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Technisches Gebiet
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Diese
Offenbarung betrifft allgemein Luftfiltrationseinrichtungen und
insbesondere Luftfiltrationseinrichtungen zur Verwendung mit einem
Kraftstoffdampfrückführungssystem. Im Einzelnen
betrifft die Offenbarung einen Luftfilter für ein Kraftfahrzeug-Kraftstoffdampfrückführungssystem,
das Strukturen zum allmählichen Abscheiden von unerwünschten
Staub-, Feuchtigkeits- und Rußpartikeln und dergleichen
aus dem Spülluftstrom des Dampfrückführungssystems
umfasst.
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Hintergrund
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Wie
aus dem Stand der Technik bekannt ist, umfassen in Kraftfahrzeugen
verwendete herkömmliche Kraftstoffdampfrückführungssysteme
typischerweise einen Kohlebehälter, der verwendet wird,
um in dem Kraftstoffdank erzeugten überschüssigen
Kraftstoffdampf zurückzuführen. Aktivkohle in
dem Kohlebehälter adsorbiert den Kraftstoffdampf und hält
den Dampf zeitweilig zurück, bis der Behälter
gespült wird. Während Fahrzeugbetrieb wird zu
Zeiten, die durch programmierte Fahrzeugkalibrierung bestimmt werden,
der von der Aktivkohle adsorbierte Kraftstoffdampf durch Einleiten
von Außenluft oder Spülluft zu dem Behälter
desorbiert. Der so desorbierte Kraftstoffdampf wird dem Motor zur
Nutzung bei der Verbrennung zugeführt.
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Insbesondere
nutzen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren einen mit dem Kraftstofftank
verbundenen Kohlebehälter, um Kraftstoffdämpfe
von dem Kraftstofftank aufzunehmen, wenn der Tank aufgefüllt
wird oder wenn das Fahrzeug geparkt ist. Der mit dem Motor verbundene
Behälter ermöglicht auch ein Saugen des in dem
Behälter gespeicherten Dampfes zu dem Motor zum Verbrennen
während des „spülenden” Reinigungsprozesses.
Für den Spülprozess ist gefilterte Frischluft
erforderlich, so dass Umweltschadstoffe nicht irgendwann das Kohlebett
verstopfen oder einige Ventile beschädigen, was zu der
Erzeugung von Detektionsfehlern der On-Board-Diagnose (OBD-II) führen
kann. Eine Luftfilterungseinrichtung mit einem eingebauten Behälterentlüftungsventil
(CVV, kurz vom engl. Canister Vent Valve) kann ein wichtiges Konstruktionselement
werden, das die Zufuhr dieser sauberen Luft sicherstellt.
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Das
Filtern von Spülluft, die zu einem Dampfrückführungssystem
eingeleitet wird, um den Kohlebehälter zu spülen,
ist nicht neu. Für den erwähnten Zweck lehren
Beispiele aus dem Stand der Technik die Verwendung von ein oder
mehreren Anordnungen, die entweder ein Filtermedium, ein Schwallblechmittel
oder beides umfassen. Insbesondere offenbaren
U.S. Pat. Nr. 5,058,693 für
Murdock et al,
U.S. Pat. Nr.
5,024,687 für Waller und
U.S. Pat. Nr. 5,638,786 für
Gimby jeweils eine ferne Kraftstoffdampfrückführungssystem-Filteranordnung,
die die Kombination aus Schwallblech- und Filterelementmitteln umfasst.
Sowohl
'693 als auch
'687 umfassen einfache Schwallblechmittel,
die nicht mehr als zwei unabhängige Schwallblecheinheiten
umfassen. Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere formschlüssige
und nicht formschlüssige ebene Schwallbleche, deren erhöhte
Komplexität mit verstärkter funktionaler Effizienz
einhergeht. Das Patent '768 sieht einen selbstreinigenden Luftfilter
vor, der ein Filterelement von verschiedenen Ausführungsformen umfasst.
