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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader für eine turboaufladbare Brennkraftmaschine
sowie eine solche Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers sowie eine
Verwendung.
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Bei
herkömmlichen,
nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen (Otto- oder Dieselmotor)
wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt,
der mit wachsender Drehzahl ansteigt und die theoretisch erreichbare
Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und
damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines
Abgasturboladers. Ein Abgasturbolader (ATL) oder kurz Turbolader
ist ein Aufladesystem für
eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine
mit einem erhöhten Ladeluftdruck
beaufschlagt werden.
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Der
detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers
ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader
besteht aus einer (Abgas)Turbine im Abgasstrom (Abströmpfad),
die über
eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anströmpfad) verbunden
ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt
und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck
im Ansaugtrakt des Motors, sodass durch diese Verdichtung während des
Ansaugtaktes eine größere Menge
Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt als bei einem
herkömmlichen
Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch
steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die
Leistungsabgabe signifikant erhöht.
Das Zuführen
einer größeren Menge
an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen.
Die Energie für die
Aufladung wird durch die Turbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen.
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Diese
Energie, die sonst durch das Abgassystem verloren ginge, wird zur
Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch diese Art der Aufladung steigt
der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Wenngleich
bei modernen Turboladern bereits viele Probleme und Schwierigkeiten
beseitigt wurden, existieren dennoch einige ungelöste Probleme.
An die Betriebsweise von mit Abgasturboladern ausgestatteten Antriebseinheiten
werden die gleichen hohen Anforderungen wie an leistungsgleiche herkömmliche
Brennkraftmaschinen gestellt. Dies führt dazu, dass zur Erreichung
einer geforderten Motorleistung der volle Ladeluftdruck des Abgasturboladers
auch bereits bei sehr niedrigen Motordrehzahlen zur Verfügung stehen
muss. Das führt
zu dem folgenden Problem:
Beim Beschleunigen aus niedrigen
Drehzahlen fehlt im Abströmpfad
die richtige Abgasmenge, um den im Anströmpfad gewünschten Ladedruck für die angesaugte
Frischluft zu erzeugen. Erst wenn zum Beispiel mit steigender Drehzahl
ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung steht, setzen die gewünschte Verdichtung
der angesaugten Frischluft und damit die gewünschte Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel
bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man im Allgemeinen als Turboloch.
Auch generell setzt diese Aufladung bei plötzlichem Gasgeben erst verzögert ein,
da die Brennkraftmaschine die Frischluft sehr viel schneller verbraucht,
als verdichtete Luft durch den Verdichter bereitgestellt werden
kann. Das heißt,
der eingangsseitig am Verdichter anliegende Druck PE ist höher als
der ausgangsseitig von dem Verdichter bereitgestellte Druck PA der
Frischluft. Erst nachdem sich abströmseitig über die Turbine ein ausreichend
hoher Abgasstrom eingestellt hat, stellt sich anströmseitig
am Verdichter auch ein ausreichender Druck PA ≅ PE ein.
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Dadurch,
dass bei niedrigen Drehzahlen der Druck PA geringer ist als der
Druck PE, drosselt der Verdichter die Brennkraftmaschine, statt
dieser verdichtete Luft zuzuführen
und damit zu einer Leistungssteigerung beizutragen. Dadurch, dass
die Brennkraftmaschine gedrosselt wird, kann sie abgasseitig auch
weniger Abgas zur Verfügung
stellen, was in der Folge auch zu einer geringeren Drehzahl der Turbine
führt.
Dies bringt wiederum eine negative Rückwirkung auf die Drehzahl
des Verdichters und damit auf die verdichtete Luft mit sich.
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Diese
Eigenheit eines Turboladers kann man zum Beispiel durch eigens dafür vorgesehene
Regelsysteme, wie zum Beispiel eine variable Turbinengeometrie (VTG),
durch den Einsatz sehr kleiner Turbolader und/oder durch speziell
geformte Kanäle
im Zylinderkopf zu einem großen
Teil kompensieren.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
den unerwünschten
Effekt des Turbolochs bei Turboladern, insbesondere auf andere Weise,
möglichst
weit zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, durch eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 15 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 20 und/oder durch eine Verwendung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 28 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- – Ein
Turbolader für
eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Frischlufteinlass
zum Ansaugen von Frischluft, mit mindestens einem Verdichter zum
Verdichten der angesaugten Frischluft, der in Strömungsrichtung
der Frischluft hinter dem Frischlufteinlass angeordnet ist, mit
mindestens einem Frischluftauslass, der in Strömungsrichtung hinter dem Verdichter
angeordnet ist und über
den im Verdichter verdichtete Frischluft einer Lufteinlassseite
der Brennkraftmaschine zuführbar
ist, mit mindestens einer Bypasseinrichtung zur Überbrückung mindestens eines Verdichters,
welche dazu ausgelegt ist, im Betrieb zumindest einen Teil der zugeführten Frischluft
an dem Verdichter vorbeizuleiten.
