DE2259286A1

DE2259286A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2259286A1
Application number: DE2259286A
Authority: DE
Inventors: Tasuku Date; Toru Hatanaka; Isamu Minowa; Akira Okubo; Junji Otani; Shizuo Yagi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1972-01-11
Filing date: 1972-12-04
Publication date: 1973-08-02
Also published as: DE2259286C3; GB1410611A; DE2259286B2; IT973858B; SE7603370L; SE388242B; SE435854B; FR2167512A5

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. Walter Abitz 4. Dezember 1972

Dr. Dieter F. Morf 138/24-1

D·". Hans-A. Brauns

Miinchen86, Pieweneuerstr.M

HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA 5,5-Chrome, Yaesu, Chuo-Ku, Tokio, Japan

Verbrenn ungskraf tmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft Viertakt-Verbrennungskraftmaschinen und beschäftigt sich insbesondere mit der Verringerung von Stickstoffoxiden. (NO ), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC-) und Kohlenmonoxid (CO) in den Abgasen derartiger Maschinen.

Man hat bereits vorgeschlagen (gemäss. der britischen Patentschrift 948 686), eine Viertakt-Verbrennungskraftmaschine mit Funkenzündung und hin- und hergehenden Kolben vorzusehen, in welcher jeder Zylinder eine Hauptverbrennum.-g.skammer aufweist, die ein Einlass-und ein Auslassventil besitzt, sowie eine Mlfsverbrennungskamiaer, die mit einem Einlassventil ausgestattet ist- Die Zündkerze ist in der ' Hilfsverbrennungskammer angeordnet, welche mit der Hauptverbrennungskammer über eine kleine als "Fackeldüse" bekannte Öffnung in Verbindung steht. Dir Hauptverbrennungskammer

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wird ein verhäl tnismäs si g mageres Luft-Kraft i>i ο +i <?*"*'■*<■'} zugeführt, während die Hilfsverbrennungskammer mit einem verhäl tnismässig fetten Luft-Kraft stoff gemisch versorgt wird. Während des Betriebes wird das fette Gemisch durch die Zündkerze mühelos gezündet und die aus der Fäkeldüse erhaltene Flamme zündet das magere Gemisch in der Hauptverbrennungskammer .

Es wurde nun gefunden, dass es möglich ist, die Abgasemissionen von NO , HC und CO durch eine geeignete Auswahl bestimmter Parameter und durch die Änderung gewisser Merkmale einer derartigen Maschine zu verringern.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Viertakt-Verbrennungskraftmaschine mit Funkenzündung und hin- und hergehenden Kolben geschaffen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass dem oder jedem Zylinder eine Hauptverbrennungskammer und eine Hilfsverbrennungskammer zugeordnet ist, wobei, die Hauptverbrennungskammer teilweise durch den jeweiligen Kolben begrenzt wird und über eine Fakeldüse mit der Hilfsverbrennungskammer in Verbindung steht, mit Einlass- und Auslassventilanordnitngen für die Hauptverbrennungskammer, mit einer Hilfseinlassventil-Anordnung für die Hilfsverbrennungskammer, und einer Einrichtung zur Zündung des brennbaren Gemisches in der Hilfsverbrennungskammer, wobei das Volumen der Hilfsverbrennungskammer zwischen 5 und 12 $ des gesamten Volumens der Hauptverbrennungskammer (gemessen» wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet) und der HiIfsverbrennungskammer beträgt und ferner die Mindest-

2 querschnittsfläche der Fackeldüse zwischen 0,04 und 0,20 cm

2 3 (und vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,l6 cm ) pro cm des Volumens der Hilfsverbrennungskammer beträgt.

Vorzugsweise wird die Mindestquerschnifctsflache der Fackeldüse über wenigstens einen Teil der Länge der Fackeldüse im wesentlichen konstant gehalten.

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Die Einlass- und Auslassventilanordnung für die Hauptverbrennungskammer kann aus einem einzigen Einlassventil und einem einzigen Auslassventil bestehen

Die Maschine weist zweckmässig eine Einrichtung auf, um den Ventileinlass zur Hilfsverbrennungskammer ein verhältnismässig fettes brennbares Gemisch zuzuführen und um dem Ventileinlass fpr die Hauptverbrennungskammer ein verhältnismässig mageres brennbares Gemisch zu liefern.

Die Gemischzufuhreinrichtung besteht vorzugsweise aus einem ersten Vergaser, welcher der Hilf sverbrennungskammer ein brennbares Gemisch zuführt und einem zweiten Vergaser, welcher der Hauptverbrennungskammer ein brennbares Gemisch zuführt. Ferner ist zweckmässig eine Einrichtung vorgesehen, die aus einem Nocken und einem Nockenfolgeelement bestehen kann, um die Bewegungen der Drosselklappen des ersten und zweiten Vergasers so. zu koordinieren, dass sie sich zwischen der Leerlauf- und Vollaststellung der Drosselklappe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, dass das gesamte Luft-Krafbstoffgemisch im Leerlauf fetter als bei Vollast ist.· Vorzugsweise ist ein einziges Betätigungselement vorgesehen, welches die Bewegung der beiden Drosselklappen verursacht. Die Mindestquerschnittsflache der i'eckeldüse ist zweckmässig grosser als die Querschnittsfläche des Venturi-Bereichs des ersten Vergasers..

Die Hilfsverbrennungskammer ist zweckmässig in einem Hohlraum ausgebildet und weist einen dünnwandigen, metallischen Napf geringer Wärmekapazität auf, .welcher 'innerhalb des Hohlraums, aber im Abstand zu den Wänden desselben angeordnet ist, wobei der Napf eine Öffnung besitzt, die mit dor Fakeldüse in Verbindung steht. Der Napf kann aus wärmebeständigen Material hergestellt ..werden, vorzugsweise aus

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rostfreiem Stahl mit einer Stärke von etwa 2 mm. Der Napf ist zweckmässig mit einem endseitigen Flansch versehen, durch welchen er an den Wänden des Hohlraums befestigt wird.

