DE2815814A1

DE2815814A1 - Zweitaktmotor und direkt wirkender kolben

Info

Publication number: DE2815814A1
Application number: DE19782815814
Authority: DE
Inventors: Davis Allen Van Cleve
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-12
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1978-10-19
Also published as: JPS6211177B2; JPS53126421A; US4142500A

Description

Allen Van Cleve Davis
; 5600 Alta Canyada Road

La Canada, Kalifornien
. V. St. A.

"Zweitaktmotor und direkt wirkender Kolben"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweitakt-Verbrennungsmotoren mit Kreislaufspülung.

Bei den einfachsten Zweitaktmotoren sind die Öffnungen für eine Kreislaufspülung vorgesehen, sodaß notwendigerweise die jeweils als erste aufgemachte Öffnung die letzte zu verschließende Öffnung sein muß. Der Auspuffkanal öffnet sich, in bekannter Weise etwa 20° vor der Ansaugöffnung und kann deshalb 20° nach dem Schließen der Einlaßöffnung verschlossen werden. Dadurch wird verhindert, daß die neue "Beschickung" des Zylinders zu einem Druckaufbau führt, wobei jedoch gleichzeitig ein Teil dieser Beschickung durch den Auspuffkanal abgeht. Es ergibt sich damit ein geringer Wirkungsgrad der

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Spülung und eine beträchtliche Einbuße potentieller Leistungsfähigkeit.

In bekannten einstückigen Kolben wird eine Abdichtung jäurch Ringe erreicht, die die ungünstige Eigenschaft haben, mit der ZyIInderwandung einen linienförmigen Kontakt zu ergeben, da sich beim Hubvorgang die Wandberührung winkelmäßig ändert. Dies führt zu einer beschleunigten Abnutzung. Da die äußere Dichtungsfläche eines derartigen Kolbens den hohen von den Gasen ausgeübten Druckkräften ausgesetzt ist, werden die Dichtungen teilweise zurückgezogen, sodaß sich die Möglichkeit des Durchblasens ergibt. Das Durchblasen wird reduziert, indem man auf die Ringe eine nach außen wirkende Federkraft ausübt, was jedoch seinerseits zu einer starken Reibung führt.

Eigur 1 ist ein Längsquerschnitt eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors und zeigt die Teile und ihre Stellung am oberen Totpunkt der Pleuelstange.

Figur 2 ist ein teilweiser Längs quer schnitt, der Figur ähnelt und die Stellung der Teile am oberen Totpunkt der Pleuelstange zeigt, wenn diese um 95° vom Totpunkt herausgedreht worden ist, sodaß dann der Auspuffkanal entweder von der Außenkante des Kolbenbodens oder der damit in Längsrichtung gleitenden Muffe freigegeben worden ist.

Figur 3 ist ein teilweiser, aufgeschnittener Querschnitt und zeigt die Stellung der Teile, wenn das untere Ende der Pleuelstange die 120° nach dem Totpunkt entsprechende Stellung erreicht hat, wobei die Auspuffkanäle weitgehend freigegeben

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sind und die Öffnung des Ansaugkanals gerade stattfindet.

Figur 4 ist ein ähnlicher teilweiser, aufgeschnittener Querschnitt und zeigt die Stellung der Teile, wenn das untere Ende der Pleuelstange um 160° vom oberen Totpunkt wegbewegt worden ist, wobei dann sowohl die Ansaugöffnungen als auch die Auspufföffnungen freiliegen und der Kolben den Kompressionshub beginnt.

Figur 5 ist eine teilweise, aufgeschnittene Querschnittsansicht und zeigt die Stellung der Teile, wenn das untere Ende der Pleuelstange die 245° entsprechende Stellung nach dem Totpunkt erreicht hat, wobei dann die Auspufföffnungen von der gegenüberliegenden Kugeloberfläche des Kolbenbodens und der zylindrischen Oberfläche dar Muffe abgedeckt sind, die in Längsrichtung zusammen mit dem Kolbenboden gleiten kann.

I¹IgUr 6 ist eine teilweise, aufgeschnittene Querschnittsansicht und zeigt An3aug- und Auspufföffnungen, die von den gegenüberliegenden zylindrischen Oberflächen der Dichtungsmuffe an der Stellung abgedeckt werden, die die Teile einnehmen, nachdem die Pleuelstange die 265 vom oberen Totpunkt entsprechende Stellung erreicht hat.

