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Diese Erfindung betrifft einen Separator, der so ausgebildet
ist, daß er mitgerissenes Wasser von einem Luftstrom
entfernt, der von der umgebenden Atmosphäre gezogen und dazu
verwendet wird, adsorbierten Kraftstoffdampf aus einem
Speicherbehälter abzuführen oder auszuspülen.
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Fahrzeugkraftstoffsysteme haben lange mit aktiviertem
Kohlenstoff gefüllte Behälter verwendet, um vorübergehend
Kraftstoffdämpfe zu halten, die in früheren Jahren einfach
abgelassen worden wären. Die gespeicherten Dämpfe werden vom
Kohlenstoff desorbiert, wenn der Motor läuft, indem ein
Leitungsvakuum verwendet wird, um frische Luft von der
umgebenden Atmosphäre durch den Behälter und schließlich zum
Motor zur Verbrennung zu ziehen. Dieser Prozeß wird im
allgemeinen als Reinigen oder Abführen und die gezogene Luft als
Reinigungs- oder Abführluft bezeichnet.
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Um eine maximale Reinigungseffizienz zu erzielen, kann
Reinigungsluft nicht mit einer konstanten Strömungsrate
eingezogen werden. Statt dessen werden verschiedene
Computersteuerungen und Ventile verwendet, um Reinigungsluft mit der
maximalen Rate zu ziehen, die durch den Motor unter den
bestimmten Bedingungen gehandhabt werden kann. Da es einen
bekannten Gesamtbereich zwischen einer maximalen und einer
minimalen Reinigungsströmungsrate gibt, variiert die
tatsächliche Rate kontinuierlich.
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Ein weiterer Faktor, der potentiell die Effizienz
beeinträchtigen kann, besteht darin, daß der Reinigungsstrom
tatsächlich mehr als nur Luft darstellen und einen signifikanten
Prozentsatz an mitgerissenem Wasser in Form eines feinen
Nebels oder Tröpfchen enthalten kann. Während dies
augenscheinlich
kein gut erkanntes Problem darstellt, ist es bekannt,
daß Wasser im Kohlenstoffbehälter nachteilig dessen
Kraftstoffdampfadsorptionskapazität beeinflussen kann. In Zukunft
sind möglicherweise noch größere Kohlenstoffbehälter an
Stellen im Fahrzeug zu tragen, wo sie größeren Prozentsätzen von
Wasser im Reinigungsluftstrom ausgesetzt sind.
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Das allgemeine Problem der Separation mitgerissenen Wassers
ist auf dem Gebiet der Gasreinigung erkannt. Separatoren vom
Louver-Typ sind bekannt, die den Strom über ein Feld von
Leisten auf eine solche Weise laufen lassen, daß er auf die
Oberfläche der Leisten prallt. Das mitgerissene Wasser wird
vom Strom abgestreift, wobei es sich auf der Oberfläche der
Leisten sammelt. Es ist herausgefunden worden, daß es eine
optimale Strömungsgeschwindigkeit gibt, im Bereich von 2,13
bis 3,05 Meter pro Sekunde (7-10 Fuß pro Sekunde), bei der
das abgestreifte und gesammelte Wasser nicht wieder durch
den vorbei laufenden Strom aufgenommen wird. Daher ist es
relativ einfach, die Ausrüstung so zu entwerfen, daß der Strom
mit der optimalen Geschwindigkeit eingezogen wird. Jedoch
ist dies, wie oben bemerkt, in
Fahrzeugverdunstungssteuerungssystemen, wo die Strömungsrate variiert, nicht
durchführbar.
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Die US-A-4,175, 937 offenbart einen
Gasverunreinigungsseparator zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren, der eine
Vielzahl von Verunreinigungsseparationsstufen enthält, die
durch eine Vielzahl von Prall- oder Ablenkplatten gebildet
sind, die eingeschränkte Strömungsbereiche unterschiedlicher
Größen erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung strebt danach, einen verbesserten
Separator zu schaffen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Separator zum Entfernen mitgerissenen Wassers von einem
Luftstrom geschaffen, wie in Anspruch 1 spezifiziert.
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Das Vorsehen von einschränkenden Lücken unterschiedlicher
Größen ermöglicht, daß eine im wesentlichen optimale
Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, um im wesentlichen die
optimale Separation von Wasser über eine Vielfalt von
Luftströmungsraten zu schaffen.