Die Hilfsverbrennungskammer ist zweckmässig mit einer ersten öffnung versehen, welche mit der Fa&eldüse in Verbindung steht sowie mit einer zweiten öffnung, welche mit der Zündeinrichtung verbunden ist. Vorzugsweise ist die zweite öffnung nicht fluchtend gegenüber der ersten Öffnung und der KckeldUse derart angeordnet, dass eine direkte Aufnahme des brennbaren Gemisches vom Ventileinlass in die Hilfsverbrennungskammer vermieden wird. Die Zündeinrichtung besteht vorzugsweise aus einer Zündkerze und die Elektroden der Zündkerze sind vorzugsweise so angeordnet, dass ein unmittelbares Abfangen des in die HiIfsverbrennungskammer eingeführten brennbaren Gemisches vermieden wird.

Zweckmässig verläuft die Achse der Faiceldüse in der Nachbarschaft zu oder in Berührung mit der Kolbenachse an oder unter der Oberseite des Kolbens in dessen oberen Totpunkt.

Die Hauptverbrennungskammer ist vorteilhaft unsymmetrisch ausgebildet, wobei ihre maximale Höhe in einem Bereich an .jener Seite der Zylinderachse liegt, die der lackeldüse zugewandt ist.

Vorteilhaft ist die Anordnung derart ausgebildet, dass das den VentileinlasD zur Hilfsverbrennungskammer zugeführte brennbare Gemisch im Wärmeaustausch mit den Abgasen gebracht wird. Die Maschine weist vorzugsweise Einlass- und Auslasskanäle auf, die mit der Hauptverbrennungskammer verbunden sind, eine Einlassleitung, welche in Verbindung mit der Hauptverbrennungskammer liegt, eine erste, dünnwandige metallische Leitung, um dem Einlassventilkanal zur HiIfsverbrennungskammer ein brennbares Gemisch zuzuführen, mit einer zweiten dünnwandigen metallischen Leitung zur Aufnahme

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von Abgasen vom Auslassventilkanal, wobei zumindestens ein Teil der dünnwandigen, metallischen Leitungen miteinander in Wärmetausch steht, so dass das brennbare Gemisch in der ersten Leitung durch die Abgase in der zweiten Leitung erhitzt wird, und mit einem umgebenden Gehäuse mit relativ starken Wänden, welche die Leitungen umschliessen. .

Eine erfindungsgemässe Viertakt-Verbrennungskraftmaschine. wird anschließend als Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

Pig. 1 eine teilweise im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines Teils der Maschine, wobei der Aufbau und die Anordnung der Verbrennungskammern schematisch dargestellt sind, . '

Fig. 2, 3 und .4 Einzelquerschnitte längs der Linien 2-2, 3-3 und 4-4 der Fig. 1 ,

Fig. 5 einen Querschnitt im grösseren Masstab, welche den tatsächlich Aufbau und die Anordnung der Verbrennungskammern angibt,

Fig. 6 einen. Teil der'Fig. 5 i& vergrossertem Masstab,

Fig. 7 eine Seitenansicht, welche einen Abschnitt eines der in Fig. 1 gezeigten Teils der Maschine in vergrossertem Masstab wiedergibt und

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die folgenden Vorgänge beim Verbrennungsprozess zeigt.

Die in den Zeichnungen dargestellte Brennkraftmaschine besitzt einen Kolben 1, der eine bewegliche Wand der Haupt» verbrennungskammer 2 bildet. Eine Fackeldüse J erstreckt sich zwischen der Hauptverbrennungskammer 2 und einer Hilfs-

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verbrennungskammer 5» welch letztere mit einer Zündkerze versehen ist. Der Einlasskanal 6 zur Hauptkammer 2 wird durch ein Einlassventil 9 geregelt, während ein Einlasskanal 7 zur Hilfskammer 5 durch ein ,Einlassventil 10 geregelt wird. Der Auslasskanal 8.aus der Hauptverbrennungskammer 2 v/ird durch ein Auslassventil 11 geregelt. Die drei Ventile 9) 10 und 11 sind im Zylinderkopf angeordnet und werden durch herkömmliche Mittel, zu denen eine Nockenwelle 20 gehört, gesteuert.

Die durch den Luftreiniger 13 eintretende Luft wird mit Kraftstoff im Hauptvergaser 14 und im Hilfsvergaser 15 gemischt und die auf diese Weise erhaltenen brennbaren Gemische nehmen ihren Weg durch die Haupteinlassleitung 16 bzw. die Hilfseinlassleitung 17· Der Vergaser 15 liefert an die Einlassleitung 17 ein verhältnismässig mageres Gemisch. Die Zündkerze 4 zündet das verhältnismässig fette Gemisch in der Hilfskammer 5 und bewirkt das Hindurchtreten einer flamme durch die Fackeldüse 3» um<das verhältnismässig magere Gemisch in der Hauptkammer 2 zu entzünden. Die Auspuffgase aus der Hauptkammer 2 nehmen ihren Weg durch den Auslasskanal 8 und die Auslassleitung 18 und dienen dazu, das fette brennbare Gemisch in der Leitung 17 zu erwärmen, um ein Kondensieren von Kraftstoff an den Wänden des Kanals und der Hilfskammer 5 zu vermeiden. Die Auspuffgase aus der Auspuffleitung 18 gelangen über eine Leitung 19 in den Auspuff stutzen 21.

