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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und ein Verbrennungsmotor.
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Ein Verbrennungsmotor weist üblicherweise wenigstens einen Zylinder, einen Zylinderkopf und einen in dem Zylinder beweglich gelagerten Kolben auf. Diese Elemente begrenzen zusammen einen Brennraum des Verbrennungsmotors, in dem ein Gemisch verbrannt wird, das mindestens aus Luft und Kraftstoff besteht.
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Während des Verbrennungsprozesses bewegt sich der Kolben zwischen einem oberen Maximalpunkt und einem unteren Maximalpunkt auf und ab, die auch als oberer und unterer Totpunkt bezeichnet werden. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens, insbesondere einer Bewegung des Kolbens in Richtung des Zylinderkopfes, kann das Gemisch im Brennraum verdichtet werden. Wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, entzündet eine in dem Zylinderkopf angeordnete Zündkerze durch Erzeugen einer Initialflamme das Gemisch.
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Um eine möglichst schnelle und effiziente Verbrennung des Gemisches zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das Gemisch eine möglichst hohe turbulente kinetische Energie aufweist. Die turbulente kinetische Energie ergibt sich aus dem Strömungsverhalten des Gemisches und wird maßgeblich durch die Geometrie des Brennraums beeinflusst. Auch das Verdichtungsverhältnis, mit dem das Gemisch verdichtet wird, hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Verbrennungsprozess. Das Verdichtungsverhältnis des Motors, also das Verhältnis des Brennraumvolumens, wenn sich der Kolben in dem oberen beziehungsweise dem unteren Maximalpunkt befindet, beeinflusst unter anderem die Leistung sowie den Wirkungsgrad des Motors. Üblicherweise wird eine Leistungsanforderung des Verbrennungsmotors vorgegeben, sodass ein geeignetes Verdichtungsverhältnis gewählt werden muss, um diese Leistungsanforderung zu erfüllen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, mit dem ein Verbrennungsprozess hinsichtlich des Verdichtungsverhältnisses optimal abläuft.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolben für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei der Kolben eine in einem montierten Zustand des Kolbens zu einem Brennraum des Verbrennungsmotors hin gerichtete Brennraumseite aufweist, an der eine rotationssymmetrische Vertiefung sowie ein um die Vertiefung umlaufender Rand vorgesehen sind, wobei ein Übergang zwischen einer Oberfläche des umlaufenden Rands und einer Bodenfläche der Vertiefung in einer Schnittdarstellung durch eine stetig ableitbare Funktion beschrieben ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Kolbens kann das Strömungsverhalten eines Gemischs in einem Brennraum positiv beeinflusst werden, wodurch der Verbrennungsprozess entsprechend optimiert wird, insbesondere im Übergang von der Vertiefung zum radial außen angeordneten umlaufenden Rand.
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Die rotationssymmetrische Vertiefung und der Übergang, also die Seitenwand der Vertiefung, beeinflussen beispielsweise das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors. Das Verdichtungsverhältnis entspricht einem Verhältnis des gesamten Brennraums vor der Verdichtung des Gemisches, wenn sich der Kolben in dem unteren Totpunkt befindet, zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung des Gemisches, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet.
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Bei der Zuführung von Luft bzw. des Gemischs wird der Frischluft bzw. dem Gemisch generell eine Ladungsbewegung aufgeprägt. Durch die entsprechende Geometrie des Kolbens kann die Ladungsbewegung lange aufrechterhalten und damit die turbulente kinetische Energie (TKE) des Gemischs während der Kompression erzeugt und aufrechterhalten werden. Daraus folgt bei ansonsten gleichen Randbedingungen bedingt durch die erfindungsgemäße Kolbengeometrie wiederum eine höhere Brenngeschwindigkeit des Gemisches, was zu einem besseren thermodynamischen Wirkungsgrad und damit zu einer Verbrauchsreduktion führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die stetig ableitbare Funktion ein Polynom mindestens 3. Grades. Dadurch wird die Strömung des Gemisches besonders positiv beeinflusst, insbesondere die turbulente kinetische Energie des Gemisches beim Verdichten desselben.
