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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
mit einem Abgasreinigungssystem, welches zur Reinigung von Abgasen
der Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang angeordnet ist und ein
Abgasreinigungselement, insbesondere ein Partikelfilter- und/oder
Katalysatorelement aufweist, wobei das Abgasreinigungselement, in
einer Abgasleitung angeordnet und von Abgas durchströmbar gestaltet
ist, und wobei dem Abgasreinigungselement wenigstens ein insbesondere
flüssiges
Fluid zugeordnet ist, mit dem das Abgasreinigungselement in Wärmetauschverbindung
steht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Betrieb eines Abgasreinigungssystems, insbesondere eines Abgasreinigungssystems
einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Aus
der
DE 40 38 169 A1 ist
eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine
bekannt, die ein Abgasreinigungssystem zur Reinigung der Abgase
der Brennkraftmaschine vorsieht. Das Abgasreinigungssystem umfasst
mehrere Abgasreinigungselemente, die in innerhalb des Motorblocks
der Brennkraftmaschine verlaufende Abgaskanäle eingesetzt sind. Über üblicherweise
im Motorblock vorgesehene Kühlwasserkanäle lässt sich
das Material des Motorblocks auch im Bereich der Abgaskanäle temperieren.
Eine direkte Kühlung
oder Erwärmung
des Abgasreinigungssystems bzw. des durch die Abgasreinigungselemente
strömenden
Abgases ist nicht vorgesehen.
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Aus
der
UK 1 563 338 ist
eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Abgasreinigungssystem
zur Reinigung der Abgase der Brennkraftmaschine vorgesehen ist,
welches einen Reaktor mit einer gewissen Wärmespeicherfähigkeit in
den Wandungen des Reaktors umfasst. Dadurch wird eine Nachverbrennung
der Abgase im Abgasreinigungssystem mittels inneren Wärmeaustauschs angestrebt.
Eine Temperierung mit Hilfe eines separaten Fluids ist nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 196 46 025
A1 ist ein Abgaskatalysator für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine bekannt,
der ein Abgasreinigungselement mit einer Heizungsanordnung umfasst.
Das Abgasreinigungselement ist in einer Kaltstartphase motorunabhängig mittels
der elektrisch betriebenen Heizungsanordnung temperierbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei
der ein besonders effektiver Wärmeaustausch
zwischen einem Fluid und dem Abgasreinigungssystem der Brennkraftmaschine
sichergestellt ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren
für ein
entsprechendes Abgasreinigungssystem zur Verfügung zu stellen.
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Die
obige Aufgabe wird zum einen durch eine Brennkraftmaschine nach
Anspruch 1 sowie zum anderen durch ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der jeweiligen Unteransprüche.
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Kennzeichnend
für die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
ist eine fest mit dem Abgasreinigungselement verbundene Gehäusewandung,
die direkt von dem wenigstens einen Fluid umströmbar gestaltet ist und über die
eine unmittelbare Wärmeaustauschverbindung
hergestellt ist. Durch den direkten Kontakt des Fluids mit der Gehäusewandung
ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders schnelles Wärmeübertragungsverhalten
zwischen Abgasreinigungselement und Fluid, sodass Änderungen
des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (z.B. Kaltstart oder
Stillsetzen nach Volllastbetrieb) zügig und verbrauchsgünstig nachvollzogen
werden können.
Dabei können
insbesondere auch hohe Bauteiltemperaturen im Abgasreinigungselement
vermieden werden, indem seitens des Abgasreinigungselements entstehende
Exothermien rasch in das Fluid übergeführt werden
können.
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Erfindungsgemäß ist kennzeichnend
für das Verfahren,
dass insbesondere während
einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine in einem Verfahrensschritt
Abgas einem Abgasreinigungselement, insbesondere einem Partikelfilter-
und/oder Katalysatorelement zugeführt wird, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt
dem Abgasreinigungselement wenigstens ein insbesondere flüssiges Fluid
zugeführt wird,
das eine fest mit dem Abgasreinigungselement verbundene Gehäusewandung,
direkt umströmt,
sodass über
die Gehäusewandung
eine unmittelbare Wärmeaustauschverbindung
hergestellt ist. Das genannte Verfahren ermöglicht ebenfalls ein besonders schnelles
Wärmeübertragungsverhalten
zwischen Abgasreinigungselement und Fluid, sodass Änderungen
des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zügig und verbrauchsgünstig nachvollzogen
werden können.
