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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, welche Drall- und Tumble-Strömungen in einer Brennkammer erzeugt.
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Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
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Herkömmlich wird in einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher ein Luft-Kraftstoff-Gemisch-Gas in einer Brennkammer zur Leistungserzeugung verbrannt wird, eine in der Brennkammer erzeugte Drallströmung (eine Wirbelströmung in einer Umfangsrichtung eines Zylinders) wirkungsvoll genutzt, um beispielsweise die Kraftstoffverbrennungswirtschaftlichkeit zu erhöhen bzw. zu verbessern, die Ausgangsleistung zu verbessern, die Abgasemission zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Das heißt, eine Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs wird durch eine Bewegung in der Brennkammer durch diese Drallströmung beschleunigt, so dass der Kraftstoff in der Brennkammer zufriedenstellend verbrannt wird.
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Verschiedene Strukturen wurden als Mittel zum positiven Erzeugen einer Drallströmung vorgeschlagen. So ist beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, die zwei Einlass- bzw. Ansaugkanäle einschließlich eines Tangentialkanals und eines Spiralkanals aufweist und bei welcher in einer Brennkammer durch den Tangentialkanal eine Drallströmung erzeugt wird (siehe Patentliteratur 1).
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Patentliteratur 1: Japanische Patentveröffentlichung mit der Nr.
JP 2013-083193 A
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Kurzfassung
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In Patentliteratur 1 werden aufgrund der von dem Einlasskanal (insbesondere dem Tangentialkanal) in die Brennkammer strömenden Einlass- bzw. Ansaugluft eine Vorwärts-Tumble-Strömung, die einer entlang einer oberen Oberfläche in der Brennkammer ausgehend von dem Einlasskanal hin zu einem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, und eine Rückwärts-Tumble-Strömung, die einer entlang einer unteren Oberfläche in der Brennkammer von dem Einlasskanal hin zu dem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, erzeugt. Aufgrund dieser Vorwärts- und Rückwärts-Tumble-Strömungen ist die Mittelachse der Drallströmung mit Bezug auf die Mittelachse des Zylinders geneigt und ein Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verhältnis nimmt ab. Folglich kann die Emission, wie das Auftreten von Rauch bzw. Ruß, zunehmen.
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Mit Blick auf das Vorstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effekte der Tumble-Strömung auf die Drallströmung zu unterdrücken, um eine Emission zu reduzieren.
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Eine erste Erfindung stellt eine Verbrennungskraftmaschine bereit, welche umfasst: einen Mechanismus, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser einen Drall in einer Brennkammer erzeugt; und einen Kolben mit einer einlassseitigen Ventilaussparung, welche einer vertieften Oberfläche entspricht, die ausgebildet ist, um eine Interferenz mit einem Einlassventil zu verhindern, und einer auslassseitigen Ventilaussparung, welche einer vertieften Oberfläche entspricht, die ausgebildet ist, um eine Interferenz mit einem Auslassventil zu verhindern, wobei die einlassseitige Ventilaussparung als eine erste Ventilaussparung verwendet wird und die auslassseitige Ventilaussparung als eine zweite Ventilaussparung verwendet wird, wenn ein Betrag einer Rückwärts-Tumble-Strömung, welche einer entlang einer unteren Oberfläche in der Brennkammer ausgehend von dem Einlasskanal in Richtung hin zu dem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, kleiner ist als ein Betrag einer Vorwärts-Tumble-Strömung, welche einer entlang einer oberen Oberfläche in der Brennkammer ausgehend von dem Einlasskanal in Richtung hin zu dem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, die auslassseitige Ventilaussparung als eine erste Ventilaussparung verwendet wird und die einlassseitige Ventilaussparung als zweite Ventilaussparung verwendet wird, wenn der Betrag der Rückwärts-Tumble-Strömung größer ist als der Betrag der Vorwärts-Tumble-Strömung, und wenn der Kolben entlang eines Querschnitts parallel zu einer Mittelachse des Kolbens geschnitten ist, der durch die erste Ventilaussparung und die dazu benachbarte zweite Ventilaussparung verläuft, ein Neigungswinkel der ersten Ventilaussparung beim einem Vergleich des Neigungswinkels größer ist als ein Neigungswinkel der zweiten Ventilaussparung, so dass eine Höhe der Aussparung bzw. des Absatzes in Richtung hin zu einer Innenseite des Querschnitts allmählich abnimmt.
