DE2423879A1 - Zweitakt-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

16. Mai 1974

Patentanwälte

Dlpf.-Jng. A. Cür.aotor _{p R}

Dr.-ing. ff, -..^kddsy ^rö"³

Dr.-Ing. W. Sloc.'anair
8 München 22, Mjxirn/iiansir. 43 9 Z|. 9 ^ R 7 Q

DR. K. SCHUf-'ANN - DlPL-.-lNG. P. JAKOB

NISSAH MOTOR CO., LTD.

No. 2, Takara-machi," Kanagavia-ku, Yokohama City, Japan

Zweit akt-Brennkraf tmas chine

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge", insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschinen.

Die Verschmutzung der Luft durch die giftigen Bestandteile der Abgase von Brennkraftmaschinen hat ernsthafte Probleme aufgeworfen, und es wurden deshalb verschiedene Versuche und Entwicklungen durchgeführt, um die Abgase der in Rede stehenden Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen zu reinigen. Die Erfindung bezweckt, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welcher diese Probleme gelöst werden können.

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Um die giftigen Verbindungen, wie z.B. Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde in den Abgasen von Brennkraftmaschinen zu beseitigen oder wenigstens auf einem Minimum zu halten, wurde bereits vorgeschlagen, den Kraftstoff mit einem Zusatz von Gas oder einer wässrigen Lösung von Wasserstoffperoxyd oder flüssigem Sauerstoff zu verbrennen. Der Kraftstoff wird durch eine exotherme Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Oxydationsmittel vollständig verbrannt, so daß die erzeugten Verb rennungs ab gase frei von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyden sind, die von einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes herrühren. Da der Kraftstoff darüberhinaus ohne Stickstoff verbrannt wird, sind keine Stickoxyde, wie z.B. Stickstoffmonoxyde, in den Verbrennungsgasen enthalten. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zweitakt-Brennkraftmaschine wird u.a. ein solches stickstof freies Oxydationsgemisch für die Verbrennung des Kraftstoffes verwendet, der im allgemeinen aus Kohlenwasserstoffen besteht. Ein extrem großer Wärmeanteil wird durch die exotherme Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Wassers to ff peroxy d oder dem flüssigen Sauerstoff erzeugt, und wegen de_%r extrem hohen Temperatur, die durch eine solche exotherme Reaktion erreicht wird, braucht das Gemisch aus Kraftstoff und Oxydationsmittel vor der Entzündung nicht verdichtet zu werden. Ein weiteres noch nicht genanntes Merkmal der Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung besteht in einer Anordnung, bei welcher der Auslaß der Brennkraftmaschine verschlossen ist, wenn sich der Kolben der Brennkraftmaschine im Bereich des oberen Punktes befindet, und bei welcher der Kraftstoff und das Oxydationsmittel in die Brennkammer unmittelbar nach dem Schließen des Auslasses und unmittelbar, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, eingespritzt werden. . .

Die Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung kann ent-

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weder eine Kolbenmaschine oder eine Kreiskolbenmaschine sein. Die Ausdrücke "Zustand eines minimalen Volumens" und "Zustand eines maximalen Volumens", die nachfolgend in-Verbindung mit der Brennkammer der Brennkraftmaschine verwendet werden, beziehen sich auf Zustände der Brennkammer, in welchen sich der Kolben am oberen bzw. unteren Totpunkt (OT bzw. UT) befindet, wenn es sich um eine Kolbenbrennkraftmaschine handelt, und auf die Zustände der Brennkammer (oder des Arbeitsraumes) in welchen sich der Kreiskolben (oder Rotor) in einer solchen Stellung befindet, in welcher er ein minimales bzw. maximales Volumen der Brennkammer oder des Arbeitsraumes herstellt.

Die Erfindung "betsteht darin, daß eine Brennkammer mit einem Auslaß vorgesehen ist; daß in der Brennkammer ein Kolben bewegbar gelagert ist, der in jedem Takt eine ein größtes bzw. kleinstes Volumen der Brennkammer begrenzende Lage einnimmt, daß eine Kraftstoffeinspritzungseinrichtung vorgesehen ist, die zeitlich gesteuert flüssigen Kraftstoff in die Brennkammer einspritzt, .sowie eine OxydationsmitteleinspritzBinrichtung, die in zeitlicher Steuerung ein stickstoffreies Oxydationsmittel in die Brennkammer einspritzt, wobei die zeitliche Steuerung der Einspritzung des Oxydationsmittels mit der Kraftstoffeinspritzung derart synchronisiert ist, daß ein Kraftstoff-Oxydationsmittelgemisch in der Brennkammer erzeugt wird, daß eine ,Zündeinrichtung vorgesehen ist, die das Gemisch zeitlich •gesteuert entzündet, daß ein Ventil zum zeitlich gesteuerten öffnen und Schließen des Auslasses vorgesehen ist, sowie Steuereinrichtungen, die die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzeinrichtungen zyklisch und dann die Zündeinrichtung während eines ersten Taktes und das Ventil betätigen, um den Auslaß während eines zweiten

