DE3226509A1 - Kuehlkreis fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Kuehlkreis fuer brennkraftmaschinen

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Description

Kühlkreis für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Kühlkreis gemäß der Bauart des Patentanspruches 1·
Bei einem bekannten Kühlkreis dieser Bauart gemäß ATZ 83 (1981), Heft 3, S. 113 und 115, sind über- und Unterdruckventil in üblicher Weise mit einem Füllverschluß-Deckel vereinigt, der die Befüllöffnung eines zusätzlichen, im Nebenstrom-Druckkreislauf liegenden Ausgleichsbehälters abschließt. Über eine Befülleitung vom Ausgleichsbehälter zum Mischraum des Mischthermostats und zur unmittelbar daran anschließenden Kühlmittelpumpe liegen Über- und Unterdruckventil während des Betriebes mit einer(m) relativ geringen Druckdifferenz bzw. Druckabfall aus dem Strömungswiderstand an der Saugseite der Kühlmittelpumpe bzw. dessen Saugdruck an. Den über- und Unterdruckventilen ist der zur Atmosphäre offene Ausgleichsbehälter als Wasservorlage zugeschaltet, die die vollständige Entlüftung des Kühlkreises aufgrund der Volumensänderungen bei Anwärm-
und Abkühl-Phasen gewährleistet. Neben dem hohen Bauaufwand dieses bekannten Kühlkreises ist darüber hinaus nachteilig, daß bei stetiger Erwärmung mit Volumenszunahme des Kühlmittels und zugleich ständig hoher Pumpendrehzahl mit hohem Druckaufbau sowie bei alterungs- bzw. verschmutzungs-bedingtem Ansteigen des Kühler-Strömungswiderstandes die höchste auftretende Druckbelastung der Eingangsseite des Kühlers hoch über den normalen Betriebswert ansteigt
bzw. sogar zur Zerstörung des gealterten bzw. verschmutzten Kühlers führen kann.
Bei einem weiteren bekannten Kühlkreis der bekannten Bauart, Pkw-Baumuster Toyota-Tercel, bestehen die vorgenannten Nachteile zwar nicht, weil der Füllverschluß mit Über- und Unterdruckventil in ebenfalls üblicher Weise an Kühler-Vorlauf-Wasserkasten angeordnet ist. Dadurch ist jedoch einerseits ein relativ geringer Druckaufbau mit ungünstiger Kühlfunktion gegeben und andererseits liegt auch das Unterdruckven-til im Überdruckbereich des Kühlkreises, so daß in nachteiliger Weise ein Nachsaugen von Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter nur in der Abkühlphase der abgestellten Maschine möglich ist. Während des Betriebes und nach kurzen Betriebspausen mit teilweiser Abkühlung und teilweisem Druckabfall im Kühlkreis kann dagegen ein an der Saugseite der Kühlmittelpumpe auftretender Unterdruck nicht ausgeglichen werden, so daß Dampf-Blasenbildungen mit Abfall der Pumpenförderleistung bis zum Stillstand der Kühlmittelförderung sowie starke Pumpenkavitation mit Verschleiß-Erhöhung bis zur Funktionsunfähigkeit der Kühlmittelpumpe sowie Lufteintritt durch die Pumpendich';ung auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drucksteuerung des Kühlkreises so zu verbessern, daß sowohl zu hohe als auch zu niedrige Druckwerte vermieden werden, ohne dabei auf die Vorteile der gleichmäßigen Temperaturregelung durch den Mischthermostat verzichten zu müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Anordnung der über- und Unterdruckventile gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 vor. Dadurch werden sowohl zu hohe als auch zu niedrige Druckwerte im Kühlkreis ausgeschlossen, ohne andere vorteilhafte Eigenschaften desselben nachteilig zu beeinflussen.
