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Die Erfindung betrifft eine Luftzufuhreinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs. Die Luftzufuhreinrichtung umfasst einen Verdichter zum Verdichten von Zuluft für die Verbrennungskraftmaschine, welcher in einer Leitung der Luftzufuhreinrichtung angeordnet ist. Über eine stromaufwärts des Verdichters angeordnete Einmündungsstelle ist Spülluft in die Leitung einbringbar, welche aus einem Speicher für gasförmige Kohlenwasserstoffe stammt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftzufuhreinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Aktivkohlefilter eines Fahrzeugs zum Regenerieren mit Umgebungsluft zu spülen. Diese dann gasförmige Kohlenwasserstoffe enthaltende Spülluft wird in die Zuluft eingebracht, welche dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, bei welchem ein Verdichter die Zuluft verdichtet, kann sowohl stromaufwärts des Verdichters als auch stromabwärts des Verdichters eine Spülleitung an den Ansaugtrakt des Motors angeschlossen sein. Wenn der Verdichter die Zuluft verdichtet, so liegt stromabwärts desselben ein über dem atmosphärischen Druck liegender Überdruck vor. Über die stromabwärts des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündende Spülleitung kann dann keine Umgebungsluft zum Spülen des Aktivkohlefilters angesaugt werden. Daher wird dann die stromaufwärts des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündende Spülleitung zum Spülen des Aktivkohlefilters genutzt. Bei einem sehr niedrigen Luftmassendurchsatz durch den Verdichter verdichtet dieser die Zuluft jedoch nicht, und stromabwärts des Verdichters liegt ein unter dem Umgebungsdruck liegender Unterdruck vor. Dann kann die stromabwärts des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündende Spülleitung zum Ansaugen von Spülluft genutzt werden, um den Aktivkohlefilter zu regenerieren.
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Die
US 4 212 276 A beschreibt einen Ansaugtrakt für einen Saugmotor. Hierbei ist in einem Einlass in einen Luftfilter des Ansaugtrakts eine Verschlussklappe angeordnet. Die Verschlussklappe wird geschlossen, wenn der Unterdruck im Ansaugtrakt nachlässt, wie dies nach dem Abstellen des Motors der Fall ist. In den Ansaugtrakt wird im Fahrbetrieb flüssiger Kraftstoff eingebracht, daher befinden sich dort auch nach dem Abstellen des Motors Kraftstofftröpfchen, welche verdampfen können. Durch das Schließen der Verschlussklappe wird verhindert, dass Kraftstoffdämpfe über den Luftfilter in die Umgebung gelangen. Im Fahrbetrieb wirkt der im Ansaugtrakt herrschende Unterdruck auf ein Membranventil, welches für ein Öffnen der Verschlussklappe sorgt.
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Die
JP 10 274 108 A beschreibt ebenfalls einen Ansaugtrakt für einen Saugmotor, bei welchem stromabwärts eines Luftfilters eine an einen Aktivkohlefilter angeschlossene Spülleitung in den Ansaugtrakt einmündet. Stromaufwärts und stromabwärts einer Einmündungsstelle der Spülleitung in den Ansaugtrakt ist jeweils eine Drosselklappe angeordnet. Die beiden Drosselklappen werden je nach Motorlast so eingestellt, dass im Leitungsabschnitt zwischen Drosselklappen ein definierter Druck herrscht, welcher zwischen dem Umgebungsdruck und einem negativen Saugdruck liegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Luftzufuhreinrichtung der eingangs genannten Gattung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftzufuhreinrichtung zu schaffen, welche bzw. welches ein besonders gutes Spülen des Speichers mit Spülluft ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Luftzufuhreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Luftzufuhreinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs sind stromaufwärts der Einmündungsstelle Mittel zum Verändern einer Durchströmbarkeit der Leitung angeordnet, welche den stromabwärts der Einmündungsstelle angeordneten Verdichter aufweist. Wenn der Verdichter zwar die Zuluft verdichtet, jedoch ein geringer Luftmassendurchfluss durch die Leitung vorliegt, liegt an der Einmündungsstelle allenfalls ein sehr geringer Unterdruck vor. Dieser sehr geringe Unterdruck führt dazu, dass nur vergleichsweise wenig oder gar keine Spülluft aus dem Speicher für gasförmige Kohlenwasserstoffe angesaugt wird.
