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Die Erfindung betrifft einen Ladeluftverteiler für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Als Verbrennungsmotor wird jedwede Verbrennungskraftmaschine verstanden, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt. Diese Verbrennung findet innerhalb eines sogenannten Brennraums statt, in welchem ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. In der üblichen Bauform des Hubkolbenmotors wird die Volumenänderung des durch die Erwärmung ausgedehnten Gases hierbei genutzt, um einen linear beweglich gelagerten Kolben zu verdrängen.
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Gemäß dem gebräuchlichen Viertaktverfahren vollzieht der Kolben-Verbrennungsmotor hierzu einen thermodynamischen Kreisprozess, welchen der Hubkolben durch eine an seinem oberen Totpunkt beginnende Abwärtsbewegung innerhalb seiner röhrenförmigen Kammer, dem sogenannten Zylinder, einleitet. Über einen mit dem Zylinder in Fluidverbindung stehenden Ansaugtrakt kann in diesem Arbeitstakt zur Verbrennung benötigtes Gas in den Brennraum einströmen. Der Stand der Technik umfasst dabei einerseits Diesel- oder Benzin-Direkteinspritzermotoren mit innerer Gemischbildung, welche in dieser Phase lediglich sogenannte Reinluft in den Zylinder ansaugen und erst später mit Kraftstoff anreichern. Andererseits werden Motoren mit Vergaser oder Saugrohreinspritzung und äußerer Gemischbildung eingesetzt, bei welchen das angesaugte Gasgemisch den zerstäubten Kraftstoff bereits enthält.
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Zur weiteren Leistungs- oder Effizienzsteigerung gattungsgemäßer Verbrennungsmotoren wird teilweise ein als Motoraufladung bekanntes Verfahren eingesetzt, welches auf der Zuführung unter erhöhtem Druck stehender Luft in den Brennraum basiert. Diese Druckbeaufschlagung führt zu einem verbesserten Füllungsgrad des Brennraums, dem auf diese Weise eine größere Sauerstoffmasse für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht. Zugleich wird der Hubkolben durch die komprimiert in den Zylinder einströmende sogenannte Ladeluft von einem Großteil seiner Ansaugarbeit entlastet. Nach dem Stand der Technik aufgeladene Motoren weisen daher zumeist einen gegenüber Saugmotoren gleicher Leistung verringerten Verbrauch auf.
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Mehrzylindrige aufgeladene Verbrennungsmotoren bedienen sich zur Verteilung der Ladeluft dabei eines dem Motorblock vorgelagerten Ladeluftverteilers, der – wie im Falle von Saugmotoren – in Fachkreisen auch als Ansaugstutzen, Ansaugkrümmer, Ansaugbrücke oder Ansaugspinne bezeichnet wird und die von einem geeigneten Verdichter zugeführte Ladeluft auf die Einlasskanäle der einzelnen Zylinder verteilt. Der Stand der Technik umfasst dabei sowohl metallische, insbesondere aus Gusseisen oder Aluminium gefertigte als auch hitzebeständige Kunststoff-Ladeluftverteiler, die im Hinblick auf die angestrebte Motorleistung mit Bohrungen unterschiedlichen Querschnitts versehen sind.
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Problematisch ist bei diesem Ansatz die Fluiddynamik der dem Brennraum im Ansaugtakt zugeführten Ladeluft, deren Strömung stark von der Geometrie des Ansaugsystems abhängt.
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DE 33 47 112 C2 offenbart in diesem Zusammenhang ein Ansaugsystem für eine Kolben-Brennkraftmaschine von hohem Verdichtungsverhältnis, das in der Lage ist, einen Wirbel des Luft/Kraftstoff-Gemisches zu erzeugen, um dadurch die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches im Sinn eines verbesserten Verbrennungswirkungsgrades zu erhöhen und dadurch den Kraftstoffverbrauch bei Teillastbetrieb zu verbessern. Zugleich soll die Wirbelbildung bei Vollast-Betrieb, d. h. voll geöffneter Drosselklappe, effektiv unterbunden werden, um den Pegel der Verbrennungsgeräusche in einem wesentlichen Ausmaß zu senken. Die in DE 33 47 112 C2 vorgeschlagene Brennkraftmaschine hat einen Brennraum, der durch eine Ausnehmung im Zylinderkopf über der Kolbenoberseite definiert ist. In der oberen Totpunktstellung des Kolbens ist außerdem eine Quetschzone mit begrenzter Spaltweite direkt anschließend an den Brennraum in der Zylinderbohrung zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben ausgebildet. Ein Einlasskanal im Zylinderkopf führt dem Brennraum Luft/Kraftstoff-Gemisch zu und besteht aus einem Teillast-Einlasskanal zur Zuführung des Gemisches in den Brennraum oder in die Quetschzone in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung, um bei Teillastbetrieb einen Wirbel zu erzeugen, sowie aus einem Vollast-Einlasskanal mit einem darin angeordneten Ventil, das während Teillastbetrieb geschlossen und bei Vollastbetrieb geöffnet ist.
