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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abwärmerückgewinnungssysteme für Brennkraftmaschinen und insbesondere eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung, die eine robuste Abgasumgehungsströmungssteuerung besitzt.
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HINTERGRUND
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Erhöhungen der Kraftstoffpreise wie auch die Regulierung von Abgasemissionen haben in einer Zunahme der Popularität kraftstoffeffizienterer Vortriebssysteme für Kraftfahrzeuge resultiert. Hocheffiziente Brennkraftmaschinen, Dieselmaschinen und Hybridvortriebssysteme, die eine Vortriebskombination aus einem Elektromotor und einer Brennkraftmaschine verwenden, sind nur einige der Lösungen, die von Fahrzeugkonstrukteuren betrachtet werden, um die Wirkungsgrad- und Regulierungsherausforderungen zu lösen. Bei herkömmlichen Nicht-Hybrid-Antriebssträngen gehen etwa 30 Prozent der Kraftstoffenergie an das Abgassystem in der Form von Abwärme verloren. Bei Hybridvortriebssystemen kann die Beibehaltung geeigneter Temperaturen in der Maschine, dem Getriebe, dem Abgassystem und dem Fahrgastraum bei einem Betrieb bei kalter Umgebungstemperatur aufgrund eines häufigen Startens und Stoppens der Brennkraftmaschine eine Herausforderung darstellen.
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In jedem Fall stellt das Maschinenabgassystem mit seinem großen Temperaturunterschied beispielsweise gegenüber der Umgebung ein geeignetes Ziel zur Rückgewinnung von Nutzenergie in der Form von Abwärme zur Verwendung an einer anderen Stelle in dem Fahrzeug dar. Ein Wärmetauscher kann dem Maschinenabgassystem zugeordnet sein und kann beispielsweise Maschinenkühlmittel oder ein anderes Arbeitsfluid verwenden, um Abwärme von der Abgasströmung durch das Abgassystem zu entziehen. Durch einen Wärmetauscher rückgewonnene Wärme kann dazu verwendet werden, ein schnelles Erwärmen der Maschine oder des Getriebes nach einem Kaltstart zu unterstützen, um eine Reibung zu reduzieren und den Systemwirkungsgrad zu erhöhen. Alternativ dazu kann die rückgewonnene Wärme dazu verwendet werden, Elektrizität durch eine thermoelektrische Leistungserzeugung zu erzeugen, bei der ein Temperaturunterschied eine Spannung erzeugt, die von dem elektrischen System des Fahrzeugs verwendet werden kann. Da Abgastemperaturen über Betriebszyklen (von etwa 300°C bis etwa 1000°C) stark variieren können, müssen die verschiedenen Fahrzeugsysteme, die die rückgewonnene Abwärme verwenden, einschließlich des Wärmetauschers selbst, in Bezug auf Übertemperaturbedingungen überwacht werden, bei denen die rückgewonnene Wärme oder Energie nachteilig sein kann. Während die Abgastemperatur nicht leicht gesteuert wird, ist es in solchen Fällen typisch, das Maschinenabgas um den Wärmetauscher zur Freisetzung an die Atmosphäre nach geeigneter Behandlung in verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen herumzuleiten. Das Herumleiten des Abgases um den Wärmetauscher kann die Verwendung eines Bypass- bzw. Umgehungsventils erfordern, das in Fluidkommunikation mit dem heißen Abgas montiert ist. In einer derartigen Umgebung ist das Ventil einer extremen Rauheit ausgesetzt, was sehr robuste und oftmals teure Konstruktionen und Materialien erfordert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine eine Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine aufnimmt. Eine stromabwärtige Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ist derart konfiguriert, dass sie das Abgas aufnimmt, und umfasst ferner einen ersten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und einen zweiten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung. Eine Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit ist in dem zweiten Strömungsdurchgang angeordnet und besitzt einen Arbeitsfluideinlass und -auslass zur Zirkulation eines Arbeitsfluids hindurch und zum Wärmetausch von dem Abgas auf das Arbeitsfluid. Ein Strömungssteuerventil ist stromabwärts des ersten und des zweiten Strömungsdurchgangs in einem Niedertemperaturgebiet der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung angeordnet, um Abgas durch den ersten Strömungsdurchgang, den zweiten Strömungsdurchgang oder eine Kombination daraus zu lenken.