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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Abgasströmungssteuerung
für Verbrennungsmotoren.
Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Steuern von Abgasrückführung zur
Steuerung von Motordrücken,
Temperaturen und NOx-Emissionen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Strömungskontrolle
von Abgasen durch einen Verbrennungsmotor ist genutzt worden, um Fahrzeug-Motorbremsung
bereitzustellen. Motorbremsen können
unter anderem Abgasbremsen, Verdichtungsmindererbremsen und/oder
eine beliebige Kombination aus beiden sein. Das solchen Bremsen
zugrundeliegende allgemeine Prinzip ist die Nutzung von Gasverdichtung,
die durch die sich hin- und herbewegenden Kolben eines Motors erzeugt wird,
um die Bewegung der Kolben abzubremsen und um dadurch das Abbremsen
des Fahrzeuges, mit dem der Motor verbunden ist, zu unterstützen.
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Abgasbremsen
unterstützen
bekanntermaßen
das Abbremsen eines Fahrzeuges, insbesondere von schweren Fahrzeugen,
wie zum Beispiel von Lastkraftwagen und Bussen. Abgasbremsen können erhöhten Abgasgegendruck
in einem Abgassystem, einschließlich
einem Abgaskrümmer,
erzeugen, indem die Drosselung in dem Abgassystem hinter dem Abgaskrümmer angeordnet
wird. Diese Drosselung kann die Form eines Turboladers, eines offenen
und schließbaren
Klappenventils oder beliebiger anderer Vorrichtungen zum teilweisen
oder vollständigen Sperren
des Abgassystems annehmen.
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Indem
der Druck des Abgaskrümmers
erhöht wird,
erhöht
eine Abgasbremse auch den Rest-Zylinderdruck in den Motorzylindern
am Ende des Ausstoßhubes.
Erhöhter
Druck in den Zylindern erhöht wiederum
den Widerstand, auf den die Kolben bei ihren nachfolgenden Aufwärtshüben treffen.
Erhöhter Widerstand
für die
Kolben bewirkt Abbremsen der Fahrzeug-Antriebskette, die über eine
Kurbelwelle mit den Kolben verbunden sein kann.
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Abgasbremsen
sind auf eine Weise bereitgestellt worden, dass die Drosselung des
Abgassystems aufgrund der damit verbundenen Kosten und der Komplexität eines
Systems mit veränderlicher Drosselung
entweder vollständig
eingesetzt ist oder vollständig
nicht eingesetzt ist. Diese Abgasbremsen erzeugen Bremspegel, die
proportional zu der Motordrehzahl zum Zeitpunkt des Abgasbremsens
sind. Je größer die
Motordrehzahl ist, umso größer sind
der Druck und die Temperatur des Gases in dem Abgaskrümmer und
in den Zylindern. Der höhere
Druck und die höhere
Temperatur führen
zu erhöhtem
Widerstand gegen den Aufwärtshub
und daher zu erhöhtem
Bremsen.
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Da
das Abgassystem und der Motor keinen unbegrenzten Temperatur- und
Druckpegeln standhalten können,
mussten die Abgasbremsdrosselungen so ausgelegt werden, dass der
Betrieb derselben bei einer größten Motornenndrehzahl
keine unannehmbar hohen Drücke
und Temperaturen in dem Abgassystem und/oder dem Motor erzeugt.
Die Drosselungen sind so ausgelegt worden, dass sie geringere als
maximale Temperaturen und Drücke
erzeugen sowie geringeres als maximales Bremsen bei Motordrehzahlen
unterhalb der größten Motornenndrehzahl.
Dementsprechend besteht Bedarf an einem System und einem Verfahren
zum Umsetzen erhöhten
Motorbremsens bei geringerer als der größten Motordrehzahl unter Verwendung
einer Abgasdrosselung einer feststehenden Größe, die ausgelegt ist, um maximale
Abgasbremsung bei der größten Motornenndrehzahl
zu erzeugen.
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Verdichtungsmindererbremsen
oder Retarder können
in Verbindung mit oder unabhängig
von Abgasbremsen verwendet werden. Verdichtungsmindererbremsen wandeln
wenigstens zeitweilig den Zylinder eines Verbrennungsmotors (zum
Beispiel eines Motors mit Eigenzündung)
in einen Luftverdichter. Ein Retarder wandelt die kinetische Energie
eines Motors in Wärmeenergie
um, indem der Bewegung der Kolben des Motors die in den Zylindern
erzeugte Verdichtung entgegengesetzt wird. Ein Verdichtungs-Ereignis
kann durch einen Kolben ausgelöst werden,
der seinen Aufwärtshub
durchläuft,
und durch Verdichtungsgas in dem Zylinder, das gegen die Aufwärtsbewegung
des Kolbens wirkt. Wenn sich der Kolben dem oberen Ende seines Aufwärtshubes annähert, kann
ein Auslassventil geöffnet
werden, um die Verdichtung „freizusetzen“, wodurch
verhindert wird, dass der Kolben die in dem verdichtenden, wärmeerzeugenden
Aufwärtshub
erzeugte Energie in dem Rückprall
eines nachfolgenden, kinetische Ausdehnungsenergie erzeugenden,
Abwärtshubes wieder
aufnimmt. Auf diese Weise wird die kinetische Energie des Kolbens
in Wärmeenergie
umgewandelt und von dem Motor durch das Abgassystem gefördert, was
zu einer Reduzierung der kinetischen Energie des Motors und zugehörigen Bremsens
des Motors führt.