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Die einschränkenden Lücken nehmen in der Richtung des
Luftstroms in der Größe ab, und der Separator ist so angeordnet,
daß abgetrennte Wassertröpfchen sich zurück auf den Einlaß
des Separators zu und aus diesem heraus bewegen. Bei dieser
Anordnung von einschränkenden Lücken werden die abgetrennten
Wassertröpfchen mit einer sich allmählich reduzierenden
Luftströmungsgeschwindigkeit konfrontiert, und es gibt somit
im wesentlichen keine Möglichkeit, daß die Wassertröpfchen
erneut in den Luftstrom hinein mitgerissen werden.
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Die Erfindung kann einen Separator zum Entfernen
mitgerissenen Wassers von einem Reinigungsluftstrom schaffen, der über
eine Vielfalt von Einströmgeschwindigkeiten wirksam ist.
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In der nachstehend beschriebenen Ausführungsform weist der
Separator eine Einströmkammer in Form eines Kastens mit
offenem Ende auf, der am Fahrzeugkörper fixiert ist, wobei das
offene Ende unten ist. Eine Reinigungsröhre öffnet sich
durch das obere Ende des Kastens, und ein Reinigungsvakuum
wird daran angelegt, um einen Reinigungsstrom von der
Umgebung durch das untere Ende zu ziehen. Eine Serie von vier
nach unten geneigten Finnen oder Rippen ist integral im
Innern des Kastens ausgebildet, und zwar jeweils mit einer
freien Kante, die bewußt kurz vor einer gegenüberliegenden
Seitenwand endet, wodurch eine einschränkende Lücke erzeugt
wird. Die Finnen sind verschachtelt oder verzahnt und
versetzt vorgesehen, so daß sich die nächste Finne in der Serie
oberhalb einer Lücke befindet. Die Finnen sind sukzessiv
länger, so daß die Lücken, die sie erzeugen, von unten nach
oben kleiner werden. Jede Lücke ist so gewählt, daß ihre
Fläche, für irgendeinen Unterbereich einer eintretenden
Strömungsrate, die Strömung auf näherungsweise die optimale
Geschwindigkeit zur Wasserseparation beschleunigt.
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Im Betrieb, wenn die Reinigung beginnt, wird ein Strom von
der Umgebung eingezogen, und zwar je nachdem, welche
Strömungsrate das Reinigungsprogramm verlangt. Der
Reinigungsstrom tritt in das offene Kastenende ein und läuft dann nach
oben und um die Finnen der Reihe nach herum, und zwar auf
einem gewundenen, serpentinenartigen Weg, wobei er durch jede
sukzessive Lücke verläuft, bevor er die Reinigungsleitung am
Oberteil erreicht. Die Unterseite jeder Finne ist dem
Luftstrom ausgesetzt, der an der Kante der Finne darunter
vorbeistreicht, welcher kraftvoll auf diese prallt. Der
eintretende Strom wird beschleunigt, während er durch jede
sukzessiv kleinere Lücke verläuft. Aufgrund der Art und Weise, in
der die Lücken bewußt bemessen sind, nähert sich an
irgendeinem Punkt die Strömungsgeschwindigkeit der optimalen
Separationsgeschwindigkeit, und die mitgerissenen Wassertröpfchen
sammeln sich auf der Unterseite der gerade darüber liegenden
Finne. Infolge der abwärts gerichteten Finnenneigung kann
angesammeltes Wasser nach unten abfließen, und zwar
entgegengesetzt zur Reinigungsströmungsrichtung. Da es einer immer
langsameren Strömung zugewandt ist, wird das abfließende
Wasser nicht erneut mitgerissen und kann einfach aus dem Boden
herausfallen.
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Mit der Erfindung ist es daher möglich, mitgerissenes Wasser
aus dem Reinigungsstrom in einen
Fahrzeugkraftstoffdampfbehälter hinein zu entfernen. Sie kann außerdem einen
Separator
schaffen, der nicht davon abhängt, daß eine einzelne,
konstante Einströmrate zum Separator vorgesehen ist.
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Die Erfindung kann außerdem einen Separator schaffen, der
eine Serie von Finnen, auf welche die Strömung sukzessiv
prallt, und eine Serie von sukzessiv abnehmenden Lücken
verwendet, durch welche die Strömung verlaufen muß, wobei
sukzessiv die Strömung beschleunigt wird, so daß erwartet
werden kann, daß die auf irgendeine Finne prallende Strömung
sich der optimalen Geschwindigkeit zur Wasserseparation
annähert. Sie kann auch einen Separator schaffen, in dem die
Finnen so angeordnet sind, daß sie dem mitgerissenen Wasser
gestatten, nach unten abzufließen, ohne wieder durch die
Stromabwärtsströmung aufgenommen zu werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Fahrzeug geschaffen, das einen Kraftstoffdampfbehälter
und einen Separator wie hier spezifiziert umfaßt, wobei der
Separator so ausgebildet ist, daß er Reinigungsluft zum
Kraftstoffdampfbehälter liefert.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachstehend lediglich veranschaulichend anhand der begleitenden
Zeichnung beschrieben, in welcher:
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Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform eines Separators ist, wobei ein
Teil des Gehäuses davon weggebrochen gezeigt
ist, und
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Figur 2 eine Seitenansicht einer offenen Seite des
Gehäuses ist, welche die Strömungsrichtung
zeigt.