- – Eine
turboaufgeladene Brennkraftmaschine, mit mindestens einem erfindungsgemäßen Turbolader
dessen Verdichter anströmseitig
mit einer Lufteinlassseite der Brennkraftmaschine verbunden ist
und dessen Turbine abströmseitig
mit einer Abgasauslassseite der Brennkraftmaschine verbunden ist.
- – Ein
Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, der auf einer Frischluftseite
des Turboladers eine Bypasseinrichtung zum Überbrücken eines Verdichters aufweist,
mit einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Bypasseinrichtung geschlossen ist
und die angesaugte Frischluft über
den durch die Bypasseinrichtung überbrückbaren
Verdichter geleitet wird, mit einem zweiten Betriebsmodus, bei dem
die Bypasseinrichtung geöffnet
ist und die angesaugte Frischluft zumindest teilweise über die
Bypasseinrichtung geleitet wird.
- – Eine
Verwendung einer Bypasseinrichtung, insbesondere eines Bypassventil
und/oder eines Bypassrohrschalters und/oder einer Bypassklappe, zum Überbrücken eines
Verdichters, insbesondere des Hochdruckverdichters, eines Turboladers.
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Die
der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin,
auf der Verdichterseite, das heißt im Anströmpfad eines Turboladers, zumindest
eine Bypasseinrichtung bereitzustellen. Diese Bypasseinrichtung
ist dazu ausgelegt, bei Bedarf den Verdichter zu überbrücken, das
heißt
in diesem Falle wird im Anströmpfad
die angesaugte bzw. bereits vorverdichtete Frischluft zumindest
zum Teil an dem Verdichter vorbeigeleitet und beispielsweise direkt dem
Motor in unverdichteter Form zugeführt. Auf diese Weise kann ein
zu großer
Druckunterschied zwischen der Einlassseite des Verdichters und dessen Auslassseite
verhindert bzw. zumindest verringert werden. Auf diese Weise entsteht
an der Auslassseite des Ver dichters gegenüber dessen Einlassseite kein
zu starker Unterdruck, wodurch der Motor dadurch auch nicht gedrosselt
wird. Der besondere Vorteil besteht also darin, dass durch die erfindungsgemäße Bypasseinrichtung
ein Turboloch, welches typischerweise bei niedrigen Drehzahlen des
Turboladers existiert, weitestgehend vermieden oder zumindest signifikant
reduziert wird. Dieser Betrieb des Turboladers ist insbesondere
bei niedrigen Drehzahlen des Turboladers und damit bei einem Beschleunigen
aus niedrigen Drehzahlen relevant.
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Auf
Grund des reduzierten Unterdruckes zwischen Verdichterauslass und
Motoreinlass wird auch weniger Öl
aus den Lagerungen des Turboladers abgesaugt. Dieses Öl würde sonst
in unerwünschter
Weise über
die vom Verdichter verdichtete Frischluft in den Verbrennungsraum
des Motors gelangen. Dadurch wird der gesamte Verbrennungsprozess
im Motor insgesamt verbessert.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Bypasseinrichtung
bei einem Turbolader eine durch den Turbolader verursachte Lärmerzeugung
deutlich reduziert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den weiteren Unteransprüchen
sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung.
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In
einer typischen Ausgestaltung des Turboladers und der Brennkraftmaschine
ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche die Funktion der Bypasseinrichtung
steuert. Diese Steuereinrichtung kann z. B. Bestandteil des Turboladers
oder auch der Brennkraftmaschine sein. Typischerweise ist die Steuereinrichtung
aber als Bestandteil der Motorsteuerung zur Steuerung sowohl der
Brennkraftmaschine als auch des Turboladers ausgebildet. Eine solche
Steuereinrichtung, die zum Beispiel das Öffnen und Schließen der
Bypasseinrichtung steuert, kann mechanisch oder auch elektrisch
ausgebildet sein. Im Falle einer elektrisch ausgebildeten Steuereinrichtung
enthält
die Bypasseinrichtung zum Beispiel ein elektrisch durch die Steuereinrichtung
steuerbares Stellglied. Diese Steuereinrichtung kann in diesem Falle
eine programmgesteuerte Einheit sein, zum Beispiel ein Mikrocontroller
oder Mikroprozessor.
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In
einer typischen Ausgestaltung kann die Bypasseinrichtung zum Beispiel
ein Bypassventil, ein Bypassrohrschalter, eine Bypassklappe oder
dergleichen aufweisen. Denkbar wäre
auch eine Kombination dieser Elemente. Vorzugsweise sind diese Elemente über die
Steuereinrichtung steuerbar ausgebildet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Turbolader zumindest
zwei Turboladerstufen auf. Jede dieser (nacheinander angeordneten)
Turboladerstufen enthält
einen Verdichter und eine Turbine, die miteinander jeweils über eine
gemeinsame Welle (z. B. mechanisch) miteinander gekoppelt sind.
