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Die Erfindung betrifft eine Zylinderbüchse (Zylinder-Laufbüchse)
für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Zweitakt-Dieselmotor, mit einer zylindrischen inneren
Oberfläche, die die Brennkammer des Motors abgrenzt und eine
Führungsfläche für einen Arbeitskolben bildet, der koaxial in
der Laufbüchse geführt/gelagert ist, welcher Kolben an seiner
oberen Totlage nahe einem oberen End-Abschnitt der Laufbüchse
ist, wobei der obere Endabschnitt eine Anzahl von
langgestreckten Kühlkanälen aufweist, die am Umfang der
Laufbüchse verteilt sind und mit einer Kühlmittel-
Versorgungskammer und einer Kühlmittel-Auslaßkammer in
(Strömungs-)Verbindung stehen, wobei jeder langgestreckte
Kühlkanal ein sich aufwärts richtendes Blindende und einen
Führungsteil aufweist, der in Längsrichtung innerhalb des Kanals
angeordnet und den Wasserstrom im Kanal in einen Strom, der
aufwärts in Richtung des Blindendes des Kanals fließt, und einen
Strom teilt, der von dem Blindende des Kanals weg gerichtet ist.
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In einer solchen Laufbüchse, die aus DE 21 49 400 bekannt ist,
können die obersten Kühlkanäle an dem hochbelasteten Ende der
Laufbüchse nahe der Zylinder-Innenfläche positioniert sein, weil
das sich aufwärts erstreckende Blindende keinen Anlaß für zu
große Spannungs-Konzentration gibt. Die Blindkanäle ermöglichen
damit eine gute Kühlung des thermisch und mechanisch
höchstbelasteten oberen Teiles der Laufbüchse.
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Wenn der verwendete Brennstoff Schwefel enthält, was unter
anderem bei Dieselmotoren der Fall ist, die mit schwerem Heizöl
arbeiten, muß die Temperatur der zylindrischen inneren
Oberfläche der Laufbüchse in einem vergleichsweise geringen
Bereich gehalten werden, der nach unten durch den Wunsch
begrenzt wird, ein Kondensieren von schwefliger Säure an der
Innenwandung zu vermeiden, und nach aufwärts mit Blick auf die
Verhinderung von Hochtemperatur-Schäden an dem mechanischen
Aufbau der Laufbüchse begrenzt wird. Erfahrungen zeigen, daß die
Kondensation von schwefliger Säure, die eine intensive Korrosion
sowohl der Innenwandung der Laufbüchse als auch des Kolbens nach
sich zieht, sicher vermieden werden kann, wenn die Temperatur an
der inneren Oberfläche der Laufbüchse bei 200ºC bis 230ºC im
Bereich nahe des oberen Kolbenringes gehalten wird, wenn der
Kolben sich in seiner oberen Totlage befindet.
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Wenn die Zylinderbüchse z.B. aus Gußeisen hergestellt ist, ist
die höchste wünschenswerte Oberflächentemperatur etwa 350ºC,
weil höhere Temperaturen notorisch ein dauerndes Ausbauchen des
Gußeisens mit darauffolgender Rißbildung nach sich ziehen.
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Das Kühlerfordernis zur Steuerung der Temperatur der Innen-
Oberfläche der Laufbüchse hängt von der angegebenen bzw.
spezifizierten Leistung des Motors ab. Es ist gut bekannt, daß
ein Motor mit einer geringeren Leistung spezifiziert werden kann
(Derated Power), um einen besseren spezifischen Brennstoff-
Verbrauch zu erhalten. Das wird dadurch erreicht, daß der
Maximaldruck des Motors beibehalten wird und daher die untere
Grenze der erlaubten Arbeitstemperatur der Innen-Oberfläche der
Laufbüchse nicht verändert wird. Wenn die Kühlung in einem
unterbelasteten (derated) Motor auf einem Pegel gehalten wird,
der für einen Motor mit voller Last vorgesehen ist, wird die
Temperatur der inneren Oberfläche so stark herabgesetzt, daß die
zuvor erwähnte unerwünschte Kondensation von schwefliger Säure
erfolgt.
Stand der Technik.
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US-A-2,572,392 befaßt sich mit einer Zylinder-Laufbüchse, die
mittels einer umlaufenden Kühlkammer gekühlt wird. Die externe
Seite der Laufbüchse ist mit einem Isolations-Band ausgerüstet,
um zu vermeiden, daß die Säure an der Innen-Oberfläche der
Laufbüchse nahe der Isolation kondensiert.
