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Brennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffes in den Brennraum
und mit regelbarer Beheizung bzw. Kühlung der Brennraumwand Die Erfindung bezieht
sich auf eine Brennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffes in den Brennraum
unter mindestens teilweiser Durchquerung der im Brennraum enthaltenen Luft und mit
regelbarer Beheizung bzw. Kühlung der Brennraumwand in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße
der Maschine.
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Eine solche Maschine wurde vom Erfinder vorgeschlagen und bildet den
Gegenstand des nicht vorveröffentlichten älteren Patentes 1023 922. Sie ermöglicht
es, die Temperatur der Brennraumwand den jeweiligen Betriebsbedingungen über den
ganzen Belastungsbereich anzupassen. Ein elastischer Gang de[r Maschine und geringer
Brennstoffverbrauch bei hoher Leistung ist dadurch erzielbar. Ein Nachteil besteht
jedoch immer noch darin, daß der mehr oder weniger aufgelockerte, aber trotzdem
geschlossene und stabile Brennstoffstrahl der angestrebten Wirkungsweise hindernd
im Wege steht. Dieser Nachteil kann auch durch Erzeugung einer Wirbelbewegung der
Luft nicht vollkommen beseitigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Behebung dieses Nachteiles. Die Erfindung
besteht im wesentlichen darin, daß der Brennstoff in einem in an sich bekannter
Weise breitflächigen ebenen, gebogenen, ringförmigen oder in sonstiger Weise gestalteten
Band aus einer entsprechend ausgebildeten Düse auf die regelbar beheizte bzw. gekühlte
Brennraumwand aufgespritzt wird.
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Es sind bereits Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Brennstoff
aus einer seitlich gegen die Brennraumwand aerichteten Düse in mehreren einzelnen
Strahlen fächerförinig auf die Brennraumwand derart gespritzt wird, daß er sich
filmaitig auf dieser ausbreiten kann. Auch wurde hierbei im Fall eines durch einen
Hohlraum im Kolben gebildeten Brennraumes eine Kühlung des Kolbens vorgesehen, um
die Temperatur der Brennraumwand auf einer bestimmten Höhe zu halten. Eine solche
Aufteilung in zwei oder drei einzelne Strahlen behält jedoch die Einspritzung in
geschlossenen Strahlen bei und stellt keine Feinauflösung des Strahles in der Düse
dar. Auch ist - abgesehen vom Schutz des Kolbens gegen überhitzung mittels
eines gegen die Kolbenwand gerichteten ölstrahles oder durch entsprechende Querschnittsbemessung
des Materials - keine besonders geregelte Beheizung bzw. Kühlung der Brennnraumwand
vorgesehen.
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Es sind ferner Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Brennstoff
mittels Zapfendüse in einem Hohlkegelstrahl eingespritzt wird. Eine solche Zapfendüse
liefert aber nur einen unvollkommen aufgeteilten Brennkegel, bei dem zwar der Brennstoff
zum großen Teil in den äußeren Partien des Brennstoffkegels konzentriert ist, bei
dem jedoch auch die inneren Partien desselben noch erhebliche Brennstoffmengen enthalten.
Eine regelbare Beheizung oder Kühlung der Brennraumwand findet hierbei nicht statt.
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In anderen bekannten Vorkammermaschinen ist der Kammerinhalt durch
eine die Kammerwand umgebende regelbare Heizvorrichtung beheizbar, wobei die Heizvorrichtung
hauptsächlich zum Anlassen und bei niederen Drehzahlen eingeschaltet sein soll.
Der Brennstoff wird hierbei in Achsrichtung der Vorkammer gegen die den Hauptbrennraum
mit der Vorkammer verbindenden überströrnöffnungen außerhalb des Bereiches der Heizvorrichtung
gespritzt.
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Auch wurde bereits nicht vorveröffentlicht vorgeschlagen, den Brennstoff
fächer- oder schleierförmig auf die Brennraumwand aufzuspritzen. Doch war auch in
diesem Fall die Fächer- oder Schleierform im wesentlichen nur auf die Art der Verteilung
einzelner Brennstoffstrahlen bezogen. Eine regelbare Beheizung oder Kühlung der
Brennraumwand in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Maschine t3 war nicht
vorgesehen.
