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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR), bei welcher jedem Brennraum ein Einlasskanal zugeordnet ist und rückgeführtes Abgas über den Einlasskanälen zugeordnete, korrespondierende Zuführabschnitte zuführbar ist, wobei in oder unmittelbar vor den Zuführabschnitten von mindestens zwei Brennräumen diesen Brennräumen zugeordnete, miteinander gekoppelte Zuführmittel vorgesehen sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hubkolbenbrennkraftmaschine und/oder eine für Fahrzeuge - vor allem für Kraftfahrzeuge - als Antriebsaggregat eingesetzte Brennkraftmaschine. Es wird auch auf Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einer solchen Brennkraftmaschine verwiesen.
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Aus
DE 198 16 266 A1 ist ein Luftansaugkanalsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt. Das Luftansaugkanalsystem weist einzelne, zu jedem Zylinder der Brennkraftmaschine führende Luftansaugkanäle und einen integrierten Abgasrückführkanal für eine Hochdruck-Abgasrückführung auf, dessen Abgasdurchsatz steuerbar ist und der über Einzelkanäle in jedem der einzelnen Luftansaugkanäle einmündet. Dabei ist jeder Einzelkanal gegenüber dem Luftansaugkanal, in den er einmündet, in Betriebsphasen ohne Abgasrückführung durch einen Ventilabschnitt verschließbar. Dadurch soll ein Durchschlagen des Ansaugdruckes des Luftansaugkanals in jeweils einen der anderen über die Einzelkanäle verhindert werden. Dieses Luftansaugkanalsystem ist mit einem relativ hohen Steueraufwand verbunden.
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In anderen, aus der Praxis bekannten Brennkraftmaschinen, insbesondere solchen, die konstruktiv einfacher gestaltet sind, kommt es bei bestimmten und insbesondere auch bei sich aufgrund von sich ändernden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (Lastwechseln) oder durch sich aus anderen Gründen ändernden Druckverhältnissen einschließlich Druckschwankungen im Abgasrückführkanal zu einer sich von Zylinder zu Zylinder unterscheidenden Druckverteilung und einer daraus resultierenden ungleichmäßigen Abgasrückführung je Zylinder, die unerwünscht ist, weil dadurch erhöhte Emissionen auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, welche unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf konstruktiv einfache, aber zugleich zuverlässige Art und Weise eine über mehrere Brennräume (Zylinder) der Brennkraftmaschine möglichst gleichmäßige Hochdruck-Abgasrückführung ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen und mit einer Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR), bei welcher jedem Brennraum ein Einlasskanal zugeordnet ist und rückgeführtes Abgas über den Einlasskanälen zugeordnete, korrespondierende Zuführabschnitte zuführbar ist, wobei in oder unmittelbar vor den Zuführabschnitten von mindestens zwei Brennräumen diesen Brennräumen zugeordnete, miteinander gekoppelte Zuführmittel vorgesehen sind. Der Erfindung liegt damit der Gedanke zugrunde, ein oder mehrere Zuführabschnitte einer Hochdruck-Abgasrückführung mit ein oder mehreren weiteren Zuführabschnitten dadurch zu koppeln, dass miteinander gekoppelte Zuführmittel vorgesehen sind, die aufgrund der Kopplung eine über mehrere Brennräume (Zylinder) der Brennkraftmaschine gleichmäßigere Hochdruck-Abgasrückführung ermöglichen.
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Als eine funktionale Kopplung im Sinne der Erfindung sollen dabei sowohl direkte mechanische Kopplungen als auch indirekte mechanische Kopplungen und andere Kopplungen verstanden werden. Unter einer indirekten mechanischen Kopplung ist dabei insbesondere eine Kopplung mittels eines Getriebes oder eines sonstigen weiteren Übertragungsgliedes zu verstehen. Unter einer sonstigen Kopplung sind insbesondere eine elektronische oder mechanische Steuerung oder Regelung zu versehen, die die Zufuhr von mehreren mit entsprechenden Zuführmitteln versehenen Brennräumen bzw. den Zuführabschnitten zugeordneten Strömungsquerschnitten mit Abgas überwachen und durch geeignete Steuerung oder Regelung gezielt in Bezug auf eine Vergleichmäßigung beeinflussen.