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Vorzugsweise ist eine außenseitige Kontur, die die Bodenfläche, den Übergang sowie die Oberfläche umfasst, durch einen B-Spline beschrieben. Insbesondere umfasst die Kontur drei Polynomabschnitte, die der Oberfläche des umlaufenden Rands, der Bodenfläche der Vertiefung sowie der Seitenfläche, die durch den Übergang von der Oberfläche zur Bodenfläche gebildet ist, zugeordnet sind. Die Oberfläche des umlaufenden Rands und die Bodenfläche der Vertiefung lassen sich durch ein Polynom nullten Grades beschreiben, also jeweils durch eine horizontale Gerade. An dem Übergang soll durch eine Umlenkung der Strömung des Gemischs ein Tumble-Wirbel aufrechterhalten werden, was durch die Kontur begünstigt wird, insbesondere durch den Konturabschnitt des Übergangs.
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Der die Kontur beschreibende B-Spline kann zwei Kontrollpunkte umfassen, die jeweils den Endpunkten des Übergangs entsprechen, also den Stellen der Kontur, an denen der Übergang in die Oberfläche des umlaufenden Rands bzw. die Bodenfläche der Vertiefung übergeht.
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Die Kontur kann in einem von der Oberfläche ausgehenden Konturabschnitt einen Steigungswinkel zwischen 8° und 15° aufweisen. Ein derartiger Steigungswinkel der Kontur in diesem Bereich beeinflusst das Strömungsverhalten im Brennraum besonders positiv, insbesondere während das Gemisch verdichtet wird.
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Die Vertiefung kann rotationssymmetrisch bezüglich einer Mittelachse des Kolbens sein. Dadurch ist ein durch einen Zylinderkopf und die Brennraumseite des Kolbens begrenzter Brennraum möglichst symmetrisch im Zylinder angeordnet, was zu einer homogenen Gemischbildung und gleichmäßigen Flammenausbreitung im Brennraum führt.
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Die Vertiefung hat vorzugsweise eine Tiefe zwischen 3 mm und 10 mm, insbesondere wobei die Tiefe zwischen 5 mm und 8 mm beträgt. Die Tiefe ist von der Oberfläche des umlaufenden Rands zur Bodenfläche der Vertiefung gemessen. In Abhängigkeit von der Tiefe wird durch eine geeignete Wahl des Radius zusammen mit der übrigen Brennraumgeometrie ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors erreicht. Zudem lässt sich über die Vertiefung eine optimale Strömung entwickeln und eine entsprechend optimierte turbulente Strömung generieren.
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Die Bodenfläche und die Oberfläche des Kolbens sind vorzugsweise parallel zueinander. Insbesondere sind die Bodenfläche und die Oberfläche um die Tiefe der Vertiefung zueinander in axialer Richtung entlang der Kolbenachse bzw. Mittelachse des Kolbens versetzt.
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Vorzugsweise ist die Bodenfläche des Kolbens eben. Dadurch kann die Vertiefung im Kolben besonders einfach herstellbar sein. Zudem lässt sich hierdurch das Verdichtungsverhältnis besonders leicht in gewünschter Weise anpassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bodenfläche der Vertiefung einen vom Verdichtungsverhältnis abhängigen Radius auf. Auf diese Weise kann ein Volumen der Vertiefung bei einer festgelegten Tiefe mittels des Radius der Bodenfläche festgelegt sein. Insbesondere lässt sich hierdurch das Verdichtungsverhältnis in einfacher Weise entsprechend den Anforderungen einstellen, beispielsweise an Verbrennungsmotoren mit unterschiedlichen Leistungsniveaus, die entsprechende Verdichtungsverhältnisse erfordern, um verbrauchsoptimiert zu arbeiten.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens angegeben, insbesondere eines wie vorhergehend beschriebenen Kolbens, mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines zylindrischen Grundkörpers des herzustellenden Kolbens,
- - Wählen des gewünschten Verdichtungsverhältnisses des herzustellenden Kolbens,
- - Ermitteln des Radius einer rotationssymmetrischen Vertiefung, die in einer Brennraumseite des Kolbens einzubringen ist,
- - Ermitteln eines stetig ableitbaren Übergangs von einer Bodenfläche der Vertiefung zu einer Oberfläche eines die Vertiefung umlaufenden Rands, und
- - Einbringen der Vertiefung in die Brennraumseite.
