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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotor-Steuersysteme.
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HINTERGRUND
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Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
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Ein Motorsystem, das für einen Betrieb mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung entwickelt ist, umfasst einen Verbrennungsmotor, der ausgestaltet ist, um nach einem Otto-Zyklus zu arbeiten. Der Motor, der mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder ausgestattet ist, arbeitet in einem gesteuerten Selbstzündungsmodus unter speziellen Motorbetriebsbedingungen, um eine verbesserte Motorkraftstoffeffizienz zu erreichen. Ein Funkenzündungssystem wird verwendet, um den Selbstzündungs-Verbrennungsprozess während spezieller Betriebsbedingungen zu ergänzen. Solche Motoren werden als Motoren mit homogener Kompressionszündung (nachstehend ”HCCI”-Motoren) bezeichnet.
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Ein HCCI-Motor, der in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, erzeugt in einer Verbrennungskammer ein Ladungsgemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff, und die Selbstzündung wird während eines Verdichtungstakts gleichzeitig von vielen Zündungsstellen aus in dem Ladungsgemisch ausgelöst, was zu einer stabilen Leistungsabgabe, einer hohen thermischen Effizienz und niedrigen Emissionen führt. Die Verbrennung ist stark verdünnt und gleichmäßig über das Ladungsgemisch verteilt, was zu einer niedrigen Temperatur des verbrannten Gases und zu NOx-Emissionen führt, die typischerweise wesentlich niedriger als die NOx-Emissionen entweder eines üblichen Funkenzündungsmotors oder eines üblichen Dieselmotors sind.
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Ein typischer HCCI-Motor ist von einem herkömmlichen Funkenzündungsmotor dadurch unterscheidbar, dass die Zündung des Ladungsgemischs unter speziellen Motorbetriebsbedingungen durch eine Verdichtung des Ladungsgemischs verursacht wird. Der typische HCCI-Motor wechselt in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus und einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung.
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Die Ansmelder haben die Steuerung eines glatten Wechsels zwischen dem HCCI- und einem SI/NTLC-Verbrennungsmodus (SI-Verbrennungsmoddus mit ungedrosselter Laststeuerung) unter Verwendung von Umschaltungsmechanismen für ein doppelt unabhängiges, zweistufiges Nockenprofil erfolgreich demonstriert. Insbesondere kann ein Wechsel von dem HCCI- in den SI/NTLC-Betrieb durch eine Nockenphaseneinstellung von Einlassnocken mit niedrigem Hub mit einem frühen Schließen eines Einlassventils (EIVC) in Verbindung mit einer Profilumschaltung von HCCI-Auslassnockenprofilen mit niedrigem Hub auf SI-Auslassnockenprofile mit hohem Hub realisiert werden. Der SI/NTLC-Motorbetrieb ist auch unter Verwendung einer Nockenphaseneinstellung des SI-Einlassnockens mit hohem Hub bei einem späten Schließen des Einlassventils (LIVC) möglich, wenn eine gleichzeitige Umschaltung sowohl des Einlassals auch des Auslassnockenprofils zwischen dem HCCI-Nocken mit niedrigem Hub und dem SI-Nocken mit hohem Hub angeordnet wird.