3ei einem bekannten Kühlkreis ähnlicher Bauart gemäß US-PS 2 799 260 sind je ein über- und Unterdruckventil im Füllverschluß am Kühler-Vorlauf-Wasserkasten und ein weiteres Unterdruckventil in einer zusätzlichen Verbindungsleitung zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Saugseite der Kühlmittelpumpe angeordnet. Die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches sind dadurch zwar bekannt, jedoch ist bei diesem bekannten Kühlkreis kein Mischthermostat noch überhaupt ein Thermostat vorgesehen, der durch seine verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten und Ventilstellungen wesentlichen Einfluß auf den Druckverlauf im Kühlkreis und auch auf die Funktion der über- und Unterdruckventile ausübt. So führt die Kombination eines üblicherweise überwiegend in Vorlauf angeordneten Kühlerventiles eines Thermostats mit der Anordnung der über- und Unterdruckventile am Vorlauf- oder Rücklauf-Wasserkasten des Kühlers zur Funktionslosigkeit eines zusätzlich an der Saugseite der Kühlmittelpumpe angeschlossenen Unterdruckventiles. Dies ergibt sich aus der Rückwirkung des Saugdruckes der Kühlmittelpumpe bis zum während der Anwärmphase der Maschine geschlossenen Kühlerventil des Thermostats, wodurch das im Füllverschluß des Kühlers angeordnete Unterdruckventil die gleiche Funktion wie das weitere Unterdruckventil aufweist, so daß letzteres überflüssig ist (SAE-Bericht 65 04 471, S. 14).
Die erfindungsgemäße Kombination einer seit langem bekannten derartigen Anordnung eines Unterdruckventiles mit einer ebenfalls seit langem bekannten Anordnung de-s Kühlerventils eines Mischthermostats im Kühlerrucklauf (US-PS 1 311 809) war daher in Verbindung mit der nicht ohne weiteres vorhersehbaren Funktion aus dem bekannten Stand der Technik weder angeregt noch nahegelegt worden.
Die Patentansprüche 2 bis 5 enthalten Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
-y-
Durch die Merkmale des Patentanspruches 2 wird eine insbesondere nach dem Befüllen des Kühlkreises vorteilhaft schnelle Entlüftung erreicht, wobei solange durch das geöffnete Entlüftungsventil Luft zum Ausgleichsbehälter und von diesem Kühlmittel über das Unterdruckventil in den Kühlkreis gefördert wird, bis das Entlüftungsventil nach dem Ausströmen der Luft vom Kühlmittel geschlossen wird. Die Anordnung des Entlüftungsventils gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 3 begünstigt die Entlüftungswirkung noch weiter, weil dadurch eine besonders günstige Luftabscheidestelle genutzt wird (SAE-Bericht 6504471).
Die Ausbildung des Entlüftungsventiles gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4 ermöglicht schließlich eine Entlüftung auch bei überdruck im Kühlkreis. Ein Feinsieb nach Patentanspruch 5 schließt ein Undichtwerden der Ventile aus. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Kühlkreis für Brennkraftmaschinen,
Fig. 2 einen Querstromkühler als Teil-Alternative zum Kühlkreis nach Anspruch 1 una
Fig. 3 ein Schwimmerventil als Entlüftungsventil zum Kühlkreis nach Fig. 1.
Eine Brennkraftmaschine 1 enthält einen durch einen Pfeil 2 angedeuteten Kühlmantel, in den das Kühlmittel mittels 3^ einer Kühlmittelpumpe 3 unter Druck gefördert wird. Am Austritt 4 des Kühlmantels 2 ist ein Vorlauf 5 als Leitungsverbindung mit freiem Durchgang zu einem Kühler 6 angeschlossen. Der Vorlauf 5 mündet in einen Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7· Vom Vorlauf 5 zweigt ein Kurzschluß ab und mündet in einen Mischthermostat 9, wobei diese Kündung durch ein Kurzschlußventil 10 des Mischthermostats 9 gesteuert wird. Von einem Kühler-RUcklauf-Wasserkasten 11
führt eine den Rücklauf 12 aus dem Kühler 6 bildende Leitung gleichfalls in den Mischthermostat 9, der ein Kühlerventil 13 für die Steuerung der Einmündung des Rücklaufes 12 enthält. Von einer Mischkammer 14 des Mischthermostats 9 mündet eine Saugleitung 15 aus und mündet in die Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3.
