DE10206701A1 - Antriebsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einer Antriebsvorrichtung mit einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brennraum, einem ersten Sekundärspeicher (7.1) zur Aufnahme eines ersten Verbrennungsmediums (H¶2¶), wobei der erste Sekundärspeicher (7.1) ausgangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, daß der erste Sekundärspeicher (7.1) eingangsseitig mit einem ersten Primärspeicher (8.1) verbunden ist, der das erste Verbrennungsmedium (H¶2¶) in chemisch gebundener Form enthält. Die Verbrennungswärme kann hierbei genutzt werden, um das Verbrennungsmedium in dem Primärspeicher freizusetzen, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Knallgasturbinen bekannt, bei denen ein Gemisch aus
Wasserstoff und Sauerstoff verbrannt wird und dadurch ein
Turbinenrad antreibt. Das Knallgas wird hierbei üblicher
weise aus Druckbehältern entnommen, die Sauerstoff und Was
serstoff getrennt enthalten.
Nachteilig an diesen bekannten Knallgasturbinen ist die
Tatsache, daß die maximale Betriebsdauer der Knallgasturbi
ne durch das Fassungsvermögen der Druckbehälter beschränkt
ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der
vorstehend beschriebenen bekannten Knallgasturbine die ma
ximale Betriebsdauer zu verlängern.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschrie
benen bekannten Knallgasturbine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, zur
Speicherung eines Verbrennungsmediums bei einer Brennkraft
maschine einen Primärspeicher und einen Sekundärspeicher
vorzusehen, wobei der Primärspeicher das Verbrennungsmedium
in chemisch gebundener Form enthält, während der Sekundär
speicher das Verbrennungsmedium in fertiger Form enthält.
Die Brennkraftmaschine wird hierbei also aus dem Sekundär
speicher mit dem Verbrennungsmedium versorgt, während in
dem Primärspeicher das Verbrennungsmedium freigesetzt und
in den Sekundärspeicher überführt wird, um diesen aufzufül
len.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Sekun
därspeichers ist allgemein zu verstehen und umfaßt bei
spielsweise Druckbehälter, in denen das jeweilige Verbren
nungsmedium in komprimierter Form in einem gasförmigen oder
flüssigen Aggregatzustand enthalten ist. Darüber hinaus um
faßt der Begriff eines Sekundärspeichers auch Flüssigkeits
behälter, in denen das jeweilige Verbrennungsmedium in
flüssiger Form und bei Umgebungsdruck enthalten ist.
Die Erfindung ist nicht auf die eingangs erwähnten Knall
gasturbinen beschränkt, sondern prinzipiell mit allen Typen
von Brennkraftmaschinen realisierbar, wie beispielsweise
Gasturbinen, Ottomotoren und Dieselmotoren.
Darüber hinaus ist die Erfindung auch nicht auf Wasserstoff
bzw. Sauerstoff als Verbrennungsmedium beschränkt, sondern
entsprechend dem Typ der jeweiligen Brennkraftmaschine auch
mit anderen Verbrennungsmedien realisierbar, wie beispiels
weise Erdgas.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
das Verbrennungsgemisch aus zwei Komponenten, die getrennt
gespeichert und zugeführt werden. Vorzugsweise sind deshalb
zwei Primärspeicher und zwei Sekundärspeicher vorgesehen,
wobei die beiden Primärspeicher jeweils eine Komponente des
Verbrennungsgemischs in chemisch gebundener Form enthalten,
während die beiden Sekundärspeicher die jeweilige Komponen
te des Verbrennungsgemischs in fertiger Form enthalten.
Vorzugsweise enthält ein Primärspeicher eine Lösung aus
wasserstoffhaltigen Salzen, wie beispielsweise Magnesiumhy
drid, das bei hohen Temperaturen zu Magnesium und Wasser
stoff dissoziiert, wodurch gasförmiger Wasserstoff freige
setzt wird.
Der andere Primärspeicher enthält dagegen vorzugsweise eine
Lösung aus sauerstoffhaltigen Salzen, wie beispielsweise
Natriumsuperoxid, die bei hohen Temperaturen ebenfalls dis
soziieren und damit Sauerstoff freisetzen.
