DE2926970A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents
Hubkolben-brennkraftmaschineInfo
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Description
Wilhelm Häberle
7487 Scheer / Württ.
7487 Scheer / Württ.
Hubkolben-Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolben-Brennkraft maschine, die aus mindestens einem Zylinder und mindestens
einem in diesem verschiebbar eingesetzten Kolben besteht, wobei der von diesen jeweils eingeschlossene Arbeitsraum mit
gesteuert zu öffnenden und zu schließenden Ein- und Auslässen sowie einer Kraftstoffzufuhr oder -Einspritzvorrichtung
versehen ist.
Die einem derartigen Motor mit dem Kraftstoff zugeführte Energie wird zum Großteil nicht in mechanische Energie umgewandelt,
sondern diese wird mit den heißen Abgasen und dem Kühlmittel ungenutzt abgeführt und geht somit verloren. Es
wurde daher schon mehrfach versucht, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors auf verschiedene Arten zu verbessern.
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Nach einem dieser Verfahren ist vorgesehen, nach oder während der dem Arbeitstakt der Verbrennung folgenden Ausschubphase
eine Flüssigkeit in den Zylinder einzuspritzen, die von den Brennraumwandungen Wärme aufnehmen, unter Druckerhöhung im
Zylinder verdampfen und bei der Abwärtsbewegung des Kolbens Arbeit leisten soll. Auf diese Weise soll ein kombinierter
Verbrennungs- und Dampfmotor geschaffen werden. Da die Wärmeaufnahme von den Wandungen des Brennraumes in der jeweils zur
Verfügung stehenden Zeit jedoch gering ist, erscheint eine optimale Ausnutzung der anfallenden Wärmeenergie nicht gegeben
zu sein.
Es ist daher Aufgabe der. Erfindung, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
zu schaffen, bei der sich eine gute Ausnutzung des Kraftstoffes und damit ein günstigerer Wirkungsgrad als bisher
erzielen läßt. Des weiteren sollen die Abgase entgiftet werden. Der Bauaufwand, mit dem dies zu erreichen ist, soll gering
gehalten werden, so daß vor allem auch Kraftfahrzeugmotoren entsprechend ausgebildet werden können.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht/ daß der Brennkraftmaschine
ein von den heißen Abgasen durchströmbarer Wärmespeicher zugeordnet ist, der mit einer Vorrichtung zum taktweisen
Einspritzen einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmespeichers und der Stellung des Hubkolbens
versehen ist.
Der Wärmespeicher ist hierbei zweckmäßigeirweise aus dünnen
Drahtwendeln, aus Stahlwolle, aus einem Drahtgeflecht oder einem ähnl. wärmespeichernden Material mit großer Oberfläche
und geringer thermischer Trägheit herzustellen, so daß die Überleitung der Wärmeenergie jeweils in Bruchteilen von
Sekunden erfolgt.
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Der Wärmespeicher kann vorzugsweise in einer Erweiterung des Arbeitsraumes unmittelbar vor dem Auslaß angeordnet sein, es
ist aber auch möglich, diesen in einen sich an den Auslaß der Brennkraftmaschine anschließenden Auslaßkanal einzusetzen und
dem Wärmespeicher ein steuerbares Ventil nachzuschalten.
Dem Wärmespeicher kann ferner ein gesonderter Arbeitsraum zugeordnet sein, der durch einen in einem Zylinder verschiebbar
eingesetzten Hubkolben gebildet und der mit einem dem Wärmespeicher nachgeschalteten steuerbaren Ventil versehen ist.
Angebracht ist es hierbei, diesen Arbeitsraum achsparallel zu dem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine anzuordnen und
die in diese eingesetzten Kolben beispielsweise um 10 - 20 zueinander versetzt an einer Kurbelwelle anzulenken. Auf diese
Weise wird eine zusätzliche Wärmekraftmaschine geschaffen, mittels der unabhängig von der Brennkraftmaschine die Wärmeenergie
der Abgase ausgenutzt werden kann.
Nach einer andersartigen Ausgestaltung kann der Wärmespeicher auch in einen den Arbeitsraum der Brennkraftmaschine umgebenden
und von den heißen Abgasen durchströmten Ringkanal angeordnet werden, wobei dieser mit einem dem Wärmespeicher
nachgeschalteten steuerbaren Ventil oder dgl. versehen sein sollte und mit einer Isolierung umgeben sein kann. Dadurch läßt
sich eine besonders hohe Ausnutzung der nicht in mechanische Arbeit umgewandelten Energie erzielen.