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Eine zweite Erfindung entspricht der Verbrennungskraftmaschine gemäß der ersten Erfindung, welche ferner zwei Einlasskanäle umfasst, die einem Tangentialkanal und einem Spiralkanal entsprechen, wobei der Tangentialkanal und der Spiralkanal derart gestaltet sind, dass der Betrag der Rückwärts-Tumble-Strömung kleiner ist als der Betrag der Vorwärts-Tumble-Strömung, und eine Ventilaussparung entsprechend dem Tangentialkanal weiter bzw. stärker hin zu der Mitte des Querschnitts geneigt ist als eine Ventilaussparung entsprechend dem Spiralkanal.
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Eine dritte Erfindung entspricht der Verbrennungskraftmaschine gemäß der ersten oder zweiten Erfindung, bei welcher zumindest eine der Ventilaussparungen nahe an dem Einlasskanal parallel zu zumindest einer der Ventilaussparungen nahe an dem Auslasskanal vorgesehen ist.
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Da sich eine Vorwärts-Tumble-Strömung und eine Rückwärts-Tumble-Strömung gegenseitig schwächen können, können gemäß der ersten Erfindung die Effekte einer Tumble-Strömung auf eine Drallströmung unterdrückt und die Emission reduziert werden.
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Gemäß der zweiten Erfindung können bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Tangentialkanal und einem Spiralkanal die Effekte der Tumble-Strömung auf eine Drallströmung weiter unterdrückt und die Emission reduziert werden, da der Betrag einer durch den Tangentialkanal erzeugten Tumble-Strömung größer ist als die durch den Spiralkanal erzeugte Tumble-Strömung.
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Gemäß der dritten Erfindung kann die Herstellung leicht erfolgen, da der Schritt zum Anpassen individueller Neigungen von Spannvorrichtungen oder dergleichen für das spanende Bearbeiten während der Herstellung entfällt.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine Gesamtstruktur einer Verbrennungskraftmaschine;
- 2 veranschaulicht eine spezifische Struktur eines Einlass- bzw. Ansaugkanals;
- 3 ist eine Draufsicht eines Kolbens gemäß Ausführungsform 1;
- 4 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens gemäß Ausführungsform 1;
- 5 veranschaulicht eine Vorwärts-Tumble-Strömung und eine Rückwärts-Tumble-Strömung;
- 6 ist eine Draufsicht eines Kolbens gemäß Ausführungsform 2; und
- 7 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens gemäß Ausführungsform 2.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Nachfolgend werden spezifische Ausführungsformen, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet wird, anhand der Abbildungen ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Um die Erläuterung zu verdeutlichen, sind die folgende Beschreibung und die Abbildungen geeignet vereinfacht.
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Ausführungsform 1
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1 ist eine Abbildung, welche eine Gesamtstruktur einer Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 entspricht einem Motor vom Kompressionszündungstyp (z.B. einem Dieselmotor), bei welchem Kraftstoff von einem Kraftstoffeinspritzventil 18, das in jedem Zylinder in der Nähe eines oberen Kompressions-Totpunktes angeordnet ist, eingespritzt und durch eine Kompressions- bzw. Selbstzündung verbrannt wird. Ein Einlassdurchlass 14 und ein Auslassdurchlass 16 stehen mit einer Brennkammer 12 jedes Zylinders der Verbrennungskraftmaschine 10 in Verbindung.
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Ein Stellglied zum Steuern der Verbrennungskraftmaschine 10, wie das Kraftstoffeinspritzventil 18, ist mit einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 20 elektrisch verbunden und wird gemäß einer Anweisung von der ECU 20 angetrieben.
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2 ist eine perspektivische Ansicht zum Beschreiben einer spezifischen Struktur eines Einlasskanals, der in dem in 1 dargestellten Einlassdurchlass 14 enthalten ist. Wie in 2 dargestellt ist, umfasst der Einlassdurchlass 14 einen Tangentialkanal 22 und einen Spiralkanal 24 als einen mit derselben Brennkammer 12 verbundenen Einlasskanal.
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Der Tangentialkanal 22 ist so ausgebildet, dass dieser die Einlass- bzw. Ansaugluft so führen kann, dass die Einlassluft in einer Richtung entlang einer Zylinderinnenumfangsfläche 26 in die Brennkammer 12 strömt. Gemäß dem auf diese Art und Weise ausgebildeten Tangentialkanal 22 wird die in der Brennkammer 12 erzeugte Drallströmung umso stärker, je größer der Betrag der aus dem Tangentialkanal 22 zugeführten Einlassluft ist. Darüber hinaus erzeugt der Tangentialkanal 22 gleichzeitig mit der Drallströmung eine Tumble-Strömung.
