DE19703420B4 - Fremdstoffabscheider - Google Patents

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Abstract

Fremdstoffabscheider (1) mit einem in dem Fremdstoffabscheider gehaltenen, vor in einem Gasstrom enthaltenen Fremdstoffen zu schützenden Einbau (3), mit
einer in dem Fremdstoffabscheider (1) angeordneten Gasstromablenkungseinrichtung in Form einer schrägen Platte (13), die sich von einer Innenwandfläche des Fremdstoffabscheiders (1) in den Gasstrom erstreckt, um den Gasstrom in Richtung auf einen Wandabschnitt des Fremdstoffabscheiders abzulenken, der sich stromabwärts der Platte (13) und auf einer bezüglich der Gasstrommitte gegenüberliegenden Seite des Fremdstoffabscheiders befindet, und
einer taschenförmigen Fremdstoffauffangeinrichtung (6), die an dem von der mittels der Platte abgelenkten Strömung angeströmten Wandabschnitt angebracht ist und so bemessen ist, dass ein Verhältnis t/D größer als 0,1 und ein Verhältnis L/t größer als 2 ist, wobei D der Innendurchmesser des freien Strömungsquerschnitts für die Gas strömung an der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) ist, t die Öffnungsweite der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) in Radialrichtung ist und L die Länge der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) in Gasstromrichtung ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Fremdstoffabscheider gemäß am Merkmalen des Anspruch 1, durch den ein Gas und darin enthaltene Fremdstoffe, die feste Bestandteile wie z.B. Metalle und flüssige Bestandteile wie z.B. Wasser enthalten, passieren.
  • Beispielsweise werden in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine feste und flüssige Bestandteile zusammen mit dem Gasstrom mit einer hohen Geschwindigkeit gegen eine innere Wand der Abgasleitung geschleudert, oder gegen Bauelemente, die in der Leitung angeordnet oder damit verbunden sind, so dass die innere Wand der Leitung oder das Bauelement zerstört werden. Als feste Bestandteile gibt es Rost oder Schweißbruchstücke an einer inneren Oberfläche der Leitung oder Staub, der beim Installieren in die Leitung eingebracht wurde, etc. Als flüssige Bestandteile kommt z.B. Kondenswasser vor.
  • Um eine innere Wand 53 der Leitung 51 vor den festen und den flüssigen Bestandteilen zu schützen, wie in 5a und 5b gezeigt ist, oder um einen honigwabenförmigen Körper 52 mit einem in 5c gezeigten Aufbau vor Bruch zu schützen, wird ein Metallnetz 54, wie in 5a gezeigt, oder ein Schutz 55, wie in 5b gezeigt, an einer stromaufwärtigen Stelle der Leitung oder des honigwabenförmigen Körpers 52 angeordnet.
  • Selbst wenn jedoch das Metallnetz 54 oder der Schutz 55 gemäß Vorbeschreibung angeordnet ist, ist es nicht möglich die festen und flüssigen Bestandteile vollständig zu entfernen, so dass die Haltbarkeit der Leitung abnimmt. Das heißt, dass ein Schaden auf der Oberfläche der Leitung durch Fremdstoffe, die von einer stromaufwärtigen Stelle der Leitung kommen, verursacht wird. Ferner wird aufgrund von Fremdstoffen, die von einer stromaufwärtigen Stelle der Leitung kommen, ein Bruch des an stromabwärtiger Stelle befindlichen Bauelements verur sacht. Ferner kann im Falle, dass die Fremdstoffe, die von einer stromaufwärtigen Stelle der Leitung kommen, leitend sind und mit einem in der Leitung angelegten elektrischen Stromkreis in Berührung kommen, ein elektrischer Kurzschluss auftreten und daher die Haltbarkeit nicht aufrecht erhalten werden.
  • Aus DE 88 05 050 U1 ist ein Zyklonvorabscheider für einen Luftfilter eines Kraftfahrzeugs bekannt. Bei diesem Zyklonabscheider wird die in den Abscheider eintretende Luftströmung in spiralförmige Drehung versetzt, so dass in Folge der Zentrifugalkräfte in dem Gas enthaltene Feststoffpartikel oder Flüssigkeitsteilchen zur Wand des Zyklons ausgetragen werden. In der Nähe des Ausgangs des Zyklonabscheiders wird die Randströmung mit den darin enthaltenen Partikeln abgeschält und die vorgereinigte Luft kann aus dem Zyklonabscheider entsprechend zu einem Luftfilter weitergeleitet werden.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen Fremdstoffabscheider zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und einen geringen Druckverlust hat.
