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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordneten Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
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Aus der
DE 10 2010 036 917 A1 ist eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordneten Zylindern bekannt, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist dabei eine Einlassöffnung zugeordnet. Ein Befüllen der einzelnen Zylinder mit Arbeitsmedium erfolgt dabei über eine drehfest mit der Welle verbundene Steuerscheibe, die eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung aufweist, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet.
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Aus der
DE 10 2008 060 067 A1 ist eine Steuerscheibe für eine Axialkolbenmaschine bekannt, in welcher zumindest eine erste Steueröffnung und eine zweite Steueröffnung vorgesehen sind. Benachbart zu den Steueröffnungen sind ein innerer Dichtsteg und ein äußerer Dichtsteg zum dichtenden Zusammenwirken mit einer Stirnseite einer Zylindertrommel ausgebildet. Zumindest ein Teilbereich des äußeren Dichtstegs ist dabei gegenüber einem weiteren Teilbereich hinsichtlich der Elastizität erhöht, wodurch eine Steuerscheibe geschaffen werden soll, die auch ohne den Einsatz von bleihaltiger Bronze in der Lage ist, Flächenpressungsspitzen zu vermeiden.
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Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine erreichen zu können, ist es wünschenswert, dass die Steuerscheibe möglichst dicht auf der Einlassöffnung des Zylinders aufliegt. Dieses gewünschte, dichte Aufliegen schafft jedoch wiederum Probleme bei einem unerwünschten Überdruck innerhalb des Zylinders, da hierdurch die Steuerscheibe und damit auch die Axialkolbenmaschine Schaden nehmen kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mittels welcher einerseits ein hoher Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine erreichbar ist, andererseits jedoch ebenso eine zuverlässige Überlastsicherung geschaffen werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Steuerscheibe einer Axialkolbenmaschine derart verstellbar und gleichzeitig drehfest an einer Welle der Axialkolbenmaschine zu lagern, dass sie bei einem unerwünschten Überdruck im Zylinder reversibel von dessen Einlassöffnung abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder ermöglicht. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine besitzt dabei ringförmig um und koaxial zur Welle angeordnete Zylinder, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist eine zuvor beschriebene Einlassöffnung zugeordnet. Die Steuerscheibe selbst ist drehfest mit der Welle verbunden und besitzt eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet. Durch die erfindungsgemäße Lagerung der Steuerscheibe an der Welle ist es möglich, eine vergleichsweise einfache Überlastsicherung gegen einen zu hohen Druck im Zylinder zu schaffen, bei welchem die Steuerscheibe in Axialrichtung entgegen dem Zylinder reversibel abheben und dadurch einen Druckabbau im Zylinder ermöglichen kann. Im normalen Betriebszustand hingegen ist der Übergang zwischen der Steuerscheibe und der Einlassöffnung des Zylinders optimal abgedichtet, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Eine derartige erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist somit nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern zudem auch eine vergleichsweise konstruktiv einfach aufgebaute Überlastsicherung auf, die die langfristige Funktion der Axialkolbenmaschine sichert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßem Lösung weist die Welle in einem Kontaktbereich zwischen derselben und der Steuerscheibe eine ballige Außenkontur oder aber die Steuerscheibe ein ballige Innenkontur auf, die eine zumindest geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe zur Welle und dadurch bei einem zu hohen und insbesondere unerwünschten Druck im Zylinder ein Abheben der Steuerscheibe von der Einlassöffnung des Zylinders ermöglicht. Mit der balligen Ausführung des Kontaktbereichs der Welle oder des Kontaktbereichs der Steuerscheibe kann somit ein Freiheitsgrad geschaffen werden, der ein bedarfsgerechtes, schnelles und zugleich einfaches Abheben der Steuerscheibe von der Einlassöffnung im Falle eines Überdrucks ermöglicht. Im normalen Betriebszustand liegt dabei die Steuerscheibe dicht auf der Einlassöffnung des Zylinders auf und dichtet diesen somit optimal ab, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann. Das dichte Aufliegen der Steuerscheibe auf der Einlassöffnung kann insbesondere durch eine Feder erreicht werden, die die Steuerscheibe gegen die Einlassöffnung in reversibler Art und Weise vorspannt. Dabei kann die Feder beispielweise als Schraubenfeder ausgebildet sein, die sich um die Welle windet.