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In Abhängigkeit von dem Hub und der Dauer, die sowohl für die HCCI- als auch für die SI-Nocken verwendet werden, und von dem Einflussbereich und der Anstiegsgeschwindigkeit des Nockenphasenstellers kann jedoch ein glatter Wechsel zwischen dem HCCI- und dem SI/NTLC-Verbrennungsmodus oberhalb einer bestimmten Motordrehzahl unmöglich sein. Insbesondere existiert oberhalb einer bestimmten Motordrehzahl eine Lücke zwischen der höchsten mit dem HCCI-Betrieb erreichbaren Last und der niedrigstem mit dem SI/NTLC-Betrieb erreichbaren Last. 2 stellt beispielsweise eine Motordrehzahlgrenze von im Wesentlichen 2000 U/min dar, wenn ein Spitzenhub von 4 mm und eine Einlassdauer von 120 Grad sowie HCCI-Auslassventil-Hubprofile bzw. ein typischer Spitzenhub von 10 mm und eine Einlassdauer von 240–260 Grad sowie SI-Auslassventil-Hubprofile verwendet werden. Die höchste mit dem HCCI-Betrieb erreichbare Last ist durch das Klingeln begrenzt (Klingelgrenze = 3 MW/m2), während die niedrigste mit dem SI/NTLC-Betrieb erreichbare Last durch die Verbrennungsstabilität begrenzt ist (COV des IMEP = 3%). Die HCCI-Klingelgrenze resultiert aus einer Unfähigkeit, eine ausreichende Ladungsverdünnung mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub einzuleiten. Die Stabilitätsgrenze der SI-Verbrennung resultiert aus einer übermäßigen Ladungsverdünnung mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub. Die Anmelder haben erfolgreich demonstriert, dass eine selektive Zylinderdeaktivierung durch eine Kraftstoffabschaltung verwendet werden kann, um die Motor-Betriebsgrenze bei niedriger Last in dem SI-Verbrennungsmodus auszuweiten, indem ein stabiler Betrieb der aktiven Zylinder ermöglicht wird. Alternativ wird angenommen, dass komplexere Umschaltungsmechanismen für das Nockenprofil (z. B. dreistufige Nockenprofile) oder kontinuierlich variable Ventiltriebe erfolgreich verwendet werden könnten, um sowohl die HCCI-Betriebsgrenze bei hoher Last als auch die SI-Betriebsgrenze bei niedriger Last auszuweiten und die Lücke zwischen dem HCCI- und dem SI-Betrieb zu schließen (beispielsweise durch einen dazwischenliegenden Hub und eine dazwischenliegende Dauer). Eine Alternative unter Verwendung des weniger komplexen zweistufigen Umschaltungsmechanismus für das Nockenprofil und ohne zusätzliche Zylinderabschaltungshardware ist jedoch wünschenswert.
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In der
WO 2006/096425 A2 ist ein Verfahren zum Wechseln des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der einen zweistufigen Ventiltrieb mit variabler Phase aufweist, zwischen einem HCCI- und einem SI-Betrieb beschrieben, bei dem zwischen dem HCCI-Betrieb mit niedrigem Hub von Einlass- und Auslassventilen und einem ungedrosselten SI-Betrieb mit hohem Hub der Einlass- und Auslassventile ein ungedrosselter stöchiometrischer SI-Betrieb mit niedrigem Hub der Einlassventile und hohem Hub der Auslassventile vorgesehen ist.
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Die
AT 005 720 U1 beschreibt ein ähnliches Verfahren für einen Verbrennungsmotor, der zwei Einlassöffnungen pro Zylinder aufweist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Wechseln des Betriebs eines Verbrennungsmotors zwischen einem HCCI- und einem SI-Betrieb anzugeben, mit welchem unabhängig von der Motordrehzahl ein sicherer Wechsel zwischen dem HCCI- und dem SI-Betrieb ermöglicht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 5 oder 6 gelöst.
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Ein Verfahren zum Wechseln des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der einen zweistufigem Ventiltrieb mit variabler Phase aufweist, zwischen einem HCCI- und einem SI-Modus umfasst, dass ein ungedrosselter stöchiometrischer SI-Betrieb mit einem niedrigen Hub eines Einlassventils geschaffen wird, welcher zwischen einem HCCI-Modus mit einem niedrigen Hub eines Auslassventils und des Einlassventils und einem ungedrosselten SI-Modus mit einem hohen Hub des Auslassventils und des Einlassventils liegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2 eine graphische Darstellung verschiedener Betriebsgebiete eines beispielhaften Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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3 ein erster beispielhafter Betrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, um einen glatten Wechsel zwischen HCCI- und SI-Modi zu bewirken;
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4 eine Datengraphik ist, die einen beispielhaften Einlassventil-Spitzenhub während Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem ersten beispielhaften Betrieb von 3 und gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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5 eine Datengraphik ist, die einen beispielhaften Auslassventil-Spitzenhub während Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem ersten beispielhaften Betrieb von 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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6 ein zweiter beispielhafter Betrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, um einen glatten Wechsel zwischen HCCI- und SI-Modi zu bewirken;
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7 eine Datengraphik ist, die einen beispielhaften Einlassventil-Spitzenhub während Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem zweiten beispielhaften Betrieb von 6 und gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
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8 eine Datengraphik ist, die einen beispielhaften Auslassventil-Spitzenhub während Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem zweiten beispielhaften Betrieb von 6 und gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 und eines Steuersystems 25, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Die gezeigte Ausführungsform wird als Teil eines Gesamtsteuerschemas eingesetzt, um einen beispielhaften Benzin-Viertaktverbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, doppelter oben liegender Nockenwelle, Funkenzündung und Direkteinspritzung zu betreiben, der ausgebildet ist, um unter einem gesteuerten Selbstzündungsprozess zu arbeiten, der auch als Modus mit homogener Kompressionszündung (”HCCI”-Modus) bezeichnet wird.
