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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 199 46 861
C2 ist ein gattungsgemäßes Ansaugsystem
für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches jeweils einen
Einlasskanal für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine
umfasst. Es ist eine Klappenanordnung mit je einer Verwirbelungsklappe
in jedem einzelnen Einlasskanal vorgesehen, wobei die Verwirbelungsklappen
einteilig mit einer Klappenwelle ausgebildet und hierdurch untereinander
verbunden sind, woraus sich eine gemeinsame Betätigung
sämtlicher Klappen ergibt. Die einzelnen Einlasskanäle
können mit den Verwirblungsklappen bedarfsweise teilweise
abgesperrt werden. Im unteren und mittleren Last- bzw. Drehzahlbereich wird
hierdurch eine Drosselung und Verwirbelung der einströmenden
Verbrennungsgase bewirkt. Bei Volllast bzw. bei maximaler Drehzahl
werden die Verwirbelungsklappen in eine geöffnete Schwenkstellung gebracht,
in der der Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle
vollständig freigegeben ist.
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Die
einteilige Baueinheit aus den Verwirbelungsklappen und der Lagerwelle
ist in einem Lagerrahmen gelagert. Die Klappenanordnung und der Lagerrahmen
sind aus Kunststoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten spritzgegossen,
wobei die Lagerwelle der Klappenanordnung vollständig innerhalb
von Lageröffnungen des Lagerrahmens gehalten ist, so dass
die Klappenanordnung und der Lagerrahmen eine untrennbare Einheit
bilden. In den Gleitlagern reiben zwei unterschiedliche Kunststoffe aneinander.
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Es
ist zu beobachten, daß der pulsierende Ansaugluftstrom
unter bestimmten Anströmbedingungen schlagende bzw. pulsierende
Belastungen auf die vorgenannten Komponenten des Ventilsystems ausübt.
Diese Belastungen werden durch eine exzentrische Lagerung der Klappenanordnung
noch verstärkt und können zu frühzeitigem
Verschleiß oder gar zur Schädigung von Klappenwelle
und Lagerung führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Ansaugsystem derart weiterzubilden, dass dessen Betriebssicherheit
verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Ansaugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird ein Ansaugsystem vorgeschlagen, bei dem die Klappenwelle aus
Kunststoff gebildet und in ihren Lagerabschnitten mit je einer Lagerhülse
aus Metall versehen ist, wobei die Klappenwelle mit ihren metallenen
Lagerhülsen in Gleitlagern des Klappengehäuses
aus Kunststoff gelagert ist.
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Bevorzugt
sind die Lagerhülsen aus Edelstahl und/oder die Gleitlager
aus Polypropylenstyrol (PPS) gefertigt.
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Es
kann zweckmäßig sein, dass die einzelnen Einlasskanäle
in zwei separate Teilkanäle aufgeteilt sind. In je einem
dieser beiden Kanäle ist dann je eine Klappe angeordnet,
mit der der jeweilige Teilkanal verschlossen wird. Zweckmäßig
sind die Klappen als Verwirbelungsklappen zur teilweisen Absperrung des
jeweils einzelnen Einlasskanals ausgebildet. Derartige Verwirbelungsklappen
werden auch als "Tumbleklappen" bezeichnet. Es erfolgt nicht nur eine
Drosselung, sondern auch eine gezielte Verwirbelung des Ansaugluftstromes.
