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Aus der DE-PS 19 64 427 ist für einen gattungsähnlichen Dampfmotor
bekannt, daß die Erzielung einer im Vergleich zu den herkömmlichen, nach dem Otto-
oder Dieselprinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen günstigeren Leistungsbilanz möglich
erscheint, wenn in die Arbeitsleistung des in einer äußeren Brennkammer zur Verbrennung
gebrachten Luft-Brennstoff-Gemisches ein flüssiges Kühlmittel einbezogen wird. Bei
diesem gattungsähnlichen Dampfmotor ist daher zur gleichzeitigen Ermöglichung einer
Kleinhaltung des Schadstoffanteils der Auspuffgase vorgesehen, aus einem Kreislauf
regeneriertes Wasser und/oder aus den Auspuffgasen
regeneriertes
Kohlendioxid zusammen mit dem Luftanteil des Luft- Brennstoff-Gemisches in einer
Stufe auf einen Druck-Temperatur-Wert vorzuverdichten, bei welchem das Kühlmittel
im wesentlichen seine vollständige Verdampfung erreicht hat. Dabei wird gleichzeitig
eine bevorzugte Variante für den Betrieb dieses gattungsähnlichen Dampfmotors darin
gesehen, daß nur eine Teilmenge des über einen Druckspeicher der äußeren Brennkammer
zugeleiteten vorverdichteten Luft-Kühlmittel-Gemisches für die Verbrennung herangezogen
bzw. dem Luft-Brennstoff-Gemisch zusätzlich Luft und/oder Auspuffgase zugeführt
werden, weil es dadurch dann möglich erscheint, die in der Brennkammer vorherrschenden
Brenngastemperaturen selbst bei einem Verzicht auf eine äußere Kühlung des Verbrennungsvorganges
auf etwa 600"C zu reduzieren und damit entsprechend niedrige Temperaturen für die
Auspuffgase als Voraussetzung für einen entsprechend minimalen Schadstoffanteil
zu erhalten.
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Die Zustandsänderungen, die das bei diesem gattungsähnlichen Dampfmotor
im Kreislauf geführte Kühlmittel erfährt, stimmen dabei im wesentlichen überein
mit den Zustandsänderungen, die bei dem zum Betreiben einer Dampfkraftanlage - unter
Bezugnahme auf den Carnot-Kreisprozeß - mit einem Hauptkreislauf und wenigstens
einem Zusatzkreislauf in der DE-PS 17 51 831 beschriebenen Verfahren auftreten.
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Für eine in Verbindung mit einer als Hub- oder Drehkolbenmaschine
ausgebildeten Kraftmaschine verbesserte Ausnutzung des Hochtemperaturbereichs der
zum Beheizen eines Überhitzers benötigten Rauchgase ist nach diesem noch bekannten
Verfahren vorgesehen, den im Hauptkreislauf erhitzten Dampf bis in das Naßdampfgebiet
zu entlasten und in dem Zusatzkreislauf die Hauptmenge des entlasteten Dampfes im
wesentlichen entlang der oberen Grenzkurve unter gleichzeitiger Kühlung bis zum
Enddruck zu verdichten, wobei die Kühlung durch Einspritzung des aus der Restmenge
ausgeschiedenen Kondensats in die Hauptmenge erfolgt und für die Verflüssigung dieser
Restmenge vorzugsweise ein in seiner Durchflußmenge regelbarer Kondensator vorgesehen
wird, um damit eine weitgehende Unabhängigkeit von individuellen Betriebsbedingungen,
so insbesondere unterschiedlichen Arbeitstemperaturen des Dampfes, zu erzielen.
