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Die
vorliegende Erfindung betrifft den technischen Bereich der katalytischen
Umsetzung von Gasen bei der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor.
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Bekanntlich
werden die Abgase des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die
besonders beim Kaltstart und im Warmlauf auftreten, einem Abgasstrang
zugeführt,
in dem dem Verbrennungsmotor nachgeschaltete Abgasnachbehandlungseinrichtungen
angeordnet sind. Diese Systeme enthalten üblicherweise mehrere Katalysatoren,
in denen eine zweite Verbrennung zur Umwandlung schädlicher
Emissionen in unschädliche
Stoffe wie Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff gezündet wird.
Diese nachgeschalteten Katalysatoren entzünden sich jedoch erst bei Erreichen
bestimmter Abgastemperaturen und sind deshalb während des Motorkaltstartes und
-warmlaufes nicht wirksam.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schadstoffbilanz
eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Katalyseelement, das zur Anordnung im Brennraumbereich eines
Verbrennungsmotors geeignet ist.
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Im
Brennraum des Verbrennungsmotors sind die Temperaturen deutlich
höher als
im Abgasstrang, so dass ein im Brennraumbereich des Verbrennungsmotors
angeordnetes Katalyseelement bei Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors
sofort wirksam wird.
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Die
im Brennraum des Verbrennungsmotors erfolgende Verbrennung läuft aufgrund
der Anwesenheit des Katalyseelements vollständiger ab, so dass im Abgasstrang
angeordnete, nachgeschaltete Katalysatoren weniger Schadstoffe umsetzen
müssen und
deshalb kleiner und preisgünstiger
gebaut werden können.
Aufgrund kleinerer Abmessungen und damit geringerer Masse und Wärmekapazität können auch
solche nachgeschalteten Katalysatoren nach einem Motorkaltstart
schneller anspringen.
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Durch
die vollständigere
Verbrennung im Motorbrennraum aufgrund der Anwesenheit des Katalyseelements
herrschen im Brennraum höhere Temperaturen,
was zu höheren
Abgastemperaturen und zu einem schnelleren Anspringverhalten des nachgeschalteten
Abgasnachbehandlungssystems führt.
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Durch
die Anwesenheit des Katalyseelements im Brennraumbereich des Verbrennungsmotors
wird somit die Schadstoffbilanz des Verbrennungsmotors insgesamt
deutlich verbessert.
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Dabei
kann das Katalyseelement sowohl bei einem Ottomotor als auch bei
einem Dieselmotor eingesetzt werden.
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Durch
die Anwesenheit des Katalyseelements im Brennraumbereich des Verbrennungsmotors
werden die Verbrennungsstarttemperaturen abgesenkt, was zu einer
insgesamt weicheren Verbrennung mit geringerer Geräuschentwicklung
führt.
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Bei
einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem stöchiometrischen
Kraftstoff/Luft-Verhältnis
(warmer Motor im Normalbetrieb) sind durch die Anwesenheit des Katalyseelements
im Brennraumbereich zusätzliche
Reduzierungen von Kohlenmonoxid-, Stickoxid- und Partikelemissionen
möglich.
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Das
erfindungsgemäße Katalyseelement senkt
in erster Linie die Emissionen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
beim Motorkaltstart, Motorwarmlauf und im Normalbetrieb des Motors
ab. Es steigert dadurch den Wirkungsgrad der Verbrennung und führt insbesondere
zu einem schnelleren Aufheizvorgang des Motors, was mit höheren Abgastemperaturen
verbunden ist. Aus diesem Grund verbessert sich bei der Verwendung
des erfindungsgemäßen Katalyseelements
im Brennraumbereich des Verbrennungsmotors auch das Ansprechverhalten eines
gegebenenfalls vorhandenen, nachgeschalteten Fahrzeug-Hauptkatalysators.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Katalyseelement zur Anordnung in einer Randzone des Brennraumbereichs
geeignet ist.
