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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Hilfskolben.
Die Erfindung betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine, die sowohl für das Diesel-als auch für das Verpuffungsverfahren gebaut werden kann und bei der in an sich bekannter Weise ein den Arbeits- kolben umgebender Hilfskolben eine genau bestimmte und verhältnismässig kleine, dem Hauptkolben nacheilende Bewegung in dem Zylinder ausführt, welche die Aufgabe hat, den Verdichtungsdruck über , die obere Totpunktlage aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen.
Der Hilfskolben erfüllt hiebei die Aufgabe eines Steuerorgans, das die Öffnungen in dem Zylinder öffnet und schliesst und selbst Öffnungen besitzt, die von dem Hauptkolben abgedeckt bzw. freigegeben werden.
Bei der Maschine, auf die sieh die Erfindung bezieht, wird die Luft oder das Gas unter Druck an dem oberen Ende des Zylinders zugeführt, um die verbrannten Gase herauszudrücken, wenn der Haupt- kolben das untere Ende seines Hubes erreicht, und eine Überladung während des Aufwärts-und Ver- dichtungshubes des Hauptkolbens zu erzeugen, bis die Zufuhr dieser eingelassenen Luft oder des Gases abgeschnitten wird. Der Hauptkolben wird auf dem grösseren Teil seines Verdichtungshubes zusammen mit dem Hilfskolben einen Druck in der Maschine erzeugen, der wesentlich höher ist als bei Maschinen, bei denen die Luft oder das Gemisch in den Zylinder nur durch Ansaugen beim Abwärtsgang des Kolbens zugeführt wird.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Einlassöffnungen durch den Hilfskolben und die Auslassöffnungen durch beide Kolben so gesteuert werden, dass naeh dem Ausblasen der Abgase durch die unter Druck zugeführte Spülluft oder das Druckgemisch die Spülluft oder das Gemisch noch so lange einströmt, bis der Verdichtungsdruck im Zylinder gleich dem Druck der zugeführten Spülluft oder des
Gemisches ist. Die Einlasskanäle werden von der Oberkante des Hilfskolbens gesteuert und sind mit selbsttätigen Rückschlagventilen versehen ; die Auslasskanäle werden von im Hilfskolben angeordneten
Durchlässen und durch die Oberkanten des Hauptkolbens gesteuert.
Durch diese Art der Steuerung erfolgt eine äusserst geringe Mischung der Abgase mit der neuen Ladung, und es wird eine vollkommene
Verbrennung des Brennstoffes an der Einspritzstelle gerade vor dem Krafthub erzielt. Infolge der
Spülung durch den einzigen Zugang mit den selbsttätigen Ventilen und durch die Grösse der Ladeöffnungen sowie der Austrittsöffnungen und infolge der gegenseitigen Bewegung des Hilfs-und Hauptkolbens, die nachher im einzelnen beschrieben wird, wird die Spül-und Ladezeit wesentlich verringert, wodurch in besonders günstiger Weise eine nutzbringende Arbeit während des letzten Teiles der Verdichtung sowie während der Verbrennung und Ausdehnung erzielt werden kann.
Da die gegenseitige Bewegung der beiden Kolben das Schliessen der Auslassöffnungen annähernd in der Stellung des grössten Zylinder- volumens herbeiführt, wird eine volle Zylinderladung für die Verdichtung, Verbrennung und Ausdeh- nung nutzbringend verwendet. Da die Spülventile und Öffnungen noch offen bleiben, nachdem die Auslassöffnungen geschlossen worden sind, wird beim Steigen des Arbeitskolbens der Druck im Zylinder erhöht, bis er dem Spülluftdruck das Gleichgewicht hält ; die selbsttätigen Spülluftventile werden sich sodann in der wirksamsten Stellung des Laufes bei den günstigsten Arbeit-und Ladungsbedingungen schliessen.
Da dieses Schliessen durch den Druck der Spülluft bestimmt wird, ist es möglich, eine Vorverdichtung bis zu einem gewünschten Grade nur durch Verstärkung des Spülluftdruekes herbeizuführen.
