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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftanlage, umfassend einen Verbrennungsmotor, der mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird.
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Es sind zahlreiche Veröffentlichungen bekannt geworden, zum Beispiel
DD 292 952 A5 .
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DE 100 26 695 C1 geht noch einen Schritt weiter. Hierbei wird die erforderliche Menge Wasser zum Herstellen einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Abgas herausgeholt, und zwar mittels einer Kondensationsvorrichtung, die ständig betrieben wird und somit ständig Wasser liefert.
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DE 31 02 088 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Erzeugen von Wasser für die Wassereinspritzanlage eines mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotors. Gemäß diesem Verfahren wird das Wasser durch Kondensation aus den Auspuffgasen gewonnen, wobei die erzeugbare Menge zeitweise nicht ausreicht. Es muss somit Wasser mitgeführt werden, insbesondere beim Betrieb auf Schiffen. Hierbei ist zu beachten, dass das Wasser einfrieren kann und somit nicht mehr zur Verfügung steht.
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JP S 61-76 747 A offenbart ein Verfahren, bei dem zwei oder mehrere Wärmetauscher parallel zueinander angeordnet sind. Während ein Wärmetauscher den Reinigungszyklus durchläuft, kühlt der andere das Abgas.
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DE 33 25 872 A beschreibt ein Verfahren zum Reinigen von Wärmetauschern für Abgase aus Verbrennungsmotoren.
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DE 38 20 067 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Ruß und kondensierbaren Bestandteilen aus Dieselabgasen. Hierbei werden insbesondere gereinigte Abgase abgeführt und ein Teil der Abgase über eine Abzweigleitung einem Abgasrückführungsmengenregler zugeführt, wodurch eine Reduzierung von NOx-Anteilen in den neu gebildeten Abgasen im Motor erzielt wird.
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Sehr gravierend ist das Problem des Rußes und der damit verbundenen Umweltverschmutzung. Große Seeschiffe fahren mit Schweröl verschiedener Qualitäten. Eine akzeptable Lösung zum Vermeiden oder Verringern des Rußproblemes gibt es bisher nicht. Sie stehen sogar im Verdacht an der Gletscherschmelze wegen Angrauung der Oberfläche beteiligt zu sein (Verminderung der Reflexion des Sonnenlichtes).
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Der Einbau von Partikelfiltern ist bei Binnenschiffen bereits daran gescheitert, dass zusätzlich kontinuierlich Heizbrenner zum Abbrand der Ablagerungen eingesetzt waren. Das hat zu erheblichem Mehrverbrauch geführt, konnte trotzdem den Filterwirkungsgrad nicht aufrechterhalten und führte schon nach relativ kurzer Betriebsdauer zur Wirkungslosigkeit, jedenfalls im normalen Dieselbetrieb.
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Ergo: Ökonomisch und ökologisch nicht vertretbar.
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Bei Seeschiffen, die mit Schweröl-betriebenen Motoren ausgerüstet sind, potenzieren sich die Probleme ins Negative. Das Schweröl wird zwar über sogenannte Separatoren von den schlimmsten Bestandteilen getrennt, verbrennt aber dennoch relativ unvollständig, was bekannter Weise zu starker Rußbildung führt.
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Die derzeit einzige Möglichkeit, dem Übel zu begegnen, besteht in der Emulsionstechnologie. Dabei erhebt sich im Schiffsbetrieb die Frage nach der Beschaffung des notwendigen Wassers.
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Die Onboard-Entsalzungsanlagen sind kapazitiv nicht in der Lage, die erforderlichen Mengen zur Verfügung zu stellen. Selbst ausreichend große Anlagen, die sehr teuer einzurüsten wären, brauchen riesige Vorratstanks, da der Betrieb in küstennahen Gewässern nicht wirtschaftlich möglich ist (Verschmutzung).
