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Die Erfindung betrifft eine Motorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer wärmeenergieabgebenden Komponente und einem mit der wärmeenergieabgebenden Komponente thermisch gekoppelten Wärmetauscher, der mit einer Wärmekraftmaschine thermisch gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Motorbaugruppe.
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Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug müssen verschiedene Hilfsvorrichtungen, wie eine Kühlmittelpumpe, Lichtmaschine usw. mit Betriebsenergie versorgt werden. Diese Betriebsenergie kann von der Kurbelwelle abgegriffen werden, was jedoch die Verluste der Brennkraftmaschine erhöht und damit deren Effizienz reduziert.
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Aus der
CN 2111220 U ist eine Vorrichtung zur Bereitung von Speisen bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Wärmetauscher und einem Nahrungsmittel-Aufnahmebehälter. Der Wärmetauscher und der Nahrungsmittel-Aufnahmebehälter sind durch ein Stahlrohr miteinander verbunden. Der Wärmetauscher umfasst einen Wärmetauscher-Hauptkörper und einen Wärmetauschermantel. Der Wärmetauscher ist zwischen einem Abgaskrümmer und einer Abgasleitung in Reihe durch eine Zwischenverbindungsplatte des Wärmetauschers und eine Abgaskrümmer-Verbindungsplatte eines Motors verbunden. Das Wasser in dem Wärmetauscher wird durch die Nutzung von Wärmeabgasenergie dampfförmig, wobei der Dampf durch das Stahlrohr in den Nahrungsmittle-Aufnahmebehälter zum Garen des Nahrungsmittels strömt.
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Aus der
US 2010/192569 A1 ist ein System zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgasen einer Brennkraftmaschine in Verbindung mit einer Abgasrückführung bekannt. Ein Arbeitsmittel wird in einem Abgasrückführwärmetauscher mittels der heißen Abgase verdampft und die Energie des Dampfes in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt, die als Zusatzenergie zur Verfügung steht.
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Aus der
US 5,896,746 A ist ein Maschinensatz bzw. eine Motorbaugruppe bekannt, der bzw. die einen Motor für eine innere Verbrennung, wie ein Otto- oder Dieselmotor, und eine Dampfmaschine vom Verdrängertyp sowie einen Wärmetauscher aufweist. Der Motor und die Dampfmaschine sind beide mit einer Antriebseinheit, wie einer Antriebswelle verbunden, während durch den Wärmetauscher die Wärmeverluste des Motors aus den Abgasen und/oder dem Kühlwasser genutzt werden, um Dampf für die Dampfmaschine zu erzeugen.
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Jedoch vergeht bei dem System gemäß der
US 5,896,746 A eine gewisse Zeitdauer nach der Inbetriebnahme, bis die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat und dann in der Lage ist, ausreichend Wärmeenergie abzugeben. Um diese Zeitdauer zu überbrücken ist es aus der
US 5,896,746 A bekannt, einen Dampfpuffer vorgesehen.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bieten derartige Motorbaugruppen durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Motorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Motorbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Wärmekraftmaschine antriebskräfteübertragend mit einer Wasserpumpe verbunden ist, und wobei die Wasserpumpe einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die Wasserpumpe, die auch als Kühlmittelpumpe bezeichnet werden kann, wälzt ein Kühlmittel, z.B. Wasser mit einem Frostschutzmittel, in einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine, um eine Kühlung der Brennkraftmaschine zu bewirken. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass vor dem Erreichen der Betriebstemperatur häufig eine Inbetriebnahme der Wasserpumpe nicht erforderlich ist. Dies erlaubt einen Verzicht auf einen Dampfpuffer oder andere Mittel, um die Zeitdauer zu überbrücken, bis die Betriebstemperatur erreicht ist, da durch die Zunahme der Betriebstemperatur zugleich die Förderleistung der Wasserpumpe und daher auch die Kühlwirkung zunimmt.
