DE2913763A1

DE2913763A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2913763A1
Application number: DE19792913763
Authority: DE
Inventors: Michael G Dipl Ing May
Original assignee: May michael G dipl-Ing
Current assignee: May michael G dipl-Ing
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1980-10-16
Also published as: US4331115A; DE2913763C2; JPS55164724A

Description

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Michael G. May
Rolle (Schweiz)

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen, bei denen die für den Gaswechsel erforderlichen mindestens zwei getrennten Ventile pro Zylinder im Zylinderkopf angeordnet sind,und zwar in der Weise, daß die Ventilteller zumindestens im wesentlichen innerhalb der durch die Zylinderlaufbahn bestimmte geometrischen Zylinderfläche liegen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, durch baulich einfache Maßnahmen einen besonders hohen thermodynamischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die dem Kolbenboden zugewendete Seite des vorzugsweise einzigen Auslaßventiltellers des Zylinders liegt dabei in einem Teilbereich des Zylinderkopfes, der in der oberen Totpunktstellung des dem Zylinder zugeordneten Kolbens in geringem Abstand von dieser vorzugsweise im wesentlichen ebenen oder ganz oder teilweise leicht gewölbten Kolbenbodenoberfläche verläuft, und somit in Verbindung mit dem Kolbenboden eine Verdränger- oder Quetschfläche bzw. einen Verdrängungsbereich für das zu verdichende Gas (Ladung^ Gas dargestellt. Das vorzugsweise

einzige

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Einlaßventil dagegen ist in einem zweiten Teilbereich des Zylinderkopfes angeordnet, welcher allein oder zusammen mit dem Kolbenboden das Haupttotvolumen des Brennraumes mittels der Mulde konzentriert, in der sich eine Drallströmung des Hauptteiles der verdichteten Ladung einstellt, wobei die gedachte Drehachse der Drallströmung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Einlaßventiles verläuft und wobei die maximale Tiefe dieser Mulde geringer ist als der kleinste Durchmesser der dem Kolbenboden bzw. dem Zylinderkopf zugewandten öffnung dieser Mulde, und vorzugsweise in etwa dem halben Einlaßventildurchmesser entsprechen kann. Die erfindungsgemäße Maschine kann vorzugsweise ein fremdgezündeter Otto-Motor, insbesondere ein solcher sein, bei dem der Treibstoff der anzusaugenden Luft schon vor dem Einlaßventil zugeführt wird.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Treibstoff allein oder in Verbindung mit einer Zusatzluftmenge direkt in den Zylinder auf eine der zahlreichen und an sich bekannten Weisen einzubringen. Die erfindungsgemäße Maschine kann mit Vorteil auch eine selbstzündende, d.h. eine Diesel-Brennkraftmaschine , sein.

Eine vorzugsweise Ausbildung des Brennraumes sieht vor, die Oberfläche der festen Innenwand der Mulde, also der Wandbereiche , die zwischen dem Einlaßventilteller und der öffnung der Mulde, die dem Kolbenboden gegenüber liegt, liegen, so auszubilden, daß während des Einlaßvorganges bzw. während des Ansaugtaktes eine Drallströmung im Zylinder angeregt oder aufgebaut bzw. sofern eine solche vom Einlaßkanal vorgegeben ist, unterstützt wird.

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Dazu kann zweckmäßig vorgesehen sein, den Öffnungsquerschnitt derjenigen Muldenseite, in deren Richtung die Drallströmung verlaufen soll, stärker zu erweitern

als den Öffnungsquerschnitt der Mulde, der der Drallströmung entgegengerichtet ist.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, die Mittel, welche zum beschleunigten Zünden des Treibstoff-Luftgemisches vorgesehen sind, zum Beispiel Zündkerze oder Glühkerze oder dergleichen, im Bereich des Brennraumes, in welchem der Hauptanteil der Ladung konzentriert ist, also der genannten Mulde, vorzusehen. Zündkerzen sind dabei vorteilhaft in dem Bereich anzuordnen, der näher dem Auslaßventil und im Bereich des größeren Öffnungsquerschnittes liegt.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, daß aus dem Bereich zwischen Auslaßventilteller und Kolbenboden eine kanalartige Verbindung, deren Tiefe wesentlich geringer ist als die Kanalbreite, vorgesehen ist, die zur Mulde führt. Insbesondere kann diese kanalartige Verbindung dieses Bereiches in Richtung zur Mulde hin vorzugsweise so ausgebildet sein, daß ein im wesentlichen tangentiales Einströmen der aus dem Quejbschbereich (squish area) verdrängten Ladungsteile in die Mulde erfolgt, wenn der Kolben in die Nähe seiner oberen Totpunktstellung gelangt. Dabei ist vorzusehen, daß diese kanalartige Vertiefung, in den Teil der Mulde mündet, die dem erweiterten Öffnungsquerschnitt der Mulde auf Umschlag gegenüberliegt oder, indem der Schwerpunkt des Mündungsquerschnittes von der Zylindermittenachse in die Richtung der anzuregenden Dralls oder Drehrichtung verschoben ist.

