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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauerstoffnotversorgung in
einem Flugzeug sowie eine Sauerstoffnotversorgungseinrichtung zum
Ausführen dieses
Verfahrens.
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Nach
einem Dekompressionsvorfall an Bord eines Passagierflugzeugs ist
es aus Sicherheitsgründen üblich, das
Flugzeug auf eine Höhe
abzusenken, die ein Atmen ohne zusätzliche Sauerstoffversorgung
ermöglicht.
Abhängig
von der Flugroute und dem Ort des Dekompressionsvorfalls kann der
Weg bis zu dem Zielflughafen bzw. zu einem Ausweichflughafen erheblich
sein, so dass die geringere Flughöhe zu einem deutlich höheren Verbrauch
von Treibstoff führt,
der aus diesem Grund vorsorglich an Bord der Maschine mitgeführt werden
muss, was eine entsprechend große
Gewichtsbelastung und damit verbundene Einschränkung der Ladekapazität des Flugzeugs
bedeutet.
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Daher
wird es angestrebt, im Falle einer Dekompression nur noch auf eine
bezüglich
des zusätzlichen
Treibstoffverbrauchs erträgliche
Höhe abzusinken
und die Passagiere während
der verbleibenden Flugdauer über
Passagiersauerstoffmasken mit zusätzlichem Sauerstoff zu versorgen.
Diesem Vorgehen steht bislang nachteilig entgegen, dass der für eine eventuelle
Sauerstoffnotversorgung vorgesehene zusätzliche Sauerstoff in Flugzeugen
in der Regel in Hochdruckbehältern
oder chemischen Sauerstoffgeneratoren mitgeführt wird, wobei die Speicherkapazität dieser
Sauerstoffspeicher verhältnismäßig gering
ist und aufgrund des begrenzten Raumangebots in Flugzeugen auch
nicht wesentlich vergrößert werden
kann.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zur Sauerstoffnotversorgung in einem Flugzeug zu schaffen, mit dem
den Passagieren über
längere
Zeiträume
in ausreichendem Maße
Sauerstoff zur Verfügung
gestellt werden kann. Darüber
hinaus soll eine entsprechende Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
geschaffen werden.
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Der
verfahrensmäßige Teil
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren mit den
in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
zur Ausführung dieses
Verfahrens ist in Anspruch 4 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung
und der Zeichnung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Sauerstoffnotversorgung in einem Flugzeug sieht grundsätzlich vor,
den Sauerstoff, der in einer Notsituation den Passagieren zur Verfügung gestellt
werden soll, in einer bzw. mehreren beispielsweise nach dem Prinzip
der Druckwechseladsorption arbeitenden Luftzerlegungsvorrichtungen
an Bord des Flugzeugs zu erzeugen. Luftzerlegungsvorrichtungen dieser
Art weisen zumindest zwei Molekularsiebbetten auf, die wechselweise
in einem Adsorptionstakt und einem Desorptionstakt betrieben werden,
wobei sie in dem Adsorptionstakt Sauerstoff und Stickstoff trennen
und in dem Desorptionstakt regeneriert werden.
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Der
Einsatz von Luftzerlegungsvorrichtungen ermöglicht es, die Passagiere im
Wesentlichen über
unbegrenzte Zeit mit Sauerstoff zu versorgen. Allerdings wird den
Sauerstoffmasken der Flugzeugpassagiere nicht von Beginn an von
der Luftzerlegungsvorrichtung erzeugter Sauerstoff zugeführt, stattdessen
sieht die Erfindung vor, zu Beginn der Notver sorgung den Sauerstoffmasken
der Flugzeuginsassen zunächst
an Bord des Flugzeugs gespeicherten Sauerstoff zuzuführen. Dieses
Vorgehen stellt in vorteilhafter Weise sicher, dass die Sauerstoffversorgung
der Flugzeuginsassen auch während einer
Anlaufphase der Luftzerlegung, in der die Luftzerlegungsvorrichtung
noch nicht in ausreichendem Maße
Sauerstoff erzeugt, gewährleistet
ist. Weiter sieht die Erfindung vor, gleichzeitig einen Teil des
gespeicherten Sauerstoffs zum Spülen
der Molekularsiebbetten der Luftzerlegungsvorrichtung zu verwenden,
d. h., bevor in den Molekularsiebbetten der in der Luft enthaltende
Stickstoff durch Adsorption von dem Sauerstoff getrennt wird, werden
die Molekularsiebbetten mit einem Spülgasstrom, der von dem an Bord
gespeicherten Sauerstoff gebildet wird, gereinigt und anschließend befüllt. Nach
dem Spülen
der Molekularsiebbetten übernimmt
die Luftzerlegungsvorrichtung die Sauerstoffversorgung der Flugzeuginsassen,
wobei die Molekularsiebbetten augrund der vorangehenden Spülung und
anschließenden
Befüllung
mit Sauerstoff dann ihr optimales Betriebsverhalten aufweisen.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die Luftzerlegungsvorrichtung mit Luft zu versorgen, die in der Umgebung
des Flugzeugs, beispielsweise von dessen Triebwerken, angesaugt
wird. Bevorzugt werden die Molekularsiebbetten der Luftzerlegungsvorrichtung
während
ihres Adsorptionstakts aber mit Luft aus der Flugzeugkabine gespeist.
