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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff aus
einem Tank in den Druckspeicher eines Kraftstoffeinspritzsystems
für einen
Verbrennungsmotor, gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Bevorzugtes, jedoch nicht ausschließliches
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Kraftstoffeinspritzsysteme für Verbrennungsmotoren
in Kraftfahrzeugen.
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Zum
Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume eines Verbrennungsmotors,
insbesondere eines Dieselmotors, sind in den letzten Jahren sogenannte "Common-Rail"-Systeme entwickelt
und gebräuchlich
geworden, bei denen die Kraftstoffinjektoren an den Brennräumen des
Motors aus einem gemeinsamen Speicher ("Rail")
versorgt werden, der den einzuspritzenden Kraftstoff, z.B. Dieselöl, unter einem
hohen Druck von etwa 1500 bar und mehr enthält. Die zur Speisung des Druckspeichers
verwendete Hochdruckpumpe empfängt
den Kraftstoff üblicherweise
von einer in das System integrierten Vorförderpumpe, die den Kraftstoff über ein
Kraftstoff-Filter aus dem drucklosen Tank ansaugt und ihn auf einen
niedrigen Druck vorverdichtet. Beide Pumpen werden üblicherweise
von der Welle des Verbrennungsmotors angetrieben. Ein derartiges
gattungsgemäßes Einspritzsystem
für Brennkraftmaschinen ist
beispielsweise aus
DE
197 42 180 C2 bekannt.
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Bei
längerem
Stillstand des Motors und damit auch der Kraftstoff-Fördereinrichtung
kann es vorkommen, daß sich
der Niederdruckteil der Fördereinrichtung
entleert. Bereits geringfügige
Undichtigkeiten im Zuleitungssystem vom Tank zur Vorförderpumpe,
etwa eine kleine Undichtigkeit am Kraftstoff-Filter, kann bei längerer Betriebsruhe zum Trockenfallen
der Vorförderpumpe
führen.
Bei Kraftfahrzeugen ist mit einer Entleerung des Niederdrucksystems
zu rechnen, wenn eine Tank leerfahrtstattgefunden hat. Auch nach
einem Wechsel des Kraftstoff-Filters kann das Niederdrucksystem
trocken fallen.
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Bei
einem trockenen bzw. entleerten Niederdruckteil sind die üblichen
Common-Rail-Systeme mit integrierter Vorförderpumpe oft nicht in der
Lage, diesen Teil der Fördereinrichtung
wiederzubefüllen. Ursache
hierfür
ist die meist zu geringe Saugleistung der Vorförderpumpe im unbenetzten Zustand
und geringe Startdrehzahlen, insbesondere wenn es sich um eine Flügelzellenpumpe
handelt, wie sie häufig
in solchen Systemen als integrierter Bestandteil der Kraftstoff-Fördereinrichtung
eingesetzt wird.
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Das
vorstehend beschriebene Problem macht, wenn keine besondere Abhilfe
geschaffen wird, den Erststart oder den Wiederstart nach längerem Stillstand
(oder nach einer Tankleerfahrt bei einem Kraftfahrzeug) sowie generell
den Wiederstart nach entleertem Kraftstoff-Filter (z.B. nach Filterwechsel)
unmöglich.
Als Abhilfe ist es bekannt, den Niederdruckteil eines Common-Rail-Systems
mit einer zusätzlichen
In-Tank-Pumpe zu versehen, die bei eingeschalter Zündung Kraftstoff
mit geringem Überdruck
aus dem Tank in den Vorlauf hinein und so die Luft heraus drückt.
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Die
DE 40 25 544 A1 offenbart
darüber
hinaus eine Absauganlage, die dazu dient, das Kraftstoffsystem zu
entlüften,
indem die Kraftstoffdämpfe aus
dem Kraftstofftank abgesaugt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gegenüber dem vorstehend erwähnten Stand der
Technik alternative Lösung
vorzusehen, um den Niederdruckteil eines Common-Rail-Einspritzsystems
mit Kraftstoff zu füllen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch
die im Patentanspruch 1 beschriebene Ausbildung einer Kraftstoff-Fördereinrichtung
erreicht.
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Gegenstand
der Erfindung ist demnach eine Fördereinrichtung
zum Fördern
von Kraftstoff aus einem Tank in den Druckspei cher eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems
für einen
Verbrennungsmotor, mit einer den Druckspeicher speisenden Hochdruckpumpe
und einer den Kraftstoff aus dem Tank über ein Zuleitungssystem ansaugenden
und an den Einlaß der
Hochdruck pumpe liefernden Vorförderpumpe.
