DE4141051A1 - Combustion engine combined with steam turbine - uses heat from exhaust gases to vaporise working fluid for turbine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kur beltrieb und einem Abgasleitsystem, das einen an die Auslässe der Brennräume angeschlossenen Sammelkrümmer, wenigstens ei nen Schalldämpfer und wenigstens ein Auspuffrohr aufweist.The invention relates to an internal combustion engine with a cure drive and an exhaust system that connects you to the outlets of the manifolds connected, at least one NEN muffler and at least one exhaust pipe.
Eine Brennkraftmaschine dieser Gattung ist allgemein bekannt. Durch Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen wird mechanische Energie gewonnen, die auf den Kurbeltrieb übertragen wird und sich zum Antrieb von Arbeits maschinen und Kraftfahrzeugen aller Art nutzen läßt.An internal combustion engine of this type is generally known. By burning a fuel-air mixture in the Mechanical energy is obtained on the combustion chambers Crank drive is transmitted and used to drive work can use machines and motor vehicles of all kinds.
Zentrales Kriterium für die Wirtschaftlichkeit einer Brenn kraftmaschine ist die Höhe des Energieanteils der zugeführten Brennstoffmenge, der in mechanische Nutzenergie umgewandelt wird. Bei allen bekannten Brennkraftmaschinen wird ein be trächtlicher Teil der bei der Verbrennung des Brennstoffes freiwerdenden Wärmemenge im Auspuff nutzlos abgeführt. Um den Energieverlust durch die von der Brennkraftmaschine ausge stoßenen Abgase zu verringern, wurde bisher nur versucht, mittels Abgasturbinen den schwachen Überdruck der Abgase zu nutzen. Wesentlich mehr Energie geht jedoch durch die hohe Abgastemperatur verloren.Central criterion for the profitability of a distillery engine is the amount of energy supplied Amount of fuel that is converted into mechanical useful energy becomes. In all known internal combustion engines, a be prone part of burning the fuel released heat is uselessly dissipated in the exhaust. To the Energy loss caused by the internal combustion engine to reduce exhaust fumes has only been attempted so far the weak excess pressure of the exhaust gases by means of exhaust gas turbines use. However, much more energy goes through the high Exhaust gas temperature lost.
Aufgabe der Erfindung ist es, durch Rückgewinnung eines Teils der durch die Abgase abgeführten Wärmeenergie den Nutzwir kungsgrad einer Brennkraftmaschine zu erhöhen.The object of the invention is to recover a part the heat energy dissipated by the exhaust gases to increase the degree of efficiency of an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenig stens ein mit einem Teil des Sammelkrümmers und des Auspuff rohres in Wärmeaustauschkontakt stehendes Rohrleitungssystem vorgesehen ist, in dem ein durch die aufgenommene Wärme ver dampfbares Arbeitsfluid strömt, und daß eine durch das ver dampfte und unter Druck gesetzte Arbeitsfluid angetriebene Dampfturbine auf ihrer Abtriebsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb gekoppelt ist.This task is the beginning of an internal combustion engine specified type according to the invention solved in that little At least one with part of the manifold and the exhaust Pipe piping system in heat exchange contact is provided in which a ver by the heat absorbed steamable working fluid flows, and that one through the ver steamed and pressurized working fluid powered Steam turbine on its output side with the Crank drive is coupled.
