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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Dieselmotoren und insbesondere auf ein Verfahren
zur Reduzierung von unerwünschten Emissionen
aus Dieselmotoren, die im Lehrlauf arbeiten.
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Hintergrund
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Ingenieure suchen konstant nach Wegen
zur Reduzierung von unerwünschten
Motoremissionen ohne übermäßig auf
Abgasnachbehandlungstechniken zu beruhen. Eine Strategie ist es,
Wege zu suchen, die Leistung von Brennstoffeinspritzsystemen im
Lehrlauf zu verbessern. Mit den Jahren haben die Ingenieure gelernt,
daß Motoremissionen
eine signifikante Funktion der Zeitsteuerung, der Anzahl und der
Menge der Brennstoffeinspritzungen sein können. Jedoch haben Ingenieure
oft herausgefunden, daß Einstellungen
in dem Brennstoffeinspritzsystem, die eine Reduktion von NOx-Emissionen zur Folge haben, eine Steigerung
der Kohlenwasserstoff- und Partikelemissionen und umgekehrt zur
Folge haben können.
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Beispielsweise verwenden Brennstoffeinspritzsysteme,
wie beispielsweise jenes, welches in dem ebenfalls zu eigenen US-Patent
Nr. 5 492 098, ausgegeben an Hafner und andere am 20. Februar 1996
eine geteilte Brennstoffeinspritzung nahe dem oberen Todpunkt des
Kompressionshubes des Kolbens. Um ein Einspritzereignis zu beginnen,
wirkt hydraulischer Druck auf einen Stößel innerhalb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung,
was bewirkt, daß der Stößel Brennstoff
vorschiebt und unter Druck setzt. Weiterhin steigt der Druck auf
eine hydraulische Öffnungsfläche eines
Nadelventils, was bewirkt, daß die Düsenauslässe sich öffnen und
Brennstoff in einen Motorzylinder eingespritzt wird. Wenn sich der
Stößel weiter
vorschiebt, ist eine Brennstoffdruckkammer kurz in Strömungsmittelverbindung
mit einem Vorüberlauf anschluß, was bewirkt,
daß der
Druck innerhalb der Brennstoffdruckkammer abfällt. Somit ist der Druck, der
auf die hydraulische Öffnungsfläche des Nadelventilgliedes
wirkt, nicht ausreichend, um die Düsenauslässe offen zu halten und mit
dem Einspritzereignis fortzufahren. Der Druck fällt kurz unter den Ventilverschlußdruck,
was gestattet, daß das
Nadelventil schließt.
Nachdem der Stößel über den
Vorüberlaufanschluß vorläuft, steigt
der Druck innerhalb der Brennstoffdruckkammer und reicht aus, die
Düsenauslässe zu öffnen und
das Einspritzereignis wieder aufzunehmen. Der zweite Brennstoffschuß hat im allgemeinen
eine größere Menge
als der erste Brennstoffschuß.
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Obwohl die Strategie der geteilten
Einspritzung gut gearbeitet hat, gibt es Raum zur Verbesserung.
Obwohl Versuche, eine geteilte Einspritzung im Leerlauf laufen zu
lassen, zu einer gewissen Reduktion von unerwünschten Emissionen geführt haben, können Emissionen
von Kohlenwasserstoffen und NOx weiter reduziert
werden. Weil darüber
hinaus die zwei Brennstoffschüsse
viel mehr durch die Geometrie der Komponenten als durch eine elektronische Steuerung
bestimmt werden, haben Ingenieure Schwierigkeiten dabei, die Zeitsteuerung
und die Menge von jedem Schuß einzustellen,
um weiter die Emissionen von NOx, Kohlenwasserstoffen
und Ruß zu
reduzieren. Weil es schwierig ist, die Brennstoffmenge zu steuern,
die durch den Überlaufanschluß zwischen
den Schüssen überläuft, variiert
die Brennstoffmenge, die in jeden Motorzylinder eingespritzt wird,
zwischen den Brennstoffeinspritzvorrichtungen und den Einspritzereignissen,
was bewirkt, daß der Motor
ein unstetiges Verhalten zeigt, wenn er im Leerlauf arbeitet, was
für einen
Bediener irritierend sein kann.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf
gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden
Erfindung gibt es ein Verfahren zum Betrieb eines Motors im Leerlauf.
Eine erste Brennstoffmenge wird wäh rend eines Kompressionshubs
des Motorkolbens eingespritzt. Bei einem Zeitsteuerwinkel von mindestens
30 Grad nach dem Beginn der Einspritzung der ersten Brennstoffmenge
wird eine zweite Brennstoffmenge eingespritzt.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der
vorliegenden Erfindung gibt es ein Verfahren zur Reduktion von NOx- und Rußemissionen bei einem Motor
im Leerlauf. Als erstes werden die NOx-Emissionen
zumindest teilweise reduziert durch Einspritzung einer ersten Brennstoffmenge
während
eines Kompressionshubes. Nachdem die erste Brennstoffmenge verbrannt
worden ist, werden Rauch- bzw. Rußemissionen zumindest teilweise
reduziert durch Einspritzung einer zweiten Brennstoffmenge.
