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Die Erfindung betrifft eine Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines Verdichters in einer Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft überdies eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Abgasrückführung eines aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung und Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln eines entsprechenden Abgasrückführungsstroms sind bekannt. Um eine möglichst hohe Abgasrückführrate zu erzielen, ist es wünschenswert, zwischen einem Abgastrakt und einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eine möglichst hohe Druckdifferenz zu erzeugen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die über einen Verdichter im Ansaugtrakt verfügen, muss der Druck im Abgastrakt zumindest geringfügig höher sein als im Ansaugtrakt, um eine Abgasrückführung zu ermöglichen.
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In der Praxis ist es sogar möglich, dass aufgrund der Verdichtung der Ansaugluft diese einen höheren Druck aufweist als die eigentlich zurückzuführenden Abgase. Um dennoch entgegen der eigentlich negativen Druckdifferenz eine Abgasrückführung und so eine Vermischung der Frischluft mit Abgasen zu erreichen, ist es insbesondere aus den Druckschriften
DE 198 19 699 A1 ,
DE 101 13 812 A1 und
DE 196 03 591 C1 bekannt, die im Abgasbereich der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Abgase durch geeignete Mittel zusätzlich zu verdichten.
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Außerdem ist es bekannt, bei Brennkraftmaschinen, deren Frischluftverdichter durch eine Abgasturbine angetrieben wird, die Turbinengeometrie derart zu verändern, dass sich vor der Abgasturbine ein ausreichend hoher Staudruck ergibt, sodass durch diese Maßnahme eine Abgasrückführung möglich wird. Schließlich ist eine weitere Möglichkeit bekannt, eine positive Druckdifferenz zur Rückführung von Abgasen zwischen dem Abgasbereich und dem Frischluftbereich der Brennkraftmaschine zu erzielen, indem stromaufwärts der Abgaseinmündung im Ansaugtrakt eine Drosselklappe vorgesehen ist. Mit der Drosselklappe lässt sich der Druck im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine erniedrigen, sodass eine Abgasrückführung möglich ist.
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Des Weiteren ist es bekannt, in der Abgasrückführung einen elektrisch betriebenen Zusatzverdichter einzusetzen. Dieser weist jedoch einen relativ hohen Energiebedarf auf.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine anzugeben, welche in jeder Drehzahl- und/oder Lastsituation der Brennkraftmaschine die Bereitstellung eines höheren Drucks im Ansaugtrakt gegenüber dem Abgastrakt ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiebedarf einer Vorrichtung zum Verdichten der rückgeführten Abgase sowie die Kosten für deren Herstellung zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird mit einer Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird die Erfindung durch die Verwendung eines Verdichters in einer Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Überdies wird die Erfindung mit einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Darüber hinaus wird die Erfindung mit einem Verfahren zur Abgasrückführung eines aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zum Verdichten eines rückgeführten Abgases, wobei der Verdichter durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe ausgebildet ist, die durch bei einem Öffnen zumindest eines Zylinderauslassventils der Brennkraftmaschine bewirkten Abgasdruckpulsationen antreibbar ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren die Verwendung eines Verdichters in einer Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei der Verdichter durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe ausgebildet ist, die durch bei einem Öffnen zumindest eines Zylinderauslassventils der Brennkraftmaschine bewirkten Abgasdruckpulsationen antreibbar ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft überdies eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung, umfassend einen in einem Ansaugtrakt angeordneten weiteren Verdichter zum Verdichten einer Ansaugluft, welche durch eine, mit aus einem Abgastrakt ausgestoßenen Abgases beaufschlagte Turbine eines Abgasturboladers angetrieben ist.
