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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen das Drosseln eines Körpers für einen Verbrennungsmotor und spezieller ein Tropfenventil für einen Drosselkörper.
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HINTERGRUND
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Drosselsteuerventile werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um eine Luftströmung zu regeln. Eine genaue Luftströmungssteuerung ist für eine stabile Verbrennung in den stromabwärts gelegenen Zylindern erforderlich. Eine herkömmliche Drosselsteuerung in einem Verbrennungsmotor verwendet eine Ausgestaltung mit Absperrschieber. Dieses erzeugt eine nicht lineare und instabile Strömung, einschließlich einer hohen Turbulenz und eines hohen Auslassströmungsverlustes über die Steuerdrosselklappe.
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Gemäß der Fluiddynamik ist wohlbekannt, dass eine Ausgestaltung mit Absperrschieber aufgrund ihrer Staukörperform, welche die über den Staukörper hindurchtretende Strömung regelt, eine grobe Leerlaufsteuerung aufweist. Diese Form neigt dazu, mehr Instabilität und eine erhöhte Turbulenz in den stromabwärts gelegenen Bereich einzubringen. Daher können zusätzliche Oberflächenmerkmale, wie beispielsweise Leerlaufsteuerungsmechanismen, benötigt werden, um den Öffnungsdurchtrittsbereich für eine Leerlaufsteuerung in einer Drossel mit Absperrschieber zu modifizieren. Eine Nach-Leerlaufsteuerung umfasst voreingestellte Schrauben für den Leerlauf und/oder Solenoidventile mit Rückkopplungssteuerungen in den Bypass-Schleifen. Diese zusätzlichen Modifikationen machen das Drosselkörpersystem komplexer und erhöhen ebenso die Herstellungskosten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Drosselsteuerventil mit einem tropfenförmigen Ventilkörper zu schaffen. Bei der Drosselsteuerung eines Verbrennungsmotors ist die Betriebsspanne von einer geschlossenen Position bis zu einer weit offenen Drosselposition nahezu linear. Daher ist es für das Motorsteuermodul des Motors viel leichter, die Strömung genau zu regeln. Das die Strömung regelnde Objekt in dem Drosselkörper ist der Ventilkörper im Innern des Gehäuses. Er ermöglicht, dass die Luftströmung im Vergleich zu einer herkömmlichen Drossel mit Absperrschieber ohne große Störungen glatt durch dieses hindurchtritt. Eine glatte und genaue Strömungssteuerung wird eine stabile Verbrennung in dem bzw. den Zylinder(n) des Verbrennungsmotors ergeben und ein stabiles Bremsmoment erzeugen, das wiederum Geräusch- und Vibrationsprobleme in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor verringert.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Drosselsteuerventil geschaffen. Das Drosselsteuerventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Einlassende und einem Auslassende auf und definiert eine Betriebszone zwischen diesen. Das Ventilgehäuse weist eine Strömungsrichtung von dem Einlassende zu dem Auslassende auf, und die Betriebszone weist eine Strömungsöffnungsfläche auf, die quer zu der Strömungsrichtung verläuft. Ein Ventilkörper ist in dem Gehäuse angeordnet, und er ist zu einer Bewegung zwischen einer geschlossenen Position und einer weit offenen Drosselposition fähig. Der Ventilkörper weist ein abdichtendes Ende und einen Schaft auf, der sich von diesem erstreckt, wobei das abdichtende Ende einen geformten Querschnitt aufweist, um mit der Betriebszone des Ventilgehäuses zusammenzuwirken. Die Strömungsöffnungsfläche der Betriebszone variiert im Allgemeinen linear von der geschlossenen Position bis zu der weit offenen Drosselposition.