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Technik INA UniAir-System
Technik
INA UniAir-System
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Seite
1. Einleitung 3
2. Vorteile des UniAir-Systems 4
3. Aufbau und Funktion 6
3.1 Der UniAir-Aktuator 6
3.2 Schaltventile 11
3.3 Temperatursensor für Motorölviskosität 13
3.4 Merkmale 13
Inhalt
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1. Einleitung
g Geringere CO2-Emissionen/Kraftstoffverbrauch
g Regulierungen der Emissionen g Optimierung des Verbrennungsmotors
Low-Cost-Fahrzeuge
Elektrifizierung/Hybridisierung
Megatrends der Automobilindustrie
Trotz einer zunehmenden Hybridisierung und Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe wird auch in Zukunft der Verbrennungsmotor eine
entscheidende Rolle spielen. Die immer schärfer werdenden Grenzwerte für den CO2-Ausstoß definieren die Optimierung des Verbren-
nungsmotors als zentrale Aufgabe für die Automobilindustrie. Neben „Low-Cost“-Fahrzeugen und Elektrifizierung bzw. Hybridisierung ist
die Optimierung des Verbrauchs ein Megatrend. Eine mögliche Technologie zur Erreichung ehrgeiziger Verbrauchs- und Emissionsziele
ist der Einsatz von variablen Ventiltrieben.
Die Schaeffler Gruppe beschäftigt sich seit langer Zeit mit verschiedenen Arten von variablen Ventiltrieben. Schon frühzeitig wurde
erkannt, dass vollvariable, mechanische Ventiltriebe in puncto Flexibilitätsgrad nicht alle Herausforderungen in bester Weise erfüllen.
Deshalb hat sich die Schaeffler Gruppe schon im Jahre 2001 die Lizenzrechte an dem bislang wohl flexibelsten Ventiltriebsystem UniAir
gesichert. Die hier vorliegende Broschüre befasst sich mit dem vollvariablen Ventiltriebsystem UniAir.
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Der variable Ventiltrieb ist eine der Schlüsseltechnologien bei der Umsetzung von „Low-CO2“-Emissionsstrategien. Bisherige variable Ventilsteuerungen werden häufig durch eine parallele Verschiebung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes (Phasen-verschiebung) und / oder einen variablen Ventilhub der Einlass-ventile realisiert. Bei der Phasenverschiebung wird die Stellung der Nockenwelle zur Kurbelwelle z. B. durch einen hydraulischen
Verstellrotor verändert. Dabei können die Abgasrückführung so-wie das effektive Verdichtungsverhältnis beeinflusst werden. Bei dem variablen Ventilhub wird der Hub z. B. mittels eines Stell-motors über eine Exzenterwelle verändert. Hubvariable Systeme gibt es als diskrete zwei- bzw. dreistufige Hubumschalter sowie als vollvariable Systeme.
2. Vorteile des UniAir-Systems
Ventiltrieb
VentilhubPhasenverstellung
kontinuierlich
g hydraulisch
g elektromechanisch
diskret
g zweistufig g Schalttasse g Abstützelement g Hebel g Schiebenocken g Rollenstößel
g dreistufig g Hebel g Schiebenocken
kontinuierlich
g elektrisch
g mechanisch g Valvetronic
g hydraulisch g UniAir
Ventilhub, Öffnungs- und Schließzeitpunkt der unterschiedlichen Systeme in einem grafischen Vergleich
Hub
Hub
Hub
Zeit
Zeit
Zeit
Veränderung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes des Einlass-
ventils durch eine Phasenverschiebung.
Veränderung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes des Einlass-
ventils durch eine Phasenverschiebung zusammen mit einem
variablen Ventilhub.
Vollvariable, stufenlose Ventilsteuerung mit dem UniAir-System.