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Während somit bei den bekannten Maschinen, soweit sie mit Wandaufspritzung
arbeiten, der Brennstoff im wesentlichen erst durch das Auftreffen auf die Wandung
bzw. durch einen rotierenden Luftstrom verteilt wird, findet erfindungsgemäß eine
Feinaufteilung des Brennstoffes bereits im wesentlichen in der Einspritzdüse selbst
statt, indem die Düse einen breitflächigen, bandartigen Strahl erzeugt. Der Brennstoff
braucht infolgedessen nicht
erst von der Auftreffstelle der Wandung
durch Ausnutzung der kinetischen Energie, und durch die Luftströmung auseinandergebreitet
zu werden, sondern trifft bereits ausein ' andergeweitet in einem breiten
Band auf die Wandung der Brennkammer auf. Hierdurch ist es möglich, den baulichen
Aufwand sowie den Energieaufwand für die Erzeugung einer Rotationsströmung der Luft
zu vermindern oder ganz einzusparen, da ein gleiches Ergebnis hinsichtlich der Brennstoffverteilung
auf der Brenuraumwand bexeits ohne der mit nur geringer Luftströmung erzeugt wird.
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Ein weiterer Vorteil einer solchen Einspritzung des Brennstoffes in
einem breiten Band besteht ferner darin, daß zur Erzielung einer gleichgünstigen
Verbrennung es nicht notwendig ist, den gesamten Brennstoff gegen die Brennraumwand
zu spritzen, sondern daß es bei gleicher Wirkung in dieser Hinsicht bereits genügt,
wenn nur ein Teil des Brennstoffes die Wandung trifft. Infolge des größeren Verhältnisses
zwischen Oberfläche und Querschnitt des Brennstoffstrahles, das ein Vielfaches desjenigen
bei einem üblichen vollen kegelförmigen Brennstoffstrahl ist, ermöglicht eine solche
Einspritzung eine wesentlich verbesserte Gemischbildung und einen gleichmäßig guten
Verbrennungsablauf.
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Dadurch, daß die Brennraumwand regelbar temperiert werden kann und
der Brennstoff in aufgelockertem bandförinigem Strahl auf die Wandung auftrifft
bzw. über diese vexteilt wird, kann der Brennstoff zugleich unmittelbar -so beeinflußt
werden, daß er die für eine schnelle und vollkommene Verbrennung vorteilhaftesten
Bedingungen vorfindet. Durch die Aufspritzung des Brennstoffes in einem breitflächigen
Strahl kann die Temperatureinwirkung der Wand auf den Brennstoff in erwünschter
Weise auf ein Höchstmaßgesteigert werden. Durch die besondere Ausbildung der den
Breitbandstrahl liefernden Spaltdüse kann die Abstimmung zwischen Brennstoffstrahl
und Brennraum bzw. Brennraumwand in Hinsicht auf die Verteilung des Brennstoffes
noch weiter vervollkommnet werden. Auch kann bei Erzeugung einer kreisenden Luftbewegung
der bandförmige Strahl dieser Luftbewegung so angepaßt werden, daß eine besonders
intensive und vollständige Erfassung des Brennstoffes durch die Luft gewähi7-leistet
ist, etwa derart, daß die Luft den bandförmigen Brennstoffstrahl etwa quer an- bzw.
durchströmt, die Breitseite des Bandes also senkrecht oder schräg vom Luftstrom
getroffen wird.
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Auch kann der Brennstoff in Form eines bandförmigen Ringes eingespritzt
werden, etwa derart, daß er einen in den Brennraum übertretenden Luftstrom hülsenförmig
umschließt bzw. dem Luftstrom ent-Zegengerichtet ist. Auch kann die Luft hierbei
eine zur Achse des Strahlringes etwa gleichachsige Drehbewegung ausführen, oder
es kann im Fall einer Einspritzung des Brennstoffes in Form eines ringförinigen
Bandes die Luft etwa radial oder schraubenförmig von außen oder von innen her durch
das Band hindurchgeleitet werden.
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Die Erfindung ist bei Maschinen anwendbar, bei denender Brennstoff
in eine vom ' Zylinderraum ab-,getrennte Kammer, z. B- eine Wirbelkammer
oder Vorkammer, oder auch unmittelbar in,den Zylinderraurn gespritzt wird.
