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VERBRENNUNGSMOTOR
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotore insbesondere
auf Verbrennungsmotore mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung.
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Am zweckmäßigsten lassen sich die gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgeführten Verbrennungsmotoren für Kraftwagen verwenden.
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Bekannt sind Verbrennungsmotoren mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung,
in welchen die Vorkammerdüse, die den Hohlraum dieser Kammer mit dem Hohlraum der
Verbrennungskammer verbindet, und die DEse des in der Vorkammer untergebrachten
Brenners gegeneinander angeordnet sind. In der Vorkammer ist außerdem eine Funkenzündkelçe
des Brennstoff-Luft-Gemisches, das in der Vorkammer (s.z.B. Patentschrift der USA
Nr. 2.893.360) gebildet wird, vorgesehen.
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In derartigen Motoren wird die tuft zur Bildung in der Vorkammer
des Brennstoff-Luft-Gemisches in diese Kammer im Verdichtungstakt durch deren Verdrägung
mit dem Kolben aus dem Zylinderraum zugeführt. Da die Vorkammer in diesen Motoren
nicht durchgeblasen wird, bleiben die vom vorigen Arbeitsspiel gebliebenen Abgase
völlig in der Vorkammer zuruck.
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Darum wird in der Vorkammer nach der Brennstoffeinspritzung und dem
Linstrbmen der aus dem Zylinderraum verdrängten Luft ein Brennstoff-Luft- Gemischgebildet,
welches durch die genannten Abgase verunreinigt ist. Das in der Vorkammer gebildete
Brennstoff-Luft-Gemisch wird nachstehend das Vorkammergemisch gennnnt.
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In den genannten Motoren wird zum Gewährleisten der erforderlichen
Zusammensetzung des Vorkammergemisches der Rauminhalt der Vorkammer relativ hoch
gehalten (dber 30% des Gesamtrauminhalts der Verbrennungskammer, welcher die Summe
des Rauminhalts der Vor- und der eigentlichen Verbrennungskammer darstellt. Ein
derartig hoher Rauminhalt der Vorkammer verursacht einen übermäßigen Druckgefälle
-anstieg zwischen der Vorkanner und der Verbrennungskammer während der Brennstoffverbrennung,
wodurch die Ausflußgeschwindigkeit und die Schlegweite der Vorkammerfackel der Brenngase
bedeutend erhöht werden und die wärme- und gasdynamischen Verluste entsprechend
ansteigen. Dies ruft seinerseits eine unzulässige "Härte" des Motorlaufs bei
maximalen
Belastungen hervor, wodurch ein gesteigertes Geräusch und eine wesentliche Kürzung
der Lebensdauer des Motors bedingt werden. Darüber hinaus führt der übermäßig große
Rauminhalt der Vorkammer zu einer Steigerung der Instabilität des Arbeitsspiels
und folglich zu einer Verschlechterung der Sparsamkeit im Kraftstoffverbrauch des
Motors. Die Instabilität des Arbeitsspiels des Motors ist einigermaßen auch mit
der Verunreinigung des Vorkammergemisches durch die istgase verbunden.
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In den bekannten Verbrennungsmotoren schwankt die Brennstoffmenge
in der Vorkammer bei verschiedenen Betriebszuständen in einem weiten Bereich, während
die in die Vorkammer gelangende Luftmenge praktisch unverändert bleibt. Die Folge
davon ist, daß die Zusammensetzung des Vorkammergemisches sich in ziemlich weiten
Grenzen ändert, während zum Erlangen der höchsten Effektivität des Arbeitsprozesses
die Zusammensetzung dieses Gemisches bei sämtlichen Betriebszuständen in einem Bereich
zu erhalten ist, der einem Luftüberschußfaktor 06=0,5-0,9 entspricht (Unter den
Luftüberschußfaktor versteht man das Verhältnis der wirklichen Luftmenge im Brennaboff-Luft-Gemisch
zur Luftmenge, welche theoretisch zum vollständigen Verbrennen des Brennstoffs erforderlich
ist).
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Bekannt sind ferner Verbrennungsmotoren mit Vorkammer-Fackelzündung,
in welchen der Rauminhalt dcr Vorkammer verhältnismäßig gering ist (bis 12% des
Gesamtvolumens der Verbrennungskammer), wobei der Innenraum der Vorkammer
mit
Hilfe eines Durchblasasystems mit einem in der Vorkammer angeordneten Einlaßventil
(s.z.B. Patentschrift der USA Nr. 3.800.205) durchgeblasen wird.
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Das Durchblasesystem komSliziert den Aufbau des Motors und gewährleistet
nicht das Erhalten der Zusammensetzung oes Vorkammergemisches in den erforderlichen
Grenzen im weiten Bereich der Betriebszustände des Motors.
