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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündung von Kraftstoff in einer Raktionskammer durch
Zufuhr vom heissem Gas, das in einer Hilfskammer durch eine, von einem Zündkolben mittels Gaskompression eingeleitete, exothermische Reaktion eines Kraftstoffes erzeugt wird, der vor der Betätigung des Zündkolbens in diese Hilfskammer eingeführt wird.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird eine chemische Reaktion ausgelöst, durch die mittels eines
Brennstoffes eine unter Druck stehende Mischung aus einem heissen Gas erzeugt wird. Eine solche Reaktion kann die Verbrennung eines gewöhnlichen Brennstoffes, insbesondere eines flüssigen Brennstoffes oder die Zerlegung einer flüssigen Substanz sein, die bei geeigneter Zündung, selbst in Abwesenheit von Sauerstoff, Hitze entwickelt.
Derartige flüssige Substanzen, zu welchen beispielsweise Isopropylnitrat gehört, werden im folgenden kurz als "Monobrennstoffe"bezeichnet und unter dem Begriff "Brennstoff oder Kraftstoff" sollen daher in der folgenden Beschreibung soferne nichts anderes festgelegt ist, auch"Monobrennstoffe"mit eingeschlossen sein.
In beiden Fällen erfordert das Auslösen der Reaktion, die auch als Zünden des Brennstoffes bezeichnet werden kann, eine zumindest örtliche Erhöhung der Temperatur des Brennstoffes auf eine vorbestimmte, als
Zündpunkt bezeichnete Minimaltemperatur.
Durch die brit. Patentschrift Nr. 1, 067, 620 wurde es bekannt, einem Kompressionsraum, der getrennt von der Brennkammer einer Gasturbine angeordnet ist, ein Luft-Brennstoff-Gemisch zuzuführen, das dann durch den
Hub eines im Kompressionsraum bewegbaren Kolbens gezündet wird, worauf dann das gezündete
Luft-Brennstoff-Gemisch der Brennkammer der Turbine zugeführt wird, um den Brennstoff in der Brennkammer zu zünden.
Es ist bekannt, dass eine betriebssichere Zündung eines Luft-Brennstoff-Gemisches nur innerhalb eines relativ engen Bereiches des Brennstoff-Luft-Verhältnisses erzielt werden kann. Bei der praktischen Ausführung ist es ausserordentlich schwierig zu erreichen, dass gerade in jenem Augenblick, in welchem der Verdichtungsraum die Zündquelle für den in der Turbinenbrennkammer befindlichen Brennstoff bilden soll, die
Verdichtungskammer tatsächlich mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch gefüllt ist, bei dem das
Brennstoff-Luft-Verhältnis in dem engen, eine sichere Zündung gewährleistenden Bereich liegt.
Dies sicherzustellen ist eines der Ziele der Erfindung, das bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dann erreicht wird, wenn dort erfindungsgemäss eine Einspritzvorrichtung für flüssigen, auch in Abwesenheit von
Sauerstoff Wärme entwickelnden Kraftstoff vorgesehen ist, welche vor jedem Arbeitshub des Zündkolbens eine gegenüber dem Verdrängungsvolumen des Zündkolbens kleine Menge dieses Kraftstoffes ohne Luftbeimischung in die Hilfskammer einführt.
