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Brennkraftkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Brennkraftkolbenmaschine
mit durch veränderliches Brennkammervolumen veränderlichem Verdichtungsverhältnis,
bei der ein den Verbrennungsraum abschließendes Wandteil verlagerbar und damit das
Volumen des Verbrennungsraumes veränderbar ist.
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Es sind einige konstruktive Lösungen bekanntgeworden, durch die das
Volumen des Verbrennungsraumes so veränderbar ist, daß der Enddruck im Zündmoment
unabhängig von der Drosselung der Ansaugung konstant gehalten werden kann. Diese
bekannten Vorrichtungen verwenden zu diesem Zweck ausschließlich Kolben, und zwar
entweder Gegenkolben oder einen Teleskopkolben. Mit dieser Volumenänderung des Verbrennungsraumes
läßt sich zwar innerhalb weiter Grenzen ein Konstantbleiben des Enddrucks erreichen,
die Volumenänderung muß aber bei diesen bekannten Anlagen relativ groß sein, da
die Arbeitskolbengeschwindigkeit sich entlang einer Sinuskurve ändert, die mit abnehmender
Drehzahl flacher liegt und dadurch bedingt wird, daß die Ansauggeschwindigkeit über
den ganzen Kolbenweg unterschiedlich ist. Dies ist einer der Gründe, warum Vergaser
immer nur für Mittelwerte der Ansauggeschwindigkeit und nicht für eine konstante,
wenn auch mit der Drehzahl veränderliche Geschwindigkeit des angesaugten Gemisches
berechnet werden können. Da der Mittelwert der Ansauggeschwindigkeit bei flacher
werdender Sinuskurve der Kolbengeschwindigkeit sich nicht im gleichen Maße ändert
wie die Kolbengeschwindigkeit selbst, ist es praktisch unmöglich, einen konstanten
Füllungsgrad bei unterschiedlicher Füllmenge entsprechend der Drosselung zu erreichen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Motor zu schaffen, bei dem
nicht nur die durch die Drosselung der Ansaugleitung bedingte Veränderung der Verdichtungsverhältnisse
ausgeglichen wird, sondern bei dem auch unabhängig von der Drosselung ein möglichst
gleichmäßiger Füllungsgrad erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zur übertragung
der Bewegung des Arbeitskolbens auf die Hauptwelle eine an sich bekannte Nokkenanordnung
vorhanden ist, bei der der Arbeitskolben im oberen Totpunkt während eines vorbestimmten
Bereiches der Hauptwellendrehung bewegungslos gehalten wird, und daß während dieses
Bereiches der Hauptwellendrehung das den Verbrennungsraum abschließende verlagerbare
Wandteil bewegt wird.
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Im Betrieb einer so ausgebildeten Kolbenmaschine verläuft die Kolbenbewegung
nicht in einer Sinuskurve, sondern in einer sich weitgehend einer Geraden nähernden
Kurve. Die Abweichungen der Kurve der Kolbenbewegung gegen die Gerade sind ausschließlich
bedingt durch die Notwendigkeit, die Beschleunigung und Verzögerung des Kolbens
innerhalb technisch möglicher Grenzen zu halten; dabei wird bei den einzelnen Arbeitstakten
diese Beschleunigung bzw. Verzögerung weitgehend durch die Vorgänge im Zylinder
unterstützt. So liegt z. B. beim Verbrennungshub die Beschleunigung des Kolbens
an sich außerordentlich hoch. Diesem Umstand kann durch Ausgestaltung der Leitkurve
ohne Schwierigkeit Rechnung getragen werden.
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Vorteilhafterweise kann durch die Volumenänderung des Verbrennungsraumes
während der Ruhelage des Kolbens im oberen Totpunkt der für eine Selbstzündung erforderliche
Verdichtungsdruck erreicht werden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine Vorrichtung vorhanden
. sein, durch die der Arbeitskolben mit seinem Widerlager ständig in Berührung mit
der Leitfläche des Nockens gehalten wird.
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Die Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Berührung des Arbeitskolbens
mit der Leitfläche des Nockens kann von einem oder von mehreren Zylindern gebildet
sein, in dem/denen mit dem Arbeitskolben verbundene, pneumatisch beaufschlagte Hilfskolben
derart bewegbar sind, daß sie auf den Arbeitskolben eine Kraft in Richtung auf die
Nockenscheibe übertragen.
