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Verbrennungsmotor
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Die Erfindung bezieht sich auf.einen Verbrennungsmotor mit einem
Nebenbrennraum und insbesondere auf einen Verbrennungsmotor mit Nebenbrennraum und
Benzineinspritzung für ein Kraftfahrzeug. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor
soll eine bessere Kraftstoffausnutzung und reineres Abgas erreichen.
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Um bei einem Benzinmotor eine Schichtladung mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch
durchzuführen, ist es bisher allgemein übliche, den Kraftstoff in einen einzigen
Brennraum einzuspritzen oder einen Hauptbrennraum und einen Nebenbrennraum vorzusehen
und den Kraftstoff über zwei
Kraftstoffzufuhrvorrichtungen getrennt
in dies: einzuspritzen.
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Bei der ersten Art von Motoren, d.h. bei Motoren.
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mit einem nicht unterteiiteii Brennraum, in- den der Kr-aftstoff eingespritzt
wird, wird im Brennraum mittels eines Schirmsentils oder eines entsprechend ausgebildeten
Kolbenkopfes eine Wirbelströmung erzeugt, um eine Schichtladung des Gemischs zu
erreichen. Dabei erweist sich jedoch als schwierig, eine kräftige Wirbelströmung
unter allen Betriebsbedingungen zu erzielen.
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Bei der zweiten genannten Motorart, d.h. bei einem Motor mit einem
Nebenbrennraum, wird dagegen Kraftstoff in einen getrennt vom Hauptbrennraum ausgebildeten
Nebenbrennraum eingespritzt, damit dadurch einerseits der Nebenbrennraum mit einem
fetten Gemisch geladen wird und andererseits der Hauptbrennraum mit einem mageren
Gemisch geladen wird, was dadurch geschieht, daß ein Teil des Kraftstoffs durch
den Nebenbrennraum in den Hauptbrennraum eingeblasen wird, so daß sich sogenannte
geschichtete Ladungen aus Luft-Kraftstoff-Gemischen für eine zweistufige Verbrennung
ergeben.
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Dadurch kann die Erzeugung giftiger Stickoxide im Abgas vermindert
werden. Wegen der fetten Ladung im Nebenbrennraum entstehen jedoch unverbrannte
Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in unerwünscht hoher Menge.
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Um bei einem Benzinmotor mit einem Vergaser Schichtladiung zu erreichen,
ist das Kraftstoff zufuhr system in der Regel in zwei Systeme unterteilt, von denen
eines ein fettes Gemisch liefert, das die Zündung erleichtert bzw. ermöglicht, und
von denen das andere eine größere Menge mageren Gemischs liefert-,- dessen Verbrennung
von der Zündflamme aufgrund der Zündung des fetten Gemischs ermöglicht wird Damit
zuverlässig eine fette Gemischladung erreicht wird, ist nun vorgeschlagen worden,
den Nebenbrennraum möglichst klein auszubilden und mit einem dritten Ventil zu versehen.
Dadurch werden- jedoch sowohl das Kraftstoffzufuhrsystem als auch das Ventilsystem
komplizierter. Die Verminderung der Größe des Nebenbrennraumes führt dazu, daß die
Konstruktion ähnlich der eines üblichen Motors mit einem Vergaser ist, so daß Schwierigkeiten
auftreten, wenn der Motor mit einem mageren Gemisch betrieben werden soll. Zur Verminderung
der Menge an Stickoxiden im Abgas eines Benzinmotors mit einem Vergaser muß in der
Regel ein besonders fettes oder ein besonders mageres Gemisch verwendet werden.
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Damit ein Benzinvergasermotor zufriedenstellend läuft, muß in der
Regel mit einem Luft-Kraft stoff-Verhältnis im Bereich von 11 bis 20 gearbeitet
werden. wenn mit einem sehr fetten Gemisch gearbeitet wird, so führt dies jedoch
zur Erzeugung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und zu erhöhtem
Kraftstoffverbrauch, wogegen- sehr mageres Gemisch zu Fehlzündungen führen kann,
was- wiede-rum die Menge an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen im
Abgas erhöht.
