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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Dieselpartikelfiltersystem, umfassend
einen im Abgasstrang eines Dieselmotors angeordneten Dieselpartikelfilter
mit einer katalytischen Beschichtung des Filterelementes für eine kontinuierliche
Regeneration des am Filterelement abgeschiedenen Rußes (CRT-Effekt)
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Herkömmliche
Dieselpartikelfilter arbeiten in der Weise, dass zunächst über eine
bestimmte Betriebszeit Rußpartikel
im Filter gesammelt werden; wenn die im Filter gesammelte Rußmenge eine
bestimmte Größe erreicht
hat und beispielsweise der dadurch verursachte Gegendruck einen
bestimmten Wert annimmt, wird der Filter durch kontrollierten Abbrand
des gesammelten Rußes
regeneriert. Dazu wird beispielsweise durch die Motormanagement-Steuerung
das Kraftstoffluftgemisch angereichert, um den für einen Abbrand erforderlichen
Kraftstoff zur Verfügung
zu stellen. Bei manchen Filterbauweisen wird zusätzlich ein verbrennungsförderndes
Additiv benötigt.
Derartige Dieselpartikelfilter lassen sich im Wesentlichen nur verwirklichen,
wenn auch die dem Motor zugeordnete Motormanagement-Steuerung entsprechend
ausgelegt ist, so dass eine Nachrüstung derartiger Dieselpartikelfilter
im Allgemeinen nicht möglich
ist.
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Es
sind auch schon Dieselpartikelfilter mit kontinuierlicher Regeneration
mit Hilfe des so genannten CRT-Effektes bekannt. Bei diesem auch
als passive Regenerationsmethode bekannten Verfahren ist das eigentliche
Filterelement mit einer katalytischen Beschichtung versehen, die
für einen
mehr oder weniger kontinuierlichen Abbrand des sich sammelnden Rußes sorgt.
Das für
diesen Abbrand erforderliche Stickstoffdioxid (NO2)
wird zuvor durch katalytische Umwandlung des beim Verbrennungsprozess
entstehenden Stickstoffmonoxid (NO) bereitgestellt.
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Reichen
die Fahrbedingungen zum vollständigen
Abbrand des gesammelten Rußes
nicht aus, so wird dieser zwischengespeichert, und es kann im ungünstigsten
Fall zu einer Filterverstopfung kommen, die bis zu einem Motorstillstand
durch zu hohen Abgasgegendruck führen
kann.
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Um
einer derartigen Filterverstopfung zu begegnen, wird in der JP-A-61223125
vorgeschlagen, einen Bypassleitung parallel zu dem Partikelfilter
anzuordnen, die durch mittels eines Stellglieds betätigbarer
Regelklappen dann geöffnet
wird, wenn der Partikelfilter aufgrund seines Befüllungsgrades
regeneriert wird. Nachteilig hieran ist die Verwendung zusätzlicher
Bauteile.
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Weiterhin
wird
DE 100 44 893
A1 vorgeschlagen, im Innern des Partikelfilters eine Bypassleitung
anzuordnen, so dass im Fall eines zu hohen Strömungswiderstands des Filters
aufgrund des angesammelten Rußes
das Abgas durch den Bypass passieren kann, wodurch ein Blockieren
des Abgasstrangs vermieden wird. Allerdings ist durch die Verwendung
eines integrierten Bypasses die Filtereffizienz suboptimal.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dieselpartikelfiltersystem
der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, bei welchem
die Filtereffizienz verbessert ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein
Dieselpartikelfiltersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dazu
ist bei einem Dieselpartikelfilter der im Oberbegriff des Anspruches
1 genannten Art vorgesehen, dass im Innern des Filterelements eine
Vielzahl von Bypasskanälen
angeordnet sind. Vielzahl bedeutet dabei, dass die Anzahl der Bypasskanäle größer oder
gleich zwei ist, wobei die Anzahl normalerweise deutlich größer als
zwei ist. Dabei verlaufen die Bypasskanäle vorzugsweise in Durchströmrichtung
des Filterelements, sie können
in einer Ausführungsform
jedoch auch senkrecht zur Durchströmrichtung verlaufen.
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Da
wie weiter vorne dargelegt der Füllungsgrad
des Dieselpartikelfilters abhängig
von den jeweiligen Fahrbedingungen variabel ist, ändert sich auch
der vom Füllungsgrad
abhängige
Gegendruck des Dieselpartikelfilters und damit der Strömungswiderstand
für die
Abgase, so dass mit zunehmend größerem Strömungswiderstand
ein zunehmender Anteil der Abgase über die vorgesehenen Bypasskanäle ungefiltert
das Filtersystem verlässt.
