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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse, in dem in einem kraftstoffbefüllten Triebwerksraum eine Antriebswelle und mindestens ein mit der Antriebswelle zusammenwirkender Pumpenkolben angeordnet sind, wobei der Pumpenkolben an einem Nocken der Antriebswelle über eine Stößelbaugruppe abgestützt ist, wobei ferner die Antriebswelle über mindestens einem in einer Gehäusebohrung ausgebildeten Wellenlager drehbar gelagert ist und an einer Stirnfläche der Antriebswelle eine mittig bezogen auf eine Längsachse der Antriebswelle angeordnete Aussparung zum Durchfluss des Kraftstoffs ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik sind Common-Rail-Pumpen mit mengen- und druckgeregelten Niederdruckkreisläufen, die druckgeschmierte Lager aufweisen, bekannt. Bekannt sind ebenso Common-Rail-Pumpen mit einer sogenannten Sumpfschmierung der Lagerstellen. Hierbei wird lediglich der Bereich vor und nach den Lagerstellen hydraulisch miteinander verbunden, ohne dass eine gezielte Durchströmung der Lager erfolgt, bzw. eine Lagerdurchflussmenge abgeführt wird.
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Bei Konzepten mit druckgeschmierten Lagerstellen muss ein Druckunterschied vor und nach dem Lager vorhanden sein. Der Lagerwerkstoff sollte ausreichend robust z.B. gegen Flow-Erosion sein. Weiterhin muss die Durchströmmenge, die je nach Lagerspiel und Viskosität des Kraftstoffs sehr unterschiedlich sein kann, bei der Festlegung der Niederdruckmengenbilanz seitens der Vorförderpumpe vorgehalten werden.
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Bei sumpfgeschmierten Lagerstellen erfolgt keine gezielte Durchströmung der Lager. Die in den Lagern aufgrund der Reibleistung entstehende Wärme kann nur bedingt abgeführt werden. Sumpfgeschmierte Lager sind daher deutlich weniger belastbar als druckgeschmierte Lager.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der
DE 41 26 640 A1 hervor. Der Kraftstoffhochdruckpumpe ist eine Vorförderpumpe vorgeschaltet, welche einen Ablaufströmungspfad zur Rückführung einer Überschuss-Strömungsmittelmenge zurück in einen Tank umfasst. Zur Anhebung der Belastbarkeit der Bereiche der Kraftstoffhochdruckpumpe, welche einer erhöhten thermischen und/oder mechanischen Belastung unterliegen, werden diese Bereiche in den Ablauf-Strömungspfad einbezogen, so dass die Überschuss-Strömungsmittelmenge diese Bereiche erfasst und effektiv kühlen kann.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet und weist eine Antriebswelle mit einem Exzenterbetrieb zur Betätigung mindestens eines Pumpenelementes auf. Als Bereiche, die einer überhöhten thermischen und/oder mechanischen Belastung unterliegen, sind die gehäuseseitigen Wellenlager sowie die Gleitlager des Exzentertriebs anzusehen. Um diese Bereiche zu schmieren und zu kühlen, werden sie von der Überschuss-Strömungsmittelmenge umspült. Hierzu wird ein Fluidstrom quer durch das Gehäuse an die Antriebswelle heran und entlang der Antriebswelle im Bereich eines ersten Wellenlagers in einen den Exzentertrieb aufnehmenden Triebwerksraum der Pumpe geführt. Über ein weiteres Wellenlager und mehrere Gehäusebohrungen gelangt die Fluidmenge in eine Tank-Ablaufleitung.
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Des Weiteren ist aus der
DE 102 40 310 A1 ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Niederdruckbereich, einer Kraftstoffhochdruckpumpe und einem Hochdruckbereich bekannt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst unter anderem einen Antriebsraum und eine Schmiermittel-Versorgungseinrichtung zur Versorgung beweglicher Teile mit Kraftstoff als Schmiermittel, wobei durch die Schmiermittel-Versorgungseinrichtung der Antriebsraum mit einem Druck beaufschlagt werden kann, der höher ist als der Druck im Niederdruckbereich. In einer Antriebswelle ist ein von einer axialen Endfläche ausgehender und bis zu einem Exzenterabschnitt in Längsrichtung in der Antriebswelle verlaufender Kanal vorhanden. Dieser Kanal mündet über zur Längsachse der Antriebswelle radial verlaufende Stichkanäle in die Mantelfläche der Antriebswelle, und zwar zum einen in einem Bereich des Lagers und zum anderen in einem Bereich des Exzenterabschnitts. Über den Kanal wir eine Schmierung der Lagerstellen auf der Mantelfläche der Antriebswelle gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem vorgehend genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine automatische Generierung einer bedarfsgerechten, internen Lagerdurchflussmenge aufzuzeigen, die automatisch über die jeweilige Drehzahl der Antriebswelle einstellbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß ist an der Stirnfläche der Antriebswelle oder an einer von der Antriebswelle wegzeigenden Stirnfläche einer der Antriebswelle vorgelagerten Scheibe eine Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur ausgebildet. Diese Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur generiert bei Rotation der Antriebswelle eine Zentripetalkraft, die den Kraftstoff von einem Außenumfang der Antriebswelle zu einem Mittelpunkt der Antriebswelle befördert.
