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Die Erfindung betrifft ein Pleuel zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine.
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Aus der
DE102019103998A1 ist ein Pleuel mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei in zumindest einer Schaltposition eine lösbare Verriegelung vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Pleuel mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Pleuelkopf, einen Pleuelbolzen und eine Verriegelung. Der Pleuelbolzen ist durch einen Exzenter des Pleuels mit veränderlichem Abstand zum Pleuelkopf gelagert. Entweder der Pleuelkopf oder der Pleuelbolzen umfasst eine Fluidkammer und der Exzenter weist einen in die Fluidkammer reichenden Vorsprung auf, oder der Exzenter umfasst oder begrenzt eine Fluidkammer und der Pleuelkopf oder der Exzenter weist einen in die Fluidkammer reichenden Vorsprung auf, so dass ein Fluiddruck in der Fluidkammer eine Kraft auf den Vorsprung zur Veränderung der Exzenterstellung des Exzenters ausübt. Die Verriegelung verhindert in einer verriegelnden Stellung ein Verdrehen des Exzenters relativ zu dem Pleuelkopf. Die Verriegelung ist lösbar ausgeführt. Das Pleuel umfasst einen Hydraulikkreislauf mit einem ersten Teilkreislauf zum Ansteuern der Fluidkammer und einen zweiten, von dem ersten Teilkreislauf entkoppelten Teilkreislauf zum Ansteuern der Fluidkammer.
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Dadurch, dass der zweite Teilkreislauf von dem ersten Teilkreislauf entkoppelt ist, ermöglicht die Erfindung, dass die Verrieglung sicher verschließbar ist. Ohne eine Entkopplung des ersten und des zweiten Teilkreislaufs könnten signifikante Luftmengen im zweiten Teilkreislauf eingeschlossen werden, die eine ungewollte Entriegelung der Verriegelung verursachen können.
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Bevorzugt ist zur Entkopplung des ersten und des zweiten Teilkrauslauf ein hydraulischer Widerstand vorgesehen. Beispielsweise umfasst der erste und/oder der zweite Teilkreislauf eine Blende oder eine Drossel.
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Bevorzugt umfasst die Verriegelung zwei Arretierungsbolzen und eine Aufnahme, so dass ein erster Arretierungsbolzen in einer ersten Stellung des Exzenters in die Aufnahme eingreift und ein zweiter Arretierungsbolzen in einer zweiten Stellung in die Aufnahme eingreift. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass ein hohes und ein niedriges Verdichtungsverhältnis sicher eingestellt werden können.
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Die Verriegelung umfasst zum Verschließen bevorzugt eine Feder. Besonders bevorzugt wird die Verriegelung zum Entriegeln mit dem Hydraulikkreislauf verbunden, so dass ein Druck eines Hydraulikfluids einer Kraft der Feder entgegenwirkt und die Verriegelung entriegelt. Um ungewünschte Dynamiken im Hydraulikreislauf zu vermeiden oder zumindest zu vermindern, umfasst die Verriegelung bevorzugt eine Entlüftung, so dass Luft aus dem zweiten Teilkreislauf entweichen kann. Besonders bevorzugt wird zum Verschließen der Verriegelung die Verbindung zwischen Verriegelung und Hydraulikkreislauf unterbunden, so dass das Hydraulikfluid ablaufen kann, der Druck des Hydraulikfluids sinkt und die Feder die Verriegelung wieder verschließen kann.
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Bevorzugt umfasst der Pleuelkopf zwei Fluidkammern und der Exzenter zwei in die Fluidkammern hineinreichende Vorsprünge, so dass das Pleuel vier Hydraulikräume umfasst. Jeweils ein Hydraulikraum jeder Fluidkammer ist in einem expandierten Zustand, wenn ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist. Der jeweils andere Hydraulikraum jeder Fluidkammer ist in einem expandieren Zustand, wenn ein niedriges Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
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Besonders bevorzugt umfasst der erste Teilkreislauf zumindest eine Spülleitung, so dass eine kontinuierliche Versorgung mit Hydraulikfluid der Fluidkammern sichergestellt werden kann und ein Einschließen signifikanter Luftmengen vermieden oder zumindest reduziert werden kann.
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Vorzugsweise umfasst der Hydraulikkreislauf ein Schaltventil, das als Wegeventil mit 2 Schaltstellungen und 7 Durchflusswegen ausgeführt ist. Dadurch, dass das Schaltventil als 7/2-Wegeventil ausgeführt ist, ermöglicht die Erfindung die Entkopplung zwischen erstem und zweitem Teilkreislauf in kompakter Bauweise. Durch die kompakte Bauweise kann der Hydraulikkreislauf wartungsfreundlich im Pleuel integriert werden.