Die Freisetzung der chemisch gebundenen Verbrennungsmedien
in dem Primärspeicher erfolgt üblicherweise erst oberhalb
einer bestimmten Minimaltemperatur, die während des Start
vorgangs der Brennkraftmaschine in der Regel noch nicht ge
geben ist. Es ist deshalb vorzugsweise eine Heizvorrichtung
vorgesehen, die den Inhalt des Primärspeichers erhitzt, um
die Freisetzung der chemisch gebundenen Verbrennungsmedien
in dem Primärspeicher einzuleiten bzw. zu beschleunigen.
Eine derartige Heizvorrichtung kann beispielsweise eine
Wärmetauscherleitung aufweisen, die durch die Brennkraftma
schine und den Primärspeicher geführt wird. Das Wärmetau
schermittel nimmt dann in der Brennkraftmaschine Wärmeener
gie auf und gibt diese teilweise an den Primärspeicher ab,
wodurch dieser erhitzt wird.
Vorzugsweise besteht das Wärmetauschermittel hierbei aus
einer flüssigen Metallegierung, wie beispielsweise einer
Gallium-Aluminium-Legierung.
Darüber hinaus ist zur Förderung des Wärmetauschermittels
vorzugsweise eine Pumpe vorgesehen, wobei die Pumpe durch
die Brennkraftmaschine oder durch einen separaten Elektro
motor angetrieben werden kann.
Es ist jedoch theoretisch auch möglich, daß die Heizvor
richtung ohne eine Pumpe nach dem sogenannten Thermo-
Syphon-Prinzip arbeitet, bei dem das Wärmetauschermittel
aufgrund der thermisch bedingten Dichteunterschiede selb
ständig durch den Heizkreislauf fließt.
Darüber hinaus ist vorzugsweise eine Kühlvorrichtung vorge
sehen, welche den Primärspeicher und/oder den Sekundärspei
cher kühlt.
Vorzugsweise weist diese Kühlvorrichtung ein Gebläse auf,
wobei das Gebläse von der Brennkraftmaschine oder durch ei
nen separaten Elektromotor angetrieben werden kann.
Als Kühlmedium wird hierbei vorzugsweise Umgebungsluft ver
wendet, die von dem Gebläse angesaugt und durch Kühlleitun
gen zu dem Primärspeicher bzw. zu dem Sekundärspeicher be
fördert wird. Die Kühlung für den Primärspeicher und für
den Sekundärspeicher kann hierbei vorzugsweise durch Ven
tilklappen getrennt eingestellt werden. Die Erfindung ist
jedoch hinsichtlich des Kühlmediums nicht auf Umgebungsluft
beschränkt, sondern beispielsweise auch mit Wasser als
Kühlmedium realisierbar, was insbesondere bei Schiffen oder
U-Booten vorteilhaft möglich ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend
zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei
gen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Antriebsvorrichtung sowie
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Turbine der An
triebsvorrichtung aus Fig. 1.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Antriebsvorrichtung kann beispielsweise zum Antrieb von
Land- und Wasserfahrzeugen verwendet werden.
Hierzu weist die Antriebsvorrichtung eine weitgehend her
kömmliche Knallgasturbine 1 auf, die detaillierter in
Fig. 2 dargestellt ist und im folgenden kurz beschrieben
wird. So weist die Knallgasturbine 1 ein Turbinengehäuse 2
in Form eines Rotationsparaboloids auf, in dem ein Turbi
nenrad 3 drehbar gelagert ist. An die Wandung des Turbinen
gehäuses 2 schließen drei Vorkammern 4.1-4.3 an, in die
über jeweils zwei Einspritzdüsen 5.1, 5.2 Wasserstoff bzw.
Sauerstoff eingespritzt wird. Zur Zündung des eingespritz
ten Knallgasgemischs ist für jede Vorkammer 4.1-4.3 eine
Zündvorrichtung 6.1-6.3 vorgesehen, die mehrere Laserimpul
se radial in die Vorkammern 4.1-4.3 abgibt und dadurch den
Zündvorgang auslöst. Die einzelnen Zündvorgänge sind hier
bei mit der Stellung des Turbinenrades 3 synchronisiert, so
daß das in den Vorkammern 4.1-4.3 explodierende Knallgasge
misch ein Drehmoment auf das Turbinenrad 3 ausübt.
