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Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Ladungsschichtung
und Fremdzündung für den Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen, umfassend oberhalb
des Arbeitsraumes ein Einlaßventil, ein Auslaßventil, eine Vorkammer mit Zündkerze
sowie einen Überströmkanal, der die Vor kammer mit dem Arbeitsraum verbindet, wobei
die Vorkammer und der Überströmkanal aus einer Einbuchtung der Unterseite des Zylinderkopfes
bestehen, wobei das Einlaßventil am Boden der Vo rk amme r an geordnet ist und wobei
die Vorkammer in einem Teilbereich durch eine Querwand von dem Arbeitsraum getrennt
ist.
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Auf einen Verbrennungsmotor der vorgenannten Art nimmt beispielsweise
die deutsche Offenlegungsschrift 24 36 777 bezucj. Ein- und Auslaßventil liegen
dabei oberhalb des Arbeitsraumes nebeneinander in einer ovalen Einbuchtung des Zylinderkopfes.
Dabei ist der unterhalb des Einlaßventils liegende Bereich der Einbuchtung durch
eine sich senkrecht zur Richtung der Kolbenbewegung erstreckende Querwand von dem
Arbeitsraum getrennt und bildet die eigentliche Vorkammer. Die damit erzielte Wirkung
ist indessen wenig befriedigend und der Wirkung der Vorkammer des Verbrennungsmotors
nach der deutschen Offenlegungsschrift 23 06 375 sehr ähnlich. In beiden Fällen
ist die Zündkerze der Vorkammer zugeordnet und in diese wird gegen Ende des Ansaugtaktes
Kraftstoff in einer raumverteilten Form eingesprüht.
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Dieser bildet in der Nähe der Zündkerze ein leicht zündfähiges Gemisch.
Der Verbrennungsprozeß wird durch die Zündung dieses Gemisches eingeleitet. Die
Richtung, in der der Kraftstoff in die Vorkammer eingebracht wirdlist dabei ohne
Bedeutung. Sie kann durch eine Einspritzdüse erfolgen, die in der Vorkammer oder
innerhalb des Arbeitsraumes angeordnet ist, in den meisten Fällen indessen erheblich
einfacher unter Verwendung einer Einspritzdüse, die in dem Saugrohr angeordnet ist.
Die Zuordnung zu dem Durchlaß des während des Ansaugtaktes geöffneten Einlaßventils
muß in diesem Falle lediglich so vorgenommen werden, daß eine gute Verteilung des
Kraftstoffes in der Vorkammer gewährleistet ist. Die Kraftstoffdichte ist hier somit
zunächst höher als in dem übrigen Arbeitsraum und man spricht deshalb von einer
Ladungsschichtung.
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Zunächst sah man in der Ladungsschichtung eine Möglichkeit, in einem
weiten Bereich globaler Luftzahlen ein zündfähiges Gemisch zu realisieren, sowie
Verbrennungsmotoren mit hohem Verdichtungsverhältnis klopffrei zu betreiben. Später
rückte das günstige Verhalten dieser Verbrennungsmotoren bezüglich der Stickoxydemission
in den Vordergrund des Interesses.
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Die Untersuchungen der chemischen Elementarreaktionen ergaben wichtige
Hinweise für eine Strategie zur Verringerung der Stickoxydemission.
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Die Bildung von Stickoxyden kennt mehrere Mechanismen.
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Die wichtigste Quelle dieses Schadstoffes ist die thermische Spaltung
des Luftstickstoffs zusammen mit dessen Oxydation gemäß dem stark temperaturabhängigen
Gleichgewicht: N2 2 = 2 ND.
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Die Betrachtung des Gleichgewichts allein ergibt jedoch keine quantitative
Aussage über die Bildung von NO bei Verbrennungsprozessen. Da das Abgas den Motor
bei Temperaturen unterhalb 1000 K verläßt, sollte man annehmen, daß gemäß dem chem.
