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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Einspritzverhaltens einer Wasser-Kraftstoff-Mischung in eine Verbrennungskraftmaschine mittels eines Fluoreszenzmittels sowie einen Teststand.
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Im Bereich der Motorenentwicklung ist das Steigern der Leistung der Verbrennungskraftmaschine eine der wichtigsten Zielgrößen. Eine Möglichkeit der Leistungssteigerung stellt die Verwendung einer Wassereinspritzung dar.
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Bei der Wassereinspritzung erfolgt eine Kühlung des Motors, beispielsweise durch Kühlung der Ansaugluft oder durch Einspritzen von Wasser direkt in die Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine. Durch das Absenken der Temperatur können höhere Sauerstoffgehalte in der Verbrennungsluft innerhalb der Brennkammer erhalten werden, die für eine günstigere Verbrennung des Kraftstoffs genutzt werden können. Dadurch sind beispielweise Motoren realisierbar, die eine gesteigerte Leistung und/oder geringere Emissionen aufweisen.
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Da in solchen Motoren zusätzlich zum Kraftstoff Wasser eingespritzt wird, werden zusätzliche Injektionsdüsen in der Sauganlage benötigt. Es kann vor der Einspritzung eine Wasser-Kraftstoff-Mischung hergestellt und diese für eine Mischeinspritzung direkt in den Brennraum über je eine einzelne Injektionsdüse genutzt werden.
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Das Wasser-Kraftstoffverhältnis der erhaltenen Mischung muss dabei immer an das gewählte Leistungsfenster der Verbrennungskraftmaschine angepasst sein. Darüber hinaus ist die Güte, auch Mischungsgüte oder Emulsionsgüte bezeichnet, entscheidend für die Optimierung des Brennverfahrens. Da sich Wasser und Kraftstoff nicht ohne weitere Zusätze zu einer stabilen Emulsion oder Mischung verbinden, besteht daher die Notwendigkeit das Einspritzverhalten der erhaltenen Wasser-Kraftstoff-Mischung bestimmen zu können.
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Die
JP 2004 340619 A zeigt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung des Sprühverhaltens einer Mischung aus mehreren nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten. Dazu wird ein Laserfarbstoff in eine der Flüssigkeiten zugesetzt, und die Flüssigkeiten anschließend über einen Zerstäuber als Nebel versprüht. Der Laserfarbstoff wird innerhalb des Sprühnebels mittels eines Lasers angeregt. Die Detektion erfolgt mittels Messung der Fluoreszenz und der Streustrahlung. Als Farbstoff wird Rhodamin 6G eingesetzt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige Möglichkeit zur Bestimmung der Güte einer Wasser-Kraftstoff-Mischung beim Einspritzen in eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Teststand zum Bestimmen des Einspritzverhaltens einer Wasser-Kraftstoff-Mischung in eine Verbrennungskraftmaschine mittels eines Fluoreszenzmittels nach Anspruch 1.
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Durch das Vermischen von Wasser mit dem Kraftstoff zur Wasser-Kraftstoff-Mischung ist das Einspritzen der Wasser-Kraftstoff-Mischung in Form eines Sprays über eine einzelne Injektionsdüse möglich.
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Über das Fluoreszenzmittel, das in der wässrigen Lösung vorhanden ist und somit als Tracer fungiert, kann mittels Fluoreszenzmessung auf das Einspritzverhalten der Wasser-Kraftstoff-Mischung, insbesondere in die Verbrennungskraftmaschine, rückgeschlossen werden. Auf diese Weise lässt sich die Güte der erhaltenen Wasser-Kraftstoff-Mischung bestimmen.
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Fluoreszenz eignet sich dabei als optisches Messverfahren in besonderem Maße, da die Anregung und Detektion bei unterschiedlichen Wellenlängen stattfinden und somit das Messsignal auf einfache Weise vom Streulicht und anderen, das Messsignal verfälschenden Signalen während der Messung unterschieden werden kann.
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Das Fluoreszenzmittel kann wasserlöslich sein. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass eine stabile wässrige Lösung des Fluoreszenzmittels erhalten wird, die sich mit dem Kraftstoff zu einer Wasser-Kraftstoff-Mischung vermischen lässt.