Die die Hauptverbrennungskammer 2 bildenden Teile, die Fackeldüse 3 und die Hilfsverbrennungskammer 5 sind in Fig. 1 schematisch dargestellt, während die eigentliche bevorzugte Ausführungsform dieser Teile in Fig. 5 gezeigt ist (das Ilaupteinlassventil 9 ist aus Fig. 5 der übersichtlicheren Darstellung halber weggelassen).

Der Zylinderkopf 23 ist am Zylinderblock 12 durch herköciffi-

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liehe nicht gezeigte Mittel unter Zwischenschaltung der üblichen Dichtung 24 befestigt. Die Hauptverbrennungskammer wird innerhalb des Zylinders 25 zwischen dem Boden des Kolbens 1 und der gekrümmten Fläche 26 begrenzt, die eine Ausnehmung im Zylinderkopf 25 bildet, welche dem Kolbenboden gegenüberliegt. Teile dieser Hauptverbrennungskammer 2 werden durch die Teller des Einlassventils 9 und des 'Auslassventils 11 gebildet. Die Ausnehmung im Zylinderkopf ist nicht symmetrisch, hat jedoch die grösste Tiefe im Bereich der Fackeldüse 5· Die Ausnehmung hat eine kreisförmige Begrenzung, die , mit der Zylinderbohrung 25 zusammenfällt und im wesentlichen die gleiche Grosse hat.

Die Hilfsverbrennungskammer 5 ist.durch einen dünnwandigen Napf 29 und eine Zündkerzenausnehmung 28 begrenzt. Das Spiel 48 zwischen dem Napf 29 und den gekrümmten Wänden 27 im Zylinderkopf 23 ist so klein, dass es eine vernachlässigbare Wirkung auf das Volumen ha,t. Der Teller des Ventils 10 bildet die eine Wand der Hilfskammer 5· Der Napf wird durch einen Endflansch 30 iⁿ seiner Stellung gehalten, der zwischen wärmeisolierenden Elementen 31 ¹¹¹¹Ci. 32 eingespannt ist. Der dünnwandige Napf 29 weist eine erste Öffnung 33 auf, die sich mit der Fackeldüse 3 in Ausfluchtung befindet, und eine zweite Öffnung 34, die mit der Zündkerzenausnehmung 28 in Verbindung steht.

Ein Teil des in die Hilfsverbrennungskammer 5 durch den Vergaser 15 eingeleiteten fetten Gemisches tritt in die Hauptverbrennungskammer dadurch ein, dass es durch die Fackeldüse 3 hindurchtritt und in dem mageren Gemisch der Hauptverbrennungskammer 2 dispergiert wird. Der Dispersionsgrad hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit des durch die Facke-1-düse 3 hindurchtretenden fetten Gemisches ab. Das dispergierte Gemisch in der Nähe der Fackeldüse strömt in die Hilfsverbrennungskammer 5 während des Verdichtungshubes des Kolbens 1 zurück. Es wurde festgestellt., dass eine richtige

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Menge dieses Gemisches, das in der Nähe der Fackeldüse am Ende des Verdichtungshubes bleibt und magerer als das Gemisch in der Hilfsverbrennungskammer 5> jedoch fetter als das Gemisch in der Hauptverbrennungskammer 2 ist, eine wichtige Wirkung hat.

Dieser Teil des Gemisches wird bei bestimmten Luftströmungsgeschwindigkeiten in die Haupt- und Hilfsverbrennungskammer als "Gemischwolke" bezeichnet und die Menge und das Gemischverhältnis der Gemischwolke wird durch ^ (wie nachstehend definiert), das Kraftstoffluftverhältnis in dem der Hilfsverbrennungskammer (α ), das Kraftstoffluftverhältnis in dem der Hauptverbrennungskammer zugeführten Gemisch (α ), das Eilfskammervolumen (V ) und den Fackeldüsenqueischnitt (F. ) geregelt. Von diesen Faktoren werden die Faktoren V und F, durch die Bauform des Motors bestimmt, während /\ , α und α durch die Steuerung der Vergaser bestimmt werden.

Das Volumen der Hilfsverbrennungskammer 5 gegenüber dem Volumen der Hauptverbrennungskammer ist wesentlich (gemessen, wenn sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt befindet). Wenn das Volumen der Hilfsverbrennungskammer 5 im Vergleich zum Volumen der Hauptverbrennungskammer 2 zu gross ist, kann eine wirksame Verbrennung des mageren Gemisches in der Hauptverbrennungskammer nicht erwartet werden, da die Menge der Gemischwolke, die am Ende des Verdichtungshubes gebildet worden ist, klein ist. Wenn andererseits die Hilfsverbrennungskammer 5 ^mit Bezug auf das Volumen der Hauptverbrennungskammer 2 zu klein ist, wird die Flammenenergie durch die Fackeldüse 5 so gering, dass das magere Gemisch innerhalb der Hauptverbrennungskammer 2 nicht vollständig verbrennt. Es wurde festgestellt, dass das Volumen der Hilfskammer 5 zwischen 5 % und 12 % des gemeinsamen Gesamtvolumens der Hilfskammer 5 und der Hauptkammer 2 bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben, wie in der Zeichnung gezeigt, betragen soll.

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Ferner wird, wenn die Fackeldüse 3, welche die Hilfsverbrennungskammer 5 und die Hauptverbrennungskammer 2 miteinander verbindet, eine zu grosse Querschnittaflache hat, die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Fackeldüse hindurchtretenden Gemisches verringert, so dass der Grad der Gemisch dispersion kleiner wird und obwohl die Gemisehwolke relativ fetter wird, i"st. ihre Menge zu gering. Es kann daher eine wirksame Verbrennung des mageren Gemisches in der Hauptverbrennung skamm er nicht erwartet werden. Andererseits ist, wenn die Packeldüse 3 eine zu kleine Querschnittsfläche hat, die Blas- bzx*. Strömungsgeschwindigkeit des durch die Fackeldüse hindurchtretenden Gemisches so gross, dass der Dispersionsgrad des Gemisches extensiv wird und die Bildung einer VTÜnschenswerten Gemisehwolke nicht erhalten wird. Ea wurde festgestellt, dass beste Ergebnisse erzielt werden _i wenn die Querschnittsfläche der Fackeldüse 3 zwischen 0,04- qcm und 0,16 qcm je cm·^ Volumen der Hilfsverbrennungskammer beträgt. " .

