Kolben für einen Verbrennungsmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg sowie eine umlaufende Ringpartie mit Kolbenringnuten aufweist, wobei der Kolben mit einem umlaufenden Kühlkanal versehen ist.

Bei derartigen, an sich bekannten Kühlkanalkolben wird regelmäßig eine Optimierung der Kühlwirkung des im Kühlkanal befindlichen Kühlöls angestrebt. Das Kühlöl läuft im Kühlkanal um und wird aufgrund des von der Kolbenbewegung herrührenden Shakereffekts bewegt. Insbesondere bei hoch belasteten Kolben ist die durch die Bewegung des Kühlöls bewirkte Wärmeabfuhr nicht ausreichend.

Zu diesem Zweck wird in der DE 10 2004 038 946 A1 vorgeschlagen, in einem einteiligen Kolben zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den besonders wärmebelasteten Kolbenbereichen, flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre vorzusehen, die in zum Kolbenkopf hin gerichteten, in der Wand des Kühlkanals vorgesehenen Bohrungen aufgenommen sind. Eine derartige Konstruktion ist jedoch äußerst aufwändig und mit Sicherheitsrisiken verbunden, da die Gefahr besteht, dass die Wärmerohre im Laufe der Zeit undicht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben mit verbesserter Kühlwirkung des in einem Kühlkanal umlaufenden Kühlöls zu schaffen, der mit möglichst wenig Aufwand herstellbar ist und sich zugleich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kühlkanal ein oder mehrere Kühlelemente aus einem Wärme leitenden massiven Werkstoff angeordnet sind,

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das oder die mit einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden ist bzw. sind.

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich zunächst durch eine verbesserte Kühlwirkung aus, die mehrere Ursachen hat. Das mindestens eine Kühlelement stellt eine zusätzliche Kühloberfläche im Kühlkanal dar, über die die vom Kolbenboden zum mindestens einen Kühlelement transportierte Wärme schneller an das das mindestens eine Kühlelement umspülende Kühlöl abgegeben wird. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden zum Kühlkanal und von dort zum Kühlöl gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des dem Brennraum zugewandten Kolbenbodens schnell und zuverlässig vermindert. Bei Kolben, deren Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, wird damit insbesondere der hoch wärmebelastete Muldenrand besonders wirksam entlastet.

Zusätzlich zur deutlich verbesserten Kühlwirkung bewirkt das mindestens eine Kühlelement eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens. Daher ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kolben trotz des vorgesehenen mindestens einen Kühlelements so auszugestalten, dass eine Gewichtserhöhung im Vergleich zu herkömmlichen Kolben vermieden wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass einerseits für das mindestens eine Kühlelement ein geeigneter Werkstoff mit möglichst geringer Dichte ausgewählt wird und dass andererseits aufgrund der verbesserten Formstabilität die Wanddicken insbesondere zwischen dem Kühlkanal und angrenzenden Strukturelementen des erfindungsgemäßen Kolbens verringert werden können. Bei geeigneter Bauweise ist sogar eine Gewichtsreduktion im Vergleich mit konventionellen Kolben möglich.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist für alle Typen von Kühlkanalkolben geeignet und erlaubt eine Vielzahl von Varianten hinsichtlich Materialauswahl und Kolbenkonstruktion. Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. aus Stahl, Gusseisen, Leichtmetall sowie einer Kombination dieser Werkstoffe bestehen, er kann einteilig oder mehrteilig sowie mit oder ohne Kühlölanspritzung ausgeführt sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Erfindungsgemäß kann ein einziges, kreisringförmiges Kühlelement vorgesehen sein, das zusätzlich mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl versehen sein kann, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren. Eine weitere geeignete Ausgestaltung sieht zwei oder mehrere ringsegmentförmige Kühlelemente vor, die ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl versehen sein können, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass zwei oder mehr stiftförmige Kühlelemente vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung geht mit der größtmöglichen Erhöhung der Kühloberfläche einher, so dass eine besonders wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Kühlelementen zum Kühlöl erfolgt.