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Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die
Aufgabe, einen auch zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dann gemeinsam mit einem Schaltgetriebe
geeigneten Dampfmotor der angegebenen Gattung bereitzustellen, der für eine bis
etwa 75 KW (100 PS) reichende Leistungsstärke eine wirtschaftliche Dampferzeugung
bei Vorgabe einer nur entsprechend begrenzten maximalen Baugröße erlaubt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird ein Dampfmotor
erhalten, der mit einer sehr kompakten Baugröße ausgeführt werden kann. Die besondere
Ausbildung des Kondensators ergibt dabei die maßgebliche Voraussetzung für die Möglichkeit,
daß die für ein Verdichten von Naßdampf zu Sattdampf vorgesehene zweite Kreiskolbenmaschine
leistungsmäßig mit einem günstigeren Wirkungsgrad betrieben werden kann, weil jetzt
mit diesem Kondensator nach der mit der ersten Kreiskolbenmaschine erzielten Entspannung
des Heißdampfes zu Sattdampf ein für die Leistungsbilanz maßgeblicher geringerer
Wärmeentzug bei der Kühlung stattfindet. Da andererseits heute Brenner marktbekannt
sind, die völlig schadstofffreie Rauchgase liefern, kann unter Verwendung eines
solchen Brenners
für den Überhitzer ein Dampfmotor zur Verfügung gestellt werden,
der sich zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen wegen der völligen Abwesenheit von Schadstoffen
in den Auspuffgasen besonders eignet.
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Ein in der Gesamtheit bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Dampfmotors ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt des Dampfmotors nach der Linie
I-I in F i g.2, Fig. 2 einen Querschnitt des Dampfmotors nach der Linie 11-11 in
Fig. 1, F i g. 3 eine axiale Schnittansicht des Kondensators, Fig.4 eine Schnittansicht
nach der Linie IV-IV in Fig.3und F i g. 5 eine Draufsicht auf einen Teil des Kühlmantels
des in F i g. 3 gezeigten Kondensators.
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Der in den F i g. 1 und 2 maßstabsgetreu dargestellte Dampfmotor
wurde für eine Leistungsabgabe von 11 KW (15 PS) konzipiert und dafür auch durchgerechnet.
Er umfaßt als wesentliche Baugruppen mit einer Steckanordnung auf einer gemeinsamen
Maschinenwelle 1 eine zum Entspannen von Heißdampf zu Sattdampf betriebene erste
Kreiskolbenmaschine 2, einen aus einem Gebläserad 3 und einem Kühlmantel 4 zusammengebauten
Kondensator 5, eine zum Verdichten von Naßdampf zu Sattdampf betriebene zweite Kreiskolbenmaschine
6 und einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Überhitzer, der mit einer
möglichen Anordnung links von der ersten Kreiskolbenmaschine 2 durch die aus einer
Brennkammer zugeleiteten Rauchgase eines Brenners, der mit einer schadstofffreien
Verbrennung arbeitet, beheizt wird.
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Die beiden Kreiskolbenmaschinen 2, 6 können nach dem Vorbild der
DE-PS 24 57 092 gleich ausgebildet sein, sie sind jedoch hier nach dem Vorschlag
einer zeitgleichen Patentanmeldung mit einer verbesserten Ausführung der unelastischen
Abdichtung ausgerüstet, die bei solchen Kreiskolbenmaschinen mittels eines Gleitstückes
7 zwischen einem mit der Maschinenwelle 1 starr verbundenen Flügelkolben 8 und einem
exzentrisch angeordneten Läufer 9 zur gegenseitigen Abdichtung von zwei Arbeitsräumen
10, 11 veränderlichen Volumens vorhanden ist, die durch den Läufer 9 und die umgebende
Wand des Maschinengehäuses gebildet werden. Das Gleitstück 7 ist deshalb hier gemäß
der Darstellung in Fig.2 an einer Verbindungslasche 12 starr befestigt, die über
zwei achsparallele Drehlager 13, 14 mit dem Läufer 9 und dem Flügelkolben 8 kraftschlüssig
derart verbunden ist, daß das Gleitstück 7 an zwei gegenüber liegenden Gleitflächen
eine abdichtende Anlage an je einer zu den beiden Drehlagern 13, 14 der Verbindungslasche
12 koaxialen Rundführung 15, 16 des Läufers 9 und des Flügelkolbens 8 aufweist.