Die Maschine nach der Erfindung ist in gleicher Weise für den Betrieb mit Öl, gasförmigen oder pulverförmigen Brennstoffen geeignet. Bei Maschinen für gasförmige Brennstoffe können die üblichen Zündvorrichtungen verwendet werden, und die Ladung kann vor ihrem Einlass in den Zylinder in üblicher
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Weise in dem als Pumpe wirkenden Kurbelgehäuse oder mittels besonderer Ladepumpen unter Druck gesetzt werden.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Zweitaktdieselmasehine, Fig. 2 ein Längsschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, die Fig. 3-9 sind schematische Längsschnitte, welche die verschiedenen Stellungen des Arbeitskolbens und des Hilfskolbens während eines vollständigen Arbeitsganges der Maschine zeigen, die Fig. 10-15 schematische Ansichten der Kurbelstellungen während der Bewegung des Haupt-und Hilfskolbens bezogen auf die Fig. 3-9, Fig. 16 ist ein Längsschnitt einer Zweitaktbrennkraftmaschine, bei der ein Brennstoffgemisch oder Gas in den Zylinder gedrückt und durch eine Zündkerze entzündet wird.
Es soll zunächst die Zweitaktdieselmasehine gemäss der Erfindung nach den Fig. 1-15 beschrieben werden. A ist der Maschinenzylinder mit dem sich hin und her bewegenden Hilfskolben B und Hauptkolben C, der sich in dem Hilfskolben B bewegt.
Das obere Ende des Hilfskolbens B besitzt eine Verstärkung 1, die in einer erweiterten Bohrung 2 im oberen Ende des Zylinders läuft. Um ein Ansammeln der Luft in dem unteren Teil der Bohrung 2 zu verhindern, sind Öffnungen 3 in dem Zylinder vorgesehen, die ein freies Einströmen und Entweichen der Luft aus der Bohrung 2 gestatten. D bezeichnet die mit dem Schwungrad F versehene Kurbelwelle, die in dem Kurbelgehäuse G läuft. Der Kurbelzapfen 4 der Welle D ist durch eine Pleuelstange 5 mit dem Hauptkolben C verbunden. Auf der Welle D sind Exzenter 6 angeordnet, deren Exzenterringe 7 durch Stangen 8 mit dem Hilfskolben B verbunden sind. Die Exzenter 6 sind in einem Winkel zu dem Kurbelzapfen 4 angeordnet und befinden sich in einer bestimmten Nacheilung zum Kurbelarm.
Der Zylinder A hat einen Sehutzmantel 9, der eine Luftkammer. M bildet. An seinem oberen Ende besitzt der Zylinder eine Anzahl Einlassöffnungen 11, die den Zylinder mit der Luftkammer 10 verbinden. Vor den Öffnungen 11 sind Rückschlagventile 12 vorgesehen, die der Luft nur den Durchgang in einer Richtung gestatten, d. h. von der Luftkammer 10 in den Zylinder ; sobald der Druck in dem Zylinder grösser wird als der in der Luftkammer, schliessen die Ventile selbsttätig. Die in beliebiger Anzahl um den Zylinder herum vorgesehenen Einlassöffnungen werden durch den verstärkten kolbenartigen Teil 1 des Hilfskolbens B geöffnet und geschlossen. In die Kammer 10 wird die Luft durch ein geeignetes Mittel gefördert, und es ist hiefür z.
B. der schematisch dargestellte Luftverdiehter 13 vorgesehen, der die Luft durch eine Öffnung 14 in den unteren Teil der Luftkammer 10 drÜckt.
In der Zylinderwand ist eine Anzahl Auslassöffnungen 15 vorgesehen. Der Hilfskolben B besitzt Auslassöffnungen 16, die zweckmässig kleiner sind als die Auslassöffnungen 15 ; die Auslassöffnungen 16 werden von dem Hauptkolben C gesteuert, so dass die zusammengesetzte Bewegung des Hilfskolbens B und des Hauptkolbens C das Öffnen und Schliessen der Auslassöffnungen 15 bewirkt, wogegen der Hilfskolben B allein das Öffnen und Schliessen der Einlassöffnungen herbeiführt.
