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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner
ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, sowie eine
Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten
Patentansprüche.
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Um
aktuelle und zukünftige
Emissionsnormen einhalten zu können,
werden bei vielen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen,
Mehrfacheinspritzstrategien eingesetzt. Bei diesen wird der Kraftstoff
innerhalb eines Arbeitsspiels mit mehreren, zum Teil dicht aufeinander
folgenden Einspritzungen in den Brennraum der Brennkraftmaschine
eingebracht. Hierdurch wird die Gesamteinspritzung in Vor-, Haupt-
und Nacheinspritzungen aufgeteilt. Eine solche Einspritzstrategie
wird auch als "Split
Injection" bezeichnet.
Aus der
DE 100 64
505 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem ein Abstand zwischen
einem ersten Einspritzvorgang und einem zweiten Einspritzvorgang
innerhalb eines Arbeitsspiels eines Zylinders einer Brennkraftmaschine überwacht
werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art bereit zu stellen, mit dem die Emissionen und das Geräusch im
Betrieb einer Brennkraftmaschine reduziert werden können.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Weitere Lösungen sind
in den nebengeordneten Ansprüchen
genannt. Darüber
hinaus finden sich wesentliche Merkmale der Erfindung in der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung, wobei die Merkmale auch in ganz
unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich
sein können,
ohne dass hierauf explizit hingewiesen wird.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass es bei den bisherigen Verfahren vorkommen kann, dass zwei
aufeinanderfolgende Einspritzungen so dicht beieinander Liegen,
dass sie zu einer einzigen Einspritzung "verschmelzen". Dies bedeutet, dass die gesamte Einspritzmenge
höher ist
als die gewollte Sollmenge, was bestenfalls einen negativen Einfluss auf
die Emissionen, das Geräusch
und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hat, im schlimmsten
Fall jedoch zu einer Beschädigung
der Brennkraftmaschine führen
kann. Als Grund für
ein solches Verschmelzen zweier Einspritzungen wurde erkannt, dass
auch dann, wenn die Ansteuersignale der beiden Einspritzungen einen
Abstand voneinander haben, dies aufgrund der Trägheit des Ventilelements für dessen
Hubbewegung nicht unbedingt gilt. Möglich ist also, dass das Ventilelement
vor der Ansteuerung der nachfolgenden Einspritzung noch nicht auf seinen
Sitz zurückgekehrt
ist.
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Erfindungsgemäß wird nun
ein Mindestabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen
definiert, der von mindestens einer aktuellen, das Schließen des
Ventilelements beeinflussenden Betriebsgröße der Brennkraftmaschine abhängt, oder,
in anderen Worten: der Mindestabstand wird so definiert, dass sichergestellt
ist, dass das Ventilelement geschlossen bzw. auf seinen Sitz zurückgekehrt
ist, bevor es für
eine darauffolgende Einspritzung wieder von seinem Ventilsitz wegbewegt
wird. Im Gegensatz zur Festlegung eines starren Mindestabstands
wird durch die Abhängigkeit
des Mindestabstands von der besagten Betriebsgröße der Brennkraftmaschine sichergestellt,
dass dieser Mindestabstand immer möglichst kurz ist, so dass dicht
aufeinanderfolgende Einspritzungen weiterhin möglich sind.
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Hierdurch
wird erreicht, dass die für
günstige Emissionen
erforderlichen Mehrfacheinspritzstrategien eingesetzt werden können, dabei
jedoch die Abstände
zwischen den einzelnen Einspritzungen sehr kurz gehalten werden
können,
ohne dass die Gefahr einer Verschmelzung von aufeinanderfolgenden
Einspritzungen besteht. Auch eine Verschlechterung des Betriebsgeräuschs der
Brennkraftmaschine wird vermieden, und erst recht werden Schäden aufgrund von
zu großen
Kraftstoff-Einspritzmengen von der Brennkraftmaschine fern gehalten.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
hängt der Mindestabstand
von einem aktuellen Kraftstoffdruck, vorzugsweise in einem Kraftstoffverteiler,
ab. Es hat sich herausgestellt, dass der Kraftstoffdruck eine das Schließen des
Ventilelements in besonderer Weise beeinflussende Betriebsgröße ist.
Dabei kann man davon ausgehen, dass das Ventilelement umso schneller
schließt,
je größer der
Kraftstoffdruck ist. Bei höherem
Kraftstoffdruck wird daher der Mindestabstand eher kleiner gewählt werden.
