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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Komponente einer Brennkraftmaschine und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Kraftmaschinen, die die bekannten Otto- oder Dieselzyklen einsetzen, werden weithin und häufig in Fahrzeugen verwendet, die sowohl für die Beförderung von Personen als auch von Gütern bestimmt sind, wie z. B. Pkw, Förder- und Frachtfahrzeuge, einschließlich Lkw und Lokomotiven. Diese Kraftmaschinen benutzen einen Kraftstoff mit einem hohen Kohlenwasserstoffgehalt, wie zum Beispiel fossile Brennstoffe, oder aus erneuerbaren Energien gewonnene, um die Wärmeenergie aus der Verbrennung des Kraftstoffes in kinetische Energie umzuwandeln.
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Der Aufbau einer Brennkraftmaschine ist wohlbekannt und besteht im Grunde aus einem Kolben, der sich im Inneren eines einer Kurbelwelle zugeordneten Zylinders bewegt. Auf der Oberseite des Kolbens ist eine Brennkammer vorgesehen, die Komponenten, wie zum Beispiel Zündkerzen und/oder Einspritzdüsen, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, die in einem dem Motorblock zugeordneten Kopf angebracht sind, umfasst. Die Komponenten und der Betrieb einer Brennkraftmaschine sind Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt, weshalb in der vorliegenden Beschreibung auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann.
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Aufgrund der Erhöhung der spezifischen Leistung von Brennkraftmaschinen, die in den letzten Jahren beobachtet wurde, können hinsichtlich einer Verbesserung der Wärmeleistung der Anordnung und folglich der Reduzierung der Emissionen von schädlichen Gasen an die Umgebung die Blöcke von Brennkraftmaschinen mit Zylinderlaufbuchsen versehen werden, die mit einem speziellen Material hergestellt werden, um bestimmte Anforderungen im Hinblick auf die Anwendung oder Belastungseigenschaften der Kraftmaschine zu erfüllen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Zylinderwand aufgrund des Drucks und der Temperatur der Verbrennung zusammen mit der sich aus der Bewegung des Kolbens in dem Inneren des Zylinders ergebenden Reibung einer hohen Arbeitslast widerstehen muss. Auf diese Weise wird die Zylinderlaufbuchse im Allgemeinen aus einem Material hergestellt, das verschleißfest ist, wie zum Beispiel Gusseisen, Stahl oder einer hochfesten Aluminiumlegierung, und das von dem Material des Motorblocks verschieden ist, der im Allgemeinen aus einem leichteren, duktilen Material hergestellt wird, das eine gute Wärmeableitung gestattet, wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer geringeren Verschleißfestigkeit.
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Mit dem Ziel der Reduzierung der Höhe und des Gewichts des Motorblocks kann die Zylinderlaufbuchse eine Exzentrizität aufweisen, wobei zwei diametral gegenüberliegende Teile eine Dicke haben, die geringer als der Rest des Durchmessers der Laufbuchse ist, so dass die Zylinder enger zusammen gruppiert werden können. 1 stellt schematisch drei Zylinder (30, 30', 30") einer Brennkraftmaschine dar, wobei jede Laufbuchse (10) eine geringere Dicke in den Teilen besitzt, die lateral zu dem benachbarten Zylinder positioniert werden sollen, wodurch folglich der Abstand (D) zwischen jedem Zylinder reduziert wird. Der Abstand (D) zwischen jedem Zylinder wird gemeinhin als "Brücke" bezeichnet.
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Bei den herkömmlichen Herstellungstechniken eines Motorblocks aus Aluminium wird die Laufbuchse normalerweise zusammen mit dem Block gegossen. Auf diese Weise werden die Laufbuchsen in dem Formwerkzeug des Blocks positioniert, und das Aluminium wird um die Laufbuchsen herum gegossen und anschließend gekühlt, um die mechanische Verankerung der Außenwand der Laufbuchse mit dem Aluminium des Blocks zu gewährleisten. In diesen Fällen werden Hochdruckguss(HPDC – high pressure die casting)-, Niederdruckguss(LPDC – low pressure die casting)- und Schwerkraftgussprozesse verwendet.