Durch diese, mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelte Dampfturbinenanlage ist es möglich, einen wesentlichen Teil der thermischen Energie der Abgase in mechanische Nutzenergie umzuformen. Diese zusätzliche mechanische Nutzenergie kann zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine oder zur Kraftstoffeinsparung verwendet werden. Die höhere Energieaus beute und der damit verbesserte Nutzwirkungsgrad stärkt so die Wirtschaftlichkeit der Brennkraftmaschine.Through this, power coupled to the internal combustion engine Steam turbine plant, it is possible to a substantial part the thermal energy of the exhaust gases into mechanical useful energy to reshape. This additional mechanical useful energy can to increase the performance of the internal combustion engine or Fuel saving can be used. The higher energy levels loot and the resulting improved efficiency thus strengthens the economy of the internal combustion engine.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelte Dampfturbinen anlage als geschlossener Kreislauf ausgebildet, der aus einem Vorratsbehälter für das flüssige Arbeitsfluid, dem Rohrlei tungssystem, einer in Strömungsrichtung vor diese angeordne ten Pumpenvorrichtung und einer Kondensationseinrichtung be steht, in der das dampfförmige Arbeitsfluid nach dem Durch strömen der Dampfturbine verflüssigt wird. According to an advantageous development of the invention steam turbines coupled to the internal combustion engine plant designed as a closed circuit, which consists of a Storage container for the liquid working fluid, the Rohrlei tion system, one arranged upstream of this in the direction of flow pump device and a condensation device stands in which the vaporous working fluid after passage flow of the steam turbine is liquefied.
Diese Ausbildung der Erfindung verhindert den Verlust des Arbeitsfluids aus dem Dampfkreislauf und ermöglicht so einen relativ wartungsfreien und damit vereinfachten Betrieb der mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelten Dampfturbi nenanlage.This embodiment of the invention prevents the loss of Working fluids from the steam cycle and thus enables one relatively maintenance-free and therefore simplified operation of the steam turbine coupled to the internal combustion engine plant.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung läßt sich durch den Einsatz von Membranpumpen als Pumpvorrichtung im Dampfturbinenkreislauf erreichen, wenn die Brennkraft maschine eine Kolbenmaschine ist. Jeder Zylinder weist dabei mindestens eine Membranpumpe auf, deren Antriebsseite mit dem Innenraum des Zylinders durch eine schlitzförmige Öffnung in der Zylinderwand verbunden ist.Another advantageous development of the invention through the use of diaphragm pumps as a pumping device reach in the steam turbine cycle when the internal combustion machine is a piston machine. Each cylinder faces at least one diaphragm pump, the drive side with the Interior of the cylinder through a slot-shaped opening in the cylinder wall is connected.
Die Ausbildung der Pumpvorrichtung gemäß der Erfindung ermög licht es, daß die Membranpumpe ausschließlich durch das Ar beitsspiel des Kolbens und den im Zylinder wechselnden Druck betrieben wird. Dies hat den Vorteil, daß auf einen zusätz lichen externen Antrieb der Pumpvorrichtung verzichtet werden kann.The formation of the pump device according to the invention enables it is clear that the diaphragm pump only by the Ar example of the piston and the pressure in the cylinder is operated. This has the advantage that an additional Lichen external drive of the pump device can be omitted can.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:Further advantages and features of the invention result from the following description and from the drawing to which Reference is made. The drawing shows:
Fig. 1 die Schnittansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung; Figure 1 is a sectional view of an embodiment according to the invention.
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der Ausführungs form aus Fig. 1; Fig. 2 is a schematic perspective view of the embodiment form of Fig. 1;
Fig. 3 und 4 Schnittansichten eines Zylinders mit einer Membranpumpe in verschiedenen Betriebszuständen. FIGS. 3 and 4 are sectional views of a cylinder with a diaphragm pump in different operational states.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform einer Brennkraft maschine mit leistungsgekoppelter Dampfturbinenanlage sind die zentralen Elemente ein Maschinenkörper mit Brennkammern 10 und ein Kurbeltrieb 13, auf den die in der Brennkammer durch Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches erzeugte mechanische Energie übertragen wird. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden durch ein Abgasleitsystem 11, das an den Auslässen der Brennkammern sitzt und sich aus einem Sammelkrümmer 111, einem Auspuffrohr 112, einem Katalysator 113 sowie Schalldämpfern 114 zusammensetzt, abgeführt. Weitere Bestandteile der Brennkraftmaschine sind ein Kühl kreislauf 14, der für eine Kühlung der Brennkammern sorgt, und eine Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft- Gemisches und damit der Leistung der Brennkraftmaschine, be stehend aus einem Vergaser 151 und einem Gaspedal 152.In the embodiment of an internal combustion engine with power-coupled steam turbine system shown in Fig. 1, the central elements are a machine body with combustion chambers 10 and a crank mechanism 13 , to which the mechanical energy generated in the combustion chamber by burning the fuel-air mixture is transmitted. The exhaust gases resulting from the combustion are discharged through an exhaust gas guide system 11 , which is located at the outlets of the combustion chambers and is composed of a manifold 111 , an exhaust pipe 112 , a catalytic converter 113 and silencers 114 . Other components of the internal combustion engine are a cooling circuit 14 , which ensures cooling of the combustion chambers, and a device 15 for controlling the fuel-air mixture and thus the performance of the internal combustion engine, consisting of a carburetor 151 and an accelerator pedal 152 .