Dies hat den Vorteil, dass die den Molekularsiebbetten zugeführte Luft
bereits von der Klimaanlage des Flugzeugs hinsichtlich ihrer Temperatur
und Feuchte vorkonditioniert ist. Besonders vorteilhaft ist dieses
Vorgehen dann, wenn die Luftzerlegung in der Flugzeugkabine erfolgt,
d. h., wenn die Molekularsiebbetten in der Flugzeugkabine z. B.
in den über
den Passagiersitzen angeordneten Personal Service Units angeordnet
sind. In diesem Fall ist es möglich,
die Luft in unmittelbarer Nähe
der Luftzerlegungsvorrichtung anzusaugen ohne sie über weite
Entfernungen durch das Flugzeug leiten zu müssen.
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Um
den in den Molekularsiebbetten der Luftzerlegungsvorrichtung für die Adsorption
des Stickstoffs erforderlichen Betriebsdruck herzustellen, wird die
Kabinenluft zweckmäßigerweise
vor Einleitung in die Molekularsiebbetten verdichtet. Um in der
Luftzerlegungsvorrichtung in ausreichendem Maße Sauerstoff erzeugen zu können, werden
hierbei zweckmäßigerweise
Verdichter mit einem sehr großen
Volumendurchsatz verwendet.
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Zur
Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens ist eine Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
für ein
Flugzeug vorgesehen, welche eine Luftzerlegungsvorrichtung mit mindestens
zwei Molekularsiebbetten aufweist. Ausgangsseitig ist diese Luftzerlegungsvorrichtung
mit mindestens einer Sauerstoffmaske leitungsverbindbar. Erfindungsgemäß ist weiter
ein Sauerstoffspeicher vorgesehen, der gleichzeitig sowohl mit der
Luftzerlegungsvorrichtung als auch mit der Sauerstoffmaske leitungsverbindbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
ist bevorzugt zur Sauerstoffnotversorgung nur eines Flugzeugpassagiers
oder einer Gruppe von Flugzeugpassagieren ausgelegt und dementsprechend über eine
Zuführleitung
mit nur einer Sauerstoffmaske oder mehreren Sauerstoffmasken verbunden.
Der Sauerstoffspeicher kann sowohl von einem Hochdruckbehälter, in
dem Sauerstoff gasförmig
gespeichert ist, als auch von einem chemischen Sauerstoffgenerator,
in dem der Sauerstoff zunächst
in chemisch gebundener Form vorliegt, gebildet werden. Da bei dem
erfindungsgemäßen Sauerstoffnotversorgungsverfahren
aus dem Sauerstoffspeicher stammender Sauerstoff nur in einer verhältnismäßig kurzen
Anfangsphase zum Beatmen eines Flugzeugpassagiers und zum Spülen der
Molekularsiebbetten benötigt
wird, ist die in dem Sauerstoffspeicher zu speichernde Sauerstoffmenge
entsprechend gering. Daher können
vorteilhaft Sauerstoffspeicher von ent sprechend geringer Größe verwendet
werden. Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise eine sehr kompakte Bauweise der gesamten
Sauerstoffnotversorgungseinrichtung, die eine Anordnung in einer über einem
Passagiersitz vorgesehenen Personal Service Unit möglich macht.
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Bevorzugt
werden die adsorbierenden Molekularsiebbetten der Luftzerlegungsvorrichtung
mit Kabinenluft gespeist. Hierzu ist die Luftzerlegungsvorrichtung
zweckmäßigerweise
mit der Flugzeugkabine leitungsverbindbar.
