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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine automatische Klimasteuerung für ein Heizungs-,
Belüftungs-
und Klimaanlagensystem (HVAC) eines Fahrzeugs und insbesondere auf
ein Verfahren zum Kompensieren der Steuerung im Hinblick auf Heiz-
und Kühleffekte,
die mit den Innenraumkomponenten der Fahrzeugkabine verbunden sind.
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Ein
automatisches Klimasteuerungsverfahren zum Wiedererwärmen unter
Berücksichtigung der
Innenraumkomponenten der Fahrzeugkabine ist in
US 6,202,934 offenbart, worauf der
Oberbegriff des beigefügten
Anspruch 1 basiert.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Allgemeinen reguliert ein automatisches Klimasteuerungssystem die
Geschwindigkeit, Temperatur und Stelle der Ausströmluft basierend
auf einer gewünschten
oder eingestellten Temperatur und einer Anzahl einfach gemessener
oder geschätzter Parameter
wie z.B. der Außenlufttemperatur,
der Kabinenlufttemperatur und der Sonnenintensität. In einigen Fällen werden
die Parameter arithmetisch kombiniert, um einen numerischen Index
oder eine Programmnummer zu bilden, aus der die Geschwindigkeit
und Temperatur der Ausströmluft
durch eine Nachschlagetabelle bestimmt werden. In anderen Fällen werden
die Parameter verwendet, um eine Gleichung für ein Arbeits- oder Leistungsgleichgewicht
für den
erforderlichen Heiz- oder Kühlaufwand zu
lösen,
und ein Steuerungsalgorithmus wählt
eine von mehreren möglichen
Kombinationen der Geschwindigkeit und Temperatur der Ausströmluft aus, um
der geforderten Leistung zu genügen.
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Die
thermischen Effekte, die mit den Innenraumkomponenten der Fahrzeugkabine
verbunden sind (worauf hierin als die Innenraummasse- oder Kernkomponenten
verwiesen wird), werden jedoch typischerweise ignoriert, insbesondere
in Systemen, die die Kabinenlufttemperatur messen, da die Temperatur
der Innenraummassekomponenten letztendlich in der gemessenen Kabinenlufttemperatur
widergespiegelt wird. Zum Beispiel erhöhen die Innenraummassekomponenten
nach einer Bedingung für ein
Durchwärmen
die gemessene Kabinenlufttemperatur weiter, nachdem die Effekte
der Außenlufttemperatur
und Sonnenintensität
berücksichtigt
wurden. Dieses indirekte Verfahren zum Berücksichtigen von Effekten der
Innenraummassetemperaturen ist in ihrer Art offenkundig rückwirkend
und schwächt
eher die Regulierung der Kabinenlufttemperatur. In Systemen, die
versuchen, Temperatureffekte der Innenraummassen zu adressieren,
wie z.B. das US-Patent Nr. 5,603,226 von Ishikawa et al., wird jedoch
nur eine marginale Verbesserung erzielt, da die Temperatur der Innenraummassekomponenten
nicht bekannt ist. Zum Beispiel nehmen Ishikawa et. al an, dass
die Temperatur der Kabinenkomponenten der Temperatur der Kabinenluft äquivalent
ist, was tatsächlich
nur wahr ist, nachdem die gesamte Kabine eine stationäre Temperatur
erreicht hat. Dementsprechend wird ein Verfahren zur automatischen
Klimasteuerung benötigt,
das die Temperatureffekte der Innenraummassen direkt und genau berücksichtigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein verbessertes Verfahren zur automatischen
Klimasteuerung eines Kraftfahrzeugs gerichtet, in welchem der Heiz- oder
Kühleinfluss
der Innenraummassekomponenten der Kabine genau bestimmt und genutzt
wird, um die Klimasteuerung zu kompensieren, um die thermischen
Effekte der Innenraummassekomponenten auf die Kabinenlufttemperatur
auszugleichen. Die Temperatur der Innenraummassen wird entweder
gemessen oder durch Modellieren geschätzt und mit einem Maß des thermischen
Widerstands zwischen den Innenraummassekomponenten und der Kabinenluft kombiniert,
um die Heiz- oder
Kühlleistung
zu bestimmen, die erforderlich ist, um die Temperatur der Innenraummassen
auszugleichen. Die so bestimmte Heiz- oder Kühlleistung wird von einem Algorithmus zur
Klimasteuerung genutzt, um die Ausströmgeschwindigkeit und -temperatur
der Systemluft einzustellen, was Effekte der Temperatur der Innenraummassen
direkt kompensiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt
die Kabine eines Kraftfahrzeugs und die Stellen für die gemessenen
oder geschätzten Temperaturen
gemäß dieser
Erfindung dar;
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2 ist
ein Diagramm eines Systems zur automatischen Klimasteuerung gemäß dieser
Erfindung, das einen elektronischen automatischen Klima-Controller
enthält;
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3 ist
ein Blockdiagramm einer Steuerung, die von dem automatischen Klima-Controller von 2 gemäß dieser
Erfindung ausgeführt
wird;
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4 stellt
ein schematisiertes bzw. konzentriertes Parametermodell der Kabine
des Kraftfahrzeugs von 1 gemäß dieser Erfindung dar.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Nach 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 10 als Ganzes den Fahrgastraum oder die
Kabine eines Kraftfahrzeugs 12, worin Insassen 14, 16 auf
Vorder- und Rücksitzen 18, 20 sitzen.
