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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung eines Ventilelements und ein Abgasrückführventil mit einer solchen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Abgasrückführventile bekannt, die bei Verbrennungsmotoren verwendet werden, um Verbrennungsabgase zurück zu dem Brennraum des Motors zu führen. Dies führt bei Dieselmotoren dazu, dass die Emission von Stickoxiden verringert wird. Außerdem kann dies bei Otto-Motoren dazu führen, dass der Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich verringert wird.
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In diesem Abgasrückführventilen werden verschiedene Vorrichtungen verwendet, um das Ventilelement zu bewegen. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung wird in der
WO 2011/076902 A1 beschrieben. In dem in diesem Dokument beschriebenen Stellglied ist das Ventilelement mit einem Stößel verbunden, der wiederum ein Eingriffselement aufweist. Dieses Eingriffselement wird in einer Kulisse geführt, die in einem plattenförmigen Element ausgebildet ist. Durch Verschwenken dieses plattenförmigen Elements kann der Stößel hin- und herbewegt werden, wodurch das Ventilelement eine Öffnungs- bzw. Schließbewegung bezüglich des Ventilsitzes durchführt.
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Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
DE 10 2010 025 538 A1 bekannt. Bei dieser Stellvorrichtung ist auch eine gekrümmte Kulisse vorgesehen, in die ein Eingriffselement eingreift. Jedoch ist in diesem Fall nicht das Eingriffselement mit dem Stößel verbunden, sondern das Objekt, in dem diese Kulisse ausgebildet ist. Durch Bewegen des Eingriffselements wird die Kulisse verschwenkt, was dazu führt, dass der Stößel verschoben wird.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend von der
WO 2011/076902 A1 wurde das Problem erkannt, dass sich das Eingriffselement verformen kann. Der Grund für diese Verformung wird aus
4 ersichtlich, die schematisch das Funktionsprinzip dieses Stellglieds zeigt. In dieser Figur bezeichnet
20' den Stößel, der mit einem Eingriffselement
23a' verbunden ist. Dieses steht von dem Stößel
20‘ vor und ist mit einer Rolle
23' verbunden. Diese Rolle
23‘ greift in die Kulisse des Nockenelements
14' ein. Aufgrund des Auslegercharakters des Eingriffselements
23a' wirkt jedoch ein Biegemoment auf das Eingriffselement
23a', welches dazu führen kann, dass es sich in der Kulisse verkantet oder zumindest eine höhere Reibung hat. Des Weiteren kann dies auch dazu führen, dass der Stößel
20' verkippt, was bei einer engen Stößelführung dazu führen kann, dass sich dieser Stößel
20‘ in der Stößelführung verklemmen kann oder er zumindest eine erhöhte Reibung mit dieser hat.
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Die Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme vorgenommen und zielt darauf ab, zumindest einen Teil dieser Probleme zu lindern.
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Die Erfindung wird durch die Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung eines Ventilelements nach Anspruch 1 definiert. Sie wird weiter durch das Abgasrückführventil nach Anspruch 11 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen definiert.
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Nach Anspruch 1 weist eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Drehbewegung eines Ventilelements das Ventilelement selbst auf. Dieses ist so gelagert, dass es entlang einer Translationsachse translatorisch bewegbar ist, das heißt, dass es entlang einer Achse verschoben werden kann. Bei einem Ventilelement handelt es sich um ein Element, welches dazu geeignet ist, einen Ventilsitz zu verschließen. Das Merkmal, dass das Ventilelement entlang einer Translationsachse translatorisch bewegbar ist, schließt nicht aus, dass – ggf. geringfügige – Kippbewegungen möglich sind.
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Die Vorrichtung weist ferner ein Nockenelement mit einer Nockenkurve auf, wobei das Nockenelement um eine Drehachse verschwenkbar ist. Bei dieser Nockenkurve handelt es sich um eine Kurve, die an oder in dem Nockenelement ausgebildet ist und die dazu dient, ein später beschriebenes Eingriffselement so zu führen, dass das Ventilelement translatorisch bewegt wird, um ein Ventil zu öffnen oder zu schließen.