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In
der Leitungsverbindung von der Flugzeugkabine zu der Luftzerlegungsvorrichtung
ist bevorzugt ein Verdichter angeordnet, mit dem die in der Kabine
angesaugte Luft auf den in den Molekularsiebbetten erforderlichen
Betriebsdruck verdichtet wird. Dieser Verdichter ist vorzugsweise
als ein Radialverdichter ausgebildet, mit dem die Kabinenluft bevorzugt
auf das Drei- bis Vierfache des Kabinendrucks verdichtet wird.
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Zur
Ansteuerung der Luftzerlegungsvorrichtung und des Sauerstoffspeichers
ist vorteilhaft eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen. Diese Steuerungsvorrichtung
ist mit einem Drucksensor in der Flugzeugkabine signalverbunden.
Mit dem Drucksensor kann ein Druckabfall in der Flugzeugkabine ermittelt
werden, woraufhin die Steuerung den Betriebszustand der Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
herstellt. Darüber
hinaus kann der Kabinendruck mit dem Drucksensor kontinuierlich überwacht werden
und die Sauerstoffnotversorgungseinrichtung entsprechend der ermittelten
Druckwerte von der Steuerung angesteuert werden.
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Nachfolgend
sind das erfindungsgemäße Verfahren
zur Sauerstoffnotversorgung sowie die hierfür vorgesehenen Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
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Die
Zeichnungsfigur zeigt das pneumatische und steuerungstechnische
Schaltschema einer Sauerstoffnotversorgungsvorrichtung 2.
Diese Sauerstoffnotversorgungseinrichtung 2 weist eine Luftzerlegungsvorrichtung
mit jeweils paarweise parallel angeordneten Molekularsiebbetten 4, 4' sowie 6, 6' auf. Eingangsseitig
der Molekularsiebbetten 4, 4' weisen diese einen gemeinsamen
Lufteinlass 8 und die Molekularsiebbetten 6 und 6' einen gemeinsamen
Lufteinlass 10 auf.
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Mittels
eines elektrisch betätigten
4/2-Wegeventils 11 ist entweder das aus den Molekularsiebbetten 4 und 4' bestehende
Molekularsiebbettenpaar oder das aus den Molekularsiebbetten 6 und 6' bestehende
Molekularsiebbettenpaar mit einer in einer Flugzeugkabine mündenden
Luftzufuhrleitung 12 leitungsverbindbar, wobei das 4/2-Wegeventil 11 das dann
nicht mit der Luftzufuhrleitung 12 leitungsverbundene Molekularsiebbettenpaar
mit einer Spülgasleitung 14 leitungsverbindet,
die an ihrem Ende mit einem elektrisch betätigten 2/2-Wegeventil 15 verschließbar ist.
Anströmseitig
des 4/2-Wegeventils 11 sind in der Luftzufuhrleitung 12 in
Strömungsrichtung zunächst ein
Luftfilter 9, ein Verdichter in Form eines Radialverdichters 13 sowie
ein elektrisch betätigten 2/2-Wegeventil 17 angeordnet.
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Ausgangsseitig
der Molekularsiebbetten 4 und 4' ist ein Produktgasauslass 16 und
ausgangsseitig der Molekularsiebbetten 6 und 6' ein Produktgasauslass 18 vorgesehen.
Die Produktgasauslässe 16 und 18 münden an
einer Leitungsverbindung 19 in einer gemeinsamen Produktgasleitung 20,
an deren Ende eine in der Zeichnungsfigur nicht dargestellte Passagiersauerstoffmaske
angeordnet ist. Die Produktgasleitung 20 ist mit einem
darin angeordneten elektrisch betätigbaren 2/2-Wegeventil 21 verschließbar. Zur
Begrenzung des Produktgasstroms in der Produktgasleitung 20 ist
in dieser eingangsseitig des 2/2-Wegeventils 21 eine Drossel 23 vorgesehen.
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Anströmseitig
der Leitungsverbindung 19 sind die Produktgasauslässe 16 und 18 über eine Leitung 22 strömungsverbunden,
wobei in der Leitung 22 eine Drossel 24 zur Durchflussbegrenzung vorgesehen
ist. Um ein weiteres Überströmen des Produktgases
von dem Produktgasauslass 16 zu dem Produktgasauslass 18 und
umgekehrt an der Leitungsverbindung 19 zu verhindern, ist
in dem Produktgasauslass 16 anströmseitig der Leitungsverbindung 19 ein
Rückschlagventil 26 und
in dem Produktgasauslass 18 ebenfalls anströmseitig
der Leitungsverbindung 19 ein Rückschlagventil 28 angeordnet.
