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Die Erfindung betrifft eine Koaleszenzfilterbaugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Dieselmotoren erfordern weniger Wartung und erzeugen Energie auf effizientere Weise und mit weniger Kohlendioxidausstoß als Benzinmotoren. Infolge dessen treiben mehr als dreizehn Millionen Dieselmotoren in den Vereinigten Staaten eine breite Vielfalt von Fahrzeugen und Maschinen an, darunter Lastkraftwagen, Busse, Züge, große Schiffe, Stromgeneratoren, Bagger, Kräne und landwirtschaftliche Maschinen.
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Die Emissionen von Dieselmotoren sind allerdings, auf das einzelne Fahrzeug gesehen, für den Menschen gesundheitsschädlicher als die Emissionen vergleichbarer Benzinmotoren. Obgleich Dieselmotoren in den Vereinigten Staaten nur etwa fünf Prozent (5%) der zugelassenen Straßenfahrzeuge ausmachen, stießen die Dieselmotoren der zugelassenen Straßenfahrzeuge im Jahr 2002 3,4 Millionen Tonnen Stickoxide (NOx) aus: das sind dreizehn Prozent (13%) aller NOx-Emissionen in den Vereinigten Staaten.
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Dementsprechend hat die US-amerikanische Umweltschutzbehörde ”EPA” Vorschriften erarbeitet, die wesentlich strengere Emissionsgrenzwerte für Dieselmotoren von für den Straßenverkehr zugelassenen Lastkraftwagen fordern. Dabei werden die Kurbelgehäusegase den regulierten Emissionen von Dieselmotoren hinzugerechnet. Obgleich schon seit vielen Jahren verschiedene Arten von Filtern in kleinsten Räumen am Motor montiert werden, verlangen die neuen EPA-Emissionsvorschriften, dass Kurbelgehäuseventilationssysteme, Abgasrückführungssysteme (”EGR-Systeme”) und andere Komponenten ebenfalls am Motor montiert werden.
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Der Platz auf der Oberfläche eines Motors hat gegebene Grenzen. Dementsprechend erfordert die Einhaltung der neuen EPA-Emissionsvorschriften, dass am Motor montierte Vorrichtungen die anspruchsvollen Komponentenverdichtungs- und Montagegrenzen überwinden. Zum Beispiel weisen herkömmliche Koaleszenzfilterbaugruppen Hohlräume vor dem Filterelement auf, in denen sich gern Öl und andere flüssige und feste Verschmutzungen vor der Filterung ansammeln. Das Volumen der in solchen Räumen angesammelten Flüssigkeit kann Teile des Filters überschwemmen und Öllecks während des Fahrzeugbetriebes verursachen. Außerdem kann Flüssigkeit, die sich in solchen Hohlräumen angesammelt hat, verschüttet werden, wenn der Filter gewechselt oder der Motor auf andere Weise gewartet wird, wodurch eigentlich simple Wartungsarbeiten gleichermaßen schwierig wie schmutzig werden. Diese Probleme werden durch den zunehmend begrenzten Arbeitsraum verschlimmert, der für den Zugang zu am Motor montierten Vorrichtungen, die den neuen EPA-Vorschriften unterliegen, zur Verfügung steht.
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Es wird darum eine am Motor montierte Koaleszenzfilterbaugruppe benötigt, die Öllecks und verschüttetes Öl während des Betriebes und der Wartung verringert, während sie die Filterleistung und -effizienz im Wesentlichen beibehält. Vorteilhafterweise würde eine solche am Motor montierte Koaleszenzfilterbaugruppe auch die Anforderungen an die Komponentenmontage und -verdichtung erfüllen, die durch die neuen EPA-Vorschriften gestellt werden.
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Bei der bekannten Koaleszenzfilterbaugruppe, von der die Erfindung ausgeht (
DE 196 21 935 A1 ), befindet sich zwischen den Kammern des Koaleszenzfilters ein Teiler in Form eines Stützbleches, das mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist und die Filtermatrix, die dort das Koaleszenzfiltermedium bildet, hinter sich hat.