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Die Nockenkurve kann innerhalb des Nockenelements ausgebildet sein, das heißt es kann sich um eine durch das Nockenelement hindurchgehend ausgebildete Nockenkurve handeln, welche somit die Form eines durchgehenden Lochs hat. In einem solchen Fall würde ein Eingriffselement dieses Loch durchdringen. Es reicht jedoch aus, wenn diese Nockenkurve an einer Außenkontur des Nockenelements ausgebildet ist. In einem solchen Fall muss dann durch eine geeignet ausgebildete Vorspanneinrichtung dafür gesorgt werden, dass das Eingriffselement gegen diese Nockenkurve gedrückt wird. Typischerweise hat die Nockenkurve die Form einer Spirale.
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Durch die Drehbarkeit des Nockenelements um die Drehachse wird dafür gesorgt, dass das Eingriffselement mit verschiedenen Bereichen der Nockenkurve beim Verschwenken des Nockenelements um die Drehachse in Kontakt gerät. Hierdurch kann die oben erwähnte Translationsbewegung des Ventilelements durchgeführt werden.
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Mit dem Ventilelement ist ein Stößel verbunden. Über diesen Stößel kann das Ventilelement entlang der Translationsachse translatorisch bewegt werden. Dieser Stößel weist ein Eingriffselement auf, welches mit der Nockenkurve in Eingriff ist. Dieses Eingriffselement dient dazu, durch einen Kontakt mit der Nockenkurve eine Drehbewegung des Nockenelements in eine Translationsbewegung des Stößels und damit des Ventilelements umzuwandeln. Bei der Verbindung des Ventilelements mit dem Stößel kann es sich um eine direkte Verbindung handeln, das heißt das Ventilelement kann mit dem Stößel ohne das Einfügen weiterer Komponenten verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen dem Ventilelement und dem Stößel weitere Komponenten eingefügt sind.
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Das Eingriffselement wird von zwei Seiten des Nockenelements durch den Stößel abgestützt. Das heißt, im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Eingriffselement nicht nur an einer Seite des Nockenelements abgestützt, sondern von zwei Seiten. Diese zwei Seiten des Nockenelements liegen sich typischerweise gegenüber. Da die Abstützung von zwei Seiten ist, kann ein Entstehen eines Biegemoments bei dem Stößel vermieden werden.
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Die Vorrichtung ist ferner derart ausgestaltet, dass das Eingriffselement durch eine Drehung des Nockenelements um die Drehachse entlang der Nockenkurve geführt wird. Hierdurch führt der Stößel eine Translationsbewegung durch, wodurch das Ventilelement eine Translationsbewegung durchführt. Wie bereits oben erwähnt kann die Führung des Nockenelements verschiedene Formen aufweisen. Insbesondere ist eine Führung denkbar, bei der die Nockenkurve an einer Außenkontur des Nockenelements ausgebildet ist und das Eingriffselement durch geeignet vorgesehene Vorspannelemente gegen diese Außenkontur gedrückt wird.
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Wie bereits oben erwähnt führt die beidseitige Abstützung des Eingriffselements dazu, dass ein Biegemoment vermieden wird. Hierdurch kann das oben erwähnte Verkippen des Eingriffselements und des Stößels verhindert werden. Insofern kann die Reibung verringert werden. Es kann außerdem vermieden werden, dass sich die Vorrichtung verklemmt. Beides führt zu einer Vorrichtung, die eine geringere Fehleranfälligkeit und eine höhere Lebensdauer hat. Die derartige Ausgestaltung auch aufgrund der einfachen Ausgestaltung kostengünstig herstellbar.