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Die Erfindung schafft darüber hinaus ein Verfahren zur Abgasrückführung eines aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases. Das Verfahren umfasst ein Öffnen zumindest eines Zylinderauslassventils der Brennkraftmaschine, durch welches Abgasdruckpulsationen erzeugt werden. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Antreiben eines durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe ausgebildeten Verdichters einer Abgasrückführungseinrichtung der Brennkraftmaschine durch die erzeugten Abgasdruckpulsationen. Das Verfahren umfasst überdies ein Rückführen des durch den Verdichter aufgeladenen Abgases in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch Ausbilden des Verdichters durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe die bei einem Öffnen zumindest eines Zylinderauslassventils der Brennkraftmaschine bewirkten Abgasdruckpulsationen zum Antrieb der elektrisch betreibbaren Membranpumpe zu nutzen. Somit kann in vorteilhafter Weise eine erforderliche zusätzliche Antriebsleistung des Verdichters reduziert werden. Des Weiteren ist die elektrisch betreibbare Membranpumpe in vorteilhafter Weise kostengünstig herstellbar.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter einen elektrisch betätigbaren Aktuator aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, eine Funktion der elektrisch betreibbaren Membranpumpe zu unterstützen. Somit ist der Verdichter in vorteilhafter Weise anteilsmäßig durch die Abgasdruckpulsationen der Brennkraftmaschine und anteilsmäßig durch die elektrisch betreibbare Membranpumpe antreibbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter eine in einem Verdichterraum angeordnete Membran aufweist, welche den Verdichterraum in eine erste Verdichterkammer und eine zweite Verdichterkammer unterteilt, wobei an der ersten Verdichterkammer ein Pumpeneinlassventil und ein Pumpenauslassventil angeordnet sind. Somit kann die Membran in vorteilhafter Weise mit einer Abgasdruckpulsation beaufschlagt werden, wobei die Membran diese in eine Federenergie umwandelt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand des Verdichters die Membran bei geöffnetem Pumpeneinlassventil und geschlossenem Pumpenauslassventil durch zumindest eine Abgasdruckpulsation derart auslenkbar ist, dass ein Volumen der ersten Verdichterkammer vergrößerbar und ein Volumen der zweiten Verdichterkammer verkleinerbar ist, und wobei in einem zweiten Betriebszustand des Verdichters die Membran bei geschlossenem Pumpeneinlassventil und geöffnetem Pumpenauslassventil durch eine Federspannung der Membran und einen in der zweiten Verdichterkammer anliegenden Druck derart auslenkbar ist, dass das Volumen der ersten Verdichterkammer verkleinerbar und das Volumen der zweiten Verdichterkammer vergrößerbar ist. Somit kann die Abgasdruckpulsation in vorteilhafter Weise zum Antreiben der elektrisch betreibbaren Membranpumpe sowie Bereitstellen eines Drucks verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der elektrisch betätigbare Aktuator derart mit der Membran verbunden ist, dass dieser dazu ausgebildet ist, bei Bestromung eine Auslenkung der Membran zu unterstützen und/oder eine Resonanzfrequenz der Membran zu ändern. Somit kann ein Wirkungsgrad der Abgasrückführungseinrichtung verbessert werden. Darüber hinaus ist der Aktuator an jeweilige Abgasdruckpulsationen in vorteilhafter Weise anpassbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Resonanzfrequenz der Membran durch Konstantbestromung des Aktuators mit einer Frequenz der Abgasdruckpulsationen mitführbar ist, wobei ein eingestellter Strom eine Funktion der Resonanzfrequenz ist. Somit kann in vorteilhafter Weise ein besonders hoher Wirkungsgrad der Abgasrückführungseinrichtung erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das durch den Verdichter aufgeladene Abgas in ein Ansaugrohr eines Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine oder drallerzeugend vor Zylindereinlassventilen der Brennkraftmaschine in einen Ansaugkrümmer des Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine einleitbar ist. Somit kann in vorteilhafter Weise ein aufgeladener Abgasstrom in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Abgasleitung der Abgasrückführungseinrichtung, durch welche ein Abgastrakt der Brennkraftmaschine mit dem Verdichter der Abgasrückführungseinrichtung verbindbar ist, eine erste Kühlvorrichtung angeordnet ist, welche mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Somit kann das in den Abgastrakt abgegebene Abgas, welches eine hohe