Die Maschine ist mit einer Düse 17 sowie einer Pumpe 18 zum Einspritzen des Brennstoffes in den Zylinder versehen.
Die Arbeitsweise der Maschine ist schematisch in den Fig. 3-15 dargestellt.
Fig. 3 zeigt die Stellung der Teile, wenn der Hauptkolben C in seiner höchsten Lage ist, d. h. am oberen Totpunkt, während der Hilfskolben B sich noch weiter aufwärts in seine höchste Stellung bewegen kann. Zu dieser Zeit beginnt die Verbrennung, die sich ungefähr über 30 der Kurbelwellenbewegung erstreckt. Diese Bewegung ist in Fig. 10 angegeben ; sie findet aus der Stellung nach Fig. 3 in die Stellung nach Fig. 4 statt. Die Ein-und Auslassöffnungen sind geschlossen, so dass die Rückschlagventile 12 vor dem brennenden Gasgemisch in diesem Teil des Hauptkolbenhubes und auch während dessen ganzen Krafthubes geschützt sind.
Während eines Teiles des Abwärtshubes des Hauptkolbens bewegt sich der Hilfskolben B aufwärts, um die Verdichtung aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen, während der Hauptkolben den Totpunkt überschreitet. Hiebei wird eine möglichst vollkommene Mischung des Sauerstoffes und des Brennstoffes sowie eine schnelle und wirksame Verbrennung erzielt, wobei die Bildung von Kohle und Niederschlägen verringert wird. Je schneller die Geschwindigkeit der Maschine
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weshalb die Maschine insbesondere für hohe Geschwindigkeiten verwendbar ist.
Wenn sich der Hauptkolben abwärts bewegt, wie durch die Stellung der Teile in Fig. 4 und 5 und in Fig. 11 angegeben ist, findet diese als Ausdehnung bekannte Periode ungefähr über einen Kurbelwinkel von 100 statt.
Sobald der Hauptkolben C die in Fig. 5 dargestellte Lage erreicht, befindet sich der Hilfskolben B in gleicher Weise in Abwärtsbewegung. Die Öffnungen 16 werden vor die Auslassöffnungen 15 treten, und der Hauptkolben C wird plötzlich die Auslassöffnungen 16 freigeben, durch die die Abgase entweichen.
Diese Bewegung erfolgt über einen Kurbelwinkel von annähernd 10 , wie in Fig. 12 der Zeichnung gezeigt ist. Nach Vollendung dieser Bewegung wird sich der Hilfskolben B weiter abwärts bewegen, wodurch die Einlassöffnungen 11 freigelegt werden, und da die Auslassöffnungen noch offen sind, wird die unter Druck einströmende Spülluft vollständig den Zylinder spülen, wie aus Fig. 6 zu erkennen ist.
Die folgende Bewegung der Teile um einen Kurbelwinkel von annähernd 50 der Kurbelwelle ist in Fig. 13 angegeben ; die Maschine gelangt aus der Stellung nach Fig. 6 in jene nach Fig. 7. Am Ende
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dieser Bewegung sind die Auslassöffnungen geschlossen, entsprechend der Abwärtsbewegung des Hilfskolbens und der geringen Aufwärtsbewegung des Hauptkolbens.
Die Einlassöffnungen 11 indessen sind noch offen, und es wird weiter Luft, die zur Überladung dient, in den Zylinder hineingedrückt, bis in diesem ein Druck entsteht, der jenen der eindringenden Luft überschreitet. In diesem Augenblick werden die Rückschlagventile 12 geschlossen, und der sich aufwärts bewegende Hauptkolben wird die Ladung zusammendrücken ; diese Verdichtungsbewegung des Kolbens ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt und erstreckt sich über einen ganzen Winkel von annähernd 150 der Kurbelbewegung (Kurbelstellungen nach Fig. 14 und 15).
