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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors ist allgemein bekannt. Dabei ist die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum oder direkt Steuerbar. Bei der direkten Steuerung gilt es sicherzustellen, dass eine ausreichende Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitgestellt wird, da bei den derzeit geforderten Systemdrücken von bis zu 3000 bar sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auftreten. Bei bekannten direkt gesteuerten Injektoren wird daher oftmals die Aktorkraft mittels einer Kraftübersetzungseinrichtung erhöht. Bekannt sind mechanische und hydraulische Kraftübersetzer, die ein- oder mehrstufig arbeiten.
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Bei einer einstufigen Kraftübersetzungseinrichtung wird der erreichbare Düsennadelhub eingeschränkt, da die Kraftübersetzung mit einer Weguntersetzung einhergeht. Die erforderliche Öffnungskraft nimmt jedoch mit zunehmendem Hub der Düsennadel ab, so dass eine Kraftübersetzung ab einem gewissen Hub der Düsennadel überflüssig ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 028 835 A1 geht beispielsweise ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine hervor, der einen Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel sowie eine zweistufige Übersetzungseinrichtung umfasst. In einer ersten Stufe bewirkt die Übersetzungseinrichtung eine Kraftübersetzung, um die erforderliche Düsennadelöffnungskraft zu realisieren. Nach dem anfänglichen Öffnen der Düsennadel schaltet die Übersetzungseinrichtung auf eine zweite Stufe um, in der eine Wegübersetzung oder eine 1/1-Übersetzung bewirkt wird. Das Umschalten erfolgt über einen mechanischen Mitnehmer in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel oder eines mit dem Magnetaktor zusammenwirkenden Ankers.
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Bei derartigen Antriebskonzepten können die Düsennadel und insbesondere der Magnetanker beim Öffnen hohe Geschwindigkeiten erreichen, wodurch es zum Prellen an den Anschlägen kommen kann. Dadurch ergibt sich in diesem Bereich, der in der Regel zugleich der Bereich der wichtigen Emissionspunkte einer Brennkraftmaschine ist, ein sehr steiles und welliges Kennfeld mit hohen Toleranzeinflüssen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Dämpfung der Bewegung der Düsennadel ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist, sowie einen Magnetaktor mit einer Magnetspule zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei die Magnetspule mit einem Anker zusammenwirkt, der über eine hydraulische Kopplungseinrichtung mit der Düsennadel koppelbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die hydraulische Kopplungseinrichtung einen ersten und einen zweiten Kopplerraum. Der erste und der zweite Kopplerraum sind dabei über eine in einem Zwischenkörper ausgebildete Drossel hydraulisch verbunden. Durch die Unterteilung des Kopplerraums in wenigstens zwei über eine Drossel verbundene Wirkräume wird ein verlangsamtes Öffnen der Düsennadel und des Magnetankers bzw. eine Dämpfung der Bewegung erreicht. Denn die Drossel bewirkt eine Verzögerung der Fluidströmung von dem einen Kopplerraum in den anderen. Über den Drosselquerschnitt kann demnach die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel und des Magnetankers bestimmt werden.
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Die Dämpfung der Bewegung der Düsennadel über die hydraulische Kopplungseinrichtung besitzt den Vorteil, dass kein zusätzlicher Dämpfungsraum erforderlich ist. Damit kann die Dämpfung kostengünstig und kompaktbauend realisiert werden. Zur Unterteilung des Kopplervolumens in einen ersten und einen zweiten Kopplerraum ist lediglich ein Zwischenkörper mit einer Drosselbohrung vorzusehen, der vorzugsweise plattenförmig ausgestaltet ist.
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Bevorzugt besitzt die Düsennadel eine den ersten Kopplerraum in axialer Richtung begrenzende hydraulische Wirkfläche, die größer als eine den zweiten Kopplerraum in axialer Richtung begrenzende hydraulische Wirkfläche eines Kopplerkolbens ist, der mit dem Anker verbunden ist. Bei entsprechender Auslegung der hydraulischen Wirkflächen ist eine Übersetzung der Aktorkraft zur Realisierung der erforderlichen Düsennadelöffnungskraft erzielbar. Über das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen kann die gewünschte Übersetzung eingestellt werden.
