DE102014223555A1 - Device with a sensor for measuring an NH3 concentration - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine für Versuchs- und Forschungsbereiche einsetzbare Vorrichtung (1) zur Messung einer NH3-Konzentration bei einer SCR-Abgasreinigung. Die Vorrichtung (1) dient der Anordnung eines Sensors (3) im Abgasstrom eines Abgasendrohrs (2) und ist zu diesem Zweck mit einem rohrförmigen Anschlusselement (4) ausgestattet, an dem der Sensor (3) angebracht ist. Die Fixierung des Anschlusselementes (4) an dem Abgasendrohr (2) erfolgt mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt (8) des Abgasendrohres (2) anlegbaren Kupplungselementes (9) aus Silikon, welches aufgrund seiner elastischen und flexiblen Materialeigenschaften eine einfache und werkzeuglose Fixierung an den Abgasendrohr (2) gestattet.The invention relates to an apparatus (1) which can be used for experimental and research areas for measuring an NH 3 concentration in an SCR exhaust gas purification. The device (1) is used to arrange a sensor (3) in the exhaust gas flow of an exhaust end pipe (2) and is equipped for this purpose with a tubular connecting element (4) on which the sensor (3) is mounted. The fixing of the connecting element (4) to the exhaust end pipe (2) by means of a sealing against a peripheral portion (8) of the exhaust end pipe (2) can be applied coupling element (9) made of silicone, which due to its elastic and flexible material properties a simple and tool-free fixation to the Exhaust tailpipe (2) allowed.
Description
Die Erfindung betrifft eine mit zumindest einem Sensor ausgestattete Vorrichtung zur Messung einer NH3-Konzentration bei einer mit einem SCR-Katalysator ausgestatteten Abgasanlage an einem Abgasendrohr eines Kraftfahrzeuges. The invention relates to a device equipped with at least one sensor for measuring an NH 3 concentration in an exhaust system equipped with an SCR catalytic converter on an exhaust gas end pipe of a motor vehicle.
Über die vergangenen Jahre sind die Emissionsrichtlinien für Verbrennungsmotoren immer strenger geworden. Die gesetzlich festgelegten Höchstmengen von NOx und Partikeln aus Verbrennungsmotoren sind so niedrig, dass die Emissionsniveaus in vielen Fällen nicht mit verbesserten Verbrennungstechnologien erfüllt werden können. Deshalb ist der Einsatz der Abgasnachbehandlung zur Eliminierung der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstandenen Gifte und unverbrannten Kraftstoffkomponenten unabdingbar.. Over the past few years, emissions standards for internal combustion engines have become increasingly stringent. The statutory maximum levels of NOx and particulates from internal combustion engines are so low that in many cases emission levels can not be met with improved combustion technologies. Therefore, the use of exhaust aftertreatment to eliminate the toxins and unburned fuel components produced during the combustion of fuel is indispensable.
Die im Abgas eines Kraftfahrzeuges enthaltenen unerwünscht emittierten Stoffe können in zwei Gruppen unterschieden werden. So bezeichnet der Begriff Primäremission chemische Substanzen, die durch den Verbrennungsprozess des Kraftstoffes im Motor direkt entstehen und bereits vor dem Passieren von Abgasreinigungseinrichtungen in der sogenannten Rohemission vorhanden sind, beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, NOx, Partikel. Als Sekundäremission werden solche chemische Substanzenbezeichnet, die als Nebenprodukte in der Abgasreinigungsanlage entstehen können, beispielsweise NH3 oder N2O. The undesirable substances contained in the exhaust gas of a motor vehicle can be divided into two groups. For example, the term primary emission refers to chemical substances which are produced directly by the combustion process of the fuel in the engine and are already present in the so-called raw emission before passing through exhaust gas purification devices, for example unburned hydrocarbons, NOx, particles. As a secondary emission such chemical substances are referred to, which may be formed as by-products in the emission control system, such as NH 3 or N 2 O.
Die unerwünschten Gase Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff können aus dem mageren Abgas durch Oxidation an einem geeigneten Oxidationskatalysator leicht unschädlich gemacht werden. Die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas eines mager betriebenen Verbrennungsmotors wesentlich schwieriger. Für die Entfernung der Partikelemissionen ist der Einsatz spezieller Dieselpartikelfilter bislang unumgänglich. The undesirable gases carbon monoxide and hydrocarbon can be easily rendered harmless from the lean exhaust gas by oxidation on a suitable oxidation catalyst. The reduction of nitrogen oxides to nitrogen is much more difficult because of the high oxygen content in the exhaust gas of a lean-burn internal combustion engine. For the removal of particle emissions, the use of special diesel particulate filters has been unavoidable so far.
