DE2837233A1

DE2837233A1 - Brennkraftmaschine mit geteilter vorbrennkammer

Info

Publication number: DE2837233A1
Application number: DE19782837233
Authority: DE
Inventors: Isao Fujii; Hiroshi Kogure; Shizuo Yagi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1979-10-11
Also published as: FR2421275A1; US4161927A; DE2837233C2; FR2421275B1; GB2017206A; JPS54126805A; GB2017206B

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. H. Weick^ann, Divl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

rtr» _Tnrr K.T.i.ska ,

153/134

SBH

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha

27-8, 6-chome, Jingumae

Shxbuya-ku Tokio, 150 Jacan

8 MÜNCHEN 86, DEN £ ζ, AUQ. 1978

POSTFACH 860 820 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Brennkraftmaschine mit geteilter Vorbrennkammer

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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder mit Hauptbrennkammer und Vorbrennkammer, wobei die Vorbrennkammer in eine Primärkammer und eine damit über eine Öffnung verbundene Sekundärkammer unterteilt ist und die Primärkammer mit einer Zündvorrichtung in Verbindung steht, mit einem Hauptansaugkanal zur Zuführung eines relativ abgemagerten Kraftstoff-Luftgemischs in die Hauptbrennkammer während des Ansaughubes, mit einem Frischluft-Ansaugkanal und mit einem der Vorbrennkammer zugeordneten Hilfsansaugventil.

Die Aufgabe der Erfindung besteht hauptsächlich darin, einen Betrieb auf der angereicherten Seite des Abmagerungsbereichs zu ermöglichen, so daß der Anteil NO in den Abgasen verringert und der Kraftstoffverbrauch und damit die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung verbessert wird. Diese Verbesserungen sollen innerhalb des gesamten Bereichs der Maschinenbelastung ohne Vergrößerung der Anteile CO und HC in den Abgasen erreicht werden. Wird eine solche Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug verwendet, so ergibt sich dadurch eine Verbesserung des Antriebs.

Für Brennkraftmaschinen wird schon seit langem ein geringerer Kraftstoffverbrauch gefordert. Deshalb sollte auch bei Verringerung der schädlichen Bestandteile in den Abgasen auf vorgegebene Höchstwerte ein geringer Kraftstoffverbrauch beibehalten werden.

Für eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird ein insgesamt abgemagertes Kraftstoff-Luftgemisch angestrebt, da hierdurch nicht nur eine Verringerung der Anteile N0_v in den Abgasen, sondern auch eine Verbesserung des Kraft-

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stoffVerbrauchs erzielt wird. Es ist jedoch bei den bisherigen Brennkraftmaschinen sehr schwierig, ohne katalytische Umsetzer die schädlichen Bestandteile in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.

Für Brennkraftmaschinen, die mit geschichteter Ladung arbeiten, soll bekanntlich das gesamte Kraftstoff-Luftverhältnis magerer als der stöchiometrische Viert sein, um eine Verringerung der Anteile CO, HC und NCT in den Abgasen zu erreichen. Wenn die Brennkraftmaschine jedoch innerhalb eines großen Belastungsbereichs betrieben wird, so ergibt sich ein Grenzwert für die Abmagerung des Gesamt -Kraftstoff -Luftverhältnisses. Während relativ geringer Belastung führt ein zu abgemagertes Gemisch zu erhöhten Anteilen CO und HC. Bei relativ starker Belastung führt ein zu stark abgemagertes Gemisch zur Verschlechterung des Antriebs eines Kraftfahrzeugs.

Um den Anteil NO in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, wurde der Verbrennungsvorgang in der Brennkammer für jeden Belastungsbereich einer Brennkraftmaschine mit Flammkanal studiert. Es zeigte sich, daß die folgenden Verbesserungen im Zusammenhang mit der Ausbildung der durch den Flammkanal zur Zündung des abgemagerten Gemischs in der Hauptbrennkammer erzeugten Flamme möglich sind»

Die prozentualen Anteile CO, HC und NO in den Abgasen verändern sich wesentlich mit der Belastung. Die Erzeugung ν' rl RC ist stärker bei schwächer werdender Belastung und gex-inger mit zunehmender Belastung, während die Erzeugung von HO geringer bei schwachen Belastungen und höher bei schweren Belastungen ist. Deshalb sollte im

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Bereich geringer Maschinenbelastung die Verringerung von KC an erster Stelle stehen, während im Bereich schwerer Maschinenbelastung die Verringerung von NCL. den Vorrang haben sollte.