Der Wärmespeicher ist zweckmäßigerweise als Austauschteil in Form einer auswechselbaren Patrone, dem jeweiligen Aufnahmeraum
angepaßt, auszubilden, so daß dieser im Bedarfsfall leicht auszuwechseln ist.
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Die dem Wärmespeicher zugeordnete Einspritzvorrichtung kann als diesen beaufschlagende Einspritzdüse, als Ringkanal oder
dgl. ausgebildet werden, wobei diese derart angeordnet sein sollte, daß der Wärmespeicher zunächst in dem Bereich niederer
Temperatur beaufschlagbar ist.
Zur Einspritzung in den Wärmespeicher kann Wasser, vorzugsweise z. B. mittels eines an die Brennkraftmaschine angeschlossenen
Wärmetauschers vorgewärmtes Wasser vorgesehen werden, das zweckmäßigerweise entkalkt ist. Destiliertes
Wasser, ggf. Regenwasser ist somii?foesonders geeignet.
Zur Einspritzung kann aber auch der Treibstoff der Brennkraftmaschine
oder eine Emulsion aus Wasser und/oder ölen, Alkohol, Benzin, Spiritus oder ähnl. Flüssigkeiten vorgesehen werden.
Angebracht ist es des weiteren, zur Rückgewinnung der in den Wärmespeicher eingespritzten Flüssigkeit diesem einen Kondensator
nachzuschalten, der Verbrauch der eingespritzten Flüssigkeit ist damit sehr gering.
Die gemäß der Erfindung ausgebildete Brennkraftmaschine ermöglicht
es mit einfachen Mitteln, die mit dem Kraftstoff zugeführte Energie in optimaler Weise auszunutzen. Wird nämlich
dem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine ein von den heißen Ab-.gasen
durchströmter Wärmespeicher zugeordnet und wird in diesen taktweise eine Flüssigkeit gesteuert eingespritzt, so nimmt
diese die gespeicherte Wärmeenergie auf und wird unter Druckerhöhung explosionsartig verdampft, so daß auch die Abwärme
in Arbeit umgewandelt wird. Der Bauaufwand, der erforderlich ist um dies zu bewerkstelligen, ist sehr gering, da lediglich
ein gegebenenfalls austauschbarer Wärmespeicher mit Einspritz-
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vorrichtung vorzusehen ist. Durch die besondere Ausgestaltung des Wärmespeichers ist aber gewährleistet, daß die Wärmeenergie
der Abgase und auch die Übertragung auf die einzuspritzende Flüssigkeit in sehr kurzer Zeit, d. h. in Bruchteilen
von Sekunden erfolgt.
Den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine wird somit eine große Wärmemenge entzogen, die in dem Wärmetauscher gespeichert
und durch das in diesen einzuspritzende Medium, das durch Wärmeeinfluß schlagartig verdampft und damit sein Volumen vergrößert,
zusätzlich in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Auch die in dem Dampf der Flüssigkeit enthaltene Restwärme
wird wiederum an den Wärmespeicher übertragen, durch die die Brennkraftmaschine verlassenden Abgase geht somit nur eine
geringe Wärmemenge verloren.
Sobald die Brennkraftmaschine auf Temperatur gebracht ist,
kann die Einspritzung von Flüssigkeit in den Wärmespeicher ein oder mehrfach nacheinander, je nach der in dem Wärmespeicher
jeweils herrschenden Temperatur erfolgen. Die Einspritzung und Verdampfung kann hierbei je nach Anordnung des
Wärmespeichers nach Ablauf eines Taktbereiches oder zusammen mit diesem erfolgen. U. U. ist für die einzuspritzende
Flüssigkeit ein weiterer Tank erforderlich, auch wird eine besondere Ventil-Steuerung benötigt, um die einzelnen Verfahrensabläufe
selbsttätig aufeinander abzustimmen, die Kraftstoffeinsparung ist jedoch, da dessen Energie günstiger als
bisher ausgenutzt wird, erheblich. Auch werden die Abgase durch den Dampfanteil entgiftet, so daß die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
auch sehr umweltfreundlich ist.