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Neben
der im Wesentlichen aus den Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' bestehenden
Luftzerlegungsvorrichtung weist die Sauerstoffnotversorgungseinrichtung 2 auch
einen Sauerstoffspeicher 30 auf, der von einem Hochdruckbehälter 30 gebildet wird.
Ein Sauerstoffauslass 32 des Hochdruckbehälters 30 ist
einerseits mit der Produktgasleitung 20 leitungsverbunden,
wobei der Sauerstoffauslass 32 ausgangsseitig der Drossel 23 in
der Produktgasleitung 20 mündet, andererseits ist der
Sauerstoffauslass 32 auch mit einer Leitung 34 verbunden,
die sowohl eine Strömungsverbindung
von dem Sauerstoffauslass 32 zu dem Produktgasauslass 16 der
Molekularsiebbetten 4 und 4' als auch zu dem Produktgasauslass 18 der
Molekularsiebbetten 6 und 6' herstellt. Um ein Überströmen des
Produktgases von dem Produktgasauslass 16 über die
Leitung 34 zu dem Produktgasauslass 18 zu verhindern,
sind in der Leitung 34 zwei Rückschlagventile 25 und 27 angeordnet,
wobei das Rückschlagventil 25 den
Strömungspfad
von dem Produktgasauslass 16 zu dem Produktgasauslass 18 sperrt,
während
das Rückschlagventil 27 den
Strömungspfad
vom Produktgasauslass 18 zu dem Produktgasauslass 16 sperrt.
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Die
Ansteuerung und Energieversorgung der elektrisch betätigten Bauteile
der Sauerstoffnotversorgungseinrichtung 2 erfolgt mittels
einer Steuerungsvorrichtung in Form einer elektronischen Steuerung 36.
Diese Steuerung 36 ist über
eine Signalleitung 38 mit dem Radialverdichter 13, über eine
Signalleitung 40 mit dem 2/2-Wegeventil 17, über eine Signalleitung 42 mit
dem 2/2-Wegeventil 15, über eine
Signalleitung 44 mit dem 4/2-Wegeventil 11, über eine
Signalleitung 46 mit dem 2/2-Wegeventil 21 sowie über eine
Signalleitung 48 mit dem Hochdruckbehälter 30 signalverbunden.
Daneben besteht eine Signalverbindung von der Steuerung 36 zu
einem in der Flugzeugkabine angeordneten Drucksensor 50 mittels
einer Signalleitung 52 und eine Signalverbindung zu einem
Mikrozirkondioxidsauerstoffsensor 54 mittels einer Signalleitung 56.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
zur Sauerstoffnotversorgung anhand der in der Zeichnungsfigur dargestellten
Sauerstoffnotversorgungsvorrichtung ausführlicher beschrieben.
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Bei
inaktiver Sauerstoffnotversorgungseinrichtung 2 werden
die 2/2-Wegeventile 15, 17 und 21 von
der Steuerung 36 sperrend geschaltet, so dass das die Luftzufuhrleitung 12,
die Spülgasleitung 14 und
die Produktgasleitung 20 verschlossen sind. Hierdurch wird
verhindert, dass Wasser bei Nichtbetrieb der Sauerstoffnotversorgungseinrichtung 2 in die
Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' eindringen kann,
was die Adsorptionsfähigkeit
des dort als Adsorptionsmittel verwendeten Zeoliths verringern würde.
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Erfasst
der in der Flugzeugkabine angeordnete Drucksensor 50 einen
Druckabfall werden die 2/2-Wegeventile 15, 17 und 21 von
der Steuerung 36 öffnend
geschaltet. Hierdurch werden die Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' entspannt und
in ihnen eine Desorption gegen Umgebungsdruck eingeleitet. Daneben
wird der Hochdruckbehälter 30 von
der Steuerung 36 öffnend
geschaltet, woraufhin der in dem Hochdruckbehälter 30 befindliche
Sauerstoff über den
an dem Hochdruckbehälter 30 ausgebildeten Sauerstoffauslass 32 in
die Produktgasleitung 20 geleitet wird, von wo aus der
Sauerstoff der Sauerstoffmaske eines Passagiers zugeführt wird.
