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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Brennkraftmaschine und betrifft Maschinen vom Vier-Takt- oder
insbesondere Zwei-Takt-Typ einschließlich mindestens eines Zylinders,
eines Kolbens, der in dem Zylinder hin- und herlaufen kann,
und eines Zylinderkopfes, welcher mindestens einen Auslaß
aufweist, welcher durch ein Tellerventil gesteuert wird, und
mindestens zweier Einlässe, welche durch jeweilige
Tellerventile gesteuert werden und mit jeweiligen Einlaßleitungen
verbunden sind, die in dem Zylinderkopf ausgebildet sind, wobei
deren Achsen im wesentlichen gerade sind, wobei der Zylinder
und der Zylinderkopf eine Brennkammer mit einer
"Pent-Dachform" bilden, mit welcher die Ein- und Auslässe
kommunizieren, wobei die Einlässe die Strömungsrichtungen bestimmen,
wodurch im Gebrauch der Luftstrom durch die Einlässe im
allgemeinen weg von den/dem Auslaßventil(en) und dadurch entlang
der Wände des Zylinders nahe den Einlässen nach unten strömt.
Gerichtete Öffnungen sind Öffnungen des Typs, bei welchen die
hierdurch in den Zylinder strömende Luft vorzugsweise in
einer radialen Richtung relativ zur assozierten Ventilachse
strömt. Solche Öffnungen kommunizieren mit einer
Einlaßleitung, welche eine relativ abrupte Krümmung kurz stromaufwärts
zur Öffnung aufweisen. Der Innenseitenradius dieser Krümmung
ist typischerweise kleiner als 0,3 r, wobei r der Radius der
Öffnung ist, und ist im wesentlichen kleiner als der
Augenseitenradius der Krümmung, wodurch beim Gebrauch der
Luftstrom von der Innenseite der Krümmung wegbricht und in den
Zylinder vorzugsweise in einer Richtung eintritt, die von der
Einlaßleitung stromaufwärts der Krümmung bestimmt wird, das
heißt, die Richtung wird im wesentlichen von der Krümmung
nicht beeinflußt. Die Luft tritt in den Zylinder vornehmlich
von einer Seite der Öffnung mit Bezug auf die Ventilachse
ein.
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Es ist bekannt, daß bei Funkenzünd-Viertakt-Maschinen ein
hoher Grad von Turbulenz im Einlaß des Treibstoffes und der
Luft eine schnell und vollständige Verbrennung fördert. Es
ist weiterhin bekannt, diese Turbulenz durch Vorsehen von
sogenannten "squish"-Bereichen zu erzeugen, in welchen Teile
der oberen Fläche des Kolbens sich einen entsprechenden Teil
des Zylinderkopfes während seiner Annäherung an den oberen
Totpunkt (TDC) des Kolbens nähern, wodurch Luft durch diesen
Bereich in die Verbrennungskammer gepreßt wird und eine
intensive Turbulenz der Luft und des Treibstoffs am TDC-Punkt
erzeugt wird. Es ist ebenso bekannt, einen Wirbel im Einlaß
beim Eintreten in den Zylinder zu erzeugen, welcher
weitgehend in eine Turbulenz konvertiert wird, wenn der Kolben die
TDC-Position erreicht.
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Ein Alternativ-Verfahren zum Erzeugen einer Turbulenz um den
TDC-Punkt herum ist die Induzierung einer "überschlagenden"
Bewegung der Luft in dem Zylinder durch Konstruktion der
Einlaßöffnungen in der Weise, daß eine Rotation der Luft in den
Zylinder um eine Achse erzeugt wird, welche transversal zur
Achse des Zylinders verläuft. Im Unterschied zum Wirbel,
welcher dazu neigt, in dem Zylinder über den TDC hinaus
fortzubestehen, wird die Überschlagbewegung als Ganzes in einer
Turbulenz am TDC konvertiert. Die "Überschlagbewegung" ist
nicht nur wirksam zur Erzeugung der Turbulenz in Zweitakt-
und Viertakt-Maschinen, sondern kann auch wirksam zum
Ausblasen von Zweitakt-Maschinen sein. Bekannte Maschinen dieses
Typs umfassen Einlaßleitungen, welche im wesentlichen
parallel zur Zylinderachse verlaufen, wodurch Luft, die durch die
Einlaßöffnungen einströmt, im wesentlichen entlang der
benachbarten Wände des Zylinders nach unten und über den Kolben
strömt und an der anderen Seite des Zylinders nach oben
strömt, wodurch ein Grad von Taumelbewegung erzeugt wird.