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Weitere Einzelheiten der Hubkolben-Brennkraftmaschine sind
den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, zu entnehmen. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einem in dessen Arbeitsraum angeordneten Wärmespeicher
Fig. 2 die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 mit einer parallel zu dieser angeordneten Wärmekraftmaschine
und
Fig. 3 eine Brennkraftmaschine mit ringförmig um deren Arbeitsraum angeordneten Wärmespeicher.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte und mit 11 bezeichnete
Brennkraftmaschine besteht aus einem von einem Kühlmantel umgebenen Zylinder 12, einen in diesen eingesetzten Hubkolben
13, dessen Kolbenstange 14 mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle verbunden ist, sowie einem Einlaß 15 und einem Auslaß
17, deren Öffnungszeiten jeweils durch ein Ventil 16 bzw. gesteuert werden, über den Einlaß 15 strömt der vergaste
Kraftstoff in den mit einer Zündvorrichtung 20 versehenen Arbeitsraum 19 ein und über den Auslaß 17 werden die Abgase
ausgestoßen. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist dem Arbeitsraum 20 eine Einspritzvorrichtung 21, mittels der z. B.
Diesekraftstoff eingespritzt werden kann, zugeordnet.
Um die durch die Verbrennung in dem Arbeitsraum 19 in Wärme
umgewandelte Energie des Kraftstoffes optimal ausnutzen zu können, ist die Brennkraftmaschine 11 nach Fig. 1 mit einem
in einer vor dem Auslaß 17 angeordneten Erweiterung 32 eingesetzten Wärmespeicher 31 ausgestattet, der aus dünnen
Wendeln oder Stahlwolle besteht. Der beim Ausstoßen der
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heißen Abgase von diesen durchströmte Wärmespeicher 31 weist somit eine sehr große Oberfläche und eine geringe
thermische Trägheit auf, so daß die in den Abgasen enthaltene Wärmemenge zum Großteil von dem Wärmespeicher 31
aufgenommen und dort gespeichert wird. Außerdem ist der Wärmespeicher 31 mit einer Einspritzvorrichtung 33 ausgestattet,
über die mittels einer schematisch dargestellten Einspritzpumpe 34 aus einem Vorratsbehälter 35 eire Flüssigkeit,
z. B. Wasser,eingespritzt werden kann.
Die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine 11 ist wie folgt:
Wird, nachdem der Wärmespeicher 31 durch die heißen Abgase aufgeheizt ist, kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens
in den Wärmespeicher 31 eine bestimmte Menge Wasser eingespritzt, so können ein- oder mehrere Dampftakte gefahren
werden. Das eingespritzte Wasser verdampft· nämlich schlagartig innerhalb von Bruchteilen von Sekunden, so daß der
Kolben 13 von dem dadurch erzeugten Dampfdruck beaufschlagt wird. Auch der ausströmende Dampf gibt danach einen Großteil
der aufgenommenen Wärmemenge wiederum an den Wärmespeicher ab, auch diese Wärme steht demnach zur weiteren Verwertung
zur Verfügung.
Die Brennkraftmaschine 11 läuft somit als 4-Takt-Motor mit
sich an einen Arbeitsbereich anschließenden Dampftakten,
deren Anzahl sich nach der in dem Wärmespeicher 31 gespeicherten Wärmemenge richtet. Selbstverständlich sind die
Ventile 16 und 18 des Ein- und Auslasses 15 bzw. 17 sowie die Zündvorrichtung 20 in Abhängigkeit von der in dem Wärmespeicher
31 herrschenden Temperatur und der Stellung des Kolbens 13 zu steuern.
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Das mittels der Einspritzvorrichtung 33 in den Wärmespeicher
31 einzuspritzende Wasser sollte nach Möglichkeit entkalkt sein, um mineralische Ablagerungen an denWendeln oder der
Stahlwolle zu vermeiden. Eine Verschmutzung des Wärmespeichers 31 ist jedoch ausgeschlossen, da durch die hohen Temperaturen
irgendwelche Rückstände verbrennen.
Angebracht ist es des weiteren, das einzuspritzende Wasser vorzuwärmen. Dies kann, wie es schematisch in Fig. 1 dargestellt
ist, derart bewerkstelligt werden, daß der Vorratsbehälter 35 mit einem Wärmetauscher 38, der an den dem Zylinder
12 zugeordneten Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, versehen wird.
Ferner kann auch eine Rückgewinnung der in den Wärmetauscher 31 eingespritzten Flüssigkeit vorgenommen werden. Dazu ist
lediglich dem Auslaß 17 ein Wegeventil 36 hachzuschalten, mittels dem der Abdampf über einen Kondensator 37, der mit
dem Vorratsbehälter 35 verbunden ist, geleitet wird. Die Lagerhaltung der einzuspritzenden Flüssigkeit kann somit
erheblich reduziert werden.
