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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 040 680 A1 hervor. Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ein zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbares, mehrteiliges Einspritzventilelement, wobei ein erstes Teil und ein zweites Teil über einen hydraulischen Koppler gekoppelt sind. Der hydraulische Koppler wird in axialer Richtung von einer ersten Führung für das erste Teil und von einer zweiten Führung für das zweite Teil begrenzt. Die Führungen sind radial außen von Hochdruck beaufschlagt, während im hydraulischen Koppler ein geringerer Druck realisiert ist. Der radial außen anliegende höhere Druck wirkt einem Aufweiten der Führungen entgegen, so dass der Kraftstoffinjektor vergleichsweise leckagearm betrieben werden kann. Der geringere Druck im hydraulischen Koppler hat ferner zur Folge, dass die hierüber gekoppelten Teile des Einspritzventilelements während des Betriebs des Kraftstoffinjektors permanent und mit erheblichen Kräften miteinander verbunden sind, so dass sie aus Funktionssicht als ein Teil betrachtet werden können. Ferner wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass innerhalb des hydraulischen Kopplers eine Druckstufe realisiert ist, die eine in Schließrichtung auf das Einspritzventilelement wirkende hydraulische Kraft zur Beschleunigung der Schaltzeit des Einspritzventilelements verursacht. Zur Realisierung der Druckstufe weisen die hydraulisch gekoppelten Teile des Einspritzventilelements unterschiedliche Durchmesser auf, wobei das näher an einer Düsenlochanordnung liegende Teil einen geringeren Durchmesser als das düsenlochferne Teil besitzt.
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Der aus der
DE 10 2008 040 680 A1 bekannte Kraftstoffinjektor wird indirekt geschaltet. Hierzu besitzt der Kraftstoffinjektor ein als Magnetventil ausgeführtes Servoventil, das in Offenstellung einen Druckabfall in einem Steuerraum bewirkt, der in axialer Richtung von einer Stirnfläche des Einspritzventilelements begrenzt wird. Der Druckabfall im Steuerraum bewirkt demnach eine Entlastung des Einspritzventilelements, bis dieses öffnet. Über die Abstimmung von Zu- und Ablaufdrosseln, die mit dem Steuerraum in Verbindung stehen, ist gewährleistet, dass der erforderliche Druckabfall zum Öffnen des Einspritzventilelements in einer definierten Zeitspanne nach dem Öffnen des Servoventils erreicht wird. Bei der Dimensionierung des Aktors zur Betätigung des Servoventils muss daher lediglich die zum Öffnen des Servoventils erforderliche Kraft berücksichtigt werden.
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Darüber hinaus sind Kraftstoffinjektoren bekannt, die über einen Magnet- oder Piezoaktor direkt geschaltet werden. In diesem Fall muss bei der Dimensionierung des Aktors die erforderliche Öffnungskraft zum Öffnen des Einspritzventilelements bzw. der Düsennadel berücksichtigt werden. Die vom Aktor aufgebrachte Kraft wird über eine Schaltkette auf die Stirnfläche der Düsennadel übertragen. Um dabei eine Übersetzung der Aktorkraft und/oder des Aktorhubes zu bewirken, kann die Schaltkette zwischen dem Aktor und der Düsennadel eine Einrichtung zur Kraft- und/oder Hubübersetzung aufweisen. Entsprechend verringert oder erhöht sich die erforderliche Aktorkraft und erhöht oder verringert sich im Gegenzug der erforderliche Aktorhub.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die erforderliche Öffnungskraft eines Kraftstoffinjektors für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, weiter zu reduzieren. Insbesondere soll der Einsatz vergleichsweise kleinvolumiger Aktoren zum direkten Schalten möglich sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine mehrteilige Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist. Ein erster Teil der Düsennadel besitzt eine mit einem Dichtsitz dichtend zusammenwirkende Dichtkontur. Ein zweiter Teil der Düsennadel besitzt einen mit einer Führungsbohrung führend zusammenwirkenden Führungsabschnitt. Erster und zweiter Teil sind hydraulisch und/oder mechanisch koppelbar. Zur Kopplung des zweiten Teils mit dem ersten Teil ist erfindungsgemäß an den Führungsabschnitt ein Kopplungsabschnitt angesetzt, der einen Außendurchmesser besitzt, der größer als der Außendurchmesser des Führungsabschnitts ist, und der im Bereich des Durchmesserversprungs eine hydraulisch wirksame Fläche besitzt, die einen Steuerraum begrenzt. Über die Druckverhältnisse im Steuerraum ist die Hubbewegung der Düsennadel steuerbar. Der Steuerdruck liegt an der hydraulisch wirksamen Fläche des Kopplungsabschnitts des zweiten Teils der Düsennadel an, die vorzugsweise der Querschnittsfläche des Kopplungsabschnitts abzüglich der Querschnittsfläche des Führungsabschnitts entspricht. Dadurch werden eine zumindest teilweise Kraftentlastung der Düsennadel und in der Folge eine Reduzierung der erforderlichen Öffnungskraft erreicht, so dass der Einsatz eines vergleichsweise kleinvolumigen Aktors zum direkten Schalten möglich ist.