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Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeits-Sekundärluftpumpe, im folgenden Hi-speed Pumpe genannt, wie sie für die sogenannte „Sekundärluft-Einblasung” in der Abgastrakt der Kfz-Ottomotoren zur Zwecke der Schadstoffminderung benutzt wird. Diese Sekundärluftpumpen funktionieren eine kurze Zeit beim erst Start des kalten Motors, um eine Nachverbrennung der residualen Kraftstoffreste zu bewirken.
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In der üblichen Bauweise (siehe
DE 19510553 ,
DE 4301666 ) sind diese Sekundärluftpumpen Gebläsen mit einem Seitenkanal- oder Radial-Gebläserad, welches relativ groß in Durchmesser ist, an welchem sich einen Permanentmagnet-Kommutatormotor anschließt, welches, durch die technischen Gegebenheiten bedingt eine maximale Betriebsdrehzahl von circa 20.000 U/min erreicht.
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Diese Drehzahlbeschränkung führt dazu, dass der Durchmesser der Radialgebläseräder relativ groß ist, um den notwendigen Druck zu erreichen. Um der Gesamtdurchmesser der Pumpe, also der der sogenannten Spiralgehäuse möglichst klein zu harten, werden oft für das Erreichen höherer Drücke zwei oder sogar drei Gebläseräder auf der Motorwelle montiert, die durch geeignete Zwischenwände getrennt sind, derart, dass die Drücke der einzelnen Stufen sich addieren. Dies bringt mehrere Umlenkungen der schnellen Luftströmung, welche Leistungs- und Wirkungsgradverluste verursacht.
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Im Laufe der Jahre stellten sich in der modernen Kfz Technik Abmessungen der Sekundärluftpumpen von circa 120–140 mm Durchmesser (Spiralgehäuse), bei einer Gesamtlänge der Pumpe von circa 150 bis 200 mm ein, mit entsprechendem Gewicht. Trotzdem lässt die Leistungsfähigkeit dieser Pumpen zu wünschen übrig; (Gesamt Wirkungsgrad unter 30%, maximale Leistungsaufnahme unter 400 W), so dass manche Hersteller größerer Motoren genötigt sind, gleichzeitig zwei Pumpen zu benutzen, um die geforderte Leistung zu erreichen.
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Dies schafft natürlich schwierige Einbauprobleme, wenn man berücksichtigt, wie eng der Raum unter der Motorhaube bei modernen Fahrzeugen ist Man kann sich der Umfang dieser Probleme besser vergegenwärtigen, wenn man in englischsprachigen Foren, Bilder, nach „secondary air pump” „Googelt”.
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Aufgabe die Erfindung ist es, diese Nachteile durch die Verwendung eines speziellen kompakten, zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotors, vorzugsweise im Flachbauweise, mit Betriebsdrehzahlen über 30.000 U/Min, welches in einem kompakten Zusammenbau ein einstufiges Radialgebläse antreibt, zu beseitigen. Damit kann man unerwartete Leistungs- und Effizienzsprünge erreichen, so dass bei circa 1 kW, die Sekundärluftpumpe nur 100 mm Durchmesser hat, bei circa, 70 mm Länge. Die Lösung der Aufgabe wurde die eine Kombination verschiedenster auf diesem Gebiet neuer Techniken möglich, was ein entscheidender Leistungssprung bei einer drastischen Verkleinerung des Produktes führt, was neue Anwendungsfelder eröffnet.