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Nach der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform eines
Separators 10 zur Verwendung in Verbindung mit einem
Fahrzeugkraftstoffverdunstungssteuerungssystem ausgebildet,
dessen Hauptkomponente ein Behälter 12 mit aktiviertem
Kohlenstoff darstellt. Der Behälter 12 speichert überschüssige
Kraftstoffdämpfe durch Adsorption, die später abgeführt
werden, wenn Leitungsvakuum frische Luft von der umgebenden
Atmosphäre einzieht, und zwar durch eine Reinigungsleitung 14.
Die Reinigungsströmungsrate wird bewußt durch das
Steuerungssystem des Fahrzeugs variiert, so daß soviel Dampf abgeführt
werden kann, wie der Motor handhaben kann, und zwar zu
irgendeinem Zeitpunkt. Eine konstante Reinigungsströmungsrate
wäre einfacher zu erzeugen, jedoch nicht annähernd so
effizient. Während die Reinigungsströmungsrate, die durch
die Reinigungsleitung 14 geschaffen wird, variiert, kann der
gesamte Bereich, über den sie von einem Maximum zu einem
Minimum variiert, recht genau vorhergesagt werden. Der
Separator 10 ist auf der Grundlage dieses bekannten
Gesamtbereiches von Reinigungsströmungsraten entworfen.
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Der Separator 10 stellt grundsätzlich einen rechtwinkligen
hohlen Kasten dar, der aus einein geeignet harten
Plastikmaterial wie beispielsweise Nylon geformt ist. Obwohl er wie
gezeigt zur Vereinfachung der Herstellung mit einer offenen
Seite geformt ist, ist diese Seite des Kastens geschlossen,
wenn er am Fahrzeug angebracht ist. Der Separator 10 ist
dann vollständig abgedichtet, abgesehen von dem offenen
Einlaß 16 an dem einen Ende und der gegenüberliegenden
Endfläche 18, welche die Reinigungsleitung 14 aufnimmt. Der
Separator 10 ist vertikal angebracht, wobei sich der Einlaß 16
unten und die Endfläche 18 oben befindet. Wenn ein Vakuum
durch die Reinigungsleitung 14 angelegt ist, wird daher ein
Reinigungslufstrom und das, was gerade mit der Luft
vermischt ist, durch den Einlaß 16 zur Reinigungsleitung 14
gezogen. Die Stromaufwärtsrichtung der Strömung hängt von der
Orientierung des Separators 10 ab und ist in der in den
Figuren gezeigten Ausführungsform nach oben gerichtet, entgegen
der Schwerkraft. Der Einlaß 16 ist groß genug, so daß er die
Strömung von umgebender Luft, die das Vakuum des Fahrzeugs
einziehen kann, nicht wesentlich einschränkt, und die
Druckdifferenz zwischen der Reinigungsleitung 14 und dem Einlaß
16 ist nicht groß genug, um irgendeine signifikante
Expansion oder Kontraktion der eingezogenen Luft zu verursachen.
So liegt der vorhergesagte Gesamtbereich von Strömungsraten
durch die Reinigungsleitung 14 ebenso am Einlaß 16 vor. Der
Separator 10 weist eine innere Struktur auf, die auf den
Reinigungsstrom so wirkt, daß irgendwelches darin
mitgerissene Wasser entfernt wird, wie als nächstes beschrieben
wird.
