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HINTERGRUND
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Ionensignale
werden in einer Vielzahl von Regelungen für verschiedene Arten von Motoren
in verschiedenen Gewerben wie Leicht- und Schwerlastfahrzeugen,
Lokomotiven, Maschinen für
den Geländeeinsatz,
Wasserfahrzeugen und vielen industriellen Anwendungen verwendet.
Der Ionenstrom ist beispielsweise dazu verwendet worden, Klopfen
und Fehlzündungen
in Magergemischmotoren und Verbrennungsinstabilität bei kontinuierlichen
Verbrennungssystemen festzustellen, NOx-Emissionen
zu ermitteln, die Abgasrückführung zu
regeln usw.
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Ein
Ionensignal verändert
sich infolge vieler Faktoren, einschließlich des A/F (Luft/Brennstoff
= Air/Fuel)-Verhältnisses,
der Nähe
zur Flamme, der Feuchtigkeit und der Brennstoffeigenschaften. Die wichtigen
Brennstoffeigenschaften, die den Ionenstrom (und den Verbrennungsvorgang)
beeinflussen, umfassen beispielsweise das Wasserstoff/Kohlenstoffverhältnis, den
Destillationsbereich, die Verdampfbarkeit und den Cetanwert. Abweichungen
der Entwurfsparameter von einem Motor zu einem anderen und Abweichungen
der Brennstoffeigenschaften beeinflussen die Temperatur und den
Druck des Zylindergases, die Gemischbildung und die Verteilung des Äquivalenzverhältnisses
in der Verbrennungskammer, die wiederum alle die Ionenbildung beeinflussen.
Man kann sich das Ionensignal als eine einzelne Gleichung mit vielen
Unbekannten vorstellen. Obwohl viele der Unbekannten eine kleine
Wirkung auf das Ionensignal haben, können sie ausreichend sein,
um die Wirksamkeit der Regelungen zu verringern.
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Ein
Beispiel der Veränderung
des Ionensignals ist in den 7a und 7b gezeigt.
Unter denselben Bedingungen weist das (mit dem Bezugszeichen 700 bezeichnete)
Ionensignal in Abhängigkeit von
der Brennstoffart einen kleinen oder größeren "zweiten Höcker" auf. Die 7a zeigt
einen einsetzenden Klopfvorgang, bei dem die Brennstoffart reines
Naturgas ist. Die 7b zeigt einen einsetzenden
Klopfvorgang, bei dem die Brennstoffart eine Mischung von Naturgas
und Propan ist, wobei die anderen Faktoren dieselben geblieben sind.
Es ist ersichtlich, dass die von unterschiedlichen Brennstoffarten herrührende Veränderung
des Ionensignals von derselben Größenordnung ist wie das einsetzende Klopfsignal.
Die Klopferkennungsregelung ist folglich bei einigen Brennstoffarten
nicht so wirksam und könnte
zu falschen Erkennungen führen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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In
diesem Dokument wird unter anderem ein Verfahren und eine Vorrichtung
beschrieben, um sich verändernde
Brennstoff- und Lufteigenschaften in einer Betriebsumgebung auszugleichen,
die ein Ionenstromsignal erfasst und verwendet, welches sich als Ergebnis
einer Veränderung
der Brennstoff- und Lufteigenschaften ändert. Das Verfahren und die
Vorrichtung stellen die Eigenschaften sich verändernden Brennstoffs und Luft
in Rechnung, ohne dass eine vollständige Analyse oder ein vollständiges Verständnis der
das Ionensignal beeinflussenden Bestandteile erforderlich wäre. Außerdem erfordern
das Verfahren und die Vorrichtung keine Kenntnis der genauen Zusammensetzung
des Brennstoffs oder der Feuchtigkeit.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung empfangen ein Referenz-Ionenstromsignal,
das die Ionenkonzentration in einer Referenz-Verbrennungskammer
anzeigt. Es wird bestimmt, ob sich das Referenz-Ionenstromsignal
gegenüber
einem früheren Referenz-Ionenstromsignal
verändert
hat. Wenn sich das Referenz-Ionenstromsignal
geändert
hat, wird ein Skalierungsfaktor bestimmt und an wenigstens einen
Regler oder eine Steuerung übertragen, der/die
das Ionenstromsignal empfängt.