Bekannte Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen sind zum einen Verfahren unter Verwendung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren (NOx Storage Catalyst – NSC) und zum anderen Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduktion – SCR) mittels Ammoniak an einem geeigneten Katalysator, kurz SCR-Katalysator. Known methods for removing nitrogen oxides from exhaust gases are on the one hand a method using nitrogen storage catalysts (NOx Storage Catalyst - NSC) and on the other hand, selective catalytic reduction (SCR) method using ammonia on a suitable catalyst, abbreviated SCR- Catalyst.
Beispielsweise beschreibt die
Dabei wird, je nach Motorenkonzeption und Aufbau der Abgasanlage, zwischen "aktiven" und "passiven" SCR-Verfahren unterschieden, wobei bei "passiven" SCR-Verfahren in der Abgasanlage gezielt generierte Ammoniak-Sekundäremissionen als Reduktionsmittel zur Reduktion der Stickoxide genutzt werden. Depending on the engine design and design of the exhaust system, a distinction is made between "active" and "passive" SCR methods, with "passive" SCR processes in the exhaust system using specifically generated secondary ammonia emissions as reducing agents for the reduction of nitrogen oxides.
Solche "passiven" SCR-Verfahren haben den Nachteil, dass einer ihrer wesentlichen Bestandteile die Bereitstellung fetter, also sauerstoffarmer Abgasbedingungen ist, die in der Regel zur in-situ-Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel benötigt werden. Such "passive" SCR processes have the disadvantage that one of their essential components is the provision of rich, ie oxygen-poor exhaust conditions, which are generally required for the in-situ generation of ammonia as a reducing agent.
Demgegenüber wird in "aktiven" SCR-Verfahren das Reduktionsmittel aus einem mitgeführten Zusatztank mittels einer Einspritzdüse in den Abgasstrang eindosiert. Als solches kann außer Ammoniak auch eine leicht zu Ammoniak zersetzliche Verbindung wie zum Beispiel Harnstoff oder Ammoniumcarbamat verwendet werden. Ammoniak muss dem Abgas mindestens im stöchiometrischen Verhältnis zu den Stickoxiden zugeführt werden. In contrast, in "active" SCR process, the reducing agent is metered from an entrained additional tank by means of an injection nozzle in the exhaust line. As such, in addition to ammonia, an easily ammonia-decomposable compound such as urea or ammonium carbamate may also be used. Ammonia must be supplied to the exhaust gas at least in the stoichiometric ratio to the nitrogen oxides.
Die genaue Dosierung des Ammoniaks bereitet wegen der stark schwankenden Betriebsbedingungen der Kraftfahrzeuge große Schwierigkeiten. Dies führt teilweise zu erheblichen Ammoniak-Durchbrüchen nach dem SCR-Katalysator. The exact dosage of ammonia causes great difficulties because of the highly fluctuating operating conditions of motor vehicles. This sometimes leads to significant ammonia breakthroughs after the SCR catalyst.
Die
Die
Darüber hinaus ist aus der
Ziel bei der Applikation einer SCR-Dosierstrategie ist das Einstellen eines NH3-Speicherfüllstandes bei gegebenen Randbedingungen für eine optimale NOx-Konvertierungsrate ohne NH3-Schlupf nach dem Katalysator. The aim of applying an SCR dosing strategy is to set an NH 3 storage level under given boundary conditions for an optimum NO x conversion rate without NH 3 slip after the catalyst.
Typischerweise wird die Applikation der SCR-Dosierstrategie an einem Prüfstand für eine Motor-Abgasanlage-Konfiguration durchgeführt. Die Übertragung der dabei ermittelten Messwerte auf den Betrieb des Kraftfahrzeuges unter realen Fahrbedingungen ist oftmals nur eingeschränkt möglich. Daher ist es sinnvoll, eine Messung von Größen wie NOx-Umsatz oder NH3-Schlupf unmittelbar im Betrieb des Kraftfahrzeuges vorzunehmen. Typically, the application of the SCR dosing strategy is performed on a test bench for an engine exhaust system configuration. The transmission of the measurements thus determined to the operation of the motor vehicle under real driving conditions is often only possible to a limited extent. Therefore, it makes sense to carry out a measurement of variables such as NOx conversion or NH 3 slip immediately during operation of the motor vehicle.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden die hierfür erforderlichen Messsensoren in die vorhandene Abgasanlage insbesondere durch Einbringen von Durchbrüchen für die Messsensoren integriert. According to the current state of the art, the measuring sensors required for this purpose are integrated into the existing exhaust system, in particular by introducing openings for the measuring sensors.