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Somit wendet sich die vorliegende Erfindung von aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen ab, durch einen Dampfpuffer oder andere Mittel die Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zu überbrücken, sondern wählt einen anderen Weg. Daher kann die Motorbaugruppe einen einfacheren Aufbau aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Wärmekraftmaschine eine Dampfmaschine. Eine Dampfmaschine wandelt die im Dampf enthaltene Wärmeenergie (auch Druckenergie) mittels Kolben in mechanische Arbeit um. Dampfmaschinen sind Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung, was sie von Brennkraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren unterscheidet. Ein Vorteil von Dampfmaschinen ist ihre extreme Überlastbarkeit bei der Nachfrage von Leistungsspitzen. Ferner ergibt sich durch einen geschlossenen Kreislauf von Dampf und Speisewasser eine emissionsarme Schmierung von Zylinder und Kolben der Dampfmaschine. Anstelle einer Dampfmaschine kann auch eine Dampfturbine verwendet werden. Eine Dampfturbine weist eine rotierende Welle auf, die mit vielen Turbinenschaufeln bestückt ist, die von Wasserdampf angeströmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Motor zum Antrieb der Wasserpumpe antriebskräfteübertragend mit der Wasserpumpe verbunden. Der Motor kann z.B. ein Elektromotor sein, der bei Bedarf zugeschaltet werden kann, um eine besonders hohe Kühlung bei Leistungsspitzen bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Motor und die Wärmekraftmaschine parallel auf die Wasserpumpe wirkend ausgebildet. Somit kann die Wasserpumpe von dem Motor allein, der Wärmekraftmaschine allein, und/oder vom Motor und der Wärmekraftmaschine zusammen angetrieben werden. Dies führt zu einer Motorbaugruppe, die flexibel an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Motor und die Wärmekraftmaschine in Reihe auf die Wasserpumpe wirkend ausgebildet. Somit sind der Motor und die Wärmekraftmaschine mit einer gleichen Welle der Wasserpumpe antriebskräfteübertragend verbunden. Dies führt zu einem besonders einfachen Aufbau der Motorbaugruppe.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Motor und der Wasserpumpe eine Kupplung zum Abkuppeln des Motors von der Wasserpumpe vorgesehen. Die Kupplung kann als lösbare Kupplung ausgebildet sein. Somit kann bei Bedarf der Motor von der Wasserpumpe und damit von der Wärmekraftmaschine abgekoppelt werden. Alternativ kann auch eine Freilaufkupplung vorgesehen sein. So läuft der Motor nicht mit und verursacht keine Effizienzverluste, wenn die Wärmepumpe allein die Wasserpumpe anzutreiben vermag.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die wärmeenergieabgebende Komponente zumindest ein abgasführendes Bauteil. Dies erlaubt es, Wärmenergie der Abgase, die sonst ungenutzt verloren gehen würde, zu nutzen. Bei einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine hingegen kann auch die Wärme, die beim Betrieb des Turboladers auftritt, genutzt werden. So wird die Energieeffizienz nochmals gesteigert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die wärmeenergieabgebende Komponente zumindest ein Abgasturbolader. Es kann also die wärmeenergieabgebende Komponente ein Abgasturbolader oder ein abgasführendes Bauteil jeweils alleine oder beide Bauteil umfassen. Abgasturbolader weisen ein gekühltes Gehäuse auf, um die bei ihrem Betrieb entstehenden Wärmemenge vom Turbolader abzuführen, um diesen so vor Überhitzung zu schützen. So kann bei einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine die Wärme, die beim Betrieb des Turboladers auftritt, genutzt werden. So wird die Energieeffizienz nochmals gesteigert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein Dampf-Wärmetauscher. Es wird also ein Arbeitsmedium, z. B. Wasser, verdampft und anschließend wieder kondensiert. Dies erlaubt eine besonders effiziente Übertragung von Energie auf die Wärmekraftmaschine ohne große Verluste. So ist die Energieeffizient nochmals gesteigert.
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Zielführend wird bei der Erfindung die von dem Verbrennungsmotor entstehende Abwärme, sei es Form der bisher ungenutzten Abgaswärme oder des Abgasturboladers genutzt um die Wasserpumpe anzutreiben. So kann ein Energieabgriff an der Kurbelwelle zum Antrieb der Wasserpumpe zumindest reduziert werden, eventuell sogar vollständig entfallen, wobei ein dampfpufferfreier Betrieb möglich ist.
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Ferner gehört zur Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Motorbaugruppe.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt
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1 eine Motorbaugruppe in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 eine Motorbaugruppe in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen. Die zeigt eine Motorbaugruppe 1 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z.B. eines PKWs.