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Bei diesem Stand der Technik läuft bei vertikaler Anordnung des Stützblechs das gesammelte Öl einfach in den Ölsumpf zurück. Diese Konstruktion funktioniert aber dann nicht mehr, wenn die dortige Filterbaugruppe nicht vertikal, sondern geneigt oder horizontal eingebaut wird. Dann können sich die Öffnungen im Stützblech zusetzen und das Koaleszenzfiltermedium wird überschwemmt.
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Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Koaleszenzfilterbaugruppe anzugeben, bei der auch bei geneigtem oder horizontalem Einbau ungewollte Ölansammlungen in der stromaufwärtigen Kammer vermieden werden.
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Das zuvor aufgezeigte Problem ist bei einer Koaleszenzfilterbaugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Sickerloch, dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen einem und fünf Millimeter beträgt, ermöglicht es, dass eine Flüssigkeitsansammlung in der stromaufwärtigen Kammer zu der stromabwärtigen Kammer sickern kann.
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In einer Ausführungsform enthält die stromaufwärtige Kammer eine mit Durchbrüchen versehene Trennwand, um eine Geschwindigkeit des gasförmigen Stromes zu verlangsamen, wenn er in die stromaufwärtige Kammer eintritt. Die mit Durchbrüchen versehene Trennwand enthält einen Kanal, damit Flüssigkeit durch die Trennwand hindurch sickern kann, um eine Strömungsverbindung zu dem Sickerloch herzustellen. Die Flüssigkeit kann dann mittels eines Ablasses, der mit der stromabwärtigen Kammer verbunden ist, aus der stromabwärtigen Kammer zum Beispiel zu einem Motorkurbelgehäuse abfließen.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen besser verständlich oder ergeben sich aus der praktischen Umsetzung der Erfindung, die im Weiteren dargelegt wird.
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Damit die Vorteile der Erfindung sofort verstanden werden können, wird eine eingehendere Beschreibung der Erfindung, die oben kurz dargelegt wurde, anhand konkreter Ausführungsformen, die in den angehängten Zeichnungen veranschaulicht sind, gegeben. Unter der Prämisse, dass diese Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und darum nicht als ihren Geltungsbereich einschränkend angesehen werden dürfen, wird die Erfindung noch präziser und ausführlicher anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben und erläutert, in denen Folgendes zu sehen ist:
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1 ist eine perspektivische Ansicht von Bestandteilen einer Koaleszenzfilterbaugruppe,
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2 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der internen Komponenten einer Koaleszenzfilterbaugruppe, die den Richtungsfluss von Gas durch sie hindurch zeigt,
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3 ist eine Querschnittsansicht einer Koaleszenzfilterbaugruppe gemäß der Erfindung, die Bereiche zeigen, die zum Ansammeln von Flüssigkeit neigen,
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4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Sickerlochs, das in eine Koaleszenzfilterbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist,
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer umgedrehten Abdeckung, die einen Kanal zeigt, der zwischen der Zugangskammer und der stromaufwärtigen Kammer integriert ist und
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6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer Koaleszenzfilterbaugruppe, die einen Kanal aufweist, der in eine Trennwand der Koaleszenzfilterbaugruppe integriert ist.