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Die
Randzonen im Brennraum, die von einer sich kugelförmig um
die Zündkerze
(im Fall eines Ottomotors) oder keulenförmig um den Einspritzstrahl (im
Fall eines Dieselmotors) ausbreitenden Flamme nicht erfaßt werden,
sind für
die Verbrennung im Motor besonders kritisch. Ein Katalyseelement,
das in diesen Randzonen plaziert wird, senkt die Verbrennungsstarttemperatur,
die für
den Start der Kraftstoffumsetzung notwendig ist, in diesen Bereichen
deutlich herab, so dass auch in diesen problematischen Randzonen
eine saubere, vollständige
Verbrennung gewährleistet
ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement dazu geeignet ist,
zumindest teilweise im Ringspalt um den Feuersteg eines Kolbens
des Verbrennungsmotors angeordnet zu sein.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement dazu geeignet
ist, zumindest teilweise im Dichtspalt zwischen dem Motorblock und
dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet zu sein.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Katalyseelement eine an einem Motorbauteil des Verbrennungsmotors angeordnete
Beschichtung umfasst, die ein katalytisch aktives Material enthält.
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Ein
solches Motorbauteil kann insbesondere eine Zylinderkopfdichtung
des Verbrennungsmotors sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen,
dass die katalytisch wirksame Beschichtung an einer Zylinderkopfdichtung
des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Zylinderkopfdichtung eine oder mehrere Metallagen.
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Von
diesen Lagen der Dichtung können
eine oder mehrere Lagen mit der katalytisch wirksamen Beschichtung
versehen sein.
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Um
die für
den Kontakt der katalytisch wirksamen Beschichtung mit den umzusetzenden
Gasen aus dem Brennraum zur Verfügung
stehende Oberfläche
des Motorbauteils zu vergrößern, kann
vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene Fläche des
Motorbauteils, beispielsweise der Zylinderkopfdichtung, zumindest
teilweise mit Durchbrechungen versehen ist.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann die für den
Kontakt der Beschichtung mit den umzusetzenden Gasen zur Verfügung stehende
Fläche
auch dadurch vergrößert werden,
dass die mit der Beschichtung versehene Fläche des Motorbauteils, beispielsweise
der Zylinderkopfdichtung, zumindest teilweise mit Unebenheiten versehen
ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene Fläche des
Motorbauteils, beispielsweise der Zylinderkopfdichtung, aufgerauht
ist, beispielsweise durch ein Sandstrahlverfahren.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene
Fläche
des Motorbauteils, beispielsweise der Zylinderkopfdichtung, zumindest
teilweise wellig ausgebildet ist.
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Grundsätzlich kommt
als Material für
die katalytisch wirksame Beschichtung jedes Material in Frage, das
die Umsetzung der emissionsrelevanten Komponenten im Verbrennungsmotor
beschleunigt.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die katalytisch wirksame Beschichtung Rhodium, Palladium und/oder
Platin enthält.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen
sein, dass das Katalyseelement ein Substrat umfasst, das eine Beschichtung
aufweist, welche ein katalytisch aktives Material enthält.
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Das
Substrat dient als Trägerkörper für die katalytisch
wirksame Beschichtung.
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Vorzugsweise
ist das Substrat so ausgebildet, dass es keine Hinterschneidungen
aufweist, hinter denen sich unvollständig umgesetzte Gase aus dem
Brennraum ansammeln könnten.
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Das
Substrat kann ein metallisches Material und/oder ein keramisches
Material umfassen.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Substrat ringförmig ausgebildet
ist, insbesondere einen Brennraum des Verbrennungsmotors ringförmig umgibt.
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Um
die für
den Kontakt zwischen den umzusetzenden Gasen und der katalytisch
wirksamen Beschichtung zur Verfügung
stehende Oberfläche
des Katalyseelements zu vergrößern, kann
das Substrat zumindest teilweise porös ausgebildet sein.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Substrat dazu geeignet ist, in einer Ausnehmung an der Umfangsfläche eines
Zylinders des Verbrennungsmotors angeordnet zu sein. Hierdurch wird
erreicht, dass besonders in der problematischen Randzone des Brennraums
eine möglichst
vollständige
Verbrennung aufgrund der Wirkung des Katalyseelements erzielt wird.