Die Temperatur der Luft in der Kabine 10, worauf hierin
als Tcabin verwiesen wird, wird typischerweise
an einer zweckmäßigen Stelle
wie z.B. in dem Bereich 22 des Armaturenbretts 24 gemessen,
obgleich Tcabin alternativ dazu geschätzt werden
kann, wie z.B. in dem US-Patent Nr. 6,234,938 offenbart ist, das
Delphi Technologies Inc. erteilt wurde. Im Allgemeinen wird Tcabin von drei Primärfaktoren beeinflusst: der
Temperatur Tamb der Umgebungs- oder Atmosphärenluft,
der Sonnenintensität
(SI) und der Temperatur Tdeep der Innenraummassekomponenten
der Kabine 10. Andere Faktoren wie z.B. die von den Insassen 14, 16 erzeugte
Wärme und
die durch das Motor- und Abgassystem des Fahrzeugs zur Kabine 10 übertragene
Wärme sind typischerweise
vernachlässigbar
und können
ignoriert werden. Die Umgebungstemperatur Tamb wird einfach
mit einem geeignet platzierten Thermistor gemessen, und die Sonnenintensität SI kann
durch einen oder mehrere geeignet platzierte Sensoren 26 gemessen
werden, wie in der Technik gut bekannt ist. Die Innenraummassekomponenten
umfassen die Sitze 18, 20, das Armaturenbrett 24,
die Kabinentüren,
die Verkleidung und den Boden etc., und gemäß dieser Erfindung kann Tdeep entweder gemessen oder durch thermisches
Modellieren geschätzt
werden. Bei Anwendungen, bei denen Tdeep gemessen
werden soll, hat man festgestellt, dass genaue und zuverlässige Messungen
mit einem Thermistor 30 erhalten werden können, der
an der Rückenlehne 32 des
Vordersitzes 18 angeordnet ist, wie in 1 dargestellt
ist. Beim Anordnen eines Thermistors 30 ist es besonders
wichtig, dass er konvektiven Luftströmen, die vom HVAC-System erzeugt
werden, nicht direkt ausgesetzt ist oder nicht in direktem Kontakt mit
der Außen haut
der Kabine 10 platziert wird. Falls gewünscht, kann Tdeep durch
mehrere Thermistoren gemessen werden, die sich in verschiedenen
Innenraummassebereichen der Kabine 10 befinden; aber die
Anzahl von Sensoren sollte aus Kostengründen minimiert werden. Natürlich ist
eine Schätzung
von Tdeep die kostengünstigste Ausführung, und
eine geeignete thermische Modelliertechnik wird im Folgenden mit
Verweis auf 3 und 4 beschrieben.
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In 2 bezeichnet
die Bezugsziffer 40 allgemein ein automatisches Klimasteuerungssystem des
Fahrzeugs 12 zum Regulieren der Kabinenlufttemperatur basierend
zum Teil auf einer Messung der Temperatur Tdeep von
Innenraummassen. Das System beinhaltet einen mikroprozessorgestützten automatischen
Klima-Controller (ACC) 42 und ein Heiz-, Belüftungs-
und Klimaanlagensystem (HVAC) 44, das so eingerichtet ist,
dass es klimatisierte Luft an die Kabine 10 abgibt. Der
Controller 42 spricht auf verschiedene Eingaben an, um
einen Satz von Befehlen zur Klimasteuerung für die Ausströmtemperatur
(DT_CMD), die Drehzahl des Gebläsemotors (BMS_CMD)
und den Luftausströmmodus (MODE_CMD)
zu erarbeiten und auf Leitungen 48, 50 und 52 auszugeben
Die Eingaben umfassen die Umgebungstemperatur Tamb auf
Leitung 54, die Sonnenintensität SI auf Leitung 56,
die Kabinentemperatur Tcabin auf Leitung 58,
die Temperatur Tdeep der Innenraummassen
auf Leitung 60 und mehrere, von Insassen erzeugte Eingaben,
die allgemein durch Bezugsziffer 62 bezeichnet sind. Sensoren 64, 66, 30, 26 zum
Erarbeiten von Eingaben Tamb, Tcabin,
Tdeep und SI können rein konventionell sein.