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Es ist von Vorteil, wenn das Nockenelement und das Eingriffselement in einem Gehäuse vorgesehen sind, welches diese Komponenten umschließt. Dies führt dazu, dass diese Komponenten weniger leicht verschmutzen, was zu einer erhöhten Langlebigkeit der Vorrichtung führt. In diesem Gehäuse können auch elektrische Kontakte vorgesehen sein, um einen Motor der Vorrichtung mit Strom zu versorgen. Weiter ist von Vorteil, wenn ein Motor, welcher die Vorrichtung antreibt, auf der bezüglich des Stößels gegenüberliegenden Seite von Nockenelement und Eingriffselement vorgesehen ist. Dies erleichtert die Herstellung der Vorrichtung.
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Vorliegend wird bevorzugt, dass die Nockenkurve innerhalb des Nockenelements ausgebildet ist und dieses durchdringt. Hierbei handelt es sich um eine Ausgestaltung, die bereits oben erwähnt wurde und bei der die Nockkurve als ein Loch innerhalb des Nockenelements ausgebildet ist. Durch dieses Loch tritt das Eingriffselement hindurch. Hierbei wird sich oft eine Ausgestaltung ergeben, in der das Eingriffselement durch den Stößel in der Form eines „Y“ abgestützt wird, bei dem zwei Arme des Stößels auf beiden Seiten des Nockenelements vorgesehen sind. Eine dementsprechende Ausgestaltung der Vorrichtung führt dazu, dass der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht wird.
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Es ist ferner von Vorteil, dass sich das Eingriffselement von einer Seite des Nockenelements zur gegenüberliegenden Seite des Nockenelements erstreckt und es auf diesen beiden Seiten durch den Stößel abgestützt wird. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass ein Biegemoment sicher vermieden werden kann. Insbesondere führt diese Abstützung auf gegenüberliegenden Seiten des Nockenelements dazu, dass das Biegemoment geringer ist als in dem Fall, in dem die Abstützung nicht auf gegenüberliegenden Seiten ist.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass die Drehachse des Nockenelements bezüglich der Translationsachse beabstandet ist, wenn entlang der Drehachse des Nockenelements betrachtet. Dementsprechend ist die Gerade, welche die Drehachse des Nockenelements beschreibt, bezüglich der Geraden, welche die Translationsachse des Stößels beschreibt, um einen Abstand a (a > 0) beabstandet. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Ausgestaltung dazu führt, dass Reibungsverluste vermieden werden können.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass das Nockenelement einstückig mit einem Zahnradelement ausgebildet ist, welches mit einem Motor so gekoppelt ist, dass das Nockenelement durch den Motor um die Drehachse gedreht werden kann. Bei dieser einstückigen Ausgestaltung handelt es sich um eine Ausgestaltung, bei der das Nockenelement mit dem Zahnradelement aus einem einzigen Objekt ausgebildet sind, das heißt, es handelt sich nicht um zwei separate, miteinander gekoppelte Objekte. Eine solche Ausgestaltung kann einfach hergestellt werden und führt somit zu einer kostengünstigen Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung eines Ventilelements.