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Bei
einer besonders günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Katalyseelement
an einer Zylinderkopfdichtung des Verbrennungsmotors angeordnet
ist. Durch die Kombination aus Zylinderkopfdichtung und Katalyseelement
werden sowohl die Herstellung als auch die Montage dieser beiden
Bauelemente vereinfacht.
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Besonders
günstig
ist es, wenn das Katalyseelement an der Zylinderkopfdichtung festgelegt
ist, so dass das Katalyseelement und die Zylinderkopfdichtung als
eine Einheit gehandhabt werden können.
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Die
Aufwendungen für
die Montage einer solchen Einheit aus Katalyseelement und Zylinderkopfdichtung
sind die gleichen wie bei der Montage einer herkömmlichen Zylinderkopfdichtung.
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Die
Festlegung des Katalyseelements an der Zylinderkopfdichtung kann
beispielsweise durch Stoffschluß,
insbesondere durch Verlötung,
Verschweißung
und/oder Verklebung, erfolgen.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement durch Formschluß an der
Zylinderkopfdichtung festgelegt ist.
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Ferner
kann alternativ oder ergänzend
hierzu vorgesehen sein, dass das Katalyseelement durch Klemmwirkung
an der Zylinderkopfdichtung gehalten ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement im montierten Zustand
durch eine radial zur Längsachse
des Brennraums gerichtete Klemmkraft an der Zylinderkopfdichtung
gehalten ist.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement im montierten
Zustand durch eine parallel zur Längsachse des Brennraums gerichtete
Klemmkraft an der Zylinderkopfdichtung gehalten ist.
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Um
das Ansprechverhalten des im Brennraumbereich angeordneten Katalyseelements
weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement
unmittelbar oder mittelbar beheizbar ist, beispielsweise mittels
einer elektrischen Widerstandsheizung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine
Zylinderkopfdichtung für
einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welche neben der Abdichtwirkung
eine zusätzliche
Funktionalität aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor gelöst, welche
mindestens ein Katalyseelement umfasst, das im montierten Zustand
der Zylinderkopfdichtung im Brennraumbereich des Verbrennungsmotors
angeordnet ist.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung kann
vorgesehen sein, dass das Katalyseelement eine an mindestens einer
Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung angeordnete Beschichtung
umfasst, die ein katalytisch aktives Material enthält.
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Um
die für
den Kontakt zwischen der katalytisch wirksamen Beschichtung und
den umzusetzenden Gasen aus dem Brennraum des Verbrennungsmotors
zur Verfügung
stehende Oberfläche
zu vergrößern, kann
vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene Fläche der
Zylinderkopfdichtung zumindest teilweise mit Durchbrechungen versehen
ist.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass die für den Kontakt zwischen der katalytisch
wirksamen Beschichtung und den umzusetzenden Gasen zur Verfügung stehende
Oberfläche
dadurch vergrößert wird,
dass die mit der Beschichtung versehene Fläche der Zylinderkopfdichtung
zumindest teilweise mit Unebenheiten versehen ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene Fläche der
Zylinderkopfdichtung zumindest teilweise aufgerauht ist, beispielsweise
durch ein Sandstrahlverfahren.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass die mit der Beschichtung versehene
Fläche
der Zylinderkopfdichtung zumindest teilweise wellig ausgebildet
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die katalytisch wirksame Beschichtung Rhodium, Palladium und/oder
Platin enthält.
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Daneben
kommen grundsätzlich
aber auch alle anderen Materialien in Betracht, welche die Umsetzung
der emissionsrelevanten Komponenten im Verbrennungsmotor beschleunigen.
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Um
die Handhabung der Kombination aus Zylinderkopfdichtung und Katalyseelement
zu vereinfachen, kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement
an mindestens einer Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung festgelegt
ist.
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Die
Festlegung des Katalyseelements an mindestens einer Dichtungsplatte
der Zylinderkopfdichtung kann beispielsweise durch Stoffschluss,
insbesondere durch Verschweißung,
Verlötung und/oder
Verklebung, erfolgen.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement durch Formschluss
an mindestens einer Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung festgelegt
ist.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement durch Klemmwirkung
an mindestens einer Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung gehalten
ist.