Erfindungsgemäß ist am
Strömungsweg
des Kraftstoffs zwischen dem Zuleitungssystem und dem Einlaß der Hochdruckpumpe
ein Abzweig vorgesehen, der über
einen gasförmiges
Medium durchlassenden und Flüssigkeit
rückhaltenden Absaugweg
mit der Unterdruckseite einer gesonderten Saugvorrichtung verbunden
ist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Als Saugvorrichtung kann eine elektrische Unterdruckpumpe verwendet
werden, die beim Starten des Motors automatisch in Betrieb gesetzt
wird. Dies kann eine eigens für
den erfindungsgemäßen Zweck
zusätzlich
eingebaute Pumpe sein. Der Einbau einer zusätzlichen Pumpe kann entfallen, wenn
man den besagten Abzweig der Fördereinrichtung
mit einem ohnehin vorhandenen Unterdruckbereich verbindet, etwa
mit dem Ansaugrohr des Verbrennungsmotors. Im Falle eines Kraftfahrzeuges kann
hierzu der Unterdruckbereich eines im Fahrzeug enthaltenen Bremskraftverstärkers herangezogen
werden, vorzugsweise wenn dieser eine elektrisch betriebene Unterdruckpumpe
aufweist.
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Die
Erfindung und besondere Ausgestaltungsmerkmale werden nachstehend
an Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt in vereinfachter
schematischer Darstellung den Aufbau eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems
mit einer Kraftstoff-Fördereinrichtung,
die gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ausgebildet ist.
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2 zeigt schematisch den
die Absaugvorrichtung bildenden Teil der Fördereinrichtung mit einem schaltenden
Ventil im Absaugweg.
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3 zeigt in einer Schnittansicht
eine besondere Ausführungsform
des im Absaugweg vorzusehenden Ventils.
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4 zeigt schematisch den
die Absaugvorrichtung bildenden Teil der Fördereinrichtung mit einem elektrisch
gesteuerten Schaltventil im Absaugweg.
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5 zeigt in vereinfachter
schematischer Darstellung den Aufbau eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems
mit einer herkömmlich
ausgebildeten Kraftstoff-Fördereinrichtung.
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche oder einander entsprechende
Teile mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
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Es
sei zunächst
die 5 betrachtet, die schematisch
den allgemeinen Aufbau eines nach dem Stand der Technik ausgebildeten
Common-Rail-Systems zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor
zeigt. Wie in dieser Figur dargestellt, wird bei einem derartigen
System durch eine Vorförderpumpe 10,
vorzugsweise eine Flügelzellenpumpe,
Kraftstoff über
ein Zuleitungssystem, das Fluidleitungen 4, 5 und
einen dazwischengeschalteten Kraftstoff-Filter 6 enthält, aus
dem Tank 11 gefördert
und einer Hochdruckpumpe 12 zugeführt. Ein Vordruckregler 7 führt die Überschuß-Fördermenge der
Vorförderpumpe 10 aus
dem Zulauf der Hochdruckpumpe 12 zurück in den Zulauf der Vorförderpumpe 10.
Die Hochdruckpumpe 12, üblicherweise eine
Radialkolbenpumpe mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten, verdichtet den Kraftstoff
und führt
ihn einem als Rail bezeichneten Druckspeicher 13 zu. Injektoren 14 entnehmen
diesem Druckspeicher den Kraftstoff und spritzen ihn in die Brennräume des
Motors (nicht gezeigt) ein.
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Zur
Schmierung und Kühlung
der Hochdruckpumpe 12 wird üblicherweise ein bestimmter Teilvolumenstrom
der Vorförderpumpe 10 benutzt. Die
Größe dieses
Spülstroms
wird durch eine Spüldrossel 17 bestimmt.
Parallel zur Spüldrossel 17 ist eine
zur Entlüftung
dienende Feinstdrossel 18 angeordnet. Eine Druckbegrenzung
im Druckspeicher 13 erfolgt über ein Druckregelventil 16.