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Die Mittel zum Verändern der Durchströmbarkeit der Leitung ermöglichen es jedoch vorliegend, auch bei einem geringen Luftmassendurchsatz durch die Leitung eine größere Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck in der Leitung im Bereich der Einmündungsstelle zu bewirken, als dies bei unverringerter Durchströmbarkeit der Leitung der Fall wäre. Aufgrund des dann erhöhten Unterdrucks im Bereich der Einmündungsstelle wird mehr Spülluft durch den Speicher für gasförmige Kohlenwasserstoffe gesaugt.
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Somit kann über einen besonders großen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine hinweg ein besonders wirkungsvolles Spülen des Speichers mit Spülluft sichergestellt werden. Dadurch kann der Speicher immer ausreichend Kohlenwasserstoffe aufnehmen, welche aus einem Kraftstofftank des Fahrzeugs und den an diesen angeschlossenen Leitungen stammen.
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Insbesondere, wenn die Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs mit einem Druckverhältnis von größer als Eins betrieben wird, also der Verdichter die Zuluft verdichtet, jedoch zugleich vergleichsweise geringe Drehzahlen vorliegen, etwa Drehzahlen zwischen 1.000 bis 3.000 Umdrehungen pro Minute, ist bei unveränderter Durchströmbarkeit der Leitung nur eine sehr geringe Menge an Spülluft vorhanden, um den Speicher zu spülen. Das Druckverhältnis beschreibt hierbei den Druck stromabwärts des Verdichters im Verhältnis zum Umgebungsdruck. Zu derartigen Betriebszuständen, bei welchen der Verdichter die Zuluft verdichtet und zugleich vergleichsweise geringe Drehzahlen vorliegen, kann es insbesondere bei einer Bergauffahrt des Fahrzeugs oder bei einer Autobahnfahrt kommen. Auch in diesen Fahrzuständen können vorliegend durch entsprechendes Betätigen der Mittel zum Verändern der Durchströmbarkeit der Leitung ausreichend große Mengen an Spülluft zur Verfügung gestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel ein schaltbares Drosselelement, welches an einem der Einmündungsstelle vorgeschalteten Luftfilter angeordnet ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck in der Leitung an der Einmündungsstelle maßgeblich durch den Druckverlust bestimmt wird, welchen der Luftfilter bewirkt. Durchströmt nur wenig Luft den Luftfilter, liegt ein geringer Druckverlust vor, bei hohem Luftmassendurchsatz bewirkt der Luftfilter hingegen einen großen Druckabfall. Durch Beeinflussen der Durchströmbarkeit des Luftfilters mittels des schaltbaren Drosselelements kann daher besonders wirkungsvoll die Durchströmbarkeit der Leitung verändert werden. Zudem ist im Bereich des Luftfilters das Drosselelement im Hinblick auf den Bauraum einfach unterzubringen und leicht zugänglich. Dies gilt insbesondere, wenn das Drosselelement an einem Einlass des Luftfilters angeordnet ist.
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Besonders einfach lässt sich das Drosselelement schalten, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Mittel eine mit Überdruck und/oder mit Unterdruck beaufschlagbare Stelleinrichtung umfassen. Eine solche Stelleinrichtung ist kostengünstig und einfach zu regeln.
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Bevorzugt ist mittels des Drosselelements eine durchströmbare Fläche eines Filterelements des Luftfilters veränderbar. So kann im Bereich des Filterelements einfach eine Engstelle bereitgestellt werden, welche zu einem erhöhten Druckabfall führt.
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Besonders einfach ist es, wenn die Mittel lediglich das Einstellen zweier Zustände der Durchströmbarkeit der Leitung ermöglichen, nämlich einen Zustand maximaler Durchströmbarkeit und einen Zustand verringerter Durchströmbarkeit.