Eine vollständige Verbrennung des mageren Kraftstoffiuftgemisches in der Hauptverbrennungskammer 2 ist notwendig, um HG und CO in den Auspuffgasen so gering wie möglich zu halten und dieses Merkmal der vollständigen Verbrennung wird durch die richtige Anordnung der Achse 35 der Fäckeldüse 3 begünstigt. Es wurde festgestellt, dass sich gute.Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Achse 35 durch die Mitte der Kolbenoberseite oder unmittelbar unterhalb dieser hindurchtritt, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet.

Das Verhältnis

Masse der in die Hilfskammer eingeleiteten Luft Masse der in die Hauptkämmer eingeleiteten -Luft

wird durch die Vergaser 15 und 14 geregelt, die miteinander in einer Weise gekoppelt sind, dass der gewünschte Wert von

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für jeden Betriebszustand vom Leerlauf bis zur Vollgasbelastung des Motors erzeugt wird. Dieses Verhältnis verändert sich von der Leerlaufstellung bis zur Vollgasstellung beträchtlich. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist; der Vergaser 15 mit einer Drosselklappe 39 versehen,· die durch einen Arm 40 betätigbar ist. In ähnlicher Weise ist der Vergaser 14 mit einer Drosselklappe 41 versehen, die durch einen Arm 42 mittels eines Seils 43 betätigbar ist. Der Arm 42 ist mit einer Kurvenfläche 44 ausgebildet, gegen welche eine Kurvenfolgerolle 45 anliegt, die am Arm 40 gelagert ist. Eine Feder 46 hält die Rolle 45 in Kontakt mit der Kurvenfläche 44. Das Verhältnis des Öffnungsgrades der Hilfsdrosselklappe 39 im Vergleich zum Öffnungsgrad der Hauptdrosselklappe 41 wird durch die Gestaltung der Fläche des Kurvene 1 ent ent s 44 bestimmt. Die Winkelbewegungen der Hauptdrosselklappe 41 und der Hilfsdrosselklappe 39 während der anfänglichen öffnungsstufen der Drosselklappen sind ähnlich. Wenn jedoch der Öffnungsgrad der Hauptdrosselklappe 41 zunimmt, verringert sich die Zunahmegeschwindigkeit des Öffnungsgrades der Hilfsdrosselklappe 39 gegenüber dem Öffnungsgrad des Hauptdrosselklappe.

Vor Beschreibung des Betriebs der Maschine ist es zweckmässig, auf die Verbrennungsbedingungen einzugehen, die zu einer Verkleinerung der Abgaseemissionen erforderlich sind.

Die Herabsetzung der Entstehung von NO auf ein Mindestmass geschieht dadurch, dass die SpitzenverbrennimgsteiBperatur verringert wird. Die mittlere Verbrennungstemperatur wird andererseits für eine lange Dauer so hoch wie möglich gehalten, um die Emission von HC so gering wie möglich au halten. CO-Emissionen werden dadurch auf einem Ändestiaass gehalten, dass überschüssiger Sauerstoff in dem brennbaren Gemisch aufrechterhalten wird*

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JA

Hinsichtlich der Herabsetzung des Entstehens von NO sollte die maximale Verbrennungstemperatur unter den meisten Betriebsbedingungen so geregelt werden, dass sie etwa 1200° C nicht überschreitet* Hierzu ist die maximale Verbrennungstemperatur bei herkömmlichen Viertakt*·Benzinmotoren gegenüberzustellen, die 1200° C unter Bedingungen relativ hoher Belastungen weit überschreitet.

Vas die Herabsetzung der Emission von HC auf ein Mindestmass betrifft, so verbrennt das brennbare Gemisch benachbart den Zylinderwänden von verhältnismässig niedriger Temperatur nicht vollständig, auch nicht, wenn ein herkömmlicher Motor unter den besten Betriebsbedingungen betrieben wird. Die Oxidation von HC wird begünstigt, wenn die Verbrennungstemperatur etwa 800° C überschreitet. Die Verbrennungstemperatur erreicht bei einem herkömmlichen Viertakt-Benzinmotor rasch einen höh en Wert nach der Zündung des Gemisches und fällt rasch ab, \rewa sich die Verbrennungsgase entspannen. Die hohe Temperatur, bei welcher die Oxidation von HC aktiv stattfindet, ist daher von sshr kurzer Dauer, so dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) von der Bähe der Zylinderwände abgeleitet werden. Daher sollte, um HC-Emissionen auf ein Mindestmass herabzusetzen, die maximale Verbrennungstemperatur im Zylinder auf einem verhältnismässig hohen Wert und so lange wie möglich gehalten werden.

Die CO-Emission wird auf ein Mindestmass herabgesetzt, wenn das brennbare Gemisch magerer als das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis ist. Ein solches mageres Gemisch zündet Jedoch sehr schlecht, was zu einem unstabilen Motorbetrieb führt und im Extremfall kann das in einen Zylinder, eingeleitete Gemisch ohne Verbrennung abgeleitet werden. Um CO-Emissionen auf ein Mindestmass herabzusetzen, muss daher der Verbrennungsprozess, so verbessert werden, dass der Motor

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in stabiler Weise mit einem sehr mageren brennbaren Gemisch betrieben werden kann.

