DE4427465A1 - Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit innerer VerbrennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbren
nung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Brennkraftmaschinen sind heutzutage meistens als Kolben
motoren bekannt, wobei bei einem Viertaktmotor beispielsweise ein
Frischgasgemisch wie z. B. ein Kraftstoff/Luftgemisch in einem ersten
Takt über ein Einlaßventil in den Hubraum des Zylinders angesaugt
wird, im zweiten Takt dort verdichtet wird. In der oberen
Endstellung des Kolbens wird das verdichtete Kraftstoff/Luftgemisch
mittels Zündmittel gezündet, wodurch der dritte Takt erzeugt wird
und beim vierten Takt wird über das dann geöffnete Auslaßventil das
Abgas entfernt. Obwohl es bei derartigen Motoren vielfach üblich
ist, den Kraftstoff über Einspritzeinlagen als Kraftstoffnebel
einzuspritzen, kommt es immer wieder zu Ablagerungen von Kraftstoff
an der Wandung der Einlaßkanäle, den Rückseiten der Einlaßventile
sowie den Kolbenwandungen, die als Ablagerungen zurückbleiben und
als teil- oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit dem Abgas
ausgeschieden werden.
Zur Lösung des Problems wurde in dem Artikel "Periphere Zündung
senkt Schadstoffausstoß" in: Verkehr/Bau, Nr. 5 vom 04.02.1994
beschrieben, gefährliche Ablagerungen im Bereich des Ringspaltes
zwischen Kolben und Zylinder dadurch zu verringern, daß eine Mehr
fachzündung des zündfähigen Frischgasgemisches in der Brennkammer
peripher erfolgt. Dadurch entsteht die höchste Temperatur an der
Peripherie, so daß auch im Bereich des Ringspaltes vorhandene
Kohlenwasserstoffe besser verbrannt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Er
findung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs
genannten Gattung derart weiterzubilden, daß Ablagerungen von
Kohlenwasserstoffen weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.
Durch diese Brennraumgeometrie wird der Verbrennungsraum in einem
kritischen Bereich im Bereich des Ringspaltes so erweitert, daß dort
Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen nahezu unmöglich sind.
Die Ausrundung der Motorteile nach den Ansprüchen 3 und 4 bewirkt in
Verbindung mit der peripheren Anordnung der Zündmittel nach Anspruch
5 eine vollständige Verbrennung und eine symmetrische Flammfront,
was weiterhin zur vollständigen Verbrennung des Frischgasgemisches im
Verbrennungsraum beiträgt. Wird das Frischgasgemisch gemäß Anspruch
6 in den Verbrennungsraum eingeleitet und gemäß Anspruch 7 vorbe
reitet, wird die vollständige Verbrennung weiter dadurch gefördert,
daß der in der Gemischaufbereitungskammer erzeugte Zyklon auch im
Verbrennungsraum dafür sorgt, daß es nicht zu Ablagerungen von
Kohlenwasserstoffen an der Wandung kommen kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert, es zeigen:
Fig. 1 Einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine in Ansaug
beginn- bzw. Kompressionsendstellung,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine gemäß
Fig. 1 in Ansaugend- bzw. Kompressionsbeginnstellung,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das aus mehreren Leitringen
zusammengefügten Wirbelerzeugungsmittel,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen einzelnen Leitring,
Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch einen Leitring
gemäß Linie 5-5 von Fig. 4.
Fig. 1 zeigt ein Ansaugmittel, im Ausführungsbeispiel einen Kolben
18 am oberen Totpunkt in einem als Zylinderblock 13 ausgebildeten
Maschinenblock einer Brennkraftmaschine. Ein Verbrennungsraum 11
wird im wesentlichen durch den Zylinderblock 13 und einen Zylinder
kopf 12 begrenzt. In dem Verbrennungsraum 11 erfolgt eine innere
Verbrennung mit Verdrängungswirkung, die den Kolben in eine Stellung
gemäß Fig. 2 überführt. Dem Verbrennungsraum zugeordnet ist
wenigstens ein Einlaßventil 7, das die Zufuhr von zündfähigen
Frischgasgemischen wie z. B. Kraftstoff/Luftgemischen in einen Ver
brennungsraum periodisch ermöglicht. Das Einlaßventil wird dabei
ebenso wie die lediglich angedeuteten Auslaßventile 9 über einen
bekannten Antrieb in Abhängigkeit der Kolbenstellung gesteuert.
