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Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung zur Nutzung von Abgasenthalpie.
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Im Zuge des so genannten Downsizing werden immer kleinere Motoren mit hoher spezifischer Leistung und hohem spezifischem Drehmoment entwickelt. Diese Motoren weisen in der Teillast einen besseren Wirkungsgrad als großvolumige Motoren auf. Bei hoher Leistung muss allerdings aufgrund hoher Abgastemperatur und zum Bauteilschutz ein bezüglich des Wirkungsgrads ungünstiger Betrieb mit einer Anfettung des Luft-Kraftstoffgemischs in Kauf genommen werden.
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Bei diesen kleinen Motoren wird häufig ein kleiner Abgasturbolader verbaut, der ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl bereitstellt und auch eine sehr hohe Dynamik aufweist, um ein so genanntes Turboloch zu vermeiden. Nachteilig ist dabei, dass in der Volllast ein sehr hoher Abgasgegendruck vor der Turbine des Turboladers entsteht, der den Ladungswechsel verschlechtert. Hohe Verluste durch die Ausschiebearbeit und hohe Restgasraten im Zylinder sind die Folge.
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Um den Druck vor der Turbine zu verringern und die Temperatur der Bauteile abzusenken, kann ein zuschaltbares Zusatzvolumen vor der Turbine und das Zusammenschließen der Abgasleitungen zur Umschaltung von Stoß- zu Stauaufladung bei Volllast vorgesehen sein.
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Aus der
EP 1 151 181 B1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer im Abgasstrang angeordneten Turbine, die ein Turbinenrad in einem Turbinengehäuse und wenigstens einen Strömungskanal für die Zufuhr von Abgas aufweist und die mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenrad-Eintrittsquerschnitts ausgestattet ist, wobei die variable Turbinengeometrie zwischen einer den Turbinenrad-Eintrittsquerschnitt verringernden Sperrstellung und einer den Turbinenrad-Eintrittsquerschnitt vergrößernden Freigabestellung verstellbar ist, wobei im Turbinengehäuse ein mit dem Strömungskanal kommunizierender Stauraum vorgesehen ist, wobei das Gesamtvolumen von Strömungskanal und Stauraum über ein Verstellelement in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine veränderlich einstellbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Abgasvorrichtung zur Nutzung von Abgasenthalpie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abgasvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Abgasvorrichtung zur Nutzung von Abgasenthalpie umfasst mindestens einen Abgaskrümmer zum Abführen von Abgasen aus einer Verbrennungskraftmaschine, einen Abgasturbolader mit einer Turbine, der vom Abgaskrümmer Abgase zuführbar sind, ein Zusatzvolumen, das über mindestens ein Ventil oder eine Klappe mit dem Abgaskrümmer verbindbar ist, wobei im oder am Zusatzvolumen ein Wärmetauscher angeordnet ist, der Teil eines Arbeitskreislaufs zur Abwärmerückgewinnung ist, in dem Wärme aus dem Abgas mittels eines thermodynamischen Kreislaufs in kinetische Energie umwandelbar ist.
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Der Wärmetauscher ist Teil einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf zur Abwärmerückgewinnung umfasst, wobei Wärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird, welche dann zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt oder über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann in einer Batterie gespeichert oder einem Elektromotor zugeführt werden kann. Dabei wird im Arbeitskreislauf ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium im Wärmetauscher Wärme aus dem im Zusatzvolumen befindlichen Abgas zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine geeignete Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird. Zum Schluss wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert und erneut der Pumpe zugeführt.
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Durch den Wärmetauscher vor der Turbine wird eine Wärmesenke bereitgestellt, die einen beispielsweise bei Volllast vorliegenden Enthalpieüberschuss vor der Turbine verwerten kann. Dies führt zu einer Verringerung der vor der Turbine vorhandenen Enthalpie, die anderenfalls nicht in der Turbine genutzt werden und durch ein sogenanntes Waste Gate abgeblasen werden müsste, so dass die Enthalpie dieses Teils des Abgases ungenutzt bleiben würde. Das Waste Gate ist ein Bypassventil, das bei einem bestimmten Ladedruck vor der Turbine des Abgasturboladers öffnet und Abgas an der Turbine vorbei leitet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Steller vorgesehen, der das mindestens eine Ventil abhängig von einem Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine so steuert und/oder regelt, dass das Ventil in einem Lastzustand mit niedriger Last, beispielsweise Teillast, geschlossen und in einem Lastzustand mit hoher Last, beispielsweise Volllast, geöffnet ist.