Während der Aufwärtsbewegung des Hauptkolbens werden also zunächst die Rückschlagventile 12 bei einer bestimmten Stellung entsprechend annähernd 40 des Kurbelwinkels nach dem Schluss der Auslassöffnungen geschlossen. Diese Stellung wird, wie bereits erwähnt, durch den Druckausgleich zwischen dem Zylinderinhalt und dem Druck der Spülluft bestimmt. Unter wechselnden Geschwindigkeiten und Belastungen der Maschine erfolgt dieser Ventilschluss bei verschiedenen Kurbelstellungen. Die Verdichtung erfolgt nun bis zu einer Kolbenstellung, die annähernd 100 hinter dem oberen Totpunkt liegt, wie sie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 15 angegeben ist.
Die schematische Fig. 9 zeigt die Stellung des Hilfs-und Hauptkolbens in der Stellung, in der der Hilfskolben die Spülluftöffnungen 11 schliesst. Die annähernd entsprechenden Stellungen der beiden Kolben, wenn die Verdichtung vollendet ist, sind in Fig. 3 angegeben.
In Fig. 16 ist eine Maschine dargestellt, bei der ein Brennstoffgemisch aus dem Vergaser in den Zylinder gedrückt und durch die Zündkerze 19 oder eine andere Vorrichtung gezündet wird. Im übrigen gleicht mit Ausnahme der Luftkammer oder des Gehäuses 9 diese Maschine der Dieselmaschine nach den Fig. 1 und 2, und es sind daher gleiche Bezugszeichen für die gleichen Teile verwendet worden. Mit 20 ist ein Vergaser bezeichnet, der mit den Einlassöffnungen 11 der Maschine verbunden ist, und mit 21 eine Pumpe, die das Gasgemisch in den Zylinder A drückt.
Diese Maschine arbeitet genau so wie die beschriebene Dieselmaschine, nur dass das Gasgemisch durch eine Zündkerze entzündet und als Spülmittel verwendet wird, wobei natürlich das übliche niedrige Verdichtungsverhältnis zur Anwendung
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit Hilfskolben, der den Hauptkolben umschliesst, ihm nacheilt und den Verdichtungsdruck über den Totpunkt des Hauptkolbens hinaus aufrechterhält oder erhöht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (11) durch den Hilfskolben (B), die Auslass- öffnungen (15) durch den Haupt-und Hilfskolben (0 bzw.
B) so gesteuert werden, dass nach dem Ausblasen der Abgase durch die unter Druck zugeführte Spülluft oder das Brennstoffgemisch die Spülluft oder das Gemisch noch so lange einströmt, bis der Verdichtungsdruck im Zylinder gleich dem Druck der zugeführten Spülluft oder des Brennstoffgemisches ist.
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Two-stroke internal combustion engine with auxiliary piston.
The invention relates to a two-stroke internal combustion engine which can be built for both the diesel and the deflagration process and in which, in a known manner, an auxiliary piston surrounding the working piston executes a precisely determined and relatively small movement in the cylinder, lagging the main piston , which has the task of maintaining or increasing the compression pressure above the top dead center position.
The auxiliary piston fulfills the task of a control element which opens and closes the openings in the cylinder and itself has openings which are covered or released by the main piston.
In the engine to which the invention relates, the air or gas is supplied under pressure at the top of the cylinder to expel the combusted gases when the main piston reaches the bottom of its stroke and overload during the Generate upward and compression strokes of the main piston until the supply of this admitted air or gas is cut off. For the greater part of its compression stroke, the main piston, together with the auxiliary piston, will generate a pressure in the machine that is significantly higher than in machines in which the air or the mixture is only fed into the cylinder by suction when the piston is downward.
The essence of the invention is that the inlet openings are controlled by the auxiliary piston and the outlet openings by both pistons so that after the exhaust gases are blown out by the pressurized scavenging air or the pressure mixture, the scavenging air or the mixture continues to flow in until the The compression pressure in the cylinder is equal to the pressure of the supplied purge air or the
Mixture is. The inlet channels are controlled by the upper edge of the auxiliary piston and are equipped with automatic check valves; the outlet channels are arranged in the auxiliary piston
Passages and controlled by the upper edges of the main piston.
