DE3843097A1 - Einspritzduesenvorrichtung - Google Patents

Einspritzduesenvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft die Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, insbesondere eine Einspritzdüsenvorrichtung mit einem Alkoholsensor.
Als Kraftstoff für die Brennkraftmaschinen von Kraftfahr­ zeugen werden üblicherweise Motorenbenzine bzw. Ottokraft­ stoffe verwendet. Der Kraftstoff wird in einem Ansaugkrüm­ mer eingespritzt, und das Luft-Kraftstoffgemisch wird den Zylindern der Maschine zugeführt. Das Gemisch wird in den Zylindern verbrannt unter Umwandlung der resultierenden Wärme in mechanische Energie durch die in den Zylindern hin- und hergehenden Kolben. Es ist also wichtig, das den Zylindern zugeführte Luft-Kraftstoffgemisch auf einen Opti­ malwert zu regeln, der für die Arbeitsbedingungen der Maschine am besten geeignet ist, um das günstigste Be­ triebsverhalten sicherzustellen.
Als Kraftstoffe für Brennkraftmaschinen eingesetzte Moto­ renbenzine sind jedoch in verschiedene Güteklassen unter­ teilt, und einige enthalten bis zu 15% Alkohole (Methanol und/oder Ethanol). Die Anwesenheit von Alkoholen in Moto­ renbenzinen verringert die Oktanzahl des Kraftstoffs er­ heblich. Wenn also das Luft-Kraftstoffverhältnis nicht entsprechend der dem Motorbenzin zugesetzten Alkkoholmenge modifiziert wird, tritt in der Maschine beim Anlassen Klop­ fen auf. Die Klopftendenz zeigt sich insbesondere, wenn die bereits warme Maschine erneut angelassen wird.
In dem JP-GM 61-183 ist eine Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die Mittel zur Er­ fassung des Alkoholanteils im Kraftstoff aufweist. Unter Ausnutzung der Tatsache, daß die Dielektrizitätskonstante von Alkohol wesentlich größer als diejenige von Motoren­ kraftstoff ist, bestimmt diese Vorrichtung den Alkoholpro­ zentsatz im Kraftstoff durch Messen seiner Dielektrizitäts­ konstanten. Die Vorrichtung modifiziert das der Maschine zugeführte Gemisch entsprechend dem so bestimmten Alkohol­ prozentsatz des Kraftstoffs.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Einspritzvorrichtung mit Alkoholsensor. Diese Vorrichtung gleicht der vorgenann­ ten Vorrichtung entsprechend dem JP-GM. Der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter 1 wird von einer Kraftstoffpumpe 2 druckbeaufschlagt und durch eine Kraftstoffleitung 2 a einem Kraftstoffilter 3 und von diesem einer Kraftstofförderlei­ tung 4 mit Einspritzdüsen 5 zugeführt. Aus den Einspritz­ ventilen der 5 wird der Kraftstoff in einen Ansaugkrümmer eingespritzt, der mit den Zylindern der Brennkraftmaschine verbunden ist. Der Kraftstoffdruck wird von einem Kraftstoffdruckregler 6 geregelt, und der nicht in den Ansaugkrümmer eingespritzte Kraftstoff wird durch die Kraftstoffleitung 2 a zum Behälter 1 rückgeführt. Die Öffnungsdauer der Ventile der Einspritzdüsen 5 wird durch eine Steuereinheit 7 nach Maßgabe der von einem im Behälter 1 angeordneten Alkoholsensor 8 gelieferten Meßergebnisse bestimmt, so daß das Luft-Kraftstoffverhältnis auf den Optimalwert eingestellt wird.
Diese Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist jedoch die fol­ genden beiden Nachteile auf.
