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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Blow-By-Filtereinheit und eine Ölwanne. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Rückführung des in einer Blow-By-Filtereinheit aus dem Blow-By-Gas eines Hubkolbenverbrennungs-Motors abgeschiedenen Öls in den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors.
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Bei Hubkolbenverbrennungsmotoren tritt sogenanntes Blow-By-Gas auf, bei dem es sich um eine Leckströmung zwischen Zylinderlaufbüchse und Kolbengruppe sowie der Lagerschmierung von Verdichtungseinrichtungen handelt, die in Summe etwa 0,5–1% vom gesamten Massenstrom durch den Verbrennungsmotor gleichkommt. Dieses Blow-By-Gas sammelt sich im Kurbelgehäuse an und muss von dort wieder herausgeleitet werden, um einen Druckanstieg zu vermeiden. Da Blow-By-Gas neben unverbrannten Kraftstoffanteilen auch einen Anteil an Öl in Nebelform enthält, wird es aus Umweltgründen wieder in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zurückgeleitet und so der Verbrennung zugeführt. Dieser Ölnebel ist für etwa 10% des gesamten Ölverbrauches des Verbrennungsmotors verantwortlich.
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Bei modernen Hochleistungsmotoren ist es erforderlich, diesen Ölanteil im Blow-By-Gas vor der Einleitung in den Ansaugtrakt möglichst vollständig zu entfernen, um eine verschmutzungsbedingte Beeinträchtigung des Betriebs des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden gemäß Stand der Technik Blow-By-Ölabscheider bzw. Blow-By-Filtereinheiten in unterschiedlicher Technologie und in unterschiedlichen Ausführungen und Applikationen eingesetzt.
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Die Rückführung des aus dem Blow-By-Gases abgeschiedenen Öls erfolgt beim Stand der Technik derart, dass die Ölabflussleitung der Blow-By-Filtereinheit an einer Stelle mit dem Verbrennungsmotor verbunden wird, die unterhalb des Ölpegels in der Ölwanne des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Damit bildet sich eine Ölvorlage in der Ölabflussleitung aus, die wie ein interner Syphon wirkt und eine Kurzschlussströmung von Blow-By-Gas durch die Ölabflussleitung in die Blow-By-Filtereinheit unterbindet.
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Dieses Konzept ist grundsätzlich gut geeignet, allerdings sind damit Nachteile verbunden. Beispielsweise kann bei Druckstößen im Kurbelgehäuse (z. B. bei einer Kurbelgehäuseverpuffung) sehr viel Öl in die Blow-By-Filtereinheit gepumpt werden und von dieser weiter in die Ansaugleitung des Verbrennungsmotors gelangen. Das kann vermieden werden, wenn eine Rückschlagklappe in die Ölabflussleitung eingesetzt wird, die allerdings wieder mit Mehrkosten, der Gefahr von Verstopfungen sowie einem zusätzlichen Druckabfall und damit mit dem Erfordernis einer größeren Fallhöhe bzw. Aufstellhöhe der Blow-By-Filtereinheit verbunden ist.
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Ein anderer Nachteil hängt damit zusammen, dass der Ölpegel in der Ölwanne des Verbrennungsmotors nicht unerheblich schwanken kann, und damit keine eindeutige Korrelation zwischen Druckabfall des Blow-By-Gases über der Blow-By-Filtereinheit und der Höhe der Ölsäule in der Ölabflussleitung besteht. Es müssen daher Höhenreserven für die Ölabflussleitung vorgesehen werden, die zu einer entsprechend hohen Anordnung der Blow-By-Filtereinheit führt, womit die Integration der Blow-By-Filtereinheit in das Motoraggregat oft erheblich erschwert wird.