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Der
Mindestabstand kann ferner von einer vorhergehenden Ansteuerdauer
der Kraftstoff Einspritzvorrichtung abhängen. Dem liegt die Überlegung
zugrunde, dass sich das Ventilelement umso weiter von seinem Ventilsitz
entfernt haben dürfte,
je länger
die Ansteuerdauer ist. Ein großer
Abstand des Ventilelements von seinem Ventilsitz bedeutet jedoch eine
erhöhte
Zeit, die das Ventilelement wieder für das Schließen benötigt. Mit
anderen Worten: je größer die
vorhergehende Ansteuerdauer, desto größer sollte der Mindestabstand
zur nachfolgenden Einspritzung gewählt werden.
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Vorteilhafterweise
werden Kraftstoffdruck und vorhergehende Ansteuerdauer in ein Kennfeld eingespeist,
welches einen Wert ausgibt, der zur Ermittlung des Mindestabstands
dient oder der selbst der Mindestabstand ist.
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Eine
weitere das Schließen
des Ventilelements beeinflussende Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ist
die Kraftstofftemperatur. Diese beeinflusst nämlich die Dichte des Kraftstoffes,
was wiederum Auswirkungen auf dessen Strömungsverhalten und Kompressibilität hat. Daher
kann der Mindestabstand zusätzlich
auch von einer aktuellen Kraftstofftemperatur abängen.
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Auch
die aktuelle Temperatur der Brennkraftmaschine kann bei der Bestimmung
des Mindestabstands berücksichtigt
werden. Eine solche Temperatur der Brennkraftmaschine wird meistens
anhand der Temperatur eines Kühlfluids
der Brennkraftmaschine oder einer Temperatur eines Zylinderkopfes der
Brennkraftmaschine ermittelt. Die Temperatur der Brennkraftmaschine
beeinflusst aufgrund temperaturbedingter Ausdehnungen der Komponenten
in der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung deren Passungen, was ebenfalls
die Zeit, die das Ventilelement für den Schließvorgang
benötigt,
beeinflussen kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Einfluss der Kraftstofftemperatur und/oder
der aktuellen Temperatur der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bzw. der
Brennkraftmaschine auf den Mindestabstand durch die Bildung eines
Wichtungsfaktors berücksichtigt
wird, mit dem ein additiver Term gewichtet wird, der vorzugsweise
von dem Kraftstoffdruck und der vorhergehenden Ansteuerdauer abhängt. Hierdurch
wird die Präzision
bei der Bestimmung des Mindestabstands erhöht, da der Einfluss dieser
beiden Betriebsgrößen im einen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine größer sein kann als in einem anderen
Betriebspunkt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass ein weiterer Mindestabstand zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen von einer elektrischen
Betriebsgröße der Brennkraftmaschine
abhängt,
und dass als Mindestabstand der größere der beiden ermittelten
Mindestabstände
verwendet wird. Für
die Ansteuerung eines Aktors der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
beispielsweise eines elektromagnetischen oder piezoelektrischen
Aktors, wird üblicherweise
ein Kondensator verwendet, der die benötigte Energie in kürzester
Zeit an den Aktor abgeben kann. Hierzu muss ein solcher Kondensator jedoch
aufgeladen werden, wozu eine bestimmte Zeit erforderlich ist. In
diesen Fallen wird also der "elektrisch
bedingte" Mindestabstand
jene Zeitdauer sein, die zwischen zwei Ansteuerungen erforderlich
ist, um einen solchen Kondensator aufzuladen. Aber auch andere elektrische
Betriebsgrößen können für die Bildung
eines "elektrisch
bedingten" Mindestabstandes zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen herangezogen werden.
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Durch
die Auswahl des Maximalwerts von "elektrischem" Mindestabstand und "hydraulischem" Mindestabstand (dieses ist jener Mindestabstand, der
von einer das Schließen
des Ventilelements beeinflussenden Betriebsgröße der Brennkraftmaschine abhängt) wird
zum Einen sichergestellt, dass auch dicht aufeinanderfolgende Einspritzungen
voneinander getrennt sind, zum Anderen wird sichergestellt, dass
diese Einspritzungen überhaupt
in der gewünschten
Art und Weise und mit dem gewünschten Hub
des Ventilelements durchgeführt
werden können.
Letztlich wird hierdurch also auch das Emissions- und Verbrauchsverhalten
der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst.
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Zeichnung
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
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2 ein
Diagramm, in dem eine Ansteuerung einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
von 1 über
der Zeit aufgetragen ist;
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3 eine
Darstellung ähnlich 2,
jedoch für
einen Hub eines Ventilelements der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
und
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4 ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Mindestabstandes
zwischen den beiden in den 2 und 3 dargestellten
aufeinanderfolgenden Einspritzungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst einen Motorblock 12 mit mehreren Brennräumen 14.