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Auch kann dazu vorgesehen sein, die Mündung der kanalartigen Verbindung in die Mulde so auszubilden, daß sie in Drallrichtung gesehen relativ scharfkantig und in der Gegendrallrichtung stärker abgerundet ist.

Auch kann vorgesehen sein, die Mulde und/oder die kanalartige Verbindung ganz oder teilweise im Kolbenboden auszubilden. Jedoch ist es aus vielen naheliegenden Gründen zweckmäßiger, wenn die dem Zylinderkopf zugewandte Seite der Kolbenbodenoberfläche eine möglichst geringe Oberfläche aufweist, also vorzugsweise eben oder schwach gewölbt ist.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Brennraumes des oder der Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine kann zum Beispiel das Verdichtungsverhältnis beim fremdgezündeten normalen Ottomotor bei gleichem Oktanzahlangebot um 3-5 Einheiten erhöht werden. Auch lassen sich besonders magere , vorzugsweise homogene Treibstoff-Luftgemische äußerst schnell und aussetzerfrei verbrennen. Dadurch wird der thermodynamische Wirkungsgrad wesentlich erhöht, so daß ca. 20% geringere spezifische Treibstoffverbrauchswerte gegenüber den derzeit in Großserien hergestellten Otto-Motoren erreicht werden können. Auch die Emission unerwünschter Komponenten im Abgas der Brennkraftmaschine ist daher erheblich verringert.

Bei Motoren, bei denen der Treibstoff vorzugsweise direkt eingespritzt wird, d.h. erst nach dem Einlaßventil in den Brennraum gelangt, wie dies insbesonders bei selbstzündenden Maschinen vorzugsweise geschieht, lassen sich wesentlich höhere Ausbrenngrade erreichen,

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das heißt, bei vorgegebener Leistung sinkt der Rußanteil stark ab, oder bei gleicher Rußzahl lassen sich höhere Mitteldrücke realisieren im Vergleich zu konventionellen Brennraumformen.

Die Erfindung hat auch u.a. den Vorteil, daß schon während des Ansaugtaktes im Zylinderraum eine Drallströmung desselben Drehsinnes wie in der Mulde entsteht /aufgebaut werden kann und hierdurch in der Mulde die Drallströmung verstärkt und/oder schon während· des Ansaugtaktes aufgebaut werden kann.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung darge-. stellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes aus der Sicht von der Zylinderbohrung her.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Teillängsschnitt des den Zylinderkopf nach Fig. 1 aufweisenden Zylinders in der Schnittebene B-B der Fig. 1

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch denselben Zylinder in der Schnittebene A-A der Fig. 1

Fig. 4-9 zeigen drei weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zylinder, jeweils in Draufsicht auf den dem Kolben zugewendeten Zylinderkopf (Fig. 4, 6, 8) und Teillängsschnitte durch die betreffenden Zylinder, gesehen entlang der Schnittebenen B¹ - B¹ (Fig. 5), B" - B" (Fig. 7) und C-C (Fig. 9)der Fig. 4, 6 und 8.

In der Zeichnung sind dieselben Bezugszeichen für Teile, die sich'entsprechen oder entsprechen können, verwendet.

In Figur 1 ist eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in der Draufsicht, von der Seite der Zylinderbohrung aus gesehen, schematisch dargestellt. Figur 2 ist ein Teilrschnitt des betreffenden Zylinders gesehen entlang der Schnittebene B - B, und Figur 3 zeigt eine dazugehörige ebenfalls schematisch dargestellte Schnittan^iahjt -entlang der

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Schnittebene A-A. Die anzusaugende Luft oder das anzusaugende Treibstoff-Luftgemisch gelangt in Richtung des Pfeiles 1 durch den Ansaugkanal 2 während des Ansaugtaktes, d.h. bei geöffnetem Einlaßventil 3", dessen Ventilteller mit 3 bezeichnet ist, in den Brennraum 4 bzw. in den an ihn anschließenden, den Kolben 6 führenden Zylinderraum, dessen Wand mit 5 bezeichnet ist. Das Ansaugen geschieht, wie bekannt, durch die vom Zylinderkopf wegführende Bewegung des Kolbens 6, der in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Dabei kann sich ein ggfs. vorgesehener Ansaugdrall, wie er auf zahlreiche Weise und durch an sich bekannte Formgebungen der Ansaugkanalführung und/oder Gestaltung erreicht werden kann, ungehindert im Zylinder aufrechterhalten. Pfeil 8 stellt diesen Ansaugdrall dar.