2. Vorteile des UniAir-Systems
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Mit dem UniAir-System kann erstmals nicht nur der Hub, der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Ventile verändert werden, sondern auch die Öffnungsdauer und die Anzahl der Öffnungen. Das UniAir-System ermöglicht also für jeden einzelnen Zylinder unabhängig, dass die Einlassventile während eines Ansaug-taktes, je nach Lastzustand und Fahreranforderung, mehr-fach geöffnet und wieder geschlossen werden. So wird eine exaktere Abstimmung zwischen Energieanforderung, eingesetzter Energie und daher eine erhöhte Energie-effizienz möglich; das macht UniAir zur ersten voll-variablen und stufenlosen Ventilsteuerung.
Bei konventionellen, drosselklappengesteuerten Benzinmotoren wird bei der Bemessung der richtigen Luftmenge bis zu 10 % der aufgewendeten Kraftstoffmen-ge in Form von Energie vernichtet, um die Luft gegen den Widerstand der Drosselklappe in den Zylinder zu saugen. Wird jedoch ein vollvariabler Ventiltrieb genutzt, kann die Drossel-klappe komplett offen stehen oder sogar ganz entfallen, und die Luftmenge kann während des Ansaugtaktes ungehindert in den Brennraum eingesaugt werden. Die für jeden Betriebszustand richtige Luftmenge wird dank UniAir direkt in den Einlasskanälen der jeweiligen Zylinder durch die zeitliche oder geometrische Kontrolle der Ventilöffnung geregelt. Dies ist ein entscheidender Faktor bei der Umsetzung der CO2-Emissionsreduzierung.
Weitere Vorteile der UniAir-Ventilsteuerung sind ein geringerer Kraftstoffverbrauch, eine Steigerung der Leistung und des Dreh-moments sowie ein schnelleres Ansprechverhalten des Motors.
Der erste Serieneinsatz erfolgte bereits im September 2009 im Alfa Romeo Mito 1.4 Liter Fire unter der Fiat-Bezeichnung MultiAir. Mittlerweile ist diese neue Technologie auch im Alfa Romeo Giulietta,Fiat Bravo, Fiat Punto EVO, Lancia Delta mit der gleichen Bezeich-nung, sowie im Fiat 500 und Lancia Epsilon als TwinAir verbaut.
UniAir-Aktuator
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3. Aufbau und Funktion
3.1 Der UniAir-Aktuator
Der UniAir-Aktuator steuert das Öffnen und Schließen der Ein-lassventile. Die Einlassnockenwelle entfällt, und an deren Stelle wird der UniAir-Aktuator auf dem Zylinderkopf verbaut. Die Ein-lassnocken werden auf der Auslassnockenwelle positioniert und treiben die sogenannten Pumpenkolben an. Für jeden Zylinder befindet sich im UniAir-Aktuator ein Steller (Pumpeneinheit), der hydraulisch mithilfe des Motoröls die Einlassventile betätigt. Je nach Motorausführung (8-Ventiler oder 16-Ventiler) betätigt eine Pumpe (Steller) ein oder zwei Einlassventile pro Zylinder.
Der mechanische Antrieb des UniAir-Aktuators erfolgt über speziell ausgerichtete Nocken auf der Auslassnockenwelle; die elektro-nische Steuerung erfolgt über das Motorsteu-ergerät. Dies macht es beim Otto-Motor möglich, eine drossel-freie, stufenlose und softwarekontrollierte Laststeuerung im gesamten Motorkennfeld zu realisieren.
Die Übertragung der Nockenkontur auf das Einlassventil des Motors erfolgt, im Unterschied zu konventionellen bzw. elek-tromechanischen Ventiltrieben, nicht über ein starres Element (wie beispielsweise Tassenstößel oder Hebel), sondern über ein definiertes Ölvolumen.
Dieses ist im sogenannten Hochdruckraum eingeschlossen. Das Ölvolumen kann über ein 2-2-Wege-Schaltventil variiert werden. Im Falle eines geschlossenen Schaltventils wirkt das Öl wie eine hydraulisch steife Stößelstange.
Bei einem geöffneten Schaltventil fließt das Motoröl über den Ölkanal in den Mitteldruckraum und den Druckspeicher; Nocken und Ventil sind entkoppelt.