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Zweckmäßig ist die Steuerscheibe aus Kohlenstoff ausgebildet oder weist eine Beschichtung auf, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC-Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder eine Polytetrafluorethylenbeschichtung (PTFE). Um ein möglichst gutes Abdichten der Steuerscheibe auf der Einlassöffnung erreichen zu können, kann diese beispielsweise aus Kohlenstoff ausgebildet sein und sich bei einem Kontakt mit der Einlassöffnung des Zylinders einschleifen. In diesem Fall ist der verwendete Kohlenstoff fein verschleißfähig. Selbstverständlich sind auch andere Werkstoffe für die Steuerscheibe vorstellbar, wobei diese dann zumindest in ihrem die Einlassöffnung des Zylinders überstreichenden Bereich eine reibungsreduzierende, dichtende und/oder verschleißbeständige Beschichtung besitzt. Hierfür in Frage kommen beispielsweise Polymerbeschichtungen bzw. DLC-Beschichtungen, ebenso wie selbstverständlich auch eine Kohlenstoffbeschichtung. Selbstverständlich kann zusätzlich oder alternativ zu Erhöhung der Dichtfunktion zwischen Steuerscheibe und Zylinder an der Einlassöffnung des Zylinders auch eine angespritzte Dichtung, insbesondere aus Kohlenstoff, vorgesehen werden, welche sich ebenfalls im Betrieb der Axialkolbenmaschine an der rotierenden Steuerscheibe einschleift und dadurch eine hohe Dichtwirkung erzielt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an der Welle ein Radialstift angeordnet, der in eine Axialausnehmung an der Steuerscheibe eingreift und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht. Alternativ hierzu kann auch an der Welle eine Verzahnung angeordnet sein, die mit einer Gegenverzahnung an der Steuerscheibe zusammenwirkt und dadurch ebenfalls eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht. Beide genannte Ausführungsformen ermöglichen dabei einerseits die drehfeste Verbindung der Steuerscheibe mit der Welle, erlauben es jedoch andererseits, dass diese sich zumindest geringfügig in Axialrichtung bewegen und dadurch bei einem Überdruck im Zylinder von dessen Einlassöffnung abheben kann. Die Drehmomentübertragung ist dabei auch in abgehobenem zustand gewährleistet.
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Zweckmäßig weist zumindest ein Kolben an einem Kolbenboden eine Nase bzw. eine Fortsatz auf, die/der zumindest teilweise in die Einlassöffnung eingreift und dadurch ein Totraumvolumen im Gaseinströmbereich minimiert. Der Wirkungsgrad einer Axialkolbenmaschine hängt in großem Maße vom Totraumvolumen im Gaseinströmbereich ab, wobei gilt, dass je weniger Totraumvolumen vorhanden ist, desto mehr Expansionsenergie kann direkt für die Krafterzeugung genutzt werden. Die Verringerung des Totraumvolumens kann dabei beispielsweise von der am Kolbenboden angeordneten Nase bzw. dem dort angeordneten Fortsatz erreicht werden, die/der zumindest einen Teil der Einlassöffnung ausfüllt und dadurch das Totraumvolumen reduziert. Die Nase bzw. der Fortsatz sind selbstverständlich so ausgeführt, dass auch weiterhin ein problemloses Einströmen des Arbeitsmediums in den Zylinder möglich ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung des Totraumvolumens besteht beispielsweise darin, dass sich die Steuerscheibe nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt und insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung eine geringe Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist dabei die Steuerscheibe zwischen dem Bereich der Durchgangsöffnung und dem radial inneren Bereich gekröpft. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine zwischen den Zylinder und der Steuerscheibe angeordnete Trennwand, in welche die Einlassöffnung des jeweiligen Zylinders integriert ist, zumindest im Bereich der Einlassöffnung hinsichtlich ihrer Dicke reduziert sein. Hierdurch wird das Totraumvolumen, das Wirkungsgrad kostet reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Sicherheitsventil vorgesehen, welches fliegkraftabhängig, das heißt ab einer bestimmten Grenzzahl der Welle eine zugehörige Durchgangsöffnung der Steuerscheibe verschließt und damit ein weiteres Einströmen von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder unterbindet. Generell wir die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine durch das einströmende und in den Zylindern expandierende Gas angetrieben. Tritt hierbei jedoch ein Überlastfall ein, so können die erreichten Drehzahlen so groß werden, dass die Axialkolbenmaschine Schaden nimmt. In diesem Fall muss die Drehzahl möglichst automatisch und unmittelbar herunter geregelt werden. Eine Möglichkeit hierbei ist die Zufuhr von Arbeitsmedium in die Zylinder zu regeln und beispielsweise über einen Bypass umzuleiten. Eine weitere Möglichkeit besteht durch das erfindungsgemäße Sicherheitsventil, welches ab einer gewissen Grenzdrehzahl der Welle, das heißt ab einer Drehzahl, bei welchem eine kritische Phase erreicht wird, eine zugehörige Durchgangsöffnung der Steuerscheibe verschließt und dadurch die weitere Zufuhr von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder unterbricht. Hierdurch ist es möglich, die Axialkolbenmaschine unmittelbar herunter zu regeln und die Drehzahl zu verringern. Durch eine vorgesehene Feder kann das Sicherheitsventil bei Unterschreiten der Grenzdrehzahl wieder geöffnet und die Axialkolbenmaschine in einen normalen Betriebsmodus überführt werden.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
