste oder der zweite Kolben in den Druckraum gedrückt und dadurch der dritte Kolben zum Ausweichen gezwungen wird. Mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung lässt sich ein vollvariabler Ventiltrieb realisieren, der insbesondere im Nutzfahrzeugbereich von großem Vorteil ist, da bei größeren Brennkraftmaschinen üblicherweise das Gewicht einer zweiten Nockenwelle nicht oder nur unwesentlich ins Gewicht fällt. Alternativ kann bei einer DOHC-Anordnung die vorhandene zweite Nockenwelle sowohl für die direkte Ventilbetätigung als auch für die hydraulische Stelleinrichtung genutzt werden. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige hydraulische Stelleinrichtung ein besonders exaktes Verstellen des Ventils und dadurch ein besonders exaktes Steuern von Ein- und Auslasszeiten am jeweiligen Zylinder. Die hydraulische Stelleinrichtung ist darüber hinaus vorzugsweise wartungsfrei, wodurch insbesondere auch bei bisherigen Ventiltrieben auftretende Abnutzungserscheinungen nahezu vollständig eliminiert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind der erste Kolben und der zweite Kolben senkrecht zum dritten Kolben angeordnet. Der erste und der zweite Kolben sind dabei in der Art eines Boxermotors, das heißt auf einer Achse und gegenüberliegend angeordnet, wogegen der dritte Kolben einen rechten Winkel hierzu einnimmt. Der erste Kolben und der zweite Kolben kann somit zwischen den beiden Nockenwellen angeordnet und damit von den jeweiligen Nocken angetrieben werden, wogegen der dritte Kolben nach unten in Richtung des Ventils gerichtet ist und dieses somit betätigen kann. Die zuvor beschriebene rechtwinkelige Ausrichtung des dritten Kolbens zum ersten und zweiten Kolben stellt dabei jedoch lediglich eine mögliche Ausführungsform dar, wobei prinzipiell sämtliche beliebige Winkellagen zwischen den einzelnen Kolben möglich sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein erstes Federelement vorgesehen, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben angeordnet ist und diese auseinanderdrückt. Das erste Federelement stellt somit sicher, dass der jeweilige Kolben der Bewegung des jeweils zugehörigen Nockens folgt, wodurch ein permanenter Kontakt zwischen dem Nocken der ersten Nockenwelle und dem ersten Kolben und ebenso ein permanenter Kontakt zwischen dem Nocken der zweiten Nockenwelle und dem zweiten Kolben gewährleistet werden kann. Das permanente Anliegen der beiden Kolben an den jeweils zugehörigen Nocken der Nockenwellen ist dabei für ein exaktes Betätigen des Ventils unerlässlich. Das erste Federelement hilft dabei zudem mit, Schwingungen zu vermeiden und bewirkt zudem eine Rückstellung des ersten und zweiten Kolbens sowie ein Lösen derselben aus etwaigen Grenzpositionen.
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Zweckmäßig ist ein zweites Federelement vorgesehen, welches das Ventil in seine Schließstellung vorspannt. Durch eine Verbindungsleitung mit Rückschlagventil wird das im Druckraum vorhandene Fluid, beispielsweise Öl, stets unter Druck gehalten, so dass auch kleinste Bewegungen am ersten oder zweiten Kolben sich unmittelbar in eine Bewegung des dritten Kolbens umsetzen, sofern durch die Bewegungen des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens eine Bewegung des dritten Kolbens indiziert ist. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch die Bewegung des ersten Kolbens und eine exakt gegenläufig hierzu ausgerichtete Bewegung des zweiten Kolbens denkbar, bei welcher der dritte Kolben keinerlei Bewegung ausführt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, weisen die Nocken auf der ersten und/oder der zweiten Nockenwelle die Form eines Rastnockens auf. Diese Rastnocken weisen ergänzend zum Grundkreisradius einen Radius am Maximalhub auf. Dieser ermöglicht das Betätigen eines der ersten beiden Kolben über einen größeren Hubbereich. Die Kombination von zwei Rastnocken ermöglicht die Aufteilung einer Öffnerflanke auf den einen Nocken