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Das Schaltventil ist ausgebildet durch das Wechseln der Schaltstellung einen Umschaltvorgang von einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis oder von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis einzuleiten. Gleichzeitig steuert der Umschaltvorgang das Ver- und Entriegeln der Verriegelung.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
- 2 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
- 3 eine weitere Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines Hydraulikkreislaufs eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
- 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Hydraulikkreislaufs eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
- 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Hydraulikkreislaufs eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine und
- 7 ein Ausführungsbeispiel eines Hydraulikmoduls eines Pleuels mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine.
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1 zeigt ein Pleuel 1 mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine. Das Pleuel 1 umfasst einen Pleuelkopf 2, einen Pleuelschaft 21 und ein großes Pleuelauge 20. Unterhalb des großen Pleuelauges 20 ist ein hydraulisches Umschaltmodul 19 angeordnet.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung des Pleuels 1. Das Pleuel umfasst einen Pleuelbolzen 3, der durch einen Exzenter 4 des Pleuels 1 mit veränderlichem Abstand zum Pleuelkopf 2 gelagert ist.
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Das Pleuel 1 ist während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bei jeder Motorumdrehung abwechselnd Zug- und Druckkräften ausgesetzt. Die Druckkräfte resultieren aus einem Verbrennungsdruck, die Zugkräfte aus Massenkräften bei einer Umkehrbewegung eines Kolbens, mit dem das Pleuel 1 durch den Pleuelbolzen 3 verbunden ist. Die Druckkräfte bewirken an dem Exzenter 4 ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn mit der Tendenz, den Exzenter 4 in Richtung eines niedrigen Verdichtungsverhältnis zu verstellen, die Zugkräfte bewirken ein Drehmoment im Uhrzeigersinn mit der Tendenz, den Exzenter 4 in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnis zu verstellen.
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Der Pleuelkopf umfasst zwei Fluidkammern 6,7 und der Exzenter 4 weist zwei Vorsprünge 8 auf. In jede der zwei Fluidkammer 6,7 reicht ein Vorsprung 8, so dass ein Fluiddruck in den Fluidkammern 6,7 eine Kraft auf den Vorsprung 8 zur Veränderung der Exzenterstellung des Exzenters 4 ausübt. Durch die zwei Vorsprünge 8 wird jede Fluidkammer 6,7 in zwei Hydraulikräume 25,26,27,28 unterteilt.
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Die Hydraulikräume 25,27 expandieren während einer Verstellung des Pleuels 1 in Richtung eines kleinen Verdichtungsverhältnisses. Während einer Verstellung in Richtung eines großen Verdichtungsverhältnisses komprimieren die Hydraulikräume 25,27. Die Hydraulikräumen 26,28 expandieren während einer Verstellung des Pleuels 1 in Richtung eines großen Verdichtungsverhältnisses und komprimieren während einer Verstellung in Richtung eines kleinen Verdichtungsverhältnisses.
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Das Pleuel 1 umfasst zwei Verriegelungen 5, die in einer verriegelnden Stellung ein Verdrehen des Exzenters 4 relativ zu dem Pleuelkopf verhindern. Die Verriegelungen 5 sind lösbar ausgeführt und umfassen jeweils einen Arretierungsbolzen 22,23, der in eine Aufnahme 24 eingreifbar ist. Der Arretierungsbolzen 22 verriegelt durch Eingreifen in die Aufnahme 24 den Exzenter 4 in der Position eines hohen Verdichtungsverhältnis, der Arretierungsbolzen 23 verriegelt durch Eingreifen in die Aufnahme 24 den Exzenter 4 in der Position eines niedrigen Verdichtungsverhältnis.
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3 zeigt das Pleuel 1 in einer weiteren Schnittdarstellung. Das Pleuel 1 umfasst einen Hydraulikkreislauf 9. Der Hydraulikkreislauf umfasst ein Öl und ist ausgebildet, die Hydraulikräume 25, 26, 27, 28 und die Arretierungsbolzen 22, 23 so mit Öl zu versorgen, dass der Exzenter 4 in eine gewünschte Position eines niedrigen oder hohen Verdichtungsverhältnis gebracht und arretiert wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Hydraulikkreislaufs 9 mit einem ersten 10 (Strichpunktlinien) und einem zweiten 11 (Punktlinien) Teilkreislauf. Die Hydraulikräume 25, 26, 27, 28 werden über den ersten Teilkreislauf 10 mit Öl versorgt. Die Arretierungsbolzen 22, 23 werden über den zweiten Teilkreislauf 11 mit Öl versorgt. Der Hydraulikkreislauf 9 ist durch ein Schaltventil 12 steuerbar ausgeführt. Das Schaltventil ist als Wegeventil mit 2 Schaltstellungen und 7 Durchflusswegen ausgeführt.
