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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für Kraftstoff-Einspritzsysteme für kleine Motorräder, wie beispielsweise Roller, Schneemobile, Quads, Motorboot oder dergleichen, oderweiteren kleinen Motoranwendungen, wie z. B. Kettensägen, gemäß dem Anspruch 1.
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Eine derartige Kolbenpumpe ist beispielsweise aus der
GB 2478876B bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Magnetkolbenpumpe, welche einen Kolben, einen Aktor zur Betätigung des Kolbens, ein Rückstellelement zur Rückstellung des Kolben in eine Ausgangsposition, ein Einlassventil, einen Verdichtungsraum und einen Auslassventil aufweist. Durch die Betätigung des Kolbens wird in der Ansaugphase Kraftstoff über das Einlassventil in den Verdichtungsraum angesaugt. In der Verdichtungsphase wird der Kraftstoff über das Auslassventil aus dem Verdichtungsraum gefördert.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei Kolbenpumpen gemäß dem Stand der Technik sind das Einlassventil und das Auslassventil an der gleichen Seite des Verdichtungsraums koaxial zueinander angeordnet. Typischerweise sind die Ventile dabei räumlich hintereinander angeordnet, so dass das vom Verdichtungsraum weiter entfernt liegende Ventil über einen Kanal mit dem Verdichtungsraum fluidisch verbunden ist, typischerweise ist dies das Auslassventil. Während der Verdichtungsphase der Kolbenpumpe kann der im Kanal befindliche Kraftstoff nicht wie der im Verdichtungsraum befindliche Kraftstoff komprimiert werden. Das Volumen des Kanals wirkt somit als Totvolumen und verringert die Förderleistung der Kolbenpumpe.
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Des Weiteren ergibt sich durch den sich zu teilenden und begrenzten Bauraum für das Einlassventil und das Auslassventil, dass die Strömungsflächen für die Ventile sehr begrenzt sind. Insbesondere für das Einlassventil steht in der Regel eine relativ kleine Fläche als Strömungsflächen zur Verfügung. Diese kleine Strömungsfläche bedeutet eine große Drosselung für den strömenden Kraftstoff. Je größer die Drosselung beim Einlassventil ist umso stärker muss der Ansaugunterdruck für den Kraftstoff sein, damit ausreichend viel Kraftsoff in den Verdichtungsraum während der Ansaugphase strömt. Der hohe Ansaugunterdruck vermindert die Förderleistung der Pumpe. Des Weiteren kann der hohe Ansaugunterdruck auch dazu führen, dass der angesaugte Kraftstoff ausgast und dadurch der Volumenstrom des Kraftstoffs einbricht. Dies verringert zusätzlich zu den bereits erwähnten Faktoren die Förderleistung der Kolbenpumpe.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kolbenpumpe, der eingangs genannten Art, dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass das Einlassventil eine größere Strömungsfläche aufweist und somit die Drosselung des in den Verdichtungsraum strömenden Kraftstoffs reduziert ist, dadurch wird ebenfalls der minimal erforderliche Ansaugunterdruck verringert, wodurch eine Ausgasung des Kraftstoffes verhindert werden kann. Des Weiteren hat die erfindungsgemäße Kolbenpumpe den Vorteil, dass durch die Anordnung des Auslassventils im Kolben der Kanal zwischen Verdichtungsraum und Auslassventil entfällt und somit das Totvolumen im Verdichtungsraum verringert wird. Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Einlassventil im Zylinderboden und das Auslassventil im Kolben angeordnet sind. Hierbei umfasst die Kolbenpumpe einen Zylinder, der einen Zylinderboden und Zylinderwände aufweist, einen im Zylinder angeordneten Kolben, einen Aktuator, der den Kolben in eine erste Richtung im Zylinder bewegt, eine Rückstellelement, insbesondere eine Feder, das den Kolben in eine zweite Richtung im Zylinder bewegt, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, einen Verdichtungsraum, der durch den Kolben, den Zylinderboden und den Zylinderwänden begrenzt wird, ein Einlassventil, durch das einen Kraftstoff in den Verdichtungsraum strömt, und ein Auslassventil, durch das der Kraftstoff aus dem Verdichtungsraum strömt. Somit kann erfindungsgemäß durch die im Verdichtungsraum an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Ventile, Einlassventil und Auslassventil, die Förderleistung und der Wirkungsgrad der Kraftstoffpumpe verbessert werden. Des Weiteren entfällt bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Einlassventils und des Auslassventils die aufwendige hintereinander Anordnung der beiden Ventile, wodurch die Konstruktion sich vereinfacht und die Produktionskosten sich reduzieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt liegen das Einlassventil und das Auslassventil auf einer gemeinsamen Achse, wobei insbesondere diese Achse der Bewegungsachse des Kolbens entspricht. Dadurch ergibt sich für den Kraftstoff ein axialer Strömungsverlauf durch die Pumpe und den Verdichtungsraum, wodurch der Strömungswiderstand reduziert wird. Im Vergleich zu einer Kolbenpumpe aus dem Stand der Technik ist eine Umlenkung des Kraftsoff-Flusses im Verdichtungsraum nicht mehr notwendig. Jede Umlenkung einer Strömung erhöht den Strömungswiderstand für das strömende Medium.
