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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen von Flüssiggas als Kraftstoff zu einer
Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftstoffversorgungssystem
für eine
mit Flüssiggas
betriebene Brennkraftmaschine sowie ein Kraftstoffzufuhraggregat
für ein
solches Kraftstoffversorgungssystem.
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Mit
Flüssiggas
als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen finden insbesondere
wegen der gegenüber
konventionellen, fossilen flüssigen Kraftstoffen
besseren Umweltverträglichkeit
zunehmend Verwendung. Unter Flüssiggas
wird im Folgenden verflüssigtes
Gas, beispielsweise Liquid Natural Gas oder Liquid Petroleum Gas
verstanden, das sind vor allem auf Kohlenwasserstoffen basierende
Gase, die unter höherem
als Atmosphärendruck
und/oder unter niedrigerer als der normalen Umgebungstemperatur
liegender Temperatur flüssig
sind.
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Aus
der
DE 198 27 439
A1 ist ein Einspritzsystem für eine mit Flüssiggas
betriebene Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bekannt, bei dem
Kraftstoff mittels Einspritzdüsen
direkt in die Zylinder eingespritzt wird. Das Einspritzsystem enthält ein Kraftstoffversorgungssystem,
in dem Kraftstoff unter einem Versorgungsdruck gehalten wird, eine Hochdruckpumpe,
um Kraftstoff zur Verfügung
zu stellen, der unter Einspritzdruck steht, eine Hochdruckleitung,
die mit der Hochdruckpumpe verbunden ist, um den unter Einspritzdruck
stehenden Kraftstoff den Einspritzdüsen zuzuführen, und eine Steuerleitung,
die wahlweise mit den Einspritzdüsen
in Verbindung gebracht werden kann und in der Kraftstoff mit einem
gegenüber
dem Versorgungsdruck erhöhten
Druck vorliegt. Damit soll die Betriebssicherheit des Systems verbessert
und eine Blasenbildung in den Einspritzdüsen verhindert werden.
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Aus
der
JP 2002155787
AA ist eine Kraftstoffsteuervorrichtung für eine mit
Flüssiggas
(LPG) betriebene Brennkraftmaschine bekannt, bei der Flüssiggas
mit durch einen Druckregler vermindertem Druck aus einem Vergaser
als Hauptkraftstoff und aus einer Einspritzeinheit als Hilfskraftstoff
einem Einlasskanal zugeführt
wird. Eine elektronische Steuereinheit steuert die aus der Einspritzeinheit
zugeführte
Kraftstoffmenge derart, dass ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffverhältnis erzielt
wird.
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Aus
der
DE 37 31 986 A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Wasserstoff
bekannt, bei dem nur ein Teil der pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge
mit der gesamten pro Arbeitstakt benötigten Verbrennungsluft vermischt
in den Brennraum eingeführt
wird und dort gezündet wird,
und dass nach der Zündung
der übrige
Teil der pro Arbeitstakt benötigten
Kraftstoffmenge durch Hochdruckeinblasung unmittelbar in den Brennraum eingeführt wird.
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Bei
der Zufuhr von Flüssiggasen
zu den Gemischbildungssystemen von Verbrennungsmotoren, die im Allgemeinen über gezielt
angesteuerte Einspritzventile erfolgt, tritt das Problem auf, dass
sich in der Flüssiggaszufuhrleitung
Dampfblasen bilden, die beispielsweise auftreten, wenn bei Öffnung des
Einspritzventils der Systemdruck unter den Druck absinkt, bei dem
das Flüssiggas
bei der vorhandenen Temperatur flüssig ist. Die Blasen aus verdampftem Flüssiggas
bilden mit der flüssigen
Phase des flüssigen
Gases eine Zwei-Phasen-Strömung,
die nur schwer oder kaum genau dosierbar ist, da während einer
vorgegebenen Einspritzzeitdauer je nach Dampf- und Flüssiggehalt
die Masse des Flüssiggases
unterschiedlich ist. Zur Lösung
dieses Problems wird im Stand der Technik vorgesehen, den Systemdruck
deutlich über
den Zwei-Phasen-Gleichgewichtsdruck
zu erhöhen,
wodurch die Dampfblasenbildung verhindert wird und der Kraftstoff
vollständig in der
flüssigen
Phase bleibt. Mit einer Erhöhung
des Systemdrucks ist ein erheblicher technischer Aufwand für die Pumpe
verbunden, da Flüssiggas schlechte
Schmiereigenschaften besitzt. Außerdem muss das Kraftstoffsystem über eine
Rücklaufleitung verfügen, da
bei geringen Kraftstoffdurchsätzen
die durch die Pumpe bewirkte Druckerhöhung nicht ausreicht, um die
erwärmungsbedingte
Neigung zu Dampfblasenbildung zu kompensieren.
