DE3125325A1

DE3125325A1 - Vorkammer fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3125325A1
Application number: DE19813125325
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. Dr. 7143 Vaihingen Latsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-06-27
Filing date: 1981-06-27
Publication date: 1983-01-13
Also published as: GB2101207B; GB2101207A

Description

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Sp/Ja 22.5-I98I

Robert Bosch·GmbH, 7000 Stuttgart 1

Vorkammer für eine Brennkraftmaschine

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Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine vorbekannte Vorkammer hat einen von einem Rohr gebildeten Kammerteil in Form eines geraden Kanals mit kreisrunden Querschnitt, der in einen Hauptbrennraum einer Brennkraftmaschine mündet, einen achsgleich ausgerichteten zweiten Kammerteil mit einem größeren Querscknitt als dem Kanal und dazwischen einen Übergang. Eine Einspritzdüse ist gleichachsig zur Vorkammer angeordnet und mündet in den weiteren Kammerteil. Die Einspritzdüse ist als Zapfendüse ausgebildet und erzeugt einen wenigstens zum Beginn des Einspritzens kegeligen Brennstoffstrahl. Die äußeren Teile des kegeligen Strahls treffen auf eine Fläche, die den Übergang zwischen den beiden Kammerteilen bildet. Bei einer anderen vorbekannten Vorkammer hat ein den Kanal bildendes Rohrende, das in den Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine ragt, eine kalottenartig gewölbte Stirnwand. Im Bereich dieser Stirnwand verbindet eine erste Überströmöffnung den Hauptbrennraum mit dem Kanal. Die Achse der Überströmöffnung liegt in einer gemein-

samen Ebene mit der Achse des Kanals und schließt mit dieser Kanalachse einen im wesentlichen rechten Winkel ein. Eine zweite Überströmöffnung liegt ebenfalls in der genannten Ebene. Diese Überströmöffnung mündet zwischen der ersten Überströmöffnung und dem Übergang in den Kanal. Eine andere, gleichartig aufgebaute Vorkammer hat fünf Überströmkanäle. Die Achsen der Überströmkanäle liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zu der Stirnseite eines beweglichen Kolbens, der den Haupt brennraum begrenzt, ausgerichtet-, ist -..-Vier der Überströmkanäle sind spiegelbildlich zu einer-Symmetrieebene, in der die Achse des fünften Überströmkanals und die Achse der Vorkammer liegen, angeordnet.

In jeder der genannten Vorkammern entsteht beim Verdichtungshub im Kanal eine Strömung parallel zur Kanalachse in Richtung der Einspritzdüse..Innerhalb-des weiteren Kammerteils erzeugt die genannte Strömung eine Rückströmung entlang von deren Wand.in Richtung des Übergangs. Die zuerst genannte Strömung und die Rückströmung rollen sich schließlich im Bereich des ^N-*' Übergangs und in dem weiten Kammerteil zu einem oder

mehreren Ringwirbeln auf. Aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer gedrückte Luft schiebt.dabei Restgase aus einer vorangegangenen Verbrennung entlang der Wand des weiten. Kammerteils gegen den Übergang. Deshalb befinden sich zur Zeit des Einspritzbeginns im Bereich des Übergangs und angrenzend.an die Fläche, die den Über-gang bildet und gegen die der Brennstoff gespritzt wird, Restgase. Für das Einleiten der Verbrennung steht deshalb sehr wenig Sauerstoff zur Verfügung. Deshalb enthalten die Abgase aus mit solchen Vorkammern ausgerüsteten Brennkraftmaschinen störende Mengen von un-

verbrannten und teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen. Außerdem verursachen solche Vorkammern lästige Geräusche. Im Zuge der* gestiegenen- Forderungen zum Schutz der Umwelt ist deshalb eine verbesserte Vorkammer erwünscht.

Vorteile der Erfindung

s~s Bei der erfindungsgemäßen Vorkammer mit den kennzeichnen den Merkmalen des Hauptanspruchs und den Ausführungsbeispielen mit den kennzeichnenden Merkmalen der zurückbezogenen Ansprüche 2 und 3 strömt Verbrennungsluft aus dem Kauptbrennraum der Brennkraftmaschine in Richtung des Übergangs. In der Nähe der .Wand des Kanals bildet . diese Luft eine Drallströmung und entlang der Längsachse des Kanals eine gerade Strömung, die an ihrem Anfang zunächst drallfrei ist. Auf dem Weg durch den Kanal erhält die entlang der Längsachse des Kanals strömende Luft infolge von Reibung an der wandnahen Drallströmung ebenfalls einen Drall, dessen Umfangskomponente aber geringer als die der wandnahen Strömung bleibt. Die wandnahe Drallströmung legt sich beim Austri'tt aus dem Kanal an die Fläche, die den Übergang bildet, an. Die nahe, der Kanallängsachse strömende Luft schießt durch den Übergang hindurch und wird am Ende des weiten Kammerteils, wo die Einspritzdüse sitzt, radial nach außen abgelenkt. Diese radial abgelenkte Luft bewirkt im geschlossenen Ende des weiten Kammerteils eine spiralartig verlaufende Strömung und entlang der Umfangswand eine drallartige Strömung, die zum Übergang gerichtet ist. Diese zuletzt genannte Strömung und die Drallströmung, die vom Kanal her kommend an der Fläche des Übergangs

