DE2851504A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit innerer verbrennung und variablem verdichtungsverhaeltnis, sowie brennkraftmaschine zum durchfuehren des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit innerer verbrennung und variablem verdichtungsverhaeltnis, sowie brennkraftmaschine zum durchfuehren des verfahrens

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Description

Verfahren zum Betrieben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und variablem Verdichtungsverhältnis, sowie Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens.
Bekannte Brennkraftmaschinen nach dem Otto- oder Dieselverfahren haften gewisse Nachteile an, die insbesondere bei Betrieb dieser Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen über einen weiten Last- und Drehzahlbereich keinen befriedigenden Wirkungsgrad zulassen. Während die fremdgezündete Otto-Brennkraftmaschine bei höheren Drehzahlen bzw. im Vollastbereich zufriedenstellend arbeitet, ist ihr Wirkungsgrad im Teillastbereich aufgrund der steuerungsbedingten Drosselverluste und des damit verbundenen, geringeren Verdichtungsenddruckes relativ schlecht; wird die Brennkraftmaschine sehr mager betrieben, so ergibt sich zudem ein unstabiler Betrieb durch Zündungsaussetzer.
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Demgegenüber arbeitet die Diesel-Brennkraftmaschine, die bekanntlich mit Luftüberschuß betrieben wird, wegen ihrer hohen Verdichtung und Selbstzündung im Teillastbereich bei geringeren Drehzahlen mit gutem Wirkungsgrad und niedrigen Schadstoffemissionen; dieser Wirkungsgrad vermindert sich aber mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine aufgrund des Zündverzuges und der begrenzten Brenngeschwindigkeit der verdichteten Ladung-Unbefriedigend bei Diesel-Brennkraftmaschinen ist auch deren Kaltlauf, der sich in nagelnden Geräuschen und einer geringen Anfangsleistung auswirkt und der insbesondere beim Betrieb der Diesel-Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen störend ist.
Auf gäbe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens aufzuzeigen, mit dem bzw. der über einen weiten Drehzahl- und Lastbereich ein guter Wirkungsgrad und ein stabiles Betriebsverhalten erzielbar ist. Zudem soll das erfindungsgemäße Verfahren relativ einfach durchführbar seino
Die verfahrensmäßige Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Bereiche zufriedenstellenden Wirkungsgrades beider Brennkraftmaschinen (Otto-Diesel) in einer Brennkraftmaschine zu vereinen, indem man bei ansteigender Drehzahl oder Last ausgehend vom Dieselverfahren im Teillastbereich bei einem definierten ünschaltpunkt die Verdichtung vermindert und durch Fremdzündung auf das Otto-Verfahren umstellt. Dadurch werden die beschriebenen Nachteile des Dieselverfahrens im höheren Last- oder Drehzahlbereich eliminiert. Die Veränderung der Verdichtung erfolgt vorteilhafterweise sprunghaft.
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Zur Erzielung eines optimalen Verbrennungsprozesses in beiden Betriebsphasen der Brennkraftmaschine kann diese im Teillastbereich mit Diesel-Kraftstoff und im Vollastbereich mit Otto-Kraftstoff betrieben werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, bei geeigneter Abstimmung der Brennkraftmaschine diese in beiden Betriebsphasen mit nur einer Kraftstoffsorte, beispielsweise mit Benzin, zu betreiben.
Mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 können störende Geräusche der Brennkraftmaschine und ein unbefriedigendes Betriebsverhalten während des Kaltlaufes vermieden werden.
Die Patentansprüche 4 und 5 kennzeichnen zwei vorteilhafte Möglichkeiten des ümschaltens von Selbstzündung auf Fremdzündunge Insbesondere bei einer nach dem Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug dürfte eine Verknüpfung beider Qnschaltmoglichkeiten vorteilhaft sein, da bei einer drehzahlabhängigen Umschaltung voll die wirtschaftlichen Aspekte (Kraftstoffverbrauch) und bei einer lastabhängigen Umschaltung das Leistungsverhalten (z. B. beim Beschleunigen) berücksichtigt werden könnn^i; die beiden Umschaltpunkte können somit den Erfordernissen entsprechend voneinander abweichen-
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Bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kolben-Zylindereinheiten kann gemäß Anspruch 6 so verfahren werden, daß während des Umschal tens von Selbstzündung auf Fremdzündung einige der Kolben-Zylindereinheiten mit Fremdzündung und andere mit Selbstzündung betrieben werden. Dadurch wird ein stabiles Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine in den Ubergangszuständen erzielt.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens ist den Merkmalen des Patentanspruches 7 entnehmbar. Eine sprunghafte Änderung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses wird in einfacher Weise durch die Anordnung eines Ventiles im Überströmkanal erreicht.
