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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil
für einen
Verbrennungsmotor.
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Bekanntlich
umfassen Kraftstoffeinspritzventile eine äußere Hülle, deren Endabschnitt dazu
bestimmt ist, in einer festen Position im Zylinderkopf untergebracht
zu werden und der mit einer Düse
versehen ist. Das Öffnen
und Schließen
der Düse
wird durch einen Stift durchgeführt,
der sich entlang einer Achse unter der Steuerung eines Betätigers,
z.B. einer elektromagnetischen Art, bewegt.
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Die
Hülle enthält auch
ein Servoventil, das zwischen dem Betätiger und dem beweglichen Stift angeordnet
ist und eine Steuerungskammer umfasst, welche einen mit der Kraftstoffzufuhr
in Verbindung stehenden, kalibrierten Einlasskanal und einen kalibrierten
Auslasskanal besitzt, deren Öffnen
und Schließen
durch ein Öffnungs-/Schließelement durchgeführt wird,
welches vom Betätiger
betrieben wird.
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Im
Stand der Technik sind Einspritzventile bekannt, in denen das Servoventil
und der Betätiger im
Endabschnitt des Einspritzventils in der Nähe der Düse angeordnet sind. Das Servoventil
besitzt ein im Wesentlichen zylindrisches Öffnungs-/Schließelement,
das in einen axialen Sitz gleitet, in Bezug auf die Hülle fixiert,
während
der Auslasskanal der Steuerungskammer in eine ringförmige Nut
oder Kammer mündet,
die radial zwischen den Seitenflächen
des Öffnungs-/Schließelements
und des axialen Sitzes gebildet ist.
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In
den obigen bekannten Lösungen,
die im Allgemeinen als „Einspritzventile
mit balancierten Servoventilen" bezeichnet
werden, sind die axialen Wirkungen des kraftstoffbedingten Drucks
auf das Öffnungs-/Schließelement
des Servoventils im Wesentlichen Null.
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Die
GB 2 350 662 offenbart ein
Ventil, welches druckbalanciert sein kann, bevorzugt verwendet wird,
um die Verbindung zwischen einer Steuerungskammer und einem Ablass
in einem Kraftstoffeinspritzventil zu steuern, und elektromagnetisch
betätigt
wird. Solch ein Ventil ist in einem Zwischenabschnitt des Einspritzventils
untergebracht, der immer noch in der Nähe der Düse liegt und einen relativ
geringen Durchmesser besitzt.
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Bekannte
Einspritzventile mit den eben beschriebenen balancierten Servoventilen
sind relativ kompliziert herzustellen, da die Komponenten des Servoventils
und des Betätigers
eine äußerste Bearbeitungspräzision erfordern
und geringe Abmessungen besitzen müssen, damit sie in einem relativ
kleinen Abschnitt der Hülle
unterzubringen sind und eine ausreichende Materialdicke in der Nähe der Rohre belassen,
die den Kraftstoff unter einem relativ hohen Druck zur Düse befördern.
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Des
Weiteren ist die axiale Ausbalancierung der Wirkungen des auf das Öffnungs-/Schließelement
des Servoventils einwirkenden Drucks in der Praxis nicht optimal,
beispielsweise aufgrund der Bearbeitungstoleranzen, der Abnutzung
und der Verformungen aufgrund thermischer Belastungen, die von den
Teilen des Motors herrühren,
die mit dem Einspritzventil in Kontakt sind, und/oder aufgrund mechanischer
Belastungen. Die sich ergebende Unwucht (Asymmetrie) ist umso größer, je
kleiner die Abmessungen des Servoventils sind, da die dimensionellen
Variationen aufgrund der zuvor genannten Ursachen bei kleineren
Abmessungen anteilsmäßig wichtiger
sind.