Die Notwendigkeit zur Regelung der NO -Emissionen ist am grössten, wenn der Motor unter Bedingungen schwerer Belastungen betrieben wird, während die Notwendigkeit zur Regelung der HC-Emissionen am grössten ist, wenn der Motor im Leerlauf ist oder unter Bedingungen geringer Belastung betrieben wird.

Die vorerwähnten Erfordernisse hinsichtlich Zeit und Temperatur für das Erzielen geringstmöglicher Emissionen von NO , HC und CO inachen eine extrem langsame Verbrennungsgeschwindigkeit des brennbaren Kraftstoff-Luftgemisches notwendig. Ferner muss eine sehr starke Zündenergiaguelle zur Verbrennung des extrem mageren brennbaren Gemisches vorgesehen werden. Ausserdem muss die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend der Belastung des Motors geregelt werden, um die gewünschte Verbrennungstemperatür zu erzielen.

Im Betrieb des Motors wird beim Ansaughub ein mageres Gemisch in die Hauptverbrennungskammer aus dem Vergaser 14 über das Einlassventil 9 angesaugt und gleichzeitig wird ein fettes Gemisch in die Hilfsverbrennungskammer 5 aus dem Vergaser 15 über das Hilfseinlassventil 10 angesaugt. Beim Saughub wird fettes Gemisch in der Hilfsverbrennungskammer 5 in die Hauptverbrennungskammer 2 durch die Fackeldüse 3 gesaugt. Beim Verdichtungshub fliesst mageres Gemisch aus der Hauptverbrennungskammer 2 in die Hilfsverbrennungskammer 5 in umgekehrter Richtung durch die Fackeldüse 3, so dass das Kraftstoff-Luftverhältnis des brennbaren Gemisches in der Kammer 5 zum Zeitpunkt der Zündung magerer ist als es vorher aus dem Vergaser 15 erhalten wurde. Andererseits besteht die Neigung, dass das Kraftstoff-Luftgemisch in der Hauptverbrennungskammer 2 zum Zeitpunkt der Verbrennung fet-

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ter als das Gemisch wird, welches von dem Hauptvergaser geliefert wird. Der Grad einer solchen Veränderung im Kraftstoff-Luftverhältnis in der Haupt- und in der Hilfsverbrennungskammer wird durch das Verhältnis zwischen· den Mengen des mageren und des fetten Gemisches bestimmt, die in die beiden Verbrennungskammern gesaugt werden- Daher muss, wenn die Brennkraftmaschine ständig mit einem Gemisch von dem gewünschten Kraftstoff-Iiuftverhältnis betrieben werden soll, der Wert des Öffnungsverhältnisses zwischen .der Haupt- und der Hilfsdrosselklappe 41 bzw. 39 verändert werden, um das Verhältnis zwischen der Gemischmenge für die Hauptverbrennungskammer und die Hilfsverbrennungskammer für verschiedene Drosselklappenöffnungen zu verändern.

Hieraus ergibt sich, dass das öffnungsverhältais zwischen der Hauptdrosselklappe 41 und der Hilfsdrosselklappe 39 in ihren Teilöffnungsbereichen im wesentlichen konstant gehalten werden kann, um das Gemisch in der HiIfs.verbrennungskammer 5 verhältnismässig fett zu machen und dadurch seine Zündfähigkeit zu verbessern, während in den grösseren Öffnungsbereichen der Haupt- und der Hilfsdrosselklappe die Zunahme im Öffnungsgrad, der Hilfsdrosselklappe 39 mit

Bezug auf denjenigen der Hauptdrosselklappe 41 verringert wird, so dass das Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis mager gemacht wird, um eine zufriedenstellende Verbrennung sicherzustellen.

Es ist wünschenswert, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Hauptkammer 2 aussergewöhnlich niedrig ist, so dass eine übermässige Verwirbelung vermieden werden muss, für welchen Zweck der Hohlraum im Zylinderkopf, der durch die Wand 26 begrenzt wird, einen maximalen Durchmesser hat, der praktisch der gleiche wie der Durchmesser der Zylinderbohrung 25 ist. Daher ist, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, kein "Squish"-Bereich vorhanden, aus dem das Gas

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am Ende des Verdichtungshubes heftig ausgetrieben werden muss.

Der dünnwandige Napf 29 ist vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Werkstoff, wie korrosionsbeständiger Stahl, hergestellt und braucht nur eine Dicke von etwa 2 mm zu haben. Mit Ausnahme der Zündkerzenausnehmung 28 bildet der dünnwandige Napf 29 im wesentlichen die äussere Begrenzung der Hilfsverbrennungskammer 5· Der Napf 29 ist so ausgebildet und angeordnet, dass er während des Betriebs des Motors über den grössten Teil seiner Länge heiss bleibt; der Napf hat keinen Kontakt mit den Wänden des Zylinderkopfes 23» der durch Wasserkanäle 47 gekühlt wird. Wenn gewünscht, kann der Raum 48 zwischen dem dünnwandigen Napf 29 und den umgebenden Wänden 27 des Zylinderkopfes mit einem geeigneten wärmeisolierenden Material gefüllt werden. Gute Ergebnisse wurden jedoch auch erzielt, wenn dieser Raum leergelassen wurde. Der dünnwandige Napf hat eine geringe Wärmekapazität und ist von den Motorwänden wärmeisoliert, so dass, wenn der Motor angelassen wird, der dünnwandige Napf sofort erwärmt und dann während des Motorbetriebs auf einer verhältnisiaässig hohen Temperatur gehalten wird. Der heisse Napf verhindert die Kondensation von Kraftstoff, welcher durch das Ventil in die Hilfsverbrennungskammer 5 eingelassen wurde.

