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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf hydraulische
Spieleinsteller und insbesondere auf einen hydraulischen Spieleinsteller, der eine
dynamische Dichtung zwischen dem Körper und dem Plunger aufweist.
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Hydraulische Spieleinsteller für Verbrennungsmotoren wurden für viele Jahre
verwendet, um einen Freiraum oder Spiel zwischen Bauteilen des
Motorventilzugs unter sich veränderten Betriebsbedingungen zu eliminieren, um die
Effizienz beizubehalten und Lärm und Abnutzung in dem Ventilzug zu reduzieren.
Hydraulische Spieleinsteller arbeiten nach dem Prinzip der
Energieübertragung des Ventilbetätigungsnockens über Hydraulikfluid, das in einer
Druckkammer hinter einem Plunger eingeschlossen ist. Während jedes Betriebs des
Nockens wird erlaubt, während sich die Länge der Ventilbetätigungsbauteile in
Folge von Temperaturveränderungen verändert, daß kleine Mengen an
Hydraulikfluid in die Druckkammer eintreten oder aus dieser entweichen und
somit eine Einstellung in der Position des Plungers bewirken und somit einer
Einstellung der effektiven Gesamtlänge des Ventilzugs. Der
Nockenbetriebszyklus weist zwei bestimmte Vorgänge auf, nämlich den Grundkreis und
die Ventilbetätigung. Der Grundkreisvorgang ist gekennzeichnet durch einen
konstanten Radius zwischen der Drehmitte des Nockens und dem
Nockenfolgeelement, wobei während dieses Vorgangs effektiv keine Nockenenergie
übertragen wird. Der Ventilbetätigungsvorgang ist gekennzeichnet durch
einen variierenden Radius zwischen der Drehmitte des Nockens und dem
Nockenfolgeelement, wobei effektiv Nockenenergie zum Öffnen und Schließen
eines Motorventils übertragen wird. Während des Ventilbetätigungsvorgangs
wird ein Teil der Lasten in Folge der Ventilfeder, der Trägheit der
Ventilzugbauteile und des Zylinderdrucks durch den Ventilzug und den Spieleinsteller
übertragen. Die Last hebt den Druck des Hydraulikfluids innerhalb der
Spieleinstellerdruckkammer an, und zwar proportional zu der Plungerfläche und
bei derzeitigen hydraulischen Spieleinstellern bewirkt dies, daß etwas Fluid
zwischen dem Plunger und der Wand des Spieleinstellerkörpers entweicht.
Wenn das Fluid entweicht, bewegt sich der Plunger nach unten, und zwar
gemäß der Volumenänderung der Druckkammer, wodurch die effektive Länge
des Ventilzugs verkürzt wird. Während des Grundkreisvorgangs bewegt die
Spieleinstellerplungerfeder den Plunger nach oben, so daß kein Freiraum
oder Spiel zwischen den Ventilbetätigungsbauteilen besteht. Hydraulikfluid
wird in die Druckkammer gezogen über das Plungerrückschlagventil, und zwar
ansprechend auf das erhöhte Volumen der Druckkammer, während sich der
Plunger nach oben bewegt. Wenn sich die effektive Länge des Ventilzugs
während des Nockenzyklus verkürzt, wird positives Spiel erzeugt, und der
Spieleinsteller wird ausgefahren, wodurch sich der Plunger zu einer höfieren
Position am Ende des Zyklus bewegt als zu Beginn. Wenn sich in
umgekehrter Weise die effektive Länge des Ventilzugs während des Nockenzyklus
verlängert, wird negatives Spiel erzeugt, und der Spieleinsteller zieht sich
zusammen, wodurch der Plunger zu einer niedrigeren Position am Ende des
Zyklus bewegt wird als zu Beginn. Dies tritt typischerweise dann auf, wenn sich
die Ventilzugbauteile ansprechend auf eine erhöhte Temperatur ausdehnen
bzw. verlängern.