With this type of control there is an extremely small mixture of the exhaust gases with the new charge, and it becomes perfect
Combustion of the fuel at the injection point achieved just before the power stroke. As a result of
Flushing through the single access with the automatic valves and through the size of the loading openings and the outlet openings and as a result of the mutual movement of the auxiliary and main piston, which will be described in detail below, the flushing and loading time is significantly reduced, which is particularly beneficial useful work can be achieved during the latter part of compression as well as during combustion and expansion.
Since the mutual movement of the two pistons causes the outlet openings to close approximately in the position of the largest cylinder volume, a full cylinder charge is used to good effect for compression, combustion and expansion. Since the purge valves and openings remain open after the outlet openings have been closed, the pressure in the cylinder is increased as the working piston rises until it keeps the purge air pressure in equilibrium; the automatic purge air valves will then close in the most effective position of the barrel under the most favorable working and loading conditions.
Since this closing is determined by the pressure of the scavenging air, it is possible to bring about a pre-compression up to a desired level only by increasing the scavenging air pressure.
The machine according to the invention is suitable in the same way for operation with oil, gaseous or powdered fuels. In gaseous fuel machines, the usual igniters can be used and the charge can be in the usual way before it is introduced into the cylinder
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Way in the crankcase acting as a pump or by means of special charge pumps are pressurized.
Several embodiments of the invention are shown in the drawing. Fig. 1 is a longitudinal section of a two-stroke diesel engine, Fig. 2 is a longitudinal section along the line 2-2 of Fig. 1, Figs. 3-9 are schematic longitudinal sections showing the various positions of the working piston and the auxiliary piston during a complete operation of the engine 10-15 show schematic views of the crank positions during the movement of the main and auxiliary pistons in relation to FIGS. 3-9, FIG. 16 is a longitudinal section of a two-stroke internal combustion engine in which a fuel mixture or gas is pressed into the cylinder and through a spark plug is ignited.
The two-stroke diesel engine according to the invention according to FIGS. 1-15 will first be described. A is the engine cylinder with the auxiliary piston B reciprocating and the master piston C moving in the auxiliary piston B.
The upper end of the auxiliary piston B has a reinforcement 1 which runs in an enlarged bore 2 in the upper end of the cylinder. In order to prevent the air from accumulating in the lower part of the bore 2, openings 3 are provided in the cylinder, which allow the air to freely flow in and out of the bore 2. D denotes the crankshaft provided with the flywheel F and running in the crankcase G. The crank pin 4 of the shaft D is connected to the main piston C by a connecting rod 5. Eccentrics 6 are arranged on shaft D, the eccentric rings 7 of which are connected to auxiliary piston B by rods 8. The eccentrics 6 are arranged at an angle to the crank pin 4 and are at a certain lag to the crank arm.
The cylinder A has a protective jacket 9 which has an air chamber. M forms. At its upper end, the cylinder has a number of inlet openings 11 which connect the cylinder to the air chamber 10. Check valves 12 are provided in front of the openings 11, which only allow the air to pass in one direction, i. H. from the air chamber 10 into the cylinder; as soon as the pressure in the cylinder is greater than that in the air chamber, the valves close automatically. Any number of inlet openings provided around the cylinder are opened and closed by the reinforced piston-like part 1 of the auxiliary piston B. In the chamber 10, the air is conveyed by a suitable means, and it is for this purpose z.
B. the schematically shown Luftverdiehter 13 is provided, which presses the air through an opening 14 in the lower part of the air chamber 10.
A number of outlet openings 15 are provided in the cylinder wall. The auxiliary piston B has outlet openings 16 which are suitably smaller than the outlet openings 15; the outlet openings 16 are controlled by the main piston C so that the combined movement of the auxiliary piston B and the main piston C causes the outlet openings 15 to open and close, whereas the auxiliary piston B alone causes the inlet openings to open and close.
The machine is provided with a nozzle 17 and a pump 18 for injecting the fuel into the cylinder.
The operation of the machine is shown schematically in Figs. 3-15.