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Da der Separator 10 im Grunde einen Kasten darstellt, weist
er drei Seitenwände 20, 22 und 24 auf, die alle im
wesentlichen vertikal verlaufen, wenn der Separator 10 wie gezeigt
angebracht ist. Eine Serie von vier Finnen 26 bis 32, die
verschachtelt und versetzt vorgesehen sind, sind integral an
das Innere geformt. Das heißt, zwei Finnen 26 und 30 sind an
die Seitenwand 20 und die Zentrumsseitenwand 24 und die
anderen zwei Finnen 28 und 32 an die Zentrumsseitenwand 24 und
die Seitenwand 22 gegenüber der Seitenwand 20 geformt. Die
Finnen 26 - 32 sind im wesentlichen gleichmäßig voneinander
beabstandet in der vertikalen Richtung, und jede ist
außerdem leicht nach unten auf die Öffnung 16 zu geneigt, und
zwar um etwa 15 Grad zur Horizontalen. Jedoch ist jede Finne
bewußt von unterschiedlicher Länge, und zwar kürzer als die
Finne über ihr. Somit ist die freie Kante jeder Finne 26
- 32 von ihrer gegenüberliegenden Seitenwand 20 oder 22 um
einen zunehmend kleineren Betrag beabstandet, wodurch vier
verschiedene einschränkende Lücken von sukzessiv abnehinender
Größe erzeugt werden, die mit X&sub1; bis X&sub4; nuineriert sind.
Infolge ihrer versetzten, verschachtelten Beziehung ist die
Unterseite jeder Finne außer der ersten Finne 26 der Lücke
zugewandt, die durch die Finne unter ihr erzeugt wird,
während die erste Finne 26 direkt dem Einlaß 16 zugewandt ist.
Wenn der Separator 10 angebracht und seine offene Seite
geschlossen ist, steht kein anderer Strömungsweg vom Einlaß 16
zur Reinigungsleitung 14 als um die freien Kanten der Finnen
herum zur Verfügung.
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In Figur 2 ist der Betrieb des Separators 10 dargestellt.
Wenn ein Vakuum an die Reinigungsleitung 14 angelegt ist,
wird ein Reinigungsstrom erzeugt, der in den Einlaß 16
eintritt, sich nach oben und durch jede Lücke in einem
erzwungenen serpentinenartigen Muster bewegt. Da jede sukzessive
Lücke kleiner ist, wird der Reinigungsstrom in der Fläche
eingeschränkt und seine Geschwindigkeit beschleunigt und
erhöht, während er an der freien Kante jeder sukzessiven Finne
vorbeistreicht. Dieser Effekt ist visuell durch die schmaler
und länger werdenden Pfeile dargestellt. Die Strömung durch
jede Lücke wird außerdein dazu gezwungen, auf die Unterseite
der Finne gerade über ihr zu prallen. Wenn sich die
Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des optimalen
Wasserabstreifgeschwindigkeitsbereiches an diesem Punkt befindet, sammeln
sich die mitgerissenen Wassertröpfchen auf der Unterseite
der Finne, auf welche sie prallt. Unterhalb dieser
Geschwindigkeit wird das Wasser nicht abgestreift, und oberhalb
dieser Geschwindigkeit wird das Wasser durch die Strömung
aufgenommen und erneut mitgerissen. Die Größe der Lücken X&sub1; - X&sub4;
ist so gewählt, daß gewährleistet ist, daß im wesentlichen
die optimale Geschwindigkeit durch wenigstens eine Lücke für
irgendeine mögliche Strömungsrate erzielt wird. Das
Verfahren zur Bemessung der Finnen ist weiter unten beschrieben.
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In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist die optimale
Abstreifgeschwindigkeit erreicht worden, als die Strömung an
der freien Kante der Finne 30 vorbeistrich, und zwar durch
die Lücke X&sub3;, so daß es die oberste Finne 32 ist, die die
Sammelfläche schafft. Infolge der Abwärtsneigung der Finne
32 und aller Finnen unter ihr können die gesammelten
Wassertröpfchen abfließen nach unten, wobei sie auf der oberen
Seite jeder sukzessiven geneigten Finne 30 bis 26 landen, und
schließlich aus dem Bodeneinlaß 16 heraus, wie gezeigt. Da
in dieser Ausführungsform die Lücken sukzessiv in der
Stromabwärtsrichtung zunehmen, nimmt die
Strömungsgeschwindigkeit, mit der das abfließende Wasser konfrontiert ist,
kontinuierlich ab, und das Wasser wird nicht zurück stromaufwärts
geblasen und erneut mitgerissen. Zusätzlich sammelt sich
irgendwelcher Staub, der mit dem Reinigungsstrom vermischt
ist, ebenso auf den Finnen und wird mit dem abfließenden
Wasser ausgewaschen.