In jeder Ausführungsform ist dieses erwähnte Element
offensichtlich eine dünne, feste, siebartige Einheit, damit
es von dem Filterreinigungselement der Offenbarung gereinigt werden
kann, und der Filter umfasst Einrichtungen für Funktion
bei „Verschluss” dieses Elements. Die vorliegende
Offenbarung besteht aus einem robusten und kräftigen (dicken,
breiten und hohen) Filterelement und einem Schwallblechbereich und
ist nachweislich in der Lage, die durchschnittliche Nutzungslebensdauer
von Fahrzeugen (etwa 150.000 Meilen) ohne Reinigen zu halten.
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Es
gibt zwei vorrangige und neuartige Faktoren, die zu der langlebigen
Funktionalität unserer Offenbarung beitragen. Der erste
findet sich in der Konstruktion des Schwallblechteils. Die mehreren Schwallbleche
sind so konstruiert, dass die Partikel, die eine breite Größen-
und Trägheitsverteilung aufweisen, aus dem Luftstrom herausgelöst
werden, wenn sich dieser vom Einlass hin zum Filterteil bewegt.
Dies erfolgt aufgrund eines verminderten Schwallblechabstands zwischen
Schwallblechen und der entsprechenden Zunahme der Mobilitätsforderung,
die an den Luftstrom gestellt wird. Die zweite vorrangige und neuartige
Eigenschaft unserer Offenbarung findet sich in der Implementierung
eines Filterelements, so dass die kleinsten Partikel (solche, die
den Schwallblechteil überleben) im Allgemeinen in der oberen
Hälfte des Filterelements festgehalten werden und schließlich
aufgrund von Schwerkraft, Erschütterung etc. zu den unteren
Abschnitten des Elements wandern. Dieser Vorgang stellt die sorgfältige
Reinigung der Luft und die langlebige Funktion der Luftfilteranordnung
sicher.
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U.S. Pat. Nr. 4,693,393 für
DeMinco et al und
U.S. Pat. Nr.
5,501,198 für Korama offenbart Beispiele für
Filterungssysteme, die integral mit einem Kohlebehälter
kombiniert sind, indem sie nur Schwallblechmittel bzw. nur Filterelementmittel
umfassen.
U.S. Pat. Nr. 5,149,347 für
Turner et al offenbart ebenfalls eine Abscheidevorrichtung, die
nur einen Schwallblechteil umfasst, der mit dem Kohlebehälter fern
verbunden ist. Es ist offensichtlich, dass jede Struktur, die nur
Schwallblechmittel oder nur Filtermittel umfasst, nicht so effektiv
und robust ist wie die vorliegenden Offenbarung, die sowohl Schwallblech- als
auch Partikelfiltermittel umfasst.
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U.S. Pat. 5,912,368 für
Satarino et al. beschreibt einen Filter, bei dem sowohl abgestufte Schwallblechabscheidemittel
als auch Filterelementmittel in einer Filteranordnung enthalten
sind. Dies stellt einen Höchstgrad an Abscheidung von Partikeln,
Fremdkörpern wie Ruß und Straßenstaub, Feuchtigkeit
und dergleichen aus der Frischluft darin, die ansonsten vorhanden
sind, sicher.
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Zusammenfassung
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Gemäß der
vorliegenden Offenbarung wird eine Luftfilteranordnung für
einen Kraftstoffdampf-Auffangbehälter vorgesehen, der mit
einer Verbrennungsmotor-Kraftstoffanlage verwendet wird. Die Luftfilteranordnung
umfasst: ein Gehäuse mit einem in einem oberen Abschnitt
des Gehäuses ausgebildeten Lufteinlass und einem Luftauslass;
und mehrere sich vertikal erstreckende Schwallbleche, die in dem
Gehäuse zwischen dem oberen Abschnitt des Gehäuses
und einem unteren Abschnitt des Gehäuses angeordnet sind.