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Eine
wichtige Eigenschaft der Flüssiggaseinspritzung
besteht darin, dass die im flüssigen
Zustand eingespritzte Kraftstoffmasse bei ihrer Verdampfung rasch
Wärme aus
der Umgebung aufnehmen kann. Dies verhilft dem Motor, wenn er unter
hoher Last läuft,
zu verbesserter Füllung,
da die durch die Abkühlung
erzielten niedrigeren Ansaugtemperaturen bzw. die erhöhte Gemischdichte,
die je Zyklus angesaugte Gemischmasse vergrößern. Zusätzlich wird durch die Abkühlung der
Abstand zur Klopfgrenze vergrößert. Bei
Teillast hat die geschilderte Eigenschaft den Nachteil, dass infolge
der erhöhten
Gemischdichte und/oder der niedrigeren Ansaugtemperatur stärker gedrosselt
werden muss, was zu Ansaugverlusten führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abhilfe für die vorstehend geschilderten
Probleme zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Demnach
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der zu dosierende Flüssiggasmassenstrom
elektronisch gesteuert in einen gas- bzw. dampfförmigen und einen flüssigen Teilmassenstrom aufgeteilt.
Die für
die Erzeugung des gasförmigen Teilmassenstroms
benötigte
Verdampfungsenthalpie wird dabei dem flüssigen Teilmassenstrom entzogen. Die
damit verbundene Temperaturabsenkung verhindert die Entstehung von
Dampfblasen in der Flüssiggasströmung und
damit auch die vorstehend geschilderten Dosierungsprobleme infolge
einer Zwei-Phasen-Strömung.
Die elektronisch geregelte Aufteilung des Kraftstoffmassenstroms
ermöglicht
weiter bei Teillastbetrieb des Motors einen größeren Prozentsatz (bis zu 100%)
dem Motor gasförmig
zuzuführen und
bei Volllast einen größeren Prozentsatz
in flüssiger
Phase zuzuführen.
Hierdurch werden bei geringer Last die Drosselverluste vermindert
und an der Volllast die Füllung
vergrößert.
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Die
Unteransprüche
2 bis 5 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
gerichtet.
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Der
Anspruch 6 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau eines Kraftstoffversorgungssystems
zur Lösung
der Erfindungsaufgabe.
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Das
System gemäß dem Anspruch
6 wird mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 11 in vorteilhafter
Weise weitergebildet.
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Der
Anspruch 12 ist auf ein Kraftstoffzufuhrsystem für das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem
gerichtet, mit der die Erfindung in kostengünstiger Weise an jedem mit
Flüssiggas
betriebenen Motor applizierbar ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In
den Figuren stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems
und
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2 schematisch
ein Kraftstoffzufuhraggregat.
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Gemäß 1 ist
ein fahrzeugfester, an sich bekannter Flüssiggastank 2 über eine
Flüssiggasleitung 3, 4 mit
Flüssiggaseinspritzventilen 6 verbunden,
die in einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine 8 zugeordneten
Saugrohren angeordnet sind. Die Flüssiggasleitung 3, 4 führt durch
einen Kühlungswärmetauscher 10 hindurch.
Dem Kühlungswärmetauscher 10 ist
eine Expansionseinrichtung 12 zugeordnet, die über eine
strömungsabwärts des Kühlungswärmetauschers
von der Flüssiggasleitung 4 abzweigende
Zweigleitung 14 mit der Flüssiggasleitung 4 verbunden
ist. Vom Kühlungswärmetauscher
führt eine
Dampfleitung 16 durch einen Heizungswärmetauscher 18 hindurch
in einen Pufferbehälter 20 und
von dort zu einer Dampfzufuhreinrichtung 22, die strömungsoberhalb einer
Drosselklappe 24 in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 8 führt.