Fig. 3 shows the position of the parts when the main piston C is in its highest position, i. H. at top dead center, while the auxiliary piston B can move even further up to its highest position. At this time the combustion begins, which extends for approximately 30 of the crankshaft movement. This movement is indicated in Figure 10; it takes place from the position according to FIG. 3 into the position according to FIG. The inlet and outlet openings are closed, so that the check valves 12 are protected from the burning gas mixture in this part of the main piston stroke and also during its entire power stroke.
During part of the downstroke of the main piston, the auxiliary piston B moves upward to maintain or increase compression while the main piston passes over dead center. This results in the most perfect possible mixture of oxygen and fuel, as well as rapid and effective combustion, with the formation of coal and precipitates being reduced. The faster the speed of the machine
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which is why the machine is particularly suitable for high speeds.
As the main piston moves downward, as indicated by the position of the parts in FIGS. 4 and 5 and in FIG. 11, this period, known as expansion, occurs approximately over a 100 crank angle.
As soon as the main piston C reaches the position shown in FIG. 5, the auxiliary piston B is in downward movement in the same way. The openings 16 will come in front of the outlet openings 15, and the main piston C will suddenly open the outlet openings 16 through which the exhaust gases escape.
This movement occurs over a crank angle of approximately 10, as shown in Figure 12 of the drawing. After completion of this movement, the auxiliary piston B will move further downwards, whereby the inlet openings 11 are exposed, and since the outlet openings are still open, the scavenging air flowing in under pressure will completely scavenge the cylinder, as can be seen from FIG. 6.
The following movement of the parts through a crank angle of approximately 50% of the crankshaft is indicated in Figure 13; the machine moves from the position of FIG. 6 to that of FIG. 7. At the end
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this movement closes the outlet openings, corresponding to the downward movement of the auxiliary piston and the slight upward movement of the main piston.
The inlet openings 11, however, are still open, and air, which is used for overcharging, continues to be pressed into the cylinder until a pressure is created in it which exceeds that of the penetrating air. At that moment the check valves 12 will be closed and the main piston moving upwards will compress the charge; this compression movement of the piston is shown in FIGS. 8 and 9 and extends over an entire angle of approximately 150 of the crank movement (crank positions according to FIGS. 14 and 15).
During the upward movement of the main piston, the check valves 12 are initially closed at a certain position, corresponding to approximately 40% of the crank angle after the outlet openings have closed. As already mentioned, this position is determined by the pressure equalization between the cylinder content and the pressure of the scavenging air. This valve closure takes place at different crank positions under changing speeds and loads on the machine. The compression now takes place up to a piston position which is approximately 100 behind top dead center, as indicated by the dash-dotted line in FIG.
The schematic FIG. 9 shows the position of the auxiliary and main piston in the position in which the auxiliary piston closes the scavenging air openings 11. The approximately corresponding positions of the two pistons when compression is complete are indicated in FIG.
In Fig. 16, an engine is shown in which a fuel mixture is pressed from the carburetor into the cylinder and ignited by the spark plug 19 or other device. Otherwise, with the exception of the air chamber or the housing 9, this machine is the same as the diesel machine according to FIGS. 1 and 2, and the same reference numerals have therefore been used for the same parts. Designated at 20 is a carburetor which is connected to the inlet openings 11 of the engine, and at 21 a pump which pushes the gas mixture into cylinder A.
This machine works exactly like the diesel machine described, except that the gas mixture is ignited by a spark plug and used as a flushing agent, with the usual low compression ratio being used, of course
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PATENT CLAIMS:
1. Two-stroke internal combustion engine with an auxiliary piston, which surrounds the main piston, lags it and maintains or increases the compression pressure beyond the dead center of the main piston, characterized in that the inlet openings (11) through the auxiliary piston (B), the outlet openings (15) through the main and auxiliary pistons (0 resp.
B) be controlled so that after the exhaust gases have been blown out by the scavenging air or fuel mixture supplied under pressure, the scavenging air or the mixture continues to flow in until the compression pressure in the cylinder is equal to the pressure of the scavenging air or fuel mixture supplied.