Gemäß Fig. 2 ist der Brennkraftmaschine 11 eine Wärmekraftmaschine
41 zugeordnet, die ebenfalls aus einem in einen Zylinder 42 eingesetzten Kolben 43 besteht. Die Kolbenstange
44 des Kolbens 4 3 ist beispielsweise um 10 - 20° versetzt zu der Kolbenstange 14 des Kolbens 13 an der gleichen Kurbelwelle
angelenkt.
Die aus dem Arbeitsraum 19 durch einen Kanal 46 ausgestoßenen heißen Verbrennungsgase durchströmen ebenfalls einen Wärmespeicher
47, der in einer Erweiterung 48 des Zylinders 42 eingesetzt und in gleicher Weise wie bei dem Ausführungs-
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beispiel nach Fig. 1 ausgebildet ist. Mittels eines Ventils 50 ist der Auslaß 49 des Zylinders 42 gesteuert zu verschließen
und zu öffnen.
Die Brennkraftmaschine 11 arbeitet bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 permanent als 4-Takt-Motor, die Wärmekraftmaschine 41 dagegen nach Erreichen der Betriebstemperatur
als 2-Takt-Dampfmotor. Durch die aus dem Arbeitsraum
19 taktweise ausgestoßenen heißen Abgase wird nämlich der Wärmespeicher 47 aufgeheizt und mittels einer Spritzvorrichtung
51 wird in diesen unmittelbar nach dem Ausstoßen der Abgase eine Flüssigkeit eingespritzt. Durch den in dem
Arbeitsraum 45 der Wärmekraftmaschine 41, der achsparallel
zu dem Arbeitsraum 19 der Brennkraftmaschine angeordnet ist,
sich schlagartig aufbauenden Dampfdruck wird der Kolben 43 beaufschlagt, so daß somit die Restwärme der heißen Abgase
ebenfalls in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Bei einem Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine 11 ergeben sich
somit, da der Dampfmotor ständig als Zweitakter läuft, drei Arbeitstakte.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist der der Brennkraftmaschine 61 zugeordnete Wärmespeicher 81 in einem Ringkanal
82 eingesetzt, der einen Zylinder 62, der wiederum einen mit einer Kolbenstange 64 versehenen Hubkolben 63 aufnimmt,
umgibt. Der Arbeitsraum 69 der Brennkraftmaschine 61 ist
ebenfalls mit einem Einlaß 65 für die Verbrennungsluft und
einem Auslaß 67, durch den die heißen Abgase ausströmen, ausgestattet,die
mittels Ventilen 66 bzw. 67 gesteuert zu öffnen und zu schließen sind. Außerdem ist eine Zündvorrichtung 70
sowie eine Einspritzvorrichtung 71 für Kraftstoff vorhanden.
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Der Wärmespeicher 81 umgibt hierbei den Zylinder 62 gewissermaßen als Kühlvorrichtung, so daß von den dünnen
Wendeln auch die über die Zylinderwandung abströmende Wärmemenge aufgenommen wird. Und wird in den aufgeheizten Wärmespeicher
81 mittels einer Spritzvorrichtung 83 eine Flüssigkeit eingespritzt, so wird in dem Ringkanal 82 ein Dampfdruck
erzeugt, der auf den Kolben 63 einwirkt. Selbstverständlich ist dazu das Ventil 68 zu öffnen und das in dem Auslaß 84
des Wärmespeichers 81 angeordnete Ventil 85 ist zu schließen. Mit Hilfe einer den Ringkanal 82 sowie den Zylinder 62 umgebenden
Isolierung 86 wird nicht nur eine Wärmeabstrahlung, sondern auch eine Schalldämpfung erreicht.