und einer Schließerflanke auf den anderen Nocken. Die maximal einstellbare Öffnungsdauer ergibt sich dann aus der Länge der Rastprofile. Durch Winkelverstellung der beiden Nocken zueinander lässt sich kontinuierlich die Öffnungsdauer und ggf. der Ventilhub variieren. Ergänzend lassen sich auch Ventilzusatzerhebungen darstellen, indem dem einen Nockenprofil im Grundkreis eine weitere Erhebung hinzugefügt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Brennkraftmaschine mehrere Ventile und mehrere zugehörige Druckräume auf, wobei eine Verbindungsleitung zwischen zumindest zwei Druckräumen vorgesehen ist. Durch eine derartige Verbindungsleitung zwischen zumindest zwei Druckräumen kann eine Kompensation zwischen unterschiedlichen Druckräumen erzielt werden, was insbesondere beispielsweise zur Synchronisierung einzelner Ventilbewegungen von großem Vorteil ist. Unterstützt werden kann eine derartige Synchronisation beispielsweise durch eine in der Verbindungsleitung angeordnete Ventileinrichtung, mittels welcher ein Fluidstrom durch die Verbindungsleitung gesteuert werden kann. Die Ventileinrichtung kann selbstverständlich auch als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein, so dass über die Verbindungsleitung die jeweiligen Druckräume mit Öl beaufschlagt werden kann, wodurch insbesondere der Ausgleich von Leckageströmen möglich ist. Derartige Leckageströme sind selbstverständlich äußerst gering, da die Kolben in den jeweiligen Zylinderlaufbahnen abgedichtet sind. Denkbar ist hierbei, dass die insbesondere aus dem Ventilbetätigungskolben, das heißt aus dem dritten Kolben austretende Leckage aufgefangen und über die Verbindungsleitung und ein entsprechendes Rückschlagventil in den jeweiligen Druckraum zugeführt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist an zumindest einer Nockenwelle ein Phasensteller angeordnet bzw. es weist zumindest eine Nockenwelle eine gegeneinander verstellbare Innenwelle und Außenwelle auf. Durch eine derartige Verstellbarkeit zumindest einer Nockenwelle kann insbesondere auch eine Zusatzerhebung des Ventils erreicht werden, indem der verstellbare Nocken auf der ineinander verstellbaren Nockenwelle das Profil für die Zusatzerhebung beinhaltet und auf denselben Kolben wirkt wie das größere Nockenprofil des feststehenden Nockens. Bei Normalbetrieb wird das kleine Nockenprofil phasengleich wie das große gestellt und kommt so nicht zum Einsatz, da der betätigte Kolben dem großen Nockenprofil folgt. Wird das kleine Nockenprofil phasenversetzt betrieben, dann kommt es zu einer Zusatzerhebung, da der betätigte Kolben nach dem großen Nockenprofil auch noch dem kleinen Nockenprofil folgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die hydraulische Stelleinrichtung als vorgefertigtes Modul ausgebildet und kann in dieser Art und Weise einfach auf den jeweiligen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufgesetzt werden. Selbstverständlich ist alternativ auch eine hydraulische Stelleinrichtung denkbar, die aus separaten Bauteilen jeweils individuell zusammengebaut wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Bereich einer hydraulischen Stelleinrichtung,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Stellung eines von der hydraulischen Stelleinrichtung betätigten Ventils,
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3 eine sich über mehrere Ventile erstreckende hydraulische Steuereinrichtung,
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4 eine diagrammartige Darstellung zur Verdeutlichung der Steigerung der Variabilität der Öffnungs- und Schließseiten durch die hydraulische Stelleinrichtung,
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5 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer zusätzlichen Profilerhebung, die in Umfangsrichtung gegen das Hauptnockenprofil verstellbar ist,
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6 eine Darstellung wie in 5, jedoch mit einer feststehenden zusätzlichen Profilerhebung.
