DE19632196A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil - Google Patents

Elektromagnetisch betätigbares Ventil

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE-OS 40 08 675 ist bereits eine Ventilnadel für ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt, die aus einem Anker, einem Ventilschließglied und einem den Anker mit dem z. B. kugelförmigen Ventilschließglied verbindenden hülsenförmigen Verbindungsteil besteht, wobei feste Verbindungen der einzelnen Nadelbauteile z. B. durch Laserschweißen erzielt sind. Der Anker umgreift das Verbindungsteil vollständig radial und zumindest teilweise axial, da das Verbindungsteil in einer durchgehenden Längsöffnung des Ankers befestigt ist. Das Verbindungsteil weist selbst auch eine durchgehende innere Längsöffnung auf, in der Brennstoff in Richtung zum Ventilschließglied strömen kann, der dann nahe des Ventilschließglieds durch in der Wandung des Verbindungsteils eingebrachte, radial verlaufende Queröffnungen austritt. Das rohrförmige Verbindungsteil weist über seine gesamte axiale Länge einen konstanten Durchmesser auf, so daß ein in axialer Richtung gesehen durchweg kreisförmiger Querschnitt vorhanden ist, der nur durch einen schmalen Längsschlitz und Queröffnungen unterbrochen ist.
Aus der DE-OS 44 20 176 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt, das eine Ventilnadel besitzt, die sich ebenfalls aus einem Anker, einem Ventilschließglied und einem beide Nadelbauteile verbindenden Verbindungsteil zusammensetzt. Das Verbindungsteil ist dabei aus einem Profilhalbzeug hergestellt und erlaubt eine Fluidströmung nur außerhalb des Profils. Die Profilarme des profilierten Verbindungsteils sind so ausgeführt, daß sich kreuz-, Y-, dreieck-, kreisabschnittförmige und andere Querschnitte ergeben. Durch die massive Ausbildung der aus Profilhalbzeugen gefertigten Verbindungsteile ist die Masse der Ventilnadel vergleichsweise groß.
Des weiteren ist aus der EP-OS 0 690 224 bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das eine Düsenöffnung besitzt, die im eingebauten Zustand des Ventils bereits im Inneren eines Ansaugkanals liegt, so daß unter Vermeidung einer Wandbenetzung ein Abspritzen weitgehend direkt auf ein Einlaßventil einer Brennkraftmaschine möglich ist. Eine Vorverlagerung des Abspritzpunktes erhöht unter Umständen durch die Verlängerung einzelner Ventilbauteile die Masse und das Volumen des Einspritzventils.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise kostengünstig eine Reduzierung der Masse des Ventils gegenüber Ventilen gleicher Baugröße erzielt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Verbindungsteil einer Ventilnadel als Stanz-Biege-Teil aus Blech verwendet ist, das über einen großen Teil seiner axialen Erstreckung ein offenes, im Querschnitt ein von einer Kreisringform abweichendes Profil besitzt, das einen kleineren äußeren Umfang hat als die Umfänge des kreisringförmigen Profils der Enden des Verbindungsteils bzw. von Profilen vergleichbarer bekannter Verbindungsteile oder Ventilnadeln. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilnadel liegt in der einfachen Herstellbarkeit durch Biege- und Prägeprozesse. Die Ausbildung des profilierten Verbindungsteils kann zu einer Massenreduzierung von ca. 30% gegenüber durchgehend rohrförmig mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildeten Verbindungsteilen bzw. einer noch größeren Massenreduzierung gegenüber massiv ausgeführten Ventilnadeln führen. Diese Einsparung an Masse ist besonders bedeutsam für langgestreckte Ventile, bei denen der Abspritzpunkt des Ventils weit vorgesetzt ist. Der Abspritzbereich reicht so z. B. in den Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine deutlich hinein. Eine Wandbenetzung des Ansaugrohrs kann durch ein ermöglichtes gezieltes Abspritzen auf ein oder mehrere Einlaßventile auf einfache Weise vermieden werden, wodurch die Abgasemission der Brennkraftmaschine und der Brennstoffverbrauch reduziert werden. Da sich die Verschleißkräfte am Ventilsitz des Ventils proportional zur Masse der Ventilnadel verhalten, kann durch die Reduzierung der Masse eine deutliche Verschleißverringerung am Ventilsitz erreicht werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ventils möglich.