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Das Beschaffen von Wasser zum Herstellen einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion ist somit mit Problemen behaftet. Verunreinigungen der beteiligten Rohrleitungen, insbesondere der Rohrbündel von Wärmetauschern, können problematisch sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftanlage mit einem Verbrennungsmotor und einer Einrichtung zum Erzeugen einer Emulsion aus Kraftstoff und Wasser derart zu gestalten, dass jene Probleme verringert oder ausgeschaltet werden, die mit dem Erzeugen von Wasser verbunden sind.
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Diese Aufgabe wir durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lösen der genannten Probleme anzugeben.
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Auf die selbstständigen Ansprüche wird verwiesen.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist eine Brennkraftanlage dargestellt, umfassend die folgenden wichtigsten Elemente:
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Einen Verbrennungsmotor, zwei Wärmetauscher, ein Auffangbecken zum Auffangen destillierten Wassers aus den Wärmetauschern, ein Rohrleitungssystem sowie zahlreiche Ventile und Steuereinrichtungen.
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In den vier 1, 2, 3 und 4 sind vier verschiedene Betriebsphasen veranschaulicht. Während der einzelnen Phasen finden die folgenden Vorgänge statt:
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In 1 arbeitet ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor 1. Abgas aus dem Verbrennungsmotor gelangt über vier Krümmer 2, 3, 4, 5 in einen Abgassammler 6, und von dort zu einem Abgas-Hauptstrang 7. Ein oberer Abschnitt des Abgas-Hauptstranges 7 führt Abgas in die Atmosphäre. Von einem unteren Abschnitt des Abgas-Hauptstranges 7 zweigen zwei Verteilerstränge 8, 9 ab. Jeder Verteilerstrang 8, 9 umfasst einen ersten horizontalen Eingangsabschnitt, einen vertikalen Abschnitt und einen horizontalen Ausgangsabschnitt. Zwischen dem vertikalen Abschnitt eines Verteilerstranges und dessen beiden horizontalen Abschnitten befindet sich jeweils ein Krümmer.
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Am Ende der beiden Verteilerstränge 8, 9 sind Rückführleitungen 10.1, 10.2 und 11.1, 11.2 angeschlossen. Die Abschnitte 10.1 und 11.1 der beiden Rückführleitungen verlaufen nach oben und münden in einen Steigstrang 12.
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Dessen oberes Ende mündet in den oberen Abschnitt des Abgas-Hauptstranges 7. Die Abschnitte 10.2 und 11.2 der Rückführleitungen weisen jeweils einen nach unten führenden vertikalen Abschnitt sowie einen sich daran anschließenden horizontalen Abschnitt auf. Die horizontalen Abschnitte münden in den Steigstrang 12. Die horizontalen Abschnitte 10.2 und 11.2 der Rückführleitungen können jeweils einen Filter 10.3, 11.3 aufweisen.
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Den Verteilersträngen 8, 9 ist jeweils ein Wärmetauscher 13, 14 zugeordnet. Jeder Wärmetauscher 13, 14 umhüllt wenigstens einen Teil der Verteilerstränge 8, 9.
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Unterhalb der beiden Wärmetauscher 13, 14 befindet sich ein Wassersammelbecken 15.
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Die Anlage umfasst mehrere Ventile und Stellglieder:
- - Zwischen Abgassammler 6 und Abgas-Hauptstrang 7 befindet sich eine erste Weiche 20.
- - Zwischen dem Abgas-Hauptstrang 7 und den Verteilersträngen 8 befindet sich eine zweite Weiche 21.
- - Am Ende eines jeden Verteilerstranges 8, 9 befindet sich eine dritte Weiche 22 beziehungsweise 23.
- - Die Wärmetauscher 13, 14 sind mit Ablaufventilen 24 beziehungsweise 25 versehen.
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Die Wärmetauscher 13, 14 umfassen jeweils einen Behälter 13.1, 14.1 sowie Bündel 13.2 und 14.2 von Rohrleitungen, die dem Hindurchführen von heißem Abgas dienen.