Die gegenständliche Erfindung beruht somit im wesentlichen darauf, statt ein Luft-Brennstoff-Gemisch in den Verdichtungsraum einzuführen, das wie bereits erwähnt, in einem engen Bereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses gehalten werden müsste, die Einspritzung einer Menge flüssigen Monobrennstoffes ohne Luftzufuhr auszuführen, wobei der Verdichtungsraum immer Gas enthält, selbst wenn es sich dabei um gasförmige Verbrennungsprodukte von einer vorangegangenen Zündung handelt. Wenn nun die Menge des Monobrennstoffes, der in den Verdichtungsraum eingeführt wird, klein im Vergleich des vom in der Verdichtungskammer arbeitenden Kolben verdrängten Volumens gehalten wird, wird eine sehr sichere Zündung des Monobrennstoffes erreicht, ohne dass irgendein mechanischer Rührer oder Sauerstoff in dem Verdichtungsraum vorhanden sein müsste.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auf die Zündung eines Brennstoffes in Gegenwart eines Gases, das inert sein kann, und auf die Zündung einer Mischung eines andern Brennstoffes mit Luft oder einem andern sauerstoffhaltigen Gas angewendet werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung steht der Zündkolben unter dem Einfluss einer die Energie für den Kompressionshub liefernden Feder, die durch eine auslösbare Sperre vor jedem Kompressionshub des Zündkolbens in gespanntem Zustand gehalten ist. Durch diese Massnahme wird eine rasche Bewegung des Verdichtungskolbens bei jeder Zündung sichergestellt, wodurch ein gesondertes Antriebsaggregat, wie ein Solenoid gemäss der vorgenannten bekannten Einrichtung vermieden wird.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Zündkolben wirkende Feder zur Rückführung in die gespannte Stellung mit einem jeweils nach der Zündung unter dem Druck des infolge der Zündung hocherhitzten Gases stehenden Kolben zusammenarbeitet. Hiebei wird sohin durch den Druck der bei der Verbrennung erzeugten Gase das Aufladen der Betätigungsfeder automatisch sichergestellt, so dass gesonderte Einrichtungen zur Aufladung der Betätigungsfeder sich erübrigen.
Das Laden der Brennkammer mit flüssigem Monobrennstoff aus einem Monobrennstoffvorratsbehälter kann durch eine von Hand durchgeführte Vorwärtsbewegung und eine nachfolgende federbetätigte Rückkehrbewegung eines Pumpenkolbens in einem Pumpenzylinder erfolgen, der durch Rückschlagventile mit dem Vorratsbehälter und der Reaktionskammer verbunden ist.
Damit eine leichte Einstellung der Monobrennstoffmenge erzielt wird, die zur Anpassung des gewünschten Stosses eingespritzt wird, ist ein Endanschlag für den Kolbenhub vorzugsweise mit der Ladepumpe kombiniert, deren Kolben vorzugsweise so angeordnet ist, dass er während seines von Hand ausgeführten, nach innen gerichteten Hubes Monobrennstoff ansaugt, während eine Rückholfeder zusammengedrückt wird, wobei der Kolben während des von der Feder ausgelösten Rückkehrhubes die gleiche Monobrennstoffmenge aus dem Ladepumpenzylinder über die Durchführung im Kolben ausstösst, die
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ein Rückschlagventil enthält und die am Ende des Rückkehrhubes mit einer Luftöffnung in Verbindung steht,
damit jegliche übertragung von Druck aus der Reaktionskammer an den Rückschlagventilen vorbei in die Zuführungs-und in die Vorratsbehälterleitung zum Monobrennstoffvorratsbehälter zuverlässig verhindert wird.
Die Reaktionskammer kann nach Wunsch auch so angeordnet sein, dass sie Gas an eine Gasturbine, insbesondere an eine Anlassergasturbine abgibt. In diesem Fall wird der Reaktionskammer nach der Zündung fortgesetzt in gleichbleibender Menge solange Monobrennstoff zugeführt, wie die Anlassergasturbine in Betrieb sein soll.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigen : Fig. l einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform einer Zündvorrichtung für Monobrennstoff mit einem von sich zersetzenden Gasen zu betätigenden Einhubkolben und mit einer Lade-und/oder Zündpumpe, Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem monobrennstoffbetätigten Kolben, Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine in dieser Ausführungsform zu verwendende Ladepumpe und Fig. 4 in vergrössertem Massstab einen Axialschnitt des Einlassventiles mit der Gegendruckschutzeinrichtung.
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Monobrennstoffs betätigt, das in einer zylindrischen Reaktionskammer --17 -- erzeugt wird, die koaxial zur Bohrung-5-verläuft, aber durch eine Trennwand --14-- von ihr abgeteilt ist. Das Zersetzungsgas gelangt dabei über eine Bohrung --15-- in der Trennwand --14-- von der Reaktionskammer in das Ende der Bohrung-5--. Die Reaktionskammer --17-- ist in axialer Richtung des Zylinderrohrs-l-durch einen
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dass er sich in den Laderaum bewegen kann, in dem er eine dichtende Passung bildet.