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Hierbei
kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement im montierten Zustand
durch eine radial zur Längsachse
des Brennraums des Verbrennungsmotors gerichtete Klemmkraft an mindestens einer
Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung gehalten ist.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement im montierten
Zustand durch eine parallel zur Längsachse des Brennraums des
Verbrennungsmotors gerichtete Klemmkraft an mindestens einer Dichtungsplatte
der Zylinderkopfdichtung gehalten ist.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung kann
beispielsweise einlagig ausgebildet sein.
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Alternativ
hierzu kann die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung
aber auch mehrlagig, insbesondere dreilagig oder fünflagig,
ausgebildet sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
ist vorgesehen, dass sich das Katalyseelement im montierten Zustand
der Zylinderkopfdichtung bis in den Ringspalt um den Feuersteg eines
Kolbens des Verbrennungsmotors hinein erstreckt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine Zylinderkopfdichtung;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch eine Zylinderkopfdichtung, die in
einem Dichtspalt zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und Dichtungsplatten umfasst,
die in den Brennraum überstehen
und mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind;
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3 einen
schematischen Querschnitt durch eine Zylinderkopfdichtung, die in
einem Dichtspalt zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und zwei äußere Dichtungslagen
umfasst, zwischen denen ein ringförmiges Katalyseelement gehalten
ist;
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4 einen
schematischen Querschnitt durch eine Zylinderkopfdichtung, die in
einem Dichtspalt zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und zwei äußere Dichtungslagen
umfasst, zwischen denen ein ringförmiges Katalyseelement gehalten
ist, wobei das Katalyseelement einen Vorsprung aufweist, der sich
in einen Ringspalt um einen Feuersteg eines Kolbens des Verbrennungsmotors
hinein erstreckt; und
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5 einen
schematischen Querschnitt durch eine Zylinderkopfdichtung, die in
einem Dichtspalt zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, und ein separates ringförmiges Katalyseelement,
das in einer ringförmigen
Ausnehmung in der Wandung eines Zylinders des Verbrennungsmotors
angeordnet ist.
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Gleiche
oder funktional äquivalente
Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine
in den 1 und 2 dargestellte Zylinderkopfdichtung 100 ist
beispielsweise dreilagig ausgebildet und umfasst eine erste Decklage 102, eine
zweite Decklage 104 und eine zwischen der ersten Decklage
und der zweiten Decklage angeordnete Zwischenlage 106.
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In
jeder dieser Lagen der Zylinderkopfdichtung 100, die jeweils
als metallische Dichtungsplatten ausgebildet und aus einem metallischen
Blechmaterial durch Ausstanzen und Umformvorgänge hergestellt sind, sind
im wesentlichen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen
ausgebildet, nämlich Brennraumdurchgangsöffnungen 108,
Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen 110 sowie
Mediendurchtrittsöffnungen 112 für den Durchtritt
von Öl
oder Kühlwasser
durch die Zylinderkopfdichtung 100.
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Die
Decklagen 102 und 104 der Zylinderkopfdichtung 100 sind
aus einem federelastischen Material hergestellt und mit federnden
Brennraumsicken 114 versehen, welche jeweils eine oder
mehrere Brennraumdurchgangsöffnungen 108 umschließen, um
die betreffende Brennraumdurchgangsöffnung 108 gegenüber dem
radial außerhalb
der Brennraumsicke 114 liegenden Bereich abzudichten.
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Zusätzliche
Sicken 116 können
beispielsweise am äußeren Rand
der Zylinderkopfdichtung 100 vorgesehen sein.
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Die
Zwischenlage 106 der Zylinderkopfdichtung 100 dient
dazu, den Verschleiß bei
auftretenden Schiebebewegungen der abzudichtenden Bauteile gegeneinander
zu minimieren und die Gesamtdicke der Zylinderkopfdichtung 100 auf
einen gewünschten Wert
einzustellen.