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In den letzten Jahren hat es ein beträchtliches Interesse an
der Verwendung von Zweitakt-Zyklen in Fahrzeugmotoren
gegeben, um eine kleinere und leichte Maschine zu erhalten.
Maschinen mit kolbengesteuerten Einlässen sind besonders
attraktiv in dieser Hinsicht, aber sie sind nicht vorteilhaft
für die Verwendung in Fahrzeugmaschinen, weil die Anwesenheit
der Öffnungen und folglich die asymmetrische, thermische
Belastung dahinführt, daß der Zylinder starken Verspannungen
ausgesetzt wird, was zu Problemen bei der Abdichtung und der
Reibung und damit der Abnutzung führt.
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Verspannungen des Zylinders können in Zweitakt-Maschinen
durch Vorsehen eines Tellerventils des konventionellen Typs
in den Zylinderkopf vermieden werden. Eine Maschine dieses
Typs und des Typs, welcher im Oberbegriff des Anspruchs 1
bezeichnet ist, ist in GB-A-1568302 offenbart. Diese Maschine
umfaßt zwei Einlaßventile, welche gegen das/die
Auslaßventil(e) durch einen so großen Winkel geneigt sind, daß der
Winkel des resultierenden Pentdach-Aufbaus der Brennkammer so
ist, daß es unmöglich ist, ein hohes Kompressionsverhältnis
mit einer konkaven oder flachen Kolbenoberseite zu erreichen,
welche die bevorzugte Konstruktion aus verschiedenen Gründen
ist, einschließlich der Tatsache, dar ein Kolben mit einer im
wesentlichen gewölbten oder vorstehenden Krone mit der
erforderlichen Uberschlagbewegung zusammenwirkt. Die Einlässe sind
von den Auslässen durch eine Wand oder einen Schirm getrennt,
mit welchen die inneren Ränder der Einlaßventile über den im
wesentlichen gesamten Weg in Kontakt bleiben, wodurch die
Luft über die Einlaßventile im wesentlichen nur an einer
Seite fern des Schirms vorbeiströmt und dann durch die
benachbarten Zylinderwände in der Überschlagkonfiguration
geleitet wird. Wenn der Winkel zwischen den Einlaß- und
Auslaßventilen vermindert wird, um eine Verminderung des Volumens
der Brennkammer zu erreichen, dann wird der Ausflug der Luft
von den gerichteten Einlässen beträchtlich durch die Nähe der
benachbarten Zylinderwände behindert, welche den Luftstrom in
den Zylinder vermindern und dadurch die Effizienz der
Maschine reduzieren. Es wurde festgestellt, daß der Luftstrom
durch die Einlässe dieser bekannten Maschine etwas diffus und
"unfokusiert" ist trotz der Ausrichtung, und daß dadurch ihr
Momentum nicht ausreicht, um eine beträchtliche Kraft in
einer vollen Schleife um den Zylinder mit sich zu bringen, was
bedeutet, daß der Zylinder mit einer Effizienz durchblasen
wird, die geringer ist, als die gewünschte.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Maschine des oben
beschriebenen Typs zur Verfügung zu stellen, in welcher in
Zweitakt-Form die eingelassene Luft eine effizientere
Durchblasung der Abgase aus dem vorangegangenen Brennzyklus
erlaubt und welche in Zweitakt- oder Viertaktform eine
kompaktere und damit wirksamere Strömung der Einlaßluft erzeugt,
welche sich überschägt und dadurch eine intensivere Turbulenz
am TDC erzeugt. Es ist weiterhin eine Aufgabe, eine solche
Maschine herzustellen, in welcher der Winkel zwischen den
Einlaß- und Auslaßventilachsen aus der Seitenansicht
vermindert werden kann, wodurch das Kompressionsverhältnis der
Maschine erhöht wird.