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Wenn in dieser Spezifikation von ”einer Ausführungsform” gesprochen wird oder ähnliche Formulierungen verwendet werden, so bedeutet das, dass ein konkretes Merkmal, eine konkrete Struktur oder ein konkretes Charakteristikum, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Wenn also Wendungen wie ”in einer Ausführungsform” und ähnliche Formulierungen in dieser Spezifikation vorkommen, so können sie sich alle auf ein und dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
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Im Sinne dieser Spezifikation meint der Begriff ”koaleszieren” einen Prozess, bei dem eine gasförmige Suspension aus feinen festen oder flüssigen Partikeln mit Fasern in einem Filtermedium in Kontakt kommt, die suspendierten Partikel sich mit anderen eingefangenen Partikeln vereinen und die vereinten Partikel sich als ein Tröpfchen an einer stromabwärtigen Fläche des Mediums absetzen. Der Begriff ”Koaleszenzfilter” oder einfach ”Filter” bezieht sich auf einen Filter oder einen anderen hoch-effizienten Abscheider, der in der Lage ist, mitgerissene Flüssigkeitsaerosole und andere feine Kontaminierungsstoffe aus einem gasförmigen Strom auszutragen. Der Begriff ”gasförmiger Strom” oder ”Gase” bezieht sich auf Luft, Verbrennungsabgase oder -durchblasegase, Kurbelgehäusegase oder sonstige Trägergase für Aerosole, die dem Fachmann bekannt sind.
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Wenden wir uns nun 1 zu. Eine Koaleszenzfilterbaugruppe 100 kann ein Gehäuse 102 umfassen, das zum Verringern des Ansammelns von Flüssigkeiten auf einer stromaufwärtigen Seite eines in ihm angeordneten Koaleszenzfilters geeignet ist. In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse 102 eine dreiteilige Baugruppe, die eine Abdeckung 104, eine Basis 106 und einen Teiler 108 enthält. Der Teiler 108 kann im Wesentlichen den Raum zwischen der Abdeckung 104 und der Basis 106 teilen, wodurch eine stromaufwärtige Kammer 110, die im Wesentlichen zwischen der Abdeckung 104 und dem Teiler 108 angeordnet ist, und eine stromabwärtige Kammer 112, die im Wesentlichen zwischen dem Teiler 108 und der Basis 106 angeordnet ist, gebildet werden. Ein (nicht gezeigtes) Koaleszenzfiltermedium kann in der stromabwärtigen Kammer 112 angeordnet sein, um einen gasförmigen Strom zu filtern.
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Der gasförmige Strom kann in das Gehäuse 102 über einen Einlass 120 eingeleitet werden, der in Strömungsverbindung mit der stromaufwärtigen Kammer 110 steht. Der Einlass 120 kann in eine Wand des Gehäuses 102 integriert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Einlass 120 des Weiteren mit einer Quelle eines ungefilterten Aerosols, wie zum Beispiel einem (nicht gezeigten) Motorkurbelgehäuse, in Strömungsverbindung stehen.
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In einer Ausführungsform enthält die stromaufwärtige Kammer 110 eine Zugangskammer 114 unmittelbar neben dem Einlass 120. Die Zugangskammer 114 kann durch entsprechende Wände 128a, 128b des Abdeckungselements 104 und des Basiselements 106 sowie durch entsprechende Trennwände 116a, 116b, die in die Abdeckung 104 und die Basis 106 integriert sind, definiert werden. Eine Verbindung zwischen entsprechenden Wänden 128a, 128b und entsprechenden Trennwänden 116a, 116b kann durch Dichtungen 134 vermittelt werden, die integral mit dem Teiler 108 ausgebildet sind. Alternativ kann die Zugangskammer 114 durch eine einstückig ausgebildete Trennwand zwischen der Abdeckung 104 und der Basis 106, durch eine unabhängige Kammer in räumlich entfernter Strömungsverbindung mit der stromaufwärtigen Kammer 110 oder durch sonstige dem Fachmann bekannte Mittel definiert werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die Basistrennwand 116b für den gasförmigen Strom im Wesentlichen undurchlässig sein, während die Abdeckungstrennwand 116a Durchbrüche 118 enthalten kann, die den gasförmigen Strom in die stromaufwärtige Kammer 110 lenken. Auf diese Weise kann die Zugangskammer 114 dazu dienen, eine Geschwindigkeit von heranströmenden Gasen, die in die stromaufwärtige Kammer 110 einströmen, zu verlangsamen.