Der Regler skaliert das Ionenstromsignal mit dem Skalierungsfaktor.
Alternativ hierzu skaliert der Regler wenigstens einen Kalibrationspunkt,
der in dem Regler verwendet wird, um die Verbrennungsbedingungen
zu bestimmen.
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Der
Skalierungsfaktor wird regelmäßig auf den
neuesten Stand gebracht, indem er regelmäßig den Abtastwert des Referenz-Ionenstromsignals empfängt. Der
Skalierungsfaktor kann linear oder nichtlinear sein. Er kann beispielsweise
proportional zu einem Quadrat eines Verhältnisses des Referenz-Ionenstromsignals
zu dem vorhergehenden Referenz-Ionenstromsignal sein, proportional
zu einem natürlichen
Logarithmus eines Verhältnisses
des Referenz-Ionenstromsignals zu dem vorhergehenden Referenz-Ionenstromsignal
etc.
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Die
Vorrichtung umfasst Mittel zur Erzeugung des Referenz-Ionenstromsignals,
Mittel zum Empfangen eines Referenz-Ionenstromsignals, welches die
Ionenkonzentration in der Referenz-Verbrennungskammer anzeigt und
Verarbeitungsmittel, um zu bestimmen, ob sich das Referenz-Ionenstromsignal
gegenüber
einem früheren
Referenz-Ionenstromsignal geändert
hat, um einen Skalierungsfaktor festzulegen, wenn sich das Referenz-Ionenstromsignal
gegenüber
einem früheren
Referenz-Ionenstromsignal geändert
hat und um den Skalierungsfaktor an einen Regler/eine Steuerung
zu übertragen, der/die
das Ionenstromsignal empfängt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Mittel, um das Referenz-Ionenstromsignal zu erzeugen,
einen in der Nähe
eines Referenzbrenners, der sich in der Referenz-Verbrennungskammer
befindet, angeordneten Ionensensor, wobei der Referenzbrenner dafür ausgelegt
ist, Brennstoff und Luft zu verbrennen. Der Ionensensor ist an einer
solchen Stelle angeordnet, dass er von der Flamme des Referenzbrenners
erzeugte Ionen registrieren kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung erläuternder
Ausführungsformen,
die mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen fortgesetzt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in die Beschreibung eingegliedert sind und einen
Teil derselben bilden, veranschaulichen verschiedene Aspekte der
hier beschriebenen Technologien und dienen zusammen mit der Beschreibung
dazu, die Grundsätze der
Technologien zu erläutern.
In den Zeichnungen ist
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1 eine
schematische Ansicht einer typischen Umgebung, in der die Technologien
arbeiten können;
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2 eine
Blockdiagramm-Ansicht eines Ionisationsmoduls, das mit den hier
beschriebenen Technologien zusammenwirkt;
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3 eine
Blockdiagramm-Ansicht einer Ausführungsform
der Technologien in der Umgebung der 1;
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4 eine
Blockdiagramm-Ansicht einer Ausführungsform
des Ionen-Referenzsensormoduls der 3;
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5 ein
Flussdiagramm, das die Schritte der Kompensation variierender Brennstoff-
und Lufteigenschaften erläutert;
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6 ein
Flussdiagramm, welches eine alternative Ausführungsform der Schritte für die Kompensation
variierender Brennstoff- und Lufteigenschaften erläutert; und
die
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7a und 7b sind
Schaubilder, die erläutern,
wie sich das Ionensignal und der Zylinderdruck mit einer anderen
Brennstoffmischung verändern.
