AT521514A4

AT521514A4 - Zylinderkopf

Info

Publication number: AT521514A4
Application number: ATA50789/2018A
Authority: AT
Inventors: Martin Klampfer Ing; Andreas Zurk Ing
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-02-15
Also published as: AT521514B1; JP2022500588A; CN112689706A; US20220065191A1; WO2020051607A1; US11459976B2; CN112689706B; DE112019004577A5; JP7453216B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem oberen Teilkühlraum (O) und einem unteren Teilkühlraum (U), die durch ein Zwischendeck (Z) voneinander getrennt sind, mit einem in einen Brennraum reichenden Element (1), das das Zwischendeck (Z) durchdringt, wobei im Bereich des Elements (1) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Teilkühlräumen (O, U) ausgebildet ist, um dem Kühlmittel zu ermöglichen vom oberen Teilkühlraum (O) zum unteren Teilkühlraum (U) zu strömen. Aufgabe der Erfindung ist es einen Zylinderkopf mit verbesserter Kühlung anzugeben. Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass die Strömungsverbindung durch zumindest eine Ausnehmung (2) am Element (1) gebildet wird, welches einwandig ausgebildet ist und dass sich die Strömungsverbindung zum unteren Teilkühlraum (U) - vorzugsweise kontinuierlich - verjüngt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem oberen Teilkühlraum und einem unteren Teilkühlraum, die durch ein Zwischendeck voneinander getrennt sind, wobei ein Kühlmittel vom oberen Teilkühlraum zum unteren Teilkühlraum strömt, mit einem in einen Brennraum reichenden Element, das das Zwischendeck durchdringt, wobei im Bereich des Elements zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Teilkühlräumen ausgebildet ist.

Um die hohen Temperaturen im Zylinderkopf in dem für das Material ertragbaren Bereich zu halten ist es üblich den Zylinderkopf über Kühlräume zu kühlen. Dazu ist es vorgesehen, dass das Kühlmittel den Zylinderkopf entweder von einem Kurbelgehäuse kommend vom unteren Teilkühlraum zum oberen Teilkühlraum durchströmt oder wie in der vorliegenden Erfindung vom oberen Teilkühlraum zum unteren Teilkühlraum durchströmt, was auch als Top-Down-Cooling bezeichnet wird.

Durch diese beiden unterschiedlichen Herangehensweisen ergeben sich sehr unterschiedliche Strömungsverhältnisse und Kühlbedingungen im Zylinderkopf und in den Teilkühlräumen.

Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der AT 510 857 B1 bekannt. Darin ist eine Überströmöffnung um einen Aufnahmeputzen für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse, die bis in den Brennraum reicht gezeigt. Dabei ist die Überströmöffnung durch die Kontur des Zwischendecks vorgegeben und durch die Möglichkeiten der Fertigung begrenzt. Vor allem eine Nachbearbeitung des Zwischendecks nach dem Guss ist nicht mehr einfach möglich. Dadurch is die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen vor allem um den Aufnahmeputzen erschwert. Die Strömungen und die Kühlung des Aufnahmeputzens hängen von der Geometrie der Öffnung im Zwischendeck ab.

Auch aus der DE 10 2005 031 243 B4 ist eine ähnlicher Zylinderkopf bekannt. In dieser ist ein Kühleinsatz um ein Bauteil gezeigt, das einen Injektor oder eine Zündkerze darstellen kann. Dabei ist dieser Einsatz so ausgeführt, dass er nur einen Einsatz um das eigentliche Bauteil oder um dessen Aufnahmehülse darstellt. Der Kühleinsatz ist dabei doppelwandig ausgebildet und seine Außenwände bilden / 18 im Wesentlichen einen Hohlzylinder um das Bauteil. Im Inneren ist dieser Einsatz ebenfalls hohl ausgebildet. Das Kühlmittel strömt vom oberen Teilkühlraum über Fenster in der Außenwand des Kühleinsatzes in das Innere des Kühleinsatzes und in Richtung des unteren Teilkühlraums. Durch Fenster in der Außenwand strömt das Kühlmittel wiederum aus dem Kühleinsatz in den unteren Teilkühlraum. Dabei wird die Strömungsverbindung zwischen oberem und unterem Teilkühlraum durch den Hohlraum zwischen der äußeren und der inneren Wand gebildet. Nachteilig ist dabei, dass die Strömung in dem Einsatz unerwünschte Turbulenzen aufweist, da die Strömung im Hohlraum nicht gezielt ohne zusätzliche Mittel gelenkt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Zylinderkopf mit verbesserter Kühlung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen eingangs erwähnten Zylinderkopf erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strömungsverbindung durch zumindest eine Ausnehmung am Element gebildet wird, welches einwandig ausgebildet ist und dass sich die Strömungsverbindung zum unteren Teilkühlraum - vorzugsweise kontinuierlich verjüngt.