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Führungsabschnitt stirnseitig eine hydraulisch wirksame Fläche besitzt, die einen Niederdruckraum begrenzt. An der hydraulisch wirksamen Fläche des Führungsabschnitts liegt somit Niederdruck an. Die Kraftentlastung der Düsennadel steigt mit zunehmender Differenz zwischen dem im Niederdruckraum herrschenden Niederdruck und dem Steuerdruck im Steuerraum. Bevorzugt ist der Niederdruckraum innerhalb der Führungsbohrung ausgebildet. Diese Maßnahme vereinfacht die Fertigung eines solchen Niederdruckraums. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Niederdruckraum in Verbindung mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors steht. Der Niederdruckbereich ist vorzugsweise an einen Rücklauf angeschlossen, um ggf. eine in den Niederdruckraum und/oder in den Niederdruckbereich gelangende Leckagemenge abzuführen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Steuerraum in radialer Richtung von einer federbelasteten Dichthülse begrenzt, die den Kopplungsabschnitt des zweiten Teils zumindest teilweise umgibt. Die federbelastete Dichthülse bewirkt eine Abdichtung des Steuerraums gegenüber der Hochdruckbohrung. Um die Dichtwirkung zu verbessern, kann an der Dichthülse eine Beißkante ausgebildet sein, über welche die Dichthülse beispielsweise an einem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors abgestützt ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um das Körperbauteil, in dem die Führungsbohrung zur Führung des zweiten Teils der Düsennadel ausgebildet ist.
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Die den Kopplungsabschnitt des zweiten Teils umgebende Dichthülse kann ferner einen Kopplungsabschnitt des ersten Teils der Düsennadel umgeben. In diesem Fall liegt die Trennebene zwischen erstem und zweitem Teil innerhalb der Dichthülse. Darüber hinaus ist es möglich die Trennebene außerhalb der Dichthülse zu legen, so dass ausschließlich der Kopplungsabschnitt des zweiten Teils der Düsennadel von der Dichthülse umgeben ist. In beiden Fällen ermöglicht die an einem Körperbauteil abgestützte federbelastete Dichthülse einen etwaigen Achsversatz zwischen den Längsachsen der beiden Teile auszugleichen, so dass eine Überbestimmung in Bezug auf die radiale Lage der Düsennadel verhindert wird. Ein zu einer Überbestimmung führender Achsversatz kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass die den Führungsabschnitt des zweiten Teils aufnehmende Führungsbohrung nicht koaxial zum Dichtsitz der Düsennadel ist.
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Um die gewünschte Kraftentlastung der Düsennadel im Betrieb des Kraftstoffinjektors sicherzustellen, gilt es ein Abheben des zweiten Teils vom ersten Teil zu verhindern. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass erstes und zweites Teil ein Kopplervolumen zur hydraulischen Kopplung der beiden Teile begrenzen. Solange im Kopplervolumen ein geringerer Druck als außerhalb herrscht, ist sichergestellt, dass erstes und zweites Teil eine funktionale Einheit bilden. Vorzugsweise herrscht im Kopplervolumen Niederdruck. Das Kopplervolumen kann hierzu mit dem Niederdruckraum und/oder dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors verbunden sein.
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Zur Verbindung des Kopplervolumens mit dem Niederdruckraum ist vorzugsweise das zweite Teil der Düsennadel von einer Bohrung durchsetzt. Die Bohrung ist weiterhin vorzugsweise zentral im zweiten Teil angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist am ersten oder am zweiten Teil der Düsennadel eine ringförmige Beißkante zur Kontaktierung des jeweils anderen Teils ausgebildet. Die Kontaktierung über eine ringförmige Beißkante erhöht die Dichtheit des Kontaktbereichs, so dass im Kopplervolumen weiterhin Niederdruck herrscht.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Innendurchmesser der Beißkante größer als der Außendurchmesser des Führungsabschnitts ist. Dadurch ist sichergestellt, dass aufgrund der hydraulischen Druckverhältnisse das zweite Teil der Düsennadel gegen das erste Teil gedrückt wird, um die erforderliche funktionale Einheit zu verwirklichen.
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Die beschriebenen Maßnahmen zur Realisierung einer funktionalen Einheit setzen voraus, dass das System nicht drucklos ist. Bei drucklosem System, beispielsweise bei abgestellter Brennkraftmaschine, können sich erstes und zweites Teil voneinander entfernen. Daher gilt es Maßnahmen zu treffen, die sicherstellen, dass mit erneuter Inbetriebnahme die beiden Teile der Düsennadel wieder hydraulisch und/oder mechanisch gekoppelt sind.