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Aufgrund der Unterschiedlichkeit der die Laufbuchse und den Motorblock bildenden Materialien besteht jedoch ein Problem hinsichtlich der Metallvereinigung zwischen den beiden, die möglicherweise nicht ordnungsgemäß erfolgt, was zu der Bildung von Lufthohlräumen oder -poren und somit zu einer schlechten Verankerung der Laufbuchse in dem Block und ihres möglichen Bruchs während des Betriebs der Kraftmaschine und/oder zu einem ineffizienten Wärmeaustausch des Inneren des Zylinders mit dem Block führt, was sich als eine Verformung des Zylinders auswirkt, wobei die Ringe gleiten, die wiederum die Brenngase nicht einschließen können, wodurch die Leistung der Kraftmaschine beeinflusst wird.
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Mit dem Ziel, dieses Problem zu beseitigen, lehrt die Schrift
US 3165983 von J. B. Thomas eine Zylinderlaufbuchse, die verschiedene Rippen umfasst, welche in sternförmiger Gestalt angeordnet sind und von der Laufbuchse in das Innere des Blocks ragen. Nichtsdestotrotz ist diese Lösung aufgrund dessen ineffizient, dass sie neben der Schwierigkeit des Erhalts der Rippen, sei es durch spanende Bearbeitung oder durch plastische Verformung, das Problem der Bildung von Lufthohlräumen oder -poren zwischen der Laufbuchse und dem Block zum Zeitpunkt des Gießens, was zu einem ungleichförmigen Wärmeaustausch und zu Verformungen im Zylinder während des Betriebs der Kraftmaschine führt, wodurch der Verschleiß von Komponenten stark erhöht wird und des Weiteren möglicherweise die Dichtung gegen den Kopf beeinträchtigt wird, nicht beseitigt.
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Die Schriften
EP 0 919 715 von KS Aluminium Technologie AG und
EP 2 113 320 von Teikoku Piston Ring Co. Ltd., lehren ähnlich die Bildung von radialen Rippen auf der Außenwand der Laufbuchse, die die Form eines Parallelogramms, eines Trapezes, eines T oder eines Quadrats annehmen können, die durch spanende Bearbeitung oder plastische Verformung erhalten wird. Der Erhalt dieser Geometrien ist jedoch sehr komplex und neben der Verringerung der Möglichkeit der Bildung einer Brücke mit einem geringeren Abstand zwischen Zylindern erhöht er signifikant die Produktionszeit einer Laufbuchse.
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Bei einer alternativen Lösung lehrt die Schrift
DE 10 2006 016 524 der Federal Mogul Burscheid GmbH die Beschichtung der Außenfläche der Laufbuchse mit einer Silizium-Aluminium-Lage. Obgleich die Beschichtung augenscheinlich eine effektive Lösung für die Reduzierung von Defekten und Lufthohlräumen oder -poren zwischen der Laufbuchse und dem Block ist, erfordert sie einen zusätzlichen Produktionsschritt, der mit dem Reinigen und Aufbringen der Beschichtung verbunden ist, wodurch neben der Schwierigkeit der Realisierung einer gleichförmigen Aufbringung die damit in Verbindung stehenden Kosten erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung hat unter anderem zum Ziel, diese im Stand der Technik angetroffenen Schwierigkeiten zu beseitigen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Folglich besteht eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine, die eine gute Verankerung mit dem Material des Motorblocks aufweist und den Abstand zwischen den Zylindern reduzieren kann, wodurch ein kompakterer und leichterer Motorblock gefördert wird.
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Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine, die die Bildung von Lufthohlräumen oder -poren oder Fehlern während des Gießens des Blocks in der Laufbuchse verhindert.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine, die sich ohne das Erfordernis zusätzlicher Bearbeitungsschritte zur Bildung von Rippen oder zum Aufbringen von Lagen leicht erhalten lässt.