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Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass der Kolben entsprechend einem gewünschten Verdichtungsverhältnis gefertigt werden kann. Der Kolben lässt sich so in einfacher Weise für unterschiedliche Verbrennungsmotoren entsprechend anpassen, die eine spezifische Leistung aufweisen. In Abhängigkeit vom gewünschten Verdichtungsverhältnis wird die Brennraumseite des Kolbens entsprechend angepasst, um einen optimalen Verbrennungsprozess bei dem jeweiligen Verbrennungsmotor sicherstellen zu können, insbesondere hinsichtlich des Verbrauchs von Kraftstoff.
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Der Radius der Bodenfläche der Vertiefung sowie die Geometrie des Übergangs können automatisch ermittelt werden, wenn das gewünschte Verdichtungsverhältnis gewählt worden ist. Dies kann mittels eines Computers erfolgen, der einen Prozessor umfasst, der die Berechnungen durchführt. Die Parameter der Kolbengeometrie, insbesondere die der Brennseite, lassen sich so leicht bestimmen, insbesondere da sie in Abhängigkeit zueinander stehen.
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Des Weiteren wird ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Brennraum und wenigstens einem Kolben, der wie vorher beschrieben ausgebildet ist oder gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist, wobei der Brennraum eine Auslassseite mit einer Brennraumdach-Kante aufweist, die mit der Vertiefung des Kolbens zusammenwirkt, insbesondere bündig abschließt.
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Die Brennraumdach-Kante begrenzt beispielsweise eine kreisabschnittförmige Quetschfläche im Brennraumdach. Die Quetschfläche ist beispielsweise bogenförmig. Da die Vertiefung mit der Brennraumdachkante bündig abschließt, kann der umlaufende Rand des Kolbens im Bereich der Quetschfläche des Brennraumdachs als korrespondierende Kolbenquetschfläche wirken. Alternativ kann der Durchmesser der Vertiefung auch größer ausgebildet sein, sodass sich ein entsprechend anderes Verdichtungsverhältnis ergibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, und
- - 2 einen erfindungsgemäßen Kolben für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10, der einen Zylinder 12, einen Zylinderkopf 14, und einen in dem Zylinder 12 beweglich gelagerten Kolben 16 umfasst.
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Der Kolben 16 hat eine Brennraumseite 18, die mit dem Zylinderkopf 14 und dem Zylinder 12 einen Brennraum 20 des Verbrennungsmotors 10 begrenzt.
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Im Zylinderkopf 14 sind zudem Ventilsitze 22, 24 für mindestens ein Einlassventil 26 bzw. Auslassventil 28 sowie eine Zündkerze 30 vorgesehen, die außermittig angeordnet ist.
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Die allgemeine Funktionsweise von Verbrennungsmotoren ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, daher soll an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden, da es nachfolgend insbesondere auf die Geometrie des Kolbens 16 an seiner Brennseite 18 ankommt, wie bereits in 1 angedeutet.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 16 für einen Verbrennungsmotor 10 detailliert gezeigt.
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Der Kolben 16 weist eine in einem montierten Zustand des Kolbens 16 zu einem Brennraum 20 des Verbrennungsmotors 10 hin gerichtete Brennraumseite 18 auf. An der Brennraumseite 18 ist eine Vertiefung 32 vorgesehen, die rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 34 des Kolbens 16 ist. Die Vertiefung 32 weist eine ebene Bodenfläche 36 auf, die einen Radius r hat.
