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Stand der Technik
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Zur
Entstickung von Kraftfahrzeugabgasen werden Reduktionsmittel in
den Abgasstrom eingeführt.
Flüssige
Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff in wässriger Lösung, werden in einem Tank gelagert,
der in dem Kraftfahrzeug mitgeführt
wird. Durch Förderung
und Temperaturschwankungen kann in dem Tank ein Über- oder Unterdruck entstehen,
der die Funktion der Entstickungsanlage beeinträchtigt. Daher umfassen solche
Systeme Be- und Entlüftungsventile,
d.h. Druckausgleichsventile, die einen Ausgleich zwischen dem Tankinneren
und der Umgebung herstellen können.
Diese Ventile weisen einen federbelasteten Ventilsitz (Kugel in
Sitz) auf und be- bzw. entlüften
das Tankinnere bei einem eingestellten Öffnungsdruck, d.h. Druckunterschied
zwischen dem Tankinneren und der Umgebung.
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Auf
Grund der möglichen
Ammoniakentwicklung ist eine Be- bzw. Entlüftung in den Fahrgastraum nicht
zulässig,
da Ammoniak zu starker Geruchsbelästigung führt und Schleimhautreizungen
hervorrufen kann. Daher erfolgt die Be- bzw. Entlüftung an Hand
einer Leitung, die vom Tank zur Umgebung führt, wobei die Be- und Entlüftungsventile
irgendwo zwischen Tank und Ende der Belüftungsleitung angebracht sind.
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Die
Be- bzw. Entlüftung
mittels Überdruckventile
führt zu
stoßweisen
und hoch konzentrierten Entlüftungen,
die eine merkliche Geruchsbelästigung,
insbesondere in geschlossenen Gebäuden wie Garagen, erzeugen.
Ferner neigen diese Ventile zur Kristallbildung durch Reduktionsmittel,
das die Ventile teilweise benetzt. Damit geht eine erhöhte Korrosionsgefahr
und ein hoher Wartungsaufwand einher. Zudem können diese Ventile Schaden
nehmen, wenn sie mit Reduktionsmittel benetzt wurden, das auf Grund
niedriger Umgebungstemperaturen einfriert und dadurch das Ventil
verformt. Ferner werden keine Drücke
ausgeglichen, die kleiner als der Öffnungsdruck des Ventils sind,
so dass der Tank immer unter einem Mindestdruck steht. Dieser Mindestdruck
beeinträchtigt
die Funktion des Reduktionsmittelabgabesystems. Durch den unmittelbaren
Gasaustausch bei Aktivierung des Ventils wird in kurzer Zeit eine
hohe Konzentration eines Ammoniak/Luft-Gemisches ausgestoßen, wodurch
die Geruchsbelästigung
intensiviert wird. Zudem kann der stoßweise und unmittelbar ausgeführte Druckausgleich
zu Konzentrationsänderungen
des im Tank befindlichen Reduktionsmittels führen. Durch die schnelle und
stoßweise
Entlüftung
bei Systemen gemäß dem Stand
der Technik tritt die austretende ammoniakhaltige Luft größtenteils
in die Umgebung aus.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Druckausgleichvorrichtung
gleicht auch geringste Druckunterschiede aus und verhindert so über- bzw.
unterdruckbedingte Beeinträchtigungen
des Einspritzsystems. Ferner kann auf ein Überdruckventil verzichtet werden,
wodurch sich eine wesentliche Kostenreduktion ergibt. Bestehende
Entlüftungssysteme
können
einfach durch Austausch des Überdruckventils
umgebaut werden. Es besteht nur eine geringe Einfriergefährdung,
da die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
keine beweglichen Teile umfasst, die im Falle des Einfrierens dauerhaft
verformt werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
Wasser abweisend und bietet daher eine geringere Angriffsfläche für Kristallbildung
und Beschädigung
durch Einfrieren. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung
erlaubt den nahezu drucklosen Betrieb des Tanks, wobei unzulässige Verformungen
des Tanks durch den Innendruck (beispielsweise durch Temperaturschwankungen)
vermieden werden. Es findet kein unmittelbarer und auch kein stoßweiser
Gasaustausch statt, so dass die abgegebene Ammoniakkonzentration
deutlich geringer gegenüber
Systemen gemäß dem Stand
der Technik ist. Da der Druckausgleich langsam stattfindet, kann
die vom Ventil nach außen
führenden
Leitung dazu verwendet werden, einen Teil der abgehenden ammoniakhaltigen
Luft zu halten, die darauf folgend wieder in den Tank hineingezogen wird
und somit nicht in die Umgebung austritt. Die erfindungsgemäße Druckausgleichvorrichtung
erlaubt einen langsamen Druckausgleich, so dass sich bei Entlüftung des
Tanks nur geringe Ammoniakkonzentrationen in der Umgebung bilden.