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Obwohl
die Techniken in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben werden, ist
nicht beabsichtigt, sie auf diese Ausführungsformen zu beschränken. Es
ist im Gegenteil beabsichtigt, alle Alternativen, Abänderungen
und Äquivalente abzudecken,
die von dem in den beigefügten
Ansprüchen
gekennzeichneten Geist und Schutzbereich der Erfindung erfasst sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
Vorrichtung und das Verfahren, wie hier beschrieben, kompensieren
variierende Brennstoff- und Lufteigenschaften eines Ionensignals,
ohne dass eine vollständige
Analyse oder ein vollständiges
Verständnis
der das Ionensignal beeinflussenden Bestandteile erforderlich ist.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf
dieselben Elemente beziehen, ist in der 1 eine geeignete
Umgebung eines Verbrennungsmotors gezeigt, in der die Vorrichtung
arbeiten kann. Die Umgebung 100 umfasst ein Ionisationsmodul 102,
ein Luft/Brennstoffmodul 104, ein Zündmodul 106 und einen
Kolbenmotor 108. Obwohl ein Kolbenmotor 108 gezeigt
ist, kann die Vorrichtung in anderen Umgebungen, beispielsweise kontinuierlichen
Verbrennungsmaschinen wie Turbinen, eingesetzt werden. Obwohl das
Ionisationsmodul 102, das Luft/Brennstoffmodul 104 und
das Zündmodul 106 getrennt
gezeigt sind, ist zuzugeben, dass die Module 102, 104 und 106 in
einem einzelnen Modul kombiniert werden können, oder dass sie Teil einer
Motorsteuerung mit Ein- und Ausgängen
sein können.
Der Kolbenmotor umfasst einen Motorzylinder 110, einen
Kolben 112, ein Einlassventil 114 und ein Auslassventil 116.
Eine Ansaugleitung 118 steht mit dem Zylinder 110 über das
Einlassventil 114 in Verbindung. Eine Abgasleitung 120 nimmt über das Auslassventil 116 Abgase
von dem Zylinder 110 auf. Das Einlassventil 114 und
das Auslassventil 116 können
elektronisch, mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder über eine
Nockenwelle gesteuert werden. Eine Zündkerze 122 mit einer
Funkenstrecke 124 zündet
das Luft/Brennstoffgemisch in dem Zylinder 110. Das Zündmodul 106 steuert
den Zündzeitpunkt und
führt der
Zündkerze 122 Energie
zu.
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In
einer Ausführungsform
steht die Abgasleitung 120 mit dem AGR-Ventil (Abgasrückführventil) 130 in
Verbindung. Das von dem AGR-Modul 132 gesteuerte AGR-Ventil 130 führt der
Ansaugleitung 118 Abgas zu, vorzugsweise stromabwärts von
der Drosselklappe 128, um die AGR des Kolbenmotors 108 zu regeln.
Der Einfachheit halber ist der Rückführungspfad
von dem AGR-Ventil 130 zum Einlass mit Pfeilen 134 gekennzeichnet.
In einigen Systemen kann das Abgas weiterhin durch einen Kühler in
dem Abgas-Rückführpfad gekühlt werden.
Das Abgasventil 114 kann außerdem mit variabler Zeiteinstellung
geregelt werden, um dabei zu helfen, einen Teil der Abgase in dem
Zylinder 108 zu halten. Das Luft/Brennstoffmodul 104 steuert
die Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 und kann die Drosselklappe 128 regeln,
um dem Motorzylinder 110 Luft und Brennstoff in einem gewünschten
Verhältnis
zuzuführen.
Das Luft/Brennstoffmodul 104 empfängt eine Rückmeldung von dem Ionisationsmodul
und stellt das Luft/Brennstoffverhältnis ein. Das in einigen Anwendungen
verwendete AGR-Modul 132 regelt die Menge der in die Ansaugleitung
und daher in den Zylinder rückgeführten Abgase.
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Das
Ionisationsmodul enthält
Schaltkreise, um das Ionisationssignal zu erfassen und zu analysieren.
In der gezeigten Ausführungsform
umfasst das Ionisationsmodul, wie in 2 gezeigt,
ein Ionisationssignal-Erfassungsmodul 140, einen Ionisationssignal-Analysator 142 und
ein Ionisationssignal-Regelmodul 144. Um die Verbrennungsbedingungen
zu erfassen, führt
das Ionisationsmodul 102 der Zündkerze 102 Energie
zu, nachdem das Luft/Brennstoffgemisch gezündet wurde, und misst Ionenstromsignale
von der Funkenstrecke 124 mittels des Ionisationssignal-Erfassungsmoduls 140.