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Damit unter anderem den oben genannten Aufgaben entsprochen werden kann, lehrt die vorliegende Erfindung eine Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine, die eine im Wesentlichen kreisförmige Innenwand und eine Außenwand umfasst, wobei die Außenwand mindestens eine planare Fläche und mindestens eine im Wesentlichen kreisförmige Fläche, die zur Innenwand konzentrisch ist, aufweist, wobei die kreisförmige Fläche eine raue Oberfläche aufweist, die einen Abstand zwischen Spitzen und Tälern von 0,2 bis 2,5 mm umfasst.
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Gemäß den zusätzlichen und/oder alternativen Ausführungsformen der Erfindung können auch die folgenden Merkmale, alleine oder in technisch möglichen Kombinationen, vorhanden sein:
- – Die Laufbuchse weist zwei planare Flächen auf.
- – Die Laufbuchse weist zwei kreisförmige Flächen auf, die zu der Innenwand im Wesentlichen konzentrisch sind und durch die beiden planaren Flächen getrennt werden.
- – Die beiden zylindrischen Flächen umfassen eine raue Oberfläche, die einen Abstand zwischen Spitzen und Tälern von 0,2 bis 2,5 mm umfasst.
- – Die Laufbuchse wird durch einen Schleudergussprozess hergestellt.
- – Mindestens eine der planaren Flächen umfasst eine Oberflächenrauigkeit, die zwischen 0,5 und 4,5 Rz liegt.
- – Die zwischen der Innenwand und der Außenwand im konzentrischen Teil gebildete Dicke liegt zwischen 1,3 und 5 mm.
- – Die zwischen der Innenwand und der planaren Fläche gebildete Dicke ist geringer als die zwischen der Innenwand und der Außenwand in dem konzentrischen Teil gebildete Dicke.
- – Die zwischen der Innenwand und der planaren Fläche gebildete Dicke liegt zwischen 0,7 und 2,5 mm.
- – Die Länge der planaren Flächen liegt zwischen 5 und 30% der externen radialen Gesamtlänge der Laufbuchse.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Ziele, Vorteile, Auswirkungen, und die technischen und funktionalen Verbesserungen der vorliegenden Erfindung werden aus der Lektüre der Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform davon, die unten in Verbindung mit den angehängten Figuren dargelegt wird, besser verständlich. Diese Figuren sind schematisch, und ihre Abmessungen und Proportionen entsprechen möglicherweise nicht der Realität, da ihr Ziel allein darin besteht, die Erfindung beispielhaft zu beschreiben, und sie keine Einschränkungen über die durch die unten angeführten Ansprüche hinaus auferlegen soll; es zeigen:
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1 schematisch drei Zylinder einer Brennkraftmaschine, die jeweilige in einem Block angebrachte Laufbuchsen umfassen;
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht der Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 schematisch eine Draufsicht der Zylinderlaufbuchse von 2; und
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4 eine Teilquerschnittsansicht einer Laufbuchse gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wird nunmehr in Zusammenhang mit ihren bestimmten Ausführungsformen beschrieben, wobei auch auf die angehängten Figuren Bezug genommen wird. Bestimmte Ausführungsformen werden ausführlich beschrieben und in den Figuren gezeigt, wobei auf der Hand liegt, dass sie als eine Veranschaulichung ihrer Grundzüge zu betrachten sind und dass die Erfindung nicht auf das in der vorliegenden Beschreibung Veranschaulichte und Beschriebene beschränkt werden soll. Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Lehren der Ausführungsformen, die unten besprochen werden, getrennt oder in irgendeiner beliebigen Kombination eingesetzt werden können, die zur Erzeugung der gleichen technischen Wirkungen geeignet sind.
