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Technischer
Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen
von Zündaussetzern
in einem Verbrennungsmotor und im Einzelnen auf eine Vorrichtung
und ein Verfahren, das unter Verwendung von Motor-Zylinderdrucksensordaten
das Vorliegen oder Ausbleiben von Zündaussetzern feststellt.
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Bei Viertakt-Verbrennungsmotoren
werden eine Anzahl Zylinder in einem Kreislauf mit vier Zuständen betrieben,
der einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und
einen Auslasshub aufweist. Während
dieses Verfahrens wird ein Kraftstoff-Luftgemisch in eine Verbrennungskammer eingebracht
und durch einen beweglichen Kolben verdichtet. Durch Anlegen einer
Hochspannung an eine Zündkerze
wird ein Funken erzeugt und wird die Mischung gezündet und
verbrannt, wodurch der Kolben zwangsläufig bewegt wird und Leistung
abgibt. Ein teilweise oder vollständiger Ausfall der Einleitung der
Verbrennung der Luft-/Kraftstoffmischung wird als Zündaussetzer
bezeichnet. Schädliche
Folgen fortdauernder Zündaussetzer,
sei es teilweiser oder vollständi ger,
bedeuten einen Verlust an Motorleistung, aber auch ein unerwünschtes
Einströmen
von Kraftstoff in die Auspuffanlage.
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Zu den verschiedenen Vorschlägen zum Feststellen
von Zündaussetzern
bei Verbrennungsmotoren zählen Überwachen
der Winkelgeschwindigkeit der Motorkurbelwelle, Messen der Zeitspanne zwischen
aufeinanderfolgenden Verbrennungsvorgängen, optisches Überprüfen des
Auftretens von Zündfunken,
Messen der Auspuffgastemperatur und Überwachen der elektrischen
Merkmale von Zündsignalen.
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Ein weiterer Vorschlag, der sich
als teilweise durchaus wirkungsvoll erwiesen hat, beinhaltet das Messen
des Drucks in den einzelnen Verbrennungskammern des Motors. Diese
Druckmessungen werden normalerweise unter Verwendung elektronischer Druckwandler
vorgenommen, die durch einen Zugang in der Verbrennungskammer montiert
sind und die ein für
den Zylinderdruck kennzeichnendes elektrisches Signal abgeben. Die
so erhaltenen Druckmesswerte werden mit einem oder mehreren vorbestimmten
Grenzwerten verglichen unterhalb welcher Zündaussetzer vermutet werden.
Dieses Verfahren erfordert aber ein hohes Maß an Genauigkeit bei der Drucksensoranzeige,
das in einer Umgebung wie bei einem Motorzylinder, nur schwer zu
erreichen ist.
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Ein Verfahren zur Verwendung von
Druckdaten zur wirkungsvollen Feststellung von Zündaussetzern ohne dass eine
hohe Sensorgenauigkeit erforderlich ist, wird von Brosi et al in
der US-Patentschrift Nr. 5,020,360 sowie von Herden und Kusell in
einer einschlägigen
SAE-Veröffentlichung
mit dem Titel „A New
Combustion Pressure Sensor for Advanced Engine Management", 1994, gelehrt.
Brosi und Herden et al erreichen eine Kompensation kleiner Ungenauigkeiten
bei den Daten eines empfindlichen Drucksensors, indem sie ein Differenzdruckintegral
(dpi) berechnen anstatt absolute Druckmessungen zu verwenden.
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Die Berechnung dieses Differenzdruckintegrals
beginnt mit der Messung des in der Verbrennungskammer eines Motorzylinders
während
des Ansaug- und Verdichtungshubes herrschenden Druckes vor und ohne
Beeinflussung durch einen Zündvorgang.
Dieser „Verdichtungsdruck" wird als Funktion
des Kurbelwellendrehwinkels bis zu einem Kurbelwellendrehwinkel
gemessen, der der oberen Totpunktstellung (TDC) des Kolbens entspricht.