Temperatur aufweist, vorzugsweise auf eine geringere Temperatur gekühlt werden. Dies trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, dass der Verdichter der Abgasrückführungseinrichtung nicht überhitzt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Abgasleitung der Abgasrückführungseinrichtung, durch welche der Verdichter mit einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbindbar ist, eine zweite Kühlvorrichtung angeordnet ist, welche mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Somit kann in vorteilhafter Weise das aus dem Verdichter austretende, aufgeladene Abgas vor Einleiten in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gekühlt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Abgastrakt an einem, einem Abgaskrümmer nachgeordneten Abschnitt eine Verzweigung aufweist, von welcher eine Abgasleitung der Abgasrückführungseinrichtung zu dem Verdichter und eine weitere Abgasleitung zu einer Turbine eines Abgasturboladers führt. Somit kann je nach Anforderung ein definiertes Abgasvolumen dem Verdichter und ein definiertes Abgasvolumen der Turbine des Abgasturboladers zugeführt werden. Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine mit der Abgasrückführungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer elektrisch betreibbaren Membranpumpe gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Abgasrückführung eines aus der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise einen ersten Brennraum bzw. Zylinder 14, einen zweiten Zylinder 15, einen dritten Zylinder 16 und einen vierten Zylinder 17 auf. Alternativ kann auch eine andere geeignete Anzahl von Zylindern vorgesehen sein. An dem ersten Zylinder 14 ist vorzugsweise ein Zylindereinlassventil 14a und ein Zylinderauslassventil 14b angeordnet. An dem zweiten Zylinder 15 ist vorzugsweise ein Zylindereinlassventil 15a und ein Zylinderauslassventil 15b angeordnet. An dem dritten Zylinder 16 ist vorzugsweise ein Zylindereinlassventil 16a und ein Zylinderauslassventil 16b angeordnet. An dem vierten Zylinder 17 ist vorzugsweise ein Zylindereinlassventil 17a und ein Zylinderauslassventil 17b angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist des Weiteren einen Ansaugtrakt 30 und einen Abgastrakt 40 auf. Der Abgastrakt 40 weist vorzugsweise an einem, einem Abgaskrümmer 37 nachgeordneten Abschnitt 38 eine Verzweigung 39 auf. Von der Verzweigung 39 führt vorzugsweise eine Abgasleitung 27 der Abgasrückführungseinrichtung 10 zu einem Verdichter 12 der Abgasrückführungseinrichtung 10. Des Weiteren führt vorzugsweise eine weitere Abgasleitung 38 zu einer Turbine 35 eines Abgasturboladers 36.
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Die Turbine 35 des Abgasturboladers 36 treibt vorzugsweise einen weiteren Verdichter 41 des Abgasturboladers 36 an, welcher dazu ausgebildet ist, eine Ansaugluft der Brennkraftmaschine 1 aufzuladen. Eine durch den weiteren Verdichter 41 aufgeladene Ladeluft strömt durch einen Ladeluftkühler 42 und wird von diesem vorzugsweise durch ein Ansaugrohr 35 des Ansaugtrakts 30 einem Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Zwischen dem Ladeluftkühler 42 und dem Ansaugkrümmer 26 ist vorzugsweise eine Drosselklappe 26 zum Regulieren eines Ladeluftvolumens angeordnet.
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Die Abgasrückführungseinrichtung 10 weist vorzugsweise den Verdichter 12 zum Verdichten des rückgeführten Abgases auf. Der Verdichter 12 ist vorzugsweise durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe ausgebildet, die durch bei einem Öffnen von Zylinderauslassventilen 14b, 15b, 16b, 17b der Brennkraftmaschine 1 bewirkten Abgasdruckpulsationen antreibbar ist. Das durch den Verdichter aufgeladene Abgas ist vorzugsweise in das Ansaugrohr 25 des Ansaugtrakts 30 der Brennkraftmaschine 1 einleitbar. In der vorliegenden Ausführungsform wird das durch den Verdichter 12 aufgeladene Abgas stromaufwärts der Drosselklappe 23 in das Ansaugrohr 25 eingeleitet. Alternativ kann das durch den Verdichter 12 aufgeladene Abgas beispielsweise stromabwärts der Drosselklappe 23 in das Ansaugrohr 25 des Abgastrakts 30 eingeleitet werden.
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In einer Abgasleitung 27 der Abgasrückführungseinrichtung 10, durch welche der Abgastrakt 40 der Brennkraftmaschine 1 mit dem Verdichter 12 der Abgasrückführungseinrichtung 10 verbunden ist, ist vorzugsweise eine erste Kühlvorrichtung 32 angeordnet. Die erste Kühlvorrichtung 32 ist vorzugsweise mit einem Kühlmittelkreislauf 34 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.