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Der Tangentialkanal 22 ist hauptsächlich für die Erzeugung einer Drallströmung in der Verbrennungskraftmaschine 10 verantwortlich, und der Spiralkanal 24 ist derart konfiguriert, dass dieser eine spiralförmige Einlassluft in der gleichen Rotationsrichtung wie die erzeugte Drallströmung in die Brennkammer 12 führt.
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Der Auslassdurchlass 16 umfasst zwei Auslasskanäle, die mit derselben Brennkammer 12 verbunden sind.
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Anschließend wird eine Struktur einer oberen Oberfläche des Kolbens mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben.
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3 ist eine Ansicht, wenn der Kolben ausgehend von einer oberen Seite in einer axialen Richtung des Zylinders betrachtet wird. Bei der oberen Oberfläche des Kolbens sind zwei einlassseitige Ventilaussparungen bzw. -vertiefungen 31 zum Vermeiden einer Interferenz mit zwei Einlassventilen und zwei auslassseitige Ventilaussparungen 32 zum Vermeiden einer Interferenz mit zwei Auslassventilen ausgebildet.
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4 ist eine Ansicht, wenn der Kolben entlang eines Querschnitts (A-A'-Querschnitt in 3) parallel zu einer Mittelachse des Kolbens geschnitten ist, der durch die einlassseitige Ventilaussparung 31 und die auslassseitige Ventilaussparung 32 benachbart dazu verläuft. Ein Hohlraum, der einer Vertiefung bzw. Aussparung entspricht, ist in der oberen Oberfläche des Kolbens der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet, und an einem Außenumfang davon ist ein Quetschbereich bzw. -abschnitt vorgesehen.
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Ventilaussparungen eines Kolbens einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine sind so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Außenseite des Kolbens geneigt sind, um den Neigungen der jeweiligen Einlassventile oder jeweiliger Auslassventile zu entsprechen.
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Andererseits ist die einlassseitige Ventilaussparung 31 der vorliegenden Ausführungsform so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Mitte des A-A'-Querschnitts geneigt ist. Die auslassseitige Ventilaussparung 32 ist so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Außenseite des Kolbens geneigt ist.
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5 ist eine Ansicht einer in dem Zylinder erzeugten Tumble-Strömung. Wenn sich ein Kolben in einem offenen Zustand des Einlassventils nach unten bewegt, wird Einlass- bzw. Ansaugluft ausgehend von dem Tangentialkanal und dem Spiralkanal in den Zylinder aufgenommen bzw. gesaugt. Obwohl in dem Zylinder aufgrund der aufgenommenen Ansaugluft eine Drallströmung erzeugt wird, wird außerdem eine Drallströmung erzeugt, da die jeweiligen Einlasskanäle die Ansaugluft von einem oberen Teil des Zylinders einbringen. Diese Tumble-Strömung kann in eine Vorwärts-Tumble-Strömung, die einer entlang einer oberen Oberfläche in der Brennkammer ausgehend von dem Einlasskanal in Richtung hin zu dem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, und eine Rückwärts-Tumble-Strömung, die einer entlang der unteren Oberfläche in der Brennkammer ausgehend von dem Einlasskanal in Richtung hin zu dem Auslasskanal strömenden Tumble-Strömung entspricht, klassifiziert sein. Die vorliegende Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass der Betrag der Vorwärts-Tumble-Strömung größer ist als die Rückwärts-Tumble-Strömung.
