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Anlage zum Betriebe von Gasluftdampfmaschinen Vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Ausgestaltung des Betriebes von Gasluftdampfmaschinen, bei
denen die anfallende Abwärme zur Erzeugung von Dampf irgendeines geeigneten Stoffes
benutzt wird. Dieser Dampf wird in einem besonderen Arbeitsraum entspannt in einem
Kühler niedergeschlagen, nach Rückspeisung wieder verdampft und dient zur Verslichtung
von Luft. Erfolgt die Arbeitsleistung des Dampfes in an sich bekannter Weise derart,
daß er mit den Verbrennungsgasen gemischt entspannt wird, so bereitet es Schwierigkeiten,
den Dampf wieder zurückzugewinnen. Es müßte, um z. B. Wasserdampf aus dein Auspuff
auszukondensieren, die Kühlertemperatur etwa 30° C betragen, was jedoch schwer erreichbar
ist. Es würde also ein ständiger Verbrauch von Wasser eintreten, der bei Fahrzeugen
aus einem mitzuführenden und nach gewisser Fahrzeit aufzufüllenden Vorratsbehälter
zu decken wäre.
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Es ist nun bei einstufigen Brennkraftmaschinen schon bekannt, mittels
des in den Kühlmänteln der Zylinder der Brennkraftmaschine gewonnenen Dampfes einen
Luftverdichter zu betreiben. Die Luft wird also mittels der Arbeit des Dampfes erzeugt,
der aus der Abwärme der Maschine erhalten wurde. Hierbei soll der erzeugte Dampf
eines geeigneten Stoffes, wie z. B. Wasser, Ammoniak, die Kaltdämpfe, hochmolekulare
Kohlenwasserstoffe und andere bei ioo bis 200° C mit Überdruck siedende und bei
50 bis 8o° C wieder verfiüssigbare Stoffe, nach seiner Entspannung in einem besonderen
Arbeitsraum mittels eines Kühlers rückkondensiert und nach Rückspeisung des Kondensats
durch Abwärme wieder verdampft werden.
Gemäß vorliegender Erfindung
wird dieser Gedanke dadurch weiter ausgestaltet, daß bei einer Anlage zum Betriebe
von Gasluftdampf-
| inaschinen die von dem mittels Dampfkraftß-, |
| getriebenen Verdichter erzeugte, verdicb,,t |
| Luft zusätzlich einer ersten, im Vier,;5;^ |
| arbeitenden Stufe (Brennkraftstufe) |
mehrstufigen, als Gasluftmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine nach vollendetem
Saughub oder gegen Ende des Arbeitshubes bzw. im Ü'berschubhub zugeführt und in
den nachgeschalteten Entspannungsstufen bei Leistung äußerer Arbeit bis auf Außendruck
entspannt wird. Hierbei können, um die Dampfarbeit möglichst ohne Verluste zur Verdichtung
der Luft nutzbar zu machen, doppeltwirkende Kolben verwendet werden, auf deren einer
Seite der Dampf entspannt und auf deren anderer Seite die Luft verdichtet wird.
Es hat sich gezeigt, daß bei Einleiten von Wasserdampf in den Zylinder der Brennkraftstufe
nach vollendetem Saughub je Prozent zusätzlich zugeführter Menge Dampf die Arbeit
sich gleichfalls um j e etwa i °1o steigert, während bei Luft überraschenderweise
die Steigerung etwa doppelt so groß ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch
das Auffüllen des Brennkraftzylinders mit Luft der Wärmedurchsatz steigt und gleichzeitig
ganz erheblich der Verbrennungs-und der Entspannungsenddruck dieser Stufe, so daß,
da die Endtemperatur der Teilentspannung die gleiche bleibt, für die nachgeschaltete
Entspannungsstufe ein günstigeres Verhältnis von Anfangsdruck zu Anfangstemperatur
vorhanden ist als ohne Rufladung der Brennkraftstufe.