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entlangfließt, treffen gegeneinander, wobei sie eine ringförmige Stauzone bilden, und lenken sich gegenseitig im wesentlichen radial einwärts ab. Sie erzeugen zwei Wirbelringe. Derjenige Wirbelring, der im weiten Kammerteil, rotiert, wird von der gegen die Einspritzdüse gerichteten Strömung beschleunigt und nimmt praktsich das ganze aus einer- vorangegangenen Verbrennung in der Vorkammer verbliebene Gas in sich auf. Der andere Wirbelring wird innen von längs der Kammerlängsachse strömender Luft durchflossen und ist weitgehend frei von verbrannten Gasen. Deshalb steht zum Entzünden von Brennstoff, der gegen den Übergang und auch in-Richtung des Kanals gespritzt wird, ausreichend Sauerstoff für eine gute und gleichmäßige Verbrennung zur Verfügung. Weil die Luftmassen des Wirbelrings, der sich- im Übergang;,bef indet, um seinen ringartig geschlossenen Wirbelringkern und um die Längsachse des Übergangs umlaufen, werden.durch das Einspritzen des Brennstoffs entstehende Flammen zunächst auf gekrümmten Bahnen zu dem Wirbelringkern wandern. Bei fortdauerndem Einspritzen vergrößert sich infolge von Erwärmung das Volumen dieses Wirbelringes. Dabei wird die Luft, die entlang der Längsachse des Übergangs durch den Wirbelring hindurchstr.ömt und deren Geschwindigkeit klein geworden ist, weil -sich der Kolben der Brennkraftmaschine seinem oberen Totpunkt immer mehr genähert hat, von dem Wirbelring abgeschnürt und abgebremst. Schließlich wird bei weiterer Ausdehnung des Wirbelringes die Luft vor der Einschnürstelle in den Kanal und den Hauptbrennraum zurückgedrückt. Die Flammen, aus dem Wirbelring schlagen hinter der Luft in den Hauptbrennraum und'reißen dabei

noch nicht verbrannten Brennstoff mit sich. Der Wirbelung, der sich im weiten Kammerteil nahe der Einspritzdüse befindet, bildet ein elastisches Polster, das wä-hrend des Arbeitshubes des Kolbens, wenn also der Druck in der Vorkammer sinkt, dem Wirbelring mit den Flammen in den Kanal und schließlich den Hauptbrennraum nachfolgt. Während dieses Vorganges wird von der Einspritzdüse weiterhin Kraftstoff auf die Wand im Bereich des Übergangs gespritzt und mit in Richtung des Kanals und.der Überströmöffnungen bewegter. Luft des Wirbelringes, der an die Einspritzdüse angrenzt, vermischt, gezündet und verbrannt-. Der gegenüber dem Wirbelring, der an den Kanal angrenzt, höhere Restgasanteil der in den Übergangsbereich ge;r strömten Luft ist ohne Nachteile auf die Umsetzung, . da diese auf einem wesentlich höheren Temperatur- und Druckniveau stattfindet, was die Gemischbildung, die Zündung und die Verbrennung wesentlich verbessert.

Diese wesentliche Verbesserung vermeidet nachteilige

fx Auswirkungen des ursprünglich in der Wirbelkammer vorhandenen Restgases auf die Einleitung der Zündung und Verbrennung. Außerdem wird ein tiefes Eindringen der Flamme in die Wirbelkammer in Richtung der Einspritzdüse verhindert und die-teilweise bzw. vollständig verbrannten Gase werden pfropfenförmig aus der Wirbelkammer hinausgedrückt. Es ergibt sich eine besonders günstige Luftausnutzung, so daß die Vorkammer kleiner als üblich ausgebildet werden kann. Durch diese Verkleinerung werden Wärmeverluste über die Wände der Vorkammer sowie Verluste infolge von Str.ömungswider-

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ständen auf ein Kleinstmaß gesenkt-·;-Es ergeben sich Kraftstoffyerbräuche, die nahe bei denjenigen von direkt einspritzenden Dieselmotoren liegen. Zudem vermindert die erfindungsgemäße Vorkammer die Geräuschentwicklung. In einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorkammer entstehen deshalb auch -weniger Geräusche.