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Gemäß noch eines weiteren Aspektes
der vorliegenden Erfindung gibt es ein Verfahren zur Bestimmung
von Betriebszuständen
eines Motors, die die Emissionen im Leerlauf reduzieren. Zuerst
wird eine Liefermenge im Leerlauf bestimmt. Als zweites wird die
Liefermenge im Leerlauf in eine Einspritzung einer ersten Brennstoffmenge
und einer Einspritzung einer zweiten Brennstoffmenge von ungefähr gleichen
Mengen aufgeteilt. Die Einspritzung der ersten Brennstoffmenge wird
dann von der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge um einen vorbestimmten Zeitsteuerwinkel
getrennt. Nach der Messung von den Emissionen von NOx und/oder
Kohlenwasserstoffen und/oder Ruß des
Motors im Leerlauf werden die NOx-Emissionen
zumindest teilweise reduziert durch Einstellung von der Zeitsteuerung
und/oder der Einspritzmenge der ersten Brennstoffmenge. Nachdem
erneut die Emissionen von NOx und/oder Ruß und/oder
Kohlenwasserstoff des Motors im Leerlauf gemessen wurden, werden
die Rußemissionen
zumindest teilweise reduziert durch Einstellung von der Zeitsteuerung
und/oder dem Einspritzdruck und/oder der Einspritzmenge der zweiten
Brennstoffmenge.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Kurvendarstellung, die die Liefermenge im Leerlauf gegenüber der
Motorverdrängung
bzw. Verschiebung gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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3 ist
eine Kurvendarstellung, die die Einspritzmenge gegenüber dem
Zeitsteuerwinkel gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit Bezug auf 1 ist eine schematische Darstellung eines
Motors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Ein 6-Zylinder-Diesel-Motor 10 weist ein Motorgehäuse 11 und
ein common rail-Brennstoffeinspritzsystem 12 (Brennstoffeinspritzsystem
mit gemeinsamer Druckleitung) auf. Das System 12 weist
eine einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 für jeden
Motorzylinder 50 auf, weiter eine einzige common rail bzw.
gemeinsame Druckleitung 16, einen Ölsumpf 20, der strömungsmittelmäßig mit
der common rail 16 verbunden ist, und einen Brennstofftank 18 auf
einer getrennten Strömungsmittelschaltung.
Der Fachmann wird erkennen, daß es
bei anderen Anwendungen zwei oder mehr getrennte common rails geben
kann, wie beispielsweise eine getrennte Druckleitung bzw. rail für jede Seite
eines V8-Motors.
Ein elektronisches Steuermittel 22 steuert den Betrieb
des Brennstoffeinspritzsystems 12. Das elektronische Steuermodul 22 verwendet
vorzugsweise fortschrittliche Strategien zur Verbesserung der Genauigkeit
und der Konsistenz bzw. Durchgängigkeit
unter den Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14, genauso
wie zur Drucksteuerung in der common rail 16. Beispielsweise könnte das
elektronische Steuermodul 22 elektronische Zeitsteuer-
bzw. Einstellstrategien einsetzen, die für jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 individuell
vorgesehen sind, um in durchgängigerer
Weise zu arbeiten. Dies könnte
auch in Anwesenheit von unvermeidlichen Leistungsvariationen aufgrund
von derartigen Fällen
erreicht werden, wie realistischen Bearbeitungstoleranzen, die mit
den verschiedenen Komponenten assoziiert sind, die die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 ausmachen.
Bei einer anderen Strategie könnte
das elektronische Steuermodul 22 ein modellbasier tes rail-Drucksteuersystem
einsetzen, welches die rail-Drucksteuerausgabe in eine gesteuerte Flußsteuerung
(open loop) gekoppelt mit einer geregelten Fehler- und Drucksteuerung
(closed loop) aufteilt.
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Wenn das Brennstoffeinspritzsystem 12 in Betrieb
ist, wird Öl
vom Ölsumpf 20 durch
eine Niederdruck-Ölzirkulationspumpe 24 gezogen,
und der Aus-laßfluß wird dazwischen
in einen Motorschmieröldurchlaß 27 und
eine Niederdruck-Brennstoffeinspritzversorgungsleitung 28 aufgeteilt,
nachdem es durch einen Ölfilter 25 und
einen Kühler 26 gelaufen ist.
Das Öl
in dem Motorschmierdurchlaß 27 läuft durch
den Motor 10 und schmiert seine verschiedenen Komponenten
in herkömmlicher
Weise. Das Öl in
der Niederdruck-Versorgungsleitung 28 wird auf ein mittleres
Druckniveau (Mittel im Bezug zu den extrem hohen Einspritzdrücken) durch
eine Hochdruckpumpe 29 angehoben. Die Pumpe 29 ist
vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Pumpe mit variabler Lieferung,
wie beispielsweise eine in der Ummantelung zugemessene Lieferpumpe
mit fester Verdrängung,
die von Caterpillar, Inc., Peoria Illinois, hergestellt wird. Die
Hochdruckpumpe 29 ist mit der common rail 16 über eine
Hochdruckversorgungsleitung 30 verbunden. Jede der einzelnen
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 ist mit der common
rail 16 über
einen getrennten Verzweigungsdurchlaß 31 verbunden. Nachdem
es innerhalb der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 verwendet
worden ist, um Brennstoff unter Druck zu setzen, verläßt das Öl die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 und
kehrt zum Ölsumpf 20 zur
Rückzirkulation über eine
Rückleitung 32 zurück.
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Brennstoff wird von einem Brennstofftank 18 durch
eine Brennstofftransferpumpe 36 gezogen und wird zwischen
den Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 über eine
Brennstoffversorgungsleitung 34 zirkuliert, nachdem er
durch einen Brennstoffilter 37 gelaufen ist. Die Brennstofftransferpumpe 36 ist
vorzugsweise eine elektrische Pumpe mit konstantem Fluß mit einer
Kapazität,
die bemessen ist, um die maximalen Erfordernisse für den Motor 10 zu
erfüllen.