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Bei-einem Motor, der nach einem Schichtladungsverfahren arbeitet,
wie es beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor zur Anwendung-kommt, ist der Brennraum
in einen-Hauptbrennraum und einen Nebenbrennraum unterteilt, wobei die Zufuhr und
Abfuhr von Gasen von einem Lufteinlaßventil und einem Abgasventil gesteuert werden,
die im Hauptbrennraum vorgesehen sind. Der Hauptbrennraum steht über einen Verbindungs-
bzw. Vberführungskanal in Verbindung mit dem Nebenbrennraum. Außerdem ist der Nebenbrennraum
mit einer Zündkerze und einer Kraftstoffeinspritzdüse versehen, so daß das fette
Gemisch im Nebenbrennraum gez-ündet werden kann.
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Um die gewünschte Schichtung der Schichtladung zu erreichen, ist es
dabei unbedingt erforderlich, daß die Luft aus dem Hauptbrennraum in den Nebenbrennraum
eingespeist wird, ohne daß dies nachteilig durch die Drosselwirkung aufgrund des
Verbindungskanals beeinflußt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor
zu schaffen, der zu geringeren Gehalten an giftigen Abgasbestandteilen, wie beispielsweise
Stickoxiden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, und verbessertem
Kraftstoffverbrauch führt.
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Ein weiteres Ziel er Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotor,
der die Schichtung von aus einem Hauptbrennraum in einen -Nebenbrennraum eingespeister
Luft ermöglicht, ohne daß dies nachteilig durch die Drosselwirkung aufgrund eines
Verbindungskanals beeinflußt wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotors,
der eine vollständige Verbrennung einer Gemischladung in einem Nebenbrennraum ermöglicht,
wobei ein Hauptbrennraum als Expansionskammer oder als thermischer Reaktor zur vollständigen
Verbrennung unverbrannter Abgasbestandteile dient, während sich das Abgas im Hauptbrennraum
befindet.
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Ein wiederum weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines
Verbrennungsmotors, bei dem während des Saughubes des Motors kräftige Luftwirbel
entstehen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotors,
bei dem das Durchblasen von Kraftstoff in einen- Hauptbrennraum verhindert wird.
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i Ein wiederum weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines
Verbrennungsmotors, der eine gewünschte Schichtung einer Gemischladung in einem
Nebenbrennraum ermöglicht.
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- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotors,
bei dem für zuverlässige Zündung mittels einer Zündkerze und für vollständige Verbrennung
einer Gemischladung in einem Nebenbrennraum gesorgt ist.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor ist in den Patentansprüchen
gekennzeichnet.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfaßt einen Hauptbrennraum,
der vom Kopf eines hin- und herbewegbar in einen Zylinder eingesetzten Kolbens und
einer Stirnwand des Zylinders begrenzt wird, einen im Kopf des Zylinders nahe den
Hauptbrennraum ausgebildeten Nebenbrennraum, der mit einer Zündkerze und einer Kra-ftstoffeinspritzdüse
versehen ist, sowie einen Verbindungskanal, der den Hauptbrennraum mit den Nebenbrennraum
verbindet-, wobei der Verbindungskanal zur Längsachse des Zylinders nach außen so
geneigt ist, daß ein aus dem Hauptbrennraum in den Nebenbrennraum eingespeister
Luftstrahl eine Wirbelströmung über die gekrümmte Innenfläche des Nebenbrennraumes
erzeugen kann, und wobei die Kraftstoffeinspritzdüse so angeordnet ist, daß sie
der Wirbelströmung im Nebenbrennraum entgeyengerichtet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch wesentliche
Teile- eines erfindungsgemäßen Benzinmotors; Fig. 2 einen Querschnitt gemäß II-II
in Fig 1; Fig.. 3 einen senkrechten Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Nebenbrennraumes; Fig. 4 einen Querschnitt gemäß IV-IV in
Fig. 3; Fig. 5 einen senkrechten Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Nebenbrennraumes; Fig. 6 einen Querschnitt gemäß VI-VI in
Fig. 5; Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen- dem Verdichtungsverhältnis
und dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad eines Benzinmotors zeigt; Fig. 8
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verdichtungsverhältnis und dem Kraftstoffverbrauch
zeigt; und Fig. 9 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Luftverhältnis und
den Emissionsmengen sowohl für erfindungsgemäße Verbrennungsmotoren als auch für
für herkömmliche Verbrennungsmotoren zeigt.