Besonders geeignete Profile für das Verbindungsteil der Ventilnadel weisen U-, C-, V- oder spangenförmige Querschnitte auf. Diese Geometrien der Verbindungsteile besitzen eine hohe Belastbarkeit gegen Biegung und Knickung.
Von Vorteil ist es ebenso, weitere langgestreckte Bauteile des Ventils möglichst massearm auszubilden. Als Ventilsitzträger eignet sich deshalb eine dünnwandige nichtmagnetische Hülse, in deren innerer Längsöffnung sich die Ventilnadel axial bewegt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ventils, Fig. 2 einen Schnitt durch die Ventilnadel und den Ventilsitzträger entlang der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3a bis 3d Ausführungsbeispiele von Profilen der Verbindungsteile mit U-, C-, V- und spangenförmigen Querschnitten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in der Fig. 1 beispielsweise dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlaßstutzen dienenden rohrförmigen Kern 2 als sogenannten Innenpol. Ein Spulenkörper 3 nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 einen besonders kompakten Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1. Der Kern 2 ist gestuft ausgeführt und besitzt im axialen Erstreckungsbereich der Magnetspule 1 einen Absatz 5, der als Anschlagfläche für einen Anker 6 dient. Im Gegensatz zu bekannten Einspritzventilen verläuft der Kern 2 über den Absatz 5 hinaus weiter in stromabwärtiger Richtung, so daß ein stromabwärts der Magnetspulenbaugruppe angeordneter hülsenförmiger Ventilsitzträger 10 nicht im Bereich des Absatzes 5 mit dem Kern 2 verbunden sein muß. Vom Absatz 5 ausgehend besitzt der Kern 2 eine ebenfalls rohrförmige, jedoch eine wesentlich dünnere Wandung als die sonstige Wandungsstärke des Kerns 2 aufweisende magnetische Drosselstelle 13. An die Drosselstelle 13 schließt sich in stromabwärtiger Richtung ein unteres Kernende 14 an, das wiederum eine deutlich größere Wandstärke als die Drosselstelle 13 besitzt.
Aus dem Absatz 5 des Kerns 2 geht konzentrisch zu einer Ventillängsachse 15, um die sich auch der Kern 2 und der Ventilsitzträger 10 z. B. konzentrisch erstrecken, die magnetische Drosselstelle 13 hervor. In diesem bei bekannten Einspritzventilen dem Kernende unmittelbar stromabwärts folgenden Bereich sind beim Stand der Technik metallene, unmagnetische Zwischenteile vorgesehen, die für eine magnetische Trennung von Kern 2 und Ventilsitzträger 10 sorgen. Durch die Ausbildung des Kerns 2 mit einer magnetischen Drosselstelle 13 kann auf ein solches nichtmagnetisches Zwischenteil verzichtet werden.
In dem als Verbindungsteil dienenden und eine rohrförmige und dünnwandige Hülse darstellenden Ventilsitzträger 10 verläuft eine Längsöffnung 18, die ebenfalls konzentrisch zu der Ventillängsachse 15 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 18 ist eine erfindungsgemäße Ventilnadel 19 mit einem langgestreckten Verbindungsteil 19′ angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 20 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 21, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 22 zum Vorbeiströmen eines Fluids, insbesondere von Brennstoff, vorgesehen sind, beispielsweise durch Schweißen verbunden ist. Mit dem unteren Kernende 14 des Kerns 2 ist der Ventilsitzträger 10 beispielsweise durch Schweißen dicht verbunden und umgibt dabei mit einem oberen Hülsenabschnitt 24 einen Teil des Kernendes 14 axial.