Dadurch ist es einfach möglich eine vorherbestimmbare Strömung und somit auch eine beeinflussbare Strömung je nach Bedarf für den Zylinderkopf zu erhalten.

Die Ausnehmung weist dabei im Vergleich zur Größe des Elements gesehen kleine Ausmaße auf, wie etwa Bohrungen aus dem vollen Element.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine Ausnehmung im Element nutförmig ausgebildet ist, die in Richtung einer Ventilbrücke offen ist und mit ihrem Grund im Wesentlichen ins Innere des Elements ausgerichtet ist. Dadurch kann besonders der kritische Bereich zwischen den Ventilen gekühlt werden.

Um diesen Effekt noch zu verstärken, ist es günstig, wenn zu jeder Ventilbrücke zumindest eine Ausnehmung hin geöffnet im Element ausgebildet ist und wenn vorzugsweise drei Ausnehmungen pro Ventilbrücke im Element ausgebildet sind.

Es ist vorteilhaft, wenn die Form des Zwischendecks einen Beitrag zur Verjüngung der Strömungsverbindung leistet. Dies ist besonders einfach möglich, wenn das / 18

Zwischendeck eine im Wesentlichen konischen Aussparung aufweist, in der das Element angeordnet ist. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit um das Element positiv beeinflusst werden und erhöht sich günstigerweise.

In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass im Element zumindest ein Kanal vorgesehen ist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem und unterem Teilkühlraum dient.

Um eine möglichst einfache Anordnung zu erhalten, ist es günstig, wenn eine Eintrittsöffnung des Kanals einen Abstand vom Zwischendeck aufweist, der größer ist als eine Entfernung eines Anfangspunktes der Ausnehmung vom Zwischendeck. Der gleiche Vorteil entsteht durch eine Ausführung in der vorgesehen ist, dass der Kanal in einem Radius des Elementes angeordnet ist, der kleiner ist, als ein Radius an dem der Grund der Ausnehmung im Element angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Kanal innerhalb der Ausnehmungen anzuordnen, wobei durch die Ausnehmung nicht nur das Element, sondern auch die Ventilbrücken rundum gekühlt werden können. Durch den Kanal, der als Bohrung ausgeführt sein kann, ist es möglich, das Innere des Elements gezielt zu kühlen.

Um eine gute Kühlung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Kanal einen Durchmesser aufweist der zum Durchmesser des Elements ein Verhältnis besitzt, das zwischen 0,02 und 0,2 ist und vorzugsweise zwischen 0,06 und 0,1, insbesondere etwa 0,08, beträgt.

Aus Sicht der Kühlung ist es günstig, wenn in einer besonderen Ausführung vorgesehen ist, dass das Element zum Zwischendeck einen Ringspalt aufweist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum und unterem Teilkühlraum dient.

Günstig beeinflussen lässt sich die Kühlung über den Ringspalt, wenn der Ringspalt eine Breite aufweist, die zu dem Durchmesser des Elements ein Verhältnis aufweist, das kleiner als 0,05 und vorzugsweise kleiner als 0,02, insbesondere kleiner 0, 015 ist.

Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, wenn eine Ausnehmung eine Weite aufweist, die zu dem Durchmesser des Elements ein Verhältnis aufweist, das kleiner als 0,2 ist und vorzugsweise kleiner als 0,1, insbesondere etwa 0,06 ist.

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Um die Strömung zu beschleunigen und so die Kühlung positiv zu beeinflussen und zu verbessern ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsverbindung in einer ersten Höhe entlang des Elements im Bereich des oberen Teilkühlraums einen Eintrittsquerschnitt aufweist und die Strömungsverbindung in einer zweiten Höhe entlang des Elements im Bereich des unteren Teilkühlraums einen Austrittsquerschnitt aufweist und dass der Eintrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt in einem Verhältnis zueinander stehen, das größer ist als 1 und vorzugsweise über 1,6 und besonders bevorzugt etwa 1, 82 beträgt.