Dieses Ventil und ein die Fördermenge
zur Hochdruckpumpe begrenzendes Volumenstromregelventil 15 wird
mittels einer elektronischen Steuereinheit 20 (ECU) gesteuert,
abhängig
von jeweiligen Betriebszuständen
des Motors und von benutzerseitigen Sollvorgaben sowie abhängig vom
Istdruck im Druckspeicher (Rail) 13, der über einen
Sensor mit Druck/Spannungs-Wandler 21 gemessen wird.
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Aus
energieökonomischen
Gründen
wird versucht, die Absteuermenge am Druckregelventil 16 so
gering wie möglich
zu halten. Hierzu wird mit Hilfe des Volumenstromregelventils 15 nur
ein begrenzter Volumenstrom zur Hochdruckpumpe 12 durchgelassen.
Dadurch entspricht die geförderte
und verdichtete Kraftstoffmenge dem tatsächlichen Bedarf.
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Wie
weiter oben erwähnt,
gibt es bei den üblichen
Anwendungen von Common-Rail-Einspritzsystemen Situationen, in denen
der die Zuleitungen 4 und 5, den Filter 6 und
die Vorförderpumpe 10 enthaltende
Niederdruckteil der insgesamt mit 1 bezeichneten Fördereinrichtung
trockenfällt
und die Saugleistung der Vorförderpumpe
nicht ausreicht, diesen Teil wieder mit Kraftstoff zu füllen. Zur
Bewältigung
dieses Problems ist erfindungsgemäß eine zusätzliche Saugvorrichtung an
einem geeigneten Ort im Niederdruckteil angeschlossen. Die 1 zeigt schematisch als
Ausführungsbeispiel
eine diesbezügliche
Ergänzung
bzw. Abwandlung des in 5 dargestellten
Common-Rail-Systems.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1, die beispielsweise
für den
Einsatz des Common-Rail-Systems in Kraftfahrzeugen konzipiert ist, wird
für die
zusätzliche
Saugvorrichtung die Unterdruckpumpe 32 des Bremskraftverstärkers 33 genutzt,
welche durch einen Elektromotor 31 angetrieben wird. Hierzu
ist ein Bereich der Bremskraftverstärkeranlage, der unter einem
von der Unterdruckpumpe 32 erzeugten Unterdruck steht,
im dargestellten Fall ein Ort in der Verbindung zwischen Unterdruckpumpe 32 und
Bremskraftverstärker 33,
mit einem Abzweig 36 am Niederdruckteil der Fördereinrichtung
des Common-Rail-Systems ver bunden. Im Wege dieser letztgenannten
Verbindung befindet sich zwischen zwei Leitungsabschnitten 34 und 35 eine
Membran 40, die für
Luft und Dämpfe
durchlässig,
für flüssigem Kraftstoff
jedoch undurchlässig
ist; vorzugsweise wird hierzu eine ölabweisende Membran verwendet.
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Der
Abzweig 36 im Niederdruckteil der Fördereinrichtung 1 liegt
bei der Ausführungsform
nach 1 in Flußrichtung
hinter der Vorförderpumpe 10 und
vor dem Volumenstromregelventil 15 der Hochdruckpumpe 12.
Bei oder vor dem Starten des Verbrennungsmotors wird der Elektromotor 31 und
damit die Unterdruckpumpe 32 in Betrieb gesetzt, z.B. durch
das Einschalten der Zündung
oder Betätigen des
Anlassers des Kraftfahrzeuges. Hierdurch entsteht auch im Leitungsabschnitt 34 ein
Unterdruck, der über
die Membran 40, den Leitungsabschnitt 35 zum Abzweig 36 und
von dort über
die Vorförderpumpe 10 und
den Kraftstoff-Filter 6 bis zu der in den Tank 6 reichenden
Fluidleitung 4 wirkt. Dieser Unterdruck saugt Luft oder
Dämpfe
ab, soweit sie im Niederdruckteil vorhanden sind, und zieht gleichzeitig flüssigen Kraftstoff
aus dem Tank in das Zuleitungssystem 4, 5, 6 der
Vorförderpumpe 10 und
in diese Pumpe selbst.
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Wenn
also die Vorförderpumpe 10 zum
Startzeitpunkt trocken liegt, führt
die vorstehend beschriebene zusätzliche
Saugvorrichtung am Abzweig 36 dazu, daß diese Pumpe 10 benetzt
wird und somit ihre volle Saugleistung entfalten kann. Ferner gewährleistet
die Lage des Abzweigs 36 in Flußrichtung hinter der Vorförderpumpe 10,
daß der
Zulauf der Hochdruckpumpe 12 auch im laufenden Betrieb
stets vollständig
entlüftet
wird, so daß die
bei bekannten Systemen gemäß der 5 verwendete Entlüftungsdrossel 18 entfallen
kann.
