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Verbrennungsmotorisches Arbeitsverfahren mit Rückgewinnung der anfallenden
Verlustwärme und Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein verbrennungsmotorisches Arbeitsverfahren mit innerhalb der Zylinder
einer intermittierend arbeitenden, luftansaugenden Brennkraftmaschine stattfindender,
intermittierender Rückgewinnung der anfallenden Verlustwärme als Reaktionswärme
eines endothermen Reaktionsvorganges zwischen Kraftstoff und Wasser für die Gemischbildung.
Hierbei findet die endotherme Reaktion zwischen Kraftstoff und Wasser in einem Reaktionsraum
statt, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Brennraumes nächst einer bevorzugten
Stelle für anfallende motorische Verlustwärme befindet und vom Brennraum durch eine
gasdurchlässige Wandung getrennt ist, durch welche die brennbaren Reaktionsprodukte
in den eigentlichen Verbrennungsraum zur Vermischung mit der Luft und zur motorischen
Verbrennung gelangen können. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Brennkraftmaschine
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, in den Verbrennungsraum von Motoren, die nach dem
Diesel- oder Ottoprinzip arbeiten, Wasser oder Wasserdampf einzuführen, um die Verbrennung
zu verbessern. Diese Art der Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf gründet sich
im wesentlichen auf die reaktionsbeschleunigende Wirkung des Wasserdampfes durch
katalytische Effekte. Im Gegensatz dazu gibt es jedoch auch Möglichkeiten, eine
unmittelbare Reaktion zwischen dem Wasserdampf und einem Kohlenwasserstoff durchzuführen.
In diesem Fall geht der im Wasser enthaltene Sauerstoff die unmittelbare Reaktion
mit dem Kohlenwasserstoff ein. Allerdings tritt die unmittelbare Reaktion üblicherweise
nur bei Temperaturen auf, die in der Größenordnung von etwa 1000°C liegen. Bei der
Reaktion zwischen Wasser und Kohlenwasserstoffen entsteht Kohlenoxyd und Wasserstoff;
die Reaktion bedarf jedoch der Zufuhr von Wärme; sie ist also endotherm, wobei die
zugeführte Wärme später bei der Verbrennung von entstandenem Kohlenoxyd und Wasserstoff
mit Sauerstoff oder Luft als Heizwerterhöhung in Erscheinung tritt.
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Beispielsweise wird bei einem bekannten Verfahren darauf abgezielt,
schwerere Brennstoffanteile der Verbrennung dadurch zugänglicher zu machen, daß
dieser Brennstoff durch katalytisch wirkende Massen hindurchgeleitet und so hinreichend
reaktionsfähig gemacht wird. Dieses Reaktionsfähigmachen bezieht sich aber auf die
motorische Verbrennung, d. h. auf die Reaktion des Brennstoffes.
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Die Erfindung stellt sich dagegen die Aufgabe, diese zuletzt geschilderte
Erscheinung für die zyklische Rückgewinnung der motorischen Verlustwärme in Verbrennungskraftmaschinen
möglichst umfassend und mit einem Minimum an apparativem Aufwand nutzbar zu machen.
Es wird hierbei die von der Wasserstofhherstellungstechnik her bekannte und beispielsweise
durch die Umsatzgleichung
(vgl. VdI-Zeitschrift vom 16. 2. 1924, S. 153 und 154) beschriebene Reaktion des
Kohlenwasserstoffkraftstoffes mit Wasser im Zylinder einer intermittierend arbeitenden
Brennkraftmaschine durchgeführt.
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Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung wird dies bei der vorausgesetzten
Brennkraftmaschine dadurch erreicht, daß zur Bildung der gasförmigen Reaktionsprodukte
nach der vorstehend genannten Umsetzungsgleichung die Reaktionspartner Kraftstoff
und Wasser, in Anlehnung an diese Umsetzungsgleichung gewichtsanteilmäßig zugemessen,
in flüssiger Phase filmartig auf die Wandungen des Reaktionsraumes aufgetragen werden.
Dabei können Kraftstoffund Wasser gemeinsam in Form einer an sich bekannten Wasser-Kraftstoff-Emulsion
oder Lösung in den Reaktionsraum eingespritzt werden. In manchen Fällen ist es auch
zweckmäßig, Kraftstoff und Wasser getrennt in den Reaktionsraum einzuspritzen.
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Es wird also vorzugsweise die in den Verbrennungsgasen auftretende
bzw. unmittelbar davon abgeleitete Verlustwärme in einem endothermen Reaktionsvorgang
für die Gemischbildung und Verbrennung wieder nutzbar gemacht.