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Gemäß der folgenden Erfindung wird eine Maschine des oben
beschriebenen Typs geschaffen, die gekennzeichnet ist dadurch,
dar die Achsen der Einlaßleitungen in Richtung der durch sie
gehenden Strömung konvergieren, wenn man in Richtung der
Zylinderachse sieht, und die Achse jeder Einlaßleitung einen
Winkel von mindestens 20º mit derjenigen der anderen
Einlaßleitung oder der benachbarten Einlaßleitung bildet, wenn man
in Richtung der Zylinderachse sieht.
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Vorzugsweise haben die Achsen jeder Einlaßleitung eine im
wesentlichen achsiale Komponente, z. B. geneigt um 60º,
vorzugsweise 45º, oder weniger zur Linie, die parallel mit der
Zylinderachse liegt, wobei die Linie die Achse der
Einlaßleitung schneidet. Der Luftstrom von den Einlässen wird dadurch
im allgemeinen achsial ausgerichtet, aber mit einer
temporären radialen Auswärtskomponente, wenn sie um die Ventilköpfe
der angeschlossenen Ventile strömt, d. h. die Luft strömt
vorzugsweise durch die Einlässe einer Seite, welche im
allgemeinen gegen die benachbarten Zylinderwände gerichtet ist. In
der Maschine gemäß der Erfindung wird der Luftstrom durch die
Einlaßleitungen im allgemeinen weg von den Auslaßventilen
gerichtet, wie in der bekannten Beschreibung, die oben genannt
ist, und wird wieder nach unten entlag der benachbarten
Zylinderwände geführt und strömt dann über das obere des
Kolbens und zurück, hoch entlang der anderen Zylinderwand in
Richtung der Einlaßventile. Wenig oder gar keine Luft strömt
aus den Einlässen an der Seite nahe den Auslaßventilen und
daher, wenn die Maschine eine Zweitakt-maschine ist, strömt
im wesentlichen keine Luft direkt von den Einlässen zu den
Auslässen. Jedoch im Unterschied zum obengenannten Stand der
Technik, bewegt sich die Luft, welche durch die Einlässe
eingeströmt ist, nicht im allgemeinen parallel zur
Zylinderachse, sondern strömt stattdessen konvergent und koaleszent
zum selben Punkt stromabwärts der Einlässe, um einen einzigen
relativ kompakten Strom von Luft zu bilden, welcher "sich
überschlägt" oder in einer Schleife innerhalb des Zylinders
in einer stärkeren und fortdauernden Weise strömt als im
genannten Stand der Technik.
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Der Winkel, der durch die Achsen der Einlaßleitung definiert
wird, ist vorzugsweise zwischen 20 und 120º, weiter
vorzugsweise zwischen 40º und 90º, wenn er aus der achsialen
Richtung betrachtet wird. In der bevorzugten Ausführungsform in
welcher es nur zwei Einläße gibt, liegen die Achsen der zwei
Leitungen in einer einzigen Ebene, wobei die Achsen dieser
Leitungen vorzugsweise gegeneinander zwischen 5º und 15º in
dieser Ebene geneigt sind. Die Achsen der Einlaßleitungen
schneiden sich an einem Punkt 0,75R bis 2R, vorzugsweise R
bis 1,25R, weg von der Zylinderachse, wenn man in Draufsicht
sieht, wobei r der Radius des Zylinders ist.