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Die
Membran 40, die im Absaugweg hinter dem Abzweig 36 angeordnet
ist, dient dem Schutz der Unterdruckpumpe 32 vor Kraftstoffeintritt.
Anstelle der Membran 40 kann auch ein Absperrorgan und eine
Fühleinrichtung
verwendet werden, die den Entlüftungszustand
am Abzweig 36 oder im Leitungsabschnitt 35 detektiert,
um das Absperrorgan nur während
des Vorliegens eines nicht-entlüfteten
Zustandes offenzuhalten.
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Diese
Funktion kann durch ein selbsttätiges Ventil
erfüllt
werden. Hierzu ist z.B. ein Schwimmer-Nadel-Ventil geeignet, dessen
Schwimmer durch einströmenden
flüssigen
Kraftstoff so bewegt wird, daß die
Ventilnadel in Schließposition
bringt. Auch kann eine Anordnung verwendet werden, wie sie schematisch
in den 2 und 3 dargestellt ist.
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Gemäß 2 ist der Abzweig 36 über den Leitungsabschnitt 35 und
eine Drossel 51 mit der Kammer eines Ventils 50 verbunden,
das durch eine Feder 52 in geöffnete Stellung vorgespannt
ist. Der Steuermechanismus des Ventils 50 ist so ausgelegt, daß der in
Flußrichtung
vor der Drossel 51 herrschende Druck auf den Ventilkörper eine
Kraft im Sinne einer Ventilschließung ausübt und daß der am Ventilauslaß herrschende
Druck auf den Ventilkörper eine
entgegengesetzte Kraft ausübt.
Dies ist mit den gestrichelten Linien in 2 symbolisch angedeutet. Das Ventil 50 wird
also gesteuert durch den Druckgradienten zwischen der Eingangsseite
der Drossel 51 und dem Ventilauslaß. Solange gasförmiges Medium
(z.B. Luft und/oder Dampf) durch die Drossel 51 zum Ventilauslaß strömt, reicht
der besagte Druckgradient nicht aus, um das Ventil 50 gegen
die Kraft der Feder 52 zu schließen. Sobald jedoch flüssiger Kraftstoff
erscheint, ergibt sich ein erhöhter
Staudruck am Eingang der Drossel 51, so daß der besagte
Druckgradient ansteigt und das Ventil 50 schließt.
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Das
Ventil 50 und die Drossel 51 können in einer einzigen Einheit
integriert sein; eine diesbezügliche
Ausführungsform
zeigt die 3. Wie dort
in einer Schnittansicht dargestellt, befindet sich in einer von
einem Gehäuse 53 umschlossenen
Kammer zwischen einer Einlaßöffnung 55 und
einer Auslaßöffnung 56 ein
Ventilkolben 54. Zwischen einem nahe dem Einlaß 55 liegenden
Teil des Ventilkolbens 54 und der Gehäu sewand befindet ein relativ
enger Ringspalt 51, der eine Drossel bildet. Das dem Auslaß 56 zugewandte
Ende des Ventilkolbens 56 kann sich dichtend gegen die
Kraft der Feder 52 auf einen im Gehäuse gebildeten Ventilsitz legen,
um den Weg zum Auslaß 56 zu
versperren. Diese Sperrung erfolgt selbsttätig, wenn der Druckgradient
zwischen Einlaß 55 und
Auslaß 56 und
somit die Differenz der Drücke auf
die entgegengesetzten Wirkflächen
des Kolbens ein bestimmtes Maß übersteigt.
Die Spannkraft der Feder 52 und die "Drossel" sind so dimensioniert, daß diese
Bedingung nur beim Eintritt von flüssigem Kraftstoff erfüllt wird.
Die Drossel kann auch durch einen Kanal im Ventilkolben 54 oder
im Gehäuse 53 gebildet
sein.
