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Stand der Technik
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Erdgas ist bei Normaltemperaturen selbst unter hohem Druck in guter Näherung als gasförmig zu betrachten (CNG, d. h. „Compressed Natural Gas“). Um verdichtetes Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzublasen sind spezielle Einblas- bzw. Einspritzventile erforderlich, die sich von denen zur Direkteinspritzung von Benzin oder Dieselkraftstoff in vielerlei Hinsicht (z.B. im Spritzlochdurchmesser) unterscheiden. Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringeres spezifisches Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C herunter gekühlt.
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Das in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebrachte Erdgas wird durch ein Hilfsmittel oder ein Hilfsmedium zum Zünden gebracht. Beispielsweise kann flüssiger Dieselkraftstoff als Hilfsmedium verwendet werden, da dieser im Unterschied zu Erdgas bei den üblicherweise gegebenen Bedingungen selbstzündend ist. In diesem Fall gilt es zwei unterschiedliche Kraftstoffarten in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen.
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Zur Einbringung zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann ein sogenannter Zweistoffinjektor verwendet werden. In einem solchen Zweistoffinjektor werden die beiden Kraftstoffe getrennt geführt, um eine Vermischung außerhalb des Brennraums zu verhindern.
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Aus der Schrift
EP 2622190 B2 ist eine Fördereinrichtung für gasförmigen Kraftstoff bekannt. Ein thermisch isolierter Tank zur Aufnahme von verflüssigten Gas ist über einen ersten Ausgang mit einer Kyro-Pumpe verbunden. Ein Verdampfer ist mit einem Ausgang der Kyro-Pumpe verbunden; und ein erster Injektor spritzt das verdampfte Gas in einen Brennraum eines Motors ein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung und das Verfahren zur Förderung von Kraftstoff mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass keine komplexe und kostenintensive Kyrotechnik für die Speicherung und die Förderung von dem verflüssigten Gas für einen Gasantrieb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden muss.
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Bei unzureichender Kühlung (Wärmeeintrag) oder längerem Stillstand kann es zu einem Phasenübergang von flüssigem zu gasförmigem Kraftstoff zu einer ungewollten Druckerhöhung kommen, so dass im schlimmsten Fall schädliche Gase in die Umgebung abgegeben werden müssten.
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Ein weiterer Vorteil ist eine Verlagerung der hohen Aufwendungen an Energie für die Druckerzeugung und Kühlung des Gases weg vom Fahrzeug hin zu einer stationären Einrichtung, wie beispielsweise einer Tankstelle, wo die Bereitstellung von mechanischer und elektrischer Energie und die Abfuhr von Prozesswärme viel einfacher und kostengünstiger erfolgen kann.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn die Hydraulikflüssigkeit flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, ist, da dieser meist als alternativer Antrieb oder zur Zündung im Brennraum bereits mitgeführt wird. Durch die Nutzung von Diesel als Hydraulikflüssigkeit muss keine weitere Flüssigkeit mitgeführt werden.
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Der Einsatz von mindestens zwei Niederdruckspeicher, welche parallel zueinander angeordnet sind, ist von Vorteile, da die Anordnung der Niederdruckspeicher innerhalb eines Fahrzeuges flexibler ist, als bei einem einzelnen Niederdruckspeicher. Des Weiteren muss eine geringere Menge an Hydraulikflüssigkeit im Fahrzeug mitgeführt werden, da auf vorteilhafte Weise ein von Gas entleerter Niederdruckspeichers und/oder Hochdruckspeicher in einen Ruhezustand versetzt wird, indem die Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikraum in den Tank zurück gefördert wird. Die in den Tank zurückgeförderte Hydraulikflüssigkeit steht für das Befüllen eines weiteren Nieder- und/oder Hochdruckspeichers zur Verfügung.