Die Versorgung der Knallgasturbine 1 mit Wasserstoff und
Sauerstoff erfolgt durch zwei sogenannte Sekundärspeicher
7.1, 7.2, wobei der Sekundärspeicher 7.1 Wasserstoff in
komprimierter Form enthält, während der Sekundärspeicher
7.2 komprimierten Sauerstoff enthält.
Ausgangsseitig sind die beiden Sekundärspeicher mit den
Einspritzdüsen 5.1 bzw. 5.2 der Knallgasturbine 1 verbun
den, um den gespeicherten Wasserstoff bzw. Sauerstoff in
die Vorkammern 4.1-4.3 der Knallgasturbine einspritzen zu
können.
Während des Betriebs der Knallgasturbine 1 wird den Sekun
därspeichern 7.1, 7.2 also laufend Sauerstoff bzw. Wasser
stoff entnommen, so daß die Sekundärspeicher 7.1, 7.2 wie
der aufgefüllt werden müssen. Diese Nachfüllung erfolgt je
doch nicht durch Zuführung von gasförmigem Sauerstoff bzw.
Wasserstoff, sondern durch jeweils einen Primärspeicher
8.1, 8.2.
Der Primärspeicher 8.1 dient hierbei zur Nachfüllung des
Sekundärspeichers 7.1 mit Wasserstoff. Hierzu enthält der
Primärspeicher 8.1 Magnesiumdihydrid in fester, kristalli
ner Form, das bei relativ hohen Temperaturen von T = 300°C
entsprechend der chemischen Formel
MgH2 ↔ Mg + H2
dissoziiert und dabei gasförmigen Wasserstoff freisetzt.
Vorteilhaft an der Speicherung des Wasserstoffs in chemisch
gebundener Form ist die wesentlich höhere Energiedichte als
bei einer Speicherung in gasförmiger Form. Der in dem Pri
märspeicher 8.1 freigesetzte Wasserstoff wird dann während
des laufenden Betriebs in den Sekundärspeicher 7.1 über
führt, so daß der Druck in dem Sekundärspeicher 7.1 auf
recht erhalten bleibt.
Der Primärspeicher 8.2 dient dagegen zur Nachfüllung des
Sekundärspeichers 7.2 mit Sauerstoff und enthält hierzu Na
triumhyperoxid in fester Form, das bei hohen Temperaturen
von ungefähr T = 675°C entsprechend der chemischen Formel
4 NaO2 ↔ 2 Na2O + 3 O2
dissoziiert und dabei gasförmigen Sauerstoff freigibt. Vor
teilhaft an der Speicherung des Sauerstoffs in chemisch ge
bundener Form ist hierbei wiederum die wesentlich höhere
Energiedichte als bei einer Speicherung des Sauerstoffs in
gasförmiger Form. Der in dem Primärspeicher 8.2 freigesetz
te Sauerstoff wird dann ebenfalls in den Sekundärspeicher
7.2 überführt, so daß der Druck in dem Sekundärspeicher 7.2
während des laufenden Betriebs trotz des Sauerstoffver
brauchs durch die Knallgasturbine 1 im wesentlichen auf
recht erhalten wird.
Zwischen den Primärspeichern 8.1, 8.2 und den Sekundärspei
chern 7.1, 7.2 ist jeweils eine elektrische Pumpe angeord
net, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist und den
Gastransport verbessert.
Die Primärspeicher 8.1, 8.2 weisen jeweils technisch hand
habbare Röhren auf, die aus den stationär verbauten Pri
mäspeicherröhren entnommen werden und so als komplette Bau
einheit regenerierbar sind. Die zu entnehmenden Röhren be
inhalten jeweils die Oxide und Hydride und sind beispiels
weise mit gitter- oder wabenförmigen, hauchdünnen Edelme
tallkatalysatoren ausgestattet, wodurch die O2- bzw. H2-
Freisetzung verbessert wird. Vorteilhaft daran ist, daß die
Röhren direkt im heißen Gasstrom beim Gas-/Energieerzeuger
regenerierbar sind und durch bloßes Einschieben wieder ein
gesetzt werden können.