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Anstelle
der Membran 40 oder der in den 2 und 3 dargestellten
Ventilanordnung kann auch ein geschaltetes Ventil benutzt werden,
dessen Ansteuerung elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen
kann. Als Fühleinrichtung
sind hierbei z.B. Feuchte- oder Luftsensoren verwendbar, die den Entlüftungszustand
detektieren. Die 4 zeigt
als Beispiel ein zwischen die Leitungsabschnitte 35 und 34 eingefügtes elektromagnetisches
Ventil 60 und einen im eingansseitigen Leitungsabschnitt 35 sitzenden
Feuchtesensor (oder einen Luftsensor) 61, dessen Fühlsignal über die
in 2 dargestellte elektronische
Systemsteuereinheit 20 das Ventil 60 nur dann
schließt,
wenn der Sensor 61 das Vorhandensein von flüssigem Kraftstoff
im Leitungsabschnitt 35 fühlt.
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Die
Verwendung eines elektrisch geschalteten Ventils hat den Vorteil,
daß eine
Schließung
des Absaugweges zusätzlich
in bestimmten Sonderfällen möglich ist.
Ein derartiger Sonderfall ist gegeben, wenn sich bei einer Tankleerfahrt
des Kraftfahrzeuges die Welle des Verbrennungsmotors dreht. In dieser
Situation, etwa bei einer Talfahrt mit leerem Tank, fördern die
Vorförderpumpe 10 und
die Hochdruckpumpe 12, wenn sie wie üblich mit der Motorwelle angetrieben
werden, nur Luft. Wenn während
dieser Zeit der Abzweig 36 ständig mit dem Unterdruckbereich
des Bremskraftverstärker-Anlage
verbunden ist, kann die Wirksamkeit dieser Anlage schwinden, falls
die Förderleistung
der Unterdruckpumpe 31 nur für die Bremskraftverstärkung ausgelegt
ist. In solchen Fällen
ist es günstig,
Maßnahmen
zu treffen, um das Ventil 60 zu schließen, wenn die Gefahr eines Verlustes
der Bremskraftverstärkung
droht. Detektierbare Kriterien für
diese Schließung
können
unter anderem folgende sein, einzeln oder in ausgewählter Verknüpfung: außergewöhnlich schwacher
Unterdruck am Bremskraftverstärker
(etwa über
längere Dauer);
außergewöhnlich geringer
Druck im Rail 13; Drehung der Laufräder; kein Startbetrieb (Zündschlüsselstellung,
Motordrehzahl höher
als Startdrehzahl, Kupplungszustand); leerer Tank. Diese Kriterien
können über geeignete
Sensoren gefühlt
und an die Steuereinheit 20 gemeldet werden, um eine Schließung des
Ventils 60 zu veranlassen.
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Neben
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, die lediglich
als Beispiele dienen, sind natürlich
auch andere Varianten und Weiterbildungen der Erfindung möglich. Zum
Absaugen von Gas am Abzweig 36 können auch beliebige andere Drucksenken
als die Unterdruckpumpe 31 eines Bremskraftverstärkers verwendet
werden, z.B. der Unterdruckbereich eines anderen Servosystems (etwa
der Lenkhilfe), das Ansaugrohr des Verbrennungsmotors oder eine
eigene, vorzugsweise elektrische Unterdruckpumpe.
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Der
Abzweig 36 im Niederdruckteil der Kraftstoff-Fördereinrichtung 1 kann
auch an anderer Stelle als, wie in 1 gezeigt,
zwischen Vorförderpumpe 10 und
dem Volumenstromregelventil 15 vorgesehen werden, z.B.
in Flußrichtung
hinter diesem Ventil 15. Der mit der Erfindung angestrebte
Erfolg kann unter Umständen
sogar erreicht werden, wenn der Abzweig in Fußrichtung noch vor der Vorförderpumpe 10,
aber hinter einem wesentlichen Teil des Zuleitungssystems 4, 5, 6 liegt,
vorzugsweise hinter einem etwa vorhandenen Kraftstoff-Filter 6.
Dies ist natürlich
nur dann sinnvoll, wenn die im trockenen Zustand verminderte Saugleistung
der Vorförderpumpe
ausreicht, Kraftstoff aus dem bereits bis zum Ort des Ab zweigs gefüllten Zuleitungssystem
zu ziehen, etwa aus dem bereits gefüllten Filter.
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Im übrigen empfiehlt
es sich in jedem Fall, das aus dem Abzweig 36 abgesaugte
Medium in einen Bereich oder Zustand zu überführen, in dem Kraftstoffdämpfe nicht
stören
bzw. ausgefiltert sind, z.B. durch Einleitung in das Saugrohr des
Verbrennungsmotors oder durch Ausleitung über ein Aktivkohlefilter an
die äußere Atmosphäre.