Gegen Ende des Verdichtungstaktes nähert sich der Kolbenboden 10 des Kolbens 6 dem Zylinderkopf 11. Dabei wird der überwiegende Teil der Ladung und somit auch des in ihr bestehenden Dralles in die eine Mulde 12 bildende muldenförmige Ausnehmung des Zylinderkopfes 11 verdrängt, indem das Totvolumen zwischen Kolbenboden 10 und dem, den Aus laß ventilteller 14 des Auslsßventiles umgebenden Verdrängungsbereich 15 des Zylinderkopfes 11, klein wird.

Dabei erhöht sich die Dreh- bzw. Winkelgeschwindigkeit der während dem Ansaugen aufgebauten Draliströmung 8 zufolge des verringerten Durchmessers in etwa entsprechend dem bekannten Drallgesetz.

Der Drehsinn dieses Dralles bleibt dabei in der Mulde 12 erhalten ist mit Pfeil 16 dargestellt.

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4828 -TIES sind noch in der muldenförmigen Vertiefung 12 Bohrungen bzw. öffnungen 17,18,19 dargestellt, die das Einsetzen von Zündmitteln wie Glühkerzen oder Zündkerzen oder dergleichen und/oder an sich bekannte Zuführmöglichkeiten für Treibstoff oder Treibstoff-Luftgemischen, wie z.B. Einspritzdüsen oder Ventile, erlauben.

Vorzugsweise bei fremdgezündeten Motoren, insbesondere wenn diese ein Treibstoff-Luftgemisch ansaugen, ist die Zündkerze im Bereich der Mulde bei 18 angeordnet.

In Figur 4 und 5, die ähnliche Schnitte wiedergeben wie in Figur 1 und 2, ist eine weitere vorzugsweise Ausbildung des erfindungsgemäßen Brennraumes dargestellt. Er unterscheidet si ch im Vergleich zum ersten Beispiel dadurch, daß der muldenförmige Brennraumteil 12 des Zylinderkopfes 11 auf der dem Einlaßkanal 2 entgegengesetzten Seite einen größeren öffnungswinkel 33 aufweist, als auf der gegenüberliegenden Seite der Mulde 12, die dem Einlaßkanal 2 zugewandt ist, wo der Einströmquerschnittoder öffnungswinkel 34 kleiner ist. Durch diese Maßnahme wird während des Ansaugtaktes eine Dreh- oder Drallbewegung der Gasmasse (Ladung) im Zylinder erreicht, oder eine ggfs. durch die Saugrohrform angeregte Dfallbewegung der Ladung unterstützt bzw. verstärkt. Diese Wirkung ist mit Pfeil 35 dargestellt, der die Einströmrichtung der größeren Menge der angesaugten Ladung^darstellt, solange sich das Einlaßventil in einer gestrichelt dargestellten zumindestens teilweisen Öffnungsstellung 3¹ befindet. Zusätzlich und unabhängig vom eben Gesagten ist in der Verdränger- oder Quetschzone 15 des Zylinderkopfes eine kanalartige Vertiefung 20 vorgesehen, die vom Bereich des Auslaßventiltellers 14 zu der erwähnten Mulde 12 führt,

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die ja den Hauptanteil des Totvolumens der Brennkraftmaschine darstellt. Dieser Kanal 2o, den man auch Leitkanal nennen kann und der in Richtung zur Mulde 12 seine Querschnittsform verändern kann, mündet im Bereich 23 in die Mulde 12 und weist in diesem Bereich einen Querschnitt auf, dessen Flächenschwerpunkt 21 relativ zum Volumenschwerpunkt 24 der Mulde 12 so liegt, daß ein im wesentlichen tangent vales Einströmen der gegen Ende des Verdichtungstaktes aus dem Quetsch-rbereich verdrängten Ladungsteile in die Mulde 12 bewirkt wird. Dadurch wird in der Mulde 12 eine Drallströmung erzeugt, oder eine scnon bestehende Drallströmung verstärkt.