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine eine Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine aufnimmt. Eine stromabwärtige Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ist derart konfiguriert, dass sie das Abgas aufnimmt, und umfasst ferner einen volumetrisch vergrößerten Abschnitt. Ein sich in Längsrichtung erstreckender Strömungsteiler ist in dem volumetrisch vergrößerten Abschnitt angeordnet und definiert einen ersten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und einen zweiten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung. Eine Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit ist in dem zweiten Strömungsdurchgang angeordnet und besitzt einen Arbeitsfluideinlass und -auslass zur Zirkulation eines Arbeitsfluides hindurch und zum Wärmetausch von dem Abgas auf das Arbeitsfluid. Ein Strömungssteuerventil ist schwenkbar mit einem stromabwärtigen Ende des Strömungsteiles in einem Niedertemperaturgebiet der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung verbunden und derart konfiguriert, dass Abgas durch den ersten Strömungsdurchgang, den zweiten Strömungsdurchgang oder eine Kombination daraus gelenkt wird.
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Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine aufnimmt, einer stromabwärtigen Abwärmerückgewinnungsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung einen ersten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, einen zweiten Strömungsdurchgang in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, eine Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit, die in dem zweiten Strömungsdurchgang angeordnet ist und einen Arbeitsfluideinlass und -auslass zur Zirkulation eines Arbeitsfluides hindurch und zum Wärmetausch von dem Abgas auf das Arbeitsfluid aufweist, und ein Strömungssteuerventil aufweist, das stromabwärts des ersten und des zweiten Strömungsdurchganges in einem Gebiet mit niedrigerer Temperatur der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung angeordnet ist, um Abgas durch den ersten Strömungsdurchgang oder den zweiten Strömungsdurchgang zu lenken, ein Bestimmen von Wärme- oder Energieanforderungen verschiedener Fahrzeugsysteme, ein Betätigen des Strömungssteuerventils, um Abgas durch den zweiten Strömungsdurchgang und die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit zu lenken, wenn Wärme oder Energie durch die verschiedenen Fahrzeugsysteme gefordert wird, und Betätigen des Strömungssteuerventils, um Abgas durch den ersten Strömungsdurchgang zu lenken, wenn Wärme oder Energie nicht durch die verschiedenen Fahrzeugsysteme gefordert wird.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen dargestellt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
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1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einem zugeordneten Abgasbehandlungssystem ist, die Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpern;
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2 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Anteils des Abgasbehandlungssystems von 1 in einem ersten Betriebsmodus ist;
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3 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Anteils des Abgasbehandlungssystems von 1 in einem zweiten Betriebsmodus ist; und
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4 eine vergrößerte schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Anteils des Abgasbehandlungssystems von 1 in einem ersten Betriebsmodus ist; und
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5 eine vergrößerte schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Anteils des Abgasbehandlungssystems von 1 in einem zweiten Betriebsmodus ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, das in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Bezug nehmend auf die 1–3 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abwärmerückgewinnungssystem 10 zur Rückgewinnung von Abwärme von dem Abgas 12 in einem Abgasbehandlungssystem 14 einer Brennkraftmaschine 16 für ein Motorfahrzeug 17 gerichtet. Die Brennkraftmaschine 16 trägt heißes Abgases 12 von den Abgaskanälen (nicht gezeigt) und in einen Abgassammler, wie einen Abgaskrümmer 18, aus. Eine Abgassystemleitung 20 nimmt das Abgas 12 von dem Abgaskrümmer 18 auf und transportiert das Abgas stromabwärts zu einer oder mehreren Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt), die derart konfiguriert sind, dass sie verschiedene regulierte Bestandteile des Abgases 12 in nicht regulierte Komponenten vor ihrer Freisetzung an die Atmosphäre umwandeln. Derartige Abgasbehandlungsvorrichtungen können abhängig von der Maschine (Diesel, Benzin, etc.) vom Typ her variieren.