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Aus Gründen der konstruktiven Einfachheit und daraus resultierenden Kostengründen ist es bevorzugt, wenn die Zuführmittel zumindest teilweise zwangsgekoppelt und vollständig parallel geschaltet sind. Es sind insoweit solche Zuführmittel bevorzugt, die über ein gemeinsames Verbindungsglied parallel geschaltet sind, so dass zwei oder mehr Zuführmittel aufgrund der Zwangskopplung und Parallelschaltung stets den gleichen Zustand aufweisen und damit eine gleichmäßige Hochdruck-Abgasführung bewirken können.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weisen die Zuführmittel zumindest teilweise rotierende Elemente auf. Diesbezüglich wird insbesondere auf eine gemeinsame Welle verwiesen, die als Kopplungsglied für alle Zuführmittel dienen kann und damit eine Zwangskopplung und Parallelschaltung auf mechanisch einfache und kostengünstige Art und Weise zur Verfügung stellen kann.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zuführmittel zumindest teilweise Flügelräder. Damit sind insbesondere rotierende Elemente zu verstehen, die sich quer zu einer Rotationsrichtung erstreckende Flächen aufweisen, um durch Rotation jeweils ein zwischen zwei Flächen begrenztes Volumen zu fordern. Dabei ist die Zahl der Flächen des Flügelrades unerheblich. Bevorzugt sind jedoch Flügelräder mit 2 bis 20 rotierenden Flächen, insbesondere mit 3 bis 10 rotierenden Flächen und vorzugsweise mit 4 bis 8 rotierenden Flächen. Dabei sind die Flächen weiter bevorzugt ungefähr gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, so dass das zwischen zwei benachbarten Flächen begrenzte Volumen über den Umfang verteilt jeweils gleich groß ist.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zuführmittel zumindest teilweise Flügelzellenräder. Das Prinzip von Flügelzellenrädern ist insbesondere von Drehschieberpumpen und Flügelzellenpumpen bekannt. Diese umfassen üblicherweise einen Rotor mit einer oder mehreren radial angeordneten Führungen, in welchen Drehschieber angeordnet sind. Die Drehschieber rotieren gemeinsam mit dem Rotor um einen exzentrisch zu einem den Rotor umgebenden Stator. Dabei sind die Drehschieber innerhalb der Führungen derart beweglich, dass sie sich in ihrer wirksamen Länge derart anpassen, dass das radial äußere Ende der Drehschieber während der gesamten Umdrehung des Rotors stets an der Innenwand des Stators anliegt. Die Verwendung von Flügelzellenrädern hat den Vorteil, dass aufgrund unterschiedlich großer, wirksamer Flächen der Drehschieber ein Überdruck im Bereich der Hochdruck-Abgasführung genutzt werden kann, um Flügelzellenräder anzutreiben. Dies wird in Verbindung mit der Figurenbeschreibung noch im Detail erläutert. Es ist damit ein passiver Antrieb realisierbar, bei dem lediglich Überdruck im Bereich der Hochdruck-Abgasführung in mindestens einem Zuführabschnitt von einem Brennraum ausreichend ist, um über alle gekoppelten Zuführmittel Abgas in alle gekoppelten Brennräume zu fördern.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es aus konstruktiven Aspekten und Kostenaspekten besonders bevorzugt, wenn die Zuführmittel über mindestens eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zuführmittel strömungsgesteuert gekoppelt, insbesondere ausschließlich strömungsgesteuert gekoppelt. Darunter ist insbesondere in Verbindung mit Flügelzellenrädern oder anderen, funktional vergleichbaren Zuführmitteln zu verstehen, dass die Zuführmittel ausschließlich über eine sich in der Hochdruck-Abgasrückführung einstellende Strömung, die üblicherweise aus einem Überdruck in der Hochdruck-Abgasrückführung gegenüber den Einlasskanälen entsteht, gesteuert wird.