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Es ist auch möglich, das Nockenelement mit dem Motor über ein Getriebe mit mehreren Zahnrädern zu koppeln. Dies kann von Vorteil sein, um bei der Auswahl des Motors eine größere Flexibilität zu haben. Ferner ist auch eine direkte Koppelung möglich, d.h. dass mit dem Motor ein Zahnrad direkt verbunden ist, welches direkt das Nockenelement antreibt.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass die Nockenkurve die Form eines Abschnitts einer Kreisevolvente hat. Eine solche Kreisevolvente beschreibt eine Spirale mit einem konstanten
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Windungsabstand. In Polarkoordinaten kann diese wie folgt dargestellt werden: r(t) = α√(1 + t2) φ(t) = t – arctan(t)
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Hierbei ist t ein Laufparameter, r(t) beschreibt den Radius der Spirale und φ(t) beschreibt den zugehörigen Winkel. A ist ein Parameter, der gewählt wird, um die spezifische Spirale zu beschreiben. Vorliegend beschreibt der Ausdruck, dass die Nockenkurve „die Form einer Kreisevolvente hat“, das Merkmal, dass die Mittellinie der Nockenkurve diese Form hat. Demgemäß beschreibt die Kreisevolvente im Wesentlichen die Orte, durch die sich der Mittelpunkt des Eingriffselements bewegt. Eine solche Gestaltung der Vorrichtung ist vergleichsweise verlustarm. Darüber hinaus weist eine derartige Form in vorteilhafter Weise eine lineare Charakteristik auf. Ferner ergibt sich über den gesamten Verlauf eine querkraftfreie Kraftübertragung auf den Stößel.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass die Nockenkurve die Form einer logarithmischen Spirale hat. Auch hierbei beschreibt die Form der Nockenkurve im Wesentlichen die Orte, durch die sich der Mittelpunkt des Eingriffselements bewegt. Eine logarithmische Spirale lässt sich mathematisch wie folgt beschrieben:
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In dieser Gleichung beschreibt r den Abstand eines Punkts auf der Spirale zu dem Mittelpunkt der logarithmischen Spirale und φ beschreibt den zugehörigen Winkel, welcher größer als 2π bzw. 360° sein kann. Bei den Variablen a und k handelt es sich um Parameter, welche spezifische logarithmische Spiralen beschreiben und sich dementsprechend bei verschiedenen logarithmischen Spiralen unterscheiden können.
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In anderen Worten kann man die logarithmische Spirale als eine Spirale definieren, bei der sich mit jeder Umdrehung um ihren Mittelpunkt der Abstand von diesem Mittelpunkt um den gleichen Faktor verändert. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung ist vergleichsweise verlustarm. Ferner führt die beschriebene Ausgestaltung insbesondere in Kombination mit einem seitlichen Versatz des Stößels bezüglich des Drehpunkts des Nockenelements in Richtung der Nockenkurve (vgl. die nachfolgenden Ausführungen zu 1) zu einer nahezu querkraftfreien Kraftübertragung auf den Stößel. Insbesondere ist die Kraftübertragung nur an dem Punkt, an dem es besonders vorteilhaft ist, querkraftfrei, nämlich wenn das Ventil geschlossen oder nahezu geschlossen ist. Dies führt zu Vorteilen, weil im geschlossenen Zustand Verklebungen auftreten können, und durch die Nockenkurve in Form einer logarithmischen Spirale an diesem Punkt hohe Öffnungskräfte aufgebracht werden können. Hierdurch wird die Lebensdauer erhöht. Gleichzeitig kann durch die vorteilhafte nicht-lineare Charakteristik der logarithmischen Spirale im weiteren Verlauf der Öffnungsbewegung ein größerer Hub erzeugt werden, was für die Öffnungscharakteristik gut ist.
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Alternativ kann die Nockenkurve in Form einer archimedischen Spirale vorgesehen sein, deren Form sehr nah an derjenigen einer Kreisevolvente ist, so dass ebenfalls die oben genannten Vorteile erreicht werden. Insbesondere ist durch eine archimedische Spirale eine nahezu querkraftfreie Kraftübertragung möglich.
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Zu sämtlichen erwähnten Formen einer Nockenkurve sei ergänzt, dass eine derartige Nockenkurve jeweils ihre Vorteile auch ohne sämtliche Merkmale des Patentanspruchs 1, insbesondere auch ohne die Stützung des Eingriffselements von zwei Seiten durch den Stößel, erreicht.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass das Eingriffselement eine Rolle aufweist, die an oder in der Nockenkurve geführt wird, wobei sich die Rolle bezüglich des Stößels drehen kann. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung hat nur geringe Reibungsverluste.