Die von Insassen erzeugten Eingaben 62 werden von einer
Bedienerschnittstellenkonsole 68 erzeugt, die sich im Armaturenbrett 24 befindet,
und umfassen eine Einstelltemperatur (TSET) und entweder automatische
oder manuelle Beeinflussungen der Gebläsedrehzahl (FAN) und des Luftausströmmodus (MODE).
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Das
HVAC-System 44 enthält
verschiedene Elemente eines herkömmlichen
HVAC-Systems für Kraftfahrzeuge
und spricht auf die Befehle auf den Leitungen 48, 50, 52 in
herkömmlicher
Weise an. Zum Beispiel enthält
das HVAC-System 44 einen Kältemittelkompressor, der vom
Motor des Fahrzeugs angetrieben werden kann, und einen Heizungswärmetauscher,
der mit dem Motorkühlmittel gekoppelt
sein kann. Ein Steuerungsmechanismus wird verwendet, um den Kühlmittelstrom
des Heizungswärmetauschers
und/oder die Kompressorkapazität
und/oder Türen
bzw. Klappen zur Mischsteuerung zu regulieren, um dem Befehl für die Ausströmtemperatur
(DT_CMD) auf Leitung 48 zu genügen. Die in die Kabine 10 ausgeströmte Luft
wird durch ein Gebläse
erzeugt, das von einem Gebläsemotor
angetrieben wird, und eine Steuerschaltung treibt den Gebläsemotor
an, um dem Befehl für
die Drehzahl des Gebläsemotors
(DMS_CMD) auf Leitung 50 zu genügen. Ein Satz von Türen bzw.
Klappen zur Modussteuerung und ein Steuerungsmechanismus zum Positionieren
der Türen
bzw. Klappen zur Modussteuerung werden verwendet, um dem Modusbefehl (MODE_CMD)
auf Leitung 52 zu genügen.
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Wie
oben angegeben wurde, führt
der ACC 42 einen Algorithmus zur Klimasteuerung aus, um
die Befehle DT_CMD, BMS_CMD, MODE_CMD zur Klimasteuerung zu erzeugen.
In einem Ansatz, der in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 6,234,398
von Pawlak et al. allgemein beschrieben ist, werden die Eingaben
Tamb, Tcabin und
SI und die von Insassen eingestellte Temperatur TSET arithmetisch
kombiniert, um einen numerischen Index oder eine Programmnummer
zu bilden, aus der DT_CMD, BMS_CMD und MODE-CMD durch eine Nachschlagetabelle
bestimmt werden. In einem anderen Ansatz, der in dem oben erwähnten US-Patent
Nr. 5,603,226 von Ishikawa et al. allgemein beschrieben ist, werden
die Eingaben Tamb, Tcabin und
SI verwendet, um eine Gleichung für ein Arbeits- oder Leistungsgleichgewicht für den erforderlichen
Heiz- oder Kühlaufwand
zu lösen, und
der ACC 42 wählt
eine von mehreren möglichen
Kombinationen von DT_CMD und BMS_CMD aus, um die geforderte Leistung
zu erfüllen.
In jedem Fall kann die Temperatur Tdeep der
Innenraummassen (ob gemessen oder durch thermisches Modulieren geschätzt) in
eine entsprechende Heiz- oder Kühlanforderung
PWR_DEEP umgewandelt (wie im Folgenden mit Verweis auf 3–4 beschrieben
wird) und genutzt werden, um den üblichen Algorithmus zur Klimasteuerung
zu modifizieren, um die thermischen Effekte von Innenraummassen
auf die Kabinenlufttemperatur direkt zu kompensieren. In dem Ansatz
mit numerischem Index oder Programmnummer kann PWR_DEEP geeignet
skaliert oder mit anderen Eingaben so kombiniert werden, dass PWR_DEEP
den numerischen Index oder die Programmnummer und daher die Befehle
DT_CMD, BMS_CMD und MODE_CMD direkt beeinflusst. Alternativ dazu
könnte
PWR_DEEP verwendet werden, um den Ausgleich für die Ausströmtemperatur und
Gebläsedrehzahl
zu erzeugen, welche der ACC 42 für die Befehle DT_CMD und BMS_CMD
verwenden würde.