Bei zweistufigen Turboladern können die
beiden Turboladerstufen gleichzeitig betrieben werden oder es kann
auch jeweils nur eine der Turboladerstufen aktiv sein. Zweistufige
Turbolader weisen gegenüber
einstufigen Turboladern den Vorteil auf, dass dadurch eine bessere
und effektivere Regelung der Aufladung realisierbar ist, wodurch
insgesamt das Turboloch weiter reduziert werden kann.
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In
einer typischen Ausgestaltung ist eine der Turboladerstufen als
Hochdruckstufe mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter
ausgebildet. Eine weitere Stufe ist als Niederdruckstufe mit einer
Niederdruckturbine und einem Niederdruckverdichter ausgebildet.
Hochdruckturbine und Hochdruckverdichter einerseits und Niederdruckturbine und
Niederdruckverdichter andererseits sind jeweils über eine gemeinsame Welle miteinander
gekoppelt.
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In
einer typischen Ausgestaltung des zumindest zweistufigen Turboladers überbrückt die
Bypasseinrichtung zumindest den Verdichter der Hochdruckstufe.
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In
einer dazu alternativen Ausgestaltung ist im Falle einer zumindest
zweistufigen Turboaufladung eine einzige Bypasseinrichtung vorgesehen, die
sowohl den Niederdruckverdichter als auch den Hochdruckverdichter überbrückt.
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Eine
weitere, ebenfalls alternative Ausgestaltung sieht im Fall des zumindest
zweistufigen Turboladers zumindest zwei Bypasseinrichtungen vor. Dabei
ist eine erste Bypasseinrichtung dazu ausgelegt, den Niederdruckverdichter
zu überbrücken und eine
zweite Bypasseinrichtung ist dazu ausgelegt, den Hochdruckverdichter
zu überbrücken.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eine der Bypasseinrichtungen
bezogen auf die Strömungsrichtung
der Frischluft rückwärts sperrend
ausgebildet. Im Falle einer geschlossenen Bypasseinrichtung kann
somit verdichtete Frischluft, die auslassseitig von dem jeweils über die
Bypasseinrichtung überbrückten Verdichter
bereitgestellt wird, nicht wieder über diese Bypasseinrichtung
zu der jeweiligen Einlassseite des Verdichters gelangen.
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In
einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist die Bypasseinrichtung
als Drosseleinrichtung für
die Brennkraftmaschine betreibbar. Beispielsweise kann der Turbolader über die
Steuereinrichtung so angesteuert werden, dass der Turbolader als
Motorbremse fungiert, indem für
den Fall, dass ein Bremsvorgang angezeigt wird, durch Schließen der
Bypasseinrichtung künstlich
ein Unterdruck zwischen dem jeweiligen Verdichter und der Brennkraftmaschine
erzeugt wird, was insgesamt zu einem Drosseln der Brennkraftmaschine
führen
würde.
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In
einer typischen Ausgestaltung sind eine erste Rohrleitung zum Verbinden
des Frischlufteinlasses mit der Einlassseite des Verdichters und
eine zweite Rohrleitung zum Verbinden der Auslassseite des Verdichters
mit dem Frischluftauslass oder mit einem weiteren Verdichter vorgesehen.
Ferner ist mindestens eine Bypassrohrleitung als Bestandteil der Bypasseinrichtung
vorgesehen, welche über
eine erste Rohrabzweigung von der ersten Rohrleitung abzweigt und
welche über
eine zweite Rohrabzweigung in die zweite Rohrleitung mündet.
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In
einer typischen Ausgestaltung weist der Turbolader einen Luftfilter
auf. Dieser Luftfilter ist im Anströmpfad zwischen dem Frischlufteinlass
und dem Verdichter angeordnet. Die Bypassrohrleitung zweigt dabei
in Strömungsrichtung
der Frischluft nach dem Luftfilter ab. Dieser Luftfilter dient dem
Reinigen der angesaugten Luft, um so zu verhindern, dass kleinste
Staubteile und Partikel in das mit sehr hohen Drehzahlen betriebene
Verdichterrad gelangen können,
was zu einer Beschädigung
bis hin zu einer Zerstörung
des Verdichterrades führen
kann.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Anströmpfad zwischen
dem Verdichter, insbesondere dem Hochdruckverdichter, und dem Frischluftauslass
ein Ladeluftkühler
angeordnet. Der Ladeluftkühler
mündet
typischerweise unmittelbar vor dem Einlass der Brennkraftmaschine
ein und dient dem Zweck, die der Brennkraftmaschine zugeführte verdichtete
Ladeluft, die bei sehr hohen Drehzahlen des Turboladers sehr heiß wird und
damit unter Umständen
die Leistung der Brennkraftmaschine senken kann, entsprechend wieder
abzukühlen.