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Das Öl des Hydraulikkreislaufs 9 wird aus einem Pleuellager 29 gespeist einer Filtereinheit 30 gereinigt. Ein Teil des Öls speist den ersten 10, ein anderer Teil den zweiten 11 Teilkreislauf.
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Das Pleuel 1 befindet sich hier in der Position eines hohen Verdichtungsverhältnis. Die Hydraulikräume 26, 28 weisen ein maximales Volumen auf und sind mit dem Hydraulikkreislauf 9 zur Ölversorgung verbunden. Die Hydraulikräume 26, 28 sind vollständig mit Öl gefüllt. Mögliche Systemleckagen können ungehindert aus dem Pleuellager 29 über den ersten Teilkreislauf 10 in die Hydraulikräume 26, 28 nachströmen.
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Gleichzeitig findet eine Ölversorgung der Hydraulikräume 25, 27 mit minimalem Kammervolumen ausgehend vom Pleuellager 29 über en ersten Hydraulikkreislauf 10 statt. Dieser Teil des ersten Hydraulikkreislaufs 10 erfährt einen kontinuierlichen Spüleffekt über die Spülleitung 16, so dass einem Leerlaufen der Rohrleitungen entgegengewirkt wird und bei einem Schaltvorgang vermieden wird, dass signifikante Luftmengen im ersten Teilkreislauf 10 eingeschlossen werden und der Schaltvorgang unzulässig hohe Dynamiken aufweist. Die Spülleitung 16 umfasst einen als Blende ausgeführten hydraulischen Widerstand 18, um einen vorteilhaften Druck in den Hydraulikräumen 25, 27 einzustellen.
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Parallel dazu findet eine permanente Ölversorgung des Arretierungsbolzens 23 über den zweiten Teilkreislauf 11 statt, der zu einer Entriegelung des Arretierungsbolzens 23 führt. Der Arretierungsbolzen 22 hingegen ist von der Ölversorgung getrennt, sodass ein Rückstellen mittels Federkraft ermöglicht wird und keine ungewollten druckdynamischen Effekte durch auf das Öl wirkende Trägheitskräfte im motorischen Betrieb eine Entriegelung des Arretierungsbolzens 22 hervorrufen. Durch das Trennen des Arretierungsbolzens 22 von der Ölversorgung kann das Öl aus den entsprechenden Rohrleitungen in eine Ölwanne 31 ablaufen. Zum Regulieren und um ein Rückströmen zu verhindern, ist in der Leitung zwischen Schaltventil 12 und Ölwanne 31 ein Rückschlagventil 37 angeordnet.
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Das erforderliche Rohrleitungssystem des Hydraulikkreislaufs 9 ist in dem Pleuelgrundkörper, also dem Pleuelschaft 21 und (nicht gezeigten) Lagerkappen, eingebracht und mit dem hydraulischen Umschaltmodul 19 verbunden. Das hydraulische Umschaltmodul 19 umfasst das Schaltventil 12, die Filtereinheit 30, die Spülleitung 16, die Blende 18, das Rückschlagventil 37 und Abschnitte des ersten 10 und zweiten 11 Teilkreislaufs, insbesondere der für die Verschaltung relevanten Abschnitte.
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Wenn das Schaltventil 12 in eine Stellung für ein niedriges Verdichtungsverhältnis gebracht wird, wird zunächst der Arretierungsbolzen 23 mit dem zweiten Teilkreislauf 11 verbunden. Es findet ein Druckaufbau innerhalb des entsprechenden Leitungssystems statt, der zum Entriegeln des Arretierungsbolzens 23 führt. Durch eine definierte Entlüftung wird ermöglicht, dass Luft im Arretierungsbolzen 23 entweichen kann.
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Gleichzeitig findet eine Absteuerung der Ölmenge aus den Versorgungsleitungen des Arretierungsbolzens 22 statt, die zu einem Rückstellen durch Federkraft und damit zum Verriegeln führt. Geometrisch wird der Arretierungsbolzen 22 jedoch am Verriegelungsprozess gehindert, da er nicht in die dafür vorgesehene Aufnahme 24 im Exzenter 4 eingreifen kann. Dadurch wird die Rotationsbewegung des Exzenters 4 freigegeben und der Umschaltvorgang in Richtung eines niedrigen Verdichtungsverhältnis wird eingeleitet.
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Dabei wird Öl aus den Hydraulikräumen 26, 28 während der vorherrschenden Druckkraftphasen verdrängt und strömt über das Hydraulikmodul 19 in die Kammern 25, 27. Währenddessen passiert das Fluid einen in der Spülleitung 15 als Blende ausgebildeten hydraulischen Widerstand 17. Dieser ermöglicht einen dämpfenden Effekt auf den Rotationsvorgang des Exzenters 4. Als Rücklaufsperren sind ein Rückschlagventil 14 und das Schaltventil 12 ausgebildet, um den Exzenter 4 während der Zugkraftphasen in seiner Position halten zu können. Der Vorgang wiederholt sich bis nach einigen Zyklen die Endlage eines niedrigen Verdichtungsverhältnis erreicht ist. Für eine Umschaltung von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis läuft der Vorgang analog ab, als Rücklaufsperre ist dann entsprechend ein Rückschlagventil 13 ausgebildet, um den Exzenter 4 während der Druckkraftphasen in seiner Position halten zu können.