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1 stellt schematisch drei Zylinder (30, 30', 30") einer Brennkraftmaschine dar, die jeweils eine Laufbuchse (10) haben, welche von dem Material des Motorblocks (20) umgeben ist. Natürlich enthält die Darstellung hierin nicht alle Komponenten eines Motorblocks, sondern nur die Zylinder. Wie oben erwähnt, werden durch die derzeitigen Gießtechniken die Laufbuchsen, die aus einem anderen Material als das des Blocks hergestellt werden, zusammen mit dem Block gegossen, und dies kann Probleme sowohl hinsichtlich einer guten Verankerung der Laufbuchse mit dem Block aufgrund der Inkompatibilität der Materialien als auch der Bildung von Lufthohlräumen oder -poren zwischen der Laufbuchse und dem Block erzeugen, die als isolierende Wärmebarrieren fungieren, einen adäquaten Wärmeübertragungsstrom beeinflussen und zu einer unregelmäßigen Wärmeübertragung von der Laufbuchse auf den Block führen. Dieses Problem scheint besonders relevant zu sein, wenn zwei verschiedene Aluminiumlegierungen für die Laufbuchse und den Block verwendet werden, wobei es sich um eine Legierung mit einer hohen Verschleißfestigkeit für die Laufbuchse und um eine andere mit einem geringen Gewicht und einer besseren Wärmeübertragung für den Block handelt.
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In den 2 und 3 wird eine erfindungsgemäße Laufbuchse dargestellt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das Versehen der kreisförmigen Fläche der Außenwand (12, 12') der Laufbuchse mit einer rauen Oberfläche zu einer exzellenten Verankerung mit dem Material des Blocks führt, das um die Laufbuchse herum gegossen ist, und dies bei einer geringen Wahrscheinlichkeit der Bildung von Lufthohlräumen oder -poren zwischen dem Block und der Laufbuchse, wodurch auf diese Weise der Wärmeaustausch der Laufbuchse mit dem Block verbessert wird. Aufgrund der größeren Oberfläche, die mit dem Material des Motorblocks, das durch die raue Struktur gebildet wird, in Kontakt steht, gibt es darüber hinaus auch eine Verbesserung bei der Übertragung von Wärme auf den Block. Ferner hat sich herausgestellt, dass die raue Oberfläche vorzugsweise eine Tiefe aufweisen muss, die zwischen 0,2 und 2,5 mm liegt. Mit "Tiefe" soll das Maß gemeint sein, das zwischen dem tiefsten Tal und der höchsten Spitze in einem bestimmten diametralen Abstand gemessen wird, der in der rauen Außenstruktur der Zylinderlaufbuchse vorhanden ist, was darauf zurückzuführen ist, dass eine raue Oberfläche eine durch Wellungen mit verschiedenen Höhen und Tiefen gebildete unregelmäßige Ebene voraussetzt.
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4 stellt schematisch einen Teilquerschnitt der Laufbuchse der vorliegenden Erfindung dar, der die raue Fläche (12) zeigt, wobei darin der an einem Punkt der Laufbuchse gemessene Abstand zwischen Spitzen und Tälern (c) dargestellt ist.
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Die Dichte und das Format der Rauigkeit können variieren und sind für die Zwecke des Erhalts der technischen Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht relevant, vorausgesetzt, dass die entlang der rauen Fläche gemessene Tiefe zwischen den oben angeführten Werten liegt. Diese Rauigkeit kann auch auf beliebige Weise entlang der Oberfläche der Fläche verteilt sein, das heißt, dass eine standardmäßige Verteilung sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch des Abstands nicht erforderlich ist, immer vorausgesetzt, dass sie nicht als eine Abweichung der Form charakterisiert wird. Gleichermaßen kann die Rauigkeit auf einfache Weise erhalten werden, wie zum Beispiel in dem Prozess des Gießens der Laufbuchse, wobei insbesondere ein Schleudergussprozess eingesetzt wird, wodurch die anschließenden Schritte der spanenden Bearbeitung oder des Aufbringens von Lagen, wie sie bei dem Stand der Technik vorhanden sind, eliminiert werden.
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Da aufgrund des Vorhandenseins der rauen Fläche eine hervorragende Verankerung der Laufbuchse mit dem Block besteht, kann darüber hinaus die anschließende spanende Bearbeitung der Innenwand der Laufbuchse mit höheren Bearbeitungsparametern realisiert werden, was darauf zurückzuführen ist, dass sie sowohl tangential als auch longitudinal einer größeren Kraft widersteht, ohne Gefahr zu laufen von dem Block gelöst zu werden, wodurch die Herstellungszeit verkürzt wird.