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Die Durchführung dieses Erfindungsgedankens kann nun so erfolgen,
daß sowohl aus dem Auspuff als auch aus der Zylinderkühlung ein Dampf von gleichem
Druck erzeugt wird, der gemeinsam entspannt wird, oder aber, daß der bei hohem Druck
aus dem Auspuff gewonnene Dampf in einem Hochdruckzylinder entspannt und dann mit
dem aus der Zylinderkühlung gewonnenen Dampf - gemeinsam weiter entspannt -wird.
Dabei soll die verdichtete Luft, die nach vollendetem Saughub in die erste Stufe
der Brennkraftmaschine eingefüllt wird, nach der ersten oder zweiten Stufe des Verdichters
entnommen werden und die während oder nach dem Arbeitshub der ersten Stufe der Brennkraftmaschine
zuzuführende Luft in einer oder mehreren folgenden Stufen bis auf den gewünschten
Druck weiterverdichtet werden. Hierbei wird, um bei geringstem Zylinderraute und
bei Anwendung eines Tauchkolbens doppeltwirkend arbeiten zu können, der Luftverdichtungsiaum
in den Kurbelkasten verlegt, während der Dampfentspannungsraum oberhalb des Kolbens
sich befindet. Ferner ist es möglich, den Dampfentspannungsraum in den Kurbelkasten
zu verlegen und die Luftverdichtung :-@.berhalb des Kolbens vorzunehmen. Man -,kann
auch mittels eines Differentialkolbens seh an einem Kurbeltrieb zwei Arbeitsräume
schaffen, von denen zweckmäßig in dem einen Arbeit geleistet, also Dampf entspannt,
und in dem anderen Arbeit aufgewendet, also Luft verdichtet wird. Hierdurch wird
die Kurbel entlastet und damit der mechanische Verlust vermindert und gleichzeitig
ein ruhiger Gang des Motors erzielt. Dieser Vorteil läßt sich auch für den Zylinder
der Ent: spannungsstufe, der der Brennkraftstufe nachgeschaltet ist, dadurch erreichen,
daß oberhalb des Kolbens Verbrennungsgas entspannt und im Kurbelkasten Luft verdichtet
oder Dampf entspannt wird, oder aber, da.ß mittels eines Differentialkolbens in
diesem Zylinder zwei Arbeitsräume geschaffen werden, voll denen der am Zylinderkopf
befindliche Arbeitsraum zweckmäßig zur Entspannung der Verbrennungsgase dient. Es
ist auch möglich, den Zylinder der Entspannungsstufe so zu steuern, daß, bezogen
auf die Brennkraftstufe, der vierte und erste Hub Arbeitshub und Ausstoß des Verbrennungsgases
und der zweite und dritte Hub Arbeitshub und Ausstoß von Dampf ist, während bei
doppeltwirkenden Kolben die andere Kolbenseite zur Verdichtung von Luft dient. Hierdurch
wird eine wirksame Innenkühlung des zweiten Arbeitsraumes bewirkt und trotzdem der
Dampf nicht mit dem Verbrennungsgas gemischt.
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Wenn es auf eine möglichst große Gewichtsersparnis ankommt, soll die
Entspannung des Dampfes und die Verdichtung der Luft mittels Drehkolbeninaschinen
erfolgen, die finit der Kurbelwelle gekuppelt sind. -Hierdurch wird infolge der
ausgeglichenen Massenwirkung eine große Gleichförmigkeit des Laufes erzielt. Bei
Großmotoren von mehr als 3oo PS kann die Entspannung des Dampfes und die Verdichtung
der Luft mittels auf einer Welle sitzenden Turbinen erfolgen. Hierbei kann dann
die Entspannung der Verbrennungsgase und der Luft der zweiten Stufe in einer auf
der gleichen Welle sitzenden weiteren Turbine vorgenommen -werden.
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In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele von Anlagen gemäß
der Erfindung veranschaulicht, und es sind in den einzelnen Abbildungen die Räume
mit großen Buchstaben und die Maschinenteile mit kleinen Buchstaben bezeichnet.