Grundsätzlich erlaubt das Einlaßventil 7 in seiner gestrichelten
Darstellung die Zufuhr des Frischgasgemisches in den Verbrennungs
raum 11 bei Abwärtsbewegung des als Ansaugmittel ausgebildeten
Kolbens 18.
Gemeinsam mit einem Ventilsitz 8 verschließt das Einlaßventil 7 den
Verbrennungsraum 11 während des Zündens gegenüber einer Gemisch
aufbereitungskammer 6. Während der Zufuhr des Frischgasgemisches
verbindet es jedoch den Verbrennungsraum 11 mit der Gemischaufbe
reitungskammer. In einem Ansaugtrichteroberteil 2 ist eine Ventil
führung 2a für das Einlaßventil 7 zur axialen Bewegung des Einlaß
ventils entlang seiner Längsachse a-a vorgesehen. Ebenfalls in
diesem Ansaugtrichteroberteil 2 sind Zuführmittel 2b z. B. in Form
von Kanälen zur Zufuhr von zur Verbrennung erforderlichen Gasen wie
Luft, Sauerstoff oder dergleichen in die Gemischaufbereitungskammer 6
vorgesehen. In die Gemischaufbereitungskammer selbst fördern
Fördermittel den Kraftstoff.
Die in die Luftkammer 4 im Ansaugtrichterunterteil 3 eintretenden
zur Verbrennung erforderlichen Gase wie Luft, Sauerstoff oder
dergleichen werden bei ihrem Eintritt in die
Gemischaufbereitungskammer während der Zufuhr des Frischgasgemisches
in die Gasaufbereitungskammer über Wirbelerzeugungsmittel gezwungen.
Diese Wirbelerzeugungsmittel (Leitringe 5) sind koaxial zur
Längsachse a-a des Einlaßventils 7 angeordnet. Die Fördermittel
selbst, im Ausführungsbeispiel Einspritzdüsen 1, fördernden
Kraftstoff unmittelbar in den Wirbel ein, wobei dies vorzugsweise im
Taktverfahren erfolgt, so daß ein Luftzyklon bereits vorhanden ist,
wenn Kraftstoff erstmals in die Gemischaufbereitungskammer 6
eingespritzt wird.
Grundsätzlich können die Einlaßventile in einer beliebigen Stellung
zum Verbrennungsraum angeordnet werden, bevorzugterweise ist das
Einlaßventil 7 mit seiner Ventilführung 2a koaxial zur Mittelachse
m-m des Kolbens 18 angeordnet. Dadurch wird der sich rotationssym
metrisch zur Längsachse des Einlaßventils 7 entstehende Zyklon auch
in den ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Zylinderraum
eingezogen.
Wesentlich für die Erfindung ist die Erzeugung eines Zyklons oder
Wirbels, was z. B. dadurch unterstützt werden kann, daß die
Luftkammer 4 trichterförmig im Ansaugtrichterunterteil 3 ausgebildet
sind. Ebenfalls werden die Wirbelerzeugungsmittel trichterförmig
angeordnet, wobei die Mittelachsen der Trichter koaxial zur Längs
achse a-a des Einlaßventils 7 angeordnet sind. Bevorzugterweise ist
der Winkel des Ansaugtrichterunterteils zur Längsachse a-a des
Einlaßventils 7 größer als der Winkel der Wirbelerzeugungsmittel zur
Längsachse a-a. Ebenso spritzen die Einspritzdüsen 1 den flüssigen
Kraftstoff vorzugsweise in einem Winkel α ein, der größer oder
gleich der winkelhalbierenden des Winkels zwischen dem Trichter der
Wirbelerzeugungsmittel und der Längsachse a-a des Einlaßventils 7
ist.