Gleichgewicht NO-Konzentrationen unter 35 ppm auftreten. Die gemessenen Werte liegen
wesentlich höher als die Gleichgewichtskonzentration bei Auslaßtemperatur.
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Anderseits liegen die gemessenen Konzentrationen unter dem eingefrorenen
Gleichgewicht bei maximaler Flammentempenatur. Die Abweichungen zeigen, daß nur
bei genauer Kenntnis der Art und Geschwindigkeit der ablaufenden chemischen Elementarschritte
eine quantitative Vorhersage und Beeinflussung der NO-Bildung im Verbrennungsprozeß
möglich ist.
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Darüber hinaus sind noch zwei Quellen der NO-Bildung zu beachten,
nämlich einerseits Elementarschritte unter Beteiligung von Brennstoffradikalen.
Dabei entstehen Cyanverbindungen, die vorwiegend zu NO oxydiert werden. Andererseits
werden stickstoffhaltige Verbindungen, die in Beimengungen im Brennstoff enthalten
sind, beim Verbrennungsprozeß zu NO oxydiert. Diese chemischen Grundlagen werden
bei den Verbrennungsmotoren nach der DE-OS 23 06 375 und der DE-OS 24 36 777 genutzt,
um eine zweistufige Verbrennung zu realisieren. Beiden Verbrennungsmotoren ist gemeinsam,
daß neben dem Arbeitsraum eine Vorkammer vorhanden ist. In dieser
Vorkammer
siod das Einlaßventil, die Zündkerzen und eine Heizfläche angeordnet, wobei letztere
in dem einen Falle an dem Auslaßventil in dem anderen Falle an der die Vorkammer
von dem Arbeitsraum trennende Querwand angeordnet ist. Die Heizfläche wird für eine
gute Gemischaufbereitung in der Vorkammer benötigt, was nachfolgend verdeutlicht
wird.
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In der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes wird der Kraftstoff fein verteilt
in die Vorkammer eingespritzt. Diese ist durch die von der Heizfläche abgestrahlte
Wärme erhitzt, was dazu führt, daß die zunächst gleichmäßig in der Vorkammer verteilten
Kraftstofftröpfchen verdampfen. In dem Arbeitsraum befindet sich während dieses
Zeitraumes fast reine Luft und es ist somit eine gewisse Ladungsschichtung vorhanden.
Diese Ladungsschichtung bleibt auch beim Verdichtungstakt erhalten. 20 - 30 Kurbelwellengrad
bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, wird das gleichmäßig in der Vorkammer
verteilte "fette" Gemisch gezündet. Unter den Bedingungen der ersten Stufe wird
nur ein Minimum der in den Brennstoffverunreinigungen enthaltenen Stickstoffmenge
in NO umgesetzt. Durch den Überschuß an Brennstoffen reagieren die in der Verbrennung
auftretenden Sauerstoffatome überwiegend mit Brennstoffmolekülen, so daß der direkte
Angriff des Luftstickstoffes unter NO-Bildung unterbleibt.
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In der zweiten Stufe wird im Hauptbrennraum der restliche Kraftstoff
sowie eine Fülle von chemischen Zwischenprodukten bei Luftüberschuß nachverbrannt.
Durch die zwischen beiden Stufen auftretenden Wärmeverluste wird in der mageren
zweiten Stufe nur eine geringere Temperatur erreicht, so daß nur eine geringe thermische
NO-Bindung eintritt.
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Selbstverständlich ist bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren
eine geringe NO-Bildung nur eines der Entwicklungsziele. Die Bildung der von CO,
von Kohlenwasserstoffen und Ruß soll ebenfalls reduziert werden. Darüber hinaus
muß ein Verbrennungsmotor mit gutem Wirkungsgrad arbeiten, was sich
in
Verbindung miteinander durch die Ausführungen nach der DE-OS 23 06 375 und nach
der DE-OS 24 36 777 noch nicht errcichen läßt. Die in diesen Fällen notwendigen
Heizflächen in der Vorkammer können nämlich nicht in jedem Betriebspunkt ihre Funktion
erfüllen. Insbesondere beim Start und in der Warmlaufphase sind sie noch kiihl.
