DE2934644A1 - Fremdgezuendete 4-takt-hubkolbenbrennkraftmaschine. - Google Patents
Fremdgezuendete 4-takt-hubkolbenbrennkraftmaschine.Info
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Description
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Michael G. May Rolle (Schweiz)
Fremdgezündete 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Maschinen bezeichnet man auch als Otco-Motoren.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (DD-PS 91 936) ist eine zylindrische Mulde in der Mitte
des Kolbens koaxial zu dessen Längsachse angeordnet und in sie führen vom Kolbenboden schräg nach unten gerichtete
Durchbrüche hinein, die so geneigt sind, daß die gegen Ende des Verdichtungstaktes durch sie hindurch in
die Mulde einströmenden Gemischstrahlen in der Mulde eine Drallströmung erzeugen sollen, die ungefähr parallel
zum Kolbenboden verläuft. Nachteilig sind die hohen Strömungsverluste der die Durchbrüche durchströmenden Gasoder
Gemxschströme.Auch bilden sich Klopfnester in den
Durchbrüchen. Ferner strömt gegen Ende des Verdichtungstaktes Gemisch auch axial und radial in erheblichem
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umfang in die Mulde allseitig etwa radial ein und behindert die Ausbildung einer wirksamen Drallströmung
in der Mulde. Hohe Verdichtungen des Gemisches sind nicht möglich. Auch verläuft die Verbrennung nur
relativ langsam mit der Folge, daß noch ein erheblicher Prozentsatz schädlicher teilverbrannter
Bestandteile ausgestoßen wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine fremdgezündete 4-Takt-Brennkrafthubkolbenmaschine der im Oberbegriff
des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, welche sehr hohe Verdichtungen des Gemisches und damit hohen
thermischen Wirkungsgrad ermöglicht, wobei auch mit Normalkraftstoffon von bspw. 91 Oktan noch sehr hohe
Verdichtungen erzielt werden sollen. Auch soll das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit erheblichem Luftüberschuß
und/oder unter Beimischung rückgeführten Abgases sehr rasch verbrannt werden können.
niese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst.
Durch diese erfindungsgemäße 4-Takt-BrennkrafthubkolbeiiTnaschine
ergibt sich im Verbrennungsraum des Zylinders oder jedes ihrer Zylinder eine außerordentlich
rasche Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches,
da durch die flache, breite Leitrinne gegen Ende des Verdichtungstaktes in der Mulde eine wirksame,
die Verbrennung wesentlich fördernde Drallströmung entsteht, die im wesentlichen parallel zum Kolbenboden
rotiert. Auch können erhebliche Luftüberschuß aufweisende
Kraftstoff-Luft-Gemische klopffrei und aussetzerfrei
bis zu hohen Verdichtungen verbrannt werden.
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Der Luftüberschuß des Gemisches kann vorzugsweise 1o bis AoI1 vorzugsweise 2o bis 3o% betragen und/oder
es kann dem Kraftstoff-Luft-Gemisch auch rückgeführtes
Abgas in erheblichen sogar anomal großen Prozentsätzen mit Vorteil beigemischt werden.
Diese erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat infolge
ihrer günstigen Eigenschaften auch einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch, insbesondere im
Teillastgebiet, sodaß sie also sehr sparsam arbeiten kann. Infolge der sehr rasch verlaufenden Verbrennung bilden sich
nur relativ geringe Anteile schädlicher Bestandteile, wie Kohlenir.onoxyd und Kohlenwasserstoffe.
Indem die Mulde in den Kolbenboden eingelassen ist, ergeben sich u.a. erhebliche Vorteile für den Zylinderkopf,
da er mit geringerer Bauhöhe ausgeführt werden kann und seine Kühlung vereinfacht wird. X'Jenn ferner,
wie bevorzugt vorgesehen, die Leitrinne ausschi:3ßlich im
Kolbenboden und nicht im Zylinderkopf vorgesehen ist, vereinfacht sich die Bauart des Zylinderkopf
es und seine Herstellung weiterhin. Es ist in manchen Fällen jedoch auch möglich, daß man die Leitrinne
nur im Zylinderkopf oder je eine Leitrinne sowohl im Zylinderkopf als auch im Kolbenboden vorsieht,
in welch letzterem Falle das Volumen der einzelnen Leitrinne entsprechend kleiner ist, sodaß beide Leiterinnen
zusammen etwa das Volumen haben, das im Falle des Vorhandenseins einer einzigen Leitrinne diese
Leitrinne hätte. Jedoch ist es in jedem Fall günstiger, die Leitrinne nur im Kolbenboden vorzusehen.
Die Erfindung ermöglicht ferner, die Serienfertigung
von Brennkraftmaschinen, die bekannte Muldenkolben
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haben, problemlos und mit relativ geringem Aufwand auf den erfindungsgemäßen Muldenkolben umzustellen
oder sogar bereits fertig gestellte und ggfs. bereits im Betrieb befindliche Brennkraftmaschinen
auf den neuen Muldenkolben nachträglich umzurüsten. Bevorzugt ist vorgesehen, daß in der oberen Totpunktstellung
des Kolbens das Volumen der Mulde des Kolbenbodens mindestens 60%, vorzugsweise 7o bis
8o2 des dann vorhandenen Brennraumbolumens beträgt.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Leitrinne nicht nur lang, sondern auch sehr
breit ist.Intern die Längsmittelachse der Mulde sich
im Abstand von der Längsmittelachse des Kolbens befindet, und die Leitrinne sich gegenüber einer der
für den Ventilteller notwendigen Vertiefung im Zylinderkopf
befindet oder diese Vertiefung ganz oder teilweise durch die Leitrinne mitgebildet ist, ergeben sich
trotz der zweckmäßig relativ großen Breite der Leitrinne zu beiden Seiten der Leitrinne große Quetschflächen,
die gegen Ende des Verdichtungstaktes Quetschströmungen in die Leitrinne einleiten, welche dann in Längsrichtung
der Leitrinne zur Mulde strömen und in ihr eine für die Verbrennung äußerst wirksame Drallströmung erzeugen.