Für die Zeit, in der sich der Nocken auf dem Grundkreisradius befindet, sorgt der mechanische Druckspeicher dafür, dass das
aus dem Hochdruckraum ausgetretene Öl wieder in diesen zurückgeleitet wird. Eine weitere Aufgabe für die Ölversor-gung ist es, die geringen Ölleckagen wieder aufzufüllen
und das gesamte Volumen für den folgenden Motor-zyklus mit Öl zu befüllen.
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Motoren mit einer konventionellen Ventilsteuerung öffnen und schließen das Einlassventil immer über das vorgegebene komplette Nockenprofil. Bei dem UniAir-System ist die Ventilbe-wegung komplett vom Nockenprofil durch den Hochdruckraum entkoppelt. Der Vollhub über das gesamte Nockenprofil erfolgt nur dann, wenn das Schaltventil während der gesamten Dauer geschlossen ist. Das Motoröl wird direkt zur Bremseneinheit geleitet, und das Einlassventil öffnet sich.
Damit beim Schließen ein Aufschlagen der Ventile auf den Ven-tilsitz vermieden wird, ist für jedes Motorventil eine hydraulische (Endanschlag-) Bremse angeordnet. Diese verringert die Annä-herungsgeschwindigkeit der Ventile. Kurz bevor das Ventil im Sitz auftrifft, greift die hydraulische (Endanschlag-) Bremse ein und sorgt für ein reguläres, sanftes Aufsetzen. Hierdurch wird das Material der Ventilsitze geschont, und es wird eine höhere Lebensdauer gewährleistet. Ferner kann auf diese Weise ein hydraulischer Ventilspiel-Ausgleich realisiert werden. Die Ent-kopplung der Ventilbewegung vom Nockenprofil ermöglicht auch einen Nullhub. Hierbei bleibt das Schaltventil über die gesamte Dauer geöffnet, und das Einlassventil ist geschlossen. Das Motoröl strömt über einen Ölkanal und über das geöffnete Schaltventil in den Mitteldruckraum und in den Druckspeicher.
Vom Vollhub bis zum Nullhub lässt sich zwischen diesen beiden Basisventilsteuerungen eine beliebige Anzahl variabler Ventil-bewegungen stufenlos realisieren. So führt beispielsweise das spätere Schließen des Schaltventils zu einer späteren Einlassventil-öffnung, und das frühere Öffnen führt zu einer früheren Einlass-ventilschließung (siehe Grafiken Seite 8).
Beides ist unabhängig voneinander und ermöglicht es, den Ventil-hub und die Anzahl der Ventilhübe innerhalb eines Ansaugtaktes zu variieren.
Aufbau des Stellers
Druckspeicher
Pumpenelement
Rollenschlepphebel
Auslassnockenwelle
Nehmereinheit mit hydraulischer (Endanschlag-) Bremse
Hochdruckraum
Magnetventil
Mitteldruckraum mit Ölzulauf und -ablauf
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3. Aufbau und Funktion
Ventilhub in Abhängigkeit zum Zustand des Schaltventils
Je nach Bedarf des Öffnungs- und Schließzeitpunktes und der Öffnungszeit der Einlassventile wird das Schaltventil variabel geschlossen
oder geöffnet. Die Parameter für die jeweiligen Lastzustände sind in den Kennfeldern des Motorsteuergerätes hinterlegt.
VollhubHub
Zeit
Vent
ilhu
bZu
stan
d S
chal
tven
til
geschlossen
offen offen
Ein Vollhub der Einlassventile wird im alltäglichen Fahrzeugbetrieb in der Regel eher selten benötigt. Die volle Öffnung über den kom-
pletten Zeitraum, also ein frühes Öffnen, gepaart mit einem späten Schließen der Einlassventile, bei maximalem Hub, ist nur beim Abruf
von Spitzenleistungen des Motors durch den Fahrer erforderlich. Dies ist nur bei hoher Motordrehzahl und gleichzeitig hohem Drehmo-
ment der Fall.