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Durch die außergewöhnliche Erhöhung der Drehzahl des Motors, zwischen circa 30000 und 150.000 U/min ist es möglich, mit einem einzigen Gebläserad, welches klein in Durchmesser ist trotzdem die notwendigen Förderdrucke in einer einzigen Stufe zu erreichen. Dieses Drehzahlbereich, im Laufe dieser Erfindung als Hi-speed bezeichnet, gestattet dass der Motor bei kleineren Abmessungen und geringem Gewicht trotzdem eine sehr hohe Leistung zu Stande bringt (bis circa 1 kW, Gesamt Wirkungsgrade sogar über 50%). Um diese Leistungen zu erreichen ist nicht nur die spätere Auswahl der Bauteile, wie unten beschrieben notwendig, sondern auch die konstruktive Feinabstimmung der verschiedenen Bauteile aufeinander. Auf dieser Grundlage ist es also möglich, die Abmessungen der Hi-speed Pumpe so klein zu halten, dass sie mehr als 50% kleiner und circa 50% leichter als übliche Pumpen ist und trotzdem die doppelte Leistung bringt; das Gewicht- beziehungsweise Raumvorteil, wenn man die doppelte Leistung berücksichtigt beträgt circa 75%.
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Um das Produkt Hi-speed Pumpe preiswert zu gestalten, wird hier einen wenig bekannten, geschalteten zweiphasigen Reluktanzmotor (S. R. Motor) in Flachbauweise eingesetzt, wie z. B. von der
EP 0782781 bekannt. Zweiphasige Motoren dieser Art bieten höchste Leistungsdichten.
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1 zeigt die rotierenden Teile einer solchen Pumpe. Das hier gezeichnete radiale Gebläserad 1 besteht aus der Basisscheibe 1.1, die Deckscheibe 1.2 und die dazwischen befindlichen Flügel 1.3. Man kann im Sinne der Erfindung dieses beschriebene und gezeichnete Gebläserad einsetzen, oder andere Formen radialer- oder radial-axialer Gebläseräder, ähnlich denen die man in der Staubsauger- oder Turboladertechnik kennt, die von der Motorwelle angetrieben werden. Insbesondere die stark profilierten Gebläseräder werden ohne Deckscheibe 1.2 hergestellt und meistens einteilig.
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Die preiswerten, mehrteiligen Gebläseräder 1 aus gestanztem Aluminiumblech, wie z. B. die von Staubsaugern, ähnlich dem Gebläserad aus 1, sollten bei diese Anwendung eine spezielle Form mit einer leicht kegelförmigen, oder mit Prägungen gestalteter Basisscheibe 1.1 haben, um die Steifigkeit der Befestigung auf der Motorwelle zu erhöhen. Dies ist notwendig, um ein mögliches Flattern des Gebläserades 1 auf der Motorwelle 2.1 zu unterdrücken. Dieses Flattern könnte zu Berührungen des Gebläserades mit dem Gebläsegehäuse 5 (4) führen, zu welchem das Gebläserad 1 einen möglichst kleinen Abstand einhalten müsste. Es hat sich gezeigt, dass dieser geringe Abstand (möglichst unter 1 mm, insbesondere im Bereich des Außenumfanges des Gebläserads 1) die Luftverwirbelungsverluste reduzieren kann, welche bei den Hi-speed Drehzahlen dieses Gebläses beträchtlich sein können.