Die Bypassrohrleitung ist hier in Strömungsrichtung der Frischluft
vor dem Ladeluftkühler
angeordnet.
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In
einer ebenfalls typischen Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Turbolader
eine weitere Bypasseinrichtung auf, welche im Abströmpfad des Turboladers
angeordnet ist und welche dazu ausgelegt ist, eine Turbine des Turboladers
zu überbrücken. Diese
weitere Bypasseinrichtung wird häufig auch
als Wastegate bezeichnet und dient der Ladedruckregelung. Das Wastegate
kann z. B. ein Bypassventil, eine Klappe oder einen Bypassrohrschalter
aufweisen. Üblicherweise überbrückt dieses
Bypassventil mittels einer eigens dafür vorgesehenen Rohrleitung
die abgasseitige Turbine. Bei einem eingestellten Ladedruck wird
dieses Bypassventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und
leitet dann das Abgas über
die By passrohrleitung und das Bypassventil an der Turbine vorbei
direkt in den Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl
unterbindet. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Turbine und
damit auch der Verdichter des Turboladers immer höher drehen
und auf Grund der positiven Rückkopplung
von Turbinen-Umdrehungsgeschwindigkeit und Verdichter-Umdrehungsgeschwindigkeit
damit der Verdichter seine Fördergrenze
erreicht und die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors überschritten
werden, was unter Umständen
zu einem Zerstören
des Turboladers sowie des Motors führt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist eine erste Messeinrichtung
vorgesehen. Diese erste Messeinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Geschwindigkeit
eines Turbinenrades des Turboladers zu messen, beispielsweise die
Geschwindigkeit des Turbinenrades der Hochdruckturbine. Die Steuereinrichtung
steuert die Bypasseinrichtung abhängig von der gemessenen Turbinenradgeschwindigkeit.
Auf diese Weise kann drehzahlabhängig
eine Steuerung der Bypasseinrichtung, sei es, dass sie geschlossen,
geöffnet
oder teilweise geöffnet
ist, gezielt nach Maßgabe
der Turbinenradgeschwindigkeit vorgenommen werden.
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In
einer weiteren, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zweite
Messeinrichtung vorgesehen, die den durch die Bypasseinrichtung
und/oder den durch den Verdichter geleiteten Luftmassenstrom misst.
Dieser gemessene Luftmassenstrom, der in der englischsprachigen
Literatur auch als Air Mass Flow (AMF) bezeichnet wird, bezeichnet
den Luftdurchsatz des Verdichters bzw. der Bypasseinrichtung. Abhängig von
dem so ermittelten Luftmassenstrom kann somit ebenfalls die Funktion
der Bypasseinrichtung gezielt darauf abgestimmt werden. Vorzugsweise
wird die Bypasseinrichtung sowohl nach Maßgabe des ermittelten Luftmassenstroms und
damit des Luftdurchsatzes sowie der Geschwindigkeit des Turbinenrades
gesteuert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben eines Turboladers ist ein erster Betriebsmodus und ein
zweiter Be triebsmodus vorgesehen, wobei im ersten Betriebsmodus
die Bypasseinrichtung geschlossen wird und die angesaugte Frischluft
vollständig über den
durch die Bypasseinrichtung überbrückbaren
Verdichter geleitet wird und im zweiten Betriebsmodus die Bypasseinrichtung
geöffnet
wird und die angesaugte Frischluft zumindest teilweise über die
Bypasseinrichtung geleitet wird. Erfindungsgemäß ist nun noch ein dritter
Betriebsmodus – als
Spezialfall des zweiten Betriebsmodus – vorgesehen, bei dem die angesaugte
Frischluft ausschließlich über die
Bypasseinrichtung an dem Verdichter vorbei geleitet wird. Über den
Verdichter gelangt im dritten Betriebsmodus somit keine Frischluft. Dies
kann beispielsweise durch eine am Einlass des Verdichters angebrachte
steuerbare Klappe (Schalter, Ventil oder dergleichen) realisiert
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine erste Schwelle
eines Luftdurchsatzes im Anströmpfad
vorgegeben. Der Turbolader wird hier im dritten Betriebsmodus betrieben,
sofern der gemessene, das heißt
aktuelle Luftdurchsatz der Frischluft im Anströmpfad unter der ersten Schwelle liegt.
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Zusätzlich oder
alternativ wird eine zweite Schwelle des Luftdurchsatzes im Anströmpfad vorgegeben,
die größer ist
als die erste Schwelle. Der Turbolader wird im ersten Betriebsmodus
betrieben, sofern der aktuelle Luftdurchsatz im Anströmpfad betragsmäßig über der
zweiten Schwelle liegt.