Frühe EinlassventilschließungHub
Zeit
Vent
ilhu
bZu
stan
d S
chal
tven
til
geschlossen
offen offen
Späte EinlassventilöffnungHub
Zeit
Vent
ilhu
bZu
stan
d S
chal
tven
til
geschlossen
offen offen
NullhubHub
Zeit
Vent
ilhu
bZu
stan
d S
chal
tven
til
offen
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Ventilhub in Abhängigkeit zum Kurbelwellenwinkel
Für eine effizientere Ausnutzung der eingesetzten Energie ist in allen anderen Lastzuständen zumeist eine verkürzte Ventilöffnungszeit,
also ein geringerer oder mehrfacher Hub der Einlassventile, erforderlich. Durch die kürzere Öffnungszeit wird die richtige Menge und damit
weniger Luft angesaugt, dies hilft die Pumpverluste zu reduzieren.
Vent
ilhu
b
Maximale LeistungVollhub
Auslass Einlass
Kurbelwellenwinkel
Motorleerlauf
Vent
ilhu
b
Spätes Einlass Öffnen (SEÖ)Auslass Einlass
Kurbelwellenwinkel
Drehmoment im unteren Drehzahlbereich
Vent
ilhu
b
Frühes Einlass Schließen (FES)Auslass Einlass
Kurbelwellenwinkel
Stadtzyklus
Vent
ilhu
b
MehrfachhubAuslass Einlass
Kurbelwellenwinkel
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3. Aufbau und Funktion
Schematische Darstellung der Ventilsteuerung in Abhängigkeit von Drehmoment und Motordrehzahl
Spitzenleistung
g Vollhub
g Späte Ventilschließung (lange Ventilöffnungszeit)
g Maximale Ventilüberschneidung
Maximales DrehmomentMaximaler volumetrischer Wirkungsgrad
g Frühe Ventilschließung (kurze Ventilöffnungszeit)
Optimierung der Verbrennung Optimierung der Verbrennung
g Mehrfachhub (Ladungsbewegung)
Motordrehzahl
Dre
hmom
ent
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Zielwinkel und Modus
Modus früheEinlassventil-schließung
Modus späteEinlassventil-öffnung
Späte Einlassventil-öffnung
Frühe Einlassventil-schließung
Schaltventil offen
Schaltventil geschlossen
Schaltventil offen
Schaltventil offen
Schaltventil geschlossen
Schaltventil offen
3.2 Schaltventile
Die Genauigkeitsanforderungen an das UniAir-System zur Gewähr-leistung immer gleicher Ventilhübe am selben Ventil bzw. für jeden Aktuator über den gesamten Zylinderkopf sind extrem hoch. Dabei spielt die Toleranzeinhaltung aller Komponen-ten, angefangen vom Pumpenelement bis hin zur hydrau-lischen (Endanschlag-)Bremse, eine große Rolle. Die Schaltventile sind als Stellglieder für jede gewünschte Hubkurve im Gesamtsystem von zentraler Bedeutung. Bei der Auslegung dieses neuartigen Schaltventils waren die geforderten Ein- und Ausschaltzeiten, die Schaltzeitenpräzision sowie die Dauerhaltbarkeit die besonderen Herausforderungen.
Der Aufbau des Systems mit einem „normal offenen“ Schaltventil bedingt, dass das Schaltventil einmal pro Nockenwellenumdre-hung schalten muss, im Mehrfachhub-Betrieb sogar mehrmals. Zur Sicherstellung eines voll befüllten Hochdruckraumes, und da-mit der Möglichkeit eines Vollhubs im nächsten Ladungswechsel-takt, wird das Schaltventil nach jedem Zyklus kurz geöffnet, um die Nachfüllphase zu gewährleisten. Beim Mehrfachhub-Betrieb muss nach dem ersten Öffnen sichergestellt werden, dass der An-ker im Schaltventil seine Ruheposition wieder erreicht hat, bevor das Schaltventil ein zweites Mal angesteuert wird. Deshalb kann die Bestromung für den zweiten Hub erst ca. 2 ms nach Erreichen der Ruheposition des Ankers erfolgen.