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um eine Luftströmung durch einen Drosselkörper in einen Verbrennungsmotor zu liefern. Das Verfahren umfasst, dass ein Ventilgehäuse mit einem Einlassende und einem Auslassende bereitgestellt wird und dass eine Luftströmung durch das Ventilgehäuse von dem Einlassende zu dem Auslassende, wodurch eine Strömungsrichtung definiert wird, geregelt wird, indem ein in dem Gehäuse angeordneter Ventilkörper bereitgestellt wird. Das Gehäuse umfasst ferner eine Betriebszone zwischen dem Einlassende und dem Auslassende, wobei die Betriebszone eine Strömungsöffnungsfläche zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventilkörper aufweist, die quer zu der Strömungsrichtung verläuft. Das Verfahren umfasst, dass der Ventilkörper zwischen einer geschlossenen Position und einer weit offenen Drosselposition bewegt wird, um die Querschnittsfläche der Betriebszone zwischen der geschlossenen Position und der weit offenen Drosselposition linear zu variieren.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich werden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gesetzt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Ziele, Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich Beispielhaft in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, von denen:
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1 ein Funktionsblockdiagramm ist, das den Verbrennungsmotor der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Aufrissansicht im Querschnitt des Drosselsteuerventils der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine Querschnittsansicht des Ventilkörpers der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine schematische Darstellung ist, die einen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 eine graphische Darstellung ist, die einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun auf die Figuren Bezug nehmend, wobei die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, ohne selbige einzuschränken, ist in 1 ein Funktionsdiagramm eines Fahrzeugs 2 mit einer Verbrennungsmotorblockbaugruppe 3 gezeigt, die in einem Motorraum 4 angeordnet ist. Ein Lufteinlasskrümmer 6, der ein Gaseinlassende 7 aufweist, ist mit einem Drosselsteuerventil 10 an dem Gaseinlassende 7 oder in dessen Nähe fluidisch gekoppelt. Der Lufteinlasskrümmer 6 weist im Allgemeinen mehrere Gasauslässe (nicht gezeigt) auf, die mit der Motorblockbaugruppe 3 fluidisch verbunden sind. Speziell werden Luftgase durch das Drosselsteuerventil 10 dosiert, und sie strömen von dem Lufteinlasskrümmer 6 zu der Motorblockbaugruppe 3.
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Ein Querschnitt durch das Drosselsteuerventil 10 eines Verbrennungsmotors 5 ist in 2 und 3 gezeigt. Das Drosselsteuerventil 10 weist ein Ventilgehäuse 11 mit einem Einlassende 12 und einem Auslassende 13 auf, wobei das Auslassende 13 mit dem Gasauslassende 7 des Lufteinlasskrümmers 6 fluidisch verbunden ist. Ein auseinanderlaufender Abschnitt 14 ist dem Einlassende 12 benachbart, während ein zusammenlaufender Abschnitt 15 dem Auslassende 13 benachbart ist. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind sowohl ein erster als auch ein zweiter auseinanderlaufender Abschnitt frustokonisch bezüglich der Form. Ein Ventilhalterungsabschnitt 16 verbindet den auseinanderlaufenden und den zusammenlaufenden Abschnitt 14 und 15. Bei diesem nicht einschränkenden Beispiel ist der Ventilhalterungsabschnitt 16 im Allgemeinen zylindrisch bezüglich der Form.
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Wie am besten in 2 zu sehen ist, ist eine Richtung einer Luftströmung ”F” durch die Pfeile in einem Inneren 17 des Ventilgehäuses 11 gezeigt. Speziell läuft der auseinanderlaufende Abschnitt 14 an dem stromaufwärts gelegenen Ende des Ventilgehäuses 11 in die Richtung der Luftströmung auseinander. Umgekehrt läuft der zusammenlaufende Abschnitt 15, der an dem stromabwärts gelegenen Ende des Ventilgehäuses 11 angeordnet ist, in die Richtung der Luftströmung zusammen. Eine Betriebszone 20 ist durch das Gehäuse 11 definiert und in dem zusammenlaufenden Abschnitt 15 angeordnet.
