DE102009037268B3 - Variabler Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen, die einstellbar mit unterschiedlichen Ventilöffnungshüben betreibbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, der sich durch einen vereinfachten Aufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der auftretenden Reibungskräfte auszeichnet. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen gebildet wird. Die Verbindung der einzelnen separat gegeneinander verschiebbaren Nockenhülsen miteinander erfolgt über eine axial verlaufende Verzahnung, wobei die Verzahnungen der jeweils benachbarten Nockenhülse ineinander eingreifend ausgebildet sind. Auf jeder Nockenhülse sind mehrere unterschiedliche Nockenprofile mit gleichem Grundkreisabschnitt angeordnet, die durch Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen mit den Gaswechselventilen in Eingriff gebracht werden können. Im Inneren der Nockenhülsen ist eine sich mit den Nockenhülsen mitdrehende Schaltwelle angeordnet, die über eine Schaltkugel mit der jeweiligen Nockenhülse in Wirkverbindung steht. Die Schaltkugeln sind jeweils fest in jeder Nockenhülse und gleitend in einer auf der Schaltwelle ...
Description
- Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
- Es ist bekannt, Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine variabel mit unterschiedlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkten sowie mit unterschiedlichen Ventilöffnungshüben zu betreiben. Eine derartige Ventilsteuerung ist aus der
DE 42 30 877 A1 vorbekannt. Dabei ist auf einer Nockenwelle drehfest, aber axial verschiebbar ein Nockenträger mit zwei unterschiedlichen Nockenkonturen angeordnet. Entsprechend der Axialstellung des Nockenträgers steht eine Nockenkontur über ein Zwischenglied (Übertragungshebel) mit dem Hubventil in Wirkverbindung. Die Axialverschiebung des Nockenträgers zur Änderung der Ventilparameter erfolgt während der Grundkreisphase entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder mittels eines Druckringes. - Nachteilig ist dabei der hohe Bauraumbedarf, der zur Verstellung des Nockenträgers benötigt wird. Diese Lösungen sind deshalb nur einsetzbar bei verhältnismäßig großen Zylinderabständen, um die entsprechenden Bauteile unterbringen zu können. Ein weiterer Nachteil sind die beim Stellvorgang auftretenden hohen Massenkräfte, die zum Verschieben der Nockenträger oder der Verstellorgane benötigt werden. Die Umschaltung auf eine entsprechende Nockenkontur kann nur zylinderselektiv erfolgen. Eine ventilselektive Umschaltung ist nicht möglich.
- Die
DE 100 54 623 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Umschalten eines Nockenträgers auf einer Nockenwelle zur Betätigung von Gaswechselventilen, bei der der Nockenträger axial verschiebbar auf der Nockenwelle geführt ist. Entsprechend der Position des Nockenträgers steht das Gaswechselventil mit unterschiedlichen Nockenkonturen in Wirkverbindung. Die Verstellung des Nockenträgers erfolgt über ein Stellelement im Zusammenwirken mit einer Kulissenbahn. Das Stellelement ist dabei ein radial nach außen verschiebbarer Pin, der mit zumindest zwei in einem um ca. 180° um den Nockenträger herum angeordneten Führungsteil ausgebildeten Kulissenbahnen im ausgefahrenen Zustand zusammenwirkt. - Ein Nachteil dieser Lösung besteht neben dem zusätzlichen Bauraum für das Führungsteil darin, dass zum Umschalten auf eine andere Nockenkontur der Pin aus der Nockenwelle ausgefahren und in eine axial verschiebbare Schaltkulisse eingespurt werden muss. Nach dem Schaltvorgang muss der Pin wieder eingefahren werden. Diese Konstruktion ist sehr teile- und fertigungsaufwendig und es besteht die Gefahr von Schäden an der Nockenwelle durch Fehlschaltungen des Pins. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die notwendige Stellzeit des Pins die Motordrehzahl begrenzt wird. Außerdem ist die Verstellung abhängig von dem jeweils vorhandenen Öldruck.