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In der Abgasleitung 27 der Abgasrückführungseinrichtung 10, durch welche der Verdichter 12 mit dem Ansaugtrakt 30 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist, ist vorzugsweise eine zweite Kühlvorrichtung 33 angeordnet. Die zweite Kühlvorrichtung 33 ist vorzugsweise mit dem Kühlmittelkreislauf 34 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine mit der Abgasrückführungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist der Verdichter 12 in der vorliegenden zweiten Ausführungsform derart angeordnet, dass das durch den Verdichter 12 aufgeladene Abgas drallerzeugend vor den Zylindereinlassventilen 14a, 15a, 16a, 17a der Brennkraftmaschine 1 in den Ansaugkrümmer 26 des Ansaugtrakts 30 der Brennkraftmaschine 1 eingeleitet wird. Hierzu ist die Abgasleitung 27 im Bereich des Ansaugkrümmers 26 derart unterteilt, dass diese einen ersten Anschluss 27a, einen zweiten Anschluss 27b, einen dritten Anschluss 27c und einen vierten Anschluss 27d an dem Ansaugkrümmer 26 aufweist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrisch betreibbaren Membranpumpe gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Der Verdichter 12 weist vorzugsweise eine in einem Verdichterraum 18 angeordnete Membran 20 auf. Die Membran 20 unterteilt den Verdichterraum 18 vorzugsweise in eine erste Verdichterkammer 18a und eine zweite Verdichterkammer 18b. Die erste Verdichterkammer 18a weist vorzugsweise ein Pumpeneinlassventil 21 und ein Pumpenauslassventil 22 auf.
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In einem ersten Betriebszustand des Verdichters 12 ist die Membran 20 bei geöffnetem Pumpeneinlassventil 21 und geschlossenem Pumpenauslassventil 22 vorzugsweise durch zumindest eine Abgasdruckpulsation derart auslenkbar, dass ein Volumen der ersten Verdichterkammer 18a vergrößerbar und ein Volumen der zweiten Verdichterkammer 18b verkleinerbar ist. In der vorliegenden Darstellung ist die Membran 20 in einem ausgelenkten Zustand gezeigt.
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In einem zweiten Betriebszustand des Verdichters 12 ist die Membran 20 bei geschlossenem Pumpeneinlassventil 21 und geöffnetem Pumpenauslassventil 22 vorzugsweise durch eine Federspannung der Membran 20 und einen in der zweiten Verdichterkammer 18b anliegenden Druck derart auslenkbar, dass das Volumen der ersten Verdichterkammer 18a verkleinerbar und das Volumen der zweiten Verdichterkammer 18b vergrößerbar ist. Darüber hinaus weist der Verdichter 12 vorzugsweise einen elektrisch betätigbaren Aktuator 24 auf.
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Der elektrisch betätigbare Aktuator 24 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine Funktion der elektrisch betreibbaren Membranpumpe zu unterstützen. Der elektrisch betätigbare Aktuator 24 ist vorzugsweise derart mit der Membran 20 verbunden, dass dieser dazu ausgebildet ist, bei Bestromung eine Auslenkung der Membran 20 zu unterstützen und eine Resonanzfrequenz der Membran 20 zu ändern.
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Der Aktuator 24 ist vorzugsweise durch eine Magnetspule ausgebildet, wobei bei einer Bestromung der Magnetspule ein Schwinganker 42, welcher mit der Membran 20 verbunden ist, auslenkbar ist. Somit kann die durch Abgasdruckpulsationen bewirkte Auslenkung der Membran zusätzlich durch Konstantbestromung des Aktuators 24 mit einer Frequenz der Abgasdruckpulsationen unterstützt werden. Die Resonanzfrequenz der Membran 20 ist somit durch die Konstantbestromung des Aktuators 24 mit einer Frequenz der Abgasdruckpulsationen mitführbar, wobei ein eingestellter Strom eine Funktion der Resonanzfrequenz ist.
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Alternativ ist die phasensynchrone Bestromung des Aktuators 24 mit der Konstantbestromung des Aktuators 24 überlagerbar. Die Konstantbestromung ist hierbei geringer als eine Vollbestromung zu wählen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Abgasrückführung eines aus der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Das Verfahren zur Abgasrückführung eines aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases umfasst ein Öffnen S1 zumindest eines Zylinderauslassventils der Brennkraftmaschine, durch welches Abgasdruckpulsationen erzeugt werden. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Antreiben eines durch eine elektrisch betreibbare Membranpumpe ausgebildeten Verdichters einer Abgasrückführungseinrichtung der Brennkraftmaschine durch die erzeugten Abgasdruckpulsationen. Das Verfahren umfasst überdies ein Rückführen des durch den Verdichter aufgeladenen Abgases in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise kann der Verdichter 12 einen anderen geeigneten Aktuator aufweisen. Überdies kann der Verdichter an einer anderen geeigneten Stelle in dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19819699 A1 [0003]
- DE 10113812 A1 [0003]
- DE 19603591 C1 [0003]