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Alternativ oder in Ergänzung zu den vorstehend erläuterten rotatorischen Zuführmitteln können als Zuführmittel auch vollständig oder teilweise translatorische Zuführmittel eingesetzt werden. Diesbezüglich wird insbesondere auf als Zuführmittel vorgesehene, zumindest teilweise steuerbare Blenden verwiesen. Darunter sind insbesondere verfahrbare Elemente zu verstehen, mittels welchen die Abgasrückführung zu mindestens zwei verschiedenen Brennräumen derart koppelbar ist, dass durch eine gesteuerte Verjüngung oder Erweiterung der entsprechenden Strömungsquerschnitte eine Vergleichmäßigung der Rückführung von Abgas von der Hochdruck-Abgasrückführung in die beiden miteinander gekoppelten Brennräume bewirkt wird.
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In einer weiteren, alternativ oder in Ergänzung realisierbaren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mindestens ein aktiver Antrieb und/oder mindestens eine Steuerung für die Zuführmittel vorgesehen. Hinsichtlich aktiver Antriebe wird insbesondere auf Elektromotoren, sowie auf sonstige elektrische, mechanische, hydraulische oder sonstige Antriebsmittel verwiesen. Beispielsweise kann ein mechanischer Antrieb über eine starre oder schaltbare Kopplung mit einem weiteren Element eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle oder eines sonstigen sich im Betrieb eines Kraftfahrzeuges bewegenden Elements realisiert sein. Hinsichtlich einer Steuerung für die Zuführmittel wird insbesondere darauf verwiesen, dass mit Hilfe von Drucksensoren, Volumenstrom und/oder Massenstromsensoren geeignete Parameter innerhalb der Hochdruck-Abgasrückführung insbesondere derart erfassbar sind, dass durch gezielte Steuerung der Zuführmittel mit Hilfe der Steuerung eine exakt gleichmäßige Verteilung von Abgas auf mehrere Brennräume der Brennkraftmaschine, insbesondere auf alle vorhandenen Brennräume der Brennkraftmaschine, bewirkt werden.
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Um zu vermeiden, dass im Falle von Druckschwankungen, die sowohl innerhalb der Hochdruck-Abgasrückführung als auch innerhalb der Brennräume der Brennkraftmaschine stattfinden können, temporär eine Rückströmung von Abgas in Richtung der Hochdruck-Abgasrückführung bewirkt wird, ist es vorteilhaft wenn das Zuführmittel selbst funktional eine Rückströmsicherung aufweist und/oder wenn eine separate Rückströmsicherung vorgesehen ist. Eine funktional an dem Zuführmittel ausgebildete Rückströmsicherung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das Zuführmittel, wenn es sich dabei um ein rotierend bewegliches Zuführmittel handelt, nur eine Drehrichtung zulässt und insoweit in einer Gegenrichtung eine Sperrung im Sinne einer selbsthemmenden Gestaltung aufweist. Sofern das Zuführmittel selbst eine funktional derartige Rückströmsicherung nicht aufweist, kann alternativ oder in Ergänzung eine separate Rückströmsicherung vorgesehen sein, beispielsweise indem ein rotatorisch bewegliches Zuführmittel mit einem weiteren Element zwangsgekoppelt ist, das eine Drehung in eine Sperrrichtung unterbindet. Darüber hinaus kann als separate Rückströmsicherung auch ein einfaches Ventil dienen, das zusätzlich vorgesehen ist und der Wirkung eines unerwünschten Unterdrucks, welcher zu einer Rückdrehung eines rotatorischen Elements führen würde, entgegenwirkt.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen und einer Hochdruck-Abgasrückführung in einer schematischen Darstellung,