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Der beispielhafte Motor 10 umfasst: einen Motorblock aus Gussmetall mit mehreren darin gebildeten Zylindern, von denen einer gezeigt ist, und einen Motorkopf 27. Jeder Zylinder umfasst einen Zylinder mit geschlossenem Ende, der einen bewegbaren, hin und her gehenden Kolben 11 aufweist, der darin eingefügt ist. Eine Verbrennungskammer 20 mit variablem Volumen ist in jedem Zylinder gebildet und wird durch Wände des Zylinders, den bewegbaren Kolben 11 und den Kopf 27 definiert. Der Motorblock weist vorzugsweise Kühlmitteldurchgänge 29 auf, durch die ein Motorkühlmittelfluid strömt. Ein Kühlmittel-Temperatursensor 37, der dazu dient, die Temperatur des Kühlmittelfluids zu überwachen, ist an einem geeigneten Ort angeordnet und liefert eine parametrische Signaleingabe an das Steuersystem 25, die zur Steuerung des Motors verwendbar ist. Der Motor weist vorzugsweise bekannte Systeme auf, einschließlich eines äußeren Abgasrückführungsventils (”AGR”-Ventils) und eines Einlassluft-Drosselventils (nicht gezeigt).
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Jeder bewegbare Kolben 11 umfasst eine Einrichtung, die gemäß bekannten Kolbenbildungsverfahren ausgestaltet ist, und weist eine Oberseite und einen Körper auf, der im Wesentlichen an den Zylinder angepasst ist, in dem er arbeitet. Der Kolben weist eine Oberseiten- oder Kronenfläche auf, die in der Verbrennungskammer exponiert ist. Jeder Kolben ist mittels eines Stifts 34 und einer Pleuelstange 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden. Die Kurbelwelle 35 ist an dem Motorblock in einem Hauptlagerbereich in der Nähe eines Unterseitenabschnitts des Motorblocks drehbar befestigt, so dass sich die Kurbelwelle um eine Achse drehen kann, die rechtwinklig zu einer durch jeden Zylinder definierten Längsachse liegt. Ein Kurbelsensor 31 ist an einem geeigneten Ort angeordnet und dient dazu, ein Signal zu erzeugen, das von dem Controller 25 verwendbar ist, um einen Kurbelwinkel zu messen, und das übersetzbar ist, um Messwerte einer Kurbelwellendrehung, -drehzahl und -beschleunigung zu liefern, die bei verschiedenen Steuerschemata verwendbar sind. Während des Betriebs des Motors bewegt sich jeder Kolben 11 in dem Zylinder aufgrund der Verbindung mit der Kurbelwelle 35 und deren Drehung sowie des Verbrennungsprozesses auf eine hin und her gehende Weise aufwärts und abwärts. Die Drehbewegung der Kurbelwelle bewirkt eine Übersetzung einer linearen Kraft, die auf jeden Kolben während der Verbrennung ausgeübt wird, in eine Winkeldrehmomentausgabe von der Kurbelwelle, die auf eine andere Einrichtung, wie z. B. einen Fahrzeugantriebsstrang, übertragen werden kann.
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Der Motorkopf 27 umfasst eine Gussmetalleinrichtung mit einer oder mehreren Einlassöffnungen 17 und einer oder mehreren Auslassöffnungen 19, die zu der Verbrennungskammer 20 führen. Eine Einlassöffnungsdrossel kann ebenso zweckmäßigerweise bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden, wie hierin unten weiter beschrieben wird. Die Einlassöffnung 17 liefert Luft an die Verbrennungskammer 20. Verbrannte (abgebrannte) Gase strömen über die Auslassöffnung 19 aus der Verbrennungskammer 20. Die Luftströmung durch jede Einlassöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Einlassventile (IV) 21 gesteuert. Die Strömung der verbrannten Gase durch jede Auslassöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Auslassventile (EV) 23 gesteuert.