Kraftstoff wird in die Brennräume 14 direkt jeweils
mittels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 eingespritzt. Hierzu
verfügt
jede der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 über ein
nadelartiges Ventilelement 18, welches mit einem gehäuseseitigen
Ventilsitz (nicht dargestellt) der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 zusammenarbeitet
und von einem Aktor 20 betätigt wird. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 sind
an einen Kraftstoffverteiler 22 angeschlossen, der auch als "Rail" bezeichnet wird.
Der Kraftstoff ist im Rail 22 unter hohem Druck gespeichert.
Hierzu wird der Kraftstoff über
eine Hochdruck-Fördereinrichtung 24 in
das Rail 22 gefördert.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 26 gesteuert und geregelt. Hierzu
erhält
diese Signale von verschiedenen Sensoren, so auch von einem Temperatursensor 28,
der eine Temperatur eines Kühlwassers
der Brennkraftmaschine 10 erfasst und von einem Drucksensor 30,
der den im Rail 22 herrschenden Kraftstoffdruck erfasst.
Ferner stellt ein weiterer Temperatursensor 32, der in
der Hochdruck-Fördereinrichtung 24 die
Temperatur des Kraftstoffes erfasst, der Steuer- und Regeleinrichtung 26 entsprechende
Signale bereit. Angesteuert werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 26 unter
anderem die Aktoren 20 der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16.
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Je
nach Dauer der Ansteuerung eines Aktors 20 bleibt das Ventilelement 18 von
seinem gehäuseseitigen
Ventilsitz kürzer
oder länger
abgehoben, so dass weniger oder mehr Kraftstoff in den entsprechenden
Brennraum 14 gelangt. Dieses Prinzip ist dabei nicht auf
irgendeinen Brennkraftmaschinentyp eingeschränkt, sondern kann, ebenso wie
das nachfolgend dargestellte Verfahren, auf ganz unterschiedliche
Brennkraftmaschinentypen angewendet werden, so beispielsweise Brennkraftmaschinen
mit Benzin- und solche mit Diesel-Direkteinspritzung. Auch ist das
nachfolgende Verfahren auf unterschiedliche Typen von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 anwendbar,
beispielsweise solche, bei denen das Ventilelement 18 direkt
vom Aktor 20 betätigt wird,
als auch solche, bei denen der Aktor 20 zu einem hydraulischen
Steuerventil gehört,
welches wiederum einen Steuerdruck für das Ventilelement 18 beeinflusst.
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Um
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 möglichst wenig Emissionen zu
erzeugen, wird eine Mehrfach-Einspritzstrategie eingesetzt, bei
welcher innerhalb eines Arbeitsspieles der Kraftstoff durch mehrere
einzelne Einspritzungen von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 in den
zugehörigen Brennraum 14 eingespritzt
wird. Um möglichst
viele derartige einzelne Einspritzungen innerhalb eines Arbeitsspiels
unterbringen zu können,
sollten die Abstände
zwischen den einzelnen Einspritzungen möglichst klein sein. Andererseits
sollte auf jeden Fall vermieden werden, dass der Abstand zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen so gering wird, dass aufgrund
der Trägheit
des Ventilelements 18 dieses noch gar nicht sicher auf
seinen gehäuseseitigen
Ventilsitz zurückgekehrt
ist, wenn es bereits für die
nächste
Einspritzung wieder öffnen
soll.
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Die
Verhältnisse
von zwei dicht aufeinanderfolgenden Einspritzungen sind aus den 2 und 3 ersichtlich:
in 2 ist ein Ansteuersignal A, mit dem die Steuer-
und Regeleinrichtung 26 den Aktor 20 der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 ansteuert, über der
Zeit t aufgetragen. Man erkennt ein erstes Ansteuersignal A1 für eine erste
Einspritzung 34 und ein zweites Ansteuersignal A2 für eine zweite Einspritzung 36.
Zwischen dem Ende des ersten Ansteuersignals A1 und dem Beginn des
zweiten Ansteuersignals A2 liegt ein zeitlicher Abstand, der mit D1
bezeichnet ist. In 2 sind die entsprechenden Hübe H1 und
H2 des Ventilelements 18 über der Zeit t aufgetragen.
