EP0252316A1 - Brennkraftmaschine mit Druckwellenlader und Lamda-Sonde - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Druckwellenlader und Lamda-Sonde Download PDF

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EP0252316A1
EP0252316A1 EP87108266A EP87108266A EP0252316A1 EP 0252316 A1 EP0252316 A1 EP 0252316A1 EP 87108266 A EP87108266 A EP 87108266A EP 87108266 A EP87108266 A EP 87108266A EP 0252316 A1 EP0252316 A1 EP 0252316A1
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pressure
exhaust gas
lambda probe
internal combustion
combustion engine
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Andreas Mayer
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Comprex AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers

Definitions

  • the present invention relates to the circuitry of an internal combustion engine charged with a pressure wave supercharger according to the preamble of claim 1.
  • a “lambda probe” is installed between the engine and the exhaust gas particle filter as an oxygen sensor, the measurement signal of which is fed to a control system of the internal combustion engine, which is suitably adapted to the fresh air supply and / or the amount of fuel.
  • a “lambda probe" with a ZRO2 ceramic suitable for measuring the oxygen content in the exhaust gas of internal combustion engines relative to the oxygen content of the air is, for example, from the article by Hans-Martin Wiedenmann et al., "Heated Zirconia Oxygen Sensor for Stoichiometric and Lean Air- Fuel Ratios ", SAE Paper 840141, SAE Congres, Detroit, February-March 1984.
  • the oxygen partial pressure in the exhaust gas changes with the exhaust gas pressure.
  • the pressure of the exhaust gas in the exhaust system of an internal combustion engine is by no means constant, but depends strongly on the degree of clogging of the exhaust gas particle filter and the engine speed. With supercharged internal combustion engines, the pressure fluctuations in the exhaust system are still a lot greater, since the respective engine charge and the degree of clogging of the exhaust gas particle filter are added to the influences mentioned.
  • the pressure correction which could eliminate the influence of the exhaust gas pressure on the measurement signal of the lambda probe, requires the use of a pressure sensor and an electronic computer unit.
  • this is a complex solution because the pressure sensor in the exhaust system must be extremely corrosion-resistant.
  • the other precaution namely the installation of the lambda sensor in a bypass partial flow in the exhaust system, also proves to be a complex solution, be it in the circuit-appropriate installation of the auxiliary measure or in terms of the means used.
  • the invention solves the problem of providing for the direct installation of the lambda probe at a location of the circuit where the oxygen content to be measured is immediately available in an information-correct manner.
  • the advantages of the placement of the lambda probe according to the invention can essentially be seen in the fact that a faster response time of the lambda probe is achieved in the full flow of the low-pressure exhaust gases, because there flows more volume than in a bypass partial flow.
  • a pressure correction can also be dispensed with when measuring in full flow of the low-pressure exhaust gases because there are no pressure fluctuations.
  • the circuit shown in FIG. 1 consists of a motor 1, a pressure wave charger 2, an exhaust gas particle filter 3.
  • a throttle valve 4, which is adjusted by a servomotor 5, is placed in the air intake line 111 to the pressure wave charger.
  • a start valve or an automatic charge air flap 6 is placed in the line for the fresh air supply 222 to the engine 1.
  • the exhaust gas particle filter 3 is in the high-pressure exhaust gas line 333 installed, ie between engine 1 and pressure wave charger 2.
  • a lambda probe 7 acts in the low-pressure exhaust gas line 444, the arrangement of which is provided separately from a possible purge flow, preferably in the opening area of the low-pressure gas outflow channel 26 (FIG. 2).
  • the lambda probe 7 determines the oxygen content in the exhaust gas after it has performed charging work in the pressure wave charger 2. The measurement of the oxygen content is therefore carried out under constant pressure conditions. In the case of an internal combustion engine charged with a pressure wave supercharger 2, the person skilled in the art would not measure the oxygen concentration in the low-pressure exhaust gas 444 because this is mixed with purge air and the measured ⁇ therefore does not match the actual excess air number in the high-pressure exhaust gas 333.
  • the lambda probe 7 in the full flow of the low-pressure exhaust gas 444 therefore only functions properly if the purge degree of the pressure wave charger 2 ⁇ sp ⁇ 0 or if the exhaust gas recirculation Rz> 0.
  • the oxygen content measured by the lambda probe 7 in the full flow of the low-pressure exhaust gas 444 which comes about, for example, on the basis of the diffusion of the oxygen through a solid electrolyte, creates a measurement signal 9 for the Computer unit 8:
  • the corresponding control information then acts on the throttle valve 4 and / or the start valve 6. If a circuit does not have any filtering of the exhaust gases, the lambda probe 7 is used to reduce the NO x values.
  • the influence of the temperature fluctuations of the exhaust gas on the measurement signal 9 of the lambda probe 7 can also be reduced with particular advantage.
  • FIG. 2 it is shown as a development of a cylindrical section halfway up the cells through the rotor and through the adjoining parts of the side parts of the housing.
  • FIG. 2 it is shown as a single-cycle machine, which is expressed in that the gas housing 22 and the air housing 23 are provided on their sides facing the rotor 21 with only one high-pressure and one low-pressure opening.
  • the flow directions of the working media and the direction of rotation of the pressure wave machine are indicated by arrows.
  • the hot exhaust gases of the internal combustion engine enter through the high-pressure gas inflow channel 24 into the rotor 21, which is provided with axially straight cells 25 that are open on both sides, expand therein and leave it via the low-pressure gas outflow channel 26 into the exhaust, not shown.
  • Atmospheric fresh air is drawn in on the air side, flows axially into the rotor 21 via the low-pressure air inlet duct 27, is compressed therein and leaves it as charge air via the high-pressure air outlet duct 28 via a charge air cooler (not shown) to the engine.
  • the cell band consisting of the cells 25 is the development of a cylindrical section of the rotor 21, which moves to the right when the latter rotates in the direction of the arrow.
  • the pressure wave processes take place inside the rotor 21 and essentially cause a gas-filled space and an air-filled space to form.
  • the exhaust gas relaxes and then escapes into the low-pressure gas outflow duct 26, while in the second part of the fresh air drawn in is compressed and pushed out into the high-pressure air outlet duct 28.
  • the proportion of scavenging air falsifies the measurement, depending on the position of the lambda probe, in that a value that is larger than the real ⁇ would be measured. This would be e.g. the case when the probe would be in the area of the closing edge 31 of the low-pressure gas outflow channel 26.
  • the lambda probe 7 is therefore advantageously arranged in the region of the opening edge 32 of the low-pressure gas outflow channel 26, that is to say where there is a pure exhaust gas flow under all conditions.