Die Strömung wird auch verbessert, wenn das Element im Bereich von der Strömungsverbindung im Zwischendeck eine Einschnürung auf einen Minimaldurchmesser aufweist, wobei dieser Minimaldurchmesser zum Durchmesser ein Verhältnis aufweist, das zwischen 0,3 und 0,8 ist, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6 und besonders bevorzugt etwa 0,46 ist.

In der Folge wird die Erfindung anhand der Ausführungen in den nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in einer ersten Ausführung in einem Schnitt gemäß der Linien I-I in Fig. 2;

Fig. 2 das Detail des Zylinderkopfs in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Strömungsprofil des Zylinderkopfs um ein Element; und

Fig. 4 eine Skizze des Details analog zu Fig. 1 bis 3 eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in einer zweiten Ausführung.

In Fig. 1 ist ein Element 1 gezeigt, das in einem Zylinderkopf einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dieses Element 1 ist in der gezeigten Ausführung als eine Hülse zur Aufnahme einer Zündkerze ausgeführt. Das Element 1 kann in einer nicht gezeigten Ausführung zur Aufnahme eines anderen Bauteils ausgebildet sein oder auch das dementsprechende Bauteil selbst sein.

In besagtem Zylinderkopf ist eine Kühlung mit Kühlmittel vorgesehen. Dafür weist der Zylinderkopf einen oberen Teilkühlraum O und einen von diesem durch ein / 18

Zwischendeck Z getrennten unteren Teilkühlraum U auf. Der obere Teilkühlraum O und der untere Teilkühlraum U weisen eine Strömungsverbindung auf.

Diese Strömungsverbindung wird in der gezeigten Ausführung durch mehrere Ausnehmungen 2 und einen Kanal 3 im Element 1 sowie durch einen Ringspalt R um das Element 1 gebildet. Die Ausnehmungen 2 bilden diese Strömungsverbindung gemeinsam mit einer konischen Aussparung 4 in dem Zwischendeck Z, in der das Element 1 angeordnet ist.

Die Ausnehmungen 2 sind dabei als Nuten im Element 1 ausgeführt, die von einem Anfangspunkt A ausgehen. Der Anfangspunkt A bezeichnet jenen Punkt an dem der Auslauf der Nut beginnt, der in der gezeigten Ausführung gebogen ist und in alternativen Ausführungen gerade sein kann. Der Anfangspunkt A der Nut ist im oberen Teilkühlraum O angeordnet und weist eine Entfernung e zu dem Zwischendeck Z auf. Der Grund 5 der Nut, die die Ausnehmung 2 bildet ist gebogen oder abgeknickt.

Die Ausnehmung 2 ist in der gezeigten Ausführung nur im oberen Bereich vom oberen Teilkühlraum O bis in den Bereich im Zwischendeck Z als Nut ausgeführt. Hin zum unteren Teilkühlraum U ist die Ausnehmung 2 derart ausgebildet, dass das Element 1 einen Durchmesser D aufweist, der am Ende der Nut in einem Absatz 6 endet. Dabei ist die Strömungsverbindung durch die Ausnehmung 2, die die Form eines weiteren Ringspalts aufweist gebildet. Dabei geht auch der Ringspalt R in diesen weiteren Ringspalt über.

Nach einem kurzen geraden Stück zwischen Element 1 und Zwischendeck Z vom Absatz 6 in Richtung unterer Teilkühlraum U verjüngt sich auch das Element 1 konisch. Die konische Fläche am Element 1 beginnt auf gleicher Höhe mit der konischen Fläche am Zwischendeck Z. Dabei verringert sich der Strömungsquerschnitt durch den das Kühlmittel vom oberen Teilkühlraum O in den unteren Teilkühlraum U strömt. Bei diesem Übergang von der geraden, zylindrischen Fläche am Element 1 zur konischen Fläche weist das Element 1 einen Winkel α auf, der in der gezeigten Ausführung etwa 40° beträgt. Dabei ist in anderen Ausführungen auch ein anderer Betrag für den Winkel α möglich.