  • Die Aufgabe wird mit einem Fremdstoffabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Erläuterungsbeispiel eines Fremdstoffabscheiders zeigt;
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die noch ein Ausführungsbeispiel des Fremdstoffabscheiders gemäß der Erfindung zeigt;
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel des Fremdstoffabscheiders gemäß der Erfindung zeigt;
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die einen Versuchsaufbau zur Parameterdimensionierung eines Fremdstoffabscheiders zeigt;
  • 5a, 5b, 5c ist eine schematische Ansicht, die Beispiels eines herkömmlichen Fremdstoffabscheiders zeigt.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Erläuterungsbeispiel eines Fremdstoffabscheiders zeigt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel, ist ein Bauelement 3 in einem Gastromkanal 1 mittels eines Halters 2 angeordnet. Als Bauelement 3 wird von all den bekannten Elementen Gebrauch gemacht, bei denen ein Gasstrom 4 durch die Elemente passieren kann. Hier ist als das Bauelement 3 ein Katalysatorträger benutzt, der einen honigwabenförmigen Baukörper hat, wie er in einem Abgasreiniger verwendet wird. In dem Fremdstoffabscheider 1 ist als Gasstromrichtungsablenkung zur Ablenkung des Gasstroms 4 in Richtung auf eine Wandoberfläche des Fremdstoffabscheiders 1 ein kegelförmiges Gitter 5 angeordnet. Das kegelförmige Gitter 5 hat eine oder eine Vielzahl von Platten, die jeweils einen Kegelwinkel haben, der die Richtung des Gasstroms 4 nach Außen bezogen auf Mitte des Fremdstoffabscheiders 1 bestimmt. Ferner ist als Fremdstofffangeinrichtung zum Einfangen der in dem Gasstrom 4 befindlichen Fremdstoffe eine Aufnahmeeinrichtung 6 mit einer taschenförmigen Gestalt an einer stromabwärtigen Stelle des kegelförmigen Gitters 5 und an einer stromaufwärtigen Stelle des Bauelements 3 angeordnet. Die Aufnahmeeinrichtung 6 hat einen Öffnungsabschnitt 6a, der in stromaufwärtiger Richtung des Gasstroms 4 geöffnet ist und der zusammen mit der ganzen inneren Fläche des Fremdstoffabscheiders 1 eine doppelröhrenförmige Gestalt hat. Die Gestalt des kegelförmigen Gitters 5 kann eben oder kreisförmig sein.
  • Bei dem Gastromdurchgang 1 gemäß 1 passiert der Gasstrom das kegelförmige Gitter 5 derart, dass die Richtung des Gasstroms 4 zu einer inneren Wand des Fremdstoffabscheiders 1 hin geändert wird. Daher werden im Gasstrom 4 befindliche Fremdstoffe wie z.B. feste Bestandteile, die auf der Innenwand des Fremdstoffabscheiders 1 befindlichen Rost, und die bei dem Einbau in den Fremdstoffabscheider 1 eingebrachten Schmutz usw. enthalten und flüssige Bestandteile wie z.B. Kondenswasser usw. zusammen mit dem abgelenkten Gasstrom 4 durch den Öffnungsabschnitt 6a hindurch in die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 gelenkt. Da die festen Bestandteile und die flüssigen Bestandteile im Vergleich zum Gas schwer sind, verbleiben nur die Fremdstoffe, die festen und die flüssigen Bestandteile, in der taschenförmigen Aufnahmeeinrichtung 6, und das Gas strömt aus der Aufnahmeeinrichtung 6 in Richtung der stromabwärtigen Seite. Auf diese Weise können die in dem Gasstrom 4 enthaltenen Fremdstoffe durch die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 eingefangen werden. Als Resultat enthält der Gasstrom, der durch die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 gelangt ist, keine Fremdstoffe, und daher ist es möglich, Bruch des in dem Fremdstoffabscheider 1 befindlichen Bauelements 3, das an einer stromabwärtigen Stelle der Aufnahmeeinrichtung 6 angeordnet ist, zu verhindern.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel des Fremdstoffabscheiders gemäß der Erfindung zeigt. In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden Abschnitte, die ähnlich denen aus 1 sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und Erklärungen dazu werden hier weggelassen. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel hat das Merkmal, dass als Stromrichtungsablenkung des Gasstroms 4 eine Platte 13 verwendet wird. Die Platte 13 erstreckt sich von einer inneren Oberfläche des Fremdstoffabscheiders 1 in Richtung auf die Mitte des Fremdstoffabscheiders 1. Ferner hat eine taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 einen Doppelrohraufbau, so dass sich ein Teil der inneren Oberfläche des Fremdstoffabscheiders 1 von der Mitte des Fremdstoffabscheiders 1 nach außen aufweitet. Der Fremdstoffabscheider gemäß 2 wird vorzugsweise für den Fall verwendet, dass der Fremdstoffabscheider 1 horizontal angeordnet ist. Ferner ist die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 an einer Stelle angeordnet, die sich in Verlängerung vom Kopfabschnitt der Platte 13 befindet, und die sich nur an einem gegenüber der Mitte des Fremdstoffabscheiders 1 unteren Abschnitt befindet.