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Die Einlass- und Auslassventile 21, 23 weisen jeweils einen Kopfabschnitt auf, der einen Oberseitenabschnitt umfasst, welcher der Verbrennungskammer ausgesetzt ist. Jedes der Ventile 21, 23 weist einen Schaft auf, der mit einer Ventilbetätigungseinrichtung verbunden ist. Eine Ventilbetätigungseinrichtung, dargestellt als 60, dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Einlassventile 21 zu steuern, und eine zweite Ventilbetätigungseinrichtung 70 dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Auslassventile 23 zu steuern. Jede der Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 70 umfasst eine Einrichtung, die signaltechnisch mit dem Steuersystem 25 verbunden ist und dazu dient, den Zeitpunkt, die Dauer und das Ausmaß des Öffnens und Schließens jedes Ventils entweder zusammen oder einzeln zu steuern. Die erste Ausführungsform des beispielhaften Motors umfasst ein doppeltes oben liegendes Nockensystem, das eine variable Hubsteuerung (”VLC”) und eine variable Nockenphaseneinstellung (”VCP”) aufweist. Die VCP-Einrichtung dient dazu, den Zeitpunkt des Öffnens oder Schließens jedes Einlassventils und jedes Auslassventils relativ zu einer Drehposition der Kurbelwelle zu steuern, und sie öffnet jedes Ventil für eine feste Kurbelwinkeldauer. Die beispielhafte VLC-Einrichtung dient dazu, die Größe des Ventilhubs in eine von zwei Positionen zu steuern, eine Position mit einer Größe des Hubs von 3–5 mm für eine Öffnungsdauer von 120–150 Kurbelwinkelgraden und eine Position mit einer Größe des Hubs von 9–12 mm für eine Öffnungsdauer von 220–260 Kurbelwinkelgraden. Einzelne Ventilbetätigungseinrichtungen können der gleichen Funktion mit der gleichen Wirkung dienen. Die Ventilbetätigungseinrichtungen werden vorzugsweise durch das Steuersystem 25 gemäß vorbestimmten Steuerschemata gesteuert. Ein spezieller Aspekt eines Steuerschemas, um das Öffnen und Schließen der Ventile zu steuern, ist hierin beschrieben.
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Luft wird durch einen Einlasskrümmerkanal 50, der gefilterte Luft empfängt, die durch eine bekannte Luftmesseinrichtung und eine Drosseleinrichtung (nicht gezeigt) strömt, zu der Einlassöffnung 17 eingelassen. Abgas strömt von der Auslassöffnung 19 zu einem Abgaskrümmer 42, der Abgassensoren 40 aufweist, die dazu dienen, die Bestandteile des Abgaszustroms zu überwachen und diesem zugeordnete Parameter zu ermitteln. Der Abgassensor 40 kann eine beliebige von verschiedenen bekannten Detektionseinrichtungen umfassen, die dazu dienen, parametrische Werte für den Abgaszustrom, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, oder einen Messwert der Abgasbestandteile, beispielsweise NOx, CO, HC und andere, zu liefern. Das System kann einen Sensor 16 in dem Zylinder zum Überwachen der Verbrennungsdrücke umfassen. Die zuvor erwähnten Sensoren und Messeinrichtungen liefern jeweils ein Signal als eine parametrische Eingabe an das Steuersystem 25. Diese parametrischen Eingaben können von dem Steuersystem verwendet werden, um Messwerte der Verbrennungsleistung zu ermitteln.
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Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise eine Teilmenge einer gesamten Steuerarchitektur, die dazu dient, eine abgestimmte Systemsteuerung des Motors 10 und anderer Systeme zu schaffen. In dem Gesamtbetrieb dient das Steuersystem 25 dazu, Betreibereingaben, Umgebungsbedingungen, Motorbetriebsparameter und Messwerte der Verbrennungsleistung zu synthetisieren und Algorithmen zum Steuern verschiedener Aktuatoren auszuführen, um Zielwerte für Steuerparameter zu erreichen, einschließlich solcher Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung und Fahrbarkeit. Das Steuersystem 25 ist funktional mit mehreren Einrichtungen verbunden, durch die ein Betreiber den Betrieb des Motors typischerweise steuert und lenkt. Beispielhafte Betreibereingaben umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, eine Wähleinrichtung für den Getriebegang und einen Tempomat für die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn der Motor in einem Fahrzeug verwendet wird. Das Steuersystem kann mit anderen Controller, Sensoren und Aktuatoren mittels eines Busses eines lokalen Rechnernetzes (”LAN”-Bus, nicht gezeigt) kommunizieren, der vorzugsweise eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen verschiedenen Controller ermöglicht.