27. Juni 1979 e-1
A 7386
A 7386
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Leerseite
Claims (1)
- Guido Engelhardt PatentanwaltEhterestr. 17 Tel. (07541) 72667D-7990 Friedrichshafen 1Wilhelm Häberle
Scheer / Württ.Patentansprüche :Hubkolben-Brennkraftmaschine, bestehend aus mindestens einem Zylinder und mindestens einem in diesem verschiebbar eingesetzten Kolben, wobei der von diesen jeweils eingeschlossene Arbeitsraum mit gesteuert zu öffnenden und zu schließenden Ein- und Auslassen sowie einer Kraftstoffzufuhr oder -Einspritzvorrichtung versehen ist,dadurch gekennzeichnet,daß der Brennkraftmaschine (11; 61) ein von den heißen Abgasen durchströmbarer Wärmespeicher (31; 47; 81) zugeordnet ist, der mit einer Vorrichtung (33, 34; 51; 83) zum taktweisen Einspritzen einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmespeichers (31; 47; 81) und der Stellung des Hubkolbens (13; 63) versehen ist.030063/04382. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,- Xdadurch gekennzeichnet,daß der Wärmespeicher (31; 47; 81) aus dünnen Drahtwendeln, aus Stahlwolle, aus einem Drahtgeflecht oder einem ähnl. wärmespeichernden Material mit großer Oberfläche und geringer thermischer Trägheit hergestellt ist.3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Wärmespeicher (31) vorzugsweise in einer Erweiterung (32) des Arbeitsraumes (19) unmittelbar vor dem Auslaß (17) angeordnet ist.4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Wärmespeicher (47) in einen sich an den Auslaß (17) der Brennkraftmaschine (11) anschließenden Auslaßkanal (46) eingesetzt und daß dem Wärmespeicher (47) ein steuerbares Ventil (50) nachgeschaltet ist.5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß dem Wärmespeicher (47) ein gesonderter Arbeitsraum (45) zugeordnet ist, der durch einen in einem Zylinder (42) verschiebbar eingesetzten Hubkolben (43) gebildet und der mit einem dem Wärmespeicher (47) nachgeschalteten steuerbaren Ventil (50) versehen ist../.
030063/04386. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ,daß der dem Wärmespeicher (47) zugeordnete Arbeitsraum (45) achsparallel zu dem Arbeitsraum (19) der Brennkraftmaschine (11) angeordnet ist und daß die in diese eingesetztei Kolben (13; 43) beispielsweise um 10-20° zueinander versetzt an einer Kurbelwelle angelenkt sind.7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Wärmespeicher(81) in einem den Arbeitsraum (69) der Brennkraftmaschine (61) umgebenden und von den heißen Abgasen durchströmten Ringkanal (82) angeordnet ist.8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,daß der Ringkanal (82) mit einem den Wärmespeicher (81) nachgeschalte-ten steuerbaren Ventil (85) oder dgl. versehen ist.9. -Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,daß der Ringkanal (82) mit einer Isolierung (86) umgeben ist.030063/0A3810. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,daß der Wärmespeicher (31; 47; 81) als Austauschteil in Form einer auswechselbaren Patrone, dem jeweiligen Aufnahmeraum angepaßt, ausgebildet ist.11. Brennkraftmaschine nach.einem der Ansprüche.1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß die Einspritzvorrichtung (33; 51; 83) als den Wärmespeicher (31; 47; 81) beaufschlagende Einspritzdüse, als Ringkanal oder dgl. ausgebildet ist.12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11,dad u.r ch gekennzeichnet,daß die Einspritzvorrichtung (33; 51; 83) derart angeordnet ist, daß der Wärmespeicher (31; 47; 81) zunächst in dem Bereich niederer Temperatur beaufschlagbar ist.13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,daß zur Einspritzung in den Wärmespeicher (31; 47; 81) Wasser, vorzugsweise z. B. mittels eines an die Brennkraftmaschine (11) angeschlossenen Wärmetauschers (38) vorgewärmtes Wasser vorgesehen ist.030063/043814. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13,. dadurch gekennzeichnet, daß das einzuspritzende Wasser entkalkt ist.15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,daß zur Einspritzung destiliertes Wasser, gegebenenfalls Regenwasser vorgesehen ist.16. Brennkraftmaschine·-nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,daß zur Einspritzung der Treibstoff der Brennkraftmaschine (11; 61) oder eine Emulsion aus Wasser und/ oder ölen, Alkohol, Benzin, Spiritus oder ähnl. Flüssigkeiten vorgesehen ist.17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,daß zur Rückgewinnung der in den Wärmespeicher (31) eingespritzten Flüssigkeit diesem ein Kondensator (37) nachgeschaltet ist.25. Jun* 1979 e-1
A 7386σ30063/0438
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792926970 DE2926970A1 (de) | 1979-07-04 | 1979-07-04 | Hubkolben-brennkraftmaschine |
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1979
- 1979-07-04 DE DE19792926970 patent/DE2926970A1/de not_active Ceased
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1980
- 1980-07-02 JP JP8926780A patent/JPS5614810A/ja active Pending
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