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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Schadstoffentfernung in Bezug auf Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, insbesondere mit Dieselmotor, und allgemeiner in Bezug auf alle Maschinen, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Injektionssysteme zum Injizieren eines flüssigen Additivs in eine Behandlungsleitung, insbesondere in die Auspuffleitung des betreffenden Fahrzeugs. Noch spezieller hat die Erfindung ein Verteilermodul für in eine Behandlungsleitung, und insbesondere in die Auspuffleitung, zu injizierendes flüssiges Additiv zur Aufgabe.
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Die für die Schadstoffentfernung von Stickstoffoxiden NOx in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wie Dieselmotor, derzeit angewandte Technologie erfordert eine Anordnung zum Speichern und Verteilen eines flüssigen Additivs, wobei das Additiv insbesondere auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar gebracht wird, um die Injektion dieses Additivs durch Zerstäubung in eine Behandlungsleitung und insbesondere in die Auspuffleitung des betreffenden Fahrzeugs zu ermöglichen. Das verwendete Additiv mit Reduktionsfunktion ist insbesondere ein Erzeugnis auf der Basis von mit Wasser gemischtem Harnstoff.
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Um die Funktionen des Speicherns, Verteilens und Injizierens eines solchen Additivs zu realisieren, wird in allgemein bekannter Weise in dem betreffenden Fahrzeug eine Vorrichtung vorgesehen, die ein Additivreservoir aufweist, das über eine Additivrohrleitung mit zumindest einem Additivzerstäuber verbunden ist, der an der Behandlungsleitung angeordnet ist, wobei Mittel zum Pumpen und zum Unterdrucksetzen des Additivs an der Additivrohrleitung zwischen dem Additivreservoir und dem Additivzerstäuber angeordnet sind. Eine solche Vorrichtung ermöglicht die Entnahme des flüssigen Additivs aus dem Additivreservoir und seine Weiterleitung zur Behandlungsleitung bzw. Auspuffleitung durch einen Zerstäuber hindurch, der vor allem durch einen elektromechanischen Injektor gebildet sein kann. Was die Mittel zum Pumpen und zum Unterdrucksetzen des Additivs betrifft, so sind diese in den häufigsten Fällen entweder durch eine Pumpe zum Ansaugen und zum Unterdrucksetzen, die kontinuierlich arbeitet, oder durch eine Pumpe mit intermittierender Funktionsweise gebildet, die einem Akkumulator zugeordnet ist, der zyklisch mit unter Druck stehendem Additiv gefüllt wird, wobei der Akkumulator das Additiv zum Injektor leitet.
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Die in dem Patentdokument
EP 2206897 A1 beschriebene Vorrichtung weist ein Additivreservoir, eine Pumpe mit Dauerfunktion und ein Dosiermodul auf, zwischen denen sich eine Versorgungsrohrleitung erstreckt. Die Beabstandung der verschiedenen Module aus Gründen der Positionierung, die unter anderem auf ihre Abmessung und ihre funktionelle Unabhängigkeit zurückzuführen sind, erzeugt in einer solchen Vorrichtung die Gefahr des Einfrierens des Additivs in mehreren Bereichen. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist es zweckmäßig, Bauteile zum Aufwärmen, die in den empfindlichen Bereichen verstreut sind, und ein Bündel elektrischer Kabel zur Versorgung dieser Bauteile vorzusehen, die das Fahrzeug in Richtung zu diesen Bereichen durchqueren. Hieraus resultiert ein komplexes und kostspieliges System zum Aufwärmen, sowohl hinsichtlich seiner Gestehung als auch hinsichtlich seiner Installation.
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Die in dem Patentdokument
EP 0953739 B1 beschriebene Vorrichtung weist ein Additivreservoir, eine Pumpe mit intermittierender Funktionsweise und einen Akkumulator auf, wobei die verschiedenen Bauteile voneinander beabstandet sind. Insbesondere der Akkumulator erzeugt ein Flüssigkeitsvolumen, das von dem Hauptreservoir beabstandet und den klimatischen Umgebungsbedingungen, insbesondere Kälte, ausgesetzt ist.
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Insgesamt besitzt eine solche Vorrichtung zumindest drei verschiedene, gegenüber Kälte empfindliche Bereiche, nämlich das flüssige Additivvolumen, das in der Hydraulikkammer der Pumpe enthalten ist, die Rohrleitung, die sich zwischen der Pumpe und dem Akkumulator erstreckt, und das Flüssigkeitsvolumen des Akkumulators selbst. Auch hier ist man somit dem Problem des Aufwärmens der mehreren und verstreuten empfindlichen Bereiche konfrontiert.