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Abstract

Bei einer mit einem Druckwellenlader (2) aufgeladenen Brennkraftmaschine wird zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Kreislauf eine Lambda-Sonde (7) eingesetzt. Der von der Lambda-Sonde (7) ermittelte Sauerstoffgehalt erzeugt ein Messignal (9), das zur Steuerung der Drosselklappe (4) und/oder des Startventils (6) herangezogen wird. Diese Steuerung verfolgt das Ziel, die NOX-Emissionen aus der Verbrennung zu reduzieren und allenfalls die Regenerierung eines in den Kreislauf integrierten Abgaspartikelfilter (3) zu gewährleisten. Die Lambda-Sonde (7) ist dabei in der Niederdruckabgasleitung (444) plaziert, was sich auf die Ansprechbarkeit und die Genauigkeit der gemessenen Daten der Sonde (7) positiv auswirkt. Damit umgeht man zusätzliche Hilfsmittel zur Korrektur von Druckschwankungen, wie sie an anderen Orten der Schaltung der Brennkraftmaschine vorkommen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Brennkraftmaschi­nen sieht man zunehmend den Einbau von Abgaspartikel­filtern vor. Vordringliche Aufgabe dieser Filter ist es, die für die Umwelt schädigenden Russpartikeln einzu­fangen. Neueste Vorschläge gehen dahin, die Filterungs­kanäle dieser Abgaspartikelfilter katalytisch zu be­schichten, wodurch weitere Schadstoffe aus der Verbren­nung neutralisiert werden können. Es ist offensichtlich, dass die eingefangenen Russpartikeln mit der Zeit unweiger­lich den Filter verstopfen werden: Der Strömungswiderstand des Abgasstromes steigt dannzumal extrem an, was sich auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine negativ auswirkt. Massnahmen hiergegen verfolgen das Ziel, durch dauernde oder kurzzeitige Erhöhung der Filtertemperatur die Russbelegung durch Verbrennung zu beseitigen.
  • Damit aber diese Verbrennung auch stattfinden kann, muss sichergestellt werden, dass die Abgase während der Verbrennung der Russbelegung im Filter genügend Sauerstoff heranführen.
  • Grundsätzlich geht es also immer darum, einerseits zur Erhöhung der Abgastemperatur und somit der Filtertempera­tur zwecks Regenerierung des Abgaspartikelfilters Abgas in die Verbrennungsluft des Motors rezirkulieren zu lassen, und andererseits die minimal erforderliche bzw. die optimal gewünschte Sauerstoffalimentation zu gewähr­leisten.
  • Zur Regelung des Sauerstoffgehaltes bei der Regenerierung des Abgaspartikelfilters, und infolgedessen zur Steuerung der Drosselklappe, wird zwischen Motor und Abgaspartikel­filter als Sauerstoffsensor eine "Lambda-Sonde" eingebaut, deren Messignal einem Regelsystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, das in geeigneter Weise auf die Frischluft­zufuhr und/oder die Treibstoffmenge einwirkt.
  • Eine zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas von Brennkraftmaschinen relativ zum Sauerstoffgehalt der Luft geeignete "Lambda-Sonde" mit einer ZRO₂-Keramik ist beispielsweise aus dem Artikel von Hans-Martin Wieden­mann et al., "Heated Zirconia Oxygen Sensor for Stoichiome­tric and Lean Air-Fuel Ratios", SAE-Paper 840141, SAE-­Congres, Detroit, Febr.-März 1984, bekannt geworden.
  • Grundsätzlich ist zu sagen, dass der Sauerstoff-Partial­druck im Abgas sich jedoch mit dem Abgasdruck ändert. Nun ist der Druck des Abgases im Abgassystem einer Brenn­kraftmaschine keineswegs konstant, sondern hängt stark vom Grad der Verstopfung des Abgaspartikelfilters und der Motordrehzahl ab. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschi­nen sind die Druckschwankungen im Abgassystem noch viel grösser, da sich zu den genannten Einflüssen Motordrehzahl und Verstopfungsgrad des Abgaspartikelfilters noch der jeweilige Aufladegrad addiert.