Ebenfalls sind die Brennstofftransferpumpe 36 und der Brennstoffilter 37 vorzugsweise
in einem gemeinsamen Gehäuse
enthalten. Irgendwelcher Brennstoff, der von den Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 nicht
verwendet wird, wird zum Brennstofftank 18 über eine
Brennstoffrückleitung 35 zurückzirkuliert.
Brennstoff in den Brennstoffversorgungs- und Brennstoffrückleitungen 34 und 35 ist
auf einem relativ niedrigen Druck mit Bezug zu jenem in der common
rail 16, die unter Druck gesetztes Öl enthält. Anders gesagt weist das
Brennstoffeinspritzsystem 12 keine Hochdruckbrennstoffleitungen
auf, und der Brennstoff wird nur auf Einspritzniveaus innerhalb
jeder einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 unter Druck
gesetzt, und dann für
nur eine kurze Zeitperiode während
einer Einspritzsequenz.
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Das Brennstoffeinspritzsystem 12 wird
bezüglich
seines Betriebs über
ein elektronisches Steuermodul 22 über Steuerkommunikationsleitungen 40 und 41 gesteuert.
Die Steuerkommunikationsleitung 40 steht in Verbindung
mit der Hochdruckpumpe 29 und steuert ihre Lieferung und
daher den Druck in der common rail 16. Die Steuerkommunikationsleitungen 41 weisen
vier Drähte
auf, ein Paar für
jede elektrische Betätigungsvorrichtung
in jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 14. Diese jeweiligen
Betätigungsvorrichtungen
innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 steuern
den Fluß des
Betätigungsströmungsmittels
zu den Einspritzvorrichtungen von der rail 16 und das Öffnen und
Schließen
der Sprühdüse der Brennstoffeinspritzvorrichtung.
Das elektronische Steuermodul 22 bestimmt seine Steuersignale
basierend auf verschiedenen Sensoreingangsgrößen, die in der Technik bekannt
sind. Diese weisen unter anderem einen Öldrucksensor 42 auf,
der an der rail 16 angebracht ist, der ein Öldrucksignal über eine
Sensorkommunikationsleitung 45 übermittelt.
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Der Motor 10 hat ein Motorgehäuse 11,
welches eine Vielzahl von Motorzylindern 50 definiert. Jeder
der Motorzylinder 50, die von dem Motorgehäuse 11 definiert
werden, hat einen bewegbaren Kolben 51. Jeder Kolben 51 ist
bewegbar zwischen einer zurückgezogenen
unteren Position und einer vorgeschobenen oberen Position. Für einen
typischen 4-Takt-Diesel-Motor entsprechen die vorlaufenden und sich
zurückziehenden
Hübe des
Kolbens 51 den vier Stufen des Motorbetriebs. Wenn der
Kolben 51 sich von seiner obe ren Todpunktposition zu seiner
unteren Todpunktposition das erste Mai zurückzieht, unterläuft er seinem
Einlaßhub,
und Luft kann in den Zylinder 50 über ein Einlaßventil
gezogen werden. Wenn der Kolben 51 von seiner unteren Todpunktposition
zu seiner oberen Todpunktposition das erste Mal läuft, läuft er durch
seinen Kompressionshub, und die Luft innerhalb des Zylinders 50 wird komprimiert.
Während
des Kompressionshubes wird eine erste Brennstoffmenge (wie in 3 als "x" veranschaulicht)
in den Motorzylinder 50 eingespritzt. Wenn der Motorkolben 51 einen
Zeitsteuerwinkel erreicht, bei dem die Temperatur und der Druck
ausreichend hoch ist, ungefähr
20 Grad vor dem oberen Todpunkt des Kompressionshubes, wird eine
Verbrennung auftreten. Der Brennstoff wird zünden, was den Motorkolben 51 nach
unten zu seiner unteren Todpunktposition für den Leistungshub des Kolbens 51 treibt.
Sobald der Brennstoff vollständig
verbrennt und bei einem Zeitsteuerwinkel von mindestens 30 Grad
nach der ersten Einspritzung wird die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 eine
zweite Brennstoffmenge (wie in 3 als "y" veranschaulicht) in den Motorzylinder 50 einspritzen.
Der Fachmann sollte erkennen, daß wie es hier in diesem Patent
verwendet wird, "verbrannt" bedeutet, daß die Flamme
ausgelöscht
worden ist, auch wenn schleppende Oxidationsreaktionen weiter vorhanden
sein könnten.
Die zweite Brennstoffmenge wird verbrennen und weiter Energie hinzufügen, um
weiter irgend eine unvollendete Verbrennung der ersten Brennstoffmenge
voranzutreiben. Wenn schließlich
der Kolben 51 wiederum von seiner unteren Todpunktposition
zu seiner oberen Todpunktposition vorläuft, können Nachverbrennungsprodukte,
die in dem Motorzylinder 50 bleiben, über ein Auslaßventil
entlüftet
werden, und zwar entsprechend dem Auslaßhub des Kolbens 51.
Während
der Motor 10 als 4-Takt-6-Zylinder-Motor veranschaulicht
worden ist, sei bemerkt, daß irgend
eine erwünschte
Anzahl von Zylindern durch das Motorgehäuse 11 definiert werden
könnte,
und daß der
Motor 10 in einem 2-Takt-Zyklus arbeiten kann.
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Mit Bezug auf 2 ist eine Kurvendarstellung gezeigt,
die die Liefermenge (I) im Leerlauf gegenüber der Motorverdrängung bzw.