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Untersuchungen der Anmelderin haben zusätzlich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Strömungsfläche des Auslassventils mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, der Querschnittsfläche des Kolbens am Kolbenboden entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Strömungsfläche des Auslassventils ausreichend groß ist, damit der Kraftstoff in der Zeitdauer der Verdichtungsphase aus dem Verdichtungsraum ausströmt.
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Weitere Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn zusätzlich oder alternative die Strömungsfläche des Auslassventils maximal 60%, insbesondere maximal 50%, der Querschnittsfläche des Kolbens am Kolbenboden entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kolben eine noch ausreichend dicke Wandstärke und Bodenfläche für die Stabilität des Kolbens hat. Des Weiteren ist die Kolbenbodenfläche noch ausreichend groß um den Kraftstoff im Verdichtungsraum zu komprimieren.
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Zusätzlich oder alternative ist es vorteilhaft, dass die Strömungsfläche des Einlassventils mindestens 10%, insbesondere mindestens 15%, der Querschnittsfläche des Verdichtungsraums am Zylinderboden entspricht, wie systematische Untersuchungen der Anmelderin gezeigt haben. Dadurch ergibt sich vorteilhaft, dass die Strömungsfläche des Einlassventils ausreichend groß ist, so dass der Ansaugunterdruck nicht zu groß ist, wodurch die Förderleistung der Pumpe verbessert ist und gleichzeitig ein Ausgasen des angesaugten Kraftstoffes verhindert wird.
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Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Strömungsfläche des Einlassventils maximal 80%, insbesondere maximal 60%, der Querschnittsfläche des Verdichtungsraums am Zylinderboden entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der Zylinderboden eine ausreichende Fläche aufweist, damit das Einlassventil im Zylinderboden befestigt werden kann.
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Vorzugsweise sind das Auslassventil und/oder das Einlassventil als ein Membranventil ausgebildet. Somit kann ein kompakter und platzsparender Aufbau ermöglicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist das Auslassventil im Kolben, insbesondere im Kolbenboden, angeordnet. Der Kolbenboden ist die dem Verdichtungsraum zugewandte Seite des Kolbens. Vorteilhaft weist der Kolbenboden eine Ausnehmung auf, in der das Auslassventil angeordnet ist. Beispielsweise ist das Auslassventil mittels eines Rings im Kolben befestigt. Der Ring ist vorteilhafterweise mit dem Kolben kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise kann der Ring in der Ausnehmung des Kolbenbodens eingepresst, angeschweißt oder eingeklebt sein und dadurch das Auslassventil in der Ausnehmung fixieren.
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Alternative kann das Auslassventil selbst durch eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung am Kolbenboden oder in einer Ausnehmung im Kolbenboden befestigt sein.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Auslassventil oder das Auslassventil und der Ring, so in der Ausnehmung angeordnet sind, dass das Auslassventil oder das Auslassventil und der Ring bündig mit dem Kolbenboden abschließen. Durch den bündigen Abschluss wird ein Totvolumen am Kolbenboden minimiert und die Fläche des Kolbenbodens zur Komprimierung des im Verdichtungsraum befindlichen Kraftstoffs vergrößert.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Ring nicht nur als Befestigungsmittel für das Auslassventil fungiert, sondern zusätzlich auch als ein Dichtelement zwischen Verdichtungsraum und Kolbenrückseite dient. Die Kolbenrückseite ist die vom Verdichtungsraum abgewandte Seite des Kolbens, d. h. die Kolbenrückseite ist die dem Kolbenboden gegenüberliegende Seite am Kolben.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Kolben einen Kanal aufweist, der den Verdichtungsraum fluidisch mit einem Raum auf der Kolbenrückseite verbindet. Der Kanal erstreckt sich axial innerhalb des Kolbens. Der Kanal beginnt am Auslassventil und endet an der Kolbenrückseite. Innerhalb eines Abschnitts des Kanals ist beispielsweise das Rückstellelement angeordnet, dass den Kolben in die zweite Richtung im Zylinder bewegt.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe in a) der Saugphase und b) der Verdichtungsphase
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Kolbenpumpe 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In 1b) ist der in 1a) mit dem Kreis X gekennzeichnete Bereich vergrößert dargestellt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 in der Form einer Magnetkolbenpumpe ausgebildet und weist dementsprechend einen Zylinder 2, einen im Zylinder 2 angeordneten Kolben 3, eine Magnetspule als Aktor 4 zur Betätigung des Kolbens 3 in eine erste Richtung (Pfeil A) und eine Feder als Rückstellelement 5 zum Bewegen des Kolbens 3 in eine zweite Richtung (Pfeil B) bis in seine Ausgangsposition auf. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe 1 ein erstes Einlassventil 7, ein Auslassventil 8 und einen Verdichtungsraum 6. Die genannten Komponenten der Kolbenpumpe 1 sind von einem Gehäuse 11 und einer Ankerplatte 12 umgeben.