Der Vordruckkolben --21- ist in seiner gespannten Stellung dargestellt, in der eine als Schraubenfeder ausgebildete Zündfeder --19-- axial zusammengedrückt ist, un ; in der er von inem Sperrad-22-zurückgehalten wird, das von einem Auslösehebel-20-so freigegeben werden kann, dass es sich um einen Schritt vorwärtsbewegt, damit der Vordruckkolben--21--freigegeben wird, wobei es aber sofort wieder bereit ist diesen Vordruckkolben zu sperren, wenn er sich nach der Auslösung der Zersetzung des Monobrennstoffs wieder zurückbewegt.
Wenn der
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--6-- durch- -16-- einführt. Wenn nun der Vordruckkolben--21--durch Betätigung des Auslösehebels--20-- freigegeben wird, bewegt die Zündfeder-19-den Vordruckkolben rasch vorwärts, so dass sich der Druck des in der Reaktionskammer --17-- enthaltenen Gases erhöht. Wenn dann ein geeignet erhöhter Druck in der Reaktionskammer erreicht worden ist, dringt der Zündstift-18-in den Laderaum --16-- ein, so dass ein
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Zeitpunkt eine beträchtliche kinetische Energie angenommen hat, einen raschen Anstieg des Drucks und der Temperatur im Laderaum--16--auf den Zündpunkt.
Die darauf folgende Zerlegung des Monobrennstoffs bewirkt, dass der Druck im Laderaum weiter sehr stark ansteigt, wodurch der Zündstift mit einer so grossen Geschwindigkeit zurückgeworfen wird, dass er eine Energie annimmt die ausreicht, dass der Vordruckkolben vom Druck in der Reaktionskammer unterstützt in seine dargestellte Lage zurückkehrt, wo er erneut vom Sperrad --22-- festgehalten wird. Sobald der Zündstift--18--im Verlaufe dieser Rückkehrbewegung den Laderaum - -16-- verlässt, dringen die Zersetzungsgase aus dem Laderaum in die Reaktionskammer --17-- ein, wo die sich ergebende Druck- und Temperaturzunahme die Zersetzung des in ieser Kammer enthaltenen Monobrennstoffs auslöst.
Auf diese Weise wird in der Reaktionskammer --17-- ein hoher Druck erzeugt, der aber nicht so hoch, wie der momentan im Laderaum erzeugte Druck ist, da die Anfangskompression der Gase in der Reaktionskammer --17-- niedriger als die ist, die im Laderaum im Zeitpunkt der spontanen Zündung erreicht wird. Dieser Druck in der Reaktionskammer wirkt über eine Durchführung --15-- auf die Fläche einer ringförmigen Ausnehmung --10-- im Arbeitskolben --6--.
Wenn der auf diese Fläche wirkende Druck
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gross genug ist, um die Kraft der Rückholfeder --7-- zu überwinden, beginnt der Arbeitskolben --6-- sich von der Trennwand--14--wegzubewegen, die den Zylinder --5-- von der Reaktionskammer--17-trennt, so dass der Druck in der Reaktionskammer die gesamte Fläche des Arbeitskolbens--6--erreichen kann. Dieser Kolben wird auf diese Weise stark beschleunigt, so dass er eine hohe Geschwindigkeit erreicht, die in irgendeiner bekannten Weise ausgenützt werden kann.