Das in Figur 1 als Zylinder dargestellte Gehäuse 10 hat eine obere Wandung 12, die eine Halterung 14 für geeignete, nicht dargestellte Vorrichtungen, beispielsweise eine Zündkerze oder eine Treibstoffeinspritzeinrichtung aufweist, womit ein in der unmittelbar daneben gelegenen Kammer 16

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der gewünschten Form und Größe verdichtetes Treibstoff-Luft-Gemisch verbrannt werden kann. Der Zylinder 10 hat , eine Ansaugöffnung 18 und eine Auspufföffnung 20, eine Verbindungsleitung 22 an eine passende Quelle von Luft oder einem Treibstoff-Luft-Gemisch, und eine Auspuffleitung 24. Im Falle eines Dieselmotors kann die Yerbindungsleitung 22 eine Quelle verdichteter oder unverdichteter Luft sein. Bei einem Benzinmotor kann eine Spülung durch den Kurbelkasten vorgenommen werden. Der Zylinder 10 ist zweckmäßigerweise mit geeigneten Kühlvorrichtungen, beispielsweise einem Kühlmantel 26 versehen, in dem die Verbindungsleitungen 22, 24- angebracht sind und der Leitungen 28, 30 aufweist, durch die Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel zirkuliert werden, um Wärme von den Zylinderwanden abzuführen. Im Zylinder 10 ist eine Dichtung oder Muffe 34 angebracht, die in Längsrichtung zwischen einer oberen Stellung und einer unteren Stellung gleiten kann. In der oberen Stellung dichtet die Muffe die Öffnungen gegen das Innere des Zylinders ab, während durch die Muffe in der unteren Stellung die Öffnungen freigegeben sind. An ihrem oberen Ende hat die Dichtungsmuffe eine konkave, kugeisegmentförmige Wandung 36 mit einer liittelöffnung 38, durch die das obere Ende einer Pleuelstange 40 ragt. Die Pleuelstange 40 ist in an sich bekannter Weise an das Kurbelstangenlager 42 angeschlossen, das gegen die Achse der Kurbelwelle 44 versetzt ist, sodaß die Drehung des unteren Endes der Stange

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zu einer Drehung der Kurbelwelle führt.

Das obere Ende der Kurbelstange 40 ragt nach oben und 'ist mit dem Schaft 45 eines Kolbenbodens oder Stirnteils 46 verschweißt. Die Schweißverbindung 47 verbindet die Pleuelstange 40 direkt mit dem Schaft 45, v/o bei vorzugsweise eine Schweißverbindung mit Muttermetall verv/endet wird. Die Seitenfläche des Kolbenbodens 46, von dem Schaft 45 ausgeht, ist eine konvexe Kugeloberfläche, die dicht und gleitend an der gegenüberliegenden Oberfläche der Wandung 36 der Dichtungsmuffe 34 anliegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die konvexe Kugeloberfläche des Kolbenbodens 46 im wesentlichen eine Halbkugel mit Reliefausbildung 48, die dem Kolbenboden geringes Gewicht verleiht. Der Kolbenboden 46 und der Schaft 45 können aus einem einzigen Stück Stangenmaterial herausgearbeitet werden, sie können aber auch getrennt hergestellt und zusammengeschweißt werden. Zweckmäßigerweise verlaufen Kanäle 50, 52 durch das Oberteil des Schafts zwischen dem Relief 43 und dem Inneren des Schafts und der Pleuelstange, sodaß Öl aufgenommen werden kann, das dann nach oben durch die Pleuelstange abfließt und dabei eine Schmierung und Kühlung ergibt. Es ist klar, daß an sich bekannte Einrichtungen dazu verwendet werden können, 01 durch die Pleuelstange wie in bekannten Motoren zu leiten.

Die gewünschte glatte Gleitbewegung des Kolbenbodens 46 wird mit Hilfe eines scheibenförmigen Teils 54 erreicht, das an der Pleuelstange 40 angebracht ist und gleitend an der

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unteren Oberfläche der oberen Wandung 36 der Dichtungsmuffe 34 anliegt. Der Scheibenabschnitt 54 ist so groß, daß er die Öffnung 38 soweit überlappt, daß hierbei der Scheibenabschnitt 54 noch an der oberen Wandung 36 sogar in den extremen Winkelstellungen anliegt, die der Kolbenboden 46, der Schaft 45 und die damit einstückig ausgeführte Pleuelstange 40 einnehmen. Der Scheibenabschnitt 54 wird mit einer Schraube 56 an die Wandung 36 angedrückt gehalten. Die Schraube wird auf den Gewindeabschnitt 53 der Pleuelstange 40 aufgeschraubt und wird nach der gewünschten Einstellung in der Gesamtanordnung in ihrer Lage festgestellt.