Motorhubraum (D) veranschaulicht. Die Liefermenge (I) im Leerlauf ist
die Brennstoffmenge, die in den Motorzylinder 50 während eines
4-Takt-Zyklus des Motorkolbens 51 eingespritzt wird. Weil
die NOx-Emissionen und die Kohlenwasserstoffemissionen
reduziert werden, wenn die Brennstoffmenge reduziert wird, die in
den Motorzylinder 50 eingespritzt wird, ist die Liefermenge
(I) im Leerlauf vorzugsweise die kleinste Brennstoffmenge, die erforderlich
ist, um den Motorbetrieb im Leerlauf aufrechtzuerhalten. Die Liefermenge
(I) im Leerlauf ist zumindest teilweise eine Funktion der Motorverdrängung bzw.
Motorhubraum (D) und des Drehmoments des Motors 10. Je
größer der
Motorhubraum (D) ist, desto größer ist
die Liefermenge (I) im Leerlauf, die erforderlich ist, um den Motor 10 im Leerlauf
zu halten. Weiterhin hat der Motor 10, wenn er mit einem
automatischen Getriebe gekoppelt ist, ein erhöhtes Leerlaufdrehmoment, was
in Kurve "A" gezeigt ist, erfordert
dies eine relativ größere Liefermenge
(I) im Leerlauf. Der Motor 10 hat, wenn er ein manuelles
Getriebe hat, ein freies Leerlaufdrehmoment, was als Kurve "B" gezeigt ist, und erfordert eine relativ
kleinere Liefermenge (I) im Leerlauf. Beispielsweise hat ein 3126-Motor,
der von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, hergestellt wird, der
einen Motorhubraum (D) von 7,2 Litern hat, und der mit einem automatischen
Getriebe gekoppelt ist, eine Liefermenge (I) im Leerlauf von ungefähr 22–24 Kubikmillimetern.
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Mit Bezug auf 3 ist eine Kurvendarstellung gezeigt,
die die Einspritzmenge (Q) gegenüber dem
Zeitsteuerwinkel (TA) des Motorkolbens 51 veranschaulicht.
Die Liefermenge (I) im Leerlauf, die in 2 veranschaulicht ist, ist vorzugsweise
proportional angeordnet zwischen der ersten Brennstoffmenge (x)
und der zweiten Brennstoffmenge (y) und zwar in ungefähr gleichen
Größen. Somit
könnten
sowohl die erste Brennstoffmenge (x) als auch die zweite Brennstoffmenge
(y) jeweils irgend einen Teil der Liefermenge (I) im Leerlauf zwischen
50% plus oder minus 10% aufweisen. Das erneute Zuordnen der Liefermenge
(I) im Leerlauf zwischen der ersten Brennstoffmenge (x) und der
zweiten Brennstoffmenge (y) kann die Emissionen von NOx,
Kohlenwasserstoff und Ruß verändern. Jedoch
ist die erneute Zuordnung dahingehend eingeschränkt, daß weder die erste Brennstoffmenge
(x) noch die zweite Brennstoffmenge (y) 60% der Liefermenge (I)
im Leerlauf überschreiten
wird. Beispielsweise veranschaulicht 3 die
erste Brennstoffmenge (x) und die zweite Brennstoffmenge (y) als
gleiche Teile der Liefermenge (I) im Leerlauf für den 3126-Motor, der von Caterpillar
Inc., Peoria, Illinois hergestellt wird. Somit sind sowohl die erste
Brennstoffmenge (x) als auch die zweite Brennstoffmenge (y) ungefähr gleich
11 12 Kubikmillimeter.
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Weiterhin veranschaulicht 3 den Zeitsteuerwinkel (TA)
des Motorkolbens 51, wenn er durch seinen Kompressionshub
und seinen Leistungshub läuft.
Der Zeitsteuerwinkel 0° ist
der obere Todpunkt im Kompressionshub. Wenn der Kolben 51 von
dem unteren Todpunkt seines Kompressionshubes vorläuft, wird
die erste Brennstoffmenge (x) in den Motorzylinder 51 eingespritzt.
Die Einspritzung der ersten Brennstoffmenge (x) ist vorzugsweise
so zeitgesteuert, daß sie
beim Zeitsteuerwinkel theta (θ) auftritt,
der zwischen vierzig und fünfzig
Grad davor liegt, wo der Motorkolben 51 den oberen Todpunkt des
Kompressionshubes erreicht. 3 veranschaulicht
die Einspritzung der ersten Brennstoffmenge (x), die bei einem Zeitsteuerwinkel
von 28 Grad vor dem oberen Todpunkt im Kompressionshub auftritt.
28 Grad vor dem oberen Todpunkt im Kompressionshub ist der bevorzugte
Zeitsteuerwinkel der ersten Einspritzung für den zuvor besprochenen 3126-Motor. Jedoch
wird der Fachmann erkennen, daß der
genaue Zeitsteuerwinkel theta (θ)
durch viele Variablen beeinflußt
wird und auf irgend einen Zeitsteuerwinkel (TA) innerhalb vierzig
bis fünfzig
Grad vor dem oberen Todpunkt im Kompressionshub fallen kann. Die Einspritzung
der ersten Brennstoffmenge (x) hat vorzugsweise eine Dauer von ungefähr zehn
Grad, könnte
jedoch abhängig
von der Leerlaufdrehzahl und dem Einspritzdruck variieren. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 spritzt
vorzugsweise den Brennstoff ungefähr mit einer konstanten Rate
ein, könnte jedoch
potentiell ratengeformt sein, falls erwünscht, und wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 diese Fähigkeit
hat. Somit spritzt wie bei dem 3126-Motor bevorzugt, die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 ungefähr 1,2 Kubikmillimeter
des Brennstoffes für
jeden Grad über
den Zeitsteuerwinkel von ungefähr
zehn Grad ein.