Auf diese Weise wird eine Filterverstopfung vermieden. Wenn die
Fahrbedingungen für
einen Abbrand des im Filterelement gesammelten Rußes wieder
ausreichen, wird dieser wieder regeneriert. Auf diese Weise ist
in jedem Fall ein kontinuierlicher Betrieb des Dieselpartikelfilters
sichergestellt. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Bypasskanälen und
die aerodynamische Größe der Bypassquerschnittsflächen kann
die Abscheidung bei vollem und leerem Filter wie auch der Gegendruck
in den beiden Grenzzuständen
festgelegt werden. Weiter kann durch die Verteilung der Bypasskanäle über die
Eintrittsfläche
des Filterelements die Filtereffizienz gegenüber einem einzigen großen Bypasskanal
gesteigert werden, da die Abgasströmung dann über mehrere mit Ruß beladene Flächen verläuft, was
einen zusätzlichen
Abscheidungseffekt bewirkt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Dieselpartikelfilter
gleichzeitig als Oxidationskatalysator ausgelegt, d.h. er ist so
bemessen, dass in diesem sowohl eine den Abgasvorschriften entsprechende
Schadstoffumwandlung als auch eine Entrußung stattfinden kann.
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Für den Dieselpartikelfilter
kommen unterschiedliche Bauweisen in Betracht. Gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung ist das eigentliche Filterelement des Dieselpartikelfilters
durch eine in einem Filtergehäuse
angeordnete Wabenstruktur mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen gebildet,
die an der Eintrittsseite einerseits und an der Austrittsseite andererseits
wechselseitig verschlossen sind. D.h., die Abgase treten in die
eintrittsseitig offenen Strömungskanäle ein,
und sie werden, weil diese Kanäle
austrittsseitig verschlossen sind, gezwungen, über die Kanalwandungen in die
austrittsseitig offenen Strömungskanäle überzutreten,
wobei der in den Abgasen enthaltene Ruß herausgefiltert wird.
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Die
diesem Filtertyp zugeordneten Bypasskanäle können auf verschiedene Weise
dargestellt sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen,
dass einzelne der Strömungskanäle durchgehend
offen sind, so dass die in diese Strömungskanäle eintretenden Abgase ungefiltert
ins Freie austreten können.
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Bei
einem anderen Dieselpartikelfiltertyp ist vorgesehen, dass das eigentliche
Filterelement durch in einem Filtergehäuse angeordnete Taschen gebildet
ist, deren Außenseiten
von den über
den Gehäuseeinlass
eintretenden rohen Abgasen beaufschlagt werden, und deren in Strömungsrichtung
der Abgase hinteren Enden offen sind und mit dem Gehäuseauslass
kommunizieren. Die im Filtergehäuse sich
sammelnden Abgase treten über
die Wände
der Taschen ins Tascheninnere ein und verlassen über die offenen Enden dieser
Taschen das Filterelement.
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Um
bei zunehmendem Füllungsgrad
des Filters eine Bypassmöglichkeit
für die
Abgase zu schaffen, ist vorgesehen, dass das Innere des Filtergehäuses über einen
oder mehrere als Bypasskanäle
dienende Durchgänge
direkt mit dem Gehäuseausgang verbunden
ist. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass in den Wänden zumindest
einzelner Taschen im Bereich ihrer hinteren Enden als Bypasskanäle dienende
Durchgangslöcher
vorgesehen sind.
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Bei
einem anderen Dieselpartikelfiltertyp ist vorgesehen, dass das eigentliche
Filterelement des Dieselpartikelfilters als so genannter Tiefenfilter
aus Fasermaterial gebildet ist. Um auch hier eine Bypassmöglichkeit
für die
Abgase zu schaffen, weist das Filterelement als Bypasskanäle dienende,
den Gehäuseeinlass
direkt mit dem Gehäuseauslass
verbindende Perforierungen auf.