Der z. B. aus nichtmagnetischem Stahl bestehende Ventilsitzträger 10 umschließt neben dem Kernende 14 auch an seinem gegenüberliegenden Ende einen Ventilsitzkörper 29 und eine an ihm befestigte Spritzlochscheibe 34. Der Ventilsitzträger 10 ist langgestreckt ausgeführt, wobei der Ventilsitzträger 10 sogar die Hälfte oder mehr der gesamten axialen Erstreckungslänge des Einspritzventils ausmachen kann. Mit dieser Ausbildung des Ventilsitzträgers 10 wird der Abspritzpunkt des Einspritzventils weit vorgesetzt. Bei üblichen Einbaulagen von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen bedeutet dies, daß das Einspritzventil mit seinem stromabwärtigen Ende und damit mit seinem Zumeß- und Abspritzbereich deutlich in das Ansaugrohr hineinreicht. Hierdurch kann durch das gezielte Abspritzen auf ein oder mehrere Einlaßventile eine Wandbenetzung des Ansaugrohrs weitgehend vermieden und als Folge daraus die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert werden.
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der alle in der Längsöffnung 18 bewegbaren Teile umfassenden Ventilnadel 19 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 25 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2 und dem Anker 6. Der Anker 6 ist mit dem dem Ventilschließkörper 21 abgewandten Ende 40 des Verbindungsteils 19′ durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. Der Anker 6 umhüllt dabei das Ende 40 des Verbindungsteils 19′ zumindest teilweise. In das stromabwärts liegende, dem Kern 2 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 10 ist in der Längsöffnung 18 der z. B. zylinderförmige Ventilsitzkörper 29, der einen festen Ventilsitz 30 aufweist, durch Schweißen dicht montiert.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 21 während der Axialbewegung der Ventilnadel 19 mit dem Anker 6 entlang der Ventillängsachse 15 dient eine Führungsöffnung 32 des Ventilsitzkörpers 29. Der Anker 6 wird selbst während der Axialbewegung im Kern 2, besonders im Bereich der magnetischen Drosselstelle 13 geführt. Am äußeren Umfang des Ankers 6 kann dafür z. B. eine besonders ausgebildete Führungsfläche vorgesehen sein. Der kugelförmige Ventilschließkörper 21 wirkt mit dem sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz 30 des Ventilsitzkörpers 29 zusammen. An seiner dem Ventilschließkörper 21 abgewandten Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 29 mit der z. B. topfförmigen Spritzlochscheibe 34 fest verbunden. Die Spritzlochscheibe 34 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren, Stanzen oder Ätzen ausgeformte Abspritzöffnungen 35. Ein Halterand der Spritzlochscheibe 34 ist konisch nach außen gebogen, so daß dieser an die durch die Längsöffnung 18 bestimmten inneren Wandung des Ventilsitzträgers 10 anliegt, wobei eine radiale Pressung vorliegt. Die Spritzlochscheibe 34 ist mit der Wandung des Ventilsitzträgers 10 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte z. B. mittels eines Lasers erzeugte Schweißnaht verbunden. Ein unmittelbares Durchströmen des Brennstoffs in eine Ansaugleitung der Brennkraftmaschine außerhalb der Abspritzöffnungen 35 wird durch die Schweißnähte an der Spritzlochscheibe 34 vermieden.
Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 29 mit der Spritzlochscheibe 34 in den Ventilsitzträger 10 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 19. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 19 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 21 am Ventilsitz 30 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 19 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 6 am Absatz 5 des Kerns 2 ergibt. Die Magnetspule 1 ist von wenigstens einem, beispielsweise als Bügel ausgebildeten und als ferromagnetisches Element dienenden Leitelement 45 umgeben, das die Magnetspule 1 in Umfangsrichtung wenigstens teilweise umgibt sowie mit seinen beiden Enden an dem Kern 2 stromaufwärts und stromabwärts der Drosselstelle 13 anliegt und mit diesem z. B. durch Schweißen, Löten bzw. Kleben verbindbar ist.
Das elektromagnetisch betätigbare Ventil ist außerhalb des Ventilsitzträgers 10 weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 50 umschlossen, die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die Magnetspule 1 und das wenigstens eine Leitelement 45 bis zum Ventilsitzträger 10 erstreckt, wobei das wenigstens eine Leitelement 45 vollständig axial und in Umfangsrichtung überdeckt ist. Zu dieser Kunststoffumspritzung 50 gehört beispielsweise ein mitangespritzter elektrischer Anschlußstecker 52. Über den elektrischen Anschlußstecker 52 erfolgt die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung.