Für Kurbelwellenwinkel
oberhalb TDC werden die Verdichtungsdruckdaten an einer durch den
oberen Totpunkt verlaufenden vertikalen Linie gespiegelt oder reflektiert,
um eine gespiegelte Druckkurve zu erzeugen (vgl. 2). Diese gespiegelten Druckwerte werden in
einem Speicher abgespeichert und von dem während des Verbrennungs- und
Arbeitshubes im Motorbetrieb tatsächlich gemessenen Verbrennungskammerdruck
abgezogen, um „Verbrennungsdruck"-Werte zu erzeugen,
die für
die von der Verbrennung der Luft-/Kraftstoffmischung hervorgerufene
inkrementale Druckzunahme in der Kammer kennzeichnend sind. Die
Verbrennungsdruckwerte werden dann über einen vorbestimmten Bereich
von Kurbelwellendrehwinkeln integriert, um das Differenzdruckintegral zu
erhalten. Bei sich ergebenden Integralwerten, die extrem niedrig
oder von negativen Vorzeichen sind, werden Zündaussetzer angenommen.
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Die so erhaltenen Verbrennungsdrücke hängen jedoch
notwendigerweise von der Drehzahl und der Belastung des Motors ab.
Offensichtlich sind der Verbrennungsdruck und damit das Differenzdruckintegral
normalerweise bei höheren Belastungen
größer und
bei geringen Belastungen kleiner als während des Motorleerlaufs. Um
die Möglichkeit
zu schaffen, sowohl teilweise als auch vollständige Zündaussetzer über einen
Bereich von Motordrehzahlen und -belastungen genau festzustellen,
können
eine Anzahl Differenzdruckintegral-Grenzwerte erforderlich sein, wobei
für jedes
Belastungsniveau ein unterschiedlicher Grenzwert verwendet wird.
Um einen einzigen Grenzwert zu liefern, unterhalb von dem teilweise
oder vollständige
Zündaussetzer
einfach festgestellt werden können,
nimmt die vorliegende Erfindung den Einfluss der Motordrehzahl und/oder
-belastung dadurch heraus, dass sie das Differenzdruckintegral normalisiert.
Dadurch dass das Differenzdruckintegral durch den nach dem TDC erreichten
maximalen Verbrennungskammerdruck geteilt wird, werden belastungsabhängige Veränderungen
im Wesentlichen eliminiert.
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Die vorliegende Erfindung schafft
somit ein verbessertes Motor-Zündaussetzerfeststellungsverfahren,
das die Auswirkungen von Drucksensorungenauigkeiten minimiert, während es
gleichzeitig über einen
weiten Bereich von Drehzahlen und Motorbelastungen einsetzbar ist.
Sowohl teilweise als auch vollständige
Zündaussetzer
können
unter Verwendung eines einzigen Grenzwertes einfach ermittelt werden.
Dies ist insbesondere beim Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeuges
zweckmäßig, bei
dem es darauf ankommt, Zündaussetzer
in Echtzeit festzustellen und unter Kontrolle zu halten, während gleichzeitig
lediglich ein Minimum von Computerleistung in Anspruch genommen
wird.
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Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang
mit der beigefügten Zeichnung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gestalteten
Zündaussetzererkennungssystems,
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2 ist
eine graphische Darstellung der bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten
Druckwerte,
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3 ist
ein Diagramm des Differenzdruckintegrals nach der Lehre von Brosi
und Herden, aufgenommen bei verschiedenen Motorbelastungen,
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5 ist
ein Diagramm ähnlich
jenem nach 3, in dem
das nach der erfindungsgemäßen Lehre
erhaltene, normalisierte Differenzdruckintegral über der Motorausgangsleistung
aufgetragen ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bezugnehmend auf die Zeichnung und
hier insbesondere auf 1 ist
ein das erfindungsgemäße Verfahren
bei einem Vierzylindermotor benutzendes Zündaussetzerkennungssystem allgemein
mit 10 bezeichnet. Wenngleich zu Veranschaulichungszwecken
hier ein Vierzylindermotor benutzt wird, so versteht sich doch,
dass die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auch in Verbindung
mit einem Motor mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern und auch bei
jeder beliebigen Anzahl oder bei allen Zylindern eines Motors zweckdienlich
ist. Die vorliegende Erfindung lässt
sich auch leicht auf die Anwendung sowohl bei Zweitakt- als auch
bei Vier taktmotoren einrichten.