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Indem
das Verdichtungsminderungs-Ereignis in den Zylindern des Motors
mit jedem Zyklus des Motors wiederholt wird, entwickelt der Motor
Verzögerungsleistung,
die hilft, das Fahrzeug abzubremsen. Dies kann einem Fahrzeugführer erhöhte Kontrolle über ein
Fahrzeug bereitstellen und den Verschleiß der Betriebsbremse des Fahrzeuges
wesentlich reduzieren. Ein entsprechend ausgelegter und eingestellter
Kompressionsminderungs-Retarder kann eine Bremsleistung erzeugen,
die ein wesentlicher Teil der von dem Motor bei positiver Kraft
erzeugten Betriebsleistung ist.
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Ein
Beispiel eines Verdichtungsminderungs-Motorretarders wird durch
die Offenlegung des auf Cummins erteilten US-Patentes Nr. 3,220,392 (November
1965) bereitgestellt. Motorretarder, wie zum Beispiel die Retarder
nach Cummins, verwenden Nachrüst-Hydrauliksysteme,
um den Betrieb von Auslassventilen zur Durchführung des Verdichtungsminderungs-Ereignisses
zu steuern. Diese Hydrauliksysteme können durch das vorhandene Ventilbetätigungssystem
des Motors angetrieben werden, wie zum Beispiel durch die Drehnocken
eines Motors mit Kurbelwelle. Wenn der Motor in der positiven Krafterzeugung
arbeitet, wird das Hydrauliksystem von dem Ventilsteuersystem getrennt,
so dass kein Minderungsereignis auftritt. Wenn Verdichtungsminderungs-Bremsung gewünscht wird,
greift das Hydrauliksystem in die Auslassventile ein, um Verdichtungsminderungs-Ereignisse
bereitzustellen.
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Das
auf Gobert erteilte US-Patent Nr. 5,146,890 (15. September 1992)
unter dem Titel Method and a Device for Engine Braking a Four Stroke Internal
Combustion Engine (Verfahren und Vorrichtung für Motorbremsen eines Viertakt-Verbrennungsmotors – nicht
autorisierte Übersetzung – d. Übers.), das
an Volvo AB abgetreten ist, beschreibt ein System zum Erhöhen der
Bremsleistung eines Verdichtungsminderungs-Retarders durch Öffnen eines
Auslassventils vor einem Verdichtungsminderungs-Ereignis, um zu
ermöglichen,
dass zusätzliches
Abgas in den Zylinder strömt,
das heißt
ein Abgasrückführsystem.
In dem System nach Gobert ist das Auslassventil darauf begrenzt,
bei einem vorgegebenen festen Betrag geöffnet zu werden, um Abgas in
den Zylinder zurückzuführen. Gobert
verwendet ein festes Ventilspielsystem. Das System nach Gobert ist
daher dahingehend das gleiche wie die Abgasbremsen des Standes der
Technik, dass das Öffnen,
das Schließen
und das Ausheben des Auslassventils für Rückführung so eingestellt sein müssen, dass
die Temperaturen und Drücke,
die erreicht werden, wenn der Motor mit größter Drehzahl läuft, nicht
die Wärme- und
Drucklastgrenzen des Motors überschreiten. Daraus
folgt, dass die Temperaturen und Drücke (und daher das Bremsen)
geringer sein werden, als es bei geringerer als der größten Motordrehzahl
potenziell möglich
wäre.
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Der
Stand der Technik legt auch Systeme zum Verändern des Betrages von Spiel
zwischen einem Nehmerkolben und einem Auslassventil, das von dem
Nehmerkolben zu öffnen
ist, offen. Dem Anmelder sind zum Beispiel die folgenden Ventilspielsysteme
des Standes der Technik bekannt, die genutzt werden können, um
Ventilspiel zu verändern und
um dadurch die Zeit des Ventilöffnens
zu verstellen: Meistrick, US-Patent Nr. 4,706,625 (17. November
1987), für
Engine Retarder With Reset Auto-Lash Mechanism (Motorretarder mit
Rückstell-Hydrostößelmechanismus– nicht
autorisierte Übersetzung – d. Übers.);
Hu, US-Patent Nr. 5,161,501 (10. November 1992), für Self-Clipping
Slave Piston (Selbstbegrenzender Nehmerkolben – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.);
und Hu, US-Patent Nr. 5,201,290 (13. April 1993), für Compression
Release Engine Retarder Clip Valve (Verdichtungsminderungs-Motorretarder-Begrenzungsventil – nicht
autorisierte Übersetzung – d. Übers.),
die hiermit alle in die vorliegende Anmeldung per Verweis eingearbeitet
werden. Wenngleich es Ventilspieleinstellsysteme zum Vorstellen
der Ventilöffnungszeit
gibt, sind diese Systeme darauf begrenzt. (i) das Ventil früher öffnen zu
lassen, später
schließen
zu lassen und den Hub zu erhöhen
oder (ii) das Ventil später öffnen zu
lassen, früher
schließen
zu lasen und den Hub zu verringern. Die Ventilspieleinstellsysteme
ermöglichen
keine unabhängige
Steuerung der Ventilöffnungszeit
oder der Ventilschließzeit,
die notwendig sein kann, um optimale Abgasrückführung für Temperatur- und Drucksteuerung
in dem Motor zu erzielen, die mit optimalem Bremsen bei verschiedenen
Motordrehzahlen kompatibel sind.