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GB-B-2 019 490 bezieht sich auf Laufbüchsen, deren oberer
Endbereich eine Serie von kontinuierlichen Kühlkanälen aufweist,
in denen Kühlmittel am unteren Ende des Kanals zugeführt wird
und durch eine sich radial erstreckende Bohrung am Oberende des
Kanals heraustritt. Um die Säure-Kondensation an der Innen-
Oberfläche der Laufbüchse zu vermeiden, wird ein Isolierrohr aus
synthetischem Material in
den Kanal hineingezwängt. Die sich
radial erstreckenden Bohrungen am oberen Ende machen die
Laufbüchse ungeeignet für Hochlast-Verwendungen.
Die Erfindung.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Laufbüchse mit
Blindbohrungen zur Verfügung zu stellen, in denen der Kühleffekt
der Blindbohrungen nach Wahl oder Erfordernis geändert werden
kann.
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Im Hinblick darauf ist die eingangs erwähnte Laufbüchse gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsteil über
einen Teil der Länge des Kanals den Wasserstrom in einem
Abschnitt der Kanal-Oberfläche wesentlich behindert, der der
Brennkammer zugewandt ist, wobei zumindest einer der beiden
Ströme zum bzw. vom Blindende des Kanals von dem Führungsteil
gezwungen wird, den Abschnitt der Kanal-Oberfläche zu berühren,
der von der Brennkammer abgewandt ist.
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Aufgrund der Tatsache, daß der Führungsteil eine Querströmung im
Kanal und damit eine Kühlung des Abschnitts der Kanaloberfläche,
die der Brennkammer zugewandt ist, verhindert, muß die Wärme,
die an der inneren Oberfläche der Laufbüchse eintritt, einen
längeren Weg durch die Laufbüchse zurücklegen, um vom Kühlmittel
aufgenommen zu werden. Der längere Abstand bewirkt einen
reduzierten Temperatur-Gradienten und daher eine höhere
Temperatur an der inneren Oberfläche der Laufbüchse bei
unveränderter Kühlmittel-Temperatur und Motorleistung. Umgekehrt
kann ein und derselbe Zylinder für unterschiedliche Typengrößen
(Leistungs-Auslegungen bzw. Power-Layouts) des Motors verwendet
werden, wobei nur der Führungsteil verwendet zu werden braucht,
der einen Abschnitt der Kühlkanäle sperrt, angepaßt an die
jeweilige Motorleistung. Neben der Tatsache, daß dieses ein
Standardisierungs-Vorteil bei der Herstellung der Laufbüchsen
bietet, weil hinsichtlich einer speziellen Maschinengröße nur
eine Art von Laufbüchsen gefertigt werden muß und nicht eine
Vielzahl von von der spezifischen Leistung der Maschine
abhängigen Typen gefertigt werden müssen, hat dies den
bemerkenswerten Vorteil, daß eine bestehende Maschinen für eine
neue Leistung spezifiziert werden kann, ohne daß Laufbüchsen
ausgewechselt werden müssen, nur die Führungsteile müssen
gewechselt werden.
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In einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel hat der
Führungsteil zumindest zwei radial abstehende Rippen oder Stege,
die sich in Längsrichtung des Kanals erstrecken und deren freie
Enden an der Kanal-Oberfläche anliegen, wobei der zwischen den
Rippen oder Stegen und der Kanal-Oberfläche definierte Raum der
Brennkammer zugewandt ist und einen Sperren- oder Barrierenteil
zum Unterbrechen der Wasserströmung aufweist. Da die freien
Kanten/Ränder der Rippen oder Stege an der Kanal-Oberfläche
anliegen bzw. anstoßen, stellen sie die Position des
Führungsteils im Kanal sicher und gleichzeitig wird der
Führungsteil über einen großen Teil seiner Länge gestützt bzw.
gehalten, was speziell bei großen Maschinen wichtig ist, in
denen die Kühlkanäle und damit die Führungsteile ein
Längen/Durchmesser-Verhältnis von typischerweise 25 haben. Der
Kühleffekt kann nach Wunsch gesteuert bzw. eingestellt werden,
indem die Rippen oder Stege zwischen sich einen größeren oder
kleineren Winkel einschließen, wodurch ein kleinerer oder
größerer Abschnitt der Kanal-Oberfläche vom Kühlmittel gesperrt
wird.