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Die
Druckschrift
EP 1 284
358 A zeigt ein Common Rail Kraftstoffeinspritzventil mit
einem Servoventil, das in einem Abschnitt des Einspritzventils mit
großem
Durchmesser untergebracht ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil
für einen
Verbrennungsmotor bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile
auf einfache und wirtschaftlich vorteilhafte Weise überwinden
kann, wobei bekannte Einspritzventile mit ausbalancierten Servoventilen der
oben beschriebenen Art verbessert werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie in Anspruch 1 definiert, ein Kraftstoffeinspritzventil
für einen
Verbrennungsmotor bereitgestellt.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung folgt nun eine Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform,
die lediglich im Zuge eines nicht einschränkenden Beispiels bereitgestellt
wird, und zwar mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 im
Querschnitt und mit aus Klarheitsgründen entfernten Teilen eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Kraftstoffeinspritzventils für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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2 der 1 ähnlich ist
und auf vergrößerter Skala
eine Variante eines Details des Einspritzventils der 1 zeigt.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 als Ganzes ein Kraftstoffeinspritzventil
(teilweise gezeigt) für
einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor (nicht
gezeigt).
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Das
Einspritzventil 1 umfasst eine äußere Struktur oder Hülle 2,
die sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt
und zwei gegenüberliegende
Endabschnitte 4 und 5 umfasst. Der Abschnitt 4 befindet sich
im Gebrauch im Allgemeinen außerhalb
des Motors, trägt
einen axialen Verbinder 6 zur Stromversorgung (in der Lösung der 2 sichtbar),
besitzt einen seitlichen Einlass 7, der zur Verbindung
mit einem Kraftstoffzufuhrsystem (nicht gezeigt) bestimmt ist, und
bildet einen inneren Hohlraum 8. Der Abschnitt 5 besitzt
stattdessen in einer Richtung quer zur Achse 3 eine äußere Abmessung
D1, die geringer als die Abmessung D2 des Abschnitts 4 ist,
ist im Gebrauch im Allgemeinen in einer fixierten Position im Zylinderkopf
untergebracht und endet in einem Zerstäuber (Einspritzdüse). Der
Zerstäuber
umfasst: eine Düse 9,
die dazu konzipiert ist, den Kraftstoff in einen entsprechenden
Zylinder des Motors einzuspritzen, und die mit dem Einlass 7 durch
ein Rohr 10 in Verbindung steht, das im Abschnitt 5 in
einer exzentrischen Position in Bezug auf die Achse 3 gebildet
ist; und einen Stift 11, der axial beweglich ist, um die
Düse 9 unter
Steuerung eines Stabs 13 (teilweise gezeigt) zu öffnen/zu
schließen.
Der Stab 13 greift mit einem Sitz 14 (teilweise
gezeigt) ein, der im Abschnitt 5 entlang der Achse 3 gebildet
ist und in den Hohlraum 8 mündet, ist koaxial mit dem Stift 11 und
ist axial im Sitz 14 unter der Steuerung eines Servoventils 15 gleitbar, das
durch einen elektrisch gesteuerten Betätiger 16 betätigt wird.
Das Servoventil 15 ist in einer axialen Zwischenposition
zwischen dem Stab 13 und dem Betätiger 16 angeordnet.
Der Betätiger 16 und
das Servoventil 15 sind beide im Abschnitt 4 untergebracht.
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Insbesondere
ist der Betätiger 16 koaxial zum
Stab 13 und umfasst: einen Elektromagneten 17,
der durch den Verbinder 6 elektrisch mit Strom versorgt
wird; einen Anker 18, der einen eine allgemein sektionierte
Form besitzt und axial unter der Einwirkung des Elektromagneten 17 beweglich
ist; und eine vorbelastete Feder 21, die vom Elektromagneten 17 umgeben
ist und eine Schubwirkung auf den Anker 18 in einer Richtung
entgegengesetzt zur vom Elektromagneten 17 selbst ausgeübten Anziehung
ausübt.
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Das
Servoventil 15 umfasst stattdessen eine Steuerungskammer 23,
die von einem Ende des Stabs 13 und von einem Körper 24 gebildet
wird, der wie ein umgedrehter Becher 12 geformt ist und
der in Bezug auf die Hülle 2 fixiert
ist, besitzt einen Kanal 25 zum Kraftstoffauslass, dessen
Form und Anordnung nicht detailliert beschrieben wird, und steht
mit dem Einlass 7 durch einen Durchtritt 26 in
Verbindung, der teilweise durch den Körper 24 und teilweise
durch die Hülle 2 gebildet
ist.