Mit diesen Elementen der Brennkraftmaschine sind die ver schiedenen Bestandteile einer Dampfturbinenanlage verkoppelt. Die Dampfturbinenanlage, in der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsform, ist als geschlossener Kreislauf für das Arbeits fluid, z. B. destilliertes Wasser, ausgebildet. Die Dampf turbinenanlage arbeitet nur, wenn auch die Brennkraftmaschine sich im Betrieb befindet. Der Aufbau und die Funktionsweise der Dampfturbinenanlage zur Leistungsunterstützung der Brenn kraftmaschine sollen nun im folgenden näher beschrieben wer den.With these elements of the internal combustion engine, the various components of a steam turbine system are coupled. The steam turbine system, in the embodiment shown in FIG. 1, is fluid as a closed circuit for the working, for. B. distilled water. The steam turbine system only works when the internal combustion engine is in operation. The structure and operation of the steam turbine system to support the power of the internal combustion engine will now be described in more detail below who.
Das Arbeitsfluid wird aus einem Vorratsbehälter 23 mittels einer Pumpvorrichtung 25, bestehend aus mehreren Membranpum pen, in ein Rohrleitungssystem 20 gepumpt. Das Rohrleitungs system 20 ist mit dem Abgasleitsystem 11 thermisch gekoppelt und bildet einen Dampferzeuger, in dem das Arbeitsfluid durch Wärmeaustauschkontakt mit den heißen Abgasen verdampft wird. Eine günstige Ausformung des Dampferzeugers ist in Fig. 1 gezeigt.The working fluid is pumped from a reservoir 23 by means of a pump device 25 , consisting of a plurality of membrane pumps, into a piping system 20 . The piping system 20 is thermally coupled to the exhaust gas control system 11 and forms a steam generator in which the working fluid is evaporated by heat exchange contact with the hot exhaust gases. A favorable design of the steam generator is shown in Fig. 1.
In dem Rohrleitungssystem 20 ist eine Rohrleitung, z. B. ein Kupferrohr, zunächst durch das Innere des Sammelkrümmers 111 und teilweise des Auspuffrohres 112 geführt. Diese Rohr führung trägt vorteilhaft zur Dämpfung der Abgasverwirbelung im Abgasleitsystem bei. In the piping system 20 , a pipeline, for. B. a copper pipe, first through the interior of the manifold 111 and partially the exhaust pipe 112 . This pipe guide advantageously contributes to damping the swirl of exhaust gases in the exhaust control system.
Im weiteren Verlauf ist das Auspuffrohr 112, das in diesem Abschnitt perforiert ist, mit der Rohrleitung von außen um wickelt, und die ganze Konstruktion ist mit einer Ummantelung 115 versehen. Durch die Perforation des Auspuffrohres 112 strömen die heißen Abgase in den Zwischenraum zwischen das perforierte Rohr und die Ummantelung 115 und erhitzen so optimal die Rohrleitung und damit das Arbeitsfluid.In the further course, the exhaust pipe 112 , which is perforated in this section, is wrapped around with the pipeline from the outside, and the entire construction is provided with a jacket 115 . Due to the perforation of the exhaust pipe 112 , the hot exhaust gases flow into the space between the perforated pipe and the casing 115 and thus optimally heat the pipeline and thus the working fluid.