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Auf diese Weise kann eine Senkung des Abgasgegendrucks und der Abgastemperatur vor der Turbine und infolgedessen geringere Ladungswechselverluste, geringere oder keine Anfettung in der Volllast und weniger Restgas im Zylinder und damit eine bessere Verbrennung erzielt werden. Durch die Verwertung eines Teils der Abgaswärme im thermodynamischen Kreislauf wird ein Gesamtwirkungsgrad verbessert.
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Durch die Anordnung des Wärmetauschers im Abgas stromaufwärts vor der Turbine steht am Wärmetauscher eine höhere Abgastemperatur zur Verfügung als bei einer Anordnung hinter der Turbine, so dass auch die im thermodynamischen Kreislauf umwandelbare Energie größer ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Abgaskrümmer mindestens zwei Flutrohre auf, in denen getrennte Abgasströme aus verschiedenen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine führbar und der mehrflutig ausgebildeten Turbine zuführbar sind, wobei jedes der Flutrohre über mindestens ein Ventil mit dem Zusatzvolumen verbindbar ist.
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Durch die so bei geschlossenen Ventilen erzielte Flutentrennung der Abgasströme wird eine besonders gute Stoßaufladung, auch Impulsaufladung genannt, erzielt. Die Turbine kann hierfür beispielsweise als so genannter Twin-Scroll oder als Segmentlader ausgebildet sein. Vorteilhaft bei der Stoßaufladung ist, dass ein schnelles Ansprechen der Turbine bei Teillast erzielt wird. Wird die Last der Verbrennungskraftmaschine und somit auch der Abgasmassenstrom über die Turbine erhöht, beispielsweise bei oder nahe Volllast, werden die Ventile geöffnet und somit beide Flutrohre mit dem Zusatzvolumen und somit auch untereinander verbunden; das heißt, es findet eine Flutenverbindung statt. Auf diese Weise wird eine besonders gute Stauaufladung bei erhöhter Last, beispielsweise bei oder nahe der Volllast erzielt. Bei Stauaufladung ist der an der Turbine anliegende Abgasmassenstrom gleichmäßiger und weist keine oder geringere Pulsationen auf, womit der Wirkungsgrad bei Volllast verbessert wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind mindestens ein Einlassventil zur Verbindung des Abgaskrümmers oder jedes der Flutrohre über einen Einlasskanal mit dem Zusatzvolumen und mindestens ein Auslassventil zur Verbindung des Abgaskrümmers oder jedes der Flutrohre über einen Auslasskanal mit dem Zusatzvolumen vorgesehen. Mit anderen Worten, jedes der Flutrohre weist ein Einlassventil und ein Auslassventil zur Verbindung mit dem Zusatzvolumen auf.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein kombiniertes Ventil zur Verbindung des Abgaskrümmers oder jedes der Flutrohre mit dem Zusatzvolumen über je einen Einlasskanal und je einen Auslasskanal vorgesehen sein. Auf diese Weise werden weniger bewegte Teile benötigt und somit entsprechend Kosten verringert.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das mindestens eine Ventil zwei- oder mehrstufig oder kontinuierlich steuerbar sein, so dass eine bessere Anpassung an verschiedene Lastzustände möglich ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Steller zum Stellen des mindestens einen Ventils in Abhängigkeit von einem Druck auf einer Verdichterseite des Abgasturboladers ausgebildet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine keramische Wärmeisolierung am Abgaskrümmer angeordnet. Insbesondere bei langen Rohrlängen des Abgaskrümmers können so Wärmeverluste minimiert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein weiteres Ventil vorgesehen sein, mittels dessen das Abgas bei Erreichen eines bestimmten Lastzustands der Verbrennungskraftmaschine durch einen Bypass an der Turbine vorbei führbar ist. Auf diese Weise wird ein Waste Gate realisiert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher und/oder das Zusatzvolumen, beispielsweise mittels Rippen auf einer Außenseite, so ausgebildet sein, dass ein Wärmeeintrag vom Abgaskrümmer in den Wärmetauscher durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung und/oder Konvektion auch dann erfolgt, wenn das mindestens eine Ventil geschlossen ist. Dadurch ist ein Betrieb des Dampfkreisprozesses zumindest mit verminderter Leistung auch dann möglich, wenn das mindestens eine Ventil geschlossen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Abgasvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Abgaskrümmer, einen Abgasturbolader und ein Zusatzvolumen mit einem Wärmetauscher,
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2 eine schematische Schnittansicht der Abgasvorrichtung mit dem Zusatzvolumen und zwei Ventilen,
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3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zusatzvolumens mit einem Ventil,
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4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zusatzvolumens mit einem Ventil, und
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5 eine schematische Ansicht eines Ventilsitzes des Ventils.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Abgasvorrichtung 1 einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt), umfassend einen Abgaskrümmer 2, eine Turbine 3 eines Abgasturboladers und ein Zusatzvolumen 4 mit einem Wärmetauscher 5.
