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Stand der Technik
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Die
Immissionsgrenzwerte für Stickoxide erfordern vor allem
bei schweren Kraftfahrzeugen Abgasnachbehandlungseinrichtungen,
die eine selektive katalytische Reduktion (SCR) der in den Rohemissionen
der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide vornehmen. Dieses
sogenannte SCR-Verfahren zur Abgasreinigung ist aus dem Stand der
Technik bekannt, so dass auf eine detaillierte Erläuterung
der bei diesem Verfahren ablaufenden chemischen Vorgänge
verzichtet werden kann.
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Ein
Beispiel einer solchen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist aus der
DE 10 2006 012 855
A1 bekannt. Dort wird eine wässerige Harnstofflösung
in einem Tank gespeichert und von einer Dosierpumpe und mit Hilfe
eines Dosierventils bedarfsabhängig in ein Abgasrohr der
Brennkraftmaschine eingedüst.
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Die
heute üblichen flüssigen Reduktionsmittel gefrieren
je nach zugesetzten Schutzmitteln bei Temperaturen zwischen –11°C
und –40°C. Da auch bei tiefen Temperaturen die
Schadstoffe verringert werden müssen, muss das Reduktionsmittel
zunächst aufgetaut werden. Bei PKWs wird zu diesem Zweck
eine elektrische Heizung im Tank des Dosiersystems eingesetzt.
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Da
das SCR-System aufgrund der gesetzlichen Vorgaben selbst bei tiefen
Temperaturen innerhalb einer vorgegebenen Zeit betriebsbereit sein muss,
ist eine Heizung, mit der das Auftauen des gefrorenen Reduktionsmittels
rasch erreicht wird, unverzichtbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Da
jedoch die Bordelektrik nur eine begrenzte elektrische Leistung
zur Verfügung stellen kann, ist ein ein effizientes Auftauen
des im Tank befindlichen Reduktionsmittels besonders wichtig, Gleichzeitig soll
das Ansaugen von Luft in das Dosiersystem zuverlässig verhindert
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dosiersystem
für ein flüssiges Medium, insbesondere einem flüssigen
Reduktionsmittel, wie zum Beispiel einer wässrigen Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL),
mit einem Tank, mit einer Dosierpumpe und mit einem Dosierventil,
wobei die Dosierpumpe und das Dosierventil durch eine erste Leitung
miteinander verbunden sind, wobei der Tank und die Dosierpumpe durch
eine zweite Leitung miteinander verbunden sind, wobei der Tank einen
Heiztopf mit einer elektrischen Heizung umfasst, wobei die zweite
Leitung an ihrem tankseitigen Ende eine erste Sauglanze und eine
zweite Sauglanze aufweist, wobei die erste Sauglanze außerhalb
des Heiztopfs in den Tank mündet und wobei die zweite Sauglanze
in den Heiztopf mündet, dadurch gelöst, dass die
erste Lanze durch den Heiztopf hindurchgeführt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Verlegung/Führung
der Sauglanze durch den Heiztopf hindurch, wird sichergestellt,
dass das in der ersten Sauglanze befindliche gefrorene Reduktionsmittel auftaut.
Des Weiteren ergibt sich daraus eine Vereinfachung von Herstellung
und Montage, da es erfindungsgemäß möglich
ist, die erste Sauglanze und die zweite Sauglanze aus einem extrudierten Schlauch
oder Rohr mit zwei parallel zueinander verlaufenden Kanälen
kostengünstig und einfach herzustellen. Dieses extrudierte
Rohmaterial mit zwei parallelen Kanälen wird an unterschiedlichen
Stellen abgelängt, so dass der Kanal, welcher die erste
Sauglanze bildet, länger ist und durch den Heiztopf hindurch
in den Tank geführt werden kann. Der Kanal, welcher die
zweite Sauglanze bildet, wird entsprechend kürzer bemessen,
so dass die Saugöffnung der zweiten Sauglanze in den Heiztopf
mündet.