Um die Zunahme von CO und HC in den Abgasen bei geringer Maschinenbelastung und bei abgemagertem Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis zu verhindern, können beispielsweise mehrere Flammkanäle vorgesehen sein, die die Verbrennung durch Erzeugung mehrerer Flammen verbessern«." Dies ergibt jedoch eine Zunahme der Verbrennungsgeschwindigkeit im Bereich schwerer Maschinenbelastung, wodurch die Abgabe von NO zunimmt. Im Bereich schwerer Maschinenbelastung sollte jedoch andererseits zur Vermeidung einer Zunahme des Anteils NO die Zündflamme hauptsächlich in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer gerichtet werden. Dies führt jedoch zu einer Zunahme von CO und HC bei geringer Maschinenbelastung.

Unter Berücksichtigung dieses Zusammenhangs der Maschinenbelastung und der schädlichen Anteile in den Abgasen zeigte SiCh₉ daß

1 ο im Bereich geringer Maschinenbelastung die Zündflammen in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer und in den Bereich der Zylinderwände geleitet werden sollten und

2. im Bereich schwerer Maschinenbelastung eine Zündflamme hauptsächlich auf den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer ausgerichtet werden sollte.

Währen: geringer Maschinenbelastung ist der volumetrische Wirkungsgrad klein und der prozentuale Anteil von Restgas in dem Gemisch im Zylinder hoch„ Die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkammer ist schwächer als bei

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schwerer Maschineribelastung, so daß die Verbrennung zur Instabilität neigt. Um eine stabilere Verbrennung zu erreichen und damit die Anteile CO und HC in den Abgasen zu verringern und gleichzeitig den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, ist es wichtig, daß mehrere Flammöffnungen vorgesehen sind. Gleichzeitig ist eine Zeitdifferenz in der zeitlichen Steuerung der in zwei Richtungen an zwei unterschiedlichen Stellen verlaufenden Zündflammen erforderlich, um den Anteil NO zu verringern.

Andererseits ist bei schwerer Maschinenbelastung der volumetrische Wirkungsgrad hoch, und die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkammer ist größer als bei geringer Maschinenbelastung, so daß zur Minimierung der Zunahme von N0_v eine unzweckmäßige Beschleunigung der Verbrennung verhindert werden sollte. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Zündflamme hauptsächlich in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer gerichtet wird. Auf diese YJeise kann der Anteil N0__ im Bereich großer Maschinenbelastung verringert werden.

Um diese Forderungen zu erfüllen, ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß das Hilfsansaugventil die Frischluft der Sekundärkammer während des Ansaughubes zuführt, daß eine Einspritzvorrichtung zur Einführung von Kraftstoff zwecks Bildung eines relativ angereicherten Gemischs in der Primär- und der Sekundärkammer vorgesehen ist, daß ein relativ langer Primärflammkanal von der Primärkammer zur Hauptbrennkammer verläuft und eine Flamme in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer führt und daß ein relativ kurzer Sekundärflammkanal von der Sekundärkammer zur Hauptbrennkammer verläuft und eine Flamme in einen Randbereich der Hauptbrennkammer führt.

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Eine auf diese Weise aufgebaute Brennkraftmaschine kann mit verringertem Anteil N0„ auch dann arbeiten, wenn das Gesamt-Kraftstoff-Luftverhältnis magerer als der stöchiometrische Wert ist. Hierbei werden die Anteile CO und HC nicht vergrößert.

Eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung hat gegenüber bisherigen Brennkraftmaschinen den Vorteil, daß der Anteil NO in den Abgasen verringert und der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert ist. Ferner ist es bei einem maximal zulässigen Anteil NO entsprechend den bisherigen Brennkraftmaschinen durch die Erfindung möglich, das Kraftstoff-Luftverhältnis auf die angereicherte Seite des abgemagerten Bereichs zu legen, wodurch sich der Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbessern läßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schnittansicht einer Brennkraftmaschine entsprechend dem in Fig. 2 gezeigten Schnitt 1-1,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 aus Fig. 1 und

Fig. 3 die Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 ist ein Zylinderkopf 14 für einen oder mehreren Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt, die jeweils einen nicht dargestellten Kolben enthalten. Die obere Fläche des Kolbens begrenzt eine Hauptbrennkammer 13, deren übrige Wände durch den Zylinderkopf 14 gebildet sind. Ein Hauptansaugventil 15 steuert die Zuführung eines relativ abgemagerten Kraftstoff-Luftgemischs in die Hauptbrennkammer 13. Eine Vorbrennkammer