- Weiterhin ist aus der
DE 195 20 117 C2 ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorbekannt, bei dem auf der Nockenwelle drehfest ein axial verschiebbarer Nockenträger mit mindestens zwei unterschiedlichen Nockenbahnen angeordnet ist. Die Verstellung des Nockenträgers erfolgt über ein Verstellorgan, das im Inneren der Nockenwelle geführt ist. Durch eine stirnseitig an der Nockenwelle angeordnete doppelt wirkende hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit wird das wellenartig ausgebildete Verstellorgan im Inneren der Nockenwelle gegen den Druck einer Feder verschoben. Das Verstellorgan ist mit einem Mitnahmestück verbunden, das ein axial in der Nockenwelle angeordnetes Langloch durchdringt und in eine Bohrung des Nockenträgers mündet. - Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass durch die axiale Verschiebung des Verstellorgans nur mehrere auf der Nockenwelle angeordnete Nockenträger gleichzeitig verschoben werden können. Eine unterschiedliche Schaltung von einzelnen Nockenträgern auf einer Nockenwelle ist nicht möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einer Schaltposition, bei der ein äußerer Nocken im Eingriff mit den Gaswechselventilen steht, das Federelement ständig gespannt ist. Dadurch treten hohe seitliche Reibkräfte zwischen dem Mitnehmerstück und der auf dem Verstellorgan angeordneten Führungsbahn auf. Ein erhöhter Verschleiß und damit verbundene eventuelle Fehlschaltungen sind die Folge. Nachteilig ist weiterhin, dass die wirkenden Federkräfte genau eingestellt werden müssen, um Fehlschaltungen, insbesondere bei Rückschaltung auf das mittlere Nockenprofil bei drei unterschiedlichen Nockenprofilen, zu vermeiden.
- Mit der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 017 242.4 wurde von der Anmelderin bereits ein Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Bei diesem Ventiltrieb erfolgt die Verschiebung des Nockenträgers zur Ventilumschaltung auf dem Nockenwellenrohr durch eine im Inneren des Nockenwellenrohrs angeordnete verdrehbare Schaltwelle. Die Schaltwelle ist mit einer Schaltkontur versehen, die eine axiale Steigung aufweist. In der Schaltkontur wird eine Schaltkugel geführt, die in einer Bohrung einer die Schaltwelle umgebenden axial verschiebbaren Schalthülse gelagert ist. Die Schalthülse steht über einen Mitnehmer mit dem Nockenträger in Wirkverbindung. Durch Verdrehen der Schaltwelle wird über die Schaltkugel die Schalthülse und über den Mitnehmer der Nockenträger axial verschoben. - Durch die Anordnung einer Schalthülse zwischen der Schaltwelle und dem Nockenwellenrohr treten zusätzlich zu überwindende Reibungskräfte auf. Außerdem ist die Lösung durch die Anordnung der Schalthülse sehr teileaufwändig.
- Die
DE 10 2007 016 977 A1 beschreibt ebenfalls eine axiale Verschiebung eines Nockenträgers durch eine in der Nockenhohlwelle angeordnete, axial verschiebbare Stellwelle in Verbindung mit einer axial auf der Stellwelle verschiebbaren Übertragungshülse und einem daran befestigten Übertragungsglied. - Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass durch die axiale Verschiebung des Verstellorgans nur mehrere auf der Nockenwelle angeordnete Nockenträger gleichzeitig verschoben werden können. Eine unterschiedliche Schaltung von einzelnen Nockenträgern auf einer Nockenwelle ist nicht möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einer Schaltposition, bei der ein äußerer Nocken im Eingriff mit den Gaswechselventilen steht, das Federelement ständig gespannt ist. Dadurch treten hohe seitliche Reibkräfte zwischen dem Mitnehmerstück und der auf dem Verstellorgan angeordneten Führungsbahn auf. Ein erhöhter Verschleiß und damit verbundene eventuelle Fehlschaltungen sind die Folge. Nachteilig ist weiterhin, dass die wirkenden Federkräfte genau eingestellt werden müssen, um Fehlschaltungen, insbesondere bei Rückschaltung auf das mittlere Nockenprofil bei drei unterschiedlichen Nockenprofilen, zu vermeiden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, der sich durch einen vereinfachten Aufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der auftretenden Reibungskräfte auszeichnet.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
- Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen gebildet wird. Die Verbindung der einzelnen separat gegeneinander verschiebbaren Nockenhülsen miteinander erfolgt über eine axial verlaufende Verzahnung, wobei die Verzahnungen der jeweils benachbarten Nockenhülsen ineinander eingreifend ausgebildet sind. Auf jeder Nockenhülse sind mehrere unterschiedliche Nockenprofile mit gleichem Grundkreisabschnitt angeordnet, die durch Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen mit den Gaswechselventilen in Eingriff gebracht werden können. Im Inneren der Nockenhülsen ist eine sich mit den Nockenhülsen mitdrehende Schaltwelle angeordnet, die über eine Schaltkugel mit der jeweiligen Nockenhülse in Wirkverbindung steht. Die Schaltkugeln sind jeweils fest in jeder Nockenhülse und gleitend in einer auf der Schaltwelle angeordneten Schaltkontur gelagert. Die Schaltwelle ist über ein Getriebe mit einem auf der Nockenhülse drehfest aber axial verschiebbar angeordneten Verschiebestück verbunden. Ein fest an dem Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine angeordneter Aktuator wird zum axialen Verschieben des Verschiebestücks auf der Nockenhülse mit dem Verschiebestück in Eingriff gebracht. Dabei wird die Bewegung des Verschiebestücks über eine Gewindespindel oder ein Kurvengetriebe in eine Relativdrehung der Schaltwelle gegenüber den Nockenhülsen übersetzt, so dass eine axiale Verschiebung der Nockenhülsen gegeneinander und somit eine Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen erfolgt.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in einem einfachen Aufbau der Betätigungsvorrichtung zur sicheren Ventilumschaltung zwischen unterschiedlichen Nockenprofilen der Nockenwelle bei der gleichzeitig die zwischen den einzelnen Bauteilen auftretende Reibung reduziert wurde.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
- Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 : eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung und -
2 : eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung als Einzelheit in einer Halbschnittdarstellung. - In der
1 ist ein Teilbereich eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Ventiltrieb zur Betätigung von nicht dargestellten Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen7 gebildet wird. Jedem Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist eine axial verschiebbare Nockenhülse7 zugeordnet, mit der, entsprechend dem Ausführungsbeispiel, jeweils zwei Gaswechselventile eines Zylinders durch die beiden auf der Nockenhülse7 angeordneten Nockenprofile9 betätigt werden können. Die Nockenhülse7 weist bei einem gleichen Grundkreisabschnitt10 mehrere unterschiedlich ausgebildete Nockenprofile9a ,9b und9c auf, die zur Ventilhubumschaltung wahlweise durch Verschieben der Nockenhülse7 jeweils direkt oder über nicht dargestellte Zwischenglieder mit einem jeweiligen Gaswechselventil in Kontakt gebracht werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Nockenhülse7 zwei Nockenprofile9 , mit jeweils einem kleinen Nockenprofil9a , einem mittleren Nockenprofil9b und einem großen Nockenprofil9c zur Betätigung der beiden Gaswechselventile, auf. Es ist durchaus denkbar, dass die Nockenprofile9 jeder Nockenhülse7 aus nur zwei oder mehr als drei unterschiedlich großen Nockenprofilen gebildet werden. Zur Erzielung einer Phasenverschiebung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen9a ,9b und9c können die Kurven der Nockenprofile9a ,9b und9c zueinander versetzt angeordnet sein. - Die einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen