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Ferner
kann die Zwischenlage 106 an ihrem die Brennraumdurchgangsöffnung 108 umschließenden Rand
mit jeweils einem Stopper 118 versehen sein, welcher als
Verformungsbegrenzer für
die benachbarten Brennraumsicken 114 dient.
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Dieser
Stopper 118 kann beispielsweise dadurch gebildet sein,
dass die Zwischenlage 106 nahe des Randes der Brennraumdurchgangsöffnung 108 abgekröpft und
der brennraumseitige Randbereich der Zwischenlage 106 auf
die Zwischenlage 106 selbst zurückgebogen wird.
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Im
in 2 dargestellten montierten Zustand ist die Zylinderkopfdichtung 100 in
einem Dichtspalt 119 zwischen einem Motorblock 120 eines
Verbrennungsmotors, in dem im wesentlichen zylindrischen Zylinderbohrungen 122 ausgebildet
sind, und einem Zylinderkopf 124 des Verbrennungsmotors,
an welchem Einlass- und Auslassventile 126 vorgesehen sind,
angeordnet.
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Die
mittige Brennraum-Längsachse
ist in 2 mit dem Bezugszeichen 128 bezeichnet.
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Wie
aus 2 ferner zu ersehen ist, stehen die brennraumseitigen
Ränder
der Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 um die Strecke x über die
Umfangswandung der Zylinderbohrung 122 in den Brennraum 130 über.
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Die über den
Motorblock 120 in den Brennraum 130 überstehenden
Bereiche der Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 sind jeweils
ein- oder beidseitig mit einer Beschichtung 132 aus einem
katalytisch wirksamen Material versehen, welches die Umwandlung
von verbrennungsmotorischen Emissionen in unschädliche Stoffe begünstigt.
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Als
Material für
diese Beschichtung kommen insbesondere die Metalle Rhodium, Palladium und/oder
Platin sowie alle sonstigen Materialien in Betracht, die die Umsetzung
der emissionsrelevanten Komponenten im Verbrennungsmotor beschleunigen.
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Um
die zur Beschichtung zur Verfügung
stehende Oberfläche
der Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 zu vergrößern und
um den Kontakt der Beschichtung 132 mit den Gasen aus dem
Brennraum 130 zu erleichtern, können die beschichteten brennraumseitigen
Randbereiche der Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 mit
Durchbrüchen 133 versehen sein.
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Ferner
kann die für
den Kontakt zwischen den umzusetzenden Gasen und der Beschichtung 132 zur
Verfügung
stehende freie Oberfläche
dadurch vergrößert werden,
dass die mit der Beschichtung 132 versehenen Oberflächen der
Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 mit Unebenheiten versehen sind,
beispielsweise durch ein Sandstrahlverfahren aufgerauht und/oder
zumindest teilweise wellig ausgebildet sind.
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Die
katalytisch wirksame Beschichtung 132 kann beispielsweise
durch Bedampfung oder Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder durch
Eintauchen in eine Schmelze des Materials der katalytisch wirksamen
Beschichtung auf die Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 aufgebracht
werden.
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Die
katalytisch wirksame Beschichtung 132 an der Zylinderkopfdichtung 100 bildet
ein Katalyseelement 134, das im montierten Zustand der
Zylinderkopfdichtung 100 in einer Randzone des Brennraums 130 angeordnet
ist, die von einer sich kugelförmig
um die Zündkerze
(im Fall eines Ottomotors) oder einer sich keulenförmig um
den Einspritzstrahl (im Fall eines Dieselmotors) ausbreitenden Flamme
nicht erfasst wird.
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In
dieser Randzone ist die Konzentration unvollständig verbrannter Gase während des
Verbrennungsvorgangs besonders hoch.
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Das
Katalyseelement 134, das in dieser Randzone angeordnet
ist und sich ringförmig
um den Brennraum 130 herum erstreckt, senkt die Temperatur,
die für
den Start der Kraftstoffumsetzung notwendig ist, deutlich herab,
so dass auch in dieser Randzone eine saubere, vollständige Verbrennung
gewährleistet
ist.
