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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Motorsystem und insbesondere auf ein Motorsystem mit einer hydraulisch betätigten Gaseinspritzvorrichtung.
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Hintergrund
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Mit gasförmigem Brennstoff angetriebene Motoren sind in vielen Anwendungen üblich. Beispielsweise kann der Motor einer Lokomotive durch Erdgas (oder einen anderen gasförmigen Brennstoff) alleine oder durch eine Mischung aus Erdgas und Dieselbrennstoff mit Leistung versorgt werden. Erdgas kann leichter verfügbar sein und daher kostengünstiger als Dieselbrennstoff sein. Außerdem kann Erdgas in einigen Anwendungen reiner verbrennen.
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Erdgas ist traditioneller Weise in die Zylinder eines Motors über ein elektromagnetbetätigtes Einlassventil eingeleitet worden. Obwohl dies in einigen Anwendungen effektiv ist, kann ein elektromagnetbetätigtes Einlassventil nicht die Geschwindigkeit und/oder die Kraft haben, die erforderlich ist, um in anderen Anwendungen schnell genug oder gegen hohe Ladedrücke zu öffnen.
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Ein Versuch zur Verbesserung einer Gaseinspritzung ist in dem
US-Patent 5,996,558 von Ouellette und anderen offenbart worden, welches am 7. Dezember 1999 erteilt wurde („das '558-Patent”). Insbesondere offenbart das '558-Patent eine hydraulisch betätigte Gasbrennstoffeinspritzvorrichtung. Die Einspritzvorrichtung weist einen Öleinlassanschluss, einen Gaseinlasseinschluss und einen Gaseinspritzanschluss auf. Hochdrucköl wird zum Öleinlassanschluss von einer in einer Leitung liegenden bzw. Inline-Brennstoffeinspritzpumpe geliefert. Wenn die Pumpe das Öl für die Einspritzbetätigung unter Druck setzt, wird eine Kraft unter einer Gaseinspritznadel aufgebracht, was bewirkt, dass die Nadel von dem Gaseinspritzanschluss abgehoben wird und diesen frei macht. Sobald die Nadel in einer offenen Position ist, wird gestattet, dass über den Gaseinlasseinschluss eingeleiteter Brennstoff in eine entsprechende Brennkammer über den Einlassanschluss fließt. In einigen Ausführungsbeispielen wird ein elektronisch gesteuertes Ventil verwendet, um einen Ölfluss in die Einspritzvorrichtung hinein und aus dieser heraus zu regeln.
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Obwohl die hydraulisch betätigte Gasbrennstoffeinspritzvorrichtung des
'558-Patentes eine Verbesserung gegenüber einem elektromagnetbetätigten Einlassventil sein kann, leidet die Einspritzvorrichtung immer noch unter Nachteilen. Beispielsweise kann die Abhängigkeit vom Pumpendruck bei der Betätigung der Einspritzvorrichtung eine sehr präzise Pumpensteuerung erfordern, und eine solche Steuerung kann komplex und teuer sein. Außerdem kann für jede Einspritzvorrichtung eines Mehrzylindermotors eine andere Pumpe erforderlich sein. Weiterhin kann die in dem '558-Patent gezeigte Einspritzvorrichtungskonstruktion keine breite Anwendbarkeit bei Motoren finden, die enge Raumeinschränkungen haben (beispielsweise in Dual-Brennstoffmotoren).
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Das Motorsystem der vorliegenden Offenbarung löst ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme und/oder andere Probleme der Technik.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung gerichtet. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann einen Körper aufweisen, der einen Gaseinlass, einen Öleinlass und einen Ölauslass definiert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch eine Düse aufweisen, die mit dem Körper verbunden ist und ein Basisende in Strömungsmittelverbindung mit dem Gaseinlass hat, und eine Einspritzspitze, die gegenüberliegend vom Basissende angeordnet ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch ein Rückschlagventil aufweisen, welches in der Düse angeordnet ist und bewegbar ist, um selektiv die Einspritzspitze der Düse zu blockieren und freizumachen, und einen Kolben bzw. Stößel, der in dem Körper zwischen dem Öleinlass und dem Ölauslass angeordnet ist. Der Stößel kann zwischen einer Flussdurchlassposition und einer Flussblockierungsposition bewegbar sein, um eine Bewegung des Ventilrückschlagelementes durch die Einspritzspitze zu bewirken. Die Einspritzvorrichtung kann weiter eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um selektiv den Stößel zu bewegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Zylinderkopfanordnung gerichtet. Die Zylinderkopfanordnung kann einen Zylinderkopf mit einem Flammdeck aufweisen, welcher zumindest einen Einlassanschluss und zumindest einen Auslassanschluss definiert, und mindestens ein Gasaustauschventil, welches in jedem der mindestens einen Einlass- und Auslassanschlüsse angeordnet ist. Die Zylinderkopfanordnung kann auch eine Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtung aufweisen, die mittig in dem Zylinderkopf zwischen den mindestens einen Einlass- und Auslassanschlüssen montiert ist und konfiguriert