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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Stillstandskorrosion einer Zylinderlaufbahn. Außerdem betrifft die Erfindung einen Prüfstand zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
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Die
DE 34 01 433 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Verbrennungskammern von verbrennungsmotorenbildenden Konstruktionsteilen mit verbesserten Oberflächen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Prüfstand zum Durchführen eines solchen Verfahrens zu schaffen, sodass eine Stillstandskorrosion einer Zylinderlaufbahn für einen Kolben eines Hubkolbenmotors besonders vorteilhaft ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Prüfstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Stillstandskorrosion einer Laufbahn eines Zylinders für einen Kolben eines Hubkolbenmotors. Somit ist das Verfahren ein Stillstandskorrosionstest, mithin eine Messmethode zum Ermitteln der Stillstandskorrosion. Die Erfindung ermöglicht somit eine Absicherung von auch als Zylinderlaufbahnen bezeichneten Laufbahnen gegenüber Stillstandskorrosion. Bei dem Verfahren wird eine Oberfläche der auch als Zylinderlaufbahn bezeichneten Laufbahn charakterisiert, indem Werte von Messgrößen ermittelt, insbesondere erfasst, werden, die die Oberfläche charakterisieren. Bei diesen Messgrößen kann es sich beispielsweise um eine auch als Oberflächenporosität bezeichnete Porosität, um eine Honstruktur, um eine Rauigkeit der Oberfläche und/oder um andere Messgrößen handeln. Bei dem Verfahren wird der die Laufbahn aufweisende Zylinder aus einem insbesondere bereits hergestellten Kurbelgehäuse getrennt. Die auch als Laufbahnoberfläche bezeichnete Oberfläche der Zylinderlaufbahn wird gereinigt, und es wird der mit Kolbenringen bestückte Kolben in den Zylinder eingesetzt. Der mit den Kolbenringen bestückte Kolben wird auch als Kolbeneinheit bezeichnet. Die Kolbenringe bilden beispielsweise ein auch Kolbenringpaket bezeichnetes Ringpaket, welches dadurch, dass der Kolben mit den Kolbenringen bestückt ist, an dem Kolben gehalten ist, insbesondere unter Bildung der Kolbeneinheit. Die in dem Zylinder eingesetzte Kolbeneinheit wird in wenigstens einer vorgegebenen Position relativ zu der Laufbahn in dem Zylinder fixiert. Insbesondere daraufhin wird wenigstens ein Prüfzyklus durchgeführt. Bei dem Prüfzyklus werden der Zylinder und die darin angeordnete und in der Position fixierte Kolbeneinheit bei einer vorgegebenen Temperatur von beispielsweise 40°C für eine vorgegebene Zeit von beispielsweise fünf Tagen gelagert, insbesondere in einem Ofen. Bei dem Prüfzyklus wird auch ein beispielsweise flüssiges Korrosionsmedium auf wenigstens einen der Kolbenringe wenigstens einmal, insbesondere mehrere Male, aufgetragen. Insbesondere daraufhin, das heißt nach dem wenigstens einen Prüfzyklus und somit nach der Zeit wird die Kolbeneinheit aus dem Zylinder entnommen. Bei dem Verfahren werden Korrosionsprodukte von der Laufbahn nasschemisch entfernt. Außerdem wird wenigstens ein Wert einer Messgröße ermittelt, insbesondere erfasst, die eine Korrosion als die Stillstandskorrosion der Laufbahn charakterisiert. Mit anderen Worten charakterisiert die wenigstens eine Messgröße eine Korrosion der Laufbahn, wobei die durch die mindestens eine Messgröße charakterisierte Korrosion der Laufbahn als Maß für die Stillstandskorrosion verwendet oder angesehen wird.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Prüfstand zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Prüfstands anzusehen und umgekehrt.