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Liegt
der aktuelle Luftdurchsatz der Frischluft im Anströmpfad im
Bereich zwischen erster und zweiter Schwelle, dann wird der Turbolader
im zweiten Betriebsmodus betrieben.
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Statt
der Verwendung der zwei Schwellen wäre auch lediglich eine Schwelle
denkbar, oberhalb der der Turbolader z. B. im ersten Betriebsmodus
betrieben wird und unterhalb der der Turbolader z. B. im zweiten
oder im dritten Betriebsmodus betrieben wird. Variationen hierzu
wären selbstverständlich auch
denkbar, zum Beispiel die Verwendung von mehr als zwei Schwellen
oder das Einführen
einer Schalthysterese für
das Schalten zwischen den verschiedenen Betriebsmodi bei Über- oder Unterschreiten
einer der Schwellen.
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In
einer zusätzlichen,
dazu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Turbolader im zweiten Betriebsmodus betrieben, solange
im Anströmpfad
der gemessene, aktuelle Luftdurchsatz durch den Verdichter geringer
ist als der Luftdurchsatz über
die Bypasseinrichtung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der durch die Bypasseinrichtung
und/oder der durch den Verdichter geleitete aktuelle Luftdurchsatz gemessen
und beispielsweise hinsichtlich der entsprechend vorgegebenen Schwellen
ausgewertet. Dies erfolgt typischerweise in eigens dafür vorgesehenen
Messeinrichtungen sowie in einer entsprechenden Auswerteeinrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen
angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen dabei:
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1 eine
schematische Darstellung eines allgemeinen ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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3 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
-
4 eine
schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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5 eine
schematische Darstellung eines fünften
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Turboladers;
-
6 eine
schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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7A eine
schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus eines erfindungsgemäßen Turboladers;
-
7B eine
schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus eines erfindungsgemäßen Turboladers.
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In
den Figuren der Zeichnungen sind gleiche und funktionsgleiche Elemente,
Merkmale und Größen – sofern
nichts Anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines ersten allgemeinen Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen, stark
vereinfachter Turboladers, der lediglich die wesentlichen Bestandteile
eines Turboladers aufweist.
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In 1 ist
der Turbolader mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Turbolader 10 weist
in bekannter Weise einen Verdichter 11 und eine Turbine 12 auf,
die über
eine gemeinsame Welle 13 miteinander mechanisch gekoppelt
sind. Der Verdichter 11 ist in einem Anströmpfad 14 und
die Turbine 12 in einem Abströmpfad 15 angeordnet.
Der Turbolader 10 in 1 ist einstufig
ausgebildet, das heißt
er weist lediglich einen Verdichter 11 und eine Turbine 12 auf.
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Der
Anströmpfad 14 des
Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Frischlufteinlass 16, über den
Frischluft angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 17, über den
durch den Verdichter 11 verdichtete Frischluft vom Turbolader 10 bereitgestellt wird.
Diese abgegebene, verdichtete Frischluft wird einer Frischlufteinlassseite
einer (in der 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
zugeführt.
Der Abströmpfad 15 des
Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 18, über den
von der (in 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
erzeugtes Abgas in den Turbolader eingeleitet wird, und einem Abgasauslass 19, über das
das Abgas ausströmen
kann. Der Anströmpfad
wird häufig
auch als Ansaugtrakt, Frischluftseite oder Ladeluftseite bezeichnet.
Der Abströmpfad
wird häufig
auch als Abgaspfad oder Abgasseite bezeichnet.
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Hinsichtlich
der in der vorliegenden Patentanmeldung gewählten Terminologie weist ein
jeweiliger Verdichter eingangsseitig einen Einlass und ausgangsseitig
ein Auslass auf. Die Strömungsrichtung
wird auf der Verdichterseite jeweils durch die Strömungsluft
der Frischluft, das heißt
hin zur Brennkraftmaschine bestimmt. In sämtlichen Figuren der Zeichnung
ist die Strömungsrichtung
der Frischluft bzw. des Abgases durch entsprechende Pfeile in den Rohrleitungen
dargestellt. Die jeweilige Frischluft ist dabei mit Bezugszeichen 20 und
die jeweilige Abgasluft mit Bezugszeichen 21 bezeichnet.
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Zwischen
dem Frischlufteinlass 16 und dem Einlass des Verdichters 11 ist
eine erste Rohrleitung 20a vorgesehen, innerhalb der die
dem Verdichter 11 zugeführte
Frischluft einen Druck P1 und eine Temperatur T1 aufweist. Ferner
ist eine weitere Rohrleitung 20b zwischen dem Auslass des
Verdichters 11 und dem Frischluftauslass 17 vorgesehen.
Der Verdichter 11 ist dazu ausgelegt, die ihm über die
Rohrleitung 20a zugeführte
Frischluft 20 zu verdichten und ausgangsseitig über die
Rohrleitung 20b in verdichteter Form bereitzustellen.