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Um jedoch den gewünschten Unterdruck im Bereich der Einmündungsstelle besonders genau und bedarfsgerecht einstellen zu können, ist es bevorzugt, dass die Mittel ein Einstellen von mehr als zwei diskreten Zuständen der Durchströmbarkeit der Leitung und/oder ein stetiges Verändern der Durchströmbarkeit der Leitung zulassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche ein Ansteuern der Mittel in Abhängigkeit vom Wert eines Unterdrucks in der Leitung im Bereich der Einmündungsstelle ermöglicht. So kann bei einem zu geringen Unterdruck die Durchströmbarkeit der Leitung verringert und so der gewünschte größere Unterdruck eingestellt werden. Auch kann ein Sollwert des Unterdrucks, beispielsweise ein Mindestwert des Unterdrucks, vorgegeben werden, welcher eingeregelt werden kann. Um eine stets ausreichende Spülung des Speichers sicherzustellen, kann insbesondere ein Sollwert von 80 mbar bis 120 mbar, insbesondere von 100 mbar unter dem Umgebungsdruck in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt sein, die Mittel in Abhängigkeit von einer Beladung des Speichers mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen anzusteuern. Dann wird beispielsweise die Durchströmbarkeit der Leitung nur dann verringert und so ein höherer Unterdruck an der Einmündungsstelle eingestellt, wenn die Beladung des Speichers ein Regenerieren desselben durch Spülen notwendig macht.
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Ebenso ist es möglich, mittels der Steuerungseinrichtung die Mittel in Abhängigkeit von einem gewünschten Massenstrom der Spülluft anzusteuern. So kann etwa von Zeit zu Zeit ein hoher Massenstrom der Spülluft generiert werden, um besonders viel gasförmige Kohlenwasserstoffe aus dem Speicher zu entfernen.
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Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die maximale Durchströmbarkeit der Leitung in Abhängigkeit vom Luftmassendurchsatz durch die Leitung einstellbar ist. So kann bei hohem Luftmassendurchsatz dafür gesorgt werden, dass die Zuluft die Leitung ungehindert durchströmen kann, da bei hohem Luftmassendurchsatz ohnehin ein zum Spülen des Speichers ausreichend hoher Unterdruck in der Leitung vorliegt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die maximale Durchströmbarkeit in Abhängigkeit von einer Verdichtungsleistung des Verdichters einstellbar sein. Wenn nämlich der Verdichter die Zuluft nicht verdichtet, so wird die Verbrennungskraftmaschine wie ein Saugmotor betrieben. Dann ist es ebenfalls unnötig, die Durchströmbarkeit der Leitung einzuschränken, da dann aufgrund des Saugbetriebs ein ausreichender Unterdruck im Bereich der Einmündungsstelle vorliegt.
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Ein Sicherstellen der maximalen Durchströmbarkeit der Leitung ist auch bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei Volllast, sinnvoll, um die Schleppleistung der Verbrennungskraftmaschine zu minimieren und so besonders viel Leistung der Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen.
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Durch das Sicherstellen der maximalen Durchströmbarkeit der Leitung kann auch der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine verringert werden. Es kann also auch der Kraftstoffverbrauch bei der Entscheidung herangezogen werden kann, ob die maximale Durchströmbarkeit der Leitung eingestellt oder die Durchströmbarkeit verringert werden soll.
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Bevorzugt lassen die Mittel bei Fehlen einer Ansteuerung eine ungehinderte Durchströmbarkeit der Leitung zu und schränken diese lediglich bei Bedarf ein.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn stromabwärts des Verdichters eine weitere Einmündungsstelle angeordnet ist, über welche Spülluft in die Leitung eingebracht werden kann. Dann kann diese Einmündungsstelle bei einem Druckverhältnis von kleiner als Eins zum Spülen des Speichers mit Spülluft genutzt werden, also dann, wenn im Bereich der weiteren Einmündungsstelle bzw. in einem Luftverteiler der Luftzufuhreinrichtung ein gewisser Unterdruck herrscht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Luftzufuhreinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs wird mittels eines in einer Leitung angeordneten Verdichters Zuluft für die Verbrennungskraftmaschine verdichtet. Über eine stromaufwärts des Verdichters angeordnete Einmündungsstelle wird Spülluft in die Leitung eingebracht, welche aus einem Speicher für gasförmige Kohlenwasserstoffe stammt. Hierbei wird stromaufwärts der Einmündungsstelle eine Durchströmbarkeit der Leitung verändert. Dadurch wird ein ausreichend großer Unterdruck im Bereich der Einmündungsstelle sichergestellt, welcher für ein gutes Spülen des Speichers mit Spülluft sorgt.