Die dabei auftretenden erhöhten Lagerlasten werden zuverlässig
durch die erfindungsgemäße Lagerausgestaltung
aufgenommen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung sind die metallenen Lagerhülsen
in die durchgehend einteilig aus Kunststoff gefertigte Klappenwelle
eingespritzt. Insbesondere sind die Klappenwelle und die Verwirbelungsklappen
einteilig aus Kunststoff gefertigt. Durch Ausbildung der Klappenwelle
aus Kunststoff kann diese unter Großserienbedingungen passgenau
und dabei preisgünstig hergestellt werden. Bei gleichzeitiger
Ausformung der Verwirbelungsklappen sind Montagetoleranzen kostengünstig
vermieden. In die Spritzgussform eingelegte Lagerhülsen
aus Metall werden beim Spritzvorgang unter Einhaltung der geforderten
Maßtoleranzen in das eingespritzte Kunststoffmaterial eingebettet,
wobei sich zusätzlich zu einem Formschluss auch ein klebeartiger
Materialschluss für eine gute Kraftübertragung
einstellt. Die Klappenwelle ist hoch belastbar. Die metallene Lagerhülse
und das Gleitlager aus Kunststoff bilden eine Materialpaarung, die
insbesondere gegen pulsierende und stoßartige Belastungen überdurchschnittlich
resistent ist und darüber hinaus auch gute Gleiteigenschaften
aufweist. Die vorgenannten Eigenschaften sind besonders ausgeprägt
bei der Materialpaarung von Edelstahl und PPS, wodurch die pulsierenden
Belastungen der Lagerbereiche im Ansaugsystem auch bei geringen
Materialquerschnitten zuverlässig aufgenommen werden können.
Insgesamt sind die Belastungsfähigkeit und die Betriebssicherheit
signifikant gesteigert.
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In
einer zweckmäßigen Ausführung weisen die
Lagerhülsen an ihren Stirnseiten eine Strukturierung insbesondere
in Form von axial hervorstehenden Nasen und zwischenliegenden Vertiefungen
auf. Neben ihrer Lagerfunktion üben die Lagerhülsen auch
eine kraft- bzw. momentübertragende Funktion aus: Durch
die stirnseitige Strukturierung entsteht ein Formschluss zwischen
der Lagerhülse und dem angrenzenden Kunststoffmaterial
nahe der Verwirbelungsklappen. Insbesondere bei exzentrisch an der Lagerwelle
angeordneten Verwirbelungsklappen, die exzentrisch und daher momentbehaftet
angeströmt werden, können im Betrieb deutliche
Torsionsmomente auftreten. Diese können von den im Vergleich zum
Kunststoffmaterial sehr steifen Lagerhülsen ohne nennenswerte
Ver formung aufgenommen und übertragen werden. Die geforderte
Einstellgenauigkeit der Verwirbelungsklappen ist sichergestellt.
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Vorteilhaft
weisen die Lagerhülsen mindestens einen und bevorzugt zwei
radial hervorstehende Bünde zur Bildung einer Axialgleitlagerung
auf. Auch hier entsteht eine Materialpaarung von Metall mit dem
Kunststoff der Gleitlager, so dass pulsierende oder stoßartige
Belastungen auch in axialer Richtung zuverlässig aufgefangen
werden können.
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In
vorteilhafter Weiterbildung sind die Verwirbelungsklappen jeweils
als aerodynamischer Umlenkkörper und insbesondere als Wannenklappe
ausgebildet. Hierdurch ist eine saubere Strömungsführung
bei engem Bauraum möglich. Die im Vergleich zu ebenen Drosselklappen
erhöhten aerodynamischen Lasten werden durch die vorstehend
beschriebene Lagerung mit hoher Lebensdauer aufgenommen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand
der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Übersichtsdarstellung einen Zylinderkopf
einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit je einem eingeformten
Einlasskanalabschnitt pro Zylinder;
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2 ausschnittsweise
eine Längsschnittdarstellung eines an den Zylinderkopf
nach 1 anzuflanschenden Klappengehäuses mit
einer Verwirbelungsklappe;
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3 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäß ausgeführten
Klappenanordnung des Ansaugsystems nach 2 umfassend
vier auf einer gemeinsamen Klappenwelle angeordnete Verwirbelungsklappen
sowie zugehörige Gleitlager;
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4 eine
vergrößerte Schnittdarstellung der Anordnung nach 3 mit
einer in eine Edelstahl-Lagerhülse eingespritzten Klappenwelle;
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5 eine
perspektivische Darstellung der Edelstahl-Lagerhülse nach 4 mit
Details der strukturierten Ausgestaltung ihrer Stirnflächen.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
in perspektivischer Übersichtsdarstellung einen Zylinderkopf 16 einer
vierzylindrigen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit je einem
eingeformten Abschnitt eines Einlasskanals 1 für
die Einleitung von Verbrennungsgasen in den jeweiligen Zylinder.