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Die zweite Brennstoffmenge (y) wird
bei einem Zeitsteuerwinkel eingespritzt, der vorzugsweise mindestens
30 Grad nach dem liegt, wo die erste Brennstoffmenge (x) eingespritzt
wird. Obwohl die zweite Brennstoffmenge (y) als 50% der Liefermenge (I)
im Leerlauf veranschaulicht ist, sei bemerkt, daß die zweite Brennstoffmenge
(y) zwischen 60% und 40% der Liefermenge (I) im Leerlauf liegen
könnte. Die
Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge (y) ist so zeitgesteuert,
daß sie
zu einem Zeitsteuerwinkel beta (β)
auftritt, der zwischen dem oberen Todpunkt im Leistungshub und zwanzig
Grad nach dem oberen Todpunkt im Kompressionshub ist. 3 veranschaulicht die Einspritzung
der zweiten Brennstoffmenge (y), die ungefähr beim Zeitsteuerwinkel von zwölf Grad
nach dem oberen Todpunkt auftritt. Zwölf Grad nach dem oberen Todpunkt
ist der bevorzugte Zeitsteuerwinkel der zweiten Einspritzung für den 3126-Motor.
Jedoch wird der Fachmann erkennen, daß der genaue Zeitsteuerwinkel
beta (β)
durch viele Variablen beeinflußt
wird und auf unterschiedliche Gradzahlen zwischen dem oberen Todpunkt
und zwanzig Grad nach dem oberen Todpunkt fallen kann. Weiterhin
ist die Dauer der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge (y) vorzugsweise
in der Größenordnung
von ungefähr
zehn Grad für
das veranschaulichte Beispiel. Wie bei der Einspritzung der ersten
Brennstoffmenge (x), wie bei dem 3126-Motor veranschaulicht, wird
somit die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 vorzugsweise die zweite
Brennstoffmenge (y) mit einer konstanten Rate von ungefähr 1,2 Kubikmillimeter
pro Grad über
eine Dauer von zehn Grad einspritzen. Jedoch wird der Fachmann erkennen,
daß weitere
Vorteile erkannt werden könnten,
wenn das Einspritzsystem Ratenformungsfähigkeiten für kleine Leerlaufmengen hat.
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Der Zeitsteuerwinkel zwischen der
Einspritzung der ersten Brennstoffmenge (x) und der zweiten Brennstoffmenge
(y) ist vorzugsweise von einer Dauer, die gestattet, daß sich die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 selbst zurücksetzt,
dies ist jedoch nicht erforderlich. Somit ist der Zeitsteuerwinkel
der letzten dreißig
Grad zwischen der Einspritzung der ersten Brennstoffmenge (x) und
der zweiten Brennstoffmenge (y) lang genug, daß die Komponenten der Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 sich
zu ihren deaktivierten Positionen zurückziehen, bevor sie für das zweite Einspritzereignis
aktiviert werden. Weiterhin sollte die Einspritzung der zweiten
Brennstoffmenge (y) nicht auftreten, bis die erste Brennstoffmenge
(x) verbrannt worden ist. Der Fachmann sollte erkennen, daß obwohl
die zweite Brennstoffeinspritzung nicht auftreten sollte, bis zu
dem Zeitpunkt, nachdem die erste Brennstoffeinspritzung gezündet hat,
und die Flamme ausgelöscht
worden ist, die erste Brennstoffeinspritzung schleppenden chemischen
Reaktionen unterlaufen könnte,
die durch die Wärme
von der Verbrennung verursacht werden könnten, wenn die zweite Einspritzung
auftritt. Wie somit in diesem Patent verwendet, bedeutet "verbrannt", daß die Flamme
ausgelöscht
worden ist, auch wenn schleppende Oxidationsreaktionen weiter vorhanden
sein könnten.
Der Einspritzdruck von sowohl der Einspritzung der ersten Brennstoffmenge
(x) als auch der zweiten Brennstoffmenge (y) können durch Einstellung des rail-Druckes in bekannter
Weise eingestellt werden. Der Fachmann sollte erkennen, daß sowohl
die erste Brennstoffmenge (x) als auch die zweite Brennstoffmenge
(y) ungefähr
den gleichen Einspritzdruck haben werden. Es könnte jedoch wünschenswert
sein, mit unterschiedlichen Drücken
einzuspritzen, und zwar unter der Annahme, daß das Einspritzsystem diese
Fähigkeit
hat.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Mit Bezug auf die 1-3 werden
die gemäß der vorliegenden
Erfindung dargelegten Verfahren für den Betrieb im Leerlauf für irgend
einen Motor 10 mit einer Leerlaufdrehzahl zwischen 600
und 900 U/min besprochen werden. Es sei bemerkt, daß die Verfahren
der vorliegenden Erfindung auf den Betrieb der Motoren mit variierender
Motorverdrängung bzw.
mit variierendem Motorhubraum (D) und auf Brennstoffeinspritzvorrichtungen
angewandt werden könnten,
und auch auf unterschiedliche Leerlaufdrehzahlen mit einer geeigneten
Einstellung angewandt werden könnten.
Obwohl der Betrieb des Motors 10 für einen Motorzylinder 50 besprochen
wird, sei bemerkt, daß die
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargelegten Verfahren auf jeden Motorzylinder 50 anwendbar
sind, der von dem Motorgehäuse 11 definiert
wird.