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Flach- oder Ringspaltdüsen zur Erzeugung -eines bandföxmigen Bizmistoffstrahles
sind an sich bekannt. Auch sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen aus einer
zentralen Düse Brennstoff in einem flachkegelförnügen Schleier mittels einer tellerförmigen
Ventildüse im Bereich des oberen Kolbentotpunktes in einen Bxenuraum eingespritzt
wird, der durch einen Hohlzaum im Kolben gebildet wird. Bei einer anderen bekannten
Maschine wird der Brennstoff in zwei flachen Strahlen von entgegengesetzten Seiten
gegeneiaandergespritzt, so daß beide Strahlen in der Mitte des etwa doppelkegeligen
Brennraumes aufeinandertreffen. In allen diesen Fällen ist ein Aufspritzen von Brennstoff
auf die Brermraumwand nicht beabsichtigt und wird mit Vorbedacht vermieden. Auch
fehlt eine besondere zwangläufige Temperierung der Brennraumwand in Abhängigkeit
von einer Betriebsgröße.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Hierbei zeigt F i g, 1 die Einspritzung von Brennstoff mittels
einer Flachspaltdüse beiviner Wirbelkanirner-Brennkraftmaschine, F i g. 2
einen Schnitt nach Linie 2-2 der F i g. 1 mit strichpunktierter Einzeichnung
einer Variante, F i g. 3 die Einspritzung von Brennstoff durch eine Ringspaltdüse
bei einer Vorkammer-Brennkraftmaschine, Fig.4 die Einspritzung von Brennstoff mittels
einer Ringspaltdüse bei einer BTennkraftmaschine mit direkter Brennstoffeinspritzung,
F i g. 5 die Seitenansicht einer Flachspaltdüse, teilweise im Schnitt, Fig.6
eine Ansicht der Düse nach Fig.5 von unten in Pfeilrichtung 6,
F i
g. 7 die Seitenanßicht einer Ringspaltdüse, teilweise im Schnitt, und F i
g. 8 einen Querschnitt nach Linie 8-8 der Fig. 7.
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In F ig. 1 und 2 bewegt sich im Zylinder 10 eines Brennkraftmaschinengehäuses
11 cm Kolben 12, welcher in seinem oberen Totpunkt bis dicht an die
Unterseite des Zylindexkopfes 13 herantritt und in welchem ein Hauptbremiraum
14 durch eine mehr oder weniger flache Kolbenmuldß gebildet wird. Im Zylinderkopf
13 befindet sich die Wirbelkammer 15,
welche durch einen in
sie sowie auch im oberen Totpunkt in die Kolbenmulde tangential einmündenden Verbindungskanal
16 mit dem Zylinderraum bzw. Hauptbrennraum verbunden ist.
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Die Wirbelkammer ist z. B, schräg und seitlich zur Zylinderachse angeordnet
und wird durch eine Heiz-bzw. Kühlspirale 17 umschlossen, welche die Temperatur
der Wcirbelkammer z, B, in Abhängigkeit von der Belastung #od. dgl. erwärmen bzw.
zusätzlich zur Kühlung durch Kühlwessermantel kühlen kann. Eine Einspritzdüse
18 mündet in die Wirbelkammer ein, und zwar z. B, derart, daß die
Achse der Einspritzdüse gegen eine Wanduxigsstelle 19 der Wirbelkammer auf
der der Einspritzdüse gegenüberliegenden Seite neben dem Verbinndungskawil.
16 gerichtet ist. Die Düse 18 ist als Flachspaltdüse ausgebildet,
.welche einen handförn-iigen Brennstoffstrahl 20 erzeugt, der - wie dargestellt
-zweckmäßig quer zur Strömungsöffnung des Luftwirbels liegend diesem seine Breitseite
darbietet, .so daß eine besonders leichte Vermischung von Verbrermungsluft und Brennstoff
vor -sich geht bzw, der auftreffende Strahl in günstiger Weise von der wirbelnden
Luft auf der Brennraumwand verteilt wird.
Die, Wirbelkammer kann,
wie dargestellt, kugelförmig oder (wie durch den strichpunktierten Umriß
15' in F i g. 2 angedeutet) abgeflacht ausgebildet sein. Diese abgeflachte
Gestalt der Wirbelkammer eignet sich besonders vorteilhaft für die den Breitbandstrahl
20 bildende Flachspaltdüse, da in diesem Fall die volle Breite der Luftströmung
von dem Brennstoffstrahl erfaßt werden kann.
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Wenn die Brennraumwand durch die Vorrichtung 17 beheizt oder
gekühlt wird, um die zweckmäßigste Brenn,raumtemperatur bzw. Brennraumwandtemperatur
einzuhalten, wird der Brennstoffstrahl in einer solchen Art eingespritzt, daß er
mit einem bestimmten Teil an der durch die Brennstoffstrahlrichtung gewählten Stelle
der Breunraumwand ganz oder teilweise auftrifft (die Ablenkung durch den Luftwirbel
ist nicht dargestellt) und seine Verteilung auf der Brennraumwand durch die bewegte
Luft unterstützt wixd.