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Ausgehend von der Vertiefung 32, insbesondere dessen Bodenfläche 36, erstreckt sich ein Übergang 38 zu einer ebenfalls eben ausgebildeten Oberfläche 40 eines umlaufenden Rands 42, der radial außen vorgesehen ist. Die Vertiefung 32 ist demnach durch den umlaufenden Rand 42 nach radial außen begrenzt. Der Übergang 38 ist in einer Schnittdarstellung durch eine stetig ableitbare bzw. differenzierbare Funktion gebildet, beispielsweise einem Polynom dritten Grads oder höher. Insofern handelt es sich bei dem Übergang 38 um die Seitenwand der Vertiefung 32. Die entsprechende Seitenwand ist aufgrund der rotationssymmetrischen Vertiefung 32 ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet.
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Die Bodenfläche 36 der Vertiefung 32 sowie die Oberfläche 40 des umlaufenden Rands 42 sind parallel zueinander ausgerichtet, wobei sie um eine Tiefe 44 der Vertiefung 32 zueinander entlang der Kolbenachse bzw. Längsachse 34 versetzt sind. Die Tiefe 44 kann zwischen 3 mm und 10 mm betragen, vorzugsweise zwischen 5 mm und 8 mm. Die Tiefe 44 der Vertiefung 32 ist beispielsweise durch einen Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors begrenzt, insbesondere durch die Position eines Kolbenbolzens des Kolbens am Pleuel. In Abhängigkeit von der (vorgegebenen) Tiefe 44 ist insbesondere der Radius r der Vertiefung 32 gewählt, um das gewünschte Verdichtungsverhältnis des Brennraums 20 zu erreichen.
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Die Bodenfläche 36, der Übergang 38 sowie die Oberfläche 40 bilden zusammen eine außenseitige Kontur 46 des Kolbens 16, insbesondere der Brennraumseite 18 des Kolbens 16. Über die entsprechend ausgebildete Kontur 46 definiert der Kolben 16 den Brennraum 20 des Verbrennungsmotors 10 entsprechend, wie aus 1 hervorgeht.
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Die Kontur 46 weist in einem Konturabschnitt 48 von der Oberfläche 40 des umlaufenden Rands 42 zum Übergang 38 einen Steigungswinkel α zwischen 8° und 15° auf.
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Die in der Schnittdarstellung gezeigte, die Oberfläche 40 des umlaufenden Rands 42, den Übergang 38 sowie die Bodenfläche 36 umfassende Kontur 46 lässt sich durch einen B-Spline beschreiben, insbesondere vom Mittelpunkt der Vertiefung 32 ausgehend, da diese rotationssymmetrisch ist.
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Der B-Spline ist hier aus drei Polynomen zusammengesetzt, und zwar aus einem Polynom, das die Oberfläche 40 beschreibt, insbesondere einem Polynom nullten Grades, einem Polynom 3. oder höherem Grades, das den stetig ableitbaren Übergang 38 beschreibt, und einem Polynom, das die Bodenfläche 36 beschreibt, insbesondere einem Polynom nullten Grades. Das Polynom, das die Bodenfläche 36 beschreibt, macht dies insbesondere nur bis zum Mittelpunkt der Bodenfläche 36, also der Längsachse 34, da der gesamte Kolben 16 hinsichtlich seiner Kontur 46 rotationssymmetrisch ist.
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Der die Kontur 46 beschreibende B-Spline umfasst insbesondere zwei Kontrollpunkte A, B, die gleichzeitig die Endpunkte des Übergangs 38 sind, in denen der Übergang 38 in die Bodenfläche 36 bzw. die Oberfläche 40 übergeht. Wie bereits erläutert, geht der B-Spline in die Oberfläche 40 mit einem Steigungswinkel α zwischen 8° und 15° über, sodass am Kontrollpunkt B kein stetig differenzierbarer Funktionsabschnitt des B-Splines vorliegt.