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Das
eigentliche Filterelement des Partikelfilters kann beispielsweise
aus einem keramischen Material, aus einem Sintermetall oder dergleichen gebildet
sein. Die Bypasskanäle
werden so angeordnet und ausgelegt, dass der von diesem gebildete Strömungswiderstand
bei leerem Filter größer als
der des Filters ist, so dass die Abgase bei leerem Filter die Tendenz
haben, einen Weg durch das Filtermedium zu nehmen. Bei leerem Filter
ist demnach die Abscheidungsrate relativ hoch. Wird der Filter zunehmend
mit Ruß beladen,
so steigt der Strömungswiderstand
im Filterelement an, so dass nun das Abgas zunehmend mehr durch
die Bypasskanäle
strömt, wodurch
die Rußabscheidungsrate
sich verringert. Durch die aerodynamische Auslegung der Bypasskanäle kann
die Abscheidung bei leerem und vollem Filter sowie auch der Gegendruck
bei diesen Zuständen festgelegt
werden. Weiter kann durch die Aufteilung des frei durchströmbaren Bypass-Querschnittes
auf mehrere kleine Bypasskanäle
die Filtereffizienz gesteigert werden, da die Abgasströmung weiter
aufgeteilt wird.
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Die
katalytische Beschichtung des Filterelementes besteht aus den üblicherweise
verwendeten aktiven Komponenten, wie Edelmetallen auf einem oberflächenvergrößerndem
Untergrund, der – wiederum üblicherweise – aus keramischen
Teilchen besteht. Die Größe dieser
Teilchen kann im Bereich von nm bis μm variieren. Durch die Wahl
und die Menge der aktiven Komponenten werden gasförmige Schadstoffe
wie z.B. Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide gleichzeitig
mit den Rußpartikeln
reduziert. Werden durch die katalytische Beschichtung des Dieselpartikelfilters
die gesetzlichen Grenzwerte der oben beschriebenen Schadstoffe eingehalten,
so kann, wie oben bereits erwähnt
wurde, ein ursprünglich
vorgesehener motornaher Oxi-Kat durch einen erfindungsgemäßen Bypass-Dieselpartikelfilter
ersetzt werden, welcher dann beide Aufgaben übernimmt, nämlich die Reduktion der gasförmigen Schadstoffe
und die Partikelfilterung. Falls genug Bauraum im Unterbodenbereich des
Fahrzeuges vorhanden ist, so kann der erfindungsgemäße Bypass-Dieselpartikelfilter
zusätzlich zu
einem vorhandenen Oxi-Kat eingebaut werden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Dieselpartikelfiltersystem
ist dem oben beschriebenen Dieselpartikelfilter noch ein Oxidationskatalysator
in Abgasströmungsrichtung
vorgelagert.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1a eine
Ansicht eines Dieselpartikelfilters in seitlicher, leicht perspektivischer
Ansicht;
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1b den
Dieselpartikelfilter der 1a im Querschnitt;
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2 schematisch
einen Ausschnitt aus einer Wabenstruktur in einer Vorderansicht;
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3 in
einer Seitenansicht einen Dieselpartikelfilter mit einem mit einer
Taschenstruktur ausgebildeten Filterelement, teilweise geschnitten;
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4 eine
perspektivische Teildarstellung des Filterelementes der 3;
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5 einen
Teil-Längsschnitt
durch eine Tasche des Filterelementes der 4;
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6 in
einer Seitenansicht einen Dieselpartikelfilter mit einem mit einer
Taschenstruktur ausgebildeten Filterelement, teilweise geschnitten;
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7 in
einer perspektivischen, teilweise aufgeschnittenen Ansicht ein Filterelement
mit einer Taschenstruktur;
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8 eine
Ansicht der Austrittsseite eines Filterelementes etwa gemäß der 7.
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Der
in 1 dargestellte Dieselpartikelfilter 2 umfasst
ein Filtergehäuse 4,
an dessen Eintrittsseite ein Eintrittsstutzen 6 angeordnet
ist, über
den die rohen Abgase in den Filter eingeleitet werden. Im Filtergehäuse 4 ist
ein Filterelement 12 angeordnet, welches dieses bis auf
einen dem Eintrittsstutzen 6 zugewandten vorderen Verteilerbereich 8 vollständig ausfüllt. Im
Innern des Filterelements 12 sind mehrere Bypasskanäle 10 in
Längsrichtung
verlaufend angeordnet, die den Verteilerbereich 8 direkt
mit der in Strömungsrichtung
des Abgases hinteren Auslassseite des Dieselpartikelfilters 2 verbindet,
so dass über
diese Bypasskanäle 10 Abgas
ungefiltert den Dieselpartikelfilter 2 passieren kann.
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Wie
die 1b erkennen lässt,
hat das Filterelement 12 eine Wabenstruktur, d.h. es besteht aus
einer Vielzahl paralleler Kanäle,
deren jeder zweite eingangsseitig verschlossen ist. Wie an sich bekannt
und deshalb nicht näher
dargestellt ist, sind die einlassseitig offenen Kanäle jeweils
ausgangsseitig verschlossen, so dass die Abgase jeweils aus den einlassseitig
offenen Kanälen über die
Kanalwandungen in die auslassseitig offenen Kanäle übertreten müssen, wobei sich die im Abgas
enthaltenen Rußpartikel
weitgehend an den Innenwänden
der einlassseitig offenen Kanäle
absetzen.