Daher ist die erfindungsgemäße Druckausgleichvorrichtung
insbesondere für
Fahrzeuge vorteilhaft, die in geschlossenen Räumen abgestellt werden.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 das
Prinzip eines Kraftfahrzeug-Abgasentstickungssystem als Blockschaltbild
sowie das Entlüftungsprinzip
gemäß dem Stand
der Technik.
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2 eine
erste Ausführung
der erfindungsgemäßen Druckausgleichvorrichtung
im Längsschnitt.
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In
der 1 ist mit den Bezugszeichen 14, 16, 18 und 20 ein
Kraftfahrzeug-Abgasentstickungssystem dargestellt, in welchem die
erfindungsgemäße Druckausgleichvorrichtung
Anwendung findet. Ferner zeigt die 1 mit den
Bezugszeichen 10, 12, 22 und 24 das
Prinzipschaltbild einer Druckausgleichvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik.
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Im
Folgenden wird an Hand der 1 das Kraftfahrzeug-Abgasentstickungssystem
erläutert,
in dem die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
Anwendung findet. Zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgasstrom
wird Reduktionsmittel verwendet, das in einem Tank 14 gespeichert
ist. Ein Fördermodul 16 fördert das
in dem Tank vorliegende Reduktionsmittel 14b. Das Reduktionsmittel 14b wird dadurch
in eine Leitung 18 gepumpt, die ein Dosiermodul 20 speist.
Das Dosiermodul 20 versprüht das geförderte Reduktionsmittel 14b in
den Abgasstrom, wie es durch die gestrichelten Linien am Dosiermodul 20 dargestellt
ist.
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In
dem Inneren des Tanks 14 befindet sich im normalen Betrieb
Reduktionsmittel 14b, das üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung ist,
sowie Luft 14a, die den Platz des bereits geförderten
Reduktionsmittels einnimmt. Auf den mit Luft 14a und Reduktionsmittel 14b gefüllten Tank 14 wirken
veränderliche
Umgebungstemperaturen, die beispielsweise von dem Kraftfahrzeug
herrühren
und ferner von der herrschenden Umgebungstemperatur beeinflusst werden.
Die Temperatur des Tankinhalts kann bei Frost unter 0 °C fallen.
Andererseits ergeben sich bei Betrieb des Kraftfahrzeugs hohe Temperaturen,
die nach Abschalten des Verbrennungsmotors unter Umständen relativ
schnell auf die Umgebungstemperatur fallen können. Ferner ergeben sich Temperaturunterschiede
bei einer Fahrt von einer kühlen
Garage ins Freie, wenn dort hohe Temperaturen herrschen. Diese Temperaturänderungen
sowie die Volumenänderungen
durch herausgepumptes Reduktionsmittel erzeugen so einen Druckunterschied
zur Umgebung, der gemäß dem Stand
der Technik mittels Ventile, beispielsweise federbelastete Ventile 10, 12,
ausgeglichen wird. Diese Ventile öffnen ab einem gewissen Druckunterschied
und gleichen bei Aktivierung den Druckunterschied schlagartig aus.
Gleichzeitig werden Druckunterschiede, die kleiner als der Auslösedruck
der Ventile 10, 12 sind, nicht ausgeglichen. Gemäß dem Stand
der Technik werden so über
bidirektionale Ventile 10, 12, die eine Hysterese
und verbleibende Mindestdrücke aufweisen,
Druckunterschiede über
die Entlüftungsleitung 24 mit
der Umgebung 22 ausgeglichen.
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Ausführungsbeispiele
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
im Längsschnitt.
Eine Tankwand 115 begrenzt einen Tankinhalt, der wie oben beschrieben
Druckschwankungen ausgesetzt ist. Die Druckschwankungen werden durch
Volumenströmungen 130 ausgeglichen,
die von der Umgebung 122 in den Tank 114 hinein
oder vom Tank 114 in die Umgebung führen.
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Bei
Erwärmung
des Tankinhalts baut der Tank Druck auf, da das Volumen durch die
Tankwand 115 begrenzt ist, so dass ein entsprechendes Luftvolumen
durch die Leitung 124 in die Umgebung abgegeben werden
kann. Fällt
die Temperatur des Tankinhalts 114 und somit der Druck,
kann in gleicher Weise Luft aus der Umgebung 122 über die
Leitung 124 in den Tank 114 hinein gesogen werden.