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In dem Ventilgehäuse 11 ist ein Ventilkörper 30 angeordnet, der ein abdichtendes Ende 31 aufweist, das benachbart zu dem Auslassende 13 an dem stromabwärts gelegenen Ende des Ventilgehäuses 11 angeordnet ist. Ein Schaft 32 erstreckt sich stromaufwärts von dem abdichtenden Ende 31. Der Ventilkörper 30 wird durch eine Ventilkörperhalterung 36 getragen, die sich in dem Ventilgehäuse 11 erstreckt. Die Ventilkörperhalterung 36 wird durch einen Flansch 34 in darin gehalten, der zwischen zwei zusammenpassende Abschnitte des Ventilgehäuses 11 dazwischen- gesetzt ist, wie es gezeigt ist, zwischen das auseinanderlaufende Ende des auseinanderlaufenden Abschnitts 14 und das stromaufwärts gelegene Ende des Ventilhalterungsabschnitts 16. Wie anhand von 2 und 3 zu sehen ist, bildet der Ventilkörper 30, und speziell das abdichtende Ende 31, einen tropfenförmigen Querschnitt, um mit dem zusammenlaufenden Abschnitt 15 zusammenzuwirken. Wie hierin verwendet, bezieht sich tropfenförmig auf ein beliebiges dreidimensionales Objekt mit einer runden Vorderkante und einem konischen Ausläufer. Gemäß der Fluiddynamik ist wohlbekannt, dass diese Form weniger Widerstand aufgrund dessen erzeugt, dass in dem Bereich des tropfenförmigen Objekts eine laminarere Strömung und eine weniger turbulente Strömung auftreten. Andere Formen können den gezeigten tropfenförmigen Ventilkörper 30 ersetzen, wie beispielsweise elliptische, kugelförmige oder halbkugelförmige, solange diese in der Lage sind, eine quasi-lineare Strömung zu erzeugen, wenn sie in Verbindung mit dem zusammenlaufenden Abschnitt 15 verwendet werden.
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Gemäß der gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist der Ventilhalterungsabschnitt 16 drei Querträgerarme 35 auf, die sich in das Innere des Ventilgehäuses und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung der Luftströmung F erstrecken. Die Querträgerarme 35 sind im Wesentlichen um den Umfang des Flansches 34 herum unter ungefähr 120 Grad gleichmäßig beabstandet, und sie schneiden das Zentrum des Ventilgehäuses 11 an einer Achse A, die sich durch dieses erstreckt. Es kann jedoch eine beliebige Beabstandung oder eine beliebige Anzahl von Querträgerarmen 35 verwendet werden. Eine Ventilschafthalterung 36 steht von dem Schnittpunkt der Querträgerarme 35 ab und erstreckt sich entlang der Achse A. Die Ventilschafthalterung 36 weist eine Außenfläche 37 auf, über die eine Innenfläche 38 des Ventilschafts 32 eingepasst und ausgebildet ist, um darauf zu gleiten.
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Über die Außenfläche 37 der Ventilschafthalterung 36 sind ein elastisches Element und, bei der gezeigten Ausführungsform, eine Kompressionsfeder 41 eingepasst. Das stromaufwärts gelegene Ende der Kompressionsfeder 41 stützt sich an den Querträgerarmen 35 ab, während das stromabwärts gelegene Ende der Kompressionsfeder 41 an einem Flanschende 42 des Schafts 32 anliegt.
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Ein Ventilsteuerseil 51 ist an dem stromabwärts gelegenen Ende des abdichtenden Endes 31 des Ventilkörpers 30 durch einen Ventilbefestigungsadapter 52 befestigt. Der Ventilbefestigungsadapter 52 kann viele variierende Formen annehmen, er ist aber als ein Metallring 53 gezeigt, der auf ein Ende 54 des Ventilsteuerseils 51 gecrimpt ist. Das Ventilsteuerseil 51 erstreckt sich durch einen Seilzugang 55 und in eine Schafthülse 56, die durch die zuvor erwähnte Innenfläche 38 definiert wird. Das Ventilsteuerseil 51 erstreckt sich anschließend durch eine Seilhülse 57, die sich durch die Ventilschafthalterung 36 erstreckt. Danach erstreckt sich das Ventilsteuerseil 51 durch den Flansch 34 und aus dem Ventilgehäuse 11 heraus, wo es mit einem Aktuator (nicht gezeigt) verbunden ist.