Die beiden Drehlager 13, 14 der Verbindungslasche 12 sind dabei jeweils durch einen
Bolzen 17 gebildet, der an seinen Enden bei dem Drehlager 13 in zwei Lagerbüchsen
18, 19 des Läufers 9 bzw. bei dem Drehlager 14 in zwei entsprechenden Lagerbüchsen
des Flügelkolbens 8 und mittig in einer weiteren Lagerbüchse 20 gelagert ist, die
am zugeordneten Ende der Verbindungslasche 12 starr befestigt ist.
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Das von der Maschinenwelle 1 axial durchsetzte Maschinengehäuse jeder
der beiden Kreiskolbenmaschinen 2,6 ist aus zwei stirnseitigen Lagerdeckeln 21,22
für die Wellenlager 23, 24 und Lagerringe 25, 26 des Läufers 9 und einem dazwischen
angeordneten Ringkörper 27 zusammengebaut. Der Ringkörper 27 ist aus einzelnen,
an
der Nabe jeweils durch einen O-Ring 28 gegeneinander abgedichteten Segmenten 27',
27" gebildet, die bei der Kreiskolbenmaschine 2 im Bereich des mit einem nockengesteuerten
Einlaßventil 29 ausgerüsteten Einlaßkanals 30 eine gegenüber dem restlichen Wandbereich
kleinere Teilung aufweisen und jeweils durch zwei durch die Lagerdeckel 21, 22 zentrierte
Zentrierringe 31, 32 zusammengehalten werden. Bei der Kreiskolbenmaschine 6 ist
diese kleinere Teilung der gegeneinander abgedichteten Segmente des entsprechenden
Ringkörpers 27 für den Bereich des Auslaßkanals vorgesehen, wo ein Auslaßventil
angeordnet ist, das anders als das durch seine Nockensteuerung in seiner Öffnungszeit
beeinflußbare Einlaßventil auf einen vorbestimmten Auslaßdruck eingestellt ist.
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Mit dieser Sonderausführung des zwischen den beiden Lagerdeckeln
21, 22 angeordneten Ringkörpers 27 des Maschinengehäuses jeder Kreiskolbenmaschine
2,6 werden die im Betrieb des Dampfmotors an dem Einlaßventil 29 auftretenden höheren
Arbeitstemperaturen und die an dem Auslaßventil auftretenden höheren Arbeitsdrücke
des Dampfes für die Gewährleistung eines Rundlaufes des Flügelkolbens 8 und des
Läufers 9 bzw.
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die präzise Einhaltung eines vorbestimmten Füllvolumens der beiden
Arbeitsräume 10, 11 veränderlichen Volumens berücksichtigt. Um eine mit der Unterteilung
des Ringkörpers 27 in die Segmente 27t 27" bezweckte Verhinderung eines Verwerfens
des Maschinengehäuses im Zusammenwirken mit den Zentrierringen 31, 32 noch weiter
zu verbessern, können die Zentrierringe 31, 32 optimal noch jeweils mit einem von
einem Kühlmittel gemeinsam oder getrennt durchströmten Kühlkanal 33 versehen sein,
um damit Temperaturunterschiede ausgleichen zu können. Auch die Lagerdeckel 21,
22 können für diesen Zweck mit solchen Kühlkanälen 21= 22' versehen sein, wobei
dann mit einer ggf. unterschiedlichen Ausbildung der maßgeblichen Durchströmquerschnitte
für das Kühlmittel dafür vorgesorgt ist, daß die einzelnen Wandbereiche, welche
die beiden Arbeitsräume 10, 11 veränderlichen Volumens begrenzen, verschieden stark
gekühlt werden können. Die Zentrierringe 31,32 sind im übrigen mittels Schrauben
34 an einem gemeinsamen Gestell 35 befestigt und können noch durch eine oben zusätzlich
angeordnete Trägerschiene 36 für eine genaue Abstandshaltung in zueinander parallelen
Radialebenen der Maschinenwelle 1 gesichert sein. An dem Gestell 35 ist ein Blechmantel