Die Hauptwelle kann vorteilhafterweise
eine bekannte Kurbelwelle sein, deren Kurbel mit dem Arbeitskolben in an sich bekannter
Weise durch eine sich auf einer an der Kurbel der Hauptwelle befestigten Nockenscheibe
abstützende Pleuelstange verbunden ist.
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Schließlich kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Hauptwelle
am Motorgehäuse in verstellbaren Exzenterscheiben derart gelagert sein, daß durch
Drehen der Exzenterscheiben der Abstand der Hauptwelle und damit auch des Arbeitskolbens
von dem Zylinderboden veränderbar ist.
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In den Zeichnungen sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise dargestellt.
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F i g. 1 ist ein Querschnitt des Motors; F i g. 2 ist ein ähnlicher
Querschnitt in der Phase, in der die Brennkammer auf den kleinsten Raum beschränkt
ist; F i g. 3 zeigt einen weiteren Teilquerschnitt zur Veranschaulichung der Vorrichtung
zum Aufrechterhalten der Berührung des Arbeitskolbens mit der Leitfläche des Nockens;
F i g. 4 stellt eine Gruppe von Verteilerventilen für die komprimierte Flüssigkeit
dar, die zur Verengung des Brennkammerraumes dient; F i g. 5 ist ein Querschnitt
eines Motors, der einige Abweichungen von der in den vorhergehenden Zeichnungen
dargestellten Maschine aufweist; F i g. 6 und 6 a zeigen eine Abänderung, die es
möglich macht, durch Ändern des Abstandes der Hauptwelle und damit auch des Arbeitskolbens
von dem Zylinderboden das Volumen des Verbrennungsraumes zu ändern; F i g. 7 zeigt
eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zur Anwendung bei einem
Motor mit Pleuelstange.
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Auf dem auf der Hauptwelle 21 aufgesetzten Nocken 1 läuft eine Nockenfolgerrolle
2 (F i g. 1), die sich um einen Wellenzapfen 22 dreht, der an einem Ansatz 3 des
Kolbens 10 befestigt ist. Das Profil des Nockens 1 besteht aus einem Bogensegment
AB mit dem Mittelpunkt O auf der Achse der Hauptwelle 21 und aus einem Bogensegment
BA
mit dem Mittelpunkt in einem Punkt R außerhalb der Achse der Hauptwelle
21, dessen Lage von dem Kolbenhub und anderen Eigenschaften des Motors bestimmt
wird. Der Punkt K ist der Punkt, an welchem die Nockenfolgerrolle 2 den Nocken 1
berührt.
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Da während des Arbeitsspieles, besonders beim Ansaugakt, die Folgerrolle
2 dazu neigen würde, sich von dem Nocken 1 abzuheben, ist eine Einrichtung zum Andrücken
der Folgerrolle 2 an den Nocken 1
vorhanden. Diese Einrichtung besteht
aus zwei parallelen Zylindern 5, die aus dem Gehäuse herausgearbeitet sind und deren
Achsen auf einer Diametralebene des Gehäuses liegen. Die Zylinder 5, in welchen
Kolben 4 gleiten, sind durch Kanäle 7 im Oberteil mit einem Flüssigkeitsbehälter
verbunden, der durch eine Druckluftquelle unter Druck gehalten wird. Die unteren
Kolbenteile sind mit einer Querstange 6 verbunden, die ihrerseits am Kolbenansatz
3 mit dem Hauptkolben 10 in Verbindung steht.
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Der Motorkolben besteht aus koaxialen Teilen, nämlich dem eigentlichen
Arbeitskolben 10 und einem Wandteil 11, die mit einer in den Zylinder 9 eingepaßten
Dichtung in diesem gleitfähig sind. Das Wandteil 11 hat eine zylindrische
Verlängerung mit einer Dichtung, die gleitfähig im Arbeitskolben 10 sitzt. Dieser
ist mit Ansätzen 24 ausgestattet, die den Hub des Wandteiles 11 innerhalb des zylindrischen
Hohlraumes des Arbeitskolbens 10-begrenzen.