Durch die in den Ansprüchen h und 5 angeführten Maßnahmen wird sichergestellt, daß frische Verbrennungsluft in ausreichender Menge an den auf den Übergang gespritzten Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit herangeführt wird. Die Bemessung des Kanals nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 6. begünstigt die Ausbildung der Strömungen, die durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Vorkammer entstehen. Durch die Gestaltung der Vorkammer mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch T erreichen diejenigen Wandzonen, die gezielt zum Verdampfen und Zünden des Brennstoffs beitragen, schnell eine vorteilhafte Temperatur. Diese Temperatur bleibt auch bei- steigender Motorleistung nahezu unverändert. Dadurch bleibt vor allem auch die Rußemission bei Steigerung der eingespritzten Kraftstoffmenge gering. Gleichzeitig werden die Wärmeverluste der Vorkammer vermindert,.wodurch sich ein günstiger Kraftstoffverbrauch ergibt. Durch die zylindrische Anordnung sind die Herstellungskosten des Wärmerohres besonders gering. Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 8, 9 10 und 11 bewirken ein- beschleunigtes Erreichen der Betriebstemperatur, so daß insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Brennkraftmaschine schnell in einen Betriebszustand, der nur noch wenig Umweltbelästigung verursacht, gelangt. Die er-

findungsgemäße Vorkammer dient zwar in erster Linie zum Selbstzünden von Brennstoff. Sie kann aber auch vorteilhaft in Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung eingesetzt werden, wenn anstelle der Glühkerze oder zusätzlich zu dieser gemäß dem Anspruch 12 Zündelektroden angeordnet werden. Die Weiterbildung nach dem Anspruch 13 bewirkt ein sicheres Zünden von Brennstoff-Luft-Gemisch.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele¹ der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, Fig. 3 ein Strömungsbild für. das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, Fig. k eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig.- 1 im Längsschnitt und Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel.

/"**■ Beschreibung

Die Vorkammer 2 nach der Fig. 1 ist in eine Öffnung 3, die sich in einem Zylinderkopf h einer Brennkraftmaschine befindet, eingesetzt. Sie wird mittels eines in den Zylinderkopf k eingeschraubten Gewinderinges 5 gehalten. Die Vorkammer hat Wände 6, T, 8, 9 und 10. Die Wand umschließt einen ersten Kammerteil 11, der einen engen Querschnitt hat und dieserart einen Kanal bildet.. Die Wand 7 umschließt einen zweiten Kammerteil 12, der gegenüber dem Kammerteil 11 einen wesentlichen weiteren Querschnitt hat. Zwischen den Kammerteilen 11 und 12 umschließt die Wand 8 einen Übergang 13. Der Übergang

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13 öffnet sich von dem Kammerteil 11 ausgehend im wesentlichen kegelig mit einem Winkel zwischen 30 und 90 Grad in Richtung des Kammerteils 12. An die Wand β schließt sich in Richtung eines Haupt br ennraums leider Brennkraftmaschine die Wand 9 an. Mehrere Überströmöffnungen 15 durchdringen- die stirnseitige Wand 9 nahe der Wand 6 und münden tantential in den Kanal 11. Die Überströmöffnungen 15 verbinden den Hauptbrennraum Ik mit dem Kanal 11. Zusätzlich zu den Überströmöffnungen 15 ist eine weitere Überströmöffnung 16 in der Wand 9 angeordnet. Diese Überströmöffnung 16 ist gleichachsig zu dem Kanal 11 ausgerichtet. Die Wand 10 schließt den Kammerteil 12 stirnseitig ab. In der Wand 10 ist eine Öffnung 17 angeordnet Durch die Öffnung 17 hindurch mündet eine Einspritzdüse 18 in den Kammerteil· 12. Die Einspritzdüse 18 ist gleich achsig zu den Kammerteilen 11, 12 ausgerichtet und derart gestaltet, daß sie einen kegelig begrenzten Brennstoff strahl 19s der im wesentlichen gegen die innere Fläche 20 der Wand 8 gerichtet ist, erzeugen kann. Je nach der von einer Einspritzpumpe gelieferten Brennstoffmenge kann die Einspritzdüse·18 Brennstoff auch in den Kanal 11 spritzen. In der Wand 8 ist eine Öffnung 21 angeordnet. Durch diese Öffnung 21 ragt eine Glühkerze 22 in den Kammerteil 12. Durch einen nicht dargestellten Heizleiter, der in der Glühkerze 22 angeordnet ist, wird, bevor die Brennkraftmaschine in kaltem Zustand angelassen wird, elektrischer Strom geschickt.