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In einigen Ausführungsformen kann eine kombinierte Trennwand auch dazu dienen, heranströmende Gase im Wesentlichen zu isolieren, um eine Druckmessung der Gase in der Zugangskammer 114 zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann ein Druckmesser 132 in das Gehäuse 102 integriert werden, um mit der Zugangskammer 114 in Strömungsverbindung zu stehen. Der aus der Zugangskammer 114 erhaltene Druckmesswert kann angewendet werden, um einen Druck zum Beispiel innerhalb des Motorkurbelgehäuses oder einer sonstigen Hilfsquelle von heranströmenden Gasen anzunähern sowie um einen Druck innerhalb der Zugangskammer 114 selbst zu ermitteln.
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Der Teiler 108 kann einen oder mehrere Durchgänge 124 umfassen, um einen Gasstrom zwischen der stromaufwärtigen Kammer 110 und der stromabwärtigen Kammer 112 zu ermöglichen. Wie zuvor angesprochen, kann ein (nicht gezeigtes) Koaleszenzfiltermedium in der stromabwärtigen Kammer 112 angeordnet sein und kann in einigen Ausführungsformen mit dem Teiler 108 gekoppelt sein. Auf diese Weise kann das Koaleszenzfiltermedium einen gasförmigen Strom filtern, der durch den Durchgang 124 in einer Richtung von der stromaufwärtigen Kammer 110 zu der stromabwärtigen Kammer 112 hindurchströmt. Ein Auslass 122 kann in das Gehäuse 102 integriert werden und mit der stromabwärtigen Kammer 112 in Strömungsverbindung stehen, damit gefilterte Gase die Koaleszenzfilterbaugruppe 100 verlassen können.
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Der Teiler 108 kann durch Druck oder durch sonstige dem Fachmann bekannte Mittel zwischen der Abdeckung 104 und der Basis 106 gehalten werden. Gleichermaßen kann die Abdeckung 104 mit Hilfe beliebiger dem Fachmann bekannter Befestigungsmittel 130 an der Basis 106 angebracht werden. In einer Ausführungsform kann die Abdeckung 104 an der Basis 106 angeschraubt sein, und der Teiler 108 kann dazwischengeklemmt werden.
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Wenden wir uns nun 2 zu. Gase können durch die Koaleszenzfilterbaugruppe 100 der vorliegenden Erfindung in einer Richtung vom Einlass 120 zum Auslass 122 strömen. Genauer gesagt, kann der Einlass 120 Gase, die von einer Hilfsvorrichtung oder einer Hilfsstelle, wie zum Beispiel einem (nicht gezeigten) Motorkurbelgehäuse, stammen, zu einem gasförmigen Strom 200 fokussieren. Wenn die Koaleszenzfilterbaugruppe 100 eine Zugangskammer 114 enthält, so kann der gasförmige Strom 200 von dem Einlass 120 über die Zugangskammer 114 zu der stromaufwärtigen Kammer 110 strömen. Wie oben besprochen, kann eine Trennwand 116a, die einen Abschnitt der Zugangskammer 114 bildet, Durchbrüche 118 enthalten, die es dem gasförmigen Strom 200 ermöglichen, aus der Zugangskammer 114 zu der stromaufwärtigen Kammer 110 zu strömen. In anderen Ausführungsformen kann der gasförmige Strom 200 direkt von dem Einlass 120 zu der stromaufwärtigen Kammer 110 strömen.
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Ein in den Teiler 108 integrierter Durchgang 124 kann es dem gasförmigen Strom 200 ermöglichen, in die stromabwärtige Kammer 112 einzuströmen. Ein in der stromabwärtigen Kammer 112 angeordnetes Koaleszenzfiltermedium 126 kann einen Fluss des gasförmigen Stromes 200 filtern, während er den Durchgang 124 durchquert. Der gefilterte gasförmige Strom 200 kann dann die Koaleszenzfilterbaugruppe 100 der vorliegenden Erfindung durch den Auslass 122 verlassen.
