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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur
Verstärkung
der Gemischbildung und Bewegung der Füllung im Brennraum eines mehrventiligen
Motors.
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Bei
Fahrzeugherstellern ist heute ein allgemein bekanntes Ziel, Motor-
und Verbrennungssysteme bereitzustellen, die die Wirtschaftlichkeit
des Kraftstoffes verbessern und gleichzeitig unerwünschte Emissionen
reduzieren. Es gibt viele Systeme, die entwickelt worden sind und
eines oder mehrere dieser Ziele erfüllen und zufrieden stellende
Ergebnisse erzielen. Einige dieser Systeme umfassen zum Beispiel
die Zuführung
von vorher festgelegten Kraftstoff- und Luftmengen zu bestimmten
Zeitpunkten im Verbrennungszyklus des Motors, verschiedene Ausführungen
des Brennraums einschließlich
geformter Wölbungen
im Kolbenkopf, um gewünschte
Gemischbildungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten,
mechanische Vorrichtungen für
Einlass- und Auslassventile, die gewünschte Taumel- und/oder Wirbelungsmuster
von Luft und von Kraftstoff-Luftgemischen im Brennraum und dergleichen
erzeugen. Einige dieser Systeme werden insbesondere für Motoren
mit Funkenzündung
(SI) verwendet.
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Die
Bewegung der Füllung
im Brennraum ist ein wichtiger Faktor zur Erzeugung von Turbulenz, die
ihrerseits die Brenngeschwindigkeit in den Motoren erhöht. Jedoch
geht die Taumel- und/oder Wirbelbildung oft auf Kosten der Durchflusszahl,
wodurch die maximale Leistungsabgabe des Motors reduziert wird.
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Aus
US 54 63 995 A der
ist ein Einlasssystem für
einen Verbrennungsmotor bekannt. Der mehrventilige Verbrennungsmotor
weist einen Einlasskanal mit einem Einspritzventil und im Einlasskanal
erste und zweite Einlassventilbohrungen auf, die zu ersten und zweiten
Einlassventilen führen.
Zwischen den beiden Einlassventilbohrungen ist eine Schottwand angeordnet,
die eine Verbindungsbohrung enthält,
die einen Ausgleich der Abweichungen in der Zusammensetzung des
Luft/Kraftstoff-Gemisches zwischen den beiden Einlassventilbohrungen ermöglicht.
Das erste Einlassventil wird immer betätigt. Ein zweites Einlassventil
kann bei Bedarf dem ersten zugeschaltet werden. Eine voneinander
unabhängige
Betätigung
der beiden Einlassventile ist nicht möglich.
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Bei
nockenlosen Motoren kann die Funktion der beiden Einlassventile
die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffes verbessern und die Verbrennung
verstärken.
Jedoch kann angesammelter und unverbrannter Kraftstoff in der geschlossenen Öffnung einen
unerwünschten
Einfluss auf Emissionen haben.
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Aus
der
EP 0 971 098 A1 ist
eine mehrventilige, nockenlose Brennkraftmaschine mit einem pneumatischen
oder hydraulischen Aktuator für
ein Gaswechsel-Hubventil bekannt. Das Hubventil ist über einen
in einer Steuerkammer beidseitig beaufschlagten Kolben steuerbar.
Die Steuerräume
beidseits des Kolbens sind über
mittels Magnetventile gesteuerte Leitungen ver- bzw. entsorgt. Zur
Erzielung hoher Schaltfrequenzen des Aktuators sind als Magnetventile
elektromagnetisch gesteuerte Koaxialventile derart angeordnet, dass
mittels jeweils einer einzigen Leitung zu jedem Steuerraum das Füllen und Leeren
erfolgt.
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Von
daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Motore
die Gemischbildung sowie die Bewegung der Füllung bei der Verbrennung insbesondere
in nockenlosen Motoren zu verstärken
durch Bereitstellung eines verbesserten Verbrennungssystems für einen
Motor und einen guten Gasaustausch zu erzeugen, wobei der Motor
eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Verwertung des Kraftstoffes
gewährleistet
und gleichzeitig unerwünschte
Emissionen verringert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 2 gelöst.