Da
bei den für das erfindungsgemäße Verfahren heranziehbaren Verlustwärmestellen in
der Maschine die Wärmeenergie auf einem Temperaturniveau zur Verfügung steht, das
unter Umständen nicht ausreicht, um die unmittelbare Reaktion zwischen Wasser und
Kohlenwasserstoff' mit genügender Schnelligkeit herbeizuführen, wird nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung die Reaktionstemperatur im Reaktionsraum durch an
sich bekannte katalytische Mittel, wie z. B. Nickel, Platin, Aluminiumhydroxyd,
auf eine niedrigere Temperaturstufe herabgesetzt, die insbesondere auch in einem
konstruktiv zulässigen Bereich liegt. Der Katalysator wird dabei in erster Linie
an den Wandungen des Reaktionsraumes aufgebracht, er kann aber auch zusätzlich an
der Innenwandung des Brennraumes vorgesehen sein. Der Einspritzzeitpunkt für die
Reaktionspartner liegt dabei in einem Kurbel-Winkelbereich zwischen Gaswechseltotpunkt
und Zündtotpunkt.
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Erfindungsgemäß ist ein doppelwandiger Brennraum vorgesehen, dessen
äußere Wandung durch eine Aushöhlung im Kolben oder im Zylinderkopf und dessen innere
Wandung durch eine in diese Aushöhlung mit Abstand eingesetzte Brennraumschale gebildet
wird, die gasdurchlässig ist, so daß ein innerer, den eigentlichen Verbrennungsraum
bildender Hohlraum und ein äußerer, ihn umgebender spaltförmiger Reaktionsraum entsteht.
Um den Verdampfungsprozeß der Reaktionspartner zu fördern und die in den Wandungen
gespeicherte Wärme weitgehend auszunutzen, sind die Strahlen der Einspritzdüsen
für die Reaktionspartner Kraftstoff und Wasser tangential zu den Reaktionsraumwandungen
gerichtet. Auf diese Art breiten sich die beiden Medien in dünnen Filmschichten
über die Wandungsflächen aus. Der eigentliche Brennraum steht hier, wie üblich,
durch eine Brennraumöffnung von entsprechendem Durchtrittsquerschnitt mit dem Zylinderraum
in Verbindung. Die innere Wandung, d. h. die gasdurchlässige Brennraumschale, kann
aus porösem oder aus einem nicht porösen Material bestehen, das im letzteren Fall
zahlreiche Lochungen aufweist. Außerdem ist der Abstand zwischen der inneren Wand
und der äußeren Wand so bemessen, daß die Reaktionsmedien durch Wärmeaufnahme von
den Wandungen zu- einem im Hinblick auf den gesamten motorischen Arbeitszyklus genügend
schnellen Reaktionsablauf gebracht werden.
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Es ist zwar bekannt, bei Verbrennungskraftmaschinen einen doppelwandigen
Brennraum im Kolben anzuordnen, dessen äußere Wandung durch eine Aushöhlung im Kolben
und dessen innere Wandung durch eine in diese Aushöhlung mit Abstand eingesetzte
Brennraumschale gebildet werden. Hierbei ist jedoch die innere Wandung nicht gasdurchlässig
ausgebildet und außerdem wird kein nahezu kapillarer, sondern ein relativ großer
Luftzwischenraum gebildet, der lediglich als Wärmeisolierung gegenüber der Kühlung
des Kolbens dient.