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In
gleicher Weise ist zwischen dem Abgaseinlass 18 und der
Turbine 12 eine Rohrleitung 21b und zwischen der
Turbine 12 und dem Abgasauslass 19 eine zweite
Rohrleitung 20a vorgesehen.
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Erfindungsgemäß weist
der Turbolader 10 eine Bypasseinrichtung 22 auf.
Die Bypasseinrichtung 22 umfasst einen Bypassschalter 23,
der zum Beispiel als Bypassventil, Bypassklappe, Bypassrohrschalter 23 oder
dergleichen, ausgebildet sein kann. Die Bypasseinrichtung 22 ist
dazu ausgelegt, den Frischluftstrom 20 je nach Betriebsweise
zumindest teilweise über
entsprechende Rohrleitungen 24a, 24b und den Bypassschalter 23 vorbeizuleiten. Hierzu
zweigt von der ersten Rohrleitung 20a über eine Rohrabzweigung eine
Bypassrohrleitung 24a ab, die in den Rohrschalter 23 mündet. Von
dort führt eine
zweite Bypassrohrleitung 24b über eine zweite Rohrabzweigung 25b wieder
in die zweite Rohrleitung 20b.
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Die
Bypasseinrichtung 22 kann, wie nachfolgend noch detailliert
beschrieben wird, in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden.
Beispielsweise kann die Bypasseinrichtung 22 vollständig geöffnet, vollständig geschlossen
oder teilweise geöffnet
und geschlossen ausgebildet sein. Je nach Betriebsmodus fließt somit
die über
den Frischlufteinlass 16 zugeführte Frischluft 20 vollständig über den
Verdichter 11, vollständig über die
Bypasseinrichtung 22 oder sowohl über den Verdichter 11 als
auch über
die Bypasseinrichtung 22.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen, einstufig
ausgebildeten Turboladers. Im Unterschied zu 1 ist in
dem Ausführungsbeispiel
in 2 zusätzlich
die Brennkraftmaschine 30 dargestellt. Der Motorblock der
Brennkraftmaschine 30 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
vier Zylinder auf, was allerdings lediglich beispielhaft zu verstehen
ist. Auch ist die Brennkraftmaschine 30 sowie die Ankopplung
an den Turbolader 10 über
den Ansaugkrümmer
und den Abgaskrümmer
lediglich schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
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Der
Motorblock 31 der Brennkraftmaschine 30 weist
eine Lufteinlassseite 32 und eine Abgasauslassseite 33 auf.
Die Lufteinlassseite 32 ist hier mit dem Frischluftauslass 17 des
Turboladers 10 verbunden, sodass die von dem Turbolader 10 verdichtete Frischluft 20 über entsprechende
(lediglich schematisch dargestellte) Frischluftkrümmer dem
Motorblock 31 zugeführt
werden kann. Die Abgasauslassseite 33 ist mit dem Abgaseinlass 18 des
Turboladers 10 verbunden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
in der 2 ist ferner in der ersten Rohrleitung 20a,
das heißt
zwischen dem Frischlufteinlass 16 und dem Verdichter 11,
ein Luftfilter 34 vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, die
angesaugte Luft zu filtern und damit zu reinigen.
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Ferner
ist in der Rohrleitung 20b, das heißt zwischen dem Verdichter 11 und
dem Frischluftauslass 17 und damit unmittelbar vor der
Brennkraftmaschine 30, ein Ladeluftkühler 35 vorgesehen.
Dieser Ladeluftkühler 35 kühlt die
bei sehr hohen Drehzahlen durch den Verdichter 11 typischerweise
stark erhitzte Luft entsprechend ab, damit in dem Motorblock 31 eine
optimale Verbrennung stattfinden kann.
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Im
Abströmpfad 15 ist
ferner eine weitere Bypasseinrichtung 36 vorgesehen, die
ein so genanntes Wastegate-Ventil 37 zwischen den beiden
Bypassrohrleitungen 37a, 37b aufweist. Über diese
weitere Bypasseinrichtung 36 lässt sich Abgas an der Turbine 12 vorbeileiten
und damit verhindern, dass die Turbine 12 zu hohe Drehzahlen
erreicht und damit der Motor über
seine Leistungsgrenze gebracht wird.
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Ferner
ist in der Rohrleitung 21a auf der Abströmseite ein
Abgassystem 38, wie zum Beispiel ein Katalysator, Abgasfilter,
Auspuff und dergleichen, vorgesehen.