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Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 eingegangen.
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Darin ist ein Hauptbrennraum 1 erkennbar, der von einem Zylinderkopf
2 an einem Zylinderblock 3 und dem Kopf eines
Kolbens 4 begrenzt
wird. As Gründen der Einfachheit ist lediglich ein Zylinder eines Viertaktmotors
in Fig. 1 dargestellt. Der Zylinderkopf 2 ist auf übliche Weise mittels herkömmlicher-
blit't-.el, beispielsweise mit Hilfe von Bolzen oder dergleichen, am Zylinderblock
3 befestigt. Der Kolben 4 kann in-einer Zylinderbohrung senkrecht in entgegengesetzten
Richtungen hin- und herbewegt werden und ist über beliebige geeignete Mittel mit
einer nicht dargestellten Kurbelwelle des Motors verbunden. Im Zylinderkopf 2 ist
ein Lufteinlaßkanal 14.ausgebildet, der von einem Lufteinlaßventil geöffnet und
geschlossen werden kann. Oberhalb des Hauptbrennraumes 1 befindet sich ein kugelförmiger
Nebenbrennraum 5, der im Zylinderkopf 2 ausgebildet ist. Wie aus den Fig. 1 und
2 ersichtlich ist, ist der Nebenbrennraum 5 mit einer Zündkerze 8 und einer Kraftstoffeinspritzdüse
7 versehen Sowohl die Zündkerze 8 als auch die Kraftstoffeinspritzdüse 7 sind herkömmliche
Elemente. Die Kraftstoffeinspritzdüse 7 ist so gerichtet, daß sie entgegen der Strömungsrichtung
eines in den Nebenbrennraum 5 eingeleiteten Luftstrahls einspritzt. Ein Verbindungs-
bzw. Überführungskanal 6 verbindet den Hauptbrennraum 1 mit dem Nebenbrennraum 5.
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Das Volumen des Nebenbrennraumes sollte so groß wie möglich sein.
Da jedoch ein gewisser Abstand zwischen dem Zylinderkopf 2 und der Oberseite des
Kolbens 4 bestehen sollte und außerdem der überführungskanal 6 ein
gewisses
Volumen haben muß, sollte der Größtwert des Volumens des Nebenbrennraumes nicht
mehr als 90% des gesamten Verdichtungsraumes aus Hauptbrennraum und Nebenbrennraum
betragen. Der Nebenbrennraum 5 hat vorzugsweise Kugelform, zylindrische Form, elliptische
Form oder eine beliebige Form mit ovalem Querschnitt, die so gewählt sein soll,
daß sich eine ungedämpfte Wirbelströmung 9 (siehe Fig. 2) ergibt, wenn eine Luftstrom
13 in den Nebenbrennraum eingeleitet wird. Solche Formen sind dem Fachmann bekannt.
Außerdem soll die vom Verbindungskanal 6 gebildete Verbindung mit dem Nebenbrennraum
so beschaffen sein, daß sich im Nebenbrennraum eine ausreichende Wirbelströmung
9 ergibt. Die Querschnittsfläche des Verbindungskanals 6 beträgt vorzugsweise 1
bis 10% der Querschnittsfläche des Zylinders, damit einerseits die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit
durch Drosselung bzw. durch verminderte Querschnittsfläche möglichst gering ist
und damit andererseits verhindert wird, daß in den Nebenbrennraum eingespritzter
Kraftstoff 10 direkt in den Hauptbrennraum geblasen wird. Vorzugsweise verläuft
der Verbindungskanal 6 so geneigt, daß die im Nebenbrennraum entstehenden Verbrennungsgase
nicht senkrecht auf die Oberseite des Kolbens 4 auftreffen und daß sich diese Verbrennungsgase
ausreichend im gesamten Hauptbrennraum verteilen. Ferner befindet sich die Zündkerze
8 vorzugsweise an solcher Stelle, daß sie die im Nebenbrennraum erzeugte Wirbelströmung
9 nicht nachteilig
beeinflußt.
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Bei den in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Ausführungsformen haben
die Nebenbrennräume zylindrische Form.
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Der Nebenbrennraum 105 (siehe Fig. 3 und 4) ist ebenfalls in einem
Zylinderkopf 102 ausgebildet und befindet sich oberhalb eines Hauptbrennraumes 101.