Als nachteilig erweist sich der damit verbundene Aufwand, der vor allem durch die zumindest teilweise Demontage der Abgasanlage entsteht. Weiterhin entsteht auch bei einem späteren Rückbau ein erheblicher Zusatzaufwand, sodass oftmals auf den Ausbau der Sensoren verzichtet wird. Zudem lassen sich die eingebrachten Durchbrechungen nur mit hohem Aufwand wieder schließen. A disadvantage is the associated effort, which is mainly caused by the at least partial disassembly of the exhaust system. Furthermore, a considerable additional effort is also incurred in a later dismantling, so often dispensed with the expansion of the sensors. In addition, the introduced openings can close again only with great effort.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung einer NH3-Konzentration zu schaffen, welche eine Messung unter realen Betriebsbedingungen ohne einen substantiellen Eingriff in die Abgasanlage des Kraftfahrzeuges gestattet. Insbesondere soll die Vorrichtung schnell und flexibel, vor allem auch bei unterschiedlichen Fahrzeugen, einsatzbereit sein und sich zudem ohne bleibende Änderungen von dem Kraftfahrzeug entfernen lassen. Against this background, the invention has the object to provide a device for measuring an NH 3 concentration, which allows a measurement under real operating conditions without a substantial interference with the exhaust system of the motor vehicle. In particular, the device should be fast and flexible, especially for different vehicles, ready for use and also can be removed without permanent changes of the motor vehicle.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved with a device according to the features of claim 1. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.
Der Sensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere ein Sensor zur Messung einer NH3-Konzentration. The sensor of the device according to the invention is in particular a sensor for measuring an NH 3 concentration.
Erfindungsgemäß hat also die Vorrichtung ein rohrförmiges Anschlusselement zur lösbaren Fixierung an dem Abgasendrohr mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt des Abgasendrohres anlegbaren Kupplungselementes, wobei das Anschlusselement mit einem Träger für den Sensor derart ausgestattet ist, dass der Sensor in den freien Strömungsquerschnitt des Anschlusselementes hineinreicht, wobei das Anschlusselement in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Sensor einen Abgasauslass aufweist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise eine insbesondere werkzeuglose Montage des Sensors an dem Abgasendrohr ohne eine Veränderung der vorhandenen Abgasanlage ermöglicht, indem die Vorrichtung in Verlängerung des Abgasendrohres angeordnet wird. Indem die Abgasanlage während der Messung ohne Eingriffe in den Abgasstrom, insbesondere also ohne eine durch den Sensor verursachte Beeinträchtigung der Abgasströmung innerhalb der Rohrleitung funktionsbereit ist, werden unerwünschte und das Messergebnis verfälschende Wechselwirkungen zwischen dem Sensor und der Abgasanlage, insbesondere dem SCR-Katalysator, vermieden. Zudem gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung einen universellen Einsatz ohne spezielle Anpassungen und kann jederzeit rückstandslos entfernt werden. According to the invention, therefore, the device has a tubular connecting element for releasably fixing to the exhaust gas end pipe by means of a sealing element engageable against a peripheral portion of the exhaust end pipe coupling element, wherein the connecting element is equipped with a support for the sensor such that the sensor extends into the free flow cross-section of the connecting element, wherein the connection element has an exhaust gas outlet behind the sensor in the flow direction of the exhaust gas. As a result, a particularly tool-free installation of the sensor on the exhaust pipe end without changing the existing exhaust system is possible in a surprisingly simple manner by the device is arranged in extension of the exhaust pipe end. By the exhaust system during the measurement without interference with the exhaust stream, in particular without a caused by the sensor impairment of the exhaust gas flow within the pipeline is ready, unwanted and the measurement result falsifying interactions between the sensor and the exhaust system, in particular the SCR catalyst avoided , In addition, the device of the invention allows universal use without special adjustments and can be removed at any time without residue.
Indem das Kupplungselement mit einem Dichtungselement zur gasdichten Anlage an dem Abgasendrohr ausgestattet ist, werden unerwünschte Strömungsverluste zuverlässig vermieden. Dabei kann das Dichtungselement insbesondere derart ausgeführt sein, dass in dem Übergangsbereich zwischen dem Abgasendrohr und dem Kupplungselement lediglich geringe Strömungsverluste entstehen und der freie Strömungsdurchlass nicht vermindert wird. By the coupling element is equipped with a sealing element for gas-tight contact with the exhaust tailpipe, unwanted flow losses are reliably avoided. In this case, the sealing element may in particular be designed such that only small flow losses occur in the transition region between the exhaust gas end pipe and the coupling element and the free flow passage is not reduced.