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Durch die Anordnung mehrerer Niederdruckspeicher, welche einem Hochdruckspeicher vorgelagert sind, können Kosten eingespart werden, da nach einer Betankung des Fahrzeuges nicht die gesamte Menge des gasförmigen Kraftstoffes auf Hochdruck komprimiert werden muss. Es kann ein kleinerer und dadurch auch kostengünstigerer Hochdruckspeicher zum Einsatz kommen, welcher nur die jeweils benötigte Menge an gasförmigen Kraftstoff auf Hochdruck verdichtet.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Kraftstofffördereinrichtung zwei Hochdruckspeicher aufweist, wobei ein erster Hochdruckspeicher gasförmigen Kraftstoff zum Gas-Hochdruckbereich fördert und ein zweiter Hochdruckspeicher mit gasförmigen Kraftstoff aus dem Niederdruckspeicher befüllt wird und dieses unter Hochdruck setzt. Auf diese Weise können Totzeiten vermieden werden, welche für die Befüllung des Hochdruckspeichers mit gasförmigen Kraftstoff benötigt werden. Es steht immer gasförmiger Kraftstoff unter Hochdruck bereit, welcher in den Gas-Hochdruckbereich gefördert werden kann.
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Ein weiterer Kostenvorteil ergibt sich, wenn der im Hochdruckspeicher der Druck des gasförmigen Kraftstoffes erreicht wird, der mindestens doppelt so hoch ist, wie der Druck des gasförmigen Kraftstoffes im Niederdruckspeicher.
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Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist einen Tank 5 zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit auf. Der Tank 5 ist über eine Leitung mit einer ersten Pumpe 7 verbunden. Die Pumpe 7 fördert die Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 über hydraulische Leitungen 18 auf ein erstes Druckniveau, welches sich oberhalb vom Druckniveau des Tanks 5 befindet, in einen Hydraulikraum 22 von mindestens zwei Speichern 9, 10.
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Die mindestens zwei Speicher 9,10 können als Kolbenspeicher ausgeführt sein und weisen einen Gasraum 20 zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes und einen Hydraulikraum 22 zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit, sowie einen beweglichen Trennkörper 26 auf.
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Ein Kolbenspeicher 9, 10 besteht vereinfacht beschrieben aus einem Rohr, welches beispielsweise zylindrisch ausgestaltet sein kann, und einem beweglichen Kolben zur Trennung von Hydraulikflüssigkeit und gasförmigen Kraftstoff. Im Einsatz des Speichers 9, 10 wird die Hydraulikflüssigkeit gegen den gasförmigen Kraftstoff gepresst. Gasförmiger Kraftstoff und Hydraulikflüssigkeit sind dabei durch den frei beweglichen Kolben (beweglicher Trennkörper 26) mit Dichtung getrennt. Im typischen Arbeitsbereich mit geringer Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand und ohne Endanschlag entsteht keine Druckdifferenz zwischen Gas- und Ölseite.
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Die mindestens zwei Speicher 9, 10 sind als Niederdruckspeicher ausgeführt und nehmen typischerweise gasförmigen Kraftstoff in einem Druckbereich von 180 bar bis 270 bar auf. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist mindestens zwei Niederdruckspeicher 9, 10 auf, welche parallel zueinander angeordnet sind. Der jeweilige Druck des gasförmigen Kraftstoffes in den mindestens zwei Niederdruckspeichern 9, 10 wird durch die Hydraulikflüssigkeit kontrolliert.
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Der Gasraum 20 der mindestens zwei Niederdruckspeicher 9, 10 kann über eine Tankleitung 15 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt werden.
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Durch die erste Pumpe 7 wird Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikraum 22 eines einzelnen Niederdruckspeichers 9, beispielsweise des ersten Niederdruckspeichers 9, gefördert. Indem durch die erste Pumpe 7 Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 in den Hydraulikraum 22 des ersten Niederdruckspeichers 9 gefördert wird, bewegt sich der bewegliche Trennkörper 26 in Richtung des in der 1 ein eingezeichneten Pfeiles. Durch die Bewegung des beweglichen Trennkörpers 26 wird der gasförmiger Kraftstoff komprimiert, so dass sich der Druck im Gasraum 20 erhöht. Der Druck im Gasraum 20 wird durch Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 kontrolliert.
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Der oder die übrigen Niederdruckspeicher 10, beispielsweise der mindestens eine zweite Niederdruckspeicher 10, befindet sich in einem Bereitschaftszustand und/oder Ruhezustand, solange der ersten Niederdruckspeicher 9 mit Hydraulikflüssigkeit befüllt wird.
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Der Niederdruckspeicher 9, 10 befindet sich im Bereitschaftszustand, wenn er mit gasförmigen Kraftstoff gefüllt ist, aber nicht zur Förderung von gasförmigen Kraftstoff im Einsatz ist. Dies bedeutet, dass keine Förderung von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikraum 22 stattfindet, so dass sich der bewegliche Trennkörper 26 nicht in Bewegung setzt um gasförmigen Kraftstoff zu komprimieren oder um gasförnugen Kraftstoff aus dem Speicher 9,10 zu fördern.