Bei betriebswarmem Motor sinkt bei niedriger Last die Temperatur der Heizflächen
erheblich ab. Bei mittlerer bis hoher Last sind demgegenüber die heißen Heizflächen
in unmittelbarer Nachbarschaft des fetten Gemisches kritisch bezüglich Selbstzündung
und begrenzen das mögliche Verdichtungsverhältnis auf einen Wert, der es ausschließt,
einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Daneben ist ein hohes Verdichtungsverhältnis
auch in Hinblick auf die Verminderung der CO- und der Kohlewasserstoffemission bei
niedriger Last wünschenswert.
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Es sei noch erwähnt, daß wegen des Teillastwirkungsgrades der Abgasturboaufladung
sowie wegen der Eignung zur Abgasrückführung eine Oualitätsregelung des Verbrennungsmotors
im gesamten Betriebsbereich anzustreben ist.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die genannten Schwierigkeiten
überwunden werden. Bei gutem Wirkungsgrad soll insbesondere eine Verminderung der
emitierten Schadstoffe und vor allem der Stickoxyde gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verbrennungsmotor der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Auslaßventil außerhalb der Einbuchtung
in der Unterseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, daß die Vorkammer eine gekühlte
Wandung zur filmartigen Aufbringung von Kraftstoff aufweist, daß das Verdichtungsverhältnis
des Verbrennungsmotors im Bereich zwischen 1: 11 und 1 : 17 liegt, daß der Überströmkanal
einen der Krümmung der Wandung des Arbeitsraumes im wesentlichen folgenden Verlauf
aufeist sowie
eine m5 L zunehlilender Entfernung von dem E inlaßventil
abriehmetide Tiefe und daß der Einlaßventilteller zur vorübergeherlderl Vergrößerung
der Vorkammer während des Ansaug-Taktes in einen engen Abstand neben die Querwand
bringbar ist.
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Die Vorkammer des erfindungsgemäßen Motors ist somit während des Arbeitstaktes
durch eine geringere Größe gekennzeichnet, als während des Ansaugtaktes. Sie weist
im erstgenannten Falle im allgemeinen weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger
als ein Viertel des während des Ansaugtaktes insgesamt vorhandenen Volumens auf
und läßt sich in diesem Falle als eine flache Mulde beschreiben, die im wesentlichen
nur den Sitz der Zündkerze und die durch KraftstofF benetzbare, gekühlte Wandung
umschließt. Diese flache Mulde wird während des Ansaugtaktes durch den von seinem
Ventilsitz abgehobenen Einlaßventilteller gegen Luftströmungero jeglicher Art gut
geschützt, was auf der gekühlten Wandung die Bildung einer kontiuierlichen Schicht
aus dem eingespritzten Kraftstoff sehr begünstigt. Der gebildete Kraftstoffilm ist
dadurch relativ stabil und bleibt auch erhalten, wenn der Einlaßventilteller in
der Anfangsphase des Verdichtungstaktes auf seinen Ventilsitz zurückkehrt.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor weist ein Verdichtungsverhältnis
auf, das in dem Bereich von 1 : 11 bis 1 : 17 liegt. Dadurch erhitzt sich das eingeschlossene
Gasvolumen beim Verdichten auf 350 bis 550°C. Die leichter siedenden Bestandteile
des Kraftstoffes dampfen von dem Kraftstoffilm ab und bilden in direkter Nachbarschaft
der Zündkerze ein zuverlässig zündfähiges, fettes Gemisch, dessen Zündpunkt bei
ca. 7000C liegt. 20 bis 40 Kurbelwellengrad vor dem oberen Totpunkt erfolgt die
Zündung; beim Start der Maschine später.