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Das System 10 enthält vier
Zylinderdrucksensoren 12a bis 12d, von denen jeder
an jeweils einem der vier Motorzylinder 14a bis 14d in
geeigneter Weise montiert ist. Wenngleich jeder für die Erzeugung
eines für
ein Zylinderdruck kennzeichnenden elektrischen Signals geeignete
Sensor verwendet werden kann, sind die Sensoren 12a bis 12d vorzugsweise
der Bauart wie sie in der US-Patentschrift Nr. 5,559,280 Kovacich
et al erläutert
sind, die auf die Inhaberin der vorliegenden Erfindung lautet. Sensoren
dieser Art sind Druckwandler, die über einen in die Verbrennungskammer
führenden
Kanal, etwa eine Gewindebohrung in dem Zylinderkopf eingefügt sind.
Diese Sensoren enthalten in der Regel ein druckempfindliches Glied,
das in Abhängigkeit
auf dem in der Verbrennungskammer erfassten Druck an einem piezzoresistiven
Stab zur Anlage kommt, was bewirkt, dass eine Anzahl Piezzowiderstände ein elektrisches
Signal erzeugen, das für
die auf das Glied einwirkenden Druckkräfte und damit für den Verbrennungskammerdruck
kennzeichnend ist.
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Jeder Druckfühler 12 ist elektrisch
an eine Datenerfassungsplatine 16 angeschlossen, wie sie handelsüblich von
National Instruments Type DHS 1802HC zu beziehen ist. Die Platine 16 enthält oder weist
an sie angekuppelt einen Speicher oder eine Datenspeichervorrichtung 18 auf,
die eine Anzahl Datenspeicherstellen zum Speichern der von den Drucksensoren 12 erhaltenen
Druckdaten wie auch zum Halten von Zwischenwerten hat, die während des
Rechenvorgangs erzeugt werden. Diese Berechnungen werden, ebenso
wie verschiedene andere Aufgaben, von einem angeschlossen Mikroprozessor 20 ausgeführt. Wenn
das vorliegende Zündausset zererkennungssystem 10 dazu
eingesetzt wird, Zündaussetzer
in dem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges zu erkennen, ist
der Prozessor 20 vorzugsweise an Bord des Kraftfahrzeugs
angeordnet, doch könnten
von den Sensoren 12 erhaltene Messdaten alternativ auch
für eine
spätere
Verarbeitung außerhalb
des Kraftfahrzeuges gespeichert werden.
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Für
jeden Zylinder werden für
die jeweils augenblickliche Winkelstellung der Kurbelwelle (Kurbelwellenwinkel θ) kennzeichnende
Pulse in an sich bekannter Weise von einem Kurbelwellenwinkelfühler 22 erhalten.
Die Kurbelwellenwinkelangaben werden der Platine 16 zugeleitet,
ebenso wie für
die obere Totpunktstellung (TDC) des Kolbens kennzeichnende Pulse,
die von einem ein-Puls-pro-Umdrehung-Fühler 24, etwa einem
Halleffekt-Fühler,
erhalten wurden, einer Timer-/Zählerplatine 26 zugeleitet werden
, wie sie handelsüblich
von National Instruments, Type PC-T10-10 erhältlich ist. Jede der von einem
Drucksensor 12 erhaltenen Druckangaben wird in dem Speicher
dem Kurbelwellenwinkel zugeordnet bei dem die Druckangabe aufgenommen
wurde. Bei der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Druckmessung bei jedem Grad eines zunehmenden
Kurbelwellenwinkels erhalten oder erfasst, doch könnte alternativ
auch jedes andere geeignete Inkrement verwendet werden.
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Bezugnehmend auf 2 sind dort die bei einem typischen Arbeitszyklus
eines Zylinders eines Verbrennungsmotors auftretenden verschiedenen Drücke über dem
Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Während eines einzigen Motorzyklus
steigt der Verbrennungskammerdruck (Pθ) üblicherweise
auf ein Maximum an und fällt
dann ab. Der bei Kurbelwellenwinkeln vor dem oberen Totpunkt auftretende
Verdichtungsdruck wird in der Verbrennungskammer durch die Bewegung
des Kol bens in den Zylinder vor der Zündung erzeugt. Während dieser
Zeitspanne wirkt der Motor als Verdichter, wobei er die Brennstoff-/Kraftstoffmischung
für die
Zündung
komprimiert. Dieser Druck wird von dem System 10 mit zunehmendem
Kurbelwellenwinkel so lange gemessen bis der obere Totpunkt des
Kolbens erreicht ist.