Als weiterer Bereich des Abgasleitsystems 11 läßt sich der Katalysator 113 mit seiner hohen Betriebstemperatur zur Ver dampfung des Arbeitsfluids nutzen. Im Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Katalysatorkern spiralförmig mit der Rohrlei tung umwickelt. Darüber hinaus können auch die Schalldämpfer 114 durch geschickte Rohrführung, wie in Fig. 1 gezeigt, zum Verdampfen des Arbeitsfluid genutzt werden.As a further area of the exhaust gas control system 11 , the catalytic converter 113 with its high operating temperature can be used to evaporate the working fluid. In the embodiment of Fig. 1, the catalyst core is spirally wrapped with the Rohrlei device. In addition, the silencers 114 can also be used for vaporizing the working fluid by clever pipe routing, as shown in FIG. 1.
Ein zusätzlicher Vorteil der beschriebenen Verkoppelung zwi schen Rohrleitungssystem 20 und Abgasleitsystem 11 ist eine verbesserte Stabilisierung des Abgasleitsystems 11, was zu einer Verminderung der Vibration der Brennkraftmaschine bei trägt.An additional advantage of the described coupling between the pipe system 20 and the exhaust gas control system 11 is an improved stabilization of the exhaust gas control system 11 , which contributes to a reduction in the vibration of the internal combustion engine.
Das im Rohrleitungssystem 20 verdampfte und unter Druck ge setzte Arbeitsfluid treibt eine Dampfturbine 21 an. Die er zeugte mechanische Energie wird durch eine Getriebeeinrichtung 22 auf den Kurbeltrieb 13 der Brennkraftmaschine übertragen. Die Leistung der Brennkraftmaschine wird dadurch wesentlich verstärkt und ihr Nutzwirkungsgrad erhöht.The evaporated in the piping system 20 and pressurized ge working fluid drives a steam turbine 21 . The generated mechanical energy is transmitted through a transmission device 22 to the crank mechanism 13 of the internal combustion engine. The performance of the internal combustion engine is thereby significantly increased and its efficiency is increased.
Die Getriebeeinrichtung 22, die die Dampfturbine auf ihrer Abtriebsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb 13 verbindet, weist ein Freilaufrad 221 auf, das die Dampfturbine 21 von dem Kurbeltrieb 13 entkoppelt, solange die Dampfturbine 21 noch nicht betriebsbereit ist und ihre Drehzahl deswegen die des Kurbeltriebs 13 unterschreitet.The gear device 22 , which non-positively connects the steam turbine to the crank mechanism 13 on its output side, has a freewheel 221 which decouples the steam turbine 21 from the crank mechanism 13 as long as the steam turbine 21 is not yet ready for operation and its speed therefore falls below that of the crank mechanism 13 .
Die in Ausführungsform nach Fig. 1 verwendete Dampfturbi ne 21 besteht aus zwei Radialturbinenstufen 211, 212, die durch einen in der Turbinenwelle befindlichen Kanal mit hei ßem Dampf versorgt werden. Die Turbinenstufen 211, 212 sind auf unterschiedliche Drehzahlenbereiche ausgelegt und können mit Hilfe der Steuerhülse 26 dem Dampfkreislauf getrennt zu geschaltet werden. Durch die Verbindung mehrerer Turbinen stufen ist es möglich, für die verschiedenen Drehzahlen des Kurbeltriebs 13 die maximale Kraftunterstützung durch die Dampfturbine 21 bereitzustellen, da durch Verschiebung der Steuerhülse 26 nur die Turbinenstufe mit der optimalen Dreh zahlauslegung in den Dampfkreislauf zugeschaltet ist. Die andere Turbinenstufe der Dampfturbine 21 wird passiv mitge dreht, um ein schnelles Umschalten zwischen den Turbinen stufen zu ermöglichen.The Dampfturbi ne 21 used in the embodiment of FIG. 1 consists of two radial turbine stages 211 , 212 , which are supplied with hot steam through a channel located in the turbine shaft. The turbine stages 211 , 212 are designed for different speed ranges and can be switched to the steam circuit separately using the control sleeve 26 . By connecting several turbines, it is possible to provide the maximum power support by the steam turbine 21 for the different speeds of the crank mechanism 13 , since by shifting the control sleeve 26 only the turbine stage with the optimal speed design is switched on in the steam circuit. The other turbine stage of the steam turbine 21 is passively rotated in order to enable rapid switching between the turbine stages.