Insbesondere während
einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine können Wärmespitzen im Abgasreinigungselement
(z.B. verursacht durch exotherme chemische Reaktionen) durch eine
direkte Kühlung über das
Fluid abgebaut werden. Umgekehrt lässt sich eine im Abgasreinigungselement
erzeugte Wärmemenge
zur schnelleren Erwärmung des
Fluids nutzen. Ferner ermöglicht
das vorgeschlagene Verfahren, eine gewünschte Solltemperatur im Abgasreinigungselement,
welches beispielsweise als DeNOx-Katalysator ausgebildet sein kann,
besonders zuverlässig
und genau einzustellen bzw. zu regeln.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluid vom Kühlwasser
der Brennkraftmaschine gebildet und aus dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine
abgezweigt. Unter Verwendung üblicher Baueinheiten
lässt sich
damit die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders kostengünstig
und einfach realisieren. Über
das bestehende Kühlwassersystem der
Brennkraftmaschine können
große
Wärmemengen
schnell und effizient transportiert und zwischen dem Motorblock
der Brennkraftmaschine und einem davon beabstandeten Abgasreinigungselement
ausgetauscht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluid vom Schmieröl der Brennkraftmaschine
gebildet und aus dem Schmierölkreislauf
der Brennkraftmaschine abgezweigt. Im Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine
lassen sich naturgemäß andere Temperaturen
realisieren als in einem Kühlwasserkreislauf,
sodass eine Temperierung des Abgasreinigungselements auf insbesondere
hohem Temperaturniveau ermöglicht
ist. Bevorzugt wird eine parallele und/oder abwechselnde Beaufschlagung
des Abgasreinigungselements mit einem ersten Fluid (z.B. Kühlwasser)
und einem zweiten Fluid (z.B. Schmieröl oder auch Druckluft etc.).
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäusewandung aus einem Metall,
insbesondere einer Leichtmetall-Legierung mit einer besonders hohen
Wärmeleitfähigkeit
hergestellt. Bevorzugt werden hierbei geringe Wandstärken zur
Verbesserung des Ansprechverhaltens.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe des Fluids ein
Wärmeaustausch
zwischen der Brennkraftmaschine und einem von der Brennkraftmaschine
beabstandeten Abgasreinigungssystem hergestellt. Mit Hilfe des Fluids
lassen sich große Wärmemengen
insbesondere zwischen dem Motorblock der Brennkraftmaschine einerseits
und einem Abgasreinigungssystem, welches an einer anderen Stelle
des Kraftfahrzeuges angeordnet ist, andererseits transferieren.
Auch ein von der Brennkraftmaschine entfernt angeordnetes Abgasreinigungssystem
kann so als Wärmequelle
oder Wärmesenke
für die
Brennkraftmaschine genutzt werden. Umgekehrt kann mit Hilfe eines
Fluids samt direkter Wärmeübertragung
zwischen Fluid und einem Abgasreinigungselement das Abgasreinigungselement
temperiert werden – dies
unabhängig
von einem Abstand zwischen Brennkraftmaschine/Motorblock und Abgasreinigungssystem.
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In
noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe des Fluids
im Bereich des Abgasreinigungselements eine Temperierung, insbesondere
eine Kühlung
des Abgases erzielt. Erfindungsgemäß werden mit Hilfe der direkten
Wärmeübertragung
an das Fluid ein Glätten
von hohen Temperaturgradienten im Abgas, eine Reduktion von Abgaspulsationen
und eine schnellere Aufheizung im Kaltstartprozess erreicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden dem Abgasreinigungselement
zwei oder mehr Fluide gleichzeitig oder abwechselnd zugeführt. Abhängig vom
Betriebszustand des Abgasreinigungselements (z.B. hohe Exothermiebelastung,
Regenerationsprozesse, etc.) bzw. der Brennkraftmaschine (Kaltstartvorgang,
etc.) und abhängig
vom gewünschten
Wärmetransfer
lässt sich
eine Zufuhr eines oder beider Fluide zum Abgasreinigungselement einstellen.