Der erste Nachteil resultiert aus der Verzögerung zwischen der Erfassungs- und der Einspritzzeit. Wenn nämlich die Maschine angelassen wird, nachdem gerade eine Kraftstoff­ menge in den Behälter 1 gefüllt wurde, in dem sich noch ein kleiner Kraftstoffrest befand, dessen Alkoholgehalt sich von demjenigen des eingefüllten Kraftstoffs unterscheidet, dann ist der in den Ansaugkrümmer unmittelbar danach ein­ gespritzte Kraftstoff der in der Kraftstofförderanlage zwischen Behälter 1 und Förderleitung 4 verbliebene Kraft­ stoff, dessen Alkoholgehalt sich von demjenigen des Kraft­ stoffs im Behälter 1 unterscheidet. Der Sensor 8 erfaßt jedoch den Alkoholgehalt des Kraftstoffs im Behälter 1. Da die Leitungen vom Behälter 1 zu den Ventilen der Einspritz­ düsen relativ lang sind, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis während einer relativ langen Zeitdauer, während der der alte Kraftstoff im Kraftstoffördersystem verbraucht wird, auf der Grundlage der Messung des Alkoholgehalts, der von demjenigen des eingespritzten Kraftstoffs verschieden ist, auf einen falschen Wert geregelt. Dies führt zum Auftreten von Startproblemen der Maschine.
Der zweite Nachteil ergibt sich aus der Lage des Alkohol­ sensors im Behälter 1. Es ist nämlich notwendig, den Sensor 8 am Boden des Behälters 1 anzuordnen, damit die Bestimmung des Alkoholgehalts auch durchgeführt werden kann, wenn sich der Kraftstoffspiegel nahe dem Boden des Behälters 1 be­ findet. Ferner besteht die Gefahr, daß sich gelegentlich im Kraftstoff vorhandenes Wasser nahe dem Bodenteil des Be­ hälters sammelt. Somit wird die Messung durch den am Behäl­ terboden befindlichen Alkoholsensor durch das Vorhandensein dieses angesammelten Wassers, das eine sehr große Dielek­ trizitätskonstante hat, nachteilig beeinflußt. Infolgedes­ sen enthält der durch den Sensor bestimmte Alkoholgehalt des Kraftstoffs einen großen Fehler aufgrund des eventuell im Behälter vorhandenen Wassers. Dadurch kann das Luft- Kraftstoffverhältnis möglicherweise auf einen falschen Wert geregelt werden, so daß Maschinenprobleme auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Ein­ spritzdüsenvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die das Luft-Kraftstoffverhältnis auf einen Optimalwert einstellen kann, der auf den jeweiligen Alkoholgehalt des in den An­ saugkrümmer der Maschine eingespritzten Kraftstoffs best­ möglich abgestimmt ist, so daß ein optimales Betriebsver­ halten der Maschine, insbesondere beim Anlassen, sicherge­ stellt ist. Dabei soll ferner ein einfacher, kostengünsti­ ger und exakt arbeitender Alkoholsensor für eine solche Einspritzdüsenvorrichtung angegeben werden.
Die Einspritzdüsenvorrichtung nach der Erfindung zum Ein­ spritzen von aus einem Kraftstoffbehälter zugeführtem Kraftstoff in den Ansaugkrümmer einer Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch ein hohlzylindrisches Kraft­ stofförderorgan, das an einer Umfangswand Düsen mit jeweils einem Ventil zum Einspritzen des vom Kraftstoffbehälter zugeführten Kraftstoffs in den Ansaugkrümmer der Brenn­ kraftmaschine aufweist, durch zwei einander gegenüberste­ hende Metallplatten, die in dem hohlzylindrischen Kraft­ stofförderorgan längs einer Strömungsbahn des vom Kraft­ stoffbehälter zu den Ventilen geförderten Kraftstoffs angeordnet sind und dadurch den Kraftstoffstrom derart leiten, daß dieser einen zwischen den beiden gegenüberste­ henden Metallplatten gebildeten Zwischenraum durchströmt, durch einen Kapazitätsmesser, der mit den beiden gegenüber­ stehenden Metallplatten elektrisch gekoppelt ist zur Mes­ sung der Kapazität eines durch die beiden gegenüberstehen­ den Metallplatten und den dazwischen strömenden Kraftstoff gebildeten Kondensators, durch ein Dielektrizitätskonstan­ ten-Rechenglied, das mit dem Kapazitätsmesser gekoppelt ist und eine Dielektrizitätskonstante des zwischen den gegen­ überstehenden Metallplatten strömenden Kraftstoffs aus der vom Kapazitätsmesser bestimmten Kapazität errechnet, durch ein Alkoholgehalt-Rechenglied, das mit dem Dielektrizi­ tätskonstanten-Rechenglied gekoppelt ist und den Alkohol­ gehalt des Kraftstoffs aus der vom Dielektrizitätskon­ stanten-Rechenglied errechneten Dielektrizitätskonstante errechnet, und durch eine Steuereinheit, die mit dem Alko­ holgehalt-Rechenglied gekoppelt ist und die in den Ansaug­ krümmer einzuspritzende Kraftstoffmenge nach Maßgabe des vom Alkoholgehalt-Rechenglied errechneten Alkoholgehalts bestimmt.