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In einem Ausführungsbeispiel, in dem der Führungsteil drei
Rippen hat, die einerseits den Raum definieren, der der
Brennkammer zugewandt ist und den Barrieren- oder Sperrenteil
beinhaltet, und andererseits zwei parallele Durchströmwege
definieren, die von der Brennkammer wegweisen, kann das
Kühlmittel aufwärts durch eine der zwei parallelen Strömungswege
fließen und über den anderen Strömungsweg zurückkehren.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein gleichmäßiger
und effektiver Kühleffekt über die gesamte Länge des Kanals
dadurch erhalten, daß der Führungsteil ein Rohr mit einem
geringerem Durchmesser als der Kanal ist und daß die zumindest
zwei radial vorstehenden Rippen oder Stege sich von der
Außenseite des Rohres weg erstrecken. Ein ringförmiger Raum wird
zwischen der Außenseite des Rohres und der Kanal-Oberfläche
gebildet und wenn Kühlmittel durch einen Teil des Raumes fließt,
wird die Strömung als Schicht-Strömung (Film-Flow) stattfinden,
wodurch der Wärme-Übergangs-Koeffizient um 200% bis 400% mit
Bezug auf den Kühlmittel-Fluß in traditionellen Kühlkanälen
gesteigert wird, unter anderem weil die Schichtströmung das
lokale Dampfbilden an der Oberfläche der Kühlkanäle verhindert,
das einen starken Abfall des lokalen Wärmeübergangs bewirken
würde.
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Der Kühlmittel-Fluß im Kanal kann im Bereich der Kanal-
Oberfläche, die der Brennkammer zugewandt ist, auch dadurch
blockiert oder gesperrt werden, daß das Rohr in diesem Bereich
eine Materiallage erhält, die sich im wesentlichen zwischen
Außenseite des Rohres und Kanal-Oberfläche erstreckt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
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Beispielhafte Realisierungen der Erfindung werden nun
detailliert mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen
erläutert, in denen dargestellt ist:
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Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen Motorzylinder mit einer
Laufbüchse gemäß der Erfindung;
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Figur 2 ist eine Darstellung des oberen Endbereiches der
Laufbüchse gemäß Figur 1;
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Figur 3 ist ein Querschnitt durch eine bekannte Ausführungsform
von zwei Kühlkanälen;
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Figur 4 ist ein Querschnitt durch zwei Kühlkanäle gemäß der
Erfindung;
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Figur 5 ist ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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Figur 6 ist ein Querschnitt durch einen Kühlkanal der Laufbüchse
gemäß Figur 5 und
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Figur 7 ist eine perspektivische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Führungsteils.
Bevorzugte Ausführungsformen.
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Der obere Endbereich einer Zylinder-Laufbüchse 1 in einem großen
Dieselmotor mit geringer Geschwindigkeit wird von Figur 1
verdeutlicht, in der ein Kolben 2 an seiner oberen Totlage
gezeigt ist. Die Laufbüchse 1 ist von einer Zylinderabdeckung 3
in Richtung auf den Zylinderblock 4 festgespannt. Ein
ringförmiger Wassermantel 5 umgibt den oberen Endbereich und
definiert zusammen mit den radialen Außenseiten der Laufbüchse
eine ringförmige untere Kühlmittel-Versorgungskammer 6 und eine
ringförmige obere Kühlmittel-Auslaßkammer 7, die als umfängliche
Rinne oder Eindrehung an der Außenseite der Laufbüchse gestaltet
ist. Eine Anzahl von Kühlkanälen 8 in der Laufbüchse bilden
Strömungsverbindungen zwischen den beiden Kammern.
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Während des Betriebs des Motors fließt Kühlmittel von einer
Kühlkammer, die den unteren Endbereich der Laufbüchse umgibt,
durch einen gebohrten Verbindungskanal 10 und eine
Verbindungsröhre 11 in die untere Kammer 6 und verteilt sich an
der Laufbüchse umfänglich, woraufhin das Wasser über die
Kanäle 8 in die obere Kammer 7 fließt. Von der Kammer wird das
Kühlmittel durch eine Verbindungsröhre 14, einen gebohrten
Kanal 15, eine Verteilerkammer 16 und Kühlkanäle 17 zu der
Maschinen-Abdeckung und weiter zu einer im Ventilsitz
angeordneten Kühlkammer 18 geführt, aus der das Kühlmittel
abgeführt wird.