37 befestigt, der zur Halterung von Wärmeisolierungen für die Maschinengehäuse der
beiden Kreiskolbenmaschinen 2, 6 vorgesehen ist. Schließlich ist noch bei der Kreiskolbenmaschine
2 eine Nockenwelle 38 durch zwei Lagerblökke des Maschinengehäuses oder alternativ
durch die beiden Zentrierringe 31, 32 drehbar gelagert, welche mit einem Verstellnocken
38 die Öffnungszeit des Einlaßventils 29 steuert Bei der Kreiskolbenmaschine 6 ist
andererseits in entsprechender Weise eine Vorgelegewelle 39 drehbar am Maschinengehäuse
gelagert Das auf der Maschinenwelle 1 über ein Wellenlager 40 gelagerte Gebläserad
3 des zwischen den zwei Kreiskolbenmaschinen 2, 6 angeordneten Kondensators 5 umfaßt
eine vorwärts gekrümmte Eintrittsbeschaufelung 41 an einem ersten Radteil 3 und
eine ebenfalls vorwärts gekrümmte Austrittsbeschaufelung 42 an einem zweiten Radteil
3". Die beiden Radteile 3', 3" sind mittels eines Keils 43 starr miteinander und
über einen Riementrieb mit der Maschinenwelle 1 antriebsmäßig verbunden. Der Riementrieb
umfaßt eine an dem Radteil 3" einstückig ausgebildete Primärscheibe 44, eine an
der
Vorgelegewelle 39 befestigte Sekundärscheibe 45 und einen Treibriemen 46. Die mit
diesem Riementrieb für das Gebläserad 3 erhaltene Antriebsübersetzung ist für die
Erzielung einer Drehgeschwindigkeit des Gebläserades von etwa 400 m/s und mehr im
Vollastbetrieb des Dampfmotors ausgelegt. Bei dieser Drehzahl wird der aus der Kreiskolbenmaschine
2 zuströmende Sattdampf durch eine für die beiden Radteile 3', 3" des Gebläserades
3 vorgegebene größere Vielzahl von etwa 100 und mehr Schaufeln auf eine so große
Austrittsgeschwindigkeit in der rechnerischen Größenordnung von immerhin etwa 600
bis 800 m/s in dem Anschlußbereich an den stationären Kühlmantel 4 des Kondensators
5 gebracht, daß die dann anschließend innerhalb eines Dampfkanals 47 dieses Kühlmantels
4 zu der Austrittsbeschaufelung 42 hin bewirkte Umlenkung der Dampfströmung zu einer
vergleichmäßigten Verringerung der Schwingungsenergie der Dampfmoleküle führt. Es
ist damit andererseits möglich, die durch den Dampfkanal 47 umgelenkte Dampfströmung
durch den Kühlmantel 4 des Kondensators 5 nur so weit zu kühlen, daß der durch die
Kreiskolbenmaschine 2 relativ trocken erhaltene Sattdampf im wesentlichen ohne jede
Kondensat-Tröpfchenbildung eine dem Carnot-Kreisprozeß folgende Zustandsänderung
zu Naßdampf mit einem x-Wert von mehr als etwa 0,5, insbesondere von etwa 0,7, im
Anschlußbereich an die Austrittsbeschaufelung 42 erfährt Die mit dem Kondensator
5 bewirkte Kühlung des aus der Kreiskolbenmaschine 2 zugeleiteten Sattdampfes wird
damit also anders als bei allen bisher bekannten Dampfmaschinen in der noch relativ
trockenen Phase des Naßdampfes zu einem Zeitpunkt beendet, in welchem die Schwingungsenergie
der Dampfmoleküle so weit gebremst ist, daß es bei einer Fortsetzung dieser Bremsung
als Folge einer dann durch den andauernden Wärmeentzug entsprechend gesteigerten
Kohäsionswirkung der Dampfmoleküle zu einer Tröpfchenbildung kommen kann, die dann
den Naßdampf in die folglich mit dieser Ausbildung des Kondensators 5 nicht erwünschte
nasse Phase überführen würde. Die mithin vorrangig durch das Zusammenwirken der
