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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zum Steuern der Ölströmung durch eine oder mehrere Ölspritzeinrichtungen gemäß der Temperatur des Öls.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren (IC-Motoren), wie diejenigen, die in Kraftfahrzeugen verwendet sind, erzeugen typischerweise Wärmeenergie als ein Nebenprodukt der Erzeugung von Leistung. Allgemein werden derartige Motoren auch gekühlt, um ihre Betriebstemperatur in einem bestimmten Bereich beizubehalten und die effiziente und zuverlässige Leistungsfähigkeit des Motors zum Antrieb des betreffenden Kraftfahrzeugs sicherzustellen.
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In einem Großteil von Kraftfahrzeugen werden IC-Motoren durch ein zirkulierendes Fluid gekühlt, wie eine speziell formulierte chemische Verbindung, die mit Wasser gemischt ist. Zusätzlich werden derartige Motoren durch Öle geschmiert und gekühlt, die allgemein von erdölbasierten oder nicht-erdölbasierten synthetischen chemischen Verbindungen abgeleitet sind. Unter extremen Betriebsbedingungen erzeugen IC-Motoren erhöhte Mengen an Wärmeenergie in ihren Brennräumen. Wenn Wärme schneller erzeugt wird, als sie unter Verwendung existierender Kühlsysteme entfernt werden kann, kann dies die Leistungsfähigkeit und/oder Zuverlässigkeit des Motor beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Motorbaugruppe weist einen Motorblock auf, der eine Zylinderbohrung und einen Hubkolben, der in der Zylinderbohrung angeordnet ist, definiert. Der Kolben weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite mit dem Motorblock zusammenwirkt, um teilweise einen Brennraum zu definieren, und die zweite Seite der ersten Seite gegenüber liegt. Eine Kolbenspritzeinrichtung ist benachbart der zweiten Seite des Kolbens angeordnet und derart konfiguriert, eine aufgenommene Strömung an Motoröl auf den Kolben auszustoßen, um den Kolben und die Bohrung zu kühlen und zu schmieren.
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Ein thermisches Fluidventil ist in Fluidkommunikation mit der Kolbenspritzeinrichtung angeordnet und derart konfiguriert, die Strömung von Motoröl zu der Kolbenspritzeinrichtung in Ansprechen auf eine Temperatur des Motoröls selektiv zu beschränken. Das thermische Fluidventil kann einen Einlass, einen Auslass sowie ein bimetallisches Ventilelement aufweisen. Das bimetallische Ventilelement ist zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand in Ansprechen auf eine Temperatur des bimetallischen Ventilelements umschaltbar und das thermische Fluidventil ist derart konfiguriert, die Strömung von Motoröl zu der Kolbenspritzeinrichtung zu beschränken, wenn das bimetallische Ventilelement in einem geschlossenen Zustand ist. Umgekehrt ist das thermische Fluidventil derart konfiguriert, die Strömung von Motoröl zu der Kolbenspritzeinrichtung zuzulassen, wenn sich das bimetallische Ventilelement in einem offenen Zustand befindet.
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Bei einer Konfiguration ist Motoröl derart konfiguriert, mit dem bimetallischen Ventilelement direkt in Kontakt zu stehen, so dass die Temperatur des bimetallischen Ventilelements etwa gleich der Temperatur des Motoröls (d. h. über Wärmetransfer durch Leitung) ist. Das bimetallische Ventilelement weist allgemeine eine erste Metalllage auf, die an eine zweite Metalllage angeschmolzen ist, wobei die erste Metalllage einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der verschieden von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der zweiten Metalllage ist. Auf diese Weise kann sich das bimetallische Ventilelement in Ansprechen auf eine Temperaturänderung verformen.
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Das thermische Fluidventil kann ferner ein Gehäuse aufweisen, das den Einlass und den Auslass wie auch ein Innenvolumen in Fluidkommunikation mit dem Einlass und dem Auslass definiert. Das bimetallische Ventilelement kann dann in dem Innenvolumen zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet sein. Das Gehäuse kann eine Steuerfläche aufweisen, die an dem Innenvolumen anliegt, dies ist teilweise definiert und sich benachbart zu dem Auslass befindet. Die Steuerfläche kann einen ringförmigen Steg definieren, der um den Umfang des Auslasses angeordnet ist, wobei das bimetallische Ventilelement derart konfiguriert ist, mit dem ringförmigen Steg in Kontakt zu treten und abzudichten, wenn es sich in einem geschlossenen Zustand befindet.