Das Auspuffgas ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor von einer höheren Temperatur und enthält überschüssigen Sauerstoff, so dass innerhalb der Auspuff-Anlage Oxidationsreaktionen stattfinden. Ferner wird, um das Einlassgemisch noch vollständiger zu verdampfen als es bei herkömmlichen Motoren der ITaI1 ist, der Hilfseinlasskanal, der zum Ventil 10 führt, auf einer höheren Temperatur gehalten. Unmittelbar nach dem Anlassen des Motors erwärmt sich die Auspuff-Sammelleitung, welche Wärme dazu verwendet wird, die Qualität des der Ililfsverbrennungskammer 5 zugeführten Gemisches zu verbessern. Um die Temperatur des fetten brennbaren Gemisches zwischen 140° C und 350 C zu deia Zeitpunkt zu halten, an

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welchem es die Hilf sverbrennungskammer 5 erreicht, wird das fette Gemisch in einem Wärmeaustauschverhältnis mit den Auspuffgasen geleitet. Die Temperatur soll 350° C nicht überschreiten, um eine Frühzündung zu verhindern·, aber es kann ohne Überschreitung dieser Temperatur erreicht werden, dass im wesentlichen der gesamte Kraftstoff im fetten Gemisch verdampft, bevor er in die Hilfsverbrennungskammer eintritt. Es ist vorteilhaft, die Auspuffleitung und die Einlassleitung für die Hilfskammer 5 als bauliche Einheit herzustellen, um sie so dünn wie möglich für einen maximalen Wärmeübergang zu machen. Da die Auspuffleitung sich jedoch auf etwa 800° C während des Motorbetriebs erwärmt, nimmt ihre Festigkeit ab, so dass sie eine mechanische Beschädigung erfahren kann. Ferner besteht die Gefahr, dass durch die durch Strahlung und auf andere Weise auf die Vergaser übertragene Wärme den Kraftstoff innerhalb der Vergaser zum Sieden bringt, was zu einem fehlerhaften Betrieb führt.

Wie sich am besten aus Fig. 1 bis 4- ergibt, haben die fette Einlassleitung 17 und die Auspuffleitung 18 eine gemeinsame Wand 50, die aus einem verhältnismässig dünnen Metall zur Begünstigung des Wärmeübergangs besteht. Die gemeinsame Wand 50 wird durch die Vereinigung von Teilen der Leitungen 17 und 18 gebildet, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt.Ein verhältnismässig dickwandiges Gehäuse 5I umschliesst die dünnwandigen Wärmeübergangsleitungen 17 und -18 und das Gehäuse ist durch herkömmliche Mittel an demjenigen Teil des Zylinderkopfes 23 befestigt, der mit Einlass- und·Auspuffleitungen versehen ist. Das Gehäuse schützt die heisse dünnwandige Wärmeübergangs-Auskleidung vor den zerstörenden Schwingungen von Motor und Fahrzeug. Die Hilfseinlassleitung und -Auslassleitung sind kurz vor dem Verbindungspunkt mit dem Zylinderkopf getrennt, um die Wärmespannungen zu absorbieren und einen sicheren Fahrzeugbetrieb zu gewährleisten..

Die Stellung der Zündkerze 4 ist so gewählt, dass ihre Elek-

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troden 49 ausserhalb der Bahn des fetten Gemisches angeordnet sind, das in das Innere des Napfes 29 zwischen dem Ventil 10 und dessen stationären Sitz eintritt. Auf diese Weise sind die Elektroden 49 gegen einen auf ihnen kondensierenden Kraftstoff aus dem fetten Gemisch geschützt. Die Zündkerzenelektroden sind ferner so angeordnet, dass keine direkte "£ichtlinien"-Bahn durch die Fackeldüse 3 ¹¹^d die Napföffnungen 33 und 34 zu den Elektroden besteht. Auf diese Weise bewirkt die kräftige Luftströmung, die von der Hauptkammer 2 zur Hilfskammer 5 während des Verdichtungshubes des Kolbens 1 stattfindet, keinen solch starken Gasstrahl, dass eine Fehlzündung dadurch auftreten könnte, dass der Funke zwischen den Elektroden 49 ausgeblasen wird. Die Achse 35 der Fackeldüse 3 ist zum oberen Teil der Hilfsbrennkammer 5 gerichtet, während die Mitte der Öffnung 34, die mit der Zündkerzenausnehmung 28 in Verbindung steht, versetzt gegenüber dieser Achse angeordnet ist. Die Zündkerze 4 erzeugt daher ihren Funken ohne die Gefahr, dass er ausgeblasen wird.

Es ist wichtig, dass die Querschnittsfläche der Fackeldüse 3 grosser als die Querschnittsfläche der Venturidüse 37 i^m Vergaser 15 für die Hilfsverbrennungskammer 5 ist. Wenn der Motor mit bzw. nahezu der Vollast betrieben wird, soll die Menge des fetten brennbaren Gemisches, das der Hilfsverbrennungskammer 5 zugeführt wird, durch die Grosse der Venturidüse 37 bestimmt werden, und in ähnlicher V/eise soll die Menge mageren brennbaren Gemisches, das der Hauptverbrennungskammer 2 zugeführt wird, durch die Grosse der Venturidüse 38 bestimmt werden. Die Innenwände der Fackeldüse 3 unterliegen nach einer Betriebsperiode einer Kohleanlagerung. Eine Verkleinerung der Grosse der Fackeldüse 3 durch Kohleanlagerung würde zu einer Beschränkung der Menge fetten brennbaren Gemisches führen, das die Hilfsverbrennungskammer 5 erreichen kann, falls der Querschnitt der Fackeldüse nicht ausreichend gross bemessen ist, um eine derartige Anlagerung