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Das Steuersystem 25 ist funktional mit dem Motor 10 verbunden und wirkt derart, dass parametrische Daten von Sensoren erfasst werden bzw. eine Vielfalt von Aktuatoren des Motors 10 über mehrere diskrete Leitungen gesteuert wird, die gemeinsam als aggregierte Leitung 45 gezeigt werden. Das Steuersystem 25 empfängt einen Motordrehmomentbefehl und erzeugt basierend auf den Betreibereingaben eine gewünschte Drehmomentabgabe. Motorbetriebsparameter, die unter Verwendung der zuvor erwähnten Sensoren von dem Steuersystem 25 detektiert werden, umfassen die Motorkühlmitteltemperatur, die Kurbelwellendrehzahl (”RPM”) und -position, den Krümmerabsolutdruck, die Umgebungsluft-Strömung und -Temperatur und den Umgebungsluftdruck. Die Messwerte der Verbrennungsleistung umfassen typischerweise gemessene und abgeleitete Verbrennungsparameter, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, der Lage des Verbrennungsspitzendrucks, unter anderen.
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Aktuatoren, die von denn Steuersystem 25 gesteuert werden, umfassen: Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 12; die VCP/VLC-Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 70; eine Zündkerze 14, die mit Zündungsmodulen funktional verbunden ist, um die Zündfunkenverweilzeit und den Zündfunkenzeitpunkt zu steuern; ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil, nicht gezeigt) und ein Modul zur elektronischen Drosselsteuerung (nicht gezeigt). Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 12 dient vorzugsweise dazu, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer 20 einzuspritzen. Spezielle Details beispielhafter Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen zur Direkteinspritzung sind bekannt und werden hierin nicht ausführlich beschrieben. Die Zündkerze 14 wird von dem Steuersystem 25 verwendet, um die Zündzeitpunkt-Steuerung des beispielhaften Motors über Abschnitte des Motordrehzahl- und Motorlastbetriebsbereichs zu verbessern. Wenn der beispielhafte Motor in dem HCCI-Modus betrieben wird, verwendet der Motor keine aktivierte Zündkerze. Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, die Funkenzündung zum Ergänzen des HCCI-Modus unter bestimmten Bedingungen zu verwenden, einschlieißlich beispielsweise während eines Kaltstarts, bei Betriebsbedingungen mit niedriger Last in der Nähe einer Niedriglastgrenze und zum Vermeiden von Verschmutzung. Es hat sich ebenso als bevorzugt herausgestellt, die Funkenzündung an einer Betriebsgrenze bei hoher Last in dem HCCI-Modus und bei Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl/Last während eines gedrosselten oder ungedrosselten Funkenzündungsbetriebs zu verwenden.
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Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise ein Zylinder-Deaktivierungssystem, das dazu dient, eine Teilmenge der Gesamtzahl der Zylinder selektiv zu deaktivieren. Ein Zylinder-Deaktivierungsmodus gemäß dieser Ausführungsform umfasst, dass eine Kraftstoffströmung zu den deaktivierten Zylindern während der Dauer der Deaktivierung unterbrochen wird. Der Zylinder-Deaktivierungsmodus kann umfassen, dass das Öffnen der Einlass- und/oder Auslassventile gleichzeitig mit dem Unterbrechen der Kraftstoffströmung zu den speziellen Zylindern abgeschaltet wird. Das Steuersystem erfüllt den Motor-Drehmomentbefehl, indem die Drehmomentabgabe von den aktivierten Zylindern während der Zeitdauer erhöht wird, wenn der Zylinder-Deaktivierungsmodus eingeschaltet ist.
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Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise einen Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Jeder Controller weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem ROM gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen.
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Die Algorithmen zur Motorsteuerung werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal für jeden Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichereinrichtungen gespeichert sind, werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb des Motors unter Verwendung von voreingestellten Kalibrierungen zu steuern.