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Als eine erste Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das zwischen dem Kopplungsabschnitt des zweiten Teils und der den Kopplungsabschnitt umgebenden Dichthülse vorhandene Spiel derart bemessen ist, dass bei Aufbau des Systemdrucks und damit bei Aufbau des Steuerdrucks im Steuerraum eine Drosselung in Richtung des Kopplervolumens bewirkt wird. Durch den sich im Steuerraum aufbauenden Steuerdruck wird dann das zweite Teil gegen das erste Teil gedrückt. Gelangt das zweite Teil in Kontakt mit dem ersten Teil, dichtet die Beißkante das Kopplervolumen gegenüber dem Steuerraum ab. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass im Kopplervolumen ein deutlich geringerer Druck als im Steuerraum herrscht, so dass die beiden Teile der Düsennadel wieder eine funktionale Einheit bilden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das zweite Teil in Richtung des ersten Teils von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Federkraft der Feder bewirkt eine mechanische Kopplung der beiden Teile der Düsennadel, die selbst dann besteht, wenn das System drucklos geschaltet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Feder in der den Führungsabschnitt des zweiten Teils aufnehmenden Führungsbohrung oder im Steuerraum angeordnet. Im ersten Fall stützt sich die Feder vorzugsweise unmittelbar an der Stirnfläche des Führungsabschnitts des zweiten Teils ab. Im zweiten Fall umgibt die Feder den Führungsabschnitt und stützt sich am Kopplungsabschnitt des zweiten Teils ab.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Feder in der Hochdruckbohrung angeordnet und vorzugsweise einerseits an einem mit dem zweiten Teil verbundenen Federteller, andererseits an der den Kopplungsabschnitt zumindest teilweise umgebenden Dichthülse abgestützt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2a–b jeweils einen Ausschnitt aus der 1 im Bereich der Kopplung der beiden Teile der Düsennadel bei verändertem Steuerdruck im Steuerraum,
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3 einen Ausschnitt entsprechend der 2a–b jedoch mit zusätzlicher Feder in der Führungsbohrung,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 4 mit einer hierin ausgebildeten Hochdruckbohrung 3, in welcher eine zweiteilig ausgebildete Düsennadel 1 zum Freigeben und Verschließen mehrerer Einspritzöffnungen 2 hubbeweglich aufgenommen ist. Das erste Teil 1.1 der Düsennadel 1 weist eine mit einem Dichtsitz 5 zusammenwirkende Dichtkontur 6 auf, die vorliegend an einem kegelförmigen Ende des ersten Teils 1.1 ausgebildet ist. Der Dichtsitz 5 ist ebenfalls kegelförmig ausgebildet. Das dem Dichtsitz 5 abgewandte Ende des ersten Teils 1.1 ist in einer Dichthülse 12 aufgenommen, welche über eine Beißkante an einem Körperbauteil 13 abgestützt ist. Nicht dargestellt ist eine Feder, über deren Federkraft die Dichthülse 12 in Richtung des Körperbauteils 13 axial vorgespannt ist. Die Feder ist einerseits an der dem Dichtsitz 5 zugewandten Stirnfläche der Dichthülse 12 und andererseits an einem Bund 18 des ersten Teils 1.1 der Düsennadel 1 abgestützt. Sie hält die Dichthülse 12 in dichtender Anlage mit dem Körperbauteil 13 und übt zugleich auf die Düsennadel 1 eine Schließkraft aus, welche die Düsennadel 1 in Anlage mit dem Dichtsitz 5 hält. Das Körperbauteil 13, die Dichthülse 12 und die Düsennadel 1 begrenzen gemeinsam einen Steuerraum 10, in dem das zweite Teil 1.2 der Düsennadel 1 aufgenommen ist. Das zweite Teil 1.2 ist gestuft ausgeführt und besitzt einen am ersten Teil 1.1 anliegenden Kopplungsabschnitt 9 mit einem Außendurchmesser D1 sowie einen Führungsabschnitt 8, der gegenüber dem Kopplungsabschnitt 9 einen geringeren Außendurchmesser D2 besitzt und sich in eine Führungsbohrung 7 des Körperbauteils 13 hinein erstreckt. Der Führungsabschnitt 8 begrenzt auf diese Weise einen innerhalb der Führungsbohrung 7 ausgebildeten Niederdruckraum 11, so dass der Führungsabschnitt 8 stirnseitig von Niederdruck beaufschlagt wird, während am Kopplungsabschnitt 9 der im Steuerraum 10 herrschende Steuerdruck anliegt. Auf diese Weise wird eine teilweise Kraftentlastung der Düsennadel 1 erreicht, die wiederum mit einer Reduzierung der erforderlichen Öffnungskraft einhergeht. Die Kraftentlastung ist darauf zurückzuführen, dass die dem Steuerraum 10 zugewandte hydraulisch wirksame Fläche A1 am Kopplungsabschnitt 9 des zweiten Teils 1.2 durch die Querschnittsfläche des Führungsabschnitts 8 reduziert wird und an der hydraulisch wirksamen Fläche A2 des Führungsabschnitts 8 lediglich Niederdruck anliegt (siehe 2a). Dies setzt jedoch voraus, dass erstes und zweites Teil 1.1, 1.2 der Düsennadel 1 eine funktionale Einheit bilden.