Am Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7 ist ein Überdruckventil 17 angeordnet, das mittels einer Abströmleitung 18 mit einem zur Atmosphäre offenen Ausgleichsbehälter 19 verbunden ist, der gegen Verdunsten des Kühlmittels in seiner Befüll-Öffnung mit einer geschlitzten Dichtscheibe 19' ausgestattet ist. Das überdruckventil 17 kann alternativ (17f bzw. 17") am Vorlauf 5 oder am Kühlmantel 2 der Maschine 1 angeschlossen sein, über eine Nachsaugleitung 20 und ein bevorzugt als Rückschlagventil drucklos ansprechendes Unterdruckventil 21 ist der Ausgleichsbehälter 19 mit der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 verbunden. Während die Abströmleitung 18 alternativ (18') auch mit dem oberen Bereich des Innenraums des Ausgleichsbehälters 19 verbunden sein kann, mündet die Nachsaugleitung 20 in Bodennähe aus dem Innenraum des Ausgleichsbehälters 19 aus. Die Abströmleitung 18 kann schließlich auch gesondert (18") in Bodennähe des Ausgleichsbehälters 19 in diesen einmünden. Das Unterdruckventil 21' kann mit einem Füllstutzen zu einer Baueinheit vereinigt sein.
Parallel zum Überdruckventil 17 bzw. 17' bzw. 17" ist der Abströmleitung 18 ein Entlüftungsventil 22 zugeschaltet,
3^ das durch seine Ausbildung als Schnüffel-, Rückschlagoder Schwimmer-Ventil oder dgl. bei Anlage von Luft und drucklosem Kühlkreis durch Schwerkrafteinwirkung geöffnet ist. Nach Fig. 2 ist dieses Entlüftungsventil 22' am Hochpunkt des Rücklauf-Wasserkastens 11' eines Querstromkühlers 6' angeordnet, von dem die Abströmleitung 18 ausgeht. Ein Querstromkühler 6' ist für diese Anordnung zur besonders wirksamen Entlüftung des Kühlkreises aus dem Grunde geeignet, weil von seinem Vorlauf-Wasserkasten 7'
ciurch die obersten Kühlerrohre 6" nur eine sehr geringe Kühlmittelströmung im Rücklaufwasserkasten 11' erzeugt wird, die ein Abscheiden von Luft im Bereich des Entlüftungsventiles 22' begünstigt. Das Entlüftungsventil 22" kann gemäß Fig. 3 unabhängig von seiner Anordnung entsprechend dem überdruckventil 17, 17' bzw. 17" und dem Entlüftungsventil 22 bzw. 22' als Schwimmerventil ausgebildet sein, dessen Dichtsitz-Fläche mit dem Eigengewicht des Schwimmers so abgestimmt ist, daß das Schwimmerventil 22' bei Ansammlung von Luft auch dann öffnet, wenn im Kühlkreis relativ niedrige überdruckwerte herrschen. Dadurch ist eine Entlüftung des Kühlkreises auch noch während des Betriebes der Maschine mit relativ niedriger Last gewährleistet. Ein dichtes Abschließen des Kühlkreises bei erreichter Entlüftung ist auch hierbei gewährleistet, so daß außer nach einem Neubefüllen des Kühlkreises oder nach einem sonstigen selbsttätigen Entlüften das Entlüftungsventil 22' ständig dicht verschlossen ist. Ein relativ großflächiges Feinsieb 23 vermeidet zusätzlich ein Undichtwerden der Ventile durch Schmutzteilchen.