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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kopplereinheit, wie sie zur Kraftübertragung von einem elektrischen Aktor auf einen beweglichen Kolben Verwendung findet. Eine bevorzugte Anwendung für eine solche hydraulische Kopplereinheit stellt ein Kraftstoffeinspritzventil dar.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind hydraulische Kopplereinheiten in verschiedenster Ausführung bekannt. So ist aus der
DE 103 02 863 B3 eine hydraulische Kopplereinheit für einen Piezoinjektor bekannt, mit deren Hilfe die Auslenkung eines Piezoaktors auf ein Steuerventilelement übertragen wird. Die hydraulische Kopplereinheit dient dabei vor allem dem Ausgleich von thermischen Ausdehnungen, wie sie beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils bzw. der hydraulischen Kopplereinheit auftreten. Darüber hinaus kann die hydraulische Kopplereinheit auch zur Erzielung einer Kraft- oder Wegübersetzung verwendet werden, beispielsweise um den kleinen Hub eines Piezoaktors zu vergrößern. Die hydraulische Kopplereinheit umfasst dabei wenigstens einen Kolben, der einen hydraulischen Arbeitsraum begrenzt. Der Kolben ist dabei in einer Bohrung geführt, wobei zwischen dem Kolben und der Wand der Bohrung ein Leckagespalt verbleibt, über den der hydraulische Arbeitsraum befüllt werden kann. Wird der elektrische Aktor betätigt, so bewegt er den Kolben in den hydraulischen Arbeitsraum hinein, sodass dort der hydraulische Druck ansteigt. Dieser Druckanstieg kann benutzt werden, um bspw. einen weiteren Kolben und ein daran befestigtes Steuerventilelement, das Teil eines Steuerventils ist, zu bewegen.
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Für eine effektive Funktion der hydraulischen Kopplereinheit ist es entscheidend, dass der hydraulische Arbeitsraum stets vollständig mit einem hydraulischen Fluid gefüllt ist, also bspw. mit einem Arbeitsöl oder mit Kraftstoff, um einen spürbaren Anstieg des Drucks im Arbeitsraum zu erreichen. Bei jeder Bewegung des Kolbens in den hydraulischen Arbeitsraum hinein erhöht sich dort der Druck, wodurch eine geringe Menge Kraftstoff über den Leckagespalt aus dem Arbeitsraum abfließt. Über eine längere Betriebsdauer des hydraulischen Kopplers gesehen würde sich der Arbeitsraum jedoch nach und nach entleeren und die Funktion des hydraulischen Kopplers wäre nicht mehr gewährleistet. Deshalb ist es essentiell, dass der hydraulische Arbeitsraum über den Leckagespalt während der Betriebspausen des elektrischen Aktors wieder befüllt wird, um den ursprünglichen Zustand wieder herzustellen. Gerade aber dann, wenn mehrere Aktivierungen des elektrischen Aktors zeitlich sehr eng aufeinander folgen, kann dieser Rückfluss über den Leckagespalt möglicherweise nicht mehr vollständig stattfinden und es kommt zu einem Funktionsverlust der hydraulischen Kopplereinheit.