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Bei derzeitigen hydraulischen Spieleinstellern erfolgt das Entweichen von
Hydraulikfluid aus der Druckkammer zwischen dem Plunger und der Wand des
Spieleinstellerkörpers. Ein solches Entweichen oder "Lecken" bzw. "Ablecken"
wird nur durch die Einpassung bzw. Passung des Plungers innerhalb des
Körpers gesteuert. Der effektive Betrieb des Spieleinstellers erfordert, daß das
Lecken präzise gesteuert wird und somit muß eine bestimmte Leckoberfläche
zwischen dem Plunger und dem Körper vorgesehen sein und die Passung
zwischen dem Plunger und dem Körper muß auf eine sehr enge Toleranz z. B.
0,000200 Zoll (0,00508 mm) und 0,000230 Zoll (0,00584 mm) gehalten
werden. Solche engen Freiräume bzw. Toleranzen benötigen eine selektive
Einpassung des Plungers in den Körper, was ein teurer Vorgang ist.
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Es wurden Versuche unternommen, die selektive Einpassung und die sich
daraus ergebenden Kosten zu eliminieren unter Verwendung anderer Mittel
als der gesteuerten Leckage zwischen dem Plunger und dem Körper, um
dadurch einen viel größeren Freiraum bzw. eine Toleranz zwischen dem Plunger
und dem Körper zu erlauben, wobei der Druck in der Hochdruckkammer durch
die Verwendung einer oder mehrerer Elastomer Dichtungen beibehalten wird.
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Derzeitige Dichtungstechnologie macht es relativ leicht, Druck innerhalb eines
hydraulischen Spieleinstellers, bei dem der Plunger und Körper mit relativ
weiten Toleranzen hergestellt sind beizubehalten. Das Vorsehen einer
kontrollierten Leckage anhand anderer Mittel als einer präzisen Bearbeitung und
selektiven Einpassung ist nicht so leicht. Beispiele von Versuchen das Obige
zu erreichen sind die Verwendung eines porösen Stopfens in der Seitenwand
des Plungers, ein Rückschlagventil in der Plungerwand, eine kontrollierte
Strömung entlang der Dichtung und Leckoberflächen, die an Elementen eines
zweiteiligen Plungers ausgebildet sind, wie in den US-Patenten 2,943,611 und
2,956,557 gezeigt ist.
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GB-A-1082178 zeigt ein weiteres Beispiel einer kontrollierten Leckage und
zeigt einen selbsteinstellenden Stößel, der keine Hochdruckkammer besitzt
und eine geplante Leckage aus der Hochdruckkammer aufweist, wobei die
Leckage durch die sich drehenden Nocken gedrosselt wird.
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US-A-2580382 zeigt einen Stößel, der keine wirklich abgedichtete
Hochdruckkammer besitzt, der aber eine Dichtung besitzt, die dazu dient eine Strömung
aus der Hochdruckkammer zu dem Reservoir über die normale
Leckagepassage zu verhindern. Eine Leckage muß entlang einer Passage gehen, welche
sie an den Rückschlagventilen vorbeileitet.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen hydraulischen
Spieleinsteller vorzusehen, der keine extrem genaue Passung zwischen dem
Spieleinsteller-Plunger und dem Körper, in dem der Plunger aufgenommen ist
benötigt und der somit wirtschaftlicher hergestellt werden kann, als dies bisher
der Fall war.