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Um den Motor 10 im Leerlauf
arbeiten zu lassen, so daß die
NOx- und Rauchemissionen reduziert werden,
muß die
bevorzugte Einspritzstrategie für den
speziellen Motor 10 im Leerlauf bestimmt werden. Der erste
Schritt bei der Bestimmung einer Einspritzsequenz des Motors 10,
der die Emissionen im Leerlauf reduziert, ist es, die Liefermenge
(I) im Leerlauf zu bestimmen. Die Liefermenge (I) im Leerlauf ist die
Brennstoffmenge, die in den Motorzylinder 50 während eines
4-Takt-Zyklus des Motorkolbens 51 eingespritzt wird. Weil
die Liefermenge im Leerlauf sowohl durch den Motorhubraum (D) als
auch durch das Drehmoment des Motors 10 beeinflußt wird,
wird die Liefermenge (I) im Leerlauf von Motor zu Motor variieren.
Wenn das Fahrzeug oder die Maschine ein automatisches Getriebe hat,
wird der Motor 10 ein angehobenes Leerlaufdrehmoment haben,
und die Liefermenge (I) im Leerlauf wird entlang der Linie "A" liegen. Wenn das Fahrzeug oder die
Maschine ein manuelles Getriebe hat, wird der Motor 10 ein
freies Leerlaufdrehmoment haben, und die Liefermenge im Leerlauf
wird entlang der Linie "B" liegen. Wenn die Motorverschiebung
bzw. der Motorhubraum (D) ansteigt, steigt die Liefermenge (I) im
Leerlauf ebenfalls. Beispielsweise hat der 3126-Motor mit einem Motorhubraum (D) von
7,2 Litern und einem angehobenen Leerlaufdrehmoment (A) eine Liefermenge
(I) im Leerlauf von ungefähr
22–24
Kubikmillimetern. Somit wird die Brennstofftransferpumpe 36 im
Leerlauf zu jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 mindestens
22–24
Kubikmillimeter zur Einspritzung in den jeweiligen Motorzylinder 50 während eines 4-Takt-Zyklus des Motorkolbens 51 liefern.
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Nach der Bestimmung der Liefermenge
(I) im Leerlauf für
den Motor 10 ist der nächste
Schritt, die Liefermenge (I) im Leerlauf in die Einspritzung der ersten
Brennstoffmenge (x) und die Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge
(y) in ungefähr
gleichen Mengen aufzuteilen. Obwohl bevorzugt wird, daß die erste
Brennstoffmenge (x) und die zweite Brennstoffmenge (y) jeweils gleich
fünfzig
Prozent der Liefermenge (I) im Leerlauf sind, sei bemerkt, daß die erste Brennstoffmenge
(x) gleich vierzig bis sechzig Prozent der Liefermenge (I) im Leerlauf
sein könnten, und
daß die
zweite Brenn stoffmenge (y) gleich dem entsprechenden Prozentsatz
der Liefermenge (I) im Leerlauf sein könnte. Wie in 3 veranschaulicht, wird die Liefermenge
(I) im Leerlauf für
den 3126-Motor, der von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois hergestellt wird,
vorzugsweise zwischen der ersten Brennstoffmenge (x) und der zweiten
Brennstoffmenge (y) in gleichen Anteilen aufgeteilt. Somit sind
sowohl die erste Brennstoffmenge (x) als auch die zweite Brennstoffmenge
(y) ungefähr
gleich 11–12
Kubikmillimeter.
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Nach der Aufteilung der Liefermenge
(I) im Leerlauf zwischen der ersten Brennstoffmenge (x) und der
zweiten Brennstoffmenge (y) ist der nächste Schritt, den Zeitpunkt
der Einspritzung der ersten Brennstoffmenge (x) unter der Einspritzung
der zweiten Brennstoffmenge (y) zu bestimmen. Die Einspritzung der
ersten Brennstoffmenge (x) tritt auf, während der Motorkolben 51 während seines
Kompressionshubes vorläuft.
Vorzugsweise sollte die erste Brennstoffmenge (x) in den Motorzylinder 50 zum
Beginn eines Zeitsteuerwinkels theta (θ) eingespritzt werden, der
zwischen vierzig und fünfzehn
Grad vor dem Punkt liegt, wo der Motorkolben 51 den oberen Todpunkt
in seinem Kompressionshub erreicht. Ungeachtet des Zeitsteuerwinkels,
bei dem die erste Einspritzung des Brennstoffes auftritt, tritt
aufgrund der Temperatur und des Druckes innerhalb des Motorzylinders 51 die
Zündung
der ersten Brennstoffmenge (x) bei ungefähr zwanzig Grad vor dem oberen
Todpunkt im Kompressionshub auf. Wenn die erste Brennstoffmenge
(x) nach zwanzig Grad vor dem oberen Todpunkt eingespritzt wird,
wird die erste Brennstoffmenge wahrscheinlich nicht selbst zünden. Die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 wird die erste Brennstoffmenge
(x) für
ungefähr
zehn Grad in dem veranschaulichten Beispiel einspritzen. Durch Einspritzung
der ersten Brennstoffmenge (x) bei einem Zeitsteuerwinkel theta
(θ) zwischen
vierzig und fünfzehn
Grad vor dem Punkt wo der Motorkolben 51 den oberen Todpunkt
erreicht, können
die NOx Emissionen zumindest teilweise im
Leerlauf reduziert werden.
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Die zweite Brennstoffmenge (y) wird
vorzugsweise in den Motorzylinder 50 bei einem Zeitsteuerwinkel
von mindestens dreißig
Grad nach der Einsprit zung der ersten Brennstoffmenge (y) eingespritzt.