Die Ladepumpe --4-- besitzt eine Kolbenstange -23--, die mit einem gestuften Pumpenkolben - ausgestattet ist. Dieser gleitet in einem Pumpenzylinder --25--, und er wird von einer Vorspannfeder--27--gegen die dargestellte Endlage gedrückt. Wenn die Vorrichtung geladen werden soll, wird der Pumpenkolben--26--durch Drücken eines am Ende der Kolbenstange--23--angebrachten Knopfs --24-- gegen die Vorspannfeder --27-- bewegt. Dieser nach innen gerichtete Hub des Pumpenkolbens --26- ist dadurch begrenzt, dass eine einstellbare Anschlagmutter--38--gegen das Ende des Pumpenzylinders--25--stösst, wobei die Einstellung des Knopfs dazu dient,
die bei jeder Hin- und Herbewegung eingespritzte Monobrennstoffmenge entsprechend den momentanen Anforderungen an die Vorrichtung festzulegen. Der Pumpenzylinder --25-- besitzt drei Öffnungen-28, 29 und 29a--. Die erste Öffnung --28-- steht über ein Rückschlagventil-35-mit dem Monobrennstoffvorratsbehälter --3-- in
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über33a--verbunden ist.
Die Bohrung--32--steht über die Endkammer --25a-- der Bohrung des Pumpenzylinders--25--dauernd mit der Öffnung--28--im Pumpenzylinder in Verbindung, während die Radialbohrungen--33 und 33a--des Pumpenkolbens--26--mit Längskanälen--36 bzw.
36a--am Umfang des Pumpenkolbens--26--so in Verbindung steht, dass der Längskanal --36-- bei der Rückkehr des Pumpenkolbens --26-- in seine dargestellte Stellung, nachdem der Knopf -24-- niedergedrückt worden ist, zuerst ermöglicht, dass der vom Pumpenkolben aus der Endkammer --25a-- des Pumpenzylinders --25-- verdrängte Monobrennstoff in die Reaktionskammer --17-- strömt, während der Kanal --26-- an einem vorbestimmten, kurz vor dem Ende des Rückkehrhubes des Pumpenkolbens liegenden Punkt die zweite Öffnung--29--verlässt, wobei aber nun der andere Kanal-36a-- die Verbindung mit der dritten Öffnung --29a-- beginnt, wodurch sichergestellt wird, dass der Lderaum --16-- unabhängig von der Arbeitsmenge, die die Zersetzungsprodukte leisten sollen,
stets mit einer bemessenen Menge des Monobrennstoffes beschickt wird, die zur Erzielung optimaler Zündbedingungen ausreicht, während eine Veränderung der Ausgangsenergie der Vorrichtung dadurch erzielt wird, dass die Menge des Monobrennstoffes geändert wird, die der Reaktionskammer --17-- zugeführt wird.
Man kann leicht erkennen, dass das Betriebsprinzip der Erfindung, das hier in seiner Anwendung auf einen Stosskolben beschrieben worden ist, auch auf andere Verwendungszwecke, beispielsweise auf die Betätigung eines hin- und hergehenden Kolbens angewendet werden kann, wobei Einrichtungen, beispielsweise mechanische Einrichtungen, vorgesehen sind, die die periodische Wiederbetätigung der Pumpe--4--und die anschliessende Freigabe des Kolbens--21--sicherstellen. Die Erfindung kann anderseits auch zur Auslösung des Betriebes einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung, wie etwa einer Anlassergasturbine verwendet werden. Zu diesem Zweck kann der Arbeitskolben --6-- als Druckabsperrorgan ausgeführt sein oder durch ein solches ersetzt sein, das solange geschlossen bleibt, bis der Druck in der Reaktionskammer --17-- einen vorbestimmten Wert erreicht.
Dabei wird eine zusätzliche Brennstoffpumpe, die eine kontinuierliche gleichmässige Monobrennstoffzufuhr zur Reaktionskammer --17- erzeugen kann, vorgesehen und so angeordnet, dass sie gleichzeitig oder kurz vorher zu arbeiten beginnt, bevor der Vordruckkolben--21--und der Zündstift --18-- zur Auslösung der Zersetzung des Monobrennstoffes im Laderaum --16-- freigegeben werden.