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Um einen vollständigen „Verdichtungsdruck" -Messbereich sowohl
während
des Ansaug- als auch während
des Arbeitshubes zu erhalten, wie dies für das hier gelehrte Verfahren
erforderlich ist, wird die von diesen, bei Kurbelwellenwinkeln vor
Erreichen des TDC erzielten Messwerten gebildete Kurve an einer
Vertikalachse gespiegelt oder reflektiert, die durch den oberen
Totpunkt verläuft.
Mit anderen Worten, es wird jede Druckmessung in einem einem vorbestimmten
Kurbelwellenwinkel zugeordneten Speicherplatz gespeichert, und bei
Kurbelwellenwinkeln oberhalb jenes Winkels bei dem der Kolben den
oberen Totpunkt erreicht, werden die gemessenen Druckwerte in einer
umgekehrten Folge oder nacheinander in zusätzlichen Speicherplätzen abgespeichert,
von denen jeder einem Kurbelwellenwinkel zugeordnet ist, der größer ist
als jener der sich im oberen Totpunkt ergab.
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Aus den von den Sensoren 12 während des Verdichtungs- und Auslasshubs
des Motors erhaltenen aktuellen Verbrennungskammerdruckmesswerten
und den gespiegelten Verdichtungsdruckwerten kann ein „Verbrennungsdruck" bestimmt werden.
Bei jedem Kurbelwellenwinkel (θ)
hinter dem oberen Totpunkt wird der dem jeweiligen Winkel entsprechende gespiegelte
Druckwert von dem bei dem gleichen Kurbelwellenwinkel auftretenden
aktuellen Verbrennungskammerdruckmesswert abgezogen. Da die gespiegelten
Drücke
einfach die in umgekehrte Reihenfolge verwendeten Verdichtungsdrücke sind,
kann dieser Verbrennungsdruck als (Pθ – P(TDC-θ) ausgedrückt werden.
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Um diese Verbrennungsdruckdaten beim
Erkennen und Unter-Kontrollehalten von Zündaussetzern möglichst
wirkungsvoll einsetzen zu können, wird
eine Integration des Verbrennungsdrucks über einen Kurbelwellenwinkelbereich
vorgenommen, der sich von dem oberen Totpunkt bis zu einem Winkel nach
dem oberen Totpunkt erstreckt. Wenn das Vorzeichen dieses Differenzdruckintegrals
negativ wird, wird ein Zündaussetzer
angenommen. Wenngleich dieses Verfahren sowohl einen wirksamen Weg
zum Erkennen von Zündaussetzern
als auch für
ein Verfahren zum Nachsteuern der Motorzündung über Verstellungen des Kurbelwellen-Zündwinkels
auf der Grundlage des so erhaltenen Differenzdrucksignals liefert,
so kann dieses Verfahren doch an sich in Bezug auf Motorbelastungsniveaus
empfindlich sein. Wenn es auch in der Regel vollständige Motorzündaussetzer
erkennen kann, so hat sich doch herausgestellt, dass teilweise Zündaussetzer,
insbesondere bei geringen Belastungsbedingungen, etwa wenn ein Motor
nahe des Leerlaufzustandes arbeitet, schwieriger festzustellen sind.
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Dies rührt daher, dass die auf verschiedenen Belastungsniveaus
erhaltenen Differenzdruckintegrale sich generell mit der Belastung
verändern.
Bei verhältnismäßig niederen
Motorbelastungsniveaus steigt der Druck in der Verbrennungskammer
nicht wesentlich über
den Verdichtungsdruck im TDC an. Dies ergibt ein verhältnismäßig geringen
Unterschied zwischen dem aktuellen Druck und dem gespiegelten Druck
und deshalb einen kleinen dpi-Wert. Wie aus dem das Niveau von dpi
im Leerlauf und in einem Belastungszustand veranschaulichenden Diagramm nach 3 zu entnehmen, kann die
Einstellung eines Grenzwertes auf ein Niveau, das tief genug ist, um
Zündaussetzer
bei Niedriglastbedingungen zu erfassen dazu führen, dass nicht ganz vollständige Motorzündaussetzer
bei höheren
Drehzahlen und Belastungsniveaus nicht mehr erkannt werden können.
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Die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren liefern
jedoch einen Weg um das Differenzdruckintegral zu normalisieren,
um es damit weniger belastungsempfindlich zu machen. Dies ergibt
auch die Möglichkeit
lediglich einen einzigen Grenzwert einzustellen, der wirkungsvoll
dazu verwendet werden kann sowohl teilweise als auch vollständige Zündaussetzer über verschiedene
Motorbelastungsniveaus hinweg wirkungsvoll zu identifizieren und
unter Kontrolle zu halten.