Zu einem zuverlässigen Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine tragen die Markmale des Patentanspruches 8 bei, durch die die Brennkraftmaschine bei Otto-Betrieb relativ mager betrieben werden kann, da die Ladung zuerst im Nebenbrennraum gezündet wird und der Verbrennungsprozess anschließend durch eine sichere Fackelzündung auf den Hauptbrennraum übergreift; zudem ist sichergestellt, daß die Zündkerze, da sie vom Hauptbrennraum abgeteilt ist, während der Selbstzündungsphasen der Brennkraftmaschine nicht verrußt. .
Gemäß Patentanspruch 9 kann im Hauptbrennraum eine Einspritzdüse angeordnet sein. Über diese Düse kann der Kraftstoff für den Dieselbetrieb nach dem an sich bekannten.Direkt-Einspritz-Verfahren zugeführt werden; es besteht auch die Möglichkeit, bei Verwendung nur einer Kraftstoffsorte für den
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Selbstzündungs- und Fremdzündungsbetrieb die gesamte Kraftstoffzuführung über diese Einspritzdüse zu betreiben.
Es kann jedoch gemäß Patentanspruch 10 auch im Nebenbrennraum eine Einspritzdüse angeordnet sein, über die während des Betriebes der Brennkraftmaschine mit Fremdzündung Otto-Kraftstoff zugeführt wird.
Durch die Merkmale des Patentanspruches 11 kann die Brennkraftmaschine im Selbstzündungsbetrieb nach dem Prinzip einer Vorkanimer-Diesel-Brennkraftmaschine oder einer Wirbelkamirier-Diesel-Brennkraftmaschine betrieben werden, welche» Brennkraftmaschinffi sich durch einen ruhigeren Verbrennungsablauf auszeichnen.
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der in einem zum Hauptbrennraum führenden Saugrohr eine mit Otto-Kraftstoff beschickte Gemischaufbereitungsanlage und eine mit einem Gaspedal zusammenwirkende Drosselklappe angeordnet sind, wird die Umschaltung von Selbstzündung auf Fremdzündung in vorteilhafter Weise durch die Merkmale des Patentanspruches 12 erzielt. Die Gemischaufbereitungsanlage kann sowohl ein vergaser als auch eine in das Saugrohr einspritzende Benzin-Einspritzanlage sein.
Durch die Anordnung eines Temperaturfühlers an einer geeigneten Stelle der Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 13 kann erreicht werden, daß die Brennkraftmaschine während ihres kalten Zustandes von Selbstzündungsbetrieb auf Fremdzündungsbetrieb umgestellt wird, so daß insbesondere harte Verbrennungsgeräusche (Nageln) vermieden werden. Hat die Brennkraftmaschine
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eine definierte Temperatur erreicht, so wird sie durch den Temperaturfühler auf Selbstzündungs-Betrieb bzw. Diesel-Betrieb umgestellt. Insgesamt schafft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, die die Vorteile des Otto-Verfahrens mit denen des Diesel-Verfahrens vereint. Wenn keine hohe Leistung benötigt wird, beispielsweise im Stadtverkehr, kann verbrauchsgünstig mit Selbstzündung gefahren werden. Bei hoher benötigter Leistung kann mit Eremdzündung gefahren werden.
Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens werden im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher beschrieben.
' Die Zeichnung zeigt in
PIg. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Haupt- und einem Nebenbrennraum und mit einer Einrichtung zum Itaschalten von Diesel- auf Otto-Betrieb,
Figo 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Haupt-, einem Nebenbrennraum und einer Vorkammer.
Ih Figo 1 ist mit 1 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylindergehäuse 2, einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 4 bezeichnet. Der Kolben 3 kann über ein Pleuel 5 und eine Kurbelwelle 6 auf und ab bewegt werden und begrenzt mit dem Zylinderkopf 4 und dem Zylindergehäuse 2 einen Hauptbrennraum 7.
