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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Gas-Brennkraftmaschine
mit zumindest einem Einlasskanal, in welchen zumindest ein durch
ein Gaszuführrohr
gebildeter Gasströmungsweg
zur Zuführung
des gasförmigen
Kraftstoffes einmündet,
wobei die Gaszufuhr zum Gasströmungsweg
durch ein Gasventil steuerbar ist.
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Aus
dem Paper No. 2000-ICE-330, ICE-Vol. 35-2, 2000 ICE Fall Technical
Conference, ASME 2000 mit dem Titel ”Gas Engine Developement at Wärtsilä NSD”, Ingemar
NYLUND, ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Gas über zwei
Gaszuführrohre
in den Einlasskanal zugeführt
wird. Die Gaszuführrohre
sind dabei etwa normal zum Einlasskanal angeordnet, wobei im Bereich
der Mündungen die
Gaszuführrohre
abgeschrägt
sind. Nachteilig ist, dass nach Schließen des Gasventiles im Gaszuführrohr ein
Gasrest verbleibt, welcher nicht an der Verbrennung teilnimmt. Da
das Gas als Strahl in den Einlasskanal geblasen wird, wobei die
Kontaktfläche
mit der Frischluft relativ klein ist, lässt die erreichte Durchmischung
zu wünschen übrig.
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Aus
der
JP 2001-214811
A ist eine Gas-Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher
Gas über
ein Gaszuführrohr
in einen Einlasskanal zugeführt
wird, wobei das Gaszuführrohr
eine Reihe von radialen Öffnungen
aufweist, über
welche das Gas in Richtung der Einlassströmung eingeblasen wird. Die Mündungen
des Gaszuführrohres
sind möglichst nahe
bei der Mündung
in den Brennraum angeordnet, um das an der Verbrennung nicht teilnehmende Restgas
im Einlasskanal möglichst
klein zu halten und um Spülverluste
zu reduzieren. Durch die mündungsnahe
Einblasung des Gases in den Einlasskanal ist aber die Durchmischung
mit der Frischluft nicht ausreichend.
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Weitere
Gaszuführeinrichtungen
für Gas-Brennkraftmaschinen
sind aus den Veröffentlichungen
US 3,822,687 A ,
DE 44 16 610 A und
DE 32 27 010 A1 bekannt,
wobei die Gaszufuhr durch jeweils ein Strömungsventil steuerbar ist.
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Brennverfahren
mir Vorkammer kommen unter anderem in mager (mit hohem Luftverhältnis) betriebenen
Gasmotoren, ab einem gewissen Zylinderhubvolumen, zur Anwendung.
Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer, anstatt
im Hauptbrennraum besteht darin, dass auch bei hohen Luftverhältnissen
eine geringe Zündenergie
ausreicht, um eine effiziente (mit gutem Wirkungsgrad) und dennoch
schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung (in Vorkammer
und Hauptbrennraum) sicherzustellen.
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Die
Vorkammer ist mit dem Hauptbrennraum über eine oder mehrere Bohrungen
strömungstechnisch
verbunden. Das Brenngas/Luft-Gemisch strömt über eine oder mehrere Einlassventile
in den Hauptbrennraum und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges
in die Vorkammer geschoben, so dass in dieser ein brennbares Gemisch
zur Verfügung
steht.
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Zur
Entflammung des Brenngas/Luft-Gemisches werden elektrische Funkenzündsysteme
und auch Zündstrahlverfahren
angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines
Brenngas oder ein Brenngas/Luft-Gemisch in die Vorkammer eingebracht,
um am Ort der Verbrennungseinleitung ein, im Vergleich zum Hauptbrennraum,
deutlich fetteres und damit auch zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu
haben.
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Während bei
den elektrischen Zündsystemen
die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens
zwischen den Elektroden einer Zündkerze
erfolgt, wird bei dem Zündstrahlverfahren
eine kleine Menge flüssigen
Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Diese
entzündet
sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert
in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luft-Gemisches.
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Statt
der Verbrennungseinleitung durch einen Zündfunken oder auch durch einen
flüssigen Zündstrahl
kann die Verbrennung in der Vorkammer auch durch eine homogene Selbstzündung eingeleitet
werden, wie in der
AT
6.290 U1 beschrieben ist.
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Aus
der Vorkammer strömen
Flammenfackeln in den Hauptbrennraum und entflammen auch das dort
befindliche Brenngas/Luft-Gemisch.
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Zur
Erzielung einer stabilen Verbrennung in der Vorkammer ist bei sämtlichen
Konzepten ein ausreichend hohes Temperaturniveau in der Vorkammer erforderlich.