Durch den Einsatz der relativ billigen Hülse für den Ventilsitzträger 10 wird es möglich, auf in Einspritzventilen übliche Drehteile, die aufgrund ihres größeren Außendurchmessers voluminöser und bei der Herstellung teurer als der Ventilsitzträger 10 sind, zu verzichten. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn wie bei dem vorliegenden Ventil der Abspritzpunkt weit vorgesetzt/vorgelagert sein soll, da die Materialeinsparung gegenüber bekannten massiven Ventilsitzträgern oder Düsenhaltern erheblich ist. Der dünnwandige Ventilsitzträger 10 ist beispielsweise durch Tiefziehen ausgebildet worden, wobei als Werkstoff ein nichtmagnetisches Material, z. B. ein rostbeständiger CrNi-Stahl verwendet ist. Der langgestreckte Ventilsitzträger 10 weist nahe des unteren Endes 55 der Kunststoffumspritzung 50 eine durch Faltung gebildete, nach außen stehende umlaufende Ringwulst 56 auf. Das Ende 55 der Kunststoffumspritzung 50 und die Ringwulst 56 bilden zusammen mit der äußeren Wandung des Ventilsitzträgers 10 in diesem Bereich eine Ringnut 57. Ein in der Ringnut 57 angeordneter Dichtring 58 dient zur Abdichtung zwischen dem Umfang des Einspritzventils und einer nicht dargestellten Ventilaufnahme, beispielsweise der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine.
Der Wunsch nach einem weit vorgesetzten bzw. vorgelagerten Abspritzpunkt, der im eingebauten Zustand des Einspritzventils deutlich in eine Ansaugleitung hineinragen kann, erfordert Maßnahmen zur Herabsetzung der Volumina bzw. Massen der nun langgestreckten Bauteile des Einspritzventils. Der Abspritzpunkt des Einspritzventils stromabwärts des Ventilschließkörpers 21 liegt z. B. deutlich weiter entfernt von der Magnetspule 1 bzw. dem Anschlagbereich von Kern 2 und Anker 6 als ein zulaufseitiges Ende 59 des Kerns 2 bzw. des gesamten Einspritzventils von der Magnetspule 1 bzw. dem oben genannten Anschlagbereich. Neben dem Ventilsitzträger 10 weist auch die Ventilnadel 19 eine im Vergleich zur gesamten Ventillänge erhebliche Länge auf, die sich z. B. über mehr als die Hälfte der Ventillänge erstreckt und durch geeignete Maßnahmen besonders leicht, aber trotzdem stabil und kostengünstig ausgeführt sein soll.
Um die Hubänderung in Abhängigkeit von der Temperatur minimal zu halten, ist das Verbindungsteil 19′ z. B. aus austenitischem Stahl gefertigt. Die beiden axialen Enden 20 und 40 des Verbindungsteils 19′ sind zur einfacheren Befestigung des Ankers 6 und des Ventilschließkörpers 21 an ihnen in bereits bekannter Weise rohrförmig ausgeführt, so daß sich im Schnitt ein kreisringförmiges Profil ergibt, das beispielsweise nur durch einen schmalen axial verlaufenden Schlitz 60 unterbrochen ist. An seinen Enden 20 und 40 ähnelt das Verbindungsteil 19′ einer aus der DE-OS 40 08 675 bekannten Ventilnadel. Über den größten Teil der Erstreckungslänge des Verbindungsteils 19′ ist jedoch ein anderes Profil vorgesehen. Ein mittlerer, z. B. 75% bezüglich der Gesamtlänge umfassender Bereich 61 des Verbindungsteils 19′ besitzt ein geprägtes Profil, dessen Querschnitt (Ausmaß, Abmaß) deutlich geringer ist als die Querschnitte der Enden 20 und 40. Dies wird dadurch erreicht, daß im Bereich 61 der äußere Umfang des Verbindungsteils 19′ gegenüber dem äußeren Umfang der Enden 20 und 40 verringert wird. Unter dem äußeren Umfang soll dabei nur eine Konturlinie verstanden werden, die von der Ventillängsachse 15 abgewandt verläuft und also die jeweils innere, der Ventillängsachse 15 zugewandte Wandung nicht mitumfaßt.