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1, der üblicherweise nach längerem Abkühlen mit einem Kaltstart beginnt, bei dem der ebenfalls abgekühlte Kühlmittelinhalt des gesamten Kühlkreises ein bestimmtes Minimal-Volumen aufweist, enthält der Ausgleichsbehälter 19 einen entsprechenden Minimalinhalt. Beim vorhergehenden Abkühlen fließt nämlich aus dem Ausgleichsbehälter 19 durch die Nachsaugleitung 20 und durch das Unterdruckventil 21 sowie durch die Kühlmittelpumpe 3 ein dem Volumenschwund entsprechendes Kühlmittel-
volumen in den ansonsten durch das überdruckventil 17 allseits verschlossenen Kühlkreis, der sich aus dem Kühlmantel 2, dem Vorlauf 5, dem Kühler 6, dem Rücklauf 12, der Saugleitung 15 und dem Kurzschluß 8 zusammensetzt. Der Inhalt des Ausgleichsbehälters 19 ist aus diesem Grunde so bemessen, daß bei den ortsüblichen tiefsten Umgebungstemperaturen ein völliges Entleeren des Ausgleichsbehälters 19 weitgehend ausgeschlossen ist. Jedoch ist der Kühlkreis auch dann noch unverändert funktionsfähig, wenn bei außer-
j gewöhnlich niedrigen Umgebungstemperaturen eine bestimmte Luftmenge in den Kühlkreis gesaugt wird, weil durch die während des Anwärmlaufes der Maschine auftretende Volumendehnung des Kühlmittels dieser Luftanteil vor dem Erreich chen der Betriebstemperatur durch das Überdruckventil 17 wieder in den Ausgleichsbehälter 19 verdrängt wird.
Das Gesamtvolumen des Ausgleichsbehälters 19 bestimmt sich schließlich zusätzlich aus dem Gesamtinhalt des Kühlkrei- ^Q ses, der höchstmöglichen Wärmedehnung des Kühlmittels im Kühlkreis und einem zusätzlichen Aufnahme-Volumen für eine evtl. überhitzungsbedingte Auswurfmenge durch das überdruckventil 17-
Beim Starten der abgekühlten Maschine führt der erste Drehzahlanstieg sofort zum Aufbau einer Förderhöhe der Kühlmittelpumpe 3, die einerseits ein Absinken des Pumpensaugdruekes unter den vor dem Start im gesamten Kühlkreis gegebenen Umgebungsdruck und andererseits einen Aufbau eines Überdruckes in den der Kühlmittelpumpe 3 nachgeschalteten Kühlkreisabschnitten, Kühlmantel 2, Vorlauf 5, Kurzschluß 8, Kühler 6 und Rücklauf 12 bewirkt. Während dieser überdruck den Öffnungsdruckwert des Überdruckveatiles 17 nicht erreicht, wird durch das auf geringste Druckdifferenz ansprechende Unterdruckventil 21 und durch die Nachsaugleitung 20 aus dem Ausgleichsbehälter 19 so lange Kühlmittel in den Kühlkreis gesaugt, bis an der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 der Umgebungsdruck erreicht ist. Bei diesem Vorgang steigt gleichzeitig der überdruck in den der Kühlmittelpumpe 3 nachgeschalteten Teilen des Kühlkreises weiter an. Die elastischen Schlauchleitungen und evtl. Restlufteinschlüsse in diesem Bereich ermöglichen dabei eine Zunahme des darin enthaltenen Volumens an Kühlmittel, das bei diesem Vorgang aus dem Ausgleichsbehälter 19 nachgesaugt wird.