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Keines
der Verfahren oder der Systeme des Standes der Technik lehrt oder
schlägt
vor, dass das Öffnen
und das Schließen
eines Auslassventils unabhängig
voneinander gesteuert werden können,
um die Abgasrückführung für Motorbremsen
bei verschiedenen Drehzahlen zu optimieren. Weiterhin wird Steuerung
von Abgasrückführung durch
selektive veränderliche
Pegel von Gegendruck (das heißt Abgasdruckregelung
(EPR)) ebenfalls nicht gelehrt. Wenn der Betrag von Abgasrückführung durch
unabhängige
Steuerung des Auslassventilöffnens
und Auslassventilschließens
gesteuert würde
(was er bei Gobert nicht wird), könnten die Pegel von Druck und Temperatur
in dem Abgaskrümmer
und in den Motorzylindern so aufrechterhalten werden, dass optimale Grade
von Motorbremsung bei jeder beliebigen Motordrehzahl erzielt werden.
Da Fahrzeuge üblicherweise
bei allen und beliebigen Motordrehzahlen bremsen müssen, besteht
ein Bedarf an einem System und einem Verfahren des Steuerns des
Betrages von zu einem Motorzylinder rückgeführtem Abgas.
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Die
Verfahren und die Systeme des Standes der Technik lehren weiterhin
nicht und schlagen nicht vor, dass das Öffnen und das Schließen eines
Auslassventils für
Abgasrückführung als
Reaktion auf die Pegel von verschiedenen Motorparametern, wie zum Beispiel
Temperatur, Druck und Motordrehzahl etc. gesteuert werden können, so
dass die Pegel dieser Parameter geregelt werden können. Dementsprechend
besteht ein Bedarf an Steuerung von Abgasrückführung entsprechend einem oder
mehrerer Motorparameter, wie zum Beispiel Temperatur, Druck und
Motordrehzahl etc., so dass Pegel von Motorbremsung, die „die Grenze" der genannten Parameter „drücken", für eine beliebige
Motordrehzahl erzielt werden können.
Durch das Überwachen
der genannten Parameter und das Steuern der Abgasrückführung als
Reaktion auf die überwachten
Pegel der genannten Parameter können
die größten zulässigen Drücke und
Temperaturen (und daher die größte Bremsung)
für eine
beliebige Motordrehzahl erreicht werden.
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Andere
Abgasrückführsysteme
und Abgasrückführverfahren
haben die Auswirkung des Veränderns
der Überlappung
zwischen der Zeit, die ein Auslassventil für Rückführung geöffnet ist, und der Zeit, die
ein Einlassventil für
Einlass geöffnet
ist, nicht erkannt. Das Auslassventil kann während der Zeit, während der
das Einlassventil während
eines Abwärtsansaughubes
eines Kolbens geöffnet
ist, für
Abgasrückführung geöffnet werden.
Das Einlassventil stellt dadurch einen Auslass während des Bremsens für unter
hohem Druck stehendes Gas bereit, das von dem Abgaskrümmer zurück und in
den Zylinder hinein strömt.
Indem die Überlappung
der Öffnung
des Einlassventils und des Auslassventils variiert wird, können der
Druck und die Temperatur des Abgaskrümmers und des Zylinders sowie
die NOx-Emissionen des Motors gesteuert werden.
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Die
Veränderung
der Überlappung
der Einlassventilöffnung
und der Auslassventilöffnung
kann ebenfalls gesteuert werden, um den Pegel von durch Motorbremsen
erzeugtem Lärm
zu regulieren. Eine Verringerung der Überlappung verringert den Gasstrom
und die Dauer der Rückströmung durch
das Einlassventil und kann dementsprechend den vom dem Einlasssystem
des Motors emittierten Geräuschpegel
verringern.
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Aus
den Offenlegungen des Standes der Technik geht hervor, dass nach
wie vor ein wesentlicher Bedarf an einem Verfahren zum Steuern des Öffnens und
des Schließens
eines Auslassventils für Abgasrückführung besteht,
um die Wirksamkeit der Verdichtungsminderungsbremsung und der Abgasbremsung
zu erhöhen
und um diese zu optimieren. Weiterhin besteht nach wie vor ein wesentlicher
Bedarf an einem System, das in der Lage ist, über einen breiten Bereich von
Motorbetriebsparametern und Motorbetriebsbedingungen zu arbeiten.
Insbesondere besteht nach wie vor ein Bedarf nach „Abstimmung" von Verdichtungsminderungs-
und Abgasbremssystemen zur Optimierung ihrer Leistung bei Betriebsdrehzahlen
von weniger als der größten Nenndrehzahl
des Motors, in dem sie verwendet werden.