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Der
Heizungswärmetauscher 18 ist über eine
Zulaufleitung 26 und eine Ablaufleitung 28 mit dem
Kühlsystem
der Brennkraftmaschine 8 verbunden.
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Das
im Flüssiggastank 2 befindliche,
den Kraftstoff für
die Brennkraftmaschine 8 bildende Flüssiggas ist mittels einer Temperiereinrichtung 30 temperierbar,
insbesondere aufheizbar, um einen erforderlichen Systemdruck in
der Flüssiggasleitung 4 zu gewährleisten.
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Zur
Steuerung der Temperiereinrichtung 30, der Expansionseinrichtung 12,
der Flüssiggaseinspritzventile 6 und/oder
der Dampfzufuhreinrichtung 22 ist ein in an sich bekannter
Weise einen Mikroprozessor mit zugehöriger Programm- und Datenspeichereinrichtung
enthaltendes elektronisches Steuergerät 32 vorgesehen, dem
als Eingangsgrößen von entsprechenden,
nicht dargestellten Sensoren der Druck und die Temperatur des Dampfes
in dem Pufferbehälter 20,
der Druck und die Temperatur im Saugrohr der Brennkraftmaschine 8 stromabwärts der
Drosselklappe 24, der Druck und die Temperatur des in der
Flüssiggasleitung 4 befindlichen
Flüssiggases,
bevorzugt möglichst
nahe vor dem Saugrohr der Brennkraftmaschine 8 gemessen,
zugeführt
werden. Es versteht sich, dass dem Steuergerät 32 weitere Größen, wie
die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Kühlwassertemperatur usw. zugeführt werden können. Anhand
der Eingangsgrößen werden
im Steuergerät 32 Größen errechnet,
die die Leistung bestimmen, die der Temperiereinrichtung 30 zugeführt wird,
die Funktion der Expansionseinrichtung 12 und/oder der
Dampfzufuhreinrichtung 22, sowie die Einspritzzeitdauern
und vorteilhafterweise deren Phase relativ zur Stellung der Kolben
der Flüssiggaseinspritzventile 6.
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Die
Funktion des beschriebenen Systems ist folgende:
Durch die
Temperierung des Flüssiggases
im Tank 2 mittels der Temperiereinrichtung 30 ist
sichergestellt, dass in der Flüssiggasleitung 4 jeweils
ein vorbestimmter Systemdruck verfügbar ist. Die von der Flüssiggasströmung in
der Leitung 4 durch die Zweigleitung 14 hindurch
abgezweigte Flüssiggasströmung verdampft
nach Durchströmen
der Expansionseinrichtung 12, wobei die notwendige Verdampfungsenthalpie
der durch die Flüssiggasleitung 4 strömenden Flüssiggasströmung entzogen
wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass zu den Flüssiggaseinspritzventilen 6 nur
oder zumindest im Wesentlichen nur flüssiger Kraftstoff gelangt.
Dadurch, dass die Zweigleitung 14 stromabwärts des
Kühlungswärmetauschers 10 von
der Leitung 4 abzweigt, ist sichergestellt, dass der Expansionseinrichtung 12 im Wesentlichen
nur flüssiges
Gas zugeführt
wird, werden für
die Expansionseinrichtung wohl definierte Betriebsbedingungen erzielt.
Der expandierte Flüssigdampf,
der den Kühlungswärmetauscher 10 durch die
Dampfleitung 16 hindurch verlässt, wird im Heizungswärmetauscher 18 weiter
erwärmt,
so dass sichergestellt ist, dass sich in einem Pufferbehälter 20 auch
bei erneuter Druckzunahme nur dampfförmiger Kraftstoff befindet.
Dieser dampfförmige
Kraftstoff wird durch die Dampfzufuhreinrichtung 22 hindurch der
Brennkraftmaschine zugeführt.
Die Gesamtmasse des der Brennkraftmaschine 8 zugeführten Kraftstoffs,
die von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Stellung der
Drosselklappe 24 abhängt,
wird je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine durch entsprechende
Ansteuerung der Flüssiggaseinspritzventile 6 und
der Expansionseinrichtung 12 sowie ggf. der Dampfzufuhreinrichtung 22 in
flüssiger
oder dampfförmiger
Form zugeführt,
wobei mit zunehmender Last der Anteil des flüssig zugeführten Kraftstoffes zunimmt.