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Um in den ersten Niederdruckspeicher 9 Hydraulikflüssigkeit zu fördern, wird ein erstes Zuströmventil 41, welches sich in der Leitung zwischen erster Pumpe 7 und ersten Niederdruckspeicher 9 befindet, geöffnet. Ein zweites Zuströmventil 51, welches sich in der Leitung zwischen der ersten Pumpe 7 und dem mindestens einen zweiten Niederdruckspeicher 10 befindet, wird geschlossen.
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Durch die Förderung der Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikraum 22 wird der bewegliche Kolben 26 des ersten Niederdruckspeichers 9 in Bewegung gesetzt, so dass sich ein gewünschter Druck des gasförmiger Kraftstoff einstellt und gasförmiger Kraftstoff aus dem ersten Niederdruckspeicher 9 über eine Niederdruckleitung 19 in den Gasraum 20 eines Hochdruckspeicher 12 gelangen kann. Ein erstes Niederdruckventil 42 in der Leitung zwischen dem ersten Niederdruckspeicher 9 und dem Hochdruckspeicher 12 wird geöffnet, während ein zweites Niederdruckventil 52 in der Leitung zwischen dem ersten Niederdruckspeicher 9 und dem Hochdruckspeicher 12 geschlossen ist.
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Gasförmiger Kraftstoff wird solange aus dem ersten Niederdruckspeicher 9 in Richtung Hochdruckspeicher 12 gefördert bis dieser von gasförmigen Kraftstoff entleert ist. Der von gasförmigen Kraftstoff entleerte Niederdruckspeicher 9 wird danach in einen Ruhezustand versetzt, wobei der bewegliche Trennkörper 26 so bewegt wird, dass die Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikraum 22 zurück in den Tank 5 gefördert wird. Dies geschieht über eine in der 1 nicht dargestellte Rückströmleitung.
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Danach wird gasförmiger Kraftstoff aus einem Niederdruckspeicher, beispielsweise dem zweiten Niederdruckspeicher 10, der sich bisher im Bereitschaftszustand befand, in den Hochdruckspeicher 12 gefördert. Die Stellung (Öffnen/Schließen) der Zuströmventile 41, 51 und Niederdruckventile 42, 52 wird entsprechend angepasst.
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Der Hochdruckspeicher 12 kann auch als Kolbenspeicher ausgeführt sein und weist einen Hydraulikraum 22 und einen Gasraum 20 auf. Der Hydraulikraum 22 des Hochdruckspeichers 12 wird über eine zweite Pumpe 6 befüllt, wobei die zweite Pumpe 6 mit dem Tank 5 oder einem weiteren Tank verbunden ist und Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 oder dem weiteren Tank auf ein zweites Druckniveau in den Hydraulikraum 22 des Hochdruckspeichers 12 fördert. In der Leitung zwischen zweiter Pumpe 6 und Hydraulikraum kann sich ein Zuströmventil 61 befinden.
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Der Gasraum 20 des Hochdruckspeichers 12 ist mit einem Gas-Hochdruckbereich 11 verbunden. Der Gas-Hochdruckbereich 11 ist mit mindestens einem Injektor 13 verbunden. Der Injektor 13 kann ein reiner Gas-Injektor 13 sein, welcher nur gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzt oder auch ein Dual-Fluid-Injektor 34 sein, welcher sowohl flüssigen, als auch gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann.
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In der Leitung zwischen dem Hochdruckspeicher 12 und dem Gas-Hochdruckbereich 11 kann ein Hochdruckventil 21 angeordnet sein. Dieses Hochdruckventil 21 kann über eine Steuereinheit so angesteuert werden, dass es den gasförmigen Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 12 bei Bedarf in den Gas-Hochdruckbereich 11 strömen lässt. Mit Hilfe des Hochdruckventils 21, kann der Druck im Gas-Hochdruckbereich 11 auf einen gewünschten Druck angepasst werden, indem eine gewünschte Gasmenge aus dem Gasraum 20, welche sich auf einem höheren Druckniveau als das Gas im Gas-Hochdruckbereich 11 befindet, in Richtung des Gas-Hochdruckbereiches 11 strömt.
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Die Hydraulikflüssigkeit kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, sein.