Somit wird die zweite Brennstoffmenge (y) vorzugsweise in den Motorzylinder 50 bei
dem Zeitsteuerwinkel beta (β)
eingespritzt, der zwischen dem oberen Todpunkt im Kompressionshub
und zwanzig Grad nach dem Punkt beginnt, wo der Motorkolben 51 den
oberen Todpunkt im Leistungshub erreicht. Der Motorkolben 51 wird
ungefähr
um zehn Grad vorlaufen, während
die Einspritzung auftritt. Der Zeitsteuerwinkel von mindestens dreißig Grad,
der die erste Einspritzung (x) von der zweiten Einspritzung (y)
trennt, sollte ein bißchen
Zeit übrig
lassen, damit die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 sich
selbst für die
zweite Einspritzung (y) zurücksetzt.
Somit wird während
des Zeitsteuerwinkels von mindestens dreißig Grad das elektronische
Steuermodul 22 die Brennstoffeinspritzvorrichtung 24 über die Brennstoffeinspritzvorrichtungskommunikationsleitung 44 deaktivieren,
was gestattet, daß die
Komponenten der Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 sich
zurückziehen
und zurückstellen.
Wenn ungefähr
der Motorkolben 51 seinen Zeitsteuerwinkel beta (β) erreicht,
wird das elektronische Steuermodul 22 die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 aktivieren,
in dem sie einen elektrischen Strom durch einen Elektromagneten
sendet, der schließlich
die Strömungsmittelverbindung
zwischen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 und dem
unter Druck gesetzten Öl
in der common rail 16 öffnet.
Ebenfalls sieht der vorbestimmte Zeitsteuerwinkel von mindestens
dreißig Grad
vorzugsweise eine adäquate
Zeit vor, damit die erste Brennstoffmenge (x) zündet und verbrennt, und zwar
vor der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge (y). Die Einspritzung
von der zweiten Brennstoffmenge (y) sollte Vermischungsenergie für die schleppenden
Nebenprodukte und die restlichen Kohlenwasserstoffe hinzufügen, was
die Oxidation des Rußes
verbessert. Somit kann die Zeitsteuerung der zweiten Einspritzung
zumindest teilweise die Rußemissionen
im Leerlauf reduzieren.
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Um zu bestimmen, ob irgendwelche
Einstellungen an der Zeitsteuerung und an den Mengen der Brennstoffeinspritzungen
benötigt
werden, ist der nächste
Schritt, die Emissionen von NOx und/oder Rauch
des Motors 10 im Leerlauf zu messen. Die NOx Emissionen
gemessen und reduziert, bevor die Rauchemissionen angesprochen werden.
Wenn die NOx-Emissionen auf einem höheren Niveau
als erwünscht
sind, können
die NOx-Emissionen reduziert werden, und
zwar zumindest teilweise durch Einstellung von der Zeitsteuerung
und/oder der Einspritzmenge der ersten Brennstoffmenge (x). Die
erste Brennstoffmenge (x) kann so eingestellt werden, daß sie schon
bei vierzig Grad vor dem Punkt auftritt, wo der Motorkolben 51 den
oberen Todpunkt erreicht oder erst spät im Kompressionshub, wie beispielsweise
bei fünfzehn
Grad bevor der Motorkolben 51 den oberen Todpunkt des Kompressionshubes
erreicht hat. Wie für
den von Caterpillar Inc., Peoria Illinois veranschaulicht, ist der
bevorzugte Zeitsteuerwinkel der ersten Einspritzung achtundzwanzig
Grad vor dem oberen Todpunkt im Kompressionshub. Weiterhin kann
die erste Brennstoffmenge (y) so eingestellt werden, daß sie nur
vierzig Prozent der zuvor bestimmten Liefermenge (I) im Leerlauf
ist, oder daß sie
bis zu sechzig Prozent der zuvor bestimmten Liefermenge (I) im Leerlauf
ist. Es sei bemerkt, daß bei verschiedenen
Motoren das elektronische Steuermodul 22 die zweite Brennstoffmenge
(y) ansprechend auf irgend eine Einstellung der ersten Brennstoffmenge
(x) einstellen wird, so daß die
zweite Brennstoffmenge (x) und die erste Brennstoffmenge (y) immer noch
gleich der Liefermenge (I) im Leerlauf sind. Die relative Portionierung
des Brennstoffes zwischen den ersten und zweiten Einspritzvorgängen beeinflußt die Kohlenwasserstoffemissionen
und sollte entsprechend ausgeglichen sein.
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Um zu bestimmen, ob die Einstellungen
an der ersten Brennstoffmenge (x) die Emissionen beeinflußt hat,
sollte die Emission von NOx und/oder Ruß des Motors 10 im
Leerlauf gemessen werden. Wenn die NOx-Emissionen
immer noch nicht auf dem erwünschten
Niveau sind, sollte die Zeitsteuerung und/oder die Menge der ersten
Brennstoffeinspritzung (x) eingestellt werden, und die NOx-Emissionen sollten gemessen werden, bis
das erwünschte
Niveau der NOx-Emissionen erreicht wird.
Jedoch können
durch Einstellung von der Zeitsteuerung und/oder der Menge der ersten
Brennstoffeinspritzung zur Reduktion der NOx-Emissionen
die Kohlenwasserstoff- und Rauchemissionen gestiegen sein. Somit
werden die Kohlenwasserstoff- und Rauchemissionen vorzugsweise zusammen
mit den NOx-Emissionen gemessen.
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Wenn die NOx-Emissionen
auf dem erwünschten
Niveau gemessen werden und die Kohlenwasserstoff- und Rußemissionen
auf einem höheren
Niveau als erwünscht
gemessen werden, ist es der nächste
Schritt, diese Emissionen zu reduzieren, und zwar zumindest teilweise
durch Einstellung von der Zeitsteuerung und/oder dem Einspritzdruck und/oder
der Einspritzmenge der zweiten Brennstoffmenge (y). Vorzugsweise
wird der Zeitpunkt der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge
(y) eingestellt, bevor die Menge der zweiten Einspritzung eingestellt
wird. Die Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge (y) kann an irgend
einem Zeitsteuerwinkel zwischen dem oberen Todpunkt im Kompressionshub
und zwanzig Grad nach dem Punkt auftreten, wo der Motorkolben 51 den
oberen Todpunkt im Leistungshub erreicht. Vorzugsweise verringert
die Einstellung der Zeitsteuerung der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge
(y) so daß sie
näher an
dem oberen Todpunkt des Kompressionshubes auftritt, die Kohlenwasserstoffemissionen.