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Die Steuerfläche des Ventilgehäuses kann ferner einen Strömungskanal definieren, der sich radial auswärts von dem ringförmigen Steg erstreckt und sich weg von dem bimetallischen Ventilelement erstreckt. Auf diese Weise kann Motoröl um einen Rand des bimetallischen Ventilelements über den Strömungskanal strömen.
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Die Motorbaugruppe kann ferner ein Ölreservoir und eine Ölpumpe aufweisen, wobei die Ölpumpe in Fluidkommunikation mit dem Ölreservoir und mit dem thermischen Fluidventil steht. Die Ölpumpe kann derart konfiguriert sein, die Ölströmung von dem Ölreservoir zu der Kolbenspritzeinrichtung über das thermische Fluidventil zu liefern.
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Die Motorbaugruppe kann ferner eine drehbare Kurbelwelle aufweisen. Die Ölpumpe kann dann ferner derart konfiguriert sein, eine zweite Ölströmung zu der drehbaren Kurbelwelle zu liefern.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung teilweise im Schnitt einer Motorbaugruppe mit einer Kolbenspritzeinrichtung, die derart konfiguriert ist, Öl direkt auf einen Kolben zu sprühen.
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2 ist eine schematische Seitenansicht im Schnitt eines thermischen Fluidventils in einem geschlossenen Zustand.
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3 ist eine schematische Seitenansicht im Schnitt des thermischen Fluidventils von 2 in einem offenen Zustand.
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4 ist eine schematische Draufsicht im Schnitt des thermischen Fluidventils von 2 entlang Linie 4-4.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen dazu verwendet sind, gleiche oder identische Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu identifizieren, zeigt 1 schematisch eine Motorbaugruppe 10, die dazu verwendet werden kann, ein chemisches Potential eines brennbaren Kraftstoffes in einen mechanischen Rotationsausgang umzuwandeln. Die Motorbaugruppe 10 kann eine Ölwanne 12, einen Motorblock 14, einen Zylinderkopf 16 und eine Zylinderkopfabdeckung 18 aufweisen, die allgemein in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind. Der Motorblock 14 kann eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen 20 (von denen eine gezeigt ist) definieren, wobei jede Zylinderbohrung 20 einen darin angeordneten Hubkolben 22 aufweist. Die Mehrzahl von Zylinderbohrungen 20 kann in einer beliebigen geeigneten Weise angeordnet sein, wie, jedoch ohne Beschränkung, einer V-Motoranordnung, einer Reihenmotoranordnung sowie einer Boxermotoranordnung wie auch Konfigurationen mit sowohl obenliegender Nockenwelle als auch Nocke im Block.
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Für jede jeweilige Zylinderbohrung 20 können der Zylinderkopf 16, der Motorblock 14 und der Hubkolben 22 zusammenwirken, um einen Brennraum 24 an einer ersten Seite 26 des Kolbens 22 zu definieren. Der Zylinderkopf 16 kann einen oder mehrere Ansaugdurchgänge 28 und Abgasdurchgänge 30 in selektiver Fluidkommunikation mit jedem jeweiligen Brennraum 24 bereitstellen. Der Ansaugdurchgang 44 kann dazu verwendet werden, Frischluft zu dem Brennraum 24 (z. B. von einem Ansaugkrümmer) zu liefern, wo sie sich mit einem eingespritzten Aerosolkraftstoff mischen kann. Nach der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches (wie bei Zündung durch einen Zündfunken von einer Zündkerze 32) kann der Abgasdurchgang 30 Abgase aus dem Brennraum 24 führen.