7 sind miteinander durch eine axial verlaufende Verzahnung8 verbunden. Dabei sind die Nockenhülsen7 derart ausgebildet, dass die Verzahnungen8 der jeweils benachbarten Nockenhülsen7 ineinander eingreifend ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen Nockenhülsen7 gegeneinander axial verschiebbar und drehfest miteinander verbunden sind. Innerhalb der Nockenhülsen7 ist eine Schaltwelle1 angeordnet, die sich, außer während des Schaltprozesses, synchron mit den Nockenhülsen7 mitdreht. Jede Nockenhülse7 steht über eine Schaltkugel3 mit der Schaltwelle1 in Wirkverbindung. Die Schaltkugel3 ist in einer halbkugelförmig ausgebildeten Aufnahme der jeweiligen Nockenhülse7 und in einer auf der Schaltwelle1 angeordneten Schaltkontur2 gleitend gelagert. Die auf der Oberfläche der Schaltwelle1 für jede Nockenhülse7 angeordnete Schaltkontur2 ist mit einer axialen Steigung versehen. Durch die axiale Steigung entsteht auf der Oberfläche der Schaltwelle1 eine spiralförmig ausgebildete Schaltkontur2 , deren jeweiliger Beginn auf der Schaltwelle1 , entsprechend den vorzunehmenden axialen Verschiebungen der einzelnen Nockenhülsen7 , gleich oder am Umfang versetzt zueinander angeordnet ist. Bei einer nacheinander durchzuführenden axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen7 sind die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse7 angeordneten Schaltkontur2 am Umfang der Schaltwelle1 zueinander versetzt angeordnet. In der1 ist diese Variante dargestellt. Bei einer – hier nicht beanspruchten – gleichzeitigen axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen7 liegen die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse7 angeordneten Schaltkontur2 am Umfang der Schaltwelle1 in gleicher axialer Ebene. - Die Schaltwelle
1 ist gemäß1 über eine Gewindespindel4 mit einem auf einer Nockenhülse7 drehfest aber axial verschiebbar angeordneten Verschiebestück5 verbunden. Die Verbindung zwischen Nockenhülse7 und Verschiebestück5 erfolgt dabei über eine ineinandergreifende Axialverzahnung13 . Die Gewindespindel4 der Schaltwelle1 ist als Schrägverzahnung ausgebildet und greift in die entsprechend ausgebildete Verzahnung des Verschiebestücks5 ein. Das Verschiebestück5 ist mit einem mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine fest verbundenen Aktuator6 in Wirkverbindung bringbar. Entsprechend der Ansteuerung des Aktuators6 greift dabei ein an dem Aktuator6 angeordneter Pin11 in die am Umfang des Verschiebestücks5 angeordnete Kontur12 ein. Das Verschiebestück5 ist entsprechend dem in der Zeichnung dargestelltem Doppelpfeil in beide Richtungen axial auf der ersten Nockenhülse7 verschiebbar. - In der
2 ist eine Variante der Verbindung der Schaltwelle1 mit dem auf einer Nockenhülse7 axial verschiebbaren Verschiebestück5 dargestellt. Die Verbindung der Schaltwelle1 mit dem Verschiebestück5 erfolgt hierbei über ein Kurvengetriebe. Das Kurvengetriebe besteht aus einer auf dem Umfang der Schaltwelle1 angeordneten Schaltkontur14 in der gleitend eine Schaltkugel15 gelagert ist, die wiederum in einer am Innenumfang des Verschiebestücks5 angeordneten halbkugelförmigen Aufnahme gelagert ist. Die Verschiebung des Verschiebestücks5 erfolgt ebenfalls durch einen Aktuator6 . - Die Funktion des variablen Ventiltriebs zur Realisierung einer Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen
9a ,9b und9c ist folgende. - Während des Eingriffes beispielsweise der mittleren Nockenprofile
9b der Nockenhülse7 mit den Gaswechselventilen drehen sich die Nockenhülsen7 , die Schaltwelle1 und das Verschiebestück5 mit synchroner Drehzahl. Der Aktuator6 steht nicht im Eingriff mit dem Verschiebestück5 . Eine Umschaltung zu einem andern Nockenprofil kann nur durchgeführt werden, wenn sich der Grundkreisabschnitt10 im Eingriff mit dem Gaswechselventil bzw. dem Zwischenglied befindet. Zur Umschaltung des Eingriffes des Nockenprofils9b auf das Gaswechselventil zu dem Nockenprofil9a oder zu dem Nockenprofil9c wird der Aktuator6 durch eine entsprechende Ansteuerung aktiviert und mit dem Verschiebestück5 in Eingriff gebracht. In dem beschrieben Ausführungsbeispiel erfolgt das