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Überlegungen zugrunde: Mit zunehmender Hybridisierung von Fahrzeugen entstehen neue Betriebszyklen, wobei die Betriebszeiten für die eingesetzten, als Hubkolbenmotoren ausgebildeten Verbrennungsmotoren durch Fahrprofile, bei denen ausschließlich der elektrische Antriebsstrang eingesetzt wird, sinken. Des Weiteren entstehen längere Stillstandszeiten des jeweiligen Verbrennungsmotors bei Fahrzeugen, die aufgrund von saisonalen Einsätzen wie zum Beispiel bei einem Wohnmobil genutzt werden beziehungsweise bei Sommer- und Winterfahrzeugen, aber auch bei landwirtschaftlichen Geräten wie zum Beispiel Mähdreschern. Hierdurch verbleiben die Kolben innerhalb des Zylinders für einen längeren Zeitraum an einer bestimmten Position, wodurch Korrosionsangriffe zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlaufbahn aufgrund korrosiver Medien innerhalb des Brennraums entstehen können. Im schlimmsten Fall kann aufgrund des Korrosionsangriffs ein Abplatzen der Zylinderlaufbahnbeschichtung bzw. der Oberfläche der Zylinderlaufbahn entstehen, was zu einem unerwünschten Schaden führen kann. Aufgrund emissionsreduzierender Maßnahmen wie zum Beispiel erhöhten Abgasrückführungsraten, Wassereinspritzung, Harnstoffeinspritzung etc., aber auch durch schwefelhaltige Kraftstoffe können korrosive Kondensate entstehen, die entsprechende Stillstandskorrosionsschäden auf der Zylinderlaufbahn erzeugen können. Aktuell existiert keine Prüf- und Charakterisierungsmethode, welche das Problem der Stillstandskorrosion direkt am Bauteil, mithin am Zylinder zwischen Zylinderlaufbahn und Kolben beziehungsweise Kolbenringen untersucht. Die allgemeinen Korrosionsuntersuchungen zum Beispiel nach DIN 50905-1, DIN 50018 oder VDA 230-214 beschreiben Methoden, bei denen entweder Dummy-Proben, zum Beispiel Flachproben, untersucht werden oder Prüfsegmente aus den Zylindern der Kurbelgehäuse herausgetrennt werden müssen und nicht das komplette Bauteil abgeprüft wird. Zudem wird in den genannten Prüfmethoden das System Kolben/Kolbenringe in Kombination mit der Zylinderlaufbahn nicht untersucht. Bisher konnte die Charakterisierung hinsichtlich Korrosion an Zylinderlaufbahnen ausschließlich durch aufwändige motorische Erprobung erfolgen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf eine aufwändige, teure und langwierige motorische Erprobung zum Charakterisieren der Zylinderlaufbahneigenschaften bezüglich Korrosionsangriffen insbesondere durch Stillstandskorrosion verzichtet werden.
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Das Verfahren und der erfindungsgemäße Prüfstand ermöglichen es insbesondere, eine Wechselwirkung von Korrosionsangriffen zwischen Kolben/Kolbenringen und der Zylinderlaufbahnbeschichtung beziehungsweise der durch eine Beschichtung gebildeten Zylinderlaufbahn reproduzierbar in einem Labormaßstab zu prüfen und/oder zu überprüfen. Durch die Erfindung müssen keine Dummy-Proben beschichtet werden, die mit den nach dem Stand der Technik bekannten Korrosionsprüfmethoden untersucht werden. Beim Beschichten von Dummy-Proben für Korrosionsuntersuchungen können prozessbedingt nicht die Schichteigenschaften, insbesondere hinsichtlich Mikrostruktur, Zusammensetzung etc. wie bei der eigentlichen Zylinderinnenbeschichtung von Kurbelgehäusen hergestellt werden. Des Weiteren soll die Erfindung bei der Auswahl neuer Schichtwerkstoffe für Zylinderlaufbahnbeschichtungen beziehungsweise beim gezielten Einstellen der Eigenschaften von Schichtgefügen helfen, um bestmögliche Schichteigenschaften hinsichtlich Stillstandskorrosion zu erzeugen. Zudem kann der auch als Stillstandskorrosionsprüfstand bezeichnete Prüfstand genutzt werden, um eine Kolbenringbeschichtung im Hinblick auf eine vorteilhafte Korrosionsbeständigkeit der Zylinderlaufbahnbeschichtung zu entwickeln. Der Prüfstand ermöglicht somit einen Standard für die Entwicklung beziehungsweise Absicherung von Zylinderlaufbahnbeschichtungen und Kolbenringbeschichtungen im Kontext zu Korrosionsangriffen und Stillstandskorrosion.
