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Diese
Offenbarung ist auf ein Abgassystem für Verbrennungsmotoren gerichtet,
und insbesondere auf ein Kurbelgehäuseventilationssystem für Verbrennungsmotoren.
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Hintergrund
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In
Verbrennungsmotoren, die Diesel- und Benzinmotoren aufweisen, wird
eine Brennstoff-Luft-Mischung in Verbrennungszylindern verbrannt.
Hin und her bewegbare Kolben in den Verbrennungszylindern werden
zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition durch
eine Kurbelwelle unter den Zylindern in einem Kurbelgehäuse bewegt.
Wenn jeder Kolben sich zu seiner oberen Totpunktposition hin bewegt,
komprimiert er die Brennstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer über dem
Kolben. Die komprimierte Mischung verbrennt und expandiert, was
den Kolben nach unten zu seiner unteren Totpunktposition treibt.
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Die
Verbrennung im Zylinder gibt Energie frei und erzeugt Verbrennungsprodukte
und Verbrennungsnebenprodukte, von denen die meisten aus dem Zylinder
in ein Auslasssystem des Motors während der Auslassphase des
Verbrennungszyklus ausgestoßen
werden. Jedoch tritt ein Teil der Verbrennungsprodukte in das Kurbelgehäuse durch
Vorbeiblasen an den Dichtungsringen um die Kolben herum ein, und
wird somit "Vorbeiblasgas" oder einfach "Vorbeiblasprodukt" genannt. Vorbeiblasgase
enthalten Verunreinigungen, die normalerweise in Abgasen zu finden
sind, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid
(CO), NOx, Ruß und unverbrannten oder teilweise
verbrannten Brennstoff. Zusätzlich
können
die Vorbeiblasgase auch Öltröpfchen und Öldampf enthalten,
weil das Kurbelgehäuse
teilweise mit Schmieröl
gefüllt
ist, dass bei hohen Temperaturen durchgemischt wird.
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Wenn
sich die Vorbeiblasgase in dem Kurbelgehäuse ansammeln, müssen sie
entlüftet
werden, um Druck in dem Kurbelgehäuse abzulassen. Einige Systeme
entlüften
die Vorbeiblasgase direkt in die Atmosphäre. Jedoch sind die Verunreinigungen in
den Vorbeiblasgasen schädlich
für die
Umwelt. Daher machen Überlegungspunkte
bezüglich
der Umwelt das direkte Entlüften
in die Atmosphäre
unter den meisten Betriebsbedingungen wenn nicht unter allen zu
einer schlechten Option.
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Normalerweise
sind beatmete Motoren entwickelt worden, die die Kurbelgehäusegase
zurück zum
Einlass des Motors leiten und sie mit der Brennstoff-Luft-Mischung vermischen,
wenn sie in die Brennkammer fließt, wo die Verunreinigungen
meistens während
der Verbrennung verbrannt oder oxidiert werden. Jedoch kann in einem
Motor mit gezwungener Einleitung das Rückleiten von Kurbelgehäusegasen
zur Einlassleitung des Kompressors in einem Superlader oder Turbolader
eine Versetzung des Kompressorrades in relativ kurzer Zeitperiode zur
Folge haben. Daher müssen
Kurbelgehäusegase einer
guten Reinigung unterlaufen, bevor man sie zurück zum Einlass in einen supergeladenen
oder turboaufgeladenen Motor leitet. Auch bei einer guten Reinigung
können
weiterhin gewisse Verunreinigungsgrade immer noch vorhanden sein,
die für
den Superlader oder den Turbolader oder für verschiedene Motorkomponenten
schädlich
sein können.
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Es
sind Systeme für
Motoren mit gezwungener Einleitung bzw. Beatmung entwickelt worden,
die die Kurbelgehäusegase
nach dem Reinigungsprozess in die Atmosphäre leiten und sie nicht zurück in den
Motor zur weiteren Verbrennung und möglicherweise zur Versetzung
des Superladers oder Turboladers oder zu einer sonstigen Einschränkung der
Leistung des Superladers oder des Turboladers einzuleiten. Beispielsweise
lehrt das US-Patent 6 691 687, ausgegeben an Liang u. A. am 17.
Februar 2004 ("Liang") ein System zur
Filterung von Vorbeiblasgasen aus einem Kurbelgehäuse. In
dem System von Liang werden Kurbelgehäusegase mit einem Partikel-
und Tröpfchenfilter
gereinigt. Diese Gase werden parasitär über einen Wärmeaustausch mit einem Teil
des Hauptabgases aus dem Motor aufgeheizt, und auch mit einem elektrischen
Heizungselement. Diese Gase werden weiter mit einem katalytischen
Rußfilter behandelt,
bevor sie in die Atmosphäre
abgegeben werden.