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Es ist zu beachten, daß in der Praxis die Einlaßleitungen
nicht über ihre gesamte Länge gerade sein können, da
ansonsten die Schafte der Einlaßventile vollständig in den
Einlaßleitungen liegen wurden. Es ist daher notwendig, daß die
Einlaßleitungen gebogen sind und die Bezugnahmen auf "die
Achsen"
der Einlaßleitung muß in dieser Beschreibung dahingehend
interpretiert werden, daß die Bezugnahme auf die Richtung des
Hauptteils der Länge dieser Einlaßleitungen oder der
überwiegenden Richtung der Einlaßleitung gemeint ist, und daß dies
in der Praxis eine Bezeichnung für die überwiegende Richtung
der Bewegung der Luft innerhalb der Einlaßleitung darstellt,
welche weitgehend über den kurzen Bereich oder die kurze
Strecke von einer Biegung in den Leitungen unbeeinflußt ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist jede Einlaßleitung
kurz stromaufwärts des angeschlossenen Einlasses gebogen und
hat einen kurzen Abschnitt koaxial mit dem Einlaßstrom
abwärts der Biegung, deren Achse in einem spitzen Winkel zur
Zylinderachse geneigt ist und ein langer Teil stromaufwärts
der Biegung, dessen Achse entgegengesetzt geneigt ist zu
einem spitzen Winkel zur Zylinderachse. Die Einlaßleitungen und
Einlässe sind im allgemeinen von ähnlichem Aufbau, wie
diejenigen, die in dem oben zitierten älteren Patent offenbart
sind, aber sind um ein einen kleinen Winkel von
beispielsweise 10 bis 30º im Vergleich zum Stand der Technik gedreht,
wodurch der Winkel zwischen den Achsen der Einlaß- und
Auslaßventile vermindert ist, das heißt, daß "Pent-Dach" ist von
flacherer Form, was bedeutet, daß das Volumen der Brennkammer
vermindert ist und das Kompressionsverhältnis der Maschine
erhöht werden kann. Das führt jedoch nicht zu dem
potentionellen Problem, das in Verbindung mit GB-A-1568302 genannt
wurde, namentlich der Behinderung des Luftstroms durch die
Einlässe durch die benachbarten Zylinderwände, weil die
Stromrichtung der eingelassenen Luft etwas verdreht ist, wenn
dies in Aufsicht gesehen wird, im Vergleich zu GB-A-1568302.
Dies führt zu einer Erhöhung der effektiven Länge des
Stromweges zwischen den Einlässen und den benachbarten
Zylinderwänden, und ebenso zu einem Luftstrom, welcher gegen die
Zylinderwände in einem ziemlich schrägen Winkel auftrifft.
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Es wird bevorzugt, dar die inneren Ränder jeder Biegung, wenn
sie von der Seite betrachtet werden, einen relativen
Krümmungsradius aufweisen, der nicht größer als 0,3 r ist, wobei
r der Radius des angeschlossenen Einlasses ist. Der Zweck
dieser relativ starken Biegung ist es, sicherzustellen, daß
die in der Leitung stömende Luft von der Wand der
Einlaßleitung am inneren Rand der Biegung wegbricht und dadurch
effektiv sich in einer im wesentlichen geraden Linie unabhängig
von der Anwesenheit der Biegung weiterbewegt. Es ist
selbstverständlich dies, was verantwortlich ist für die gerichtete
"Funktion" der Einlaßventile, daß aufgrund der Anwesenheit
der Biegungen die Luft aus den Einlässen vorzugsweise oder
überwiegend in nur einer Richtung strömt, das heißt, der
parallelen Richtung zur Achse der Einlässe, und dadurch aus den
Einlässen im allgemeinen weg von den Auslässen strömt.
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Das einzige kompakte "Überschlag"-Luftmuster in dem Zylinder
wird in eine intensive Turbulenz kurz vor dem TDC konvertiert
und im Falle der Zweitakt-Maschine, erzeugt sie eine
besonders effiziente Ausblasung des Zylinders und des Brennraumes
mit sehr wenig Luft, die direkt von den Einlässen zu den
Auslässen strömt.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung werden anhand der
folgenden Beschreibung einer Mehrzylinder-Zündfunk-Zweitakt
Maschine in Übereinstimmung mit der Erfindung deutlich
werden, welcher als Beispiel gegeben ist und Bezug nimmt auf die
begleitenden Zeichnungen, in welchen:
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Fig.1eine Querschnittsansicht ist, welche den Zylinderkopf
und den oberen Teil eines Zylinders der Maschine
zeigt;
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Fig.2 eine Längsschnittansicht der Maschine von Fig. 1 ist,
die die Gestaltung der Maschinenöffnungen zeigt; und
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Fig.3 ein Diagramm ist, das die Flußrate und
Richtungsverteilung der Luft zeigt, welche durch die Einlässe
strömt.