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Herkömmlicherweise hat der Gasstrom durch eine Koaleszenzfilterbaugruppe 100, wie oben dargestellt, zu einem schwerkraftbedingten Ansammeln von Flüssigkeit stromaufwärts des Koaleszenzfiltermediums 126 geführt. Wenden wir uns nun 3 zu. Die Bereiche der Koaleszenzfilterbaugruppe 100, die für eine stromaufwärtige Flüssigkeitsansammlung besonders anfällig sind, enthalten einen ersten Bereich 300, der sich unter einem Durchgang 124, der in den Teiler 108 integriert ist, befindet, und einen zweiten Bereich 302, der sich in einem niedrigeren Abschnitt der Zugangskammer 114 befindet.
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In dem ersten Bereich 300 kann sich Flüssigkeit infolge von Mikrotröpfchenkondensation auf einer stromaufwärtigen Seite des Teilers 108 ansammeln. In einer Ausführungsform enthält der Teiler 108 mehrere längliche Durchgänge 124, die Kurbelgehäusegasen den Zugang zu einem Koaleszenzfiltermedium 126 ermöglichen, das sich in der stromabwärtigen Kammer 112 befindet. Gase, die in die Durchgänge 124 eintreten, können stark mit Öl und anderen schweren Kohlenwasserstoffen beladen sein. Während Kraftstoffgas vom Motor in der Regel gut verteilt wird, bevor es sich absetzt, sind Kurbelgehäusegase in der Regel weit weniger verdünnt und können lokale Bereiche von hoher Konzentration bilden. Infolge dessen können Mikrotröpfchen von Öl und sonstige flüssige und teilchenförmige Stoffe den Teiler 108 und die Durchgänge 124 überziehen, wenn die Gase damit in Kontakt kommen. Die Mikrotröpfchen können sich in einem ersten Bereich 300 ansammeln, der durch einen unteren Abschnitt der stromaufwärtigen Kammer 110 definiert wird, und können möglicherweise die Durchgänge 124 und/oder das damit in Kontakt stehende Koaleszenzfiltermedium 126 überschwemmen.
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In dem zweiten Bereich 302 kann sich Flüssigkeit in einer ähnlichen Weise ansammeln. Zum Beispiel können in einer anderen Ausführungsform Gase, die in die Zugangskammer 114 eintreten, mit Öl und anderen flüssigen oder teilchenförmigen Kontaminanten gesättigt sein. Das Öl und die sonstigen Kontaminanten können an den Trennwänden 116a, 116b und/oder anderen Wänden der Zugangskammer 114 kondensieren und sich schließlich in dem zweiten Bereich 302 ansammeln. Eine solche Ansammlung kann zu starken Verunreinigungen durch Verschütten führen, wenn das Koaleszenzfiltermedium 126 ausgewechselt oder die Koaleszenzfilterbaugruppe 100 auf sonstige Weise gewartet wird.
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Wenden wir uns nun 4 zu. Ein Sickerloch 400 kann in dem Teiler 108 angeordnet sein, damit eine Ansammlung von Flüssigkeit in dem ersten Bereich 300 von der stromaufwärtigen Kammer 110 zu der stromabwärtigen Kammer 112 sickern kann. Auf diese Weise kann das Sickerloch 400 Verluste bei der Filtrationsleistung verringern, die daraus resultieren, dass Flüssigkeit Abschnitte des Durchgangs 124 und des Koaleszenzfiltermediums 126 überschwemmt.