In den zu den Figuren 4 und 5 ähnlichen Figuren 6 und 7 ist ein Leitkanal 2o derart angeordnet und ausgebildet, daß sein Mündungsrand in Drallrichtung der in der Mulde 12 entstehenden Drallströmung 16' gesehen etwa von der Stelle 25' ab relativ scharfkantig ist, so wie dies ohne speziellen Aufwand gießereitechnisch möglich ist, also mit einem kleinen Radius, wogegen der restliche Mündungsrand ab der Stelle 25' in Gegendrallrichtung einen wesentlich größeren Radius aufweist,, wie es schematisch durch die Linien 25 dargestellt ist. Die Übergangsstelle 25' liegt wie dargestellt in diesem Ausführungsbeispiel etwas außermittig zum drallaufwärtigen Ende' des Mündungsrandes hin verschoben«, Auch mit einer derartigen Ausbildung der Kanalmündung läßt sich eine zwar geringere, jedoch die Flammausbreitung in der Mulde fördernde Ladungsbewegung im genannten Drallsinn 16' erreichen.

Figuren 8 und 9 zeigen eine erfindungsgemäße Brennraumgestaltung wiederum in Draufsicht (Fig. 8) und Schnitt C-C (Fig. 9) an einem Motor, dessen obenliegende Ventile 3", 14" schräg angeordnet sind. Der Kolben 6 weist einen leicht gewölbten Bodenbereich 3o auf, der in geringem Abstand zu dem den Auslaßventilteller 14 umgebenden Bereich 15 des Zylinderkopfes 11 verläuft, wenn besagter Kolben in seiner oberen Totpunktstellung ist.

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Der Leitkanal 20 ist teils im Zylinderkopf 11 und teils im Kolbenboden angeordnet, ebenso wie auch ein Teil des mulden- oder wannenförmigen Brennraumteiles 12 nur teils im Zylinderkopf und teilweise im entsprechenden darunter liegenden Kolbenbodenbereich vorgesehen ist.

Im Bereich der Quetschzone ist der Leitkanal 2 0 teilweise eingelassen und mündet relativ scharfkantig in die muldenförmige Vertiefung 12, ebenso auf der Kolbenseite. In der Gegendrallrichtung geht die Quetschfläche des Zylinderkopfes sanft in den Muldenbereich 31 der Mulde über.

Es gibt Fälle, bei denen zwei Zündmittel pro Brennraum erwünscht oder vorgeschrieben sind. Sie sind mit 18 bezeichnet.

Die Figuren dienen lediglich zur Erläuterung der Prinzipien und Richtlinien, die bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Brennräume einzeln oder kumulativ in der jeweils bestgeeigneten Kombination verwendet werden können.

Der Abstand zwischen dem Verdrängungsbereich 15 des Zylinderkopfes zur Oberfläche 10 des Kolbenbodens beträgt in der oberen Totpunktstellung des Kolbens zweckmäßig 0,6 - bis 4 mm, vorzugsweise 1,2 bis 3 miti, insbesondere 2 bis 2,5 mm, bei Zylinderdurchmessern die im Bereich von 80 bis 100 mm Durchmesser liegen, wobei die größereren Werte für Zylinderköfpe aus Leichtmetall und die kleineren Werte für Zylinderköpfe aus Grauguß gelten.

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Claims

Dr.-ing. Dipi.-Phys. OSKAR KÖNIG Patentanwalt

Deutsche Bank AG Stuttgart

Telefon: (0? i 1) f 29 64 61 ^{Konto Nr}-⁸⁹ / ^{00 30}°

Telegramm: Koenigpat 7000 STUTTGART-I, Klüpfelstraße 6 Postscheck Stgt.84919

Postfach 51

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Patentansprüche

/ 4-Takt obengesteuerte Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, dessen Brennraum mindestens je ein Einlaß- und Auslaßventil aufweist, wobei die Ventilteller besagter Ventile mindestens im wesentlichen oder gänzlich innerhalb der durch die Kolbenlaufbahn

.. bestimmten geometrischen Zylinderfläche liegen und auch

'■ "", ' '■ der eigenetlicheBrennraum ganz oder zumindest im

[(>]( \-;>li"- wesentlichen innerhalb dieser Zylinderfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kolbenboden ( 1o/ zugewandte Seite des vorzugsweise einzigen Auslaßventiltellers (14) des Zylinders in einem Teilbereich des Zylinderkopfes (11) angeordnet ist der in der oberen Totpunktstellung des dem Zylinder zugeordneten Kolbens in geringem Abstand von dessen Kolbenbodenoberfläche verläuft, und somit in Verbindung mit dieser Kolbenbodenoberfläche eine Verärängerflache, auch Quetschfläche, bzw. Quetschzone benannt, bildet, bzw. einen Verdrängungsbereich für Teile des zu verdichtenden Gases (Ladung) darstellt, und daß der vorzugsweise einzige Einlaßventilteller in einem zweiten Teilbereich des Zylinderkopfes angeordnet ist, welcher das