Der Ventilteller des anderen Gaswechselventiles befindet sich dann ganz oder im wesentlichen über der Mulde,
sodaß die für dieses Gaswechselventil erforderliche Vertiefung um Zylinderkopf und/oder Kolbenboden zumindest
teilweise durch die Mulde mitgebildet sein kann und so die Gesamtquetschfläche des Kolbenbodens
sowohl besonders groß ist als auch für die Drallerzeugung in der Mulde besonders günstige Lage und Gestalt
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erhält. Unter Quetschfläche oder -flächen des Kolbenbodens
ist bzw. sind diejenigen Flächenbereiche verstanden, die in der oberen Totpunktstellung des
Kolbens dem Zylinderkopf in nur geringem, normalerweise nahezu möglichst geringem Abstand von b.spw.
ca. 1 mm gegenüberstehen. Unter Quetschzone ist der zwischen dieser Quetschfläche und der ihr gegenüberliegenden
Quetschfläche des Zylinderkopfes vorhandene lichte Bereich verstanden.
An sich könnte die Quetschfläche des Kolbens noch vergrößert
werden, wenn man die Leitrinne nicht breit, sondern schmal ausbildet, doch wird dann die durch
die Leitrinne strömende Gemischmenge kleiner und langsamer und wenn man den Querschnitt durch größere
Tiefe der Leitrinne vergrößern wollte, so ergibt dies weitere Verlangsamungen dieser Strömung. Es ist bekannt,
den in den betreffenden Zylinder führenden Gaszuführkanal, der durch das Einlaßventil absperrbar ist,
so zu dem Brennraum dieses Zylinders zu führen, daß die durch ihn in den Brennraum einströmende Gasströmung
im Zylinder um dessen Längsachse als Drallströmung rotiert. Damit diese Drallströmung die sich in der
Mulde ausbildende Drallströmung nicht stört, sondern noch verstärkt, ist zweckmäßig vorgesehen, daß die
durch das aus der Leitrinne in die Mulde überströmende Gas bewirkte Drallrichtung der Gasströmung in der
Mulde gleichsinnig zu der obengenannten Drallströmung ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Querschnitt der Leitrinne in demjenigen Längsabschnitt,
der an der durch die Längsmittelachse des
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über ihr liegenden Ventiltellers bestimmten Querschnittsebene
beginnt und bis zur Mulde reicht, sich in Richtung auf die Mulde zu wenig verändert
und sich mir vorzugsweise um
maximal 3o% bezogen auf den Querschnitt in der durch
die Längsmittelachse des betreffenden Gaswechselventils bestimmten Ebene vergrößert, vorzugsweise um weniger
als 2o%.
Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung sind Fahrzcufjmotore,
wie Kraftfahrzeugmotoren, Bootsmotoren,
Fluomotoren.
Bei einer Brennkraftmaschine, die einen oder mehrere Zylinder hat, wobei der Hubraum des bzw. jedes Zylinders
2oo bis 7oo cm beträgt, kann bevorzugt die Tiefe der Leitrinne unterhalb des über ihr befindlichen
Ventiltellers 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mra betragen. Dabei kann die maximale Tiefe der Leitrinne
in stromabwärtiger Richtung zweckmäßig auf 3 bis 9 ram,
vorzugsweise auf 4 bis 7 mm an oder nahe der Mündung sich vergrößern. Auch diese Maßnahme begünstigt die
Verbrennung.Bei Vergrösserung des Hubraumes können diese vorgenannten Werte etwa proportional vergrössert werden.
In vielen Fällen kann der Boden der Leitrinne im wesentlichen eben und vorzugsweise flach schräg nach unten
sowohl zur Mulde hin als auch zur ungefähr tangential in die Muldenumf angswand übergehenden, den ersten Längsrand
aufweisenden Läng;!seitenwand der Leitrinne hin geneigt sein. Dies hat
fertigiangstechniivhe Vorteile und ergibt dennoch eine sehr gute
Verbrennung im Brennraum.
Die Intensität des Dralles der Mulde kann dadurch noch
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weiter vergrößert werden, wenn in den Boden der Leitrinne
angrenzend an ihre ungefähr tangential in die Muldenumfangswand übergehende Längsseitenwand eine
in Längsrichtung der Leitrinne verlaufende konkave Vertiefung eingelassen ist, deren Breite kleiner als
die halbe Breite des Leitrinnenbodens ist.
Das Volumen der Leitrinne ist zweckmäßig gering, vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß das in der
oberen Totpunktstellung des Kolbens vom Ventilteller
freigelassene Volumen der Leitrinnc kleiner als 12C;, vorzugsweise 4 bis 1o3 des in dieser Kolbenstellung
vorhandenen Brennraumvolumens ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es auch, daß das in der oberen Totpunktstellung des Kolbens vorhandene
lichte Volumen der Leitrinne durch den betreffenden Ventilteller noch erheblich verkleinert
werden kann, indem der Ventilteller, wie vorzugsweise vorgesehen, in dieser oberen Totpunktstellung des
Kolbens in diese Leitrinne vorzugsweise um 1 bis 2 mir hineinragt. Hierdurch wird das sowieso schon geringe
Volumen eier Leitrinne gegen Ende den Verdichtungstaktes
noch weiter verringert, sodaß der Ventilteller eine Verdrängerfläche bildet, die gegen Ende des
Verdichtungstaktes aus der Leitrinne Gemisch oder Gas in die Mulde zusätzlich hineinverdrängt und so das
außerhalb der Mulde befindliche Volumen des Verbrennung^·
raunies bei der Verbrennung noch weiter verringert und dieser Vorteil wird sogar unter noch weiterer, die
Verbrennung begünstigender Intensivierung der Drallströmung erzielt.