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Dadurch wird durch das Fluoreszenzmittel das Verhalten der wässrigen Phase innerhalb der Wasser-Kraftstoff-Mischung überwacht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Fluoreszenzmittel im Kraftstoff unlöslich sein. Dadurch wird sichergestellt, dass das zu detektierende Fluoreszenzsignal nicht vom Kraftstoffanteil in der Wasser-Kraftstoff-Mischung stammt, sondern lediglich aus der wässrigen Phase. Dies reduziert auch die Quellen von möglichen Störsignalen in der Fluoreszenzmessung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Fluoreszenzmittel Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich emittieren, insbesondere mit einer Wellenlänge von 540 nm bis 680 nm. Dadurch sinkt der instrumentelle Aufwand zur Durchführung des Verfahrens, da keine speziellen Optiken, beispielsweise für Wellenlängen im UV-Bereich, notwendig sind.
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Ferner umfasst das Fluoreszenzmittel Eosin oder besteht aus Eosin, insbesondere Eosin-Y. Eosin zeichnet sich durch ein vorteilhaftes Fluoreszenzverhalten aus, da Eosin sowohl mit Licht im sichtbaren Bereich angeregt werden, als auch Licht im sichtbaren Bereich mittels Fluoreszenz emittieren kann.
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Des Weiteren ist Eosin sehr gut wasserlöslich und nahezu unlöslich in Kraftstoff, wodurch es sich in einer Wasser-Kraftstoff-Mischung als Tracer für die wässrige Phase besonders gut eignet.
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Außerdem ist Eosin in wässriger Lösung weder giftig noch gesundheitsgefährdend, sodass keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen im Umgang mit diesem Fluoreszenzmittel notwendig sind.
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Die wässrige Lösung enthält das Fluoreszenzmittel in einem Anteil von 0,05 bis 0,2 Volumenprozent, insbesondere in einem Anteil von 0,1 Volumenprozent.
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Ein zu geringer Gehalt des Fluoreszenzmittels in der Wasser-Kraftstoff-Mischung würde dazu führen, dass keine ausreichend starke Fluoreszenz auftritt, um eine zuverlässige Detektion zu ermöglichen. Höhere Gehalte des Fluoreszenzmittels in der Wasser-Kraftstoff-Mischung hingegen würden dazu führen, dass sich der Farbstoff an Bauteilen des Verbrennungsmotors anlagert und auf diese Weise beispielsweise Sichtfenster zusetzt, die zur Detektion der Fluoreszenz verwendet werden.
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Das Fluoreszenzmittel kann mittels eines Nd:YAG-Lasers (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) angeregt werden.
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Ein Laser zeichnet sich durch eine besonders hohe Lichtintensität in einem sehr engen Frequenzbereich aus. Dadurch lässt sich mit hoher Quantenausbeute gezielt eine Absorptionsbande des Fluoreszenzmittels anregen, wodurch eine hohe Fluoreszenzintensität erzielt werden kann.
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Mithilfe des Nd:YAG-Lasers lässt sich zudem in einfacher Weise eine Anregungswellenlänge von 532 nm und damit eine Anregung im sichtbaren Bereich realisieren.
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Zusätzlich sind entsprechende Nd:YAG-Laser in vielen Anwendungen verbreitet, wodurch sowohl der Nd:YAG-Laser selbst als auch die auf diesen Laser abgestimmte Optiken zur Fluoreszenzanregung und Fluoreszenzbestimmung kostengünstig zu erhalten sind.
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Es können auch mehrere Nd:YAG-Laser verwendet werden, wodurch kompliziertere aber auch zuverlässigere Fluoreszenzmessungen ermöglicht werden.
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Grundsätzlich können alle Laser genutzt werden, die Licht in einer zur Anregung des Fluoreszenzmittels geeigneten Wellenlänge erzeugen können.
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Die Fluoreszenz wird zudem mittels eines bildgebenden Laserlichtschnitt-Verfahrens detektiert. Über ein solches Laserlichtschnitt-Verfahren (auch unter dem englischen Begriff „Laser Sheet Imaging“ oder unter der Abkürzung LSI bekannt) kann eine einzelne (Schnitt-)Ebene eines Volumens innerhalb eines Sprays bzw. Sprühnebels aus der eingespritzten Wasser-Kraftstoff-Mischung untersucht werden.
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Wird der Laser zur Anregung gepulst betrieben, ist es möglich, mittels des Laserlichtschnitt-Verfahrens eine Vielzahl von Momentaufnahmen des Sprays zu definierten Zeiten während des Einspritzens zu erhalten. Diese können anschließend gemittelt und/oder für eine zeitabhängige Auswertung genutzt werden.
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Im Laserlichtschnitt-Verfahren wird sowohl die Mie-Streuung als auch die durch LIF („laser induced fluorescence“) erhaltene Fluoreszenz als Signal gemessen. Das Mie-Signal liefert dabei Informationen über die Größe der Oberfläche der Tropfen innerhalb des Sprays der Wasser-Kraftstoff-Mischung, während das LIF-Signal Informationen zur Größe des Volumens der Tropfen liefert.