Gegenüberliegend zu der Vorkammer 2 ist der Hauptbrennraum "\k durch einen Hubkolben 23, der in einem Zylinder 2h der Brennkraftmaschine vor- und zurückbeweglich

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ist, begrenzt. Wenn der Hubkolben 23 in an sich bekannter Weise Verbrennungsluft in den Zylinder 2k eingesaugt hat und diese Luft verdichtet, strömt sowohl durch die Überströmöffnungen 15 als auch die Überströmöffnung 16 Verbrennungsluft in die Vorkammer 2. Die durch die Überströmöffnungen 15 einströmende Luft gelangt tangential in den Kanal 1-1 und bildet dieserart zum einen eine an dessen Wand 6 anliegende Drallströmung W (Fig. 3). Durch die Überströmöffnung 16 einströmende Luft bildet innerhalb des Kanals eine gerade, gegen die Einspritzdüse gerichtete Strömung 26, die von der Strallströmung Wo stark verdrallt -wird. Diese verdrallte Strömung 26 hat das Bestreben, die Einspritzdüse 18 zu umkreisen und schließlich, -weil sie von der Drallströmung W gestaut wird, einen Sekundärwirbel Wp in Richtung des Kanals 11 zu bilden.

Dadurch rollt sich die Drallströmung W zu einem ring-

artigen Wirbel W₁ auf. Befindet sich von einer vorangegangenen Verbrennung her noch Restgas in der Vorkammer 2, so wird dieses Restgas von der Drallströmung W_D aufgenommen. In dem Wirbelring W₁ und.an der Fläche 20 steht deshalb der höchstmögliche Gehalt an Sauerstoff zum Entzünden von Brennstoff zur Verfügung. Dadurch findet, wie bereits eingangs erwähnt, eine gute und gleichmäßige Verbrennung statt mit den Vorteilen, daß wenig unerwünschte Stoffe in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthalten sind und daß diese Maschine weniger Geräusch erzeugt und weniger Brennstoff verbraucht. Die Größen der Wirbel W und W_? werden bestimmt durch die Wahl der Querschnitte der Überströmöffnungen 15 j 16. Bei deren Wahl wird das Verdichtungsverhältnis und die Größe der Kammer 2 im Verhältnis zum Hubvolumen des Hubkolbens 23 berücksichtigt, mit dem Ziel, daß praktisch alles Restgas, das in der Kammer 2 ist, in den Wirbel W- eingeschlossen wird.

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Bei Inbetriebnahme der Brennkraftm.asch.ine wird die Glühkerze 22 als Zündhilfe für den kegeligen Brennstoff strahl 19 verwendet. Damit die Vorkammer möglichst schnell ihre Betriebstemperatur erreicht, sind die Wände 6,. J, 8, 9 mit Hohlräumen 2T₅ 28 versehen. Die Hohlräume sind in an sich bekannter Weise als sogenannte Wärmerohre gestaltet, d. h.,...daß sich in den Hohlräumen Kapillaren, die mit einem verdampfbaren Medium gefüllt sind, befinden. Zusätzlich zu dem verdampfbaren Medium kann noch ein Gas eingefüllt sein, das die Verdampfungstemperatur steuert. Diese Gestaltung der Wände zu Wärmerohr.en. bewirkt, daß unterhalb einer erwünschten Temperatur ein schlecht er-Wärmeübergang aus der Vorkammer 2 zu dem Zylinderkopf h stattfindet, während bei Er-reichen der gewünschten Temperatur eine gute Wärmeübertragung und damit auch eine gute Kühlung stattfinden. Es wird also an den Zylinderkopf k nur so viel Wärme abgeführt, als zum Vermeiden einer Überhitzung unbedingt erforderlich ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. k ist anstelle einer Glühkerze ein Heizelement 29 angeordnet. Das Heizelement 29 ist derart trichterartig gestaltet, daß es an der Fläche 20 des Übergangs 13 anliegt. In axialer Richtung wird es mittels an die Wand T angeformten Hasen 30 gehalten. Die Nasen sind derart elastisch ausgebildet, daß das Heizelement sich unabhängig von der Vorkammer ausdehnen kann. Das Heizelement 29 besteht aus einem keramischen Körper 31, der mit einem Heizleiter 32 beschichtet ist. Dieses Heizelement 29 fängt wesentlich mehr Teilmengen des in die Vorkammer 2 eingespritzten Brennstoffs zum Verdampfen auf als eine Glühkerze.