Bevorzugt umfaßt der Kondensator des Alkoholsensors zwei hohlzylindrische Metallelemente, die koaxial in dem hohl­ zylindrischen Kraftstofförderorgan angeordnet sind. Ferner weisen diese hohlzylindrischen Metallelemente bevorzugt mehrere in Radialrichtung verlaufende Durchgangsöffnungen auf, die in den beiden Metallelementen in Axialrichtung versetzt angeordnet sind, so daß der aus dem Kraftstoffbe­ hälter zum Einlaßende des Kraftstofförderorgans geförderte Kraftstoff innerhalb des Metallelements mit kleinerem Durchmesser und von dort durch die Durchgangsöffnungen, durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Metallelemen­ ten und durch die Durchgangsöffnungen des Metallelements mit größerem Durchmesser strömt und aus den Ventilen der an der Seitenwand des Kraftstofförderorgans ausgebildeten Einspritzdüsen in den Ansaugkrümmer gespritzt wird. Diese Konstruktion des Kondensators gewährleistet, daß der Alko­ holgehalt des Kraftstoffs, der in den Ansaugkrümmer einge­ spritzt wird, unmittelbar vor dem Einspritzvorgang bestimmt wird.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraft­ stofförderanlage mit einem Alkoholsensor, der demjenigen des JP-GM gleicht;
Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Kraftstofför­ derleitung einer Einspritzdüsenvorrichtung mit einem Kondensator (der einen Alkoholsensorkopf bildet) nach der Erfindung; und
Fig. 3 einen Querschnitt A-A durch die Kraftstofför­ derleitung von Fig. 2.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird ein Ausführungs­ beispiel erläutert.
Die Einspritzvorrichtung nach Fig. 2 bildet Teil einer Kraftstofförderanlage ähnlich derjenigen von Fig. 1, wobei jedoch der Alkoholsensor (d. h. ein Kondensator) nicht im Kraftstoffbehälter angeordnet ist. So wird der Kraftstoff, der im wesentlichen aus Motorenbenzin besteht, aber einen erheblichen Alkoholanteil aufweisen kann, von einer Kraft­ stoffpumpe im Kraftstoffbehälter druckbeaufschlagt und durch eine Kraftstoffleitung und einen Kraftstoffilter zur Kraftstofförderleitung 4 am linken Ende in Fig. 2 geför­ dert. Ein Kraftstoffdruckregler 6, der mit dem rechten Ende der Kraftstofförderleitung 4 verbunden ist, regelt den Kraftstoffdruck in der Leitung 4. Der Kraftstoff, der nicht aus den Ventilen der Kraftstofförderleitung 4 eingespritzt wird, wird durch eine den Kraftstoffdruckregler 6 mit dem Kraftstoffbehälter verbindende Leitung zum Behälter rück­ geführt.