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Aufgaben der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems der Steuerung von Abgasrückführung zur
Steuerung der Bedingungen eines Verbrennungsmotors.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems der unabhängigen Steuerung der Zeit,
die ein Auslassventil geöffnet
ist, und der Zeit, die das Ventil für Abgasrückführung geschlossen ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems zum Steuern der Temperatur in einem
Verbrennungsmotor durch Steuern der Abgasrückführung.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems zum Steuern des Druckes in einem
Verbrennungsmotor durch Steuern der Abgasrückführung.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems der Steuerung der von einem Verbrennungsmotor
während
Motorbremsens emittierten Geräusche
durch Steuerung der Abgasrückführung.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems der Optimierung von Motorbremsung bei
mehreren Motordrehzahlen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und eines Systems der Abgasdruckregelung (Exhaust
Pressure Regulation) als ein Mittel, um zu der Steuerung der Abgasrückführung beizutragen.
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Zusätzliche
Aufgaben innerhalb des Erfindungsbereiches und einschließlich aller
zugehörigen Varianten
werden für
den Durchschnittsfachmann bei dem Studium der vorliegenden Offenlegung
und der Ausführung
der offengelegten Erfindung erkennbar werden.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Als
Reaktion auf diese Aufgabenstellung hat der Anmelder ein innovatives
und wirtschaftliches Verfahren zur Steuerung eines Abgasparameters
in einem Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Abgasrückführungs-Ereignisses
und eines Einlassventil-Ereignisses entwickelt, welches aus den Schritten
besteht: (a) Erzeugen von Abgasgegendruck in dem Motor; (b) Überwachen
eines Abgasparameter-Pegels; und (c) Ausführen eines Abgasrückführungs-Ereignisses
als Reaktion auf den Pegel des Parameters, wobei der Abgasparameter
gesteuert wird, indem eine Überlappungsperiode
zwischen dem Abgasrückführungs-Ereignis
und dem Einlassventil-Ereignis allein oder in Kombination mit selektivem
Verändern
des Abgasgegendruckes selektiv variiert wird.
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Es
ist zu beachten, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende ausführliche
Beschreibung lediglich beispielhaft sind und der Erläuterung
dienen und dass sie die Erfindung gemäß Definition in den Patentansprüchen nicht
einschränken.
Die anhängenden
Zeichnungen, die hiermit per Verweis in diese Schrift eingearbeitet werden
und die fester Bestandteil der vorliegenden Patentschrift sind,
veranschaulichen bestimmte Ausführungsbeispiele
der Erfindung und dienen zusammen mit der ausführlichen Beschreibung der Erläuterung
der Grundsätze
der hier vorliegenden Erfindung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Motorzylinders, eines Abgassystems
und eines Abgasrückführ-Steuersystems.
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2 ist
ein Diagramm des Ventilhubes in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel
und veranschaulicht Überlappung
zwischen der Öffnung
eines Einlassventils und eines Auslassventils.
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3 ist
ein Diagramm des Ventilhubes in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel
und veranschaulicht die Veränderlichkeit
der Auslassventilöffnung
und der Schließzeiten
und des Hubes während
der Abgasrückführung.
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4 ist
ein Diagramm des Ventilhubes in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel
und veranschaulicht das Auftreten eines Abgasrückführungs-Ereignisses innerhalb
eines Einlass-Ereignisses.
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5 ist
ein Diagramm von Auslassventilhub und Einlassventilhub für einen
normalen Abgasbremszyklus.
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6 ist
ein Arbeitsdiagramm für
den in 5 gezeigten Standard-Abgasbremszyklus.
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7 ist
ein Diagramm des Auslassventilhubes und Einlassventilhubes für einen
Standard-Abgasbremszyklus und ein Abgasrückführ-Ereignis.
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8 ist
ein Diagramm der Abgasbremsleistung für den in 9 gezeigten
Standard-Verdichtungsminderungsbremszyklus.
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9 ist
ein Diagramm des Auslassventilhubes und Einlassventilhubes für einen
Standard-Verdichtungsminderungsbremszyklus.
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10 ist
ein Diagramm der Abgasbremsleistung für den in 9 gezeigten
Standard-Verdichtungsminderungsbremszyklus.
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11 ist
ein Diagramm des Auslassventilhubes und Einlassventilhubes für eine Druckminderungsbremse
mit Abgasdruckregelung (EPR)
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12 ist
ein Diagramm von Abgasbremsleistung für die in 11 gezeigte
Druckminderungsbremse mit Abgasdruckregelung (EPR).
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann ein in 1 gezeigter
Motor 20 einen Zylinder 40 aufweisen, in dem sich
ein Kolben 45 wiederholt nach oben und unten bewegen kann;
während
dieser Zeit wird der Motor zum Bremsen verwendet werden. Oben an
dem Zylinder 40 können
sich wenigstens ein Einlassventil 32 und ein Auslassventil 34 befinden. Das
Einlassventil 32 und das Auslassventil 34 können geöffnet und
geschlossen werden, um Verbindung mit einem Einlasskanal 22 beziehungsweise mit
einem Auslasskanal 24 herzustellen. Der Auslasskanal 24 kann
mit einem Abgaskrümmer 26 in Verbindung
stehen, der weiterhin Eingänge
von anderen Auslasskanälen
(nicht gezeigt) aufweisen kann. Hinter dem Abgaskrümmer 26 kann
sich eine Abgasdrosselungsvorrichtung 70 befinden, die
selektiv aktiviert werden kann, um den Strom von Abgas von dem Krümmer 26 zu
drosseln. Die Abgas-Drosselvorrichtung 70 kann durch verschiedene
Vorrichtungen bereitgestellt werden, wie zum Beispiel als Turboladerturbine
oder wie gezeigt als Klappenventil 72 in der Abgasleitung.