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Durch
diese Anordnung ist einerseits sichergestellt, dass im Heiztopf
Reduktionsmittel aufgetaut und verflüssigt wird und auch
die erste und die zweite Sauglanze zuverlässig aufgetaut
werden. Dadurch, dass die erste Sauglanze aber wieder aus dem Heiztopf
hinausgeführt wird, ist die Saugöffnung der ersten
Sauglanze noch erheblich länger von gefrorenem Reduktionsmittel
verschlossen, so dass zunächst ausschließlich
das aufgetaute Reduktionsmittel im Heiztopf durch die zweite Sauglanze
angesaugt und zum Dosierventil gefördert wird.
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Durch
eine geeignete Abstimmung der Längen von erster Sauglanze
und zweiter Sauglanze und einer geeigneten Positionierung der Saugöffnung
der ersten Sauglanze im Tank außerhalb des Heiztopfs ist
es möglich, die Verzögerungszeit zwischen dem Auftauen
des im Heiztopf befindlichen Reduktionsmittels und dem Auftauen
des an der Saugöffnung der ersten Sauglanze befindlichen
Reduktionsmittels in weiten Grenzen dem Anwendungsfall entsprechend
zu gestalten.
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Wenn
nämlich die erste Sauglanze zu früh aufgetaut
und damit aktiviert wird, kann der Fall eintreten, dass die im Tank
nicht ausreichend verflüssigtes Reduktionsmittel vorhanden
ist und die erste Sauglanze Luft ansaugt,. Dadurch wird das Dosiersystem
in seiner Funktion zumindest beeinträchtigt wird.
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Da
bei modernen PKWs in aller Regel der Bauraum sehr knapp ist, ist
es erforderlich, den Tank und die darin befindlichen Einbauten,
wie Heiztopf, Sauglanzen und elektrische Heizung, möglichst
kompakt auszubilden. Gleichzeitig soll natürlich die sichere
Funktion des Dosiersystems unter allen Umständen und auch
bei tiefsten Außentemperaturen gewährleistet sein.
Aus diesem Grund ist in weiterer erfindungsgemäßer
Ausgestaltung des Dosiersystems unterhalb des Heiztopfs ein zusätzlicher
Saugtopf vorgesehen, wobei die erste Sauglanze in den Saugtopf mündet.
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Durch
diesen zusätzlichen Saugtopf kann das Volumen des gefrorenen
Reduktionsmittels, welches sich in unmittelbarer Nähe der
Saugöffnung der ersten Sauglanze befindet, eindeutig festgelegt
werden. Dadurch ist es möglich, gezielt in drei Schritten zuerst
das im Heiztopf befindliche Reduktionsmittel und die Sauglanzen
aufzutauen, in einem zweiten Schritt den im Saugtopf befindlichen
Teil der ersten Sauglanze und die im Saugtopf befindliche Reduktionsmittel
aufzutauen: Anschließend wird in einem dritten Schritt
das im übrigen Tank befindliche Reduktionsmittel aufgetaut.
Durch diese dreistufige Vorgehensweise wird einerseits ein effizientes
Auftauen erreicht und andererseits sichergestellt, dass die Verzögerung
zwischen dem Auftauen der Aktivierung von zweiter Sauglanze und
erster Sauglanze ausreichend groß ist.
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Durch
die erfindungsgemäße thermische Entkopplung zwischen
Heiztopf und Saugtopf steht ein weiterer Parameter zur Steuerung
der Verzögerung zwischen dem Aktivieren von zweiter Sauglanze und
erster Sauglanze zur Verfügung. Diese thermische Entkopplung
kann naturgemäß durch die Wahl eines geeigneten
Behältermaterials sowohl für den Heiztopf als
auch für den Saugtopf getroffen werden. Beispielsweise
kann dies ein schlecht wärmeleitender Kunststoff sein.
Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn Heiztopf und Saugtopf
aus einem Stück hergestellt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit zur thermischen Entkopplung
von Heiztopf und Saugtopf besteht darin, eine Zulauföffnung
im Saugtopf vorzusehen, die in Einbaulage des Tanks in einem Fahrzeug beabstandet
zum in vertikaler Richtung höchsten Punkt des Saugtopfvolumens
angeordnet ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung
der Zulauföffnung ermöglicht es, ein Luftpolster
am oberen Ende des Saugtopfs auszubilden, welche zur Wärmedämmung dient.