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Unter der Annahme des Differenzdruckintegrals
(dpi):
und des maximalen oder Spitzendrucks
(P
MAX), vorzugsweise indem die von dem Sensor
12 für Kurbelwellenwinkel
innerhalb von 60° nach
dem TDC erhaltene Maximaldruckangabe ermittelt wird, ergibt sich die
nachfolgende Normalisierung des Differenzdruckintegrals (dp ^i):
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Da der Maximaldruck betrachtet wird,
ist dieser normalisierte Differenzdruckintegralwert unempfindlich
gegenüber
Motorbelastungsniveaus geworden und ermöglicht es deshalb eine Grenzwertschwelle
einzustellen unter der entweder ein vollständiger oder ein teilweiser
Zündaussetzer
angezeigt ist. Der Faktor N ist fakultativ eingefügt, um sich ergebende
dp ^i-Werte in einem gewünschten
und zweckmäßigen Bereich
zu erhalten. N kann deshalb eins oder jede natürliche oder ganze Zahl sein.
Bei einer bevorzugten Kraftfahrzeug-Ausführungsform der
Erfindung legt dieser Grenzwert allgemein in dem Bereich von 0 bis
50% eines maximalen dp ^i. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform
ist ein θ-Bereich für die dp ^i
Berechhung gleich (TDC + 180°),
wie oben angegeben, doch können
alternativ auch andere geeignete Winkelbereiche verwendet werden.
Der Kurbelwellenwinkelbereich wird jedoch vorzugsweise so gewählt, dass
er den ganzen Arbeitshub des Motors umfasst, aber nicht so groß ist, dass
er den nächstfolgenden
Ansaug- und/oder Verdichtungshub enthält.
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Die Konsistenz oder Reproduzierbarkeit
der normalisierten Differenzdruckintegralwerte kann aus 4 entnommen werden, die
graphisch eine Folge normalisierter Druckintegralwerte wiedergibt,
welche unter zunehmenden Leistungs- und Motorbelastungsbedingungen
erzielt wurden. Da alle dp ^i-Werte, unabhängig von Leistung und Belastung,
in dem gleichen Bereich liegen, wobei die Gesamtgröße der dp ^i-Werte
durch die Wahl von N bestimmt ist, kann ein einziger Zündaussetzererkennungsgrenzwert
gewählt
werden. Für
einen Motor, der ordnungsgemäß arbeitet
und dp ^i-Werte ähnlich
jenen wie sie in 4 veranschaulicht
sind hat, wird der Grenzwert vorzugsweise so eingestellt, dass er
unter den niedrigsten erwarteten, normalen dp ^i-Wert fällt. Abhän gig von der
jeweils gewünschten
Funktionsweise und Genauigkeit des Zündaussetzererkennungssystems kann
dieser Grenzwert auch höher
eingestellt werden, um kleinere teilweise Zündaussetzer zu erfassen oder
niedriger, um lediglich vollständigere
Zündaussetzer
zu erkennen. Die Normalisierung des Differenzdruckintegrals ergibt,
unabhängig
von der Motordrehzahl und Belastung, einen fast konstanten Bereich
von dp ^i-Werten. Dies erlaubt es lediglich einen einzigen Grenzwert
einzustellen, im Gegensatz zu der Notwendigkeit verschiedene Grenzwertschwellen
für die
einzelnen unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors vorzusehen,
wie das für dp ^i-Werte
erforderlich wäre,
die, wie in 3 dargestellt,
nicht gemäß dem vorliegenden
Verfahren normalisiert wären.
Diese Fähigkeit
ist insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungsfällen wertvoll, bei denen unter
veränderlichen
Motorbelastungen, wie sie typischerweise im normalen Fahrbetrieb
auftreten, Zündaussetzer
in Echtzeit für
bis zu 8 oder mehr Zylinder gleichzeitig erkannt werden müssen. Außerdem können die
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhaltenen normalisierten
Differenzdruckintegraldaten dazu verwendet werden, den Motor in ähnlicher
Weise wie von Brosi angegeben oder nach einem beliebigen anderen
geeigneten Verfahren zu steuern.
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Im Vorstehenden wurde lediglich eine
beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geoffenbart und beschrieben.