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Die
Lösung
gemäß der vorliegende
Erfindung stellt ein Verfahren, ein System und eine Vorrichtung
bereit, die eine Bildung von unverbranntem Kraftstoff in der geschlossenen
Einlassöffnung
von nockenlosen Motoren ausschließt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein mehrventiliger Motor mit zumindest zwei unabhängig voneinander
betriebenen Einlassventilen in jedem Zylinder vorgesehen. Dadurch,
dass das Öffnen eines
Einlassventils im Verhältnis
zu dem anderen verzögert
oder vorverlegt wird, wird eine Turbulenzströmung mit hoher Wirbelung und
Taumelbewegung in dem Brennraum erzeugt. Jedes der Einlassventile
wird durch ein elektromechanisches Betätigungselement betätigt, das seinerseits
von der Steuereinheit des Motors aktiviert wird.
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In
dem Lufteinlasskanal ist zwischen den beiden Einlassöffnungen
und den Ventilelementen ein Umlenkelement oder eine Wand der Einlassöffnung angeordnet.
In dem Umlenkelement ist ein Kanal oder eine Verbindungsbohrung
vorgesehen, um Kraftstoff von der geschlossenen Öffnung in die geöffnete Öffnung zu übertragen.
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Das
System der vorliegenden Erfindung ist so flexibel, dass eine genaue
Steuerung des Öffnens und
Schließens
der Einlassventile erzielt wird, um eine optimale Verbrennung des
Kraftstoffes bei allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Das Öffnen und
Schließen
der Einlassventile wird durch die Steuereinheit des Motors verändert und
ist von der Drehzahl und der Belastung des Motors abhängig.
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Die
Verbindungsbohrung oder der Kanal in dem Umlenk- oder Teilerelement
erlaubt die gezielte und gelenkte Übertragung von Luft oder Luft
und Kraftstoff von einer Ventil-Öffnung zur
anderen, um die Nutzung und die Verbrennung des Kraftstoffes zu erhöhen und
um unerwünschte
Emissionen zu verringern.
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Mit
Hilfe einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung im Zusammenhang
mit dem angewandten Verfahren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Flussbild, welches das gesamte System als Wirkverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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2 eine
schematische Darstellung der verschiedenen Bauteile der vorliegenden
Erfindung;
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3A,
B, C den jeweiligen Betrieb der Einlassventile; und
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4A,
B ein Umlenkelement gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Bildung von Wirbel- oder Taumelformen von Luft/Kraftstoffgemischen
in Brennräumen
ist wichtig, um die Brenngeschwindigkeit des Kraftstoffs in Motoren
mit Funkenzündung
(SI) zu erhöhen.
Bei taumelnden Luftströmen
wird die Bewegung um eine zur Längsachse
des Kolbens und des Kolbenzylinders quer verlaufende Achse erzeugt.
Luftströme
mit einer Wirbelung umfassen die Erzeugung eines kreisförmigen oder
rotierenden Musters des Luftstroms, der sich um eine Achse dreht,
die parallel zur Längsachse
des Kolbens und des Kolbenzylinders liegt.
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In
vielen Fällen
geht die Erzeugung der Luftströme
mit Taumel- und/oder Wirbelbewegung auf Kosten der Durchflusszahl,
wodurch die Leistungsabgabe des Motors reduziert oder herabgesetzt
wird. Die vorliegende Erfindung erzeugt Luftströme mit hoher Wirbelung und
Taumelbewegung, indem die Arbeitsweise und das Öffnen eines Einlassventils
im Verhältnis
zu dem anderen in dem mehrventiligen Motor verzögert oder vorverlegt wird,
wobei die Durchflusszahl nicht verschlechtert wird.
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Bei
Bedingungen unter Kleinlast liegen Drehzahl und Belastung des Motors
auf einem von der Bedienperson des Motors oder des Fahrzeugs gewünschten
niedrigeren Wert, wobei eine ausreichende Mischbewegung erzeugt
wird, indem das eine oder das andere der Einlassventile wirkungslos
gemacht wird. Die Ausführung
der Einlassöffnung
und des Einlassventils ist so konstruiert, dass maximale Brenngeschwindigkeiten
des Kraftstoff-Luftgemisches erzeugt und somit der thermische Wirkungsgrad
erhöht
und unerwünschte
Emissionen reduziert werden.