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Die planare Außenfläche (11, 11') der Laufbuchse, wo die Exzentrizität zur Bildung einer Verringerung des Abstands zwischen benachbarten Zylindern vorgesehen ist, kann auf besondere Weise eine Rauigkeit, die zwischen 0,5 und 4,5 Rz liegt, umfassen. Ferner hat sich herausgestellt, dass eine geringere Rauigkeit der planaren Fläche, wo die Brücke gebildet werden soll, einen besseren Materialfluss des Blocks beim Gießen gestattet. Dieses Merkmal verhindert das Vorhandensein von Fehlern oder Lufthohlräumen/-poren zwischen der Laufbuchse und dem Block auf dieser Seite, wodurch eine hervorragende gleichförmige Wärmeübertragung in dem Bereich der Brücke auf den Block und auf das Kühlsystem gestattet wird. Der Erhalt der angegebenen Rauigkeit kann sowohl durch anschließende spanende Bearbeitung im Anschluss an das Gießen der Laufbuchse als auch durch einen beliebigen Prozess einer plastischen Verformung erhalten werden.
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Der hierin verwendete Begriff "im Wesentlichen kreisförmig" soll als eine Form verstanden werden, die augenscheinlich kreisförmig ist, wobei bekannt ist, dass Laufbuchsen leicht ovale Formen haben können, sei es mit Absicht, um Wärme- oder geometrische Verformungen auszugleichen, oder aufgrund der spanenden Bearbeitung selbst. Auf gleiche Weise bezieht sich der Begriff "im Wesentlichen konzentrisch" auf eine geometrische Form, die augenscheinlich konzentrisch ist, wobei bekannt ist, dass die Prozesse des Gießens, der spanenden Bearbeitung oder der plastischen Verformung den Erhalt einer absoluten Konzentrizität nicht gestatten.
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Der Zylinder und die Laufbuchse können aufgrund der Tatsache, dass die Abmessungen der Brennkraftmaschine selbst und der Durchmesser und der Hub des Kolbens im Zylinder in Abhängigkeit von der Größe und der Anwendung variieren können, beliebige geeignete Abmessungen aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass eine gemäß der Erfindung hergestellte Laufbuchse mit relativ geringen Dickenabmessungen hergestellt werden kann, wodurch eine Reduzierung der Brücke zwischen den Zylindern gestattet wird. Insbesondere kann die zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand des konzentrischen Teils (a) gebildete Dicke zwischen 1,3 und 5 mm liegen, und die zwischen der Innenwand und der planaren Fläche (b) gebildete Dicke ist kleiner (b < a) und kann zwischen 0,7 und 2,5 mm liegen.
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Das Material zur Herstellung der Laufbuchse und des Blocks kann ein bekanntes Material sein, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen mit hoher Verschleißfestigkeit für die Laufbuchse und Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit einer geringeren Verschleißfestigkeit für den Block.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, verhindert die vorliegende Erfindung die im Stand der Technik gefundenen Probleme aufgrund dessen, dass das Vorhandensein der rauen Oberfläche eine gute Verankerung der Laufbuchse mit dem Motorblock ohne Bildung von Lufthohlräumen oder -poren gestattet, wodurch die Schritte der spanenden Bearbeitung der Laufbuchse für die Bildung von Rippen oder des Aufbringens von Beschichtungslagen eliminiert werden. Weiterhin gestattet sie die Bildung einer kleineren Brücke zwischen den Zylindern, wodurch gestattet wird, dass ein Block mit einer geringeren Länge hergestellt wird, der folglich auch leichter ist.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform davon beschrieben worden ist, kann ein Fachmann neben der Ausweitung auf andere Anwendungen, die in der vorliegenden Beschreibung nicht erwogen werden, Änderungen vornehmen oder Kombinationen erstellen, die oben nicht in Betracht gezogen werden, ohne von den hier beschriebenen Lehren abzuweichen. Folglich müssen die beigefügten Ansprüche als jegliche Äquivalente, die innerhalb der Grundzüge der Erfindung fallen, mit abdeckend interpretiert werden.