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Da die Vorwärts-Tumble-Strömung und die Rückwärts-Tumble-Strömung Wirbelströmungen der entgegengesetzten Richtungen entsprechen, schwächen sich diese Tumble-Strömungen gegenseitig ab. Da es bei der herkömmlichen Technologie jedoch einen Unterschied in den Beträgen der Vorwärts-Tumble-Strömung und der Rückwärts-Tumble-Strömung gibt, schwächen sich die Tumble-Strömungen gegenseitig nicht ausreichend, und der Prozess schreitet in einem Zustand, in dem die Vorwärts-Tumble-Komponente stark bleibt, zu einem Kompressionsprozess. Wenn sich der Kolben in einem Zustand nach oben bewegt, in dem die Tumble-Strömungs-Komponente stark bleibt, wird ein Kraftstoff in einem Zustand eingespritzt, in dem die Drallströmung aufgrund der Effekte der Vorwärts-Tumble-Strömung geneigt ist. In diesem Fall kann Kraftstoff nicht gleichmäßig verteilt werden und die Verbrennung kann nicht zufriedenstellend verlaufen. Folglich kann Rauch bzw. Ruß erzeugt werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die einlassseitige Ventilaussparung 31 so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Mitte des A-A'-Querschnitts geneigt ist. Dadurch kann der Widerstand, den die Rückwärts-Tumble-Strömung von der einlassseitigen Ventilaussparung 31 aufnimmt, verringert und eine Schwächung der Rückwärts-Tumble-Strömung unterdrückt werden. Andererseits ist die auslassseitige Ventilaussparung 32 so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Außenseite des Kolbens geneigt ist. Aufgrund dessen wird der Widerstand, den die Vorwärts-Tumble-Strömung von der auslassseitigen Ventilaussparung 32 aufnimmt, größer als der Widerstand, den die Rückwärts-Tumble-Strömung von der einlassseitigen Ventilaussparung 31 aufnimmt. Daher kann der Schwächungsbetrag der Vorwärts-Tumble-Strömung größer gemacht werden als der Schwächungsbetrag der Rückwärts-Tumble-Strömung.
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Da die Vorwärts-Tumble-Strömung, deren Betrag ursprünglich groß war, abgeschwächt wird und die Schwächung der Rückwärts-Tumble-Strömung, deren Betrag gering war, unterdrückt werden kann, können die Beträge der Vorwärts-Tumble-Strömung und der Rückwärts-Tumble-Strömung einheitlich gemacht werden oder eine Differenz zwischen diesen kann verringert werden. Da sich die Vorwärts-Tumble-Strömung und die Rückwärts-Tumble-Strömung gegenseitig aufheben und die Auswirkungen der Tumble-Strömung auf die Drallströmung reduziert werden können, wird der in die Brennkammer 12 eingespritzte Kraftstoff folglich weiter durchmischt bzw. bewegt und die Verbrennung verläuft zufriedenstellend.
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Vorzugsweise ist die dem Tangentialkanal 22 entsprechende Ventilaussparung aus den einlassseitigen Ventilaussparungen 31 so vorgesehen, dass diese hin zu der Mitte des A-A'-Querschnitts geneigt ist. Da der Betrag einer Tumble-Strömung, die durch den Tangentialkanal aus den Einlasskanälen erzeugt wird, größer ist als der Betrag einer Tumble-Strömung, die durch den Spiralkanal erzeugt wird, kann die Schwächung einer Rückwärts-Tumble-Strömung durch das Ausbilden der Ventilaussparung entsprechend dem Tangentialkanal 22 dahingehend, dass diese hin zu der Mitte des A-A'-Querschnitts geneigt ist, weiter unterdrückt werden. Daher können die Beträge der Vorwärts-Tumble-Strömung und der Rückwärts-Tumble-Strömung einheitlich gemacht werden oder eine Differenz zwischen diesen kann verringert werden.
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Vorzugsweise sind zumindest eine der einlassseitigen Ventilaussparungen 31 und zumindest eine der auslassseitigen Ventilaussparungen 32 parallel zueinander vorgesehen.
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Vorzugsweise sind die dem Tangentialkanal 22 entsprechende Ventilaussparung und zumindest eine der auslassseitigen Ventilaussparungen 32 parallel zueinander vorgesehen. Ventilaussparungen mit der gleicher Neigung können leicht hergestellt werden, da es nicht notwendig ist, die individuellen Neigungen von Spannvorrichtungen oder dergleichen für eine spanende Bearbeitung während der Fertigung anzupassen. Hier kann die Anzahl von auslassseitigen Ventilaussparungen, die parallel zu der Ventilaussparung entsprechend dem Tangentialkanal 22 vorgesehen sind, eins oder mehr betragen.
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Ausführungsform 2
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Beschreibung der gleichen Abschnitte wie diese von Ausführungsform 1 weggelassen.
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Die vorliegende Ausführungsform ist so konfiguriert, dass der Betrag einer Rückwärts-Tumble-Strömung größer ist als der Betrag einer Vorwärts-Tumble-Strömung.
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Eine Struktur einer oberen Oberfläche des Kolbens wird mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben.
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6 ist eine Ansicht, wenn der Kolben ausgehend von einer oberen Seite in einer axialen Richtung des Zylinders betrachtet wird. Bei der oberen Oberfläche des Kolbens sind zwei einlassseitige Ventilaussparungen zum Vermeiden einer Interferenz mit zwei Einlassventilen und zwei auslassseitige Ventilaussparungen zum Vermeiden einer Interferenz mit zwei Auslassventilen ausgebildet.