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Eine bevorzuqte Weiterbildung sieht vor, daß die Höhe der ungefähr tangential in die Umfangswandung
der Mulde übergehende Längsseitenwand der Leitrinne in Richtung auf die Mulde zu von einem Kleinstwert
bis zu einem Größtwert zunimmt, derart, daß der durch
den oberen und den unteren Rand dieser Längsseitenwand eingeschlossene Winkel maximal 1o°, vorzugsweise
3 bis 6° beträgt. Hierdurch wird der Querschnitt der Leitrinne in stromabwärtiger Richtung in vorteilhafter
Weise vergrößert und dem seitlichen Zustrom von Gas aus den beiderseits von ihr befindlichen Quetschzonen
vorteilhaft Rechnung getragen.
Die größte Breite der Leitrinne kann sich besonders vorteilhaft im Abstand vom Kolbenrand befinden, wobei
vorzugsweise die Breite der Leitrinne sich in stromabwärtigcr Richtung von dieser Stelle größter Breite
aus verringert, vorzugsweise um maximal 2o%. Hierdurch läßt sich die Quetschzone weiter vergrößern . Eine
große Breite der Leitrinne am Rand des Kolbens ist unnütze Vergeudung von Quetschfläche und auch eine unnötige
Vergrößerung des in der oberen Totpunktstellung vorhandenen Volumens der Leitrinne . Das in dieser
Loitrinne befindliche Gemisch verbrennt langsamer
als das in der Mulde.
Die Zündkerze kann zweckmäßig gegenüber der Mulde im Zylinderkopf angeordnet sein, vorzugsweise in Richtung
der Drallströnmng in der Nähe des auf diese Drallströmung
bezogenen strruuiufv/artigen Endes der Abrißkante der
Loitrinnenmünoung.
Die größte Breite der Leitrinne kann zweckmäßig an der Stelle sein, durch die Längsmittelachse des
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betreffenden Ventiltellers hindurchgeht.
Im Hinblick auf die relativ große Breite der Leitrinne ist es zweckmäßig, wenn der auf die Muldenlängsachse
bezogene Zentriwinkel der in die Mulde führende Mündung der Leitrinne vorzugsweise mindestens
7o°, insbesondere mindestens 85° beträgt. Als besonders günstig haben sich Zentriwinkel erwiesen,
die größer als 9o° sind, vorzugsweise 95° bis 12o° betragen.
Damit hierbei aus der Leitrinne keine der Drallrichtung der sich in der Mulde um deren Längsmittelachse ausbildenden
Drallströmung entgegengerichtete Gasströmungskomponente eindringt, kann zweckmäßig vorgesehen sein,
daß die Tangente an den unmittelbar vor der Abri.3ste.lle der aus der Leitrinne in die Mulde einstreimenden Strömung
liegenden Endbereich des zweiten Längsrandes bzw. der von ihr begrenzten Längsseitenwand der Leitrinne zwischen der Längsmittelachse
der Mulde und der übrigen Mündung der Lcitrinne hindurchgeht.
Bevorzugt kann die genannte Tangente in einem Winkel von
bis 8o° zu dem benachbarten stromabwärtigen Rand des Bodens eier Lcitrinne indii
Mulde eintreten. Um dabei das Einströmen des Gasen
in die Mulde
unter strömungsgünstiger Ausbildung der Leitrinne zu erzielen, kann zweckmäßig der zweite Längsrand
der Leitrinne zumindest in der Nähe der
Mündung der Leitrinne schwach konkav gekrümmt sein.
Um eine möglichst lange Leitrinne zu erhalten, ist es ferner zweckmäßig, wenn die Mulde von der UmfangP'.'and
des Kolbens nur gei'ingen Abstand von vorzugsweise weniger als 1o% des Kolbendurchmessers hat, insbesondere
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solchen Abstand, wie er aus thermischen Gründen für die Funktion der Kolbenringe noch zulässig ist, und
daß die Leitrinne an der dieser Stelle des geringsten Abstandes der Mulde vom Kolbenumfang diametral gegenüberliegenden
Randstelle des Kolbenbodens beginnt oder nur in geringem Abstand von dieser Randstelle beginnt.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß eine einzige Leitrinne zu der Mulde führt. Dennoch kann es in manchen Fällen
vorgesehen sein, daß mehrere Leitrinnen zu der Mulde
1.uhren, und zvar insbesondere dann, wenn mehr als
zwei Gaswechselventil vorgesehen sind, bspw. ein großes und ein kleines Einlaßventil und ein Auslaßventil
oder je zwei Einlaßventile und Auslaßventile.
Für möglichst weitgehendes Ausstoßen der verbrannten Ladung ist es zweckmäßig, wenn das Auslaßventil über
der Mulde angeordnet ist und entsprechend das Einlaßventil oder ein Einlaßventil über der Leitrinne angeordnet
ist. Dies hat auch den Vorteil, daß die höhere Temperatur des Auslaßventxltellers die Verbrennung
in der Mulde zusätzlich begünstigt.
Es ist auch in manchen Fällen zweckmäßig,wenn die Leitrinne über ihre Breite ungleiche Tiefe aufweist und
von ihrem tiefsten L^ngsbereich aus, der zweckmäßig in der Nähe des
ersten Längsrandos der Leitrinne vorgesehen ist, flach zu der den zweiten
Liingsrand aufweinenden Längsseitenwand der Leitrinne oder in manchen Fällen
auch flach bis zu dem zweiten Längsrand der Leitrinne ansteigt.