ist, um axial flüssigen Brennstoff durch das Flammdeck einzuspritzen. Die Zylinderkopfanordnung kann weiter eine Gaseinspritzvorrichtung aufweisen, die an einem Umfang bzw. Rand des Zylinderkopfes montiert ist und konfiguriert ist, um gasförmigen Brennstoff in einem schrägen Winkel durch das Flammdeck einzuspritzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Motorsystem gerichtet. Das Motorsystem kann einen Motorblock aufweisen, der zumindest teilweise eine Vielzahl von Zylindern definiert, und eine Vielzahl von Kolben, die jeweils in einem der Vielzahl von Zylindern angeordnet sind. Das Motorsystem kann auch eine Vielzahl von Zylinderköpfen aufweisen, die jeweils konfiguriert sind, um mit dem Motorblock in Eingriff zu kommen und ein oder mehrere der Vielzahl von Zylindern abzuschließen, um eine Vielzahl von Brennkammern zu formen. Das Motorsystem kann weiter eine Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtung aufweisen, die axial in jedem der Vielzahl von Zylinderköpfen angeordnet ist, und eine Gaseinspritzvorrichtung, die in einem schrägen Winkel in jedem der Vielzahl von Zylinderköpfen angeordnet ist. Das Motorsystem kann zusätzlich eine Flüssigbrennstoffversorgung in Verbindung mit jeder Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtung aufweisen, weiter eine Gasbrennstoffversorgung in Verbindung mit jeder Gaseinspritzvorrichtung und eine einzige Ölpumpe in Verbindung mit jeder Gaseinspritzvorrichtung, und die konfiguriert ist, um unter Druck gesetztes Öl zu liefern, welches die Gaseinspritzvorrichtung betätigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines beispielhaften offenbarten Motorsystems;
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2 ist eine isometrische Darstellung einer beispielhaften offenbarten Zylinderkopfanordnung, die in Verbindung mit dem Motorsystem der 1 verwendet werden kann:
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3 ist eine Querschnittsdarstellung der Zylinderkopfanordnung der 2:
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4 ist eine Querschnittsdarstellung einer beispielhaften offenbarten Gaseinspritzvorrichtung, die in Verbindung mit der Zylinderkopfanordnung der 2 und 3 verwendet werden kann; und
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5 und 6 sind Darstellungen einer Seitenansicht und einer Endansicht bzw. Draufsicht eines beispielhaften offenbarten Ventilrückschlagelementes, welches in Verbindung mit der Gaseinspritzvorrichtung der 4 verwendet werden kann; und
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7 und 8 sind eine quergeschnittene Seitenansicht und eine Endansicht eines weiteren beispielhaften offenbarten Ventilrückschlagelementes, welches in Verbindung mit der Gaseinspritzvorrichtung der 4 verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Motorsystem 10. Obwohl das Motorsystem 10 unten derart gezeigt und beschrieben ist, dass es einen Viertakt-Dual-Brennstoffmotor verkörpert, wird in Betracht gezogen, dass das Motorsystem 10 eine andere Art eines Motors sein kann (beispielsweise ein mit gasförmigem Brennstoff versorgter Viertaktmotor oder ein Zweitakt-Dual-Brennstoff- oder mit gasförmigem Brennstoff versorgter Motor) falls erwünscht. Das Motorsystem 10 kann unter anderem einen Motorblock 12 aufweisen, der eine Vielzahl von Zylindern 14 definiert. Ein Zylinderkopf 16 kann mit dem Motorblock 12 verbunden sein, um ein Ende von jedem Zylinder 14 abzuschließen, und ein Kolben 18 kann verschiebbar in dem Zylinder 14 angeordnet sein. Der Kolben 18 kann zusammen mit dem Zylinder 14 und dem Zylinderkopf 16 eine Brennkammer 20 definieren. Es wird in Betracht gezogen, dass das Motorsystem 10 irgendeine Anzahl von Brennkammern 20 aufweisen kann, und dass die Brennkammern 20 in einer „Reihenkonfiguration”, in einer „V-Konfiguration”, in einer Konfiguration mit gegenüberliegenden Kolben bzw. Boxerkonfiguration oder in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Der Kolben 18 kann konfiguriert sein, um in dem Zylinder 14 zwischen einer oberen Totpunktposition (OT bzw. TDC = Top Dead Center) und einer unteren Totpunktposition (UT bzw. BDC = Bottom Dead Center) hin und her zu laufen. Insbesondere kann der Kolben 18 schwenkbar mit einer Kurbelwelle 22 verbunden sein, die drehbar in dem Motorblock 12 angeordnet ist. In dieser Konfiguration kann eine Gleitbewegung von jedem Kolben 18 in einem entsprechenden Zylinder 14 eine Drehung der Kurbelwelle 22 zur Folge haben. In ähnlicher Weise kann eine Drehung der Kurbelwelle 22 die Gleitbewegung des Kolbens 18 zur Folge haben. Wenn die Kurbelwelle 22 sich um ungefähr 360° dreht, kann jeder Kolben 18 sich durch vier unterschiedliche Hübe bewegen. Insbesondere kann das Motorsystem 10 (als ein Viertaktmotor) einen vollständigen Verbrennungszyklus ausführen, der einen Einlasshub (oberer Totpunkt zum unteren Totpunkt) einen Kompressions- bzw. Verdichtungshub (unterer Totpunkt zum oberen Totpunkt), einen Leistungshub (oberer Totpunkt zum unteren Totpunkt) und einen Auslasshub (unterer Totpunkt zum oberen Totpunkt) aufweist.