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Wie Figur 2 zeigt, weist die Laufbüchse eine größere Zahl von
geraden, langgestreckten Kühlkanälen 8 auf, die gleichmäßig um
den Umfang verteilt sind. Die im wesentlichen
kreisförmigzylindrischen Kanäle 8 sind bezüglich der Längsachse der
Laufbüchse schräggestellt und erstrecken sich aufwärts in
Richtung des oberen Endbereiches 28 der Innenseite der
Laufbüchse. Das Blindende 25 des Kanals kann halbkugelförmig
ausgebildet sein, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
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Von der Außenseite der Laufbüchse sind die Kühlkanäle 8 in den
oberen Endbereich hineingebohrt. Ein Wasser-Versorgungsrohr 21
mit einem geringeren Durchmesser als der Kanal ragt in den
Kanal. Zur Verdeutlichung wird nur ein in einen Kanal
eingefügtes Rohr gezeigt. Ein abstehender Flansch 22 am unteren
Rohrende stößt an einer Schulter in einem vorspringenden
Kragen 23 an, der die Kammern 6 und 7 voneinander trennt. Eine
Muffe 24 hält das Rohr in einer abdichtenden Verbindung an der
Schulter, wodurch das Kühlmittel aus der Kammer 6 gezwungen
wird, durch das Rohr zu fließen, bevor es in den Kanal 8
austritt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das obere
Ende des Rohres nahe dem Elindende 25 des Kanals endet, berührt
das Kühlmittel das Blindende als gebündelter Strahl, wonach das
Wasser abwärts strömt in einen Bereich des ringförmigen Raumes
zwischen der Außenseite des Rohres und der Kanal-Oberfläche,
welcher Bereich von der Innen-Oberfläche der Laufbüchse
abgewandt ist. Das Wasser fließt von dem ringförmigen Raum
abwärts in die Kammer 7.
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Die Pfeile A in Figur 3 veranschaulichen, wie die Wärme in einem
bekannten Ausführungsbeispiel von Kühlkanälen während des
Betriebs der Maschine von der inneren Oberfläche der Laufbüchse
zu dem die Röhre umgebenden ringförmigen Raum fließt. Es wird
deutlich, daß die Wärme einen vergleichsweise kurzen Weg
zurücklegt, womit ein hoher Temperatur-Gradient ermöglicht wird
und eine starke Kühlung erfolgen kann. Wenn ein geringerer
Kühleffekt der Kühlkanäle bei ein und derselben Laufbüchse
erwünscht ist, können die Kühlkanäle mit einem Führungsteil
gemäß der Erfindung ausgerüstet werden.
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Ein Querschnitt durch einen Kühlkanal mit einem solchen
Führungsteil in Form eines Rohres 21 ist in Figur 4
veranschaulicht. Die Röhre hat zwei radial vorstehende
Vorsprünge
oder Rippen 30, die sich in Längsrichtung des Rohres
und mit einer solchen Abmessung/Höhe erstrecken, daß ihre freie
Kante/Rand, die weich abgerundet sein kann, um die Spannungs-
Konzentration in der Laufbüchse zu reduzieren, exakt an der
Kanal-Oberfläche anliegt und den ringförmigen Raum, der das Rohr
umgibt, in zwei Teile teilt, deren einer Teil 32 zur Innen-
Oberfläche der Laufbüchse weist (in schwarz markiert) und mit
zumindest einem Sperren-Teil ausgerüstet ist, das als horizontal
positionierter Kragen ausgestaltet ist, der sich um das Rohr von
der ersten zur zweiten Rippe 30 erstreckt, wodurch verhindert
wird, daß der Bereich 32 mit Wasser durchströmt wird. Das
Kühlmittel fließt abwärts zur Kammer 7 durch den zweiten Teil 33
des ringförmigen Raumes und bewirkt so eine Kühlung der
Laufbüchse. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Wärme
im wesentlichen nur in Bereich 33 abgeführt wird, muß die Wärme
einen weiteren Weg zurücklegen, wie von den Pfeilen B
dargestellt wird, was, wie oben dargestellt, eine geringere
Kühlung nach sich zieht. Anstelle des Vorsehens zweier Rippen 30
an dem Rohr, kann das Rohr alternativ in Abschnitt 32 mit einer
Materiallage 34 ausgestattet werden, die sich von der Außenseite
des Rohres zu der Kanal-Oberfläche erstreckt, wodurch der Weg
durch den Abschnitt 32 gesperrt wird. Diese Ausführungsform des
Führungsteils ist detailliert in Figur 7 dargestellt. Die
Materiallage kann aus Polytetra-Fluorethylen (PFTE) hergestellt
sein, das "selbstschmierend" ist, wenn die Röhre in den Kanal
eingeschoben wird. Die Materiallage kann an der Röhre und/oder
mittels eines Befestigungsstiftes, der in zusammengehörende
Bohrungen im Mantel und im Rohr eingefügt ist, befestigt werden.