Alternativ hierzu kann eine herkömmliche
Ionisationssonde oder eine andere konventionelle Vorrichtung zum
Erfassen der Ionisierung verwendet werden, um die Ionisationssignale
zu messen. Der Ionisationssignal-Analysator 142 empfängt das
Ionenstromsignal von dem Ionisationssignal-Erfassungsmodul 140 und stellt
fest, ob eine anomale Verbrennungsbedingung vorliegt. Das Ionisationssignal-Regelmodul 144 steuert
den Ionisationssignal-Analysator 142 und das Ionisationssignal-Erfassungsmodul 140.
Das Ionisationssignal-Regelmodul 144 liefert eine Anzeige
der Verbrennungsbedingungen an das Luft/Brennstoffmodul 104,
das Zündmodul 106 und
an das AGR-Modul 130. In einer Ausführungsform sendet das Ionisationsmodul 120 die
Anzeige an die anderen Module in dem Motorsystem, wie an die Motorsteuerung 146. Obwohl
das Ionisationssignal-Erfassungsmodul 140, der Ionisationssignal-Analysator 142 und
das Ionisationssignal-Regelmodul 144 getrennt gezeigt sind,
ist zuzugeben, dass sie in einem einzelnen Modul kombiniert werden
können,
und/oder dass sie Teil einer Motorsteuerung mit Ein- und Ausgängen sein
können.
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Indem
wir uns jetzt den 3 und 4 zuwenden,
wird die Vorrichtung in der oben beschriebenen Umgebung 100 eines
Kolbenmotors beschrieben werden. Die Vorrichtung kann in anderen
Umgebungen, beispielsweise kontinuierlichen Verbrennungsmaschinen
wie Turbinen und Kompressionszündungsmotoren,
eingesetzt werden. Die Vorrichtung sieht ein Ionen-Referenzsensormodul 160 vor, das
in der Nähe
der Motorumgebung angeordnet ist und Brennstoff von der Brennstoffleitung 162 erhält, die
Brennstoff an die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 126 in
dem Kolbenmotor 108 liefert, sowie Luft von der Luftleitung 164.
Alternativ hierzu wird die Luft und der Brennstoff vorgemischt und
an das Ionen-Referenzsensormodul 160 geliefert. Das Ionen-Referenzsensormodul 160 enthält einen
Ionensensor 166, der die von einer in einer Referenz-Verbrennungskammer 170 auf
einem Referenzbrenner 168 brennenden Flamme erzeugte Ionenkonzentration
erfasst, und ein Kalibrationsmodul 172. Obwohl die 4 als
Ionensensor eine Zündkerze
zeigt, können
andere Arten von Ionensensoren eingesetzt werden. Die Flamme sollte
so klein wie möglich
sein, vergleichbar einer Zündflamme.
In der nachfolgenden Beschreibung wird auf diese Flamme bei der
Beschreibung des Verfahrens als Zündflamme Bezug genommen. Es
ist zu beachten, dass das Kalibrationsmodul 172 Teil des
Ionisationsmoduls 102 oder Teil von anderen Steuereinrichtungen
wie einer Motorsteuereinheit (ECU, Engine Control Unit) sein kann.
Der Referenzbrenner 168 ist in die Betriebsumgebung eingebaut
und verwendet denselben Brennstoff und dieselbe Luft, die von dem
Motor verbraucht werden. Es ist zu beachten, dass wenn das AGR-Modul 132 eingesetzt
wird und der Motor mit einem hohen AGR-Verhältnis (beispielsweise > 20%) arbeitet, die
Luftprobe für
den Referenzbrenner genommen werden sollte, nachdem die AGR dem Einlass
zugemischt wurde, so dass die Verbrennung Luft mit denselben Eigenschaften
wie die in der Motor-Verbrennungskammer (z.B. dem Motorzylinder 110)
verwendete Luft verwendet und sich von dieser nicht unterscheidet.