  • Bezüglich einer Schaltung einer aufgeladenen Brennkraft­maschine bedeutet dies, dass wenn die Lambda-Sonde im Hochdruck-Abgasstrom eingebaut ist, der dort herrschende Druck sich als unzulässige Störgrösse erweist, weil das Ausgangssignal der Lambda-Sonde druckabhängig ist: Insgesamt kann der Druck des Abgases im Abgassystem um ein Mehrfaches des Luftdruckes schwanken. Es versteht sich von selbst, dass unter solchen Bedingungen die Messung des prozentualen Sauerstoffgehaltes im Abgas mittels der bekannten, direkt in eine Wand des Abgas­systems eingeschraubten Lambda-Sonde keine brauchbaren Ergebnisse liefert. Will man hiergegen Abhilfe schaffen, so erfordert dies eine Druckkorrektur oder den Einbau der Lambda-Sonde in einem Bypass-Teilstrom des Abgassystems, die letztgenannte Abhilfe vorzugsweise vor dem Abgaspar­tikelfilter, wenn die Schaltung mit einem solchen versehen ist.
  • Indessen, die Druckkorrektur, welche den Einfluss des Abgasdruckes auf das Messignal der Lambda-Sonde eliminie­ren könnte, setzt die Verwendung eines Drucksensors und einer elektronischen Rechnereinheit voraus. Dies ist jedoch eine aufwendige Lösung, da der Drucksensor im Abgassystem extrem korrosionsbeständig sein muss.
  • Auch die andere Vorkehrung, nämlich der Einbau der Lambda-­Sonde in einem Bypass-Teilstrom im Abgassystem, erweist sich als aufwendige Lösung, sei es im schaltungsgerech­ten Einbau der Hilfsmassnahme als auch bezüglich der eingesetzten Mittel.
  • Die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, den direkten Einbau der Lambda-­Sonde an einem Ort der Schaltung vorzusehen, wo der zu messende Sauerstoffgehalt unmittelbar informations­echt vorliegt.
  • Die Vorteile der erfindungsgemässen Plazierung der Lambda­Sonde sind im wesentlichen darin zu sehen, dass im Voll­strom der Niederdruckabgase eine schnellere Ansprechzeit der Lamda-Sonde erreicht wird, weil dort mehr Menge als in einem Bypass-Teilstrom strömt. Auch kann bei Messungen im Vollstrom der Niederdruckabgase auf eine Druckkorrektur verzichtet werden, weil dort keine Druck­schwankungen vorhanden sind.
  • Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs­beispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittel­bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 die Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine mit eingebauter Lambda-Sonde,
    • Fig. 2 die Anordnung der Lambda-Sonde im Druckwellenlader.
  • Die in Figur 1 gezeigte Schaltung besteht aus einem Motor 1, einem Druckwellenlader 2, einem Abgaspartikel­filter 3. In der Luftansaugleitung 111 zum Druckwellen­lader ist eine Drosselklappe 4 plaziert, welche von einem Stellmotor 5 verstellt wird. In der Leitung für die Frischluftzufuhr 222 zum Motor 1 ist ein Startventil bzw. eine Ladeluftklappenautomatik 6 plaziert. Der Abgas­partikelfilter 3 ist in der Hochdruckabgasleitung 333 eingebaut, also zwischen Motor 1 und Druckwellenlader 2. In der Niederdruckabgasleitung 444 wirkt eine Lambda-­Sonde 7, deren Anordnung getrennt von einem möglichen Spülstrom, vorzugsweise im Oeffnungsbereich des Nieder­druckgas-Abströmkanals 26 (Fig. 2) vorgesehen ist. Die Lambda-Sonde 7 ermittelt den Sauerstoffgehalt im Abgas, nachdem dieses im Druckwellenlader 2 Aufladungsarbeit verrichtet hat. Die Messung des Sauerstoffgehaltes ge­schieht daher unter gleichbleibenden Druckverhältnissen. Im Falle einer mit einem Druckwellenlader 2 aufgeladenen Brennkraftmaschine würde der Fachmann die Sauerstoffkonzen­tration