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Weiterhin bevorzugt wird der erste Kopplerraum in radialer Richtung von einer Dichthülse begrenzt, die an dem Zwischenkörper abgestützt und in Richtung des Zwischenkörpers von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Feder ist vorzugsweise hierzu einerseits an der Dichthülse und andererseits unmittelbar oder mittelbar über einen Federteller an der Düsennadel abgestützt. Auf diese Weise übt die Feder eine Schließkraft auf die Düsennadel aus, welche die Rückstellung der Düsennadel nach einem Einspritzvorgang fördert. Aufgabe der Dichthülse ist es, den ersten Kopplerraum gegenüber der Hochdruckbohrung abzudichten, in welcher die Düsennadel aufgenommen ist. Denn über die Hochdruckbohrung wird der wenigstens einen Einspritzöffnung der einzuspritzende Kraftstoff zugeführt. und der Zuleitung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff zu der wenigstens einen Einspritzöffnung dient. Zur Ausbildung von Strömungskanälen in einem Führungsbereich der Düsennadel weist diese bevorzugt außenumfangseitig wenigstens einen Anschliff auf.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der zweite Kopplerraum in radialer Richtung von einer Dichthülse begrenzt wird, die an dem Zwischenkörper abgestützt und in Richtung des Zwischenkörpers von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Somit wird auch der zweite Kopplerraum gegenüber dem Hochdruckbereich des Injektors abgedichtet. Die erforderliche Dichtkraft wird dabei über die Feder realisiert.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenkörper zwischen dem Düsenkörper und einem Magnetkörper angeordnet, wobei der Düsenkörper, der Zwischenkörper und der Magnetkörper mittels einer Spannmutter in axialer Richtung verspannt sind. Die über die Spannmutter auf die Körperbauteile des Injektors erzielbare Axialkraft bewirkt eine Abdichtung im Bereich der jeweiligen Kontaktstellen, welche zugleich Dichtstellen ausbilden. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Injektors können neben dem Düsenkörper, dem Zwischenkörper und dem Magnetkörper weitere Körperbauteile mittels der Spannmutter axial verspannt werden.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenkörper an einer radial verlaufenden Ringfläche des Düsenkörpers abgestützt und in Richtung des Düsenkörpers von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Diese Ausführung besitzt den Vorteil, dass die Anzahl der Dichtstellen reduziert wird, wenn der Düsenkörper und/oder der Magnetkörper den Zwischenkörper umgreifen. Der Zwischenkörper ist in diesem Fall innerhalb des Düsenkörpers und/oder des Magnetkörpers angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der Anker als Tauchanker und nicht als Flachanker ausgebildet. Denn das Tauchankerprinzip ermöglicht einen größeren Ankerhub, um das vollständige Öffnen der Düsennadel zu bewirken. Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Anker zumindest abschnittsweise von einem ringförmigen Trennkörper aus einem amagnetischen Material umgeben ist, der zwischen dem Anker und der Magnetspule angeordnet ist. Der Trennkörper soll einen magnetischen Kurzschluss verhindern.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in die Magnetspule und/oder in den Trennkörper ein Injektorkörper eingreift, der gemeinsam mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Der in die Magnetspule und/oder in den Trennkörper eingreifende Abschnitt des Injektorkörpers kann auf diese als Innenpol dienen, so dass kein zusätzlicher Innenpolkörper erforderlich ist. Dadurch wird die Konstruktion des Injektors vereinfacht.
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Vorzugsweise besitzt der Injektorkörper eine an eine Kraftstoffhochdruckquelle anschließbare zentrale Bohrung, die in den Arbeitsluftspalt mündet und über weitere Bohrungen, die im Anker, im Magnetkörper und im Zwischenkörper vorgesehen sind, mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hydraulisch verbunden ist. Die zentrale Bohrung im Injektorkörper stellt eine gleichmäßige Belastung des Körperbauteils sicher, wenn hierüber der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers unter hohem Druck stehender Kraftstoff aus der Kraftstoffhochdruckquelle zugeführt wird. Sie weist demnach Vorteile gegenüber einer seitlich geführten Kraftstoffzulaufleitung auf. Die zwischen der zentralen Bohrung des Injektorkörpers und der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers angeordneten weiteren Bohrungen des Ankers, des Magnetkörpers und des Zwischenkörpers können dabei über wenigstens einen zwischengeschalteten Druckraum verbunden sein.