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DE 10 16 3284 B4 betrifft eine Variabel-Wirbelströmung-Erzeugungsvorrichtung, welche eine Trennwand zum Aufteilen eines Einlasskanals in eine erste Passage und eine zweite Passage, ein Öffnungssteuerungsventil zum selektiven Ändern eines Öffnungsgrades der ersten und der zweiten Passage und Antriebsmittel zum Betreiben des Öffnungssteuerungsventils aufweist. Die Variabel-Wirbelströmung-Erzeugungsvorrichtung kann eine Wirbelströmung erzeugen, indem Luft durch verschiedene Passagen strömt, während ein Strömungswiderstand der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft minimiert wird, und weist einen einfachen Aufbau auf, sodass eine Begrenzung des Installationsraumes in Bezug auf andere Bauteile vermieden werden kann. Außerdem wird die Variabel-Wirbelströmung-Erzeugungsvorrichtung hergestellt, indem nur eine Struktur hinzugefügt wird, bei welcher die Trennwand zuvor mit einem bekannten Einlasskanalkern zusammengebaut wird. Aus diesem Grunde beansprucht DE 10 16 3284 B4 für die beschriebene Vorrichtung einen einfachen Aufbau sowie geringe Herstellungskosten.
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DE 44 39 918 A1 hingegen schlägt eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Kraftstoff/Luft-Gemisches mit einem Einlasskanal vor, der in eine Brennkammer in einem Zylinder öffnet, einem Einlassventil, das an einer Verbindungsstelle zwischen dem Einlasskanal und der Brennkammer vorgesehen ist, einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von zumindest einer verzweigten Sprühströmung, gerichtet auf das Einlassventil, und Verwirbelungserzeugungsmitteln zum Erzeugen einer Wirbelströmung in dem Gemisch in der Brennkammer durch ein Steuern der Drosselung des Einlasskanals. Die Verwirbelungserzeugungsmittel enthalten einen Hauptkanal, der den Einlasskanal bildet. Weiterhin enthalten die Verwirbelungserzeugungsmittel zumindest einen Nebeneinlasskanal, welcher zur Bildung eines Bypass-Kanals des Hauptkanals vorgesehen und derart ausgebildet ist, dass die Gesamtsumme der Querschnittsflächen kleiner ist als die Querschnittsfläche des Hauptkanals. Weiterhin ist ein Einlasssteuerventil zum Steuern der Drosselung des Hauptkanals vorgesehen, Ventilmittel zum Durchführen einer Steuerung der Drosselung von zumindest einem der Nebeneinlasskanäle, Mittel zum Durchführen einer Steuerung zum Verändern der Anzahl der zu verwendenden Nebeneinlasskanäle und der Querschnittsfläche von jedem der Nebeneinlasskanäle entsprechend dem Betriebszustand des Motors und Mittel zum Durchführen einer Steuerung zum Variieren der Richtung der Kraftstoffeinspritzung und der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
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Schließlich diskutiert
US 5,533,483 ein Motor-Ansaugsystem mit einem Hauptluftkanal und mindestens einem Bypass-Luftkanal, die nebeneinander angeordnet sind. Der Bypass-Luftkanal weist dabei einen kleineren Querschnitt als der Haupt-Luftkanal, der mit einer an den Bypass-Luftkanal angrenzenden Drosselklappe mit einem darin angeordneten Steuerventil ausgestattet ist. Die Drosselklappe und das Steuerventil sind durch einen Verbindungsmechanismus so geregelt, dass die Drosselklappe geschlossen ist, wenn der Motor bei einer niedrigen oder mittleren Last-Rate betrieben wird, und dass das Steuerventil teilweise geöffnet ist, wenn die Drosselklappe geschlossen bleibt, was zu einer Beschleunigung des Luftstroms durch den Bypass-Luftkanal führen soll. Wenn der Motor bei einer progressiv zunehmenden Last-Rate betrieben wird, wird die Drosselung nach und nach geöffnet, um eine Erhöhung des Motor-Ansaugvolumens zu bewirken und so zu ermöglichen, dass der Motor unter optimalen Bedingungen arbeitet.