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^: Taktes geöffnet zu halten, wobei die die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritz einrichtung betätigt werden, ; unmittelbar bevor der Kolben die obere Totpunktlage mit dem kleinsten Hubvolumen erreicht, und das Ventil . derart betätigt wird, daß es den Auslaß unmittelbar vor

; Betätigung der Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinrichverschließt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.l eine schematische Darstellung einer Zweitakt-Kolbenbrennkraftmas chine gemäß der Erfindung;

Fig.2 ein Druck-Volumendiagramm, welches mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erzielbar ist, und

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Zweitakt-Kreiskolbenbrennkraftmaschine gemäß der Erfindung.

Der in der Fig.l dargestellte Motor weist einen Zylinder 10 und einen sich in dem Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben 12 auf, durch welchen eine Brennkammer 14 zwischen dem oberen Kolbenboden und einem Zylinderkopf 16 begrenzt wird, der an der Oberseite des Zylinders 10 angeordnet ist. Der Kolben 12 ist in an sich bekannter Weise mittels eines Kolbenzapfens 18, eines Pleuels 20 und eines Kurbelzapfens 22 an einer Kurbelwelle 24, die in einem Kurbelgehäuse 26 gelagert ist, angelenkt. In dem Zylinderkopf 16 sind eine Kraftstoffeinspritzdüse 28 und eine Einspritzdüse 30 für ein Oxydationsmittel angeordnet, die in die Brennkammer 14 hineinragen. Die Kraftstoffeinspritzdüse 28 steht mit einer

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Kraftstofförderpumpe 32 über eine.Steuereinrichtμng 34 in Verbindung^ welche zur Steuerung der Einspritzzeiten des flüssigen Kraftstoffes in die Brennkammer 14 dient. Gleichfalls steht die Einspritzdüse 30 über eine Steuereinrichtung 38 zur Steuerung der Förderung des Oxydationsmittels mit einer Förderpumpe 36 für das Oxydationsmittel in Verbindung. Die Förderpumpe 36 für das Oxydationsmittel fördert ein stickstoffreies Oxydationsgemisch, das sich in flüssigem Zustand befindet, wie z.B. flüssigen Sauerstoff oder eine wässrige Lösung oder Wasserstoffperoxydgas. Das Oxydationsgemisch wird durch die Einspritzdüse 30 in die Brennkammer 14 zu Zeitpunkten eingespritzt, welche mit den Zeitpunkten der Kraftstoffeinspritzung synchronisiert sind, so daß ein Gemisch aus Kraftstoff (oder Kohlenwasserstoff) und dem flüssigen Sauerstoff oder den Wasserstoffperoxydgasen in flüssigem Zustand jedesmal dann in der Brennkammer 14 erzeugt wird, wenn die Kraftstoffeinspritzdüse 28 und die Einspritzdüse für das Oxydationsmittel 30 während des Ansaughubes des Kolbens 12 betätigt werden. In dem Zylinderkopf 16 ist eine Zündkerze 40 angeordnet, die in die Brennkammer 14 hineinragt. Die Zündkerze 40 bildet einen Teil eines Zündsystems des Motors und ist daher in an sich bekannter Weise über eine nicht dargestellte Zündsteuereinrichtung an eine Energiequelle angeschlossen. Die Brennkammer 14 mündet über einen Auslaß 42 in ein Abgassystem, und in dem Auslaß ist ein Auslaßventil 44 angeordnet, das den Auslaß 42 unter dem Einfluß eines Nockens oder einer anderen nicht dargestellten Betätigungseinrichtung, die von der Kurbelwelle 24 angetrieben wird, öffnet und schließt. Während der Auslaß 42 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Zylinderkopf 16 angeordnet ist, sei erwähnt, daß die Erfindung auch eine Zweitakt-Brennkraftmaschine einschließt, deren Auslaß 42* in einem mittleren Teil des Zylinders 10 in-die Brennkammer

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einmündet, wie dies in der Fig.1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt der Kolben 12 als Ventileinrichtung und öffnet und schließt den im Zylinder 10 angeordneten Auslaß 42·, wenn er sich in dem Zylinder 10 vor- und zurückbewegt.

