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Die Erfindung betriff eine Desmodromik zum Bewegen von Ventilen oder Ventilschiebern bei Verbrennungsmotoren sowie einen Sterndrehkolbenmotor.
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Die Desmodromik (auch Zwangssteuerung) ist eine spezielle Form der Ventilsteuerung insbesondere bei Viertaktmotoren. Diese Steuerung erfordert für jedes Ventil zwei Kipphebel und auf der Nockenwelle zwei Nocken, von denen einer wie üblich das Ventil öffnet, der andere das Ventil schließt. Um auch bei Ventilspiel des kalten Motors (für die errechnete Wärmeausdehnung) und zum Starten eines Motors die Ventile dicht schließen zu lassen, wird oft zusätzlich zum nockengesteuerten Schließmechanismus eine schwache Ventilschließfeder verwendet, die die Anlage des Ventiles am Sitz auch bei kaltem Motor ohne direkten Krafteingriff vom Schließnocken sicherstellt - denn ohne dicht schließende Ventile und damit ohne Kompression könnte ein Viertaktverbrennungsmotor nicht starten. Bekannt wurde die Desmodromik vor allem durch das Motorrad von Ducati, die diese Desmodromik mit Kipphebeln, die auf Nockenwellen laufen, hat. Das Einstellen der Spiele von Kipphebeln und Nockenwelle ist jedoch extrem zeitaufwändig und hat sich deswegen im automobilen Bereich nicht etablieren können. Die herkömmliche Art der Ventilöffnung durch eine Nocke auf der Nockenwelle und das Schließen des Ventils über eine Feder ist bis heute die bevorzugte Lösung. Aber bei Steigerung der Motordrehzahl kommt irgendwann der Punkt, an dem die Schließfeder den vorgegebenen schnellen Bewegungen kräftemäßig nicht mehr nachkommt und Fehlfunktionen verursacht.
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Der aus der
DE 10 2011 001 551 A1 und
DE 10 2016 108 743 A1 bekannte DiemMotor stellt einen Sterndrehkolbenmotor dar, der einen Rotor, der um eine Antriebswelle drehbar ist und ein Gehäuse mit kreisförmigem und zum Rotor konzentrischem Innenquerschnitt aufweist. Der Rotor weist mindestens eine Ausnehmung an seinem Umfang auf, die sich über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstreckt, an deren beiden Enden der Rotor an einer Innenwandung des Gehäuses anliegt und die einen Arbeitsraum zwischen dem Rotor und der Innenwandung des Gehäuses einschließt. Das Gehäuse weist einen Einlass und einen Auslass für ein Arbeitsgas auf, die in Umfangsrichtung versetzt zueinander und einander benachbart angeordnet sind. Das Gehäuse ist mit einem nach innen und nach außen beweglichen Trenner versehen, der zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, der am Umfang des Rotors anliegt und den mindestens einen Arbeitsraum teilt, wenn sich der mindestens eine Arbeitsraum im Bereich des Trenners befindet, wobei in Drehrichtung des Rotors der Trenner unmittelbar nach dem Auslass und vor dem Einlass angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit einem weiteren nach innen und nach außen beweglichen Trenner versehen, der am Umfang des Rotors anliegt, den mindestens einen Arbeitsraum teilt, wenn sich der mindestens eine Arbeitsraum im Bereich des weiteren Trenners befindet, und der so angeordnet ist, dass er sich im Bereich des mindestens einen Arbeitsraums befindet, wenn der mindestens eine Arbeitsraum weder mit dem Einlass noch mit dem Auslass kommuniziert, und mit einem Speicher, in den der Rotor Arbeitsgas aus dem mindestens einen Arbeitsraum verdrängt, wenn sich ein Teilraum des mindestens einen Arbeitsraums in Drehrichtung des Rotors vor dem weiteren Trenner bei drehendem Rotor verkleinert, und aus dem das Arbeitsgas in Drehrichtung des Rotors hinter dem weiteren Trenner wieder in den mindestens einen Arbeitsraum strömt, und der Speicher eine Gassteuerung aufweist. Der Rotor weist mindesten zwei Ausnehmungen an seinem Umfang auf, die mindestens zwei Arbeitsräume zwischen dem Rotor und der Innenwandung des Gehäuses einschließen, wobei der Sterndrehkolbenmotor einen zusätzlichen, nach innen und nach außen beweglichen Trenner in Drehrichtung des Rotors hinter dem einen Trenner und vor dem weiteren Trenner aufweist, der am Umfang des Rotors anliegt und die Arbeitsräume teilt, wenn sie sich im Bereich des zusätzlichen Trenners befinden. Der Inhalt dieser Veröffentlichungen