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Im
Unterschied zu den 1 und 2 ist in dem
dritten Ausführungsbeispiel
in der 3 der Turbolader 10 zweistufig ausgebildet,
das heißt
er weist zwei Turboladerstufen 40, 41 auf. Jede
Turboladerstufe 40, 41 weist einen eigenen Verdichter 11a, 11b und
eine eigene Turbine 12a, 12b auf, die innerhalb
der jeweiligen Stufe 40, 41 über eine gemeinsame Welle 13a, 13b miteinander
gekoppelt sind. Dabei ist die erste Turboladerstufe 40 als
Niederdruckstufe 40 ausgebildet und umfasst einen Niederdruckverdichter 11a und
eine Niederdruckturbine 12a. Die zweite Turboladerstufe 41,
die direkt mit der Lufteinlassseite 32 und Abgasauslassseite 33 der
Brennkraftmaschine 30 verbunden ist, ist als Hochdruckstufe 40b ausgebildet
und umfasst einen Hochdruckverdichter 11b und eine Hochdruckturbine 12b.
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Erfindungsgemäß weist
in der 3 lediglich die Hochdruckstufe 40b eine
Bypasseinrichtung 22 auf. Somit wird die angesaugte Frischluft
in der Niederdruckstufe 40a stets durch den Niederdruckverdichter 11a geleitet.
Abhängig
von der Betriebsweise der Bypasseinrichtung 22 wird die
in dem Niederdruckverdichter 11a verdichtete Luft entweder ausschließlich über die
Bypasseinrichtung 22, ausschließlich über den Hochdruckverdichter 11b oder sowohl
durch den Hochdruckverdichter 11b als auch die Bypasseinrichtung 22 geleitet.
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In
der 3 weist sowohl die Hochdruckstufe 40b wie
auch die Niederdruckstufe 40a jeweils eine eigene Wastegate-Bypasseinrichtung 36a, 36b auf.
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In
dem vierten Ausführungsbeispiel
in 4 weist der Turbolader 10 eine einzige
Bypasseinrichtung 22 auf, wobei hier die Bypasseinrichtung 22 gleichermaßen sowohl
den Niederdruckverdichter 11a und den Hochdruckverdichter 11b überbrückt. Die angesaugte
Luft kann somit entweder über
die beiden Verdichter 11a, 11b oder unverdichtet über die Bypasseinrichtung 22 geleitet
werden.
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Im
Unterschied zu den 3 und 4 weist
der Turbolader in dem fünften
Ausführungsbeispiel
in 5 zwei Bypasseinrichtungen 22a, 22b auf.
Jede dieser Bypasseinrichtungen 22a, 22b ist jeweils
einem einzigen Verdichter 11a, 11b zugeordnet und
dazu ausgelegt, eben den ihm zugeordneten Verdichter 11a, 11b zu überbrücken. Diese
beiden Bypasseinrichtungen 22a, 22b lassen sich
vorzugsweise getrennt voneinander betreiben. Auf diese Weise ist
ein gestuftes Zuschalten der jeweiligen Verdichter 11a, 11b möglich. Beispielsweise
wäre denkbar,
dass bei sehr niedrigen Drehzahlen des Turboladers 10 die
Luft über
beide Bypasseinrichtungen 22a, 22b direkt der
Brennkraftmaschine 30 zugeführt wird. Bei steigenden Drehzahlen
wird zunächst
die Bypasseinrichtung 22a für den Niederdruckver dichter
geschlossen, sodass die angesaugte Frischluft 20 zunächst über den
Niederdruckverdichter 11a geleitet wird. Anschließend wird
diese im Niederdruckverdichter 11a verdichtete Luft über die
zweite Bypasseinrichtung 22b an dem Hochdruckverdichter 11b vorbeigeleitet.
Bei weiter steigenden Drehzahlen kann dann auch die zweite Bypasseinrichtung 22b geschlossen
werden, sodass die Frischluft vollständig über beide Verdichter 11a, 11b der
Brennkraftmaschine zugeführt
wird. Bei hohen Drehzahlen ist damit eine sehr hohe Verdichtung
der angesaugten Frischluft 20 möglich.
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6 zeigt
ein stark vereinfachtes sechstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung
mit einem erfindungsgemäßen Turbolader.
Diese Anordnung umfasst drei Messeinrichtungen 50, 51, 52.
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Die
erste Messeinrichtung 50 ist dazu ausgelegt, den Luftdurchsatz
auf der Anströmseite 14 zu ermitteln.
Hierzu ist die erste Messeinrichtung 50 eingangsseitig
mit der Rohrleitung 20a verbunden, um den Luftmassenstrom
in dieser Rohrleitung 20a zu messen. Abhängig von
dem ermittelten Luftmassenstrom erzeugt die erste Messeinrichtung 50 ein Messsignal
M1.
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Die
zweite Messeinrichtung 51 ist dazu ausgelegt, die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Turbine 12 und damit auch des Verdichters 11 zu
ermitteln. Zu diesem Zwecke ist die zweite Messeinrichtung 51 eingangsseitig
mit der gemeinsamen Welle 13 verbunden, um deren Winkelgeschwindigkeit
aufzunehmen. Abhängig
von der aufgenommenen Winkelgeschwindigkeit erzeugt die zweite Messeinrichtung 51 ein
zweites Messsignal M2.