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In
dem Motorbremssystem und dem Motorbremsverfahren der Erfindung kann
der Motor 20 ein Betätigungs-Teilsystem 300 zum Öffnen des
Auslassventils für
Abgasrückführung umfassen.
Der Motor kann weiterhin ein Einlassventil-Betätigungsteilsystem 350 umfassen.
Es gibt mehrere bekannte Teilsysteme zum Öffnen des Einlassventils und
des Auslassventils für
Einlass- und Auslass-Ereignisse und es wird vorgeschlagen, dass
die Erfindung beliebige der genannten Teilsysteme und/oder von dem Anmelder
oder von anderen entwickelte neue Systeme verwenden kann.
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Die
Betätigung
des Auslassventils 34 kann durch das Teilsystem 300 nach
Erfordernis gesteuert werden, um das Ventil für Abgasrückführung zu öffnen. Das Teilsystem 300 kann
verschiedene hydraulische, hydromechanische und elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen
umfassen, einschließlich unter
anderem von Vorrichtungen, die die Kraft zum Öffnen des Ventils aus einem
Common-Rail-Einspritzsystem oder einem Leerhubsystem ableiten. Zahlreiche
dieser Arten von Systemen sind nach dem Stand der Technik bekannt
und sind für
die Verwendung zusammen mit der vorliegenden Erfindung geeignet.
Zusätzlich
kann das zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung verwendete Betätigungsteilsystem 300 elektronisch
gesteuert werden.
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Die
Betätigungsteilsysteme 300 und 350 können durch
ein Steuergerät
so gesteuert werden, dass der Pegel des Druckes und/oder der Temperatur
in dem Abgaskrümmer 26 und/oder
dem Zylinder 40 einen durch die Materialien, aus denen
der Zylinder 40 besteht, die Ventile 32 und 34 und
den Krümmer 26 bestimmten
vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet
oder über-schreiten.
Das Steuergerät 600 kann
einen Rechner umfassen und über
beliebige Verbindungsvorrichtungen 130, wie zum Beispiel elektrische
Verdrahtung oder Gaskanäle,
mit Messköpfen
oder Anschlüssen 610,
mit dem Zylinder 40, dem Abgaskrümmer 26 oder beliebigen
anderen Teilen des Abgassystems verbunden sein. Das Steuergerät 600 kann
weiterhin mit einer geeigneten Motorkomponente 900, wie
zum Beispiel mit einem Drehzahlmesser, der in der Lage ist, eine
Messung der Motordrehzahl und/oder anderer Motorparameter an das
Steuergerät
zu übergeben,
verbunden sein.
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Die
Messköpfe
oder Anschlüsse 610 können verwendet
werden, um eine Anzeige der Temperatur und/oder des Druckes in dem
Zylinder 40, dem Krümmer 26 und/oder
einem beliebigen anderen Teil des Abgassystems an das Steuergerät 600 zu übergeben.
Die Motorkomponente 900 kann weiterhin verwendet werden,
um eine Bestimmung der Drehzahl des Motors 20 an das Steuergerät 600 zu übergeben.
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Während des
Motorbremsens kann die Abgasdrosselungsvorrichtung 70 geschlossen
oder teilweise geschlossen sein, um den Abgasgegendruck zu erhöhen. Erhöhter Abgasgegendruck
kann genutzt werden, um die Gasladung in dem Zylinder zum Bremsen
zu erhöhen,
indem ein Abgasrückführ-Ereignis
durchgeführt
wird.
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Während der
Abgasrückführung kann
sich der Gasstrom von dem Abgaskrümmer 26 in den Motorzylinder 40 und
sogar zurück
hinter das Einlassventil 32 und in den Einlasskanal 22 umkehren.
Die Steuerung dieses rückwärtigen Gasstromes
durch das Abgasventil und das Einlassventil bestimmt das System-Abgasdruckprofil
und die daraus resultierende Masseladung, die bei Ansaugung zu dem
Zylinder zugeführt
wird. Die Masseladung kann Verdichtungsminderungsbremsen beeinträchtigen,
da der Betrag von von dem sich hin- und herbewegenden Kolben 45 erzeugtem
Bremsen umso größer ist,
je größer der
Druck und die Temperatur des Gases in dem Zylinder sind, da diesem
das Gas hoher Temperatur und hohen Druckes entgegenwirkt.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 1 kann das Steuergerät 600 die Öffnungszeiten,
die Schließzeiten
und die Größe des Hubes
des Auslassventils 34 während
der Abgasrückführung entsprechend den
Bestimmungen der Temperatur, des Druckes und/oder der Motordrehzahl,
die es gegebenenfalls von den Messköpfen 610 und/oder
der Motorkomponente 900 erhält, variieren. Abgasrückführsteuerung wird
dergestalt aufrechterhalten, dass der Abgasdruck in dem Abgaskrümmer die
Motorbetriebsgrenzwerte für
Abgas und Temperatur nicht überschreitet.