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Während des Betriebs des Motors 10 können Reibungskräfte, die auf sich kontinuierlich bewegende Teile zurückführbar sind, einen unbeabsichtigten Verschleiß, Ermüdung und/oder Degradation unterstützen. Um diese Betriebsreibung zu bekämpfen, kann die Motorbaugruppe 10 ein Schmiersystem 40 aufweisen, das eine Ölpumpe 42 in Fluidkommunikation mit einem Ölreservoir 44 aufweisen kann. Bei einer Konfiguration kann die Ölpumpe 42 eine mechanische Pumpe sein, die durch einen Rotationsausgang des Motors selektiv antreibbar sein kann. Bei einer anderen Konfiguration kann die Ölpumpe 42 eine elektrisch betriebene Pumpe sein, die durch eine elektrische Leistungsquelle (nicht gezeigt) steuerbar betrieben werden kann.
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Das Ölreservoir 44 kann von der Ölwanne 12 teilweise definiert sein und kann ein Motoröl 46 enthalten, wie Öl auf Erdölbasis oder Synthetikbasis. Die Ölpumpe 42 kann Motoröl 46 von dem Ölreservoir 44 ziehen, dieses mit Druck beaufschlagen und dieses an verschiedene, sich bewegende Komponenten in dem Motor 10 liefern, um diese Komponenten zu schmieren und/oder zu kühlen. Beispielsweise kann, wie in 1 gezeigt ist, die Ölpumpe 42 Öl 46 über eine erste Versorgungsleitung 48 zu einer Kurbelwelle 50 liefern, die konstant mit dem Betrieb des Motors rotieren kann. Gleichermaßen kann die Ölpumpe 42 Öl 46 an eine oder mehrere Nockenwellen 52 über eine zweite Versorgungsleitung 54 liefern.
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Zusätzlich zur Lieferung von Öl 46 an die Kurbelwelle 50 und die Nockenwellen 52, wie es bei Verbrennungsmotoren herkömmlich ist, kann die Ölpumpe 42 fermer Öl 46 an eine oder mehrere Kolbenspritzeinrichtungen 56 liefern, wobei das Öl dazu dienen kann, den Kolben 22 direkt zu schmieren und/oder zu kühlen. Jede Kolbenspritzeinrichtung 56 kann einen Düsenabschnitt 58 aufweisen, der derart konfiguriert sein kann, druckbeaufschlagtes Öl 60 auf eine Unterseite (d. h. zweite Seite 62) des Kolbens 22 und/oder auf die Wand der Motorbohrung 20 zu sprühen. Auf diese Weise kann die Schnittstelle zwischen Kolben/Bohrung aktiv geschmiert werden, anstatt sich auf eine passive Ölzerstäubung/Spritzer von dem Ölreservoir 44 und/oder der Kurbelwelle 50 zu verlassen.
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Wie in 1 allgemein gezeigt ist, kann sich bei einer Konfiguration die Kolbenspritzeinrichtung 56 von einem Abschnitt des Motorblocks 14 erstrecken, und der Düsenabschnitt 58 kann so gerichtet sein, dass das ausgestoßene Öl 60 direkt mit dem Kolben 22 in Kontakt tritt, wenn der Kolben 22 in einer Position des unteren Totpunktes ist, und direkt mit der Zylinderbohrung 20 und/oder dem Kolben 22 in Kontakt tritt, wenn sich der Kolben 22 in einer Position des oberen Totpunktes befindet. Bei anderen Konfigurationen kann die Kolbenspritzeinrichtung eine Öffnung aufweisen, die direkt in die Zylinderbohrung oder in irgendeine andere benachbarte Komponente geformt ist.
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Wie angemerkt sein kann, ist die primäre Wärmequelle in der Motorbaugruppe 10 der Brennraum, in welcher Kraftstoff kontinuierlich verbrannt wird. Während Perioden eines extremen und/oder verlängerten Gebrauchs können der Kolben 22 und die Zylinderbohrung 20 schneller Wärmeenergie ansammeln, als unter Verwendung herkömmlicher Motorkühlsysteme dissipiert werden kann. Dieses Wärmeansammlungsproblem ist bei Motoren mit hoher Kompression noch ausgeprägter, die jeden Zyklus eine erhöhte Menge an Luft/Kraftstoff in den Brennraum treiben.