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Die Schleifenzyklen werden typischerweise während des laufenden Motorbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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Nun auf 2 Bezug nehmend, ist eine graphische Darstellung von Gebieten des Motorbetriebs unter unterschiedlichen Bedingungen für den beispielhaften Motor mit doppelter obenliegender Nocke und mit einem variablen Ventilbetätigungssystem gezeigt, das doppelte Nockenphasensteller und ein zweistufiges Stößelsystem aufweist. Der beispielhafte Motor ist über einen Bereich von Motordrehzahlen, in Umdrehungen pro Minute (”U/min”), und Motorlasten, in Einheiten von Kilopascal für den mittleren effektiven Nettodruck (”NMEP (kPa)”), in dem HCCI-Modus betriebsfähig. Linie A stellt eine untere Grenze für den Motorbetrieb in einem mageren HCCI-Modus dar, unterhalb derer einer oder mehrere der Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt sind, was eine Betriebsbedingung bei niedriger Drehzahl/niedriger Last darstellt. Bei einer solchen beispielhaften Ausbildung wird eine Ermittlung bezüglich der Last an dem Motor und/oder der Last an einzelnen Zylindern sowie bezüglich der Motordrehzahl durchgeführt, und ein Algorithmus schaltet Kraftstoffe für ausgewählte Zylinder ab und implementiert bestimmte Ventilstrategien, um diese optimal zu deaktivieren. Indem nur ein Teil der Zylinder verwendet wird, wird die Last erhöht, unter der die übrigen betriebenen Zylinder arbeiten, was den HCCI-Betrieb bei niedrigeren Gesamt-Motorlasten ermöglicht. Bei dieser Ausbildung wird die Motorlast kontinuierlich überwacht, und die Zylinder werden reaktiviert, wenn es in Abhängigkeit von der Motorlast und -drehzahl angemessen ist. Linie B stellt eine obere Grenze für den Motorbetrieb in dem mageren HCCI-Modus dar, wobei allen Zylindern Kraftstoff zugeführt wird. Linie C stellt eine obere Grenze für den Motorbetrieb in einem stöchiometrischen HCCI-Modus dar, wobei alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt sind. Linie D stellt eine untere Grenze für den Motorbetrieb in einem ungedrosselten stöchiometrischen Funkenzündungsmodus (”SI”) dar, wobei alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt sind. Linie D wird typischerweise basierend auf der Motor-Verbrennungsstabilität ermittelt, wie sie durch den Koeffizienten der Variabilität des mittleren effektiven Drucks gemessen wird (”COV-IMEP”). Es kann eine obere Grenze für den Motorbetrieb in dem SI-NTLC-Modus geben, oberhalb derer der Motor vorzugsweise in einem gedrosselten stächiometrischen SI-Modus betrieben wird (nicht gezeigt). Das schattierte Gebiet, das durch den Buchstaben F dargestellt ist, umfasst ein Gebiet, in dem der Motor unfähig ist, mit allen Zylindern in dem HCCI-Modus akzeptabel zu arbeiten, und indem er unfähig ist, in dem SI-Modus (”Funkenzündungs”-Modus) mit allen Zylindern akzeptabel zu arbeiten. Der SI-Modus umfasst einen Betrieb, bei dem die Nockenphasensteller gesteuert werden, um die Öffnungs-/Schließzeitpunkte der Ventile derart einzustellen, dass die Menge der Lufteinleitung ohne Drosselung in dem Lufteinlasssystem gesteuert wird. Dies ergibt, gekoppelt mit der Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Zylinder, einen Last-Steuermechanismus ähnlich demjenigen, der bei Dieselmotoren verwendet wird.
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In Abhängigkeit von dem speziellen Ventilhub und der speziellen Ventildauer, die für die Einlass- und Auslassnockenwellen des beispielhaften HCCI-Motors verwendet werden, gibt es eine Notwendigkeit für einen glatten Wechsel 201 zwischen dem HCCI-Modus und dem SI-Modus, wenn der Motor um den Motor-Drehzahlbereich von 3000 U/min herum und über diesen hinweg betrieben wird, insbesondere in dem Gebiet, das in 2 durch den Buchstaben identifiziert wird. Insbesondere existiert eine Lücke zwischen der höchsten in dem HCCI-Modus erreichbaren Last und der niedrigsten mit dem SI-Betrieb erreichbaren Last oberhalb einer Motordrehzahl von ungefähr 2000 U/min (siehe z. B. 2), wenn ein System mit 2-stufigem Ventilhub verwendet wird. Die höchste in dem HCCI-Modus erreichbare Last ist durch das Klingeln begrenzt (durch das von der Verbrennung erzeugte Geräusch). Die niedrigste in dem SI-Betrieb erreichbare Last ist durch die Verbrennungsstabilität begrenzt (COV-IMEP = 3%). Die HCCI-Klingelgrenze resultiert aus einer Unfähigkeit, eine ausreichende Ladungsverdünnung mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nackenhub einzuleiten. Die SI-Grenze resultiert aus einer übermäßigen Ladungsverdünnung mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub.