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Bei
Bedingungen unter Volllast, das heißt, wenn die maximale Drehzahl
und Leistung des Motors erwünscht
sind, wird die Steuerung der Ventile so vorgenommen, dass im Brennraum
eine Durchflussmenge mit hoher Turbulenz erzeugt wird. Dies bringt
die Leistungsabgabe des Motors auf ein Höchstmaß.
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In 1 sind
schematisch die Wirkverbindung der Bauteile und des Systems der
vorliegenden Erfindung dargestellt, während in 2 eine
schematische Darstellung der verschiedenen Bauteile des Systems
gezeigt sind. Die 3A bis 3C stellen
eine typische Arbeitsweise der Einlassventile dar.
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Die
vorliegende Erfindung reagiert auf die Anforderungen der Bedienperson
auf die Beschleunigungseinrichtung 20, die ihrerseits ein
Signal an die Steuereinheit (ECU) 30 des Motors sendet.
Vorzugsweise wird das Gaspedal im Verhältnis zum Motor elektronisch
wirksam geschaltet und ist somit Teil eines „drahtgebundenen" Antriebssystems.
Zu diesem Zweck ist an dem Gaspedal 24 ein Federelement 22 befestigt,
um für
den Fuß 15 der
Bedienperson des Motors eine fühlbare
Rückkopplung
bereitzustellen.
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In
den meisten Fällen
wird die Bewegung des Gaspedals 24 in einem Gaspedal-Ansprechmechanismus 35 registriert,
der die lineare Bewegung des Gaspedals zu einem geeigneten Signal 36 korreliert,
das an die ECU 30 gesendet wird. Die ECU sendet ihrerseits
geeignete Signale 38 an die elektromechanischen Betätigungselemente 40,
mit denen die Einlassventile 50 betrieben werden.
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Wie
angegeben ist, wird die vorliegende Erfindung bei Mehrventil-Motoren
genutzt. Dies sind Motoren, die zumindest zwei Einlassventile in
jedem Zylinder des Motors aufweisen. In der schematischen Darstellung
ist ein typischer Kolben 52 in einem Zylinder 54 eines
Fahrzeugmotors 56 angeordnet. Die beiden Einlassventile 50 und 50' sind an der Übergangsfläche des
Lufteinlasskanals 58 und des Zylinders 54 angeordnet.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (nicht gezeigt) wird verwendet,
um Kraftstoff in den Brennraum 60 des Zylinders 54 entweder
in und durch die Lufteinlasskanäle
oder direkt in den Brennraum einzuleiten. Im Zylinder 54 ist
eine Zündkerze (nicht
dargestellt) angeordnet, um die notwendige Zündquelle für den in den Brennraum 60 eingeleiteten
Kraftstoff bereitzustellen.
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Die
Menge von durch das Kraftstoffeinspritzelement in den Brennraum 60 eingespritztem
Kraftstoff ist sowohl von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wie
sie von der Bedienperson gewünscht wird,
als auch von der sich ergebenden Belastung abhängig, die vom Motor gefordert
wird, um diese Geschwindigkeit zu erreichen. Bei Bedingungen unter
Kleinlast wird von den Kraftstoffeinspritzelementen ein kleineres
Gas- oder Kraftstoffvolumen in den Brennraum eingespritzt, während bei
höheren
Belastungen größere Mengen
Kraftstoff eingespritzt werden.
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Die
elektromechanischen Betätigungselemente 40 enthalten
Magnetventilelemente 70, die genutzt werden, um die an
den Enden der Einlassventilelemente 50 und 50' befestigten
Magnetspulenelemente 72 in Längsrichtung wirksam zu machen.
Es werden Spiralfederelemente 74 verwendet, um die Ventileinlasselemente 50 und 50' in ihre geschlossenen
oder aufgesetzten Stellungen im Zylinderkopf vorzuspannen. In den
geschlossenen oder aufgesetzten Stellungen lassen die Einlassventilelemente es
nicht zu, dass im Einlasskanal 58 befindliche Luft in den
Brennraum 60 eintritt.