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Ein Nachteil dieser Ansätze liegt indes in einer unkontrollierten und teilweise gar verstärkten walzenförmigen Ladungsbewegung des einströmenden Gasgemischs innerhalb des Brennraums, welche durch die vorgeschlagene Geometrie der Einlasskanäle bedingt ist. Soweit die genannten Druckschriften diese dem Fachmann als Tumble- oder Tumbling-Effekt geläufige Erscheinung würdigen, wird zu deren Beeinflussung zusätzliches Fluid mittels spezifischer Kanäle in den Brennraum eingeleitet, wobei die hierzu geeigneten fluidmechanischen Modifikationen des Ansaugtrakts weitgehend unbeleuchtet bleiben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Ansaugtrakt eines gattungsgemäßen Verbrennungsmotors so abzuwandeln, dass eine zielgerichtete Variation der im Brennraum erzeugten Fluiddynamik – insbesondere im Hinblick auf das Phänomen der Tumble-Bewegung – möglich wird. Die Erfindung stellt sich ferner der Aufgabe, einen ansaugseitig entsprechend konfigurierten Verbrennungsmotor zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch einen Ladeluftverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen entsprechenden Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundgedanken, den Ladeluftverteiler des Verbrennungsmotors zum Zwecke der Strömungsoptimierung um einen aus dem gemeinsamen Ladeluftbehälter gespeisten Nebenkanal zu ergänzen. Dieser Nebenkanal mündet seinerseits in den – die Hauptströmung der Ladeluft in den Brennraum führenden – Einlasskanal und erzeugt somit gleichsam eine charakteristische Nebenströmung der Ladeluft, welche mit deren Hauptströmung im Mündungsbereich des Nebenkanals zusammentrifft. Abhängig von der Gestaltung dieses Bereichs wird die natürliche Hauptströmung der Ladeluft somit graduell umgelenkt, um die anwendungsspezifisch unerwünschte oder – etwa zum Zwecke einer inneren Gemischbildung – gerade angestrebte Tumble-Bewegung gezielt zu beeinflussen. Der Einbau zusätzlicher bewegter Fluidelemente im Einlasskanal selbst, welche den der Ladeluft entgegengesetzten Strömungswiderstand womöglich verstärken und dadurch der leistungssteigernden Motoraufladung abträglich sein könnten, ist bei der Modifikation des Ladeluftverteilers mithilfe des erfindungsgemäßen Ansatzes nicht erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Durchfluss der Ladeluft durch den Nebenkanal dabei mittels eines in Letzterem angeordneten Sperrventils begrenzt oder vollständig unterbunden werden, um das erfindungsgemäße fluiddynamische Wirkprinzip zur Erzeugung unterschiedlichster Strömungsfelder – beispielsweise in Anbetracht der an den Verbrennungsmotor gestellten Lastanforderung – zu steuern. Hinsichtlich des Sperrkörpers eines derartigen Ventils kommen dabei unterschiedlichste geometrische Formvarianten in Betracht, welche insbesondere eine Drehscheibe, eine Klappe, eine Walze sowie einen geradlinig innerhalb des Nebenkanals bewegten Stempel einschließen. Dem Fachmann erschließt sich auf diese Weise eine Vielfalt möglicher Konfigurationsoptionen, aus welchen er unter fertigungspraktischen Erwägungen auswählt. Das Sperrventil kann aus Gründen der konstruktiven Vereinfachung innerhalb eines unmittelbar an den Ladeluftverteiler angeformten Ventilgehäuses aufgenommen werden, welchen der Nebenkanal nahe seiner Einmündung in den Einlasskanal durchquert.
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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 einen prinzipiellen Aufbau des den Ladeluftverteiler umfassenden Einlassbereichs eines erfindungsgemäß strömungsoptimierten Verbrennungsmotors,
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2 eine perspektivische Ansicht des Einlassbereichs des Verbrennungsmotors,
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3 einen perspektivischen Längsschnitt des Ladeluftverteilers des Verbrennungsmotors,
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4a den detaillierten Schnitt eines geöffneten Sperrventils des Ladeluftverteilers,
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4b einen der 4a entsprechenden Schnitt des geschlossenen Sperrventils,
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5a einen detaillierten Schnitt des geöffneten Sperrventils eines Ladeluftverteilers gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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5b einen detaillierten Schnitt des geschlossenen Sperrventils des Ladeluftverteilers gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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6a einen detaillierten Schnitt des geöffneten Sperrventils eines Ladeluftverteilers gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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6b einen detaillierten Schnitt des geschlossenen Sperrventils des Ladeluftverteilers gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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7a einen detaillierten Schnitt des geöffneten Sperrventils eines Ladeluftverteilers gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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7b einen detaillierten Schnitt des geschlossenen Sperrventils des Ladeluftverteilers gemäß der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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8a einen detaillierten Schnitt des geöffneten Sperrventils eines Ladeluftverteilers gemäß einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform und
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8b einen detaillierten Schnitt des geschlossenen Sperrventils des Ladeluftverteilers gemäß der fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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1 illustriert den charakteristischen Einlassbereich eines zum Zwecke der Leistungs- oder Effizienzsteigerung aufgeladenen Verbrennungsmotors 1 in Gestalt eines Viertakt-Ottomotors. Die Hauptströmung 4 der mittels des Ladeluftverteilers 12 auf einen Einlasskanal 3 verteilten Ladeluft ist dabei Gegenstand der erfindungsgemäßen Optimierungsmaßnahme und weist, wie 1 verdeutlicht, im Wesentlichen in die Richtung eines im weiteren Verlauf des Einlasskanals 3 von diesem durchzogenen Zylinderkopfes, welcher einen jenseits der Grenzen der 1 gelegenen Brennraum 2 des Verbrennungsmotors 1 einseitig abschließt. Die Bezeichnung „Zylinderkopf” schließt dabei nicht die Möglichkeiten einer beispielsweise im Flugzeugbau gebräuchlichen hängenden Bauform des Verbrennungsmotors 1 oder dessen Ausführung als sogenannten Boxermotor aus, bei denen der Zylinderkopf im Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 nicht an dessen Oberseite liegen mag.