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Im Zylinderkopf 4 sind in bekannter Weise ein Äbgaskanal mit einem Auslaßventil (in der gezeigten Schnittebene nicht ersichtlich) und ein Ansaugkanal 8 mit einem Einlaßventil 9 angeordnet. In den Hauptbrennraum 7 mündet weiter ein Überströmkanal 10, der mit einem Nebenbrennraum 11 verbunden ist. Der Nebenbrennraum 11 ist beispielsweise nach Art einer an sich bekannten Wirbelkammer ausgebildet; d. ho, daß der Überströmkanal 10 tangential in den Nebenbrennraum 11 einmündet. Der Nebenbrennraum 11 kann zylinderförmig ausgebildet sein, in welchem Falle sich der Überströmkanal über die ganze axiale Länge des Nebenbrennraumes erstreckt und infolge seines relativ großen Querschnitts geringe Strömungsverluste mit sich bringt. !Dn Bereich des Überströmkanales 10 ist in den Zylinderkopf 4 ein Walzendrehschieber 12 eingesetzt, der einen den Querschnitt des Überströmkanales 10 entsprechenden Querschlitz 13 (siehe vergrößerte Einzelheit X der Fig. 1) aufweist. Der Überströmkanal 10 kann somit durch Verdrehen des Walzendrehschiebers 12 um 90 abgesperrt werden. Schließlich ragt in den Nebenbrennraum eine Zündkerze 26, die von einer nicht dargestellten, herkömmlichen Zündanlage versorgt wird.
In den Hauptbrennraum 7 ragt eine Einspritzdüse 14, die über eine Leitung 15 mit einer Einspritzpumpe 16 verbunden ist und über die nach dem Direkt— Einspritz-Verfahren Dieselkraftstoff in den Hauptbrennraum 7 eingespritzt werden kann.
An den Ansaugkanal 8 sind ein Saugrohr 17 und ein Vergaser 18 als Gemischaufbereitungsanlage für Otto-Kraftstoff bzw. Benzin angeschlossen. Der Vergaser 18 ist im wesentlichen bekannter Bauart und deshalb in seiner Funktion nicht näher beschrieben. Eine den Ansaugquerschnitt im Vergaser 18 steuern-
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de Drosselklappe 19 wird über einen Hebel 20 und über einen Seilzug 21 von einem Gaspedal 22 betätigt. Über einen weiteren Seilzug 23 und einen zweiarmigen Hebel 24 wird eine Regelstange 25 zur Verstellung der Fördermenge der Einspritzpumpe 16 betätigt.
Zum Umschalten während des Betriebes der Brennkraftmaschine von Selbstzündung auf Fremdzündung ist eine Einrichtung vorgesehen, die sich im wesentlichen aus einem Doppelkontaktrelais 27, einem drehzahlabhängigen Schalter 28, einem mit dem Gaspedal betätigten Unterbrecherschalter 29, einem die Benzinzufuhr im Vergaser 18 absperrenden, elektromagnetischen Ventil 30, einem die Drosselklappe verstellenden Elektromagneten 31, einem die Regelstange 25 der Einspritzpumpe 16 verstellenden Elektromagneten 32 und schließlich aus einem den Walzendrehschieber 12 um 90° verdrehenden, elektromagnetischen Stellteil 33 besteht. Die Steuerwicklung 34 des Doppelkontaktrelais 27 kann über einen Zündschalter 35 an das Pluspotential einer Stromquelle 36 angelegt werden. Andererseits ist die Steuerwicklung 27 über entsprechende Leitungen mit dem Drehzahlschalter 28, dem Unterbrecherschalter 29 und einem Temperaturfühler 37 verbunden und wird beim Überschreiten einer definierten Drehzahl der Brennkraftmaschine, beim Durchtreten des Gaspedals über einen bestimmten Weg hinaus oder beim Unterschreiten einer unteren Temperatur der Brennkraftmaschine an Minuspotential gelegt.
Ist der Stromkreis der Steuerwicklung 34 geschlossen (gezeichnete Anordnung), so verbindet die Kontaktbrücke 38 des Doppelkontaktrelais 27 über entsprechende Leitungen das Ventil 30 mit dem Pluspotential der Stromquelle 36, so daß das Ventil 30 öffnet und der Brennkraftmaschine i in bekannter Weise
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Kraftstoff-Lufgemisch zugeführt wird. Zugleich wird über den ebenfalls am Pluspotential liegenden Elektromagneten 32 die Regelstange 25 der Einspritzpumpe 16 auf Null-Förderung gestellt, Das ebenfalls am Pluspot-ential liegende elektromagnetische Verstellteil 33 verdreht den Walzendrehschieber in eine den Überströmkanal 10 öffnende Position, so daß Haupt- und Nebenbrennr3um miteinander verbunden sind.