- 2 Zuführmittel in Form von Flügelrädern oder Flügelzellenrädern mit einem optionalen Antriebsmotor für die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine,
- 3 eine Darstellung des Funktionsprinzips einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei welcher als Zuführmittel Flügelzellenräder vorgesehen sind sowie
- 4 eine Darstellung des Funktionsprinzips einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei welcher als Zuführmittel Flügelräder vorgesehen sind.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 10 mit vier schematisch dargestellten Brennräumen 12. Bei der Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, dementsprechend handelt es sich bei den Brennräumen 12 um Zylinder. Für den in den Brennräumen 12 stattfindenden Verbrennungsprozess erforderliche Zuluft wird über einen Zuluftkanal 14 und von dem Zuluftkanal 14 abzweigenden Einlasskanälen 16 zu den einzelnen Brennräumen 12 geführt. Das durch die Verbrennung in den Brennräumen 12 entstehende Abgas wird über Abgaskanäle 18 in einen Sammelabgaskanal 20 geleitet. Ein Teil des Abgases kann über eine Hochdruck-Abgasrückführung 22 (HD-AGR) in den Bereich der Einlasskanäle 16 zurückgeführt werden. Dazu sind eine HD-AGR-Strecke 24, ein HD-AGR-Ventil 26 und ein HD-AGR-Rail 28 vorgesehen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind in schematischer Art und Weise zwei Varianten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 dargestellt. In beiden Varianten sind als Zuführmittel 30 rotierende Elemente 32 vorgesehen, die in Zuführabschnitten 34 der Hochdruck-Abgasrückführung 22 angeordnet sind. Die Zuführabschnitte 34 münden in den zugeordneten Einlasskanälen 16, welche zu den Brennräumen 12 führen.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der als Zuführmittel 30 dienenden rotierenden Elemente 32. Diese sind drehfest mit einer Welle 36 gekoppelt. Optional kann die Welle 36 aktiv mittels eines Motors 38 angetrieben werden.
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Zwei Varianten von als Zuführmitteln 30 dienenden rotierenden Elementen 32 werden im Folgenden anhand der 3 und 4 erläutert. Dabei handelt es sich bei den rotierenden Elementen 32 bei der in 3 gezeigten Ausführungsform um Flügelzellenräder 40. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei den rotierenden Elementen 32 um Flügelräder 42.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform mit Flügelzellenrad 40 sind in radialer Richtung verschiebbar gelagerte Flügel 44 vorgesehen. Diese Flügel 44 rotieren gemeinsam mit der Welle 36 und einem die Flügel 44 aufnehmenden Rotor 46 um ein als Stator dienendes Gehäuse 48. Die Welle 36 ist um die Exzentrizität e exzentrisch gegenüber dem Gehäuse 48 angeordnet. Die radial verschiebbar gelagerten Flügel 44 sind so gestaltet, dass sie während der Rotation des Flügelzellenrades 40 stets an der Innenwand des Gehäuses 48 anliegen. Dadurch verändert sich nicht nur die wirksame Länge der Flügel 44 abhängig von der aktuellen Position des jeweiligen Flügels 44, sondern auch die wirksame Fläche des Flügels 44, die in 3 schematisch mit A1 und mit A2 am Beispiel von zwei Flügeln 44 gekennzeichnet sind.