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Während des Einlasshubes kann Luft auf einer Einlasssammelleitung 24 über einen oder mehrere Einlassanschlüsse 26, die in dem Zylinderkopf 16 angeordnet sind (beispielsweise in einem Flammdeck 28 des Zylinderkopfes 16 angeordnet), in die Brennkammer 20 gezogen und/oder gedrückt werden. Wenn der Kolben 18 sich in dem Zylinder 14 zum unteren Totpunkt nach unten bewegt, können insbesondere ein oder mehrere Gasaustauschventile 30 (beispielsweise Einlassventile), die mit den Einlassanschlüssen 26 assoziiert sind, veranlasst werden, sich zu bewegen und die Einlassanschlüsse 26 zu öffnen. Wenn die Einlassanschlüsse 26 offen sind und ein Luftdruck in der Einlasssammelleitung 24 größer ist als ein Druck in der Brennkammer 20, sollte Luft durch die Einlassanschlüsse 26 in die Brennkammer 20 laufen.
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Gasförmiger Brennstoff (beispielsweise Erdgas) kann mit der Luft vermischt werden, bevor die Luft in die Brennkammer 20 eintritt, währenddessen und/oder danach. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist eine Gaseinspritzvorrichtung 32 in einem schrägen Winkel (d. h., bezüglich des Flammdecks 28) in jedem Zylinderkopf 16 montiert, um nicht axiale/nicht radiale Einspritzungen von gasförmigem Brennstoff vorzusehen. Der gasförmige Brennstoff aus der Einspritzvorrichtung 32 kann sich mit Luft aus den Einlassanschlüssen 26 vermischen, um eine Brennstoff/Luft-Mischung in der Brennkammer 20 zu bilden.
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Währen des Verdichtungshubes kann Luft immer noch in die Brennkammer 20 über die Einlassanschlüsse 26 eintreten, wenn der Kolben 18 seinen aufwärts gerichteten Hub beginnt, um irgendwelches restliches Gas mit Luft und Brennstoff in der Brennkammer 20 zu vermischen. Schließlich können die Einlassanschlüsse 26 durch eine Bewegung der Einlassventile 30 blockiert werden, und eine weitere Aufwärtsbewegung kann dann die Mischung komprimieren. Wenn die Mischung in der Brennkammer 20 komprimiert wird, werden Druck und Temperatur der Mischung zunehmen, bis diese verbrennt und chemische Energie freisetzt. Dies kann eine weitere und beträchtliche Zunahme von Druck und Temperatur in der Brennkammer 20 zur Folge haben. Es sei bemerkt, dass in einem Dual-Brennstoffmotor eine Einspritzung von flüssigem Brennstoff (beispielsweise Dieselbrennstoff) notwendig sein kann, um zu bewirken, dass die Mischung in der Brennkammer 20 zündet. Zu diesem Zweck kann eine Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtung 34 mittig in dem Zylinderkopf 16 montiert sein, um axial flüssigen Brennstoff in die Brennkammer 20 einzuspritzen.
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Nachdem der Kolben 18 den oberen Totpunkt erreicht, kann der vergrößerte Druck, der durch die Verbrennung verursacht wurde, den Kolben 18 zurück nach unten drücken, wodurch mechanische Leistung auf die Kurbelwelle 22 während des Leistungshubes aufgebracht wird. Dann können sich während des folgenden Auslasshubes ein oder mehrere Gasaustauchventile 36 (beispielsweise Auslassventile), die in dem Zylinderkopf 16 angeordnet sind, öffnen, um zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Abgas in der Brennkammer 20 in eine assoziierte Auslasssammelleitung 38 über entsprechende Auslassanschlüsse 40 austritt. Insbesondere wird, wenn der Kolben 18 sich in der Zylinderbuchse 16 nach oben bewegt, schließlich eine Position erreicht, in der ein oder mehrere Gasaustauschventile 36 (beispielsweise Auslassventile) sich bewegen, um strömungsmittelmäßig die Brennkammer 20 mit der Auslasssammelleitung 38 mittels der Anschlüsse 40 zu verbinden. Wenn die Brennkammer 20 in Strömungsmittelverbindung mit der Auslasssammelleitung 38 ist, und ein Druck in der Brennkammer größer ist als ein Druck in der Auslasssammelleitung 38, sollte Abgas aus der Brennkammer 20 durch die Auslassanschlüsse 40 in die Auslasssammelleitung 38 laufen.
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In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann die Bewegung der Einlass- und Auslassventile 30, 36 zyklisch gesteuert werden, beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) oben liegende Nocke, einen (nicht gezeigten) Kipphebel und/oder durch irgendeine andere Vorrichtung, die auf oder über dem Zylinderkopf 16 montiert ist und mechanisch von der Kurbelwelle 22 angetrieben wird. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass eine Bewegung der Einlass- und/oder Auslassventile 30, 36 alternativ in nicht zyklischer Weise gesteuert werden kann, falls erwünscht. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Einlass- und/oder Auslassanschlüsse 26, 40 alternativ in einer ringförmigen Wand des Zylinders 14 angeordnet sein können, wobei ihre Öffnungsvorgänge und Schließvorgänge durch die Bewegung des Kolbens 18 vorgegeben werden. Obwohl der Betrieb eines Viertaktmotors mit Bezugnahme auf 1 beschrieben worden ist, wäre dem Fachmann klar, dass in ähnlicher Weise in einem Zweitaktmotor gasförmiger und flüssiger Brennstoff verbrannt werden können und Abgas erzeugt werden kann.