Diese Grenzwerte können
in Abhängigkeit von
der Auslegung des Motors und den Toleranzen des Motorherstellers
von Motor zu Motor unterschiedlich sein. Die bevorzugte Steuerstrategie
besteht in der Erfassung des Abgasdruckes und/oder der Abgastemperatur
oder von beiden und in der Einstellung der Abgasrückführ-Parameter,
das heißt
der Öffnungszeiten
und der Schließzeiten
des Auslassventils und der Größe der Ventilöffnung,
um den Abgasdruck und die Abgastemperatur innerhalb der Grenzwerte
des Motors zu halten.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 kann die Öffnung des
Einlassventils 32 durch die Fläche 200 (aus 2)
veranschaulicht werden, und die Öffnung
des Auslassventils 34 für
Rückführung kann durch
die Fläche 202 veranschaulicht
werden. Die Fläche 203 veranschaulicht
die Öffnung
des Auslassventils 34 zum Ausstoßen von Verbrennungsgasen aus
dem Zylinder 40 und die Fläche 205 veranschaulicht
die Öffnung
des Auslassventils 34 für
ein Verdichtungsminderungs-Ereignis.
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Da
der Motor 20 keinen unbegrenzten Temperatur- und Druckpegeln
standhalten kann, die durch Abgasbremsung und Verdichtungsminderungsbremsung
erzeugt werden, wird Abgasrückführung so
durchgeführt,
dass die Pegel von Temperatur und Druck in dem Abgaskrümmer 26,
dem Zylinder 40 oder anderen Komponenten nicht die Motorgrenzwerte
gemäß Überwachung
durch das Steuergerät 600 überschreiten.
Durch Steuern des Zeitpunktes und der Größe des Öffnens und des Schließens des Auslassventils 34 während der
Abgasrückführung kann
der Betrag von Abgasbremsung und Verdichtungsminderungsbremsung
für jede
beliebige Motordrehzahl maximiert werden. Insbesondere kann das Steuern
des Zeitpunktes der Ventilbewegung und der Größe des Hubes als Reaktion auf
gemessene Druck- und Temperaturpegel gewährleisten, dass der maximale
Betrag von Motorbremsung bei jeder Motordrehzahl erzielt wird.
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Durch
Einstellen des Betrages von Überlappung
(veranschaulicht durch die schraffierte Fläche 204 aus 2)
des Öffnens
des Einlassventils 32 (Fläche 200) und der Abgasrückführ-Öffnung des Auslassventils 34 (Fläche 202)
kann sich ein gesteuerter Teil der Zylinderladung weiter zurück durch
den Zylinder 40 in den Einlasskanal 22 fortsetzen.
Diese Rückströmung hinter
das Einlassventil 32 ermöglicht die Aufrechterhaltung
des gewünschten
Abgasgegendruckes in dem Abgaskrümmer 26 und
stellt dadurch ein Mittel des Steuerns des Druckes und der Temperatur
des Abgaskrümmers
bereit.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 kann ein gesteuerter Teil
der Zylindergasmasse durch Verzögerung
(Verzögerung
näher an
dem oberen Totpunkt) des Schließens
des Auslassventils 34 für Rückführung durch
die Bewegung des Kolbens 45 während des Verdichtungshubes
hinter das Auslassventil 34 zurück und in den Abgaskrümmer 26 hinein gedrückt werden.
Insbesondere kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, das
Abgasrückführ-Ereignis andauern
zu lassen, bis nachdem der Kolben die Hälf te seines Verdichtungshubes
ausgeführt
hat. In jedem Fall kann es ebenso vorteilhaft sein, das Abgasrückführ-Ereignis
andauern zu lassen, bis wenigstens ein wesentlicher Teil des Verdichtungshubes
ausgeführt
ist. Nicht einschränkende
Beispiele von Abgasrückrührung (EGR),
die einen wesentlichen Teil des Verdichtungshubes andauern, werden in
den 7 und 11 bereitgestellt. Nach dem Schließen des
Auslassventils 34 am Ende des Abgasrückführ-Ereignisses kann die verbleibende
Masse während
des Verdichtungshubes verdichtet und während des folgenden Verdichtungsminderungs-Ereignisses oder
Ausstoßhubes
in den Abgaskrümmer 26 freigegeben
werden.
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Je
Größer die Überlappung
der Öffnung
des Einlassventils und des Auslassventils ist, umso geringer ist
der Druck, der sich in dem Zylinder 40 aufgrund von Rückströmung von
Gas durch das Einlassventil 32 von dem unter einem höheren Druck
stehenden Abgaskrümmer 26 aufbauen
kann, und umso geringer ist daher die Gasmasse, die für Verdichtungsminderungsbremsen
in dem Zylinder 40 verbleiben kann. Wenn der Kurbelwellenwinkel,
bei dem das Auslassventil 34 geöffnet wird, vorverstellt wird, kann
die Überlappung
erhöht
werden. Erhöhte Überlappung
kann den Abgasgegendruck senken (das heißt den Abgaskrümmerdruck)
und/oder die in dem Zylinder 40 eingeschlossene Gasmasse
reduzieren, nachdem alle Ventile geschlossen sind. Umgekehrt kann
die Verzögerung
des Öffnungs-Kurbelwellenwinkels
die Überlappung
reduzieren und daher den Abgaskrümmerdruck
und/oder die in dem Zylinder eingeschlossene Gasmasse erhöhen. Die
Vorverstellung und Verzögerung
des Kurbelwellenwinkels können
daher genutzt werden, um den Abgaskrümmerdruck (und die zugehörige Temperatur),
der für Abgasbremsung
zur Verfügung
steht, und/oder die für
Verdichtungsminderungsbremsen zur Verfügung stehende Zylindergasmasse
zu steuern.