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Die
Steuerung des der Brennkraftmaschine 8 zugeführten verdampften
Flüssiggases
erfolgt bevorzugt in zwei Ausführungen:
Bei
der ersten Ausführung
ist die Expansionseinrichtung 12 durch ein von dem Steuergerät 32 angesteuertes
Taktventil gebildet, das derart angesteuert wird, dass sich im Pufferbehälter 20 ein
von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängiger Gasdruck
einstellt. Die Dampfzufuhreinrichtung 22 ist in diesem
Fall ein Zumischventil mit konstanter Öffnung, so dass die Menge des
in die Brennkraftmaschine gelangenden Gases in hohem Maße durch den
Druck im Pufferbehälter 20 gegeben
ist.
Bei der zweiten Ausführungsform
ist die Expansionseinrichtung 12 durch ein Druckregelventil
gegeben, beispielsweise ein einfaches Membranventil, so dass sich
im Pufferbehälter 20 ein
konstanter Dampf- bzw. Gasdruck einstellt. Die Dosierung des der Brennkraftmaschine
zugeführten
Gases erfolgt über die
Dampfzufuhreinrichtung 22, die als ein elektrisch steuerbares
Ventil ausgebildet ist, dessen effektiver Durchströmquerschnitt
vom Steuergerät 32 gesteuert
wird.
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Es
versteht sich, dass auch kombinierte Steuerungen verwendet werden
können,
bei denen sowohl der Druck im Pufferbehälter über die vom Steuergerät 32 gesteuerte
Expansionseinrichtung (getaktet oder proportional steuerbares Ventil)
veränderbar
ist, als auch der effektive Durchströmquerschnitt der Dampfzufuhreinrichtung 22 vom
Steuergerät 32 her
veränderbar
ist. Beispielsweise kann die Expansionseinrichtung 12 als
eine elektrisch steuerbare Druckregeleinrichtung ausgebildet sein.
Die Dampfzufuhreinrichtung 22 kann als Dosierventil mit veränderbarem
Querschnitt oder konstantem Querschnitt, der getaktet geöffnet und
geschlossen wird, ausgebildet sein.
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Das
beschriebene System kann in unterschiedlichster Weise abgeändert werden.
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Der
Druck in der Flüssiggasleitung 3 muss mittels
der Temperiereinrichtung 30 nicht zwingend auf einen vorbestimmten
Druck geregelt werden. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass der Druck
in der Leitung 3 mindestens so hoch ist, wie für die einwandfreie
Funktion der nachgeschalteten Bauelemente erforderlich, beispielsweise
wie es für
den Mindestvordruck eines Taktventils erforderlich ist, wenn die
Expansionseinrichtung 12 als Taktventil ausgebildet ist
oder für
den Fall, dass die Expansionseinrichtung nicht elektrisch angesteuert
wird, es für
einen ausreichenden Druck im Pufferbehälter 20 erforderlich
ist. Es versteht sich, dass auch die Flüssiggaseinspritzventile 6 einen
vorbestimmten Mindestdruck erfordern.
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Der
Heizungswärmetauscher 18 kann
im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 8 zusätzlich elektrisch
beheizt werden. Weiter kann im Heizungswärmetauscher 18 zusätzlich zur
Energie des Kühlwassers
die des Abgases zum Aufheizen des Flüssiggasdampfes verwendet werden.
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Der
Pufferbehälter 20 ist
nicht zwingend erforderlich. Er hat jedoch den Vorteil, dass jeweils ein ausreichendes
Volumen an Flüssiggasdampf
verfügbar
ist und sich der Druck des Dampfes nicht bei jeder kurzzeitigen Änderung
des Durchströmquerschnitts
der Expansionseinrichtung 12 oder der Dampfeinblaseinrichtung 22 sprungartig ändert.
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Die
Zweigleitung 14 kann strömungsoberhalb des Kühlungswärmetauschers 10 von
der Flüssiggasleitung 4 abzweigen.
Die Flüssiggaseinspritzventile 6 müssen nicht
zwangsläufig
jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 8 einzeln zugeordnet
sein. Umgekehrt können
jedem Zylinder zugeordnete Dampfzufuhreinrichtungen 22 vorgesehen
sein. Die Dampfzufuhreinrichtung kann bei entsprechender Ansteuerung
der Dampfzufuhreinrichtung 22 strömungsabwärts der Drosselklappe 24 vorgesehen sein.