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Während Kolbenspritzeinrichtungen 56 dazu dienen können, den Kolben 22/die Bohrung 20 während Perioden eines extremen/verlängerten Gebrauchs zu schmieren, können sie hauptsächlich beim Kühlen des Kolbens 22/der Bohrung 20 nützlich sein, indem die Komponenten in dem (vergleichsweise kühleren) Motoröl 46 eingetaucht sind. Während Perioden eines leichteren Gebrauchs kann jedoch die Verwendung von Kolbenspritzeinrichtungen 56 weniger nützlich sein, wobei jegliche marginalen Kühl- und/oder Schmiervorteile durch parasitäre Wirkungsgradverluste allgemein ausgeglichen werden, die auf die erhöhte Ölströmung/auf das erhöhte Pumpen zurückführbar sind. Gleichermaßen kann bei gewissen Umständen, wie Motorkaltstarts bei niedrigen Temperaturen, die Kühlwirkung sogar unerwünscht sein, wenn das Ziel darin besteht, den Motor bis zu einer idealen Betriebstemperatur aktiv aufzuwärmen.
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Daher kann bei einer Konfiguration das Schmiersystem 40 ferner ein thermisches Fluidventil 70 aufweisen, das derart konfiguriert sein kann, automatisch zu öffnen, wenn die Temperatur des Motoröls 46 über eine kritische Temperatur zunimmt (d. h. bei der Annahme, dass sich der Motor bei oder über einer Temperatur befindet, bei der eine aktive Kolbenkühlung erwünscht ist). Die 2, 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform eines thermischen Fluidventils 70, das in dem oben erwähnten Schmiersystem 40 verwendet werden kann. Wie gezeigt ist, zeigt 2 schematisch eine Seitenansicht im Schnitt des Ventils 70 in einem geschlossenen Zustand 72, 3 zeigt schematisch eine Seitenansicht im Schnitt des Ventils 70 in einem offenen Zustand 74 und 4 zeigt schematisch eine Draufsicht des Ventils 70, das in den 2 und 3 vorgesehen ist.
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Bei einer Konfiguration kann das thermische Fluidventil 70 eine mechanische Vorrichtung sein, die automatisch zwischen einem geschlossenen Zustand 72 und einem offenen Zustand 74 in Ansprechen auf eine Änderung der Betriebstemperatur und ohne externer Betätigung (z. B. elektronische Steuersignale) wechseln kann. Wie gezeigt ist, kann das thermische Fluidventil 70 ein Gehäuse 80 aufweisen, das ein Innenvolumen 82 wie auch einen Einlass 84 und einen Auslass 86 auf gegenüberliegenden Seiten des Innenvolumens 82 definiert. Das thermische Fluidventil 70 kann ein bimetallisches Ventilelement 88 aufweisen, das in dem Gehäuse 80 angeordnet ist. Das bimetallische Ventilelement 88 kann fluidtechnisch zwischen dem Einlass 84 und dem Auslass 86 angeordnet sein und kann derart konfiguriert sein, eine Fluidströmung 90 von dem Einlass 84 zu dem Auslass 86 selektiv zu behindern. Wie angemerkt sei, kann der Einlass mit der Ölpumpe 42 gekoppelt sein und kann Öl 46 von der Ölpumpe 42 aufnehmen, während der Auslass mit den Kolbenspritzeinrichtungen 56 gekoppelt sein kann und Öl 46 an die Kolbenspritzeinrichtungen 56 liefern kann.
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Wie allgemein in 2 gezeigt ist, kann in dem geschlossenen Zustand 72 das bimetallische Ventilelement 88 im Wesentlichen unverformt sein und kann gegen eine Steuerfläche 92 benachbart dem Auslass 86 durch die Fluiddruckdifferenz zwischen dem Pumpenöldruck und dem Kurbelgehäusegasdruck getrieben werden. In diesem Zustand kann das bimetallische Ventilelement 88 den Auslass 86 im Wesentlichen behindern und verhindern, dass Fluid frei zwischen dem Einlass 84 und der einen oder den mehreren Kolbenspritzeinrichtungen 56 strömt.