Bei dein in ,kleinen i dargestellten Differentialtauchkolben, dessen Durchmesser
auf der Kurbelseite vergrößert ist, ist eine Volulnenverininderung des Arbeitsraumes
A oberhalb des Kolbenkopfes
mit einer Volumenverminderung des Arbeitsraumes
B unterhalb des Kolbenkopfes verbunden, so daß, wenn der Raum A zur Luftverdichtung
und der Raum B zur Dampfentspannung oder umgekehrt' benutzt wird, beim Auf- und
beim Abgang Last auf der Kurbel liegt. Bei dem in Fig. a dargestellten Differentialtauchkolben,
dessen Durchinesser am Kopfe vergrößert ist, ist eine Verminderung des Raumes A
oberhalb des Kolbenkopfes mit einer Vergrößerung des Raumes B unterhalb des Kolbenkopfes
verbunden. Wenn daher der Raum A zur Luftverdichtung und der kaum B zur Dampfentspannung
oder umgekehrt verwendet wird, findet die Arbeit aufnehmende Verdichtung mit der
Arbeit abgebenden Entspannung gleichzeitig statt, so daß die Kurbel entlastet wird.
Wird Verbrennungsgas entspannt, so wird stets der Raum A als dein ArbeitszyIinder
der Brennkraftstufe nachgeschalteter zweiter Arbeitsraum und der Raum B zur Dampfentspannung
benutzt. Es erfolgt dann sowohl beim Auf- wie beim Abgang ein Arbeitshub, so da,ß
die Kurbel stets belastet ist. Gleichzeitig wird hierbei eine wirksame Innenkühlung
von Kolben und Zylinder erzielt.
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Gemäß Fig. 3 und 4. ist der doppeltwirkende Tauchkolben a so ausgeführt,
daß er mittels einer Bodenplatte b verschlossen ist und die Kolbenbolzenlager c
unterhalb dieser Platte b liegen. Ferner sind an den Kurbelwangen d scheibenförmige
Verdrängerkörper e und an den Kolben unterhalb des Kolbenbolzens ist ein zylindrischer
Verdrängerkörper f angebracht, der für die Bewegung der Pleuelstange einen freien
Raum g hat. Hierdurch wird erreicht, daß der tote Räum im Kurbelkasten sehr klein
ist und dadurch ein hohes Verdichtungs- oder Entspannungsverhältnis ermöglicht wird.
Um den schädlichen Raum noch weiter zu verkleinern, kann man wenigstens teilweise
diesen mit einem flüssigen Mittel, etwa Maschinen- oder Lageröl, ausfüllen. Bei
den beschriebenen Zylindern für die Entspannung von Verbrennungsgas oder Dampf oder
für die Verdichtung von Luft kann der Ein- und Austritt mittels nockenbetätigter
Stößelventile, federbelasteter Plattenventile, Schieber oder vom Kolben gesteuerter
Schlitze gesteuert werden.
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An Hand von einigen Ausführungsformen soll die Arbeitsweise einer
Anlage gemäß der Erfindung erläutert werden.
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Gemäß Fig. 5, einer perspektivischen Darstellung, und Fig. 6, einer
Ansicht von unten, ist die Maschine in Boxerform ausgeführt, und zwar in der Art,
daß auf der rechten Seite die beiden Brennkraftzylinder A1 und Az und der Entspannungszylinder
B und auf der linken Seite der Hochdruckdampfzylinder C, der Niederdruckdampfzylinder
D und der Luftverdichter E liegt.
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Im Betriebe wird der Auspuff der Entspannungsstufe B mittels
Leitung a durch den .Dampferzeuger b geleitet und gelangt über -Leitung a' ins Freie.
Dem Dampferzeuger b wird von der Wasserpumpe e mittels Leitung
d
Wasser zugeführt und der Hochdruckdampf mittels Leitung f entnommen und
dem Hochdrucledampfzylinder C zugeführt. Der bei der Kühlung der Brennkraftseite
erzeugte Dampf wird mittels Leitung g, in welche mittels Leitung g' der Ausschub
der Hochdruckdampfstufe eingeführt wird, dem Niederdruckdampfzylinder D zugeleitet.