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zuzulassen. Durch diese Beschränkung würde der richtige Ausgleich zwischen dem durch den Vergaser 15 zugeführten' fetten Gemisch und dem durch den Vergaser 14- zugeführten mageren Gemisch gestört. Die Querschnittsfläche der Fackeldüse 3 wird daher grosser als die Querschnittsfläche der Venturidüse 37 im Vergaser 15 gemacht, und zwar um einen Betrag, durch welchen die Kohleanlagerung "berücksichtigt wird. ·

Die graphische Darstellung der Fig. 8 zeigt Einzelheiten des Verbrennungsprozesses im Betrieb des erfindungsgemässen Motors. Die graphische Darstellung zeigt die Druck- und Temperaturkurven des Verbrennungsgases in der'Hauptbrennkammer für jede Winkelstellung der Kurbel, wenn geeignete Kraftstoff-Luftgemische sowohl der Haupt- als auch der Hilfsverbrennungskammer zugeführt werden. Die Temperaturen beziehen sich auf die Temperaturwerte, die an dem in Fig. 5 gezeigten Punkt "T" oder in dessen Nähe auftreten.

Der Punkt A auf der Druckkurve zeigt den Beginn—Punkt der Druckausbreitung zur Hauptverbrennungskammer 2, welcher Druck in der Hilfskamnier 5 erzeugt wird, nachdem das fette Gemisch gezündet hat. Dieser Druckanstieg setzt sich bis zum Punkt B fort.

Der Punkt A^r auf der Temperaturkurve entspricht dem Punkt A auf der Druckkurve. Das geringe Temperaturniveau am Punkt'A' bedeutet, dass bis zu diesem Zeitpunkt die Flammenfront. die Hauptverbrennungskammer nicht erreicht hat. Der Punkt B' auf der Temperaturkurve entspricht dem Punkt B auf der Druckkurve, wenn die Gastemperatur in der Hauptverbrennungskammer angestiegen ist, nachdem die Plämmenausbreitung zur Hauptverbrennungskammer aus der Hilfsvsrbrennungskammer stattgefunden hat. Hit anderen V/orten, die Verbrennung in der Hilfskammer 5 ist am Punkt B bzw. B¹ abgeschlossen und die Flammenfront hat sich in das Kraftstoff-Luftgemis'cß in der Hauptkammer in der Kähe der Fackeldüse 3 fortgepflanzt.

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Die Verbrennungsgeschwindigkeit bis zum Punkt C maximalen Druckes ist verhältnismässig hoch, was zu einem raschen Temperaturanstieg zwischen den Punktem B' und C führt. Nach dem Maximum am Punkt G nimmt, wenn der Kolben seine Abwärt sbev/egung begonnen hat, der Druck ebenfalls ab. Die Temperatur steigt jedoch nach dem Punkt C weiter an, was bedeutet, dass die Verbrennung alles brennbaren Gemisches in der Hauptkammer 2 noch nicht abgeschlossen ist und das restliche Gemisch während des Abwärtskolbenhubes mit einer geringen Geschwindigkeit weiter brennt.

Der grosse Unterschied der Verbrennungsgeschwindigkeit unmittelbar vor dem Punkt C im Vergleich zu der nach dem Punkt C ist durch den Unterschied des Kraftstoff-Luftverhältnisses im brennbaren Gemisch in der Hauptverbrennungskammer 2 in der Nähe der Fackeldüse 3 bedingt. Die Verbrennung in der Hauptkammer 2 dauert während des Abwärtshubes des Kolbens an, v/as die Höchsttemperatur am Punkt D¹ ergibt. An diesem Punkt des Kolbenhubes ist das Volumen der Hauptverbrennungskamrner extrem gross, so dass die maximale Verbrennungstemperatur wesentlich niedrig im Vergleich zu der der herkömmlichen Brennkraftmaschine gehalten wird, bei welcher die Höchsttemperatur nicht später als 20 ° bis 30 ° nach dem oberen Totpunkt auftritt. Der Punkt D' liegt etwa 90 nach dem oberen Totpunkt.

Der Punkt E zeigt den üffnungspunkt des Auspuffventils. Die entsprechende Temperatur ist am Punkt E¹ gezeigt, die wesentlich höher als diejenige einer herkömmlichen Viertakt-Brennkraftaaschine ist. Ferner ist der sehr langsame Temperaturabstieg nach dem Punkt D¹ erkennbar, was bedeutet, dass das restliche Gemisch in der Hauptkammer 2 während des Auspuffhubes des Kolbens weiterbremit.

Die Temperaturkurve zeigt, dass zum Oxidieren der Kohlenwasserstoffe eine längere Zeit zur Verfugung steht, als

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bei den iLerkömnilichen Motoren möglich ist, und dass das Hochtemperatur-Auspuffgas wirksam zum Vorwärmen des Einlassgemisches und zum Oxidieren der noch unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Auspuffsystern verwendet werden kann.

Physikalische Versuche, die bei erfindungsgemässen Kraftwagenmotoren durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Emission von NO , HC und CO in den Auspuffgasen wesentlich niedriger als die Höchstwerte liegen, die für 1975 durch die "United States Environmental Protection Agency" nach dem "Clean Air Act" als zulässig bezeichnet worden sind.

Es ist offensichtlich, dass die Erfindung sowohl bei Einzylinder - wie auch Mehrzylindermaschinen Verwendung finden kann und dass im letzteren Falle eine einzige Zuführung eines fetten Gemisches (beispielsweise ein Vergaser) und eine einzige Zuführung eines mageren Gemisches (beispielsweise ein weiterer Vergaser) zur Einspeisung des brennbaren Gemisches in eine Anzahl von Zylindern verwendet werden könnten.