Hierzu weist vorzugsweise das Dichtungselement eingeschränkt elastische und/oder flexible Materialeigenschaften auf, sodass eine zuverlässige Abdichtung auch ohne ein zusätzliches Fixiermittel erreicht wird. Beispielsweise eignen sich für derartige Zwecke Dichtungselemente aus Silikon, welche dadurch zugleich eine gute Temperaturbeständigkeit aufweisen. Das Dichtungselement kann dabei als eine Tülle, Manschette oder auch abschnittsweise als Faltenbalg ausgeführt sein. For this purpose, preferably, the sealing element has limited elastic and / or flexible material properties, so that a reliable seal is achieved without an additional fixative. For example, sealing elements made of silicone, which at the same time have good temperature resistance, are suitable for such purposes. The sealing element can be designed as a spout, sleeve or even sections as a bellows.
Indem das Dichtungselement darüber hinaus auch eine ausreichende Formstabilität aufweist, kann so zugleich die Haltefunktion für das Kupplungselement durch das Dichtungselement realisiert werden. Darüber hinaus kann das Anschlusselement mittels einer derart flexiblen oder elastischen Dichtung an nahezu beliebige Abgasendrohrformen, insbesondere also auch von der Kreisform abweichende Auslassöffnungen, problemlos angepasst werden. Beispielsweise kann das Dichtungselement ohne Änderungen auch an ovalen Abgasendrohren angebracht werden. In addition, by the sealing element also has a sufficient dimensional stability, so at the same time the holding function for the coupling element can be realized by the sealing element. In addition, the connection element by means of such a flexible or elastic seal on Almost any Abgasendrohrformen, especially so also deviating from the circular shape outlet openings are easily adapted. For example, the sealing element can also be attached to oval exhaust tailpipes without changes.
Das Kupplungselement könnte zu diesem Zweck in die auslassseitige Öffnung des Abgasendrohres eingeführt werden. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem das Kupplungselement mittels eines Fixiermittels kraftschlüssig an einem äußeren Umfangsabschnitt des Abgasendrohres positionierbar ist, sodass der freie Auslassquerschnitt des Abgasendrohres durch die Vorrichtung nicht beschränkt wird. The coupling element could for this purpose be introduced into the outlet-side opening of the exhaust end pipe. In contrast, an embodiment of the method in which the coupling element can be positioned by means of a fixing means in a force-fitting manner on an outer circumferential section of the exhaust gas end pipe is particularly practical, so that the free outlet cross section of the exhaust gas end pipe is not restricted by the device.
Bei einer weiteren, ebenfalls besonders sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung weist der Träger eine Aufnahme zur insbesondere radialen Fixierung des Sensors auf, wobei die radiale Position, beispielsweise mittels eines Gewindes des Trägers derart eingestellt werden kann, dass sich der Sensor bis in den Bereich einer Strömungsmittelachse oder einer geometrischen Mitte der Auslassöffnung des Abgasendrohres erstreckt. In another, also particularly useful embodiment of the invention, the carrier has a receptacle for particular radial fixation of the sensor, wherein the radial position, for example by means of a thread of the carrier can be adjusted so that the sensor into the region of a fluid axis or a geometric center of the outlet opening of the exhaust end pipe extends.
Gemäß einer weiteren besonders zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung ist der zumindest eine Sensor mit einer insbesondere vertikalen Orientierung in hängender Anordnung an dem Träger fixiert, sodass dieser vor Umwelteinflüssen, insbesondere Flüssigkeitsansammlungen, weitgehend geschützt in dem Anschlusselement angeordnet ist. According to a further particularly expedient embodiment of the invention, the at least one sensor with a particular vertical orientation is fixed in a hanging arrangement on the carrier, so that it is largely protected from environmental influences, in particular liquid accumulations, arranged in the connection element.
Zudem erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn zumindest ein Sensor austauschbar an dem Träger fixiert ist und daher bei einer möglichen Beschädigung oder zu Kontrollzwecken problemlos von dem Träger und somit von dem Anschlusselement gelöst werden kann. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Träger mit einem Innengewinde, in welches der Sensor mit einem Außengewinde eingeschraubt werden kann, wobei zugleich auch die axiale Position und die Winkelposition in Bezug auf die Strömungsrichtung variabel eingestellt werden kann. In addition, it proves to be particularly practical if at least one sensor is interchangeable fixed to the carrier and therefore can be easily solved in a possible damage or for control purposes of the carrier and thus of the connection element. For this purpose, for example, a carrier with an internal thread, in which the sensor can be screwed with an external thread, wherein at the same time, the axial position and the angular position with respect to the flow direction can be variably adjusted.