Offensichtlich gibt es auch weitere Möglichkeiten. In dem Ansatz
des Leistungsgleichgewichts kann PWR_DEEP mit den Umgebungs- und Sonnengrößen algebraisch
kombiniert werden, wie in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 5,603,226
von Ishikawa et al. vorgeschlagen wird.
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3 ist
ein Blockdiagramm des ACC 42 für eine Ausführung, bei der Tdeep durch
thermisches Modellieren geschätzt
wird. In Ausführungen,
bei denen Tdeep gemessen wird, kann der
Block 80 für
ein thermisches Modell einfach als der Temperatursensor 30 betrachtet
werden. Wie beim Block 80 angegeben ist, kann Tdeep als eine Funktion von Tcabin,
Tamb und empirisch bestimmten thermischen
Zeitkonstanten TAU1, TAU2 modelliert werden. Das Modell kann ein
Modell mit konzentrierten idealen Parametern sein, wie in 4 schematisch
dargestellt ist, wobei die Modellknoten Tcabin,
Tdeep und Tamb umfassen.
Die Knoten Tcabin und Tdeep sind
durch ei nen thermischen Widerstand Rdtc zwischen
Innenraummassen und Kabine gekoppelt, und die Knoten Tdeep und
Tamb sind durch einen thermischen Widerstand
Rdta zwischen Innenraummassen und Umgebung
gekoppelt. Eine Übertragung
von Strahlungswärme
zwischen den Knoten wird vernachlässigt, und die thermischen
Widerstände
Rdta und Rdtc werden
innerhalb des Betriebsbereichs des Fahrzeugs als Konstanten betrachtet.
Die Zeitrate einer Änderung
in Tdeep (d.h. Tdeep_DOT)
ist durch die Gleichung des Wärmegleichgewichts
gegeben: Tdeep_DOT =
1/(mdeep·CPdeep)·[(Tamb – Tdeep)/(Rdta) + (Tcabin – Tdeep)/(Rdtc)]worin
mdeep und CPdeep die
Masse bzw. spezifische Wärme
der Innenraummassekomponenten sind. Die Größen mdeep,
CPdeep, Rdta und
Rdtc sind Konstanten und können kombiniert
werden, um die Zeitkonstanten TAU1 und TAU2 wie folgt zu bilden: TAU1 = mdeep·CPdeep·Rdta,und TAU2 = mdeep·CPdeep·Rdtc so dass Tdeep_DOT
einfach ausgedrückt
werden kann als: Tdeep_DOT = [(Tamb – Tdeep)/TAU1] + [(Tcabin – Tdeep)/TAU2] (1)
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Der
Controller 42 integriert numerisch die Gleichung (1) nach
Tdeep unter Verwendung einer Technik finiter
Differenzen wie folgt: Tdeep,j = Tdeep,j-1 +
[(Tamb – Tdeep)/TAU1](DT) +
[(Tcabin – Tdeep)/TAU2](DT) (2) worin Tdeep,j Und Tdeep,j-1 der
aktuelle bzw. vorherige Wert von Tdeep sind
und DT der Integrationszeitschritt ist. Die Größe Tdeep wird
bei der Fahrzeugmontage initialisiert, wenn die Temperaturen der
Innenraummassekomponenten und der Kabinenluft beide gleich der Temperatur
des Montagewerks sind. Ist das Fahrzeug einmal im Einsatz und muss
Tdeep (z.B. aufgrund einer Unterbrechung
der Batterieversorgung) erneut initialisiert werden, kann der Controller 42 Tdeep gleich Tcabin setzen,
solange die Sonnenintensität
SI gering ist. Alternativ dazu, oder falls SI nicht gering ist,
kann Tdeep auf den Durchschnitt von Tcabin und Tamb initialisiert
werden. In jedem Fall wird die Größe Tdeep im Verlauf
einiger Fahrzyklen auf den korrekten Wert konvergieren.
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Die
Zeitkonstanten TAU1 und TAU2 werden für jeden beliebigen Typ von
Fahrzeug experimentell bestimmt, indem (zusätzlich zu den gewöhnlichen Temperaturmessungen)
eine durchschnittliche Temperatur der Innenraummassekomponenten
gemessen wird, das Fahrzeug in einer heißen oder kalten Umgebungskammer
platziert wird und die Änderungen
in den gemessenen Temperaturen überwacht werden.