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Bei der Arbeit eines Verbrennungsmotors unter maximalen Belastungen
und bei kleinen Geschwindigkeiten entsteht ein geringes Druckgefälle zwischen der
Vorkammer und der Gasleitung. Die Gasleitung weist einen bedeutenden gasdynamischen
Widerstand infolge ihrer großen Länge und der vorhandenen Krümmungen auf. Dieser
Umstand beschränkt die Luftzufuhr (bzw. des BrennRtoff-LuSt-Gemisches) in die Vorkammer
in einer Menge, welche für ein hinreichendes Durchblasen des Vorkammerraumes von
den Restgasen erforderlich ist, was zu einer Verschlechterung der Zundung des Vorkemmergemisches
und und zu einer instabilen Arbeit des Vorkammermotors führt. Bei der Arbeit eines
Motors unter geringen Belastungen und im Leerlauf, wenn eine tiefe Drosselung der
Linlaßluft vorgenommen wird, findet ein Schroffer Druckgefälle anstieg zwischen
Vorkammer und Gasleitung statt. Das bedingt einen wesentlichen Anstieg der Durchflußmenge
des Vorkammergemisches durch die Vorkammer in die Verbrennungskammer und verursacht
ein übermäßiges Durchblasen der VorkamerD wodurch die
Zündkerzenelektroden
vom reichhaltigen Brennstoff-Luft-Gemisch überflùtet werden, was gleichfalls eine
Störung der Zündung des Vorkammergemisches hervorruft.
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Außerdem bewirken die in der Gasleitung des genannten Durchblasesystems
unvermeidlich auftretenden Wellenerscheinungen ebenfalls eine Störung der stabilen
Speisung der Vorkammer mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch.
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In den obenbeschriebenen Motoren läßt sich infolge einer übermäßigen
Überfettung des gemisches in der Vorkammer, besonders im Bereich der hohen Belastungen
die Spätzufuhr des Brennstoffs in die Verbrennungskammer im Verdichtungstakt nicht
verwirklichen.
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Das behindert seinerseits die Anwendung hoher Druckverhältnisse (#=11-13)
wegen der Gefahr einer klopfenden Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches, und
damit entfällt die Möglichkeit einer BrhUhung des Wirkungsgrades des Motors und
Betriebs mit verschiedenen Brennstoffen.
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Außerdem läßt sich in den obenbeschriebenen Rotoren eine schichtweise
Lagerung des Brennstoff-Luft-Gemisches längs der Fackel der aus der Vorkammer herausetrömenden
Brenngase nicht gewährleisten, wodurch ein schichtweises Verbrennen des Brennstoffs
unmöglich ist, was seinerseits zu einer gesteigerten Konzentration der toxischen
Bestandteile der Auspuffgase führt, Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Behebung
der genannten Mängel.
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Der Erfindung liegt die Aufhabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor
mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer -Fackelzündung zu schaffen, bei dem die
Vorkammer eine derartige konstruktive Gestaltung hat, die bei einem relativ geringen
Rauminhalt sich von den Abgasen durchblasen und reinigen läßt und die Bildung eines
Brennstoff-Luft--Gemisches von einer optimalen Zusammensetzung im gesamten Bereich
der Betriebszustände des Motors gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verbrennungsmotor mit Brennstoffe
inspritzung und Vorkammer-Fackelzündung, bei dem mindestens eine Vorkammerdiise,
die ihren Innenraum mit dem Innenraum der Verbrennungskammer verbindet, und mindestens
eine Brennerdüse, die in der Vorkammer eingebaut ist, gegeneinander angeordnet sind,
erfindungsgemäß in der Vorkammer in der Nähe vom Brenner mindestens ein Kanal ausgeftihrt
ist, der den Hohlraum der Verbrennungskammer mit dem Hohlraum der Vorkammer zusätzlich
verbindet, und die Brennerdüse in einem solchen Abstand von der Vorkammerdüse angeordnet
iet, daß der Brennstoffstrahl während des Einspritzens im wesentlichen in die Vorkammerdüse
gelangt und deren Innenfläche berührt, wobei das durch don Brennstoffstrahl im Hohlraum
der Vorkammer eingenommene Volumen 0,05-0,25 des Vorkammervolumens beträgt, 80 daß
der genannte Kanal zum Ansaugen des Arbeitsmittels in die Vorkammer aus der V.rbrennungskammer
während der Brennstoffzufuhr durch die Düse dient.
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Es ist zweckmäßig, die Querschnittsfläche des Kanals im wesentlichen
gleich der Fläche des Austrittsquerschnitts der Vorkammerdüse su wählen.
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Bei einer derartigen Wahl der Querschnitte des Kanals und der Vorkammerdüse
wird das günstigste Durchblasen der Vorkammer und deren Reinigung von den Abgasen
sowie die Bildung in ihr optimaler Zusammensetzungen des Brennstoff--Luft-Gemisches
im gesamten Bereich der Betriebszustände des Motors gewährleistet.
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Ebenso zweckmäßig ist es, den Austrittquerschnitt der Vorkammerdüse
so anzuordnen, damit er durch den Kolbenboden bei dessen Stellung im oberen Totpunkt
überdeckt wird.
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Bei einer Überdeckung des Ausgangsquerscnitts der Vorkammerdüse wird
die Auströmungsenergie der Vorkammerfackel der Brenngase auf einem auseichenden
Niveau aufechterhalten.
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Es wurde von uns festgestellt, da@ es am zweckmäßigsten ist, den
Kanal so anzuordnen, damit sein Ende, welches in die Verbrennungskammer mündet,
durch den Kolbenboden bei dessen Stellung im oberen Totpunkt überdeckt wird.
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Das Uberdecken des Kanalendes ermöglicht eine schichtweise Verbrennung
des Brenulstoff-Gas-Gemisches in der Verbrennungskammer, was seinerseits zu einer
Verringerung der Konzentration solcher toxischer Bestandteile der Auspuffgase wie
Stickstoffoxyde (NO), Kohlenoxid (CO) und nichtverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH)
führt.