Die einzelnen Abschnitte des jeweiligen Einlasskanals 1 sind
mittels Trennwänden 19 in zwei Einlasskanalabschnitte 17, 18 aufgeteilt. Die
in den Zylinderkopf 16 eingeformten Abschnitte des Einlasskanals 1 gehen
eingangsseitig von einer Flanschfläche 20 aus
und münden ausgangsseitig über nicht dargestellte
Einlassventile in jeweils einen Zylinder der Brennkraftmaschine.
Das erfindungsgemäße Ansaugsystem umfasst neben
den Einlasskanälen 1 auch ein in 2 ausschnittsweise
in Längsschnittdarstellung gezeigtes Klappengehäuse 7 mit einer
Flanschfläche 25. Das Klappengehäuse 7 ist zur
Montage am Zylinderkopf 16 nach 1 vorgesehen,
wobei die Flanschfläche 25 des Klappengehäuses 7 an
der Flanschfläche 20 des Zylinderkopfes 16 dichtend
anliegt. Im Klappengehäuse 1 liegen nebeneinander
weitere Abschnitte der Einlasskanäle 1 in gleicher
Anzahl und Teilung wie die Abschnitte der Einlasskanäle 1 des
Zylinderkopfes 16 (1), wodurch
im montierten Zustand vier durchgehende Einlasskanäle 1 gebildet
sind.
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In
jedem der vier Abschnitte des Einlasskanals 1 im Klappengehäuse 7 ist
je eine Verwirbelungsklappe 3 angeordnet, die untereinander
durch eine in den 3 und 4 näher
dargestellte Klappenwelle 4 verbunden und gemeinsam betätigbar sind.
Die Klappenwelle 4 weist in den 3 und 4 dargestellte
Lagerabschnitte 5 auf, mit denen sie in Lagerböcken 26 gelagert
ist. Die Lagerböcke 26 werden von der offenen
Seite der Flanschfläche 25 aus in das Klappengehäuse 7 zusammen
mit den Verwirbelungsklappen 3 in das Klappengehäuse 7 eingebaut.
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Die
Verwirbelungsklappen 3 sind um eine gemeinsame, durch die
Klappenwelle 4 hindurch verlaufende Schwenkachse 21 verschwenkbar.
Ausgehend von der in 2 dargestellten geschlossenen Position
lassen sie sich über einen nicht dargestellten Schwenkantrieb
in Richtung eines Pfeiles 22 in eine geöffnete
Position und bedarfsweise wieder zurück verschwenken. In
der geschlossenen Position nach 2 ist der
Ein lasskanal 1 teilweise abgesperrt, demnach nur ein oberer
Einlasskanalabschnitt 24 freigegeben ist, während
ein unterer Einlasskanalabschnitt 23 des Einlasskanals 1 von
der Verwirbelungsklappe 3 abgedeckt ist. Im montierten
Zustand mündet der obere Einlasskanalabschnitt 24 in
den Einlasskanalabschnitt 18 des Zylinderkopfes 16 nach 1,
während der untere Einlasskanalabschnitt 23 in
den unteren Einlasskanalabschnitt 17 des Zylinderkopfes 16 (1)
mündet. In der Klappenstellung nach 2 wird nur
der obere Einlasskanalabschnitt 18 (1) mit Verbrennungsgasen
versorgt, während der untere Einlasskanalabschnitt 17 von
der Verwirbelungsklappe 3 abgedeckt ist.
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Die
vorstehend beschriebene und in 2 dargestellte
geschlossene Schwenkstellung der Verwirbelungsklappen 3 ist
für den unteren und mittleren Last- bzw. Drehzahlbereich
vorgesehen. Die hierdurch verbesserte Verwirbelung der Verbrennungsgase
erzeugt insbesondere im Magermixbetrieb ein verbessertes Laufverhalten
der Brennkraftmaschine. Bei Volllast bzw. bei maximaler Drehzahl
werden die Verwirbelungsklappen 3 in eine geöffnete
Schwenkstellung entsprechend dem Pfeil 22 gebracht, in
der der gesamte Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle 1 freigegeben
ist. Die Brennkraftmaschine kann die geforderte maximale Leistung
entfalten.