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In dem Abgasbehandlungssystem 14 ist an einer Stelle, die nahe zu oder innerhalb des Abgaskrümmers 18 liegt, eine Abwärmerückgewinnungs-(”EHC”)-Vorrichtung 22 angeordnet. Bezug nehmend auf die 2 und 3 umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform die EHC 22 einen volumetrisch vergrößerten Abschnitt 24, der durch einen sich in Längsrichtung erstreckenden Wandabschnitt oder Strömungsteiler 26 geteilt ist, um einen ersten und zweiten Strömungsdurchgang 28 bzw. 30 zu definieren. Ein Strömungseinlass 32 empfängt heißes Abgas 12 von dem Abgasbehandlungssystem 14, und ein Strömungsauslass 34 leitet Abgas von dem EHC 22. Der erste Strömungsdurchgang 28 ist als ein Durchströmdurchgang konfiguriert, der ermöglicht, dass das Abgas 12 den EHC 22 ohne die Rückgewinnung von irgendwelcher Abwärme oder -energie davon durchlaufen kann, 2. Der zweite Strömungsdurchgang 30 enthält eine Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 darin, die derart konfiguriert ist, dass sie Abwärme oder -energie von hindurch gelangendem Abgas 12 rückgewinnt (3).
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Die Einlass- und Auslassleitungen 38 bzw. 40 kommunizieren mit der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36, um ein Arbeitsfluid 42, wie ein Maschinenkühlmittel, daran zu liefern und von dieser zu entfernen. Andere Beispiele geeigneter Arbeitsfluide können beispielsweise Umgebungsluft oder komprimiertes Gas bzw. Druckgas sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 Durchgänge (nicht gezeigt) aufweisen, die das Arbeitsfluid 42 von dem Abgas 12 trennen, jedoch eine effiziente Übertragung von Wärme oder Energie von dem heißen Abgas auf das relativ kühle Arbeitsfluid 42 zulassen. Nach Entfernung von der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 kann das erwärmte Arbeitsfluid 42 an verschiedene Fahrzeugkomponenten oder -systeme verteilt werden, wie die Brennkraftmaschine 16, das Getriebe 58, das Fahrzeug-Innen-HVAC-System 60, das Abgasbehandlungssystem 14 oder eine Kombination daraus. Alternativ dazu kann die rückgewonnene Wärme dazu verwendet werden, Elektrizität durch einen thermoelektrischen Leistungsgenerator 62 zu erzeugen, bei dem eine Temperaturdifferenz eine Spannung erzeugt, die durch das elektrische System des Fahrzeugs 17 verwendet werden kann.