Die Abstimmung der Steuerhülsenstellung auf die Drehzahl der Dampfturbine 21 erfolgt durch an die Steuerhülse 26 gekoppel te Gewichte 261, die so angebracht sind, daß ihre Fliehkräfte die Steuerhülse 26 bei unterschiedlichen Turbinendrehzahlen im Kanal verschieben.The adjustment of the control sleeve position to the speed of the steam turbine 21 is carried out by the control sleeve 26 coupled te weights 261 , which are mounted so that their centrifugal forces move the control sleeve 26 at different turbine speeds in the channel.
Die Menge des zur Dampfturbine 21 strömenden Dampfes und da mit die Leistung der Dampfturbinenanlage wird mit dem Drossel ventil 27 am Dampfeinlaß der Dampfturbine 21 reguliert. Um die Leistungsunterstützung durch die Dampfturbinenanlage optimal auf die verschiedenen Betriebsbedingungen der Brenn stoffkraftmaschine abzustimmen, ist die Einstelleinrichtung für das Drosselventil 27 mit der Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemisches gekoppelt. In der Ausführungs form nach Fig. 1 ist die Einstelleinrichtung des Drossel ventiles über einen Seilzug mit dem Gaspedal 152 und dem Vergaser 151 der Brennkraftmaschine verbunden. Beim Nieder drücken des Gaspedales kann so gleichzeitig mit der Leistung der Brennkraftmaschine durch Steuerung des Vergasers auch die Leistung der Dampfturbinenanlage durch Steuerung des Drossel ventiles 27 erhöht werden.The amount of steam flowing to the steam turbine 21 and since with the power of the steam turbine system is regulated with the throttle valve 27 at the steam inlet of the steam turbine 21 . In order to optimally match the power support by the steam turbine system to the various operating conditions of the internal combustion engine, the setting device for the throttle valve 27 is coupled to the device 15 for controlling the fuel-air mixture. In the embodiment of FIG. 1, the adjusting device of the throttle valve is connected via a cable to the accelerator pedal 152 and the carburetor 151 of the internal combustion engine. When depressing the accelerator pedal, the performance of the steam turbine system can be increased by controlling the throttle valve 27 simultaneously with the performance of the internal combustion engine by controlling the carburetor.
Zusätzlich kann auch durch eine Verkoppelung der Steuerein richtung für die Steuerhülse 26 mit der Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemisches die Einstellung der Dampfturbine 27 auf die verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine optimiert werden. Im Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Steuerhülse 26 deswegen über einen zweiten Seilzug mit dem Gashebel des Vergasers 151 und dem Gaspedal 152 verbunden.In addition, the setting of the steam turbine 27 can be optimized to the various operating conditions of the internal combustion engine by coupling the Steuerein direction for the control sleeve 26 with the device 15 for controlling the fuel-air mixture. In the embodiment according to FIG. 1, the control sleeve 26 is therefore connected to the gas lever of the carburetor 151 and the gas pedal 152 via a second cable.