Während des Betriebes des Motors v/erden der Kraftstoff und das stickstoffreie Oxydationsgemisch, der bzw. das von den Pumpen 32 und 36 durch die Steuereinrichtungen 34 und 38 gefördert werden, gleichzeitig durch die Düsen 28 bzw. 30 in die Brennkammer 14 in flüssigem oder gasförmigem Zustand eingespritzt, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert, welcher mit ausgezogenen Linien in der Fig.1 dargestellt ist. Es ist offensichtlich, daß in diesem Augenblidk das Auslaßventil in einer solchen Stellung gehalten wird, in welcher es den Auslaß 42 verschließt, wenn die Düsen 28 und 30 betätigt werden, um den Kraftstoff und das Oxydationsgemisch in die Brennkammer 14 einzuspritzen. Der in die Brennkammer 14 eingespritzte Kraftstoff und das eingespritzte Oxydationsgemisch werden zerstäubt und miteinander gemischt, so daß ein brennbares Gemisch entsteht. Unmittelbar bevor der Kolben 12 den oberen Totpunkt erreicht, gibt die Zündkerze 40 einen Zündfunken ab und entzündet das brennbare Gemisch in der Brennkammer 14. In der Brennkammer 14 wird dadurch ein hoher Verbrennungsgasdruck erzeugt, durch welchen der Kolben 12 von seiner Totpunktlage nach unten gedrückt wird. Unmittelbar bevor der Kolben 12 seine untere Totpunktlage erreicht, welche mittels gestrichelten Linien in die Fig.l eingezeichnet ist, öffnet das Auslaßventil 44 den Auslaß 42, so daß die in der Brennkammer 14 expandierten Verb renn ungs gase durch den Auslaß 42 in die freie Atmosphäre austreten. Der Motor wiederholt während seines Betriebes

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diese Einspritz-, Arbeits- und Ausschubhübe.

Die vorbeschriebenen Einspritz-, Arbeits- und Ausschubhübe des Motors sind in der Fig.2 in einem Druck-Volumendiagramm (pV-Diagramm) wiedergegeben. Betrachtet man gleichzeitig die Fig.1 und 2, dann entspricht der Punkt A auf der pV-Linie einem Zeitpunkt, an welchem das Auslaßventil 44 betätigt wird, um den Auslaß 42 zu schließen. Die Kraftstoffeinspritzdüse und die Einspritzdüse 30 für das Oxydationsmittel werden zum Einspritzen des Kraftstoffs und des Oxydatiortsgeinis ches in die Brennkammer 14 während eines Zeitabschnittes betätigt, der am Punkt B beginnt und unmittelbar hinter dem Punkt A liegt. Die Zündkerze 40 wird zur Entzündung des Gemisches aus Kraftstoff und Oxydationsgemisch zu einem durch den Punkt C angegebenen Zeitpunkt gezündet, und an diesem Punkt beginnt der Arbeitshub des Motors. Die Einspritzung des Kraftstoffes und des Oxydationsgemisches wird am Punkt D beendet, der in der Nähe des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens 12 liegt. Der auf diese Weise in der Brennkammer 14 erzeugte Verbrennungsgasdruck erreicht seinen Scheitelwert im Punkt E und von diesem Punkt an beginnt die Expansion der Verbrennungsgase. Der Kolben 12 bewegt sich entsprechend zum unteren Totpunkt (UT), und bevor er den unteren Totpunkt erreicht, wird das Auslaßventil 44 im Punkt F betätigt, um den Auslaß 42 zu öffnen. Der Punkt G bezeichnet die Lage des unteren Totpunktes. Mit gestrichelten Linien ist durch die Kurve X der Kompressionshub einer Zweitakt-Brennkraftmaschine eingezeichnet.