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Der EHC 22 wie auch die verschiedenen Fahrzeugkomponenten und -systeme, die Abwärme oder -Energie von dem EHC aufnehmen, können durch einen Controller, wie einen Leistungsstrang- oder Fahrzeugcontroller 44 überwacht werden, der in Signalkommunikation mit verschiedenen Sensoren steht, wie beispielsweise Temperatursensoren 46 in der Wärmetauscher/Energie-Rückgewinnungseinheit 36, der Brennkraftmaschine 16, dem Getriebe 58, dem Fahrzeuginneren 60 oder dem thermoelektrischen Leistungsgenerator 62. Der hier verwendete Begriff Controller kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten umfassen, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Strömungssteuerventil 48 schwenkbar mit dem stromabwärtigen Ende 50 des sich in Längsrichtung erstreckenden Wandabschnittes 26 verbunden und derart konfiguriert, dass es um eine Achse schwenkt, die in der Richtung des Schwenkzapfens 54 verläuft. Ein Strömungssteuerventilaktuator 56 ist dem Äußeren der EHC 22 zugeordnet und dient dazu, das Strömungssteuerventil 48 von einer ersten Umgehungsposition, 2, in der das nicht gekühlte Abgas 12 den EHC 22 ohne Durchgang durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 durchläuft, und einer zweiten Wärmerückgewinnungsposition, 3, zu bewegen, in der nicht gekühltes Abgas 12, das in den EHC 22 eintritt, zum Durchgang durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 getrieben wird, wo Abwärme von dem Abgas auf das Arbeitsfluid 42 übertragen wird und gekühltes Abgas 12' davon austritt. Der Strömungssteuerventilaktuator 56 steht in Signalkommunikation mit dem Controller 44 und empfängt Betätigungssignale von dem Controller, was eine selektive Positionierung des Strömungssteuerventils 48 (beispielsweise offen, geschlossen, teilweise offen) zur Folge hat, um die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 und andere Fahrzeugsysteme, die rückgewonnene Wärme von dem Arbeitsfluid 42 aufnehmen, auf Grundlage von Signalen von den verschiedenen Sensoren, die hier beschrieben sind, auf vorbestimmten Temperaturen beizubehalten.
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Aufgrund der hohen Temperaturen, denen sowohl das Strömungssteuerventil 48 als auch der Strömungssteuerventilaktuator 56 ausgesetzt sind, ermöglicht die Anordnung des Ventils an dem stromabwärtigen Ende 50 des sich längs erstreckenden Wandabschnitts des EHC 22 ein robusteres Ventil und einen robusteren Aktuator aufgrund der geringen Temperaturen, die an dem stromabwärtigen Ende 50 auftreten, anstatt an dem stromaufwärtigen Ende 58. Wenn das Abgas 12, 12 das Abgasbehandlungssystem 14 durchläuft, kann der Temperaturverlust im Bereich von etwa 50°C bis etwa 125°C pro Fuß betragen. Die thermische Last, die auf das Abgas 12, 12' aufgebracht wird, wenn es entweder den ersten oder den zweiten Strömungsdurchgang 28, 30 des EHC 22 durchläuft, ist ausreichend, um die Haltbarkeit des Strömungssteuerventils 48 und des zugeordneten Aktuators 56 signifikant zu unterstützen oder eine Reduzierung der Robustheit und der resultierenden Kosten des Ventils und des Aktuators aufgrund der Umgebung mit geringerer Temperatur an der stromabwärtigen Stelle zu ermöglichen.
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Bezug nehmend auf die 4 und 5 ist bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abgassystemleitung 20 des EHC 22 in einen ersten bzw. einen zweiten Strömungsdurchgang 28, 30 unterteilt gezeigt. Der Strömungsdurchgang 28 leitet das Abgas 12 direkt durch das Abgasbehandlungssystem und an verschiedene stromabwärtige Nachbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt), die regulierte Bestandteile des Abgases 12 vor seiner Freisetzung an die Atmosphäre, 4, behandeln. Der zweite Strömungsdurchgang 30 leitet das Abgas zu und durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 des EHC 22, 5. Einlass- und Auslassleitungen 38 bzw. 40 kommunizieren fluidtechnisch mit der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36, um ein Arbeitsfluid 42, wie ein Maschinenkühlmittel, daran zu liefern und dieses davon zu entfernen. Nach Entfernung von der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 kann das erwärmte Arbeitsfluid 42 an gewählte Fahrzeugkomponenten oder -systeme verteilt werden.