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Des weiteren ist bei Kolbenbrennräumen die filmartige Auftragung von
Kraftstoff und Wasser auf eine Wandung mittels Einspritzdüsen bekannt. Die filmartige
Auftragung der genannten Medien mittels einer entsprechenden Einspritzung erfolgt
hierbei jedoch nicht auf Wandungsbereiche eines Reaktionsraumes, sondern auf die
Brennraumwand. Dieser entscheidende Unterschied ist durch die andere Zielsetzung
beim bekannten Einspritzverfahren bedingt, die darin besteht, die besonders zum
Zerfall neigenden oder mit Vorliebe koksartige Rückstände bildenden schwersiedenden
Bestandteile des Kraftstoffes durch Angleichen der Wassereinspritzung an die Eigenart
des hier angewendeten Kraftstoffeinspritzverfahrens besser verbrennen zu können.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß in der vorliegenden Erfindung
ein selbständiger Schutz für die filmartige Auftragung von Kraftstoff und Wasser
an sich nicht begehrt wird. Schließlich ist auch schon die Anwendung von porösem
Wandmaterial im Brennraum einer Brennkraftmaschine bekanntgeworden. Im Gegensatz
zum vorgenannten Anspruchsmerkmal der Erfindung hat jedoch bei der bekannten Brennkraftmaschine
die Anwendung eines porösen Materials die andersartige Aufgabe, die Temperatur der
Kolbenwandung wie auch anderer, hohen Temperaturen unterworfenen Flächen an Maschinen
auf einem noch zulässigen Niveau zu halten. Dies wird in der Weise durchgeführt,
daß die hohen Erhitzungen ausgesetzten Flächen mit einer porösen Metallverkleidung
versehen sind, in die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, unter Druck eingeführt
wird. Dadurch wird auf der den heißen Gasen zugekehrten Oberfläche der porösen Metallverkleidung
eine isolierende Dampfschicht gebildet, die sowohl die verkleideten Flächen und
Teile als auch die Metallverkleidung selbst vor Erwärmung wirksam schützt. Eine
Reaktion im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hier mangels der Voraussetzungen
hierfür, beispielsweise Reaktionstemperatur, Gewichtsverhältnis der Reaktionspartner
Kohlenwasserstoff und Wasser, Anwesenheit eines Katalysators usw., nicht zustande
kommen. Der in das Innere der Brennkraftmaschine verlegte endotherme Reaktionsvorgang
zwischen Kraftstoff und Wasser läuft sonach nicht kontinuierlich ab, sondern erstreckt
sich jeweils intermittierend nur auf diejenige Kraftstoffmenge, die je Arbeitsspiel
in den Zylinder bzw. Reaktionsraum eingeführt wird. Die bei der nachfolgenden Verbrennung
aus den Produkten der Wasser-Kraftstoff-Reaktion entstehende Verlustwärme wird unmittelbar
zur Abdeckung des intermittierend anfallenden Wärmebedarfes für eine jeweils neue
Wasser-Kraftstoff-Reaktion wieder ausgenutzt. Hierbei wird die auf die Wandung des
Reaktionsraumes übergegangene Wärmemenge dem Arbeitsprozeß wieder zugeführt, und
zwar durch die Heizwerterhöhung der neu entstandenen Reaktionsprodukte. Es ergibt
sich hierdurch der Vorteil, daß die sonst verlorene Wärme nicht mehr wie bisher
in das Kühlwasser abgeleitet wird, sondern zur Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs
durch die bewirkte Heizwerterhöhung dient. Diese Wirkung kann noch dadurch gesteigert
werden, daß durch wärmeisolierende Mittel in der Umgebung des Reaktionsraumes der
Abfluß von Verbrennungswärme im Bereich außerhalb der Kraftstoff-Wasser-Reaktionszone
unterbunden wird.
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Das durch die Wasser-Kraftstoff-Reaktion im Reaktionsraum gebildete
und in den Verbrennungsraum übertretende gasförmige Mittel (Kohlenoxyd und Wasserstoff)
wird weiterhin erfindungsgemäß im Brennraum mit in Turbulenz versetzter Luft vermischt,
gezündet und dann verbrannt. Zur Zündung können dabei beliebige Zündmittel vorgesehen
werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird zweckmäßig
ein möglichst einheitlicher und gedrängter, vorzugsweise rotationskörperförmiger
Brennraum, etwa in Form einer Hohlkugel oder eines Zylinders, vorgesehen, da sich
derartige Brennräume
mit einfachen Mitteln isolieren lassen und
außerdem die Möglichkeit bieten, eine Abschnürung vom Zylinderraum vorzunehmen,
wodurch bekanntlich eine gute Luftwirbelung erreicht wird. Auch bei drehender Luftbewegung
hat die Einschnürung derartiger Brennräume einen geschwindigkeitssteigernden und
damit die Gemischbildung fördernden Effekt.
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Für die Erfindung ist es gleichgültig, ob der Brennraum im Kolben
oder im Zylinderkopf oder gleichzeitig in beiden Teilen untergebracht ist. Desgleichen
ist die Erfindung sowohl für Viertakt- als auch Zweitaktmaschinen anwendbar, die
sich dabei lediglich durch die Art des Gaswechsels unterscheiden.
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Der zeitliche Ablauf des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens ist durch
nachfolgendes Schema gekennzeichnet: A. Vor dem Beginn des Verdichtungshubes, gegebenenfalls
auch vor dem Ansaughub wird der Kraftstoff zusammen mit dem Wasser in flüssiger
Form in den Reaktionsraum eingebracht.