Wenn in den Vorratsbehälter --3-- wieder Monobrennstoff nachgefüllt werden muss, kann dies durch öffnen eines seitlich angebrachten Deckels--41--durchgeführt werden, der zu diesem Zweck vorgesehen ist. Schliesslich sei bemerkt, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung, obwohl sie hauptsächlich für die Verwendung mit einem Monobrennstoff wie Isopropylnitrat gedacht ist, auch mit andern Brennstoffen wie Benzin oder Dieselöl, die zur Verbrennung Sauerstoff benötigen, verwendet werden kann, vorausgesetzt, dass in diesem Fall Vorkehrungen getroffen sind, die bei jedem in diesem Arbeitsgang sicherstellen, dass in der Reaktionskammer --17-- ein in einem geeigneten Mengenverhältnis zum Monobrennstoff stehendes, die Verbrennung unterhaltendes Gas, üblicherweise Luft, vorhanden ist.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 2 bis 4 dargestellt.
In Fig. 2 erkennt man unter Beachtung der von Fig. 1 verschiedenen Merkmale, dass der Zündstift--18- nicht an einem Vordruckkolben, wie dem Vordruckkolben --21-- von Fig.1 sondern an einer Führungsstange --43-- befestigt ist, die mit einem Federanschlag--42--versehen ist, auf den die Feder--19--einwirkt.
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entsprechend dem Laderaum --16-- von Fig. l bleibt, der in der Trennwand --14-- angebracht ist, die die Stirnwand des Arbeitszylinders --5-- bildet. Im Gegensatz zur Konstruktion von Fig. l ist der Laderaum
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jedochZündstift-18-von Hand gespannt werden kann, wenn er losgelassen worden ist ohne dass eine Ladung vorhanden war.
Der Areitskolben --6-- ist mit einer Mittelerhebung --46-- ausgestattet, die den Ausgang des als durchgehende Bohrung ausgeführten Laderaums --45-- in die Zylinderbohrung --5-- des Arbeitszylinders abdichtet, wenn der Arbeitskolben von der Feder--7--in seiner dargestellten Endstellung gehalten wird. Ein Umfangsring --47-- des Arbeitskolbens --6-- hält dabei die Stirnfläche des Kolbens --6-- in einem gewissen Abstand von der Trennwand-14--, so dass eine ringförmige Kammer-9- gebildet wird, die die Mittelerhebung --46-- umgibt.
Die Durchführung-40-, durch die die Ladepumpe --4-- zur Betätigung des Arbeitskolbens --6-- den veränderlichen grösseren Anteil des Monobrennstoffes zuführt, ist so angeordnet, dass sie über ein Einlassventil --48-- in diese ringförmige Kammer --9-- führt,
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, besitzt das Gehäuse des Einlassventils --48-- an der Rückseite seines Ventilsitzes --49-- eine Querbohrung --50--, die sich mit der zum Ventil sitz --49-- führenden Strömungsdurchführung --51-- überschneidet. Diese Querbohrung --50-- ist normalerweise mit einer
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--48-- einmalStrömungsdurchführung--51--mit einem Punkt niedrigen Drucks verbunden wird, wodurch jede Gefahr des Zurückschlagens des Zünddrucks zum Monobrennstoffvorratsbehälter vermieden wird.
Die in Fig. 3 dargestellte Ladepumpe ist in anderer Weise konstruiert, als die in Fig. l dargestellte Ladepumpe. Im Betätiungsknopf --34-- nach Fig.3 sind daher die Funktionen des Betätigungsknopfs --24-- und der Anschlagmutter --38-- von Fig.1 kombiniert. An Stelle eines einzelnen Pumpenkolbens
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-26--,Hauptpumpenkolben --53-- zwischen einer Normalstellung, in die er von einer Feder-55-gedrückt wird, und einer zweiten Stellung bewegen kann.
In der Normalstellung wird der Hilfskolben --54-- von einem vom Hauptpumpenkolben in eine Nut--57--am Hilfskolben ragenden Stift--56--festgehalten, der in das Ende dieser Nut eingreift, und in der zweiten Stellung wird die nach innen gerichtete Bewegung des Hilfskolbens --54-- in die koaxiale Bohrung --53-- von einer Schulter --58-- an der Kolbenstange-23begrenzt.