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Dazu
nützt man den häufig durchgeführten Entlüftungsvorgang
des Dosiersystems nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine aus.
Dazu wird die Förderrichtung der Dosierpumpe umgekehrt
und das Dosierventil geöffnet, so dass aus dem Abgasrohr der
Brennkraftmaschine Luft beziehungsweise Abgase angesaugt und durch
die erste Leitung und die zweite Leitung in die Sauglanzen gefördert
werden. Dieses Abgas verdrängt bei der erfindungsgemäßen Anordnung
der Zulauföffnung das oberhalb der Zulauföffnung
befindliche Reduktionsmittel und bildet dadurch ein Luftpolster.
Dieses Luftpolster dient einerseits als elastisches Element, welches
beim Gefrieren des Reduktionsmittels nachgibt und dadurch das Bersten
des Saugtopfs verhindern hilft. Des Weiteren dient dieses Gaspolster
als Wärmedämmung zwischen dem Heiztopf und dem
im Saugtopf befindlichen gefrorenen Reduktionsmittel. in weiterer
vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Dosiersystems mündet die Saugleitung in einem Filtergehäuse
mit einer Filterzulauföffnung, wobei im Filtergehäuse
und/oder in der Filterzulauföffnung ein Filterelement vorgesehen
ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine Verunreinigungen
oder noch teilweise gefrorenen Partikel von Reduktionsmittel in
die erste Saugleitung gesaugt werden und diese Saugleitung möglicherweise
verstopfen. Weil die Heizung im Heiztopf angeordnet ist, wird dies dazu
führen, dass das im Heiztopf befindliche Reduktionsmittel
rasch und mit hoher Heizleistung aufgeheizt wird und nach dem das
im Heiztopf befindliche Reduktionsmittel aufgetaut wurde, die Heizleistung reduziert
wird. Dadurch verzögert sich das Auftauen des im Saugtopf
befindlichen Reduktionsmittels, so dass die erfindungsgemäße
gewünschte Verzögerungszeit zwischen dem Auftauen
der zweiten Sauglanze und dem Aktivieren der ersten Sauglanze weiter
zunimmt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Heizung kann vorgesehen sein, die Heizung als sogenannte selbstregelnde
oder PTC-Heizung (PTC = positive temperature coefficient) kann vorgesehen
sein, dass die Leistung der Heizung reduziert wird, wenn das Reduktionsmittel
in unmittelbarer Nähe zu der Heizung flüssig ist,
und dass die elektrische Heizung abgeschaltet wird, wenn die Heizung
von Luft umgeben ist.
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Das
von der Dosierpumpe geförderte überschüssige
Reduktionsmittel wird über eine Rücklaufleitung
in den Tank, bevorzugt in den Heiztopf des Tanks, zurückgeführt.
Dadurch ist sichergestellt, dass stets eine ausreichende Menge flüssigen
Reduktionsmittels in dem Heiztopf vorhanden ist und erst wenn der
Heiztopf gefüllt ist, durch einen Überlauf das
noch verfügbare flüssige Reduktionsmittel in den
Tank strömt und dort das vorhandene Reduktionsmittel auftaut.
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Um
zu gewährleisten, dass im normalen Betriebszustand, das
heißt, wenn ausschließlich flüssiges
Reduktionsmittel im Tank und im Saugtopf vorhanden ist, die erste
Sauglanze bevorzugt das Reduktionsmittel ansaugt, welches die Dosierpumpe fördert,
ist ein Drosselelement in der ersten Sauglanze und/oder der zweiten
Sauglanze angeordnet.
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Dadurch
ist es möglich, den Strömungswiderstand der ersten
Sauglanze kleiner als den Strömungswiderstand der zweiten
Sauglanze zu machen, so dass auf einfachste Weise gewährleistet
ist, dass die erste Sauglanze das Reduktionsmittel im Wesentlichen
ansaugt. Aus diesem Grund ist es auch besonders effektiv, an der
ersten Sauglanze, die im Normalbetrieb den Großteil des
Reduktionsmittels ansaugt, einen Filter mit einem Filterelement
vorzusehen.