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Besonders nachteilig wirkt sich bei langen Ölabflussleitungen die Tendenz des in der Blow-By-Filtereinheit abgeschiedenen Öles aus, mit dem darin enthaltenen Wasseranteil sowie den vorhandenen Schmutzpartikeln eine zähflüssige Öl-Wasser-Emulsion auszubilden, die zu Verstopfungen führen kann. Diese Gefahr ist insbesondere dann gegeben, wenn das Öl in der Ölabflussleitung auskühlt und Druckpulsationen zu einer Aufschäumung am Meniskus am oberen Ende der Ölsäule führen. Es ist also wichtig, die Ölabflussleitung aus der Blow-By-Filtereinheit möglichst kurz zu halten und dennoch zu vermeiden, dass Öl aus dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors über die Ölabflussleitung in die Blow-By-Filtereinheit und von dort in die Ansaugleitung des Verbrennungsmotors gelangt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hier Abhilfe zu schaffen und einen Verbrennungsmotor bereit zu stellen, bei dem diese Probleme verringert sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Blow-By-Filtereinheit und eine Ölwanne, wobei die Blow-By-Filtereinheit einen Ölauslass aufweist, welcher mit einem Reservoir verbunden ist, wobei das Reservoir einen Überlauf aufweist, wobei der Überlauf über eine Mündung in die Ölwanne mündet, wobei die Mündung oberhalb des Ölpegels der Ölwanne angeordnet ist.
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Das Reservoir ist damit unterhalb der Blow-By-Filtereinheit angeordnet und wirkt somit wie ein Syphon. Ein solcher Verbrennungsmotor beinhaltet ein Konzept für die Rückführung des in der Blow-By-Filtereinheit aus dem Blow-By-Gas abgeschiedenen Öles in den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors. Die Grundidee basiert darauf, dass sich der Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit bezogen auf die Volllast des Verbrennungsmotors über die gesamte Einsatzzeit des Filtermediums um nicht mehr als 50% gegenüber dem Neuzustand des Filtermediums in der Blow-By-Filtereinheit verändert. Weiters wird dabei ausgenutzt, dass der Druck an der Stelle des Ölauslasses, wo das aus dem Blow-By-Gas gefilterte Öl aus der Blow-By-Filtereinheit austritt, annähernd derselbe ist, wie an der Stelle der Austrittsöffnung für das gefilterte Blow-By-Gas.
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Demzufolge ist bevorzugt vorgesehen, dass die Blow-By-Filtereinheit derart ausgebildet ist, dass der Druck an der Stelle des Ölauslasses im Wesentlichen derselbe ist, wie an der Stelle der Austrittsöffnung für das gefilterte Blow-By-Gas.
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Das in der Blow-By-Filtereinheit abgeschiedene Öl wird über einen Syphon (das Reservoir mit Überlauf) dem Motorölkreislauf wieder zugeführt und zwar in der Art und Weise, dass das Öl über den Überlauf eines außerhalb des Motorblockes angeordneten Reservoirs (Syphon) an einer Stelle oberhalb des Ölpegels des Öles in der Ölwanne des Verbrennungsmotors eingeleitet wird.
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Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die senkrechte Distanz (Hopt) zwischen Reservoir und Blow-By-Filtereinheit die Summe aus der Anpassungskonstante Hr in mm plus 4π·j·Δp beträgt, wobei Δp der Druckabfall in (mbar) über der Blow-By-Filtereinheit bei Motorvolllast sowie bei Neuzustand des Filtermediums in der Blow-By-Filtereinheit ist, j ein Dimensionswandler mit 1 mm/mbar ist und Hr einen Wert zwischen 150 und 250 (mm) einnimmt.
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Anders ausgedrückt bedeutet dies: Hopt = Hr + 4π·j·Δp mit
- Δp
- = Druckabfall in (mbar) über der Blow-By-Filtereinheit bei Motorvolllast sowie bei Neuzustand des Filtermediums in der Blow-By-Filtereinheit,
- j
- = Dimensionswandler mit 1 mm/mbar
- Hr
- = 150 mm bis 250 mm.