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Das
Katalyseelement 134 senkt insbesondere die Emissionen der
unverbrannten Kohlenwasserstoffe beim Motorkaltstart, während des
Motorwarmlaufs und im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors ab. Hierdurch
wird der Wirkungsgrad der Verbrennung gesteigert und insbesondere
ein schnellerer Aufheizvorgang des Verbrennungsmotors, verbunden
mit höheren
Abgastemperaturen, erzielt.
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Aufgrund
des schnelleren Aufheizvorgangs und der höheren Abgastemperaturen des
Verbrennungsmotors verbessert sich durch das im Brennraum 130 vorhandene
Katalyseelement 134 auch das Ansprechverhalten eines im
Abgasstrang angeordneten, nachgeschalteten Fahrzeug-Hauptkatalysators.
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Um
die katalytische Wirkung des Katalyseelements 134 insbesondere
beim Motorkaltstart weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein,
dass das Katalyseelement 134 direkt oder indirekt beheizt
wird, beispielsweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung,
die ein nahe des Katalyseelements 134 angeordnetes Widerstandsheizelement
umfasst.
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Durch
die in der Randzone des Brennraums 130 abgesenkten Verbrennungsstarttemperaturen verläuft die
Verbrennung im Brennraum 130 insgesamt "weicher" und unter geringerer Geräuschentwicklung.
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Bei
einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem stöchiometrischen
Kraftstoff/Luft-Verhältnis
(beim warmem Motor im Normalbetrieb) sind durch das Vorhandensein
des Katalyseelements 134 im Brennraum 130 zusätzliche
Reduzierungen der Emissionen von Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Partikeln
möglich.
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Eine
in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung 100 unterscheidet
sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
dadurch, dass das Katalyseelement 134 nicht als eine katalytisch
wirksame Beschichtung 132 von Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 ausgebildet
ist, sondern ein von den Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 getrennt
ausgebildetes separates Substrat 136 umfasst, welches mit
einer katalytisch wirksamen Beschichtung 138 versehen ist.
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Für die katalytisch
wirksame Beschichtung 138 des Substrats 136 kommen
dieselben Materialien in Betracht wie für die vorstehend beschriebene Beschichtung 132 der
Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 bei der ersten Ausführungsform.
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Das
Substrat 136 ist ringförmig
ausgebildet und erstreckt sich in der Randzone um den Brennraum 130 herum.
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Der
Querschnitt des Substrats 136 kann beispielsweise im wesentlichen
rechteckig ausgebildet sein.
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Das
Substrat 136 kann beispielsweise als ein keramischer Körper ausgebildet
sein.
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Als
keramisches Material für
das Substrat 136 kommt beispielsweise Al2O3 in Betracht.
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Das
Substrat 136 weist vorzugsweise eine Porosität auf, um
die für
einen Kontakt zwischen den umzusetzenden Gasen und der katalytisch
wirksamen Beschichtung 138 zur Verfügung stehende Oberfläche des
Katalyseelements 134 zu vergrößern.
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Aufgrund
der hohen Frequenz, mit welcher sich die Gasströmungen im Brennraum 130 während des
Betriebs des Verbrennungsmotors umkehren, ist es jedoch nur erforderlich,
die oberflächennahen
Bereiche des Substrats 136 porös auszugestalten; der innenliegende
Kern des Substrats 136 kann durchaus massiv, d.h. ohne
signifikante Porosität,
ausgebildet sein.
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Statt
eines keramischen Körpers
kann als Substrat 136 auch ein metallischer Körper verwendet werden.
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Das
metallische Substrat 136 kann beispielsweise als ein massiver
metallischer Körper
ausgebildet sein, der an seiner Oberfläche aufgerauht und/oder mit Durchbrechungen
versehen ist, um die für
den Kontakt zwischen den umzusetzenden Gasen und der katalytisch
wirksamen Beschichtung 138 zur Verfügung stehende Oberfläche des
Katalyseelements 134 zu vergrößern.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Substrat ein Metallgestrick,
Metallgewebe oder ein Metallvlies umfasst.