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Der EHC 22 wie auch die verschiedenen Fahrzeugkomponenten und -systeme, die Abwärme oder -Energie von dem EHC aufnehmen, können durch einen Controller überwacht werden, wie einen Antriebsstrang- oder Fahrzeugcontroller 44, 1, der in Signalkommunikation mit verschiedenen Sensoren steht, wie einem Temperatursensor 46 in der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Strömungssteuerventil 48 in dem zweiten Strömungsdurchgang 30 stromabwärts der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 angeordnet. Ein Strömungssteuerventilaktuator 56 ist dem Strömungssteuerventil 48 zugeordnet und dient dazu, das Strömungssteuerventil 48 von einer geschlossenen Position, 1, in der das Abgas 12 den ersten Strömungsdurchgang 28 ohne Durchgang durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 durchläuft, und einer offenen Wärmerückgewinnungsposition, 5, zu bewegen, in der das Abgas 12 frei durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 gelangen kann, wo Abwärme an das Arbeitsfluid 42 übertragen wird. Der Strömungssteuerventilaktuator 56 steht in Signalkommunikation mit dem Controller 44 und empfängt Signale von dem Controller, die eine richtige Positionierung des Strömungssteuerventils 48 zur Folge haben, um die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 und andere Fahrzeugsysteme, die rückgewonnene Wärme von dem Arbeitsfluid 42 empfangen, auf vorbestimmten Temperaturen beizubehalten.
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Bei der in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ist ein zweites passives Strömungssteuerventil 74 in dem ersten Strömungsdurchgang 28 angeordnet. Das passive Strömungssteuerventil 74 kann ein Vorspannelement, wie eine Feder 76 aufweisen, das ein vorbestimmtes Schließmoment ausübt, das für die Ventilquerschnittsfläche geeignet ist, damit das Ventil 74 bei einer vorbestimmten Druckdifferenz über das Ventil 74 schließen kann (etwa 5 kPa). Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 16 weist der Controller 44 den Strömungssteuerventilaktuator 56 an, um das Strömungssteuerventil 48 zu öffnen und zu ermöglichen, dass das Abgas 12 durch die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 zur Entnahme von Abwärme davon strömen kann. Bei einer Bestimmung durch den Controller 44, dass die Wärmerückgewinnung nicht mehr gewünscht ist, weist der Controller den Strömungssteuerventilaktuator 56 zum Schließen des Strömungssteuerventils 48 an, was in einer Zunahme des Abgassystemgegendrucks stromaufwärts der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 und des passiven Strömungssteuerventils 74 resultiert. Wenn der Abgasgegendruck die vorbestimmte Schließkraft des Vorspannelements 76 überschreitet, öffnet das passive Strömungssteuerventil 74, wodurch ermöglicht wird, dass das Abgas 12 den EHC 22 durch den ersten Strömungsdurchgang 28 durchlaufen kann. Die Anwendung eines passiven Strömungssteuerventils 74 ist als eine ausfallsichere Vorrichtung verwendbar, um sicherzustellen, dass die Abgasströmung 12 den EHC 22 durchlaufen kann, sollte das Strömungssteuerventil 48 oder der Strömungssteueraktuator 56 ausfallen, wodurch das Ventil in einer geschlossenen Position bleibt.
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Aufgrund der hohen Temperaturen, denen sowohl das Strömungssteuerventil 48 als auch der Strömungssteuerventilaktuator 56 ausgesetzt sind, erlaubt die Anordnung des Ventils stromabwärts der Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 ein robusteres Ventil und einen robusteren Aktuator aufgrund der geringeren Temperaturen, die an dieser Stelle auftreten. Wenn das Abgas 12 das Abgasbehandlungssystem 14 durchläuft, kann der Temperaturverlust im Bereich von etwa 50°C bis etwa 125°C pro Fuß liegen. Die thermische Last, die auf das Abgas 12 einwirkt, wenn es die Wärmetauscher/Energierückgewinnungseinheit 36 des EHC 22 durchläuft, ist ausreichend, um die Haltbarkeit des Strömungssteuerventils 48 und des zugeordneten Aktuators 56 aufgrund der Umgebung mit geringerer Temperatur an der stromabwärtigen Stelle signifikant zu unterstützen.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann verständlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente davon ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen derart ausgebildet werden, dass eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung angepasst wird, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung denkbar ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.