Die Schwallbleche bilden mehrere sich vertikal erstreckende Kanäle,
die durch horizontal verbindende Kanäle horizontal verbunden sind,
die benachbart zu dem oberen Abschnitt des Gehäuses und
einem gegenüberliegenden unteren Abschnitt des Gehäuses
angeordnet sind. Ein erster der sich vertikal erstreckenden Kanäle
nimmt Luft auf, die von dem Lufteinlass in das Gehäuse
eindringt. Die Luft strömt dann seitlich auswärts
in dem Gehäuse von dem ersten der sich vertikal erstreckenden
Kanäle nacheinander zu anderen der sich vertikal erstreckenden
Kanäle in einem gewundenen Strom sukzessiv nach oben und
unten und durch die horizontal verbindenden Kanäle und
tritt schließlich durch den Luftauslass aus dem Gehäuse
aus. In einem der mehreren sich vertikal erstreckenden Kanäle
in einem Weg des gewundenen Stroms der Luft, die durch einen solchen
der sich vertikal erstreckenden Kanäle strömt,
ist ein Filter angeordnet.
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In
einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen
an der Außenseite umlaufenden Abschnitt auf und der Luftauslass
ist in einem Abschnitt des unteren Abschnitts des Gehäuses
benachbart zu dem an der Außenseite umlaufenden Abschnitt
des Gehäuses angeordnet.
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In
einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen
an der Außenseite umlaufenden Abschnitt auf und der Luftauslass
ist benachbart zu dem an der Außenseite umlaufenden Abschnitt
des Gehäuses angeordnet.
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Die
Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der
Offenbarung werden in den Begleitzeichnungen und der nachstehenden
Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der
Offenbarung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie
aus den Ansprüchen hervor.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeug-Kraftstoffdampfsystems,
das ein Kraftstoffdampfrückführungssystem aufweist,
das eine Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung
nutzt;
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2 ist
eine Seitenansicht der in 1 verwendeten
Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung;
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3 ist
eine Draufsicht auf die in 1 verwendete
Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung;
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4 ist
eine Querschnittansicht der in 1 verwendeten
Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung, wobei
der Querschnitt entlang Linie 4-4 in 3 gemäß der
Offenbarung genommen wird;
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5 ist
eine Querschnittansicht der in 1 verwendeten
Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung, wobei
der Querschnitt entlang Linie 4-4 in 3 wie in 4 genommen
wird, wobei hier mit Pfeilen das Strömen von Luft durch
die Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung
gezeigt wird; und
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6 ist
eine Querschnittansicht der in 1 verwendeten
Luftfilteranordnung gemäß der Offenbarung, wobei
der Querschnitt entlang Linie 6-6 in 5 gemäß der
Offenbarung genommen wird.
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Ähnliche
Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen kennzeichnen ähnliche
Elemente.
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Eingehende Beschreibung
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1 zeigt
ein Kraftfahrzeug-Kraftstoffdampfsystem, das ein integral darin
angeordnetes Kraftstoffdampfspeichersystem (FVSS, kurz vom engl.
Fuel Vapor Storage System) aufweist. Auch wenn sich das Kraftfahrzeug-Kraftstoffdampfsystem bezüglich
spezifischen Komponenten, Geometrie und Komponentenbezeichnungen
zum Teil von Fahrzeug zu Fahrzeug unterscheiden kann, bleiben der grundlegende
Aufbau und die baulichen Komponenten gleich.
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Grundlegende
Komponenten des Kraftfahrzeug-Kraftstoffdampfsystems sind ein Kraftstofftank 10 und
ein Verbrennungsmotor 12. Flüssiger Kraftstoff
dringt in das Fahrzeug ein, indem er zuerst zu einer Kraftstoffeinlassöffnung 14 eingeleitet
wird, sich dann durch ein Kraftstoffeinfüllrohr 16 in
den Kraftstofftank 10 bewegt. Durch eine Kraftstoffpumpe 18 wird
Kraftstoff durch einen Kraftstofffilter 20 und mittels
einer Kraftstoffleitung 22, einem Kraftstoffverteilerrohr 24 und
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 26 zu dem Motor 12 geschickt.