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Dies
gilt insbesondere für
Gasmotoren mit Zündstrahlverfahren
und für
Konzepte mit homogener Verbrennung in der Vorkammer. Damit es zu
einer Selbstzündung
des eingespritzten oder eingeblasenen Zündstrahles kommt, muss die
Selbstzündungstemperatur überschritten
werden. Die Temperaturerhöhung
des in der Vorkammer befindlichen Restgas/Brenngas/Luft-Gemisches
resultiert primär aus
dem Verdichtungsvorgang. Wandwärmeverluste verringern
jedoch wiederum die Temperatur des Gasgemisches und erschweren damit
die Selbstzündung.
Speziell beim Start eines Zündstrahlmotors sind
die Wandwärmeverluste
besonders hoch, was den Motorstart erheblich erschwert.
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Aber
auch bei Gasmotoren mit elektrischer Zündung, mit und ohne zusätzlicher
Gaszufuhr (oder Gas/Luft-Gemischzufuhr) führen zu große Wandwärmeverluste zu einer schlechten
Verbrennung in der Vorkammer. Insbesondere bei hohen Luftverhältnissen
in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt
führt dies zu
einer schlechten Verbrennung.
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Aus
der
EP 0 097 320 A2 ist
eine Vor- oder Wirbelkammer für
Verbrennungsmotoren bekannt, welche einen den Innenraum formenden
inneren Formkörper
und einen eine Wärmeisolierung
bildenden äußeren Formkörper aus
keramischem Werkstoff aufweist, der durch Schrumpfen oder Kleben
außen
mit dem inneren Formkörper
verbunden ist. Vorkammern mit Wärmeisolierungen
an der Außenseite des
Vorkammerkörpers
sind auch aus der Veröffentlichung
DE 864 173 B bekannt.
Trotz Isolierung werden die Vorkammern mechanisch und thermisch stark
belastet. Vorkammern mit wärmeisolierenden Strukturen
an der Innenseite des Vorkammerkörpers sind
aus
US 5,065,714 A ,
der
DE 38 32 261 A und
der
DE 198 00 751
A1 bekannt. Die
DE
44 19 429 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer
aus wärmeisolierendem
Material bestehenden Vorkammer. Nachteilig ist, dass diese bekannten
Vorkammern mit thermischer Isolierung einen erhöhten Herstellungsaufwand aufweisen.
Für eine
Nachrüstung
sind derartig isolierte Vorkammern weniger geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs
genannten Art die Gemischhomogenität zu verbessern und die Spülverluste
zu verringern.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Gaszuführrohr
zumindest einen Längsschlitz und/oder
zumindest ein Langloch aufweist, wobei der Längsschlitz zu einer stirnseitigen
Mündungsöffnung des
Gaszuführrohres
hin auslaufen kann. Ein Längsschlitz
oder ein Langloch ist dabei auf der der Frischluftströmung abgewandten
Seite des Gaszuführrohres
angeordnet, wobei ein weiterer Längsschlitz
oder ein weiters Langloch an der der Frischluftströmung zugewandten
Seite angeordnet sein kann. Dadurch, dass das Gas über den
Längsschlitz
oder das Langloch und die stirnseitige Mündungsöffnung in den Einlasskanal
strömt,
wird die Kontaktoberfläche
mit der Frischluft wesentlich vergrößert und die Durchmischung
verbessert. Die Frischluft kann durch die stirnseitige Mündungsöffnung und
den Längsschlitz bzw.
das Langloch das Gaszuführrohr
optimal ausspülen,
so dass nach Abschalten des Gasventils kaum Restgas im Gaszuführrohr verbleibt
und nahezu das gesamte zugeführte
Gas an der Verbrennung teilnimmt. Somit können die Spülverluste wesentlich verringert
werden.
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Eine
verbesserte Gemischhomogenität
lässt sich
erreichen, wenn das Gaszuführrohr
im Bereich der stirnseitigen Mündungsöffnung abgeschrägt ist, wobei
die Mündungsöffnung bevorzugt
auf der der Frischluftströmung
im Einlasskanal abgewandten Seite angeordnet ist.
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Besonders
vorteilhaft für
eine gute Durchmischung des Gases mit Frischluft und für eine gute Ausspülung des
Gaszuführrohres
ist es, wenn das Gaszuführrohr
zumindest teilweise entgegen der Frischluftströmung im Einlasskanal gerichtet
ist.
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In
weiterer Ausführung
der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Gasströmungswege, vorzugsweise
ein erster und ein zweiter Gasströmungsweg, in unterschiedlichen
Bereichen in den Einlasskanal einmünden. Zwei Gasströmungswege zur
Zuführung
der Brenngase sind besonders für Brennkraftmaschinen
mit zwei Einlassventilen, welche strömungsmäßig hintereinander im Mündungsbereich
eines einzigen Einlasskanals angeordnet sind, von Vorteil. Dabei
ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung
vorgesehen, dass der zweite Gasströmungsweg – in Richtung der Luftströmung im
Einlasskanal betrachtet – stromabwärts des
ersten Gasströmungsweges
in den Einlasskanal einmündet,
wobei vorzugsweise der erste und der zweite Gasströmungsweg
in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals einmünden, wobei
vorteilhafterweise der erste Einlassströmungsweg innerhalb des Einlasskanals länger ist,
als der zweite Einlassströmungsweg.