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Um die obigen Ziele zu erreichen sieht die vorliegende Erfindung, die in
Anspruch 1 beschrieben ist, einen hydraulischen Spieleinsteller vor, bei dem die
Passung zwischen dem Plunger und Körper relativ lose ist im Vergleich zu
bekannten Spieleinstellern, wobei eine elastische Dichtung zwischen dem
Plunger und dem Körper verwendet wird, um eine Druckdichtung zwischen
dem Hoch- und Niedrigdruckbereichen des Spieleinstellers beizubehalten, und
wobei eine effektive Leckage erhalten wird durch Vorsehen eines
normalerweise geöffneten Rückschlagventils und genaues Steuern der Bewegung des
Rückschlagventils zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen
Position, wobei während des Anfangsteils des Ventilbetätigungsvorgangs etwas
Hydraulikfluid aus der Hochdruckkammer entweicht, während das strömende
Fluid das Rückschlagventil schließt. Der Plunger bewegt sich dann nach
unten gemäß der Volumenänderung der Druckkammer, wodurch sich die
effektive Länge des Ventilzugs verkürzt. Die Verwendung von Rückschlagventilen
mit freier Kugel, die inhärent normalerweise geöffnet sind, ist in der Technik
bekannt, wie beispielsweise durch die US-Patente Nr. 4,184,464; 4,530,319
und 4,807,576 gezeigt ist; jedoch sieht keiner der bekannten Spieleinsteller,
die dem Anmelder bekannt sind, und die solche Rückschlagventile
verwenden, die genaue Steuerung einer Rückschlagventilbewegung als Mittel zum
Vorsehen einer effektiven Leckage vor, wie es durch die vorliegende
Erfindung in Betracht gezogen wird.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 einen Querschnittsansicht eines bekannten hydraulischen
Spieleinstellers;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch einen Spieleinsteller, der die
vorliegende Erfindung beinhaltet;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Erfindung bei einem direkt wirkenden
Spieleinsteller.
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Gemäß Fig. 1 ist ein bekannter Spieleinsteller 1 dargestellt mit einem Körper
2, und einer Plungeranordnung 3 definiert durch ein oberes Plungerelement 4
und ein unteres Plungerelement 5, die innerhalb des Körpers in engpassender
Beziehung aufgenommen sind und die eine Niedrigdruckkammer 6 dazwischen
definieren. Die Unterseite des unteren Plungerelements 5 bildet in
Zusammenarbeit mit dem Ende eines Teils 7 mit reduziertem Durchmesser der
Körperbohrung eine Hochdruckkammer 8. Ein Rückschlagventil 9 ist in dem
Ende eines Durchlasses 10 vorgesehen, der die Hochdruck- und die
Niedrigdruckkammern 6 und 8 verbindet. Das Rückschlagvenfiil, das als eine Kugel
dargestellt ist, das aber auch eine flache Scheibe oder ähnliches sein kann,
ist durch einen Käfig 11 gehalten, der in einer Indifferenzpassung bzw.
Preßpassung mit einer Gegenbohrung 22 steht, die in dem unteren
Plungerelement ausgebildet ist und einen Sitz für die Spieleinstellerplungerfeder 12
vorsieht. Gemäß der üblichen Designpraxis spannt eine Vorspannfeder 13, die
zwischen dem Boden des Käfigs 11 und dem Rückschlagventil 9 wirkt das
Rückschlagventil in eine normalerweise geschlossene Position vor.
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Ein Öleintrittsanschluß 14 öffnet sich in die Körperbohrung und schneidet eine
Sammelnut 15, welche einen radialen Anschluß 16 in dem oberen
Plungerglied schneidet, um Hydraulikfluid zu der Kammer 6 zu liefern. Eine zweite
Sammelnut 17 und ein Anschluß 18 in dem oberen Plungerglied sieht
zugemessenes Hydraulikfluid zu einer Axialbohrung 19 vor, um Schmiermittel zu
einem Kipphebel (nicht gezeigt) zu liefern, der mit einem modifizierten
Kugelende 20 in Eingriff steht, das an dem Ende des oberen Plungerglieds
ausgebildet ist, wobei die Zumessung vorgesehen wird mittels eines gesteuerten
Freiraums zwischen dem Plunger und der Bohrung in dem Bereich des Stegs
zwischen dem Anschluß 14 und der Sammelnut 17. Der Plunger wird mittels
einer Kappe 21 innerhalb des Körpers gehalten.