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Eine
besonders kostengünstige Variante zur Herstellung der erfindungsgemäßen
ersten und zweiten Sauglanze ist es, ein Rohr oder einen Schlauch aus
einem Kunststoff zu extrudieren oder auf sonstige Weise zu formen,
wobei in diesem Schlauch oder Rohr zwei parallel verlaufende Kanäle
vorhanden sind. Diese Kanäle werden an unterschiedlichen Stellen
abgelängt und ergeben dadurch Sauglanzen mit unterschiedlicher
Länge.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es
zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Dosiersystems
und
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2, 3 Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Dosiersysteme.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 stark
vereinfacht und schematisch dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 umfasst
ein Abgasrohr 5, einen Oxidationskatalysator 7 und
einen SCR-Katalysator 11. Nicht dargestellt ist ein Partikelfilter,
der üblicherweise stromabwärts des Oxidationskatalysators 7 angeordnet
wird. Die Strömungsrichtung des Abgases durch das Abgasrohr 5 ist durch
Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
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Um
den SCR-Katalysator 11 mit Reduktionsmittel zu versorgen,
ist stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 am Abgasrohr 5 ein
Dosierventil 13 für das Reduktionsmittel angeordnet.
Das Dosierventil 13 spritzt bei Bedarf Reduktionsmittel
stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 in das Abgasrohr 5 ein.
Bei manchen Anwendungen ist zwischen Dosierventil 13 und
SCR-Katalysator 11 noch ein nicht dargestellter Mischer
vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Dosiersystem umfasst das Dosierventil 13,
eine Dosierpumpe 15 sowie einen Speicherbehälter 17.
Das Dosierventil 13 ist als federbelastetes Ventil schematisch
dargestellt. Zwischen der Dosierpumpe 15 und dem Dosierventil 13 ist
eine erste Leitung 19 vorgesehen. Zwischen dem Tank 17 und
der Dosierpumpe 15 ist eine zweite Leitung 21 vorgesehen.
Der Tank 17 ist in 1 als „black-box” dargestellt.
Details des erfindungsgemäßen Tanks 17 werden
nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert.
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Von
der ersten Leitung 19 zweigt eine Rücklaufleitung 22 mit
einer Drossel 24 ab. Über die Rücklaufleitung 22 wird überschüssiges
Reduktionsmittel in den Tank 17 zurückgeführt.
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Selbstverständlich
könnte die Rücklaufleitung 22 auch vom
Dosierventil 13 oder der Dosierpumpe 15 abzweigen.
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Der
Vollständigkeit halber sei noch auf die in der Abgasanlage
angeordneten Sensoren, nämlich einen NOX-Sensor 25,
sowie Temperatur-Sensoren 23 und 27 hingewiesen.
Diese Sensoren 23, 25 und 27 sind über
Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit einem Steuergerät 29 der
Brennkraftmaschine verbunden. Dieses Steuergerät 29 steuert
die Brennkraftmaschine 1 und unter anderem auch die Dosierpumpe 15.
Die Signalverbindung zwischen dem Steuergerät 29 und
der Dosierpumpe 15 ist in 1 durch
einen gestrichelten Pfeil (ohne Bezugszeichen) dargestellt.
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In 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Tanks 17 geschnitten und schematisiert dargestellt.
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In
dem Tank 17 befinden sich ein Heiztopf 31 und
ein Saugtopf 33. Der Heiztopf 31 und der Saugtopf 33 können
aus einem Stück, beispielsweise aus Kunststoff, hergestellt
werden. Alternativ ist es auch möglich, die beiden Teile
gesondert herzustellen und anschließend miteinander zu
verbinden, beispielsweise durch eine Schnappverbindung oder durch Schweißen.