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In der Betriebsphase, die in 1 dargestellt ist, läuft folgendes ab:
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Die vom Motor 1 abströmenden heißen Abgase werden im Abgassammler 6 gesammelt. Sie gelangen in den Abgas-Hauptstrang 7. Aufgrund der Stellung von Weiche 20 strömen sie im Abgas-Hauptstrang 7 nach unten. An Weiche 21 wird der Abgasstrom in zwei Teilströme aufgeteilt: Ein erster Teilstrom tritt in Verteilerstrang 8 ein, und ein zweiter in Verteilerstrang 9. Am Ende der Verteilerstränge 8, 9 befindet sich eine Weiche 22 beziehungsweise 23. Hier gibt es zwei Optionen. Der Abgasstrom kann durch Rückleitung 10.1 beziehungsweise 11.1 nach oben fließen, oder in die Rückleitung 10.2 beziehungsweise 11.2 nach unten.
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In der in 1 gezeigten Betriebsphase sind die genannten Weichen derart gestellt, dass die Abgasströme nach unten verlaufen, somit in die Rückleitungen 10.2 beziehungsweise 11.2. Sie gelangen durch die horizontalen Abschnitte der beiden Rückleitungen 10.2, 11.2 zur Steigleitung 12.
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Die horizontalen Abschnitte der Rückleitungen 10.2 und 11.2 sind perforiert. Die Perforationen können Bohrungen oder Schlitze sein. Dies hat folgenden Grund: In den Wärmetauschern 13 und 14 ist aus dem heißen, wasserhaltigen Abgas durch die Kühlung des Abgases Wasser ausgefallen. Dies tritt durch die genannten Perforationen in den Rückleitungen aus und gelangt in das Wassersammelbecken 15.
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Die nunmehr weitgehend wasserfreien und kühlen Abgase gelangen durch die Steigleitung 12 nach oben und münden in den Abgas-Hauptstrang 7 ein, um an dessen oberen Ende in die Atmosphäre zu entweichen.
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Das im Wassersammelbecken 15 gesammelte Wasser 15 ist von hoher Qualität. Es ist praktisch destilliertes Wasser. Dieses kann dem Kraftstoff für den Motor 1 beigemischt und mit diesem zu einer Emulsion verarbeitet werden. Im Betrieb auf einem Schiff wird hierdurch eine Autarkie herbeigeführt. Dies bedeutet, dass die zum Erzielen einer Emulsion benötigte Wassermenge im Kreislauf geführt wird.
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Von Zeit zu Zeit mag es notwendig sein, die Gesamt-Wassermenge zu ergänzen. Jedoch ist hierfür nur relativ Wasser notwendig. Dies bedeutet, dass die ganze Anlage bezüglich des Wasserbedarfes autark betrieben werden kann.
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Während des Betriebes, so wie in 1 veranschaulicht, schlagen sich während einer längeren Zeitspanne in den Rohren der Rohrbündel 13.2 und 14.2 der Wärmetauscher 13 und 14 Rußpartikel nieder. Es wächst eine Rußschicht an, die beseitigt werden muss.
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Dies geschieht dadurch, dass man die beiden Wärmetauscher außer Funktion setzt, und zwar durch Entleeren ihrer Behälter 13.1 und 14.1 von Wasser. Gleichwohl strömt aber weiterhin Abgas durch den Sammler 6, den Abgas-Hauptstrang 7, durch die Verteilerstränge 8, 9 sowie durch die Rückführleitungen 10.1, 10.2 und 11.1, 11.2. Dies hat zur Folge, dass die vom Abgasstrom überstrichenen Rohrleitungen, insbesondere die Rohre der Rohrbündel 13.2 und 14.2 erhitzt werden. Die Erhitzung ist außerordentlich hoch, sodass es zu einem Glühen der Rohre der Rohrbündel 13.2 und 14.2 kommt, und damit zu einem restlosen Verbrennen der Rußpartikel. Die Temperatur der Rohre des Wärmetauschers erreicht im „Nicht-Funktionsbetrieb“, das heißt wenn die Behälter 14.1 und 14.2 der Wärmetauscher kein Wasser enthalten, leicht Temperaturen, die zu einer Selbstentzündung der Ablagerungen führen.