Die obere Oberfläche des Kolbenbodens 46 kann verschiedene Formen annehmen. In der dargestellten Ausführungsform ist diese Oberfläche tellerförmig und damit im wesentlichen konvex. Sie kann jedoch kugelförmig konvex sein, flach, kuppeiförmig, oder eine unregelmäßige Form haben, je nach Bedarf. Vorzugsweise ist die obere Oberfläche aus einem Material hergestellt, das den hohen Temperaturen widerstehen kann, die bei der Entzündung des darüber gelegenen Gemischs auf tr et en«, Die obere Oberfläche kann beispielsweise mit einem keramischen Überzug 60 abgedeckt sein.

Bei der oben beschriebenen Struktur gleiten der Kolbenboden 46 und die dichtende Muffe zusammen in Längsrichtung, wobei der Kolbenboden zusätzlich Wellenbewegungen ausführt, wenn sich das untere Ende der Stange 40 dreht. Die Erfindung gewährleistet, daß die am Kolbenboden 46 auftretenden

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Verbrennungskräfte eine direkte Schubwirkung parallel zur Pleuelstange 40 ausüben. Die seitlichen Schubkräfte, die ■in bekannten Anordnungen durch die Anlenkbolzen erzeugt werden, v/erden damit zusammen mit diesen Anlenkbolsen beseitigt. Da von den Verbrennungsgasen direkt Kräfte auf den Kolbenboden 46 ausgeübt werden, und da dieser starr mit der Stange 40 verbunden ist, werden alle derartigen Kräfte direkt über den Kolbenboden und längs der Mittellinie der Stange auf das Kurbelstangenlager ausgeübt.

Bei seiner Wellenbewegung ergibt der Kolbenboden 46 gleichseitig die gewünschte Abfolge der Dichtungsvorgänge im Motor. Zur Erläuterung wird angenommen, daß das untere Ende der Pleuelstange 40 am oberen Totpunkt ist, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. In dieser Stellung, die am oberen Ende des Kompressionshubs auftritt, verschließt die Dichtungsmuffe sowohl den Ansaugstutzen als auch den Auspuffkanal und deckt die Öffnungen ab; damit werden sowohl Ansauggase als auch Auspuffgase dichtend gegen das Innere des Zylinders bzw. in ihm abgedichtet.

Figur 2 zeigt die Stellung der Teile, nachdem die Pleuelstange 40 in die Stellung des geöffneten Auspuffkanals überführt worden ist, d.h. in die 95°-ütallung nach dem Totpunkt. Bei dieser Stellung sieht man, daß der Kolbenboden 46 entsprechend gedreht oder einer Wellenbewegung folgend gedreht wurde und daß der unterste Punkt seiner Peripherie unter dem obersten Abschnitt der Auspuffleitung 20 gelegen

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ist. In dieser Stellung ist das obere Ende der Dichtungsmuffe 34 über dem untersten Abschnitt des Kolbenbodens 46 ' gelegen, was durch den Punkt 64 angedeutet ist. Die Muffe 34 dichtet dabei noch die öffnungen gegeneinander ab und ergibt auch eine Dichtung zum Innern des Zylinders 10. Unmittelbar nach Erreichen dieser Stellung gibt das obere ünde der Muffe 34 den oberen Abschnitt der Auspufföffnung 20 frei und öffnet dann allmählich die Durchlaßöffnungen 20 und

Der Kolbenboden 46 verhindert, daß die Ansaugöffnung freiliegt, ehe die Auspufföffnung lange genug freigegeben war, sodaß die heißen Gase unter Druck durch den Auspuff in

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genügender Menge austreten konnten; dabei fällt der Druck genügend weit ab, um eine optimale Spülung durch die anschließend eingeführte Ansaugluft zu erzielen. Figur 3 zeigt die Stellung der Teile zueinander, wenn die Stange in die Stellung zur Öffnung der Ansaugöffnung überführt worden ist, d.h. wenn sie um 120° gegen den Totpunkt verdreht worden ist. In dieser Stellung sind die Auspufföffnungen 20, 66 und 68 etwa zur Hälfte von der Abdeckmuffe und dem Kolbenboden 46 freigegeben worden. Die Seitenfläche des Kolbenbodens 46 deckt jedoch noch die Ansaugöffnung 18 ab.