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Am Ende des Verdichtungshubes und zusätzlich beim Hub des Arbeitskolbens
10 ist das Wandteil 11
noch über eine weitere Strecke bewegbar (F i
g. 1, 2 und 3). Bei dieser Bewegung, die durch einen auf die Fläche 11' des Wandteiles
11 wirkenden Druck hervorgerufen wird, wird der Rauminhalt der Brennkammer 25 verkleinert.
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Dieser Druck wird mittels komprimierter Flüssigkeit erzeugt, die durch
die mittels eines biegsamen Schlauches 13 miteinander verbundenen Leitungen 13 und
14 der Unterseite 11' des Wandteiles 11 von einer Kammer 15 her zugeführt wird,
die, wie unten erwähnt, mit zwei Ventilen ausgestattet ist. Die gebogene Leitung
12 gleitet während der Bewegung des Kolbens 10 in einem Schlitz
9' im unteren Teil des Zylinders 9.
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Die zwei in die Kammer 15 führenden Ventile sind ein Ventil 16, das
eine Verbindung mit einer Leitung 17 herstellt, die zu einem Behälter mit
komprimierter Flüssigkeit führt, und ein Ventil 18, das über eine Leitung
19 eine Verbindung zwischen der Kammer 15 und einem Flüssigkeitsbehälter
herstellt, der eine Flüssigkeit unter einem Druck enthält, der höher ist als der
Druck im ersteren der Behälter. Die Ventile 16 und 18 werden von zwei Nocken 20
und 20' bewegt, die auf einer Steuerwelle aufgesetzt sind, die sich mit halber Drehzahl
als die Hauptwelle 21 dreht.
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Das Ventil 16 wird von dem Nocken 20 nur während der
letzten Phase des Verdichtungshubes angehoben, während sich das Ventil
18 öffnet, wenn sein Stößel von dem Nocken 20' freigegeben wird, und
zwar nur dann, wenn die Selbstzündung ausgelöst werden soll.
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Wenn die Nockenfolgerrolle 2 bei der Drehung des Nockens
1 im Uhrzeigersinn über den Profilabschnitt AB läuft, der ein Kreisbogen
mit dem Mittelpunkt O auf der Hauptwellenachse 21 ist, steht der Kolben still. Beim
Punkt B beginnt der Ansaugtakt BC, der bis zum Punkt D reicht, so daß die
kinetische (Bewegungs-)Energie des in den Zylinder eindringenden Gemisches ausgenutzt
wird. Dabei wird angenommen, daß die zugeführte Kraftstoffmenge der halben Motorleistung
entspricht. Von D bis A geht die Verdichtungsphase vor sich, und das Wandteil Il
ist zwei Drücken ausgesetzt, deren einer auf seine Oberseite und deren anderer auf
seine Fläche 11' wirkt.
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Am Anfang, wenn der Druck in der Brennkammer noch niedrig ist, hält
der Druck der im Behälter 15 vorhandenen Flüssigkeit das Wandteil 11 angehoben,
aber wenn bei der Kolbenbewegung der Gemischdruck ansteigt, strömt ein Teil der
Flüssigkeit durch die Kanäle 12, 13 und 14 und durch das Ventil
16,
welches dazu während dieser Phase durch den flocken 20 offen gehalten
wird, in den Behälter zurück. Auf diese Weise wird eine neue Gleichgewichtslage
hergestellt, der z. B. die Stellung des Wandteils 11 in der F i g. 3 entspricht.
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Deshalb wird bei diesem Punkt am Ende des Verdichtungshubes das Volumen
der Brennkammer Schätzungsweise kleiner sein als das, welches man bei Vollast erreichen
würde. Wenn die Nockenfolgerrolle 2 sich am Punkt E des Nockens 1 befindet, sei
angenommen, daß das Gleichgewicht der zwei Kräfte
erreicht ist,
und an diesem Punkt schließt der Nocken 20 das Ventil 16 und der Nocken 20' gibt
das Ventil 18 frei. Der größere Flüssigkeitsdruck im Behälter 19 wird einen neuen
Stoß auf die Unterseite 11' des Wandteiles 11 auslösen und das Volumen der Brennkammer
weiterhin verringern (F i g. 2). Auf diese Art ist es möglich, das höchste Druckverhältnis
herzustellen, das mit der Klopfsicherheit des Gemisches zu vereinbaren ist, oder,
unabhängig von einer Zündkerze, die Selbstzündung des Gemisches zu verursachen.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß es nicht von großer Bedeutung ist, an
welcher Stelle des Bogenabschnittes AB die Zündung erfolgt, weil die Verbrennung
auf jeden Fall bei konstantem Volumen stattfindet.