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Bei dem bekannten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird eine Leckage
gesteuert durch die Passung zwischen der Körperbohrung und dem
Außenseitendurchmessers des unteren Plungerglieds 5, was erfordert, daß der
diametrale Freiraum zwischen diesen Gliedern sehr präzise beibehalten wird, und
zwar z. B. zwischen 0,000200 Zoll (0,00508 mm) und 0,000230 Zoll (0,00584
mm), was nur durch maschinelle Bearbeitung der individuellen Teile auf sehr
enge Toleranzen und selektives Paaren der Plungerglieder und der Körper
erreicht werden kann, zum Erreichen des gewünschten Freiraums.
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Gemäß Fig. 2 weist der Spieleinsteller 30 der vorliegenden Erfindung
Folgendes auf: Einen Körper 32 mit einer Sackbohrung 33 darin ausgebildet, eine
Plungeranordnung 34 einschließlich eines oberen Plungerelement 36 und
eines unteren Plungerelements 38, die in der Bohrung 33 aufgenommen sind,
eine Niedrigdruckkammer oder ein Reservoir 40, das durch eine erste axial
gestufte Bohrung 41 definiert wird, die in dem oberen Plungerelement
ausgebildet ist, eine Hochdruckkammer 44 die zwischen dem Boden des unteren
Plungerelements und dem Boden der Körperbohrung 33 definiert ist, eine
Rückschlagventilanordnung 46 in dem unteren Plungerelement, eine Dichtung
47, die zwischen dem unteren Plungerglied und der Bohrung 33 wirkt, und
eine Plungerfeder 52.
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In dem bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispiel wird Hydraulikfluid an
die Kammer 40 geliefert über einen Anschluß 56, der sich in die Bohrung 33
öffnet und der eine Sammelnut 58 schneidet, die auch einen Anschluß 60 in
dem oberen Plungerelement schneidet, der sich in die Kammer 40 öffnet. Eine
Kappe 61 hält die Plungeranordnung gemäß der normalen Praxis fest.
Zugemessenes Hydraulikfluid wird an den Kipphebel geliefert mittels eines Ventils
62, das eine begrenzte Fluidströmung nach außen aus dem Plunger erlaubt,
das aber als ein Rückschlagventil dient, um das Einströmen von Luft zu
verhindern in dem Fall eines niedrigen oder negativen Druckzustands innerhalb
der Niedrigdruckkammer 40. Das Ventil 62 besitzt die Form eines Stiftes 63
mit sich nach außen erstreckenden Teilen 64, welche zusammengedrückt
werden können, um das Ventil durch einen Anschluß 65 an seinen Platz zu
schnappen, wobei der Anschluß 65 in dem Ende des oberen Plungers
ausgebildet ist, und eines Kopfes 66 daran ausgebildet, um das Rückschlagventil zu
definieren. Während das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist, sei bemerkt, daß andere Mittel, wie
beispielsweise Schwerkraftströmung oder eine selbsterhaltende oder unabhängige
Versorgung vorgesehen sein können, um Fluid zu der Kammer 40 zu liefern,
und Hydraulikfluid kann auch an dem Kipphebel vorgesehen werden, wie bei
dem gemäß Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, oder
durch andere Mittel, ohne den Umfang der Erfindung zu beeinträchtigen.
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Die Rückschlagventilanordnung 46 weist Folgendes auf: Eine Kugel 72, einen
Sitz 74, der durch eine Oberfläche definiert ist, die an dem Schnittpunkt einer
Bohrung 76 in dem Boden des unteren Plungerelements 38 mit einer Bohrung
78 gebildet ist, wobei die Bohrung 78 die Kammer mit der Bohrung 76
verbindet, und einen Halter 80, der die Kugel innerhalb der Bohrung 76 hält.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Halter 80 die Form einer
Tasse oder Schale mit Bereichen 82, die weggeschnitten sind um zu
ermöglichen, daß Hydraulikfluid in die Kammer 44 strömt und der Halter wird gegen
die Bodenoberfläche 84 des unteren Plungerelements gehalten mittels einer
Preßpassung mit einem Bereich mit reduziertem Durchmesser 85, der an dem
unteren Plungerelement ausgebildet ist. Die Plungerfeder 52 wirkt gegen
einen Flanschteil 86 des Halters. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist der Sitz 74 eine konische Oberfläche, die dazu dient die Kugel
zu dem Sitz zu führen, und sieht somit eine gleichmäßigere Schließwirkung
vor als wenn der Sitz durch eine Kante definiert wäre. Es sei jedoch bemerkt,
daß der Sitz durch einen Kante gebildet werden könnte, die durch den Schnitt
der Bohrungen 76 und 78 definiert wird, ohne vom Grundkonzept der
Erfindung abzuweichen.