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In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, dass die Rolle durch einen Schaft drehbar geführt wird, bei dem mindestens eines und bevorzugt beide Enden mit dem Stößel fest verbunden sind. Durch eine solche feste Verbindung, das heißt durch eine Verbindung, die gar nicht oder zumindest nur mit Werkzeugen gelöst werden kann, kann verhindert werden, dass sich das Eingriffselement unbeabsichtigt von dem Stößel löst. Insofern wird die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung verringert.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass eine Mittelachse des Stößels parallel zur Translationsachse die Oberfläche des Nockenelements schneidet, durch welche die Nockenkurve gebildet wird. Anders gesagt ist die Mittelachse des Stößels so gestaltet, dass ihre Verlängerung die Oberfläche des Nockenelements schneidet. Dies führt dazu, dass auch hier ein Biegemoment, welches auf den Stößel einwirken könnte, vermieden wird, was ein Verformen des Stößels vermeidet.
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Wie bereits oben erwähnt wird die Erfindung auch durch Anspruch 11 definiert. Hierbei handelt es sich um ein Abgasrückführventil mit einer Vorrichtung, wie diese oben beschrieben wurde. Bei diesem Abgasrückführventil ist das Ventilelement durch eine Drehung des Nockenelements zwischen einer Anlageposition, bei der das Ventilelement an dem Ventilsitz anliegt und somit das Ventil verschließt, und einer Durchlassposition bewegbar, in welcher das Ventilelement von dem Ventilsitz beabstandet ist und somit das Ventil offen ist. Ein solches Abgasrückführventil kann in einem Fahrzeug, aber auch in einer beliebigen anderen Anwendung von Abgasrückführventilen, verwendet werden und weist ggf. die weiter oben erwähnten Vorteile entsprechend auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm zur Illustration des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Schnittansicht durch eine dementsprechende Vorrichtung.
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2a ist eine Schnittansicht durch die Vorrichtung nach 2, wenn in einem Abgasrückführventil verwendet.
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3 ist ein Schnittdiagramm eines Details der Vorrichtung nach 1.
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4 zeigt ein 3 entsprechendes Detail aus dem Stand der Technik.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben werden.
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1 ist ein Diagramm, welches das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung beschreibt. Ein Ventilelement 10, was vorliegend zweiteilig aus einem Dichtungsring 10‘‘ und einer metallischen Abstützplatte 10‘ ausgebildet ist, ist an einem Stößel 20 befestigt. Dieser Stößel 20 ist an seinem oberen Ende Y-förmig mit zwei Armen 20a ausgebildet. Diese beiden Arme 20a weisen zwischen sich ein Eingriffselement 22 auf, welches durch die Arme 20a drehbar gelagert ist. Im vorliegenden Fall ist diese Lagerung durch das Vorsehen von zwei Durchgangslöchern und durch das Einfügen eines Stifts 23a in diese Durchgangslöcher ausgebildet. Dieser Stift 23a lagert eine Rolle 23, die sich um den Stift 23a drehen kann. Das Eingriffselement 22 greift in die Nockenkurve 16 des Nockenelements 14 ein, welches vorliegend durch eine Metallplatte ausgebildet ist. Es kann jedoch auch durch eine andere Platte mit einer entsprechend hohen Steifigkeit gebildet werden. Dieses Nockenelement 14 ist um eine Drehachse 18 drehbar gelagert. Diese Drehachse 18 ist bezüglich einer Translationsachse 12 des Stößels 20 um einen Abstand a beabstandet, der in 1 eingezeichnet ist. Wenn das Nockenelement 14 um die Drehachse 18 verschwenkt wird, gerät das Eingriffselement 22 mit verschiedenen Bereichen der Nockenkurve 16 in Eingriff, wodurch der Stößel 20 entlang der Translationsachse 12 hin- und herbewegt wird. Dies führt dazu, dass ein mit dieser Vorrichtung verbundenes Ventil geöffnet bzw. geschlossen wird.