Brennstoff aus dem Monobrennstoffvorratsbehälter wird über das Rückschlagventil --35-- in eine ringförmige Kammer --59-- eingelassen, die die Kolbenstange --23-- umgibt und über sich überschneidende
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61-und- bewegt gleichzeitig den Hilfskolben --54-- in seine Ausgangsstellung relativ zum Hauptpumpenkolben zurück, so dass anfänglich Monobrennstoff aus der ringförmigen Kammer --59-- in die
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der ringförmigen Kammer--59--ausgestossenen Brennstoffes über die Bohrungen--60 und 61--, das Rückshlagventil --62--, die Bohrung --53-- und das Rückschlagventil --37-- in den Laderaum
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--62Rückschlagventil --37a-- ist,
das in der Leitung zur Ringkammer --9-- angebracht ist.
Wenn der Abzugsstift --32-- nach Betätigung der Ladepumpe--4--gezogen wird, ist die Spannfeder --19-- frei, so dass sie den Zündstift--18--rasch in den Laderaum --45-- treiben kann, damit das darin enthaltene Gas komprimiert wird, bis Druck und Temperatur im Laderaum eine spontane Zersetzung des Monobrennstoffes bewirken. Der sich daraus ergebende Druckanstieg im Laderaum --45-- bewegt nicht nur den Zündstift zurück, so dass er zu einem erneuten Zündvorgang gespannt ist, sondern wirkt auch so auf die Mittelerhebung --46-- des Arbeitskolbens --6-- ein, dass sich diese Mittelerhebung aus dem Laderaum --45-- bewegt.
Auf diese Weise wird die Verbindung zwischen dem Laderaum und der Ringkammer--9-hergestellt, damit der Hauptanteil des Monobrennstoffes, der der Ringkammer über die Durchführungs --40-zugeführt worden ist, gezündet wird. Darüber hinaus wirkt der Druck der Zersetzungsgase nun auf die gesamte Fläche des Kolbens --6-- im Gegensatz zur Einwirkung auf die dem Querschnitt der Mittelerhebung --46-entsprechende Fläche, wie es vor der Herstellung der Verbindung zwischen dem Ladraum --45-- und der Ringkammer --9-- der Fall war.
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geöffnet, wenn der Kolben als Stosskolben oder als hin- und hergehender Kolben arbeitet und ein Ausgangsglied bildet.
Wie durch die Einfügung des Dreiweggschiebers--67--angegeben ist kann die Auslassöffnung--65-- aber auch mit einer Ausgangsleitung -68-- verbunden werden, in der die kontinuierliche Zufuhr von Zersetzungsgasen erforderlich sein kann, wenn sie, wie als Beispiel dargestellt sit, zu einer Gasturbine--69-führt. Um eine solche kontinuierliche Gaszufuhr zu erzeugen, wird die zur Ringkammer --9-- führende Durchführung --40-- nach der Zündung mit einer kontinuierlich liefernden Monobrennstoffquelle verbunden, die in den Zeichnungen als geeignet angetriebene Getriebepumpe--70--dargestellt ist. Solange die Monobrennstoffzufuhr aufrechterhalten wird, hält der Druck der Zersetzungsgase dann den Arbeitskolben
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inPATENTANSPRÜCHE :
1.
Vorrichtung zur Zündung von Kraftstoff in einer Reaktionskammer durch Zufuhr von heissem Gas, das in einer Hilfskammer durch eine, von einem Zündkolben mittels Gaskompression eingeleitete, exothermische Reaktion eines Kraftstoffes erzeugt wird, der vor der Betätigung des Zündkolbens in diese Hilfskammer eingeführt wird, gekennzeichnet druch eine Einspritzvorrichtung (4,40) für flüssigen, auch in Abwesenheit von Sauerstoff Wärme entwickelnden Kraftstoff, welche vor jedem Arbeitshub des Zündkolbens (18) eine gegenüber dem Verdrängungsvolumen des Zündkolbens (18) kleine Menge dieses Kraftstoffes ohne Luftbeimischung in die Hilfskammer einführt.
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