Während des weiteren Betriebes der Brennkraftmaschine 1 steigt aufgrund des Wärmeüberganges im Kühlmantel 2 auf
-jf-
das Kühlmittel dessen Temperatur stetig an bis der Öffnungstemperaturwert des Mischthermostats 9 von etwa 80° C erreicht wird. Daran schließt sich der Regelbereich des Mischthermostats 9 mit zunehmendem Öffnen des Kühlerveng tils 13 und Schließen des Kurzschlußventils 10 sowie ebenfalls zunehmendem Durchströmen des Kühlers 6 an. Ein weiterer Temperaturanstieg bis über ca. 95° C führt über den Regelbereich des Mischthermostats 9 hinaus bei geschlossenem Kurzschlußventil 10 zum alleinigen Durchströmen des
IQ Kühlers 6 mit dadurch erhöhter Durchflußmenge, Durchflußgeschwindigkeit, Wärmeabfuhr und auch erhöhtem Strömungswiderstand und Druckaufbau im Vorlauf 5 und Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7. Je nach Volumeninhalt und Elastizität des Kühlkreises, insbesondere der Schlauchleitungen des Vorlaufes 5, des Kurzschlusses 8, des Rücklaufes 12 und der Saugleitung 15 sowie ferner je nach der Ausgangstemperatur des Kühlmittelinhalts beim Startvorgang wird der Überdruck-Öffnungswert des überdruckventiles 17 mehr oder weniger frühzeitig vor oder nach dem Öffnen des Kühlerventiles 13 des Mischthermostats 9 erreicht. Dabei wirkt sich mit ausschlaggebend auch die je nach augenblicklicher Drehzahl der Maschine 1 auftretende Förderhöhe der Kühlmittelpumpe 3 aus. Die im Kühlkreis an den verschiedenen Stellen auftretenden Drücke werden durch das Überdruckventil 17 in Verbindung mit den Druckdifferenzen von und bis zur Kühlmittelpumpe 3 bestimmt. Die jeweils höchsten Druckdifferenzen treten in beiden Kühlkreisteilen jeweils bei höchster Maschinendrehzahl auf, während bei niedrigster Leerlaufdrehzahl der Maschine die Druckdifferenzen sehr gering sind und damit, wie auch beim Abstellen der Maschine 1, der gesamte Kühlkreis einen Überdruck entsprechend dem Öffnungsdruckwert des Überdruckventils · 17 annehmen kann.
insgesamt kann somit im Kühlkreis regelmäßig ein Innendruck vom Umgebungsdruck bis zum Öffnungsdruckwert des Überdruckventils 17 sowie darüber hinaus während des Betriebes der Maschine 1 im Kühlmantel 2 und im Vorlauf 5
-J-
sowie im Kurzschluß 8 ein darüber hinausgehender, vom Strömungswiderstand des Kühlkreises abhängiger überdruck auftreten. Die eindeutige Begrenzung der Höchst- und Niedrigst-Druckwerte im Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7 bzw. an der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 vermeiden einerseits eine Drucküberlastung des Kühlers 6 mit entsprechender überdimensionierung in seiner Festigkeit und andererseits einen Druckabfall mit erhöhter Kavitationsgefahr in der Kühlmittelpumpe.
10
Darüber hinaus steht je nach Anordnung des überdruckventiles 17, 17' bzw. 17" in Richtung des mit der Strömungsrichtung des Kühlmittels veränderlichen Druckverlaufes im Kühlkreis und durch Anpassen des Druckwertes des Über-
1^ druckventiles an diesen Druckverlauf nach dem Abstellen der Maschine ein unterschiedlich hoher, im gesamten Kühlkreis einheitlicher überdruck zur Verfügung, der einer Dampfbildung beim Nachheizen bzw. Temperaturausgleich zwischen der Maschine und dem Kühlmittel entgegenwirkt. Dies
2^ trifft zu, obwohl der Druckverlauf während des Betriebes aufgrund des der Anbaustelle angepaßten Druckwertes jeweils unverändert bleibt. Die beste Wirkung in diesem Sinne ergibt sich durch Anschluß des überdruckventiles 17" unmittelbar am Kühlmantel 2 selbst, weil dadurch der vor seinem Austritt 4 während des Betriebes herrschende relativ hohe überdruckwert auch nach dem Abstellen der Maschine als höchstmöglicher statischer überdruckwert im gesamten Kühlkreis zur Verfügung steht. Eine Drucküberlastung der übrigen Kühlkreis-Bauteile ist durch diesen ausschließ
lieh statisch wirksamen überdruck im Gegensatz zu dynamischen Schwell- und Wechselbelastungen jedoch nicht gegeben.