Die Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung durch den Ventilsitzträger 10 und das Verbindungsteil 19′ entlang der Linie II-II in Fig. 1 ein Beispiel für ein mögliches Profil des Verbindungsteils 19′. Die erfindungsgemäßen Profile des Verbindungsteils 19′ zeichnen sich dadurch aus, daß sie einseitig offen sind und somit U-, V-, C-förmige bzw. von diesen leicht abgewandelte bzw. modifizierte Formen besitzende Querschnitte aufweisen. Neben dem in Fig. 2 dargestellten krampenförmigen Profil können die Verbindungsteile 19′ Querschnitte gemäß den Fig. 3a bis 3d besitzen.
Dabei handelt es sich um ein U-förmiges Profil (Fig. 3a), bei dem Variationen durch Abrunden der Ecken möglich sind, ein C-förmiges Profil (Fig. 3b), das auch weiter geschlossen sein und so z. B. 75% eines vollständig kreisringförmigen Querschnitts darstellen kann, ein V-förmiges Profil (Fig. 3c), bei dem die beiden Schenkel 62 entweder spitz direkt zueinander stehen oder die beiden Schenkel 62 über einen abgerundeten bzw. geraden Grundbereich 63 verbunden sind, ein greiferähnliches, klauenförmiges, krampenförmiges bzw. spangenförmiges Profil (Fig. 2 und 3d), bei dem die Schenkel 62 gerade oder abgerundet verlaufen und an ihren Enden beispielsweise abgewinkelte, umgebogene, hakenähnliche Knickungen 64 besitzen.
Bei allen diesen Beispielen der Verbindungsteile 19′ handelt es sich um Stanz-Biege-Teile, die aus ursprunglich ebenen Blechteilen geformt werden. In einem speziellen Biegewerkzeug lassen sich sowohl die Enden 20 und 40 mit ihren kreisringförmigen Querschnitten als auch die mittleren Bereiche 61 mit ihren besonderen Querschnitten umformen. Die endgültige Kontur des Verbindungsteils 19′ wird durch Biege- und Prägeprozesse erreicht. Im Vergleich zu durchgehend kreisringförmig profilierten Verbindungsteilen 19′ ist erfindungsgemäß eine Massenreduzierung von ca. 30% möglich. Die Verschleißkräfte am Ventilsitz 30 können in vorteilhafter Weise durch die geringere Masse der Ventilnadel 19 reduziert werden.

Claims (10)

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem von einer Magnetspule umgebenen Kern, mit einem dem Kern zugewandten Anker, mit einem festen Ventilsitz, mit dem eine aus dem Anker, einem Verbindungsteil und einem Ventilschließkörper bestehende Ventilnadel zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Verbindungsteil (19′) ein Stanz-Biege-Teil aus Blech ist,
  • b) die beiden Enden (20, 40), an denen der Anker (6) und der Ventilschließkörper (21) fest mit dem Verbindungsteil (19′) verbunden sind, einen weitgehend umlaufenden kreisringförmigen Querschnitt aufweisen, und
  • c) ein mittlerer, zwischen den beiden Enden (20, 40) liegender Bereich (61) des Verbindungsteils (19′) ein offenes, einen kleineren äußeren Umfang als den äußeren Umfang des kreisringförmigen Querschnitts aufweisendes Profil besitzt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (61) des Verbindungsteils (19′) ein U-förmiges Profil besitzt.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (61) des Verbindungsteils (19′) ein C-förmiges Profil besitzt.
4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (61) des Verbindungsteils (19′) ein V-förmiges Profil besitzt.
5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (61) des Verbindungsteils (19′) ein greifer-, klauen-, krampen- oder spangenförmiges Profil besitzt.
6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der profilierte mittlere Bereich (61) mindestens 75% der Gesamtlänge des Verbindungsteils (19′) ausmacht.
7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (19) eine Länge besitzt, die mehr als die Hälfte der Gesamtlänge des Ventils darstellt.
8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abspritzpunkt des Ventils stromabwärts des Ventilschließkörpers (21) weiter von der Magnetspule (1) entfernt liegt als ein zulaufseitiges Ende (59) des Ventils von der Magnetspule (1).
9. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (19′) mittels Biege- und Prägeprozessen herstellbar ist.
10. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den festen Ventilsitz (30) aufnehmender Ventilsitzträger (10) als dünnwandige Hülse ausgeführt ist.
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