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Der erfindungsgemäß ausgeführte Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung
und Vorkammer-Fackelzündung bietet die Möglichkeit, im Vergleich zu den weitverbreiteten
Kraftwagen-Vergasermotoren eine 10-25% höhere Leistung zu erhalten, den spezifischen
Brennstoffverbrauch um 10-15 herabzusetzen und die Toxizität der Auspu-fga.e im
@ @alen Betrieb um das 4-6fache zu verringern und im Vergleich zu den Dieselmotoren,
die spezifische Leistung um 20-30% zu erhöhen.
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Nachstehend folgt die Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Motoren unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsvariante der schematischen Darstellung
eines Zylinders des erfindungsgemäßen Motors mit Vorkammer, Verbrennungskammer und
Einlaßgasleitung; Fig. 2 das gleiche in einer anderen Ausführungsvariante; Fig.
3 einen Schnitt nach III III in Fig. 2; Fig. 4 das gleiche, wie in Fig .1, nach
einer dritten Ausführungsvariante; Fig. 5 ein Schema eines erfindungsgemäßen Rotationskolben-Verbrennungsmotors
mit Vorkammer; Fig. 6 das gleiche, bei der Lage des Botationskolbens während der
Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches; Fig. 7 Vergleich-Regelkennlinien eines
erfindungsgemaßen Einzylinder-Verbrennungsmotors nach der Zusammensetzung
des
Brennstoff-Luft-Gemisches mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung,
mit Vergas er-Gemischbildung und FunkenzUndung und mit Brennstoffeinspritzung in
das Einlaßrohr und Funkenzündung; Fig. 8 Vergleichs-Belastungskenhlinien eines erfin
-ungsgemäßen Motors mit Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung und eines
mit Vergaser-Gemischbil dung und Funkenzündung.
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In den nachstehend beschriebenen konkreten AusfUhrungbeispielen wird
ein Zylinder eines Mehrzylindermotors bzw.
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eine Zelle / eines Mehrzellen-Rotationskolben-Verbrennungsmotors betrachtet,
bei dem die Zylinder (bzw. die Zellen) identisch ausgeführt sind. Darum bleibt in
der folgenden Beschreibung alles, was sich auf einen einzelnen Zylinder (bzw. eine
Zelle) bezieht, in gleichem Maße auch flir alle übrigen geltend.
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Der erfindungsgemäße Kolbenverbrennungsmotor enthält einen Zylinder
1 (Fig. 1) in welchem der Kolben 2 untergebracht ist. Der Zylinder 1 ist durch den
Zylinderkopf 3 verdeckt, in welchem ein Einlaßventil 4 angeordnet ist, das den Zylinderraum
mit der Gasleitung 5 für die Luftsufuhr in diese Leitung im Ansaugtakt verbindet.
Im Zylinderkopf 3 befindet sich die Vorkammer 6 und die Verbrennungskammer 7.
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In der Vorkammer 6 ist ein mit der Brennstoffpumpe 9 verbundener
Brenner 8 sowie eine Zündkerze 10 angeordnet.
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In der Vorkammer 6 ist eine Düse 11 ausgeführt, die den Vorkammerraum
6 mit der Verbrennungskammer 7 verbindet.
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Die DUwe 11 ist in der Vorkammer 6 so ausgeführt, daß ihre Richtung
mit der Richtung des aus der Düse 12 des Brenners 8 ausströmenden Brennstoffstrahls
"A" zusammenfällt. Eine derartige Richtung des Brennstoffstrahls "A" gewährleistet
den Ubergang des Brennstoffs aus der Vorkammer 6 in die Verbrennungskammer 7 und
führt zu dessen fast gleichmäßigen Verteilung in der Verbrennungskammer.
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Die Düse 12 des Brenners 8 ist von der Düse 11 der Vorkammer 6 in
einem solchen Abstand 1 angeordnet, daß der Brennstoffstrahl "A" beim Einspritzen
ohne Zerspritzen fast gänzlich in die Düse 11 der Vorkammer 6 gelangt und deren
Innenfläche berührt. Der Abstand "1" und der minimale Durchmesser d der Düse 11
werden so gewählt, damit das Volumen vl des Brennstoffstrahls "A", welches sich
im Hohlraum der Vorkammer 6 befindet, 0,05#0,25 des Gesamtvolumens v2 der Vorkammer
6 beträgt, d.h.
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v1 = 0,05 # 0,25 v2 In der Vorkammer 6 ist in der Nähe der iXise
12 des Brenners 8 ein Kanal 13 ausgeführt,ier den Wohlraum der Vorkammer 6 mit dem
Hohlraum der Verbrennungskammer 7 zu sätzlich verbindet. Der Kanal 13 dient zum
Durchblasen und Reinigen der Vorkammer 6 von den Abgasen des vorigen Arbeitsspiels
und zu deren Füllung mit Luft (bzw. mit
dem Brennstoff-Luft-Gemisch)
aus der Verbrennungskammer 7.