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Die für die erfindungsgemäße Luftzufuhreinrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Luftansaugtrakt für ein Fahrzeug mit aufgeladenem Verbrennungsmotor, wobei an einem Luftfilter eine Klappe vorgesehen ist, welche geschlossen werden kann, um den Luftdurchsatz durch den Luftfilter zu erschweren; und
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2 schematisch eine Druckdose zum Ansteuern der Klappe.
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Ein Ansaugtrakt 10 eines Fahrzeugs umfasst eine Leitung 12 für die Zuluft, wobei in der Leitung 12 ein Verdichter 14 angeordnet ist, welcher vorliegend als Verdichter 14 eines Abgasturboladers ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Verdichter 14 als Kompressor ausgebildet sein, also als mechanischer Lader, welcher vom Verbrennungsmotor des Fahrzeugs oder elektrisch angetrieben wird.
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An einer Eingangsseite der Leitung 12 ist ein Luftfilter 16 vorgesehen, in welchem Filtermaterial 18 für das Zurückhalten von Schmutzstoffen in der Zuluft sorgt. In der Leitung 12 ist stromabwärts des Verdichters 14 eine Drosselklappe 20 angeordnet, und über einen Luftverteiler 22 werden die (nicht gezeigten) Zylinder des aufgeladenen Verbrennungsmotors des Fahrzeugs mit der Zuluft beaufschlagt.
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Wenn der Verdichter 14 des Abgasturboladers lediglich mitläuft, jedoch keine Verdichtung der Zuluft über den Umgebungsdruck hinaus bewirkt, so arbeitet der Verbrennungsmotor wie ein Saugmotor. In diesem Betriebszustand liegt auch stromabwärts des Verdichters 14 und im Bereich des Luftverteilers 22 Unterdruck vor, also ein Druck, welcher geringer ist als der Umgebungsdruck.
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Stromabwärts der Drosselklappe 20 befindet sich eine Einmündungsstelle 24 einer ersten Spülleitung 26, welche ein schaltbares, insbesondere elektromechanisches, Ventil 28 aufweist und an einen Aktivkohlefilter 30 angeschlossen ist. Der Aktivkohlefilter 30 speichert aus einem Kraftstofftank 32 stammende gasförmige Kohlenwasserstoffe. Soll der Aktivkohlefilter 30 regeneriert werden, so wird zum Spülen der beladenen Aktivkohle über einen Einlass 34 des Aktivkohlefilters 30 Umgebungsluft angesaugt. Die Spülluft 36 strömt im Saugebetrieb, wenn also der Verdichter 14 die Zuluft nicht verdichtet, über die erste Spülleitung 26 in die Leitung 12.
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Verdichtet der Verdichter 14 die Zuluft über den Umgebungsdruck, so wird das Ventil 28 geschaltet, und die Spülluft 36 strömt durch eine zweite Spülleitung 38. Diese zweite Spülleitung 38 mündet an einer Einmündungsstelle 40 in die Leitung 12 ein, welche zwischen dem Luftfilter 16 und dem Verdichter 14 angeordnet ist. Das Strömen der Spülluft 36 durch die Spülleitung 38 während des Ladebetriebs des Verdichters 14, also wenn dieser die Zuluft verdichtet, ist in 1 durch einen Strömungspfeil 42 veranschaulicht.
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Wenn der Verdichter 14 die Zuluft verdichtet, herrscht im Luftverteiler 22 und an der Einmündungsstelle 24 ein Überdruck, also ein Druck, welcher größer ist als der Umgebungsdruck. Dann kann die Spülluft 36 nicht über die erste Spülleitung 26 in die Leitung 12 eintreten. In beiden Spülleitungen 26, 38 sorgen vorliegend Rückschlagventile 44 dafür, dass keine Luft aus der Leitung 12 in die Spülleitungen 26, 38 zurückströmen kann.