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Die Motorbaugruppe 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Brennkraftmaschine 2 auf. Bei der Brennkraftmaschine 2 kann es sich um einen Otto- oder einen Dieselmotor handeln. Um die Brennkraftmaschine 2 zu kühlen ist ein Kühlmittelkreislauf 9 vorgesehen, der einen Wasserpumpe 6 aufweist, mit der ein Kühlmittel, z. B. Wasser welches mit Frostschutzmittel durchmischt ist, im Kühlmittelkreislauf 9 gefördert werden kann.
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Die Brennkraftmaschine 2 weist ferner eine wärmeenergieabgebende Komponente 3 auf. Die wärmeenergieabgebende Komponente 3 kann ein abgasführendes Bauteil, wie z.B. ein Rohrabschnitt, oder ein gekühltes Gehäuse eines Abgasturboladers sein, wenn die Brennkraftmaschine turboaufgeladen ausgebildet ist.
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Die wärmenergieabgebende Komponente 3 ist Teil eines Primärkreislaufes 10, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner einen Wärmetauscher 4 aufweist. Der Wärmetauscher 4 wiederum ist Teil eines Sekundärkreislaufs 11, der zusätzlich eine Wärmekraftmaschine 5 aufweist. Somit wird Wärmeenergie von der wärmeabgebenden Komponente 3 über den Wärmetauscher 4 der Wärmekraftmaschine 5 zugeführt. Dabei wird von dem Wärmetauscher 4 Wasserdampf erzeugt, der die Wärmekraftmaschine 5 antreibt. Insofern ist der Sekundärkreislauf 11 als Dampfkreislauf ausgebildet, während der Primärkreislauf 10 ein Flüssigkeitskreislauf ist, in dem Flüssigkeit, z. B. Wasser, zirkuliert, ohne einen Phasenübergang zu erfahren.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wärmekraftmaschine 5 eine Dampfmaschine, die im Dampf enthaltene Wärmeenergie (auch Druckenergie) mittels Kolben in mechanische Arbeit umwandelt. Alternativ kann die Wärmekraftmaschine 5 auch eine Dampfturbine sein.
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Die Wärmekraftmaschine 5 ist mit der Wasserpumpe 6 antriebskräfteübertragend verbunden, so dass die Wärmekraftmaschine 5 die Wasserpumpe 6 antreiben kann, um eine Kühlung der Brennkraftmaschine 2 zu bewirken. Hierbei wälzt dann die Wasserpumpe 6 ein Kühlmittel, z. B. Wasser mit einem Frostschutzmittel, im Kühlmittelkreislauf 9 um.
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Ferner sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Motor 7 und eine zwischen dem Motor 7 und der Wasserpumpe 6 angeordnete Kupplung 8 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als lösbare Kupplung ausgebildet ist. Die Kupplung 8 stellt somit eine lösbare, antriebskräfteübertragende Verbindung zwischen dem Motor 7 und der Wasserpumpe 6 her.
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Der Motor 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Elektromotor. Der Motor 7 und die Wärmekraftmaschine 5 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Reihe angeordnet. Mit der Kupplung 8 kann der Motor 7 unmittelbar von der Wärmekraftmaschine 5 und mittelbar von der Wasserpumpe 6 abgekoppelt werden, so dass der Motor 7 nicht mitläuft, wenn die Wärmekraftmaschine 5 eine ausreichende Antriebskraft zum Antreiben der Wasserpumpe 6 bereitstellt. Umgekehrt kann mit der Kupplung 8 der Motor 7 angekoppelt werden, wenn die Antriebskräfte der Wärmekraftmaschine 5 nicht ausreichen, um die Wasserpumpe 6 derart anzutreiben, das diese eine ausreichende Kühlwirkung zum Kühlen der Brennkraftmaschine 2 bereitstellt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß der 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 dadurch, dass der Motor 7 und die Wärmekraftmaschine 5 nicht in Reihe, sondern parallel auf die Wasserpumpe 6 wirken. Daher weist die Wasserpumpe 6 zwei Eingangspfade auf, mit der der Wasserpumpe 6 Antriebsenergie zugeführt werden kann. Mit der Kupplung 8 kann der Motor 7 unmittelbar von der Wasserpumpe 6 abgekoppelt werden, so dass der Motor 7 nicht mitläuft, wenn die Wärmekraftmaschine 5 eine ausreichende Antriebskraft zum Antreiben der Wasserpumpe 5 bereitstellt. Umgekehrt kann mit der Kupplung 8 der Motor 7 angekoppelt werden, wenn die Antriebskräfte der Wärmekraftmaschine 5 nicht ausreichen, um die Wasserpumpe 5 derart anzutreiben, das diese eine ausreichende Kühlwirkung zum Kühlen der Brennkraftmaschine 2 bereitstellt.