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Das wird dadurch erreicht, daß während der Brennstoffzufuhr durch
die Düse 11 der Vorkammer 6 ein Druckgefälle zwischen den Kammern 6 und 7 entsteht,
indem der Brennstoffstrahl die Abgase aus der Vorkammer 6 in die Verbrennungskammer
7 mitreißt. Dank diesem Druckgefälle wird die Luft (bzw. das Brennstoff-Luft- Gemisch)
aus der Verbrennungskammer 7 in die Vorkammer 6 eingesaugt.
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Die Querschnittfläche des Kanals 13 muß annähernd der Fläche des
minimalen Querschnitts der iXise 11 entsprechen.
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Ein derartig ausgeführter Kanal gewährleistet eine maximale Reinigung
der Vorkammer 6 von den zurückgebliebenen Abgasen.
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Der Durchgangsquerschnitt der Düse 11 der Vorkammer 6 liegt in einer
ebene, parallel zum Kolbenboden 2 derart, daß der letztere bei seiner otellung im
oberen Totpunkt diesen Durchgangsquerschnitt überdeckt, wodurch das Aufrechterhalten
der Vorkammerfackel der Brenngase auf ausreichendem Niveau gewährleistet wird.
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Bei einer solchen Ausführungsart der Vorkammer 6 wird ihr Rauminhalt
im Bereich von 2 10 ; des Gesamtinhalts der Verbrennungskammer d.h. von der Summe
des Rauminhalts der Verbrennun;skammer 7 und der Vorkammer 6 gewählt, und der gesamte
Durchgangsquerschnitt der Die 11 der Vorkammer 6 und des Kanals 13 muß von 0,03
bis 0,1 cm2 je Kubikzentimeter Rauminhalt der Vorkammer 6 betragen. Diese
Parameter
sind auch für die weiteren, nachstehend betrachteten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors zu empfehlen.
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In einer anderen Ausführungsvariante des Verbrennungsmotors (Fig.
2,3) ist in der Vorkammer 14 der Kanal 15, welcher die Vorkammer 14 mit der Verbrennungskammer
16 zusätzlich verbindet, so angeordnet, daß sein in den Hohlraum der Verbrennungskammer
16 einmundendes kunde in einer Ebene liegt, die parallel zum Kolbenboden 2 verläuft,
und der Brenner 8 für die Brennstoffzufuhr sowie die Düse 17, welche die Vorkammer
14 mit der Verbrennungskammer 16 verbindet, sind koaxial so angeordnet, daß der
aus dem Brenner 8 ausströmende Brennstoffstrahl "A" in den Hohlraum der Verbrennungskammer
16 gerichtet ist. Ein derart gerichteter Brennstoffstrahl "A" ermöglicht eine schichtweise
Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Hauptverbrennungskammer längs der
Richtung des Brennstoffstrahls.
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Die Mise 17 hat zwei unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordnete
Ausgan;söffnungen "a" und "b".
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Infolgedessen wird der Brennstoffstrahl "A" in zwei Strahlen- "A1"
und "A2" aufgeteilt, wodurch sich die Luftladung in der Verbrennungskammer im Laufe
der Brennstoffverbrennung besser nutzen läßt.
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Der Abstand 11111 zwischen dem Eingnangsquerschnitt der Dilse 17
der Vorkammer 14 und dem Ausgangsquerschnitt der Düse 12 des Brenners 8 sowie der
Durchmesser "d" des minimalen
Querschnitts der Düse 17 der Vorkammer
14 werden analog dem obenbeschriebenen Beispiel gewählt, In der folgenden Ausfuhrng'svariante
enthält der Verbrennungsmotor (Fig. 4) einen Zylinder 1 mit einem darin eingesetzten
Kolben 18, im dem eine kugelförmige Verbrennungskammer 19 ausgeführt ist. Im Zylinderkopf
20 des Zylinders 1 ist das Einlaßventil 21 und die Vorkammer 22 untergebracht. Der
Brenner 8 und die diese 23 der Vorkammer 22 sind koaxial so angeordnet, daß der
Brennstoffstrahl "A" tanential zu'. sphärischen Oberfläche der Verbrennungskammer
19 gerichtet ist. Der Kanal 24, welcher die Vorkammer 22 mit der Verbrennungskammer
19 verbindet, liegt in der Nähe der Düse 12 des Brenners 8 tangential zur Richtung
des in der Verbrennungskammer 19 erzeugten Luftwirbels (durch die Pfeile "B" angezeigt).
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Der Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung
und Vorkammer-Fackelzündung enthält ein Gehäute 25 (Fig. 5, 6), in dem der Rotationskolben
26 untergebracht ist. Im Gehäuse 25 befindet sich die Vorkammer 27, welche mit der
Verbrennungskammer 28 durch die Düse 29 und den Kanal 30 verbunden ist. Die Düse
29 und der Brenner 8 sind koaxial zueinander angeordnet, während der Kanal 30 in
der Nähe der Düse 12 des Brenners 8 liegt.
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Der Abstand des Ausgangsquerschnitts der Düse 12 des Brenners 8 vom
Ausgangsquerschnitt der Düse 29 der Vorkammer 27 und der Durchmesser des minimalen
Querschnitts der Düse 29 werden wie auch in der ersten Ausführungsvariante des Kolbenverbrennungsmotors
gewählt.
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Im Gehäuse 25 ist eine Gasleitung 31 für die Luftzufuhr in den Motor
und eine Gasleitung 32 zum Auslassen der Abgase vorgesehen.