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Claims

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Pat entansprüche

ί 1 .J Viertakt-Verwendungskraftmaschine mit Funkenzündung ^^ und hin- und herbewegten Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass dem oder jedem Zylinder eine Hauptverbrennungskammer und eine Hilfsverbrennungskammer zugeordnet ist, und dass die Hauptverbrennungskammer teilweise durch den zugeordneten Kolben begrenzt wird und über eine Packeldüse in Verbindung mit der Hilfsverbrennungskammer steht, mit einer Einlass- und Auslassventileinrichtung für die Hauptverbrennungskammer, einer Hilfseinlassventileinrichtung für die Hilfsverbrennungskammer, und einer Einrichtung zur Zündung des brennbaren Gemisches in der Hilfsverbrennungskammer, wobei das Volumen der Hilfsverbrennungskammer zwischen 5 und 12 7o des gesamten vereinigten Volumens der Hauptverbrennungskammer (gemessen, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet) und der Hilfsverbrennungskammer liegt, wobei die Mindestquer-

■ schnittsfläche der Fackeldüse zwischen 0,04 und 0,20 cm

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(und vorzugsweise zwischen 0,04 und 0,16 cm ) pro cm der Hilfsverbrennungskammer beträgt.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestquerschnittsflache der Fackeldüse über mindestens einen Teil der Länge der Fackeldüse im wesentlichen konstant gehalten wird.

J. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassventileinrichtung für die Hauptverbrennungskammer aus einem einzigen Einlassventil und einem einzigen Auslassventil bestehe.

4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zufuhr eines verhältnismässig fetten brennbaren Gemisches zum

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Ventileinlass zur Hilfsverbrennungskammer und zur Zufuhr eines verhältnismässig mageren brennbaren Gemisches zum Ventileinlass zur Hauptverbrennungskammer.

5- Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzufuhreinrichtung einen ersten Vergaser aufweist, welcher zur Zuführung eines "brennbaren Gemisches zur Hilfsverbrennungskammer dient sowie einen zweiten Vergaser, welcher zur Zufuhr eines brennbaren Gemisches zur Hauptverbrennungskammer' dient.

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5?-dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste wie auch der zweite Vergaser eine Drosselklappe aufweist, und dass eine Einrichtung zur gleichzeitigen Bewegung beider Drosselklappen vorhanden ist, und ferner eine Einrichtung zur

Koordination der Bewegungen der Drosselklappen in solcher Weise, dass sie sich zwischen Leerlauf- und Vollaststellung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, dass· das gesamte Luft-Kraftstoffgemisch im Leerlauf fetter als bei Vollast ist.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinationseinrichtung sinen Hocken und ein Nockenfolgeelement aufweist.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, oder 7> da-" durch gekennzeichnet, dass ein einziges Betätigungselement zur Betätigung beider Drosselklappen vorgesehen ist.

9· Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vergaser einen Venturi-Bereich aufweist und dass die Mindestquerschnittsfläche der Fackeldüse grosser als die Quer-

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schnittsfläche des Venturi-Bereichs des ersten Vergasers ist.

10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9) dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsverbrennungskammer innerhalb eines Hohlraums ausgebildet ist und einen dünnwandigen metallischen Napf geringer Wärmekapazität aufweist, welcher innerhalb des Hohlraums, aber im Abstand von den Wänden desselben angeordnet ist und welcher eine Öffnung aufweist, die mit der Fackeldüse in Verbindung steht.

11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Napf aus wärmefesten Material mit einer Stärke von etwa 2 mm besteht.

12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Napf aus rostfreiem Stahl besteht.

1J. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Napf einen endseitigen Flansch besitzt, durch welchen er an den Wänden des Hohlraums befestigt wird. .

14. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1J, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsverbrennungskammer eine erste öffnung aufweist, die mit der Fackeldüse in Verbindung steht sowie eine zweite Öffnung, die mit der Zündeinrichtung verbunden ist.

15· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung ausser Fluchtung gegenüber der ersten öffnung und der Fackeldüse angeordnet ist, und zwar in solcher Weise, dass ein unmittelbares Abfongon des brennbaren Gemisches zwischen dein Ventileinlass und der Hilfsverbrennungskammsr vermieden wird.

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16. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung aus einer Zündkerze besteht. . . ·

1?. Verbrennungskammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Kerze derart angeordnet sind, dass ein unmittelbares Abfangen des in die Hilfsverbrennungskammer eingeführten brennbaren Gemisches vermieden wird.

18. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 1?, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der 3?akkeldüse nahe an der Achse des Kolbens verläuft oder diese berührt, und zwar jeweils an oder unter der Oberseite des Kolbens in dessen oberen Totpunkt.

19· Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haup'tverbrennungskammer einen unsymmetrischen Querschnitt aufweist, und ihre maximale Hohe in einem Bereich besitzt, der an jener Seite der Achse des Zylinders liegt, die der Fackeldüse zugewandt ist.

20. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19s dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so ausgebildet ist, dass das dem Ventileinlass zur Hilfsverbrennungskammer zugeführte fette brennbare Gemisch in Wärmetausch mit' den Abgasen gebracht wird.

21. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 20, gekenn- · zeichnet durch Einlass- und Auslassleitungen, Vielehe ,mit der Hauptverbrennungskammer in Verbindung stehen, mit einer Einlassleitung, die mit der Hilfsverbren-, nungskammer in Verbindung steht, mit einer ersten dünnvjandigen metallischen Leitung zur Zuführung eines brennbaren Gemisches zur Einlassventilleitung zur Hilfsver-

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brennungskammer, mit einer zweiten dünnwandigen metallischen Leitung zur Aufnahme von Abgasen von der Auslassventilleitung, wobei mindestens ein i'eil der dünnwandigen metallischen Leitungen im gegenseitigen Wärmetausch miteinander steht, so dass das brennbare Gemisch in der ersten Leitung durch die Abgase in der zweiten Leitung erwärmt wird, und mit einem umgebenden Gehäuse mit verhältnismässig dicken Wänden, welche die Leitungen umgeben.

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