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Der gasförmige Brennstoff, der von den Einspritzvorrichtungen 32 in die Brennkammern 20 eingespritzt wird, kann von einer Versorgung 42 geliefert werden. Die Versorgung 42 kann beispielsweise einen kryogenen bzw. gekühlten Hochdrucktank verkörpern, der konfiguriert ist, um flüssigen Brennstoff bei niedrigen Temperaturen zu enthalten (beispielsweise verflüssigtes Erdgas – LNG = Liquified Natural Gas). Der flüssige Brennstoff kann vor dem Eintritt in die Einspritzvorrichtungen 32 verdampft werden. In einigen Anwendungen können eine Heizung, ein Akkumulator und/oder ein Druckregler verwendet werden, um den Brennstoff zu verdampfen, zu halten und zu zirkulieren.
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Zusätzlich dazu, dass der gasförmige Brennstoff in die Einspritzvorrichtungen 32 geleitet wird, kann auch eine Versorgung 44 für unter Druck gesetztes Betätigungsströmungsmittel (beispielsweise Motoröl, Dieselbrennstofföl, extra dafür vorgesehenes Hydrauliköl usw.) zu den Einspritzvorrichtungen 32 geleitet werden. Wie genauer unten beschrieben wird, kann dieses Strömungsmittel verwendet werden, um selektiv die Einspritzvorrichtungen 32 zu öffnen und zu schließen, was gestattet, dass eine erwünschte Menge an gasförmigem Brennstoff in die Brennkammern 20 zu einem erwünschten Zeitpunkt eingespritzt wird. Eine einzelne Pumpe 46 kann verwendet werden, um das Betätigungsströmungsmittel für alle Einspritzvorrichtungen 32 unter Druck zu setzen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 46 eine separate Pumpe, die extra dafür vorgesehen ist, nur die Brennstoffeinspritzung zu ermöglichen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Pumpe 46 zu zusätzlichen Zwecken verwendet werden (beispielsweise zum Zirkulieren von Motoröl durch das Motorsystem 10, zur Schmierung und/oder zu Kühlzwecken), falls erwünscht.
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Der flüssige Brennstoff, der von den Einspritzvorrichtungen 34 in die Brennkammern 20 gesprüht wird, kann von einer Versorgung 48 geliefert werden. Die Versorgung 48 kann beispielsweise ein Niederdrucktank sein, der konfiguriert ist, um flüssigen Brennstoff (beispielsweise Dieselbrennstoff) bei Umgebungsbedingungen zu halten. Eine einzelne Pumpe 50 kann verwendet werden, um den flüssigen Brennstoff für alle Einspritzvorrichtungen 34 unter Druck zu setzen. In einem Ausführungsbeispiel können die Pumpe 50 und die Pumpe 46 die gleiche Pumpe sein, falls erwünscht. Beispielsweise kann die Pumpe 46/50 unter Druck gesetzten Dieselbrennstoff zu den Einspritzvorrichtungen 34 zur direkten Einspritzung in die Brennkammern 20 liefern und auch zu den Gaseinspritzvorrichtungen 32, um eine Betätigung der Gaseinspritzvorrichtungen 32 und die oben beschriebene Einspritzung von gasförmigem Brennstoff zu bewirken.
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Die 2 und 3 veranschaulichen eine beispielhafte Zylinderkopfanordnung 52 mit Einspritzvorrichtungen 32 und 34, die in dem Zylinderkopf 16 montiert sind. Wie in diesen Figuren gezeigt, kann die Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtung 34 mittig angeordnet werden (beispielsweise mit einer Mittelachse des Flammdecks 28 ausgerichtet, in einer Mitte von allen Anschlüssen 26, 40), während die Gaseinspritzvorrichtung 32 an einem Umfang des Flammdecks 28 angeordnet sein kann und sich zu einer Stelle zwischen einem Einlassanschluss 26 und einem benachbarten Auslassanschluss 40 erstrecken kann. Die Einspritzvorrichtung 34 kann vollständig in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes 16 montiert sein und vertikal orientiert sein. Im Gegensatz dazu kann ein Hauptteil der Einspritzvorrichtung 32 außerhalb des Zylinderkopfes 16 montiert sein und die Einspritzvorrichtung 32 kann in einem schrägen Winkel orientiert sein. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann nur ein Düsenteil der Einspritzvorrichtung 32 in dem Zylinderkopf 16 montiert sein. Die Einspritzvorrichtung 32 kann im Allgemeinen benachbart zur Einlasssammelleitung 24 und in Ausrichtung mit der Auslasssammelleitung 38 angeordnet sein. Die Einspritzvorrichtung 34 kann flüssigen Brennstoff axial in die Brennkammer 20 einspritzen, während die Einspritzvorrichtung 32 gasförmigen Brennstoff in einem schrägen Winkel einspritzen kann, so dass die Gasbrennstoffeinspritzung sich mit der Flüssigbrennstoffeinspritzung in der Mitte der Brennkammer 20 schneidet.
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Eine beispielhafte Gaseinspritzvorrichtung 32 ist in 4 gezeigt. Die Einspritzvorrichtung 32 kann unter anderem einen Körper 54 aufweisen, weiter eine Düse 56, die betriebsmäßig mit dem Körper 54 verbunden ist, eine Betätigungsvorrichtung 58, die mit dem Körper 54 an einem Ende gegenüberliegend zur Düse 56 verbunden ist, und ein Ventilrückschlagelement 60, welches verschiebbar in der Düse 56 angeordnet ist. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Komponenten in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 vorgesehen sein können, wie beispielsweise Druckausgleichsdurchlasswege, Akkumulatoren, Rückschlagventile, Filter und andere in der Technik bekannte Einspritzvorrichtungskomponenten.