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Nach relativ kurzer Zeit ist dieser Verbrennungsvorgang - sogenannte Ausbrennphase - abgeschlossen. Die Rohrleitungen der Rohrbündel 13.2 und 14.2 sind wieder völlig frei. Die Wärmetauscher 13 und 14 können wieder ihre Arbeit aufnehmen, indem sie mit kaltem Wasser gefüllt werden.
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Es findet somit ein zeitlicher Wechsel zwischen Phasen des Betriebes (Betriebsphase) der Wärmetauscher und gewissermaßen betriebsfreien Phasen (Ausbrennphasen) statt. Der Vorgang ist somit ein intermittierender oder zyklischer.
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Bei der Betriebsweise gemäß 1 - so wie beschrieben - sind die beiden Wärmetauscher 13, 14 gleichzeitig entweder in Betrieb oder außer Betrieb.
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Dass man dies auch anders machen kann, sieht man aus den 2, 3 und 4. Bei der in 2 veranschaulichten Betriebsweise ist eine Phase gezeigt, in welcher der erste Wärmetauscher 13 in Betrieb ist, der zweite Wärmetauscher 14 jedoch nicht. Bei der in 3 gezeigten Betriebsphase ist es umgekehrt. Hier ist Wärmetauscher 13 außer Funktion, während Wärmetauscher 14 in Funktion ist. Bei der Darstellung gemäß 4 ist eine Betriebsphase gezeigt, bei welcher beide Wärmetauscher außer Betrieb sind.
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Bei der in 2 veranschaulichten Betriebsphase ist Behälter 14.1 von Wärmetauscher 14 frei von Wasser. Das Wasser ist durch Ventil 25 in das Wassersammelbecken 15 abgelassen.
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Weiche 23 hat eine solche Position, dass die heißen Abgase, die durch das Rohrbündel 14.2 von Wärmetauscher 14 strömen, wieder nach oben geleitet werden. Sie gelangen in die Steigleitung 12, sodann in den Abgas-Hauptstrang 7 und somit in die Atmosphäre. Während dieser Phase wird das Rohrbündel 14.2 von Wärmetauscher 14 sehr heiß. Es kommt zu einer Selbstentzündung der Ablagerungen in den Rohren des Rohrbündels 14.2, und damit zu einer Verbrennung und somit Reinigung des Rohrbündels.
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In der Zwischenzeit arbeitet Wärmetauscher 13 ganz normal weiter. Er wird mit Abgasen aus dem Verbrennungsmotor 1 beschickt, und außerdem enthält Behälter 13.1 Wasser beziehungsweise ist von diesem gegebenenfalls sogar durchströmt. Ventil 24 ist geschlossen. Jedoch strömt das ausgefällte Wasser durch die Rückführleitung 2. Es strömt zunächst durch den vertikalen Abschnitt der Rückführleitung 2 nach unten, sodann durch den horizontalen Abschnitt. Dieser ist perforiert, sodass Wasser in das Wassersammelbecken 15 fällt. Der relativ kalte und weitgehend wasserfreie Abgasstrom gelangt in die Steigleitung 12, sodann in den Abgas-Hauptstrang 7 und somit in die Atmosphäre.
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Bei der in 3 veranschaulichten Phase des Betriebes der Anlage ist es umgekehrt. Hier arbeitet Wärmetauscher 14 „normal“, das heißt, er scheidet Wasser aus dem Abgasstrom ab. Hingegen ist der Behälter 13.1 von Wärmetauscher 13 leer. Es wird somit aus den Abgasen kein Wasser abgeschieden, wohl aber erhitzen sich die Rohre des Rohrbündels 13.2 derart, dass es zu einem vollständigen Verbrennen von Rußablagerungen kommt.
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Bei der in 4 gezeigten Betriebsphase sind beide Wärmetauscher 13 und 14 außer Funktion, das heißt deren Behälter 13.1 und 14.1 sind wasserfrei.