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Der
besseren Übersichtlichkeit halber ist in 2 nur
einer der insgesamt vier Einlasskanäle 1 in Längsschnittdarstellung
gezeigt. Die weiteren Ein lasskanäle 1 mit den
darin schwenkbar gelagerten Verwirbelungsklappen 3 sind
identisch aufgebaut, wobei alle vier Verwirbelungsklappen 3 in
sämtlichen Betriebszuständen die gleiche Schwenkstellung
aufweisen. Bei abweichender Anzahl von Zylindern der Brennkraftmaschine
ist eine entsprechende Anzahl von Einlasskanälen 1 mit
Verwirbelungsklappen 3 vorgesehen. Anstelle der gezeigten
Ausführung mit Verwirbelungsklappen 3 kann auch
eine Ausführung zweckmäßig sein, bei
der die einzelnen Einlasskanäle 1 in jeweils zwei
separate Einzelkanäle aufgeteilt sind. Hierbei sind die
entsprechenden Klappen zum bedarfsweisen Verschließen der
ersten Einzelkanäle vorgesehen, während die zweiten
Einzelkanäle dauerhaft geöffnet bleiben.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäß ausgeführten
Klappenanordnung 2 des Ansaugsystems nach 2.
Aus der Zusammenschau der 2 und 3 ergibt
sich, dass die Verwirbelungsklappen 3 mittels einer durchgehenden Klappenwelle 4 untereinander
verbunden sind. Die Klappenwelle 4 weist in ihrer Axialrichtung
zwischen den einzelnen Verwirbelungsklappen 3 sowie beidseitig
außerhalb je einen Lagerabschnitt 5 auf, mit denen
sie in Gleitlagern 6 der Lagerböcke 26 schwenkend
gelagert ist. Die Baugruppe nach 3 wird vormontiert,
indem die Lagerböcke 26 mit den Gleitlagern 6 auf
die Lagerabschnitte 5 der Klappenwelle 4 montiert
werden. Anschließend wird die Klappenanordnung 2 nach 3 zusammen
mit den vormontierten Lagerböcken 26 in das Klappengehäuse 7 nach 2 eingebaut.
Demnach ist dann die Klappenwelle 4 gemeinsam mit den Verwirbelungsklappen 3 im
Klappengehäuse 7 mittels der Gleitlager 6 schwenkend
gelagert. Die Einlasskanäle 1 sind durch das Klappengehäuse 7 (2)
hindurchgeführt, wodurch ihr Strömungsquerschnitt
durch Wahl eines geeigneten Schwenkwinkels der Klappenanordnung 2 wahlweise
freigegeben oder teilweise verschlossen werden kann. Bedarfsweise
sind auch Zwischenstellungen der Klappenanordnung 2 einstellbar,
demnach der freie Strömungsquerschnitt der Einlasskanalabschnitt 17, 23 nur
teilweise freigegeben ist. 4 zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung der Anordnung
nach 3 im Bereich eines zwischen zwei Verwirbelungsklappen 3 angeordneten
Lagerabschnittes 5. Aus der Zusammenschau der 3 und 4 ergibt
sich, dass die Verwirbelungsklappen 3 jeweils als Wannenklappe
ausgebildet sind und dadurch jeweils einen aerodynamischen Umlenkkörper
bilden. Die Klappenwelle 4 verläuft nahe einer
unteren Längskante der jeweiligen Verwirbelungsklappen 3.
Die Verwirbelungsklappen 3 sind exzentrisch zur Klappenwelle 4 angeordnet.