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Obige
sowie weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen
des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der anschließenden Beschreibung
und den Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Darin zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems
in einer Schnittdarstellung; und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems
in einer Schnittdarstellung.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs,
insbesondere eine als mehrzylindriger Hubkolben-Verbrennungsmotor
ausgestaltete Brennkraftmaschine (z.B. Nutzfahrzeug-Dieselmotor).
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Die
Brennkraftmaschine umfasst in allgemein bekannter Weise einen Motorblock,
in dem zylindrische Bohrungen zur Führung beweglicher Kolben vorgesehen
sind, wobei die Bohrungen zur Bildung von Brennräumen nach oben mit einem an
sich bekannten Zylinderkopf 1 abgeschlossen sind (vgl. 1).
Die Kolben übertragen
Kräfte
auf eine am Motorblock gelagerte Kurbelwelle, an der das Motorabtriebsmoment
abzunehmen ist. Unterhalb des Motorblocks ist in bekannter Weise
eine Ölwanne
angeordnet, in der ein Kühl-
bzw. Schmiermittelreservoir, insbesondere ein so genannter Ölsumpf gebildet ist.
Aus dem Ölsumpf
wird im Betrieb durch ein Ölfördersystem Öl entnommen
und insbesondere zu den vielfältigen
Lager- und Reibstellen der beweglichen Teile der Brennkraftmaschine
gefördert.
Ebenso wird das Öl
zu tribologisch hoch belasteten Bereichen der Brennkraftmaschine
gefördert.
Die Brennkraftmaschine umfasst ferner ein Kühlwassersystem, in dem Kühlwasser
mit Hilfe einer Wasserpumpe umgewälzt und zwischen einem oder
mehreren Kühlern
bzw. Wärmetauschern
einerseits und insbesondere dem Motorblock andererseits hin und
her gepumpt wird. Hierzu sind im Motorblock bzw. dessen Zylinderkopf 1 spezielle
Wasserkanäle
zum Transport des Wassers an thermisch hoch belastete Stellen vorgesehen.
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Ferner
ist der Brennkraftmaschine ein Abgasreinigungssystem zugeordnet,
welches zur Reinigung von Abgasen der Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang
angeordnet ist und ein Abgasreinigungselement 3, insbesondere
ein Partikelfilter- und/oder
Katalysatorelement aufweist, wobei das Abgasreinigungselement, in
einer Abgasleitung 2 angeordnet und von Abgas A durchströmbar gestaltet ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 ist als in Frage kommende Abgasleitung 2 ein
Auslasskanal im Zylinderkopf 1 der Brennkraftmaschine vorgesehen.
Entsprechend handelt es sich bei dem Abgasreinigungselement 3 bevorzugt
um einen „motornah" positionierten Oxidationskatalysator.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 2 ist als in Frage kommende Abgasleitung 2' dagegen eine
vom Motorblock beabstandete Rohrleitung, beispielsweise im Unterbodenbereich
des entsprechenden Fahrzeugs vorgesehen. Als Abgasreinigungselement 3' ist beispielhaft
ein DeNOx-Speicherkatalysator
vorgesehen. Selbstverständlich
lassen sich auch andere Arten von Abgasreinigungselementen, beispielsweise Partikelfilter,
SCR-Katalysatoren oder SOx-Fallen bzw.
Kombinationen aus den genannten Elementen einsetzen.
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Das
Abgasreinigungselement 3, 3' ist vorzugsweise als monolithisches
Element mit einer zylindrischen Form mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt
ausgebildet. In seinem Inneren befinden sich von Abgas durchströmbare axiale
Kanäle,
welche vorzugsweise durch gefaltete Metallfolien gebildet sind.