DE 10 2011 001 551 A1 und
DE 10 2016 108 743 A1 ist auch inhaltlich Gegenstand dieser Offenbarung. Gerade bei diesem Sterndrehkolbenmotor mit diversen Ventilschiebern (Trenner), die auf dem Rotor laufen, stellt die genaue Steuerung der Ventilschieberbewegung ein zeitliches Problem dar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gewünschten Ventilbewegungen in allen Drehzahlbereichen auch bei einem Sterndrehkolbenmotor präzise einzuhalten, um eine zeitgenaue Öffnung und Schließung des Brennraumes im Motor zu haben. Zudem sollen die heiklen Punkte Motorkaltlauf und Spieleinstellarbeiten bei der mechanischen Desmodromik eliminiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Desmodromik mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie einen Sterndrehkolbenmotor gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß arbeitet die Desmotromik zum Bewegen von Ventilen oder Ventilschiebern bei Verbrennungsmotoren mittels fluidisch betriebenen Steuerelementen für die Ventile oder Ventilschieber. Es handelt sich somit um eine fluidale Desmotromik. Unter fluidal wird in diesem Zusammenhang die Verwendung insbesondere Luft oder Öl zum Betreiben der Steuerelemente verstanden. Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel einer pneumatischen Desmodromik beschrieben, wobei andere Betriebsmittel nicht ausgeschlossen sind, mit denen das gleiche Ergebnis erreicht werden kann. Da jedoch Gase kompressibel sind, was für die Funktionsweise von Vorteil ist, stellt die pneumatische Desmodromik eine bevorzugte Variante dar.
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Zweckmäßigerweise sind erfindungsgemäß als Steuerelemente zwei fluidisch parallel geschaltete Druckzylinder vorgesehen, die mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt sind, wobei ein Druckzylinder als Steuerzylinder über eine Kolbenstange mit einem Ventil oder einem auf einem Rotor aufliegenden Ventilschieber verbunden ist und ein Druckzylinder als Lesezylinder über eine Kolbenstange und eine Abtasteinheit mit einer mit der Geschwindigkeit des Rotors umlaufenden Kurvenleiste verbunden ist.
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Danach werden zwei Pneumatikzylinder durch Luftleitungen parallel geschaltet und mit Druckluft beaufschlagt. Die Zylinderpaarung besteht aus dem Steuerzylinder, der das Ventil bzw. den Schieber positioniert, und dem Lesezylinder, der Wegeinformationen aus einer auf einer Steuerscheibe befindlichen Kurvenleiste abnimmt. Durch die Druckbeaufschlagung beiderseits der Zylinderkolben in beiden Zylindern wird die Position des Kolbens vom Lesezylinder über den Luftdruck direkt auf den Kolben des Steuerzylinders übertragen. Bei langsamen Bewegungen reicht in dem pneumatischen System ein geringer Luftdruck. Wird jedoch die Motordrehzahl erhöht, muss auch der Systemdruck erhöht werden, damit die Schieberbewegung kontaktsicher auf dem Rotor gleitet und einen immer geschlossenen Raum (Brennraum, Kompressionsraum) ermöglicht. Ein von Beginn an hoher Systemdruck würde jedoch im unteren Drehzahlbereich unnötig hohe Reibung produzieren. Deshalb ist der variable Systemdruck aus Gründen der Effektivität angezeigt.