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Um
Korrosion, Geruchsbelästigungen
und Konzentrationsänderungen
des Reduktionsmittels im Tank 114 zu vermeiden, wird die
erfindungsgemäße Druckausgleichvorrichtung
vorgesehen, die den Druck über
eine Drossel 110 ausgleicht. Durch Verwendung einer Drossel 110 wird
der Mindestdruck umgangen, der bei der Verwendung eines Ventils nicht
ausgeglichen wird. Vielmehr findet über die Drossel 110 ein
vollständiger
Druckausgleich statt, ohne jedoch das Tankinnere direkt mit der
Umgebung 122 zu verbinden.
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Bei
einer Entlüftung
begrenzt die Drossel 110 den Durchfluss des ammoniakhaltigen
Luftgemischs 14a, das im Inneren des Tanks 114 vorliegt,
wodurch die Ammoniakkonzentration in der Außenluft stark beschränkt wird.
Ferner führt
der langsame und kontinuierliche Druckausgleich dazu, dass ein Großteil des
Ammoniak/Luft-Gemisches oder eines anderen Gasgemisches, dass bei
Lagerung von Reduktionsmittel zur Abgasentstickung in einem Tank
entsteht, in der Leitung 124 in dem Abschnitt 132 verbleibt,
der zwischen der Drossel 110 und der Umgebung 122 angeordnet
ist. Eine schnelle, schlagartige Entlüftung würde hingegen durch Wirbelbildung
zu einer starken stoßartigen
Kontamination der Außenluft 122 führen, selbst
wenn das gleiche Volumen ausgeglichen wird.
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Die
Drossel 110 umfasst vorzugsweise einen Ventilationseinsatz,
der möglichst
tanknah in die Leitung 124 einzusetzen ist. Somit verbleibt
die über
den Ventilationseinsatz entweichende ammoniakhaltige Luft 14a zunächst in
dieser Leitung 124 und kann gegebenenfalls abhängig von
Betriebsbedingungen wieder in den Tank 114 zurückgesaugt
werden, bei spielsweise bei Abkühlung
des Tanks 114, ohne überhaupt
in die Umgebung 122 entwichen zu sein. Zudem ergibt sich
ein Rücksaugungseffekt,
wenn weiteres Reduktionsmittel gefördert wird.
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Somit
ist die Geruchsbelastung, vor allem in geschlossenen Räumen – beispielsweise
in einer Garage, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist – sehr gering,
da das ammoniakhaltige Luftvolumen in der Ent- bzw. Belüftungsleitung 124,
d.h. in der Leitung, die den Druck ausgleicht, stets von der einen
auf die andere Seite des Ventilationseinsatzes bzw. der Drossel 110 wechselt
und somit nicht in die Umgebung 122 abgegeben wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung
wird die Drossel durch einen Ventilationseinsatz 110 vorgesehen,
der in die zum Druckausgleich vorgesehene Leitung 124 eingefügt wird.
Alternativ kann der Einsatz in eine entsprechende Halterung eingebracht
werden, die wiederum mit der Leitung 124 verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausführung
hat der Ventilationseinsatz die Form einer Tablette, beispielsweise mit
einer Höhe
von 10 mm und einem Durchmesser von 10 mm und ist auf Grund seiner
hohen Porosität in
geringem Maße
gasdurchlässig,
wobei die geringe Gasdurchlässigkeit,
d.h. die geringe Durchflussrate hauptsächlich durch Stömungswiderstände und durch
geringe Leitungsquerschnitte und/oder durch Diffusionseffekte hervorgerufen
wird. Dadurch wird der sich aufbauende Über- oder Unterdruck allmählich und
nicht schlagartig abgebaut. Vorzugsweise wird die Gasdurchlässigkeit
des Ventilationseinsatzes dadurch vorgesehen, dass poröse Materialien verwendet
werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird gesinterter Kunststoff
verwendet, beispielsweise ein Polyamid oder Polyethen. Weitere alternative Kunststoffe
sind Polypropen, Polybutadien, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyacrylnitril,
Polytetrafluorethen sowie Polyacrylate und Polyurethane. Jeder Kunststoff
ist geeignet, der sich zu mehr oder weniger feinen oder groben Pulvern
verarbeiten lässt
und durch Sintern einen Porenraum bildet, der den Volumenfluss durch
den Stoff hindurch stark begrenzt, jedoch nicht unterbindet. Die
Gasdurchlässigkeit
kann bei Sinterung solcher Kunststoffpulver durch die folgenden
Parameter bestimmt werden: Pulverkornstärke, Pressdruck, Sintertemperatur
und Sinterzeit. Neben Kunststoffen sind auch andere poröse Werkstoffe
als Sinterwerkstoffe verwendbar, beispielsweise Metallpulver. Ferner
ist der Einsatz von porösen
Keramikmaterialen als Drossel bzw. Ventilationseinsatz möglich.