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Zur Vermeidung einer zu großen Entleerung des hydraulischen Arbeitsraums ist aus der
DE 103 02 863 B3 bekannt, in einem oder in beide Kolben, die den hydraulischen Arbeitsraum begrenzen, Einstiche anzubringen, die nur in Richtung des hydraulischen Arbeitsraums geöffnet sind. Der Druck im hydraulischen Arbeitsraum setzt sich in diese Einstiche fort und weitet diese bei einer Druckerhöhung auf, so dass der äußere Teil des Kolbens gegen die Wand der Bohrung gedrückt wird, in der der Kolben geführt ist. Dadurch wird der Leckagespalt verkleinert und der Abfluss des hydraulischen Arbeitsmediums aus dem hydraulischen Arbeitsraum entsprechend reduziert. Ein solcher Kolben ist jedoch aufwändig herzustellen, da die radial außerhalb des Einstichs verbleibende Wandstärke nur gering sein darf, um die gewünschte Aufweitung zu erreichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße hydraulische Kopplereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die hydraulische Kopplereinheit präzise zu fertigen ist und dabei einen einwandfreien Betrieb auch dann gewährleistet, wenn die hydraulische Kopplereinheit in sehr kurzem zeitigen Abstand mehrfach hintereinander betätigt wird. Dazu weist die hydraulische Kopplereinheit einen Kolben auf, der zumindest mittelbar einen hydraulischen und mit einem Fluid befüllbaren Arbeitsraum begrenzt, sodass durch den Druck im Arbeitsraum eine translatorische Kraft auf den Kolben ausgeübt wird. Dabei ist der Kolben längsbeweglich in einer Bohrung geführt, so dass zwischen der Wand der Bohrung und dem Kolben ein Leckagespalt ausgebildet wird, der in den Arbeitsraum mündet. Der Kolben umfasst eine Kolbenhülse und einen Kolbenkern, die fest miteinander verbunden sind, wobei zwischen der Kolbenhülse und dem Kolbenkern ein Ringspalt ausgebildet ist, der nur zum Arbeitsraum hin offen ist.
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Durch die Zweiteilung des Kolbens in einen Kolbenkern und eine Kolbenhülse kann eines oder auch beide Bauteile gestuft ausgeführt werden, so dass der Ringspalt in einer beliebigen Stärke ausgebildet werden kann. Auch ein sehr tiefer Ringspalt ist so ohne Probleme herstellbar und gewährleistet die gewünschte Funktion, durch die radiale Aufweitung des Ringspalts eine bessere Abdichtung zwischen dem Kolben und der Wand der Bohrung zu erreichen, da die Kolbenhülse relativ dünnwandig ausgestaltet werden kann und sich durch den Innendruck entsprechend aufweitet.
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In vorteilhafter Weise ist dabei die Kolbenhülse zylindrisch ausgebildet und der Kolbenkern verjüngt sich dem Arbeitsraum zu, so dass zwischen der Kolbenhülse und dem Kolbenkern der Ringspalt ausgebildet wird. Da der Kolben als Drehteil ausgebildet sein kann, lässt sich eine solche Verjüngung in einfacher Weise herstellen. Es ist in vorteilhafter Ausführung auch möglich, den Kolben als geraden Zylinder auszubilden und an der Innenseite der Kolbenhülse eine Erweiterung dem Arbeitsraum hin vorzusehen, so dass sich ebenfalls der gewünschte Ringspalt bildet. Es ist auch möglich, dass sich sowohl der Kolbenkern zu verjüngt als auch die Innenseite der Kolbenhülse dem Arbeitsraum zu erweitert, so dass beide Bauteile nur durch eine geringe Materialabtragung bearbeitet werden müssen, um den gewünschten Ringspalt zu erreichen.
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Dabei kann es auch in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Kolbenhülse aus einem anderen Material besteht als der Kolbenkern, bspw. aus einem härteren Material, um den Verschleiß zwischen dem Kolben und der Wand der Bohrung zu verringern. Falls der Verschleiß nur gering ist, kann die Kolbenhülse auch aus einem etwas weicheren Material als der Kolbenkern gefertigt werden, um die Aufweitung durch den Innendruck im Ringspalt zu erleichtern.