Um möglichst keine Behinderungen der Strömung des Zyklons hervor
zurufen, wird auch der Ventilschaft 7a im Bereich des Ventilsitzes 8
stromlinienförmig ausgebildet. Diese stromlinienförmige Ausbildung
zieht sich weiter bis in den Verbrennungsraum 11. Zunächst ist der
Ventilsitz 8 mit einer Zentrifugalbegrenzung versehen, die den
Zyklon in der Mitte des Verbrennungsraumes 11 hält. Sowohl Kolben
oberseite 18a als auch der Verbrennungsraum selbst, soweit er durch
den Zylinderkopf 12 und den Ventilsitz 8 begrenzt ist, sind im
Schnitt wellenförmig ausgebildet und ausgerundet. Auch der Feuersteg
14 des Kolbens 8 taucht mit seiner ausgerundeten Form in der oberen
Endstellung des Kolbens 18 in den Verbrennungsraum 11 ein. Durch
diese Ausrundungen kann der rotationssymmetrische Zyklon bis zum
Verdichtungstakt weiterwirken, so daß schon dadurch Ablagerungen an
den Zylinderwandungen verringert werden. Dies kann noch dadurch
gesteigert werden, daß der Verbrennungsraum 11 radial über den
Kolbendurchmesser hinausgeht und den Ringspalt 15 zwischen Kolben 18
und Zylinderblock 13 aufweitet. Dadurch wird der Abstand zwischen
Verbrennungsraum 11 und Kompressionsring 16 verringert, was einer
seits hilft, Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen in diesem Bereich
zu verringern, andererseits jedoch eventuell den Einsatz hochtempe
raturbeständiger Kompressionsringe 16 erfordert. Hierzu trägt auch
die bekannte periphere Anordnung der Zündmittel 10 im Verbrennungs
raum 11 bei. Die Ausmuldungen 11a erhöhen insofern das verbrennbare
Volumen bis in den Bereich der Kompressionsringe.
Die Entstehung des Zyklons wird im oberen Eintrittsbereich in die
Wirbelerzeugungsmittel bereits dadurch gefördert, daß die Ventil
führung 2a sich bis in den Gemischaufbereitungsraum 6 erstreckt.
Gemäß den Fig. 3 bis 5 sind als Wirbelerzeugungsmittel vorzugs
weise Leitringe 5 vorgesehen. Die Leitringe besitzen spiralförmige
Wandungen 5a, deren Abstand sich zueinander radial nach innen
verringert. Gleichzeitig werden die zwischen diesen Wandungen 5a
liegenden Ansaugschächte auch in ihrer Höhe verringert, so daß sich
der Gesamtquerschnitt der Ansaugschächte radial nach innen bis zu
düsenförmigen Öffnungen verringert. Dies trägt zur Beschleunigung
der eintretenden Luft bei. Bei der Ausführung der Wirbelerzeugungs
mittel mit Leitringen sind diese düsenförmigen Öffnungen 5c gegen
einander versetzt, um zuverlässig den Zyklon zu erzeugen.
Die weitere Ausgestaltung der Leitringe ergibt sich aus Fig. 4 und
5. In Fig. 4 gestrichelt erkennbar ist der unter dem Leitring 5
angeordnete Leitring 5′. Deutlich springt dieser Leitring 5′ nach
außen zurück, ergänzend besitzen die Leitringe 5 an ihrer Innenseite
5b Abrißkanten 5e für die Strömung, so daß im Zusammenspiel zwischen
diesen beiden Merkmalen durch die Strömung ein Luftpolster an der
Innenseite 6b der Leitringe erzeugt wird, so daß es in diesem
Bereich nicht mehr zu Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen kommen
kann.
Die einzelnen Elemente werden dabei folgendermaßen dimensioniert.
Das Ansaugtrichteroberteil 2 mit Ventilführung 2b ist so
ausgebildet, daß neben der vorgesehenen Lage von wenigstens zwei
Einspritzdüsen 1 dem Einlaßventil 7 ausreichend Führungslänge und
dem Gemischaufbereitungsraum 6 strömungstechnisch ein Maximum
erhalten bleibt. Das Ansaugtrichterunterteil 3 ist zum Zweck
optimaler Luftversorgung in radialer und horizontaler Richtung dem
Luftbedarf der Leitringe 5 angepaßt. Die Verjüngung zum unteren
Bereich hin ist eine Frage des zur Verfügung stehenden Platzes.
Kegelwinkel und Rauminhalt sind entscheidende Funktionsträger der
ausgleichenden Luftverteilung. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich
ein Drallwinkel von 5°.
Die Leitringe 5 beschleunigen die angesaugte Luft im unteren Bereich
bis auf Drehzahlen von 80 000 Umdrehungen pro Minute, wobei die in
der Gemischaufbereitungskammer 6 frei werdende, spiralförmige
Luftentspannung zu einem Abkühleffekt führt, während die mit hoher
Strömungsgeschwindigkeit angesaugte Luft ein auf den Innenflächen
kraftstoffabweisendes Luftpolster bildet. Dieser Abriß führt zu
einem zusätzlichen Strömungsimpuls mit Aufbereitungseffekt. Die von
oben nach unten von ungefähr 45 000 auf 80 000 Umdrehungen pro
Minute zunehmende Umdrehungszahl führt vor der Einlaßebene mit
Querschnittsverengung zu einem weiteren positiven Zerstäubungs
effekt, so daß Profil, Stellung und Teilung der Leitringe den
jeweiligen Gegebenheiten optimal angepaßt werden kann.