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Der nach der ersten Ausführungsvariante ausgeführte Verbrennungsmotor
ist in Fig. 1 dargestellt und arbeitet folgenderweise.
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Fig. 1 zeigt einen Moment des Ansaugtakts, wenn das Arbeitsmittel
(Luft bzw. das Brennstoff-Gas-Gemisch) durch das sich öffnende Einlaßventil 4 in
den Zylinderlaum 1 gelangt, und der Brennstot'f mit Hilfe der Pumpe 9 deo Brenner
8 zugeführt wird. Der aus der Düse 12 des Brenners 8 ausströmende Brennstoffstrahl
"Aw gelangt durch die Vorkammer 6 und die Düse 11 in den Zylinderraum 1, reißt dabei
die in der Vorkammer 6 vom vorigen Arbeitsspiel zurückgebliebenen Abgase mit sich
und saugt durch den Kanal 13 das Arueitsmittel aus der Verbrennungskaamer 7 an.
Auf diese Weise wird die Reinigung der Vorkammer 6 von den Abgasen bewerkstelligt.
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Am Ende der Brennstoffzufuhr bleibt dessen zuletzt eingespritzter
Teil, infolge seiner geringen kinetischen Energie, in der Vorkammer 6 zurück, Dieser
Brennstoff vermischt sich mit der in die Vorkammer 6 angesaugten Luft und dem Brennstoff-Luft-Gemisch,
das aus der Verbrennungskammer 7 in die Vorkammer 6 im Verdichtungstakt verdrängt
wird, und bildet ein fettes Vorkammergemisch mit einer Luft überschußzahl α
= 0,5#0,9 bei sämtlichen Betriebszuständen
des Motors. Am Ende
des Verdichtungstaktes entflammt die Zündkerze 10 das fette Gemisch in der Kammer
6, bei dessen Brennen chemisch aktive Produkte der unvollkommenen Verbrennung gebildet
werden. Infolgedessen steigt der Druck in der Vorkammer 6, wobei zwischen der Vorkammer
6 und der Verbrennungskammer 7 ein entsprechendes Druckgefälle entsteht. In diesem
Zeitpunkt überdeckt der sich im oberen Totpunkt befindende Kolben 2 mit seinem Boden
die Ausgangsöffnung der Düse 11. Darum strömt die chemisch aktive Vorkammerfackel
der Produkte der unvollkommenen Verbrennung des fetten Vorkammergemisches unter
einem geringen Druckgefälle hautpsächlich durch den Kanal 13 in die Verbrennungskammer
7 und entflammt das Brennstoff-Gas-Gemisch in der Brennkammer 7 und beschleunigt
dabei dessen Verbrennung.
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Die Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer
7 kann je nach dem Belastungszustand des Motors im Betrieb - vom Höchstleistungsgemisch
(α = 0,9#1,0) bis zum sehr mageren (α # 2) - geändert werden. Auf diese
Art wird im wesentlichen die Leistungsregelung des Motors im Gesamtbereich der variablen
Belastung durch entsprechende Anderung der Bestandteile des Brennstoff-Luft-Gemisches
gewährleistet, was durch Anderung der jeweiligen Menge des einzuspritzenden Brennstoffs
erreicht wird, während die in den Zylinder 1 gelangende Luftmenge beim gegebenen
Schnellauf des Motors fast unverändert bleibt.
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Eine derartige I.egelart erweist sich jedoch als effektiv im Belastungsbereich
von 100 bis etwa 50% der Motorleistung; darum läßt sich eine weitere Leistungsänderung
-bis zum Leerlaufdurch Anderung sowohl der Menge als auch der Zusammensetsung des
Brennstoff-Luft -(;emisches erreichen, wenn die Verringerung der Menge des einzuspritzenden
Brennstoffs durch ein gleichzeitiges Drosseln der Einlaßluft begleitet wird.
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Gleichzeitig kann man zur Verbesserung der Motorarbeit durch eine
vollkommener GemischtilduBg in der Vorkammer 7 einen Teil des Brennstoffs in die
Einlaßgasleitung 5 mit Hilfe der Düse 33 (Fig. 1) einspritzen, welche von der gleichen
Zelle der Brennstoffpumpe 9 gespeist wird.
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Der Verbrenn;smotor nach der zweiten vorzugsweisen Ausführungsvariante
, dargestellt auf Fig. 2 und 3, arbeitet analog der ersten Ausführungsvariante.
Der Unterschied besteht hierbei jedoch darin, daß beim Brennen des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches
in der Vorkammer 14 der sich im oberen Totpunkt befindende Kolben 2 mit seinem Boden
das Ende des Kanals 15, welches in den Hohlraum der Verbrennungskammer 16 einmündet,
überdeckt. Darum strömt die chemisch aktive Voränuaerfackel hauptsächlich durch
die Ausgangs-Öffnungen "a" und "b" dcr Düse 17 in die Verbrennungskammer 16, wo
sie das längs der Vorkammerfackel schichtweise verteilte Brennstoff-Luft-Gemisch
entflammt. Auf diese Weise erfolgt ein schichtweises Verbrennen des Brennstoff-Luft-
-Gemisches
in der Verbrennungskammer 16, bei welchem zuerst das brennstoffreiche Gemisch unter
mangelhafter Bauerstoffzufuhr (C2) zum Oxydieren des Stickstoffs verbrennt, wonach
das am Rande der Fackel liegende brennstoftarme Gemisch bei tieferer Temperatur
verbrennt, welche die Bildung der toxischen Stickstoffox,vde (NO ) behindert.