dadurch, dass ein Pin11 in Richtung des Verschiebestücks5 ausgefahren wird und in die am Umfang des Verschiebestücks5 angeordnete Kontur12 einrastet. Entsprechend des angesteuerten Pins11 wird das Verschiebestück5 durch den in der Kontur12 gleitenden Pin11 nach rechts oder nach links, gemäß dem vorzunehmenden Schaltvorgang, auf der Nockenhülse7 axial verschoben. Über die Gewindespindel4 gemäß1 oder über das Kurvengetriebe gemäß2 wird die axiale Bewegung des Verschiebestücks5 in eine Drehung der Schaltwelle1 übersetzt. Dadurch entsteht eine Relativverdrehung der Schaltwelle1 gegenüber den Nockenhülsen7 . Durch die Relativverdrehung gleitet die Schaltkugel3 in der Bahn der Schaltkontur2 . Entsprechend der realisierten Relativverdrehung und der Ausführung der einzelnen mit jeder Nockenhülse7 über die Schaltkugeln3 in Wirkverbindung stehenden Schaltkonturen2 erfolgt eine axiale Verschiebung der Nockenhülsen7 gegeneinander und somit eine Umschaltung zwischen den einzelnen Nockenprofilen9a ,9b und9c . - Die Verschiebung des Verschiebestücks
5 kann beispielsweise auch durch einen magnetisch auf das Verschiebestück5 wirkenden Aktuator6 erfolgen. - Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in einem einfachen und klein bauenden Aufbau des Ventiltriebs, mit dem variabel für den Motor angepasste Ventilhubumschaltungen realisiert werden können.
Claims (5)
- Variabler Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen, bei dem – die Gaswechselventile schaltbar mit unterschiedlichen Nockenprofilen (
9a ,9b ,9c ) einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle in Eingriff bringbar sind, – die Nockenwelle aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen (7 ) gebildet wird, die miteinander jeweils durch eine axial verlaufende Verzahnung (8 ) verbunden sind, wobei die Verzahnungen (8 ) der jeweils nebeneinander angeordneten Nockenhülsen (7 ) ineinander eingreifend ausgebildet sind, – auf jeder Nockenhülse (7 ) mehrere unterschiedliche Nockenprofile (9a ,9b ,9c ) mit gleichem Grundkreisabschnitt (10 ) angeordnet sind, – im Inneren der Nockenwelle eine sich mit den Nockenhülsen (7 ) mitdrehende Schaltwelle (1 ) angeordnet ist, wobei – jede Nockenhülse (7 ) über eine Schaltkugel (3 ) mit einer auf der Schaltwelle (1 ) angeordneten Schaltkontur (2 ), die eine axiale Steigung aufweist, in Wirkverbindung steht, – die Schaltwelle (1 ) mit einem auf einer Nockenhülse (7 ) drehfest aber axial verschiebbar angeordneten Verschiebestück (5 ) verbunden ist, – zum Verschieben der jeweiligen Nockenhülse (7 ) durch die in der Schaltkontur (2 ) auf der Schaltwelle (1 ) gleitende Schaltkugel (3 ) das Verschiebestück (5 ) mit einem Aktuator (6 ) in Eingriff gebracht wird, um das Verschiebestück (5 ) auf der Nockenhülse (7 ) axial zu verschieben, wobei diese axiale Bewegung des Verschiebestücks (5 ) über eine Gewindespindel (4 ) oder ein Kurvengetriebe in eine Relativdrehung der Schaltwelle (1 ) gegenüber den Nockenhülsen (7 ) übersetzt wird, so dass eine axiale Verschiebung der Nockenhülsen (7 ) gegeneinander und somit eine Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen (9a ,9b ,9c ) erfolgt. - Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (
6 ) fest mit einem Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. - Ventiltrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkugel (
3 ) in einer halbkugelförmig ausgebildeten Aufnahme der jeweiligen Nockenhülse (7 ) gelagert ist. - Ventiltrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer nacheinander durchzuführenden axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen (
7 ) die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse (7 ) angeordneten Schaltkontur (2 ) am Umfang der Schaltwelle (1 ) zueinander versetzt angeordnet sind. - Ventiltrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Schaltwelle (
1 ) und dem Verschiebestück (5 ) als eine Schrägverzahnung ausgebildet ist.
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