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In vorteilhafter Weise ist die Kolbenhülse mit dem Kolbenkern durch Schrumpfen oder Kleben fest verbunden. Insbesondere durch Aufschrumpfen lässt sich eine sehr sichere und dauerhafte Verbindung zwischen beiden Bauteilen herstellen, die auch bei starker mechanischer Beanspruchung nicht gelöst wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der hydraulische Arbeitsraum von einem zweiten Kolben begrenzt und der hydraulische Druck im Arbeitsraum übt auch auf diesen zweiten Kolben eine translatorische Kraft aus. Es können in der oben beschriebenen Weise sowohl der erste Kolben als auch der zweite Kolben ausgebildet sein, so dass auch der Leckagespalt zwischen dem zweiten Kolben und der Wand der Bohrung, in der der zweite Kolben geführt ist, reduziert wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung vorhanden und ein elektrischer Aktor, der ein Steuerventil öffnet und schließt, wobei ein Steuerraum, dessen Druck eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt, über das Steuerventil mit einem Niederdruckraum verbindbar ist. Das Steuerventil weist dabei ein bewegliches Steuerventilelement auf, das durch den elektrischen Aktor bewegbar ist. Die Kraftübertragung vom elektrischen Aktor auf das Steuerventilelement erfolgt über eine hydraulische Kopplereinheit, die in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist. Gerade bei Kraftstoffeinspritzventilen ist es entscheidend, dass die hydraulische Kopplereinheit in sehr rascher zeitlicher Abfolge die Bewegung des elektrischen Aktors auf das Steuerventilelement ermöglicht: Bei einer Kraftstoffeinspritzung unterteilt sich diese meist in mehrere Teileinspritzungen, die sauber zeitlich voneinander getrennt sein müssen, um den gewünschten Effekt einer weichen und dabei effektiven Verbrennung zu erreichen. Dazu ist es unerlässlich, dass der hydraulische Arbeitsraum stets vollständig mit Kraftstoff befüllt ist und sich zwischen den Teileinspritzungen keine Änderung der hydraulischen Eigenschaften des hydraulischen Kopplers ergibt.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße hydraulische Kopplereinheit dargestellt, dazu zeigt
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1 ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Kraftstoffeinspritzventil mit einer hydraulischen Kopplereinheit zur Übertragung der Bewegung eines Aktors auf ein Steuerventilelement,
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2 eine vergrößerte Darstellung der hydraulischen Kopplereinheit wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
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3, 4 und 5 verschiedene Ausführungsbeispiele des Kolbens einer erfindungsgemäßen hydraulischen Kopplereinheit.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem schematisch dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist dabei ein Kraftstoffeinspritzventil 1 auf, über das Kraftstoff unter hohen Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden kann. Dazu wird in einem Tank 2 Kraftstoff vorgehalten, der über eine Kraftstoffleitung 3 einer Hochdruckpumpe 5 zugeführt wird, wo der Kraftstoff verdichtet und über eine Hochdruckleitung 6 einem Kraftstoffhochdruckspeicher 7 zugeführt wird, wo eine Vorratsmenge von Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Über eine weitere Hochdruckleitung 8 wird der verdichtete Kraftstoff dem Kraftstoffeinspritzventil 1 zugeführt, wobei das Kraftstoffeinspritzventil 1 ein Gehäuse 10 aufweist, das einen Haltekörper 12, einen Ventilkörper 13, eine Drosselscheibe 14 und einen Düsenkörper 15 umfasst, die mittels einer Spannmutter 16 gegeneinander hochdruckdicht verspannt sind. Durch den Haltekörper 12, den Ventilkörper 13 und die Drosselscheibe 14 erstreckt sich eine Hochdruckbohrung, die verdichteten Kraftstoff aus der weiteren Hochdruckleitung 8 erhält und dem Düsenkörper 15 zuführt, wo der Kraftstoff in einen im Düsenkörper 15 ausgebildeten Druckraum 20 mündet. Im Druckraum 20 ist eine Düsennadel 21 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung 23 zusammenwirkt. Die Düsennadel 21 ist dabei mit ihren dem Düsensitz 22 abgewandten Ende in einer Hülse 25 geführt, wobei zwischen der Hülse und einem Absatz der Düsennadel 21 eine Schließfeder unter Druckvorspannung angeordnet ist, die zum einen die Düsennadel 21 gegen den Düsensitz 22 drückt und zum anderen die Hülse 25 gegen die Drosselscheibe 14. Durch die Hülse 25, die Düsennadel 21 und die Drosselscheibe 14 wird ein Steuerraum 27 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 29 mit der Hochdruckbohrung 17 verbunden ist, so dass durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 27 eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 21 in Richtung des Düsensitzes 22 ausgeübt wird.