Optional gewinnen einige Systeme vom Motor 12 nicht verwendeten
Kraftstoff wieder zurück, indem sie ihn mittels der Kraftstoffrückführleitung 28 zurück
zu dem Kraftstofftank 10 schicken.
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Es
gibt im Allgemeinen zwei primäre Bedingungen, bei denen
mit Kraftstoffdampf gefüllte Luft aus dem Kraftstofftank 10 gedrückt
wird. Der erste Bedingung ist während des vorstehend umrissenen Füllens
des Tanks 10 und die andere tritt ein, wenn sich der Kraftstoffdampf
in dem Tank (für gewöhnlich aufgrund erhöhter
Temperatur des Kraftstoffs und/oder von Kraftstoffdampf) ausdehnt
und einen Teil des Kraftstoffdampfs aus dem Tank drückt.
In jedem Fall wird die mit Kraftstoffdampf gefüllte Luft durch
die Kraftstoffrückführleitung 30 zu einem
Kohlebehälter 32 geschickt, wo sie von ihrem Dampf
gereinigt wird, bevor sie zur Atmosphäre geleitet wird. Der
Kohlebehälter 32 ist mit Aktivkohle gefüllt,
die den Kraftstoffdampf aus dem Luftstrom adsorbiert.
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Der
Kohlebehälter 32 muss nach dem Absorbieren und
Reinigen der kraftstoffdampfgefüllten Luft regemäßig
von dem Kraftstoffdampf darin desorbiert oder gespült werden.
Dieses Auffrischen erfolgt, damit der Behälter zusätzlichen
Kraftstoffdampf von dem Kraftstofftank 10 aufnehmen und
adsorbieren kann.
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Umgebungsluft,
die als Spülluft zu verwenden ist, wird in den Behälter 32 und
aus diesem heraus gepresst und dann durch eine Dampfspülleitung 34 und
ein Behälterspülventil 36 direkt zu dem
Motor 12 zur Nutzung geschickt.
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Wie
vorstehend erwähnt muss die als Spülluft verwendete
Außenluft von im Wesentlichen dem gesamten Material gereinigt
werden, bevor sie zu dem Behälterentlüftungsventil 38 (CVV)
und dem Kohlebehälter 32 eingeleitet wird. Dies
ist der Zweck der Luftfilteranordnung 40, die zusammen
mit dem CVV 38 in einem gemeinsamen Gehäuse 70 enthalten
ist.
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Die
bevorzugte Konstruktion der Luftfilteranordnung 40 ist
am Besten in 2–6 ersichtlich. Kurz
gesagt weist die Luftfilteranordnung 40 integrierte Befestigungsmerkmale
auf, die ein Einbauen der Anordnung direkt an dem Kohlebehälter 32 ermöglichen.
Weiterhin umfasst die Luftfilteranordnung 40 darin das
Behälterentlüftungsventil (CVV) 38 zusätzlich
zu mehreren konzentrischen kreisförmigen Schwallblechen 50–54 (4)
(d. h. die Schwallbleche 50–54 sind kreisförmige
rohrartige Strukturen mit kreisförmigen Wänden),
einem rechteckigen Schwallblech 56 (4) (d. h.
das Schwallblech 56 ist eine rechteckige rohrartige Struktur
mit rechteckigen Wänden), einem Filter 58 (4).
Ein Einlassluftkanal 60 ist für einströmende
Frischluft vorgesehen, und ein Auslasskanal 62 (4)
ist vorgesehen und mit dem CVV 38 verbunden, wie in 1 gezeigt ist.
