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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Kraftstofffiltereinrichtung.
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In modernen Kraftstoffersorgungssystemen werden in den zugehörigen Kraftstofffiltereinrichtungen üblicherweise Wasserabscheider eingesetzt, um einen im Kraftstoff enthaltenen Wasseranteil soweit wie möglich zu senken. Wird das im Kraftstoff enthaltene Wasser nicht separiert und abgeschieden, so kann es in den nachfolgenden Aggregaten zu unerwünschter Korrosion, Abrasion, Werkstoffversprödung sowie zu Kavitation führen. Ebenso führt ein erhöhter Wasseranteil im Kraftstoffversorgungssystem zu einer Wachstumsförderung von Mikroorganismen, welche eine Verschleimung der Kraftstofffiltereinrichtung bewirken sowie eine erhöhte Korrosion am Filtergehäuse hervorrufen kann. Als Wasserabscheider werden dabei üblicherweise sogenannte Koaleszer eingesetzt, die kleinste Wasseranteile zu größeren Wassertröpfchen koaleszieren und diese aufgrund der Schwerkraft aus der Kraftstoff-Wasser-Emulsion abscheiden. Sofern für die Wasserabscheidung notwendig kann zudem ein sogenannter Endabscheider bestehend aus einem hydrohoben Gewebe die in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion enthaltenen Wassertropfen herausfiltern. Gesammelt wird das derart abgeschiedene Wasser dann in separaten Wassersammelräumen, aus denen es periodisch oder spätestens beim Auswechseln eines Filterelements abgelassen wird.
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Aus der
DE 10 2010 062 813 A1 ist eine Filtereinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Kraftstoff- oder Schmierstofffilter, mit einem Filtergehäuse und einem in diesem angeordneten und in Radialrichtung von einer Rohseite zu einer Reinseite durchströmten Ringfilterelement bekannt. Auf der Reinseite des Filterelementes und unterhalb desselben ist dabei ein Wasserabscheider angeordnet, der eine von radial außen nach radial innen für Kraft-/Schmierstoff durchgängige, hydrophobe und sich in Axialrichtung des Filterelementes erstreckende, ringförmige Membran aufweist. Hierdurch soll der Wasserabscheidegrad verbessert werden. Hierbei handelt es sich um einen klassischen Koaleszer.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wasserabscheidern ist, dass diese nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, die Leistungsfähigkeit gegen Ende der Lebensdauer zum Teil erheblich abnimmt und daher beispielsweise periodisch ausgetauscht werden sollten.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Kraftstoffversorgungssystem und eine Kraftstofffiltereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere gleichbleibend gute Abscheidewerte erzielt und ein Austauschen des Wasserabscheiders nicht mehr erfordert.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine einen als elektrischen Koaleszer ausgebildeten Wasserabscheider zum Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, einzusetzen, der an oder in einer Komponente des Kraftstoffversorgungssystems angeordnet ist. Diese Komponente kann beispielsweise als Haupttank, als Vorfilter, als Zusatztank, als Kraftstoffleitung oder als Hauptfilter ausgebildet sein. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, wie flexibel der elektrische Koaleszer im Bereich des Kraftstoffversorgungssystems eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Koaleszer mit entsprechenden Koaleszer-Materialien unterliegt diese Art von Koaleszer einem geringeren Verschleiß und kann dadurch über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffversorgungssystems genutzt werden. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wartungsaufwand für ein derartiges Kraftstoffversorgungssystem deutlich reduzieren. Zudem weist ein elektrischer Koaleszer eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der Zusammensetzung des Kraftstoffes, weiterer Additive und Wasser auf, ohne die Abscheideleistung zu verschlechtern. Darüber hinaus ermöglicht ein derartiger als elektrischer Koaleszer ausgebildeter Wasserabscheider die Möglichkeit, insbesondere auf spezielle Parameter des Abscheideprozesses, insbesondere die Tropfenbewegung, Einfluss zu nehmen.