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Vorzugsweise weist die Scheibe eine mittig bezogen auf die Längsachse der Antriebswelle angeordnete Aussparung zum Durchfluss des Kraftstoffs auf. Die Aussparung in der Scheibe ermöglicht somit eine fluidtechnische Verbindung zu der Aussparung in der Antriebswelle. Der aus dem Triebwerksraum stammende Kraftstoff wird über die Lagerstellen entlang der Erhebungen und Vertiefungen umfassenden Oberflächenstruktur der Scheibe in die Aussparung gesogen.
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Des Weiteren bevorzugt ist, dass die Stirnfläche der Scheibe mit der Stirnfläche der Antriebswelle bezüglich radialer Abmessungen übereinstimmt. Dadurch lässt sich die Scheibe passgenau an die Stirnfläche der Antriebswelle anbringen. Dies bietet den Vorteil, dass die Stirnfläche der Antriebswelle bezüglich einer zentripetalkrafterzeugenden Strukturierung unbearbeitet bleiben kann. Ferner kann die Scheibe bei fortgeschrittenen Verschleißerscheinungen vorteilhafterweise ausgetauscht werden, sodass ein Austausch der gesamten Antriebswelle entfällt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Scheibe formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Stirnfläche der Antriebswelle verbunden ist. So ist es beispielsweise möglich die Scheibe im Rahmen einer formschlüssigen Verbindung mit der Antriebswelle insbesondere über einer Passfeder zu gestalten. Eine kraftschlüssige Verbindung über Schrauben oder eine stoffschlüssige Verbindung über Kleben ist ebenfalls möglich. Für besonders hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten ist es ebenfalls denkbar die Scheibe aus einer Kombination verschiedener Verbindungstechniken an die Stirnfläche der Antriebswelle anzubringen.
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Vorteilhafter Weise ist die Scheibe aus einem polymeren oder metallischen Werkstoff ausgebildet. Die Ausbildung der Scheibe aus einem Polymer hat den Vorteil, dass die Scheibe aufgrund der geringen Dichte des Werkstoffes eine geringe Masse aufweist. Metallische Werkstoffe hingegen weisen zwar eine höhere Dichte und somit auch eine höhere Masse auf, sind demgegenüber aber verschleißbeständiger. Ein guter Kompromiss zwischen einer hohen Verschleißbeständigkeit und einer geringen Masse der Scheibe, könnte darin bestehen, metallische Werkstoffe aus dem Bereich der Leichtmetalle zu verwenden. Ferner ist es auch denkbar, die Oberfläche zu beschichten, um die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Scheibe über ein Druckgussverfahren oder ein Sinterverfahren herstellbar ist. Das Druckgussverfahren ist von einer hohen Automatisierbarkeit und einer geringen Fertigungsdauer geprägt, insbesondere das Druckgießen von Kunststoffen. Das Sintern von metallischen Werkstoffen hingegen, erlaubt eine individuell einstellbare chemische Zusammensetzung der Scheibe. Ferner kann die Porosität und somit auch die Masse und Oberflächenbeschaffenheit der Scheibe eingestellt werden.
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Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur an der Stirnfläche der Antriebswelle über ein Near-Net-Shape Verfahren im Schmiederohling der Antriebswelle einbringbar ist. Eine direkte Einbringung der Oberflächenstruktur in die Stirnfläche der Antriebswelle ermöglicht eine Einsparung der Scheibe. Durch den Einsatz eines Near-Net-Shape Verfahren wird nicht nur Material aufgrund der endkonturnahen Fertigung eingespart, sondern vielmehr auch Prozessschritte und Zeit, da eine aufwendige Nachbearbeitung entfällt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Erhebungen und Vertiefungen umfassenden Oberflächenstruktur Schaufelblätter ausgebildet. Die Schaufelblätter sind idealer Weise derart geschwungen, dass die Umlaufbahn der Strömung optimiert wird. Es ist aber auch denkbar die Schaufelblätter linear vom Mittelpunkt der Antriebswelle nach außen auszubilden.