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Wenn durch die Verbrennung des Gemisches Druck erzeugt wird, so wird
der Wandteil 11, dem es wegen des dichten Schließens der Ventile 16 und 18
gegen ihre Sitze nicht möglich ist, die Flüssigkeit durch die Kanäle 12, 13 und
14 in die Behälter zurückzudrücken, die volle Kraft auf den Hauptkolben und von
da auf die Hauptwelle 21 übertragen. Dadurch, daß man den Punkt E in einer angemessenen
Entfernung vom Anfang des Arbeitshubes festlegt, wird eine vollständige Verbrennung
bei gleichbleibendem Volumen erreicht, indem diese Phase klar von dem Arbeitshub
getrennt wird, d. h. sich eng dem theoretischen Ablauf annähert.
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Während des letzten Teiles des Ausdehnungsbubes, wenn der Druck unter
denjenigen in der Leitung 17 und dem zugehörigen Behälter fällt, öffnet sich das
Ventil 16 von selbst und gibt die Flüssigkeit aus diesem frei und ermöglicht es
dem Wandteil 11, vollständig in die Aussparung des Kolbens 10 einzutreten. Nun wiederholt
sich das Arbeitsspiel.
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Eine Pumpe reguliert die Drücke in den Behältern, in welche die Leitungen
17 und 19 führen.
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Es ist selbstverständlich, daß die oben beschriebene Arbeitsweise
für jedwede Drosselstellung die gleiche ist.
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Die in der F i g. 5 gezeigte Anordnung entlastet den Arbeitskolben,
gibt der Brennkammer eine zweckmäßigere Form und der Nockenfolgerrolle eine vorteilhaftere
Lage zum Zwecke des Ausgleichs von Seitendrücken, denn es sind als Verbindung zwischen
dem Nocken 1 und dem Kolben 10 zwei einander gegenüberliegende Folgerrollen
2 und 2' angeordnet, ferner ist ein weiterer Profilabschnitt CC' zum vorübergehenden
Konstanthalten des Brennkammervolumens zum Zeitpunkt der unteren Totpunktlage des
Arbeitskolbens vorhanden.
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In der F i g. 5 haben die Teile, die den in den vorhergehenden Figuren
gezeigten Teilen entsprechen, die gleichen Bezugszeichen. Der Nocken 1 hat für die
beiden Totpunktlagen des Arbeitskolbens zwei Kreisbogenabschnitte AB und
C' C" mit dem Mittelpunkt O auf der Achse der Hauptwelle.
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Der Abschnitt C C" B ist komplementär zum Abschnitt
BA C, d. h., er verläuft so, daß die Länge aller Nockenprofilsehnen
durch die Punkte K und K' gleich ist, da K und K' die Berührungspunkte zwischen
den Rollen 2 und 2' und des Nockens 1 sind. Die zwei sich gegenüberliegenden Rollen
2 und 2' sind entsprechend auf Wellenzapfen 22 und 22' befestigt; der erstere ist
am Kolben 10 befestigt, der in dem Zylinder im Gehäuse 9 dichtend eingepaßt ist,
während der letztere am Ende eines Bügels 28 sitzt, der ebenfalls am Kolben 10 befestigt
ist. Der Bügel 28 hat eine Aussparung 29, die die Hauptwelle 21. umfaßt.
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Auf das Zylindergehäuse 9 ist ein Zylinderkopf 30 aufgesetzt, der
mit einer Ansaug- und einer Auslaßleitung 31 und 32 mit entsprechenden Ventilen
33 und 34 ausgestattet ist, die ihren Sitz auf einer konischen Fläche des Zylinderkopfes
haben, die der konischen Fläche des Kolbenoberteiles angepaßt ist.