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Der Einspritzvorrichtungskörper 54 kann ein zylindrisches Glied sein, welches zur Montage außerhalb des Zylinderkopfes 16 konfiguriert ist, und er kann ein oder mehrere Durchlasswege aufweisen, die in einem Käfigeinsatz 62 („Einsatz”) ausgebildet sind. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel weist der Einspritzvorrichtungskörper 54 eine mittige Bohrung 64 auf, die konfiguriert ist, um den Einsatz 62 aufzunehmen, weiter einen Öleinlass 66, einen Ölauslass 68, einen Gaseinlass 70 und einen Rückleitungsauslass 72. Der Öleinlass 66 kann sich von einer Verbindung mit der Pumpe 46 (siehe 1) radial nach innen zur mittigen Bohrung 64 erstrecken, um den Einsatz 62 mit Öl (oder einem anderen Betätigungsströmungsmittel) zu beliefern, welches verwendet wird, um Gaseinspritzungen zu initialisieren. Der Ölauslass 68 kann sich radial zurück nach außen von der mittigen Bohrung 64 erstrecken, um Öl mit niedrigerem Druck vom Einsatz 62 zurück zur Versorgung 44 zu leiten. Der Gaseinlass 70 kann sich von einer Verbindung mit der Versorgung 42 zu einer Schnittstelle mit der Düse 56 erstrecken. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche, weniger und/oder andere Durchlässe in dem Einspritzvorrichtungskörper 54 vorgesehen sein können, falls erwünscht.
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Der Einsatz 62 kann ein zylindrisches Glied verkörpern, welches in der mittigen Bohrung 64 des Körpers 54 aufgenommen ist, und zwar an einer axialen Stelle zwischen der Düse 56 und der Betätigungsvorrichtung 58. Der Einsatz 62 kann eine innen ausgebildete Steuerkammer 74 haben, die in Strömungsmittelverbindung mit einem Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 und mit sowohl dem Öleinlass 66 als auch dem Ölauslass 68 ist. Ein Kolben bzw. Stößel 76 kann in der Steuerkammer 74 angeordnet sein und selektiv bewegt werden (beispielsweise durch die Betätigungsvorrichtung 58), um die Steuerkammer 74 mit unter Druck stehendem Öl zu füllen oder dieses abzulassen. Wenn unter Druck gesetztes Öl aus der Steuerkammer 74 abgelassen wird, kann das Ventilrückschlagelement 60 in eine geschlossene Position bewegt werden und/oder in dieser gehalten werden, in welcher Einspritzungen von gasförmigem Brennstoff blockiert werden. Wenn die Steuerkammer 74 mit unter Druck stehendem Öl gefüllt ist, kann das Ventilrückschlagelement 60 durch das unter Druck stehende Öl zu einer offenen Position bewegt werden, in der Einspritzungen von gasförmigem Brennstoff zugelassen werden.
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Der Stößel 76 kann als Kolbenventil wirken, wobei er eine Vielzahl von Stegen und eine Vielzahl von ringförmigen Nuten hat, die zwischen den Stegen angeordnet sind. Wenn der Stößel 76 zu einer (in 4 gezeigten) ersten Position bewegt wird, kann eine Verbindung zwischen dem (Öleinlass 66 und der Steuerkammer 74 durch einen ersten der Stege blockiert werden. Zur gleichen Zeit können die Steuerkammer 74 und der Ölauslass 68 über eine erste der ringförmigen Nuten ausgeführt bzw. verbunden werden, was gestattet, dass Öl aus der Steuerkammer 74 und aus dem Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 abläuft. Wenn der Stößel 76 zu einer (nicht gezeigten) zweiten Position bewegt wird, kann die Verbindung zwischen dem Öleinlass 66 und der Steuerkammer 74 über eine zweite der ringförmigen Nuten ermöglicht werden, was gestattet, dass Öl die Steuerkammer 74 füllt. Zur gleichen Zeit kann eine Verbindung zwischen dem Ölauslass 68 und der Steuerkammer 74 durch einen zweiten der Stege blockiert werden, was bewirkt, dass sich ein Druck in der Steuerkammer 74 aufbaut und gegen das Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 wirkt. Der Stößel 76 kann (beispielsweise über eine Feder 78) zu der ersten Position hin vorgespannt werden und selektiv durch Erregen der Betätigungsvorrichtung 58 zur zweiten Position bewegt werden.
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Die Steuerkammer 74 kann über einen Durchlass 80 in Verbindung mit dem Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 sein. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann eine eingeschränkte bzw. gedrosselte Zumessöffnung 82 in dem Durchlass 80 angeordnet werden, um eine erwünschte Menge an Einschränkung bzw. Drosselung für einen Ölfluss aus der Steuerkammer 74 aufzubringen. Diese Einschränkung kann selektiv variiert werden und dadurch eine Einstellung des Ansprechens der Einspritzvorrichtung 32 gestatten. Beispielsweise kann eine erste eingeschränkte Zumessöffnung 82 durch eine zweite eingeschränkte Zumessöffnung 82 mit einem andern Ausmaß an Einschränkung bzw. Drosselung ersetzt werden, um die Flussrate des Strömungsmittels zum Ventilrückschlagelement 60 und das entsprechende Ansprechen der Einspritzvorrichtung 32 zu variieren. Es wird in Betracht gezogen, dass die eingeschränkte Zumessöffnung 82 weggelassen wird, falls erwünscht.
