DE2926970A1

DE2926970A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2926970A1
Application number: DE19792926970
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Haeberle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-04
Filing date: 1979-07-04
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPS5614810A

Description

Wilhelm Häberle
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

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Claims

Guido Engelhardt Patentanwalt

Ehterestr. 17 Tel. (07541) 72667

D-7990 Friedrichshafen 1

Wilhelm 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.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,

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dadurch 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.

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6. 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.

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10. 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.

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14. 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
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