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Während das
System von Liang erfolgreich gereinigte Kurbelgehäusegase
in die Atmosphäre auslässt, ist
dieses System komplex. Beispielsweise weist das System von Liang
mehrere Reinigungsstufen auf, eine zusätzliche Struktur für die parasitäre Aufheizung,
eine zusätzliche
Energiequelle für
das elektrische Heizungselement und einem katalytischen Filter,
der extra für
die Kurbelgehäusegase vorgesehen
ist. Jede dieser Strukturen ist getrennt von dem Hauptabgasespfad
und zusätzlich
dazu vorgesehen.
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Das
offenbarte Steuersystem ist auf Verbesserungen und Vereinfachungen
des Systems gerichtet, das oben dargelegt ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Kurbelgehäuseventilationssystem gerichtet.
Das System kann einen ersten Abgasflusspfad aufweisen, der konfiguriert
ist, um einen Fluss der Hauptabgase aus einer Brennkammer von einem Verbrennungsmotor
zuzulassen, und eine Partikelfalle, die in dem ersten Abgasflusspfad
angeordnet ist. Das System kann auch einen zweiten Abgasflusspfad
aufweisen, der konfiguriert ist, um den Fluss von Kurbelgehäusegasen
aus einem Kurbelgehäuse
des Verbrennungsmotors zu ermöglichen,
und die Kurbelgehäusegase
mit den Hauptabgasen an einem Punkt in dem ersten Abgasflusspfad
zusammenlaufen zu lassen, der stromabwärts der Partikelfalle gelegen
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Kurbelgehäuseventilationssystem
gerichtet, welches einen ersten Abgasflusspfad aufweist, der konfiguriert
ist, um den Fluss der Hauptabgases aus einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors
zuzulassen. Das System kann eine Partikelfalle aufweisen, die in
dem ersten Abgasflusspfad angeordnet ist. Das System kann weiter einen
zweiten Abgasflusspfad aufweisen, der konfiguriert ist, um den Fluss
der Kurbelgehäusegase
aus einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu ermöglichen,
und die Kurbelgehäusegase
mit den Hauptabgasen an einem Punkt in dem ersten Abgasflusspfad
zusammenlaufen zu lassen, der stromabwärts der Partikelfalle gelegen
ist. Das System kann auch einen ersten Katalysator aufweisen, der
konfiguriert ist, um die Kurbelgehäusegase katalytisch zu behandeln,
und einen zweiten Katalysator, der konfiguriert ist, um die Hauptabgase
katalytisch zu behandeln. Zusätzlich
kann der erste Katalysator aufgeheizt sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zur Ventilation eines Kurbelgehäuses
gerichtet. Das Verfahren kann die Entlüftung von Kurbelgehäusegasen
aus einem Kurbelgehäuse
eines Verbrennungsmotors aufweisen, und die Weiterleitung der Kurbelgehäusegase weg
von dem Kurbelgehäuse
in einer ersten Leitung. Abgase von einer oder mehreren Brennkammern
des Verbrennungsmotors können
entlüftet
werden und weg von der möglichen
Vielzahl von Brennkammern in einer zweiten Leitung geleitet werden.
Partikel können
aus den Abgasen mit einer Partikelfalle ausgefiltert werden, und
die Kurbelgehäusegase
können
mit den gefilterten Abgasen an einem Punkt stromabwärts der
Partikelfalle zusammen geleitet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Kurbelgehäuseventilationssystems gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel; und
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Kurbelgehäuseventilationssystems gemäß einem
weiteren beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
wird nun im Detail auf Zeichnungen Bezug genommen. Wo immer es möglich ist,
werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet,
um sich auf die selben oder auf die gleichen Teile zu beziehen.
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1 veranschaulicht
ein beispielhaftes Kurbelgehäuseventilationssystem 10 (CCV-System, CCV
= crankcase ventilation). Das Kurbelgehäuseventilationssystem 10 kann
einen Verbrennungsmotor 12 aufweisen. Der Motor 12 kann
Verbrennungszylinder 14 aufweisen und kann Einlass- und
Auslass Komponenten haben, die daran angebracht sind, wie beispielsweise
einen Lufteinlass 16, eine Einlasssammelleitung 18,
eine Auslasssammelleitung 20, eine Hauptabgasleitung 22 und
eine Kurbelgehäuseventilationsleitung 24.