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Die Erfindung ist ein Prüfstandsaufbau und methodisches Vorgehen, um Korrosionsangriffe aufgrund erhöhter Stillstandszeiten des als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hubkolbenmotors insbesondere in Kombination mit korrosiven Kondensaten beispielsweise in einem Labor reproduzierbar abzubilden. Der Zylinder wird als Prüfzylinder direkt aus einem zu prüfenden Bauteil in Form des Kurbelgehäuses getrennt, sodass keine Beschichtung von Dummy-Proben erfolgt und notwendig ist. Es ist natürlich auch möglich ein komplettes Zylinderkurbelgehäuse zu prüfen. Es können Kolben mit für die Untersuchung entsprechenden Kolbenringpaketen insbesondere im Hinblick auf Geometrie, Beschichtung, Spannkraft etc. verwendet werden. Erfolgen kann eine Positionierung des Kolbens beziehungsweise der Kolbeneinheit innerhalb des Prüfzylinders an definierten Positionen wie beispielsweise an dem oberen Totpunkt, dem unteren Totpunkt und/oder, entsprechend der Mikrostruktur der beispielsweise als Schicht ausgebildeten Zylinderlaufbahn, mit unterschiedlichen Schichtbereichen, beispielsweise homogenen bzw. inhomogenen Bereichen. Positionen, in denen die Kolbeneinheit relativ zu der Zylinderlaufbahn fixiert wird, können zumindest nahezu frei gewählt werden. Es erfolgt außerdem eine Charakterisierung eines insbesondere aus der Stillstandskorrosion resultierenden Korrosionsangriffs, insbesondere im Hinblick auf Korrosionstiefe, Korrosionsbreite, Schichtverlustfläche Schichtverlustvolumen durch Korrosionsangriff, Mikrostrukturanalyse etc.
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Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Absicherung und Charakterisierung einer Korrosionsbeständigkeit von Zylinderlaufbahnen für zumindest nahezu alle Verbrennungsmotortypen mit ihren jeweiligen Kolben/Kolbenringpaketen, um eine mögliche Gefährdung durch Stillstandskorrosion unter Laborbedingungen schnell zu quantifizieren. Hierdurch kann auf eine aufwändige und teure motorische Erprobung verzichtet werden.
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Beispielsweise umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- - Charakterisierung der Laufbahnoberfläche vor dem Prüfzyklus und insbesondere vor dem Reinigen der Oberfläche und vor dem Einsetzen der Kolbeneinheit in den Zylinder und insbesondere vor dem Fixieren der Kolbeneinheit in der vorgegebenen Position und vorteilhafterweise auch vor dem Trennen des Zylinders aus dem Kurbelgehäuse, wobei beispielsweise die Charakterisierung eine Messung einer Oberflächenporosität der Zylinderlaufbahn, eine Ermittlung einer Honstruktur der Zylinderlaufbahn, eine Ermittlung einer Rauigkeit der Laufbahnoberfläche etc. umfassen kann;
- - Prüfzylinder aus Kurbelgehäuse trennen;
- - Reinigung der Laufbahnoberfläche, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen;
- - ausgewählte Kolbeneinheit ohne Öl beziehungsweise Schmiermittel und somit trocken in den Zylinder einsetzen;
- - Kolbeneinheit an definierter Position im Zylinder fixieren;
- - Zylinder und darin angeordnete und fixierte Kolbeneinheit in einem Ofen bei einer Temperatur von beispielsweise 40°C lagern;
- - Korrosionsmedium mit definiertem Volumen beispielsweise auf den ersten Kolbenring auftragen;
- - Prüfzylinder mit Deckel weitgehend abdichten, um ein Austrocknen zu verhindern, um Stillstandsbedingungen im Motor zu simulieren;
- - nach einer Einwirkdauer von beispielsweise 24 Stunden findet eine erneute Zugabe von Korrosionsmedium mit dem gleichen Volumen auf den ersten Kolbenring statt;
- - für einen Prüfzyklus wird das Vorgehen der Mediumzugabe für insgesamt fünf Tage, das heißt für fünfmal 24 Stunden durchgeführt;
- - Entfernen der Kolbeneinheit aus dem Zylinder nach dem Prüfzyklus;
- - nasschemisches Entfernen von Korrosionsprodukten von der Zylinderlaufbahn;
- - Charakterisierung des Korrosionsangriffs an der Zylinderlaufbahn.