Dadurch, dass die Gaszuführrohre
unterschiedlich lang ausgeführt
sind, kann das Gas in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des
Einlasskanals einströmen,
wodurch das über
jedes Einlassventil einströmende
Gas separat dosiert und besonders gut mit Frischluft durchmischt
werden kann.
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Die
Gasströmungswege
können
entweder im Zylinderkopf oder in einem kombinierten Einlass-Auslass-Krümmerteil
angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
in einem Längsschnitt
durch einen Einlasskanal in einer ersten Ausführungsvariante,
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2 eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
in einem Längsschnitt
durch einen Einlasskanal in einer zweiten Ausführungsvariante,
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3 einen
Einlass-Auslass-Krümmerteil aus 1 in
einer Schrägansicht,
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4 das
Gaszuführrohr
aus 1 im Detail und
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5 eine
nicht erfindungsgemäße Vorkammer
im Längsschnitt.
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In
den Ausführungsbeispielen
sind funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 bis 4 gezeigte Gas-Brennkraftmaschine 1 zur
Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffes
weist pro Zylinder 2 einen Einlasskanal 3 auf,
welcher sich vor Eintritt in den Brennraum 4 in zwei Teilkanäle 5, 6 aufteilt,
deren Einlassquerschnitt durch Einlassventile 7, 8 gesteuert
wird. Das Gas wird über
einen ersten und einen zweiten Gasströmungsweg 9, 10 zugeführt, wobei
die Gasströmungswege 9, 10 durch
in den Einlasskanal 3 mündende
erste und zweite Gaszuführrohre 11, 12 gebildet
sind. Die Menge des zugeführten
Gases wird über
ein elektrisch betätigbares
Gasventil 13 gesteuert.
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Die
ersten und zweiten Gasströmungswege 9, 10 können in
einen vom Zylinderkopf 14 getrennt ausgeführten kombinierten
Einlass-Auslass-Krümmertell 15 angeordnet
sein, wie in 1 gezeigt ist. Alternativ dazu
ist es auch möglich,
dass die ersten und zweiten Gasströmungswege 9, 10 im
Zylinderkopf 14 angeordnet sind und dass das Gasventil 13 direkt
am Zylinderkopf 14 befestigt ist (2).
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Erste
und zweite Gaszuführrohre 11, 12 sind unterschiedlich
lang ausgeführt
und münden
in unterschiedlichen Querschnittsbereichen des Einlasskanals 3 in
diesen ein. Dadurch wird erreicht, dass beide Teilkanäle 5, 6 gleichermaßen ausreichend
mit Kraftstoff-Luftgemisch versorgt werden.
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Das
erste Gaszuführrohr 11 weist
einen der Frischluftströmung
S abgewendeten Längsschlitz 16 auf,
welcher sich über
einen Großteil
des ersten Gaszuführrohres 11 erstreckt.
Das Gaszuführrohr
ist an seiner in den Einlasskanal ragenden Stirnseite 17 mit einer
Mündungsöffnung 18 versehen.
Der Längsschlitz 16 läuft zur
Stirnseite hin in diese stirnseitige Mündungsöffnung 18 aus. Das
erste Gaszuführrohr 11 ist
im Bereich seiner Stirnseite 17 abgeschrägt, so dass
die Öffnung 18 der
Frischluftströmung
S abgewendet ist.
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Das über das
Gasventil 13 zugeführte
Gas strömt
durch das erste und zweite Gaszuführrohr 11, 12 in
den Einlasskanal 3 ein. Die Einströmung durch das erste Gaszuführrohr 11 erfolgt
dabei über
den gesamten Längsschlitz 16,
sowie über
die stirnseitige Mündungsöffnung 18.
Dadurch entsteht eine relativ große Kontaktoberfläche mit
der einströmenden Frischluft,
wodurch eine besonders gute Durchmischung des Kraftstoffes mit der
Frischluft erzeugt wird. Da das Gas über das erste und das zweite
Gaszuführrohr 11, 12 in
unterschiedliche Querschnittsbereiche des Einlasskanals 3 einströmt, wird
die Durchmischung gefördert
und erreicht, dass beide Teilkanäle 5, 6 mit
Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt werden.
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Wie
in 4 im Detail dargestellt, kann das Gaszuführrohr 11 auch
auf der der Frischluftströmung
zugewandten Seite einen Längsschlitz
oder ein Langloch 16' aufweisen.