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Man
geht davon aus, dass geringfügige
Einstellungen der Vorverstellung und der Verzögerung des Kurbelwellenwinkels,
bei dem das Auslassventil 34 geschlossen wird, keine spürbare Auswirkung
auf den Abgasgegendruck haben und daher eine geringe Wirkung auf
den Pegel erzielter Abgasbremsung haben. Die in dem Zylinder eingeschlossene
Gasmasse wird jedoch durch den Kurbelwellenwinkel für Auslassventilschließen beeinflusst,
und daher hat der Kurbelwellenwinkel des Auslassventilschließens eine Auswirkung
auf den Pegel der erzielten Verdichtungsminderungsbremsung.
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Um
dementsprechend den Pegel von Verdichtungsminderungsbremsung bei
verschiedenen Motordrehzahlen zu erhöhen (vorausgesetzt, die Motorkomponenten
können
dem damit einhergehenden erhöhten
Druck und der damit einhergehenden erhöhten Temperatur standhalten),
kann die eingeschlossene Gasmasse durch Vorverstellung des Schließ-Kurbelwellenwinkels
erhöht
werden. Um den Pegel von Verdichtungsminderungsbremsung zu verringern,
kann die Masse eingeschlossenen Gases durch Verzögerung des Schließ-Kurbelwellenwinkels des
Ausgangsventil-Schließens
verringert werden. Indem somit das Abgasrückführ-Ereignis variiert wird,
kann veränderliche
Verdichtungsminderungsbremsung mit einem Festzeit-Verdichtungsminderungs-Ereignis
erreicht werden.
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Die
Größe der Auslassventilöffnung 202 (das heißt des Auslassventilhubes)
für Abgasrückführung kann
ebenfalls gesteuert werden, um Abgasbremsung und/oder Verdichtungsminderungsbremsung für verschiedene
Motordrehzahlen zu optimieren. Eine Reduzierung von Hub kann zu
einer Reduzierung der Masse des in dem Zylinder eingeschlossenen
Gases führen
und kann weiterhin eine Auswirkung auf den Abgasgegendruck haben.
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Unter
Bezugnahme auf 3, in der gleiche Verweisziffern
gleiche in 2 gezeigte Ereignisse bezeichnen,
wird die Veränderung
der Öffnungszeiten
A, der Schließzeiten
B und der Hubgrößen C zwischen
zwei Abgasrückführ-Ereignissen 202a und 202b gezeigt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Situationen beschränkt, in
denen die Vorverstellung einer Öffnungszeit
A von der Verzögerung
einer Schließzeit
B und einem erhöhten
Hub C begleitet sein muss. Es wird darauf hingewiesen, dass die Öffnungszeiten
und die Schließzeiten
sowie der Hub unabhängig
voneinander eingestellt werden können.
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Unter
Bezugnahme auf 4, in der gleiche Verweisziffern
gleiche Ereignisse aus den 2 und 3 bezeichnen,
ist ersichtlich, dass das Abgasrückführ-Ereignis 202 in
einigen Fällen
so vorverstellt werden kann, dass es vollständig innerhalb des Einlass-Ereignisses 200 auftritt,
um den gewünschten Betrag
von Rückführung zu
dem Zylinder des Motors bereitzustellen. In dieser Betriebsart kann
die Erzeugung von NOx während
positiver Krafterzeugung geregelt werden, da sie die geeignete Verdünnung der Zylinderladung
bereitstellt.
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Gesteuerte
Abgasrückführung kann
als ein Mittel der Abgasdruckregelung durch selektives Variieren
der Öffnungspunkte
und Schließpunkte
und der Größe der Öffnung des
EGR-Ereignisses angewendet werden.
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Anwendung
auf die Abgasbremse – Abgasdruckregelung
(EPR) ist in einem Abgasbremssystem nützlich, um eine Obergrenze
von Gegendruck in dem Motor aufrechtzuerhalten und gleichzeitig
die Erzeugung hoher Abgasdrücke
bei niedrigeren Motordrehzahlen zu ermöglichen. Die Abgasdruckregelung
(EPR) verwandelt eine feste Abgasbremse wirksam in eine veränderliche
Abgasbremse. Zusätzlich kann
die erhöhte
Masse in dem Zylinder einen wesentlichen Verdichtungsminderungsteil
zu der Bremsleistung hinzufügen.
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5 zeigt
Einlassventil-Hubereignisse und Auslassventil-Hubereignisse für einen
Standard-Abgasbremszyklus ohne Abgasdruckregelung (EPR). Unter Bezugnahme
auf 6 hat der Abgasgegendruck an dem System den Betrag
von Pumparbeit in dem Gaswechselabschnitt des Zyklus erhöht, was durch
den vergrößerten Bereich
in dem unteren Teil des Arbeitsdiagramms angedeutet wird. In diesem System
sind die Auslassventilfedern ausreichend vorgespannt, so dass keine
Umkehrströmung
von dem Abgaskrümmer
zu dem Zylinder auftritt. Bei Nichtvorhandensein auseichender Vorspannung kann
Umkehrströmung
auftreten, wenn Abgasdruckimpulse die Federkraft übersteigen,
um die Abgasventile zeitweilig zu öffnen. Dieses unkontrollierte Öffnen oder
dieses natürliche „Ventilflattern" stellt Druckentlastung
bereit, wenn es auftritt, und richtet einen oberen Grenzwert für den Abgasgegendruck ein.