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is"t im Zylinderkopf 14 ausgebildet und in eine Primärkammer 18 und eine Sekundärkainmer 20 durch den Boden 16 eines Einsatzes 12 unterteilt. Die Primärkammer 18 und die Sekundärkammer 20 stehen über eine Öffnung 21 in dem Boden 16 in Verbindung. Ein Hauptansaugventil 8 steuert die Zuführung von Frischluft aus einem Hilfsansaugkanal 19 in die Primärkammer 18. Die Menge der bei jedem Zyklus eingeführten Frischluft ist bei schwerer Maschinenbelastung kleiner als bei leichter Maschinenbelastung. Eine intermittierend arbeitende Einspritzvorrichtung 22 wird durch eine Steuerung 23 üblicher Art betätigt und führt Kraftstoff aus einem Behälter 11 zu. Die Einspritzvorrichtung 22 steht mit der Primärkammer 18 über eine Öffnung 27 in der Wand des Einsatzes 12 in Verbindung. Die Elektroden einer Zündkerze 24 sind mit der Primärkammer 18 über eine Öffnung 25 verbunden.

Ein Austrittsventil 26 dient zur Steuerung des Austritts der Abgase aus jeder Hauptbrennkammer 13. Das Hauptansaugventil 15* das Hilfsansaugventil 8 und das Austrittsventil 26 werden in zeitlicher Folge mit einem nicht dargestellten Mechanismus bekannter Art betätigt.

Ein Primärflammkanal 29 ist an die Primärkammer 18 angeschlossen, und sein anderes Ende 30 ist so angeordnet, daß seine Flamme in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer 13 geleitet wird. Wenn die Zündkerze 24 das Gemisch in der Primärkammer 18 zündet, so wird eine Zündflamme durch den relativ langen Primärkanal 29 zur Hauptbrennkammer 13 geleitet. Die Zündung des Gemischs in der Primärkammer 18 leitet eine Flamme durch die Öffnung 21 in die Sekundärkammer 20 und dann durch einen relativ kurzen Sekundärflammkanal 31 in einen Randbereich der Hauptbrennkammer 13.

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Bei leichter Maschinenbelastung wird während des Ansaughubs der Maschine ein relativ abgemagertes Gemisch durch das Ansaugventil 15 der Hauptbrennkammer 13 zugeführt. Die Einspritzvorrichtung 22 führt Kraftstoff in die Primärkammer 18 ein, der durch die Öffnung 21 in die Sekundärkammer 20 gelangt und dort ein angereichertes Gemisch erzeugt. Gleichzeitig gelangt Frischluft in die Kammern 18 und 20 durch den Hilfsansaugkanal 9 und das Hilfsansaugventil 8, wodurch die beiden Kammern 18 und 20 durchströmt werden". Dadurch werden beide Kammern 18 und 20 mit einer frischen Ladung angereicherten Gemischs gefüllt. Die Menge der Frischluft ist bei geringer Maschinenbelastung größer als bei hoher Maschinenbelastung.

Während des folgenden Kompressionshubes der Maschine strömt das abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 zurück durch die Flammkanäle 29 und 31 in beide Kammern 18 und 20 und verdünnt das dort jeweils vorhandene Gemisch. Deshalb haben beide Gemische in den beiden Kammern 18 und 20 unmittelbar vor der Zündung übereinstimmendes Kraftstoff-Luftverhältnis und sind zur Zündung geeignet. Bei der Zündung mit der Zündkerze 24 werden Zündflammen durch die Flammkanäle 29 und 31 in die Hauptbrennkammer 13 geleitet, um dort das relativ abgemagerte Gemisch zu verbrennen. Die Verbrennung beginnt zunächst am Austritt des kurzen Flammkanals 31 und später am Austritt des längeren Flammkanals 29.

Die sekundäre Zündflamme, die früher als die primäre Zündflamme beginnt, wird durch den Sekundärflammkanal 31 im Bereich der Zylinderwand so geführt, daß das Gemisch im Randbereich der Hauptbrennkammer 13

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verbrannt wird. Die primäre Zündflamme, die durch den Primärflammkanal 29 geführt und ungefähr auf die Mitte der Hauptbrennkammer 13 ausgerichtet wird, verbrennt das relativ abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 zunächst in deren mittlerem Bereich und danach in deren Randbereich. Diese Doppelverbrennung unterstützt auch die Verbrennung von Restgas, das anderenfalls nicht vollständig verbrannt würde, durch die Wirkung des Flammkanals 29 und verringert den Spitzendruck und die Spitzentemepratur der Verbrennung. Dadurch wird die Abgabe von NO verringert, ohne daß die Anteile CO und HC erhöht werden, die bereits auf niedrige Werte gebracht sind.