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Das Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 kann sich mit einer Bohrung 84 des Einsatzes 62 hin und her bewegen, und zwar in allgemeiner Ausrichtung mit der Steuerkammer 74. Eine Kolbenhülse 86 kann starr mit dem Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 verbunden sein und konfiguriert sein, um die Kraft zu vervielfachen, die durch das unter Druck gesetzte Öl auf das Ventilrückschlagelement 60 ausgeübt wird. Die Kolbenhülse 86 kann (beispielsweise über eine Feder 88) nach oben gegen den Druck des Öls vorgespannt sein, so dass das Öl einen minimalen Schwellendruck haben muss, um das Ventilrückschlagelement 60 zu bewegen und die Gaseinspritzung zu initialisieren. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann der Rückleitungsauslass 72 sich mit der Bohrung 84 an einer mittleren axialen Stelle der Kolbenhülse schneiden. Eine erste Dichtung (beispielsweise eine Öldichtung) kann um die Kolbenhülse 86 an einer Stelle zwischen dem Rückleitungsauslass 72 und dem Durchlass 80 angeordnet sein, während zumindest eine Dichtung (beispielsweise zwei Gasdichtungen) um die Kolbenhülse 86 an einer Stelle zwischen dem Rückleitungsauslass 72 und der Düse 56 angeordnet sein können. Der Rückleitungsauslass 72 kann gestatten, dass irgendwelches Öl und/oder Gas, welches an den Dichtungen vorbeigeleckt ist, aus der Einspritzvorrichtung 32 ablaufen kann. In einem Ausführungsbeispiel kann ein (nicht gezeigter) koaleszierender Filter bzw. Verbundfilter mit dem Rückleitungsauslass 72 verbunden sein, um Öl vom Gas im Leckpfad zu trennen. Jegliche Anzahl von Dichtungen kann zwischen dem Einsatz 62 und dem Körper 54 angeordnet werden, falls erwünscht.
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Die Düse 56 kann genauso ein zylindrisches Glied verkörpern und kann eine mittige Bohrung 89 haben, die konfiguriert ist, um das Ventilrückschlagelement 60 aufzunehmen. Ein Freiraum zwischen den Wänden der mittigen Bohrung 89 und dem Ventilrückschlagelement 60 kann eine Druckkammer bilden, die einen Vorrat von unter Druck gesetztem gasförmigen Brennstoff enthält, der vom Gaseinlass 70 in Vorbereitung eines Einspritzereignisses aufgenommen wurde. Die Düse 56 kann auch eine oder mehrere Zumessöffnungen 90 aufweisen, die gestatten, dass der unter Druck gesetzte gasförmige Brennstoff von der Druckkammer in die Brennkammer 20 des Motorsystems 10 fließt, wenn das Ventilrückschlagelement 60 nach unten durch die Zumessöffnung 90 gedrückt wird. Die Druckkammer kann entlang der gesamten Länge der Düse 56 zwischen dem Gaseinlass 70 und der Zumessöffnung 90 angeordnet sein.
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Die Düse 56 kann auch verwendet werden, um die Einspritzvorrichtung 32 mit dem Zylinderkopf 16 zu verbinden. Insbesondere kann die Düse 56 sich in eine geneigte Bohrung des Zylinderkopfes 16 erstrecken (siehe 3) und kann äußere Gewindegänge aufweisen, die mit inneren Gewindegängen der Bohrung in Eingriff stehen. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann nur die Düse 56 in den Zylinderkopf 16 montiert sein, wobei der Rest der Einspritzvorrichtung 32 außen angeordnet ist. Die Düse 56 kann langgestreckt sein, um die Verbindung in dem schrägen Montagewinkel der Einspritzvorrichtung 32 zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Düse 56 ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge (d. h., d:L – siehe 4) von ungefähr 0,123–0,125:1 haben. Diese Konfiguration kann gestatten, dass die Einspritzvorrichtung 32 an einer Ecke des Zylinderkopfes 16 entfernt von anderen in Wechselwirkung tretenden bzw. störenden Komponenten angeordnet wird (beispielsweise weg von einer oben liegenden Nockenwelle, einem Kipphebel, einem Gasaustauschventil, der Einspritzvorrichtung 34 usw.) und dennoch immer noch gasförmigen Brennstoff zu einer Mitte der Brennkammer 20 einspritzt.
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Das Ventilrückschlagelement 60 kann ein langgestrecktes zylindrisches Glied sein, welches verschiebbar in der Düse 56 angeordnet ist. Das Ventilrückschlagelement 60 kann axial zwischen einer ersten Position, in der ein Spitzenende im Wesentlichen einen Fluss von Brennstoff durch die Zumessöffnung 90 blockiert, und einer zweiten Position bewegbar sein, in der die Zumessöffnung 90 offen ist, um einen Fluss von Brennstoff in die Brennkammer 20 zu gestatten.
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Ein beispielhaftes Ventilrückschlagelement 60 ist in den 5 und 6 gezeigt. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, kann das Ventilrückschlagelement 60 ein Basisende 92 aufweisen, mit dem die Kolbenhülse 86 (siehe 4) verbunden ist, und ein gegenüberliegendes Spitzenende 94, das selektiv mit der Zumessöffnung 90 der Düse 56 in Eingriff ist. Zusätzlich kann das Ventilrückschlagelement 60 eine Führung 96 aufweisen, die nahe dem Spitzenende 94 angeordnet ist.