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Entsprechend den 1, 2, 5 und 6, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zwei gegenläufige Nockenwellen 2, 3 zur Steuerung eines Ventils 4, insbesondere eines Ein- oder Auslassventils auf. Ebenso vorgesehen ist eine zwischen den beiden parallelen Nockenwellen 2, 3 angeordnete hydraulische Stelleinrichtung 5 zum Verstellen des Ventils 4, die über einen ersten Kolben 6 mit einem Nocken 7 der ersten Nockenwelle 2, über einen zweiten Kolben 8 mit einem Nocken 9 der zweiten Nockenwelle 3 und über einen dritten Kolben 10 mit dem zu steuernden Ventil 4 wirkungsverbunden ist, wobei alle drei Kolben 6, 8, 10 über einen gemeinsamen fluidbefüllten Druckraum 11 miteinander verbunden sind. Wie man den 1 und 2 weiter entnehmen kann, sind der erste Kolben 6 und der zweite Kolben 8 senkrecht zum dritten Kolben 10 angeordnet, wobei der erste und zweite Kolben 6, 8 auf einer gemeinsamen Achse, das heißt gegenläufig zueinander in der Art eines Boxermotors, angeordnet sind.
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Zwischen dem ersten Kolben 6 und dem zweiten Kolben 8 ist ein erstes Federelement 12 vorgesehen, welches einerseits dazu beiträgt, eine Rückstellung der beiden Kolben 6, 8 zu bewirken und andererseits diese gegen die jeweilig zugehörigen Nocken 7, 9 vorspannt, wodurch eine permanente Nockenfolge erreicht werden kann. Neben dem ersten Federelement 12 ist ein zweites Federelement 13 vorgesehen, das den dritten Kolben 10 gegen den gemeinsamen Druckraum 11 und das Ventil 4 in seine Schließstellung vorspannt. Das zweite Federelement 13 bewirkt somit das sichere Schließen des Ventils, wogegen das erste Federelement 12 insbesondere dazu beiträgt, unerwünschte Schwingungen zu reduzieren. Ebenso bewirkt das erste Federelement 12 eine Rückstellung der beiden Kolben 6, 8 sowie ein Lösen derselben aus etwaigen Grenzpositionen. Ein drittes Federelement 21 spannt dabei den dritten Kolben 10 gegen das Ventil 4 vor.
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Betrachtet man die Nocken 7, 9 der beiden Nockenwellen 2, 3, so kann man erkennen, dass diese die bereits beschriebene Rastnockenform aufweisen, was für die Funktion einer vollvariablen Ventilhubkurvenschar notwendig ist. Die Rastnockenformen weisen ergänzend zum Grundkreisradius einen Radius am Maximalhub auf. Dieser ermöglicht das Betätigen eines der ersten beiden Kolben 6, 8 über einen größeren Hubbereich. Die Kombination von zwei Rastnockenprofilen ermöglicht die Aufteilung einer Öffnerflanke auf das eine Profil (z.B. Nocken 7) und einer Schließerflanke auf das andere Profil (z.B. Nocken 9). Die maximal einstellbare Öffnungsdauer ergibt sich dann aus der Länge der Rastprofile. Durch Winkelverstellung der beiden Nocken 7, 9 zueinander lässt sich kontinuierlich die Öffnungsdauer und ggf. der Ventilhub variieren. Ergänzend lassen sich auch Ventilzusatzerhebungen darstellen, indem dem einen Nocken 7 im Grundkreis eine weitere Erhebung hinzugefügt wird. Betrachtet man die 3, obere Darstellung, so kann man erkennen, dass die Brennkraftmaschine 1 mehrere Ventile 4 und mehrere zugehörige Druckräume 11 aufweist, wobei eine Verbindungsleitung 14 (vergleiche die 1 und 2) zwischen den einzelnen Druckräumen 11 vorgesehen sein kann. Innerhalb dieser Verbindungsleitung 14 kann beispielsweise eine Ventileinrichtung 15, insbesondere in der Art eines Rückschlagventils, angeordnet sein, wodurch der Druck im jeweiligen Druckraum 11 exakt steuerbar ist. Selbstverständlich kann anstelle der Verbindungsleitung 14 auch eine Nachfüllleitung vorgesehen sein, welche einen Leckageölstrom, beispielsweise austretend im Bereich des dritten Kolbens 10, den jeweils zugehörigen Druckraum 11 wieder zuführt, um stets ein gleich bleibendes Volumen an Fluid im Druckraum 11 vorhalten zu können. Selbstverständlich können auch mehrere Stelleinrichtungen 5 vorgesehen werden, wie dies in der unteren Darstellung der 3 gezeigt ist.