vorwärts gekrümmten Eintrittsbeschaufelung 41 des Gebläserades 3 mit dem stationären
Kühlmantel 4 erreichte Kühlung des Sattdampfes lediglich bis hin zu der noch trockenen
Phase des Naßdampfes wird auch für die in der Strömungsrichtung des Dampfes anschließende
Austrittsbeschaufelung 42 beibehalten, deren vorwärts ausgerichtete Krümmung dabei
so ausgebildet ist, daß der Dampf bei seiner über einen Überleitungskanal 48 bewirkten
Weiterleitung an den Einlaßkanal 49 der Kreiskolbenmaschine 6 im wesentlichen keine
Bremsung erfährt und also noch mit der trockenen Phase mit bis dahin im wesentlichen
unverändertem x-Wert in den Arbeitsraum 11 der Kreiskolbenmaschine 6 für seine anschließende
Verdichtung einströmt. Damit für diese Einströmverhältnisse des Dampfes in die Kreiskolbenmaschine
6 ein vorbestimmter Einlaßdruck im Lastbetrieb des Dampfmotors eingehalten wird,
kann in dem Überleitungskanal 48 noch ein besonderes Einlaßventil 50 in der Ausbildung
eines gegen eine Druckfeder vorgespannten Rückschlagventils bzw. eines Drosselschiebers
oder einer bloßen Drosselklappe eingebaut sein.
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Für die Ausbildung des stationären Kühlmantels 4 des Kondensators
5 ist in den F i g. 3 bis 5 dargestellt, daß der zur Umlenkung der Dampfströmung
zwischen den beiden Beschaufelungen 41, 42 des Gebläserades 3 vorgesehene Dampfkanal
47 eine zu der Radachse konzentrische ringförmige Ausbildung zwischen zwei Leitblechen
51,
52 aufweist und durch radial und achsparallel als weitere Leitflächen ausgerichtete
Abschnitte 53 einer von einem Kühlmittel durchströmten Kühlschlange 54 in eine an
die Vielzahl von Schaufeln der beiden Beschaufelungen angenäherte größere Vielzahl
einzelner Umlenkzonen 55, 55' unterteilt ist. Die Kühlschlange 54 weist einen im
wesentlichen rechteckigen Durchströmquerschnitt für das Kühlmittel auf, wobei dieser
Querschnitt auch zu einem Parallelogramm abgewandelt sein kann, dessen schmale Seiten
dann zur Bereitstellung eines günstigeren Anströmwinkels schräg zu der achsparallelen
Ausrichtung der einzelnen Abschnitte 53 ausgerichtet sind. Mit der Unterteilung
des Dampfkanals 47 in solche einzelnen Umlenkzonen 55, 55' wird eine optimale Berührungsmöglichkeit
der Dampfmoleküle mit der Kühlschlange 54 erhalten, so daß auch damit die Zielsetzung
unterstützt wird, dem aus der Kreiskolbenmaschine 2 relativ trocken zugeleiteten
Sattdampf die Wärme im wesentlichen ohne jede Kondensat-Tröpfchenbildung als Folge
einer gleichmäßigen Bremsung der Schwingungsenergie der Dampfmoleküle zu entziehen.
Die Kühlschlange 54 ist im übrigen über Zu- und Ableitungen 56 an eine Kühlmittelpumpe
angeschlossen, an die optimal auch die Zu- und Ableitungen 57 für das zum Durchströmen
der Kühlkanäle 21', 22' der beiden Lagerdeckel 21, 22 und der Kühlkanäle 33 der
beiden Zentrierringe 31,32 benutzte Kühlmittel angeschlossen sein kann und die ebenfalls
durch die Maschinenwelle 1 angetrieben wird. Auch können an diese Kühlmittelpumpe
Leitungen 58 angeschlossen sein, um damit insbesondere bei der Kreiskolbenmaschine
2 kurz vor der Öffnung des Einlaßventils 29 eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte
Labyrinthdichtung mit an dem Läufer 9 und an dem Flügelkolben 8 ausgebildeten Labyrinthrillen
zu kühlen.