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Der
Motor 12 kann irgendeine Art eines Verbrennungsmotors sein.
Beispielsweise kann der Motor 12 ein Benzinmotor oder ein
Dieselmotor sein. Weiterhin kann der Motor 12 natürlich beatmet
sein, oder kann eine gezwungene Einleitung aufweisen, wie beispielsweise
eine Turboaufladung oder Superaufladung.
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Das
Kurbelgehäuseventilationssystem 10 kann
eine oder mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen aufweisen, um Emissionen
in dem Abgas vom Motor 12 zu reduzieren. Insbesondere kann
das Kurbelgehäuseventilationssystem 10 eine
Partikelfalle 26 und ein Abgasrückzirkulationssystem 28 (AGR-System) aufweisen,
welches eine Abgasrückzirkulationsleitung 30 und
einen Abgasrückzirkulationskühler 32 aufweisen
kann.
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Die
Partikelfalle 26 kann irgendeine Art eines Abgasfilters
sein, die konfiguriert ist, um Partikelstoffe aus den Abgasen zu
entfernen, wie beispielsweise Ruß und/oder Asche. Beispielsweise
kann die Partikelfalle 26 ein Gitter, eine Abschirmung
usw. sein.
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Die
Partikelfalle 26 kann auch katalytisch sein. Alternativ
kann eine katalyti sche Einheit getrennt von der Partikelfalle 26 vorgesehen
sein, um Gase katalytisch zu behandeln, die durch die Hauptabgasleitung 22 fließen. Der
Katalysator, der für
die katalytische Partikelfalle 26 oder für eine getrennte
katalytische Einheit verwendet wird, kann ein Oxidationskatalysator
sein, wie beispielsweise ein Dieseloxidationskatalysator, der konfiguriert
ist, um Verunreinigungen zu entfernen (d.h. zu oxidieren), wie beispielsweise
Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO). Alternativ
oder zusätzlich
kann ein Reduktionskatalysator vorgesehen sein, um Verunreinigungen
zu entfernen (d.h. zu reduzieren), wie beispielsweise NOx.
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Die
Kurbelgehäuseventilationsleitung 24 kann
konfiguriert sein, um den Fluss der Kurbelgehäusegase, die aus dem Kurbelgehäuse des
Motors 12 entlüftet
wurden (Kurbelgehäuseventilationsgase),
zur Hauptauslassleitung 22 zu leiten, wo die Kurbelgehäuseventilationsgase
mit den Hauptabgasen in der Hauptabgasleitung 22 vermischt
werden. Die Kurbelgehäuseventilationsgase
können
in dem Hauptauslass an einer Stelle stromabwärts der Partikelfalle 26 gelegen
sein. Weil der Druck der Abgase in der Hauptauslassleitung 22 stromabwärts von
der Partikelfalle 26 niedriger sein kann als die Drücke innerhalb
des Kurbelgehäuse
des Motors 12, können die
Kurbelgehäuseventilationsgase
von dem Kurbelgehäuse
zur Hauptauslassleitung 22 ohne Hilfe einer Pumpe fließen.
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Die
Kurbelgehäuseventilationsgase
können katalytisch
behandelt werden, bevor sie in die Atmosphäre entlüftet werden. Beispielsweise
kann das Kurbelgehäuseventilationssystem 10 eine
getrennte katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation aufweisen,
die Kurbelgehäuseventilationsgase
katalytisch behandeln kann, bevor sie in den Hauptabgasfluss in
der Hauptauslassleitung 22 ausgelassen werden. Der Katalysator,
der für
eine katalytische Einheit 34 der Kurbelgehäuseventilation
verwendet wird, kann ein Oxidationskatalysator sein, der konfiguriert
ist, um Verunreinigungen zu entfernen (d.h. zu oxidieren), wie beispielsweise
Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO). Alternativ
oder zusätzlich
kann ein Reduktionskatalysator vorgesehen werden, um Verunreinigungen
zu entfernen (d.h. zu reduzieren), wie beispielsweise NOx. Weiterhin kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
konfiguriert sein, um einen lösbaren
organischen Anteil (SOF = soluble organic fraction) zu entfernen,
der primär
Motoröl
ist.
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Weil
die Kurbelgehäuseventilationsgase
kälter
sein können
als erwünscht,
um die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
auf einer erwünschten
Betriebstemperatur zu halten (beispielsweise mindestens ungefähr 150° C), kann
das Kurbelgehäuseventilationssystem 10 konfiguriert sein,
um eine zusätzliche
Aufheizung der katalytischen Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation vorzusehen.