Da das Auslaßventil 44 in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens 12 betätigt wird, um den Auslaß 42 zu schließen, wie dies durch den Punkt A der pV-Kurve dargestellt ist, findet während des Betriebes des Motors im wesentlichen kein

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Kompressionshub statt. Der Wegfall des Kompressionshubes führt zu einer Verringerung der durch die Verbrennung des Gemisches erzielbaren Energie, jedoch wird ein solcher Energieverlust durch die extrem große Wärmemenge ausgeglichen, welche durch die exotherme Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Wasserstoffperoxyd oder dem flüssigen Sauerstoff entsteht. Wenn z.B. Wasserstoffperoxyd als Oxydationsmittel verwendet wird, dann liegt die durch die Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Wasserstoffperoxyd erreichte Flammentemperatur über 2000° C. Eine solch große Wärmemenge reicht offensichtlich zur Erzielung der für den Antrieb des Kolbens 12 notwendigen Kraft aus, ohne daß eine adiabate Kompression des Verbrennungsgemisches erforderlich ist. Ein Vergleich zwischen den Kurvenverläufen des pV-Diagramms des erfindungsgemäßen Motors gegenüber einem herkömmlichen Motor läßt erkennen, daß die erzielbare Arbeit mit dem erfindungsgemäßen Motor wesentlich größer als die erzielbare Arbeit mit einem herkömmlichen Motor ist. Versuche haben gezeigt, daß die Arbeit beim erfindungsgemäßen Motor ungefähr 150 bis 200 % größer ist als die mit einem herkömmlichen Zweitakt-Motor erzielbare Arbeit.

Alle vorbeschriebenen Vorteile können ebenfalls dann erreicht werden, wenn die bei der Zweitakt-Kolbenbrennkraftmaschine gemäß Fig.l vorhandenen Merkmale bei einer Zweitakt-Kreiskolbenbrennkraftmaschine gemäß Fig.3 angewendet werden. Die in der Fig.3 gezeigte Zweitakt-Kreiskolbenbrennkraftmaschine weist ein Rotorgehäuse 46 und einen Kreiskolben oder Rotor 4 8 auf, der in dem Rotorgehäuse 46 um eine Exzenterwelle 50 drehbar gelagert ist. Zwischen der Innenwandung des Rotorgehäuses 46 und den Steuerkanten des Rotors 4 8 werden Brennkammern oder Arbeitsräume 52 gebildet,die durch die Scheitel des

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Rotors 48 voneinander getrennt s}.nd. In dem Rotor gehäuse 46 sind zwei Auslässe 54 vorgesehen, die in herkömmlicher Weise symmetrisch in bezug auf eine Achse der Exzenterwelle 50 angeordnet sind. In das Motorgehäuse 46 ragen zwei Sätze Kraftstoffeinspritzdüsen 56 und Oxydationsmitteleinspritzdüsen 58 hinein. Jeder von einer Kraftstoffeinspritzdüse 56 und einer Oxydationsmitteleinspritzdüse 58 gebildete Satz ist in der Drehrichtung 48 von dem benachbarten Auslaß 54 derart stromab angeordnet, daß die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzdüsen 56 und 58 in einer Reihe liegen, die im wesentlichen parallel zur Exzenterwelle 50 verläuft, oder in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Die Kraftstoffeinspritzdiisen 56 stehen über einer Steuereinrichtung 62 zur Steuerung der Kraftstofförderung mit einer gemeinsamen Kraftstoffpumpe 60 in Verbindung, und ebenso stehen die Oxydationsmitteleinspritzdüsen 58 über eine Steuereinrichtung 66 zur Steuerung der Oxydationsmittelförderung mit einer gemeinsamen Oxydationsmittelförderpumpe 64 in Verbindung, ähnlich wie dies bei dem in der Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Zwei Zündkerzen 68 erstrecken sich in das Rotorgehäuse 46 und sind in Rotationsrichtung des Rotors 48 stromab von den benachbarten Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzdüsen 56 und 58 angeordnet.

Wenn sich während des Betriebes der Rotor 48 im Rotorgehäuse 46 um die Exzenterwelle 50 dreht, so daß einer der Schalter des Rotors 48 an einem der Auslässe 54 zu einem Zeitpunkt vorbeigelaufen ist, der dem Punkt A der vP-Kurve in Fig.2 entspricht, wie dies in der Fig.3 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, dann wird ein aus den Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzdüsen 56 und 58 bestehender Düsensatz am Punkt B der pV-Kurve gemäß Fig.2 betätigt, so daß der Kraftstoff und das Oxydationsmittel in den Arbeitsraum 52