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Bei einem geringen Luftmassendurchsatz in die Leitung 12 führt der Luftfilter 16 und insbesondere das in diesem angeordnete Filtermaterial 18 zu einem vergleichsweise geringen Druckabfall, sodass sich an der Einmündungsstelle 40 allenfalls ein geringfügig unter dem Umgebungsdruck liegender Unterdruck einstellt.
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Vorliegend ist daher an einem Einlass 46 in den Luftfilter 16 eine Klappe 48 vorgesehen, welche geschlossen werden kann, um den Luftdurchsatz durch den Luftfilter 16 zu erschweren. Dadurch wird die Durchströmbarkeit der Leitung 12 eingeschränkt, und an der Einmündungsstelle 40 der Spülleitung 38 herrscht ein größerer Unterdruck als bei nicht geschlossener Klappe 48. Dieser Unterdruck sorgt dafür, dass bei niedrigem Luftmassendurchsatz durch die Leitung 12 eine große Menge an Spülluft 36 durch den Aktivkohlefilter 30 gesaugt und dieser dadurch regeneriert wird.
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Bei hohem Luftmassendurchsatz durch die Leitung 12, im Saugbetrieb und bei Volllast des Verbrennungsmotors wird die Klappe 48 nicht angesteuert und verbleibt somit in einer geöffneten Ausgangsstellung, und die Durchströmbarkeit der Leitung 12 ist ungehindert.
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Die Klappe 48 kann insbesondere dann angesteuert werden, wenn der Aktivkohlefilter 30 mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen voll beladen ist. Die Klappe 48 kann jedoch auch so eingestellt werden, dass jederzeit eine gewünschter, auf den Umgebungsdruck bezogener Unterdruck in der Leitung 12 im Bereich der Einmündungsstelle 40 vorliegt, etwa ein Unterdruck von 100 mbar.
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2 veranschaulicht eine Möglichkeit, eine Einstellung der Klappe 48 vorzunehmen. Als Stelleinrichtung für die Klappe 48 ist hierbei eine Druckdose 50 vorgesehen, welche als Unterdruckdose oder als Überdruckdose ausgebildet sein kann. Je nach an der Druckdose 50 anliegendem Überdruck oder Unterdruck bewirkt diese ein Verstellen der Klappe 48.
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Im einfachsten Fall kann die Klappe 48 entweder geöffnet sein und so eine maximale Durchströmbarkeit der Leitung 12 gewährleisten oder geschlossen und so die Durchströmbarkeit der Leitung 12 einschränken. Vorliegend wird durch vollständiges Öffnen der Klappe 48 eine maximale Durchströmbarkeit des Filtermaterials 18 erreicht, wie dies durch zwei Strömungspfeile 52, 54 veranschaulicht ist. Bei geschlossener Klappe 48 ist eine geringere Fläche des Filtermaterials 18 durchströmbar, wie dies durch den Strömungspfeil 54 angedeutet ist.
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Die Klappe 48 ist vorliegend kontinuierlich verstellbar, sodass eine Durchströmbarkeit der Leitung 12 stetig verändert werden kann. Hierfür steuert ein Steuergerät 56 ein Ventil 58 an, über welches der Unterdruck oder der Überdruck eingestellt werden kann, mit welchem die Druckdose 50 beaufschlagt wird. Das Ventil 58 beeinflusst nämlich den von einer Druckversorgung 60 bereitgestellten Unterdruck bzw. Überdruck, mit welchem die Druckdose 50 beaufschlagt wird.
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Die kontinuierliche Verstellung der Klappe 48, die alternativ auch durch einen elektromechanischen Aktor bewirkt werden kann, ermöglicht es, die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Bereich der Einmündungsstelle 40 und dem Umgebungsdruck jeder Zeit bedarfsgerecht einzustellen, um so etwa die Menge der Spülluft 36, den Verbrauch des Verbrennungsmotors oder dessen Leistung zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4212276 A [0003]
- JP 10274108 A [0004]