  • Die von einer stromaufwärtigen Stelle kommenden Fremdstoffe, sind schwer im Vergleich zu Gas und können in einem unteren Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1 gesammelt werden. Wenn ein Fremdstoff schwer ist oder eine große Abmessung hat z.B. wenn ein Fremdstoff im Querschnitt größer als 1,5mm ist und/oder das Gewicht größer als 1g ist, kann die gemäß 2 nur in einem unteren Abschnitt angeordnete taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 wirkungsvoll Fremdstoffe einfangen.
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die ein konkretes Ausführungsbeispiel des Fremdstoffabscheiders gemäß der Erfindung zeigt. Als erfindungsgemäßer Fremdstoffabscheider 1 ist ein Abgasstromdurchgang einer Brennkraftmaschine gezeigt.
  • Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Fremdstoffabscheider 1, der den in 2 gezeigten Aufbau hat, an einer stromaufwärtigen Stelle eines elektrischen Heizelements 23 angeordnet zusammen mit einer Energiequelle 24 und einem Schalter 25. Daher ist es nach dem in 3 ge zeigten Ausführungsbeispiel möglich, ein durch die Fremdstoffe verursachtes Versagen des elektrischen Heizelements 23 zu verhindern. Es sollte erwähnt werden, dass in 3 ein elektrisches Widerstandsdrahtheizelement als das elektrische Heizelement 23 gezeigt wird, jedoch kann ein anderes elektrisches Heizelement, das einen anderen Aufbau hat, z.B. ein honigwabenförmiges Bauelement mit Heizelement als elektrisches Heizelement 23 verwendet werden.
  • Ferner ist es möglich, den Fremdstoffabscheider 1 an einer stromaufwärtigen Stelle eines Abgassensors wie z.B. einen Sauerstoffsensor oder dergleichen anzuordnen. Der Fremdstoffabscheider 1 oder die Gasleitung gemäß der Erfindung kann nicht nur feste Bestandteile einfangen, sondern auch im Gas befindliche flüssige Bestandteile. Es ist daher möglich, das Problem zu lösen, wie es in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift No.5-26842 offenbart ist, wonach Wasser beim Starten der Brennkraftmaschine in das Sensorelement des Abgassensors, wie z.B. den Sauerstoffsensors eindringt und dadurch Risse oder Brüche im Sensorelement entstehen.
  • Wenn das elektrische Heizelement 23 einen leitenden Fremdstoffabscheider 1 hat, der in horizontaler Richtung angeordnet ist, wie z.B. in 3 gezeigt, ist es vorzuziehen alle, Elektroden 26 durch die Energie dem elektrischen Heizelement 23 zugeführt wird, oder die verbleibenden Elektroden 26 außer jener Elektrode 26, die ein mit dem den Fremdstoffabscheider 1 bildenden Rohr nahezu gleiches Potential hat, an einem oberen Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1 anzuordnen, vorzugsweise an einem oberen Abschnitt hinsichtlich der Querschnittsmitte des Fremdstoffabscheiders 1, noch besser an einer Stelle innerhalb eines Bereichs von ± 45° gegenüber dem obersten Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1. Der Grund dafür wird im folgenden näher erläutert.
  • Dies bedeutet in dem Fall, in dem der Fremdstoffabscheider leitend ist und in dem die von einer stromaufwärtigen Stelle kommenden Fremdstoffe leitend sind und daher die Fremdstoffe mit den Elektroden 26 – durch die der Strom geleitet wird – und gleichzeitig mit dem Fremdstoffabscheider in Kontakt kommen, die Elektroden 26 und der Fremdstoffabscheider 1 kurzgeschlossen werden, wenn die beiden Bestandteile nicht elektrisch isoliert sind. Wenn in diesem Fall eine Potentialdifferenz zischen den Fremdstoffabscheider 1 und den Elektroden 26 herrscht, fließt zwischen den beiden ein Strom. Wenn die Potentialdifferenz hoch ist, wird auch der Stromfluss höher werden. Beispielsweise, wenn ein großer Strom von 50A oder 100A fließt, wird das elektrische Heizelement 23 und die Energiequelle 24 beschädigt, und der Fremdstoffabscheider 1 kann zur gleichen Zeit schmelzen.