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Durch die Dispergierung von Wasser in Kraftstoff wird eine Wasser-in-Kraftstoff-Emulsion generiert. Dabei handelt es sich um ein binäres System, dessen wesentliches Merkmal die Ausbildung einer Mischungslücke ist, die sich nahezu über den gesamten Konzentrationsbereich erstreckt. Aufgrund der thermodynamischen Instabilität des Systems strebt dieses einen Zustand an, der energetische betrachtet ein Minimum darstellt. Die Trennung der beiden Phasen wird somit beschleunigt, bis schlussendlich völlige Phasenseparation vorliegt. Um den Demulgier-Prozess bei einer Wasser-in-Kraftstoff-Emulsion zu intensivieren, wird nun die vorteilhafte Wirkung der Anwesenheit eines elektrischen Feldes genutzt. Dabei wird der Vorgang der Tropfenkoaleszenz durch die polarisierende Wirkung des anliegenden elektrischen Feldes forciert. Die auftretenden Kräfte im elektrischen Feld bewirken eine Steigerung der Beweglichkeit der Wassertropfen, dies führt infolgedessen zu einer höheren Kollisionsrate, welche sich wiederum positiv auf die Tropfenkoaleszenz auswirkt. Die Tropfen vereinigen sich somit zu größeren Tropfen und fließen zusammen. Sind die Tropfen entsprechend groß, überwiegt die Schwerkraft und die spezifisch dichtere Wasserphase sinkt ab.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der elektrische Koaleszer eine Gleichstromeingangsspannung von 0–5.000 V, eine gepulste Gleichstromspannung von 0–5.000 V mit einer Frequenz von 0–10.000 Hz oder eine Wechselstromeingangsspannung von 0–40.000 V mit einer Frequenz von 0–10.000 Hz auf. Je nach gewünschtem Abscheidegrad und je nach vorhandener Spannungsversorgung ist es somit frei wählbar, mit welcher Art von elektrischer Spannung der erfindungsgemäße Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, betrieben wird. So eignet sich gepulster Gleichstrom bzw. Wechselstrom vor allem zur Wasserabscheidung bei der Neigung von Tropfenkettenbildung der Wassertröpfchen bei großen Wassermengen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Kraftstofffiltereinrichtung anstatt bisher übliche Wasserabscheider mit entsprechenden Koaleszer-Materialien, nun einen elektrischen Koaleszer als Wasserabscheider einzusetzen, da diese Art von Koaleszer einem geringeren Verschleiß unterliegt und dadurch über die gesamte Lebensdauer der Kraftstofffiltereinrichtung, d.h. üblicherweise sogar über mehrere Lebensdauern von darin angeordneten Filterelementen, unverändert in der Kraftstofffiltereinrichtung verbleiben kann. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wartungsaufwand für eine derartige Kraftstofffiltereinrichtung deutlich reduzieren. Zudem weist ein elektrischer Koaleszer eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der Zusammensetzung des Kraftstoffes, weiterer Additive und Wasser auf, ohne die Abscheideleistung zu verschlechtern. Darüber hinaus ermöglicht ein derartiger als elektrischer Koaleszer ausgebildeter Wasserabscheider die Möglichkeit, insbesondere auf spezielle Parameter des Abscheideprozesses, insbesondere die Tropfenbewegung, Einfluss zu nehmen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der in die Kraftstofffiltereinrichtung integrierte elektrische Koaleszer eine Gleichstromeingangsspannung von 0–5.000 V, eine gepulste Gleichstromspannung von 0–5.000 V mit einer Frequenz von 0–10.000 Hz oder eine Wechselstromeingangsspannung von 0–40.000 V mit einer Frequenz von 0–10.000 Hz auf. Je nach gewünschtem Abscheidegrad und je nach vorhandener Spannungsversorgung ist es somit frei wählbar, mit welcher Art von elektrischer Spannung der erfindungsgemäße Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, betrieben wird. So eignet sich gepulster Gleichstrom bzw. Wechselstrom vor allem zur Wasserabscheidung bei der Neigung von Tropfenkettenbildung der Wassertröpfchen bei großen Wassermengen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Elektroden des elektrischen Koaleszers in einem Filtergehäuse, im Bereich einer Heizeinrichtung, an bzw. in einem Wasserstandssensor in/an einem Filterelement und/oder in einer Leitung angeordnet. Ebenso können die Elektroden auch auf die Innenwand des Filtergehäuses und ein Bauteil des Filterelements, z.B. eine Innen- bzw. Außenzarge, aufgeteilt werden. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung mehrerer elektrischer Koaleszer an unterschiedlichen Stellen der Kraftstofffiltereinrichtung denkbar. Bereits die zuvor genannte Aufzählung macht deutlich, wie flexibel der erfindungsgemäße Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, im Bereich der Kraftstofffiltereinrichtung eingesetzt werden kann. So kann der elektrische Koaleszer auch zusätzlich zu einem bisher üblichen Koaleszer-Material zur Erhöhung der Abscheiderate verwendet werden. Wichtig kann hierbei lediglich das Vorsehen einer Beruhigungszone sein, in welcher sich das abgeschiedene Wasser sammeln kann und aus der es ggf. ablassbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann der elektrische Koaleszer mit einem hydrophoben Filtermedium, welches als Endabscheider für die Wassertröpfchen fungiert und durchströmt wird, für eine erhöhte Abscheiderate kombiniert werden.
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Zweckmäßig ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher der im Kraftstoffversorgungssystem oder direkt in der Kraftstofffiltereinrichtung angeordnete Koaleszer ansteuerbar bzw. mittels eines Wassergehaltssensors regelbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist. Mittels der Steuerungseinrichtung ist es möglich, Einfluss auf das Koaleszenzverhalten bzw. die Koaleszenzeffizienz des elektrischen Koaleszers zu nehmen, indem beispielsweise die Frequenz des elektrischen Feldes individuell gesteuert wird. Wird beispielsweise ein erhöhter Wasseranteil gemessen, kann über eine Erhöhung der Frequenz der Wasserabscheidegrad erhöht werden. Ebenso kann die Verweildauer der Kraftstoff-Wasser-Emulsion bei einer erhöhten Förderleistung im Bereich des elektrischen Koaleszers vergleichsweise kurz sein, so dass über eine Erhöhung der Frequenz die gewünschten Wasserabscheideraten erzielt werden können. Bei gepulstem Gleichstrom bzw. Wechselstrom kann auch über die Pulsationsrate Einfluss auf die Wasserabscheidung genommen werden.
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Zu den Haupteinflussfaktoren auf die Tropfenkoaleszenz im elektrischen Feld zählen unter anderem die Eigenschaften des anliegenden elektrischen Feldes, das Design der Elektroden und des Elektrokoaleszers, die stoffspezifischen Charakteristika der Fluidphasen und die vorherrschenden Strömungsverhältnisse. In Bezug auf das elektrische Feld kann dieses als Gleichspannungs-, gepulstes Gleichspannungs-, Wechselspannungsfeld oder Kombinationen davon vorliegen. Welche Art von elektrischem Feld die jeweils geeignetste ist, wird wesentlich von den Eigenschaften der Fluide beeinflusst und ist anwendungsbezogen auszuwählen. Das Design der Elektroden umfasst einerseits deren Geometrie, aber vor allem auch deren Positionierung im Elektrokoaleszer. Die Elektroden können beispielsweise als parallele Platten angeordnet sein, aber auch als koaxiale Zylinder. Ein koaxiales Elektrodenarrangement bietet den Vorteil, dass durch das Anlegen einer Spannung ein inhomogenes elektrisches Feld entsteht, welches eine höhere Feldliniendichte im Bereich um die Zentrumselektrode aufweist. Dadurch bildet sich ein Feldstärkengradient aus, der die Tropfen in Richtung des höheren Feldstärkenbereichs beschleunigt.