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Vorzugsweise ist die Aussparung an der Antriebswelle über mindestens eine radial von der Aussparung wegführenden Schmierbohrung fluidtechnisch mit dem Triebwerksraum verbunden. Die mindestens eine Schmierbohrung realisiert einen Abfluss des Kraftstoffs aus der Aussparung in den Triebwerksraum. Über die Drehzahl der Antriebswelle und dem jeweiligen Abstand zur Längsachse der Antriebswelle variiert die Geschwindigkeit des Kraftstoffs in der mindestens einen Schmierbohrung. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die Lagerstellen ist von der an der Erhebungen und Vertiefungen umfassenden Oberflächenstruktur wirkenden Zentripetalkraft geprägt. Ferner wirkt in der mindestens einen Schmierbohrung eine Zentrifugalkraft auf den Kraftstoff. Über die beiden Kräfte wird ein lokales Druckdelta zwischen dem Triebwerksraum und der Aussparung generiert, und somit ein Kraftstofffluss durch die Lagerstellen realisiert.
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Des Weiteren bevorzugt ist zwischen der Antriebswelle und dem mindestens einen Wellenlager ein Lagerspiel zum Durchfluss des Kraftstoffs vorhanden. Somit wird ein Durchfluss des Kraftstoffs aus dem Triebwerksraum über das Lagerspiel zwischen Antriebswelle und Wellenlager, entlang der Stirnfläche der Antriebswelle, in die Aussparung der Antriebswelle gewährleistet. Durch die mindestens eine Schmierbohrung gelangt der Kraftstoff aus der Aussparung in den Triebwerksraum zurück.
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Die Drehzahl der Antriebswelle reguliert unter anderem die Durchflussgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die mindestens eine Schmierbohrung, wobei mit zunehmender Drehzahl der Antriebswelle die Zentripetalkraft und die Zentrifugalkraft ansteigen, wodurch die Durchflussgeschwindigkeit des Kraftstoffs ebenfalls ansteigt. Da es sich um einen internen Kreislauf entlang der Mantelfläche der Antriebswelle durch die Lagerstellen handelt, wird den Lagerstellen mit zunehmender Drehzahl automatisch mehr Schmier- und Kühlmittel zugeführt.
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Die automatische Regulierung der Schmier- und Kühlmittelzufuhr ist sinnvoll, da sich beispielsweise die Reibleistung von Gleitlagerstellen bei Überschreitung einer bestimmten Drehzahl wieder erhöht und somit auch die Wärmebildung im Lager ansteigt. Das Gleitlager erfährt dadurch bei hoher Drehzahl und einen daraus resultierenden zunehmenden Druckunterschied zwischen Triebwerksraum und Aussparung einen erhöhten Kraftstoffdurchfluss. Der Kraftstoffdurchfluss kann durch eine entsprechende Auslegung von Lagerdurchmesser, Lagerlänge und Lagerspiel gezielt optimiert werden.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein ausschnittsweise dargestelltes Pumpengehäuse einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe mit ein an einer Antriebswelle angeordneten Scheibe,
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch das ausschnittsweise dargestellte Pumpengehäuse der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer eine strukturierte Stirnfläche aufweisende Antriebswelle,
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch die ausschnittsweise dargestellte Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur der Stirnfläche nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
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4 eine schematische Schnittdarstellung durch die Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur der Stirnfläche nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe fördert aus einem Niederdrucksystem zugeführten Kraftstoff, in einen Hochdruckspeicher, aus dem der Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in Brennräume einer Brennkraftmaschine entnommen wird. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine mit Dieselkraftstoff betriebene selbstzündende Brennkraftmaschine.
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Gemäß 1 weist die Kraftstoffhochdruckpumpe ein Pumpengehäuse 1 auf, in dem ein Triebwerksraum 2 ausgebildet ist. Dem Triebwerkraum 2 wird der Kraftstoff von dem Niederdrucksystem zugeführt. In dem Pumpengehäuse 1 ist eine Antriebswelle 3 drehbar gelagert, die in den Triebwerksraum 2 hineinragt und über eine an einem Nocken 5 der Antriebswelle 3 sich abstützende Stößelbaugruppe 6 mit einem Pumpenkolben 4 zusammenwirkt. Der Pumpenkolben 4 fördert den in einem Pumpenarbeitsraum eingebrachten Kraftstoff in den Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail. Der im Pumpenarbeitsraum eingebrachte Kraftstoff wird von einer – hier nicht dargestellten – Zumesseinheit zugemessen, die ebenfalls in das Pumpengehäuse 1 eingebaut ist und mit dem Triebwerksraum 2 verbunden ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in den Triebwerksraum 2 beispielsweise eine konstante Menge an Kraftstoff eingebracht wird und die Zumesseinheit in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Kraftstoffmengen in den Pumpenarbeitsraum einleitet.