Die Breite der Leitrinne ist zumindest von der Stelle ihrer größten Breite aus bis zur Mulde wesentlich
größer als ihre Tiefe und ihre Breite ist in diesem Bereich vorzugsweise nicht kleiner oder nur
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relativ geringfügig kleiner als der Durchmesser des ihr gegenüberliegenden Ventiltellers. Dadurch
entsteht ein großer breiter, von Quetschflächen des Kolbenbodens umgebener Bereich, den die Leitrinne
bildet, in den gegen Ende des Verdichtungstaktes von den großflächigen Quetschflächen her und ggfs. auch
von rückwärtigen Rand der Leitrinne her Gas einströmen kann. Durch die geringe Tiefe der Leitrinne entstehen
dabei relativ hohe Strömungsgeschwindxgkexten der Gasströmung bzw. Gemischströmung in der Leitrinne
zur Mulde hin und es wird in der Mulde die erwähnte einzige um die Längsachse der Mulde rotierende Drallströmung
in stets derselben Rotationsrxchtung sicher erzeugt, sodaß die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
optimal vor sich geht. Dabei kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch bereits vor dem Verbrennungsraum
gebildet sein, sei es durch Vergaser oder Einspritzung oder es kann auch im Verbrennungsraum durch
Einspritzung des Kraftstoffes in diesen, vorzugsweise in die Mulde gebildet werden.
Obwohl es möglich und in manchen Fällen vorteilhaft ist/ die Mulde ungefähr kreisrund auszubilden, ist es
zur Erzielung einer möglichst langen Leitrinne und großer Quetschflächen seitlich der Leitrinne des Kolbenbodens besonders vorteilhaft,
vorzusehen, daß die Mulde eine stetig konkav gekrümmte Umfangswandung aufweist, die in einer Längsmittelebene
einen maximalen Durchmesser und in einer hierzu senkrecht stehenden Längsmittelebene einen
kleineren Durchmesser hat und daß die durch diesen kleineren Durchmesser bestimmte Längsmittelebene durch
die Mündung der Leitrinne geht. Diese Mulde kann dabei wie auch bei anderer Ausbildung der Mulde stets
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zweckmäßig so nah wie möglich an dem von der Leitrinne abgewendeten Randbereich des Kolbens angeordnet sein,
wie es also die thermische Belastung der Kolbenringe technisch zuläßt. Die Leitrinne kann besonders zweckmäßig
so ausgebildet sein, daß ihr erster Längsrand der obere Rand einer Längsseitenwand der Leitrinne
ist. Es ist ;jcdoch in manchen Fällen auch möglich, wenn sicherlich auch weniger gut, den Querschnitt der
Leitrinne so auszubilden, daß man von einer Längsseitenwand nicht reden kann, indem sie eine stetige flache
konkcive Krümmung vom einen Längsrand bis zum anderen
Längsrand hat.
Besonders zweckmäßig ist es in vielen FäLlen, den Boden der Mulde ungefähr eben und/schräg oder die Umfangswandung
der Mulde schwach konisch auszubilden. Die Umfangswandung der Mulde kann zweckmäßig über eine Abrundung
in den Boden übergehen.
Damit die Leitrinne möglichst lang ist, ist es zweckmäßig, wenn sie am Rand des Kolbens oder in geringem
Abstand von ihm von vorzugsweise weniger als 5 mm beginnt. Die Länge der Leitrinne kann zweckmäßig mindestens
dem o,25-fachen, vorzugsweise ungefähr dem o,3 bis o,5-fachen des Kolbendurchmessers entsprechen.
Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, wenn die Längsränder der Leitrinne an Quetschflächen des Kolbenbodens
angrenzen. Diese Quetschflächen können zweckmäßig bis
zum Kolbenrand reichen, also nicht abgestuft sein. Sie können je nach Ausbildung des Kolbenbodens eben oder
schwach konvex gewölbt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
ORiGINAL INSPECTED
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driß die Breite der Leitrinne an ihrer Mündung mindestens
4 -fach größer, vorzugsweise mindestens 6-fach
größer als ihre mittlere Tiefe
er uii-nsr ?'rnduno ist.
.rl·'-e;::ier kann die Tiefe der Mulde vorzugsweise mindestens
3 fach, verzugsweise ungefähr 3,5- bis 5-fach größer
als die mittlere Tiefe der Leitrinne an ihrer Mündung
-ein. Dadurch ergeben sich gute Ausbrenngrade. Die Intensität der sich in der Mulde gegen Ende des Verdichtungstaktes
bildenden Drallströinung kann dadurch :):>rh erhöht werden, indem die Tiefe der Leitrinne quer
: : ihrer Längsrichtung in Richtung auf ihre ungefähr
■rarjg^ntiai in die Umfangswandung der Mulde übergehende
T ιnus re itonwand zunimmt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigen
i're. I eiiHi Draufsicht auf den Kolbonboden eines
erCindungsgemäßen Kolbens^wobei Bereiche des
zugeordneten Zylinderkopfes, die über der Bildebene
liegen, strichpunktiert mit eingezeichn« t sind,
Fi;-. ?. einen Schnitt durch Fig. 1 gesehen entlang der
Schnittlinie 2-2,
"'ig, 3 eine Draufsicht auf einen Kolben gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
i:icr, 4 je einen Schnitt durch den Kolben der Fig. 3
■' ' " gesehen entlang den Schnittlinien 4-4, b~w.