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Weiterhin vorzugsweise ist der Anker in einem Ankerraum aufgenommen, der im Betrieb des Injektors von Kraftstoffhochdruck beaufschlagt ist. Der Ankerraum kann somit als Druckraum bzw. als Teil eines Strömungspfades dienen, über den der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers unter hohem Druck stehender Kraftstoff zuführbar ist. Vorzugsweise ist der Ankerraum im Magnetkörper des Injektors ausgebildet.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker über den Kopplerkolben der hydraulischen Kopplungseinrichtung geführt ist. Der Kopplerkolben ist hierzu zumindest abschnittsweise in einer Führungsbohrung des Magnetkörpers aufgenommen. Die Führung wirkt einer Schrägstellung des hubbeweglichen Ankers entgegen und verringert somit den Verschleiß an den dynamisch belasteten Bauteilen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung einschließlich ihrer Funktionsweise werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist einen Magnetaktor 5 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1 auf, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. Der Magnetaktor 5 umfasst eine Magnetspule 6 sowie einen mit der Magnetspule 6 zusammenwirkenden Anker 7, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Der Tauchanker ist zumindest teilweise von einem Magnetkörper 20 und einem ringförmigen Trennkörper 24 umgeben, welcher der magnetischen Trennung des Magnetkörpers 20 von einem Innenpol 33 des Magnetkreises dient. Der Innenpol 33 wird vorliegend von einem in die Magnetspule 6 und in den Trennkörper 24 eingreifenden Abschnitt eines Injektorkörpers 25 ausgebildet. Der Injektorkörper 25, die Magnetspule 6, der Magnetkörper 20 und der Düsenkörper 3 sind mittels einer Spannmutter 21 axial verspannt. Zwischen dem Magnetkörper 20 und dem Düsenkörper 3 ist dabei ferner ein Zwischenkörper 11 eingesetzt, der somit Teil des Spannverbandes ist. Über die Spannmutter wird eine Axialkraft auf die Körperbauteile des Injektors ausgeübt, die zugleich als Dichtkraft dient und den Injektor nach außen abdichtet.
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Der Injektorkörper 25 wird von einer zentralen Bohrung 27 durchsetzt, die mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (nicht dargestellt) verbindbar ist. Die Bohrung 27 mündet in einen Ankerraum 31, der in dem Magnetkörper 20 ausgebildet ist und der Aufnahme des Ankers 7 dient. Zwischen Injektorkörper 25 und Anker 7 ist ein Arbeitsluftspalt 26 ausgebildet. Bei einer Bestromung der Magnetspule 6 wird ein Magnetfeld erzeugt, dass den Anker 7 in Richtung des Injektorkörpers 25 zieht, um den Arbeitsluftspalt 26 zu schließen. Der im Arbeitsluftspalt 26 vorhandene Kraftstoff wird dabei über eine im Anker 7 ausgebildete schräg verlaufende Bohrung 28 in den unteren Teil des Ankerraums 31 geführt. Von hier aus gelangt der Kraftstoff über eine seitliche Bohrung 29 des Magnetkörpers 20 in einen weiteren Druckraum 34, der ebenfalls im Magnetkörper 20 ausgebildet ist und in axialer Richtung von dem Zwischenkörper 11 begrenzt wird. Um den Druckraum 34 mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 zu verbinden, ist im Zwischenkörper 11 eine weitere Bohrung 30 vorgesehen. In der Hochdruckbohrung 2 wird der Kraftstoff an der Düsennadel 1 vorbei in Richtung der Einspritzöffnungen 4 geführt. Zur Ausbildung eines Strömungskanals weist die Düsennadel 1 in einem Führungsbereich wenigstens einen Anschliff 35 auf.
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Um die Einspritzöffnungen frei zugeben und das Einspritzen von Kraftstoff zu ermöglichen, muss die Düsennadel 1 geöffnet werden. Die erforderliche Öffnungskraft wird über den Magnetaktor 5 bewirkt, der zur Realisierung einer Kraftverstärkung mit einer hydraulischen Kopplungseinrichtung 8 zusammenwirkt. Die Kopplungseinrichtung 8 umfasst einen ersten Kopplerraum 9 und einen zweiten Kopplerraum 10, die über eine in dem Zwischenkörper 11 ausgebildeten Drossel 12 hydraulisch verbunden sind. Der erste Kopplerraum 9 wird in axialer Richtung von einer Stirnfläche der Düsennadel 1 begrenzt, die somit eine erste hydraulische Wirkfläche 13 ausbildet. In radialer Richtung erfolgt die Begrenzung über eine Dichthülse 16, die an dem Zwischenkörper 11 abgestützt und in Richtung des Zwischenkörpers 11 von der Federkraft einer Feder 17 beaufschlagt ist. Die Dichthülse 16 dichtet den ersten Kopplerraum 9 gegenüber der Hochdruckbohrung 2 ab. Auf der dem Düsenkörper 3 abgewandten Seite des Zwischenkörpers 11 ist eine weitere Dichthülse 18 abgestützt und in Richtung des Zwischenkörpers 11 von der Federkraft einer Feder 19 beaufschlagt. Die Dichthülse 18 nimmt einen Kopplerkolben 15 auf, der mit dem Anker 7 fest verbunden ist und eine den zweiten Kopplerraum 10 in axialer Richtung begrenzende Stirnfläche besitzt, die somit eine zweite hydraulische Wirkfläche 14 ausbildet. Zur Verbindung mit dem Anker 7 ist der Kopplerkolben 15 durch eine Bohrung 32 des Magnetkörpers 20 geführt, die zugleich als Führungsbohrung dient. Die Dichthülse 18 dichtet den zweiten Kopplerraum 10 gegenüber dem Druckraum 34 ab.