Es wurde bereits vorstehend erläutert, daß die Dissoziie
rungsreaktion in den Primärspeichern 8.1, 8.2 eine relativ
hohe Temperatur benötigt, die weit über Raumtemperatur
liegt und beim Start der Knallgasturbine 1 nicht sofort er
reicht wird. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung weist
deshalb eine Heizvorrichtung auf, um die Primärspeicher
8.1, 8.2 auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, die für
die Dissoziierungsreaktion erforderlich ist. Hierzu weist
die Heizvorrichtung eine Wärmetauscherleitung 9 auf, die
als Wärmetauschermittel eine flüssige Gallium-Aluminium-
Legierung enthält und durch die Knallgasturbine 1 sowie die
beiden Primärspeicher 8.1, 8.2 hindurchgeführt ist, wobei
das Wärmetauschermittel durch eine Pumpe 10 zwangsgefördert
wird. Vorteilhaft an der Verwendung einer Gallium-
Aluminium-Legierung als Wärmetauschermittel ist die hohe
spezifische Wärmekapazität dieses Materials, was einen ef
fektiven Wärmetransport ermöglicht. Darüber hinaus weist
die Heizvorrichtung einen Reservoirspeicher 11 mit Gallium-
Aluminium-Legierung auf, um die Wärmetauscherleitung 9
stets gefüllt zu halten. Das Wärmetauschermittel wird also
beim Durchströmen der Knallgasturbine 1 stark erhitzt und
gibt die aufgenommene Wärmeenergie anschließend beim Durch
strömen der Primärspeicher 8.1, 8.2 wieder, so daß die Pri
märspeicher 8.1, 8.2 nach dem Start der Knallgasturbine 1
schnell die erforderliche Betriebstemperatur erreichen.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Antriebsvorrich
tung auch eine Kühlvorrichtung auf, um die Betriebstempera
turen der Primärspeicher 8.1, 8.2 und der Sekundärspeicher
7.1, 7.2 zu begrenzen. Hierzu weist die Kühlvorrichtung ein
Gebläse 12 auf, das von der Knallgasturbine 1 oder von ei
nem separaten Elektromotor angetrieben wird. Das Gebläse 11
saugt relativ kalte Umgebungsluft an und führt diese in
vier Lüftungskanäle 13.1-13.4, wobei der Lüftungskanal 13.1
zur Kühlung des Sekundärspeichers 7.1 dient, während der
Lüftungskanal 13.2 den Primärspeicher 8.1 kühlt. Der Lüf
tungskanal 13.3 dient dagegen zur Kühlung des Primärspei
chers 8.2, während der Lüftungskanal 13.4 zur Kühlung des
Sekundärspeichers 7.2 dient.
In den Lüftungskanälen 13.2, 13.3 ist deshalb jeweils eine
Abzweigung 14.1, 14.2 angeordnet, die die angesaugte Umge
bungsluft zur Kühlung des Primärspeichers 8.1 bzw. 8.2 aus
dem Lüftungskanal 13.2 bzw. 13.3 abzweigt. In der Abzwei
gung ist hierbei eine nicht dargestellte Ventilklappe ange
ordnet, um den Kühlluftstrom für den Primärspeicher 8.1
bzw. 8.2 steuern zu können. Anschließend wird der Kühlluft
strom dann durch eine Rückführung 15.1, 15.2 wieder in den
Lüftungskanal 13.2 bzw. 13.3 zurückgeführt.
Weiterhin ist in den Lüftungskanälen 13.1, 13.4 jeweils ei
ne Abzweigung 16.1, 16.2 angeordnet, die einen Kühlluft
strom zur Kühlung der Sekundärspeicher 7.1, 7.2 abzweigt.
In den beiden Abzweigungen 16.1, 16.2 ist wiederum jeweils
eine nicht dargestellte Ventilklappe angeordnet, um den
Kühlluftstrom individuell steuern zu können. Der Kühlluft
strom wird dann anschließend durch jeweils eine Rückführung
17.1, 17.2 wieder in die Lüftungskanäle 13.1, 13.4 zurück
geführt, so daß die Lüftungskanäle 13.1, 13.4 erwärmte Um
gebungsluft abgeben.
Die Steuerung der Ventilklappen in den Abzweigungen 14.1,
14.2, 16.1, 16.2 erfolgt hierbei so, daß die Temperatur in
den Primärspeichern 8.1, 8.2 wesentlich höher ist als die
Temperatur in den Sekundärspeichern 7.1, 7.2, damit der in
den Primärspeichern 8.1, 8.2 freigesetzte Wasserstoff bzw.