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Wie in 5 gezeigt, kann das Spitzenende 94 eine Tulpenform haben, so dass das Ventilrückschlagelement 60 als ein Tulpen- bzw. Tellerventil wirkt. Insbesondere kann das Spitzenende 94 eine Kegelstumpfform haben, die sich zum distalen bzw. ferngelegenen Ende trompetenförmig erweitert oder nach außen ausgestellt ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Stirnseitenfläche an dem Ende der Tulpenform flach oder sogar napfförmig sein (beispielsweise um einer Tulpenblume zu ähneln). In dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Stirnseitenfläche konvex. Mit dieser Konfiguration kann die sich erweiternde bzw. ausgestellte Oberfläche als eine innere Dichtungsfläche funktionieren, die konfiguriert ist, um mit einer ringförmigen Schulter, einer Kante oder einer Messerkante der Düse 56 an der Zumessöffnung 90 in Eingriff zu kommen. Die abgerundete Stirnseitenfläche kann eine Festigkeit des Spitzenendes 94 vergrößern.
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Wie in 6 gezeigt, kann die Führung 96 einen im Allgemeinen dreieckigen Querschnitt haben, und zwar mit drei Speichen oder Schenkeln 98, die in gleich beabstandeten Winkeln nach außen vorstehen. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist eine distale Endfläche 100 von jedem Schenkel 98 gekrümmt, um zu einer inneren Kontur der Düsenbohrung 89 zu passen. In dieser Konfiguration können die Oberflächen 100 gegen die Innenwand der Bohrung 89 laufen, wodurch das Ventilrückschlagelement 60 in der Mitte der Bohrung 89 beabstandet wird. In dieser Konfiguration können die Seitenwandflächen 102 von jedem Schenkel 98 gekrümmt (konkav) sein, um dadurch einen Strömungsquerschnittsbereich in der Bohrung 89 für den gasförmigen Brennstoff zu vergrößern, der daran vorbeiläuft. Es wird in Betracht gezogen, dass die Oberflächen 102 der Schenkel 98 alternativ eben sein könnten, falls erwünscht.
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Wiederum mit Bezug auf 4 kann die Betätigungsvorrichtung 58 an einem Ende der Einspritzvorrichtung 32 angeordnet sein, welches gegenüberliegend zur Düse 56 ist, um die Kräfte zu steuern, die auf das Ventilrückschlagelement 60 wirken. Insbesondere kann die Betätigungsvorrichtung 58 Wicklungen 104 von geeigneter Form und Größe aufweisen, durch welche ein Strom fließen kann, um ein Magnetfeld einzurichten, und einen Anker 106, der mit den Wicklungen 104 assoziiert ist. Der Anker 106 kann fest mit einem Stift 108 verbunden sein, der wiederum fest mit einem Ende des Stößels 76 verbunden sein kann. Wenn die Wicklungen 104 erregt werden, kann ein Magnetfeld, welches durch die Wicklungen 104 hervorgerufen wird, den Anker 106, den Stift 108 und den Stößel 76 nach oben gegen die Vorspannung der Feder 78 von einer ersten Position oder Nichteinspritzungsposition zu einer zweiten oder Einspritzungsposition ziehen. Wenn die Wicklungen 104 entregt bzw. abgeschaltet werden, kann es der Feder 78 gestattet werden, den Stift 108 und den Stößel 76 zurück nach unten in die Nichteinspritzposition zu drücken. In dieser Weise kann die Zeitsteuerung und das Niveau des eingeleiteten Stroms in den Wicklungen 104 gesteuert werden, um die Einspritzungen von gasförmigem Brennstoff zu beeinflussen.
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Die 7 und 8 veranschaulichen ein alternatives Ventilrückschlagelement 110, welches in der Düse 56 der Einspritzvorrichtung 32 angeordnet ist. Genau wie das in den 5 und 6 gezeigte Ventilrückschlagelement 60 kann das Ventilrückschlagelement 110 auch ein (nicht gezeigtes) Basisende, ein Spitzenende 112 und eine dreieckig geformte Führung 114 aufweisen, die zwischen dem Basisende und dem Spitzenende 112 angeordnet ist. Außerdem kann die Führung 114 drei Speichen oder Schenkel 116 haben, die radial nach außen in gleich beabstandeten Winkeln vorstehen. In diesem Ausführungsbeispiel können die Schenkel 116 im Allgemeinen eben sein, und die Endflächen 118 von jedem Schenkel 116 können im Allgemeinen gekrümmt sein, so dass sie zu dem Profil der Bohrung 89 passen. Jedoch kann im Gegensatz zur Führung 114 des in den 5 und 6 gezeigten Ventilrückschlagelementes 60 die Führung 114 des Ventilrückschlagelementes 110 sich in der Bohrung 89 verdrehen, so dass sie eine Schraubenform hat. Die Verdrehung der Führung 114 in Kombination mit einer Länge davon kann eine volle Drehung (d. h., ungefähr 360° Drehung – 1/3 Drehung für jeden Schenkel 116) vorsehen, so dass in der Endansicht der 7 ein vollständiger Kreis durch die Schenkel 116 gebildet wird. Diese Schraubenform und der Drehwinkel können eine verbesserte Führung des Ventilrückschlagelementes 60 in der Düse 56 vorsehen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das offenbarte Motorsystem kann in irgendeiner Maschine oder einer Anwendung eines Leistungssystems verwendet werden, wo es vorteilhaft ist, Abgasemissionen zu verringern, während auch Leistungsausgabe geliefert wird. Das offenbarte Motorsystem findet insbesondere in mobilen Maschinen Anwendbarkeit, wie beispielsweise in Lokomotiven, großen Baumaschinen, Wasserfahrzeugen, bei der Leistungserzeugung, beim Ölpumpen usw., welche sowohl unter Verwendung von flüssigem als auch gasförmigem Brennstoff arbeiten können. Das offenbarte Motorsystem kann einen einzigartigen Weg zur Lieferung von gasförmigem Brennstoff vorsehen, von dem bekannt ist, dass dieser geringere Niveaus von regulierten bzw. beschränkten Abgasbestandteilen erzeugt, und zwar zu einem Motorzylinder, der schon mit anderen Komponenten eng gepackt ist (beispielsweise Flüssigbrennstoffeinspritzvorrichtungen, Auslassventile, Einlassventile, Auslasssammelleitungen, Einlasssammelleitungen, oben liegende Nocken, Kipphebel usw.). Der Betrieb des Motorsystems 10 wird nun im Detail erklärt.