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Vorzugsweise
wird durch die entsprechende Sinterung ein Ventilationseinsatz vorgesehen,
der die Durchflussrate wesentlich begrenzt und so den direkten Zugang
zur Umgebung unterbindet, die andernfalls zu starken Geruchsbelästigungen
durch das Ammoniak/Luft- Gemisch
im Tank 114 führen
würde. Gleichzeitig
soll die Durchflussrate derart sein, dass der Durchfluss im Wesentlichen
oder zu einem wesentlichen Anteil der Volumenänderung durch Temperaturänderung
und/oder durch Fördern
des Tankinhalts entspricht.
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In
einer beispielhaften Ausführung
sieht der Ventilationseinsatz bei einem Druckunterschied von ca.
0,1 hPa eine Durchflussrate von 50 ml/min vor, so dass ein entsprechender
Volumenunterschied von 300 ml innerhalb von ca. 6 Minuten ausgeglichen
ist. Ein Volumenunterschied in dieser Größenordnung entsteht beispielsweise,
wenn 10 l des Tanks 114 mit Ammoniak/Luft-Gemisch gefüllt sind
und die Temperatur des Gasgemisches von 50 °C auf 40 °C fällt. Ist der Tank 114 fast
vollständig
mit Reduktionsmittel, d.h. einer wässrigen Lösung gefüllt, so führt eine Temperaturänderung
nur zu geringen Volumenänderungen.
Der wesentliche Anteil der Volumenänderung ist durch das Gasvolumen
gegeben, so dass bei nahezu leerem Tank 114, d.h. einer
nahezu vollständigen
Füllung
mit Gasgemisch, der stärkste
Volumenausgleich stattfindet. Vorzugsweise wird die Verbindung zwischen
Tank 114 und Leitung 124 an einer der obersten
Stellen des Tanks 114 vorgesehen, so dass auch bei vollem
Tank 114 vermieden wird, dass das Reduktionsmittel durch
die Leitung 124 tritt. Die Durchflussrate durch die Drossel 110 hängt negativ exponentiell
von dem Druckunterschied ab, so dass immer ein theoretischer Druckunterschied
nach endlicher Austauschzeit bleibt, wobei jedoch dieser Druckunterschied
im Vergleich zum Stand der Technik vernachlässigbar ist und zu keiner Beeinträchtigung
des Entstickungssystems führt.
Ferner kann die Drossel 110 derart bemessen sein, dass
auch bei einem maximal zu erwartenden Temperaturabfall nur so wenig
Ammoniak/Luft-Gemisch aus der Leitung 124 tritt, so dass
nur eine geringe oder kaum merkliche Geruchsbelästigung auftritt. Mit anderen
Worten kann die Drossel auch derart dimensioniert sein, dass ein
gewisser, stetig abnehmender Druckunterschied für eine gewisse Zeit in Kauf
genommen wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung
der Erfindung weist das Material der Drossel 110 flüssigkeitsabweisende
Eigenschaften auf. Wenn, wie oben beschrieben, als Drossel 110 ein Ventilationsansatz
aus porösem
Kunststoff, beispielsweise gesintertem Kunststoff, verwendet wird, dann
weist die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Vereisung und Frost auf.
Gleichzeitig wird in diesem Fall die erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung
weniger durch Kristallbildung verschmutzt und weist so auch nach
längerem
Betrieb eine höhere
Dichtigkeit auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Drossel 110 tanknah
ausgeführt,
und die in die Umgebung 122 führende Leitung 124 umschließt in einem
Abschnitt 132 zwischen der Drossel 110 und der
Umgebung 122 ein Volumen, das dem Volumen entspricht, wel ches
beim üblichen
Betrieb zum Druckausgleich durch die Drossel 110 hindurchtreten muss.