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4 zeigt deutlicher die Steuerfläche 92 mit einer ungefähren Anordnung des bimetallischen Ventilelementes 88, das in gestrichelten Linien gezeigt ist. Wie gezeigt ist, definiert die Steuerfläche 92 einen ringförmigen Steg 94, der um den Umfang des Auslasses 86 angeordnet ist. Wenn das Ventil 70 in einem geschlossenen Zustand 72 ist, kann das bimetallische Ventilelement 88 vollständig an dem ringförmigen Steg 94 liegen, um eine Strömung zu dem Auslass 86 zu behindern. Die Steuerfläche 92 kann ferner einen oder mehrere Strömungskanäle 96 definieren, die sich radial auswärts von dem ringförmigen Steg 94 erstrecken. Jeder Strömungskanal 96 kann sich von dem bimetallischen Ventilelement 88 weg erstrecken und kann von dem bimetallischen Ventilelement 88 nur teilweise bedeckt sein. Auf diese Weise können die Strömungskanäle 96 eine physikalische Trennung zwischen einem Abschnitt eines Außenrandes 98 des bimetallischen Ventilelements 88 und dem Gehäuse 82 ermöglichen.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, kann das bimetallische Ventilelement 88 aus zwei unähnlichen Metallen oder Metalllegierungen (z. B. einem ersten Metall 100 und einem zweiten Metall 102) bestehen, die aneinander aufgeschmolzen sind. Das erste und zweite Metall 100, 102 können gemäß ihrer jeweiligen Wärmeausdehnungsraten zusammen mit der gewünschten Motorbetriebstemperatur gewählt sein.
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Wenn die Temperatur des Öls 46 zunimmt, kann sich das erste Metall 100 (d. h. benachbarter zu dem Einlass 54) mit einer größeren Rate erstrecken, als das zweite Metall 102. Diese Differenz in den Ausdehnungsraten bewirkt, dass sich das Zentrum 104 des bimetallischen Ventilelementes 88 von dem ringförmigen Steg 94 weg biegt, wie in 3 gezeigt ist. Sobald diese Trennung stattfindet, kann Öl 46 von dem Einlass 84 in das Volumen 82 zwischen dem ringförmigen Steg 94 und dem bimetallischen Ventilelement 88 und aus dem Auslass 86 strömen 90. Wenn die Temperatur des Öls 46 weiter zunimmt, kann die Trennung zunehmen, was zur Folge hat, dass mehr Öl 46 zu den Kolbenspritzeinrichtungen 56 strömt, um die Kolben 22 und die Bohrungen 20 zu kühlen.
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In einer geringfügig variierten Ausführungsform kann das thermische Fluidventil 70 an einer Innenfläche des Motorblockes 14 angeordnet sein und/oder kann in die Kolbenspritzeinrichtungen 56 integriert sein. Auf diese Weise kann die Beziehung zwischen der Kolben/Bohrungs-Temperatur und der Ölströmung direkter sein. Ferner kann, während 1 die Ölpumpe 42 und die Versorgungsleitungen 48, 54 außerhalb der Motorbaugruppe 10 darstellt, bei alternativen Ausführungsformen die Pumpe in dem Motorblock 14/der Ölwanne 12 angeordnet sein, und die verschiedenen Versorgungsleitungen können eine oder mehrere Bohrungen, Rohrleitungen oder andere derartige Strömungspfade aufweisen, die in den Wänden der Motorbaugruppe 10 vorgesehen sind.
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Das vorliegende thermische Fluidventil 70 kann zulassen, dass die Primärölpumpe 42 des Motors Öl 46 direkt zu den Kolben 22 liefert, und zwar nur bei Bedarf und ohne die Öllieferung zu den verbleibenden Komponenten zu beeinflussen oder Wirkungsgradverluste zu bewirken, wenn nicht erforderlich. Die Verwendung eines ausschließlich mechanischen, dennoch temperaturabhängigen Ventils beseitigt den Bedarf nach elektronischen Sensoren oder komplexen Fluidaktoren, die so ausgelegt werden müssten, dass sie die hohe Temperatur des Motors aushalten. Während die Ausführungsform, wie oben beschrieben ist, eine potentielle Konfiguration eines temperaturabhängigen Fluidventils zeigt, ist es denkbar, dass andere Konfigurationen verwendet werden können.
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Während die besten Moden zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche. Es ist beabsichtigt, dass der gesamte Inhalt, der in der obigen Beschreibung enthalten oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, nur als illustrativ und nicht als beschränkend zu interpretieren sei.