Bei Maschinenbetrieb unter hoher Belastung wird beim Ansaughub relativ abgemagertes Gemisch der Hauptbrennkammer 13 zugeführt, und die Einspritzvorrichtung 22 führt Kraftstoff in die Primärkammer 18 ein, um ein angereichertes Gemisch zu erzeugen. Obwohl die Menge der Frischluft in der Vorbrennkammer 17 im Falle hoher Maschinenbelastung geringer eingestellt ist als bei kleiner Maschinenbelastung, wird die Primärkammer 18 stark durchströmt, wie es bei kleiner Maschinenbelastung der Fall ist, und mit einer frischen Ladung angereicherten Gemischs gefüllt. Die Sekundärkammer 20 wird jedoch nicht so stark durchströmt, da eine relativ kleine Menge Frischluft zugeführt wird und der Strömungswiderstand der Verbindungsöffnung 21 nur eine relativ kleine Menge frischen angereicherten Gemischs zur Sekundärkammer 20 gelangen läßt. Deshalb sind die prozentualen Gewichtsanteile des Kraftstoffs in den beiden Kammern am Ende des Ansaughubs derart, daß in der Primärkammer 18 eine größere Kraftstoffmenge als in der Sekundärkammer 20 vorhanden ist.

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Somit erfolgt eine fast vollständige Durchströmung der Sekundärkammer 20 bei geringer Maschinenbelastung. Steigt die Maschinenbelastung jedoch an, so nimmt diese Durchströmung in der Sekundärkammer 20 ab. Dies ergibt sich durch Betriebseigenschaften und Abmessungen der Flammkanäle 29 und 31 und der Öffnung 21.

Während des nachfolgenden Kompressionshubes strömt das abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 zurück durch den Primärflammkanl 29 und den Sekundärflammkanal 31, und unmittelbar vor der Zündung ist das Gemisch in der Primärkammer 18 zur Zündung geeignet, während das Gemisch in der Sekundärkammer 20 etwa dieselbe Zusammensetzung wie das abgemagerte Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 hat. Dies bedeutet, daß die in den beiden Kammern 18 und 20 erzeugten Zündenergien unterschiedlich sind, so daß die zeitliche Steuerung der Verbrennung und die Dauer des Zündflammenlaufs durch den Primärflammkanal und den Sekundärflammkanal gleichfalls verschieden sind.

Diese Verhältnisse werden durch das folgende Beispiel verdeutlicht, das keineswegs einschränkend zu verstehen ist. Hierzu wird eine Vierzylinder-Viertaktmaschine mit 1500 cm Hubraum betrachtet. Diese Maschine hat eine Primärkammer 18 von 3 cnr und eine Sekundärkammer 20 von 3 cm Volumen. Bei Leerlauf der Maschine werden ca. 11,4 cm⁵ Frischluft pro Zyklus in die beiden Kammern und durch die Flammkanäle 29 und 31 befördert. Wegen der relativen Bemessung der Flammkanäle 29 und 31 und der Verbindungsöffnung 21 werden ca. 2/3 der zugeführten 11,4 cnr Frischluft durch den Flammkanal 29 und das restliche Drittel durch den Flammkanal 31 befördert. Am Ende des Ansaughubes des Kolbens 12 ist somit die Primärkammer 18 voll durchströmt und enthält nur ange-

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reichertes Gemisch, während die Sekundärkammer 20 fast völlig durchströmt ist. Wenn die Maschine unter schwerer Belastung arbeitet, werden jedoch nur 6 cm pro Zyklus in die beiden Kammern während des Ansaughubes des Kolbens 12 befördert. Zwei Drittel dieser Frischluft oder ca. 4 cnrwerden durch den Primärflammkanal 29 befördert, das restliche Drittel von ca. 2 cm^ läuft durch den Sekundärflammkanal 31. Somit ist die Durchströmung der Sekundärkammer 20 unvollständig.-

Wenn bei schwerer Maschinenbelastung das Gemisch in der Primärkammer 18 mit der Zündkerze 24 gezündet wird, so wird eine Zündflamme durch den Primärflammkanal 29 in die Hauptbrennkammer 13 geleitet. Ferner läuft eine Flamme durch die Öffnung 21 in die Sekundärkammer 20 und von dort durch den Sekundärflammkanal 31 in die Hauptbrennkammer 13. Da jedoch das Gemisch in der Sekundärkammer 20 im Vergleich zu dem Gemisch in der Primärkammer 18 abgemagert ist, verbrennt das Gemisch in der Hauptbrennkammer 13 hauptsächlich durch die Zündflamme aus dem Primärflammkanal 29.