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Es
versteht sich, dass das beschriebene System auch für Brennkraftmaschinen
geeignet ist, deren Laststeuerung ohne eine Drosselklappe 24 oder
ein ähnliches
Drosselventil erfolgt.
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Die
beschriebenen Bauteile sind vorteilhafterweise innerhalb eines Gehäuses zu
einem kompakten Aggregat zusammengefasst, wie es beispielsweise
in 2 dargestellt ist. Ein Gehäuse 40 weist Anschlüsse 42, 44, 46, 48 und 50 zum
Anschluss der Flüssiggaszuleitung 3,
der Flüssiggasableitung 4,
der Dampfleitung 16, der Zulaufleitung 26 für Kühlwasser
und der Ablaufleitung 28 für Kühlwasser auf. Innerhalb des
Gehäuses 40 sind
der Kühlungswärmetauscher 10 und
der Heizungswärmetauscher 18 angeordnet.
Oberhalb des Kühlungswärmetauschers 10 weist
das Gehäuse 40 einen
Sitz 52 zum Einsetzen der Expansionseinrichtung 12 auf, beispielsweise
eines Expansionsventils, dessen Auslassdüse 54 in seinem eingebauten
Zustand in einen Kanal 56 des Kühlungswärmetauschers 10 einragt. Das
verdampfte bzw. gasförmige
Flüssiggas
durchströmt
den Kühlungswärmetauscher 10 und
anschließend
den Heizungswärmetauscher 18 und
verlässt
das Aggregat durch den Anschluss 46. Das dem Anschluss 42 zugeführte Flüssiggas
durchströmt
den Kühlungswärmetauscher 10 im
Gegenstrom und verlässt
das Aggregat durch den Anschluss 44. Das in den Sitz 52 eingesetzte
Expansionsventil 12 wird von dem gekühlten Flüssiggas nach dessen Durchströmung durch
den Kühlungswärmetauscher 10 durch eine
im Sitz ausgebildete und mit einer entsprechenden seitlichen Öffnung des
Expansionsventils 12 fluchtende Öffnung hindurch mit gekühltem Flüssiggas
gespeist. Mit 58 ist ein elektrischer Anschluss des Expansionsventils 12 bezeichnet,
der mit dem Steuergerät 32 verbindbar
ist.
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Das
Gehäuse 40 ist
vorteilhafterweise zweiteilig aufgebaut und besteht in seinem oberen
Teil mit den Anschlüssen 42 und 44 aus
schlecht wärmeleitendem
Material, beispielsweise Kunststoff, und in seinem unteren, die
Wärmetauscher
enthaltenden Teil aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise
Al.
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Das
in 2 dargestellte Aggregat, das ein Kraftstoffversorgungsmodul
bildet, enthält
vorteilhafterweise nicht dargestellte Sensoren sowie ggf. Aktoren
zum Erfassen der jeweiligen Betriebsparameter und zum Verstellen
steuerbarer Größen, beispielsweise
die Öffnung
des Expansionsventils 12.
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Es
versteht sich, dass auch der Pufferbehälter 20 und die Dampfzufuhreinrichtung 22 in
das Aggregat bzw. Gehäuse 40 integriert
sein kann.
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- 2
- Flüssiggastank
- 3
- Flüssiggasleitung
- 4
- Flüssiggasleitung
- 6
- Flüssiggaseinspritzventil
- 8
- Brennkraftmaschine
- 10
- Kühlungswärmetauscher
- 12
- Expansionseinrichtung
- 14
- Zweigleitung
- 16
- Dampfleitung
- 18
- Heizungswärmetauscher
- 20
- Pufferbehälter
- 22
- Dampfzufuhreinrichtung
- 24
- Drosselklappe
- 26
- Zulaufleitung
- 28
- Ablaufleitung
- 30
- Temperiereinrichtung
- 32
- Steuergerät
- 40
- Gehäuse
- 42
- Anschluss
- 44
- Anschluss
- 46
- Anschluss
- 48
- Anschluss
- 50
- Anschluss
- 52
- Sitz
- 54
- Auslassdüse
- 56
- Kanal
- 58
- Anschluss