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An einer Stirnfläche weist die Antriebswelle 3, welche über zwei Wellenlager 9 und 10 in den Gehäusebohrungen 7 und 8 gelagert ist, eine Aussparung 12a zum Durchfluss des Kraftstoffs auf. Die Aussparung 12a ist mittig bezogen auf eine Längsachse 11 der Antriebswelle 3 angeordnet. An einer von der Antriebswelle 3 wegzeigenden Stirnfläche ist eine eine Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur 14 aufweisende Scheibe 13 angeklebt. Die Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur 14 generiert bei Rotation der Antriebswelle 3 eine Zentripetalkraft 17, die den Kraftstoff von einem Außenumfang der Antriebswelle 3 zu einem Mittelpunkt der Antriebswelle 3 befördert. Ferner weist die Scheibe 13 eine mittig bezogen auf die Längsachse 12 der Antriebswelle 3 angeordnete Aussparung 12b zum Durchfluss des Kraftstoffs auf.
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Über zwei radial von der Aussparung 12a wegführende Schmierbohrungen 16a und 16b in der Antriebswelle 3 entsteht eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Aussparung 12a und dem Triebwerksraum 2. Zwischen der Antriebswelle 3 und dem Wellenlager 9 ist ein Lagerspiel L zum Durchfluss des Kraftstoffs vorhanden. Der Kraftstoff dient als Schmier- und Kühlmittel für die Wellenlager 9 und 10.
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Zwischen der Stirnfläche der Scheibe 13 und einem Gehäusedeckel 18 ist erfindungsgemäß bei jeder axialen Position der Antriebswelle 3 ein Spalt S zum Durchfluss des Kraftstoffs ausgebildet. Aufgrund des Spalts S und des Lagerspiels L entsteht über die Aussparung 11 und die beiden Schmierbohrungen 13 ein interner Kühlfluss und Kraftstoffaustausch durch das Wellenlager 9. Die Zwangsströmung resultiert aus einem Druckunterschied zwischen der Aussparung 12a und dem Triebwerksraum 2, wobei der Druck im Triebwerksraum 2 größer ist als der Druck in der Aussparung 11. Dieser Druckunterschied wir insbesondere von der Zentripetalkraft 17 erzeugt und zusätzlich über eine in den Schmierbohrungen 16a und 16b wirkende Zentrifugalkraft 19 verstärkt.
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Die Nutzung der mit der Drehzahl der Antriebswelle 3 ansteigenden Zentripetalkraft 17 und Zentrifugalkraft 19 ermöglicht eine automatische Generierung einer bedarfsgerechten, internen Lagerdurchflussmenge, die automatisch über die jeweilige Drehzahl einstellbar ist. Je höher die Drehzahl ist, umso größer ist auch die Reibung und Wärmeentwicklung in dem Wellenlager 9 und umso größer sollte die schmierende und wärmeabführende Zwangsströmung durch das Wellenlager 9 sein. Dadurch, dass die Lagerdurchflussmenge nur im Pumpeninnenraum bewegt wird, können Vorförderpumpen entsprechend kleiner dimensioniert werden und somit mit einem reduzierten Energiebedarf betrieben werden.
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In 2 entfällt die Scheibe 13, welche an einer Stirnfläche die Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur 14 aufweist. Stattdessen ist die Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur 14 direkt an der Stirnfläche der Antriebswelle 3 ausgebildet.
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Nach 3 sind in der Erhebungen und Vertiefungen umfassenden Oberflächenstruktur 14 Schaufelblätter 15 ausgebildet. Die Schaufelblätter 15 sind derart geschwungen, dass die Umlaufbahn der Strömung optimiert wird.
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Gemäß 4 sind in der Erhebungen und Vertiefungen umfassenden Oberflächenstruktur 14 die Schaufelblätter 15 linear vom Mittelpunkt der Antriebswelle 3 nach außen ausgebildet.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle der zwei Schmierbohrungen 16a und 16b auch mehrere in sich verzweigte Schmierbohrungen 16 in die Antriebswelle 3 einzubringen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4126640 A1 [0005]
- DE 10240310 A1 [0007]