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Aus dem Verhältnis des LIF- und Mie-Signals kann zusätzlich auch der Sauterdurchmesser („Sauter mean diameter“ D32) als Kenngröße des Sprays der Wasser-Kraftstoff-Mischung bestimmt werden.
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Ebenfalls kann auf Basis des LIF- und des Mie-Signals die Auswertung mittels SLIPI („structured laser illumination planar imaging“) erfolgen. Dies ermöglicht eine genauere Darstellung des Sprays in dem Lichtschnitt.
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Der Teststand kann ein Motorprüfstand oder ein Aggregateprüfstand sein, beispielsweise zur Injektorprüfung. Insofern kann das Einspritzverhalten der Einspritzeinrichtung auch ohne Verbrennungsmotor überprüft werden.
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Die Mischeinrichtung ist so ausgelegt, dass die wässrige Lösung mit dem Kraftstoff zu einer stabilen Wasser-Kraftstoff-Mischung vermischt und erst anschließend über eine einzelne Injektionsdüse in den Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
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Die Mischeinrichtung und/oder die Einspritzeinrichtung können auch Teil der Verbrennungskraftmaschine sein.
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Die Detektionseinrichtung umfasst dabei zumindest einen Laser, insbesondere einen gepulsten Nd:YAG-Laser, eine Optik zur Fokussierung des Laserlichts in einer Ebene des Sprays der Wasser-Kraftstoff-Mischung sowie zumindest einen Detektor, nämlich eine CCD-Kamera.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Detektionseinrichtung zumindest zwei Detektoren aufweisen, wobei zumindest ein Detektor das Mie-Signal und zumindest ein Detektor das LIF-Signal detektiert.
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Zudem umfasst der Teststand einen Kraftstoffbehälter, der mit Kraftstoff gefüllt ist.
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Sowohl der Kraftstoffbehälter als auch der Behälter, der mit der wässrigen Lösung gefüllt ist, sind der Mischeinrichtung zugeordnet, sodass sowohl der Kraftstoff als auch die wässrige Lösung, beispielsweise über eine Pumpe wie eine Ansaugpumpe, zur Mischeinrichtung gefördert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Teststands; und
- - 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Teststand 10 dargestellt. Der Teststand 10 umfasst einen Behälter 12, der mit einer wässrigen Lösung eines Fluoreszenzmittels gefüllt ist, sowie einen Kraftstoffbehälter 14, der Kraftstoff enthält. Der Kraftstoffbehälter 14 kann ein Tank sein.
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Mittels einer Mischeinrichtung 16 kann die wässrige Lösung aus dem Behälter 12 mit dem Kraftstoff aus dem Tank 14 zu einer Wasser-Kraftstoff-Mischung vermischt werden. Hierzu kann der Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 14 und die wässrige Lösung aus dem Behälter 12 zur Mischeinrichtung 16 gepumpt werden, beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Pumpe.
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Die Mischeinrichtung 16 ist mit einer Einspritzeinrichtung 18 verbunden, die das in der Mischeinrichtung 16 gemischte und von der Mischeinrichtung 16 erhaltene Wasser-Kraftstoffgemisch in eine Brennkammer 20 einer Verbrennungskraftmaschine 22 leiten kann, insbesondere einspritzen kann.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform des Teststands 10 sind die Mischeinrichtung 16 sowie die Einspritzeinrichtung 18 Teil der Verbrennungskraftmaschine 22. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Mischeinrichtung 16 und der Einspritzeinrichtung 18 um die tatsächlich verwendeten Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 22. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Einspritzverhalten möglichst genau ermittelt werden kann.
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Die Mischeinrichtung 16 und/oder die Einspritzeinrichtung 18 können jedoch auch außerhalb der Verbrennungskraftmaschine 22 innerhalb des Teststands 10 angeordnet sein. Beispielsweise handelt es sich dann jedoch um die Mischeinrichtung 16 und/oder die Einspritzeinrichtung 18, die ansonsten bei der Verbrennungskraftmaschine 22 zum Einsatz kommen.
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Die Brennkammer 20 der Verbrennungskraftmaschine 22 wird mittels einer Detektionseinrichtung 24 überwacht. An die Detektionseinrichtung 24 ist eine Auswerteeinrichtung 26 angeschlossen, die die von der Detektionseinrichtung 24 erhaltenen Daten bzw. Informationen erhält und entsprechend auswertet.