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B. In dem Reaktionsraum findet unter Aufbrauch der intermittierend
an seinen Begranzung3-wandungen aufgenommenen Verlustwärme mit Hilfe eines Katalysators
eine endotherme Reaktion zwischen Kraftstoff und Wasserdampf statt, wob. -i sich
Kohlenoxyd und Wasserstoff bilden; diese Reaktionsprodukte treten durch die poröse
Wand des Reaktionsraumes in den Brennraum über und werden darin am Ende des Verdichtungshubes
durch bekannte gemischbildungstechnische Maßnahmen mit der Verbrennungsluft vermischt.
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C. Durch bekannte Mittel wie Zündkerze, katalytische Zündstelle oder
Einspritzung einer Zündkraftstoffmenge erfolgt die Entflammung und Verbrennung des
entstandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Weitere Einzelmerkmale der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung
angeführt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen dargestellt.
Hierbei zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit darin angeordnetem
Brennraum zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, b--i gleichzeitiger
Darstellung der über dem Brennraum angeordneten Einspritzdüse, Fig. 2 einen Aufblick
auf Kolb. -n und Brennraum von Fig. 1 gleichfalls mit Darstellung der Einspritzdüse,
Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch mit Anordnung des Brennraumes im
Zylinderkopf.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 ist im Kolben
1 ein doppzlwandiger Brennraum 2 angeordnet, dessen äußere Wandung
3 durch die Begrenzungsfläche einer in das Kolbenmaterial eingeschnittenen Aushöhlung
und dessen innere Wandung 4 durch eine in diese Aushöhlung eingesetzte schalenförmige
Ausfütterung oder Brennraumschale gebildet wird. Der Brennraum 2 hat beliebige,
vorzugsweise Rotationskörperform. Die Brannraumschale 4 ist von der äußeren
Wandung 3 in Abstand gehalten und entweder frei tragend eingesetzt oder durch Ansätze
5 an der Außenwand 3 abgestützt. Zu ihrem einfachen Einbau und ihrer Zentrierung
dient ein in einer Aussparung des Kolb.-nbodens versenkbares Einsatzstück 4a, an
dem die Brennraumschale 4 b--festigt ist. Durch die innere Wandung der Brennraumschale
4
wird der durch die Wandung 3 begrenzte Aushöhlungsraum in den inneren eigentlichen
Brennraum 2 und einen ihn schalenförmig umgeb; nden Spaltraum (Reaktionsraum 6)
unterteilt, welch letzterer als Reaktionsraum dient. Damit die Verlustwärme stets
rasch genug als Reaktionswärme im Reaktionsraum 6 wirksam wird, ist der in der Zeichnung
aus Verdeutlichungsgründen übertrieben groß dargestellte Abstand d zwischen Innenwand
4 und Außenwand 3 praktisch nur sehr klein und nahezu kapillar gehalten.
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Die Brennraumschale 4 ist entweder porös ausgebildet oder mit
zahlreichen feinen Lochungen 7 versehen, wobei der Grad der Porosität oder Perforierung
so b.-messen ist, daß eine gasdurchlässige Verbindung zwischen den Räumen 2 und
6 gewährleistet ist.
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Die gesamte Umgrenzungswandung des Reaktionsraumes 6 ist außerdem
mit einem hier nicht weiter dargestellten porösen Überzug versehen, der beispielsweise
keramischer oder metallkeramischer Art sein kann und als Träger für einen für die
Umsetzung des Kohlenwasserstolles und Wassers geeigneten Katalysator dient. Als
Katalysatoren kommen dab--i Nickel, Platin, Aluminiumhydroxyd oder ähnlich wirkende
Stoffe in B; tracht. In gleicher Weis.- kann auch die dem Brennraum zu liegende
Seite der inneren Wand 4
katalytisch ausgebildet sein, wob. -i dann allerdings
verbrannungsbzgünstigende Oxydationskatalysatoren zur Anwendung kommen.
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In den Reaktion3raum 6 wird aus der Düse 8 der Kraftstoff in einem
oder mehreren Strahlen 9, die vorzugsweise tangantial zu den Wandungen des Reaktionsraumes
6 gerichtet sind, durch geeignete Öffnungen 10 des Einsatzstückes 4a derart eingespritzt,
daß er sich auf den Wandungen des Reaktionsraumes 6 filmartig in dünnen Schichten
11 üb. -r jeweils eine möglichst große Ob,-rlläche ausbreitet. Die Düsz 8 ist bei
Unterbringung des Brennraumes im Kolb,-n zweckmäßig in Nähe des Randes der Brennraumöffnung
12 angeordnet, wie dies aus Fig. 2 zu ersah-.n ist. Ist der Brennraum, wie in Fig.