Es sei jedoch bemerkt, daß die
erste Einspritzung von Brennstoff und die zweite Einspritzung des
Brennstoffes immer um mindestens dreißig Grad im Zeitsteuerwinkel
getrennt bleiben wird, um zu gestatten, daß die erste Brennstoffmenge
(x) verbrennt. Wie bei dem 3126-Motor veranschaulicht, der von Caterpillar
Inc., Peoria, Illinois hergestellt wird, ist der bevorzugte Zeitsteuerwinkel
der Einspritzung der zweiten Brennstoffmenge (y) zwölf Grad
nachdem der Motorkolben 51 den oberen Todpunkt im Leistungshub
erreicht hat.
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Nach der Einstellung der zweiten
Brennstoffeinspritzung (y) und des Einspritzdruckes sollten die Kohlenwasserstoff-
und Rauchemissionen des Motors 10 im Leerlauf gemessen
werden. Wenn die Rauchemissionen nicht auf dem erwünschten
Niveau sind, kann der Einspritzdruck eingestellt werden, während die
Gesamtliefermenge (I) im Leerlauf beibehalten wird. Vorzugsweise
werden durch Steigerung des Einspritzdruckes Rauchemissionen bei
nur einer kleinen Steigerung der NOx-Emissionen
absinken. Im allgemeinen wird der Einspritzdruck auf einen relativ
niedrigen Einspritzdruck bei Leerlaufbedingungen reduziert und wird
auf einen relativ hohen Einspritzdruck bei einem belasteten Betriebszustand gesteigert.
Bei einem Verfahren zur Einstellung des Einspritzdruckes wird das
elektronische Steuermodul 22 mit der Hochdruckpumpe 29 über die
Pumpenkommunikationsleitung 40 kommunizieren. Die Hochdruckpumpe 29 wird
die Versorgung mit unter Druck gesetztem Ö1 für die common rail 16 und
die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 14 einstellen. Der Schritt
des Einstellens des Einspritzdruckes wird vorzugsweise nach dem
Schritt der Einstellung der zweiten Brennstoffmenge (y) ausgeführt, während die
Liefermenge (I) im Leerlauf beibehalten wird, obwohl bemerkt sei,
daß die
Einstellung des Einspritzdruckes an irgend einem Punkt bei dem Verfahren
auftreten könnte.
Weil jedoch der Druck innerhalb der common rail 16 schwierig während des
Zeitsteuerwinkels zu verändern
ist, der die erste Brennstoffeinspritzung und die zweite Brennstoffeinspritzung
trennt, ist der Einspritzdruck sowohl für die erste Einspritzung als auch
für die
zweite Einspritzung von Brennstoff beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel
der gleiche.
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Insgesamt ist die vorliegende Erfindung
vorteilhaft, weil sie ein Verfahren zum Betrieb des Motors 10 im
Leerlauf vorsieht, welches die NOx- und Rauchemissionen
aus dem Motor 10 reduziert, ohne Abgasnachbehandlungstechniken
zu verwenden. Die vorliegende Erfindung reduziert Emissionen durch
Anwendung eines Verfahrens, um wirkungsvoller das Brennstoffeinspritzsystem
im Leerlauf zu betreiben. Durch Ersatz der Abgasbehandlungstechniken
mit dem Verfahren zur Verbesserung von dem existierenden Brennstoffeinspritzsystem 12 werden die
Kosten der Herstellung reduziert. Weiterhin können durch Erkennung der Variablen,
die die Emissionen im Leerlauf beeinflussen, wie beispielsweise
die Einspritzzeitsteuerung, die Einspritzmengen und der Einspritzdruck,
ideale Betriebszustände
für Motoren von
variierenden Größen und
variierenden Arten bestimmt werden, wie beispielsweise Motoren,
die automatische Getriebe oder unterschiedliche Brennstoffeinspritzvorrichtungen
verwenden. Zusätzlich
ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil sie akzeptable Niveaus
von Rauch- und Kohlenwasserstoffemissionen und Verringerungen der
NOx-Emissionen zur Folge hat. Durch Einspritzung
der ersten Brennstoffmenge bei einem Zeitsteuerwinkel vor dem oberen
Todpunkt im Kompressionshub sind NOx-Emissionen
um bis zu fünfundsiebzig
Prozent reduziert worden. Durch Einspritzen der zweiten Brennstoffmenge zu
einem Zeitsteuerwinkel von mindestens dreißig Grad nach der ersten Brennstoffeinspritzung
werden die Rauch- bzw. Rußniveaus
reduziert. Weiterhin hat die Brennstoffeinspritzvorrichtung 14 ausreichend Zeit,
sich selbst zurückzusetzen,
weil die erste Brennstoffeinspritzung und die zweite Brennstoffeinspritzung
um einen Zeitsteuerwinkel von mindestens dreißig Grad getrennt sind.
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Es sei bemerkt, daß die obige
Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und
nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgend einer Weise
einschränken
soll. Der Fachmann wird erkennen, daß andere Aspekte, Ziele und
Vorteile der Erfindung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung
und der beigefügten
Ansprüche
erreicht werden können.