  • Da ferner die Fremdstoffe meist aus Metall bestehen und daher leitfähig und schwer sind, strömen die Fremdstoffe in einem gegenüber seiner Mitte unteren Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1 und sammeln sich dort. Um einen solchen Kurzschluss erfolgreich zu verhindern, ist es besser, die Elektroden 26 in einem oberen Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1 anzuordnen, vorzugsweise in einem oberen Abschnitt hinsichtlich der Querschnittsmitte des Fremdstoffabscheiders 1, noch besser an einem Abschnitt innerhalb eines Bereichs von ± 45° in Bezug auf den obersten Abschnitts des Fremdstoffabscheiders. Auf diese Weise wird es möglich, die durch Fremdstoffe bedingte Kurzschlusswahrscheinlichkeit zu reduzieren.
  • Es gibt einen Fall, bei dem es schwierig ist, alle Elektroden 26 in einem oberen Bereich des Fremdstoffabscheiders 1 anzuordnen. Bei diesem Fall ist es vorzuziehen, die verbleibenden Elektroden, außer einer Elektrode dessen Potentialdifferenz minimal gegenüber dem Fremdstoffabscheider 1 ist, z.B. die Elektrode deren Potential dem Fremdstoffabscheider 1 am nächsten ist bei einem Gasstrom 4 hoher Geschwindigkeit, in einem oberen Abschnitt des Fremdstoffabscheiders 1 anzuordnen, vorzugsweise an einem oberen Bereich hinsichtlich der Querschnittsmitte des Fremdstoffabscheiders 1, und noch besser in einem Abschnitt, der innerhalb eines Bereichs von ± 45° in Bezug auf des obersten Abschnitts des Fremdstoffabscheiders 1 ist.
  • Ein Erläuterungsbeispiel wird folgend beschrieben.
  • Beispiel:
  • Es wurde unter Verwendung eines zeitgemäßen Motors ein Fangtest durchgeführt. Zuerst wurde ein 2000cc Vierzylindermotor in einem Fremdstoffabscheider 1, der einen in 4 gezeigten Aufbau hat, angeordnet. Wie in 4 gezeigt ist, wurde ein Innendurchmesser des gasdurchströmten Abschnitts an der taschenförmigen Aufnahmeeinrichtung 6 des Fremdstoffabscheiders 1 mit D, die Tiefe in Radialrichtung der taschenförmigen Aufnahmeeinrichtung 6 mit t, und die Länge der taschenförmigen Aufnahmeeinrichtung 6 in Richtung des Gasstroms mit L bezeichnet. Dann wurde der Einfangtest unter den Bedingungen, dass D eine konstante Länge von 7mm hat und t und L variiert werden, um das Verhältnis t/D und das Verhältnis L/t zu verändern, durchgeführt. Ferner werden 50 Ferritflocken, die die Fremdstoffe in Fremdstoffabscheider 1 simulieren, und die je eine Dicke von 0.5mm, eine Breite von 1mm und eine Länge von 1.5mm haben, in den Fremdstoffabscheider 1 von einer stromaufwärtigen Stelle eingebracht. Ferner wurde die Motordrehzahl auf 3000 min–1 und 5000 min–1 eingestellt. Danach wurden die Prozentsatz der durch die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 eingefangenen Ferritflocken gemessen und verglichen. In dem Fall waren die Resultate bei 3000 min–1 die gleichen wie bei 5000 min–1. Die Resultate werden in folgender Tabelle 1 dargestellt.
  • Tabelle 1
    Figure 00090001
  • Legende:
    • Ο:
    mehr als 90 % der Ferritflocken wurden eingefangen.
    Δ:
    40 – 90 % der Ferritflocken wurden eingefangen.
    X:
    weniger als 40 % der Ferritflocken wurden eingefangen.
  • Aus den in Tabelle 1 gezeigten Resultaten ergibt sich für den Fall, dass t/D 0,05 ist, erkannt, dass die Fremdstoffe in dem Gasstrom durch die taschenförmige Aufnahmeeinrichtung 6 nicht zufriedenstellend eingefangen werden konnten, selbst wenn das Verhältnis L/t verändert wurde. Ferner erkannt man bei t/D größer als 0,1 und L/t 1, dass einige der eingefangenen Fremdstoffe aufgrund von Pulsierungen und/oder der Vibration des Gasstroms wieder in den Fremdstoffabscheider 1 zurückkehrten. Daraus ergibt sich, dass es besser ist das Verhältnis t/D größer als 0,1 und das Verhältnis L/t größer als 2, vorzugsweise größer als 3 zu wählen.