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Durch die beschriebene Brennstoffverteilung wird jeweils ein besonderes
Moment der Gemischbildung erzielt, Je nach Art des Brennstoffes, der Spaltdüse,
der Stärke des Luftwirbels und der Höhe der Brennraumwandtemperatur ist die eine
oder andere Form des Breitbandstrahles zu wählen. Diese freie Wahl bietet nur die
Spaltdüse ohne Nachteil, und zwar gleichgültig, ob es eine Flachspalt- oder eine
Ringspaltdüse ist. Im Fall der Wirbelkammer kommt je
nach der Anordnung von
Düse und Luftwirbel die Flachspalt- oder Ringspaltdüse in Frage, und zwar vorzugsweise
erstere bei radial, letztere bei axial zum Luftwirbel angeordneter Düse.
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In F i g. 3 ist der (nicht dargestellte) Zylinderraurn bzw.
Hauptbrennraum der Brennkräftmaschine mit einer Vorkammer 21 durch in einem Einsatz
22 angeordnete Verbindungsöffnungen 23 verbunden, welche vorzugsweise durch
entsprechend schräg angeordnete Leitbleche od. dgl. schräg oder schraubenförmig
um die Achse der Vorkammer verlaufen. Der Brennstoff wird in diesem Fall durch eine
Ringspaltdüse 24 eingespritzt, die sich für dieses Anwendungsbeispiel besonders
eignet. Der Brennstoffstrahl 25 hat hierbei die Form eines abgestumpften
Kegelmantels, wobei (wie dargestellt) angenommen ist, daß der untere Rand des Kegelmantels
die Vorkammerwand berührt und sich deren zylindrischer Form anpaßt, so daß die aus
dem Brennraum in die Vorkammer einströmende Luft von dem Brennstoffstrahl gewissermaßen
umhüllt wird. Je nach dem gewählten Winkel des Strahlkegels kann der Brennstoffstrahl
die Wandung mehr oder weniger im direkten Wege berühren. Es ist wiederum eine Frage
der Brennstoffsorte, der Beheizung oder Kühlung der Vorkammerwand durch die Vorrichtung
17, und des Luftwirbels, welcher durch den Vorkammereinsatz 22 mit Hilfe
der die Überströrnöffnungen 23 bildenden Leitbleche erzeugt wird, ob der
Strahl die Wand mehr oder weniger zu berühren hat. Die Spaltdüse bildet auch hier
in der Form der Ringspaltdüse die Möglichkeit, die eine oder die andere Strahllänge
vorteilhaft zu verwenden.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 zeigt die Anwendung auf
eine Maschine mit direkter Brennstoffeinspritzung in den Hauptbrennraum.
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Der in dem Maschinenzylinder gleitende Kolben 12 weist eine Kolbenvertiefung
14' auf, die zusammen mit dem über dem Kolben im oberen Kolbentotpunkt verbleibenden
Raum den Hauptbrennraum bildet. Im Zylinderkopf 13' sind das Einlaßventil
26
und das Auslaßventil 27 (oder z. B. deren je zwei) angeordnet,
während der Brennstoff durch eine Ring' spaltdüse 24' in Form eines flachen Kegelstumpfs
mantels 25' in den Hauptbrennraum. bzw. in die zen# trale Kolbenvertiefung
14' eingespritzt wird. Auch hier kann je nach den Verhältnissen von Brennstoff,
Luftbewegung und Wandtemperatur der Brennstoffstrahl derart als abgestumpfter Kegelmantel
eingesp,ritzt werden, daß er -den Kolbenboden mehr oder weniger berührt. Die -Brennraumwand,
die in der Hauptsache durch den Kolbenboden gebildet wird, ist auch in diesem Fall
(in der Zeichnung nicht dargestellt) zwangläufig zu beheizen bzw. zu kühlen.
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Wird für eine geeignete Luftbewegung gesorgt, z. B. bei einer Viertaktmaschine
durch ein Schirm' ventil als Einlaßventil, wie z. B. durch den kreissegmentförmigen
Ablenkschirm 28 in F i g. 4 angedeutet ist (oder bei einer Zweitaktmaschine
durch ein entsprechendes Spülsystem), kann der Kegelmantel zugleich in vorteilhafter
Weise wie ein Stück Tuch im Winde aufgerollt und teilweise im Raum oder auf der
Wandung wirkungsvoll verweht werden.