Eine Verringerung bzw. Verkürzung des nachteiligen Ringspaltes wird
mit geeigneter Einbettung des Brennraums in den Zylinderblock 13 und
dem formveränderten Feuersteg 14 des Kolbens 18 erreicht. Der Sitz
des obersten Kompressionsrings 16 ist in seiner axialen Lage so zu
setzen, daß er die Brennraumtemperaturen unbeschadet übersteht.
Seine Entfernung gegenüber dem Brennraum ist auf ein Minimum zu
reduzieren. Die Lage des Kompressionsrings ist entscheidend für die
Reduzierung der in diesem Bereich anfallenden unverbrannten Kohlen
wasserstoffe. Eine kreuz- oder sternförmige Kolbenverstärkung 17 hat
Kräfte- und Wärmeverteilungscharakter.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Zunächst wird Luft über nicht dargestellte Luftfilter und Luftmengenzuteilung zugeführt. Am Ansaugtrichteroberteil 3 erfolgt eine radial angeordnete Zuleitung der Luft. Die Luft gelangt dann in die Luftkammern 4, die so dimensioniert sind, daß eine partielle Luftunterversorgung vermieden wird. Ein im Durchfluß befindliches Luftpolster deckt den angepaßten Bedarf der Leitringe. Die Leitringe 5 dienen als Element zur Umsetzung gegebener Luftströme in sogenannte Zyklone oder Spiralwirbel. Die innere Leitstruktur übernimmt die Funktion, geforderte Strömungsformen zu entwickeln, deren Wirkung eine verbesserte Gemischaufbereitung zur Folge hat. Die Gemischbildung erfolgt unter funktionalem Zusammenwirken der Strömungsverhältnisse und abgetakteter Kraftstoffzugabe der Einspritzdüsen 1 in der Gemischaufbereitungskammer 6. Hohe Wirbelgeschwindigkeiten von über 100 m/s bei 3500 Umdrehungen tragen zu maximalem Verteilungsgleichmaß bei. Die zentrale Lage, Form und Dimension des Einlaßventils 7 bestimmt den strömungsoptimalen Ablauf. Ziel ist, daß die Gemischströmung dem Zylinder zentral und symmetrisch zugeführt wird. Bei der Verdichtung auf das Volumen des Verbrennungsraums 11 ergibt sich eine homogene Ladungsschichtung als Voraussetzung einer gleichmäßigen Verbrennung. Dies wird gesteigert durch wenigstens zwei sich gegenüberliegende Zündmittel 11 (Zündkerzen, Glühkerzen oder dergleichen), wodurch sich eine verbesserte Flammfrontsymmetrie ergibt. Der Ausstoß erfolgt letztlich über mindestens zwei Auslaßventile.
Zunächst wird Luft über nicht dargestellte Luftfilter und Luftmengenzuteilung zugeführt. Am Ansaugtrichteroberteil 3 erfolgt eine radial angeordnete Zuleitung der Luft. Die Luft gelangt dann in die Luftkammern 4, die so dimensioniert sind, daß eine partielle Luftunterversorgung vermieden wird. Ein im Durchfluß befindliches Luftpolster deckt den angepaßten Bedarf der Leitringe. Die Leitringe 5 dienen als Element zur Umsetzung gegebener Luftströme in sogenannte Zyklone oder Spiralwirbel. Die innere Leitstruktur übernimmt die Funktion, geforderte Strömungsformen zu entwickeln, deren Wirkung eine verbesserte Gemischaufbereitung zur Folge hat. Die Gemischbildung erfolgt unter funktionalem Zusammenwirken der Strömungsverhältnisse und abgetakteter Kraftstoffzugabe der Einspritzdüsen 1 in der Gemischaufbereitungskammer 6. Hohe Wirbelgeschwindigkeiten von über 100 m/s bei 3500 Umdrehungen tragen zu maximalem Verteilungsgleichmaß bei. Die zentrale Lage, Form und Dimension des Einlaßventils 7 bestimmt den strömungsoptimalen Ablauf. Ziel ist, daß die Gemischströmung dem Zylinder zentral und symmetrisch zugeführt wird. Bei der Verdichtung auf das Volumen des Verbrennungsraums 11 ergibt sich eine homogene Ladungsschichtung als Voraussetzung einer gleichmäßigen Verbrennung. Dies wird gesteigert durch wenigstens zwei sich gegenüberliegende Zündmittel 11 (Zündkerzen, Glühkerzen oder dergleichen), wodurch sich eine verbesserte Flammfrontsymmetrie ergibt. Der Ausstoß erfolgt letztlich über mindestens zwei Auslaßventile.