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In der Ansaugphase ist die Magnetspule 4 bestromt und der Kolben 3 wird innerhalb des Zylinders 2 in eine erste Richtung (Pfeil A) zur Ankerplatte 12 hin bewegt und schlägt ggfls. an der Ankerplatter 12 an. In der Verdichtungsphase ist die Magnetspule 4 ausgeschaltet und die Feder 5 bewegt den Kolben 3 in eine zweite Richtung (Pfeil B), die der ersten Richtung (Pfeil A) entgegengesetzt ist, in seine Ausgangsposition zurück. Die Feder 5 ist dabei zwischen dem Kolben 3 und einem Federhalter 13 eingespannt. Der Federhalter 13 ist in oder an der Ankerplatte 12 angeordnet. Die Feder 5 selbst ist mindestens teilweise innerhalb einer Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 angeordnet. Durch den separaten Federhalter 13 kann die Rückstellkraft der Feder 5 unabhängig vom Hub eingestellt werden. Durch die Ankerplatte 12 wird der Hub der Kolbenpumpe 1 eingestellt.
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Der Zylinder 2 weist einen Zylinderboden 21 und Zylinderwände 22 auf. Innerhalb des Zylinders 2 ist der Kolben 3 beweglich angeordnet. Der Zylinderboden 21, die Zylinderwände 22 und der Kolben 3 begrenzen den Verdichtungsraum 6. Die zum Verdichtungsraum 6 zugewandte Kolbenseite wird Kolbenboden 31 genannt und die entsprechend entgegen gesetzte Seite des Kolbens 3 ist die Kolbenrückseite 33, an der das Rückstellelement 5 angeordnet ist und die der Ankerplatte 12 zugewandt ist.
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Das Einlassventil 7 ist im Zylinderboden 21 angeordnet. Das Einlassventil 7 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Fläche, durch die der Kraftstoff strömt, von 30%–45% in Bezug auf die Querschnittsfläche des Verdichtungsraums 6 am Zylinderboden 21.
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Das Auslassventil 8 ist im Kolben 3 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Auslassventil 8 im Kolbenboden 3 angeordnet. Genauer gesagt weist der Kolbenboden 3 eine Ausnehmung auf, in der das Auslassventil 8 und in diesem Beispiel ein Ring 9 zur Befestigung des Auslassventils 8 in der Ausnehmung am Kolbenboden 31 angeordnet sind. Der Ring 9 ist kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Kolben 3 verbunden. Beispielsweise ist der Ring 9 in der Ausnehmung des Kolbenbodens 31 eingepresst, eingeklebt oder angeschweißt. Vorzugsweise ist der Ring 9 so ausgebildet und mit dem Kolben 3 verbunden, dass der Ring 9 die Funktion eines Dichtelements am Kolben erfüllt.
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Alternativ kann das Auslassventil 8 selbst so gestaltet und befestigt sein, dass auf den Ring 9 zur Befestigung und zur Abdichtung verzichtet werden kann.
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Die Ausnehmung am Kolbenboden 31 ist so gestaltet, dass der Ring 9 bündig mit dem Kolbenboden 31 abschließt. Wenn auf den Ring 9 verzichtet wird, dann schließt entsprechend das Auslassventil 8 bündig mit dem Kolbenboden 31 ab.