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Durch die Zündung verursacht,bildet sich nun im Bereich der Mulde
eine Flammenzone, die aus der Mulde mit abdampfendem Kraftstoff und aus rezirkulierenden
Anteilen der Drallströmung
im Zylinder mit Sauerstoff genährt
wird. Der Flammenzone wird ständig konvektiv Wärme entzogen. Die Größe der Flammenzone
hängt von der abdampfenden Kraftstoffmenge ab, denn im Brennraum herrscht global
Luftüberschuß. Diese Kraftstoffmenge ist eine Funktion von Druck, Temperatur und
der Größe des Kraftstoffilmes auf der Wandung der Mulde sowie von den Strömungsverhältnissen
im Zylinder, wozu anzumerken ist, daß das Heizgesetz abhängig ist von der Abdampfrate
und der Kraftstoffilmgröße, jedoch nicht von der Beschaffenheit und Menge des raumverteilten
Gemisches oder der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit in der bewegten Ladung Als
Folge ist der zeitliche Temperaturverlauf im Arbeitsraum des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
wesentlich weniger steil als bei den Verbrennungsmotoren nach den eingangs beschriebenen
Druckschriften. Der Verbrennungsablauf kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung
noch am ehesten mit der Wirkungsweise eines Flammenhalters im Nachbrenner eines
Flugtriebwerkes verglichen werden.
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Im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels nähert sich der Kolben dem oberen
Totpunkt und drückt Luft und Rauchgas aus dem Quetschspalt. Die drehende Ladung
im Zylinder wird in die Mulde zurückgedrängt. Dies führt zur Intensivierung der
Verbrennung bei Luftüberschuß.
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Durch die starke Ladungsbewegung wird der vergrößerten Flammenzone
weiterhin konvektiv Wärme entzogen. Die globale Temperatur erreicht ein relativ
niedriges Maximum kurz nach dem oberen Totpunkt. Diese maximale Temperatur bleibt
während der nachfolgenden Expansion weitgehend erhalten bis aller Kraftstoff verbrannt
ist, anschließend sinkt sie bei weiterer Expansion ab. Die für die Stickoxydbildung
kritische Temperaturen werden sicher vermieden.
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Analog verhält sich der Druck, so daß der Verbrennungsmotor, gemessen
am Verdichtungsverhältnis,relativ leicht gebaut werden kann. Der beschriebene Verbrennungsprozeß
führt zu einem guten Ausbrandgrad der Ladung und damit zu geringen £0- und Kohlenwasserstoff-Werten
im Abgas bei
niedriger NO-Bildung und gutem Wirkungsgrad. Die Rußbildung
ist vernachlässigbar yering. Der Verbrennungsprozeß er for -dert Luftberschuß und
nicht zu hohe Drehzahlen, da die Wär e freisetzung während des Expansionstaktes
zeitlich in die Länge gezogen ist. Somit ist die hubraumbezogene Leistung geringer
als beim klassischen Ottomotor. Dieser gegenüber der Schadstoffemission weniger
wichtige .Nachteil kann jedoch durch Abgasturboaufladung, für die der erfindungsgemäße
Verbrennungs-Motor mit Qualitätsregelung besonders geeignet ist, wirksam verbessert
werden.
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Die für die Erzeugung eines zündfähigen Gemisches in der Nähe der
Zündkerze erforderliche Teilverdampfung des Kraftstoffes erfolgt bei dem erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verbrennungsmotor durch die verdichtungsgedingte Erwärmung des in
dem Zylinder enthaltenen Gasvolumens. Unter diesem Gesichtspunkt ist es an sich
wünschenswert, hohe Verdichtungsverhältnisse anzuwenden. Diese führen jedoch zu
einer Verminderung des mechanischen Wirkungsgrades, weshalb der bevorzugte Bereich
bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführung etwa in den Bereich zwischen
1 : 13 und 1 15 liegt.