nicht im Niederdruckabgas 444 messen, weil dieses mit Spülluft vermischt ist und das gemessene λ deshalb nicht mit der wirklichen Luftüberschusszahl im Hochdruck­abgas 333 übereinstimmt. Die Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 funktioniert demnach nur dann richtig, wenn der Spülgrad des Druckwellenladers 2 η sp ≦ 0 bzw., wenn die Abgasrezirkulation Rz > 0 ist. Nun ist im normalen Betriebsbereich eines Druckwellen­laders 2, trotz der Spülfunktion in der Niederdruckzone, der Einbau der Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Nieder­druckabgases 444 möglich, denn im Regelbereich der Drossel­klappe 4 ist η sp immer kleiner als Null, bzw. die Rezirku­lation immer grösser als Null. Die verblüffende Möglich­keit, in einer Schaltung einer mit einem Druckwellen­lader 2 aufgeladenen Brennkraftmaschine die Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 plazieren zu können, setzt demgemäss also voraus, dass das Abgas nicht mit zusätzlicher Spülluft vermischt wird, d.h., dass die Sauerstoffkonzentration des Motorabgases nicht verfälscht wird. Dies ist wie gesagt, innerhalb des Regelbereichs der Drosselklappe 4, stets der Fall. Der von der Lambda-­Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 gemessene Sauerstoffgehalt, welcher beispielsweise anhand der Diffusion des Sauerstoffes durch einen Festkörperelektro­lyten zustande kommt, schafft ein Messignal 9 für die Rechnereinheit 8: Die entsprechenden Regelinformationen wirken dann auf die Drosselklappe 4 und/oder das Start­ventil 6. Weist eine Schaltung keine Filterung der Abgase auf, so wird die Lambda-Sonde 7 zur Verminderung der NOX-Werte herangezogen. Durch die Verwendung eines schlecht wärmeleitenden Materials bei der Verbindung der Lambda-­Sonde 7 mit dem Abgassystem lässt sich mit besonderem Vorteil zusätzlich noch der Einfluss der Temperatur­schwankungen des Abgases auf das Messignal 9 der Lambda-­Sonde 7 reduzieren.
  • Dies ist vor allem bei Brennkraftmaschinen, die mit einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas gefahren werden, insbesondere bei Dieselmotoren, von ganz erheblicher Bedeutung.
  • In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Einbauvariante innerhalb der gasdynamischen Druckwellenmaschinen gezeigt.
  • Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Druckwellenma­schine und deren genaue Struktur kann der Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin oder der CH-PS 378 595 entnommen werden. In der Figur 2 ist sie als Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch den Rotor und durch die daran anschliessenden Partien der Seitenteile des Gehäuses gezeigt. Der Einfachheit halber ist sie als Einzyklus-Maschine dargestellt, was sich dadurch ausdrückt, dass das Gasgehäuse 22 und das Luftge­häuse 23 an ihren dem Rotor 21 zugekehrten Seiten mit nur je einer Hochdruck- und einer Niederdrucköffnung versehen sind. Um die Funktion des Systems übersichtlicher zu erläutern, sind die Strömungsrichtungen der Arbeits­medien und die Drehrichtung der Druckwellenmaschine mit Pfeilen bezeichnet.
  • Die heissen Abgase des hier nicht gezeigten Verbrennungs­motors treten durch den Hochdruckgas-Zuströmkanal 24 in den mit axialgeraden, beidseitig offenen Zellen 25 versehenen Rotor 21 ein, expandieren darin und verlassen ihn über den Niederdruckgas-Abströmkanal 26 in den nicht gezeigten Auspuff. Auf der Luftseite wird atmosphärische Frischluft angesaugt, strömt über den Niederdruckluft-Ein­trittskanal 27 axial in den Rotor 21 ein, wird darin verdichtet und verlässt ihn als Ladeluft über den Hoch­druckluft-Austrittskanal 28 über einen nicht gezeigten Ladeluftkühler zum Motor hin.