-A -■
1 Positionsliste
1 Maschine
2 Kühlmantel
3 Kühlmittelpumpe
4 Austritt des Kühlmantels
5 Vorlauf
6 Kühler
6 ' Querstromkühler
6" Kühlerrohre
7, 7' Kühler-Vorlauf-Wasserkasten
8 Kurzschluß
9 Thermostat
10 Kurzschlußventil
15 11, 11' Kühler-Rücklauf-Wasserkasten
12 Rücklauf
13 Kühlerventil
14 Mischkammer
15 Saugleitung
20 16 Saugseite der Kühlmittelpumpe
17, 17', 17" überdruckventil
18, 18', 18" Abströmleitung 19 Ausgleichsbehälter
19' Dichtscheibe
20 Nachsaugleitung
21 Unterdruckventil
21 ' Füllstutzen mit Unterdruckventil
22, 22', 22" Entlüftungsventil
23 Feinsieb 30

Claims (1)

  1. 3226503
    Patentansprüche:
    M J Kühlkreis für Brennkraftmaschinen,
    - mit einer Kühlmittelpumpe (3) am Zulauf zum Kühlmantel (2) der Maschine (1),
    - mit einem als Wärmetauscher zwischen Kühlmittel unä
    Umgebungsluft bzw. Außenkühlflüssigkeit ausgebildeten Kühler (6),
    - dessen Vorlauf (5) mit freiem Durchgang am Austritt
    (4) des Kühlmantels (2) und
    - dessen Rücklauf (12) über ein Kühlerventil (13) eines
    Mischthermostats (9) an der Saugseite (16) der Kühlmittelpumpe (3) angeschlossen sind,
    - mit einem als Umgehungsleitung des Kühlers (6) wirksamen Kurzschluß (8),
    - der den Austritt (4) des Kühlmantels (2) über ein
    Kurzschlußventil (10) des Mischthermostats (9) mit der Saugseite (16) der Kühlmittelpumpe (3) verbindet,
    - mit je einem Über- und Unterdruckventil (17, 21) zur
    Begrenzung von Höchst- und Niedrigstdruck im Kühl-30
    kreis und
    - mit- einer Kühlmittelreserve zum Ausgleich druck- und temperaturbedingter Volumensänderungen sowie Verdunstungs- und Leckverluste in einem zur Atmosphäre
    offenen Ausgleichsbehälter (19), 35
    - der wenigstens eine in Bodennähe mündende und an den Kühlkreis über die über- und Unterdruckventile (17, 21) angeschlossene Verbindungsleitung (18, 20) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß das überdruckventil (17 bzw. 17' bzw. 17") vom Bereich zwischen dem Kühlmantel (2) der Maschine (1) und dem Kühler (6) jeweils einschließlich und - daß das Unterdruckventil (21) zwischen dem Kühlerventil (13) des Mischthermostats (9) und der Saugseite (16) der Kühlmittelpumpe (3) an den Kühlkreis angesteuert bzw. angeschlossen sind.
    IQ 2. Kühlkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - daß von einem Fochpunkt zwischen dem Kühlmantel (2) und dem Kühler (6) jeweils einschließlich zum Ausgleichsbehälter (19) eine Entlüftungleitung (Abströmleitung 18) mit einem Entlüftungsventil (22) führt,
    - das durch Schwerkrafteinwirkung öffnet und durch die Einwirkung des Niveau-Spiegels, der Strömung und/oder des Druckes des Kühlmittels schließt.
    3· Kühlkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Entlüftungsventil (22') am Hochpunkt des Rücklauf-Wasserkastens (11') eines Querstromkühlers (6') angeschlossen ist.
    4. Kühlkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Entlüftungsventil (22") als Schwimmerventil ausgebildet ist,
    - bei dem zumindest bei niedrigen Überdruckwerten das Produkt aus Dichtsitz-Fläche und darauf wirksamer Druckdifferenz kleiner ist als das Eigengewicht des Schwimmers.
    5. Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,
    - daß dem überdruckventil (17, 17', 17"), dem Unterdruckventil (21) und/oder dem Entlüftungsventil (22, 22', 22") ein möglichst großflächiges Feinsieb (23) auf der Zuströmseite vorgeschaltet ist.
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