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Das
Servoventil 15 umfasst weiter einen Sitz 27, der
entlang der Achse 3 durch einen Körper 28 gebildet ist,
welcher im Hohlraum 8 in einer festen Position in Bezug
zur Hülle 2 untergebracht
ist und mit einer Scheibe 29 gekoppelt ist, sodass er axial darauf
aufliegt und sich in einer festen Bezugswinkelposition befindet,
wobei die Scheibe 29 zwischen den Körpern 24, 28 angeordnet
ist.
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Der
Sitz 27 kommt mit einem Öffnungs-/Schließelement 32 in
Eingriff, das durch einen im Wesentlichen zylindrischen axialen
Stift gebildet wird, fest mit dem Anker 18 verbunden ist
und axial im Sitz 27 auf im Wesentlichen fluiddiche Weise unter
der Einwirkung des Elektromagneten 17 gleitbar ist, um
den Auslass des Kanals 25 zu öffnen/zu schließen.
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Insbesondere
ist der Kanal 25 in den Körpern 24, 28 und
in der Scheibe 29 gebildet und mündet in eine ringförmige Kammer 34,
die radial zwischen der inneren Seitenfläche des Sitzes 27 und
der äußeren Seitenfläche des Öffnungs-/Schließelements 32 gebildet
ist, um die Resultierende der axialen Druckwirkungen auf das Öffnungs-/Schließelement 32 selbst auf
im Wesentlichen Null zu bringen. Insbesondere ist die Kammer 34 in
die äußere Seitenfläche des Öffnungs-/Schließelements 32 versenkt.
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Der
Auslass des Kanals 25, der von der Kammer 34 gebildet
wird, wird im Gebrauch durch Verlagerung des Öffnungs-/Schließelements 32 in eine
erhöhte Öffnungsposition
geöffnet,
die auf die Erregung des Elektromagneten 17 folgt.
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Im
genannten Betriebszustand werden der Kanal 25 und somit
die Kammer 23 mit einem Ablassrohr in Verbindung gebracht,
sodass der Druck in der Kammer 23 abnimmt, wodurch ein
Anheben des Stabs 13 und somit ein Öffnen der Düse 9 bewirkt werden.
Sobald die Erregung des Elektromagneten 17 endet, bewirkt
die elastische Wirkung der Feder 21 ein Absenken des Öffnungs-/Schließelements 32 in
die Schließposition,
mit entsprechendem Anstieg des Drucks in der Kammer 23 und
somit dem Schließen
der Düse 9.
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Wenn
das Einspritzventil 1 eingebaut wird, d.h. in den gezeigten
Bedingungen, endet der Sitz 27 axial in einem blinden Abschnitt 38,
der von der Scheibe 29 und vom Öffnungs-/Schließelement 32 gebildet
wird und mit dem zuvor genannten Ablassrohr über ein Durchloch 39 in
Verbindung steht, welches durch das Öffnungs-/Schließelement 32 entlang der
Achse 3 gebildet ist und von der Kammer 34 verschieden
ist.
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Gemäß einer
(nicht gezeigten) Variante wird der blinde Abschnitt 38 auf
einer Seite axial vom Öffnungs-/Schließelement 32 und
auf der anderen Seite von einer aufgebrachten Platte gebildet. Die
Platte verschließt
eine in der Scheibe 29 gebildete axial durchgehende Öffnung.
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2 zeigt
eine Variante des Einspritzventils 1, dessen Bestandteile
soweit wie möglich
mit denselben Bezugsziffern wie den in 1 verwendeten bezeichnet
sind.
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Gemäß der Variante
ist das Öffnungs-/Schließelement 32 Teil
eines vom Anker 18 verschiedenen Stifts 40. Der
Anker 18 besitzt ein axiales zylindrisches Loch 42,
während
der Stift 40 einen Zwischenabschnitt 43, der mit
dem Loch 42 eingreift, und einen Endabschnitt 44 gegenüber dem Öffnungs-/Schließelement 32 umfasst.