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Der oben beschriebene Abstand a, der den Versatz des Stößels 20 von der Drehachse 18 des Nockenelements 14 in Richtung der Nockenkurve 16 bezeichnet, führt zusammen mit den oben beschriebenen speziellen Formen der Nockenkurve 16, nämlich Kreisevolvente, logarithmische oder archimedische Spirale, zu dem Vorteil einer zumindest stellenweisen und/oder nahezu querkraftfreien Kraftübertragung auf den Stößel. Unter Querkräften sind in diesem Zusammenhang Kräfte in der seitlichen Richtung gemäß 1 zu verstehen.
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2 zeigt die Vorrichtung nach 1 in einem eingebauten Zustand. Hierbei ist, zusätzlich zu den Elementen der 1, noch der Motor 26 dargestellt, welcher mit einem Zahnradelement 27 gekoppelt ist. Dieses Zahnradelement 27 kämmt mit einem Zahnradelement 24. Das Zahnradelement 24 ist wiederum mit dem Nockenelement 14 verbunden. Durch eine Drehung des Zahnradelements 24 wird das Nockenelement 14 um dessen Drehachse 18 verschwenkt. Wie bereits oben erwähnt führt dies dazu, dass sich das Ventilelement 10 bewegt. Weiter ist eine Führung 21 vorgesehen, die den Stößel 20 führt. Diese Führung 21 in der Form einer Hülse ist in ein Gehäuse 21a aufgenommen. Durch das Vorsehen einer solchen Führung, insbesondere einer Führung mit einem geringen Reibungskoeffizienten, kann der Stößel 20 sicher und verlustarm geführt werden. Dies vermeidet ein Verkippen des Stößels 20 bezüglich der Translationsachse 12. Dadurch, dass die Führung 21 nur einen geringen Reibungswiderstand hat, können Reibungsverluste vermieden werden.
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2a zeigt 2 in einer anderen Schnittansicht. Ferner ist diese Ausgestaltung spezifisch für ein Abgasrückführventil 30 gedacht, welches einen Abgasrückführstutzen 32 aufweist. In 2a ist die beidseitige Abstützung des Eingriffselements 22 gut zu erkennen, welches durch einen Stift 23a und eine Rolle 23 gebildet wird. Der Stift 23a wird von den Armen 20a gehalten. Vorliegend ist auch zu sehen, dass das Nockenelement 14 durch eine Achse 15 geführt wird, die durch ein Loch in dem Nockenelement 14 hindurchtritt. Diese Achse 15 ist drehbar gelagert. Ferner ist ein Gehäuse 28 vorgesehen, das auf dem Gehäuse 28a vorgesehen ist und den Zahnradmechanismus abdeckt.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich werden, indem man 3 und 4 vergleicht. 4 zeigt, wie bereits vorher erwähnt, einen Ausschnitt aus einem Abgasrückführventil aus dem Stand der Technik, während 3 einen entsprechenden Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Abgasrückführventils zeigt.
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Durch die zwei Arme 20a des Stößels 20 wird der Stift 23a, der in diese Arme 20a eingepasst ist, von beiden Seiten des Nockenelements 14 gehalten. Auf diesem Stößel 23a ist eine Rolle 23 vorgesehen, die um den Stift 23a drehbar ist und in die Nockenkurve 16 des Nockenelements 14 eingreift. Durch diesen Eingriff wird die Rolle 23 durch das Nockenelement 14 geführt, was, wie bereits oben erwähnt, dazu führt, dass sich das Ventilelement 10 bei Verschwenkung des Nockenelements 14 nach oben und nach unten bewegen kann.
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Im Gegensatz zur 4, die eine lediglich einseitige Abstützung des Stifts 23a' zeigt, ist der Stift 23a auf beiden Seiten des Nockenelements 14 abgestützt. Dies führt, wie bereits oben erwähnt, dazu, dass ein Biegemoment auf den Stift 23a und auf den Stößel 20 vermieden wird. Dies ist für die Leichtgängigkeit und Zuverlässigkeit des Abgasrückführventils bzw. der Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung eines Ventilelements (d.h. eines Stellglieds) von Vorteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/076902 A1 [0003, 0005]
- DE 102010025538 A1 [0004]