Der Nebenbrennraum hat hohlzylindrische Form, wobei seine Längsachse kürzer als
sein Durchmesser ist und-waagerecht verläuft. Ein Verbindungskanal 106 ist bezüglich
der senkrechten Achse des zylindrischen Nebenbrennraumes 105 so geneigt, daß eine
Wirbelströmung im Nebenbrennraum erzeugt werden kann (siehe Fig. 4). In gleicher
Weise wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 sind eine Zündkerze 108
und eine Kraftstoffeinspritzdüse 107 für den Nebenbrennraum 105 vorgesehen.
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Die in den F.g. 5 und 6 dargestellte, alternative Ausführungsform
der Erfindung stimmt weitgehend mit der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
mit der Ausnahme überein, daß die Längsachse des zylindrischen Nebenbrennraumes
205 senkrecht verläufL. Ein Oberführungskanal 206 ist relativ zur senkrechten Achse
des zylindrischen Nebenbrennraumes 205 so geneigt, daß im Nebenbrennraum eine Wirbelströmung
erzeugt werden kann (siehe Fig. 6).
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Im Betrieb wird während des Saughubes lediglich Luft durch den Lufteinlaßkanal
14 in den Hauptbrennraum eingespeist. Ungefähr zum Zeitpunkt des Schließens des
Lufteinlaßventils 15 und während des Verdichtungshubes wird von der Kraftstoffeinspitzdüse
7 Kraftstoff in den Nebenbrennraum eingespritzt. Während sich der Kolben 4 nach
oben bewegt, wird außerdem beim Verdichtungshub in den Zylinder eingespeiste Luft
durch den Verbindungskanal 6 -in den Nebenbrennraum eingeleitet, in dem eine Wirbelströmung
entsteht. Die Einspritzdüse 7 ist unter einem gewissen Winkel a, der vorzugsweise
im Bereich von 150 bis 45" liegt, zur Mittellinie des Nebenbrennraumes so geneigt,
daß sie der Wirbelströmung 9 entgegenweist, so daß der Kraftstoff 10 unmittelbar
nach der Einspritzung entgegen der Wirbelströmung 9 strömt und dann in der Folgezeit
von der Wirbelströmung 9 zurückgedrückt wird. Es werden daher im Nebenbrennraum
zusammenhängende Wirbelströme erzeugt, die jeweils im wesentlichen Ringzonen einnehmen
und gleiches Luft-Kraftstoff-Verhältnis haben, wobei Zustand und Zusammensetzung
der Wirbelströme von der Strömungsgeschwindigkeit der Wirbelströme, der Teilchengröße
des versprühten bzw. zerstäubten Kraftstoffs und der Einspritzrichtung abhängen.
Somit haben die Zonen bzw. Schichten der fetten Gemischladung je nach dem Abstand
von der Mitte des Nebenbrennraumes unterschiedliche Luft-Kraftstoff-Verhältnisse.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen in Ab-hängigkeit vom Verdichtungsverhältnis
e den theoretischzn thermischen Wirkungsgrad #v bzw. Wirkungsgrad des vollkommenen
Motors und den Kraftstoffverbrauch 6 für verschiedene Luftverhältnisse . X m =,
entspricht einem Kreisprozeß allein mit Luft, was praktisch nicht realisierbar ist,
wogegen die übrigen Werte von h Luft-Kraftstoff-Kreisprozessen entsprechen und theoretisch
berechnet wurden. Wie aus den Fig. 7 und 8 erkennbar ist, sind der Wirkungsgrad
des vollkommenen Motors und der Kraftstoffverbrach um so günstiger, je höher das
Luftverhältnis ist.
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Bei Betrieb des Motors mit mittlerer oder niedriger Last wird der
Kraftstoff am unteren Totpunkt eingespritzt, wobei der Brennraum mit einem insgesamt
mageren Gemisch geladen wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Schichtung der Gemischladung
wird jedoch in der Umgebung der Zündkerze im Nebenbrennraum eine Gemischzusammensetzung
erreicht, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat, das eine Zündung ermöglicht, so
daß die Emission von im Abgas enthaltenen, giftigen Bestandteilen, nämlich von Kohlenwasserstoffen
(HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NO), stark vermindert ist, wie dies die
Kurven in der rechten Hälfte von Fig. 9 zeigen. Die Kurven in der linken Hälfte
von Fig. 9 beziehen sich auf einen herkömmlichen Verbrennungsmotor.