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2 eine Detaildarstellung der Lagerung der Steuerscheibe an der Welle bei ballig ausgebildeter Welle,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei ballig ausgebildeter Steuerscheibe,
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4 eine Detaildarstellung eines Sicherheitsventils.
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Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, die beispielsweise Bestandteil eines nicht näher gezeigten Wärmerückgewinnungssystems 2 eines Kraftfahrzeuges sein kann, eine Welle 3 auf, die drehfest mit einer Schrägscheibe 4 verbunden ist. Ringförmig um und koaxial zur Welle 3 sind dabei Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6, insbesondere hohle und gebaute Kolben, translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben 6 ist dabei über ein Kalottenlager 7 und einen Gleitstein 8 mit der Schrägscheibe 4 verbunden. Jedem Zylinder 5 zugeordnet ist eine Einlassöffnung 9, über welche Arbeitsmedium aus einem Sammelraum 12 über eine Durchgangsöffnung 11 einer Steuerscheibe 10 in den Zylinder 5 gelangen kann. Die Steuerscheibe 10 weist somit eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 11 auf, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe 10 jede Einlassöffnung 9 eines Zylinders 5 einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in diesen leitet. Um nun eine Überlastsicherung gegen zu hohen Druck innerhalb des Zylinders 5 auf konstruktiv einfache Weise zu ermöglichen, ist die Steuerscheibe 10 erfindungsgemäß derart an der Welle 3 gelagert, dass sie an einem vordefinierten Druck im Zylinder 5, das heißt ab einem vordefinierten Grenzdruck, reversibel von der Einlassöffnung 9 abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder 5 ermöglicht. Um diese reversible Abheben der Steuerscheibe 10 zu ermöglichen ist dies zumindest in geringer Weise axial verstellbar an der Welle 3 gelagert.
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Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Welle 3 an einem Kontaktbereich 13 zur Steuerscheibe 10 eine ballige Außenkontur aufweist, die eine zumindest geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe 10 zur Welle 3 ermöglicht. Dies ist in einer Detaildarstellung auch in 2 gezeigt. Alternativ hierzu ist denkbar, dass die Steuerscheibe 10 im Kontaktbereich 13 zur Welle 3 eine ballige Innenkontur besitzt, welche ebenfalls eine geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe 10 zur Welle 3 im Überlastfall ermöglicht (vgl. 3).
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Im normalen Betriebszustand soll jedoch die Steuerscheibe 10 die Einlassöffnung 9 des Zylinders 5 möglichst dicht abdecken, weshalb die Steuerscheibe 10 aus Kohlenstoff, insbesondere aus fein verschleißfähigem Kohlenstoff, ausgebildet ist, und/oder eine Beschichtung 14 aufweist, insbesondere eine Polymerbeschichtung, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC-Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder Polytetrafluorethylenbeschichtung (PTFE). Bei einer Ausbildung der Steuerscheibe aus Kohlenstoff kann sich diese im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 einschleifen und dadurch die für den hohen Wirkungsgrad verantwortliche Dichtigkeit erzeugen. Die Steuerscheibe 10 kann selbstverständlich auch aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise Kunststoff und Carbon oder Stahl und Kunststoff bzw. Carbon gefertigt sein und lediglich im Bereich der Kontaktstelle zur Einlassöffnung 9 in den Zylinder 5 die entsprechende Beschichtung 14, beispielsweise eine angespritzte Kontaktgeometrie aus einem reibungsarmen und verschleißbeständigen Material, ähnlich einer Gleitringrichtung, aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist selbstverständlich auch eine Feinbearbeitung des Kontaktbereichs zwischen der Einlassöffnung 9 und der Steuerscheibe 10 denkbar, beispielsweise durch eine elektrochemische Bearbeitung, oder das Aufbringen einer derartigen harten, verschleißbeständigen Beschichtung 14 auf den Rand der Einlassöffnung 9.