Von dort gelangt er über eine Leitung zum Kondensator und das Kondensat zur Pumpe
e zurück, was nicht gezeichnet ist. Das Wasser, das in den Kühlmänteln verdampft,
wird mittels Leitung d' von der Pumpe e in diese hineingedrückt. Die im Zylinder
E erzeugte Druckluft -gelangt mittels Leitung hin den Druckluftbehälter
i,
von dem aus die Luft über die Einlaßventile K1 und K. in die Zylinder der
Brennkraftstufen Al und A. geleitet wird. Es ist l die Einspritzpumpe, in der Zündverteiler.
iil und 3i sind die Überströmventile und o die Ausla.ßventile der Entspannungsstufe.
Die Zylinder A1, A2 und B haben, wie beschrieben, Verdampfungskühlung, die
Zylinder C, D und E keine Kühlung.
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In Fig. 7 ist eine beispielsweise Darstellung eines Arbeitsschaubildes
der Brennkraft- und Entspannungsstufe gegeben. Die Linie a-b ist die Atmosphärenlinie.
Auf der Linie c-d wird Luft in die Brennkraftstufe gesaugt und auf der Linie d-d'
zusätzlich verdichtete Luft zugeführt. Auf der Linie d'-e wird verdichtet, wobei
nach der Verbrennung der Punkt f erreicht wird. Auf der Linie f-g erfolgt dann die
Entspannung. Dann öffnet sich das tJberströmventil, und im Brennkraftzylinder wird
das Verbrennungsgas auf der Entspannungslinie g-c ausgeschoben und auf der Linie
g-b im Entspannungszylinder entspannt, aus dem es dann auf der Linie b-a ins Freie
ausgeschoben wird. Die Fläche g', c, d, g' stellt die auf den Hub der Brennkraftstufe
umgezeichnete Arbeitsfläche der Entspannungsstufe dar: In Fig.8 ist ein auf den
Nockenkreis der Verbrennungsstufe bezogenes Steuerdiagramm gezeichnet. In diesem
bedeutet: s = Ansaugen der Brennkraftstufe, E = Einlaß der zusätzlichen Luft in
die Brennkraftstufe, ' (I = Überströmventil, A = Auslaß der Entspannungsstufe.
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Der Index i bedeutet »Ventil öffnet« und 2 »Ventil schließt«.
»To« = Totpunkt oben und »Tu« = Totpunkt unten bezieht sich auf die
Brennkraftstufe.
Aus diesem Schaubild ist ersichtlich, daß, kurz
bevor der Kolben der Verbrennungsstufe den oberen Totpunkt erreicht, das Saugventil
öffnet, welches kurz vor dem unteren Totpunkt schließt. Hierauf wird von El bis
E, die mittels mit Dampfkraft getriebenen Verdichters erzeugte Druckluft zugefüllt.
Die gesamte im Zylinder befindliche Ladung wird in diesem Hub weiterverdichtet,
und kurz vor dem Wiedererreichen des oberen Totpunktes beginnt die Verbrennung.
Hieran schließt sich der Arbeitshub an, kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes
öffnet das Überströmv entil bei Ü1, während das Auslaßventil der Entspannungsstufe
bei Al, also kurz vor dem oberen Totpunkt der Verbrennungsstufe, was der Stellung
kurz vor dem unteren Totpunkt der Entspannungsstufe entspricht, öffnet. Da unmittelbar
anschließend das Saugventil der Verbrennungsstufe öffnet, während das Ü'berströmventil
erst etwas nach Totpunkt schließt, so sind alle drei Ventile diese Zeit über gleichzeitig
offen, so daß die Arbeitsgase aus dem Zylinder der Brennkraftstufe entfernt werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.9 und io ist für einen Dreizylinderreihenmotor
mit zwei Brennkraftzylindern A1 und A.; und einem Entspannungszylinder B die Vorrichtung
p zur Luftverdichtung und Dampfentspannung ohne Verbindung mit dem Kurbeltrieb der
Brennkraftmaschine angeordnet. Die Buchstaben in Fig.8 und 9 haben die gleiche Bedeutung
wie in Fig. d. und 5. Es kommt zu diesen noch hinzu: Cl und C2 Hochdruckluftzusatzventil,
1i Hochdruckluftleitung, h und 1, Brennstoffeinspritzleitungen.