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Als weiterer Haupteinflussfaktor auf die Koaleszenzeffizienz gelten die Tropfengrößenverteilung und der Dispersphasenanteil, welcher die Menge an der dispersen Phase beschreibt. Die Tropfengrößenverteilung des Wassers in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion beschreibt die Tropfengröße und deren verhältnismäßiges Vorkommen. Beim Emulgieren von Wasser im Kraftstoff dispergieren zwei begrenzt ineinander lösliche Flüssigkeiten, d.h. das Wasser (Dispersphase) wird im Kraftstoff (kontinuierliche Phase) verteilt. Hierdurch entsteht jedoch kein mono-disperses System, bei welchem alle Tropfen den gleichen Durchmesser besitzen. Vielmehr treten Tropfen unterschiedlichster Größe aus, so dass die Dispersphase in einer bestimmten Tropfengrößenverteilung vorliegt. Der Tropfendurchmesser in der Dispersion unterliegt dabei der Wechselwirkung von Tropfenaufbruch und Koaleszenz, wobei ein kontinuierlicher Prozess von aufbrechenden und koaleszierenden Tropfen stattfindet, bis beide Phasen getrennt voneinander vorliegen. Durch den elektrischen Koaleszer werden jedoch aktiv weiter kleinere Wassertropfen zu größeren Wassertropfen koalesziert und der Abscheideprozess daher beschleunigt.
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Um Einfluss auf die koaleszierende Wirkung zu nehmen, kann das Design des Elektrokoaleszers für die jeweilige Filtereinrichtung optimiert werden. So kann über Geometrieänderungen die Einwirkdauer des elektrischen Feldes auf den Kraftstoff verändert werden. Zudem kann über den Abstand der Elektroden, der sogenannten Ringspaltabmessung, die in die Emulsion eingebrachte Energie je Fläche variiert werden. Ein weiterer konstruktiver Einfluss stellt die Durchströmung dar, welche unter anderem radial, vertikal aber auch horizontal sein kann.
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Neben der Geometrie des Gehäuses lässt sich auch über das Design der Elektroden bzw. über deren Anzahl und Funktion Einfluss auf die Koaleszenz nehmen. Je mehr einzelne Elektroden dabei eingesetzt werden, desto angepasster kann auf die Tropfenagglomeration eingewirkt werden. Je nach Ausgestaltung der Elektroden, z.B. durch deren Gemetrieänderung oder Positionierung, kann ebenso Einfluss auf das elektrische Feld genommen werden. Als spezielle Ausführungsformen für einen Elektrokoalszer eignet sich für die Elektrode z.B. eine Helixstruktur, eine Stabform, eine Plattenform oder eine Halbschalenförmige Struktur. Je nach Struktur der Elektrode ändert sich dabei auch die Form des elektrischen Feldes und damit der Feldgradient.
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Einen zusätzlicher Einflussfaktor auf die Koaleszenz spielt der Aufbau des zu behandelnden Mediums, z.B. der im Kraftstoff vorhandene Wasseranteil. Weitere Einflussfaktoren auf die elektrische Koaleszenz stellen die Rahmenparameter, wie Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz der Strömung, Einwirkdauer des elektrischen Feldes, Temperatur und Druck dar.