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Gemäß der Erfindung kann die Anlage einen einzigen Wärmetauscher aufweisen, der intermittierend in oder außer Funktion gesetzt wird. Es gibt somit zwei Phasen des Arbeitens: Während einer ersten Zeitspanne arbeitet der Wärmetauscher und erzeugt damit destilliertes Wasser durch Ausfällen des Wassers aus dem heißen, wasserbeladenen Abgas. Während einer zweiten Phase wird der Behälter des Wärmetauschers von Wasser entleert, sodass das Erhitzen und damit Ausglühen der Rohrleitungen abläuft.
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Es ist auch denkbar, mit einem einzigen Abgas-Hauptstrang über mehrere Verteilerstränge mehrere Wärmetauscher zu speisen. Die Wärmetauscher können beispielsweise - in Draufsicht gesehen - auf einem Kreis angeordnet werden, und sie können ferner vom Abgas-Hauptstrang einen gleich großen Abstand haben.
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Abwandlungen sind möglich. So können beispielsweise die Wärmetauscher von Kühlwasser durchströmt sein, entweder ständig oder ebenfalls intermittierend.
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Die Erfindung hat somit zahlreiche Vorteile, und zwar auch solche, die nicht ohne weiteres evident sind. Diese sind die folgenden:
- 1. Schweröl nach Separator lässt sich gut emulgieren.
- 2. Der Rußpartikelausstoß wird exorbitant reduziert.
- 3. Auch die Nox-Emissionen verringern sich erheblich.
- 4. Die zu erwartenden Kraftstoffeinsparungen stellen einen Amortisationsfaktor von höchster Qualität dar. Rechnet man den Mehrverbrauch anderer Lösungen, falls diese überhaupt denkbar sind, gegen den Minderverbrauch auf, wird sich mit Sicherheit ein 10 bis 15%iger (netto 5-8%) Effekt einstellen.
Da ständige Lastwechsel in der Schifffahrt selten sind, kann der Motor auf die günstigsten Werte eingestellt werden.
Um den gleichen Faktor wird die CO2-Emission vermindert werden.
- 5. Das Vorratsvolumen der Wasserspeicher kann auf ein Minimum beschränkt werden, da Nachschub immer gewährleistet ist.
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Die Erfindung lässt sich besonders erfolgreich für Großdieselanlagen nutzen mit Leistungen von einem MW und mehr.
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Dabei kann es sich um Motoren mit einer Vielzahl von Zylindern handeln, somit nicht nur 4, 6, 8 Zylinder, sondern auch 12 und mehr Zylinder.
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Auch ist es denkbar, mehrere Motoren einer einzigen oder mehreren Anlagen gemäß den Patentansprüchen zuzuordnen.
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Ferner sind die folgenden Einzelheiten in Erwägung zu ziehen:
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Mit elektronischer Steuerung und Bildschirmüberwachung kann die Funktion auch wenn nicht alle Motoren laufen gewährleistet werden.
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Das Kühlgasrohr muss nicht zwangsläufig nach oben geführt werden. Dabei ist vor allem an hecknah eingebaute Motoren zu denken. Außerdem wird man zum Beispiel Generatorantriebe, die die Elektroversorgung in Häfen übernehmen, an eine Anlage anbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 2
- Krümmer
- 3
- Krümmer
- 4
- Krümmer
- 5
- Krümmer
- 6
- Abgassammler
- 7
- Abgas-Hauptstrang
- 8
- Verteilerstrang
- 9
- Verteilerstrang
- 10.1
- Rückführleitung
- 10.2
- Rückführleitung
- 10.3
- Filter
- 11.1
- Rückführleitung
- 11.2
- Rückführleitung
- 11.3
- Filter
- 12
- Steigstrang
- 13
- Wärmetauscher
- 13.1
- Behälter des Wärmetauschers
- 13.2
- Rohrbündel des Wärmetauschers
- 14
- Wärmetauscher
- 14.1
- Behälter des Wärmetauschers
- 14.2
- Rohrbündel des Wärmetauschers
- 15
- Wassersammelbecken
- 20
- erste Weiche
- 21
- zweite Weiche
- 22
- dritte Weiche
- 23
- dritte Weiche
- 24
- Ablaufventil
- 25
- Ablaufventil