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Das Sickerloch 400 kann einen Durchmesser zwischen einem und fünf Millimeter umfassen, wobei der Durchmesser des Sickerlochs 400 so gewählt werden kann, dass das Absickern von Flüssigkeit unterstützt wird, während Verluste bei der Filtrationsleistung begrenzt werden, die daraus resultieren, dass Gase die Durchgänge 124 und das Koaleszenzfiltermedium 126 umgehen. In einer Ausführungsform kann das Sickerloch 400 im Wesentlichen neben Dichtungen 404 ausgebildet sein, die eine Unterkante 406 des Teilers 108 zwischen der Abdeckung 104 und der Basis 106 abdichten. In anderen Ausführungsformen kann das Sickerloch 400 in der Nähe einer Unterkante 406 des Teilers 108 oder an einer sonstigen dem Fachmann bekannten Stelle angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform entspricht die Unterkante 406 des Teilers 108 im Wesentlichen einer Unterkante der stromaufwärtigen Kammer 110 und ist im Wesentlichen bogenförmig, wobei der niedrigste Punkt des Bogens im Wesentlichen der Position des Sickerlochs 400 entspricht. Diese Bauweise unterstützt ein effizientes Entfernen von Flüssigkeitsansammlungen in der stromabwärtigen Kammer 112. Flüssigkeitsansammlungen aus dem gasförmigen Strom können sich praktisch in Richtung des Sickerlochs 400 ansammeln und durch das Sickerloch 400 zu der stromabwärtigen Kammer 112 sickern. In einigen Ausführungsformen kann ein Abfluss 402 mit der stromabwärtigen Kammer 112 gekoppelt sein, um darin angesammelte Flüssigkeit in ein Motorkurbelgehäuse oder einen anderen dem Fachmann bekannten externen Ort zu entleeren.
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Wenden wir uns nun 5 und 6 zu. Flüssigkeitsansammlungen in dem zweiten Bereich 302 können durch einen Kanal 500 verringert werden, der zu dem Zweck ausgebildet ist, einen Flüssigkeitszugang zwischen der Zugangskammer 114 und der stromaufwärtigen Kammer 110 zu ermöglichen. Genauer gesagt, kann der Kanal 500 in einem am tiefsten gelegenen Abschnitt der Trennwand 116b, welche die Zugangskammer 114 von der stromaufwärtigen Kammer 110 trennt, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform entspricht der Kanal 500 im Wesentlichen einer Unterkante 502 der Zugangskammer 114, wodurch ein Abfließen von Flüssigkeit, die sich in der Zugangskammer 114 angesammelt hat, zu der stromaufwärtigen Kammer 110 optimiert wird.
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In einer anderen Ausführungsform, wie am besten durch 6 dargestellt, kann der Kanal 500 Flüssigkeit aus der Zugangskammer 114 zu einer Position in der stromaufwärtigen Kammer 110 im Wesentlichen neben ihrer Unterkante lenken. Wie oben besprochen, kann die Unterkante der stromaufwärtigen Kammer 110 im Wesentlichen der Unterkante 406 des Teilers 108 entsprechen. Des Weiteren können die Unterkanten des Teilers 108 und der stromaufwärtigen Kammer 110 im Wesentlichen bogenförmig sein, so dass der Kanal 500 mit dem Sickerloch 400 zusammenwirken kann, um ein effizientes Ablaufen von Flüssigkeit zu optimieren.
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Genauer gesagt, kann Flüssigkeit, die sich in der Zugangskammer 114 angesammelt hat, durch den Kanal 500 fließen und an einer unteren Ecke der stromaufwärtigen Kammer 110 austreten, wo die untere Ecke der stromaufwärtigen Kammer 110 oberhalb der Position des Sickerlochs 400 angeordnet ist. Die bogenförmige Unterkante der stromaufwärtigen Kammer 110 kann dann passiv die Flüssigkeit in Richtung des Sickerlochs 400 drängen, von wo aus sie in die stromabwärtige Kammer 112 fließen kann. Auf diese Weise wirken der Kanal 500 und das Sickerloch 400 zusammen, um effizient und effektiv eine Flüssigkeitsansammlung stromaufwärts des Koaleszenzfiltermediums 126 zu verringern.
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In einigen Ausführungsformen kann die stromabwärtige Kammer 112 einen Trichter oder eine andere Form umfassen, die in der Lage ist, die angesammelte Flüssigkeit zu einem daran gekoppelten Abfluss 402 zu lenken. Die Flüssigkeit kann über den Abfluss 402 zu einer externen Stelle oder einer sonstigen dem Fachmann bekannten Stelle kanalisiert werden.