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Weiters hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Mündung des in der Blow-By-Filtereinheit abgeschiedenen Öles nach Austritt aus dem Überlauf des Reservoirs an einer Stelle angeordnet ist, die zwischen 50 und 150 mm über dem Ölpegel in der Ölwanne des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass es vorteilhaft ist, wenn die senkrechte Distanz (Hopt') zwischen Reservoir und Blow-By-Filtereinheit die Summe aus der Anpassungskonstanten Hr' in mm plus 1/(4π√2)·(–π4/√2 + Hr')·Di beträgt, wobei Di der mittlere innere Durchmesser (Di) der Ölabflussleitung in mm ist, welche den Ölauslass mit dem Reservoir verbindet, und wobei Hr einen Wert zwischen 180 und 280 mm annimmt. Anders ausgedrückt bedeutet dies: Hopt' = Hr' + 1/(4π√2)·(–π4/√2 + Hr')·Di mit
- Di
- = mittlerer innerer Durchmesser (Di) der Ölabflussleitung, welche den Ölauslass mit dem Reservoir verbindet, in mm
- Hr'
- = 180 mm bis 280 mm.
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Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Ölabflussleitung zumindest teilweise und/oder abschnittsweise transparent ausgebildet ist. Damit ist es möglich, den sichtbaren Pegelstand der Ölsäule in diesem Teil der Ölabflussleitung abzulesen, wodurch auf den Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit geschlossen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser des Reservoirs mindestens 90 mm beträgt. Das Reservoir ist im Querschnitt bevorzugt kreisförmig. Bei nichtkreisförmigem Reservoirquerschnitt ist der Innendurchmesser als der mittlere Innendurchmesser anzusehen.
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Die Erfindung schlägt also eine Blow-By-Filtereinheit vor, bei der sich der Druckabfall, bezogen auf Volllast des Verbrennungsmotors, über die gesamte Einsatzzeit des Filtermediums um nicht mehr als 50% ausgehend vom Neuzustand erhöht und bei dem am Ölaustritt und an der Austrittsstelle des gereinigten Blow-By-Gases annähernd derselbe Druck herrscht.
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Solcher Filterkonzepte in der Blow-By-Filtereinheit werden am Markt angeboten, mit z. B. zentrifugal-wirkende Filtersystemen aber auch spezielle Faserstoffbasierte Filtermedien. Allerdings werden sie (meist aus Kostengründen) nur sehr selten eingesetzt. Darauf aufbauend wird vorgeschlagen, den Ölablauf aus der Blow-By-Filtereinheit durch einen externen Syphon hydraulisch vom Motorölkeislauf zu entkoppeln, indem das in der Blow-By-Filtereinheit abgeschiedene Öl über den Überlauf des Syphons (Reservoirs) in den Verbrennungsmotor an einer Stelle die oberhalb des Ölpegels zurückgeleitet wird.
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Für die optimale Funktion dieses Konzeptes ist die vertikale Länge der Ölabflussleitung zwischen Blow-By-Filtereinheit und Syphon ein Gestaltungsmerkmal, für das ein enger Wertebereich vorgeschlagen wird.
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Dazu wird eine quantitative analytische Korrelation zum Druckabfall der Blow-By-Filtereinheit bei Volllast des Verbrennungsmotors sowie bei Neuzustand des Filtermediums angegeben, wobei nur über einen Parameter innerhalb eines relativ engen Wertefensters frei verfügt werden kann.
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In einer weiteren Gleichung wird eine Korrelation des Optimalwertes für die vertikale Höhe zum Optimalwert für den mittleren Innendurchmesser der Ölabflussleitung hergestellt. Des Weiteren wird für dieses Konzept vorgeschlagen, einen Teil der Ölabflussleitung mit einem transparenten Rohrmaterial auszuführen, sodass der Meniskus der Ölsäule in der Ölabflussleitung gut ersichtlich und daraus der Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit ablesbar ist womit damit eine sehr gute optische Kontrollmöglichkeit für den Zustand des Systems vorliegt.
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Um eine möglichst genaue Zuordnung von Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit und Höhe der Ölsäule zu ermöglichen, wird letztlich noch ein unterer Grenzwert für den Innendurchmesser des Reservoirs vorgeschlagen.
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Der Grund, für das optimale Funktionieren des vorgeschlagenen Konzeptes einer Blow-By-Filtereinheit am Verbrennungsmotor bei dem – insbesondere der Druckabfall sich über die gesamte Einsatzzeit um nicht mehr als 50% bezogen auf den Neuzustand verändert – besteht darin, dass dadurch der senkrechte Abstand zwischen Blow-By-Filtereinheit und Reservoir und damit die Höhe der Ölabflussleitung relativ genau ausgelegt werden kann, da sich die Höhe des Ölmeniskus im transparenten Abschnitt der Ölabflussleitung bei konstanter Motorlast nur relativ geringfügig verändert.