Das Luft/Brennstoffverhältnis
und die Menge des der Referenz-Verbrennungskammer 170 zugeführten und
von dem Referenzbrenner 168 verbrannten Gases wird so geregelt,
dass sie sich nicht ändert.
Das Luft/Brennstoffverhältnis
(und die Gasmenge) können
mit einer offenen oder geschlossenen Schleife geregelt werden. Die
Abgasprodukte werden stromaufwärts
jeglicher Abgas-Nachbehandlung des Motors 108 "entsorgt", um die Gesamtverunreinigung
durch den Motor 108 zu verringern.
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Unter
Bezug auf 5 brennt der Referenzbrenner 168 stetig
die Flamme. Das Kalibrationsmodul 172 nimmt regelmäßig Abtastwerte
des Referenz-Ionenstromsignals, das die Ionenkonzentration in der
Referenz-Verbrennungskammer 170 anzeigt, von dem Ionensensor 166 (Schritt 200).
Das Ionenstromsignal sollte so schnell abgetastet werden, wie erwartet
wird, dass sich die Brennstoffmischung ändert. In einer Ausführungsform
wird das Ionenstromsignal beispielsweise bei Motoren, die für Anwendungen
bei Deponierungen eingesetzt werden, mit einer Rate von 5 Hz abgetastet,
während
das Referenz-Ionenstromsignal bei anderen Anwendungen zwischen 10
Hz und 0,1 Hz, in Abhängigkeit
von der Anwendung, abgetastet wird. Der Referenz-Ionenstrom nimmt
mit der Zusammensetzung des verbrannten Brennstoffs, der Feuchtigkeit
der verbrauchten Luft usw. zu oder ab.
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Das
Kalibrationsmodul 172 weist ein Verarbeitungsmittel auf,
welches feststellt, wie sich das Referenz-Ionenstromsignal geändert hat
(Schritt 202). Das Kalibrationsmodul 172 beinhaltet
typischerweise verschiedene computerlesbare Medien. Computerlesbare
Medien können
beliebige zur Verfügung
stehende Medien sein, auf die Bauteile 102 die zugreifen
können
und beinhalten sowohl flüchtige als
auch nichtflüchtige,
wie auch auswechselbare und nicht auswechselbare Medien. In Abhängigkeit davon,
wie sich das Referenz-Ionenstromsignal
geändert
hat, wird ein Skalierungsfaktor ermittelt (Schritt 204).
Der Skalierungsfaktor wird an das Ionisationsmodul 102 übertragen
(Schritt 206). Die Übertragung
erfolgt möglicherweise über eine
Netzwerkschnittstelle wie beispielsweise eine Control Area Network
(CAN)-Schnittstelle, die bei vielen Motoranwendungen üblich ist.
Der Skalierungsfaktor ist ein Wert, der verwendet wird, um Ionenstromsignale
von der Funkenstrecke 124 zu skalieren, um Änderungen der
Feuchtigkeit, der Brennstoffeigenschaften usw. ohne Kenntnis der Änderung(en)
zu kompensieren, und er kann auch dazu verwendet werden, um Kalibrationspunkte,
die dazu verwendet werden, anormale Motorbedingungen zu erkennen,
zu skalieren. Die Schritte 200 bis 206 werden
während
des Motorbetriebs wiederholt.
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Unter
Bezugnahme auf 6 stellt das Verarbeitungsmittel
in einer alternativen Ausführungsform
fest, ob der Unterschied in dem Referenz-Ionenstromsignal außerhalb
eines vorbestimmten Grenzwerts liegt (Schritt 208). Wenn
sich der Unterschied in dem Referenz-Ionenstromsignal nicht außerhalb des
vorbestimmten Grenzwerts befindet, wird der Skalierungsfaktor auf
den existierenden Wert festgelegt, und die Schritte 202 und 208 werden
wiederholt. Wenn sich das Referenz-Ionenstromsignal außerhalb
des Grenzwerts befindet, wird der Skalierungsfaktor bestimmt (Schritt 204)
und an das Ionisationsmodul 102 übermittelt (Schritt 206).