Es wird festgestellt, dass die Schwallbleche 50–54 um
eine Längsachse 61 konzentrisch sind, die durch
die Mitte des Lufteinlasskanals 60 angeordnet ist. Es wird
festgestellt, dass das CVV 38 ein eingebautes oder einsteckbares
Teil des Gehäuses 70 sein kann. Das Ventil 38 kann
eine elektrische, mechanische, pneumatische oder andere Vorrichtung
sein, um das Öffnen/Schließen des Strömungswegs
durch einen nicht gezeigten Mikrocontroller zu ermöglichen.
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Insbesondere
und unter Bezug nun auf 4 und 5 umfasst
die Luftfilteranordnung 40 das Gehäuse 70,
das den Lufteinlass 60, der in einem oberen Abschnitt 73 des
Gehäuses 70 ausgebildet ist, und den Luftauslass 62 aufweist.
Das Schwallblech 50 erstreckt sich von dem Lufteinlass 60 in
dem oberen Abschnitt 73 des Gehäuses 70 vertikal
nach unten hin, aber nicht ganz, zu einem unteren Abschnitt 75 des
Gehäuses 70. Die Schwallbleche 50–56 bilden
mehrere sich vertikal erstreckende Kanäle 74–82,
die durch horizontal verbindende Kanäle 84–86 horizontal
verbunden sind, die benachbart zu dem oberen Abschnitt 72 des
Gehäuses 70 und einem gegenüberliegenden
unteren Abschnitt des Gehäuses 70 angeordnet sind.
Es wird festgestellt, dass die Kanäle 74–80 um
die Längsachse 61 konzentrisch sind, die durch
die Mitte des Lufteinlasskanals 60 angeordnet ist.
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Somit
bilden die Wände der Schwallbleche 52–56 mehrere
sich vertikal erstreckende Kanäle 74–82,
die durch horizontal verbindende Kanäle 84–90 verbunden
sind, die zwischen distalen Kanten der Schallbleche 50–56 und
dem oberen bzw. unteren Abschnitt 71, 73 des Gehäuses 70 ausgebildet sind.
Ein erster der sich vertikal erstreckenden Kanäle, hier
Kanal 74, nimmt Luft auf, die von dem Lufteinlass 60 in
das Gehäuse eindringt, wie in 5 gezeigt
ist. Die Luft strömt in dem ersten der Kanäle 74 nach
unten, strömt dann durch den horizontal verbindenden Kanal 84 seitlich
auswärts, strömt dann durch einen zweiten der
sich vertikal erstreckenden Kanäle 76 nach oben
und tritt dann schließlich durch den Luftauslass aus dem
Gehäuse aus. In dem zweiten der sich vertikal erstreckenden
Kanäle ist eine Filterstruktur angeordnet.
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Ein
erster der sich vertikal erstreckenden Kanäle 74–82,
hier Kanal 74, nimmt Luft auf, die von dem Lufteinlass 60 in
das Gehäuse 70 eindringt. Die Luft strömt
in dem Gehäuse 70 seitlich auswärts von dem
ersten der sich vertikal erstreckenden Kanäle 74 in
einem gewundenen Strom sukzessive nach oben und unten nacheinander
zu anderen der sich vertikal erstreckenden Kanäle 76,
dann 78, dann 80, dann 82 und durch die
horizontal verbinden Kanäle 84–86 und tritt
schließlich durch den Luftauslass 62 aus dem Gehäuse 70 aus.
Das Strömen der Luft wird in 6 durch
Pfeile gezeigt, wobei festgestellt wird, dass bei Strömen
der Luft nacheinander durch die Kanäle 76, dann 78,
dann 80, dann 82 die Geschwindigkeit der Luft
abnimmt, wie durch die sukzessiv kleineren Längen der Pfeile
angezeigt wird. Insbesondere wird festgestellt, dass bei Strömen
der Luft nacheinander durch diese sich vertikal erstreckenden Kanäle 76–82 aufgrund
der sukzessiven Zunahme der Querschnittfläche der Kanäle 76–82 das
Volumen der Luft in jedem der Kanäle 76–82 sukzessiv
zunimmt, wodurch die Geschwindigkeit der Luft sukzessiv verringert
wird. Wenn somit die Luft nacheinander durch die Kanäle – 82 strömt,
fallen verhältnismäßig größere
Partikel in der Luft auf den unteren Abschnitt des Gehäuses
unter den Kanälen näher zur Achse 61, und
kleinere Partikel fallen auf den Boden des Gehäuses unter
den Kanälen weiter weg von der Achse 61.