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Die pneumatische Desmodromik beinhaltet noch einen weiteren wichtigen Aspekt, den eine mechanische Desmodromik nicht aufweisen kann. Die immer vorhandene Restfederung des Luftkissens, das den Schieber positioniert. Der Kolben des Steuerzylinders z. B. hat auf der Vorderseite und auf der Rückseite den gleichen Luftdruck anliegen und bewegt sich selber nicht. Erst wenn die Luftmenge durch den parallel geschalteten Lesezylinder auf seiner Vorderseite verkleinert und auf seiner Rückseite vergrößert wird, bewegt er sich nach vorne. Genauso natürlich umgedreht. Stellt man sich die beiden Zylinder in einer langgestreckten Version der fluidalen Desmodromik vor, sieht man eine Luftsäule in den parallel geschalteten Zylindern. Beim Verfahren des Kolbens im Lesezylinder bewegt sich der Kolben im Steuerzylinder simultan, denn die Luftsäule wird nur verschoben aber nicht erst aufgebaut. Im Gegensatz dazu strömt in der normalen Pneumatik bei Bedarf erst Luft in einen Zylinder ein, was viel zu viel Zeit erfordert. Um die Restfederung des Luftkissens auszunutzen, kann man die Vorgaben der Steuerkurve auf der Steuerscheibe einkalkulieren. Ein einfaches Beispiel soll diese Option erklären: Der zum Brennraum gehörige Schieber soll von einer radialen Position zum Rotor um 20mm bis zum Innenradius des Rotors abgesenkt werden. Bekommt er vom Lesezylinder die Information zur Bewegung 20mm nach unten, dann verfährt der Kolben des Steuerzylinders den Speicherschieber um 20mm bis genau zum Rotorinnenradius. Der Schieber übt dabei keinerlei Druck auf den Rotor aus. Wird jedoch in der manipulierten Version die Kurvenleiste so gestaltet, dass der Lesezylinder die Information zur Bewegung 20,1 mm an den Steuerzylinder weitergibt, setzt nach 20mm Wegstrecke der Schieber auf dem Rotorinnenradius auf und der Druck des Luftkissens hinter dem Kolben kommt sofort zur Wirkung, weil der Schieber ja noch 0,1 mm weiter bewegt werden sollte. Genau genommen hat der Lesezylinder sich die Luft des Steuerzylinders vor dessen Kolben für 20,1 mm abholen wollen, jedoch nur die Menge entsprechend 20mm bekommen und damit einen geringen „Unterdruck“ erzeugt, der den Anpressdruck des Schiebers aber letztlich unterstützt. Der Schieber wird durch den variablen Druck im System mehr oder weniger, wie gewünscht oder von der Drehzahl gefordert, auf den Rotor angedrückt.
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Eine nicht uninteressante Option bietet die Zylinderpaarung. Es ist die Möglichkeit einer Übersetzung vom Lesezylinder zum Steuerzylinder gegeben. Variiert man die effektiven Druckflächen können z.B. die Amplituden auf der Kurvenleiste verkleinert werden ohne dass sich der Weg des Steuerkolbens mit dem Schieber verändert. Eine kleinere Amplitude ergibt jedoch beim Lesezylinder einen sanfteren und zuverlässigeren Lauf. Eine weitere Option ist die einfache Anpassung der Zylinderpaarung durch Veränderung der beteiligten Zylinder, wenn im gleich großen Bauraum des Motors ein Rotor mit weniger hohen Nocken verbaut werden soll.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der fluidalen Desmotromik weist die mit der Kurvenleiste verbundene Abtasteinheit eine äußere Laufrolle, die auf der Kurvenleiste läuft, und eine innere Laufrolle, die auf der gegenüberliegenden Seite der Kurvenleiste läuft, auf. Beide Laufrollen sind an der Kolbenstange des zweiten Druckzylinders angeordnet und mindestens eine Laufrolle ist in Längsrichtung der Kolbenstange federnd gelagert. Dies ermöglicht eine optimale Führung an der Kurvenleiste.
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Die Aufgabe wird auch durch einen Sterndrehkolbenmotor mit einer derartigen fluidalen Desmotromik gelöst.
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Vorzugsweise weist der Sterndrehkolbenmotor mindestens auf einer Seite des Gehäuses eine Steuerscheibe mit mindestens einer Kurvenleiste auf der Antriebswelle auf.