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Betrachtet man die 1 bis 3, so kann man erkennen, dass eine Feder 15 vorgesehen ist, welche die Steuerscheibe 10 gegen die Einlassöffnung 9 des Zylinders vorspannt und dadurch optimal gegenüber dieser abdichtet. Die Feder 15 kann beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet sein und sich um die Welle 3 winden.
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Zur Drehmomentübertragung zwischen der Welle 3 und der Steuerscheibe 10 kann an der Welle 3 eine Radialstift 16 (vgl. 1) angeordnet sein, der in eine Axialausnehmung 17 an der Steuerscheibe 10 eingreift und dadurch einerseits die geforderte Drehmomentübertragung ermöglicht, andererseits jedoch ein Axialspiel, insbesondere ein Abheben der Steuerscheibe 10 von der Einlassöffnung im Überlastfall ermöglicht. Alternativ hierzu kann an der Welle 3 auch eine Verzahnung 18 (vgl. 2) angeordnet sein, die mit einer Gegenverzahnung 19 an der Steuerscheibe 10 zusammenwirkt und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht.
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Betrachtet man die Steuerscheibe 10 gemäß den 1 bis 3, so kann man erkennen, dass sich diese nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt und insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung 11 eine geringere Dicke aufweist als in einem radial inneren Bereich. Die Steuerscheibe 10 ist dabei zwischen dem Bereich der Durchgangsöffnung 11 und dem radial inneren Bereich gekröpft und zwar an der Stelle 20.
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Zwischen den Zylindern 5 und der Steuerscheibe 10 ist eine Trennwand 21 angeordnet, die die Einlassöffnung 9 aufweist und die sich vorzugsweise ebenfalls nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt, insbesondere im Bereich der Einlassöffnung 9 eine geringere Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich. Auch diese Trennwand 21 ist dabei im Bereich der Stelle 20 gekröpft. Beide Kröpfungen bzw. beide Dickenverringerungen im Bereich der Durchgangsöffnung 11 der Steuerscheibe 10 bzw. der Einlassöffnung 9 der Trennwand 21 dienen dabei der Verringerung des Totraumvolumens und dadurch der Steigerung des Wirkungsgrades der Axialkolbenmaschine 1. Das Totraumvolumen ist bei der Expansion des Arbeitsmediums nur bedingt an der Erzeugung mechanischer Energie beteiligt und kostet somit Wirkungsgrad.
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Betrachtet man nochmals die 1, so kann man erkennen, dass der Kolben 6 an einem Kolbenboden 22 eine Nase 23 aufweist, die zumindest teilweise in die Einlassöffnung 9 eingreift. Auch hierdurch kann ein Totraumvolumen reduziert und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden.
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Betrachtet man schließlich noch die 4, so kann man ein Sicherheitsventil 24 erkennen, welches fliehkraftabhängig ab einer vordefinierten Grenzdrehzahl der Welle 3 die zugehörige Durchgangsöffnung 11 der Steuerscheibe 10 verschließt und dadurch ein weiteres Zuströmen von Arbeitsmedium in die jeweiligen Zylinder 5 unterbindet. Hierdurch kann ein schlagartiges Abregeln der Drehzahl, insbesondere in einem kritischen Zustand, erreicht werden. Durch eine auf eine Verschlussplatte 25 des Sicherheitsventils 24 wirkende Feder 15' wird die Verschlussplatte 25 bei Unterschreiten der vordefinierten Grenzdrehzahl wieder in ihre Öffnungsstellung nach radial innen zurückverstellt und dadurch die Axialkolbenmaschine 1 wieder in ihren normalen Betriebszustand überführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010036917 A1 [0002]
- DE 102008060067 A1 [0003]