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Ein anderes Prinzip zum Aufwärmen, das den Rückgriff auf elektrische Bauteile vermeidet, besteht in der Zirkulation eines warmen Fluids, das von dem Fahrzeug abgegeben wird und um die Pumpe oder den Akkumulator der Vorrichtung zum Verteilen des flüssigen Additivs herum kanalisiert ist – siehe das Patentdokument
FR 2942511 A1 . Es handelt sich hierbei somit um einen Wärmetauscher, in dem das warme Fluid seine Wärme gewissermaßen an das Additiv abgibt, um es aufzuwärmen und gegebenenfalls aufzutauen. Aus Gründen der Dichtigkeit und im Hinblick darauf, jede Gefahr eines Vermischens der Kreise und der diese durchsetzenden Fluide zu vermeiden, bleibt das warme Fluid dennoch in der Peripherie der Pumpe oder des Akkumulators, demgemäß im Abstand zu dem aufzuwärmenden Additiv kanalisiert, was den Wirkungsgrad, das heißt das Verhältnis aus der tatsächlich auf das Additiv übertragenen Wärmemenge und der von dem warmen Fluid mitgeführten Wärmemenge, stark verringert. Diese Lösung ist demgemäß nicht ideal, bleibt dabei komplex und kostspielig, wenn man bedenkt, dass sie Kanalisierungen zum Zuführen des warmen Fluids und spezielle Abdichtungen erfordert, die sich gegebenenfalls im Falle einer Vorrichtung mit Pumpe und Akkumulator verdoppeln.
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In dieser Hinsicht sei daran erinnert, dass die Mittel zum Pumpen und Verteilen des Additivs auf Basis von Harnstoff gegenüber Temperaturen unterhalb von –12°C sehr empfindlich sind, da der Gefrierpunkt von Harnstoff sich bei –11,5°C befindet. Darüber hinaus wandelt sich das üblicherweise verwendete Additiv auf Basis von Harnstoff, sobald die Temperatur sich unterhalb von –7°C befindet, in ein Gemisch aus Flüssigkeit und Kristallen um, wobei diese Umwandlung der eigentlichen Gefrierphase vorangeht. Daraus ergibt sich, dass bei Erreichen einer Temperatur von –7°C Probleme bei der Übertragung des Fluids auftreten, die auf Druckverluste zurückzuführen sind, die vor allem durch die auf der Strecke der Additivrohrleitungen, die die Elemente, nämlich Pumpe, Ventil und Akkumulator, die die Vorrichtung bilden, verbinden, vorhandenen Krümmungen und durch Reibung des Fluids an den Wänden dieser Leitungen verursacht werden. Selbst eine Gefahr der Bildung von festen ”Pfropfen” zwischen diesen Elementen kann nicht ausgeschlossen werden. Somit stellt ein individuelles Aufwärmen der Elemente, so wie vor allem der Pumpe, des Ventils und Akkumulators, die gewöhnlicherweise voneinander beabstandet sind, keine zufriedenstellende Lösung dar, unabhängig davon, welches die verwendeten Mittel zum Aufwärmen sind.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Gesamtheit der vorstehend hervorgehobenen Nachteile zu beseitigen, und sie hat demgemäß zum Ziel, eine Lösung bereitzustellen, um auf einfache und wirksame Weise in einer Vorrichtung der hier betrachteten Art das Einfrieren des Additivs nicht nur im Inneren der Elemente, so wie Pumpe, Ventil und Akkumulator, zu vermeiden, sondern auch in den hydraulischen Verbindungen zwischen diesen Elementen, wodurch somit die Gefahr eines Druckverlustes oder einer Verstopfung in diesen Verbindungen begrenzt wird.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung im Wesentlichen ein Verteilermodul für in eine Behandlungsleitung und insbesondere in die Auspuffleitung eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor oder einer anderen mit einem Verbrennungsmotor ausgestatteten Maschine zu injizierendes flüssiges Additiv zum Ziel, wobei das Verteilermodul dazu vorgesehen ist, in einen Additivkreis zwischen einem Additivreservoir und zumindest einem Injektor eingefügt zu werden, wobei das Verteilermodul dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein zentrales Verteilerstück aufweist, das Montageschnittstellen aufweist, an die zumindest eine zyklisch betätigte Pumpe zum Unterdrucksetzen des Additivs, ein Elektroventil und ein Akkumulator, der durch die Pumpe gefüllt wird, angepasst sind, wobei das Elektroventil zwischen die Pumpe und den Akkumulator eingefügt ist, wobei das zentrale Verteilerstück außerdem einen Eintrittskanal zum Eintreten der Flüssigkeit, einen Austrittskanal zum Austreten der Flüssigkeit und einen oder mehrere Kanäle aufweist, der bzw. die die Pumpe, das Elektroventil und den Akkumulator verbindet bzw. verbinden, und wobei das zentrale Verteilerstück in der Nähe der Montageschnittstellen zur Montage der Pumpe, des Elektroventils und des Speichers noch Hohlräume aufweist, die Heizelemente, insbesondere elektrische Heizelemente, aufnehmen.