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Haupttotvolumen des Brennraumes zusammen mit dem ihm gegenüberliegenden Kolbenbodenbereich begrenzt wobei dieser zweite Teilbereich des Zylinderkopfes

..„._ und/oder der ihm gegenüberliegende Kolbenboden-

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S bereich eine Mulde (12) bildet/ in der eine Dröalströmung-

\(Jk i^"'-^"" des Hauptteiles der verdichteten Ladung auftritt, und wobei die gedachte Drehachse dieser Drallströmung im wesentlichen parallel zur LÄngsachse des Einlaßventiles verläuft und die maximale Tiefe dieser Mulde geringer ist als der kleinste Durchmesser der dem Kolbenboden bzw. dem Zylinderkopf zugewandten öffnung dieser Mulde.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der seitlichen Begrenzung der Mulde (12) so ausgebildet ist, daß während des Einlaßvorganges der Ladung eine Drallströmung im Zylinder angeregt wird oder, sofern eine Drallströmung schon durch geeignete Anordnung und Formgebung des Einlaßkanales (2) erzeugt wird, diese unterstützt, indem vorzugsweise dazu vorgesehen ist, die Muldenraridseite, auf die die einströmende Ladung (Luft oder Luft-Treibstoffgemisch) mit Vorzugsrichtung zuströmt,in größerem Abstand von der Einlaßöffnung_/ welche durch das Einlaßventil absperrbar ist, für die Ladung anzuordnen,als die ihr gegenüberliegende Randseite der Mulde .

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3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Bereich zwischen Auslaßventilteller (14) und dem diesem zugewandten. Kolbenboden (1o) eine kanalartige , zum Kolbenboden über ihre gesamte LÄnge hin offene Verbindung (2o). zu der genannten Mulde (12) vorgesehen ist, deren Tiefe wesentlich geringer als

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ihre Breite ist, und die vorzugsweise so ausgebildet ist, daß gegen Ende des Verdichtungstaktes Ladungsteile aus dem Quetschbereich in sie einströmen und so in die Mulde verdrängt werden, in der Weise, daß in dieser Mulde hierdurch eine Drallströmung entsteht oder eine schon vorhandene Drallströmung verstärkt wird, wobei die gedachte Drehachse dieser Drallströmung im wesentlichen ungefähr parallel zur Längsachse des Einlaßventiles (3") verläuft.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsrand der kanalartigen Verbindung (2o) in der Mulde (12) vom drallaufwärtigen Ende aus ein Stück weit stark abgerundet ausgebildet ist und dann anschließend bis zum drallabwärtigen Ende relativ scharfkantig ausgebildet ist.
5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Verbindung ein vorzugsweise im wesentlichen tangentiales Einströmen des verdrängten Ladungsteiles in die Mulde (12) bewirkt, indem der geometrische Flächenschwerpunkt (21) ihres Mündungsquerschnittes am Eingang zur Mulde U2) von der Zylindermittenlängsachse in die Richtung der anzuregenden Drall- oder Drehrichtung der Ladung in der Mulde verschoben ist. *
6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde und/oder die kanalartige Verbindung ganz oder teilweise im Kolbenboden ausgebildet ist.

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7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die dem Zylinderkopf (11) zugewandte Seite des Kolbenbodens eine muldenfreie Oberfläche hat, vorzugsweise eben ist.
8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum beschleunigten Zünden des Treibstoff-Luftgemisches vorgesehen sind, wie z.B. Zündkerze, Glühkerze oder dergleichen und diese vorzugsweise im Bereich der Mulde auf die Ladung einwirken.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im Falle von Zündkerzen, diese in dem Bereich der Mulde (12) anzuordnen sind, in dem die Ladung beim Einströmen in den Brennraum mit Vorzugsrichtung einströmt.
10. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie fremdgezündet ist, insbesondere eine solche mit äußerer Gemischbildung, vorzugsweise eine Otto-Brennkraftmaschine
11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Maschine mit innerer Gemischbildung ist. _t
12. Maschine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Diesel-Brennkraftmaschine ist.

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