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Die 1a zeigt ein Gebläserad wie in 1, jedoch ohne Deckscheibe 1.2. In manchen Fällen kann dieser Bauweise vorteilhaft sein; gegenüber den Flügeln befindet sich die Wand des Gebläsegehäuses 5, der gegenüber sich die Flügel 1.3. sich in möglichst geringen Abstand drehen. Dies ist notwendig, um die Druckverluste möglichst klein zu halten. In diesem Bereich ist das Gebläsegehäuse wie eine Negativform der (fehlenden) Deckscheibe 1.2 aus 1. gestaltet. Im Bereich der Saugöffnung 1.4 kann diese Wand mit einem Saugstutzen fortgesetzt werden. In dem Bereich, welches zwischen den Außendurchmesser des Gebläserades 1 und dem Durchmesser der Saugöffnung 1.4 liegt, kann es als Folge der so klein wie möglich einzuhaltenden Toleranzen zu Berührungen zwischen der Frontseite der Flügel 1.3 und dieses Bereich der Wand kommen. Bei sehr hoher Drehzahl ist so eine Berührung recht gefährlich, weil sie zu Verschweißung oder Verschmelzung der sich berührenden Teile führt. Um trotzdem die Abstandstoleranzen der Frontseite der Flügel 1.3 eng zu halten, kann nach der Lehre der Erfindung die Seitenwand des Gebläsegehäuses 5, gegenüber den Flügel 1.3 mit einer weichen Masse beschichtet werden, die relativ temperaturbeständig ist und gute Gleiteigenschaften hat, die bei einer eventuellen Berührung mit der Frontseite der Flügel teilweise abgerieben wird, und auf diese Weise zerstörerische Konsequenzen einer eventuellen Berührung vermeidet. Diese Schicht, mit einer Stärke von circa 0,1 bis 0,5 mm kann eine Art Gleitlack, z. B. auf der Basis von MoS2 oder Graphit sein, welche um weicher zu werden, gegebenenfalls mit Talkum, Microbaloons, usw. gefüllt ist. Die gleiche Beschichtung kann auch auf anderen Seiten des Gebläsegehäuses 5 verwendet werden, wo es eventuell zu Berührungen kommen könnte.
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Der Rotor 2.4 des Motors 2 hat eine Motorwelle 2.1 welche die Basisscheibe 1.1 antreibt, zusätzliche Elemente wie Kugellager 2.2 und Abstandhülse 2.3, die zu der Befestigung des Gebläserades 1 dienen. Das Gebläserad hat eine Saugöffnung 1.4, welche zentrisch zu der Motorwelle ist. Bei den Gebläserädern 1 ohne Deckscheibe 1.2. entspricht diese Saugöffnung dem Eintrittsdurchmesser (Saugseite) der Luft in das Gebläsegehäuse 5, wie bei Turbolader. Die als Folge der Schleuderwirkung komprimierte Luft entweicht an dem Außenumfang des Gebläserades 1. (Druckseite). Um eine bestmögliche Abdichtung innerhalb des Gebläsegehäuses 5 zwischen Saugseite und Druckseite, wie bei solche Pumpen üblich zu realisieren wird ihr ein Spezialstück, das Saugschild 3, siehe 2 verwendet. Die Unterseite des Saugschildes 3 dient (motorseitig) als Lagerschild für den Motor, wofür diese eine Kugellageraufnahme 3.1 hat, die gegenüber dem Motorrahmen 4 zentrisch montiert ist, zum Beispiel über die Bajonettzapfen 3.2. An der Oberseite hat der Saugschild 3 einen runden Kragen, 3.3, welches über möglichst enge Spalten gegenüber der Saugöffnung 1.4 liegt, und so die Luftverluste von der Druckseite in Richtung der Saugseite minimiert. Am Außenumfang des Kragens 3.3 befindet sich ein Montageumfang 3.4, an welchem über geeignete Abdichtungsmittel das Gebläsegehäuse 5 schwingungsdämpfend befestigt wird.
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Zwischen den Bajonettzapfen 3.2 und dem Montageumfang 3.4 erstrecken sich zweckmäßig strömungsgünstig geformte Speichen 3.5, welche nach Bedarf gestatten, dass Luft vom Rotorraum des Motors oder von außen durch die Saugöffnung 1.4 angesogen und in Drehbewegung versetzt wird. Je nach der zweckmäßigen Luftführung, kann die Luft, welche durch den runden Kragen in das Gebläse eingeführt wird entweder radial, zwischen Gebläsegehäuse und Motor, und/oder axial, durch die Lücken des Rotors hineinströmen.