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Die Erfindung schlägt somit die Zusammenlegung der Hauptbauteile, nämlich der Pumpe, des Ventils und auch des Akkumulators, in eine einheitliche Unteranordnung vor, die als Verteilermodul bezeichnet wird, die die notwendigen hydraulischen Anschlüsse aufweist, und die außerdem die Bauteile zum Aufwärmen, die der Pumpe, dem Ventil und dem Akkumulator zugeordnet sind, trägt und zusammenlegt.
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Die Hauptbauteile, nämlich die Pumpe, das Ventil und der Akkumulator, sind an einem gemeinsamen und einzigen Trägerstück montiert, das zentrales Verteilerstück genannt wird. Das die heizenden Bauteile enthaltende zentrale Verteilerstück ist vorteilhafterweise aus einem Material gefertigt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine gute mechanische Stabilität aufweist. Es kann sich somit um ein Formstück, beispielsweise ein Stück aus einem Thermoplast oder ein Stück aus Metall oder einer Leichtmetalllegierung, oder auch um ein bearbeitetes Stück, insbesondere aus Metall, handeln.
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Die Heizelemente, die in den Hohlräumen des zentralen Verteilerstücks angeordnet sind, können mit diesem Stück durch Auffüllen der Hohlräume mit einem polymerisierbaren Harz verbunden sein. Die in Nähe der Pumpe, des Ventils und des Akkumulators befindlichen Heizelemente geben ihre Wärme leicht an diese Hauptbauteile ab, um das im Inneren dieser Bauteile vorhandene Additiv aufzuwärmen und gegebenenfalls zu verflüssigen. Die Anordnung der Heizelemente im Bereich der Montageschnittstellen ermöglicht es außerdem, dass diese Elemente ihre Wärme an die inneren Verbindungskanäle zwischen der Pumpe, dem Ventil und dem Akkumulator sowie an die Eintritts- und Austrittskanäle für den Eintritt und Austritt der Flüssigkeit abgeben. Die Wärme wird somit homogen und mit einem erhöhten Wirkungsgrad durch Konvektion oder durch Leitung an die Gesamtheit der Struktur abgegeben, um das Additiv aufzutauen, das in der Pumpe, dem Ventil und dem Akkumulator stehen kann, und auch um Kristalle des Additivs zu verflüssigen, die in den inneren Verbindungskanälen auftreten können.
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Die Zusammenlegung der Heizelemente ermöglicht es, im Fall von elektrischen Heizelementen die Stromversorgung dieser Elemente zu vereinfachen. Diese Zusammenlegung ermöglicht es außerdem, die Versorgungssteuerung der Heizelemente sowie die Verarbeitung von Messfühlersignalen zu zentralisieren, indem die Kabelbündel vereinfacht und verkürzt werden, und indem eine einzige Elektronikkarte, die ebenfalls von dem zentralen Verteilerstück getragen oder diesem zugeordnet ist, für die Steuerung der Fühler, der Heizelemente und der elektromechanischen Bauteile, so wie Pumpe und Elektroventil, vorgesehen wird.
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Schließlich erleichtert die Verwendung eines zentralen Verteilerstückes die Befestigung an der umgebenden Struktur des Fahrzeuges, da dieses Stück einen gemeinsamen Träger für zahlreiche Bauteile bildet.