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eingespritzt werden, der vor dem entsprechenden Scheitel des Rotors 48 liegt (wobei dieser Arbeitsraum bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem oberen rechten Teil der Fig. 3 eingezeichnet ist). Dann wird zu einem dem Funkt C auf der pV-Kurve in Fig.2 entsprechenden Zeitpunkt die Zündkerze 68 gezündet, um das Gemisch aus dem Kraftstoff und dem Oxydationsmittel zu entzünden. Die Kraftstoff- und Oxydationsiaitteleinspritzdüsen 56 und 58 beenden die Einspritzung des Kraftstoffes und des Oxydationsmittels am Punkt D der pV-Kurve. Der Antrieb des sich in dem Rotorgehäuse 46 drehenden Rotors 48 erfolgt also durch die Verbrennungsgase, die durch die exotherme Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Oxydationsmittel entstehen. Wenn der Rotor 48 die durch die strichpunktierten Linien in der Fig.3 eingezeichnete Rotationsstellung am Ende des Expansionshubes erreicht, der dem Abschnitt E-F der pV-Kurve gemäß Fig.2 entspricht, dann läuft der sich am vorderen Ende des Arbeitsraumes 52 befindliche Scheitel des Rotors 48 über den anderen Auslaß 54, der infolgedessen mit dem entsprechenden Arbeitsraum 52 zu einem Zeitpunkt in Verbindung kommt, der dem Punkt F der pV-Kurve gemäß Fig.2 entspricht. Die sich in dem Arbeitsraum 52 befindlichen Abgase entweichen daher durch den Auslaß 54 in die freie Atmosphäre (wobei in diesem Fall der Auslaß im unteren Teil der Fig.3 gemeint ist). Dann werden die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzdüsen 56 und 58 und dann die Zündkerze 68 betätigt (die im unteren Teil der Fig.3 eingezeichnet sind), so daß auf diese Weise der nachfolgende Einspritz- und Arbeitshub ausgeführt werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschine darin bestehen, daß die Abgase des Motors keine

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giftigen Bestandteile enthalten und daß die Leistung des Motors ohne eine Vergrößerung der Motorkonstruktion wesentlich gesteigert wird. Unter dem Gesichtspunkt, daß Wasser-' stoffperoxyde oder flüssiger Sauerstoff leicht und wirtschaftlich aus unerschöpflichen Quellen der Atmosphäre zu gewinnen sind, trägt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ferner dazu bei, den Kraftstoffverbrauch durch die Kraftfahrzeuge zu verringern und das immer ernsthafter werdende Problem der Energiekrise zu mildern.

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Claims (5)

1. Patentan Sprüche

   Zweitakt-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer (14,46) mit einnem Auslaß (42,42',54) vorgesehen ist, daß in der Brennkammer ein Kolben (12) bewegbar gelagert ist, der in jedem Takt eine ein größteö bzw. ein kleinstes Volumen der Brennkammer begrenzende Lage einnimmt, daß eine Kraftstoff einspritzeinrichtung (28,56) vorgesehen ist, die zeitlich gesteuert flüssigen Kraftstoff in die Brennkammer einspritzt, sowie eine Oxydationsmitteleinspritzeinrichtung (30,58), die in zeitlicher Steuerung ein stickstoffreies Oxydationsmittel in die Brennkammer einspritzt, wobei die zeitliche Steuerung der Einspritzung des Oxydationsmittels mit der Kraftstoffeinspritzung derart synchronisiert ist, daß ein Kraftstoff-Oxydationsmittelgemisch in der Brennkammer erzeugt wird, daß eine Zündeinrichtung (40,68) vorgesehen ist, die das Gemisch zeitlich gesteuert entzündet, daß ein Ventil (44) zum zeitlich gesteuerten Öffnen und Schließen des Auslasses vorgesehen ist, sowie Steuereinrichtungen (34,38,62,66), die die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritzeinrichtungen zyklisch und dann die Zündeinrichtung während eines ersten Taktes und das Ventil betätigen, um den Auslaß während eines zweiten Taktes geöffnet zu halten, wobei die die Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinspritz-

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   einrichtungen betätigt werden,- unmittelbar "bevor der Kolben (12) die obere Totpunktlage mit dem kleinsten Hubvolumen erreicht, und das Ventil derart betätigt wird, daß es den Auslaß unmittelbar vor Betätigung der Kraftstoff- und Oxydationsmitteleinrichtungen verschließt.
2. 2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Oxydationsmittel flüssiger Sauerstoff oder Wasserstoffpero^yd ist.
3. 3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , daß sich das Wasserstoffperoxyd in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand befindet.
4. 4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkraftmaschine eine Kolbenmaschine ist.
5. 5. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet , daß die Brennkraftmaschine eine Kreiskolbenmaschine ist.

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