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Wenn,
wie weiter vorne erläutert
wurde, die Fahrbedingungen so sind, dass der Füllungsgrad des Filterelementes
zunimmt, dann wächst
dessen Widerstand an, so dass ein zunehmend größerer Teil des Abgases seinen
Weg über
die Bypasskanäle 10 nimmt.
Wenn die Fahrbedingungen wieder so sind, dass genügend NO2 für
den Abbrand des Rußes
vorhanden ist, regeneriert sich das Filterelement wieder.
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Die
mehreren Bypasskanäle 10 mit
relativ kleinem Querschnitt sind regelmäßig oder unregelmäßig über den
Querschnitt des Filterelementes 12 verteilt.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus einem beispielsweise aus Metallfasern oder
Keramikfasern aufgebauten Filterelement 14 in Wabenbauweise. Mehrere
Wabenlagen 16, 18, 20, 22 sind übereinander
bzw. konzentrisch zueinander angeordnet. Wie die 2 erkennen
lässt,
ist bei den Wabenlagen 18 und 22 jeweils jeder
zweite Kanal verschlossen, so dass Abgase nur in die dazwischenliegenden
offenen Kanäle
eintreten können,
die ihrerseits jedoch austrittsseitig verschlossen sind, wie am
Beispiel der 1 bereits erläutert wurde.
Bei den Wabenlagen 16 und 20 ist im Gegensatz
dazu jeweils zwischen zwei einlassseitig offenen, jedoch auslassseitig
verschlossenen Kanälen
ein durchgehend offener Kanal vorgesehen, von denen einige mit der
Bezugszahl 24 gekennzeichnet sind. Die Kanäle 24 dienen
als Bypasskanäle.
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3 zeigt
einen Dieselpartikelfilter 26, umfassend ein Filtergehäuse 28 und
ein in diesem angeordnetes Filterelement 30. Das Filterelement 30 hat eine
Taschenstruktur, die anhand der 4 näher erläutert wird.
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Die
in den Dieselpartikelfilter 26 eintretenden, durch den
Pfeil 32 gekennzeichneten Abgase durchströmen das
Filterelement 30, wobei die in den Abgasen enthaltenen
Rußpartikel
weitgehend ausgefiltert werden. Die gereinigten Abgase verlassen den
Dieselpartikelfilter 26, wie durch den Pfeil 34 angezeigt
ist.
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Wie
die 3 weiter erkennen lässt, ist an dem in Strömungsrichtung
hinteren Ende des Filterelementes 30 ein Bypasskanal 36 ausgebildet, über den
bei zunehmendem Gegendruck im Filterelement 30 zunehmend
mehr Abgase ungefiltert zum Ausgang des Dieselpartikelfilters 26 strömen können, wie
durch den Pfeil 38 gekennzeichnet ist.
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4 zeigt
einen Teil eines Filterelementes 40 ähnlich dem Filterelement 30 in 3.
Der Pfeil 42 zeigt die Strömungsrichtung der Abgase an.
Das Filterelement 40 besteht aus einer Vielzahl von Taschen 44,
die keilförmig
ausgebildet sind und sich in Strömungsrichtung
erweitern. Die Taschen 44 sind an der Eingangsseite 46 verschlossen,
weisen jedoch an ihrer Ausgangsseite 48 Öffnungen
auf. Die Taschen 44 sind an einem Flansch 50 so
befestigt, dass die an der Ausgangsseite 48 ausgebildeten Öffnungen
der Taschen 44 mit der Außenumgebung kommunizieren,
d.h. durch den Flansch 50 nicht verschlossen sind.
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Die
in das das Filterelement 40 umgebende Filtergehäuse eintretenden
Abgase beaufschlagen die Außenwände der
Taschen 44 und treten durch diese hindurch, wobei die von
den Abgasen transportierten Rußpartikel
an den Außenwänden zurückgehalten
werden. Die von Rußpartikeln
weitgehend befreiten Abgase verlassen das Filterelement 40,
wie durch den Pfeil 52 angezeigt ist.