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Die funktionale Einheit wird vorliegend dadurch bewirkt, dass die beiden Teile 1.1, 1.2 hydraulisch gekoppelt sind. Hierzu ist zwischen den beiden Teilen 1.1, 1.2 ein Kopplervolumen 14 ausgebildet, das über eine am zweiten Teil 1.2 ausgebildete Beißkante 16 gegenüber dem Steuerraum 10 abgedichtet ist. Das Kopplervolumen 14 ist zudem über eine zentrale Bohrung 15 im zweiten Teil 1.2 der Düsennadel 1 mit dem Niederdruckraum 11 verbunden, so dass im Kopplervolumen 14 Niederdruck herrscht. Zur Sicherstellung der funktionalen Einheit weist die ringförmige Beißkante 16 einen Innendurchmesser D3 auf, der größer als der Außendurchmesser D2 des Führungsabschnitts 8 ist.
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Bei abgestellter Brennkraftmaschine ist das System drucklos. Bei drucklosem System kann es zur Aufhebung der hydraulischen Kopplung kommen, wobei das zweite Teil 1.2 vom ersten Teil 1.1 der Düsennadel 1 abhebt (siehe 2a). Um bei erneuter Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine hydraulische Kopplung der beiden Teile 1.1, 1.2 zu bewirken, so dass diese eine funktionale Einheit bilden, ist das Spiel zwischen dem Kopplungsabschnitt 9 und der Dichthülse 12 vorliegend derart bemessen, dass die Befüllung des Kopplervolumens 14 gedrosselt erfolgt. Der im Steuerraum 10 vorherrschende höhere Druck hat zur Folge, dass das zweite Teil 1.2 gegen das erste Teil 1.1 gedrückt wird und das Kopplervolumen 14 über die Beißkante 16 gegenüber dem Steuerraum 10 abdichtet. Die funktionale Einheit beider Teile 1.1, 1.2 ist auf diese Weise wieder hergestellt (siehe 2b).
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In der 3 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß der 1 bzw. der 2 dargestellt. Bei der Abwandlung ist in der Führungsbohrung 7 eine Feder 17 angeordnet, welche zudem eine mechanische Kopplung der beiden Teile 1.1, 1.2 der Düsennadel bewirkt. Die mechanische Kopplung über die Feder 17 verhindert ein Abheben des zweiten Teils 1.2 vom ersten Teil 1.1 selbst bei drucklos geschaltetem System.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der 4 dargestellt. Hier befindet sich die Trennebene der beiden Teile 1.1, 1.2 der Düsennadel 1 außerhalb der Dichthülse 12, innerhalb der Hochdruckbohrung 3. Der Kontaktbereich ist demnach von Hochdruck umgeben. Um ein Abheben des zweiten Teils 1.2 vom ersten Teil 1.1 sicher zu verhindern, ist zum Einen der Innendurchmesser D3 der ringförmigen Beißkante 16 wiederum größer als der Außendurchmesser D2 des Führungsabschnitts 8 gewählt, zum Anderen das zweite Teil 1.2 über die Federkraft einer Feder 17 in Richtung des ersten Teils 1.1 axial vorgespannt.
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Allen gezeigten Ausführungsformen ist gemein, dass zum Anheben der Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 der Druck im Steuerraum 10 abgesenkt werden muss. Dies kann durch Betätigung eines nicht näher dargestellten Aktors erfolgen. Über einen zwischen Aktor und Düsennadel 1 geschalteten hydraulischen Koppler (ebenfalls nicht dargestellt) kann – sofern gewünscht – zudem eine Umkehr der Bewegungsrichtung und/oder eine Verstärkung der Aktorkraft bzw. des Aktorhubes bewirkt werden. Aufgrund der teilweisen Kraftentlastung der Düsennadel 1 kann ein vergleichsweise kleinvolumiger Aktor eingesetzt werden, über den die Düsennadel direkt schaltbar ist. Als Aktor eignet sich insbesondere ein Piezoaktor. Es kann aber auch ein Magnetaktor eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040680 A1 [0002, 0003]