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Außerdem verursacht ein derartiges schichtweises Brennen eine .chroffe
Herabsetzung in den Auspuffgasen des Gehalts an solchen giftigen Bestandteilen,
wie Kohlenstoffoxyd (CO) und nichtverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH).
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Auf diese Weise gewährleistet die betrachtete Ausführungsvariante
nicht nur hohe technisch-ökonomische Kennziffern des Motors, sondern auch eine schroffe
Verminderung der Toxizität seiner Auspuffgase.
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Der Verbrennungsmotor nach der dritten Ausführungs variante, dargestellt
auf Fig. 4, arbeitet folgenderweise.
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Die Brennstoffzufuhr durch den Brenner 8 erfolgt im Verdichtungstakt.
Dabei gewährleistet die kugelförmige Verbrennungskammer 19 in ihr eine gerichtete
Bewegung des Luftwirbels "B". Die tangentiale Anordnung des Kanals 24 zur Bewegungsrichtung
des Luftwirbels t'Be begünstigt die erhaltung des erforderlichen Saugeffekts des
Brennstoff strahls "A" bei dessen Zufuhr in ein Medium mit großem Kompressionsgegendruck,
wodurch eine normale Reinigung der Vorkammer von den Abgasen gewährleistet wird.
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Die Hauptmenge des vom Brenner 8 durch die Düse 23 eingespritzten
Brennstoffs gelangt in die Verbrennungskammer 19. Die tangentiale Anordnung der
Düse 23 zur Wandfläche der Verbrennungskammer 19 gewährleistet ein Zerfließen des
Brennstoffs an der Oberfläche dieser Wandung in Form eines Films, welcher allmählich
verdampft wird. Der in der Vorkammer 22 zurückgebliebene Brennstoff vermischt sich
mit der durch den Kanal 24 gelangenden heißen Luft sind, da hierbei am Ende des
Verdichtungstaktes keine intensive itirbelbevegung herrscht, erfolgt eine Selbstzündung
dieses Gemisches mit einer kurzen Induktionsperiode früher als der Brennstoff in
der Verbrennungskammer 19, der sich in einem Zustand einer intensiven Turbulenz
befindet. Dabei steigt der Druck in der Vorkammer 22, und die Produkte der unvollkommenen
Verbrennung des fetten Vorkammergemisches werden in Form einer Fackel in die Verbrennungskammer
19 in zwei Richtungen -durch den hanal 24 und die iflise 23- ausgestoßen, wodurch
ein schnelles Verbrennen des Brennstoffe gemäß seiner Verdampfung von der Innenfläche
der Verbrennungskammer 19 gewährleistet wird. Das Verbrennen des Kraftstoffs verläuft
bei mäßigem Druckanstieg, während die chemisch aktive Vorkammerfackel ein schnelles,
vollkommenes und rauchloses Verbrennen - bis zur stöchiometrischen Zusammensetzung
(α = 1) des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer 19 gewährleistet.
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Nach dieser Ausführungsvariante kann der Motor mit beliebigen Sorten
flllssiger Brennstoffe und optimalen Druckverhältnissen
(&=
11-14) arbeiten. Für ein sicheres Anlassen und einen zuverlässigen Betrieb des Motors
bei teilweisen Belastungen, insbesondere bei der Verwendung der durch Kompression
zündträgen Brennstoffe z.B. Benzin, wird das Zunden des Vorkammergemisches mit Hilfe
einer in der Vorkammer 22 angeordneten Zündkerze bewerkstelligt.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolben-Verbrennungamot or mit Brennstoffeinspritzung
und Vorkammer-Fackelzündung (Fig. 5 und 6) arbeitet folgendweise.
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Das Brenns offeinspritzen durch den Brenner 8 erfolgt mit Hilfe der
Pumpe 9 durch den Holraum der Vorkammer 27 und die Düse 29 in die Verbrennungskammer
28 während der Kompresion der Luft bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches.
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Dabei bedingt die durch den kotationskolben 26 erzeugte gerichtete
Bewegung der Luft bzw. des Gemisches einen Anstieg des baugeffekts des durch den
Brenner 8 eingespritzten Brennstoffs, und damit wird auch der Reinigungsgrad der
Vorkammer 27 von den Abgasen entsprechend erhöht. Um die Gemischbildung und Schichtung
des Gemisches in der Verbrennungskammer 28 zu verbessern, ist es zweckmäßig, einen
Teil des Brennstoffs in die Druckkammer 34 mit Hilfe einer ZusatzdWse 33, welche
an die gleiche Zelle der Brennstoffpumpe 9 angeschlossen ist, zuzuführen. Dabei
wird auch ein Verströmen des frischen Gemisches während der Überdeckung in der Ein-
und Auslaßperiode verhindert, was bei den üblichen Rotationstolben-Verbrennungsmotoren
mit Vergaser-Gemischbildung stattfindet.
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Nachdem die Zündkerze 10 das Vorkammergemisch entflammt hat, strömen
die chemisch-aktiven Vorkammerfackele aus der Düse 29 und dem Kanal 30 heraus, wodurch
ein Zünden des Gemisches im rechten und linken Teil der Verbrennungskammer 28 (s.