  • Wie sich bei dem Vorbeschriebenen ergibt, ist es bei Anordnung der Gasstromrichtungsablenkung und der Fremdstofffangeinrichtung in dem Fremdstoffabscheider erfindungsgemäß möglich, den Gasstrom zu einer Wandoberfläche des Gastromdurchgangs abzulenken und die im Gasstrom befindlichen Fremdstoffe durch die Fremdstofffangeinrichtung einzufangen, so dass eine durch die Fremdstoffe verursachte Beschädigung des Fremdstoffabscheiders verhindert werden kann.
  • Ein Fremdstoffabscheider hat eine in dem Fremdstoffabscheider angeordnete Gasstromrichtungsablenkung zum Ablenken der Gasstromrichtung gegenüber der Mitte des Fremdstoffabscheiders nach außen und eine Fremdstofffangeinrichtung, die an einer stromabwärtigen Stelle der Gasstromrichtungsablenkung angeordnet ist, und in einem Bereich oder über die ganze Oberfläche einer Innenwand des Fremdstoffabscheiders angeordnet ist. Daher ist es möglich einen Fremdstoffabscheider zu schaffen, der vor Schaden, der durch im Gasstrom befindlichen Fremdstoffe verursacht wird, geschützt ist und eine Langzeitzuverlässigkeit hat.

Claims (10)

  1. Fremdstoffabscheider (1) mit einem in dem Fremdstoffabscheider gehaltenen, vor in einem Gasstrom enthaltenen Fremdstoffen zu schützenden Einbau (3), mit einer in dem Fremdstoffabscheider (1) angeordneten Gasstromablenkungseinrichtung in Form einer schrägen Platte (13), die sich von einer Innenwandfläche des Fremdstoffabscheiders (1) in den Gasstrom erstreckt, um den Gasstrom in Richtung auf einen Wandabschnitt des Fremdstoffabscheiders abzulenken, der sich stromabwärts der Platte (13) und auf einer bezüglich der Gasstrommitte gegenüberliegenden Seite des Fremdstoffabscheiders befindet, und einer taschenförmigen Fremdstoffauffangeinrichtung (6), die an dem von der mittels der Platte abgelenkten Strömung angeströmten Wandabschnitt angebracht ist und so bemessen ist, dass ein Verhältnis t/D größer als 0,1 und ein Verhältnis L/t größer als 2 ist, wobei D der Innendurchmesser des freien Strömungsquerschnitts für die Gas strömung an der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) ist, t die Öffnungsweite der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) in Radialrichtung ist und L die Länge der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) in Gasstromrichtung ist.
  2. Fremdstoffabscheider (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Fremdstoffauffangeinrichtung (6) gegenüber einer Wand des Fremdstoffabscheiders (1) nach radial außen vorsteht und in diesem Abschnitt einen doppelröhrenförmigen Aufbau bildet.
  3. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Fremdstoffabscheider (1) im Wesentlichen horizontal angeordnet ist und die Fremdstoffauffangeinrichtung (6) in einem Bereich unterhalb der Gasstrommitte angeordnet ist.
  4. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Fremdstoffauffangeinrichtung (6) eine oder eine Mehrzahl von Öffnungen hat, die zum Öffnen oder Schließen der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) geeignet sind.
  5. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 1 bis 4, wobei der Fremdstoffabscheider (1) in einem Abgasstromdurchgang einer Brennkraftmaschine ist.
  6. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 5, wobei der Einbau (3) eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Katalysatorträger aus einem honigwabenförmigen Baukörper ist.
  7. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 5, wobei der Einbau (3) ein Turbolader (22) ist.
  8. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 1, wobei der Einbau ein Abgassensor ist.
  9. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 5, wobei der Einbau ein elektrisches Heizelement (23) ist.
  10. Fremdstoffabscheider (1) nach Anspruch 8, wobei der Fremdstoffabscheider (1) leitfähig ist, im Wesentlichen horizontal angeordnet ist und Elektroden (26) aufweist, die mit dem Heizelement (23) verbunden sind, und wobei eine Elektrode (26), die ein dem Fremdstoffabscheider (1) nahezu gleiches Potential hat, auf der Seite der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) angeordnet ist, während Elektroden (26) mit höherem Potential gegenüber der Fremdstoffauffangeinrichtung (6) innerhalb eines Bereichs von ± 45° um den obersten Punkt des Fremdstoffabscheiders (1) angeordnet sind.
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