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Wie 4 weiter
erkennen lässt,
sind in dem in Strömungsrichtung
hinteren Bereich der Taschen Bypassöffnungen 54 ausgebildet, über die
im Filtergehäuse
befindliche Abgase direkt ungefiltert nach außen abfließen können, wenn der Gegendruck im Filterelement
ansteigt. Wie ebenfalls aus 4 erkennbar
ist, sind die Bypassöffnungen 54 noch
durch ein Faservlies 56 abgedeckt, welches die Aufgabe
eines zumindest grobe Rußpartikel
filternden Tiefenfilters hat.
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5 zeigt
einen Schnitt durch eine Tasche 44 in deren oberem Bereich.
Man erkennt, dass mit Ruß befrachtete
Abgase (Pfeil 58) durch die Wand der Tasche 44 hindurchtreten
und gereinigt (Pfeil 60) ins Innere der Tasche 44 gelangen
und sodann über die
an der Ausgangsseite ausgebildete Öffnung nach außen abströmen. Bei
zunehmendem Gegendruck des Filterelementes strömt ein zunehmender Teil der rußbefrachteten
Abgase (Pfeile 62) durch das Faservlies 56 und
die Bypassöffnungen 54 hindurch,
so dass sie als vorgereinigtes Abgas (Pfeile 64) ins Innere
der Taschen 44 gelangen und über die an der Ausgangsseite 48 ausgebildete Öffnung abströmen können.
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6 zeigt
einen Dieselpartikelfilter 66 mit einem Filtergehäuse 68 und
einem in diesem angeordneten Filterelement 70. Das Filterelement 70 kann eine
Wabenstruktur oder eine Taschenstruktur haben, wie nicht näher ausgeführt zu werden
braucht. Bei reinem Filter, d.h. bei verhältnismäßig geringem Gegendruck im
Filterelement durchströmt
der größte Teil
der rußbefrachteten
Abgase (Pfeil 72) das Filterelement 70 und verlässt dieses
als weitgehend gereinigtes Abgas (Pfeil 74) wieder. Bei
zunehmendem Gegendruck im Filterelement umgeht ein zunehmender Anteil
der Abgase (Pfeil 76) das Filterelement 70 und
strömt über einen
zentralen Bypasskanal 78 ungefiltert ab.
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7 zeigt
ein Filterelement 80 ähnlich
dem Filterelement 70 der 6. Das Filterelement 80 hat eine
Taschenstruktur, d.h. es besteht aus einer Vielzahl von sternförmig um
einen zentralen Kanal 82 herum angeordneten Taschen 84,
die ihrerseits eine Wabenstruktur haben. Bei zunehmendem Gegendruck
im Filterelement 80 strömt
ein zunehmender Anteil der mit Rußpartikeln befrachteten Abgase über den
zentralen Kanal 82 und einen zu diesem konzentrischen Bypasskanal 86 direkt
ungefiltert nach außen.
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8 zeigt
eine Ansicht eines Filterelementes 90, welches wie das
Filterelement 80 der 7 eine Taschenstruktur
hat. Im Gegensatz zur 7 sind jeweils zwischen einzelnen
Taschen 92 Bypasskanäle 94 ausgebildet, über die
bei zunehmendem Gegendruck im Filterelement 90 ein zunehmender Anteil
der Abgase ungefiltert abströmen
kann.
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- 2
- Dieselpartikelfilter
- 4
- Filtergehäuse
- 6
- Eintrittsstutzen
- 8
- vorderer
Verteilerbereich
- 10
- Bypasskanal
- 12
- Filterelement
- 14
- Filterelement
- 16
- Wabenlage
- 18
- Wabenlage
- 20
- Wabenlage
- 22
- Wabenlage
- 24
- Bypasskanäle
- 26
- Dieselpartikelfilter
- 28
- Filtergehäuse
- 30
- Filterelement
- 32
- Pfeil
- 34
- Pfeil
- 36
- Bypasskanal
- 38
- Pfeil
- 40
- Filterelement
- 42
- Pfeil
- 44
- Taschen
- 46
- Eingangsseite
- 48
- Ausgangsseite
- 50
- Flansch
- 52
- Pfeil
- 54
- Bypassöffnungen
- 56
- Faservlies
- 58
- Pfeil
- 60
- Pfeil
- 62
- Pfeile
- 64
- Pfeile
- 66
- Dieselpartikelfilter
- 68
- Filtergehäuse
- 70
- Filterelement
- 72
- Pfeil
- 74
- Pfeil
- 76
- Pfeil
- 78
- Bypasskanal
- 80
- Filterelement
- 82
- Kanal
- 84
- Taschen
- 86
- Bypasskanal
- 90
- Filterelement
- 94
- Bypasskanäle