Wenn sich das mindestens eine Kühlelement in axialer Richtung im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Kühlkanals erstreckt, wird die Wärmeabfuhr nochmals verbessert, da das Kühlöl in den unteren Bereichen des Kühlkanals eine niedrigere Temperatur aufweist als in den oberen Bereichen des Kühlkanals.

In vorteilhafter Weise sind ein oder mehrere Kühlelemente vorgesehen, die in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen aufgenommen sind, die in einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals angeordnet sind. Die mindestens eine Ausnehmung verringert die Materialdicke hin zum Kolbenboden. In besonders vorteilhafter Weise wird dann, wenn der Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, die Materialdicke hin zum Muldenrand reduziert. Dies bewirkt einen weiter verbesserten und beschleunigten Wärmetransport zum mindestens einen Kühlelement. Das aus einem massiven Werkstoff bestehende mindestens eine Kühlelement sorgt zugleich für eine ausreichende Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens, indem es mögliche, durch die Ausnehmung(en) bewirkte Stabilitätsverluste ausgleicht. Dies hat zur Folge, dass der Durchmesser einer im Einzelfall vorgesehenen Brennraummulde gegenüber dem Stand der Technik noch vergrößert werden kann. Dies wiederum verbessert ein weiteres Mal die Wärmeableitung in Richtung des mindestens einen Kühlelements und von dort zum Kühlöl. Die Anzahl der insbesondere stiftförmigen Kühlelemente kann aufgrund der verbesserten Form-

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Stabilität besonders groß gewählt werden, so dass die wirksame Kühloberfläche optimiert wird. Zusätzlich wird verhindert, dass die vom Kolbenboden aufgenommene Wärme in den Bereich der Ringpartie durchdringt.

Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. als einteiliger Kolben mit einem nach unten offenen, von einer Abdeckung verschlossenen Kühlkanal ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Abdeckung in vorteilhafter Weise als umlaufendes, im Querschnitt L-förmiges, am Kolbeninneren abgestütztes Bauteil ausgebildet sein. Ein derartiges Bauteils mit einem langen und einem kurzen Schenkel kann besonders einfach am erfindungsgemäßen Kolben fixiert werden, indem das freie Ende des langen Schenkels, der die eigentliche Kühlkanalabdeckung bildet, in einer unterhalb der Ringpartie vorgesehenen Nut aufgenommen ist, und der kurze Schenkel sich kolben- innenseitig abstützt, bspw. mit Hilfe einer Ausformung, die bspw. nutförmig und/oder kontinuierlich abflachend ausgebildet sein kann.

In vorteilhafter Weise kann das mindestens eine Kühlelement durch die Abdeckung des Kühlkanals hindurchragen, wodurch ein zusätzlicher Wärmetransport in Richtung der Abdeckung des Kühlkanals erfolgt.

Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch als zweiteiliger Kolben mit einem Kolbenoberteil, einem Kolbenunterteil sowie einem aus Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildeten geschlossenen Kühlkanal ausgebildet sein. In diesem Fall kann das mindestens eine Kühlelement mit einem zum Kolbenunterteil hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden sein. Dadurch findet eine zusätzliche Wärmeabfuhr in das Kolbenunterteil statt. Zusätzlich wird eine besonders hohe Formstabilität erzielt, da das mindestens eine Kühlelement das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil miteinander verbindet. Dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Wanddicken zwischen dem Kühlkanal und angrenzenden Bereichen des erfindungsgemäßen Kolbens, was zu einer zusätzlichen Materialersparnis bzw. Gewichtsreduzierung beiträgt. Das oder die Kühlelemente sind bspw. in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen aufgenommen, die in einem vom Kolbenunterteil gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals angeordnet sind und als Sackboh-

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rungen, der Einfachheit halber aber auch als Durchgangsbohrungen ausgebildet sein können.

Das mindestens eine Kühlelement ist vorzugsweise als Vollmetall-Kühlelement ausgebildet und besteht bspw. aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 2 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Draufsicht, teilweise im Schnitt;

Fig. 3 ein vergrößerter Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Fig. 4 ein vergrößerter Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Fig. 5 ein vergrößerter Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Fig. 6 ein vergrößerter Ausschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Fig. 7 einen Schnitt durch die Linie VII - VII in Figur 6.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, wobei die Darstellung gemäß Figur 1 in der linken Hälfte gegenüber der Darstellung in der rechten Hälfte um 90° gedreht ist.