Der Mantel deckt nur einen Teil der Länge des Rohres ab und das
aufwärts gerichtete Rohrende kann mantelfrei über einen Weg von
1 bis 2 Rohrdurchmessern sein. Es ist vielmehr kein Erfodernis,
daß sich der Mantel perfekt an die innere Seite der Bohrung
anlegt, um die reduzierte Kühlung der Laufbüchse zu erhalten,
die von der Erfindung angestrebt wird.
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Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen ein weiteres
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, in dem die Kühlmittel-
Auslaßkammer 7' oberhalb eines abragenden Flanschbereiches 35
auf
der Außenseite der Laufbüchse vorgesehen ist und in dem eine
Querbohrung 36 vorgesehen ist, die eine Verbindung zwischen dem
Kühlkanal 8' und der Kammer 7' herstellt. Ein Führungsteil 38
besteht aus drei radial vorstehenden Vorsprüngen oder Stegen 39,
die sich in Längsrichtung des Kanals erstrecken und den Kanal in
drei Bereiche teilen, von denen der Teil 40 zumindest am oberen
Ende des Führungsteils und ggf. auch an seinem unteren Ende in
Richtung auf die innere Oberfläche der Laufbüchse zeigend von
einem Sperren-Teil blockiert wird, das die Form einer horizontal
positionierten Platte oder eines Plattenteils 41 hat. Der zweite
Abschnitt 42 ist oben und unten offen, so daß das Kühlmittel
aufwärts von der Kammer 6' in Richtung auf das Blindende des
Kanals durch den Abschnitt fließen kann, wohingegen der dritte
Abschnitt 43 am unteren Ende durch eine horizontal ausgerichtete
Platte oder Plattenteil 44 verschlossen ist, dieser Bereich
bildet damit eine Rücklauf-Strömungsverbindung durch die
Querbohrung 36 zur Kammer 7'.
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Die Führungsteile 21,38 können eine Bypass-Bohrung oder
-Öffnung 45 haben, die die Kammer 6 mit der Kammer 7 verbindet.
In dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Bypass-Öffnung im Rohr 21 in Höhe der Kammer 7
angeordnet, während sie im Ausführungsbeispiel der Figur 5
benachbart der Querbohrung oder Queröffnung 36 vorgesehen ist.
Die Bypass-Öffnung wird einen Teil des Kühlmittels, z.B. zwei
Drittel des Wassers, direkt in Kammer 7 leiten, so daß die
Verwendung des Führungsteiles gemäß der Erfindung die
Kühlmittel-Menge, die durch den Laufbüchsenmantel oder -rahmen
fließt, nicht verändert.
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Die beschriebenen Beispiele können selbstverständlich in
verschiedenen Weisen abgewandelt werden. Z.B. können die Rippen
und Stege die Form eines kreisförmigen Bogens haben und der
Kanal sowie das Rohr können mit nicht kreisförmigem Querschnitt
ausgestaltet sein, z.B. mit ovalem Querschnitt. Die
Plattenteile 41,44 können einen Kragen haben, der wie ein
kreisförmiger Bogen ausgestaltet ist und an der Kanal-Oberfläche
anliegt, oder die Platten-Teile können eine vergleichsweise
große Dicke in Längsrichtung des Kanals haben, so daß die
Plattenteile sich über einen solch großen Bereich gegen die
Kanal-Oberfläche abstützen, daß keine spürbaren Spannungs-
Konzentrationen an der Laufbüchse auftreten. Die Barrierenteile
können auch aus wärmebeständigem, wasser-unlöslichem und
vergleichsweise weichem Material gestaltet sein, z.B. mit
Schaum-Kunststoff, der in den Bereichen bzw. Abschnitten 32 oder
41 mit dem Führungsteil verbunden ist.