Der Abschnitt 44 ist im Elektromagneten 17 auf
axial gleitbare Weise untergebracht, besitzt eine Endfläche 45,
die axial auf der Feder 21 aufliegt, und ist mit dem Abschnitt 43 über eine
Schulter 46 verbunden, die auf einer Schulter 47 des
Ankers 18 aufliegt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird die Kopplung zwischen den Schultern 46, 47 von
einer Kopplung zwischen einer sphärischen Oberfläche und
einer kegelförmigen
Oberfläche
definiert, um so ein Gelenk zu erhalten. Während der Erregung des Elektromagneten 17 schiebt
die Schulter 47 den Abschnitt 44 axial, um das Öffnungs-/Schließelement 32 anzuheben und
dadurch eine Öffnen
der Düse 9 zu
bewirken. Sobald die Erregung des Elektromagneten 17 aufhört, verursacht
die elastische Wirkung der Feder 21 ein Absenken des Stifts 40,
bis die Kammer 34 verschlossen ist, um so das Schließen der
Düse 9 zu
bewirken, während
die Schulter 46 den Anker 18 axial in einer Richtung
entgegengesetzt zum Elektromagneten 17 schiebt.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung ist offensichtlich, dass dem Servoventil 15 der
balancierten Art ein relativ großer Raum in einer Richtung
quer zur Achse 3 im Abschnitt 4 zur Verfügung steht,
im Vergleich zu jenem, der im Abschnitt 5 verfügbar ist, da
der Abschnitt 4, wie beschrieben, einen größeren Durchmesser
als der Abschnitt 5 besitzt.
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Es
ist darüber
hinaus offensichtlich, dass aufgrund der seitlichen Ausbildung des
Einlasses 7 in einer axialen Zwischenposition zwischen
dem Sitz 27 und der Düse 29 der
Durchtritt des Kraftstoffs mit relativ hohem Druck in der Nähe des Servoventils 15 verhindert
werden kann, was dazu beiträgt,
den für das
Servoventil 15 verfügbaren
Raum zu vergrößern und
gleichzeitig das hydraulische Layout im Elektroeinspritzventil 1 zu
verbessern, und zwar sowohl unter dem Gesichtspunkt der Vereinfachung
der Ausbildung der internen Löcher
als auch unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der Permeabilität der Löcher und
ihrer Kreuzungspunkte. Das Rohr 10 erstreckt sich nämlich entlang
des Sitzes 14 und nicht entlang des Hohlraums 8,
in dem das Servoventil 15 teilweise untergebracht ist.
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Das
es dementsprechend unter Vorgabe derselben notwendigen Präzision möglich ist,
dass das Servoventil 15 größere Abmessungen besitzt (insbesondere
können
die Durchmesser der Kopplung und der Dichtung größer sein), werden die Herstellung
und Bearbeitung seiner Komponenten im Vergleich zu bekannten Lösungen vereinfacht,
in denen das Servoventil der beschriebenen balancierten Art im in
den Motor eingesetzten Endabschnitt in der Nähe der Düse untergebracht ist. Insbesondere
können
die Abmessungen der Durchmesser der Kopplungsflächen und der Durchmesser der
Dichtungen ähnlich
jenen der Zerstäuber
sein, wodurch zu deren Herstellung dieselben Prozesstechnologien
verwendet werden können
wie für
die Zerstäuber,
welche mittlerweile konsolidiert und gut erprobt sind. Es ist dann
möglich,
einen Elektromagneten 17 relativ großer Abmessungen in der radialen
Richtung zu verwenden, mit der sich ergebenden Möglichkeit, ungefähr fünfmal größere Betätigungskräfte zu erhalten als
bei bekannten Lösungen,
in denen der Betätiger in
dem Endabschnitt des Einspritzventils, der in den Motor eingesetzt
wird, untergebracht ist.
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Dank
der größeren Betätigungskräfte, die vom
Betätiger 16 ausgeübt werden,
kann das Öffnungs-/Schließelement 32 (das
nur theoretisch perfekt ausgewuchtet ist) im Gebrauch sogar die
entlang der Achse 3 vorhandene Umwucht (Asymmetrie) der Wirkungen
tolerieren und kompensieren, die beispielsweise aufgrund von Bearbeitungstoleranzen, Abnutzung
und durch thermische und/oder mechanische Belastungen entstandenen
Verformungen bedingt sind.