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Das Drosselsteuerventil 10 steuert die Luftströmung in einen Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem Gaspedal oder einem anderen Ventilaktuator (nicht gezeigt). Die Luftströmung vermischt sich mit einem Kraftstoffstrom, um ein korrektes Luft-Kraftstoffgemisch in dem Verbrennungsmotor zu schaffen. Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist das Drosselsteuerventil 10 normalerweise geschlossen. Wenn es gewünscht ist, der Luft zu ermöglichen, durch das Innere 17 des Ventilgehäuses 11 zu strömen, zieht der Aktuator (nicht gezeigt) an dem Ventilsteuerseil 51 von außerhalb des Ventilgehäuses 11. Die auf das Ventilsteuerseil 51 ausgeübte Spannung bewirkt, dass der Ventilkörper 30, und insbesondere das abdichtende Ende 31, aus seiner an der Innenfläche 61 des zusammenlaufenden Abschnitts 15 anliegenden Position gelöst wird, um zu ermöglichen, dass die Luft durch eine Strömungsöffnungsfläche 62 zwischen der Außenfläche des abdichtenden Endes 31 und der Innenfläche 61 von dem Einlassende 12 zu dem Auslassende 13 strömt. Speziell bewegt sich der Schaft 32 an der Ventilschafthalterung 36 konzentrisch stromaufwärts, wobei das Flanschende 42 des Schafts 32 die Kompressionsfeder 41 gegen die Querträgerarme 35 zusammendrückt.
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Wenn der Aktuator die Spannung an dem Ventilsteuerseil 51 löst, bewirkt der federbelastete Ventilschaft 32, dass der Ventilkörper 30 und das abdichtende Ende 31 an der Innenfläche 61 des zusammenlaufenden Abschnitts 15 anliegen. Es ist einzusehen, dass das Drosselsteuerventil auf diese Weise in der Lage ist, sich zwischen einer geschlossenen Position, bei der das abdichtende Ende 31 vollständig an der Innenfläche 61 anliegt, und einer weit offenen Drosselposition zu bewegen, die in 2 gezeigt ist und bei der der Ventilkörper 30 durch das Ventilsteuerseil 51 vollständig stromaufwärts zurückgezogen ist. Auf diese Weise ist die in 2 und 3 gezeigte Strömungsöffnungsfläche 62 zwischen der geschlossenen Drossel und der weit offenen Drossel von 2 ein umlaufender Strömungsflächenquerschnitt, durch den die Luftströmung ”F” zwischen dem abdichtenden Ende 31 und der Innenfläche 61 von dem Einlassende 12 zu dem Auslassende 13 hindurchtritt. Die umlaufende Strömungsöffnungsfläche 62 bewegt sich mit der Betätigung des Ventilkörpers 30 quer zu der Luftströmungsrichtung stromaufwärts und stromabwärts. Wie oben festgestellt wurde, ist die Betriebszone 20 der Bereich in dem zusammenlaufenden Abschnitt 15, in dem die Bewegung des Ventilkörpers 30 stattfindet, wie es auch in 2 gezeigt ist.