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Unter der Voraussetzung, dass an der Ölaustrittsstelle des abgeschiedenen Öls annähernd derselbe Druck wie an der Austrittsstelle des gereinigten Blow-By-Gases aus der Blow-By-Filtereinheit herrscht, kann aus der Höhe des Meniskus der Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit abgelesen und bei bekannter Motorleistung und bekannter Druckabfall-Charakteristik der Blow-By-Filtereinheit auf die aktuelle Blow-By-Rate des Verbrennungsmotors zurückgeschlossen werden. Dies wiederum gibt Auskunft über den Verschleißzustand des Verbrennungsmotors.
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Obwohl das Voraussetzen dieser speziellen Technologie für die Blow-By-Filterung eine erhebliche Einschränkung in der Auswahl und teilweise auch Nachteile hinsichtlich Kosten mit sich bringt, ergeben sich aus der sehr speziellen Kombination der vorgeschlagenen Designmerkmale sehr günstige Gesamteigenschaften, die eventuelle Mehrkosten mehr als kompensieren können.
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Zur Ermittlung des optimalen Maßes für die senkrechte Höhe der Ölabflussleitung zwischen Blow-By-Filtereinheit und Reservoir unter Berücksichtigung der relevanten Einflussgrößen und Erfordernisse wird, wie bereits angeführt, vorgeschlagen, diese Höhe mit einer bekannten System-Randbedingung, nämlich dem Auslegungswert für den Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit bei Volllast sowie bei Neuzustand des Filtermediums durch eine mathematische Korrelation zu verknüpfen, in der Weise, dass dabei nur ein relativ schmales Wertefenster für die freie Parameterwahl zur Verfügung steht.
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Analog wurde die Beziehung zwischen Optimalhöhe auf den inneren mittleren Durchmesser der Ölabflussleitung ermittelt.
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Obwohl bei beiden Fomeln der vorgeschlagene Wertebereich für Hr bzw Hr' nahezu gleich ist, sind sie nicht miteinander verknüpfbar, in der Weise, dass der Durchmesser Di vom Druckabfall Δp abhängig wäre, da die Wertebereiche in beiden Formeln jeweils unabhängig voneinander gewählt werden können.
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Bei beiden Formeln wird die Optimalhöhe Hopt bzw. Hopt' innerhalb einer Schwankungsbreite von nur +/–50 mm an jeweils einen definierten Auslegungsparameter geknüpft. Dies bedeutet zwar eine starke Einschränkung der Auslegungsfreiheit für den Wert für Hopt bzw. Hopt', allerdings ergeben sich genau in diesem Wertebereich in Summe die erwünschten Eigenschaften für das Gesamtkonzept.
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Es erweist sich zudem als sehr vorteilhaft, den Innendurchmesser des Reservoirs größer als 90 mm zu wählen. Damit ist die maximale Absenkung des Ölpegels im Reservoir beim Hochlauf des Verbrennungsmotors auf unter 20 mm begrenzt und die Höhe der Ölsäule in der Ölabflussleitung ist damit relativ präzise mit dem Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit verknüpft.
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Es erweist sich weiters als besonders vorteilhaft, die Mündung (Zuführung) des in der Blow-By-Filtereinheit abgeschiedenen Öles zum Ölkreislauf des Verbrennungmotors an einer Stelle vorzusehen, die sich innerhalb eines Abstandes zwischen 50 mm und 150 mm oberhalb des Ölpegels in der Ölwanne befindet. Die untere Grenze soll gewährleisten, dass das aus dem Überlauf ausfließende Öl frei in die Ölwanne einströmen kann, während umgekehrt das Öl in der Ölwanne auch bei schwankendem Ölpegel nicht in das Reservoir und damit in die Blow-By-Filtereinheit gelangen kann. Die obere Grenze beschränkt die maximale senkrechte Höhe der Ölabflussleitung, sodass entsprechend der Höhen-Verknüpfung der Ölabflussleitung mit dem Druckabfall der Blow-By-Filtereinheit die Blow-By-Filtereinheit so tief wie möglich angeordnet werden kann.