Man erkennt, dass nach einem kurzen Prellvorgang des Ventilelements 18 an
seinem Ventilsitz (Bezugszeichen 38 in 3)
das Ventilelement 18 sicher wieder an seinem gehäuseseitigen
Ventilsitz anliegt (Hub = 0), bevor das zweite Ansteuersignal A2
beginnt und das Ventilelement 18 die für die zweite Einspritzung 36 erforderliche
Hubbewegung H2 beginnt. Der Abstand D1 entspricht einem zeitlichen
Mindestabstand zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Einspritzungen 34 und 36,
der eingehalten werden muss, damit es sich bei den beiden Einspritzungen 34 und 36 wirklich
um zwei diskrete und voneinander getrennte, also nicht miteinander verschmolzene
Einspritzungen handelt. Dieser Mindestabstand D1 hängt von
mehreren, das Schließen des
Ventilelements 18 (Bereich 40 der Kurve H1) beeinflussenden
Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10 ab. Dies wird nun unter Bezugnahme
auf 4 erläutert:
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Der
vom Drucksensor 30 erfasste Druck PR im Rail 22 und
eine Dauer AD1 der Ansteuerung A1 für die erste Einspritzung 34 werden
in ein Kennfeld KF1 eingespeist, welches einen ersten Roh-Mindestabstand
D1 ausgibt. Der Druck PR und die Ansteuerdauer AD1 werden auch in
ein Kennfeld KF2 einspeist, welches einen zweiten Roh-Mindestabstand D11
ausgibt. Dieser wird in 40 mit einem Faktor F1 multipliziert,
der durch eine Kennlinie KL1 erzeugt wird, in die die vom Temperatursensor 32 ermittelte Temperatur
TF des Kraftstoffes eingespeist wird. Die Multiplikation in 40 ergibt
einen durch die Kraftstofftemperatur TF gewichteten zusätzlichen
Mindestabstand DF11. Im Falle eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels,
welches keinen Drucksensor umfasst, könnte die Drehzahl nmot in die
Kennfelder KF1, KF2 und KF3 eingespeist werden, da der Druck drehzahlabhängig ist.
Letzteres gilt insbesondere für Pumpe-Düse- und Verteilereinspitzsysteme.
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Der
Kraftstoffdruck PR und die Ansteuerdauer AD1 werden auch noch in
ein Kennfeld KF3 einspeist, welches einen dritten Roh-Mindestabstand D12
ausgibt. Dieser wird in 42 mit einem zweiten Faktor F2
multipliziert, der durch eine Kennlinie KL2 erzeugt wird. In diese
wird wiederum eine Temperatur TE einspeist, die auf der vom Temperatursensor 28 erfassten
Kühlwassertemperatur
basiert. Durch die Temperatur TE soll mit möglichst guter Genauigkeit die
Temperatur der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 ausgedrückt werden.
Der Übergang
von der vom Temperatursensor 28 erfassten Kühlwassertemperatur
zur Temperatur TE kann beispielsweise mittels geeigneter Modelle
geschehen. Durch die Multiplikation in 42 wird ein zweiter
zusätzlicher
Mindestabstand DF12 erzeugt, der durch die Temperatur TE der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 gewichtet
ist.
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Die
beiden zusätzlichen
Mindestabstände DF11
und DF12 werden in 44 addiert und ergeben so einen zusätzlichen
Mindestabstand DF. Dieser wird wieder in 46 zum ersten
Roh-Mindestabstand
D10 addiert, was zu dem eigentlichen, durch das hydraulische Schließverhalten
des Ventilelements 18 bedingten Mindestabstand D1 (vergleiche 3)
führt. Dieser
wird ebenso wie ein zweiter Mindestabstand D2 in einen Block 48 eingespeist,
in dem der größere der
beiden Werte D1 und D2 ausgewählt
und letztlich als Mindestabstand D ausgegeben wird. Der zweite Mindestabstand
D2 basiert auf einer elektrischen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine 10,
beispielsweise der Zeitkonstante eines Kondensators (nicht dargestellt)
der Steuer- und Regeleinrichtung 26, der zur Ansteuerung
des Aktors 20 der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 dient.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich
ist, ist der Mindestabstand D2 in dem vorliegend betrachteten Fall
deutlich kleiner als der Mindestabstand D1. Würde die zweite Ansteuerung
nicht erst nach dem Mindestabstand D1, sondern bereits nach dem
Mindestabstand D2 beginnen, was in 2 durch
eine strichpunktierte Linie mit der Bezeichnung A2' angedeutet ist,
würde das
Ventilelement 18 mit dem Hub (in 3 ebenfalls
strichpunktiert dargestellt und mit HZ bezeichnet) beginnen, noch
bevor der Hub H1 der vorhergehenden Einspritzung 34 beendet
ist. Durch die Auswahl des Maximalwerts in 48 wird sichergestellt,
dass die beiden Einspritzungen 34 und 36 tatsächlich voneinander
getrennt sind und nicht miteinander verschmelzen.