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Anstelle der Kupplung 6 kann auch eine als Freilaufkupplung ausgebildete Kupplung 6 vorgesehen sein, so dass zwar Antriebsenergie von dem Motor 7 zu der Wasserpumpe 6 übertragen werden kann, jedoch nicht umgekehrt Antriebsenergie von der Wärmekraftmaschine 5 über die Wasserpumpe 6 zu dem Motor 7. Dabei wird unter einer Freilaufkupplung (auch Überholkupplung) eine nur in einer Drehrichtung wirkende Kupplung wirkende Kupplung verstanden, die sich selbsttätig löst, wenn die Drehzahl des eigentlich anzutreibenden Teils größer als die des treibenden Teils ist.
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Es wird nun sowohl anhand der 1 als auch anhand der 2 der Betrieb der Motorbaugruppe 1 erläutert.
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Bei der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine 2 ist diese noch kalt, d. h. ihre Temperatur liegt unterhalb einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 2.
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Mit zunehmender Betriebsdauer erwärmt sich die Brennkraftmaschine 2, sodass die aktuelle Temperatur die Betriebstemperatur erreicht, mit deren Erreichen ein Kühlen der Brennkraftmaschine 2 erforderlich ist, um deren Überhitzung zu verhindern.
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Mit der zunehmenden Temperatur erwärmt sich auf die wärmeabgebende Komponente 3. Die von der wärmeabgebenden Komponenten 3 abgegebene Wärme wird über den Primärkreislauf 10 dem Wärmetauscher 4 zugeführt, der mit Hilfe der zugeführten Wärme Wasserdampf erzeugt, der dann über den Sekundärkreislauf 11 der Wärmekraftmaschine 5 zugeführt wird und diese anfängt anzutreiben.
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Durch die Wärmekraftmaschine 5 wird dann die Wasserpumpe 6 angetrieben, sodass von der Wasserpumpe 6 das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 9 umgewälzt wird und so die Brennkraftmaschine 2 kühlt. Somit nimmt zeitgleich mit der zunehmenden Erwärmung der Brennkraftmaschine 2 die Kühlwirkung der im Kühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlflüssigkeit zu und verhindert so ein Überhitzen der Brennkraftmaschine 2.
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Sollte sich trotzdem die Brennkraftmaschine 2 auf eine Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur erwärmen, z. B. aufgrund außergewöhnlicher Wetterverhältnisse, wird dies z. B. mittels eines Temperatursensors (nicht dargestellt) erfasst und einem Steuergerät (nicht dargestellt) zugeführt. Das Steuergerät steuert daraufhin die lösbare Kupplung 8 derart an, dass diese antriebskräfteübertragend schließt, und steuert zugleich den Motor 7 an, um diesen zu aktivieren. Nun treibt zusätzlich der Motor 7 die Wasserpumpe 6 an, so dass das Kühlmittel mit einer erhöhten Rate umgewälzt wird, was zu einer erhöhten Kühlwirkung führt.
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Somit wird eine Motorbaugruppe 1 mit einem vereinfachten Aufbau bereitgestellt, die Energieverluste durch von der Brennkraftmaschine 2 abgegebene Wärmeenergie durch Wiederverwendung nutzt und so die Energieeffizienz der Motorbaugruppe 1 steigert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorbaugruppe
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- wärmeenergieabgebende Komponente
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Wärmekraftmaschine
- 6
- Wasserpumpe
- 7
- Motor
- 8
- Kupplung
- 9
- Kühlmittelkreislauf
- 10
- Primärkreislauf
- 11
- Sekundärkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 2111220 U [0003]
- US 2010/192569 A1 [0004]
- US 5896746 A [0005, 0006, 0006]