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Die Arbeitsweise ist ebenfalls die gleiche, wie in Fig. 7 dargestellt,
nur daß die Hochdruckluft gegen Ende des Arbeitshubes der Brennkraftstufe über die
Ventile C1 und C, in den Brennkraftzylinder eingeleitet wird.
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In Fig. i i ist eine schematische Darstellung der Luftverdichtungs-
und Dampfentspannungsvorrichtung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird die Dampfarbeit
der ersten Stufe Dl und der zweiten Stufe D2 mittels eines doppeltwirkenden Kolbens
direkt zur Verdichtung von Luft in den Räumen Ei erste Stufe und E2 Zweite Stufe
nutzbar gemacht. Hierbei ist s1 das Saugventil und d1 das Druckventil der erstere
Stufe und s2 das Saugventil und d2 das Druckventil der zweiten Stufe des Verdichters.
Mit h. ist die Entnahme der Niederdruckluft und mit li für Hochdruckluft bezeichnet.
Es ist ei das Einlaßventil für Hochdruckdampf und a.1 der entsprechende Auslaß,
in den mittels Leitung g der Niederdruckdampf aus der Zylinderkühlung geleitet wird.
Das Einlaßv entil für Niederdruckdampf.ist e2 und das Auslaßventil a2, von dem aus
der Dampf zum Kondensator strömt. Die Steuerung der Ventile erfolgt zwangsläufig
mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung vom Kolben aus.
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Gemäß Fig. 12- und 13 ist von links nach rechts angeordnet:
der Hochdruckdampfzylinder C, der Brennkraftzvlinder Al, der Entspannungszylinder
B, der Brennkraftzylinder A. und der Niederdruckdampfzvliuder D. Die übrigen
Bezeichnungen der Fig. 12 stimmen mit denen der Fig. 5 und 9 überein. Bei der Anordnung
gemäß Fig. 12 und 13
wird die Verdichtung der Luft unterhalb der Tauchkolben
in der Kurbelwanne vorgenommen, die so gestaltet ist, daß unterhalb jedes Kolbens
ein in sich geschlossener Raum entsteht, wobei die Kurbelwanne des Entspannungszylinders
B die erste Stufe, die Wanne des Niederdruckdampfzylinders D die zweite Stufe und
die Wannen der Brennkraftzylinder A1 und A2 parallel geschaltet die dritte Stufe
der Verdichtung darstellen. Erforderlichenfalls könnte, wenn Hochdruckluft benötigt
wird, die Kurbelwanne unterhalb des Hochdruclcdampfzylinders C als vierte Preßlufthochdruckstufe
benutzt werden. In der Fig. i2 ist das Druckverhältnis aller Stufen zueinander
1,3 bis 1,5- Es bedeutet s Saugv entilund d Druckventil und Index i = i.
Stufe, Index 2 = 2. Stufe, Index 3 = 3. Stufe. Das Saugventil der ersten Stufe ist
der Übersicht wegen nicht gezeichnet.