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Die Einbuchtung des Zylinderkopfes umfaßt die Vorkammer und den Überströmkanal.
Beide Räume gemeinsam nehmen uorzugsweise ein Drittel bis die Hälfte des Zylinderquerschnittes
ein, während die restliche Fläche mit der Zylinderkopfunterseite etwa in derselben
Ebene liegt und das Auslaßventil enthält. Die übrigen Teile dieser Fläche bilden
gemeinsam mit dem kolbenboden einen Quetschspalt. Die vollständige Verbrennung des
eingespritzten Kraftstoffes wird hierdurch begünstigt.
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Die dem angehobenen Einlaßventil-Teller während des Ansaugtaktes seitlich
eng benachbarte Querwand hat in Umfangsrichtung einen gleichbleibenden Abstand von
dem Einlaßventil-
Teller und umschließt diesen im Bereich der durch
die Mulde gebildeten Hinterschneidung auf etwa 45 - 1800 seines Umlanges, vorzugsweise
auf 6 5 - 1200. Der übrige Teil des angehobenen Einlaßventil-Tellers liegt in engem
Abstand von der der Krümmung des Arbeitsraumes folgenden Innen-und Außenwandung
des Überströmkanals. Beide haben eine sich im wesentlichen achsparallel zu dem Arbeitsraum
erstreckende Begrenzung, wobei es sich als zweckmäßig erwiesen hat, wenn die den
Überströmkanal in Krümmungsrichtung innen begrenzende Innenwandung einen sich mit
zunehmender Entfernung von dem Einlaßventil vermindernden Abstand von der den Überströmkanal
in Krümmungsrichtung außenseitig begrenzenden Außenwandung aufweist. Eine entsprechende
Ausführung mündet somit sichelförmig in den Arbeitsraum. Sie gewährleistet die Ausbildung
einer günstigen Drallströmung der Ladung auch während des Verbrennungsprozesses.
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Die mit Kraftstoff benetzbare Seitenwand der Vorkammer ist auf der
dem Überströmkanal gegenüberliegenden Seite des Einlaßventils angeordnet und soll
sich zumindest in einem Teilbereich quer zu dessen Eintrittsrichtung erstrecken
um Störungen bei der Bildung zündfähigen Gemisches in unmittelbarer Nähe der Zündkerze
und während des nachfolgenden Verbrennungsprozesses im Sinne der vorstehenden Ausführungen
zu vermeiden. Des weiteren können auch sekundäre Maßnahmen die Erreichung dieses
Zieles unterstützen, insbesondere eine Anpassung der Austrittsrichtung des Ansaugrohres
an die Eintrittsrichtung des Überströmkanals. Die Anlagerung eines homogenen Kraftstoffilmes
an der gekühlten Wandung der Vorkammer während des Ansaugtaktes wird hierdurch begünstigt,
insbesondere, wenn die das Einlaßventil gleichzeitig passierende Luftströmung durch
in dem Ansaugrohr angebrachte Abreißkanten von dessen Wandung abgelöst ist und den
Ringspalt des Einlaßventils als Freiströmung passiert.
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Der Gegenstand der vorliegenden ErFindung wird nachfol gend anhand
eines Beispieles weiter erläutert. Es zeigen: Figur 1 den schematisch gezeigten
Zylinderkopf von der unterseite her und unter Andeutung der Lage von Zündkerze und
Einspritzdüse.
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Figur 2 den Zylinderkopf gemäß Figur 1 in einer teilweise geschnittenen
Darstellung. Die Lage von Zündkerze und Einspritzdüse sind schematisch angedeutet,
ebenso die Strömungsrichtung der durch den Ansaugkanal zugeführten Frischluft.
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Figur 3 den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zylinderkopf in perspekt
ivischer Ansicht von unten.