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Während des normalen Betriebs des Motorsystems 10 können gasförmiger Brennstoff und flüssiger Brennstoff zu jeder der Einspritzvorrichtungen 32, 34 geliefert werden, und zwar jeweils von den Versorgungen 42, 48 (siehe 1). Beispielsweise kann verflüssigtes Erdgas verdampft werden und durch einen Regler und/oder einen anderen Steuermechanismus zum Gaseinlass 70 von allen Einspritzvorrichtungen 32 geleitet werden. Zusätzlich kann ein Betätigungsströmungsmittel (beispielsweise Motoröl, Hydraulikströmungsmittel, Dieselbrennstoff usw.) aus der Versorgung 44 gezogen werden, unter Druck gesetzt werden und in alle Öleinlässe 66 der Einspritzvorrichtungen 32 geleitet werden. Gleichzeitig kann Dieselbrennstoff aus der Versorgung 48 durch die Pumpe 50 gezogen werden, unter Druck gesetzt werden und zu allen Einspritzvorrichtungen 34 parallel geleitet werden. Die Einspritzvorrichtungen 32 und 34 können dann unabhängig gesteuert werden, um Erdgas alleine, Dieselbrennstoff alleine oder eine Mischung aus Erdgas und Dieselbrennstoff einzuspritzen.
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Die Betätigungsvorrichtung 58 kann selektiv erregt werden, um Einspritzungen von Erdgas in die Brennkammern 20 (siehe 1) durch die Einspritzvorrichtungen 32 zu initialisieren. Insbesondere können, wenn ein elektrischer Strom an die Wicklungen 104 angelegt wird, der Anker 106, der Stift 108 und der Stößel 76 nach oben weg von der Düse 56 gezogen werden. Wenn der Stößel 76 sich nach oben bewegt, kann die Steuerkammer 74 strömungsmittelmäßig mit dem Öleinlass 66 verbunden sein und gleichzeitig gegenüber dem Ölauslass 68 abgeblockt sein, wodurch bewirkt wird, dass sich die Steuerkammer 74 mit unter Druck stehendem Öl füllt. Zu diesem Zeitpunkt kann das Hochdrucköl auch mit dem Basisende des Ventilrückschlagelementes 60 und mit der Kolbenhülse 86 in Verbindung stehen, was bewirkt, dass diese die Vorspannung der Feder 88 überwinden. Wenn dies geschieht, kann das Ventilrückschlagelement 60 gezwungen werden, sich nach unten durch die Zumessöffnung 90 zu bewegen, wodurch die Zumessöffnung 90 geöffnet wird und ein Einspritzereignis initialisiert wird.
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Um das Einspritzereignis zu beenden, kann die Betätigungsvorrichtung 58 entregt werden, um zu gestatten, dass die Feder 78 den Anker 106, den Stift 108 und den Stößel 76 zurück nach unten bringen, bis die Verbindung zwischen der Steuerkammer 74 und dem Öleinlass 66 blockiert ist und die Verbindung zwischen der Steuerkammer 74 und dem Ölauslass wieder hergestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann der Druck in der Steuerkammer 74 abfallen, was gestattet, dass das Ventilrückschlagelement 60 (unter der Vorspannung der Feder 88) in seine geschlossene Position zurückkehrt, in welcher das Spitzenende 94 einen Gasfluss durch die Zumessöffnung 90 blockiert. Während der Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventilrückschlagelementes 60 kann die Führung 96 ein ordnungsgemäßes Aufsetzen und Abheben des Spitzenendes 94 sicherstellen, indem sie das Ventilrückschlagelement 60 in der Bohrung 89 zentriert.
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Weil der Betrieb der Einspritzvorrichtung 32 auf einer individuellen Steuerung eines Elektromagneten beruhen kann, kann die Steuerung einfach und relativ kostengünstig sein. Zusätzlich kann jede Einspritzvorrichtung 32 separat gesteuert werden, wodurch die Leistung des Motorsystems 10 verbessert wird. Weiterhin kann die Konstruktion der Einspritzvorrichtung 32, die eine lange und enge Düse hat, wobei nur die Düse in einem entsprechenden Zylinderkopf in irgendeinem verfügbaren Winkel montiert ist, eine breite Anwendbarkeit in Motoren mit engen Raumeinschränkungen gestatten.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den offenbarten Motorsystemen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Motorsysteme werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Motorsysteme offensichtlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen angegeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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