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Gemäß den 3A, 3B und 3C kann
eines der Einlassventilelemente 50, 50' oder beide
in Abhängigkeit
von der Drehzahl und der Belastung des Motors angehoben (geschlossen)
oder abgesenkt (geöffnet)
werden. In 3A ist das Einlassventilelement 50' geöffnet und
lässt zu,
dass aus dem Einlasskanal Luft in den Brennraum strömt, während das
Einlassventilelement 50 in seiner geschlossenen oder aufgesetzten
Stellung bleibt. Dies erzeugt in Abhängigkeit von der Größe, der
Stellung und des Neigungswinkels des Lufteinlasskanals 58 ein
besonderes Muster des Luftstroms im Brennraum 60.
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In 3B befindet
sich das Einlassventilelement 50 in seiner offenen Stellung,
während
sich das Einlassventilelement 50' in seiner geschlossenen oder aufgesetzten
Stellung befindet. Diese Ausführung
erzeugt eine andere Zustandsform des Luftstroms im Brennraum, die
wiederum von der besonderen Größe und Ausführung des
Lufteinlasskanals abhängig
ist. Schließlich
sind in 3C beide Einlassventile/Einlassventilelemente 50 und 50' in ihren offenen
(abgesenkten) Zuständen
gezeigt. Dies erlaubt es, dass die maximale Luftmenge in den Brennraum
eintritt, was zu einer weiteren Zustandsform des Luftstroms im Brennraum
führt.
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Ferner
kann eine zeitliche Abstimmung des Öffnens und Schließens der
Ventilelemente im Verhältnis
zueinander zusätzliche
Luftströme
im Brennraum erzeugen.
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Um
den geeigneten Luftstrom oder die geeignete Turbulenz im Brennraum
zu bestimmen, wird der in Frage kommende spezielle Motor bewertet
und analysiert. Das Öffnen
und Schließen
der Ventilelemente sowie der spezielle Öffnungsgrad und die spezielle Öffnungsfolge
eines Ventilelements im Verhältnis
zu dem anderen kann bestimmt werden, um die optimale Verbrennung
des Kraftstoffes im Brennraum bei allen Betriebsbedingungen des
Motors zu erreichen. In dieser Hinsicht wird jeder Motor in Bezug
auf die Motordrehzahl und Belastung geeicht, um die optimale Verbrennung
für alle
Betriebsbedingungen zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ist so
flexibel, dass die genaue Steuerung erzielt und bei allen Betriebsbedingungen
die optimale Verbrennung jedes Motors gewährleistet wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird in erster Linie im Brennraum des
Motors ein taumelnder Luftstrom gewährleistet. Jedoch weist der
Luftstrom dazu außerdem
ein Erscheinungsbild der Verwirbelung auf, die in den meisten Motoren
auch benötigt
wird, um eine zweckmäßige Turbulenz
für eine
optimale Verbrennung zu erzielen. In dieser Hinsicht kann das Öffnen von
nur einem der beiden Einlassventilelemente 50, 50' einen Luftstrom
mit kombinierter Verwirbelung und freiem Fall gewährleisten,
während das
gleichzeitige Öffnen
beider Ventilelemente in erster Linie einen taumelnden Luftstrom
erzeugen würde.
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Ein
mehrventiliger Motor mit unabhängig voneinander
gesteuerten Ventilen, wie er gezeigt ist, weist zahlreiche Vorteile
auf. Die Anzahl von Arbeitsventilen kann bei jeder vorgegebenen
Drehzahl oder Belastung gewählt
werden, um den Energieverbrauch und die Wirtschaftlichkeit zu optimieren.
Unter diesen Bedingungen ist es notwendig, den in beide Einlassöffnungen
geleiteten Kraftstoff zu verteilen. In typischen mehrventiligen
Motoren wird nur ein einziger Kraftstoffeinspritzmechanismus für jeden
Zylinder des Motors verwendet. So ist es möglich, dass der in der wirkungslos
gemachten Ventilöffnung
befindliche Kraftstoff nicht in den Brennraum oder Motorzylinder
eingeleitet wird, wenn eines der Einlassventilelemente während eines
Zeitraums der wechselnden Betriebsart des Ventils abgeschaltet ist.
Dies wiederum ändert
das gewünschte
Luft-Kraftstoffverhältnis,
insbesondere bei Belastungsübergängen des Motors.
Dies kann außerdem
Auswirkungen auf die vom Motor erzeugten Emissionen haben.