Die Kraftstofförderleitung 4 nach Fig. 2 hat eine hohl­ zylindrische Wand 4 a und zwei scheibenförmige Abschlußplat­ ten 4 b und 4 c, die mit sie durchsetzenden, in Axialrichtung verlaufenden Ein- bzw. Auslaßbohrungen 9 a und 9 b versehen sind. Die Einlaßbohrung 9 a ist mit einer Kraftstoffpumpe durch eine Kraftstoffleitung und einen Kraftstoffilter (nicht gezeigt) verbunden, und die Auslaßbohrung 9 b ist mit dem Kraftstoffdruckregler 6 über einen in Axialrichtung verlaufenden Flansch 4 d der Abschlußplatte 4 c verbunden. Die Seitenwand 4 a weist mehrere in Radialrichtung verlau­ fende Düsen 5 mit jeweils einem Ventil 5 a zur Einspritzung des Kraftstoffs in einen Ansaugkrümmer (nicht gezeigt) auf, der mit den Zylindern der zugehörigen Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Ein Paar hohlzylindrische Metallplatten 10 a und 10 b, die in der Kraftstofförderleitung 4 koaxial mit einem kleinen radialen Zwischenraum (Fig. 3) angeordnet sind, sind am einen Ende in einem Isolierstück 11 gehaltert. Das Isolier­ stück 11 weist eine in Axialrichtung verlaufende mittige Durchgangsöffnung 11 a, mehrere äußere Durchgangsöffnungen 11 b und zwei eine Seite durchsetzende zylindrische Nuten zur jeweiligen Halterung eines Endes der Platten 10 a und 10 b auf. Das Isolierstück 11 ist an der Seitenwand 4 a nahe der Abschlußplatte 4 c so befestigt, daß zwischen beiden ein axialer Spielraum 11 c gebildet ist. Die anderen Enden der hohlzylindrischen Metallplatten 10 a und 10 b sind mit ring­ förmigen elektrisch leitenden Schichten 12 a bzw. 12 b ge­ koppelt und von diesen gehaltert, wobei diese Schichten koaxial in der elektrisch isolierenden Abschlußplatte 4 b an deren Eintrittsseite eingebettet sind. Die Metallelemente 10 a und 10 b weisen jeweils mehrere radial verlaufende Durchgangslöcher 13 a bzw. 13 b auf, wobei die Positionen der Löcher 13 b in dem durchmessergrößeren Metallelement 10 b gegenüber denjenigen der Löcher 13 a in dem durchmesserklei­ neren Metallelement 10 a in Axialrichtung versetzt sind. Ferner befinden sich einige der Durchgangslöcher 13 b in dem durchmessergrößeren Metallelement 10 b axial und umfangs­ mäßig in Deckung mit den Positionen der Einspritzdüsen 5.
Der aus der Einlaßbohrung 9 a in die Kraftstofförderleitung 4 gelangende Kraftstoff durchströmt die Leitung in Pfeil­ richtung. Zuerst strömt der Kraftstoff in das Innere des durchmesserkleineren hohlzylindrischen Metallelements 10 a, und ein Teil des Kraftstoffs strömt direkt weiter zur Aus­ laßbohrung 9 b. Der übrige Kraftstoff strömt durch die Durchgangslöcher 13 a in dem durchmesserkleineren Metallele­ ment 10 a, durch den Zwischenraum zwischen beiden Metall­ elementen 10 a und 10 b und durch die Durchgangslöcher 13 b in dem durchmessergrößeren Metalelement 10 b. Danach wird ein Teil des Kraftstoffs aus den Ventilen 5 a in die Düsen 5 gepreßt, während der Rest zwischen den durchmessergrößeren Metallelement 10 b und der Seitenwand 4 a sowie durch die Löcher 11 b und den Spielraum 11 c zur Auslaßbohrung 9 b strömt.