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Das Wandteil 11, das die Gemischdrücke ausgleicht, liegt mit einer
Gleitdichtung im Zylinderkopf 30, und die zwei zylindrischen Aussparungen, in welchen
der Arbeitskolben 10 und das Wandteil 11 gleiten, sind miteinander durch den Verdichtungsraum
35 verbunden, in welchem die Zündkerze ihren Sitz hat.
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Ein Führungsring 36 ist am Zylinderkopf 30 angebracht und schafft
so innerhalb des Wandteiles 11 einen leeren und verschlossenen ringförmigen Raum
37, der von der Innenseite und dem Boden des Wandteiles 11 und von der Außenseite
einer Rohrleitung 38 im Inneren des Wandteiles 11 begrenzt ist, in deren Längsachse
der Stößel eines Ventils 39 läuft, das die Verbindung zwischen dem Verdichtungsraum
35 und einer zusätzlichen Auslaßleitung 40 bildet.
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In der F i g. 5 steht das Wandteil 11 am Ende seines Abwärtshubes,
während sein oberes Ende von einem Querstück 42 verriegelt ist, das in einer Aussparung
des Zylinderkopfs 30 gleitet und zwei schrägliegende Flächen 43 und 43' aufweist,
die mit zwei ebenso schräggeneigten Flächen 44 und 44' am Ende des Wandteiles 11
im Eingriff stehen.
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Der zweiteilige Riegel 42 wird von einem Nocken 46 betätigt,
der auf einer Steuerwelle sitzt, die sich halb so schnell dreht wie die Hauptwelle.
Eine Feder 48 drückt den aus den Teilen 42a und 42b bestehenden Riegel als Ganzes
gegen den Nocken 46, und eine weitere Feder 49 drückt die beiden Riegelteile 42
a, 42 b auseinander zur Anlage der Schrägflächen des Riegelteils 42a an die Schrägflächen
43, 43' des Wandteiles 11 und zür Anlage des Riegelteils 42 b an den Nocken 46.
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In die ringförmige Aussparung 37 führen zwei Leitungen 50 und 51,
die mit je einem der beiden einen unterschiedlichen Druck aufweisenden Flüssigkeitsbehälter
verbunden sind.
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Beim Betrieb der beschriebenen abgewandelten Ausführungsform des Motors
wird über die Leitung 50 Flüssigkeit unter Druck in die Aussparung 37 geführt, um
den durch das Gemisch in dem Verdichtungsraum 35 am Ende des Verdichtungstaktes
ausgeübten Druck auszugleichen.
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Es sei angenommen, daß die Rolle 2 nach Durchlaufen des Kreisbogenabschnittes
BA am' Anfang des Ansaugtaktes bei Punkt A angelangt ist und daß die Drosselklappe
halb geöffnet ist. Das Auslaßventil 34 ist geschlossen, das Ansaugventil 33 öffnet
sich und das Zusatzventil 39 schließt sich. Das Wandteil 11 wird auf Grund der Wirkung
der durch die Leitung 50 in die Aussparung 37 geleiteten komprimierten Flüssigkeit
ohne Gegenwirkung eines gleichwertigen Druckes in der Kammer 35 um die ganze Strecke
hinuntergedrückt (F i g. 5), während, abweichend von der Darstellung in der
gleichen Figur, das Riegelteil 42b ganz nach rechts bewegt wird.
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Wenn der Punkt C des Nockens 1 zur Berührung mit der Rolle
2 gelangt, beginnt die Phase C'-C", während welcher der Kolben stillsteht und die
Füllung
des Zylinders zu Ende geführt wird. Vom Punkt C" an ist
das Ventil 31 geschlossen, und die Verdichtung beginnt. Während der Kolben 10 sich
aufwärts bewegt und das Gemisch verdichtet wird, wird letzteres durch die Wirkung
des verengten Abschnittes 35 gründlich durchgemischt. In dem Maß, in dem der Gemischdruck
ansteigt, wird das Wandteil 11 eine entsprechende Gleichgewichtsstellung einnehmen,
bis der obere Totpunkt erreicht ist.
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An dieser Stelle bewegt der Nocken 46 den Riegel 42 nach links. Etwaige
Stöße beim Nockenhub werden von der Feder 49 aufgefangen.