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An der Maschinenwelle 1 ist schließlich noch ein Schwungrad 59 befestigt,
an welchem die Primärscheibe 60 eines Riementriebes einstückig ausgebildet ist,
dessen Sekundärscheibe 61 an der Vorgelegewelle 39 befestigt ist und durch dessen
Treibriemen 62 auch die Primärscheibe 63 eines zum Antrieb einer Schmiermittelpumpe
vorgesehenen Riementriebes angetrieben wird.
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Durch die Schmiermittelpumpe wird Schmiermittel über eine axiale Bohrung
64 der Maschinenwelle 1 an die einzelnen Wellenlager 23, 24, 49 geliefert, die durch
Packungsringe 65 abgedichtet sind. Weiterhin ist an der Maschinenwelle 1 noch das
Antriebsrad 66 eines Kettentriebes befestigt, durch den mit einem Abtriebsrad 67
die Nockenwelle 38 der Kreiskolbenmaschine 2 und mit einem weiteren Abtriebsrad
68 eine Welle 69 angetrieben wird. Mit dieser Welle 69 kann beispielsweise eine
Mehrfach-Einspritzspeisepumpe angetrieben werden, mit der das bei dem Kreisprozeß
im wechselnden Lastbetrieb des Dampfmotors in einem Wasser-Vorratsbehälter gesammelte
Kondensat insbesondere an der Kreiskolbenmaschine 2 kurz vor der Öffnung des Einlaßventils
29 wieder zurückgeleitet wird, wobei diese Zurückleitung des Kondensats dann ggf.
auch an der Leitung 58 erfolgen kann, über welche die zwischen dem Flügelkolben
8 und dem Läufer 9 ausgebildete Labyrinthdichtung mit einem Kühlmittel versorgt
wird, das dabei gleichzeitig als Sperrflüssigkeit für diese Labyrinthdichtung dient.
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Die Arbeitsweise des vorbeschriebenen Dampfmotors kann wie folgt
kurz zusammengefaßt werden.
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Mit den durch den Brenner erhaltenen Rauchgasen wird der von der
Kreiskolbenmaschine 6 erhaltene Sattdampf durch den Überhitzer im Gegenstromprinzip
un-
ter Konstanthaltung des Druckes in überhitzten Heißdampf überführt und dann der
Kreiskolbenmaschine 2 mit einer durch einen Druckspeicher vorgesehenen Sammlungsmöglichkeit
zum Entspannen zugeleitet. Bei dem Entspannen des Heißdampfes durch die Kreiskolbenmaschine
2 erfährt die Maschinenwelle 1 eine Drehung, wodurch synchron der in die Kreiskolbenmaschine
6 aus dem Kondensator 5 über das Einlaßventil 50 angesaugte Naßdampf eine Verdichtung
zu Sattdampf erfährt, der dann beim Erreichen des durch das Auslaßventil bestimmten
Auslaßdruckes für eine Überhitzung an den Überhitzer weitergeleitet wird. Wenn der
Dampfmotor für eine größere Leistungsabgabe bis möglich etwa 74 KW (100 PS) und
mehr ausgelegt wird, dann wird es unter Beibehaltung dieses Arbeitsprinzips im wesentlichen
nur erforderlich sein, den Kondensator 5 mit mehr als einem Gebläserad 3 in einer
Reihenanordnung mit einem entsprechend erweiterten stationären Kühlmantel 4 auszubilden
und in Abhängigkeit von einem dabei evtl. abgewandelten Kreislaufprozeß ggf.
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noch einen Vorkühler 70 am Auslaßkanal der Kreiskolbenmaschine 2 vorzusehen.
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- Leereite -