Die Zeitkonstanten TAU1 und TAU2 können unter Verwendung einer
Software zur Signalverarbeitung wie z.B. Excel Solver (entwickelt
und vertrieben von Microsoft Inc.) bestimmt werden, um zu bestimmen,
welche Werte von TAU1 und TAU2 Gleichung (2) für die erfassten Temperaturdaten
erfüllen
werden.
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Der
Block 82 kombiniert Tdeep mit Tcabin mit einem thermischen Übertragungsparameter
(Leitwert UAdeep), der eine Wärmeübertragung
zwischen den Innenraummassekomponenten und der Kabinenluft kennzeichnet,
um die Ausgabe PWR_DEEP zu bilden. Funktional repräsentiert
PWR_DEEP die Heiz- oder Kühlleistung,
die das System 40 zur automatischen Klimasteuerung liefern
muss, um den Effekt der Temperatur Tdeep der
Innenraummassen auf die Kabine 10 und der Insassen 14 und 16 auszugleichen.
Die Leistung PWR_DEEP ist gegeben gemäß: PWR_DEEP = UAdeep(Tcabin – Tdeep) (3)und
der konzentrierte ideale thermische Leitwert UAdeep muss
für einen
bestimmten Fahrzeugtyp empirisch bestimmt werden. Der thermische
Leitwert UAdeep kann bestimmt werden, wenn
die Kabinenlufttemperatur einmal bei der Einstelltemperatur TSET
stabilisiert ist, indem die gesamte HVAC-Leistung (PWR_TOTAL) gemessen
wird, die während
eines komfortablen Betriebs an die Kabine 10 geliefert
wird, von PWR_TOTAL die Leistungskomponenten PWR_AMB und PWR_SOLAR
subtrahiert werden, die erforderlich sind, um die Effekte der Umgebungstemperatur
bzw. Sonnenintensität
auszugleichen, und eine Änderung
der Temperatur der Innenraummassen berücksichtigt wird. Konkret ist
der thermische Leitwert UAdeep gegeben durch: UAdeep =
(PWR_TOTAL – PWR_AMB – PWR_SOLAR)/(Tcabin – Tdeep) (4)
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Der
Zähler
von Gleichung (4) repräsentiert die
Leistung, die erforderlich ist, um die Effekte der Temperatur Tdeep der Innenraummassen auszugleichen, und
der Nenner ist einfach die Temperaturdifferenz zwischen der Kabine 10 und
den Innenraummassekomponenten.
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Schließlich repräsentiert
der Block 84 den Algorithmus zur Klimasteuerung (CCA),
der vom ACC 42 ausgeführt
wird, wie oben in Bezug auf 2 beschrieben
wurde. Folglich spricht der Block 84 auf PWR_DEEP, Tcabin, Tamb, SI und
TSET an und erarbeitet die Befehle DT_CMD, BMS_CMD und MODE_CMD
für die
Luftausströmtemperatur,
die Gebläsedrehzahl
und den Luftausströmmodus.
Wie in Bezug auf 2 erläutert wurde, gibt es verschiedene
Wege, um PWR_DEEP in Abhängigkeit
von der Methodik eines Algorithmus zur Klimasteuerung zu nutzen,
und man erkennt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen
bestimmten Ansatz beschränkt sein
soll.
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Zusammengefasst
liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der
Heiz- und Kühlerleistung,
die erforderlich ist, um die Effekte der Temperatur Tdeep der
Innenraummassekomponenten eines Kraftfahrzeugs 12 auszugleichen.
Der vom ACC 42 ausgeführte
Algorithmus zur Klimasteuerung nutzt die bestimmte Leistungsanforderung
beim Auswählen
der HVAC-Steuerungsparameter, um die thermischen Effekte der Innenraummassekomponenten
direkt zu kompensieren, wodurch zu einer verbesserten Regulierung
der Kabinentemperatur beigetragen wird. Obgleich in Bezug auf die
veranschaulichten Ausführungsformen
beschrieben erwartet man, dass zusätzlich zu jenen, die oben vorgeschlagen
wurden, verschiedene Modifikationen dem Fachmann ersichtlich sind.
Zum Beispiel könnte
ein Kabinenmodell höherer
Ordnung mit mehreren Knoten, das die Temperatur verschiedener Kabinenkonsolen
und Zonen vorhersagen kann, genutzt werden, um Tdeep basierend
auf einem gewichteten Durchschnitt zu bestimmen, und so weiter.
Demgemäß soll es
sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die veranschaulichte
Ausführungsform
beschränkt
ist und Steuerungen, die solche Modifikationen einbeziehen, in den
vorgesehenen Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen können.