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Der Sterndrehkolbenmotor kann bauartbedingt sehr einfach zu einem Antriebsblock kaskadiert werden. Auf die zentrale Antriebswelle können ein, zwei oder mehrere Einheiten aufgesetzt werden. Bei einer Einheit hat man wegen der drei Nocken alle 120° Drehung der Antriebswelle eine Zündung. Setzt man nun eine zweite Einheit auf, wird diese um 60° winkelversetzt auf die Antriebswelle gesetzt. Bei vier Einheiten ergibt sich wiederum durch winkelversetztes Aufstecken letztlich eine Anordnung, bei der alle 30° Drehung der Antriebswelle eine Zündung stattfindet. Je nach Ausgestaltung weist jede Kaskade auf mindestens einer Seite dann eine Steuerscheibe mit einer erforderlichen Anzahl von Kurvenleisten auf, der jeweils eine fluidale Desmotromik zugeordnet ist. Das Drehmomentverhalten eines solchen kaskadierten Antriebblocks kommt dem eines Elektromotors sehr nahe. Die Steuerscheiben der einzelnen Motoreinheiten müssen bei einer Kaskadierung lediglich zu ihrem Rotor ausgerichtet werden. Eine vorteilhafte Möglichkeit trotz desmodromischer Funktion.
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Die Erfindung stellt somit eine Lösung dar, mit der eine Bewegung der Ventile in einer vorgegebenen Weise passend zu den Umdrehungen des Motors durchgeführt wird. Anpassungen können durch Änderungen der Kurvenleisten, Druckzylindergeometrie und des eingestellten Druckes abhängig von dem verwendeten Fluid und drehzahlabhängig einfach vorgenommen werden. Der Anlagedruck kann drehzahlabhängig durch Änderung des Systemdrucks variiert werden. Ein optimiertes Öffnen und Schließen der Ventile wird dadurch auch bei höheren Drehzahlen präzise durchgeführt.
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Durch die Eigenschaft der Restfederung entfallen bei dieser neuartigen pneumatischen Desmodromik die immens hohen Zeitaufwendungen für die Einstellarbeiten gegenüber der mechanischen Desmodromik. Ein Grund, warum diese sich bei den normalen Kraftfahrzeugen nicht durchgesetzt hat. Mit der erfindungsgemäßen fluidalen Desmodromik gibt es damit eine Option, die Verbrennungsabläufe durch exakte Ventilsteuerungen auf einfache Weise zu optimieren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen oder nebengeordneten Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen in prinzipieller Darstellung näher erläutert. Es stellen dar:
- 1 Systematischer Aufbau der pneumatischen Desmodromik;
- 2 Seitenansicht Motor mit Antriebswelle und Steuerscheiben;
- 3 Steuerscheibe in Draufsicht mit Kurvenleisten;
- 4 Leseeinheit Draufsicht;
- 5 Seitenansicht Leseeinheit mit Steuerscheibe und Kurvenleiste.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der fluidalen Desmodromik anhand eines pneumatischen Systems mit einem Steuerzylinder 1 und einem Lesezylinder 2 sowie Luftleitungen 3a und 3b, die den Steuerzylinder 1 und den Lesezylinder 2 miteinander verbinden und parallel schalten. Die Luftleitung 3a verbindet Steuerzylinder 1 und Lesezylinder 2 auf der in der Figur gezeigten Kolbenoberseite und die Luftleitung 3b den Steuerzylinder 1 und den Lesezylinder 2 auf der Kolbenunterseite. Am Steuerzylinder 1 ist an der Kolbenstange des Zylinders ein Schieber 4 befestigt, der auf einem Rotorinnenradius 20 eines teilweise abgebildeten Rotors 8 beispielsweise eines Sterndrehkolbenmotors aufsetzt. Der Lesezylinder 2 ist mit seiner Kolbenstange 19 über eine Abtasteinheit 14 mit einer Kurvenleiste 9 verbunden. Zur Versorgung des Systems mit Druckluft dient der Druckspeicher 16 mit dem Kompressor 17 über die Druckluftverbindung 13.