Der Abdampf aus der Dampfturbine 21 wird in einer Kondensa tionsanlage 24 wieder verflüssigt. Die Kondensationsanlage 24 ist an den Kühlkreislauf 14 der Brennkraftmaschine ange schlossen. Dies hat den Vorteil, daß nur ein Kreislauf mit Kühlmittel notwendig ist.The exhaust steam from the steam turbine 21 is liquefied in a condensation system 24 again. The condensation system 24 is connected to the cooling circuit 14 of the internal combustion engine. This has the advantage that only one circuit with coolant is necessary.
Aus der Kondensationsanlage 24 wird das flüssige Arbeitsfluid in den Vorratsbehälter 23 zurückgeführt. In der Ausführungs form nach Fig. 1 ist so ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsfluid in der Dampfturbinenanlage hergestellt. Dies ermöglicht einen relativ wartungsfreien Betrieb.The liquid working fluid is returned to the reservoir 23 from the condensation system 24 . In the embodiment according to FIG. 1, a closed circuit for the working fluid in the steam turbine system is produced. This enables relatively maintenance-free operation.
In Fig. 2 ist die Brennkraftmaschine mit einigen Teilen der damit leistungsgekoppelten Dampfturbinenanlage perspektivisch dargestellt.In FIG. 2, the internal combustion engine is shown in perspective with certain parts of the thus-coupled power turbine plant.
Eine wesentliche Vereinfachung der Pumpvorrichtung für die Dampfturbinenanlage läßt sich durch eine Membranpumpe 251 er zielen, wenn die Brennkraftmaschine, wie in Fig. 3 und 4 dar gestellt, eine Kolbenmaschine ist. Die Membranpumpe 251 ist hierbei auf ihrer Antriebsseite mit dem Innenraum des Zylin ders 101 durch eine schlitzförmige Öffnung 103 in der Zylin derwand verbunden. Diese Verbindung zwischen Membranpumpe 251 und Zylinder 101 ermöglicht es, daß die Membranpumpe 24 ohne zusätzliche Antriebseinrichtung allein durch das Arbeitsspiel des Kolbens 102 und den im Zylinder 101 wechselnden Druck betrieben wird.A significant simplification of the pumping device for the steam turbine system can be targeted by a diaphragm pump 251 if the internal combustion engine, as shown in FIGS. 3 and 4, is a piston engine. The diaphragm pump 251 is connected on its drive side to the interior of the cylinder 101 through a slit-shaped opening 103 in the cylinder wall. This connection between diaphragm pump 251 and cylinder 101 enables the diaphragm pump 24 to be operated without the need for an additional drive device solely through the working cycle of the piston 102 and the pressure changing in the cylinder 101 .
In Fig. 3 und 4 ist der Arbeitszyklus der Membranpumpe 251 in einem Viertaktverfahren gezeigt. Während des Ansaugens des Brennstoff-Luft-Gemisches (Fig. 3) entsteht Unterdruck in der Membranpumpe 251, die Membran wölbt sich nach innen, und das Arbeitsfluid wird aus dem Vorratsbehälter 23 angesaugt. Beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches (Fig. 4) herrscht hoher Überdruck im Zylinder 101, der Kolben 102 wird in den Zylinder 101 geschoben, und dabei Gas in die Membranpumpe 251 gepreßt, die Membran wölbt sich nach außen, und das Arbeits fluid wird in das Rohrleitungssystem 20 verdrängt.In FIGS. 3 and 4 the duty cycle of the diaphragm pump is shown in a four-stroke cycle 251st During the suction of the fuel-air mixture ( FIG. 3), negative pressure is created in the diaphragm pump 251 , the diaphragm bulges inwards, and the working fluid is sucked out of the reservoir 23 . When the fuel-air mixture ( FIG. 4) is burned, there is a high overpressure in the cylinder 101 , the piston 102 is pushed into the cylinder 101 , and gas is pressed into the diaphragm pump 251 , the diaphragm bulges outwards, and the working fluid is displaced into the piping system 20 .
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Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
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- 1991-12-13 DE DE4141051A patent/DE4141051A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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