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Ein
Mechanismus zur Überwindung
dieser Angelegenheit ist in den 4A und 4B dargestellt.
Ein Teilerelement 100 an der Einlassöffnung liegt in dem Einlasskanal 110 und
wird genutzt, um Luft in zwei Teilmengen oder Teilströme, einen
für jede
der beiden Einlassöffnungen
A und B, zu teilen. Die Einlassventilelemente 50 und 50' sind in den
beiden Einlassöffnungen
angeordnet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in dem Umlenk- oder Teilerelement 100 ein
Luft/Kraftstoff-Austauschkanal 120 vorgesehen. Der Kanal oder
die Verbindungsbohrung 120 zwischen den Einlassöffnungen
A und B ist unmittelbar hinter den Einlassventilen angeordnet. Der
Kanal oder die Verbindungsbohrung 120 ermöglicht,
dass Kraftstoff, der sich in der wirkungslos gemachten (geschlossenen) Öffnung befindet,
während
des Ventilöffnens
in die aktivierte (offene) Öffnung übertragen
wird. Gemäß 4A befindet
sich das Einlassventilelement 50 in seiner geschlossenen
oder aufgesetzten Stellung, während
das Einlassventilelement 50' offen
ist. In diesem Zustand wird das Benzin, das in dem sich nach unten
in den Einlasskanal 110 zur Öffnung A hin weiter bewegenden
Luftstrom eingeschlossen ist und sich normalerweise durch die Öffnung A
bewegen würde,
durch die Verbindungsbohrung 120 in die Öffnung B
des Einlasskanal 110 und zu dem offenen Einlassventilelement 50' hin umgelenkt.
Der entgegengesetzte Zustand ist in 4B dargestellt,
bei dem das Einlassventilelement 50 offen und das Einlassventilelement 50' geschlossen
ist. In diesem Zustand werden Luft und Kraftstoff, die normalerweise durch
die mit dem Einlassventilelement 50' verbundenen Öffnung in den Brennraum eintreten
würden, durch
die Verbindungsbohrung 120 in den Abschnitt des Einlasskanals 110 umgelenkt,
die das offene Einlassventilelement 50 versorgt.
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Die Übertragung
von Luft und Kraftstoff von der einen Seite des Einlasskanal 110 zur
anderen wird durch einen Druckunterschied hervorgerufen, der von
dem Geschwindigkeitsgradienten der Luft über dem Kanal 120 erzeugt
wird. Darüber
hinaus ist es bei zweckmäßiger Auslegung
des Kanals möglich, einen
Düsenstrom
in das offene Ventil einzuleiten, um das Strömungsfeld in dem Brennraum
zu erzeugen und zu verstärken,
so dass die Turbulenzbildung im Brennraum und die nachfolgende Verbrennung von
Kraftstoff unterstützt
werden.
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Obwohl
spezielle Ausführungen
von Luftkanälen
und Einlassventilelementen gezeigt sind, wird verständlich,
dass die vorliegende Erfindung in jedem mehrventiligen Motor genutzt
werden kann, der eine beliebige Form von Luftkanälen oder Einlassventilelementen
aufweist. Außerdem
sind die in den Zeichnungen dargestellten elektromechanischen Betätigungselemente 40 nur
beispielhaft. Es kann jeder beliebige bekannte oder äquivalente
Typ von Betätigungselementen
zum Öffnen
und Schließen
der Einlassventilelemente genutzt werden, wobei die vorliegende
Erfindung nicht auf einen speziellen von ihnen beschränkt ist.
Außerdem
ist die vorliegende Erfindung nicht auf Motore beschränkt, die „drahtgebundene" Gaspedalsysteme
aufweisen. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem beliebigen Typ
eines Gaspedalsystems genutzt werden, in welchem die Drehzahl und
Belastung des Motors in Abhängigkeit
der Bedürfnisse
und Wünsche
der Bedienperson des Fahrzeugs eingestellt werden.
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Die
Erfindung ist in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben
worden, die für
die Prinzipien der Erfindung beispielhaft sind. Die Verfahren und
Vorrichtungen können
zahlreiche Modifizierungen haben, ohne vom Geist und Umfang der
Erfindung gemäß den Patentansprüchen abzuweichen.