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5 zeigt das Pleuel 1 in der Position eines niedrigen Verdichtungsverhältnis. Der Arretierungsbolzen 23 greift in die vorgesehene Aufnahme 24 ein. Um ein ungewolltes Entriegeln zu verhindern, ist das Öl in den Leitungen zum Arretierungsbolzen 23 abgebaut, sodass keine trägheitsbedingten Druckerhöhungen auftreten. Diese könnten einen ungewollten Entriegelungsprozess hervorrufen. Die Blende 17 ist daher so dimensioniert, dass die Dauer des Schaltvorgangs an den Abbauprozess des Öls in den Leitungen zum Arretierungsbolzen 23 angepasst ist. Analog ist die Blende 18 so dimensioniert, dass bei einem Umschaltvorgang von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis die Dauer des Schaltvorgangs an den Abbauprozess des Öls in den Leitungen zum Arretierungsbolzen 22 angepasst ist.
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6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Pleuels 1 in der Position eines niedrigen Verdichtungsverhältnis. Der erste Teilkreislauf 10 umfasst eine erste 39 und eine zweite 40 Druckentlastungsleitung mit einem ersten 41 und einem zweiten 42 hydraulischen Widerstand. Die erste Druckentlastungsleitung 39 ist ausgebildet, die Hydraulikräume 26, 28 mit der Ölwanne 31 zu verbinden. Die zweite Druckentlastungsleitung 40 ist ausgebildet, die Hydraulikräume 25, 27 mit der Ölwanne 31 zu verbinden. Zur Druckregulierung in den Hydraulikräumen 25, 26, 27, 28 sind der erste 41 und der zweite 42 hydraulische Widerstand als Überdruckventile ausgeführt. So ermöglichen die erste 39 und die zweite 40 Druckentlastungsleitung eine Druckregulierung in den Hydraulikräumen 25, 26, 27, 28. In der in 6 gezeigten Position des Pleuels 1 in einem niedrigen Verdichtungsverhältnis wird ein Überdruck in den Hydraulikräumen 25, 27 vermieden oder kann zumindest abgebaut werden.
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In weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen werden in einer oder beiden Positionen des Exzenters 4 zwei Arretierungsbolzen zum Verriegeln verwendet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind beide Arretierungsbolzen 22, 23 ausgebildet in einer Position des Exzenters 4 zu verriegeln. In der anderen Position des Exzenters 4 wird dann nicht verriegelt.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des hydraulischen Umschaltmoduls 19 umfassend eine Kartusche 40, zwei Abdeckungen 41 mit Verschraubung, das Schaltventil 12, die Rückschlagventile 13, 14 sowie eine Blende 38 zum Entkoppeln des ersten vom zweiten 11 Teilkreislauf. Eine Arretierung des Schaltventils 12 innerhalb der Kartusche 40 ist hier mechanisch über eine Rastkugel ausgeführt. In alternativen Ausführungsbeispielen sind zur Reduktion von Strömungsverlusten die Kartusche 40 und das Schaltventil 12 unter Nutzung additiver Fertigungsverfahren optimiert.
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Eine Integration des hydraulischen Umschaltmoduls 19 findet hier innerhalb des großen Pleuelauges 20 statt. In alternativen Ausführungsbeispielen ist das hydraulische Umschaltmodul 19 im Pleuelschaft 21 untergebracht, um gesonderte Bauraumbedingungen erfüllen zu können.
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Das Schaltventil 12 wird hier mechanisch betätigt. In alternativen Ausführungsbeispielen ist das Schaltventil 12 hydraulisch oder elektromagnetisch betätigbar ausgeführt.
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Die Schaltachse des Schaltventils 12 ist hier parallel zu einer Kurbelwellenachse der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, um den Einfluss von Beschleunigungskräften auf die Schaltachse zu reduzieren. Die Orientierung der Rückschlagventile 13, 14, 37 erfolgt in Kurbelwellenachsrichtung um Trägheitseffekten während der Ventilöffnung und/oder -schließung entgegenzuwirken
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In alternativen Ausführungsbeispielen ist anstelle des Rückschlagventils 37 eine Druckentlastungsbohrung oder ein Überdruckventil vorgesehen, um den Öldruck in dem von dem Hydraulikreislauf getrennten Arretierungsbolzen 22, 23 abzusteuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019103998 A1 [0002]