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7 ist eine Ansicht, wenn der Kolben entlang eines Querschnitts (B-B'-Querschnitt in 6) parallel zu einer Mittelachse des Kolbens geschnitten ist, der durch die einlassseitige Ventilaussparung und die dazu benachbarte auslassseitige Ventilaussparung verläuft. Ein Hohlraum, der einer Aussparung entspricht, ist in der oberen Oberfläche des Kolbens der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet, und an einem Außenumfang davon ist ein Quetschbereich bzw. -abschnitt vorgesehen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die auslassseitige Ventilaussparung so vorgesehen, dass diese in Richtung hin zu der Mitte des B-B'-Querschnitts geneigt ist, und die einlassseitige Ventilaussparung ist so vorgesehen, dass diese hin zu der Außenseite des Kolbens geneigt ist. Aufgrund dessen kann der Widerstand, den die Vorwärts-Tumble-Strömung von der auslassseitigen Ventilaussparung aufnimmt, verringert werden und eine Schwächung der Vorwärts-Tumble-Strömung kann unterdrückt werden. Andererseits ist die einlassseitige Ventilaussparung so vorgesehen, dass diese hin zu der Außenseite des Kolbens geneigt ist. Aufgrund dessen erhöht sich der Widerstand, den die Rückwärts-Tumble-Strömung von der einlassseitigen Ventilaussparung aufnimmt, und die Rückwärts-Tumble-Strömung kann geschwächt werden.
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Da die Rückwärts-Tumble-Strömung, deren Betrag ursprünglich groß war, abgeschwächt wird und die Schwächung der Vorwärts-Tumble-Strömung, deren Betrag gering war, unterdrückt werden kann, können die Beträge der Vorwärts-Tumble-Strömung und der Rückwärts-Tumble-Strömung gleichmäßig bzw. einheitlich gemacht oder eine Differenz zwischen diesen verringert werden. Da sich die Vorwärts-Tumble-Strömung und die Rückwärts-Tumble-Strömung gegenseitig aufheben und die Auswirkungen der Tumble-Strömung auf die Drallströmung reduziert werden können, wird der in die Brennkammer 12 eingespritzte Kraftstoff folglich weiter durchmischt bzw. bewegt und die Verbrennung verläuft zufriedenstellend.
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Weiter bevorzugt ist eine Ventilaussparung entsprechend dem Auslasskanal benachbart zu dem Tangentialkanal 22 aus den auslassseitigen Ventilaussparungen so vorgesehen, dass diese die hin zur Mitte des B-B'-Querschnitts geneigt ist. Da der Betrag einer Tumble-Strömung, die durch den Tangentialkanal aus den Einlasskanälen erzeugt wird, größer ist als der Betrag einer Tumble-Strömung, die durch den Spiralkanal erzeugt wird, kann die Schwächung einer Vorwärts-Tumble-Strömung dadurch, dass die Ventilaussparung entsprechend dem Auslasskanal benachbart zu dem Tangentialkanal 22 so ausgebildet ist, dass diese hin zu der Mitte des B-B'-Querschnitts geneigt ist, weiter unterdrückt werden. Daher können die Beträge der Vorwärts-Tumble-Strömung und der Rückwärts-Tumble-Strömung einheitlich gemacht werden oder eine Differenz zwischen diesen kann verringert werden.
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Weiter bevorzugt ist die Oberfläche der Ventilaussparung entsprechend dem Auslasskanal benachbart zu dem Tangentialkanal 22 so vorgesehen, dass diese parallel zu der Oberfläche der einlassseitigen Ventilaussparung ist. Ventilaussparungen mit der gleichen Neigung können leicht hergestellt werden, da es nicht notwendig ist, die individuellen Neigungen von Spannvorrichtungen oder dergleichen für eine spanende Bearbeitung während der Fertigung anzupassen. Hier kann die Anzahl der parallel vorgesehenen einlassseitigen Ventilaussparungen eins oder mehr betragen.
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Ein Mechanismus, welcher einen Drall in der Brennkammer 12 erzeugt, kann ebenso wie der Tangentialkanal 22 einem Drallsteuerungsventil entsprechen, das in einem Einlasskanal vorgesehen ist.
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Während ein Dieselmotor beschrieben wurde, ist die Verbrennungskraftmaschine nicht darauf beschränkt, sondern kann einem Ottomotor entsprechen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann geeignet verändert werden, ohne von dem Grundgedanken davon abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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