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Durch
den Heiztopf wird von oben nach unten ein speziell geformter Schlauch
mit zwei Kanälen hindurchgeführt. Dieser Schlauch 35 bildet
eine erste Sauglanze 37 mit einem Kanal und eine zweite
Sauglanze 39 mit dem anderen Kanal. Im linken Teil der 2 ist
ein Schnitt entlang der Linie A-A durch den Schlauch 35 dargestellt.
Durch das Abschneiden der Kanäle, welche die erste Sauglanze 37 und
der zweiten Sauglanze 39 bilden auf unterschiedlicher Höhe ist
es möglich, die Saugöffnungen 41 der
ersten Sauglanze 37 und die Saugöffnung 43 der
zweiten Sauglanze 39 voneinander beabstandet zu machen. Dadurch
ist gewährleistet, dass die Saugöffnung 43 der
zweiten Sauglanze 39 im Heiztopf endet und die Saugöffnung 41 der
ersten Sauglanze 37 in dem Saugtopf 33 mündet.
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Im
unteren Teil des Heiztopfs ist eine elektrische Heizung 45 vorgesehen.
Die elektrischen Anschlüsse dieser Heizung 45 sind
nicht dargestellt. Lediglich angedeutet ist eine elektrische Wicklung 45.1, die
um den Schlauch 35 gewickelt ist und dadurch zuverlässig
das Auftauen der Sauglanzen 37 und 39 über
die gesamte Länge innerhalb des Heiztopfs gewährleistet.
Die Saugöffnung 41 der ersten Sauglanze 37 ist
von einem flexiblen Filtersieb 47 umgeben, so dass keine
Verunreinigungen über die Sauglanze 37 angesaugt
werden können.
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Wie
aus 2 ersichtlich, mündet die Rücklaufleitung 22 in
den Heiztopf 31, so dass das überschüssige
Reduktionsmittel zunächst in den Heiztopf 31 zurückgefördert
wird. Wenn der Heiztopf 31 voll ist, wird das überschüssige
flüssige Reduktionsmittel durch eine Überlauföffnung 47 in
den Tank 17 geleitet.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Tanks 17 dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen
Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich der Figuren
Gesagte entsprechend.
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Wesentliche
Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß 2 und 3 bestehen
darin, dass eine Zulauföffnung 51 des Saugtopfs
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterhalb
eines Deckels 53 des Saugtopfs 33 angeordnet ist.
Der Saugtopf 33 ist in einem Sumpf 50 des Tanks 17 angeordnet.
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Das
obere Ende der Zulauföffnung 51 hat einen Abstand
S zum Deckel 53 des Saugtopfs 33. Dies bedeutet,
dass, wenn bei der Entlüftung des Dosiersystems Abgase
oder Luft aus dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine über
die Leitungen 19 und 21 in die Sauglanzen 31 und 39 geblasen
wird, sich ein Luftpolster an dem Deckel 53 des Saugtopfs
ausbildet. Dieses Luftpolster ist in 3 durch
angedeutete Bläschen dargestellt. Die Dicke dieses Luftpolsters
hängt vom Abstand S ab. Dieses Luftpolster dient einerseits
dazu, ein elastisches Puffervolumen zu bilden, so dass die beim
Erstarren des Reduktionsmittels stattfindende Volumenzunahme nicht
zum Platzen des Saugtopfs 33 führt. Des Weiteren
bildet dieses Luftpolster eine Wärmedämmung und
unterstützt dadurch die thermische Entkopplung zwischen Heiztopf 31 und
Saugtopf 33.
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Ein
weiterer Unterschied ist darin zu sehen, dass bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 die erste Sauglanze 37 in
ein Filtergehäuse 55 mündet. In diesem
Filtergehäuse 55 ist ein Filterelement 47 und
eine Saugöffnung 57 vorgesehen. Der Abstand der
Saugöffnung 41 der ersten Sauglanze 37 und
der Zulauföffnung 57 im Filtergehäuse 55 ist
ein weiterer Parameter mit dessen Hilfe die zeitliche Verzögerung zwischen
der zweiten Sauglanze 39, die im Heiztopf 31 mündet
und der ersten Sauglanze 37, die im Saugtopf 33 mündet,
zu steuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006012855
A1 [0002]