Nach Abschalten des Gasventils 13 wird das Gaszuführrohr 11 mit
Frischluft gespült,
Indem ein Teil der Frischluft des Einlasskanals 3 durch
den rückseitigen
Längsschlitz
bzw. das Langloch 16' sowie
durch die stirnseitige Mündungsöffnung 18 des
ersten Gaszuführrohres 11 ein- und
durch den der Frischluftströmung
abgewandten Längsschlitz 16 wieder
austritt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Gaszuführrohr 11 zumindest
teilweise entgegen der Strömungsrichtung
S der Frischluft im Einlasskanal 3 gerichtet ist, wie aus 3 beispielsweise
hervorgeht. Dies wird erreicht, in dem das erste Gaszuführrohr 11 im
Bereich einer äußeren Krümmung des
Einlasskanals 3 in den Einlasskanal einmündet.
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5 zeigt
eine Vorkammer 101 im Längsschnitt.
Die Vorkammer 101 ist im Zylinderkopf 102 einer
nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Der Innenraum 103 der
Vorkammer 101 mündet über Öffnungen 104 In
einen Hauptbrennraum 105 der Brennkraftmaschine.
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Der
Vorkammerkörper 106 der
Vorkammer 101 ist mehrteilig ausgebildet und besteht zumindest aus
einem ersten Teil 107 und einem den ersten Teil 107 in
axialer Richtung abschließenden
zweiten Teil 108. Die Längsachse
der Vorkammer 101 ist mit 101a bezeichnet.
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Der
erste Teil 107 spannt den Innenraum 103 auf und
weist einen zylindrischen Abschnitt 109 auf, in welchen
eine zylindrische Ausnehmung 110 beispielsweise durch Fräsen oder
Drehen eingeformt ist. In die Ausnehmung 110 des ersten
Teiles 107 ist ein durch eine zylindrische Hülse 111 gebildeter
thermischer Isoliereinsatz 112 eingesetzt, welcher einerseits
die Wärmeverluste
vermindert und andererseits die thermische Belastung des Vorkammerkörpers 106 reduziert.
Die Verminderung der Wärmeverluste wird
dabei einerseits durch die Trennfuge 113 zwischen Vorkammerkörper 106 und
Isoliereinsatz 112, andererseits durch die Wahl eines wärmefesten
Materials mit niedriger Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise Keramik, realisiert.
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Die
innere Mantelfläche 114 der
Hülse 111 schließt möglichst übergangslos
an die Vorkammerwand 115 an, so dass Störungen im Strömungs- und Verbrennungsablauf
innerhalb der Vorkammer 101 vermieden werden. Über den
zweiten Teil 108 kann ein Einspritzventil und/oder eine
Zündeinrichtung
in den Innenraum 103 der Vorkammer 101 einmünden, wie
durch Bezugszeichen 116 und 117 angedeutet ist.
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Bei
Zündstrahlmotoren
und bei Motoren mit homogener Verbrennung in der Vorkammer 101 kann mit
dieser Maßnahme
zur Wärmeisolation
eine sichere Selbstzündung
gewährleistet
und eine stabile, rasche Verbrennung in der Vorkammer 101 und
in weiterer Folge im Hauptbrennraum 105 sichergestellt werden.
Bei Zündstrahlmotoren
ist eine Reduzierung der nötigen
Einspritzmengen an flüssigem
Brennstoff möglich,
wodurch Vorteile bei den NOx-Emissionen erreicht
werden können.
Auch kann durch die bessere Wärmeisolation
der Vorkammer 101 ein besseres Startverhalten der Brennkraftmaschine
erzielt werden, da die für
gutes Zündverhalten
nötigen
Temperaturniveaus schneller erreicht werden.
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Vorteile
hinsichtlich Startverhaltens, Zündung
und Verbrennung sind auch bei Vorkammerkonzepten mit einer homogenen
Verbrennung in der Vorkammer 101 festzustellen.
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Auch
bei Vorkammer-Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung lässt sich
die Stabilität
und die Geschwindigkeit der Verbrennung in der Vorkammer 101 und
damit auch im Hauptbrennraum 105 steigern.
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Die
mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne
Präjudiz
für die
Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich
vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen
offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
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In
Unteransprüchen
verwendete Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hautanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind
nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen
Schutzes für
die Merkmale der rückbezogenen
Unteransprüche
zu verstehen.
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Die
Gegenstände
dieser Unteransprüche
bilden jedoch auch selbständige
Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung
aufweisen.
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Die
Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel(e) der Beschreibung
beschränkt.
Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich,
insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder
Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung
von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung
Ausführungsformen
sowie den Ansprüchen
beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw.
Elementen oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale
zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw.
Verfahrensschrittfolgen führen,
auch soweit sie Herstell-, Prüf-
und Arbeitsverfahren betreffen.