Beispielsweise kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
parasitär von
der Wärme
der Hauptabgase aufgeheizt werden. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
in einer Hauptabgasleitung 22 aufgenommen sein, wie in 1 gezeigt.
Durch Aufnahme der katalytischen Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation in
der Hauptabgasleitung 22, kann mindestens ein Teil der
Wärme von
den Abgasen in der Hauptabgasleitung 22 zu der katalytischen
Einheit 34 für
die Kurbelgehäuseventilation übertragen
werden. In diesem Ausführungsbeispiel
kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation über einer
erwünschten
Betriebstemperatur gehalten werden, ohne eine externe Heizungsvorrichtung
zu verwenden (beispielsweise ein elektrisches Heizungselement).
In einer ähnlichen
Konfiguration kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation benachbart
zu der Hauptauslassleitung 22 angeordnet sein, so dass
Wärme von
den Hauptabgasen auf die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation übertragen
wird.
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Alternativ
kann die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
entfernt von der Hauptabgasleitung 22 gelegen sein. In
dieser Konfiguration kann die Heizungsvorrichtung 36 vorgesehen
sein, um die katalytische Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
auf einer erwünschten
Betriebstemperatur zu halten. Die Heizungsvorrichtung 36 kann
irgendeine Art einer Heizungsvorrichtung sein, wie beispielsweise
elektrische Heizelemente, Brenner usw. Weiterhin kann die Heizungsvorrichtung 36 integral
mit der katalytischen Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
sein oder nicht.
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An
Stelle oder zusätzlich
zu der Heizungsvorrichtung 36 kann das Kurbelgehäuseventilationssystem 10 eine
Pumpe 40 aufweisen, um die Kurbelgehäuseventilationsgase zu komprimieren.
Komprimierte Kurbelgehäuseventilationsgase
werden ihre Temperatur anheben, und somit zumindest teilweise die
Funktion der Heizungsvorrichtung 36 ausführen. Komprimierte
Kurbelgehäuseventilationsgase
können
in einer Kammer 42 gehalten werden und mit einer gesteuerten
Rate zu der katalytischen Einheit 34 für die Kurbelgehäuseventilation
abgegeben werden.
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Das
Abgasrückzirkulationssystem 28 kann die
Hauptabgase aus der Hauptauslassleitung 22 herausziehen
und sie zurück
zum Lufteinlass 16 leiten, wo sie wieder in die Brennkammern
des Motors 12 eingeleitet werden. Durch erneute Ausführung des Verbrennungsprozesses
können
mehr Verunreinigungen entfernt werden, was somit weiter die Emissionen
reduziert. Entsprechend kann das offenbarte Abgasrückzirkulationssystem
auch als saubere Abgaseinleitung (CEI = clean exhaust induction)
bezeichnet werden.
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Weil
die Abgase typischerweise hohe Temperaturen haben, kann das Abgasrückzirkulationssystem 28 auch
einen Abgasrückzirkulationskühler 32 aufweisen,
um Leistungsverluste aufgrund der geringeren Menge an Sauerstoff
in wärmeren
Gasen zu vermeiden. Der Abgasrückzirkulationskühler 32 kann die
Abgasrückzirkulationsgase
in herkömmlicher Weise
auf eine niedrigere Temperatur abkühlen, und somit auf eine größere Dichte.
Die Gase mit höherer Dichte
haben höhere
Niveaus bzw. Inhalte von allen gasförmigen Komponenten, und somit
mehr Sauerstoff, was die Leistung des Motors 12 steigern
kann.
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Zusätzlich sollten
die Abgasrückzirkulationsgase
vor der Rückzirkulation
so rein wie möglich
sein, um eine Schädigung
des Abgasrückzirkulationskühlers 32 und
von verschiedenen Motorkomponenten zu vermeiden. Daher kann die
Abgasrückzirkulationsleitung 30 Abgase
von einer Stelle stromabwärts der
Partikelfalle 26 und irgendeiner katalytischen Einheit
herausziehen, die nicht integral damit ist. Wenn man dies so tut,
kann die Menge der Partikel, die in den Motor wieder eingeleitet
wird, reduziert werden. Auch kann die Abgasrückzirkulationsleitung 30 Abgase
von einer Stelle stromaufwärts
von dem Punkt herausziehen, wo die Kurbelgehäuseventilationsgase mit den
Hauptabgasen in der Hauptauslassleitung 22 vermischt werden.
Dies kann eine Rückzirkulation von
zusätzlichen
Verunreinigungen von den Kurbelgehäuseventilationsgasen vermeiden.