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Um den oben beschriebenen Betrieb zu erzielen, sind die
Größen der verschiedenen Lücken X&sub1; - X&sub4; auf der Grundlage des
vorbestimmten Gesamtbereiches möglicher
Reinigungsströmungsraten gewählt. Die Strömungsrate, ausgedrückt in Volumen pro
Zeiteinheit, ist im wesentlichen die gleiche an allen
Punkten im Strömungsweg, da es keine signifikante Expansion oder
Kontraktion der Luft gibt. Die Strömungsgeschwindigkeit an
irgendeinem Punkt im Strömungsweg, ausgedrückt in Länge pro
Zeiteinheit, unterscheidet sich mit der Fläche des
Strömungsweges an diesem Punkt. Daher hängt die Geschwindigkeit, mit
der die durch irgendeine Lücke verlaufende Strömung auf die
Finne darüber prallt, von der Fläche dieser Lücke ab. Bei
Kenntnis des gesamten möglichen Bereiches von Strömungsraten
für das besondere System, von einem Minimum zu einem
Maximum, und mit dem Wissen, daß die optimale Geschwindigkeit
zum Abstreifen von Wasser vom Reinigungsstrom etwa 2,13 bis
3,05 Meter pro Sekunde (7-10 Fuß pro Sekunde) beträgt, wählt
der Konstrukteur die Fläche jeder Lücke X&sub1; - X&sub4; so, daß der
optimale Strömungsgeschwindigkeitsbereich über irgendeinen
berechneten Unterbereich von Strömungsraten erzielt wird.
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Falls beispielsweise die maximale erwartete Strömungsrate 70
Liter pro Minute beträgt, kann ausgerechnet werden, daß eine
Fläche von 3,8 cm² eine Strömungsgeschwindigkeit von 3,05
Meter pro Sekunde (10 Fuß pro Sekunde) ergibt. Diese Fläche
ihrerseits ergibt eine Geschwindigkeit von 2,13 Meter pro
Sekunde (7 Fuß pro Sekunde), wenn die Strömungsrate etwa 48
Liter pro Minute beträgt. Wenn daher die größte Lücke X&sub1; auf
3,8 cm² gesetzt wird, erzeugt sie die optimale
Abstreifgeschwindigkeit über einen Strömungsratenunterbereich von 70
bis 48 Liter pro Minute. Der gleiche Prozeß, ausgehend von
einer oberen Grenze von 48, wird verwendet, um X&sub2; und ihren
besonderen Strömungsratenunterbereich zu berechnen, und so
weiter, bis die Unterbereiche zusammenaddiert den gesamten
erwarteten Bereich von Strömungsraten ergeben. Die Anzahl
notwendiger Lücken variiert mit der Breite des erwarteten
Gesamtbereichs. In der besonderen offenbarten
Ausführungsform ist keine Finne direkt über der letzten Lücke X&sub4;
vorgesehen. Jedoch prallt die Strömung an diesem Punkt direkt auf
die obere Endfläche 18, die tatsächlich wie eine weitere
Finne wirkt und eine Sammelfläche schafft. Eine weitere Option
wäre, daß der Einlaß 16 eine Größe aufweist, die so
ausgebildet ist, daß er als eine der Lücken dient, die die optimale
Strömungsgeschwindigkeit erzeugt. Jedoch ist die untere
Finne 26 kurz genug, so daß es unwahrscheinlich ist, daß ihre
Unterseite eine Sammelfläche schafft, die so effizient ist
wie die obere Endfläche 18.
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Variationen in der bevorzugten Ausführungsform könnten
durchgeführt werden. Das Innere des Separators könnte mit einer
Serie von strömungsbeschleunigenden Lücken versehen sein,
die strukturell nicht mit den Sammelflächen über ihnen in
Beziehung stehen. Das wäre eine mehr komplexe und weniger
kompakte Struktur als die offenbarte Ausführungsforin, wo die
freie Kante jeder Finne auch kooperiert, um die
strömungsbeschleunigende Lücke für die Finne darüber zu erzeugen. Die
vertikale Orientierung des Separators und die Abwärtsneigung
der Finnen wirken zusammen, um die beschriebene
Selbstabfließwirkung zu erzeugen. Wenn die erwartete Wassermenge
nicht groß ist, ist keines von beiden notwendig. Oder ein
horizontal orientierter Separator mit kleinen Abflußlöchern
getrennt vom Haupteinlaß könnte vorgesehen sein. Dies würde
bedeuten, daß irgendeine Strömung anders aus der umgebenden
Atmosphäre eingezogen werden würde als durch den Einlaß, und
wenn er vorgesehen wäre, würde die sukzessiv abnehmende
Strömungsgeschwindigkeit durch die Serie von Lücken nach wie
vor sicherstellen, daß angesammeltes Wasser nicht erneut
mitgerissen wird.