Die seitliche Oberfläche des Kolbenbodens 46 dichtet die Ansaugöffnung nicht völlig gegen das Innere des Zylinders 10 ab. Wegen der-Kugel-an-Zylinder-Geometrie ergibt sich eine weitgehende Abdeckung von Abschnitten der gegenüberliegenden Ansaugöffnungen. In dieser Stellung kann frisches Gemisch in

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den Zylinder über die Oberseite des Kolbenbodens eintreten, wenn dieser sicli von der Ansaugöffnung wegbewegt und diese dabei freigibt; der Druck reicht hierbei dazu aus, daß die Auspuffgase ausgespült v/erden.

Bei der in Figur 3 dargestellten Stellung wird die Ansaugöffnung allmählich vom Kolbenboden 46 freigegeben, während die Auspufföffnung von Kolbenboden 46 und Muffe 34 allmählich freigegeben wird, bis das untere Ende der Pleuelstange 40 die in Figur 4 dargestellte, um 180° gegen den oberen Totpunkt verdrehte Stellung erreicht hat. Bei der Bewegung in diese Stellung dringt frisches Gemisch weiter in den Zylinder ein und fördert die Spülung. Bei der 180° gegen den oberen Totpunkt verdrehten Stellung sind natürlich alle Auspufföffnungen 20, 66 und 68 und Einlaßöffnungen 18, 70 und 72 freiliegend.

Die Spülung geht weiter, während die Pleuelstange 40 durch ihre in Figur 4 dargestellte unterste Stellung gedreht wird, wobei der Kolbenboden 46 im Verdichtungshub nach oben zur Spitze des Zylinders 10 angehoben wird. Bei der in Figur 5 dargestellten Stellung der Teile hat die Pleuelstange 40 die AuspuffVerschlußstellung bei 245° vom oberen Totpunkt erreicht. Zwischen den in Figuren 4 und 5 dargestellten Stellungen decken der Kolbenboden 46 und die Muffe 34 allmählich den Auspuff ab, wodurch sich im Zylinder ein den Auspuffdruck überschreitender Druck aufbaut. Der Druckanstieg erreicht sein Maximum zwischen den In Figuren 5 und

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6 dargestellten Stellungen, wobei der Druckanstieg von der in Figur 6 dargestellten Stellung an aufhört.

Bei der in Pigur 6 dargestellten Stellung der Teile ist die Pleuelstange um 265° gegen den oberen Totpunkt verdreht worden, die Ansaug- und die Auspufföffnungen sind geschlossen, und der 'Kolbenboden 46 und die Muffe 34 heben dich weiter beim Verdichtungsvorgang, worauf weitere Expansions- und Kompressionshübe in der oben beschriebenen weise folgen.

Die Dichtungsmuffe 34 des erfindungsgemäßen Kolbens kann verschiedene Dichtungsringe und Ölabstreifringe zwischen Zylinder 10 und Kolbenboden 34 aufweisen und kann verdrehbar angebracht werden, um lange Lebensdauer zu gewahrleisten. Bei dieser Muffe handelt es sich um ein genau passendes, dünnwandiges Teil, das nicht durch Nockandreharbeiten hergestellt werden braucht, sondern sich beim Betrieb ausdehnen kann, bis die an die Zylinderwände zurückgegebene 7/"ürne die der Muffe zugeführten Wärme entspricht. In manchen Anwendungsfällen kann die genaue Dichtungspassung ein Weglassen der Kolbenringe ermöglichen, sodaß sich die Struktur vereinfachen läßt.

Zu beachten ist ferner, daß es sich bei den Wellenbewegungen des Kolbenbodens 46 im wesentlichen um Schaukelbewegungen um Abschnitte des Kolbenbodens handelt, die rechtwinklig au der Drehbewegung des äußeren Endes der Pleuelstange 40 stattfinden, d.h. der Kolbenboden bev/egt sich, als wenn er an der Muffe drehbar um eine Linie angebracht

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wäre, die rechtwinklig zur Drehrichtung der Pleuelstange verläuft. In einer Anordnung sind derartige Drehpunktsabschnitte im wesentlichen zylinderförmig innerhalb des die Wellenbewegungen enthaltenden Winkelbereichs und können von der Zylinderwand gelagert werden.

In den Abbildungen befindet sich die Peripherie des Kolbenbodens 46 in der Ebene des Mittelpunkts dar Halbkugel. Die Außenkante kann jedoch tiefer als dieser Mittelpunkt liegen, und es kommt nur darauf an, daß sich die Außenkante auf einer Höhe befindet, die das Öffnen und Schließen des Auspuff- und Ansaugkanals in der oben beschriebenen Weise zuläßt. Der aus dem Kolbenboden und der Muffe aufgebaute erfindungsgemäße Kolben ermöglicht es, daß die Ansaug- und Auspufföffnungen in verschiedenen Höhen angebracht werden. Alle Auspuff- und Ansaugöffnungen können Standardhöne haben, sodaß bei einem bestimmten Winkel die Peripherie des Kolbenbodens die verschiedenen Öffnungen völlig abdeckt oder freigibt.