Ist der Stromkreis der Steuerwicklung 34 unterbrochen, so nimmt die Kontaktbrücke 38 die gestrichelt gezeichnete Stellung ein und verbindet den den Hebel 20 der Drosselklappe 19 betätigenden Elektromagneten 31 mit Pluspotential, wodurch dieser die Drosselklappe 19 in eine vollgeöffnete Stellung zieht. Zugleich werden das Ventil 30, der Elektromagnet 32 und das elektromagnetische Stell teil 33 stromlos, so daß das Ventil 30 schließt und die Benzinzufuhr unterbricht, die Einspritzpumpe 16 wieder auf Förderung gestellt wird und der Walzendrehschieber in seine den Überströmkanal 10 absperrende Position zurückgedreht wirdo
Das geometrische Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 1 ist entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren so ausgelegt, daß bei geschlossenem Überströmkanal 10 ein Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 22 und bei geöffnetem Überströmkanal durch die Addition des Nebenbrennraumvolumens ein Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 10 vorliegt. Im Teillastbetrieb, beispielsweise bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine unter 3000 min" , wird die Brennkraftmaschine mit Selbstzündung betrieben, d. h. der Überströmkanal 10 ist abgesperrt und der Hauptbrennraum wird mittels der Einspritzpumpe 16 über die Rohrleitung 15 und das Einspritzventil 14
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Dieselkraftstoff zugeführt. Die Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird in bekanter Weise durch Betätigen des Gaspedals 22 und durch entsprechendes Verstellen der Regelstange 25 gesteuert. Da der Elektromagnet 31 am Pluspotential liegt, ist die Drosselklappe 19 voll geöffnet8 so daß im Ansaugweg der Brennkraftmaschine keine größeren Drosselverluste auftreten und die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuß betrieben werden kann.
Überschreitet die Brennkraftmaschine die angegebene Drehzahl oder wird bei ansteigender Last der Brennkraftmaschine das Gaspedal 22 so weit durchgedrückt, daß der Uhterbrecherschalter 29 schließt, so wird die Brennkraftmaschine auf Fremdzündung umgestellt,bzw. deren geometrisches Verdichtungsverhältnis durch Öffnen des Überströmkanales 10 sprunghaft von 22 auf 10 umgestellt. Zugleich wird durch Anziehen des Elektromagneten 32 die Förderung der Einspritzpumpe 16 eingestellt und die Benzinzufuhr durch das Ventil 30 geöffnet. Da der Stromkreis zum Elektromagneten 31 unterbrochen ist, kann die Drosselklappe 19 über den Seilzug 21 in bekannter Weise von dem Gaspedal 22 gesteuert werden. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird dann von der in dem Nebenbrennraum 11 ragenden Zündkerze 26 fremdgezündet. Die Brennkraftmaschine wird somit verfahrensgemäß im höheren Drehzahlbereich oder in einem höheren Lastzustand bei vermindertem geometrischen Verdichtungsverhältnis mit Fremdzündung betrieben; davon unabhängig wird sie über den gesamten Betriebsbereich mit Fremdzündung betrieben, wenn deren Temperatur unter beispielsweise 60 C sir wobei die anschaltung über den Temperaturfühler 37 erfolgt.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Brennkraftmaschine 40, an der nur die von der Brennkraftmaschine 1 abweichenden Merkmale beschrieben werden, ragt die Einspritzdüse 14 in eine zu einem Hauptbrennraum 41 über einen Überströmkanal 42 ständig offene Vorkammer 43. Die Brennkraftmaschine 40 wird somit im Teillastbereich
nach dem bekannten Vorkammer-Diesel-Verfahren betriebene In den absperrbaren Nebenbrennraum 11 ragt eine weitere Einspritzdüse 44, mittels der in den Nebenbrennraum 11 Benzin eingespritzt werden kann. Bei Fremdzündung kann somit eine Ladungsschichtung erzielt werden, in^dem über den Ansaugkanal 8 entweder nur Luft oder ein sehr mageres Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird, während in der Nebenkammer 11 durch direktes Einspritzen von Benzin ein sicher zündendes Kraftstoff-Luftgemisch bereitgestellt wird. Die Umschaltung der Brennkraftmaschine von Selbstzündung auf Fremdzündung kann sinngemäß wie in der Fig. 1 dargestellt erfolgen.
Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen kann es vorteilhaft sein, wenn die Umschaltung in wenigstens zwei Zylindergruppen zeitlich verzögert zueinander erfolgt, so daß in Lastübergangszuständen eine Zylindergruppe mit Selbstzündung und die andere Zylindergruppe bereits mit Fremdzündung arbeitet. Eine derartige Umschaltung ist beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Vergasern und einer speziell ausgebildeten Einspritzpumpe, deren Pumpenelemente für je eine Zylindergruppe durch eine separate Regeistange gesteuert werden, leicht durchführbar. Anstatt eines Vergasers ist auch die Anwendung einer Benzineinspritzanlage mit in die Ansaugwege ragenden Einspritzventilen denkbar»
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Claims (13)

AÜDlfitSU AUTO ra^ÖM:. j 1^^^, den Aktlengesellechaft * IP 1580 Za/L Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und variablem Verdichtungsverhältnis, sowie Brennkraftmaschine zum löurchfuhren «des Verfahrens. Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung lind variablem Verdichtungsverhältnis, bei dem ein Arbeitsvolumen komprimiert wird und ein im komprimiertem Volumen enthaltenes Luft-Kraftstoff gemisch nach Zündung verbrennt und unter Energieabgabe expandiert, dadurch gekennzeichnet , daß im Teillastbereich das geometrische Verdichtungsverhältnis des Arbeitsvolumens vergrößert wird, so daß das Luft-Kraftstoff gemisch selbst zündet, und die Brennkraftmaschine im Vollastbereich bei vennindertean Verdichtungsverhältnis mit Fremdzündung betrieben wire,.
2. Vsrfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine im Teillastbereich mit Diesel-Kraftstoff und im · · Vollastbereich mit Otto-Kraftstoff betrieben wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichm e t , daß die Brennkraftmaschine im kalten Zustand bei vermindertem Verdichtungsverhältnis nur mit Fremdzündung betrieben wird.
4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das anschalten von Selbstzündung auf Fremdzündung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das anschalten von Selbstzündung auf Fremdzündung in Abhängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine erfolgt,
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei dem die Brennkraftmaschine mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten mit darin ausgebildeten Arbeitsvolumina aufweist , dadurch gekennzeichnet, daß in Lastübergangszuständen einige der Kolben-Zylindereinheiten mit Fremdzündung und andere mit Selbstzündung betriebsn werden.
7. Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Kolben-Zylindereinheit, in der durch den Kolben ein Hauptbrennraum begrenzt ist, welcher über einen Überströmkanal mit einem Nebenbrennraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Überströmkanal (10) ein Ventil (Walzendrehschieber 12) angeordnet ist, so daß das geometrische Verdichtungsverhältnis des Arbeitsvolumens bei geschlossenem Ventil vergrößert ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß in dem Nebenbrennraum (11) eine Zündkerze (26) angeordnet ist.
9o Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß im Hauptbrennraum (7) eine Einspritzdüse (14) angeordnet ist ο
1Oo Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß im Nebenbrennraum (11) eine Einspritzdüse (44) angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem Hauptbrennraum (41) eine Kammer (Vorkammer 43) verbunden ist, in der eine Einspritzdüse (14) für Diesel-Kraftstoff angeordnet ist.
12 ο Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 7 bis 11, bei der in einem zum Hauptbrennraum führenden Saugrohr eine mit Otto-Kraftstoff beschickte Gemischaufbereitungsanlage und eine mit einem Gaspedal zusammenwirkende Drosselklappe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Gemischaufbereitung absperrbar und eine Einspritzpumpe (16) zum Einspritzen von Diesel-Kraftstoff in das Arbeitsvolumen in Betrieb setzbar ist»
13 „ Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurchgekennzeichnet ,. da'ein Temperaturfühler (37) vorgesehen ist, welcher unterhalb einer vorgegebenen Temperatur der Brennkraftmaschine deren Betrieb auf Fremdzündung stellt.
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