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Bevorzugt ist der Wärmetauscher 5 in das Zusatzvolumen 4 integriert. In einer typischen Ausführungsform ist der Wärmetauscher 5 mit dem Zusatzvolumen 4 identisch.
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Der Abgaskrümmer 2 dient dem Ausstoß von Abgasen aus der Verbrennungskraftmaschine. Die Abgase werden anschließend der Turbine 3 zugeführt, die über eine Welle 6 einen Verdichter (nicht dargestellt) zur Verdichtung von Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine antreibt. Das Zusatzvolumen 4, beispielsweise in Gestalt eines Behälters, ist über mindestens ein Einlassventil 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Einlassventile 7, und über mindestens ein Auslassventil 8, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Auslassventile 8, mit dem Abgaskrümmer 2 verbindbar. In der dargestellten Ausführungsform weist der Abgaskrümmer 2 vier Krümmerrohre 2.1 bis 2.4 auf, beispielsweise zur Abführung der Abgase aus einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern. Jeweils zwei der Krümmerrohre 2.1, 2.4 und 2.2, 2.3 sind in je einem Flutrohr 2.5, 2.6 zusammengeführt, so dass die Abgase der Turbine 3 zweiflutig zugeführt werden. Durch die so bei geschlossenen Ventilen 7, 8 erzielte Flutentrennung der Abgasströme wird eine besonders gute Stoßaufladung, auch Impulsaufladung genannt, erzielt. Die Turbine 3 kann hierfür beispielsweise als so genannter Twin-Scroll oder als Segmentlader ausgebildet sein. Vorteilhaft bei der Stoßaufladung ist, dass ein schnelles Ansprechen der Turbine 3 bei Teillast erzielt wird. Wird die Last der Verbrennungskraftmaschine und somit auch der Abgasmassenstrom über die Turbine 3 erhöht, beispielsweise bei oder nahe der Volllast, werden die Ventile 7, 8 geöffnet und somit beide Flutrohre 2.5, 2.6 mit dem Zusatzvolumen 4 und somit auch untereinander verbunden; das heißt, es findet eine Flutenverbindung statt. Auf diese Weise wird eine besonders gute Stauaufladung bei oder nahe der Volllast erzielt. Bei Stauaufladung ist der an der Turbine 3 anliegende Abgasmassenstrom gleichmäßiger und weist keine oder geringere Pulsationen auf, womit der Wirkungsgrad bei Volllast verbessert wird.
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Der Wärmetauscher 5 ist Teil einer nicht näher dargestellten Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf zur Abwärmerückgewinnung umfasst, wobei Wärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird, welche dann zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt oder über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann in einer Batterie gespeichert oder einem Elektromotor zugeführt werden kann. Dabei wird im Arbeitskreislauf ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium im Wärmetauscher 5 Wärme aus dem im Zusatzvolumen befindlichen Abgas zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine geeignete Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird. Zum Schluss wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert und erneut der Pumpe zugeführt.
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Durch den Wärmetauscher 5 vor der Turbine 3 wird eine Wärmesenke bereitgestellt, die einen bei Volllast vorliegenden Enthalpieüberschuss vor der Turbine 3 verwerten kann. Dies führt bei Volllast zu einer Verringerung der vor der Turbine 3 vorhandenen Enthalpie, die anderenfalls nicht in der Turbine 3 genutzt werden und durch ein sogenanntes Waste Gate abgeblasen werden müsste, so dass die Enthalpie dieses Teils des Abgases ungenutzt bleiben würde.