Durch die ähnliche Form von Zwischendeck Z und konischem Bereich am Element 1 wird das Kühlmittel in diesem Bereich in etwa um den Winkel α abgelenkt.

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Im Bereich im unteren Teilkühlraum U weist das Element 1 einen Minimaldurchmesser m auf. In diesem Bereich am Element 1 wird das Kühlmittel in der gezeigten Ausführung in den unteren Teilkühlraum U geleitet und dabei um mehr als 90° abgelenkt. Dabei sind am Element 1 beim Minimaldurchmesser m auch die Ausnehmungen 2 weiter geführt. (Dies ist in Fig. 3 näher zu erkennen und wird an dieser Stelle näher erläutert.)

Das Kühlmittel strömt in der gezeigten Ausführung vom oberen Teilkühlraum O entlang der Pfeile 8 in den gleichmäßigen Ringspalt R, der um das Element 1 angeordnet ist, sowie durch die Ausnehmungen 2 und durch den Kanal 3 oder die Kanäle 3 in den unteren Teilkühlraum U. Im Kanal 3 und in den Ausnehmungen 2 wird die Strömung in der gezeigten Ausführung mindestens einmal umgelenkt und durch die Verjüngung des Querschnitts wird die Geschwindigkeit des Kühlmittels dementsprechend erhöht.

Kühlungen, bei denen die Hauptströmungsrichtung vom oberen Teilkühlraum O zum unteren Teilkühlraum U gerichtet ist, bezeichnet man als Top-Down-Cooling.

In einer ersten Höhe H1 weist die Strömungsverbindung, die die Summe aus Kanal/Kanälen 3, Ausnehmungen 2 und Ringspalt R bildet, einen Eintrittsquerschnitt A1 auf und in einer zweiten Höhe H2 weist die Strömungsverbindung einen Austrittsquerschnitt A2 auf. Austrittsquerschnitt A2 und Eintrittsquerschnitt A1 weisen zueinander ein Verhältnis A1/A2 auf, das 1,8 ist. Dadurch wird die Strömung entlang der Höhe des Elements 1 beschleunigt.

Weiters ist in Fig. 1 die Anordnung des Kanals 3 und der Ausnehmungen 2 im Element 1 erkennbar. Dabei ist der Kanal 3 im Wesentlichen als Bohrung in Richtung der Drehachse 7 des Elements 1 in einem Radius r1 des Elements 1 angeordnet. Der Grund 5 der Ausnehmung 2 ist im Wesentlichen in einem Radius r2 im Element angeordnet. Der Radius r1 in dem der Kanals 3 angeordnet ist, ist kleiner, als der Radius r2 in der der Grund 5 im Element 1 angeordnet ist.

In Fig. 2 ist zu erkennen, dass das Element 1 zu jeder Ventilbrücke V mehrere Ausnehmungen 2 aufweist. Die Anzahl der Ausnehmungen 2 kann je nach Bedarf an Kühlung und je nach Größe des Elementes 1 variiert werden.

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In der gezeigten Ausführung sind pro Ventilbrücke V je drei zueinander parallele Ausnehmungen 2 vorgesehen. Diese Ausnehmungen 2 stellen Nuten dar, deren Grund 5 jeweils ins Innere des Elements 1 gerichtet ist.

Im Inneren des Elements 1 ist weiters der Kanal 3 in Verlängerung zwischen zwei Ausnehmungen 2 zu erkennen. Diese beiden Ausnehmungen 2, die in 90° zueinander angeordnet sind, weisen dabei eine geringere Tiefe t in Innere des Elements 1 auf. Eine Weite w der Ausnehmungen 2 ist für alle Ausnehmungen 2 im Wesentlichen gleich. Der Kanal 3 weist einen Durchmesser d auf.

In Fig. 3 ist schematisch ein Strömungsprofil im und um das Element 1 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass in Richtung des unteren Teilkühlraums U die Strömungsgeschwindigkeiten zunehmen. Weiters ist im unteren Bereich erkennbar, dass nach einem Bereich, in dem die Ausnehmungen 2 am Element 1 verschwinden, nach unten, zu einem Brennraum hin wieder an Tiefe t gewinnen. Dadurch ist es möglich, die Strömung besser zu leiten.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs gezeigt. Dabei sind wesentliche Merkmale gleich ausgeführt und in der Folge wird nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführung eingegangen.