Vorteilhafterweise weist die Leitung 124 in diesem Abschnitt
einen größeren Durchmesser
auf, wobei alternativ oder zusätzlich
ein Puffergefäß mit deutlich
größerem Querschnitt
bzw. deutlich größerem Volumen
vorgesehen wird. Beispielsweise kann in dem Abschnitt 132 zwischen
Drossel 110 und Umgebung 122 ein Rohr oder ein
Schlauch verwendet werden, der als Topf dient und eine Volumenmenge aufnehmen
kann, die einer maximal zu erwartenden Volumenänderung entspricht. Die maximal
zu erwartende Volumenänderung
entspricht der größten zu erwartenden
Temperaturänderung,
beispielsweise innerhalb von einer Minute von -10 °C auf +70 °C und betrifft
das gesamte Volumen, das der Tank 114 einnimmt. Beispielsweise
genügt
bei einer solchen Temperaturänderung
und einer Tankgröße von 10
l ein Topf, der ungefähr
ein Drittel des Volumens des Tanks 114 aufweist, d.h. in
diesem Fall ungefähr
3 l. Erwärmt
sich innerhalb dieser kurzen Zeit der Tank 114 über diesen
Temperaturbereich und ist die Drossel 110 so eingerichtet,
dass sie in dieser Zeit nahezu den gesamten Volumenunterschied durchlässt, dann speichert
das Topfvolumen und das Leitungsvolumen das gesamte aus dem Tank
austretende Ammoniak/Luft-Gemisch. Kühlt der Tankinhalt 114 daraufhin wieder
ab, so wird der entsprechende Teil des Volumens wieder in den Tank 114 hineingesogen,
so dass zu keiner Zeit Ammoniak/Luft-Gemisch in die Umgebung 122 dringt.
Weist die Drossel 110 daher eine relativ hohe Durchlässigkeit
auf, so kann dies mittels eines großen Topfs, der als Puffer dient,
aufgefangen werden. Steht andererseits nur wenig Puffervolumen zur
Verfügung,
so wird die Drossel 110 mit einer derart geringen Durchflussrate
bzw. Durchlässigkeit
vorgesehen, dass aufgrund der Umgebungsdurchlüftung die Ammoniak/Luft-Konzentration
in der Umgebung 122 bzw. die Durchflussrate dieses Gasgemisches
unter einer gewissen Grenze bleibt. Vorzugsweise wird der Abschnitt
zwischen Drossel 110 und Umgebung 122 mit einem
Volumen vorgesehen, das nur einem Teil des an Hand des maximalen
Temperaturunterschieds zu erwartenden Differenzvolumens entspricht.
Beispielsweise kann mit 50 % des Tankvolumens und einem durchschnittlichen
Temperaturunterschied gerechnet werden.
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Als
Reduktionsmittel wird eine Harnsstofflösung verwendet, beispielsweise
eine 32,5 %ige Harnstofflösung 14b, über der
sich im Tank 114 durch Reaktion mit Luftbestandteilen ein
Ammoniak/Luft-Gemisch 14a bildet, wenn der Tank 114 nicht vollständig gefüllt ist.
Dieses Gasgemisch kann zu Geruchsbelästigung und Schleimhautreizungen
führen,
wobei durch die vorliegenden Erfindung ein Druckausgleich zwischen
Tank 114 und Umgebung 122 vorgesehen wird, ohne
die Ammoniakkonzentration im Außenraum über eine
bestimmte Grenze steigen zu lassen. Zum Einen wird der Durchfluss
durch eine Drossel 110 verringert, die stetig Differenzvolumina
ausgleicht, und zum Anderen sieht ein Aspekt der Erfindung vor,
das Ausgleichsvolumen nicht direkt in die Umgebung 122 zu führen, sondern
zwischenzupuffern, um bei einem umgekehrten Druckausgleich das gepufferte
Ammoniak/Luft-Gemisch wieder in den Tank 114 zu ziehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich auch für
andere Reduktionsmittel, die Ammoniak/Luft-Gemische im Tank erzeugen,
oder die andere Gasmischungen erzeugen, die schädlich sind.
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Die
erfindungsgemäße Drossel,
die vorzugsweise als gesinterter Kunststoff-Ventilationseinsatz ausgeführt ist,
kann ferner eine Membran umfassen, die die Durchflussrate wesentlich
reduziert. Die Membran kann anstatt des Kunststoff-Ventilationseinsatzes
oder in Kombination mit dem Kunststoff-Ventilationseinsatz verwendet
werden, beispielsweise an einer Oberfläche des Kunststoff-Ventilationseinsatzes, vorzugsweise
zwischen zwei Teilen eines zweiteiligen Kunststoff-Ventilationseinsatzes
oder zwischen zwei Halterungen.