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Auf diese Weise kann die Blow-By-Filtereinheit in den meisten Anwendungsfällen unterhalb des Turboladers des Verbrennungsmotors positioniert werden, was erhebliche Vorteile im Hinblick auf eine optimale Systemintegration bietet.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
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2 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der senkrechten Höhe der Ölabflussleitung vom Druckabfall über der Blow-By-Filtereinheit im Neuzustand des Filtermediums bei Volllast des Verbrennungsmotors.
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In 1 weist die Blow-By-Filtereinheit (1) eine Blow-By-Gas Zuführung (2), eine Austrittsstelle (3) für das gereinigte Blow-By-Gas, einen Ölauslass (4) für die Ableitung des abgeschiedenen Öles auf, wobei dieser Ölauslass (4) am austrittsseitigen Ende (d. h. auf der Seite des Austritts (3) für das Blow-By-Gas angeordnet ist.
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Der Druck am Austrittsstelle (3) für das gereinigte Blow-By-Gas ist dementsprechend annähernd gleich dem Druck am Ölauslass (4) der Blow-By-Filtereinheit (1). Die Verbindungsleistung (6) verbindet die Blow-By-Filtereinheit (1) mit dem Reservoir (7) bzw. externen Syphon. Im oberen Teil dieser Ölabflussleitung (6) ist ein transparentes Rohrstück (5) eingesetzt. Der Überlauf (8) des Reservoirs (7) ist mit dem Verbrennungsmotor (9) verbunden, wobei die Einleitung an einer Stelle erfolgt, die sich zwischen 50 und 150 mm oberhalb des Ölpegels (10) der Ölwanne des Verbrennungsmotors (9) befindet.
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Das in der Blow-By-Filtereinheit (1) abgeschiedene Öl fließt durch die Ölabflussleitung (6) zum Reservoir (7), welches von Beginn weg bis zum Überlauf (8) mit Öl gefüllt ist. Von dort fließt das Öl über den Überlauf (8) in die Ölwanne des Verbrennungsmotors. Der Druck an der Blow-By-Gas Zuführung (2) für die Blow-By-Gas-Zufuhr an der Blow-By-Filtereinheit (1) entspricht dem Druck im Kurbelgehäuse über dem Ölpegel (10) abzüglich des Druckverlustes in der Leitungsführung zwischen Verbrennungsmotor (9) und Blow-By-Filtereinheit (1).
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Der Druck an der Austrittsstelle (3) für das gereinigte Blow-By-Gas und damit am Ölauslass (4) ist um den Betrag des Druckabfalles über der Blow-By-Filtereinheit (1) geringer, und entsprechend dieser Druckdifferenz steigt die Ölsäule in der Ölabflussleitung (6) in Richtung Blow-By-Filtereinheit (1) an.
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Die Auslegungsparameter für das vorgeschlagene Gesamtkonzept sind nun derart aufeinander abgestimmt, dass sich der Meniskus dieser Ölsäule bei Volllast des Verbrennungsmotors (1) etwa in der Mitte des transparenten Rohrstückes (5) befindet. Daraus können durch einfache Sichtkontrolle der Zustand der Blow-By-Filtereinheit (1) beobachtet und Rückschlüsse auf die aktuelle, leistungsabhängige Blow-By-Menge und damit wiederum auf den Verschleißzustand der Kolbengruppe gezogen werden.
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In der Diagrammdarstellung in 2 wird für die Höhe bzw. senkrechte Länge der Ölabflussleitung (6) ein Vergleich zwischen der Erfindung (E) mit dem Stand der Technik (S) hergestellt. Daraus ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene Wertebereich sehr stark vom Stand der Technik abweicht und daher nicht naheliegend ist. Wie bereits oben dargelegt, funktioniert dieser Erfindungsvorschlag am besten unter der Voraussetzung des Einsatzes von Blow-By-Filtereinheiten der beschriebenen Klasse, sowie der gleichzeitigen Verwendung eines Reservoirs bzw. Syphons, des das aus dem Blow-By-Gas abgeschiedene Öl vom Ölkreislauf des Verbrennungsmotors hydraulisch trennt.