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Um daher die Lücke zwischen dem HCCI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub und dem SI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub unter Verwendung eines 2-stufigen CPS-Mechanismus zu überbrücken und unter weiterer Bezugnahme auf 3–5, wird gemäß einer Ausführungsform, die bei einer beispielhaften Motordrehzahl von 3000 U/min betrieben wird, ein Wechsel von einem mageren oder stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 311, 313 in einen ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 und in einen ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 gesteuert. 4 und 5 zeigen die Lage des Spitzenhubs der Einlass- bzw. Auslassventile bei verschiedenen Motorlastbedingungen. Zusammen stellen sie eine Ausführungsform bei einem Motor dar, der mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder aufweist, von denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassoffnungsdrossel aufweist, die während des ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betriebs (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 betätigt wird.
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Wenn von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 gewechselt wird, ist es erforderlich, dass die Lage des Spitzenhubs des geöffneten Einlassventils um mehr als 50 CAD verändert wird, um die Luftströmung durch das Einlassventil ausreichend zu verringern, um einen ungedrosselten stöchiometrischen Motorbetrieb zu ermöglichen. Wenn diese Strategie bei einem Übergangs-Motorbetrieb verwendet wird, ist ein schneller Mechanismus für die Nockenphaseneinstellung/das Ventiltiming notwendig. Für den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 ist es erforderlich, dass die Lage des Einlassventil-Spitzenhubs um ungefähr 80 CAD zusätzlich zu einer Erhöhung des Ventil-Spitzenhubs verändert wird. Die Einlassöffnungsdrossel erlaubt, dass die Luftströmung durch das zugeordnete Einlassventil unabhängig von der Ventilbetätigung eingeschränkt wird, und sie ermöglicht kleinere Phasenänderungen der Einlassnocken, um äquivalente Effekte zu bewirken. Daher kann eine Hardware für die Nockenphaseneinstellung mit verringertem Einflussbereich verwendet werden, wenn sie mit einer Einlassöffnungsdrosselung gekoppelt wird, und ein kleinerer Dynamikbereich und kleinere Anstiegsgeschwindigkeiten der Hardware für die Nockenphaseneinstellung können erforderlich sein, um eine äquivalente Einlassluftsteuerung zu bewirken. Mit anderen Worten würde, wie in 4 dargestellt, während eine doppelte Einlassöffnung/ein doppeltes Einlassventil mit einer Einlassöffnungs-Drosselergänzung eine Nockenphasenänderung von im Wesentlichen 60 Grad erfordert, um den Wechsel von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 zu bewirken, eine solche Anordnung mit doppeltem Einlassventil ohne Einlassöffnungsdrossel eine größere Phasenänderung erfordern, um einen akzeptierbaren Wechsel in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 und einen akzeptierbaren Betrieb in diesem zu bewirken. Und angesichts dessen, dass der ungedrosselte stöchiometrische SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 zumindest bei den jeweiligen Übergangen (321, 323) sogar eine größere Kurbelwinkelseparierung zwischen den EV- und den IV-Spitzenhüben als der stöchiometrische HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem N-Hub) 313 aufweist, sind die Vorteile sogar akuter, von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 mit kleineren Nockenphasenänderungen zu wechseln, die durch mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder ermöglicht werden, von denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassöffnungsdrossel aufweist, die während des ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betriebs (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 betätigt wird.
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Wenn von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 gewechselt wird, wird die Lage des Spitzenhubs des Auslassventils/der Auslassventile um mehr als 40 CAD geändert, um das innere Restniveau ausreichend zu verringern, um die Flammenausbreitung zu erleichtern. Für den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 wird die Lage des Auslassventil-Spitzenhubs um ungefähr 70 CAD zusätzlich zu einer Erhöhung des Ventil-Spitzenhubs geändert.