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Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12. Das Kolbenoberteil 11 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14 sowie eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 17, Naben 18 mit Nabenbohrungen 18a zur Aufnahme des Kolbenbolzens (nicht dargestellt) und Nabenabstützungen 19 auf, die mit dem Kolbenschaft 17 verbunden sind. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 21 und einen inneren Kühlraum 22, die im Ausführungsbeispiel durch überlaufkanäle 27 für das Kühlöl miteinander verbunden sind.

Das Kolbenoberteil 11 weist eine sich an die Ringpartie 16 anschließende äußere Auflagefläche 23 und an seiner Unterseite eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 24 auf. Das Kolbenunterteil 12 weist an seiner Oberseite ebenfalls eine äußere Auflagefläche 25 sowie eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 26 auf. Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass die beiden Stützflächen 24,26 sowie die beiden Auflageflächen 23, 25 aufeinander liegen.

Die Materialien des Kolbenoberteils 11 und des Kolbenunterteils 12 können beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden, bspw. Warmstahl, AFP-Stahl oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen.

Im Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 21 des Kolbens 10 eine Vielzahl stiftförmi- ger Kühlelemente 28 angeordnet. Die Kühlelemente 28 bestehen aus einem massiven, gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Die freien Enden der Kühlelemente 28 sind in als Bohrungen ausgebildete Ausnehmungen 31 , 32 aufgenommen. Die als Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 31 ist in einem vom Kolbenoberteil 11 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet und zum Kolbenboden 13 hin gerichtet. Die als Durchgangsbohrung ausgebildete Ausnehmung 32 ist in einem vom Kolbenunterteil 12 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet. Die Kühlelemente 28 sind im Ausführungsbei-

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spiel sowohl im Kolbenoberteil 11 als auch im Kolbenunterteil 12 mittels Presssitz befestigt. Es sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Ferner ist jede beliebige andere geeignete Anbindung der Kühlelemente 28 an den betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals 21 denkbar, bspw. in einstückiger Form.

Die Oberflächen der zahlreichen Kühlelemente 28 wirken als zusätzliche große Kühloberfläche im Kühlkanal 21. über diese Kühloberfläche wird die vom Kolbenboden 13 zu den Kühlelementen 28 transportierte Wärme besonders schnell an das Kühlöl abgegeben, welches die Kühlelemente 28 umspült. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden 13 zum Kühlkanal 21 und von dort zum Kühlöl gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des Kolbenbodens 13 und des Muldenrands der Brennraummulde 14 besonders wirksam reduziert.

Die Kühlelemente 28 bewirken ferner eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens 10. Daher ist die Wanddicke zwischen der Brennraummulde 14 und der Ausnehmung 31 besonders gering ausgebildet. Damit geht eine Material- und Gewichtsreduktion einher. Ferner wird die Wärme vom der Brennraummulde 14 besonders schnell zu den Kühlelementen 28 abgeleitet.

Figur 3 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrteiligen Kolbens 110, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. In Figur 3 sind lediglich ein Teil des Kolbenoberteils 11 und ein Teil des Kolbenunterteils 12 sowie der Kühlkanal 21 und ein Kühlelement 128 dargestellt. Der Kolben 110 ist genauso aufgebaut wie der in Figur 1 dargestellte Kolben 10. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die unteren freien Enden der Kühlelemente 128 auch in als Sackbohrung ausgebildeten, im Kolbenunterteil 12 vorgesehenen Ausnehmungen 132 aufgenommen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 128 sind, genauso wie im Kolben 10, in als Sackbohrungen ausgebildeten Ausnehmungen 131 aufgenommen, die im Kolbenoberteil 11 vorgesehen sind. Die Kühlelemente 128 können auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf jede denkbare geeignete Weise befestigt sein, bspw. mittels Presssitz oder Schrumpfsitz.

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Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall handelt es sich um einen einteiligen Kolben 210 mit einem Kolbenkopf 220, der in Figur 4 ausschnittsweise dargestellt ist, sowie einem nicht dargestellten Kolbenschaft. Der Kolbenkopf 220 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 220 weist ferner einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 221 auf, der radial nach außen durch den Feuersteg 15 und die Ringpartie 16 begrenzt ist. Der Kühlkanal 221 ist in an sich bekannter Weise mit einer Abdeckung 233 verschlossen.