Der Alkoholgehalt des Kraftstoffs wird unter Nutzung des aus den hohlzylindrischen Metallelementen 10 a und 10 b und dem dazwischen strömenden Kraftstoff gebildeten Kondensa­ tors bestimmt, wie nachstehend erläutert wird. Ein Kapazi­ tätsmesser 7 a legt eine Spannung E (ausgedrückt in V) durch die Elektroden 14 a und 14 b, die mit den elektrisch leiten­ den Schichten 12 a und 12 b gekoppelt sind, an die beiden Metallelemente 10 a und 10 b und mißt die Kapazität C (aus­ gedrückt in F) des Kondensators mittels der folgenden Gleichung:
Q=C · E (1)
wobei Q die elektrische Ladung (ausgedrückt in Coulomb) an den Metallelementen 10 a und 10 b ist. Ferner berechnet ein mit dem Kapazitätsmesser 7 a gekoppeltes Dielektrizitäts­ konstanten-Rechenglied 7 b die Dielektrizitätskonstante e (F/m) des zwischen den beiden Metallelementen 10 a und 10 b strömenden Kraftstoffs unter Anwendung der folgenden Gleichung:
C=ε · S/d (2)
wobei C die Kapazität (ausgedrückt in F) ist, die durch den Kapazitätsmesser 7 a mittels der Gleichung (1) bestimmt wurde, S die Fläche (ausgedrückt in m²) der gegenüberste­ henden Oberfläche eines der Metallelemente 10 a und 10 b und d der Abstand (ausgedrückt in m) zwischen den gegenüber­ liegenden Flächen der beiden Metallelemente 10 a und 10 b ist. Ferner berechnet ein mit dem Dielektrizitätskonstan­ ten-Rechenglied 7 b gekoppeltes Alkoholgehalt-Rechenglied 7 c den Alkoholgehalt k pro Volumen aus dem oben gewonnenen Wert der Dielektrizitätskonstanten ε(F/m) unter Auflösung der folgenden Gleichung:
ε=(1-k) · ε1+k · ε2 (3)
in der ε1 und ε2 jeweils die Dielektrizitätskonstanten (ausgedrückt in F/m) von Motorenbenzin bzw. Alkohol sind, deren Werte allgemein bekannt sind.
Die Steuereinheit 7 bestimmt die Öffnungsdauer der Ventile 5 a der Kraftstofförderleitung 4 während jedes Takts der Brennkraftmaschine entsprechend dem im Alkoholgehalt- Rechenglied 7 c errechneten Alkoholgehalt k, so daß die in den Ansaugkrümmer der Maschine eingespritzte Kraftstoff­ menge so geregelt wird, daß das Luft-Kraftstoffgemisch auf einen optimalen Wert eingestellt wird, der sich am besten für den Alkoholgehalt k des Kraftstoffs eignet. Dem Fach­ mann ist bekannt, daß die Steuereinheit 7 die Öffnungs­ dauern der Ventile 5 a nicht nur nach Maßgabe des Alkohol­ gehalts k, sondern auch nach Maßgabe weiterer Arbeitsbe­ dingungen der Maschine bestimmt.
Konstruktion und Lage des Kondensatorteils des Alkoholsen­ sors gewährleisten, daß der Alkoholgehalt des Kraftstoffs unmittelbar vor dessen Einspritzung in den Ansaugkrümmer gemessen wird. Dadurch wird die Ansprechgeschwindigkeit wesentlich verbessert. Ferner ist durch die große Fläche der gegenüberstehenden Metallelemente des Kondensators sichergestellt, daß der mittlere Alkoholgehalt des in den Ansaugkrümmer eingespritzten Kraftstoffs gemessen wird, wodurch auch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Selbstverständlich sind diverse Abwandlungen des Alkohol­ sensors möglich. Beispielsweise kann der Kondensator aus zwei einander gegenüberliegenden, koaxial angeordneten hohlzylindrischen Metallelementen bestehen, wenn der in den Ansaugkrümmer einzuspritzende Kraftstoff durch den zwischen den gegenüberliegenden Metallelementen gebildeten Zwischen­ raum strömt.