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Handelt es sich bei der ersten und/oder zweiten Pumpe 6, 7 um eine elektrisch ansteuerbare Pumpe, so kann der Druck im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung der ersten und/oder zweiten Pumpe 6, welche eine Veränderung der Fördermenge zur Folge hat, verändert werden.
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Alternativ kann bei einer konstant betriebenen Pumpe 6, 7 eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung der Zuströmventile 41, 51, 61 erreicht werden.
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In einer weiteren Alternative ist eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung der Zuströmventile 41, 51, 61 und eine Ansteuerung der Pumpe 6,7 möglich.
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Der Druck im Gasraum 20 ändert sich abhängig vom jeweiligen Druck im Hydraulikraum 22, so dass über eine Ansteuerung der Zuströmventile 41, 51, 61 und/oder Ansteuerung der Pumpe 6, 7 auch der Druck im Gasraum 20 verändert werden kann.
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Der Druck im Gas-Hochdruckbereich 11 wird durch Ansteuerung des Hochdruckventils 21 kontrolliert. Im Hochdruckspeicher 12 herrscht unter normalen Betriebsbedingungen ein höherer Druck als im Gas-Hochdruckbereich 11, so dass durch ein Öffnen des Hochdruckventils 21 Gas aus dem Gasraum 20 in Richtung des Gas-Hochdruckbereiches 11 strömt, so dass sich der Druck des Gases im Gas-Hochdruckbereich 11 erhöht. Auf diese Weise kann der jeweils benötigte Einspritzdruck für den mindestens einen Injektor 13 eingestellt werden.
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Der Druck des gasförmigen Kraftstoffes im Hochdruckspeicher 12 befindet sich normalerweise in einem Bereich zwischen 200 bar und 600 bar. Der Hochdruckspeicher ist für einen Maximaldruck von 650 bar ausgelegt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, welches in Bezug auf die meisten Elemente der Kraftstofffördereinrichtung identisch mit dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist.
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In der 2 sind im Gegensatz zur 1 drei Niederdruckspeicher 9, 10, sowie ein erster Hochdruckspeicher 12 und ein zweiter Hochdruckspeicher 16 gezeigt. Durch die zwei Hochdruckspeicher 12, 16 kann eine schnellerer und flexiblerer Befüllung des Gas-Hochdruckbereiches 11 erfolgen. Während der erste Hochdruckspeicher 12 gasförmigen Kraftstoff in Richtung Gas-Hochdruckbereich 11 fördert, wird der zweite Hochdruckspeicher mit gasförmigen Kraftstoff aus einem der mindestens zwei Niederdruckspeicher 9, 10 mit Kraftstoff befüllt.
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Sobald der erste Hochdruckspeicher 12 den gesamten gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 gefördert hat, wird der bewegliche Trennkörper 26 so bewegt, dass die Hydraulikflüssigkeit über eine nicht dargestellte Rückströmleitung zurück in den Tank 5 fließt und der Hochdruckspeicher 12 erneut mit Gas aus einem der Niederdruckspeicher 9, 10 gefüllt werden kann. Während der erste Hochdruckspeicher 12 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt wird, erfolgt die Förderung von gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 aus dem zweiten Hochdruckspeicher 16. Auf diese Weise können sich der erste und der zweite Hochdruckspeicher 12, 16 mit der Förderung von gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 und der erneuten Befüllung von gasförmigen Kraftstoff aus den mindestens zwei Niederdruckspeichern 9,10 abwechseln.
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Um sicher zu gehen, dass jeweils nur ein Hochdruckspeicher 12, 16 mit gasförmigen Kraftstoff aus einem der Niederdruckspeicher 9, 10 befüllt wird, befindet sich in der Zuströmleitung zum ersten Hochdruckspeicher 12 ein erstes Ventil 62 und in der Zuströmleitung zum zweiten Hochdruckspeicher 16 ein zweites Ventil 63, welche jeweisl nur geöffnet werden, wenn der jeweilige Hochdruckspeicher mit gasförmigen Kraftstoff aus einem der Niederdruckspeicher 9,10 befüllt wird.
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Zusätzlich zu dem bereits aus dem ersten Ausführungsbeispiel bekannten Hochdruckventil 21 bedindet sich in der Leitung, welche die Zuströmung von gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 ermöglicht, ein Druckregler 41, welcher sehr schnelle Reaktionszeiten aufweist und flexibler in der Mengenreglung der Durchflussmenge ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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