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Die Charakterisierung des Korrosionsangriffs und somit der Stillstandskorrosion kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- - taktile Oberflächenvermessung der Laufbahnoberfläche;
- - Mikrostrukturanalyse (Querschliff) der Laufbahnoberfläche;
- - Abbildung der Laufbahnoberfläche;
- - lichtmikroskopische Analyse der Laufbahnoberfläche;
- - REM/EDX-Untersuchungen, insbesondere der Laufbahnoberfläche;
- - Messung der Haftzugfestigkeit etc.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
- 1 ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Ermitteln einer Stillstandskorrosion einer Laufbahn eines Zylinders für einen Kolben eines Hubkolbenmotors;
- 2 eine schematische Schnittansicht des Zylinders mit dem darin angeordneten und mit Kolbenringen bestückten Kolben; und
- 3 eine weitere schematische Schnittansicht des Zylinders und ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des in dem Zylinder angeordneten und mit den Kolbenringen bestückten Kolbens.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Blockdiagramm, anhand dessen im Folgenden ein Verfahren zum Ermitteln einer Stillstandskorrosion einer Laufbahn 10 (2) eines Zylinders 12 für einen Kolben 14 eines Hubkolbenmotors beschrieben wird. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens erfolgt eine Charakterisierung einer auch als Laufbahnoberfläche bezeichneten Oberfläche 16 der auch als Zylinderlaufbahn bezeichneten Laufbahn 10 des Zylinders 12. Die Charakterisierung der Laufbahnoberfläche umfasst, dass Werte von Messgrößen ermittelt, insbesondere erfasst und somit gemessen, werden, welche die Oberfläche 16 (Laufbahnoberfläche) charakterisieren. Bei den die Laufbahnoberfläche charakterisierenden Messgrößen handelt es sich beispielsweise um eine Rauigkeit, eine Honstruktur und/oder um ein Ölhaltevolumen der Laufbahnoberfläche, was in 1 durch einen Block 18 veranschaulicht ist. Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird der die Laufbahn 10 aufweisende Zylinder 12 aus einem Kurbelgehäuse getrennt. Durch einen Block 20 in 1 ist veranschaulicht, dass beispielsweise je Versuchsdurchführung mindestens drei Zylinder verwendet und somit herausgetrennt werden. Es ist natürlich auch möglich ein komplettes Zylinderkurbelgehäuse zu prüfen. Bei einem dritten Schritt S3 wird die Laufbahnoberfläche (Oberfläche 16) gereinigt. Dies bedeutet, dass bei dem dritten Schritt S3 eine Reinigung der Laufbahnoberfläche erfolgt. Durch einen Block 22 ist veranschaulicht, dass beispielsweise Petroleum-Benzin verwendet wird, um die Laufbahnoberfläche zu reinigen. Bei einem vierten Schritt S4 des Verfahrens erfolgt ein so genanntes, trockenes Kolbenfügen. Dies bedeutet, dass bei dem vierten Schritt S4 des Verfahrens der mit Kolbenringen 24a-c bestückte Kolben 14 und somit eine durch die Kolbenringe 24a-c und den damit bestückten Kolben 14 gebildete Kolbeneinheit 26 trocken, das heißt ohne Verwendung eines Schmiermittels, in den Zylinder 12 eingesetzt wird. Bei einem fünften Schritt S5 des Verfahrens wird die Kolbeneinheit 26 in oder an einer definierten und somit vorgegebenen Position im Zylinder 12 relativ zur Laufbahn 10 fixiert. 2 zeigt eine erste Position, in oder an welcher die Kolbeneinheit 26 in dem Zylinder 12 relativ zur Laufbahn 10 fixiert wird oder werden kann. 3 zeigt eine von der ersten Position unterschiedliche, zweite Position, in oder an der die Kolbeneinheit 26 in dem Zylinder 12 relativ zur Laufbahn 10 fixiert wird oder werden kann. In 2 ist mit B1 ein erster Bereich der Laufbahn 10 bezeichnet, deren Oberfläche 16 in dem Bereich B1 porös und dabei insbesondere poröser ist als ein in 3 mit B2 bezeichneter, zweiter Bereich der Laufbahn 10 beziehungsweise der Oberfläche 16. Somit ist die Oberfläche 16 der Laufbahn 10 in dem Bereich B2 dichter als in dem Bereich B1. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Laufbahn 10 beziehungsweise ihre Oberfläche 16 im Bereich B1 porös und im Bereich B2 dicht. Dabei sind „porös“ und „dicht“ Beispiele für Schichtgefüge und Oberflächen von Zylinderlaufbahnen insbesondere an unterschiedlichen Stellen beziehungsweise in unterschiedlichen Bereichen.