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Dadurch wird schon sehr kurze Zeit nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine ein ruhiger und wenig Schadstoffe verursachender Lauf der Maschine erreicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig.5 ist anstelle einer Glühkerze eine Zündkerze 33 angeordnet. Diese erzeugt Zündfunken nahe oder an der Fläche 20. Die Zündkerze wird verwendet, wenn mittels der Einspritzdüse 18 Benzin eingespritzt wird. Das Heizelement nach der Fig. k kann auch bei der Einspritzung von Benzin als Hilfsmittel zum Zündf ähigmachen- verwendet werden. Für den Fall, daß eine' Brennkraftmaschine mit der beschriebenen Vorkammer 2 sowohl im Diesel- als auch Otto-Verfahren betrieben werden soll, ist die Kombination der Vorkammer 2 mit der Zündkerze 33 und mit dem Heizelement 29 besonders vorteilhaft.

Claims

Sp/Jä 22.5-1981

Robert Bosch GmbH, TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

M .1 Vorkammer für eine mit wenigstens einer Hauptbrennkammer ausgerüstete-.Brennkraftmaschine mit einem einen Kanal bildenden ersten rohrartigen Kammerteil, dessen stirnseitige Wand in den Hauptbrennraum ragt und der ÜberStrömöffnungen aufweist, die den Hauptbrennraum mit dem ersten Kammerteil verbinden, mit einem gleichachsig zum ersten angeordneten zweiten rohrartigen Kammerteil größeren Querschnitts,, der gegenüberliegend zum ersten Kammer.teil eine starmseitige Wand besitzt, in die eine, zum ersten Kammerteil gleichachsig ausgerichtete Einspritzdüse, mündet, und mit einem Übergang vom ersten Kammerteil zum zweitenf-Kammerteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnungen (15; 16) derart verteilt und ausgerichtet sind, daß sie der strömenden Verbrennungsluft eine Drallströmung (W ) und eine in Längsrichtung auf die Einspritzdüse (18) hin gerichtete

gerade Strömung (2β) erteilen"·, derart, daß diese Strömungen (W , 26) zwei in Längsrichtung der Vorkammer (2) aneinander grenzende und im wesentlichen koaxial ausgerichtete ringförmige Wirbel (W., W*) erzeugen, und daß die Einspritzdüse 08) derart ausgebildet ist, daß sie wenigstens Teilmengen von einzuspritzendem Brennstoff (19) gegen den Übergang (13, 20) richtet.
2. Vorkammer nach Anspruch. V, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug auf den ersten Kammerteil (11) wenigstens eine Überströmöffnung (15) 'tangential und eine weitere Überströmöffnung (16) gleichachsig angeordnet ist.
3· Vorkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß die tangential ausgerichteten Überströmkanäle (15) zum Übergang (13) hin geneigt sind.
k. Vorkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (13) von dem ersten Kammerteil (11) ausgehend sich, im wesentlichen kegelig zum zweiten Kammerteil (12) hin öffnet.
5· Vorkammer nach Anspruch h₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Übergangs zwischen 30° und 90° beträgt.
6. Vorkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß das von dem ersten Kammer.teil (11) umschlossene Volumen zwischen 15 % und 30 % desjenigen Volumens, das von dem Übergang (13) und dem zweiten Kammerteil (12) umgeben ist, beträgt.
^_n . 7· Vorkammer nach einem, der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (2) als ein rotationssymmetrisches Einbauteil ausgebildet ist, deren Wand/Wände (6, 7, 8, 9) wenigstens einen Hohlraum (27,- 28), der, im.-Inneren als sogenanntes Wärmerohr gestaltet ist, hat/haben.
8. Vorkammer nach einem der Ansprüche. 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß. ein elektrisches Heizelement (22, 2'9) wenigstens teilweise innerhalb der Vorkammer (2) angeordnet ist.
9· Vorkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (22) als Glühkerze ausgebildet ist.
10. Vorkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (29) aus einem, in dem Übergang (13) anliegenden und trichterartig gestalteten Keramikteil (31) und einem Heizleiter (32) besteht.
11. Vorkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (29) schwimmend in dem Übergang (13) angeordnet ist.
12. Vorkammer nach einem, der Ansprüche 1 bis 11,. dadurch gekennzeichnet,, daß mindestens eine Elektrode, die vorzugsweise Bestandteil.einer Zündkerze (33) ist, der Vorkammer·f2) zugeordnet ist.
13. Vorkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichn.et, daß die Elektroden nahe der Wand (8) angeordnet sind.