Die vorliegende Erfindung umfaßt strukturelle Abänderungen der obigen Anordnung, bei denen die wesentlichen Kennzeichen des erfindungsgeraäßen Kolbens beibehalten sind, d.h. der Kolbenboden und die Pleuelstange sind einstückig ausgeführt und eine dichtende Muffe liegt dichtend an der G-ehäusewandung und dem Kolbenboden an, wobei sowohl der Kolbenboden als auch die Muffe sich in Längsrichtung gleichseitig im Gehäuse bewegen. Der Kolben führt Wellenbewegungen oder

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Schwingbewegungen bei der Bewegung in Längsrichtung aus, während das äußere Ende der Pleuelstange sich dreht.
Benachbarte Abschnitte des Kolbenbodens und der Muffe
wirken so zusammen, daß aufeinanderfolgend der Auspuffkanal und der Ansaugkanal freigegeben werden.

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Claims

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Patentansprüche

\\j Vorrichtung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit Queröffnungen für den Einlaß und Auslaß und einen Kolben, der besteht aus: einer dichtenden Muffe (34), die flächig dichtend und gleitend am Gehäuse anliegt, einer in das Gehäuse und durch die Muffe (34) ragenden Pleuelstange (40) und einem am inneren Ende der Stange (40) befestigten Kopfteil (Kolbenboden 46), das bei der Drehung des anderen Endes der Stange (40) eine Wellenbewegung ausführt, wobei das Kopfteil und die Muffe in Längsrichtung gleichzeitig zusammen während der Drehung des anderen Endes der Stange verschoben werden können und das Kopfteil bei seiner Wellenbewegung mit der Muffe und den Öffnungen zusammenwirkt, um die Öffnungen nacheinander freizugeben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Seitenfläche des Kopfteils, mit der die Folge der Öffnungsfreigabe bewirkt wird, kugelförmig sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe kugelförmig an dem Abschnitt der seitlichen Oberfläche des Kopfteils neben der Peripherie der Muffe anliegt.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil nicht dichtend am Gehäuse anliegt.
5c Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Zylinder (10) ist und daß die Muffe (54) ein zylindrisches Teil mit einer kugelförmigen Wandober— fläche an dem am Kopfteil anschließenden Ende umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch ein in seiner Stellung veränderliches Teil, das so eingestellt wird, daß es gleitend an der Innenfläche der Muffenwandung anliegt, durch eine in der Wandflache vorgesehene Öffnung, durch die der Stab (40) verläuft, wobei das in seiner Stellung veränderliche Teil die Öffnung überdeckt, und durch Einriciitungen, mit denen das in seiner Stellung veränderliche Teil in der Stellung des gleitenden Eingriffs mit der Muffen— wandung befestigt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Stange von der Auspufföffnung (24) während der ersten 180° der Bewegung vom oberen Totpunkt weggedreht wird und daß sich das untere Ende der Stange (40) auf die Auspufföffnung (24) während der restlichen 180° der Drehung zurück zum oberen Totpunkt hinbewegt.

δ. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dichtende Muffe kugelförmig nur mit dem äußeren Kanfcenabschnitt der seitlichen Oberfläche des Kopfteils in Berührung steht, das mit der Muffe zusammenwirkend die Folge der Öffnungsfreigaben ergibt.
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9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der seitlichen Oberfläche des Kopfteils, die nicht an der Muffe anliegen, zylindrische Konturen aufweisen, für die die Zylinderwandung eine Lagerung bildet.

10. Kolben, gekennzeichnet durch eine Muffe (34), einen an einem Ende der Muffe (34) angebrachten Kolbenboden (46), eine durch die Muffe ragende Stange (40), die starr an einem Ende am Kolbenboden befestigt ist, und Einrichtungen, die die aus Stange und Kolbenboden bestehende Einheit mit der Muffe so verbinden, daß die Drehung des anderen Endes der Stange eine gleichzeitige Bewegung der Muffe und des Kolbenbodens parallel zur Achse der Muffe und zusammen mit der Wellenbewegung des Kolbenbodens bewirkt.

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegende Abschnitte des Kolbenbodens und der Muffe kugelförmig aneinander anliegende Oberflächen sind.

12c Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe ein zylindrisches Teil ist und daß die seitliche Oberfläche des Kolbenbodens, die am Ende des zylindrischen [Teils vorbeigeht, eine konvexe kugelförmige Oberfläche ist«

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