Claims (5)

1. Einspritzdüsenvorrichtung zum Einspritzen von aus einem Kraftstoffbehälter zugeführtem Kraftstoff in den Ansaug­ krümmer einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein hohlzylindrisches Kraftstofförderorgan (4), das an einer Umfangswand Düsen (5) mit jeweils einem Ventil (5 a) zum Einspritzen des vom Kraftstoffbehälter zugeführten Kraftstoffs in den Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine aufweist;
zwei einander gegenüberstehende Metallplatten (10 a, 10 b), die in dem hohlzylindrischen Kraftstofförderorgan (4) längs einer Strömungsbahn des vom Kraftstoffbehälter zu den Ven­ tilen (5 a) geförderten Kraftstoffs angeordnet sind und dadurch den Kraftstoffstrom derart leiten, daß dieser einen zwischen den beiden gegenüberstehenden Metallplatten (10 a, 10 b) gebildeten Zwischenraum durchströmt;
einen Kapazitätsmesser (7 a), der mit den beiden gegenüber­ stehenden Metallplatten (10 a, 10 b) elektrisch gekoppelt (14 a, 14 b) ist zur Messung der Kapazität eines durch die beiden gegenüberstehenden Metallplatten (10 a, 10 b) und den dazwischen strömenden Kraftstoff gebildeten Kondensators;
ein Dielektrizitätskonstanten-Rechenglied (7 b), das mit dem Kapazitätsmesser (7 a) gekoppelt ist und eine Dielektrizi­ tätskonstante des zwischen den gegenüberstehenden Metall­ platten (10 a, 10 b) strömenden Kraftstoffs aus der vom Kapazitätsmesser (7 a) bestimmten Kapazität errechnet;
ein Alkoholgehalt-Rechenglied (7 c), das mit dem Dielektri­ zitätskonstanten-Rechenglied (7 b) gekoppelt ist und den Alkoholgehalt des Kraftstoffs aus der vom Dielektrizitäts­ konstanten-Rechenglied (7 b) errechneten Dielektrizitäts­ konstante errechnet; und
eine Steuereinheit (7), die mit dem Alkoholgehalt-Rechen­ glied (7 c) gekoppelt ist und die in den Ansaugkrümmer ein­ zuspritzende Kraftstoffmenge nach Maßgabe des vom Alkohol­ gehalt-Rechenglied (7 c) errechneten Alkoholgehalts bestimmt.
2. Einspritzdüsenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberstehenden Metallplatten zwei durch­ messerverschiedene hohlzylindrische Metallelemente (10 a, 10 b) sind, die koaxial in dem hohlzylindrischen Kraftstoff­ förderorgan (4) angeordnet sind.
3. Einspritzdüsenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hohlzylindrischen Metallelemente (10 a, 10 b) mehrere radial verlaufende Durchgangsöffnungen (13 a, 13 b) aufweisen.
4. Einspritzdüsenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im durchmessergrößeren hohlzylindrischen Metall­ element (10 b) gebildeten Durchgangsöffnungen (13 b) in bezug auf die axialen Lagen der im durchmesserkleineren hohl­ zylindrischen Metallelement (10 a) gebildeten Durchgangs­ öffnungen (13 a) in Axialrichtung versetzt sind, so daß der aus dem Kraftstoffbehälter durch das Eintrittsende des hohlzylindrischen Kraftstofförderorgans (4) geförderte Kraftstoffstrom derart geleitet wird, daß der Kraftstoff zuerst im Inneren des durchmesserkleineren hohlzylindri­ schen Metallelements (10 a), dann durch die Durchgangsöff­ nungen (13 a) dieses durchmesserkleineren hohlzylindrischen Metallelements (10 a), durch einen zwischen den beiden Metallelementen (10 a, 10 b) gebildeten Zwischenraum sowie durch die Durchgangsöffnungen (13 b) im durchmessergrößeren hohlzylindrischen Metallelement (10 b) strömt und danach aus den Ventilen (5 a) der an der Seitenwand des hohlzylindri­ schen Kraftstofförderorgans (4) ausgebildeten Düsen (5) in den Ansaugkrümmer eingespritzt wird.
5. Einspritzdüsenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der im durchmessergrößeren hohl­ zylindrischen Metallelement (10 b) gebildeten Durchgangs­ öffnungen (13 b) axial und umfangsmäßig deckungsgleich mit den Axial- und Umfangspositionen der an der Seitenwand des hohlzylindrischen Kraftstofförderorgans (4) ausgebildeten Düsen (5) angeordnet sind.
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