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In dem Maß wir, der Beginn und der Ablauf der Verbrennung bei diesen
und anderen Brennraumformen vor sich gehen soll, wird die Dicke des Strahlmantels
oder der Strahlwand durch den sich öffnenden Spalt in der Duse, durch den Einspritzdruck,
durch das Maß der Wandberührung des Brennstoffes, durch die Brennraumtemperatur
bzw. Brennraumwandtemperatur und durch die Art der Luftbewegung gesteuert. Verbesserte
Verbrennung und geringerer Brennstoffverbrauch sind die Folge.
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In F i g. 5 und 6 ist eine Flachspaltdüse dargestellt.
Die Düse weist ein elastisches Kernstück vorzugs,-weise aus Metall 30 mit
einer Zuführungsbohrung 31
und einer querliegenden Verteilerbohrung
32 auf. Der Spalt 33 endet in der entweder völlig glatten Endebene
34 oder in einer mit Rücksicht auf die gewünschte Strahlform. beliebig geformten
Aussparung 35. Über das gespaltene elastische Kernstück 30 ist die
ebenfalls elastische Hülse, vorzugsweise Metallhülse 36, gezogen, deren Querschnitt
so ausgebildet ist, daß durch die elastischen Verformungskräfte der Hülse
36 und/oder durch die elastische Verformung des Kernstückes 30 die
teilweise gewünschte Gesetzmäßigkeit zwischen dem erforderlichen Überdruck des durchzutreibenden
Stoffes und dem Querschnitt des sich elastisch öffnenden Spaltes 33 erfüllt
wird. Die elastisehe Hülse 36 deckt auch zugleich den Spalt 33 seitlich
so ab, daß der durchzutreibende Stoff nach unten und nicht auch seitlich austritt.
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Gewünschtenfalls kann die Düse durch eine Flüssigkeit gekühlt werden,
die durch in dem oberen Teil der Düse befindlichen Längs -und Querkanäle hindurchgeleitet
wird. Statt eines geradlinigen Spaltes 33
kann der Spalt auch eine gewellte
oder eine andere beliebige Form aufweisen, Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 7 und 8
ist ein inneres unelastisches Kernstück 37 mit einer
elastischen Hülse 38 vorgesehen, welche im Anschluß an die zentrale Zuführungsbohrung
39 mehrere, auf den Umfang verteilte radiale Bohrungen 40 sowie eine 'äußere
Rille 41 aufweist, durch die ein derart gleichmäßiger Druck von dem durchzutreibenden
Stoff ausgeübt wird, daß sich ein gleichmäßiger Ringspalt zwischen dem Kernstück
37 und der Hülse 38
durch die allseitig gleichmäßige Verformung derselben
bildet und der durchzutreibende Stoff an der
Stelle 42 in Gestalt
eines ringförmigen Strahles 42 a
austritt. Dabei kann die elastische Hülse
38 das Kernstück 37 auf dessen axialer Länge ganz oder teilweise umschließen.
Hierdurch ist der gleichmäßige Austritt auch bei sehr plötzlichen Druckanstiegen,
wie er z. B. bei den Einspritzvorgängen an Brennkraftmaschinen auftritt, gesichert.
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Zur Begrenzung des sich bildenden Spaltes an der Stelle 42 ist eine
Kappe 43 vorgesehen, die im Durchmesser so gehalten ist, daß sich ein verhältnismäßig
großer Abstand zur elastischen Hülse 38 ergibt. Die Begrenzung, die ihren
bestimmten Einfluß auf die Strahlform hat, wird durch den am freien Ende der Kappe
nach innen gebogenen Wulst oder Flansch erzielt. Die Kappe 43 kann von der überwurfinutter
44 in ihrer Lage gehalten werden. Die Lage der Hülse 38 kann gegebenenfalls
- z. B. mittels eingelegter Zwischenringe od. dgl. - relativ zum Kernstück
37 axial eingestellt werden, wodurch eine Änderung der geometrischen Form
des austretenden Strahles erzielbar ist. Auch in diesem Fall. kinn die Düse durch
ein Kühlmittel, welches durch geeignete Kanäle innerhalb des Düsenkörpers geleitet
wird, gekühlt werden.
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Statt zylindrisch kann das Kernstück bzw. die Hülse auch konisch oder
kegelfönnig ausgebildet sein, so daß sich an Stelle eines im wesentlichen hohlzyhndrischen
Flachstrahles ein flacher, ringförmiger Brennstoffstrahl in Form eines Kegelmantels
mit mehr oder weniger großem Kegelwinkel bildet.
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