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Wenn zwei Einlassventile anstelle von einem wirksam sind (d. h. keine Einlassöffnungsdrosselung) oder wenn ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub oder unterschiedliche Öffnungsdauern verwendet werden, werden sich die gezeigten Kurven für die Lage des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile verschieben, die dargestellten Trends werden aber die gleichen bleiben.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform, um die Lücke zwischen dem HCCI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub und dem SI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub unter Verwendung eines 2-stufigen CPS-Mechanismus zu überbrücken und unter weiterer Bezugnahme auf 6–8, wobei die gegenwärtige beispielhafte Ausführungsform mit einer beispielhaften Motordrehzahl von 3000 U/min betrieben wird, wird ein Wechsel von einem mageren oder stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 611, 613 in einen ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 und in einen ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 gesteuert. 7 und 8 zeigen die Lage des Spitzenhubs der Einlass- bzw. Auslassventile bei verschiedenen Motorlastbedingungen. Zusammen stellen sie eine Ausführungsform eines Motors ohne Einlassöffnungsdrosselung während des ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betriebs (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 dar.
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Wenn von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 gewechselt wird, ist es erforderlich, die Lage des Spitzenhubs des geöffneten Einlassventils um ungefähr 100 CAD zu verändern, um die Luftströmung durch die Einlassventile ausreichend zu ändern, um den ungedrosselten stöchiometrischen Motorbetrieb zu ermöglichen. Wenn diese Strategie bei einem Übergangs-Motorbetrieb verwendet wird, ist ein schneller Mechanismus für die Nockenphaseneinstellung/das Ventiltiming erforderlich. Für den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 ist es erforderlich, dass die Lage des Einlassventil-Spitzenhubs um mehr als 100 CAD zusätzlich zu einer Erhöhung des Ventil-Spitzenhubs geändert wird.
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Das Einbeziehen einer Einlassöffnungsdrossel würde es erlauben, die Luftströmung durch das zugeordnete Einlassventil unabhängig von der Ventilbetätigung zu beschränken, und es würde eine Verwendung kleinerer Phasenänderungen der Einlassnocken erlauben, um äquivalente Effekte zu bewirken. Daher könnte eine Hardware für die Nockenphaseneinstellung mit verringertem Einflussbereich verwendet werden, wenn sie mit der Einlassöffnungsdrosselung gekoppelt wird, und ein kleinerer Dynamikbereich und kleinere Anstiegsgeschwindigkeiten der Hardware für die Nockenphaseneinstellung könnten vorteilhafterweise verwendet werden, um eine äquivalente Einlassluftsteuerung zu bewirken. Mit anderen Worten würde, wie in 7 dargestellt, während eine doppelte Einlassergänzung ohne Einlassöffnungsdrosselung eine Nockenphasenänderung von im Wesentlichen 100 CAD erfordern würde, um einen Wechsel von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 zu bewirken, eine solche Anordnung mit doppelten Einlassventil mit einer Einlassöffnungsdrossel eine kleinere Phasenänderung erfordern, um einen akzeptierbaren Wechsel in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 und einen akzeptierbaren Betrieb in diesem zu bewirken. Und angesichts dessen, dass der ungedrosselte stöchiometrische SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 zumindest bei den jeweiligen Wechseln (621, 623) sogar eine größere Kurbelwinkelseparierung zwischen den EV- und den IV-Spitzenhüben als der stöchiometrische HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 aufweist, sind die Vorteile sogar akuter, von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem EV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem IV- und hohem IV-Hub) 617 mit kleineren Nockenphasenänderungen zu wechseln, die durch mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder ermöglicht werden, von denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassöffnungsdrossel aufweist, die während des ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betriebs (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 betätigt wird.
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Wenn von dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 gewechselt wird, wird die Lage des Spitzenhubs des Auslassventils/der Auslassventile um ungefähr 40 CAD geändert, um das innere Restniveau ausreichend zu verringern, um die Flammenausbreitung zu erleichtern. Zusätzlich wird diese Phasenänderung von einer Änderung des Auslassventilhubs von niedrig nach hoch begleitet. Für den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 wird die Lage des Auslassventil-Spitzenhubs um ungefähr 50 CAD verändert.
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Wenn ein Einlassventil anstelle von zweien wirksam ist (d. h. eine Einlassventildrosselung) oder wenn ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub oder unterschiedliche Öffnungsdauern verwendet werden, werden sich die gezeigten Kurven für die Lage des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile verschieben, die gezeigten Trends werden aber die gleichen bleiben.
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Wenn ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub und/oder eine unterschiedliche Öffnungsdauer sowohl für den hohen als auch für den niedrigen Nockenhub verwendet werden, werden die in 4, 5, 7 und 8 dargestellten Lagen des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile schwanken, die Trends und die verwendeten Wechselstrategien bleiben aber die gleichen.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle(n) Ausführungsform(en) eingeschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.