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Zum Bestimmen des Einspritzverhaltens einer Wasser-Kraftstoff-Mischung in die Verbrennungskraftmaschine 22 mittels eines Fluoreszenzmittels wird zunächst eine wässrige Lösung eines Fluoreszenzmittels innerhalb des Behälters 12 sowie ein Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffbehälters 14 bereitgestellt (Schritt S1 in 2). Als Fluoreszenzmittel wird beispielsweise Eosin-Y verwendet.
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Anschließend wird die wässrige Lösung mit dem Kraftstoff zu einer Wasser-Kraftstoff-Mischung in der Mischeinrichtung 16 vermischt (Schritt S2 in 2). Die Konzentration an Eosin-Y in der wässrigen Lösung wird dabei so eingestellt, dass die wässrige Lösung beispielsweise 0,1 Volumenprozent Eosin-Y enthält.
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Daraufhin wird die Wasser-Kraftstoff-Mischung über die Einspritzeinrichtung 18 in die Brennkammer 20 eingespritzt (Schritt S3 in 2), beispielsweise über eine Injektionsdüse der Einspritzeinrichtung 18, wodurch sich ein Spray aus der Wasser-Kraftstoff-Mischung innerhalb der Brennkammer 20 bildet. Dies wird auch als Sprühnebel bezeichnet.
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Während des Einspritzens wird das Fluoreszenzmittel in der Wasser-Kraftstoff-Mischung mittels eines gepulsten Nd:YAG-Lasers, welcher Bestandteil der Detektionseinrichtung 24 ist, bei einer vordefinierten Wellenlänge, beispielsweise einer Wellenlänge von 532 nm, angeregt (Schritt S4 in 2).
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Dazu weisen die Brennkammer 20 und/oder die Verbrennungskraftmaschine 22 unter anderem Sichtfenster (nicht gezeigt) auf, die für sichtbares Licht transparent sind. Insbesondere müssen die Sichtfenster für die Anregungswellenlänge des Lasers, in der gezeigten Ausführungsform ein Nd:YAG-Laser, sowie für die Wellenlängen der Fluoreszenz des Fluoreszenzmittels transparent sein. Dies gewährleistet, dass die anregenden elektromagnetischen Wellen durch das jeweilige Sichtfenster in die Brennkammer 20 ausgesandt sowie die aufgrund der Fluoreszenz ausgesandten elektromagnetischen Wellen durch das jeweilige Sichtfenster zur Detektionseinrichtung 24 transmittieren können.
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Anschließend wird mittels der Detektionseinrichtung 24 die auftretende Fluoreszenz der Wasser-Kraftstoff-Mischung im Brennraum 20 detektiert und mithilfe der Auswerteeinrichtung 26 ausgewertet, um das Einspritzverhalten in die Brennkammer 20 zu bestimmen (Schritt S5 in 2).
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Die Fluoreszenz wird dabei beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 540 nm bis 680 nm detektiert.
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Zur Detektion können zwei CCD-Kameras (nicht gezeigt) eingesetzt werden, die ebenfalls Bestandteil der Detektionseinrichtung 24 sind und sowohl das Mie-Signal als auch das LIF-Signal der Fluoreszenz aufzeichnen.
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Es werden von der Detektionseinrichtung 24 eine Vielzahl an Einzelbildern aufgenommen, die an die Auswerteeinrichtung 26 weitergeleitet, in der Auswerteeinrichtung 26 gespeichert und/oder (direkt) verarbeitet werden. Die Einzelbilder können zur Auswertung gemittelt und/oder zur Rekonstruktion eines zeitlichen Ablaufs des Einspritzverhaltens der Wasser-Kraftstoff-Mischung genutzt werden.
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Es ist somit in einfacher Weise möglich, das Einspritzverhalten einer Wasser-Kraftstoff-Mischung in die Verbrennungskraftmaschine 22 zu bestimmen, worüber dann auf Leistungs- und/oder Emissionseigenschaften der Verbrennungskraftmaschine 22 geschlossen werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Mischeinrichtung 16 sowie die Einspritzeinrichtung 18 nicht Teil einer Verbrennungskraftmaschine 22, sondern separat bzw. eigenständig ausgebildet.
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In diesem Fall handelt es sich bei dem Teststand 10 um einen Aggregateprüfstand, beispielsweise zur Prüfung eines Injektors oder einer Einspritzeinrichtung.
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Ansonsten weist der Teststand 10 in dieser Ausführungsform die gleichen Bestandteile wie oben benannt auf. Die obigen Vorteile ergeben sich dabei in analoger Weise.
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Auch der Aggregateprüfstand ist ebenso wie der Motorprüfstand eingerichtet, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.