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Die Erfindung wird in jeglicher Weise besser mit Hilfe der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung verstanden, die beispielhaft ein Ausführungsbeispiel dieses Verteilermoduls für in eine Auspuffleitung zu injizierendes Additiv zeigt:
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1 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Verteilermoduls;
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2 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail des Verteilermoduls in 1;
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3 ist ein Hydraulikschema des Verteilermoduls;
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4 ist eine perspektivische Ansicht des zentralen Verteilerstückes des Moduls der vorhergehenden Figuren;
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5 ist eine weitere perspektivische Ansicht desselben zentralen Verteilerstückes.
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Wie 1 bis 3 zeigen, vereint das Verteilermodul eine Pumpe 2, ein Elektroventil 3 und einen Akkumulator 4. Dazu vorgesehen, in einen Kreis eines flüssigen Additivs eingefügt zu werden, weist das Verteilermodul einen Eintrittskanal 5 für den Eintritt der Flüssigkeit von einem Additivreservoir kommend und einen Austrittskanal 6 für den Austritt der Flüssigkeit für den Abgang des Additivs zu zumindest einem Injektor hin auf, der in der Auspuffleitung angeordnet ist. Der Eintrittskanal 5 mündet in der Pumpe 2, die durch einen inneren Kanal 7 mit dem Akkumulator 4 verbunden ist, der auch mit dem Austrittskanal 6 in Verbindung steht. Das Elektroventil 3 ist zwischen die Pumpe 2 und den Akkumulator 4 eingefügt, wobei das Elektroventil 3 eine Düsennadel 8 aufweist, die geeignet ist, den inneren Kanal 7 zu verschließen (siehe insbesondere 3). Somit saugt die Pumpe 2, die zyklisch betätigt ist, im Betrieb das Additiv aus dem Reservoir durch den Eintrittskanal 5 hindurch an und setzt das Additiv unter Druck, indem es den Akkumulator 4 füllt. Der Akkumulator 4 leitet anschließend das Additiv durch den Austrittskanal 6 hindurch zu dem Injektor hin. Das Elektroventil 3 vermeidet im normalen Betrieb den Rücklauf des Additivs, während es dabei Phasen des Ablaufens von dem Akkumulator 4 und von dem Additivkreis ermöglicht. Die Pumpe 2, das Elektroventil 3 und der Akkumulator 4 sind Bauteile, die an ein und demselben zentralen Verteilerstück 9 montiert sind, das insbesondere in 4 und 5 gezeigt ist.
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An der einen seiner großen Seiten weist das zentrale Verteilerstück 9 eine Schnittstelle 10 zur Montage der Pumpe 2 und eine Schnittstelle 11 zur Montage des Akkumulators 4 auf. Die Schnittstelle 10 zur Montage der Pumpe 2 weist einen Flansch 12 auf, an dem die Pumpe 2 angeschraubt wird. Die Schnittstelle 11 zur Montage des Akkumulators 4 weist einen Flansch 13 auf, an dem der Akkumulator 4 angeschraubt wird, der somit eine zur Pumpe 2 parallele Position einnimmt.
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Das zentrale Verteilerstück 9 weist seitlich eine Schnittstelle 14 zur Montage des Elektroventils 3 auf. Die Schnittstelle 14 weist zwei Flügel 15 auf, an denen das Elektroventil 3 angeschraubt wird.
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Der Eintrittskanal 5 für den Eintritt der Flüssigkeit ist an dem zentralen Verteilerstück 9 mit einer Orientierung ausgebildet, die etwa tangential zur Schnittstelle 10 zur Montage der Pumpe 2 verläuft. Der Austrittskanal 6 für den Austritt der Flüssigkeit ist an dem zentralen Verteilerstück 9 in der Nähe der Schnittstelle 11 zur Montage des Akkumulators 4 ausgebildet. Der innere Kanal 7 ist ebenfalls an dem zentralen Verteilerstück 9 ausgebildet.
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Das zentrale Verteilerstück 9 weist noch zwei Hohlräume 16 und 17 auf, die jeweils ein Heizelement 18 bzw. 19 aufnehmen. Der erste Hohlraum 16 befindet sich in der Nähe der Schnittstelle 10 zur Montage der Pumpe 2, und außerdem in der Nähe der Schnittstelle 14 zur Montage des Elektroventils 3. Der zweite Hohlraum 17 befindet sich in der Nähe der Schnittstelle 11 zur Montage des Akkumulators 4, und nähert sich auch der Schnittstelle 14 zur Montage des Elektroventils 3 an.