Fig. 6) ermöglicht wird. Auf diese Weise wird eine höhere Wirtschaftlichkeit des
Motors und eine Herabsetzung der Toxizität der Abgase gewährleistet.
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Zur Bestimmung der Arbeitseffektivität des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
wurde eine Einzylindermaschine geschaffen (Zylinderdurchmesser D=92 mm, Solbenhub
S=92 mm), welche die Möglichkeit bietet, ebenfalls die Arbeitseffektivität der bekannten
Verbrennungsmotoren mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung sowie mit Brennstoffeinspritzung
in das Einlaßrohr und mit Funkenzündung zu bestimmen.
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Fig. 7 zeigt Vergleichs-Regelkennlinien eines Sinzylinder-Verbrennungsmotors
nach der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches bei dessen Arbeit mit Vergaser-Gemischbildung
und Funkenzündung (Kennlinien 1), mit Brennstoffeinsprizung in das Einlaßrohr und
Funkenzünv@egeschl @@en dung (Kennlinen 2) und mit dem / System der Brennstoffeinspritzung
und Vorkammer-Fackelzündung (Kennlinien 3). Die genannten Vergleichskennlinien wurdenbei
einer Arbeit des Motors mit Benzin (Oktanzahl 76) aufgenormen, wobei das Kompressionsverhältnis
in allen diesen Fällen # =7,5 erhalten wurde. Die Verbrennungskammer und
die
Vorkammer waren erfindungsgemäß nach der zweiten Ausführungsvariante gestaltet (s.
Fig. 2 und 3).
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Aus Fig. 7 ist zu ersehen, daß die Anderungsgrenzen der Zusammensetzung
des Gemisches, die einer wirtschaftlichen Arbeit des Motors entsprechen, dank den
Besonderheiten der Flammenzundung im Bereich von g = 1,0 bis 1,4-1,5 liegen, während
dieser Bereich im Falle einer Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung in den Grenzen
von α = 1,0 bis 1,2- und beim Sinspritzen des Brennssoffs in das Einlaßrohr
und Funkenzündung - entsprechend in den Grenzen α = 0,9 # 1,1 liegt. Die Magerungsgrenzen
des Gemisches, die einer stabilen Arbeit des Motors entsprechen, übersteigen bei
der Funkenzündung und in beiden Fällen der Gemischbildung (im Vergaser und beim
Einspritzen des Brennstoffs in das Einlaßrohr) den Bereich α = 1,2-1,3 nicht,
während man beim erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzen und der Fackelzündung die
Zusammensetzung des verarmen Gemisches bis α = 2,0#2,1 / kann, was der Arbeit
des Motors im Leerlauf bei gegebenem Geschwindigkeits betrieb (n=2000 U/mAn) entspricht.
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Auf diese Weise werden im betrachteten Motor die Vorteile des Vorkammer-Fackel-Prozesses
hinsichtlich der Verbrennung eines gewollt mageren, Brennstoff-Luft-Gemischer in
vollem Umfang verwirklicht.
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Der minimale indizierte spezifische Brennstoffverbrauch bei vollständig
geöffneter Drosselklappe erreicht
bei der Vorkammer-Fackelzündung
gi = 160 g/PSh und bei der Vergaser-Gemischbildung und Einspritzung des Brennstoffs
in das Einlaßrohr - entsprechend g; = 175 g/PSh.
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Da der Füllungsgrad das Zylinders mit Luft konstant gehalten wurde,
darum ergab sich der Maiimalwert des mittleren indizierten Drucks (Pi) in den betrachteten
Fällen fast der gleiche.
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Da Kohlenstoffgehalt (CO) in den Abgasen beim Höchsbelastungsgemisch
(O( =0,80-0,85) war in beiden Fällen der Funkenzündung recht hoch. Dank der effektiven
Zündung des entmischten Arbeitsgemisches mit Hilfe der chemisch aktiven Produkte
der Vorkammerfackel erwies sich der Gehalt an CO bei der Vorkammer-Fackelzündung
im Betrieb der maximalen Leistung dreifach geringer und dessen Konzentration erreicht
praktisch den Nullwert bereits bei α=1,05, während bei der Funkenzündung die
Entwicklung von CO erst bei α = 1,1-1,5 aufhört.
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Als eine äußerst wertvolle Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
erwies sich die Mglichkeit einer schroffen Verminderung in den Abgasen der Konzentration
der Stickstoffoxyde, die bekanntlich als die giftigsten für den Menschen gelten.
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Aus Fig. 7 kann man ersehen, daß die maximale Entwicklung der Stickatoffoxyde
(N205) bei der Brennstoffeinspritzung und der Vorksmmer-Fackelzündung nicht in dem
häufig benutzten Betrieb des Motors, sondern bei dessen
Maximalleistung
(bei 8 = 0,9) festgestellt wird. Dabei ist der Maximalwert der Konzentration der
Stickstoffoxyde mehr als zweimal geringer als deren Konzentration bei der Vergaser-Gemischbildung
mit Funkenzündung und bei der Erennstoffeinspritzung in das Einlaßrohr mit Funkenzündung.