Bezugszeichenliste
1 Einspritzdüse
9 Ansaugtrichteroberteil
2a Ventilführung
2b Zuführmittel
3 Ansaugtrichterunterteil
4 Luftkammer
5, 5′ Leitring
5a Wandung
5b Ansaugschacht
5c düsenförmige Öffnung
5d Passung
5e Abrißkante
6 Gemischaufbereitungskammer
7 Einlaßventil
7a Ventilschaft
8 Ventilsitz
8a Zentrifugalbegrenzung
8b Passung
9 Auslaßventil
10 Zündmittel
11 Verbrennungsraum
12 Zylinderkopf
13 Zylinderblock
14 Feuersteg
15 Ringspalt
16 Kompressionsring
17 Kolbenverstärkung
18 Kolben
18a Kolbenoberseite
a-a Längsachse
m-m Mittelachse von 18
9 Ansaugtrichteroberteil
2a Ventilführung
2b Zuführmittel
3 Ansaugtrichterunterteil
4 Luftkammer
5, 5′ Leitring
5a Wandung
5b Ansaugschacht
5c düsenförmige Öffnung
5d Passung
5e Abrißkante
6 Gemischaufbereitungskammer
7 Einlaßventil
7a Ventilschaft
8 Ventilsitz
8a Zentrifugalbegrenzung
8b Passung
9 Auslaßventil
10 Zündmittel
11 Verbrennungsraum
12 Zylinderkopf
13 Zylinderblock
14 Feuersteg
15 Ringspalt
16 Kompressionsring
17 Kolbenverstärkung
18 Kolben
18a Kolbenoberseite
a-a Längsachse
m-m Mittelachse von 18
Claims (7)
1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit
- - einem Maschinenblock,
- - wenigstens einem im Maschinenblock geführten Kolben (18), der ein zündfähiges Frischgasgemisch wie z. B. ein Kraftstoff/Luftgemisch ansaugt und in einem Verbrennungsraum (11) verdichtet,
- - Zündmitteln (10) zur Zündung des verdichteten Frischgasge misches,
- - einem Ringspalt (15) zwischen Kolben (18) und Maschinenblock, dadurch gekennzeichnet, daß radiale Ausmuldungen (11a) des Verbrennungsraumes (11) radial über den Kolbendurchmesser hinausgehen und den Ringspalt (15) zwischen Kolben (18) und Maschinenblock aufweiten.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausmuldungen (11a) ausgerundet sind und den Abstand zwischen
Kompressionsring (16) und Verbrennungsraum (11) verringern.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Feuersteg (14) des Kolbens (18) mit seiner radial
nach innen ausgerundeten Form in der oberen Endstellung des
Kolbens (18) in den Verbrennungsraum des als Maschinenblock
ausgebildeten Zylinderblockes (13) ragt.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenoberseite (18a) sowie der
Verbrennungsraum im Schnitt wellenförmig ausgebildet sind.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Zündmittel (10) das Frischgasgemisch
im Verbrennungsraum (11) peripher zünden.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaßventil (7) für die Zufuhr
des Frischgasgemisches koaxial zur Mittelachse (m-m) des Kolbens
angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelerzeugungsmittel einen bis in
den Verbrennungsraum (11) wirkenden Zyklon in einer Gemischauf
bereitungskammer (6) erzeugen, der beim Ansaugen an einem
Einlaßventil (7) vorbei in den Verbrennungsraum (11) Wirkung
entfaltet.
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DE4427465A DE4427465C2 (de) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung |
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DE4427465A DE4427465C2 (de) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung |
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DE4427465C2 DE4427465C2 (de) | 1998-04-09 |
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DE4427465A Expired - Fee Related DE4427465C2 (de) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung |
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007053371A1 (de) | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Man Nutzfahrzeuge Ag | Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE544546C (de) * | 1929-08-21 | 1932-02-19 | Francis De Lautour | Brennkraftmaschine mit gemeinsamem Ein- und Auslassventil |
DE2321577A1 (de) * | 1973-04-28 | 1974-11-14 | Porsche Kg | Brennkraftmaschine |
JPH06267222A (ja) * | 1993-03-11 | 1994-09-22 | Teac Corp | 磁気ディスク装置 |
-
1994
- 1994-08-03 DE DE4427465A patent/DE4427465C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4427465C2 (de) | 1998-04-09 |
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