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Um die genaue Steuerung der Rückschlagventilbewegung, die durch die
vorliegende Erfindung in Betracht gezogen wird, vorzusehen, ist die Kugel 72
vollständig innerhalb der Bohrung 76 umschlossen, und zwar im Gegensatz
bzw. im Vergleich zu der offenen Konstruktion des bekannten Spieleinstellers
gemäß Fig. 1 und der Abstand d zwischen der Kontaktoberfläche des Sitzes
74 und der Oberfläche 88 des Halters ist in Beziehung zum Durchmesser der
Kugel 72 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, der einer gewünschten
effektiven Leckrate entspricht. Während in gewissem Maße eine genaue
Dimensionierung notwendig ist, um eine Variation des Abstands d zu minimieren
ist die einzige kritische Abmessung bei der Herstellung der Ort bzw. die Anordnung
des Sitzes 74 relativ zur Oberfläche 84, wobei diese Abmessung
leicht kontrolliert werden kann und nicht den Präzisionsgrad oder die selektive
Anpassung umfaßt, die bei den bekannte Spieleinstellern benötigt wird.
Andere kritische Abmessungen sind die Kugelgröße und die Flachheit der
Oberflächen 84 und 88; jedoch sind extrem präzise dimensionierte Kugeln im
wesentlichen (übliche) Gebrauchsartikel und die Flachheit der obigen
Komponenten ist leicht zu steuern bzw. zu kontrollieren.
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Gemäß der Erfindung ist die Dichtung 47 über den Teil 85 mit reduziertem
Durchmesser des unteren Plungerelements 38 aufgenommen und wird axial
gehalten durch die Schulter 92, die durch den Schnitt bzw. Übergang
zwischen dem Durchmesser 85 und dem Außenseitendurchmesser des
Plungerelements 38 definiert wird, und durch den Flansch 86 des Halters 80, wodurch
die Notwendigkeit, eine Dichtaufnahmenut in dem Plungerelement
auszubilden, eliminiert wird. Wenn die Dichtung anfänglich an dem unteren
Plungerelement installiert wird und die Plungeranordnung in den Körper eingesetzt
wird, besteht ein kleiner Freiraum zwischen dem Dichtungsaußendurchmesser
und der Körperbohrung 33 bis der Spieleinsteller in einem Motor installiert ist
und die Dichtung in Eingriff mit dem Plunger und dem Körper erregt bzw.
gebracht wird durch den Druck innerhalb der Kammer 44.
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In der Praxis sind Spieleinsteller während des Zusammenbaus mit
Hydraulikfluid gefüllt, so daß sie bei einem anfänglichen Starten des Motors nicht
vollständig trocken sind. Bei dem vorliegenden Spieleinsteller besteht die
Möglichkeit, daß die anfängliche Fluidfüllung verloren geht in Folge des relativ
großen Freiraums zwischen dem Plunger und dem Körper und zwischen der
nicht-erregten Dichtung und dem Körper. Demgemäß können Mittel
vorgesehen werden zum Rezirkulieren von Hydraulikfluid von der Hochdruckkammer,
das entlang der Dichtung entweichen kann und zwar zurück in die
Niedrigdruckkammer. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ein
Rezirkulationspfad mit geringem Widerstand durch die Radialnuten 94
vorgesehen, die in dem Boden des oberen Plungerelements 36 ausgebildet sind
(die auch alternativ in dem unteren Plungerelement ausgebildet sein könnten),
die mit einer Sammelnut in Verbindung stehen, die durch eine Kammer 95
definiert wird, die an dem Boden des oberen Plungerelements ausgebildet ist
(die Kammer kann auch in dem unteren Plungerelement ausgebildet sein).