Die Metallfolien können
mit einer katalytischen Beschichtung versehen sein. Auf diese Weise kann
ein Metallträger-Katalysator
oder ein Partikelfilter mit einer so genannten offenen Struktur
gebildet sein. Die Gesamtheit der Kanäle ist von einem Metallrohr
umschlossen, welches die Gehäusewandung 3a, 3a' des Abgasreinigungselements 3, 3' bildet. Es ist
auch möglich,
das Abgasreinigungselement 3, 3' als keramischen Wabenkörper aus
Cordierit oder Siliziumkarbid auszubilden, dessen dichte äußere Mantelfläche die
Gehäusewandung 3a, 3a' bildet.
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Erfindungsgemäß ist dem
Abgasreinigungselement wenigstens ein insbesondere flüssiges Fluid F
zugeordnet, mit dem das Abgasreinigungselement 3, 3' in Wärmeaustauschverbindung
steht. Das Fluid F ist hierzu gemäß den Ausführungsbeispielen in den Figuren
jeweils in Kanälen 4 geführt, die
jeweils eine oder mehrere Öffnungen 4a aufweisen. Über die Öffnungen 4a gelangt
das Fluid F im Betrieb an eine Gehäusewandung 3a bzw. 3a' des jeweiligen
Abgasreinigungselements 3, 3', wobei die Gehäusewandung 3a bzw. 3a' jeweils den
Kanal 4 im Bereich der Öffnung 4a verschließt bzw.
abschließt.
Die Gehäusewandung 3a, 3a' ist bevorzugt
aus einer Leichtmetall-Legierung mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit
hergestellt. Aufgrund dieser Konstruktion gelangt das Fluid F in
einen direkten Kontakt mit der Gehäusewandung 3a bzw. 3a' des jeweiligen
Abgasreinigungselements 3, 3'. Es kann vorteilhaft sein, die Kontaktzone
des Fluids F mit der Gehäusewandung im
in Abgasströmungsrichtung
gesehen vorderen oder hinteren Bereich des Abgasreinigungselements 3, 3' vorzusehen,
da je nach Betriebsbedingungen in diesen Bereichen oftmals der größere Teil
der Wärmemengen
im Abgasreinigungselement 3, 3' freigesetzt wird und somit die
Temperaturbelastung hier am stärksten
ausgeprägt
sein kann. Bevorzugt ist in diesen Fällen die Kontaktzone im Bereich
des vorderen oder hinteren Drittels der axialen Erstreckung des Abgasreinigungselements 3, 3' vorzusehen.
Es kann aus konstruktiven Gründen
ebenfalls vorteilhaft sein, mehrere, in axialer Richtung voneinander
beabstandete und getrennte Kontaktzonen des Fluids F mit der Gehäusewandung 3a, 3a' vorzusehen.
Dies eröffnet
zusätzlich
die Möglichkeit,
in den dann voneinander getrennten Kanälen 4 unterschiedliche
Fluide F einzusetzen.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist
das Abgasreinigungselement 3, 3' zusätzlich mit Kanälen zur
Führung
des Fluids durchzogen, in denen sich die Gehäusewandung des Abgasreinigungselements
gleichsam fortsetzt und eine besonders große Wärmeübertragungsoberfläche zur
Verfügung
stellt. Zur verbesserten Führung
des Fluids kann jedoch auch die Gehäusewandung 3a, 3a' zumindest im
Kontaktbereich mit dem Fluid strukturiert ausgebildet sein. Vorteilhaft
ist beispielsweise die Ausbildung von Führungsrillen für das Fluid.
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Erfindungsgemäß ist als
Fluid F eine Betriebsflüssigkeit
der Brennkraftmaschine, insbesondere das Kühlwasser und/oder das Schmieröl vorgesehen.