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Zur Änderung des Drucks im Steuerraum 27 dient ein Steuerventil 30, über das der Steuerraum 27 mit einem im Haltekörper 12 ausgebildeten Niederdruckraum 37 verbindbar ist, wobei der Niederdruckraum 37 über eine Ablaufleitung 18 stets mit dem Tank 2 verbunden und dadurch drucklos ist. Das Steuerventil 30 umfasst ein Steuerventilelement 33, das beweglich im Ventilkörper 13 angeordnet ist. Wird das Steuerventilelement 33 bewegt, so öffnet sich ein Kraftstoffpfad über eine Ablaufdrossel 32, die in der Drosselscheibe 14 ausgebildet ist, in den Niederdruckraum 37 und führt zu einer Druckentlastung des Steuerraums 28. Durch die Reduzierung des Drucks im Steuerraum 27 verringert sich die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 21, so dass diese – angetrieben durch den Druck im Druckraum 20 – vom Düsensitz 22 abhebt und die Einspritzöffnungen 23 öffnet.
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Zur Bewegung des Steuerventilelements 33 dient ein elektrischer Aktor 35, der hier als Piezoaktor ausgebildet ist. Die Bewegung des Piezoaktors 35 auf das Steuerventilelement 33 erfolgt über eine hydraulische Kopplereinheit 40, die ebenfalls im Haltekörper 12 ausgebildet ist. Die nähere Funktion der hydraulischen Kopplereinheit 40 wird anhand der 2 beschrieben.
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Die hydraulische Kopplereinheit 40 umfasst einen ersten Kolben 41 und einen zweiten Kolben 42, die jeweils mit einer Stirnseite einen hydraulischen Arbeitsraum 44 begrenzen. Der erste Kolben 41 ist in einer Bohrung 45 geführt, die in einer Kopplerhülse 43 ausgebildet ist. Die Bohrung 45 ist als Stufenbohrung ausgeführt und dient auch der Führung des zweiten Kolbens 42, so dass der hydraulische Arbeitsraum 44 nur durch zwei Leckagespalte 52, 53, die zwischen dem ersten Kolben 41 und der Wand der Bohrung 45 und zwischen dem zweiten Kolben 42 und der Wand der Bohrung 45 ausgebildet sind, mit dem umgebenden Niederdruckraum 37 verbunden ist. Zur Vorspannung des elektrischen Aktors, also hier des Piezoaktors 35, dient die Federhülse 46, die die Kopplerhülse 43 umgibt und die zwischen einem Stützring 47, der an einem Absatz des zweiten Kolbens 42 anliegt, und einem Absatz der Kopplerhülse 43 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Die Federhülse 46 drückt dabei einerseits den zweiten Kolben 42 gegen den Piezoaktor und spannt diesen dadurch vor und drückt andererseits die Kopplerhülse 43 gegen einen Absatz an den Ventilkörper 13 und fixiert dadurch die Kopplerhülse 43 ortsfest im Gehäuse 10. Zur Positionierung des ersten Kolbens 41 dient die Spannfeder 48, die sich einerseits an der Kopplerhülse 43 und andererseits an einem Stützelement 50 abstützt, das fest mit dem ersten Kolben 41 verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist der erste Kolben 41 zweiteilig aufgebaut, wie dies 3 zeigt. Der erste Kolben 41 umfasst einen Kolbenkern 141 und eine Kolbenhülse 241, die fest miteinander verbunden sind. Die Kolbenhülse 241 ist dabei als Hohlzylinder ausgeführt, während der Kolbenkern 141 einen Absatz 56 aufweist, so dass der Kolbenkern 141 zwei Bereiche mit unterschiedlichem Außendurchmesser aufweist. Die Kolbenhülse 241 sitzt in dem Bereich des Kolbenkerns 141 auf, der den größeren Durchmesser aufweist, so dass zwischen dem im Durchmesser reduzierten Abschnitt des Kolbenkerns 141 und der Kolbenhülse 241 ein Ringspalt 60 verbleibt. In Einbaulage des ersten Kolbens 41 in der hydraulischen Kopplereinheit 40 mündet dieser Ringspalt 60 in den hydraulischen Arbeitsraum 44 und ist stets mit diesem hydraulisch verbunden. Aufgrund der festen Verbindung der Kolbenhülse 241 mit dem Kolbenkern 141 ist der Ringspalt 60 ansonsten abgeschlossen.