Im Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 221 des Kolbens 210 eine Vielzahl stift- förmiger Kühlelemente 228 angeordnet. Die Kühlelemente 228 bestehen aus einem massiven, gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 228 sind in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 231 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 220 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 221 angeordnet sind. Die Kühlelemente 228 sind im Ausführungsbeispiel mittels Presssitz befestigt. Es sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Die Kühlelemente 228 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte Höhe des Kühlkanals 221 , so dass ihr unteres freies Ende geringfügig o- berhalb der Abdeckung 233 positioniert ist. Die Kühlelemente 228 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.

Figur 5 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einteiligen Kolbens 310 mit einem Kolbenkopf 320, der in Figur 5 ausschnittsweise dargestellt ist, sowie einem andeutungsweise dargestellten Kolbenschaft 317 und einer andeutungsweise dargestellten Nabenabstützung 319. Der Kolbenkopf 320 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 320 weist ferner einen ringförmig

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umlaufenden, nach unten offenen Kühikanal 321 auf, der radial nach außen durch den Feuersteg 15 und die Ringpartie 16 begrenzt ist.

Der Kühlkanal 321 ist im Ausführungsbeispiel mit einer Abdeckung 333 verschlossen, die einen L-förmigen Querschnitt mit einem langen Schenkel 334 und einem kurzen Schenkel 335 aufweist. Das freie Ende des langen Schenkels 334, der die eigentliche Abdeckung für den Kühlkanal 321 bildet, ist in einer unterhalb der Ringpartie 15 vorgesehenen umlaufenden Nut 336 aufgenommen. Der kurze Schenkel 335 stützt sich kolbeninnenseitig an der Nabenabstützung 319 ab. Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel an der Nabenabstützung 319 eine nutähnliche, sich kontinuierlich abflachende Ausformung 337 vorgesehen, in die der kurze Schenkel 335 aufgenommen ist. Der lange Schenkel 334 ist ferner mit einer öffnung 338 versehen.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 321 des Kolbens 310 eine Vielzahl stiftförmiger Kühlelemente 328 angeordnet, die den Kühlelementen 228 gemäß Figur 4 entsprechen. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 328 sind ebenfalls in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 331 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 320 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 321 angeordnet sind, und wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt. Die Kühlelemente 328 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Höhe des Kühlkanals 321 , treten durch die öffnung 338 der Abdeckung 333 hindurch und erstrecken sich bis in den Kolbenschaft 317. Die Kühlelemente 328 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.

Die Figuren 6 und 7 zeigen ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einteiligen Kolbens 410, der dem in Figur 5 gezeigten Kolben 310 gleicht und im Kolbenkopf 420 ebenfalls einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 421 aufweist, der mit einer im Querschnitt L-förmigen Abdeckung 433 in der in Figur 5 dargestellten Weise verschlossen ist. Die Unterschiede bestehen darin, dass der lange Schenkel 434 der Abdeckung 433 keine öffnung aufweist und dass statt der bisher beschriebenen stiftförmigen Kühlelemente ringsegmentförmige Kühlelemente 428 vorgesehen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 428 sind in Aus-

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nehmungen 431 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 420 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 421 angeordnet sind, und wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt, bspw. mittels Schrumpfsitz oder Presssitz. Die Kühlelemente 428 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte Höhe des Kühlkanals 421 , so dass ihr unteres freies Ende geringfügig oberhalb der Abdeckung 433 positioniert ist. Die Kühlelemente 428 weisen Durchtrittsöffnungen 439 für Kühlöl auf, um eine optimale Durchmischung des im Kühlkanal 410 aufgenommenen Kühlöls zu gewährleisten. Die Kühlelemente 428 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.

Es ist ferner denkbar, ein einzelnes umlaufendes kreisringförmiges, ggf. mit Durchtrittsöffnungen für Kühlöl versehenes Kühlelement vorzusehen, das in vergleichbarer Weise mit dem betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden ist (nicht dargestellt).