  • Zum Verständnis des eigentlichen, äusserst komplexen gasdynamischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Er­findungsgegenstand ist, wird auf die schon genannte Druckschrift CH-T 123 143 verwiesen. Der für das Verständ­nis der Erfindung notwendige Prozessablauf wird nachste­hend kurz erläutert: Das aus den Zellen 25 bestehende Zellenband ist die Abwicklung eines Zylinderschnittes des Rotors 21, welche sich bei Drehung des letzteren in Pfeilrichtung nach rechts bewegt. Die Druckwellenvor­gänge laufen im Innern des Rotors 21 ab und bewirken im wesentlichen, dass sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüllter Raum bilden. Im ersteren entspannt sich das Abgas und entweicht dann in den Niederdruckgas-­Abströmkanal 26, während im zweiten ein Teil der angesaug­ten Frischluft verdichtet und in den Hochdruckluft-Aus­trittskanal 28 ausgeschoben wird. Der verbleibende Frisch­luftanteil wird durch den Rotor in den Niederdruckgas-­Abströmkanal 26 überspült und bewirkt damit den voll­ständigen Austritt der Abgase. Diese Spülung ist für den Prozessablauf wesentlich und muss unter allen Umstän­den aufrechterhalten bleiben. Es soll auf jeden Fall vermieden werden, dass Abgas im Rotor 21 verbleibt und bei einem nachfolgenden Zyklus mit der Ladeluft dem Motor zugeführt wird.
  • Je nach Maschinenauslegung und Betriebsbedingungen findet ein Rezirkulieren einer bestimmten Abgasmenge statt; aus Umweltschutzgründen ist dies sogar erwünscht. Dies wird dadurch erreicht, dass ein gewisser Gasanteil auf die Luftseite hinübertritt und im Bereich der Schliess­kante 29 in den Hochdruck-Austrittskanal 28 überspült wird. Dieser Sachverhalt ist in der Prinzipskizze durch die Trennfront 30 zwischen Luft und Gas dargestellt. Diese Trennfront ist nicht eine scharfe Begrenzung, sondern vielmehr eine relativ breite Mischzone. Die solchermassen mt Abgas belastete Ladeluft bewirkt er­wünschte Erhöhung der Abgastemperatur.
  • Wie bereits anlässlich der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, verfälscht der Anteil Spülluft je nach Lage der Lambda-­Sonde die Messung insofern, als ein gegenüber dem Echt-λ grösserer Wert gemessen würde. Dies wäre dann z.B. der Fall, wenn sich die Sonde im Bereich der Schliesskante 31 des Niederdruckgas-Abströmkanals 26 befinden würde. Mit Vorteil wird deshalb die Lambda-Sonde 7 im Bereich der Oeffnungskante 32 des Niederdruckgas-Abströmkanals 26 angeordnet, dort also, wo bei allen Bedingungen eine reine Abgasströmung vorherrscht.

Claims (3)

1. Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine, im wesentlichen bestehend aus einem Motor (1), einem Druckwellenlader (2), einem Abgaspartikelfilter (3), einer Drosselklappe (4) und einem Startventil (6), dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruckabgasleitung (444) eine Lambda-­Sonde (7) eingebaut ist, deren Messignal (9) über eine Rechnereinheit (8) auf die Drosselklappe (4) und/oder das Startventil (6) einwirkt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda-Sonde (7) im Vollstrom der durch die Niederdruckabgasleitung (444) strömenden Abgase misst.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda-Sonde (7) im Oeffnungsbereich des Niederdruckgas-Abströmkanals (26) angeordnet ist.
EP87108266A 1986-07-08 1987-06-08 Brennkraftmaschine mit Druckwellenlader und Lamda-Sonde Expired - Lifetime EP0252316B1 (de)

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CH274986 1986-07-08

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