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Es wirkt sich für den Wirkungsgrad der Pumpe positiv, falls die angesaugte Luft entweder durch die Einwirkung des Rotors 2.4 oder der Speichen 3.5 bereits in einer Drehbewegung versetzt wird. Der Saugschild 3 wird derart konzipiert, damit seine Bestandteile die auf einem Kreisumfang liegen wie die Kugellageraufnahme 3.1, der Kragen, 3.3, und der Bajonettzapfen 3.2 im Falle einer spanabhebenden Bearbeitung (wie bei Aluminium Druckgroßteile) in einer einzigen Aufspannung, gegebenenfalls mit einem Mehrfachwerkzeug perfekt zentrisch fertigbearbeitet werden können. Eine um 180° verdrehte die Anordnung des Gebläserades 1 (also die Saugseite nach außen, nicht zwischen Motor und Gebläse) ist möglich und benötigt keinen Saugschild, jedoch hat sie gegenüber der hier dargestellten Lösung Nachteile.
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Die 3 zeigt den weiteren Zusammenbau der in den 1 und 2 gezeigten Gebläseteile sowie anderer Teile des Motors und des Gebläsegehäuses 5. In dem Motorrahmen 4 des Stators (mit vorne abmontierten Magnetjoch, um Sicht auf dem Rotor zu gestatten) erkennt man den Rotor 2.4 und oberhalb dessen der Saugschild 3 zwischen Gebläserad 1 und den Motorrahmen 4, an dem der Saugschild 3 z. B. durch nicht gezeigte, radiale Schrauben befestigt ist Man kann erkennen, dass diese Bauweise zu besonders kurze Sekundärluftpumpen führt.
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Bei der schnellen Drehung des Gebläserades 1 von links nach rechts wird durch die Saugöffnung 1.4 Luft angesogen, welches entweder durch die Pollücken des Rotors oder radial durch den Saugschild 3 hineinströmen kann, siehe fettgezeichnete Pfeile.
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Die verdichtete Luft entweicht an den Umfang des Gebläserades 1, (von einem teilweise gezeichneten Gehäusedeckel 5.3 geschlossen) und strömt in den Schneckenkanal 5.1 des Gebläsegehäuses 5, (hier mit Teilschnitt dargestellt) wovon die komprimierte Luft über den Anschlussstützen 5.2 in Richtung des Pfeils zu dem Verbraucher entweichen kann. Um die Abmessungen (Durchmesser) des Gebläses klein zu halten, wird der Schneckenkanal 5.1 (das so genannte Spiralgehäuse) seitlich, zwischen dem Gebläserad 1 und dem Motor angeordnet. Weitere elektrische Teile des Motors, wie power-Mosfets Transistoren 7, mit Kühlkörper, Sicherungen, Schutzvorrichtungen, Steuerplatinen sowie offenporigen Schaumstoffstücke, die als Luftfilter dienen, können an allen Seiten des Motors 2 innerhalb des Motordeckels 6 untergebracht werden.
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Wie aus der 1 ersichtlich, bilden der Rotor 2.4 des Motors 2 und das Gebläserad 1 eine sich schnell drehende Einheit, die ausgewuchtet werden muss. Aus der 2, (vgl. 3) ist ersichtlich, dass der Saugschild 3, welches mit dem Kugellager 2.2 zwischen Gebläserad 1 und Rotor 2.4 gelagert ist, durch die spezielle Gestaltung mit der Bajonettzapfen 3.2 zusammen mit dem Rotor 2.4 in den Motorrahmen 4 (Stator des Motors) in axialer Richtung montiert, beziehungsweise abmontiert werden kann.
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Diese Gestaltung gestattet, dass der Rotor 2.4 mit montiertem Saugschild 3 und Gebläserad 1 zusammen, in einem einzigen Auswuchtvorgang ausgewuchtet werden kann. Dafür wird der Rotor 2.4 und das Gebläserad 1 über den Kugellager 2.2 des Saugschilds 3 (welches an der Auswuchtmaschine eingespannt ist) zur Zwecke der Auswuchtung mit der passenden Drehzahl gedreht.