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Die Maschine umfaßt einen Zylinderblock 2, welcher einen oder
mehrere Zylinder 4 definiert, in diesem Falle vier Zylinder,
wobei jeder ein hin- und herbeweglichen Kolben 6 umfaßt. Die
Zylinder 4 werden durch einen gemeinsamen Zylinderkopf 8
geschlossen, welcher zwei geneigte Flächen über jedem Zylinder
aufweist, die in einen Winkel von 134º geneigt sind und
dadurch ein Pent-Dach-Brennkammer 10 definieren. An den zwei
geneigten Flächen sind zwei Auslässe 12 und zwei Einlässe 14
jeweils vorgesehen. Die zwei Auslässe 12 stehen mit einer
Hälfte der Verbrennungskammer in Verbindung und die beiden
Einlässe 14 stehen mit der anderen Hälfte der Brennkammer in
Verbindung, wenn man sie in Draufsicht betrachtet. Die
Auslässe 12 stehen mit jeweiligen Auslaßleitungen 16 in
Verbindung und werden durch jeweilige Tellerventile 18 gesteuert.
Ähnliche stehen die Einlässe 14 mit jeweiligen
Einlaßleitungen in Verbindung und werden durch jeweilige Tellerventile 22
gesteuert. Die Tellerventile 18 und 22 werden in
konventioneller Weise betrieben z.B. durch eine Nockenwelle, die durch
eine Kurbelwelle der Maschine angetrieben wird. Jede
Einlaßleitung umfaßt einen anfänglichen kurzen Teil 24 unmittelbar
nahe dem angeschlossenen Einlaß 14, dessen Achse mit der des
Einlasses übereinstimmt und ist zur Zylinderachse um 10 bis
60º geneigt, in diesem Fall 230, und einen länglichen geraden
Teil 26, dessen Achse 28 entgegengesetzt geneigt zur
Zylinderachse ist und auf diese Weise in Richtung und dann über
die Zylinderachse sich erstreckt, wenn man von der Seite
betrachtet. Die Schnittstelle der kurzen und langen Teile 24
und 26 ist so, daß der innere Rand einen relativ kleinen
Krümmungsradius aufweist, der nicht größer als 0,3r ist,
wobei r der Radius des Einlasses 14 ist, d.h. der innere Radius
des Ventilsitzes. Der Biegungswinkel zwischen dem kurzen und
langen Teilen der Einlaßleitung ist ein Kompromiß zwischen
den Anforderungen eines gerichteten Einlasses, wobei der
wünschenswerte Winkel relativ groß ist, zum Beispiel 70º, und
dem Erfordernis, dar die Strömung in der Leitung im
wesentlichen
parallel zur Zylinderachse ist, wobei dieser Winkel
gleich dem Neigungswinkel der Einlaßventile sein sollte, das
heißt 23º in diesem Fall. Der Biegungswinkel ist
typischerweise zwischen 30º und 50º.
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In Draufsicht sind die Achsen der Einlaßleitung, das heißt
die Achsen 28 der Hauptteile der Einlaßleitungen, konvergent
in Richtung der Strömung und definieren einen Winkel von 20º
bis 120º, vorzugsweise zwischen 40º und 90º, typischerweise
64º. In Draufsicht konvergieren die Achsen 28 an einem Punkt
vorzugsweise zwischen 0,75R und 2R von der Zylinderachse,
wobei R der Radius des Zylinders ist.