Hieraus und aus der Ausbildung als aerodynamischer Umlenkkörper
ergibt sich im Vergleich zu ebenen Drosselklappen eine hohe mechanische
Belastung der Klappenanordnung 2 insbesondere im Bereich
der Lagerabschnitte 5 und der Gleitlager 6. Diese
Belastung wird noch dadurch verstärkt, dass die Verwirbelungsklappen 3 in
einem Bereich des Ansaugsystems angeordnet sind, in dem der An saugkanal
in einzelne, den jeweiligen Zylindern zugeordnete Einzelkanäle
aufgeteilt ist, demnach also in unmittelbarer räumlicher
Nähe zur Brennkraftmaschine liegt. Die als Kolbenmotor
ausgebildete Brennkraftmaschine erzeugt hier einen deutlich pulsierenden
Ansaugluftstrom, der entsprechend pulsierende Lasten an den Verwirbelungsklappen 3 und
in der Folge auch an den Lagerabschnitten 5 sowie an den
Gleitlagern 6 erzeugt. Zur Aufnahme der vorgenannten Lasten
ist die Klappenwelle 4 aus Kunststoff gebildet und in ihren
Lagerabschnitten 5 mit je einer Lagerhülse 8 aus Metall
versehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Lagerhülsen 8 aus
Edelstahl gebildet. Es können aber auch andere Metalle
zweckmäßig sein. Die Gleitlager 6 sind
aus Kunststoff gefertigt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel
PPS gewählt ist. Es können auch andere Kunststoffmaterialien
zur Bildung der Gleitlager 6 zweckmäßig
sein. Die Klappenwelle 4 ist mit ihren metallenen Lagerhülsen 8 in
den aus Kunststoff gebildeten Gleitlagern 6 schwenkbar gelagert.
Das Zusammenspiel der äußeren Umfangsfläche
der Lagerhülse 8 mit dem angrenzenden Kunststoffmaterial
der Gleitlager 6 bildet eine Radiallagerung. Darüber
hinaus weisen die Lagerhülsen 8 mindestens einen
und im gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugt zwei radial
hervorstehende Bünde 12 auf, die an entsprechenden
stirnseitigen Flächen des Gleitlagers 6 anliegen.
Hierdurch ist zusätzlich eine Axialgleitlagerung gebildet.
Sowohl bei radialer als auch bei axialer Belastung ergibt sich eine
Materialpaarung, bei der das Metall der Lagerhülse 8 auf
dem Kunststoff des Gleitlagers 6 aufliegt und darauf gleitet.
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Der
Schnittdarstellung nach 4 ist noch zu entnehmen, dass
die Klappenwelle 4 und die Verwirbelungsklappen 3 einteilig
aus Kunststoff gespritzt sind, wobei ein faserverstärkter
Kunststoff bevorzugt wird. Dabei ist die aus Kunststoff gefertigte
Klappenwelle 4 durchgehend einteilig in die in die Spritzgussform
eingelegten metallenen Lagerhülsen 8 eingespritzt.
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5 zeigt
eine perspektivische Darstellung der aus Edelstahl gefertigten Lagerhülse 8 nach 4,
wobei der besseren Übersichtlichkeit halber die beiden
Bünde 12 nicht dargestellt sind. Die Lagerhülsen 8 weisen
an ihren beiden Stirnseiten 9 jeweils eine Strukturierung
auf. Diese Strukturierung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
durch in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte,
hervorstehende Nasen 10 mit zwischenliegenden Vertiefungen 11 gebildet.
Es kann auch eine abweichende Strukturierung der Stirnseiten 9 zweckmäßig
sein. Im eingespritzten Zustand nach 4 erzeugt
die Strukturierung einen Formschluss zwischen der Lagerhülse 8 und
dem Kunststoffmaterial der Klappenwelle 4. Hierdurch ist eine
zuverlässige Übertragung von Torsionsmomenten
durch die Klappenwelle 4 zwischen den einzelnen Verwirbelungsklappen 3 sichergestellt.
Das an einem Ende der Klappenanordnung 2 durch einen nicht
dargestellten Schwenkantrieb aufgebrachte Schwenkmoment wird durchgehend
auf sämtliche Verwirbelungsklappen 3 ohne nennenswerte
elastische Verformungen übertragen. Umgekehrt werden die
im Betrieb durch Luftkräfte an den Verwirbelungsklappen 3 hervorgerufene
Torsionsmomente in der Klappenwelle 4 zuverlässig
aufgenommen beziehungsweise übertragen. Diese Torsionsmomente
sind ebenso wie die Lagerlasten pulsierend. Das erfindungsgemäße
Zusammenspiel der metallenen Lagerhülsen 8 mit
dem Kunststoffmaterial der Gleitlager 6 und dem Kunststoffmaterial
der Klappenwelle 4 ist zuverlässig in der Lage,
diese Lasten dauerhaft aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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