Im Allgemeinen tritt Ventilflattern nur bei höheren Motordrehzahlen auf und
gilt als nicht erwünscht,
da die Ventilsitzgeschwindigkeit sehr hoch sein kann.
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Das
System in 7 beinhaltet kontrollierte Auslassöffnung für Abgasdruckregelung
(Exhaust Pressure Regulation, EPR). Eine kleinere als die normale
Abgasdrosselung wird verwendet und der Abgasdruck wird durch die
Abgasdruckregelung (EPR) gesteuert. Das EPR-Öffnen, das Schließen und
die Dauer werden dynamisch bei jeder Motordrehzahl eingestellt,
um sicherzustellen, dass der größte zulässige Gegendruck
bei hohen Motordrehzahlen nicht überschritten
wird, während
bei niedrigeren Drehzahlen ein höherer
Gegendruck aufrechterhalten wird (wie in 8 gezeigt
wird). Die Ab gasbremsleistung profitiert hiervon unter zwei Aspekten.
Die wesentliche Erhöhung
des Zylinderdruckes aufgrund der während der Umkehrströmung in
den Zylinder geladenen zusätzlichen
Masse wird während
einer nachfolgenden Verdichtungs-Vorauslassphase entlastet; schattiert
in 7. Diese Verdichtungs-Vorauslassphase erhöht die Abbremsleistung
wesentlich. Weiterhin wird erhöhte
Bremskraft bei niedrigen Motordrehzahlen durch die Fähigkeit,
einen höheren Abgasdruck
aufrechtzuerhalten, erzielt.
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Anwendung
auf die Verdichtungsminderungsbremse – Verdichtungsminderungsbremsen sind
im Allgemeinen abhängig
von dem Turbolader-Ladedruck zum Laden der Motorzylinder. Das Laden
der Zylinder durch Umkehrströmung
mit Abgasdruckregelung (Exhaust Pressure Regulation, EPR) ist sehr
effektiv für
Verdichtungsminderungs-Motorbremsung. Verdichtungsminderung in Kombination
mit der Abgasbremse verstärkt
die Gesamtbremskraft sehr, insbesondere bei Motordrehzahlen in dem
unteren und mittleren Bereich, in dem die Reaktion des Turboladers
träge ist.
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9 ist
der Standardverdichtungsminderungs-Motorbremszyklus. Der Ausgangs-Zylinderdruck
(in 10 gezeigt) für
Verdichtung wird durch den Turbolader bereitgestellt. Der Turbolader-Ladedruck
baut sich mit abnehmender Motordrehzahl rasch ab, und die Bremskraft
fällt dementsprechend ab.
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11 veranschaulicht
den zu einer Kombination aus Verdichtungsminderungsbremse und EPR-System
zugehörigen
Ventilhub. Verdichtungsminderung in Kombination mit Abgasdruckregelung (EPR)
ist nur von dem Abgasdruck abhängig.
Der Abgasdruck wird bei niedriger Motordrehzahl mit einer geeigneten
Abgasdrosselung auf einem hohen Niveau gehalten und wird mit der
EPR-Steuerungsstrategie geregelt, um bei steigender Motordrehzahl
die Systemlastgrenzen einzuhalten. Die Beiträge durch Verdichtungsminderung
und Abgasbremskraft ergänzen
sich (12), um die in 10 erreichte
Bremsleistung zu überschreiten.
Die Differenz nimmt mit sinkender Motordrehzahl zu.
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Anwendung
auf positive Krafterzeugung – Abgasrückführung in
Verbrennungsmotoren ist bei bestimmten Motordrehzahlen und Motorlasten
wünschenswert,
um die Reduzierung der NOx-Emissionen zu unterstützen. Das in der vorliegenden
Offenlegungsschrift beschriebene System ist auch auf diesen Anwendungsfall
anwendbar. Da das EPR-Ereignis vollständig steuerbar ist, das heißt es kann
nach Erfordernis angeschaltet und abgeschaltet werden, kann das
System zur Unterstützung
sowohl der Abbremsung als auch des Antreibens des Motors genutzt
werden.
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Für den Durchschnittsfachmann
wird erkennbar sein, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen
an dem System zum Betreiben des Ventilbetätigungs-Teilsystems 300 vorgenommen werden
können,
ohne dass dadurch von dem Erfindungsbereich der Patentansprüche abgewichen
würde.
Zum Beispiel kann Abgasrückführung (EGR) durch
ein Hauptauslassventil oder ein Hilfsventil, die für diesen
Zweck vorgesehen werden, bereitgestellt werden. Für den Durchschnittsfachmann
wird weiterhin erkennbar sein, dass verschiedene Änderungen und
Abwandlungen in der Steuerung des Öffnens, des Schließens und
der Größe des Abgasrückführ-Ventilöffnungsereignisses
vorgenommen werden können,
ohne dass dadurch von dem Gedanken der Erfindung abgewichen würde. Somit
besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung die Abwandlungen
und Änderungen
der Erfindung mit abdeckt, insofern diese in den Geltungsbereich
der anhängenden
Patentansprüche
oder ihrer Äquivalente
fallen.