Durch Vergleich der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 ist zu erkennen,
daß das Eliminieren der Leckoberfläche zwischen dem Plunger und dem
Körper erlaubt, daß der Plunger bei dem erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel viel kürzer ausgebildet wird, wodurch sich die Gesamtlänge des
Spieleinstellers verringert.
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Mit der Eliminierung der Notwendigkeit für eine selektive Anpassung der
Plunger mit den Körpern macht es die vorliegende Erfindung auch möglich,
die Plungeranordnung 34 direkt in eine Sackbohrung zu installieren, die der
Körperbohrung 33 entspricht und die direkt in dem Kopf eines Motors
ausgebildet ist, wobei der Kopf effektiv als Spieleinstellerkörper dient.
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Gemäß Fig. 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel 130 der Erfindung
dargestellt, das identisch zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist mit der
Ausnahme des Aufbaus der Rückschlagventilanordnung. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die Kugel durch ein Scheibenelement 172 ersetzt, das gegen
einen Sitz 174 abschließt, das an dem Schnitt bzw. Übergang der Bohrung
176 im Boden des unteren Plungerelements 138 mit der Bohrung 178
ausgebildet ist. Wie bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird die
Rückschlagventilbewegung gesteuert durch die Auswahl des Abstands d' zwischen
der Sitzoberfläche 174 und der Oberfläche 88 des Halters 80 und zwar in
Relation zur Dicke der Scheibe 172.
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Fig. 4 illustriert die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen direkt
wirkenden Spieleinsteller 202, der einen tassen- bzw. schalenförmigen Körper
204, ein Steg- und Nabenelement 206 und eine Hydraulikanordnung 208
aufweist, wie es bekannt ist.
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Gemäß der Erfindung weist die Hydraulikanordnung Folgendes auf: Einen
Kolben 210, der dem Körper in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
entspricht und zwar in gleitendem Eingriff mit dem Nabenteil des Steg- und
Nabenelements; einen Plunger 212, der dem Plunger in dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht und zwar in gleitendem Eingriff mit dem
Kolben; eine Rückschlagventilanordnung 214, die in den Plunger aufgenommen
ist; eine Plungerfeder 216, die zwischen dem Kolben und dem Plunger wirkt,;
und eine Dichtung 218, die zwischen dem Plunger und dem Kolben wirkt. Wie
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist die
Rückschlagventilanordnung eine Kugel 220, die innerhalb einer Bohrung 222 aufgenommen ist, die
in dem Plunger ausgebildet ist, einem Sitz 224, der in dem Plunger
ausgebildet ist und einen Halter 226 auf. Eine Niedrigdruckkammer 228 ist definiert
durch eine Bohrung 230 in dem Plunger und im oberen Abschnitt des Körpers
und eine Hochdruckkammer 232 ist definiert zwischen der
Rückschlagventifanordnung und dem Boden des Kolbens 210. Wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird die Rückschlagventilbewegung innerhalb der
Bohrung 222 gesteuert durch den Abstand d" zwischen dem Sitz und dem Halter
und zwar in Relation zum Durchmesser der Kugel.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 erfolgt eine
Hydraulikfluidströmung durch einen Anschluß 234 in dem Körper 204 in eine sekundäre
Niedrigdruckkammer oder ein Reservoir 236, durch eine Delle 238, die in dem
Körper ausgebildet ist zu der Niedrigdruckkammer 228 und dann durch die
Rückschlagventilanordnung zu der Hochdruckkammer 232. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein rohrförmiges Prallelement 240 über der
Nabe innerhalb des Reservoirs 236 aufgenommen, um eine Fluiddrainage zu
verhindern, wenn der Motor ausgeschaltet ist; das Prallelement ist jedoch
nicht in allen Motoranwendungen notwendig.