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Der
Filter 58 ist in einem der mehreren sich vertikal erstreckenden
Kanäle 74–82, hier Kanal 80, in
einem Weg des gewundenen Stroms der Luft, die durch einen solchen
der sich vertikal erstreckenden Kanäle 74–82 strömt,
angeordnet.
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Drei
primäre/innovative Merkmale dieser Offenbarung sehen effektive
Filtration in verschiedenen Ausrichtungen mit der geringsten Strömungsbehinderung
vor und nach Aufnehmen einer großen Menge von Staub vor.
Erstens sind konzentrische Schwallbleche 50–54 mit
einem geeigneten Abstand zwischen den Schwallblechen 50–56 so
konfiguriert, dass sie den Luftstrom radikal umlenken, ihn auf die Oberfläche
der Vorrichtung senkrecht aufprallen lassen; die Richtung der Luft
abrupt ändern, wie in 6 gezeigt
ist. Dies verringert die Geschwindigkeit schnell, um die Staubpartikel,
die einen relativ breiten Größenbereich und Trägheitsverteilungen
aufweisen, aus dem Luftstrom abzuscheiden, wenn sich dieser von
dem Lufteinlass durch diese Schwallbleche bewegt. Zweitens fängt
die Implementierung des Filtermediumelements 50 einige
kleinere Partikel (solche, die den konzentrischen Schwallblechteil überstehen)
mit dem niedrigen Moment auf. Drittens lässt das rechteckige
Schwallblech 56 die Luft mit plötzlich geänderten
Richtungen strömen, so dass sie über und um das
Schwallblech 56 strömt, um den Auslass 62 der
Anordnung 40 zu erreichen. Dies kann die Geschwindigkeit
weiter verringern, um die feinsten noch vorhandenen Stäube
in dem Raum, der sich zwischen dem rechteckigen Schwallblech und der
Außenwand der Vorrichtung befindet, aufzufangen. Dadurch
stellt der Luftfilter die sorgfältige Reinigung der Luft
zu dem Kraftstoffdampfrückführungssystem sicher.
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Zusätzlich
zur Filtrationsfunktion verringert die Filtrationsvorrichtung auch
die Komplexität der Teile. Konzentrische kreisförmige
und rechteckige Schwallbleche 50–56 sind
direkt in den Filterkörper (z. B. Gehäuse 70)
eingeformt. Die eingeformten Befestigungsmerkmale dienen zum Einbauen
der Filtervorrichtung 50 in den Behälter; und
das eingebaute CVV 38 dient für die On-Board-Diagnose(OBDII)-Leckprüffunktion
des Fahrzeugs. Daher verringert sie die Komplexität der
Teile. Der Filter 50 kann in dem Gehäuse 70 durch
ein geeignetes Mittel gelagert werden, beispielsweise durch (nicht
gezeigte) dünne Träger, die von dem oberen und
unteren Gehäuseabschnitt des Kanals 80 in die
obere und untere Fläche des Filters 58 ragen.
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Es
wurden eine Anzahl von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch
versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können,
ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zum
Beispiel können die Schwallbleche 50–54 rechteckig
sein. Des Weiteren können mehr oder weniger Schwallbleche
verwendet werden. Demgemäß liegen andere Ausführungsformen
im Schutzumfang der folgenden Ansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5058693 [0004, 0004]
- - US 5024687 [0004, 0004]
- - US 5638786 [0004]
- - US 4693393 [0006]
- - US 5501198 [0006]
- - US 5149347 [0006]
- - US 5912368 [0007]