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Das Auslassventil 8 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Fläche, durch die der Kraftstoff strömt, von 5%–15% in Bezug auf die Querschnittsfläche des Kolbens 3 am Kolbenboden 31.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind das Auslassventil 8 und das Einlassventil 7 als Membranventile ausgebildet. Das Auslassventil 8 und das Einlassventil 7 liegen auf einer gemeinsamen Achse M, die der Bewegungsachse des Kolbens 3 entspricht. Dadurch durchströmt der Kraftstoff die Kolbenpumpe 1 axial.
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Neben der Ausnehmung am Kolbenboden 31 und der Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 weist der Kolben 3 noch einen Kanal 10 auf. Der Kanal 10 erstreckt sich dabei ausgehend vom Auslassventil 8 in Richtung der Kolbenrückseite 33. Vorteilhaft stellt der Kanal 10 eine fluidische Verbindung zwischen der Ausnehmung am Kolbenboden 31, in der das Auslassventil 8 angeordnet ist, und der Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33, in der das Rückstellelement 5 angeordnet ist, her. Der Kanal 10 kann Bereiche 101, 102 mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen. Typischerweise weist ein erster Bereich 101 des Kanals 10, der direkt an das Auslassventil 8 angrenzt, einen größeren Durchmesser auf als ein zweiter Bereich 102, der direkt an die Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 angrenzt. Beide Bereiche 101, 102 des Kanals 10 können jeweils für sich einen konstante Durchmesser aufweisen (2). Der Übergang zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 des Kanals 10 wird durch einen ersten Absatz 103 gebildet.
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Alternativ kann der erste Bereich 101 des Kanals 10 einen sich in Richtung des zweiten Bereichs 102, insbesondere kontinuierlich, verringernden Durchmesser aufweisen, so dass der erste Absatz 103 sich verkleinert oder vermieden wird. Dadurch wird der Kraftstoff zum zweiten Bereich 102 des Kanals 10 geleitet und Turbulenzen in der Strömung des Kraftstoffs aufgrund von Reflektionen am ersten Absatz 103 vermindert.
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Der zweite Bereich 102 des Kanals 10 hat auch einen kleineren Durchmesser als die Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33, so dass sich ein zweiter Absatz 104 ausbildet. Das Rückstellelement 5 ist zwischen diesem zweitem Absatz 104 und dem Federhalter 13 eingeklemmt.
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Alternative kann auch auf den zweiten Bereich 102 des Kanals 3 verzichtet werden, wenn der erste Bereich 101 des Kanals 3 am Übergang zu der Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 einen kleineren Durchmesser als die Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 hat, so dass der zweite Absatz 104 ausgebildet ist.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Kanal 3 auch nur einen Bereich mit konstantem Durchmesser aufweisen, der sich vom dem Auslassventil 8 bis zur Kolbenrückseite 33 erstreckt. Das Rückstellelement 5 ist dann nicht in einer Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 angeordnet, sondern zwischen Kolbenrückseite 33 und Federhalter 13 eingeklemmt.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 während a) der Ansaugphase und b) der Verdichtungsphase dargestellt. Die hier dargestellt Kolbenpumpe 1 unterscheidet sich von der Kolbenpumpe 1 gemäß 1 nur durch den Übergang von ersten Bereich 101 des Kanals 3 zum zweiten Bereich 102 des Kanals 10.
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Während der Ansaugphase wird der Kolben 3 in eine erste Richtung (Pfeil A) bewegt, wodurch im Verdichtungsraum 6 ein Unterdruck entsteht und Kraftstoff (Pfeil C) aus einer Kraftstoffleitung durch das Einlassventil 7 in den Verdichtungsraum 6 strömt. Der strömende Kraftstoff (Pfeile C) drückt dabei das Einlassventil 7 auf, das ein Membranventil ist.
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Während der Verdichtungsphase wird der Kolben 3 durch das Rückstellelement 5 in eine zweite Richtung (Pfeil B) zurück in seine Ausgangsposition bewegt. Dabei verschließt sich das Einlassventil 7. Aufgrund des steigenden Drucks im Verdichtungsraum 6, drückt der Kraftstoff (Pfeil D) das Auslassventil 8 auf, das ein Membranventil ist, und strömt über den Kanal 10 und die Ausnehmung an der Kolbenrückseite 33 in einen Raum an der Kolbenrückseite 33. Über eine weitere Kraftstoffleitung wird der verdichtete Kraftstoff (Pfeil D) aus der Kolbenpumpe 1 zu einer Einspritzvorrichtung weitergeleitet.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 hat beispielsweise eine Förderleistung von 5 Liter pro Stunde bei 3 bar und über 60°C. Diese Kolbenpumpe 1 kann beispielweise bei Motorräder, Quads, Schneemobil, Motorboot oder Kettensägen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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