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Die Heizelemente 18 und 19, die jeweils in den beiden Hohlräumen 16 und 17 angeordnet sind, sind elektrische Heizelemente, so wie ”CTP's” oder Leistungswiderstände mit festem Wert, die mit einem Wärmestrahler versehen sind, deren Widerstandswert bei Umgebungstemperatur vorzugsweise unterhalb von 50 Ohm liegt, und deren Kalteinheitsverbrauch etwa 10 Watt beträgt. Nach dem Einsetzen in die jeweiligen Hohlräume 16 und 17 werden die Heizelemente 18 und 19 von einem polymerisierbaren Harz 20 bzw. 21 umgeben (siehe 1), der zur Abdichtung des Stromkreises beiträgt und dabei eine Materialkontinuität erzeugt, die die Wärmeübertragung zwischen den Heizelementen 18 und 19 und dem zentralen Verteilerstück 9 begünstigt.
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Das zentrale Verteilerstück 9, das aus gespritztem Kunststoff gefertigt oder aus Metall gearbeitet ist, gewährleistet seinerseits die Wärmeübertragung zu den Schnittstellen 10, 11 und 14 und zur Pumpe 2, zu dem Akkumulator 4 und dem Ventil 3, und außerdem zu dem inneren Kanal 7 sowie zu dem Eintrittskanal 5 und dem Austrittskanal 6 für den Eintritt bzw. Austritt der Flüssigkeit. Insbesondere bei tiefen Temperaturen wird die durch die Elemente 18 und 19 entwickelte Wärme somit in der Art einer ”Zentralheizung” an die diversen Bauteilen und anderen Teilen des Verteilermoduls verteilt, um das in diesen Bauteilen und Teilen verfestigte Additiv aufzutauen und so die Funktion der Gesamtheit der Vorrichtung zu ermöglichen, das heißt das Entnehmen des Additivs aus dem Reservoir (das mit geeigneten Mitteln zum Aufwärmen versehen ist), das Unterdrucksetzen des Additivs und seine Überführung zu dem Injektor.
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Eine einzige Elektronikkarte 22, die teilweise in 2 sichtbar ist, steuert die Funktion der Gesamtheit des Verteilermoduls; insbesondere kann die Elektronikkarte 22 die von diversen Messfühlern (nicht dargestellt) abgegebenen Signale verarbeiten, die elektromechanischen Bauteile steuern, nämlich die Pumpe 2 und das Elektroventil 3, und die Versorgung der Heizelemente 18 und 19 steuern.
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Wie 2 noch zeigt, weist das zentrale Verteilerstück 9 Befestigungsstellen 23 und 24 für seine Anbindung an eine umgebende Struktur 25 des betreffenden Fahrzeugs auf, was gleichzeitig die Befestigung der Pumpe 2, des Elektroventils 3 und des Akkumulators 4 an der Struktur gewährleistet.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das alleinige Ausführungsbeispiel des Verteilermoduls beschränkt ist, das oben beispielhaft beschrieben wurde; sie umfasst im Gegenteil alle Ausgestaltungs- und Verwendungsvarianten, die dasselbe Prinzip einhalten. So wird vor allem der Rahmen der Erfindung nicht verlassen, wenn
- – die Form und das das zentrale Verteilerstück bildende Material modifiziert wird;
- – dieses Stück durch jegliches Herstellungsverfahren erhalten wird;
- – die relative Anordnung der Pumpe, des Elektroventils und des Akkumulators modifiziert wird;
- – Heizelemente jeglicher Arten verwendet werden;
- – das Elektroventil durch ein Ventil oder eine Klappe jeglicher Art ersetzt wird;
- – weitere Haupt- oder Nebenbauteile einer Vorrichtung zum Injizieren eines Additivs vorgesehen werden, die an dem zentralen Verteilerstück angebracht werden, und die dann ihrerseits von der Zufuhr von Wärme, die von den Heizelementen abgegeben wird, profitieren könnten;
- – das Verteilermodul für Vorrichtungen zum Injizieren von Additiven jeglicher Art bestimmt wird, für die sich ebenfalls das Problem des Einfrierens bei tiefen Umgebungstemperaturen stellt;
- – die Erfindung auf andere Bereiche als den Automobilbereich angewandt wird, das heißt auf jegliche Maschinen, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2206897 A1 [0004]
- EP 0953739 B1 [0005]
- FR 2942511 A1 [0007]