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Als
metallisches Material für
das Substrat 136 kommt insbesondere ein Stahlmaterial in
Betracht.
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Das
separat von der Zylinderkopfdichtung 100 hergestellte Katalyseelement 134 ist
vorzugsweise an der Zylinderkopfdichtung 100 festgelegt, um
eine als Ganzes handhabbare Einheit von Zylinderkopfdichtung 100 und
Katalyseelement 134 zu schaffen, was den Montageaufwand
verringert.
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Dabei
kann das Katalyseelement 134 durch Stoffschluss, beispielsweise
durch Verlötung,
Verschweißung
und/oder Verklebung an einer oder mehreren Lagen der Zylinderkopfdichtung
festgelegt sein.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass das Katalyseelement 134 durch Klemmwirkung
an der Zylinderkopfdichtung 100 gehalten ist.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der
radial außenliegende
Bereich des Katalyseelements 134 in den Zwischenraum zwischen
den beiden Decklagen 102, 104 der Zylinderkopfdichtung 100 hinein,
wobei die beiden Decklagen 102, 104 unter einer
elastischen Vorspannung an der oberen bzw. der unteren Deckfläche des
Katalyseelements 134 anliegen und hierdurch das Katalyseelement 134 mit
einer parallel zur Brennraum-Längsachse 128 gerichteten
Klemmkraft beaufschlagen, durch welche das Katalyseelement 134 an
der Zylinderkopfdichtung 100 gehalten ist.
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Die
Zwischenlage 106 der Zylinderkopfdichtung 100 endet
bei dieser Ausführungsform
in einem größeren Abstand
von der Brennraum-Längsachse 128 als
die beiden Decklagen 102, 104 der Zylinderkopfdichtung 100,
um genügend
Raum für
das Einbringen des Katalyseelements 134 in den Zwischenraum
zwischen den beiden Decklagen 102 und 104 zu schaffen.
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Der
radial innenliegende Teil des Katalyseelements 134 steht
bei dieser Ausführungsform über den
brennraumseitigen Rand der Decklagen 102, 104 der
Zylinderkopfdichtung 100 und über den Motorblock 120 in
den Brennraum 130 über.
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Im übrigen stimmt
die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung 100 mit
Katalyseelement 134 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit
der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine
in 4 dargestellte dritte Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung 100 mit
Katalyseelement 134 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten
zweiten Ausführungsform
dadurch, dass das ringförmige
Katalyseelement 134 nicht einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aufweist, sondern statt dessen einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt,
welcher zusätzlich
mit einem sich von dem unteren Schenkel des U in axialer Richtung
nach unten erstreckenden Vorsprung 140 versehen ist.
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Der
im Querschnitt U-förmige
Grundkörper 142 des
Substrats 136 des Katalyseelements 134 dieser
Ausführungsform
umfasst einen im wesentlichen parallel zu den Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 ausgerichteten
oberen Schenkel 144, welcher sich in den Zwischenraum zwischen
der ersten Decklage 102 und der zweiten Decklage 104 der
Zylinderkopfdichtung 100 hinein erstreckt, einen ebenfalls
im wesentlichen parallel zu den Lagen der Zylinderkopfdichtung 100 ausgerichteten
unteren Schenkel 146, welcher an der dem Motorblock 120 zugewandten Unterseite
der zweiten Decklage 104 anliegt und sich in den Bereich
zwischen dem Motorblock 120 und der zweiten Decklage 104 hinein
erstreckt, und einen im wesentlichen parallel zur Brennraum-Längsachse 128 ausgerichteten
Steg 148, welcher den oberen Schenkel 144 und
den unteren Schenkel 146 des im Querschnitt U-förmigen Grundkörpers 142 des
Substrats 136 miteinander verbindet, so dass der U-förmige Grundkörper 142 des
Substrats 136 den brennraumseitigen Randbereich der zweiten
Decklage 104 von oben, von unten und von der Seite des
Brennraums 130 her umschließt.
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Das
Substrat 136 ist vorzugsweise durch radiale und/oder axiale
Klemmwirkung und/oder durch Verschweißung, Verlötung und/oder Verklebung mit dieser
Decklage der Zylinderkopfdichtung 100 verbunden.