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2 zeigt schematisch die seitliche Ansicht eines Sterndrehkolbenmotors 15, seiner Antriebswelle 6 sowie in diesem Beispiel beiderseitigen Steuerscheiben 5 auf der Antriebswelle 6 mit den darauf befindlichen Kurvenleisten 9. Diese Anordnung kann dann um eine entsprechende Gradzahl versetzt grundsätzlich beliebig zu einem Antriebsblock kaskadiert werden. Da im Sterndrehkolbenmotor insgesamt bis zu fünf Schieber bewegt werden müssen, sind die Steuerscheiben 5 auf beiden Seiten mit einer oder zwei Kurvenleisten 9 versehen.
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3 zeigt eine Steuerscheibe 5 in Frontalansicht mit der zentralen Antriebswelle 6 und einer Kurvenleiste 9.
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4 zeigt schematisch die Abtasteinheit 14, die mit der Kolbenstange 19 des Lesezylinders 2 verbunden ist. Eine äußere Laufrolle 10 ist auf einer Drehachse senkrecht zur Kolbenstange 19 starr mit der Kolbenstange 19 verbunden, während eine innere Laufrolle 11 auf einer Drehachse senkrecht zur Kolbenstange 19, die gering beweglich in Längsrichtung der Kolbenstange 19 an der Kolbenstange 19 befestigt ist. Ein Federelement 12 presst die innere Laufrolle 11 gegen die Kurvenleiste 9 und ermöglicht einen stetigen und sicheren Kontakt der Abtasteinheit 14 an der Kurvenleiste 9.
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5 zeigt schematisch die Abtasteinheit 14 an der Steuerscheibe 5 von der Seite ohne Lesezylinder 2. Die Laufrollen 10, 11 liegen an der Kurvenleiste 9 an. Eine Gleithülse 18 auf der Kolbenstange 19 in der die Drehachse für die innere Laufrolle 11 geführt wird, wird durch das Federelement 12 auf der Kolbenstange 19 nach oben gegen die Kurvenleiste 9 gedrückt.
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Die druckluftgesteuerte Zwangsbewegung zur Bewegung von Schiebern 4 wird somit in einem vorgegebenen Kurvenverlauf durch das Zylinderpaar 1, 2 von einer Steuerscheibe 5 mit erhabenen Kurvenleisten 9 auf die zu bewegenden Schieber 4 übertragen. Der Anlegedruck der Schieber 4 an den Rotor 8 kann durch Variation des Systemdruckes in dem Schieberpaar 1, 2 der Motordrehzahl angepasst werden, sodass unnötige Reibungsverluste vermieden werden können. Im Leerlauf genügt ein moderater Druck, bei maximaler Drehzahl muss er jedoch gesteigert werden, damit der Schieber 4 „hinter“ der durchdrehenden Nocke 7 nicht ins Freie abhebt, sondern immer im Kontakt zum Rotor 8 verbleibt. Das Zylinderpaar 1, 2 bietet auch die Möglichkeit, dass bei einer Motoränderung z.B. bei einer Verringerung der Nockenhöhe, durch eine neue Zusammenstellung des Zylinderpaares 1, 2 diese ohne komplette Neukonstruktion des Motors leicht bewerkstelligt werden kann. Gegenüber der mechanischen Desmodromik hat diese den Vorteil, dass die Restfederkräfte der in den Zylindern befindlichen Luftkissen einen definierbaren Anlegedruck von Schieber 4 und Rotor 8 ermöglichen. Der Anlegedruck wird dadurch erzielt, wenn die von der Abtasteinheit 14 ermittelte Strecke größer ist, als die Strecke, die dem Schieber 4 zur Verfügung steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerzylinder
- 2
- Lesezylinder
- 3
- Luftleitung
- 4
- Ventil/Schieber
- 5
- Steuerscheibe
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Nocke
- 8
- Rotor
- 9
- Kurvenleiste
- 10
- Äußere Laufrolle
- 11
- Innere Laufrolle
- 12
- Federelement
- 13
- Druckluftverbindung
- 14
- Abtasteinheit
- 15
- Motor
- 16
- Druckspeicher
- 17
- Kompressor
- 18
- Gleithülse
- 19
- Kolbenstange
- 20
- Rotorinnenradius
- 21
- Kolbenstange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011001551 A1 [0003]
- DE 102016108743 A1 [0003]