3 dargestellt, im Zylinderkopf 13 ang-,ordnet, dann wird die hier nur durch ihre
Mündung 8a angedeutete Einspritzdüse zweckmäßig in Nähe des Scheitelpunktes des
Brenuraumbodens angeordnet, wobei die Kraftstoffeinspritzung in analoger Weise wie
im Beispiel nach Fig. 1 und 2 durch eine an dieser Stelle vorgesehene, den Öffnungen
10 ähnliche Öffnung 14 erfolgt. Gleichzeitig mit dem Kraftstoff wird
in den Spalt- oder Reaktionsraum 6 Wasser eingespritzt. Dies kann entweder in der
Weis.- geschehen, daß aus der Düse 8 durch die gleichen Austrittsöffnung,-n Kraftstoff
und Wasser gemeinsam beispielsweise in Form einer Wasser-Brennstoff-Emulsion eingespritzt
werden; oder die Düse 8 kann auch getrennte Kreisläufe für Wasser und Kraftstoff
mit getrennten Austrittsöffnungen für diese Medien aufweisen, so daß Wasser und
Kraftstoff erst nach ihrem Austritt aus der Düse 8 zusammentreffen. Statt nur einer
Düs-- für gemeinsame Einspritzung von Kraftstoff und Wasser können gegebcnenfalls
auch zwei Düsen 8, 88 vorgesehen sein, von denen die eine nur der Kraftstoffeinspritzung
und die andere nur der Wassereinspritzung dient. In diesem Falle ist die zweite
Düse 83, wie aus Fig. 2 zu ersehen, zweckmäßig gegenüberliegend zur ersten
angeordnet. Die von der Düse 83 in den Spalt- oder Reaktionsraum 6 eingespritzten
Wasserstrahlen 15 bilden dann an den Wandung--n desselben Wasserfilme 16, welche
sich den Kraftstoffilmen 11 üb-crlagern. Unter 17 ist ein Wärmaisolierring
angedeutet, der verhindern soll, daß Wärme aus der Brennraumzone in Richtung auf
die Kolbenringe 18 und damit nach dem im Zylinderblock
oder
-kopf umlaufenden Kühlwasser abströmt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist im
Zylinderkopf 13 ein entsprechender Wärmeisolierring 17a um den Brennraum 2 angeordnet.
Fast die gesamte Wärme, die auf der Kolbenbodenfläche 19 bzw. an den Wandungsflächen
des Spaltraumes 6 anfällt, bleibt auf diese Weise erhalten und steht für die in
diesem Raum stattfindende Wasser-Kraftstoff-Reaktion zur Verfiigung. Durch den Reaktionsvorgang
im Reaktionsraum 6 erübrigt sich auch eine Fremdkühlung der ihm benachbarten Kolben-
oder Zylinderkopfabschnitte, da der sich im Raum 6 abspielende Reaktionsvorgang
endotherm, d. h. mit Entzug von Wärme aus der Umgebung verläuft und es im Wesen
der Erfindung liegt, hierfür in den konstruktiv zulässigen Grenzen ein hohes Temperaturniveau
in der Umgebung des Reaktions- bzw. Brennraumes aufrechtzuerhalten.
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Die Wirkungsweise gemäß der Erfindung ist folgende Nachdem beispielsweise
vor dem Beginn des Verdichtungshubes Kraftstoff und Wasser in der vorbeschriebenen
Weise in den Reaktionsraum 6 eingespritzt sind, wird in demselben durch Entzug von
Wärme aus den umgebenden Wandungen eine Wasser-Kraftstoff-Reaktion herbeigeführt,
bei der sich die Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffes und das Wasser in Kohlenoxyd
(CO) und Wasserstoff (H) umwandeln. Die auf diese Weise gebildeten gasförmigen Produkte
treten durch die poröse Innenwand 4 in den Brennraum 2 ein, in dem - hervorgerufen
durch bekannte, nicht Gegenstand der Erfindung bildende Mittel -eine turbulente
Luftbewegung, z. B. in Form einer Luftdrehung oder einer allgemeinen Luftturbulenz,
erzeugt wird. Die Reaktionsgase vermischen sich nun sehr schnell mit der im Brennraum
2 wirbelnden Luft, und die Zündung kann dann in der verschiedensten Weise, z. B.
durch Kompressionswärme, elektrische oder katalytische Zündmittel, oder auch durch
Einspritzung eines Zündstrahles herbeigeführt werden.