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Der Vergleich der Kurvenscharen in der linken und der
rechten
Hälfte von Fig. 9 zeigt die hervorragende Wirksamkeit der Erfindung. In der Regel
ist bei einem System mit Nebenbrennraum und Kraftstoffeinspritzung die Flammenausbreitunysgeschwindigkeit
sehr hoch, so daß der Zündzeitpunkt in einem Bereich von + 50 um den oberen Totpunkt
liegen muß. Wenn die abgeyebene Leistung erhöht werden soll und deshalb die am unteren
Totpunkt eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht wird, befindet sich in der Mitte des
Nebnbrennrames ein zu fettes Gemisch, was zu Schwierigkeiten bei der Zündung führt.
Um dem entgegenzuwirken, sollte bei einer Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge
bzw.
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einer Erhöhung der abgegebenen Leistung der Einspritzzeitpunkt für
den Kraftstoff vor den unteren Totpunkt, und zwar gegebenenfalls sogar bis zu 3600
vor den oberen Totpunkt, vorverlegt werden, was zur Folge hat, daß ein Teil des
Kraftstoffs in den Hauptbrennraum eingespeist wird, damit dadurch gleichmäßige Dichte
der fetten Gemischladung erzeugt wird, so daß zu fe-ttes Gemisch im Nebenbrennraura,
das Fehlzündungen hervorrufen könnte, vermieden wird.
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Aufgrund der beschriebenen Schichtung der Gemischladung im Nebenbrennraum
kommt es im Nebenbrennraum selbst dann nicht zu Fehlzündungen, wenn die darin befindliche
Gemischladung äußerst mager ist. Dies bedeutet, daß der Motor mit sehr magerem Gemisch
betrieben werden kann.
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Der Arbeitsprozeß des Motors kommt daher dem Arbeitsprozeß allein
mit Luft nahe (siehe Fig. 7 und 8), so daß sich
sehr guter Wirkungsgrad
des vollkonmenen Motors und sehr günstiger Kraftstoffverbrauch ergeben. Da die Ladung
aus einem mageren Gemisch-besteht, ergeben sich außerdem geringe Mengen-an giftigen
Abgasbestandteilen wie Stickoxiden und Kohlenmonoxid. Ferner konnen durch Ausnutzung
der Verweilzeit des Gemischs im Hauptbrennraun unverbrannte Xohlenwasserstoffe verbrannt
werden, so daß die Menge giftiger Abgasbestandteile zusätzlich beträchtlich vermindert
werden kann In dur Regel führt die Verbrennung eines mageren Gemischs zu einer Abnahme
der Abgastemperatur, wodurch die Wirksamkeit eines Abgasreaktors beeinträchtigt
wird.
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Erfindungsgemäß wird jedoch der Hauntbrennraum als thermischer Reaktor
benutzt, so daß ein mageres Gemisch verbrannt werden kann und die Verbrennungsgase
während der Zeit, während der sie sich mit noch hoher Temperatur im Hauptbrennraum
befinden, nachbehandelt werden konnen, so daß das genannte Problem vermieden wird.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Verbrennungsmotor mit
Schichtladung. Dieser Verbrennungsmotor umfaßt einen Hauptbrennraum, einen Nebenbrennraum,
der mit einer Zündkerze und einer Kraftstoffeirispritzdüse versehen ist, sowie einen
Verbindungskanal, der den Hauptbrennraum mit dem Nebenbrennraum verbindet. Der Nebenbrennraum
nimmt den größten Teil des gesamten Verdichtungsraumes ein, und der Verbindungskanal
ist bezüglich der Längsachse des
Zylinders so nach außen geneigt,
daß ein aus dem Hauptbrennraum in den Nebenbrennraum eingespeister Luftstrahl eine
Wirbelströmurig über die gekrümmte Innenfläche des Nebenbrennraumes erzeugt, wobei
die Kraftstoffeinspritzdüse so ausgerichtet ist, daß sie der Strömungsrichtung der
Wirbelströmung entgegenweist.