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Die oben genannten Einflussfaktoren haben dabei einen Einfluss auf die Tropfen-Tropfen-Wechselwirkung, die Ladungsverteilung an der Tropfenoberfläche, die Tropfendeformation, die Tropfenbewegung im elektrischen Feld, die Tropfengröße, die Scherfestigkeit der Tropfen, die Kollisionsrate der Tropfen und damit auf die Wirkungsweise der Koaleszenz des Systems.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Kraftstofffiltereinrichtung in einer Schnittdarstellung,
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2 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Kraftstofffiltereinrichtung 1 ein üblicherweise ringförmiges Filterelement 2 auf, welches im vorliegenden Fall von außen nach innen durchströmt wird. Der Innenraum, d.h. eine Reinseite des Filterelements 2, ist dabei mit einem Ablauf 3 fluidisch verbunden, wogegen die Außenseite des Filterelements 2, d.h. die Rohseite, mit einem Zulauf 4 verbunden ist. Ebenfalls vorgesehen ist ein Wasserabscheider 5, der erfindungsgemäß als elektrischer Koaleszer 5' ausgebildet ist. Der elektrische Koaleszer 5' kann dabei zwei von dem eigentlichen Kraftstoff isolierte Elektroden 6 und 7 aufweisen, wovon die Elektrode 7 wie im dargestellten Fall innerhalb eines Filtergehäuses 8 angeordnet ist. Durch Bestromen des elektrischen Koaleszers 5' kann nun eine individuell einstellbare Wasserabscheiderate erzielt werden, wobei der erfindungsgemäß als elektrischer Koaleszer 5' ausgebildete Wasserabscheider 5 darüber hinaus den großen Vorteil besitzt, dass dieser nicht turnusgemäß ausgetauscht werden muss, sondern über die gesamte Lebensdauer der Kraftstofffiltereinrichtung 1, d.h. also auch über mehrere Lebensdauern von Filterelementen 2, im Kraftstofffiltereinrichtung 1 verbleiben kann.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, ist der elektrische Koaleszer 5' zum Teil im Filtergehäuse 8 angeordnet, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass dieser im Bereich einer Heizeinrichtung, im Bereich eines Wasserstandsensors, in/an dem Filterelement 2 und/oder in einer Leitung, beispielsweise dem Zulauf 4 oder dem Ablauf 3 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist er teilweise im Filtergehäuse 8 und teilweise in einem Ringraum zwischen diesem und dem Filterelement 2 angeordnet. Das in diesem Bereich koagulierte Wasser setzt sich aufgrund seiner höheren Dichte in einem unten angeordneten Wassersammelraum 9 ab, aus welchem es turnusmäßig, beispielsweise über eine Wasserablassschraube 10, abgelassen werden kann.
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Erfindungsgemäß ist darüber hinaus eine Steuerungseinrichtung 11 vorgesehen, mittels welcher der Wasserabscheider 5, d.h. der Koaleszer, ansteuerbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist. Über die Steuerungseinrichtung 11 kann beispielsweise eine Feldstärke zwischen den einzelnen Elektroden 6, 7 oder aber eine Frequenz eingestellt werden.
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Der erfindungsgemäße Wasserabscheider 5 sorgt somit für eine effektive und effiziente Abscheidung von Wasser aus dem zu filternden Kraftstoff und gewährleistet über die gesamte Lebensdauer der Kraftstofffiltereinrichtung 1 gleichbleibend gute Abscheidewerte. Betrachtet nochmals die 1, so kann man erkennen, dass die beiden Elektroden 6 und 7 selbstverständlich isoliert zum Kraftstoff angeordnet sind, so dass dieser nicht direkt mit den Elektroden 6, 7 in Kontakt steht.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem 12 für eine Brennkraftmaschine 19 mit einem als elektrischem Koaleszer 5' ausgebildeten Wasserabscheider 5 zum Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, der an oder in einer Komponente 13 des Kraftstoffversorgungssystems 12 angeordnet ist. Die Komponente 13 kann dabei als Haupttank 14, als Vorfilter 15, als Zusatztank 16, als Kraftstoffleitung 17 oder als Hauptfilter 18 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann der elektrische Koaleszer 5' auch als separater Wasserabscheider 5 an beliebiger Stelle im Kraftstoffversorgungssystem 12 angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062813 A1 [0003]