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An zumindest einer der beiden Nockenwellen 2, 3 kann darüber hinaus zumindest ein Phasensteller 16 vorgesehen sein, mittels welchem eine Phase relativ zu einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 verändert werden kann. Generell ist dabei selbstverständlich auch vorstellbar, dass zumindest eine der beiden Nockenwellen 2, 3 eine gegeneinander verstellbare Innenwelle sowie eine Außenwelle aufweist, wodurch eine weitere Variabilität der Ventilsteuerzeiten erzielt werden kann.
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Gemäß der 4 ist ein Ventilhub h über die Zeit t aufgetragen, wobei die Kurve A eine Schließkurve darstellt, wogegen die Kurve B eine Öffnungskurve abbildet. Mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung 5 lässt sich die Öffnungszeitkurve A deutlich nach vorne ziehen, wogegen die Schließkurve B nach hinten verschoben werden kann. Generell ist somit mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung 5 eine überaus große Variabilität hinsichtlich der Ein- und Auslasszeiten, deren Ventilhub und deren Öffnungsdauer am Ventil 4 darstellbar. Durch eine zusätzliche Nockenerhebung 17 kann die in 4 gezeigte Ventilzusatzerhebung C realisiert werden.
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Gemäß den 5 und 6 ist auf den Nocken 7 eine weitere Nockenerhebung 17 aufgebracht werden. Hiermit kann eine, wie in 4 gezeigte Ventilzusatzerhebung C realisiert werden.
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5 zeigt dabei eine durch CIC (Cam-in-Cam) verstellbare Nockenerhebung 17, die somit gegen das eigentliche Hauptprofil verschwenkt werden und damit wirkungslos geschaltet werden kann, wogegen die Nockenerhebung 17 gemäß der 6 fest stehend angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 gemäß der 5 besitzt dabei auch an der ersten Nockenwelle 2 einen Phasensteller 16. Die Nockenwelle 2 besitzt dabei eine Innenwelle 18 und eine dazu verstellbare Außenwelle 19, wobei die Innenwelle 18 mit dem Nocken 7 und die Außenwelle 19 mit einem weiteren, die Nockenerhebung 17 aufweisenden Nocken 20 verbunden ist und wobei beispielsweise die beiden Nocken 7, 20 der Nockenwelle 2 derart einstellbar sind, dass der Nocken 7 auf den ersten Kolben 6 einen großen Hub und der Nocken 20 nur bei Verstellung auf denselben Kolben 6 wirkend einen kleineren Zusatzhub ausübt, wodurch es zu zwei aufeinanderfolgenden Ventilöffnungen kommt. Zusätzlich oder alternativ kann die auch die zweite Nockenwelle 3 als CIC-Nockenwelle ausgebildet sein.
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Generell ist mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung 5 auch eine Zylinderabschaltung denkbar, sofern die beiden Nockenwellen 2, 3 derart zueinander eingestellt sind, dass der Nocken 7 auf den ersten Kolben 6 einen ersten Hub und der Nocken 9 auf den zweiten Kolben 8 einen identischen und entgegengesetzten zweiten Komplementärhub ausübt, wodurch sich der dritten Kolben 10 überhaupt nicht bewegt. Wird somit die Bewegung des ersten Kolbens 6 durch die gegenläufige Bewegung des zweiten Kolbens 8 kompensiert, erfolgt üblicherweise keine Betätigung des Ventils 4, so dass dieses beispielsweise im geschlossenen Zustand verbleibt und dadurch der zugehörige Zylinder abgeschaltet wird.
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Generell kann insbesondere die zweite Nockenwelle 3 ergänzend mit einem zusätzlichen Nocken 9 für die direkte Betätigung weiterer Ventile 4 bestückt sein, z.B. für Auslassventile, wenn die Einlassventile von der Stelleinrichtung 5 angetrieben sind oder eines benachbarten gleichartigen Ventils 4 bei einer 4-Ventilbrennkraftmaschine.
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Mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung 5 lassen sich die jeweiligen Steuerzeiten des Ventils 4 und/oder der Ventilhub des Ventils 4 deutlich flexibler einstellen, als dies bisher mit herkömmlichen Stelleinrichtungen überhaupt möglich ist. Der Einsatz derartiger hydraulischer Stelleinrichtungen 5 erfolgt üblicherweise im Nutzfahrzeugbau, da besonders größere Brennkraftmaschinen 1 zwei Nockenwellen 2, 3 aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0472430 B1 [0002]
- DE 10155669 A1 [0003]