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Da es für die Höhe des Wirkungsgrades des zweiten Arbeitsraumes ausschlaggebend
ist, einen möglichst geringen Raum in den Überströmkanälen zu haben, wird bei einem
Viertaktreihenmotor die Anordnung in der Art getroffen, daß der Zylinder des zweiten
Arbeitsraumes zwischen zwei Brennkraftzylindern, also zwei ersten Stufen, angeordnet
wird, so daß die Arbeitsgase durch ganz kurze Kanäle in den zweiten Arbeitsraum
gelangen, wie es in den Fig. 5, 9 und 12 dargestellt ist. Der Hochdruckdampfzylinder
und der Niederdruckdampfzylinder können an das eine oder andere Ende des Blockes
gelegt werden. Hierbei kann die Verdichtung der Luft im Kurbelkasten erfolgen, und
zwar so, daß die erste Verdichterstufe im Kurbelkasten des zweiten Arbeitsraumes,
die zweite Verdichterstufe im Kurbelkasten des N iederdruckdampfzylinders und die
dritte Verdichterstufe im Kurbelkasten des Hochdruckdampfzylinders liegt oder, wie
in Fig. 13, unterhalb der Brennkraftzylinder. Hierbei arbeiten alle Kolben auf eine
Kurbelwelle, die sechsmal gelagert ist. Die Kurbel des Arbeitsgasentspannungszylinders
ist gegen die Kurbeln der Brennkraftzylinder um 18o . Kurbelgrad versetzt, und da
der Entspannungszylinder im Zweitakt und die Brennkraftzvlinder im Viertakt,
jedoch
in der Zündung um zwei Takte versetzt zueinander arbeiten, haben diese drei Zylinder
auf zwei Umdrehungen vier aufeinanderfolgende Arbeitshübe. Wird nun noch die Kurbel
des Hochdruckdampfzylinders um 9o° nach vorn und die des Niederdruckdampfzylinders
um 9o° nach hinten versetzt, wie in Fig. 1q. dargestellt, so wird, da diese Zylinder
auch im Zweitakt arbeiten, mit der Fünfzylindermaschine gemäß der Erfindung die
Arbeitshubfolge einer . normalen Achtzylindermaschine erzielt.
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Der Aufbau des Motors kann auch so getroffen werden, daß zu jeweils
einem Brennkraftzylinder ein Entspannungszylinder zugeordnet ist, der abwechselnd
einen Arbeits-und einen Ausstoßhub mit Dampf und einen Arbeits- und einen Ausstoßhub
mit Arbeitsgas macht,. wobei die beiden Dampfhübe mit dem zweiten und dritten Takt
des Brennkraftzylinders zusammenfallen. Sind die Kurbeln dieser Zylinder um iäo°
versetzt, so wird bei Anordnung zweier solcher Anlagen die Arbeitshubfolge eines
Sechszylindermotors normaler Bauart erhalten. Die benötigte Verdichtung .der Luft
kann im Kurbelkasten mittels der beschriebenen Differentialkolben oder in besonderen
auf die gleiche Kurbelwelle arbeitenden Zylindern erfolgen.
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In den Fig. 1q. und 15 ist eine Ausführungsfonn oben beschriebener
Anordnung dargestellt. In Fig. 1q. ist die Bedeutung der Buchstaben a bis g die
gleiche wie in Fig. 5, 9 oder 12. Mit v ist der Vergaser und mit s der Ansaugstutzen
des Verdichters bezeichnet.. In Fig. 15 ist mit A1 die Brennlcraftstufe, mit B die
Entspannungsstufe, in der gleichzeitig auch abwechselnd der erzeugte Dampf entspannt
wird, bezeichnet. Es ist E der Verdichter, und .s sein Saug- und d sein Druckventil.
Die Brennkraftstufe hat das Gemischansaugventil h, mittels dessen ein so reiches
Gemisch angesaugt wird, daß nach Druckluft-Zusatz durch das Ventil c im Verdichtungshub
die gewünschte Gemischzusammensetzung erzielt wird. Das Überströmventil für das
Arbeitsgas zur Entspannungsstufe ist 7a und das zugehörige Auslaßventil o. Für den
Dampfhub ist e der Einlaß und a. der Auslaß, wobei in dieser Darstellung der Dampf
aus der Zylinderkühlung und aus dem Auspuff mit gleichem Druck erzeugt wird. Das
Arbeitsschaubild der Brennkraft- und Entspannungsstufe ist das gleiche wie in Fig.
7, nur daß die Ansaugung der Brennkraftstufe auf der Linie b'-h und die Verdichtung
unter Luftzusatz auf der gestrichelt eingetragenen Linie h-e erfolgt.