5-5 bzw. 6-6,
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In den Fig. 1 und 2 ist der Kolben 1o einer in den
übrigen Einzelheiten bekannten fremdgezündeten 4-Takt-Brennkraftmaschine, also einer Otto-Brennkraftmaschine
in Draufsicht dargestellt. In den Kolbenboden 11 ist eine kreisrunde Mulde 12 eingelassen, die
gemäß Fig. 2 eine sich schwach zu ihrem Boden 13 hin konisch verjüngende Umfangswand aufweist. Der über
eine Rundung an die Umfangswand anschließende Boden 13 dieser Mulde 12 ist eben. Der linksseitige Randbereich
dieser Mulde 12 befindet sich in solch geringem Abstand vom Umfang des Kolbens 1o, wie es
die thermische Belastung der Kolbenringe 14 zuläßt. Die sichelförmige flache Vertiefung 15 des linksseitigen
Randbereiches der Mulde 12 ist nur zu dem Zweck vorgesehen, damit der über dieser Mulde befindliche Ventilteller
16, der in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zweckmäßig der Ventilteller des Auslaßventiles ist.nicht
an den Kolbenboden anstoßen kann. Diese sichelförmige Vertiefung 15 bildet also keine Leitrinne im Sinne der
Erfindung. Die Längsmittelachse 17 der Mulde 12 verläuft
deshalb im Abstand von der zu ihr parallelen Längsinittelachse 18 des Kolbens 1o. Die Längsachse 19 des Ventiltellers
16 befindet sich so vertikal über der Mulde 12. Das andere Gaswechselventil dieses Zylinders, dessen
Ventilteller mit 2o und dessen Längsachse mit 21 in Fig. 2 angedeutet ist, ist deshalb vorzugsweise der
Ventilteller des Einlaßventiles. Dieser Ventilteller 2o befindet sich vertikal oberhalb einer Leitrinne 22,
welche flach und breit ist und die gemäß Fig. 1 einen halbkreisförmigen rückwärtigen Randbereich 23 mit einem
Radius hat, der etwas größer als der Radius des Ventiltellers 2o ist. Durch den Krümmungsmittelpunkt
dieses halbrunden Randbereiches 23 geht die Längsachse des Ventiltellers 2o hindurch, sodaß der Ventilteller
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in diese Leitrinne 22 hineinragen kann,
wenn er beim Ansaugtakt nach unten den Gaseinlaß dieses Zylinders öffnet. Dieser halbrunde
Randbereich 23 ist von dem benachbarten Randbereich des Kolbenbodens 11 nur in geringem Abstand angeordnet,
um eine möglichst gute Abstimmung zwischen einer möglichst großen Länge der Leitrinne 22 und
möglichst großer Quetschfläche 24 des Kolbenbodens 11 zu erreichen. Und zwar bildet die gesamte Fläche
24 des Kolbenbodens, die in diesem Ausführungsbeispiel eben ist, welche die Mulde 12, die sichelförmige
Vertiefung 15 und die Leitrinne 22 umfaßt, eine ununterbrochene einzige Quetschfläche 24, sodaß sich auch
zwischen der Leitrinne 22 und dem ihr am nächsten liegenden Randbereich des Kolbens 1o noch ein schmaler
Quetschflächenbereich befindet, was besonders günstig ist. Zu beiden Längsseiten der Leitrinne 22 befinden
sich dagegen breite Quetschflächenbereiche.
Die Leitrinne 22 ist anschließend an den halbrunden Randbereich 23 bis zur Mulde 12 verlängert, wobei in
diesem Ausführungsbeispiel diese Leitrinne 22 von der Querschnittsebene 32 aus,durch die die
Längsmittelachse 21 des Ventiltellers 2o hindurchgeht, bis zum Beginn der Mulde 12, d.h. bis zur Querschnittsebene
ungefähr konstante Breite hat. Die beiden an den halbrunder. Randbereich 23 anschließenden Längsränder 26,
dieser Leitrinne 22 haben den aus Fig. 1 ersichtlichen im wesentlichen geraden und zueinander ungefähr
parallelen Verlauf. Dabei geht der längere (erste) Längsrand 26 , der die Längsseitenwand 30 der Leitrinne
22 obenseitig begrenzt, wie auch diese Längsseitenwand ungefähr tangential in die Umfangswandung der
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Mulde 12 über. Die andere viel kürzere vom zweiten Längsrand 27 obenseitig begrenzte Längsseitenwand
mündet in die Mulde 12 unter einem Winkel von ungefähr
9o°.
Der Rand der Mündung 28 der in die Mulde 12 führenden Leitrinne 22 bildet beginnend an dem zweiten Längsrand
27 eine Abrißkante 29, die sich bis zu der Längsseitenwand 3o erstreckt, da letztere ungefähr tangential
in die ümfangswand der Mulde 12 übergeht. Der auf die Längsmittelachse 17 der Mulde 12 bezogene Zentriwinkel
dieser Mündung 28 ist etwas größer als 9o°.
Die Tiefe der Leitrinne 22 ist gemäß Fig. 2 nur gering und wesentlich kleiner als die Tiefe der Mulde 12.
Wie dargestellt, ist die Tiefe der Mulde 12 geringer als ihr Durchmesser, was besonders zweckmäßig ist.
Die Tiefe der Leitrinne 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel ca. maximal ein Drittel der Tiefe der Mulde
12. Jedoch ist die mittlere Tiefe der Leitrinne 22 noch wesentlich kleiner, da ihre maximale Tiefe an der
Mündung 28 in einer konkaven schmalen Längseinwölbung 31 der Leitrinne 22 auftritt. Diese schmale konkave
Einwölbung 31 grenzt an die Längsseitenwand 3o an und reicht bis ungefähr zu der Querschnittsebene
Der übrige Boden der Leitrinne 22 ist ungefähr eben und schwach nach unten in Richtung auf die Mulde 12
geneigt.
Im Zylinderkopf 38 ist noch eine öffnung 33 für eine
Zündkerze und ggfs. auch eine öffnung 34 für eine
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Kraftstoffeinspritzdüse vorgesehen.
