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Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen. Die Erfindung besteht darin,
Druckluft oder Druckgas, welche in gewissen Prozessen als Nebenerzeugnis abfallen,
z. B. Druckstickstoff bei der Lufttrennung, durch Einführung in einen Explosionsmotor
nutzbar zu machen. Für die Durchführung dieses Arbeitsverfahrens ist es gleichgültig,
nach welchem der bekannten Verfahren die Brennkraftmaschine arbeitet, ob im Viertakt
oder Zweitakt oder auch bei Verbrennung unter konstantem Druck oder nach dem Arbeitsschema
der Großgasmaschinen.
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Um jedoch das vorliegende Verfahren durchführen zu können, soll der
Arbeitsgang in der Weise durchgeführt werden, daß das aus anderen Prozessen abfallende
Druckgas, welches fast durchweg nur eine Spannung von etwa q. bis 9 Atmosphären
absolut besitzt, entweder kurz vor oder auch nach dem Beginn eines 1e= desmaligen
Arbeitshubs der Gasmaschine, und zwar an einer Stelle gleichen oder niedrigeren
Druckes, als das Druckgas selbst besitzt, in den Gasmaschinenzylinder eingepreßt
werden. Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, daß der mittlere Druck im
Arbeitszylinder steigt, die mittlere Temperatur dagegen sinkt. Dies hat aber zur
Folge, daß die Leistung steigt, gleichzeitig aber auch die mittlere Temperatur und
damit die Kühlverluste sinken.
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Die zur Zeit wichtigste Verwendung des vorliegenden Arbeitsverfahrens
ist die Ausnutzung des in Lufttrennungsanlagen als Nebenprodukt gewonnenen Druckstickstoffs
von etwa q. bis 9 Atmosphären Spannung. Bei dem in Abb. i veranschaulichten Ausführungsbeispiel
ist angenommen, daß aus einer Lufttrennungsanlage Druckstickstoff von 9 Atmosphären
verfügbar ist, welcher eine Temperatur von etwa + 5 bis io ° C besitzt. Derselbe
wird in die in Viertakt oder Zweitakt arbeitende Gasmaschine durch eine besonders
gesteuerte Zuleitung a eingeführt. Der Unterschied gegenüber den üblichen Maschinen
besteht in baulicher Hinsicht lediglich in der Anordnung dieser dritten Zuleitung.
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In Abb. i und 2 ist das Arbeitsdiagramm einer Viertaktgasmaschine
dargestellt, bei welcher während des Arbeitshubs nach Sinken des Arbeitsdrucks auf
9 Atmosphären absolut aus einer Lufttrennungsanlage Druckstickstoff von 9 Atmosphären
Spannung unter gleichbleibendem Druck auf der Diagrammstrecke c-d in den Zylinder
eingeführt, dann die Zufuhr des Druckstickstoffs abgesperrt wird. Auf der Strecke
d-e erfolgt dann wieder wie von b bis c adiabatische Expansion. Alsdann erfolgt
von e bis zum Kolbenhubende das Ausstoßen der Arbeitsgase und hierauf beim Rückgang
des Kolbens bis zur Stelle f Ansaugen frischen Gasgemischs, das beim Weitergehen
des Kolbens bis zur Stelle e auf Unterdruck sich entspannt, das beim Verdichtungshub
bis f auf Atmosphärenspannung sich wieder verdichtet und darauf erst bis zum Totpunkt
des Kolbens bei a auf Eintrittsspannung verdichtet wird. Hierauf erfolgt von a bis
b die Verbrennungsperiode, und zwar erfolgt bei Abb. i die Verbrennung von a bis
b mit steigendem Druck, dagegen bei Abb. 2 unter gleichem Druck von
a bis b.
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Die in Abb. i angegebenen Wärmeeinheiten beziehen sich auf den Arbeitshub
einer Gichtgasmaschine, bei welcher die Verdichtungswärme beim Verdichtungshub einer
Verdich= tungsarbeit von 45 Wärmeeinheiten, die Arbeitsleistung des Expansionshubs
ohne Einführung von Abfallgas 138 Wärmeeinheiten und mit Einführung von Abfallgas
eine Arbeitsenergie von 259 Wärmeeinheiten ergibt.
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In Abb. 2 ist dieselbe Voraussetzung gemacht. Der Unterschied besteht
nur darin, daß im zweiten Falle nach dem Dieselverfahren gearbeitet werden soll.