In dieser zweiten Ausführung weist das Element zu zwei Ventilbrücken V hin, die nebeneinander angeordnet sind, je fünf Ausnehmungen 2 auf, die unterschiedliche Tiefen t aufweisen. Diesen beiden Gruppen von Ausnehmungen 2 gegenüber sind am Element 1 nur je vier Ausnehmungen 2 angeordnet und dazwischen drei Kanäle 3 vorgesehen. Wie in dieser Darstellung erkennbar ist, ist in den Ventilbrücken V ebenfalls je ein Kühlkanal vorgesehen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem oberen Teilkühlraum (O) und einem unteren Teilkühlraum (U), die durch ein Zwischendeck (Z) voneinander getrennt sind, mit einem in einen Brennraum reichenden Element (1), das das Zwischendeck (Z) durchdringt, wobei im Bereich des Elements (1) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Teilkühlräumen (O, U) ausgebildet ist, um dem Kühlmittel zu ermöglichen vom oberen Teilkühlraum (O) zum unteren Teilkühlraum (U) zu strömen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung durch zumindest eine Ausnehmung (2) am Element (1) gebildet wird, welches einwandig ausgebildet ist und dass sich die Strömungsverbindung zum unteren Teilkühlraum (U) - vorzugsweise kontinuierlich - verjüngt.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ausnehmung (2) im Element (1) nutförmig ausgebildet ist, die in Richtung einer Ventilbrücke (V) offen ist und mit ihrem Grund (5) im Wesentlichen ins Innere des Elements (1) ausgerichtet ist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Ventilbrücke (V) zumindest eine Ausnehmung (2) hin geöffnet im Element (1) ausgebildet ist und dass vorzugsweise drei Ausnehmungen (2) pro Ventilbrücke (V) im Element (1) ausgebildet sind.
4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (Z) eine im Wesentlichen konischen Aussparung (4) aufweist, in der das Element (1) angeordnet ist.
5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Element (1) zumindest ein Kanal (3) vorgesehen ist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum (O) und unterem Teilkühlraum (U) dient.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsöffnung des Kanals (3) einen Abstand (a) vom Zwischendeck (Z) aufweist, der größer ist als eine Entfernung (e) eines Anfangspunktes (A) der Ausnehmung (2) vom Zwischendeck (Z).

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7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) in einem Radius (r1) des Elementes (1) angeordnet ist, der kleiner ist, als ein Radius (r2) an dem der Grund (5) der Ausnehmung (2) im Element (1) angeordnet ist.
8. Zylinderkopf nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) einen Durchmesser (d) aufweist der zum Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (d/D) besitzt, das zwischen 0,02 und 0,2 ist und vorzugsweise zwischen 0,06 und 0,1, insbesondere etwa 0,08, beträgt.
9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) zum Zwischendeck (Z) einen Ringspalt (R) aufweist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum (O) und unterem Teilkühlraum (U) dient.
10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (R) eine Breite (B) aufweist, die zu dem Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (B/D) aufweist, das kleiner als 0,05 und vorzugsweise kleiner als 0,02, insbesondere kleiner 0, 015 ist.
11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung (1) eine Weite (w) aufweist, die zu dem Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (w/D) aufweist, das kleiner als 0,2 ist und vorzugsweise kleiner als 0,1, insbesondere etwa 0,06 ist.
12. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung in einer ersten Höhe (H1) entlang des Elements (1) im Bereich des oberen Teilkühlraums (O) einen Eintrittsquerschnitt (A1) aufweist und die Strömungsverbindung in einer zweiten Höhe (H2) entlang des Elements (1) im Bereich des unteren Teilkühlraums (U) einen Austrittsquerschnitt (A2) aufweist und dass der Eintrittsquerschnitt (A1) und der Austrittsquerschnitt (A2) in einem Verhältnis (A1/A2) zueinander stehen, das größer ist als 1, und vorzugsweise über 1,6 und besonders bevorzugt etwa 1, 82 beträgt.
13. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) im Bereich von der Strömungsverbindung im

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Zwischendeck (Z) eine Einschnürung auf einen Minimaldurchmesser (m) aufweist, wobei dieser Minimaldurchmesser (m) zum Durchmesser (D) ein Verhältnis (m/D) aufweist, das zwischen 0,3 und 0,8, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6, besonders bevorzugt etwa 0,46 ist.