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Dagegen kann der B-Spline in die Bodenfläche 36 am Kontrollpunkt A derart übergehen, dass ein stetig differenzierbarer Funktionsabschnitt des B-Splines vorliegt. Das den Übergang 38 beschreibende Polynom ist entsprechend definiert.
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Generell lässt sich über die entsprechenden Parameter, also die Tiefe 44, den Steigungswinkel α sowie den Radius r der Vertiefung 32 das Volumen der Vertiefung 32 einstellen, welches dem Brennraum 20 zugerechnet wird.
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Somit kann ein Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 10 durch eine Anpassung des Radius r eingestellt werden. Alternativ kann auch die Tiefe 44 der Vertiefung 32, der Steigungswinkel α und/oder der Radius r zum Einstellen eines gewünschten Verdichtungsvolumens variiert werden.
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Zur Berechnung der jeweiligen Parameter können Randbedingungen herangezogen werden, wonach die Übergänge in den entsprechenden Kontrollpunkte A, B stetig sein müssen, insbesondere ein stetig differenzierbarer Funktionsabschnitt des B-Splines im Kontrollpunkt A vorliegen muss.
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Die Tiefe 44, der Steigungswinkel α und der Radius r der Vertiefung 32 können dabei in Beziehung zueinander stehen, sodass zumindest der Radius r der rotationssymmetrischen Vertiefung 32 ermittelt wird, der in die Brennraumseite 18 einzubringen ist, um in Abhängigkeit von der (durch Randbedingungen wie mechanischen Limitierungen vorgegebenen) Tiefe 44 das gewünschte Verdichtungsverhältnis zu erhalten. Der Radius r und die Tiefe 44 stehen dabei in direkter Beziehung zueinander, wobei als Randbedingung die beim Verdichten des Gemisches auftretende turbulente kinetische Energie (TKE) berücksichtigt wird. Dementsprechend wird der stetig ableitbare Übergang 38 in Abhängigkeit von der Tiefe 44 berechnet, was den entsprechenden Radius r zur Folge hat, um das gewünschte Verdichtungsverhältnis zu erreichen.
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Darüber hinaus kann der Steigungswinkel α in Abhängigkeit vom gewünschten Verdichtungsverhältnis variiert werden, der einen optimalen Verbrennungsprozess hinsichtlich des Verbrauchs zur Folge hat.
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Es ist somit möglich, einen Kolben 16 in einfacher Weise herzustellen, der das gewünschte Verdichtungsverhältnis zusammen mit dem Brennraum 20 ausbildet. Der Kolben 16, insbesondere dessen Geometrie an der Brennraumseite 18, lässt sich so schnell an das Leistungsniveau des Verbrennungsmotors 10 anpassen, in dem der Kolben 16 eingesetzt wird. Vorzugsweise wird die Geometrie über die Kontur 46 der Brennraumseite 18 computertechnisch mittels des B-Splines ermittelt, der die Kontrollpunkte A und B umfasst und die entsprechend vorgegebenen Randbedingungen einhält.
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Hinsichtlich des Brennraums 20 ist aufgrund der entsprechenden Geometrie des Kolbens 16 an seiner Brennraumseite 18 sichergestellt, dass die Vertiefung 32 des Kolbens 16 mit einer Brennraumdach-Kante 50 einer dem Auslassventil 28 zugeordneten Auslassseite zusammenwirkt, insbesondere bündig abschließt, die in 1 schematisch gezeigt ist. Insbesondere fällt der in 2 gezeigte Punkt B in einer Draufsicht mit der Brennraumdach-Kante 50 zusammen.
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Mit dem Kolben 16 sowie dem Herstellungsverfahren eines derartigen Kolbens 16 lässt sich ein Verbrennungsmotor 10 herstellen, der besonders effizient betrieben werden kann. Dies liegt daran, dass der Kolben 16 in einfacher Weise an das Leistungsniveau des Verbrennungsmotors 10 angepasst wird, indem das Verdichtungsverhältnis über die Kontur 46 des Kolbens 16 an seiner Brennseite 18 entsprechend eingestellt wird.