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Zum Öffnen der Ventile 7, 8 kann ein Steller verwendet werden, der ähnlich dem eines bekannten Waste-Gates der Turbine 3 ist. Beispielsweise wird mittels einer Druckdose oder eines elektrischen Stellers der Wärmetauscher 5 kontinuierlich oder auch zwei- oder mehrstufig über die Ventile 7, 8 freigegeben.
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Auf diese Weise kann eine Senkung des Abgasgegendrucks und der Abgastemperatur vor der Turbine 3 und infolgedessen geringere Ladungswechselverluste, geringere oder keine Anfettung in der Volllast und weniger Restgas im Zylinder und damit eine bessere Verbrennung erzielt werden. Durch die Verwertung eines Teils der Abgaswärme im thermodynamischen Kreislauf wird ein Gesamtwirkungsgrad verbessert.
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Durch die Anordnung des Wärmetauschers 5 im Abgas stromaufwärts vor der Turbine 3 steht am Wärmetauscher 5 eine höhere Abgastemperatur zur Verfügung als bei einer Anordnung hinter der Turbine 3, so dass auch die im thermodynamischen Kreislauf umwandelbare Energie größer ist.
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2 zeigt einen schematischen Detailschnitt eines der Flutrohre 2.5 des Abgaskrümmers 2 mit einem der Einlassventile 7, einem der Auslassventile 8 und dem Zusatzvolumen 4. Das Einlassventil 7 steuert eine Verbindung zwischen dem Flutrohr 2.5 und dem Zusatzvolumen 4 über einen Einlasskanal 4.1. Das Auslassventil 8 steuert eine Verbindung zwischen dem Flutrohr 2.5 und dem Zusatzvolumen 4 über einen Auslasskanal 4.2.
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Statt der Ventile 7, 8 können auch entsprechende Klappen vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann, insbesondere bei langen Rohrlängen des Abgaskrümmers 2, eine keramische Wärmeisolierung am Abgaskrümmer 2 angeordnet werden, um Wärmeverluste über die Strecke zu minimieren.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, das Abgas bei einem bestimmten Staudruck auf der Verdichterseite des Abgasturboladers nicht mehr über die Turbine 3 zu leiten, indem ein Waste Gate, beispielsweise in Form eines Ventils oder einer Klappe am Zusatzvolumen 4 angeordnet ist, mit dem ein Bypass um die Turbine 3 herum geschaltet werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann auch bei geschlossenen Ventilen 7, 8 der Dampfkreisprozess im thermodynamischen Kreislauf genutzt werden. Hierfür kann der Wärmetauscher 5 und/oder das Zusatzvolumen 4, beispielsweise mittels Rippen auf einer Außenseite, so ausgebildet sein, dass zumindest ein geringer Wärmeeintrag vom Abgaskrümmer 2 in den Wärmetauscher 5 durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung und/oder Konvektion erfolgt. Dadurch ist ein Betrieb des Dampfkreisprozesses zumindest mit verminderter Leistung möglich.
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Anstatt einer Turbine als Expansionsmaschine kann im Rankine-Prozess auch eine Kolbenmaschine genutzt werden, um mechanische Arbeit zu leisten. Diese kann die aus der Abgasenthalpie umgewandelte kinetische Energie entweder direkt an einen Fahrzeugantrieb oder eine mechanische Speichereinheit, beispielsweise einen Schwungradspeicher weiterleiten oder mittels eines Generators in elektrische Energie umwandeln.
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3 und 4 zeigen schematische Detailansichten weiterer Ausführungsformen eines der Flutrohre 2.5 mit einem kombinierten Ventil 9, das sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil für das Zusatzvolumen 4 dient, indem es gleichzeitig eine Verbindung zwischen dem Flutrohr 2.5 und sowohl dem Einlasskanal 4.1 als auch dem Auslasskanal 4.2 des Zusatzvolumens 4 steuert.
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5 zeigt eine schematische Ansicht eines Ventilsitzes 10 des kombinierten Ventils 9.
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Statt der oben beschriebenen Ventile 7, 8, 9 können auch entsprechende Klappen vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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