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Die in 3 mit A1 und A2 gekennzeichneten Flächen sind diejenigen Flächen, welche mit dem jeweils in dem HD-AGR-Rail 28 vorhandenen Druck in Wechselwirkung stehen. Das Flügelzellenrad 40 ist so gestaltet, dass die in der gewünschten Drehrichtung D wirksame Fläche A2 stets größer ist als die der Drehrichtung D entgegenwirkenden Fläche A1. Dadurch führt ein Überdruck in dem HD-AGR-Rail 28 dazu, dass das Flügelzellenrad 40 in Drehrichtung D angetrieben wird. Diese Art des Antriebs mittels eines im HD-AGR-Rail 28 vorhandenen Überdrucks wird als passiver Antrieb bezeichnet. Ein zusätzlicher Antrieb in Form eine Motors 38, wie in 2 gestrichelt dargestellt, ist daher in Verbindung mit einem Flügelzellenrad 40 nicht zwingend erforderlich, aber optional möglich.
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Die in 4 gezeigte Variante mit einem Flügelrad 42 unterscheidet sich dadurch, dass die Welle 36 konzentrisch zu dem Gehäuse 48 angeordnet ist. Die wirksamen Flächen A der Flügel 44 sind daher, insbesondere in dem Bereich, in welchem der von dem HD-AGR-Rail 28 ausgehende Druck wirkt, stets gleich groß. Dementsprechend wird das Flügelrad 42 mittels eines etwaig vorhandenen Überdrucks in dem HD-AGR-Rail 28 nicht angetrieben. Um das Flügelrad 42 in der gewünschten Drehrichtung D antreiben zu können, ist daher ein auf das Flügelrad 42 oder die Welle 36 oder ein weiteres, mit diesen Elementen verbundenes Element wirkendes Antriebselement erforderlich, beispielsweise in Form eines Motors 38.
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Unabhängig davon, welche der Varianten bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 realisiert ist, führt die starre Kopplung der Zuführmittel 30 dazu, dass den Brennräumen 12 jeweils das gleiche Volumen an zurückgeführtem Abgas zugeführt wird, wenn unterstellt wird, dass der Druck in dem HD-AGR-Rail 28 in etwa gleich groß ist. Vorteilhaft ist, dass etwaige Druckschwankungen innerhalb des HD-AGR-Rails 28 dadurch zumindest teilweise ausgeglichen werden, dass eine Beschleunigung der Drehgeschwindigkeit D eines Zuführmittels 30 die Geschwindigkeit aller parallel geschalteten Zuführmittel 30 der übrigen Zuführabschnitte 34 gleichermaßen erhöht.
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In Verbindung mit der Verwendung eines Motors 38 und insbesondere in Verbindung mit Flügelrädern 42 wird darauf hingewiesen, dass auf das in 1 dargestellte HD-AGR-Ventil 26 optional verzichtet werden kann. Darüber hinaus sind Flügelräder 42 im Vergleich zu Flügelzellenrädern 40 konstruktiv deutlich einfacher, kostengünstiger verfügbar und weniger störanfällig.
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Ergänzend wird noch darauf hingewiesen, dass, insbesondere um das Festsetzen einzelner Flügel 44 gegenüber der Innenwand des Gehäuses 48 zur Erhöhung der Betriebssicherheit vorgesehen sein kann, dass kleine Luftspalte zwischen den radial äußeren Enden der Flügel 44 und dem Gehäuse 48 vorgesehen sind. Alternativ können die radial äußeren Enden der Flügel 44 mit elastischen Lippen versehen sein, die zur Abdichtung und zum Tolerieren von im Bereich der Innenwand des Gehäuses 48 entstehenden Ablagerungen dienen können.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Brennraum
- 14
- Zuluftkanal
- 16
- Einlasskanal
- 18
- Abgaskanal
- 20
- Sammelabgaskanal
- 22
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 24
- HD-AGR-Strecke
- 26
- HD-AGR-Ventil
- 28
- HD-AGR-Rail
- 30
- Zuführmittel
- 32
- rotierendes Element
- 34
- Zuführabschnitt
- 36
- Welle
- 38
- Motor
- 40
- Flügelzellenrad
- 42
- Flügelrad
- 44
- Flügel
- 46
- Rotor
- 48
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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