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Erhöht sich der Druck im Arbeitsraum 44, so wird Kraftstoff aus dem hydraulischen Arbeitsraum 44 über die Leckagespalte 52, 53 gedrückt. Durch die Ausbildung des Ringspalts 60 wird dieser Effekt jedoch reduziert, indem der Druck im Ringspalt 60 eine Aufweitung der Kolbenhülse 241 bewirkt, so dass die Kolbenhülse 241 gegen die Wand der Bohrung 45 gedrückt wird. Dadurch verringert sich der hydraulische Leckagespalt 53 und es kommt zu einer besseren Abdichtung des hydraulischen Arbeitsraums 44 gegenüber dem umgebenden Niederdruckraum. Die Abdichtung ist zwar nicht vollkommen, aber deutlich gegenüber der drucklosen Variante reduziert. Wird also zum Beispiel der zweite Kolben 42 in rascher Folge in Richtung des hydraulischen Arbeitsraums 44 durch den elektrischen Aktor 35 bewegt, so weitet sich jedes Mal bei einer Druckerhöhung im hydraulischen Arbeitsraum 44 die Kolbenhülse 241 auf und dichtet den Leckagespalt 53 zusätzlich ab. Dadurch ändert sich die Kraftstoffmenge im hydraulischen Arbeitsraum 44 auch bei mehreren rasch aufeinanderfolgenden Betätigungen der hydraulischen Kopplereinheit 40 nicht und die Arbeitsfähigkeit der hydraulischen Kopplereinheit 40 bleibt voll erhalten.
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In 3 ist exemplarisch der erste Kolben 41 als zweiteilige Kolbenform dargestellt mit einem Kolbenkern 141 und einer Kolbenhülse 241. In gleicher Weise kann auch der zweite Kolben 42 ausgebildet werden, der dann ebenfalls aus einem Kolbenkern und einer zugehörigen und mit dem Kolbenkern fest verbundenen Kolbenhülse besteht.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 41 dargestellt. Hierbei unterscheidet sich die Ausführung der 4 von der in 3 dadurch, dass hier der Kolbenkern 141‘ eine zylindrische Außenfläche besitzt, während die Kolbenhülse 241‘ im Innendurchmesser gestuft ausgebildet ist unter Ausbildung eines Absatzes 58. Der Innendurchmesser erweitert sich zum hydraulischen Arbeitsraum 44 hin, so dass auf diese Weise ebenfalls ein Ringspalt 60 gebildet wird, der die oben genannten Eigenschaften aufweist.
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In 5 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Kolben 41 dargestellt, wobei die linke Seite und die rechte Seite jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel illustrieren. Der Ringspalt 60 muss keine Hohlzylinderform aufweisen, sondern kann auch dadurch gebildet werden, dass der Kolbenkern 141 zum hydraulischen Arbeitsraum 44 hin konisch zuläuft, während die Kolbenhülse 241 eine zylindrische Innenfläche aufweist. In ähnlicher Weise kann es auch vorgesehen sein, dass der Kolbenkern 141 eine zylindrische Außenfläche aufweist, wie in 5 rechts gezeigt, während die Kolbenhülse 241 eine konische Erweiterung aufweist, die zur Bildung des Ringspalts 60 führt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kolbenhülse 241 und der Kolbenkern 141 aus verschiedenen Materialien, insbesondere Metallen, gebildet ist. Dabei kann es zum Beispiel vorgesehen sein, die Kolbenhülse 241 aus einem harten Material vorzusehen, um den Verschleiß beim Betätigen des Kolbens 41, 42 zu reduzieren. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Kolbenhülse 241 aus einem weicheren Material vorzusehen, um dadurch die hydraulische Aufweitung zu vergrößern, um den Leckagespalt zu reduzieren. In vorteilhafter Weise kann auch die Kolbenhülse 241 aus einem Material gefertigt sein, das eine deutlich größere thermische Ausdehnung besitzt als der Kolbenkern 141 um ein Aufschrumpfen der Hülse auf den Kolbenkern 141 zu erleichtern, in dem dieser erwärmt und dann über den kühlen Kolbenkern geschoben wird, so dass beim Erkalten eine sehr sichere Verbindung zwischen der Kolbenhülse 241 und dem Kolbenkern 141 erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10302863 B3 [0002, 0004]