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Dank
des in der radialen Richtung verfügbaren Raums kann der Durchmesser
der Dichtung der Rohre des Servoventils 15 größer sein,
sodass es unter Vorgabe desselben, für den korrekten Betrieb des
Einspritzventils 1 notwenigen Ausflusses möglich ist,
für das Öffnungs-/Schließelement 32 Auslenkungen
(Hub) in Betracht zu ziehen, die gleich ungefähr der Hälfte jener der bekannten Lösungen der
balancierten Art sind, mit entsprechenden weiteren Vorteilen beim
dynamischen Verhalten des Einspritzventils 1. Insbesondere
ist es auf diese Weise möglich, die
Reproduzierbarkeit beliebig naher multipler Einspritzvorgänge zu verbessern
und den Zeitabstand zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen zu
verringern, da sich die dynamischen Phänomene, die allgemein einer
elastischen und elektromagnetischen Natur sind und von den Öffnungs-/und
Schließmechanismen
des Servoventils 15 erzeugt werden, sich in Zeiten erschöpfen, die
kürzer
als jene der bekannten Lösungen
sind und ungefähr
30 Mikrosekunden entsprechen. Die Auswirkungen der Verringerung des
Hubs des Öffnungs-/Schließelements 32 sind
sogar noch wichtiger aufgrund der Tatsache, dass die Korrelation
zwischen dem Hub des Öffnungs-/Schließelements
und den Schaltzeiten zum Öffnen/Schließen des
Servoventils 15 (und umgekehrt) nicht linear ist, da die
prozentuelle Verringerung in den Schaltzeiten ungefähr viermal
größer als
die prozentuelle Verringerung des Hubs des Öffnungs-/Schließelements ist.
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Des
Weiteren vereinfachen die relativ geringen Werte des Hubs des Öffnungs-/Schließelements 32 das
Erreichen des Totpunkts des Öffnungs-/Schließelements 32 selbst
beträchtlich,
da man es erreichen kann, indem man den Anker 18 axial
gegen die Vorderwand des Elektromagneten 17 stoßen lässt (mit
oder ohne Zwischenstellen eines Zwischenstücks), und zwar aufgrund des
verringerten Impulses, der absorbiert werden muss. Wenn des Weiteren
die Oberflächen,
die während
des Stoßes miteinander
in Kontakt kommen, eine Fläche
von mehr als 0,5 Quadratzentimeter besitzen, wird ein Dämpfungseffekt
des Ankers 18 erhalten, was weiter das dynamische Verhalten
des Einspritzventils 1 verbessert.
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Die
verringerten Auslenkungen (Hub) des Öffnungs-/Schließelements 32 verringern
auch die Auswirkungen der Abnutzung der in Kontakt kommenden Komponenten,
mit einer entsprechend kleineren Variation der Hubzeit des Öffnungs- /Schließelements 32.
Wenn insbesondere der Hub in Bezug auf die bekannte Lösungen der
oben beschriebenen balancierten Art halbiert wird, ist nach ungefähr zwei Stunden
normalen Betriebs des Einspritzventils 1 die Variation
des Hubs selbst aufgrund von Abnutzung ungefähr achtmal geringer.
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Die
den Gegenstand des vorliegenden Patents bildende Bauweise ermöglicht des
Weiteren die Verwendung der ausgiebig getesteten „Zwei-Stift-Bauweise" für das Elektroeinspritzventil 1, d.h.
sie macht es möglich,
die beiden Komponenten, nämlich
den Stab 13 und den Stift 11, physikalisch und
funktionell verschieden zu halten. Der Stab 13 und der
Stift 11 können
zueinander unterschiedliche Durchmesser besitzen und zwar so, dass
ein geeigneter Unterschied in der Fläche bestimmt wird, welcher
eine Kraft erzeugen wird, die in der Lage ist, den Öffnungs-
und Schließmechanismus
der Düse 9 zu verbessern.
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Zusätzlich ist
das Loch 39 relativ leicht herzustellen und benötigt keine
weiteren Bearbeitungsschritte, weder auf der Hülle 2 noch am Servoventil 15,
um den Abschnitt 38 des Sitzes 27 im Auslass anzuordnen.
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Schließlich ist
klar, dass Abwandlungen oder Änderungen
am oben beschriebenen und hier gezeigten Einspritzventil 1 vorgenommen
werden können,
ohne dadurch vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
der in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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Insbesondere
könnte
ein elektrisch gesteuerter Betätiger
vorgesehen werden, der von dem hier im Zuge eines Beispiels beschriebenen
verschieden ist.