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In Betrieb strömt die Einlaßluft entlang der Einlaßleitungen
in Richtung der Achsen 28. Aufgrund der Schärfe der
Schnittstelle zwischen den langen und den kurzen Teilen der
Einlaßleitungen strömt die Luft in die kurzen Teile 24, wobei sie
vom inneren Rand der Schnittstelle wegbricht und im
wesentlichen an dem äußeren Rand "haftet", wenn dies in vergrößerter
Ansicht gesehen wird. Die Luft strömt dann vorbei an den
Köpfen der Einlaßventile 22 und da ihr Impuls immer noch im
wesentlichen in Richtung 28 zeigt, strömt sie durch die
Einlässe nur an einer Seite derselben und vorzugsweise oder
überwiegend in Richtung parallel zur Achse 28, wie dies durch
große Pfeile in Fig. 2 gezeigt ist. Wie in Fig. 2 zu sehen
ist, ist die Luftströmung durch die Einlaßventile in der Tat
über einen wesentlichen Teil ihrer Winkelausdehnung verteilt,
effektiv über eine Hälfte ihrer Winkelausdehnung. Der größte
Teil des Luftstromes ist Parallel zur Achse 28 und der
Anteil, welcher in andere Richtungen strömt, nimmt mit
zunehmendem Winkelabstand von der Richtung 28 ab. Im wesentlichen
strömt keine Luft aus an den Seiten der Einlaßventile, welche
am nächsten zu den Auslaßventilen ist. Die Luftströme durch
die zwei Einlässe sind abwärts gerichtet durch die nahen
Zylinderwände und kollidieren an bestimmten Punkten ohne den
Zylinderkopf, wo sie zusammenkommen, um einen einzigen,
kompakten, gerichteten Luftstrom zu bilden, welcher nach unten
entlang der Zylinderwand sich fortsetzt, über die Kolbenkrone
und aufwärts der Kolbenwand an der anderen Seite.
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Die Kolbenkrone ist vorzugsweise flach oder nur leicht
gewölbt, d.h. mit einem Krümmungsradius von weniger als 1,6 R
um die Zerstörung der Luftbewegung zu vermeiden. Eine kleine
Wölbung kann helfen, die einkommende Luft über die Krone des
Kolbens so zu verteilen, daß sie sich entlang der
gegenüberliegenden Wand des Zylinders aufwärts bewegt in einer
breiteren Säule, wodurch das Ausblasen des Zylinders verbessert
wird. Aufgrund der kompakten "Überschlag"- oder "Schleifen"-
Bewegung der einströmenden Luft wird der Zylinder sehr
wirksam ausgeblasen im Falle einer Zweitakt-Maschine. Da die
einkommende Luft in ihrer sich überschlagenden Bewegung um den
Zylinder strömt, drückt sie die ausgebrannten Abgase, welche
in dem Zylinder verblieben sind, vor sich her und bringt sie
über die Auslaßventile nach außen. Die überschlagende
Bewegung erzeugt sehr intensive Turbulenz am TDC im Falle sowohl
der Zweitakt- als auch der Viertakt-Maschinen.
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Es ist offensichtlich, dar zahlreiche Veränderungen an der
obenbeschriebenen Konstruktion vorgenommen werden können.
Beispielsweise sind die Achsen der Ein- und Auslaßventile
gleich geneigt zur Zylinderachse, doch ist dies nicht
notwendig und die Achsen der Einlaßventile können näher an der
Horizontalen sein als die Achsen der Auslaßventile, d.h. das
Pent-Dach kann steiler auf der Einlaßventilseite sein als auf
der Auslaßventilseite. In diesem Fall ist der Apex des Pent-
Dachs nicht mehr länger in der Mitte, sondern gegen die
Einlaßventile verschoben und kann eine Stufe oder ähnliches
darstellen, welche als eine physikalische Barriere für den
direkten Strom der von den Einlässen kommenden Luft gegenüber
den Auslässen sein. Weiterhin kann die Maschine drei oder
mehr
Einlässe aufweisen und in diesem Falle können die
Einlaßleitungen jeweils um mindestens 20º zur Achse alle anderen
Einlaßleitungen geneigt sein oder zumindest zur Achse der
benachbarten oder nächsten Einlaßleitung.