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Der
Vorsprung 140 des Substrats 136 erstreckt sich
von dem radial außenliegenden
Endbereich des unteren Schenkels 146 des Grundkörpers 142 aus
im wesentlichen parallel zur Brennraum-Längsachse 128 nach
unten in eine ringförmige
Ausnehmung 150 hinein, welche am dem Zylinderkopf 124 zugewandten
oberen Rand der Wandung der Zylinderbohrung 122 ausgebildet
ist.
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Diese
ringförmige
Ausnehmung 150 bildet einen den Feuerstegbereich des in
der Zylinderbohrung 122 aufgenommenen (nicht dargestellten)
Kolbens umgebenden Ringspalt.
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In
diesen Ringspalt um den Feuersteg des Kolbens erstreckt sich der
Vorsprung 140 des Katalyseelements 134 hinein,
welcher zumindest teilweise in der ringförmigen Ausnehmung 150 aufgenommen ist.
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Der
Vorsprung 140 ist ebenso wie der im Querschnitt U-förmige Grundkörper 142 des
Substrats 136 des Katalyseelements 134 mit der
katalytisch wirksamen Beschichtung 138 versehen.
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Dadurch,
dass sich bei dieser Ausführungsform
das Katalyseelement 134 in den Ringspalt um den Feuersteg
des Kolbens hinein erstreckt, wird die für den Kontakt zwischen den
umzusetzenden Gasen und der katalytisch wirksamen Beschichtung 138 des
Katalyseelements 134 zur Verfügung stehende Oberfläche weiter
erhöht.
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Ferner
wird eine Absenkung der Verbrennungsstarttemperatur und eine vollständigere
Umsetzung des Kraftstoffes außer
im Bereich des Dichtspaltes 119 der Zylinderkopfdichtung 100 auch im
Bereich des Feuerstegs des Kolbens erreicht.
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Im übrigen stimmt
die in 4 dargestellte dritte Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung 100 mit
Katalyseelement 134 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit
der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine
in 5 dargestellte vierte Ausführungsform einer Kombination
aus Zylinderkopfdichtung 100 und Katalyseelement 134 unterscheidet sich
von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass
das Katalyseelement 134 nicht mit der Zylinderkopfdichtung 100 verbunden
ist, sondern als ein separat zu montierender ringförmiger Körper ausgebildet
ist, der einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist
und in eine am dem Zylinderkopf 124 zugewandten oberen
Rand der Wandung der Zylinderbohrung 122 vorgesehene ringförmige Ausnehmung 150 eingelegt
wird.
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Dieses
Katalyseelement 134 kann im wesentlichen genauso ausgebildet
sein wie das Katalyseelement der in 3 dargestellten
zweiten Ausführungsform,
ist jedoch weder stoffschlüssig
noch formschlüssig
an der Zylinderkopfdichtung 100 festgelegt und auch nicht
durch Klemmwirkung an derselben gehalten.
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Die
Zwischenlage 106 ist bei der Zylinderkopfdichtung 100 dieser
Ausführungsform
so ausgebildet, dass ihr brennraumseitiger Rand im wesentlichen
denselben Abstand von der mittigen Brennraum-Längsachse 128 aufweist
wie die brennraumseitigen Ränder
der Decklagen 102 und 104.
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Das
Katalyseelement 134, dessen Substrat 136 mit der
katalytisch wirksamen Beschichtung 138 versehen ist, dient
bei dieser Ausführungsform
dazu, die Verbrennungsstarttemperatur in dem den Feuersteg des (nicht
dargestellten) Kolbens umgebenden Ringspalt herabzusetzen und in
dieser Randzone des Brennraums 130 eine möglichst
vollständige Kraftstoffumsetzung
zu erzielen.
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Im übrigen stimmt
die in 5 dargestellte vierte Ausführungsform einer Kombination
aus Zylinderkopfdichtung 100 und Katalyseelement 134 hinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten
dritten Ausführungsform überein,
auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.