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Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird die Magnetspule 6 bestromt. Die Bestromung der Magnetspule 6 erzeugt ein Magnetfeld, das den Anker 7 einschließlich des Kopplerkolbens 15 in Richtung des Injektorkörpers 25 zieht, um den Arbeitsluftspalt 26 zu schließen. Durch die Bewegung des Kopplerkolbens 15 vergrößert sich das Volumen im Kopplerraum 10, was einen Druckabfall bewirkt. Um einen Druckausgleich in den hydraulisch verbundenen Kopplerräumen 9, 10 zu schaffen, strömt Fluid über die Drossel 12 vom ersten Kopplerraum 9 in den zweiten Kopplerraum 10, so dass – mit Verzögerung – der Druck im ersten Kopplerraum 9 abfällt. Durch den Druckabfall im ersten Kopplerraum 9 vermag die Düsennadel 1 zu öffnen. Die Verzögerung bewirkt eine Dämpfung der Düsennadelbewegung. Vorliegend ist die hydraulische Wirkfläche 13 der Düsennadel 1 deutlich größer als die hydraulische Wirkfläche 14 des Kopplerkolbens 15 gewählt, so dass über das Flächenverhältnis zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt wird. Vorzugsweise ist das Flächenverhältnis derart gewählt, das eine Kraftübersetzung von etwa 3–6 erzielt wird.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Magnetspule 6 beendet. Über die Federkraft einer einerseits am Magnetkörper 20 und andererseits am Kopplerkolben 15 abgestützten Schließfeder 36 wird dann die Rückstellung des Kopplerkolbens 15 und des Ankers 7 bewirkt. Dabei taucht der Kopplerkolben 15 in den Kopplerraum 10 ein und verkleinert das Volumen, so dass der Druck im Kopplerraum 10 wieder ansteigt. Der Druckausgleich über die Drossel 12 führt dann – wiederum mit Verzögerung – zu einem Druckanstieg im ersten Kopplerraum 9, so dass in der Folge die Düsennadel 1 schließt. Die Schließbewegung der Düsennadel 1 wird demnach ebenfalls gedämpft. Die Federkraft der Feder 17 unterstützt das Schließen der Düsennadel 1.
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Der in der 2 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass der Zwischenkörper 11 an einer radial verlaufenden Ringfläche 22 des Düsenkörpers 3 abgestützt und in Richtung der Ringfläche 22 von der Federkraft einer Feder 23 beaufschlagt ist. Der Zwischenkörper 11 ist dabei innerhalb des Magnetkörpers 20 angeordnet und nicht mit den anderen Körperbauteilen des Injektors über die Spannmutter 21 axial verspannt. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Dichtstellen reduziert wird, da der Magnetkörper 20 unmittelbar am Düsenkörper 3 anliegt. Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors der 2 entspricht der des Kraftstoffinjektors der 1, so dass auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düsennadel
- 2
- Hochdruckbohrung
- 3
- Düsenkörper
- 4
- Einspritzöffnung
- 5
- Magnetaktor
- 6
- Magnetspule
- 7
- Anker
- 8
- Kopplungseinrichtung
- 9
- Kopplerraum
- 10
- Kopplerraum
- 11
- Zwischenkörper
- 12
- Drossel
- 13
- Wirkfläche
- 14
- Wirkfläche
- 15
- Kopplerkolben
- 16
- Dichthülse
- 17
- Feder
- 18
- Dichthülse
- 19
- Feder
- 20
- Magnetkörper
- 21
- Spannmutter
- 22
- Ringfläche
- 23
- Feder
- 24
- Trennkörper
- 25
- Injektorkörper
- 26
- Arbeitsluftspalt
- 27
- Bohrung
- 28
- Bohrung
- 29
- Bohrung
- 30
- Bohrung
- 31
- Ankerraum
- 32
- Führungsbohrung
- 33
- Innenpol
- 34
- Druckraum
- 35
- Anschliff
- 36
- Schließfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028835 A1 [0004]