@@t der Verarmung des Brennstoffgemisches wird der Gehalt an N20> im vorliegenden
Motor scharf vermindert, und kann bei den wirtschaftlichen Betrieb zuständen (α=
1,2-1,6) praktisch den Nullwert erreichen.
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Das hangt damit zusammen, daß zuerst das längs der Vorkammerfackel
liegende, relativ fette Gemisch verbrennt, wo die zur Bildung von N205 erforderliche
Sauerstoffionzentration zu gering ist. Das nachfolgende Verbrennen der im übrigen
Rauminhalt der Verbrennungskammer gebildeten Produkte, wo Je nach der in einem Arbeitsspiel
eingespritzen Stoffmenge sich entweder reine Luft, oder ein sehr mageres Gemisch
befindet, begünstigt keine geeigneten Temperaturverhältnisse zum Oxydieren des Stickstoffs.
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Auf Grund der Resultate umfangreicher Untersuchungen @it de@ genannten
Einzylindermotor wurden die ersten Muster eines Ve@suchsmotors mit dem entwickelten
System der Brennstoffeinspritzung und Vorkammer-Fackelzündung auf der Basis eines
genormten Vierzylinder-Vergasermotors ftir einen "Wolga"-Personenwagen entworfen
und hergestellt.
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Fig. 8 zeigt die Belastungskennlinien des erfindungsgemäßen Motors,
dessen Verbrennungs- und Vorkammer entsprechend dem auf Fig. 1 (Kennlinien 1) gezeigten
Schema ausgeführt sind. Hierbei sind auch zum Vergleich die Belastungskennlinien
eins Verbrennungsmotors mit Vergaser-Gemischbildung und Funkenzündung (Kennlinien
2) angeführt, Im Falle der Brennstoffeinspritzung und Vorkammer--Fackelzündung sind
die Schaubilder des effektive spezifischen Brennstoffverbrauche (ge) und der Luftüberschußzahl
(o() in Fig. 8 bei der Regelung der effektiven Leistung (Ne) auf zwei Arten dargestellt:
- bei geänderter Zusammensetzung (Kennlinien 1A) und geänderter Menge (Kennlinien
1B) des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer.
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Aus den angeführten Ltatin folgt, daß das vorliegende System der
Brennstoffeinspritzung mit Fackelzündung die Möglichkeit bietet, sämtliche Belastungszustände
durch entsprechende Änderung bloß der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches
d.h. lediglich durch eine Mengenänderung des einzuspritzenden Brennstoffs zu regeln,
während die zugeführte Luftmenge bei der gegebenen Betriebsgeschwindigkeit fast
unveränderlich bleibt. Dabei wird nicht nur das Regelsystem der Arbeitsfolgen des
Motors wesentlich vereinfacht, sondern es verschwindet praktisch der Gehalt an Kohlenoxyd
(CO) in den Abgasen bei den zustände Hauptbetriebs / des Motors, und die Entwicklung
von
Stickstoffoxyden (N205) ist äußerst gering. Im Gegensatz zu
den Verbrennungsmotoren mit Vergaser-Gemischbildung und genormter Arbeitsweise wird
im erfindungemäßen Motor eine maximale Entwicklung von N2O5 nur im Höchstleistungsbetrieb
festgestellt. Dabei findet auch die Entwicklung von CO statt. Darum erscheint es
äußerst zweckmäßig, die Anreicherung des Arbeitsgemisches in einem Bereich von α=
1,0 -1,1 zu beschränken, weil dadurch die Toxizität der Abgase sich schroff vermindern
läßt. Die Leistungsverluste machen hierbei höchstens 6% aus, was durch Verwertung
des vorhandenen Vorrats einer Erhöhung des Zylinderfüllungsgrads mit Luft im System
der Brennstofieinspritzung reichlich kompensiert werden kann.
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Bei der Brennstoffeinspritzung und der Fackelzündung wird die Sparsamkeit
im Brennstoffverbrauch nach gemin um 10,5% erhöht. Eine hohe Wirtschaftlichkeit
bei der Leistungsregelung durch entsprechendes Ändern der Zusammensetzung des Gemisches
(Kennlinien 1A) wurden im Bereich der Belastungen von 100 bis 57% festgestellt.
Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, muß man zwecks Brhaltung der hohen Wirtschaftlichkeit
des Motors im Gesamtbereich der Belastungszustände auf ein Drosseln der Einlaß luft
(Kennlinien 1B) übergehen. Dabei sinkt die Luftüberschußzahl bis O(:l,O5 nur in
der Nähe des Leerlaufs, weshalb sich die Art der Entwicklung von CO und N205 von
der im ersten halle
der Leistungsregelung nicht unterscheidet.
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Die obigen Ausführungen zeigen folglich, daß im erwähnten Versuchamotor
nicht nur die bekannten Vorzüge sowohl der Brennstoffeinspritzung als auch der Vorkammer--Fackelzündung
ginstig verwirklicht, sondern auch die Prozesse der Gemischbildung in der Vorkammer
und der Regelung der Betriebszustände des Motors wesentlich vereinfacht werden.
Die ersten vorläufig erreichten und bei weitem nicht erschöpfenden Ergebnisse zeugen
eindeutig davon, daß das entwickelte System der Brennstoffeinspritzung und der Verkammer-Fackelzündung
neue Wege zur Schaffung eines hocheffektiven und wesentlich weniger toxischen Automobilmotors
eröffnen.