Das Bild unten zeigt die Ansteuerkurve des Stromes für ein Schaltventil und die dazugehörige Motorventilhubkurve. Abge-bildet sind vergleichend die Kurve für eine frühe Schließung der Einlassventile und die Vollhubkurve.
Zur Realisierung
eines möglichst schnellen Schaltventils mit
geringstmöglichem Strombedarf wurde eine spezielle Ansteuerstrategie für den Schaltventilstrom gewählt. Die Stromkurve gliedert sich in mehrere Abschnitte.
Vom unbestromten Zustand wird vor der gewünschten Betätigung des Schaltventils der sogenannte Vormagnetisierungsstrom ange-legt. Er magnetisiert das Schaltventil vor, schaltet aber noch nicht. Um einen schnellen und präzisen Einschaltvorgang zu gewährlei-sten, wird zum eigentlichen Schaltzeitpunkt das Schaltventil mit überhöhter Spitzenstromstärke angesteuert. Der Schaltzeitpunkt wird von der Software je nach Betriebszustand vorgegeben.
Nachdem das Schaltventil komplett betätigt worden ist, wird die Bestromung auf den Haltestrom zurückgenommen, mit dem das Schaltventil im geschlossenen Zustand gehalten wird. Die Software gibt dann wiederum den Zeitpunkt vor, zu dem der Strom komplett abgeschaltet wird. Dadurch öffnet sich das Schaltventil wieder.
Hub
Strom
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3. Aufbau und Funktion
Die Präzision der Öffnungs- und Schließwinkel der Motorventile ist extrem wichtig für die Systemfunktion. Dazu trägt maßgeblich die Schaltzeitpräzision der Schaltventile bei. Schon während der Montage der Schaltventile und ihrer Unterbaugruppen werden während der Produktion verschiedene Funktionswerte, z. B. Durchfluss und Schaltzeiten, gemessen. Zudem werden die Bau-gruppen so eingestellt, dass die Funktionswerte im gewünsch-ten Fenster liegen. Zusätzlich wird durch eine entsprechende Kompensationsfunktion die Präzision der Schaltzeiten optimiert. Diese Funktion arbeitet während der gesamten Lebensdauer des Produktes und wirkt somit auch gegen alterungsbedingte Schalt-zeitenänderungen. Das gewährleistet eine optimale Gleichstellung der Zylinderfüllung.
Während der Lebensdauer des Systems schaltet das Schaltventil ca. 330 Millionen Mal. Diese Anzahl an Schaltzyklen in der gefor-derten Präzision stellt eine enorme Aufgabe für das Schaltventil dar. Unter Zuhilfenahme modernster Auslegungs- und Simulations-methoden wurde dieses neuartige Schaltventil in Zusammenarbeit mit Continental Automotive Systems von der Konzeptphase bis zur Serienreife entwickelt. In zahlreichen Funktions- und Lebens-dauertests, sowohl auf dem Komponentenprüfstand als auch auf dem Systemprüfstand und im Fahrzeug, wurde die Funktionalität genauestens geprüft und das Schaltventil in das Gesamtsystem integriert.
Die Schaltventile werden individuell von der Steuerungssoftware über entsprechende Endstufen angesteuert. Die Aufgabe der Steuerungssoftware ist es, die Vorgaben der Motorsteuerung nach definierten Modi sowie Öffnungs- und Schließwinkeln der Motorventile umzusetzen. Hierzu berücksichtigt sie diverse Ein-flussfaktoren auf das Systemverhalten, um den jeweils richtigen Betätigungszeitpunkt der Schaltventile zu finden. Somit werden die gewünschten Steuerzeiten der Motorventile „getroffen“.
Zunächst sind die Ein- und Ausschaltzeiten jedes Schaltventils zu nennen. Sie werden anhand der Stromkurve bei jedem Schaltvor-gang und für jeden Zylinder einzeln überwacht und dann anhand von Kennfeldern in der Motorsteuerung, abhängig vom Betriebszu-stand, nachgeregelt. Die Erkennbarkeit der Stromkurve über den gesamten geforderten Temperaturbereich und der damit verbun-denen Ölviskosität ist dabei die besondere Herausforderung. Um diese Funktionalität zu gewährleisten, müssen alle Bauteile des Schaltventils genauestens aufeinander abgestimmt sein.