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Aus den beiden Diagrammen in Abb. = und 2 kann man ersehen, daß gemäß
Abb. i die Zusatzleistung bei dem Viertaktverfahren mit der Verbrennung unter steigendem
Druck infolge der höheren Temperaturen im Zylinder während des Arbeitshubs verhältnismäßig
beträchtlich größer ist als gemäß Abb. 2 bei dem Verfahren mit Verbrennung unter
gleichbleibendem Druck. Man wird daher bei der Ausnutzung des Druckstickstoffs von
Lufttrennungsanlagen Viertaktmaschinen oder Gasmaschinen mit hoher Verbrennungstemperatur,
wie z. B. Dieselmotoren usw., aus wirtschaftlichen Gründen vorziehen. Indessen wird
man, wie Versuche ergeben haben, zweckmäßig bei letzteren, ebenso wie beim Zweitaktverfahren,
den Druckstickstoff vor dem Beginn des Arbeitshubs einführen.
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Der wirtschaftliche Vorteil des vorliegenden
Verfahrens
der Gasmaschine zusammen mit der Verwendung des aus einer Lufttrennungsanlage abfallenden
Druckstickstoffs beruht vor allen Dingen darin, daß die Lufttrennung unter Druck
keinen merklichen Mehraufwand an Energie erfordert, als dies beispielsweise beim
Zweistufenverfahren der Fall ist, das bekanntlich entspannten Stickstoff liefert
und für vorliegendes Verfahren ungeeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung findet sachgemäße Anwendung insbesondere
auf die bisherigen Gasmaschinen und andere Brennkraftmaschinen, z. B. Dieselmotoren
usw., worauf die Abgase derselben dann noch anderweitig ausgenutzt werden können.
Beim Arbeiten mit Brennkraftmaschinen wird das Zusatzdruckgas, welches meist eine
geringere Spannung als die Höchstspannung der Kraftmaschine hat, an geeigneter Stelle
vor oder nach dem Totpunkt, d. h. vor Entstehung oder nach dem Sinken des Höchstdrucks,
in den Arbeitszylinder eingeführt. Hierdurch erhält man die Möglichkeit, bei den
großen Gasmaschinen auf den Hüttenwerken nicht nur die Verbrennungswärme der Gichtgase,
der Kohlengase usw., sondern auch gleichzeitig durch Vorwärmen des Druckgases der
Druckluft die Gaswärme der heißen Abgase der Hochöfen, der Siemens-Martinöfen usw.
in Großgasmaschinen ausnutzen zu können, ohne zu besonderen Maschinenanlagen für
den Arbeitshub gezwungen zu sein. Die so zu erhaltende zusätzliche Energie kann
etwa bis auf die Leistung der normalen Gasmaschine gesteigert werden.
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Die Abb.3 veranschaulicht die Kolbenstellungen für die einzelnen Arbeitsperioden
einer Viertaktmaschine beim Einführen des Druckstickstoffs von 9 Atmosphären Spannung
nach dem Beginn des Kolbenhubs, und zwar zuerst Kolbenstellung nach beendigtem Saughub.
Das ganze Zylindervolumen hat sich durch das geöffnete Saugventil hindurch mit Gemisch
aus Gas und Luft gefüllt.
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Alsdann folgt Verdichtung und Entzündung des Gemischs, an dritter
Stelle Eintritt des Druckstickstoffs und Absperrung seiner Zuleitung, an vierter
Stelle Entspannung von 9 Atmosphären auf Endspannung, an fünfter Stelle Kolbenrückgang
und Auspuff, an sechster Stelle Beendigung des Auspuffs.
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Die eingezeichneten Pfeile zeigen die jeweilige Kolbenhubrichtung
an. Wie ersichtlich ist, sind drei Steuerungen für Eintritt des Gemischs, für Zusatzdruckstickstoff
und für den Auspuff erforderlich.
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Soll der Eintritt des Druckstickstoffs vor Beginn des Arbeitshubs
erfolgen, so muß das Ventil für den Druckstickstoff schon in der zweiten Stellung
geöffnet werden, also in der dritten Stellung schon geschlossen sein.
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Steht Druckluft und Druckstickstoff von q. Atmosphären zur Verfügung,
so arbeitet man ähnlich wie beim Ochelhäuser-Motor mit Gaspumpe für q Atmosphären
und läßt beim Beginn des Saughubs erst Druckstickstoff und dann bis zum Ende des
Saughubs Gemisch ansaugen und arbeitet dann im normalenViertakt weiter.
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Eine Abänderung des Verfahrens besteht auch darin, daß anderweitig
gewonnene Druckgase, wie z. B. Druckstickstoff, bei der Absorption von Kohlensäure
aus einem Gemisch aus Kohlensäure und Stickstoff unter Druck usw. in den Zylinder
einer Brennkraftmaschine eingeführt werden.