Die mindestens einen Zylinder mit einem solchen Kolben
1o aufweisende 4-Takt-Brennkraftmaschine arbeitet
vie folgt. Beim Ansaugtakt wird frisches Gas angesaugt,
das ggfs. den Kraftstoff schon enthält oder der Kraftstoff wird in den Verbrennungsraum eingespritzt.
Beim Verdichtungstakt wird das Gas bzw. das Gemisch verdichtet und kurz vor Ende des Verdichtungstaktes
verdrängen die Quetschflachen 24 des Kolbens und Zylinderkopfes
infolge ihres rasch abnehmenden geringen Abstandes
Gas- bzw. Gemischteile in die Leitrinne 22 von rückwärts und von ihren Seiten her, wodurch in der
Leitrinne 22 eine ausgeprägte Gasströmung auf die Mulde 12 zu auftritt,
die ungefähr tangential in die Mulde 12 einströmt und dabei an der Abrißkante 29 abreißt und das in
der Mulde 12 befindliche Gas oder Gemisch in eine einsige, um die Längsmittelachse der Mulde 12 in
Richtung des Pfeiles A rotierende Drallströmung versetzt. Die Quetschflächen können dabei auch einen
Teil des zwischen ihnen befindlichen Gases abseits der Mündung 28 des Leitkanales 22 ungefähr radial in
die Mulde 12 hineinquetschen, doch ist dieser Anteil wecjen der hier nur relativ kleinen Quetschzonenbereiche
entsprechend klein und kann die Entstehung der Drallströmung infolge der großen Breite und relativ großen
Länge der Leitrinne 22 nicht störend beeinträchtigen
Es wird dann wie üblich gezündet, wobei die Zündkerze sich oberhalb der Mulde 12 befindet und es findet dann
in der Mulde 12 eine außerordentlich rasche Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches statt. Da ferner der
Ventiltoller 2o , wenn er nicht in einer entsprechenden
Vertiefung des Zylinderkopfes 38 angeordnet ist, gegen Ende des Verdichtungstaktes in
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die Leitrinnc 22 eintaucht und sich fast vollständig
über die Grundfläche der.Leitrinne 22 erstreckt, verdrängt
er einen Teil des in der Leitrinne 22 befindlichen Gases ebenfalls in die Mulde 12 und hierdurch wird die
Drallströmung noch weiter verstärkt und das außerhalb der Mulde 12 zum Zeitpunkt der Zündung des Gemisches
befindliche Gemischvolumen noch weiter verringert, sodaß
die gesamte Verbrennung äußerst rasch und intensiv abläuft und ein hoher Ausbrenngrad mit allen Vorteilen
erzielt wird.
Auch können sehr hohe Verdichtungen des Gemisches angewendet werden und mit hoher Luftüberschußzahl
des Gemisches gearbeitet werden.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 bis 6 unterscheidet sich von dem nach den Fig. 1 und 2 im wesentlichen dadurch,
daß die Mulde 12 ovalen Umriß hat und die ungefähr tangential in diese Mulde übergehende Längsseitenwand 30
der Leitrinne 22 schwach konkav gewölbt ist. Ferner gelangt die andere Längsseitenwand 35 dieser Leitrinne
22 unter einem spitzeren Winkel a von ungefähr 60° zum angrenzenden Bereich der Mündung 28 der Leitrinne
22, und zwar ist dieser Winkel a der Winkel zwischen der Tangente 40 an das stromabwärtige Ende der Längsseitenwand
35 und dem dieser Tangente 40 benachbarten i Mündungsbereich des Bodens der Leitrinne 22, d.h. dessen :
Tangente 41. Der Querschnittsverlauf der Leitrinne 22 !
ist aus den Fig. 4 bis 6 zu ersehen.
Die Mulde 12- ist so angeordnet, daß ihr kleinster
Durchmesser ungefähr auf die Längsmittelachse 21 des
- 29 -
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4916 - 29 -
über der Leitrinne 22 befindlichen Ventiltellers zu gerichtet ist, was besonders vorteilhaft ist. Die
Leitrinne 22 und die Mulde 12 haben von den jeweils benachbarten Randbereichen des Kolbenbodens 11 des
Kolbens 10 wieder nur geringe Abstände.
Bei beiden Ausführungsbeispielen geht die Längsmittelachse 17 der Mulde 12 nahezu durch die Verbindungslinie
zwischen den Mittelpunkten der Stirnflächen der Ventilteller 16 und 20.
In Fig. 1 ist der in den Zylinderinnenraum mündende Saugkanal bei 37 angedeutet. Dieser ist so gestaltet,
daß das beim Ansaugtakt in den Zylinderinnenraum einströmende Gas in ihm in Richtung des Pfeils B rotiert,
also gleichsinnig zu der sich in der Mulde 12 ausbildenden Drallströmung (Pfeil A).