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Innerhalb des über den Zylinderkopf mit dem Einlasskanal 3 fluidisch verbundenen Brennraums 2 wird die Ladeluft stromabwärts des Ladeluftverteilers 12 in einem vorgegebenen stöchiometrischen Masseverhältnis einer inneren Gemischbildung zugeführt, welche durch die unmittelbare Einspritzung eines geeigneten Ottokraftstoffs in den Brennraum erfolgt. Als Ottokraftstoff, in der Petrochemie mitunter auch als Vergaserkraftstoff bezeichnet, dient im gegebenen Anwendungsbeispiel Benzin. Der intermittierende Ladungswechsel des Brennraums kann dabei über ein in 1 nicht dargestelltes, dem Einlasskanal 3 zugeordnetes Einlassventil des Zylinderkopfes gesteuert werden.
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Der Ladeluftverteiler 12 umfasst zusätzlich zum Einlasskanal 3 einen streckenweise parallel zu diesem verlaufenden Nebenkanal 5, wobei Einlass- und Nebenkanal aus einem gemeinsamen Ladeluftbehälter 19 mit Ladeluft gespeist werden. Ein auf mehrere Nebenkanäle 5 zugleich wirkendes Sperrventil 7 ist dabei innerhalb eines dem Ladeluftverteiler 12 im Mündungsbereich der Nebenkanäle 5 angeformten Ventilgehäuses 20 angeordnet, dessen Position anhand der 2 verdeutlicht wird. In dieser Perspektive ist zudem ein ebenfalls dem Ladeluftbehälter 19 angeformter Ladeluftanschluss 13 erkennbar, welcher den Ladeluftverteiler 12 mit einer in 2 nicht gezeigten Ladeluftleitung des Verbrennungsmotors verbindet.
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Wie 3 anhand eines bereichsweisen Längsschnitts des Ladeluftverteilers 12 illustriert, beherbergt das vom Nebenkanal 5 mündungsseitig durchlaufene Ventilgehäuse 20 vorliegend eine dem Sperrventil 7 als Verschlusskörper dienende drehbar innerhalb des Ventilgehäuses 20 gelagerte Klappe 9, welche durch eine geeignete Schwenkbewegung um ihre Lagerachse zwischen der in 4a gezeigten geschlossenen Stellung des Sperrventils 7 und dessen in den 3, 4b dargestellter geöffneter Stellung wechseln kann.
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Die weiteren Ausführungsformen der 5a bis 8b deuten unterschiedliche Realisierungsoptionen hinsichtlich der Geometrie des Sperrventils 7 an, die sich vorrangig anhand von Formgebung und Lagerung ihres Sperrkörpers 8, 9, 10, 11 und des diesen aufnehmenden Ventilgehäuses 20 voneinander abgrenzen lassen. Neben der auch in der ersten Ausführungsform des Ladeluftverteilers 12 gemäß der 1 bis 4b diskutierten Ausgestaltung als Klappe 9, wie sie die 6a, 6b aufgreifen, offenbaren die 5a, 5b, 7a, 7b, 8a, 8b drei weitere Formvarianten. So deuten die 5a, 5b – Erstere im geöffneten, Letztere im geschlossenen Zustand des Sperrventils 7 – eine Realisierung des Sperrkörpers in Gestalt einer koaxial zum Nebenkanal 5 gelagerten Drehscheibe 8 an, während die 7a, 7b an dieser Stelle eine quer zum Nebenkanal 5 gelagerte Walze 10 zeigen. Die Ausgestaltung der 8a, 8b schließlich bedient sich stattdessen eines innerhalb einer Verlängerung des Mündungsbereichs eines Nebenkanals 5 linear gelagerten Kolbens oder Stempels 11.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3347112 C2 [0007]
- DE 10163284 B4 [0008]
- DE 4439918 A1 [0009]
- US 5533483 [0010]