Neben dem Schaltventil bestimmen aber auch der Systemaufbau und die Bauteilgeometrien die Charakteristik der Ventilhubkurve. Dazu gehört auch die hydraulische (Endanschlag-) Bremse. Hier-bei handelt es sich um die Nehmereinheit, die den hydraulischen Druck über ein hydraulisches Ventilspiel-Ausgleichselement in die Bewegung des Motorventils umsetzt. Da das Schließen des Motorventils stets losgelöst von der Nockenkontur erfolgt, wird dieses vor dem Aufsetzen nicht mechanisch gebremst.
Hohe Aufsetzgeschwindigkeiten, die neben der Geräuschentwick-lung zu Ventilschäden führen können, werden vermieden, indem mithilfe von hydraulischen Steuergeometrien in der Bremskolbenführung das Motorventil am Ende seiner ballistischen Flugphase heruntergebremst wird.
Im Gegenzug werden hohe Öffnungsgeschwindigkeitenerreicht, indem die (Endanschlag-) Bremse durch ein spezielles Rückschlagventil kurzgeschlossen wird.
Durch entsprechende Auslegung aller dieser Komponenten werden sowohl ein rechtzeitiges Schließen des Motorventils unter kalten Bedingungen (bis zu -30 °C in Europa und -35 °C in den USA) als auch niedere Aufsetzgeschwindigkeiten bei heißem Motoröl gewährleistet.
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3.3 Temperatursensor für Motorölviskosität
Die Ventilbewegung und insbesondere die Funktion der (End-anschlag-) Bremse wird auch durch Umgebungs- und Betriebs-parameter, wie z. B. die Motordrehzahl oder die Ölviskosität, bestimmt. Zur Berücksichtigung dieser Größen benötigt das Steuerungssystem somit auch diese Informationen. Insbesondere bei einem Kaltstart und der darauf folgenden inneren Systemer-wärmung ist es notwendig, die Ölviskosität zu verfolgen. Ein wichtiges Bauteil stellt in diesem Zusammenhang der Tempe-ratursensor als einzige zusätzliche Sensorik für dieses System dar. Der Sensor misst die Öltemperatur im Hochdruckraum des Stellers in Echtzeit und liefert eine wichtige Größe für das Steuer-gerät zur Bestimmung der Ölviskosität. Hierfür ist die am Motor vorhandene Temperaturmessung von Kühlwasser und Motoröl nicht schnell genug.
Der Temperatursensor mit nega-tivem Temperaturkoeffizienten ist für die Anwendung besonders auf niedrige Temperaturen abge-glichen und hat eine Ansprech-zeit von max. 1,4 Sekunden.
Achtung: Grundsätzlich ist es äußerst wichtig, immer das richtige, vom Hersteller freigegebene, Motoröl einzufüllen. Die Ver-wendung von falschem Öl kann zu Störungen führen, und im schlimmsten Fall startet der Motor gar nicht.
3.4 Merkmale
Zusammengefasst die wichtigsten Merkmale des UniAir-Systems:
g stufenlos einstellbarer Ventilhub
g stufenlos einstellbare Ventilöffnungszeiten und Ventilschließzeiten
g mehrere Ventilöffnungen während eines Viertaktzyklus möglich
g bis zu 10 % reduzierte CO2-Emissionen bzw. reduzierter Verbrauch
g bis zu 10 % mehr Leistung
g bis zu 15 % höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl
g hoher Sicherheitsfaktor, da bei einer Fehlfunktion kein Motorschaden droht
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Notizen
Notizen
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Notizen
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1000
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2/1.
5/8.
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/BB
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Reparatur Hotline: +49 (0)1801 753 111*Service Center: +49 (0) 1801 753 333*
* 3,9 Cent/Min. aus dem deutschen Festnetz, für Anrufe aus Mobilfunknetzen max. 42 Cent/Min.