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Claims (13)
1./ Fremdgezündete 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit
^/ mindestens einem Zylinder und hängenden Glaswechselventilen,
dessen Kolbenboden eine Mulde aufweist, in der eine ungefähr parallel zum Kolbenboden rotierende
Drallströmung des zu verbrennenden Gemisches erzeugbar ist, wobei in der oberen Totpunktstellung dieses Kolbens
das Volumen des dann vorhandenen Verbrennungsraumes überwiegend durch die Mulde des Kolbenbodens gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Längsmittelachse der Mulde (12) im Abstand vor: der zu ihr ungefähr parallelen Kolbenlängsachse vorgesehen
ist, daß die Längsmittelachse der Mulde (12) durch die Verbindungslinie der Mittelpunkte der verbrennungsraumseitigen
Stirnflächen der Ventilteller (16,20) geht oder sich in der Nähe dieser Verbindungslinie
befindet, vorzugsweise weniger als 1O% des Kolbendurchmessers von dieser Verbindungslinie entfernt i-it-
und daß die Längsmittelachse (17) der Mulde von dem Mitte.Ku-.^t der
einen Ventiltellerstirnfläche keinen Abstand oder geringeren Abstand
als von dem Mxttelpunkt der anderen Ventiltellerstirnfläche hat, wobei vorzugsweise die eine Ventiltellerstirnfläche sie}1 ganz oder
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- 2 - . :
im wesentlichen gegenüber der Muldenöffnung befindet,
daß eine dem anderen Ventilteller (2o) gegenüberliegende
Vertiefung im Kolbenboden, die mindestens den Durchmesser des Ventiltellers hat und in die der Ventilteller
in der oberen Totpunktstellung des Kolbens vorzugsweise hineinragen kann, und/n5er diejenige Vertiefung
des Zylinderkopfes, die diesen anderen Ventilteller aufnimmt zu einer ungefähr tangential in die
Mulde führenden, bzw. zu einer in der oberen Totpunktstellung des Kolbens ungefähr tangential zur Mulde
führenden, breiten und flachen Leitrinne verlängert ist, damit durch das aus der Leitrinne (22) gegen Ende
des Verdichtungstaktes in die Mulde einströmende Gas
oder Gemisch in der Mulde die um die Längsmittelachse (17) der Mulde ungefähr parallel zum Kolbenboden rotierende
Drallströmung bewirkbar ist, und daß die mittlere Tiefe der Leitrinne an ihrer Austrittsmündung wesentlich
kleiner als die Tiefe der Mulde ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an den ersten Längsrand (26) der Leitrinne (22),
der bezogen auf/Drallströmung in der Mulde (12) stromabwärtig des anderen (zweiten) Längsrandes (27) der
Leitrinne ungefähr tangential zur Muldenumfangswand führt, als auch an den zweiten Längsrand (27) der Leitrinne
Quetschflächen des Zylinderkopfes bzw. des Kolbenbodens anar^nzen-
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Mulde (12) vom Kolbenumfang so gering
ist, wie es vom Gesichtspunkt der zulässigen Kolbenringtemperatur aus noch zulässig ist.
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■- 3- -Λ.-·:.-
4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (12) ungefähr kreisrund ist.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (12) eine
stetig konkav gekrümmte Umfangswandung aufweist, die in einer Längsmittelebene einen maximalen
Durchmesser und in einer hierzu senkrecht stehenden Längsmittelebene einen kleineren Durchmesser
hat und daß die durch diesen kleineren Durchmesser bestimmte Längsmittelebene durch die Mündung der
Leitrinne (22) geht.
6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste LSngsrand (26) und vorzugsweise auch der zweite Längsrand
(27) der Leitrinne jeweils der obere Rand einer l/'ngsseitenwand
(2o,35) der Leitrinne trirvj»
7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Mulde
ungefähr eben und/oder daß die Umfangwandung der Mulde (12) schwach konisch ist und über eine
Abrundung in den Boden der Mulde übergeht.
8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitrinne (22)
am Rand des Kolbens oder in geringem Abstand von vorzugsweise weniger als 5 mm von ihm beginnt.
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- 4 -
9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Leitrinne
(22) mindestens dem o,25-fachen, vorzugsweise ungefähr dem o,3 bis o,5-fachen des Kolbendurchmessers
entspricht.
1ο. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsränder der
Leitrinne (22)und vorzugsweise auch die Mulde (12) an. Quetschflächen (24) des Kolbenbodens angrenzen, die bis zum Kolbenrand reichen, wobei vorzugsweise die Leitrinne und die Mulde
sich innerhalb einer einzigen Quetschfläche befinden.
Leitrinne (22)und vorzugsweise auch die Mulde (12) an. Quetschflächen (24) des Kolbenbodens angrenzen, die bis zum Kolbenrand reichen, wobei vorzugsweise die Leitrinne und die Mulde
sich innerhalb einer einzigen Quetschfläche befinden.
11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Leitrinne (22)
an ihrer Mündung (28) mindestens 4 -fach größer,;
vorzugsweise mindestens 6-fach
größer als ihre mittlere Tiefe an der Mündung ist und da!5
die Tiefe eier Mulde vorzugsweise mindestens 3-fach,
insbesondere ungefähr 3,5- bis 5-fach größer als die mittlere Tiefe der Leitrinne an ihrer Mündung ist.
12. Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 1o,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Leitrinne (22) quer zu ihrer Längsrichtung in Richtung auf
ihre ungefähr tangential in die Umfangswandung der Mulde übergehende Längsseitenwand zunimmt.
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-■·"" O —"
gekennzeichnet,
13. Maschine nach einen der vorhergehenden Ansprüche ,dadurch /
daß die Höhe deo: den ersten Längsrand (26) aufweisenden Längs-
seitemvand der Leitrinne (22) in Richtung auf die Mulde zu von einem Kleinstwert bis zu einem Größtwert
zunimmt, derart, daß der durch den oberen und den unteren Rand dieser Längsseitenwand eingeschlossene
Winkel maximal 1o°, vorzugsweise 3° bis 6° beträgt.
14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Breite der
Leitrinne (22) sich im Abstand vom Kolbenrand befindet und daß \rorzugsweise die Breite der Leitrinne
sich in stromabwärtiger Richtung von dieser Stelle größter Breite aus um maximal 2o% verringert.
15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zentriwinkel der in die Mulde (12) führenden Mündung
der Leitrinne mindestens 7o°, vorzugsweise mindestens 85° bezogen auf die Muldenlängsachse beträgt.
16. Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der genannte Zentriwinkel größer als 9o° ist, vorzugsweise 95° bis 12o° beträgt.
17. Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die eine Längsseitenwand der Leitrinne ungefähr tangential in die
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- f. -
Umfangswand der Mulde übergeht, und daß der übrige Rand der Mündung (28) der Leitrinne (22)
in die Mulde als Abrißkante (29) ausgebildet ist.
18. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die Tangente (40) an den unmittelbar vor der Abrißstelle der aus. der Leitrinne in die Mulde einströmenden Strömung
liegenden Endbereich des zweiten Lc'ngsrandes bzw. der betreffenden
Längsseitenwand der Leitrinne zwischen der Längs-
mittelachsn (17) der Mulde (12) und der übrigen Mündung (28)
der Leitrinne hindurchgeht.
19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannte Tangente (40) in einem Winkel (a) von 40° bis 80° zu dem benachbarten stromabwartigen Rand
des Bodens der Leitrinne (22) in die Mulde eintritt.
2o. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde
von der Umfangswand des Kolbens (10) nur geringen Abstand von vorzugsweise weniger als 1o% des
Kolbendurchmessers hat, insbesondere solchen Abstand, wie er aus thermischen Gründen für die
Funktion der Kolbenringe noch zulässig ist, und daß die Leitrinne (22) an der dieser Stelle des
geringsten Abstandes der Mulde vom Kolbenumfang diametral gegenüberliegenden Randstelle des Kolbenbodens
oder in nur geringem Abstand von dieser Randstelle beginnt.
21. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Leitrinne
(22) zu der Mulde führt/ die vorzugsweise im Kolbenboden angeordnet ist.
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ORia;.\AL INSPECTED
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22. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die- den ersten LSngsrarsd
aufweisende Längsseitenwand der Leitrinne ungefähr tangential, in die ttnfanhand der MuId.-? übergeht und daß die Leitrinne
von ihrem tiefsten Längsbereich aus, der in der Nähe dieser Längsseitenwand liegt, flach zu einer den zweiten Längsrand aufweisenden
Längsseitenwand der Leitrinne oder flach bis zum dieser Seitenwand gegenüberliegenden zweiten Längsrand der Leitrinne ansteigt,
23. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der in den oder einen Zylinder führende
Gaszuführkanal, der durch ein Einlaßventil absperrbar ist, so zu dem Brennraum dieses Zylinders führt,
daß die durch ihn in den Brennraum einströmende Gasströmung im Zylinder um dessen Längsachse als Drallst
römung rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das aus der Leitrinne in die Mulde überströmende
Gas bewirkte Drallrichtung der Gasströmung in der Mulde gleichsinnig zu der erstgenannten Lrallstromung
ist.
24. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitrinne in demjenigen Längsab^chnitt, der an der
durch dieLängsmittelachse des über ihr liegenden Ventiltellers (20) bestimmten Querschnittsebene
beginnt und bis zur Mulde reicht, sich in Richtung au* die Mulde zu wenig verändert und sich nur vorzugsweise
um maximal 30% bezogen auf den Querschnitt in dor durch die Längsmittelachse des Gaswechselventils
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916 - 8 -- ■ . ■ .
bestimmten Ebene vergrößert, vorzugsweise um weniger
als 2o%.
25. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen oder mehrere Zylinder hat, wobei der
Hubraum des bzw. jedes Zylinders 2oo bis 7oo cm beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe
der Leitrinne unterhalb des über ihr befindlichen Ventiltellers 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm
beträgt und daß bei größerem Hubraum sich diese etwa proportional vergrößern.
26. Maschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich die maximale Tiefe der Leitrinne in stromalwärtiger
Richtung auf 3 bis 9 mm, vorzugsweise auf 4 bis 7 mm an oder nahe der Mündung vergrößert, wobei auch die ¥jnße sich
bei größerem Hubraum etwa proportional vergrößern.
27. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das über der Leitrinne
befindliche Gaswechselventil das Einlaßventil oder im Falle des Vorhandenseins mehrerer
Einlaßventile das Einlaßventil des größten Ventiltellerdurchmessers ist.
28. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Leitrinne
(22) im wesentlichen eben und vorzugsweise flach schräg nach unten sowohl zur Mulde hin als auch
den ersten r-ünosrand aufweisenden
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Längsseitenwand hin geneigt ist.
29. Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 28, dadurch gekennzeichnet,daß in den Boden der Leitrinne angrenzend
an ihre ungefähr tangential in die Muldenumfangswand übergehende, den ersten Längsrand aufweisende
Längsseitenwand eine in Längsrichtung der Leitrinne verlaufende Vertiefung (37) eingelassen ist, deren Breite kleiner als
die halbe Breite des Leitrinnenbodens ist.
30. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Mulde (12)
des Kolbenbodens mindestens 60% , vorzugsweise 70 bis 80S des in der oberen Totpunktstellung des Kolbens
vorhandenen Brennraumvolumens beträgt und daß die Tiefe der Mulde (12) kleiner als ihr größter Durchmesser
ist.
31. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, daß das in der oberen Totpunkts teilung
des Kolbens von dem betreffenden Ventilteller freigelassene Volumen der Leitrinne kleiner.als 12%,
vorzugsweise 4 bis 10% des in dieser Kolbenstellung vorhandenen Brennraumvolumens ist.
32. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der über der Leitrinne ' 2;
befindliche Ventilteller (20) in seiner Geschlosteinstellung
über den Zylinderkopf übersteht und in dieser Stellung in der oberen Totpunktstellung des
Kolbens (10) in die Leitrinne (22) hineinrr.^t.
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33. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch
betrieben wird, das einen Luftüberschuß von 10 bis 40% ( ?L = 1,1 bis 1,4) , vorzugsweise
von 20 bis 30% (X = 1,2 bis 1,3) hat.
- 11 -
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