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Dies bietet gegenüber dem Stand der Technik, wo z. B. der Rotor des Motors und die zwei bis drei Gebläseräder, wobei jedes einzelne ausgewuchtet werden muss (also drei bis vier Auswuchtvorgänge) ein großes Einsparungspotenzial bei besserer Auswuchtqualität. Die Prüfvorschriften der Kfz Hersteller verlangen dass der Anlaufstrom, welches der Motor verursachen würde einen bestimmten Wert nicht überschreitet, üblicherweise circa das Zweifache des Betriebsstromes.
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Es ist bei einem ”brushless” Motor jederzeit möglich, eine Anlaufstrombegrenzung durch die Elektronik des Motors (PWM-Schaltungen) zu erreichen, jedoch kann diese Lösung teurer und unzuverlässiger sein als die Strombegrenzung mit einem Reihen-Anlaufwiderstand, welches nach dem Anlauf über an diesen angeschlossenen Kontakte kurzgeschlossen werden kann.
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Die Schließung dieser Kontakte kann zeitgesteuert sein (Zeitrelais), jedoch ist es möglich im Sinne dieser Erfindung mit einer einfachen Vorrichtung (Druck- oder Strömungsschalter) dem Reihenwiderstand unmittelbar mit der einsetzenden Funktion der Sekundärluftpumpe (Druckaufbau, Strömungsklappe) kurz zu schließen, indem ein entsprechendes Betätigungsbauteil die Kontakte schließt.
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Der Anlauf der Pumpe kann auch über den Anstieg der Schaltfrequenz des Motors erfasst werden. In diesem Falle schließt ein Relais den Anlaufwiderstand des Motors beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl kurz. Die Anlaufphase der Pumpe ist sehr kurz, circa 0,5 Sek.
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In dieser Zeitspanne bis zum Schließen der Überbrückungskontakte des Anlaufwiderstandes kann man die beträchtliche elektrische Leistung (im 100 W Bereich) die von diesem Widerstand verbraucht wird auch anderweitig nützlich verwenden, so zum Beispiel:
- a) für eine Schutzfunktion (Blockierschutz); schließen sich die Überbrückungskontakte nicht, weil die Pumpe nicht anläuft, so kann das entsprechend bemessene Anlaufwiderstand als eine träge Schmelzsicherung durchbrennen und somit der Motor der Pumpe schützen,
- b) das als Wicklung eines Magnets konzipierter Anlaufwiderstand betätigt (öffnet) ein Ventil, welches einen Eintritt der Motorabgase in der Sekundärluftpumpe verhindern; dieses Ventil kann über einen Reststrom geöffnet gehalten werden, so lange die Pumpe normal läuft,
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An das Gehäuse, oder an Teile des Gehäuses einer Hi-speed Pumpe werden hohe Anforderungen im Hinblick auf Geräuschdämmung und an Dichtigkeit gestellt; man kann dieses Gehäuse wie üblich aus Kunststoffe oder Kunststoffe mit Metalleinsätzen bauen. Die Auswahl eines Kunststoffes ist schwierig, weil die festeren Kunststoffe schlechte Geräuschdämmeigenschaften haben. Zu der Gehäuse gehören zusätzliche Elastomerteile, wie z. B. Dichtungen, Kabeldurchgänge, elastische Aufhängungen der Pumpe, damit diese kein Körperschall auf ein Fahrgestell überträgt.
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Als bessere Alternative, mit wesentlich weniger Teile kann man sich selbst abdichtende Gehäusen aus Metall-Gummi Strukturen einsetzen. Die so gebauten Gebläsegehäuse (5), Gehäusedeckel (5.3), Motordeckel (6) sind aus einem gelochten Metallgerüst (z. B. Blech, gelocht, tiefgezogen) welches mit einer entsprechend ausgeformten Gummischicht überzogen ist. Das Metallskelett gewährleistet die Festigkeit des Teils, und der Gummiüberzug hat nach Bedarf Ausformungen, die die Funktion von Dichtungen, Kabelübergängen, Schwingungsdämpfer, Membranen, usw. erfüllen.