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An einem gegebenen Punkt des Nockenabschnittes AB läßt ein
nicht gezeigtes Ventil die unter einem höheren Druck als dem Druck des Verdichtungsgemischs
stehende Flüssigkeit in die Leitung 51 einströmen, so daß der Rauminhalt der Brennkammer
35 durch Abwärtsbewegung des Wandteils 11 eine weitere Verminderung erfährt,
die z. B. genügt, um die Selbstzündung zu verursachen. Bei dieser Abwärtsbewegung
des Wandteils 11 bewegen sich die abgeschrägten Flächen 44-44' und 43-43' auseinander,
aber da die Feder 49 gespannt ist, bewegt sich der Riegel 42 weiter nach links,
bis die Verbindung wiederhergestellt ist, so daß das Wandteil 11 sich bei der Explosion
nicht mehr zurückbewegen kann und der Stoß zur Gänze auf den Motorkolben 10 übertragen
wird.
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Wenn der Kolben 10 den Arbeitshub durchläuft, nimmt der Druck auf
das Wandteil 11 ab, bis dieses in einer tieferen Stellung eine neue Gleichgewichtslage
findet, wobei es an die Hauptwelle 21 die Energie, die es für die Aufwärtsbewegung
während des Verdichtungstaktes gebraucht hat, zurückgibt.
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Wenn am Ende des Arbeitshubes der Punkt C
des Nockens 1 die
Rolle 2 berührt, braucht nicht für ein vorzeitiges Öffnen des Auspuffventils gesorgt
zu werden. Vielmehr wird dies zweckmäßigerweise durch die Tätigkeit der Ventile
34 und 39 erreicht, die während des ganzen Angriffs des Bogenabschnittes
C C" des Nockens 1 an der Rolle 2 offenbleiben, ohne die vorhergehende
und die nachfolgende Phase zu beeinträchtigen.
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Die Betätigung des Wandteiles 11 kann anstatt mit Druckluft auch mit
mechanischen Mitteln erzielt werden, d. h. durch einen Nocken und ein Gestänge,
die so konstruiert sind, daß der Hub des Wandteiles 11
proportional zur Öffnungsweite
des Ansaugventils 33 geändert werden kann.
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Mit Hilfe einer Vorrichtung nach den F i g. 6 und 6 a kann in bekannter
Weise eine Änderung der Größe des Brennkammerraumes in einem bestimmten Verhältnis
zur jeweils eingestellten Leistung erzielt werden. Bei dieser Ausführungsform ist
ein nicht dargestellter Nockentrieb mit der Hauptwelle 21 in den F i g. 1 und 5
entsprechenden Welle 53 unter Zwischenschaltung einer exzentrischen (außermittigen)
Lagerbüchse 55 und eines auf dieser fest verbundenen Zahnrades 56 in Lagern 54 eingebaut.
Die Zahnräder der Lager 54 werden in Abhängigkeit von der Motorleistung verstellt,
und auf diese Weise wird die Größe des Brennkammerraumes ebenfalls verstellt und
geändert.
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Endlich zeigt die F i g. 7 eine weitere abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung zur Verwendung bei einem Motor mit Pleuelstange. Die zwischen dem
Kolbenbolzen 58 und dem Kurbelzapfen 59 eingebaute Pleuelstange 57 ist mit einem
rechteckigen Ausschnitt versehen, in welchem sich der Kurbelzapfen 59 dreht. Die
zwei auf den Zapfen 61 und 61' der Pleuelstange 57 drehbar gelagerten Rollen
60
und 60' folgen dem Umlauf des Nockens 59, die eine Einbuchtung entlang
des Bogens AB und komplementär hierzu eine Ausbuchtung C' C" aufweist, so
daß die Entfernung zwischen den Rollen 60 und 60' immer gleich ist und sie demnach
stets mit dem Nocken 59 in Berührung bleiben.
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Es ist klar, daß, wenn in. der Verbrennungsphase die Rolle 60 auf
dem Bogenabschnitt AB und in der Auslaßphase auf dem Bogenabschnitt C' C"
abrollt, der Kolben sich beide Male im Stillstand befindet.