Dabei kann eine besonders zuverlässige Fixierung und zugleich eine verbesserte Dichtungswirkung dadurch erreicht werden, dass das Fixiermittel zumindest eine Rohrschelle umfasst. Auf diese Weise kann eine vorbestimmte Klemmkraft eingestellt werden. Zudem eignen sich derartige Schellen auch zur Fixierung an nicht rotationssymmetrischen Abgasendrohren. In this case, a particularly reliable fixation and at the same time an improved sealing effect can be achieved in that the fixing means comprises at least one pipe clamp. In this way, a predetermined clamping force can be adjusted. In addition, such clamps are also suitable for fixing to non-rotationally symmetrical exhaust tailpipes.
Das Anschlusselement könnte in einer einfachen Ausführungsform durch einen Rohrabschnitt realisiert werden. Besonders sinnvoll ist darüber hinaus zudem auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Kupplungselement einen ersten, an das Abgasendrohr angepassten Leitungsquerschnitt und einen gegenüber dem ersten Leitungsquerschnitt erweiterten zweiten Leitungsquerschnitt für das Anschlusselement aufweist, wobei zwischen dem ersten Leitungsquerschnitt und dem zweiten Leitungsquerschnitt ein Übergangsbereich mit einer stetigen Querschnittserweiterung vorgesehen ist. Hierdurch eignet sich das Kupplungselement auch für große Auslassquerschnitte eines Abgasendrohres, beispielsweise bei Nutzfahrzeugen. Zudem kommt es im Bereich des zweiten Leitungsquerschnitts zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, die zu einer Verbesserung der Messwerterfassung führt. Eine Beeinträchtigung oder Fehlereinflüsse auf die Messung aufgrund der Querschnittserweiterung sind hingegen ausgeschlossen, weil mittels des Sensors die Konzentration gemessen wird. The connecting element could be realized in a simple embodiment by a pipe section. Moreover, an embodiment in which the coupling element has a first line cross-section adapted to the exhaust end pipe and a second line cross-section for the connection element that has been widened with respect to the first line cross-section is particularly useful. A transition region with a continuous region exists between the first line cross-section and the second line cross-section Cross-sectional extension is provided. As a result, the coupling element is also suitable for large outlet cross sections of an exhaust end pipe, for example in commercial vehicles. In addition, in the region of the second line cross section, the flow velocity is reduced, which leads to an improvement in the measured value acquisition. An impairment or error influences on the measurement due to the cross-sectional widening are excluded, however, because the concentration is measured by means of the sensor.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Sensor zur kontinuierlichen, zyklischen und/oder diskontinuierlichen Messung ausgeführt ist, um so den Verlauf der Messwerterfassung in Verbindung mit einer Vielzahl von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zuverlässig auswerten zu können. Furthermore, it is advantageous if the sensor is designed for continuous, cyclical and / or discontinuous measurement in order to be able to reliably evaluate the course of the measured value detection in conjunction with a multiplicity of operating parameters of the internal combustion engine.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung erfasster Messwerte auf. Hierdurch kann auf die Verlegung von Signalleitungen zur Übermittlung der erfassten Messwerte an eine Steuereinheit verzichtet werden. Vielmehr ist die Vorrichtung nach dem Anbringen an dem Abgasendrohr unmittelbar betriebsbereit, wobei gegebenenfalls eine elektrische Energieversorgung in Form eines Energiespeichers an dem Anschlusselement angebracht wird. The device preferably has an interface for wireless data transmission of acquired measured values. This makes it possible to dispense with the laying of signal lines for the transmission of the detected measured values to a control unit. Rather, the device is immediately ready for operation after attachment to the exhaust pipe end, with optionally an electrical energy supply in the form of an energy storage device is attached to the connection element.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Explosionsdarstellung eine insbesondere im Versuchs- und Forschungsbereich einsetzbare Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung contraption
- 22
- Abgasendrohr tailpipe
- 33
- Sensor sensor
- 44
- Anschlusselement connecting element
- 55
- Träger carrier
- 66
- Innengewinde inner thread
- 77
- Außengewinde external thread
- 88th
- Umfangsabschnitt peripheral portion
- 99
- Kupplungselement coupling member
- 1010
- Fixiermittel fixer
- 1111
- Leitungsquerschnitt Wire Gauge
- 1212
- Leitungsquerschnitt Wire Gauge
- 1313
- Leitung management
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 99/39809 A1 [0006] WO 99/39809 A1 [0006]
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- 2014-11-18 DE DE102014223555.3A patent/DE102014223555A1/en not_active Withdrawn
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