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In Figur 1 ist eine beispielhafte Ausführung eines Zylinderkopfes
der erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden Art von unten gezeigt. Das große Einlaßventil
2 liegt in der Einbuchtung 1. Bei offenem Einlaßventil 2 ist nur die eine Hälfte
des Ringspaltes zwischen dem Ventilsitz und der Peripherie des Einlaßventil-Tellers
in radialer Richtung offen. In dieser Richtung läuft die Einbuchtung von der Ebene
des Ventilsitzes in die Ebene der Quetschfläche 7 sichelförmig aus. Die andere Hälfte
des Einlaßventil-Tellers wird von der Einbuchtung 1 in engem Abstand umschlossen,
wobei die Seitenwandung der Einbuchtung in diesem Bereich unter Bildung einer Mulde
6 teilweise hinterschnitten ist. Die Mulde wird in Richtung des Arbeitsraumes durch
die Querwand 8 begrenzt. Die Anordnung erzwingt während des Ansaugtaktes eine Drallströmung
mit dem in Figur 1 durch Pfeile angedeuteten Drehsinn.
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Unter der Querwand 8 liegt die Mulde 6 mit der Zündkerze 5.
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Die Mulde 6 ist so geformt, daß die eine Fläche einen
spitzen
Winkel zum Kraftstoffstrahl der Einspritzdüse 3 aufweist. Die Fläche ist nur durch
eine dünne Wandung von dem das Kühlmittel des Uerbrennungsmotors enthaltenden Raum
getrennt und hierdurch gut gekühlt. Auf diese gut gekühlte Fläche wird in der zweiten
i-lälite des Ansaugtaktes filmartig der Kraftstoff verteilt. Die Distanz zwischen
der Öffnung der Einspritzdüse 3 und der Mulde 6 ist klein. Eine Zerstäubung des
eingespritzten Kraftstoffes wird hierdurch weitgehend verhindert.
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Die Zündkerze 5 ist so angeordnet, daß ihre Elektroden vom Kraftstoffstrahl
nicht unmittelbar getroffen werden können. Sie sind dem gebildeten Kraftstoffilm
jedoch unmittelbar benachbart angeordnet.
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Das Auslaßventil 4 ist gegenüber der Quetschfläche 7 nur leicht vertieft
angeordnet, wodurch bei Ventilüberschneidung der Ventilteller gerade noch einen
gewissen Abstand vom Boden des Kolbens aufweist. Eine gegenseitige Berührung ist
dadurch ausgeschlossen.
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Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf nach Figur 1 im
Bereich des Einlaßventils 2. Das Einlaßventil 2 ist voll geöffnet. An die eine Seite
des Einlaßventil-Tellers grenzt in engem Abstand die Querwand 8 an. Unterhalb der
Querwand 8 liegt die Mulde 6. Die Einspritzdüse 3 spritzt gerade Kraftstoff durch
das geöffnete Einlaßventil hindurch, der unter Bildung eines Filmes an der Wandung
der Mulde zur Ablage gelangt.
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Auf der Seite der Querwand 8 erstreckt sich im Ansaugkanal 10 die
Abreißkante 11. Diese ist so angeordnet, daß die angesogene Frischluft unter Vermeidung
einer direkten Anströmung der Mulde 6 den diesbezüglichen Bereich der Einbuchtung
passiert und durch den Überströmkinal in den Arbeitsraum gelangt. Die Einspritzdüse
ist der Abreißkante so zugeordnet, daß der aus der Einspritzdüse
austretende
Kraftstoffstrahl die Wandung der Mulde ohne nennenswerte Zerstäubung und Ablenkung
zu erreichen vermag. Der Weg der einströmenden Frischluft ist durch einen Pfeil
gekennzeichnet.
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Figur 3 ist eine rä@mliche Darstellung des Brennraumes von der @ylinderkopfunterseite
her. Sie vermittelt einen plastiselen Eindruck von der Ausbildung der Einbuchtung
1 sowie der räumlichen Lage der u er wand 8, die durch die Hulde 6 @nterschnitten
ist.
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- Leerselte -