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In 1 ist ein Prüfzyklus veranschaulicht und mit 28 bezeichnet, wobei der Prüfzyklus bei einem sechsten Schritt S6 durchgeführt wird. Wie durch einen Block 30 dargestellt ist, umfasst der Prüfzyklus 28, dass der Zylinder 12 und die darin angeordnete und in der Position fixierte Kolbeneinheit 26 bei einer vorgegebenen Temperatur von beispielsweise 40°C für eine vorgegebene Zeit von beispielsweise fünf Tagen, das heißt fünfmal 24 Stunden, insbesondere in einem Ofen gelagert werden. Wie durch einen Block 32 veranschaulicht ist, umfasst der Prüfzyklus 28 außerdem, dass ein Korrosionsmedium, welches vorzugsweise flüssig ist, auf wenigstens einen der Kolbenringe 24a-c, insbesondere auf den ersten Kolbenring 24a, wenigstens einmal aufgetragen wird. Insbesondere wird das Korrosionsmedium innerhalb der Zeit mehrmals aufeinanderfolgend und zeitlich voneinander beabstandet auf den wenigstens einen Kolbenring 24a-c aufgetragen. Beispielsweise wird das Korrosionsmedium in der Zeit und somit innerhalb der fünf Tage täglich einmal auf den wenigstens einen Kolbenring 24a-c aufgetragen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass ein vorgegebenes Volumen von beispielsweise 0,8 ml des Korrosionsmediums auf den wenigstens einen Kolbenring 24a-c aufgetragen wird.
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Bei einem siebten Schritt S7 wird die Kolbeneinheit 26 nach dem Prüfzyklus 28 aus dem Zylinder 12 entnommen und bei einem achten Schritt S8 des Verfahrens werden insbesondere aus der Durchführung des Prüfzyklus 28 resultierende Korrosionsprodukte von der Laufbahn 10, insbesondere von der Oberfläche 16, nasschemisch entfernt. Bei einem neunten Schritt S9 des Verfahrens erfolgt eine Charakterisierung eines Korrosionsangriffs. Die Charakterisierung des Korrosionsangriffs der Oberfläche 16 umfasst, dass wenigstens ein Wert einer Messgröße ermittelt, insbesondere erfasst, wird, die eine Korrosion der Laufbahn 10, insbesondere der Oberfläche 16, charakterisiert, wobei die durch die Messgröße charakterisierte Korrosion als Maß für die Stillstandskorrosion der Laufbahn 10, insbesondere der Oberfläche 16, verwendet wird.
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Das Korrosionsmedium ist in 3 schematisch dargestellt und mit 34 bezeichnet. Außerdem ist eine Dosiereinrichtung 36 schematisch dargestellt, mittels welcher das Korrosionsmedium 34 auf den ersten Kolbenring 24a aufgetragen wird.
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In 1 ist durch einen Block 38 veranschaulicht, dass die Charakterisierung des Korrosionsangriffs einen Querschliff, einen Tastschnitt etc. umfassen kann. Insbesondere kann die Charakterisierung des Korrosionsangriffs eine taktile Oberflächenvermessung, eine Mikrostrukturanalyse, insbesondere einen Querschliff, eine Abbildung der Oberfläche 16 der Zylinderlaufbahn 10, eine Lichtmikroskopieaufnahme der Oberfläche 16, eine REM-Untersuchung der Oberfläche 16, eine Ermittlung einer Haftzugfestigkeit der Oberfläche 16 etc. umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laufbahn
- 12
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 16
- Oberfläche
- 18
- Block
- 20
- Block
- 22
- Block
- 24a-c
- Kolbenring
- 26
- Kolbeneinheit
- 28
- Prüfzyklus
- 30
- Block
- 32
- Block
- 34
- Korrosionsmedium
- 36
- Dosiereinrichtung
- 38
- Block
- B1
- erster Bereich
- B2
- zweiter Bereich
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
- S4
- vierter Schritt
- S5
- fünfter Schritt
- S6
- sechster Schritt
- S7
- siebter Schritt
- S8
- achter Schritt
- S9
- neunter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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