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2 veranschaulicht
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel,
bei dem sowohl die Hauptabgase als auch die Kurbelgehäuseventilationsgase von
der gleichen katalytischen Einheit katalytisch behandelt werden.
Wie in 2 gezeigt, kann eine katalytische Einheit 38 stromabwärts von
dem Punkt positioniert sein, wo die Kurbelgehäuseventilationsgase mit den
Hauptabgasen zusammen geleitet werden. Die Abgasrückzirkulationsleitung 30 kann
Abgase aus der Hauptabgasleitung 22 stromabwärts der katalytischen
Einheit 38 herausziehen, um sicherzustellen, dass die Abgasrückzirkulationsgase
so rein wie möglich
sind.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Kurbelgehäuseventilationssystem
kann in irgendeiner Art eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden,
um die gesamten Emissionen in die Umgebung zu reduzieren, während es
die nützliche
Lebensdauer des Motors und der Abgassystemkomponenten verlängert. Durch
Einleitung von Kurbelgehäuseventilationsgasen
in die Hauptabgasleitung 22 und nicht in den Lufteinlass 16 oder stromaufwärts der
Partikelfalle 26, kann die nützliche Lebensdauer der Motorkomponenten,
und insbesondere von irgendwelchen Turboladern oder Superladern
verlängert
werden, die ein Teil des Einleitungssystems des Motors sein können. Durch
Einleitung der Kurbelgehäuseventilationsgase
stromaufwärts der
Partikelfalle 26 kann auch die Nutzungslebensdauer der
Partikelfalle 26 verlängert
werden. Wenn die Kurbelgehäu seventilationsgase
stromaufwärts der
Partikelfalle 26 eingeleitet werden würden, könnten anderenfalls mit der
Zeit die Verunreinigungen innerhalb der Kurbelgehäuseventilationsgase,
insbesondere Öldampf
und Öltröpfchen,
die Partikelfalle 26 verstopfen oder sie in anderer Weise
ineffektiv machen.
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Weiterhin
kann durch das Einleiten der Kurbelgehäuseventilationsgase stromabwärts von
der Partikelfalle 26 das Serviceintervall für Asche
der Partikelfalle 26 verlängert werden. Motoröl, insbesondere
für Diesel-Motoren,
kann eine kleine Menge an Asche enthalten, die verwendet wird, um
die Schmierfähigkeit
des Öls
zu verbessern. Diese Asche kann in den Abgasen vorhanden sein. Weil
ein gewisser Teil der Abgase vorbei in das Kurbelgehäuse hineinbläst, können die
Kurbelgehäuseventilationsgase
aus dem Kurbelgehäuse
auch einen Teil dieser Asche enthalten. Jedoch kann diese Asche
in den Kurbelgehäuseventilationsgasen
in nur sehr kleinen Mengen vorhanden sein, die im wesentlichen in einem
herkömmlichen
Emissionstest nicht messbar sind. Wenn jedoch die Kurbelgehäuseventilationsgase
direkt in das Hauptabgas stromaufwärts von der Partikelfalle eingeleitet
werden, kann sich über
viele Betriebsmeilen (beispielsweise 250000 Meilen) diese Asche
auf der Partikelfalle aufbauen. Daher kann durch Leiten der Kurbelgehäuseventilationsgase
zu einem Punkt stromabwärts
der Partikelfalle 26 in dem offenbarten System vermeiden,
zum Aufbau von Asche auf der Partikelfalle 26 beizutragen,
ohne merklich zu den Gesamtemissionen des Motors 12 hinzu
zu kommen. Entsprechend kann die Partikelfalle 26, dadurch
dass man vermeidet, dass sich zusätzliche Asche aufbaut, nicht
so oft gereinigt werden müssen.
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Weil
zusätzlich
die Kurbelgehäuseventilationsgase
zu einem Punkt stromabwärts
der Partikelfalle 26 geleitet werden können, wo der Druck relativ niedrig
ist, ist keine Pumpe erforderlich, um die Gase aus dem Kurbelgehäuse zu der
Hauptauslassleitung 22 zu transportieren. Wenn die Kurbelgehäuseventilationsgase
zu einem Punkt stromaufwärts
eines Partikelfilters geleitet werden, kann eine Pumpe erforderlich
sein, weil der Partikelfilter einen Rückdruck in dem Hauptauslass
erzeugen kann, der höher
sein kann als jener im Kurbelgehäuse.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Kurbelgehäuseventilationssystem vorgenommen
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung
und der praktischen Ausführung
der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden
Ansprüche
und ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.