Dadurch führt die durch den Primärflammkanal 29 ungefähr in die Mitte der Hauptbrennkammer 13 geführte Zündflamme zur Verbrennung des abgemagerten Gemischs in der Hauptbrennkammer 13 ausgehend von ihrem mittleren Bereich zu den Randbereichen hin, wobei eine fast gleichmäßige Flammenausbreitung auftritt. Dadurch wird eine wirksame Verbrennung gewährleistet. Ein plötzlicher Anstieg des Verbrennungsdrucks und der Temperatur wird dadurch verhindert, wodurch die Erzeugung von NO minimal ist und zusätzlich der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert wird.

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Bei hoher Maschinenbelastung wird also die Stärke der sekundären Zündflamme verringert , um die Turbulenz des Gemischs in der Hauptbrennkammer 13 zu steuern. Das darin vorhandene Gemisch wird ausgehend vom mittleren Bereich gleichmäßig zu den Randbereichen hin verbrannt, wodurch eine zu schnelle Verbrennung und ein plötzlicher Anstieg der Verbrennungstemperatur vermieden wird und die Erzeugung von NCL verringert wird. Gleichzeitig wird der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert. Dadurch ist es möglich, das Kraftstoff-Luftverhältnis auf die angereicherte Seite des abgemagerten Bereichs zu legen, wodurch die Leistungsabgabe der Maschine erhöht werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung arbeitet mit einem Hilfsansaugventil 35, das die Zuführung der Frischluft durch den Hilfsansaugkanal 36 und die Strömung des Kraftstoffs durch die Einspritzvorrichtung 22a steuert. Die Einspritzvorrichtung 22a kann eine kontinuierlich oder eine intermittierend arbeitende Vorrichtung sein. Hinsichtlich anderer Merkmale der Konstruktion und der Funktion stimmt die in Fig. 3 gezeigte Brennkraftmaschine mit der zuvor beschriebenen überein.

Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung hat der Sekundärflammkanal 31 einen kleineren Querschnitt als der Primärflammkanal 29. Dadurch wird gewährleistet, daß bei hoher Maschinenbelastung der Primärflammkanal in erster Linie die Verbrennung in der Hauptbrennkammer bewirkt.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder x^y'mit Hauptbrennkammer und Vorbrennkammer, wobei die Vorbrennkammer in eine Primärkammer und eine damit über eine Öffnung verbundene Sekundärkammer unterteilt ist und die Primärkammer mit einer Zündvorrichtung in Verbindung steht, mit einem Hauptansaugkanal zur Zuführung eines relativ abgemagerten Kraftstoff -Luftgemischs in die Hauptbrennkammer während des Ansaughubes, mit einem Frischluft-Ansaugkanal und mit einem der Vorbrennkammer zugeordneten Hilfsansaugventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsansaugventil (8) die Frischluft der Sekundärkammer (20) während des Ansaughubes zuführt, daß eine Einspritzvorrichtung (22) zur Einführung von Kraftstoff zwecks Bildung eines relativ angereicherten Gemischs in der Primär- und der Sekundärkammer (18, 20) vorgesehen ist, daß ein relativ langer Primärflammkanal (29) von der Primärkammer (18) zur Hauptbrennkammer (13) verläuft und eine Flamme in den mittleren Bereich der Hauptbrennkammer (13) führt und daß ein relativ kurzer Sekundärflammkanal (31) von der Sekundärkammer (20) zur Hauptbrennkammer (13) verläuft und eine Flamme in einen Randbereich der Hauptbrennkammer (13) führt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (22) den Kraftstoff direkt in die Primärkammer (18) stromabwärts des Hilfsansaugkanals (8) einführt.

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3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (22a) den Kraftstoff stromaufwärts des Hilfsansaugventils (35) einführt.

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