Die Schritte 200, 204, 206 und 208 werden
wiederholt.
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Der
Skalierungsfaktor kann linear oder nichtlinear sein. Der Skalierungsfaktor
könnte
beispielsweise das Verhältnis
des jüngsten
Referenz-Ionenstromsignals zu dem vorhergehenden Referenz-Ionenstromsignal
sein, das Quadrat des Verhältnisses des
jüngsten
Referenz-Ionenstromsignals zu dem vorhergehenden Referenz-Ionenstromsignal,
der natürliche
Logarithmus des jüngsten
Referenz-Ionenstromsignals zu dem vorhergehenden Referenz-Ionenstromsignal
usw.
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Aus
dem oben Gesagten wird ersichtlich, dass die Vorrichtung und das
Verfahren eine direkte Korrektur des Ionenstromsignals über den
Skalierungsfaktor erlauben, denn er wird in derselben Weise wie
die Ionenstromsignale im Zylinder/Verbrennungsraum gemessen. Der
Skalierungsfaktor berücksichtigt
alle Eigenschaften sich ändernden Brennstoffs
und sich ändernder
Luft, ohne dass eine vollständige
Analyse, oder ein vollständiges
Verständnis
der das Ionenstromsignal beeinflussenden Komponenten erforderlich
wäre.
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Die
Verwendung der Begriffe "ein"/"eine" und "der"/"die"/"das" und ähnlicher
Bezüge
im Zusammenhang mit der Beschreibung der Technologien (insbesondere
im Zusammenhang mit den nachfolgenden Ansprüchen) sind so auszulegen, dass
sie sowohl die Einzahl wie auch die Mehrzahl umfassen, sofern dies
nicht hier anders angegeben ist oder dem Zusammenhang klar widerspricht.
Die Begriffe "beinhaltend", "aufweisend", "enthaltend" und "umfassend" sind als offene,
nicht beschränkende
Begriffe auszulegen (d.h. sie bedeuten "einschließlich, aber nicht beschränkt auf"), falls nicht anders
angegeben. Die Wiedergabe von Wertebereichen in dieser Beschreibung
sollen lediglich dazu dienen, in Kurzfassung einzeln auf alle einzelnen
Werte zu verweisen, die in den Bereich fallen, wenn hier nichts
anderes angegeben ist, und jeder einzelne Wert wird in die Beschreibung
so aufgenommen, als ob er hier einzeln wiedergegeben wäre. Alle
hier beschriebenen Verfahren könne
in jeder geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, sofern dies nicht
hier anders angegeben ist oder dem Zusammenhang klar widerspricht.
Bei der Verwendung jeglicher Beispiele, oder exemplarischer Ausdrücke (beispielsweise "wie"), die in dieser
Beschreibung vorkommen, ist lediglich beabsichtigt, die Erfindung
besser zu erläutern,
und sie beschränken
den Bereich der Erfindung nicht, es sei denn, es sei etwas anderes
beansprucht. Keine Begriffe in der Beschreibung sollten so ausgelegt werden,
dass sie ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Ausführung der
Erfindung bezeichnen.
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In
dieser Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beschrieben, einschließlich der besten dem Erfinder
bekannten Art und Weise, die Erfindung auszuführen. Bei der Lektüre der vorhergehenden
Beschreibung können
Fachleuten auf Abänderungen
dieser bevorzugten Ausführungsformen
aufmerksam werden. Der Erfinder erwartet, dass erfahrene Fachleute
auf solche angemessenen Abänderungen
stoßen,
und der Erfinder beabsichtigt, dass die Erfindung in anderer Form
als hier speziell beschrieben ausgeführt wird. Folglich umfasst
die vorliegende Erfindung alle Abänderungen und Äquivalente
des in den beigefügten Ansprüchen wiedergegebenen
Gegenstands in dem Umfang, wie dies von dem anwendbaren Recht zugelassen
wird. Außerdem
werden von der Erfindung jegliche Kombinationen der oben beschriebenen
Elemente in allen möglichen
Varianten derselben umfasst, sofern dies nicht hier anders angegeben
ist oder dem Zusammenhang klar widerspricht.