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Die Strömungsöffnungsfläche
62 wird durch die Position des tropfenförmigen abdichtenden Endes
31 gesteuert, das mit der Innenfläche
61 des zusammenlaufenden Abschnitts
15 zusammenwirkt, wie in
4 und
5 zu sehen ist. Es ist wichtig, dass die effektive Strömungsfläche
62 im Wesentlichen linear zwischen der geschlossenen Position bis zu der weit offenen Drosselposition variiert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die einen tropfenförmigen Ventilkörper
30 und einen frustokonischen zusammenlaufenden Abschnitt
15 verwendet, kann die Strömungsöffnungsfläche
62 gemäß Gleichung 1 von unten berechnet werden. Eine Änderung in der Geometrie des Ventilkörpers
30 und/oder des zusammenlaufenden Abschnitts
15 wird offensichtlich zu einer anderen Gleichung führen, um die Strömungsöffnungsfläche
62 zu berechnen:
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Dabei ist Aeff die Strömungsöffnungsfläche 62,
x ist die Drosselposition entlang der Achse A,
r2 ist eine Näherung des Radius der größten Kugeloberfläche des tropfenförmigen Ventilkörpers 30,
θ ist der Winkel des zusammenlaufenden Abschnitts 15 bezüglich der Achse A,
h0 ist der Schenkel eines Dreiecks entlang der Achse A bis zu der geschlossenen Drosselposition.
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Das vorgeschlagene Tropfen-Schaftsystem weist in der funktionalen Beziehung der Zunahme der Strömungsöffnungsfläche 62 über der Positionszunahme des Tropfen-Ventilkörpers 30 einen sehr kleinen Term zweiter Ordnung auf. Daher ist die Beziehung nahezu linear, und sie kann eine quasi-lineare Ausgestaltung genannt werden, wie es in 5 gezeigt ist.
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Die Strömung wird vollständig gesperrt (bei einer 0% Drosselposition ”TPS”), was in 4 als 0% TPS gezeigt ist, indem der Tropfenventilkörper 30 gegen die Innenfläche 61 bewegt wird. Der weit offene Drosselzustand ”WOT” oder 100% TPS wird erreicht, indem der Tropfenventilkörper 30 von der Innenfläche 61 weg bewegt wird, während die Strömungsöffnungsquerschnittsfläche 62 gleich einer Querschnittsfläche P einer ursprünglichen Rohrleitung 63 ist, wie sie in 2 und 3 gezeigt ist, in welche das Drosselsteuerventil 10 eingefügt ist.
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Der Drosselungseffekt in Verbrennungsmotoranwendungen wird erreicht, indem die Größe der Strömungsöffnungsfläche 62 gesteuert wird. Wie in 5 gezeigt ist, kann die Luftströmung dadurch, dass der Tropfenventilkörper 30 konzentrisch stromaufwärts und stromabwärts gegen die Innenfläche 61 des zusammenlaufenden Abschnitts 15 bewegt wird, gemäß der Erfindung glatt und nahezu linear von 0% bis 100% gesteuert werden.
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Zusätzlich resultiert die Glattheit der Strömungskurve daraus, dass der Tropfenventilkörper 30 die Luftströmung F über die Strömungsöffnungsfläche 62 regelt. Das Ergebnis ist eine quasi-lineare Wirkung auf die Luftströmung F durch die nahezu lineare Zunahme der Öffnungsdurchtrittsfläche, welche der Positionszunahme des Tropfenventilkörpers 30 entspricht. Diese wird mit der Luftströmung über einen herkömmlichen Absperrschieber verglichen, die in 5 gezeigt ist und die viel turbulenter und offensichtlich nicht linear ist.
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Als ein Ergebnis kann das Drosselsteuerventil 10 schneller als ein herkömmlicher Absperrschieber öffnen. Dies ermöglicht mehr Luftmassenströmung durch die Betriebszone 20. Der Tropfenventilkörper 30 ermöglicht auch, dass die Betriebszone 20 einen Drosselzustand aufgrund einer höheren Luftmassenströmungsrate bei einem vergleichbaren Druckabfall früher als ein herkömmlicher Absperrschieber erreicht. Zusätzlich blockiert der Ventilkörper 30 mit Tropfenquerschnitt, und speziell das abdichtende Ende 31, nicht die Strömung stromaufwärts, was weniger Strömungsbeschränkung bewirkt.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und dass Äquivalente Elemente von diesen ersetzen können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart werden, die zum Ausführen dieser Erfindung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