Gleichzeitig wird ein Teilstrom des in dem Hochdruckbehälter 30 gespeicherten
Sauerstoffs in die Leitung 34 und von dort über die
Produktgasauslässe 16 und 18 als
Spülgas
in die Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' geleitet und
von dort über
die Spülgasleitung 14 abgeführt. Die
Spülzeit
der Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' mit dem aus
dem Hochdruckbehälter 30 stammenden
Sauerstoff beträgt
bevorzugt zwei bis vier Sekunden. Nach dieser Zeitspanne veranlasst
die Steuerung 36 das Schließen des 2/2-Wegeventils 15,
so dass kein weiterer Sauerstoff über die Spülgasleitung 14 abgeleitet
wird.
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Danach
wird weiterhin Sauerstoff aus dem Hochdruckbehälter 30 zur Sauerstoffmaske
des Passagiers und in die Molekularsiebbetten 4, 4', 6 und 6' geleitet, wobei
der Sauerstoffstrom in der Produktgasleitung 20 von dem
Sauerstoffsensor 54 erfasst wird. Sinkt der Sauerstoffvolumenstrom
unter einen vorbestimmten Wert, wird der Radialverdichter 13 von
der Steuerung 36 in Betrieb gesetzt. Auf diese Weise wird
Kabinenluft über
die Luftzufuhrleitung angesaugt und von dem Radialverdichter 13 verdichtet. Vor
Eintritt in den Radialverdichter 13 wird die angesaugte
Kabinenluft in einem Luftfilter 9 gereinigt.
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Das
4/2-Wegeventil 11 wird von der Steuerung 36 so
angesteuert, dass die verdichtete Luft über den Lufteinlass 8 in
die Molekularsiebbetten 4 und 4' strömen kann. Da alle Molekularsiebbetten 4, 4' 6 und 6' zuvor mit dem
Sauerstoff aus dem Hochdruckbehälter 30 gefüllt worden
sind, weist das die Molekularsiebkammern 4 und 4' verlassende
Produktgas innerhalb kürzester
Zeit eine ausreichend hohe Sauerstoffkonzentration auf. Dieses Produktgas
wird der Sauerstoffmaske des Passagiers zugeführt, wobei ein Teilstrom des
den Produktgasauslass 16 verlassenden Produktgases über die
Leitung 22 als Spülgas
in die Molekularsiebbetten 6 und 6' geleitet wird. Ist das Adsorptionsvermögen der
Molekularsiebbetten 4 und 4' erschöpft, veranlasst die Steuerung 36 ein
Umschalten des 4/2-Wegeventils 11, wonach die von dem Radialverdichter 13 verdichtete Kabinenluft
nun in die Molekularsiebbetten 6 und 6' geleitet wird,
wo der Stickstoffanteil der Luft adsorbiert wird und das ausgangsseitig
der Molekularsiebbetten 6 und 6' zur Verfügung stehende sauerstoffangereicherte
Produktgas einerseits als Atemgas zu dem Passagier und andererseits
als Spülgas
zu den Molekularsiebbetten 4 und 4' geleitet wird.
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- 2
- Sauerstoffnotversorgungseinrichtung
- 4,
4'
- Molekularsiebbett
- 6,
6'
- Molekularsiebbett
- 8
- Lufteinlass
- 9
- Luftfilter
- 10
- Lufteinlass
- 11
- 4/2-Wegeventil
- 12
- Luftzufuhrleitung
- 13
- Radialverdichter
- 14
- Spülgasleitung
- 15
- 2/2-Wegeventil
- 16
- Produktgasauslass
- 17
- 2/2-Wegeventil
- 18
- Produktgasauslass
- 19
- Leitungsverbindung
- 20
- Produktgasleitung
- 21
- 2/2-Wegeventil
- 22
- Leitung
- 23
- Drossel
- 24
- Drossel
- 25
- Rückschlagventil
- 26
- Rückschlagventil
- 27
- Rückschlagventil
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Sauerstoffspeicher,
Hochdruckbehälter
- 32
- Sauerstoffauslass
- 34
- Leitung
- 36
- elektronische
Steuerung
- 38
- Signalleitung
- 40
- Signalleitung
- 42
- Signalleitung
- 44
- Signalleitung
- 46
- Signalleitung
- 48
- Signalleitung
- 50
- Drucksensor
- 52
- Signalleitung
- 54
- Sauerstoffsensor
- 56
- Signalleitung