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Die Sekundärluftpumpe, wie alle ”automotive” Produkte müssen sehr preiswert hergestellt werden, was unter anderem von der Seriengröße abhängig ist. Eine Pumpe, welche wesentlich kleiner ist, hat bessere Chancen, als Erstausrüsterprodukt (gegebenenfalls mit kleinen Variationen) oder Ersatzteil in mehreren Fahrzeugtypen eingesetzt zu werden. Daher ist auch Aufgabe dieser Erfindung, die Sekundärluftpumpe derart zu konzipieren, damit diese mit nahezu identische mechanische Hauptteile des Motors (2) und des Gebläses (1), mit einen Minimum am Varianz der übrigen Teile und Werkzeuge für unterschiedliche Leistungen beziehungsweise Fahrzeuge, also mit den niedrigeren Produktionskosten gebaut werden kann. Die Leistungsspanne (Eingangsleistung) wird z. B. von circa 150 W bis 1000 Watt betragen. Die Auswahl eines Motors mit einer sehr ausgeprägten Reihenschlusskennlinie gestattet dass das Gebläse sich sehr unterschiedlichen Lastzuständen ohne weitere Regelung, nur durch die „Elastizität” des gezielt bemessenen Motors anpasst Es ist bei kleineren Leistungen möglich, falls Kunststoffgebläseräder eingesetzt werden, dass man für niedrigere Drehzahlen preiswertere Kunststoffzusammensetzungen einsetzt.
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Der Motor kann in mechanischer Hinsicht für alle Leistungsbereiche (z. B. von 150 W bis 1000 Watt) identisch bleiben. In magnetischer Hinsicht kann man bei geringeren Leistungen preiswertere, dickere Motorbleche einsetzen, sowie gegebenenfalls eine um circa 3 bis 8 mm geringere Blechpakethöhe. Zu der Bemessung der Betriebsdrehzahl ist die Windungszahl der Phasenwicklungen anzupassen, oder die Auswahl des Materials (Kupfer oder Aluminium). So kann das wesentlich teurere Kupfer nur bei den höchsten Leistungsbereichen eingesetzt werden, wobei bei den unteren Leistungsbereichen das wesentlich leichtere und billigere Aluminium als Wicklungsmaterial vollkommen ausreichend ist, was bei Pumpen mit Kommutatormotoren praktisch ausgeschlossen ist. Wie aus 5 ersichtlich ist, kann der Motordeckel 6 sowohl mit Ansaugstutzen, 6.1, und/oder mit mehreren Ansaugöffnungen 6.2 versehen werden, und in verschiedenen Winkel (verdreht) gegenüber dem Gebläsegehäuse 5 plaziert werden. Mehrere Varianten solcher Motordeckel können mit dem gleichen Werkzeug (bei Bedarf durch Umtausch einiger Werkzeugeinsätze) hergestellt werden können. In diesem Motordeckel können in den Zwischenräumen um den Motor auch Luftfilter, aus offenporigen Schaumstoffpassstücken hergestellt, montiert werden. Die Sekundärluftpumpe ist so konzipiert, dass sie gegebenenfalls mit der Saugseite (Motordeckel 6) in den Luftfilter des Ottomotors hineinragen kann, und auf diese Weise bereits gefilterte Luft ansaugen kann. In diesem Fall kann der eigene Luftfilter der Sekundärluftpumpe entfallen.
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Mit diesem Baukastensystem ist gewährleistet, dass mit einem Minimum am Teilen oder Variationen eine große Palette verschiedener Sekundärluftpumpen für verschiedene Fahrzeuge hergestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19510553 [0002]
- DE 4301666 [0002]
- EP 0782781 [0008]