Sauerstoff in die Sekundärspeicher 7.1 bzw. 7.2 übergeht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf
die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie
le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche
von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders
geärteten Ausführungen Gebrauch macht.
Claims (17)
1. Antriebsvorrichtung, mit
einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brenn raum,
einem ersten Sekundärspeicher (7.1) zur Aufnahme eines er sten Verbrennungsmediums (H2),
wobei der erste Sekundärspeicher (7.1) ausgangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Sekundärspeicher (7.1) eingangsseitig mit ei nem ersten Primärspeicher (8.1) verbunden ist, der das er ste Verbrennungsmedium (H2) in chemisch gebundener Form enthält.
einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brenn raum,
einem ersten Sekundärspeicher (7.1) zur Aufnahme eines er sten Verbrennungsmediums (H2),
wobei der erste Sekundärspeicher (7.1) ausgangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Sekundärspeicher (7.1) eingangsseitig mit ei nem ersten Primärspeicher (8.1) verbunden ist, der das er ste Verbrennungsmedium (H2) in chemisch gebundener Form enthält.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zusätzlich ein zweiter Sekundärspeicher (7.2)
zur Aufnahme eines zweiten Verbrennungsmediums (O2) vorge
sehen ist, wobei der zweite Sekundärspeicher (7.2) aus
gangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1)
und eingangsseitig mit einem zweiten Primärspeicher (8.2)
verbunden ist, der das zweite Verbrennungsmedium (O2) in
chemisch gebundener Form enthält.
3. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Primärspeicher (8.1) und/oder der zweite Primärspeicher
(8.2) mit einer Heizvorrichtung (9-11) verbunden ist.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Heizvorrichtung (9-11) eine Wärmetau
scherleitung (9) umfaßt, die ein flüssiges Wärmetauscher
mittel durch die Brennkraftmaschine (1) und den ersten Pri
märspeicher (8.1) und/oder den zweiten Primärspeicher (8.2)
leitet.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Wärmetauschermittel im wesentlichen aus
einer flüssigen Metallegierung besteht oder halogenierte
Kohlenwasserstoffe, FCKW, FKW, Schweröl und/oder eine CO2-
Mischung mit organischen Lösungsmitteln enthält.
6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Wärmetauschermittel im wesentlichen aus
einer Gallium-Aluminium-Legierung besteht.
7. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprü
che 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich
tung (9-11) eine Pumpe (10) zur Förderung des Wärmetau
schermittels aufweist.
8. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung
des ersten Primärspeichers (8.1) und/oder des zweiten Pri
mäspeichers (8.2) und/oder des ersten Sekundärspeichers
(7.1) und/oder des zweiten Sekundärspeichers (7.2) eine
Kühlvorrichtung (12-17) vorgesehen ist.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kühlvorrichtung (12-17) ein Gebläse (12)
aufweist.
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 und/oder 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (12-17) Ven
tilklappen aufweist, um den ersten Primärspeicher (8.1)
und/oder den zweiten Primärspeicher (8.2) und/oder den er
sten Sekundärspeicher (7.1) und/oder den zweiten Sekundär
speicher (7.2) individuell kühlen zu können.
11. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Primärspeicher (8.1) eine wesentlich größere Temperatur
aufweist als der erste Sekundärspeicher (7.1) und/oder daß
der zweite Primärspeicher (8.2) eine wesentlich größere
Temperatur aufweist als der zweite Sekundärspeicher (7.2).
12. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Verbrennungsmedium Wasserstoff und das zweite Verbrennungs
medium Sauerstoff ist.
13. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Primärspeicher (8.1) wasserstoffhaltiges Salz in gelöster
oder in fester Form enthält.
14. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß der erste Primärspeicher (8.1) Magnesiumhy
drid, Lanthanid, Actinid und/oder Metallhydrid in gelöster
oder in fester Form enthält.
15. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Primärspeicher (8.2) eine Lösung eines sauerstoffhaltigen
Salzes enthält.
16. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zweite Primärspeicher (8.2) Natrimoxid
oder Bariumoxid enthält.
17. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Primärspeicher (8.2) im entleerten Zustand Alkalioxide bzw.
Erdalkalioxide und im befüllten Zustand Peroxide und/oder
Hyperoxide enthält.
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DE10206701A DE10206701B4 (de) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | Antriebsvorrichtung |
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