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Die
dritte Messeinrichtung 52 ist dazu ausgelegt, den Luftdruck
an der Frischluftauslassseite 17 des Turboladers 10 zu
ermitteln. Zu diesem Zwecke ist die dritte Messeinrichtung 52 mit
der Rohrleitung 20b verbunden, um dort den Druck P2 zu
ermitteln. Abhängig
von dem ermittelten Druck P2 erzeugt die dritte Messeinrichtung 52 ein
drittes Messsignal M3.
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Die
Anordnung in 6 weist ferner eine Steuereinrichtung 53 auf.
Die Steuereinrichtung 53 kann Bestandteil des Turboladers 10 oder
der Brennkraftmaschine 30 sein oder auch als getrennte
Steuereinrichtung, beispielsweise als Bestandteil der Motorsteuerung,
ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 53 ist dazu ausgebildet,
die Bypasseinrichtung 22 entsprechend durch ein Steuersignal
S1 zu steuern. Dieses Steuersignal S1 wird nach Maßgabe zumindest
eines der Messsignale M1–M3
erzeugt. Abhängig
von diesen Messsignalen M1–M3
steuert das Steuersignal S1 die Bypasseinrichtung 22 in
einen geöffneten,
einen teilweise geschlossenen oder einen vollständig geschlossenen Zustand
und reguliert auf diese Weise den Durchfluss der Frischluft auf
der Anströmseite 14 dahingehend,
dass angesaugte Frischluft entweder lediglich über den Verdichter 11, lediglich über die
Bypasseinrichtung 22 oder sowohl durch den Verdichter 11 und
die Bypasseinrichtung 22 strömt.
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Anhand
der 7A und 7B werden nachfolgend
zwei schematische Darstellungen für die Betriebsweise eines mit
einer erfindungsgemäßen Bypasseinrichtung 22 ausgestatteten,
zum Beispiel einstufig ausgebildeten Turboladers 10 gezeigt, wobei
hier von einem einstufigen Turbolader 10 entsprechend 1 ausgegangen
wird. Ferner gehen diese Betriebsmodi davon aus, dass zur Steuerung der
Bypasseinrichtung 22 lediglich der Luftdurchsatz im Anströmpfad 14 herangezogen
wird. Zusätzlich oder
alternativ kann hier natürlich
auch der Druck P2 und/oder die Umdrehungsgeschwindigkeit herangezogen
werden.
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Erster Betriebsmodus:
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Die
Bypasseinrichtung 22 ist geschlossen, sodass die angesaugte
Frischluft ausschließlich über den
Verdichter 11 strömt.
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Zweiter Betriebsmodus:
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Die
Bypasseinrichtung 22 ist geöffnet, sodass die Frischluft
sowohl über
die Bypasseinrichtung 22 als auch den Verdichter 11 strömen kann.
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Dritter Betriebsmodus:
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Die
Bypasseinrichtung 22 ist geschlossen und über eine
(in den 1 nicht dargestellte Klappe)
ist die Einlassseite des Verdichters 11 geschlossen. In
diesem Falle strömt
die angesaugte Frischluft ausschließlich über die Bypasseinrichtung 22.
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In
der 7A ist eine Schwelle SW für den Luftdurchsatz AMF vorgegeben.
Liegt der durch die Rohrleitung 20a fließende Frischluftstrom
und damit der Luftdurchsatz AMF oberhalb dieser Schwelle SW, dann
wird der Turbolader im ersten Betriebsmodus betrieben, liegt er
darunter, wird er im zweiten Betriebsmodus betrieben.
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Im
Unterschied hierzu werden in dem Ausführungsbeispiel in 7B zwei
Schwellen SW1, SW2 vorgegeben, wobei die erste Schwelle SW1 einen
größeren Luftdurchsatz
definiert als die zweite Schwelle SW2, d. h. SW1 > SW2. Ist der gemessene, das
heißt
aktuelle Luftdurchsatz AMF durch die Rohrleitung 20a größer als
die Schwelle SW1, dann wird der Turbolader 10 im ersten
Betriebsmodus betrieben. Ist der gemessene Luftdurchsatz AMF kleiner als
die zweite Schwelle SW2, dann wird der Turbolader 10 im
dritten Betriebsmodus betrieben. Ist der gemessene Luftdurchsatz
AMF im Bereich zwischen der ersten Schwelle SW1 und der zweiten
Schwelle SW2, dann wird der Turbolader 10 im zweiten Betriebsmodus
betrieben.
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Die
vorliegende Erfindung sei nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern
lässt sich
selbstverständlich
auf mannigfaltige Art und Weise modifizieren.