Kühlwasser
und Schmieröl
können
auf einfache Weise aus dem jeweiligen Flüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine
abgezweigt werden und über
Kanäle 4 sowie
Rohrleitungen dem Abgasreinigungselement 3, 3' im Abgasreinigungssystem
zugeführt
werden. Bei einer Verwendung zweier (unterschiedlicher) Fluide sind
diese in voneinander getrennten Kanälen an das Abgasreinigungselement heranzuführen.
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Mit
Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung,
insbesondere einer Brennkraftmaschine gemäß den 1 oder 2,
lässt sich
ein erfindungsgemäßes Verfahren
wie folgt durchführen.
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Insbesondere
während
einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine wird in einem ersten
Verfahrensschritt dem Abgasreini gungselement 3, 3' Abgas A zugeführt, das
chemisch reaktionsfähige
Komponenten enthält.
Beispielsweise unter Verwendung von Kraftstoffnacheinspritzungen
seitens der Brennkraftmaschine lässt
sich durch Nachreaktionen im Abgassystem eine schnelle, chemische
Erhitzung des Abgasreinigungselements 3, 3' erzielen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird dem Abgasreinigungselement 3 flüssiges Fluid
F in Form von Kühlwasser
oder Schmieröl
zugeführt,
das die fest mit dem Abgasreinigungselement 3, 3' verbundene
Gehäusewandung 3a, 3a' direkt umströmt, sodass über die
Gehäusewandung 3a, 3a' eine unmittelbare
Wärmeaustauschverbindung
zwischen Abgasreinigungselement und Fluid F hergestellt ist. Die
aufgrund eines schnellen „Light-off" im Abgasreinigungselement
(Katalysator) entstandene Hitze lässt sich rasch über das
Fluid abführen,
wodurch einerseits eine Überhitzung
des Abgasreinigungselements 3, 3' verhindert und andererseits eine
schnelle Erwärmung
des Fluids F erreicht wird. Auch in einem Volllastzustand der Brennkraftmaschine,
bei schnellen Lastwechseln oder in einer Regenerationsphase des
Abgasreinigungselements 3, 3', lassen sich Temperaturspitzen
im Abgasreinigungselement bzw. im Abgas A selbst über das
Fluid abbauen bzw. begrenzen.
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Vorteilhaft
ergibt sich mit Hilfe des Fluids F ein Wärmeaustausch zwischen der Brennkraftmaschine
und einem im Zylinderkopf 1 der Brennkraftmaschine angeordneten
Abgasreinigungselement 3 (1). In diesem
Fall ist insbesondere eine Kühlung und/oder
gleichmäßige Temperierung
des Abgasreinigungselements 3 mittels des Fluids F zu erzielen. Hohe
Temperaturgradienten lassen sich glätten, Abgaspulsationen am Abgasauslass
lassen sich reduzieren, und die Abgastemperatur lässt sich über eine geeignete
Temperierung mittels des Fluids an die Bedingungen im Abgasturbolader
anpassen.
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Vorteilhaft
kann mit Hilfe des Fluids F ein Wärmeaustausch zwischen der Brennkraftmaschine und
einem von der Brennkraftmaschine beabstandeten Abgasreinigungselement 3' hergestellt
werden (2). In diesem Fall ist insbesondere
auch eine Erwärmung
und/oder gleichmäßige Temperierung des
Abgasreinigungselements 3' mittels
des Fluids F zu erzielen.
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Durch
den vorgeschlagenen direkten Wärmeaustausch
zwischen Fluid F und Abgasreinigungselement lässt sich also mit einfachen
Mitteln ein gewünschter
Temperaturbereich im Abgasreinigungselement einstellen. Ebenso lässt sich
ein Temperaturausgleich und eine gegenseitige (positive) Beeinflussung
von Abgasreinigungselement und Fluid zur Verbesserung des Warmlaufverhaltens
und weiterer Temperaturänderungsvorgänge von
Brennkraftmaschine und Abgasreinigungssystem erreichen.
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Die
Merkmale der lediglich beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
lassen sich nahezu beliebig miteinander kombinieren, sodass sich
weitere vorteilhafte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben können.