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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter, insbesondere
einen Ruß-Partikelfilter
für eine
Diesel-Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs.
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Zur
Minimierung von Partikelemissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere
der Rußemission
von Dieselmotoren mit direkter oder indirekter Einspritzung, werden
u.a. Ruß-Partikelfilter eingesetzt. Diese
haben die Aufgabe den im Abgas enthaltenen Ruß aus dem Abgas herauszufiltern.
Hierbei haben insbesondere monolithische Filterkörper aus Keramikmaterial einen
hohen Rückhalteeffekt
hinsichtlich Rußpartikeln
in Abgasströmen.
Bei diesen Filterkörpern
strömt
das Abgas in die Eintrittskanäle
und von dort durch die porösen
Trennwände
in die Austrittskanäle.
Die Eintritts- und Austrittskanäle
sind dabei parallel zueinander angeordnet und im Wechsel gegenseitig
verschlossen.
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Der
mit zunehmender Betriebsdauer gefüllte Partikelfilter muss regeneriert
werden. Dies kann entweder gesteuert, d.h. in regelmäßigen zeitlichen
Abständen
oder nach bestimmten zurückgelegten
Wegstrecken, oder aber bedarfsgerecht geregelt geschehen.
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Bedarfsgerecht
bedeutet, dass ein bestimmter Beladungszustand erkannt wird und
damit eine thermische Regenerierung des Partikelfilters eingeleitet
werden kann. Dies hat den Vorteil, dass sowohl zu häufige als
auch zu seltene Regenerierungen vermieden werden. Zu häufige Regenerierungen
führen zu
unnötiger
thermischer Belastung und tragen zur beschleunigten Alterung des
Filters bei. Ein weiterer Nachteil ist der Kraftstoffmehrverbrauch.
Zu seltene Regenerierungen führen
ebenfalls zu einer erhöhten thermischen
Belastung des Filters aufgrund der durch die Verbrennung einer großen Rußmasse hohen
freigesetzten Wärme.
Ein weiterer Nachteil ist die Erhöhung des Abgasgegendrucks und
der damit einhergehende Leistungsabfall des Motors. Für eine solche
bedarfsgerechte Regelung bedarf es daher einer Sensorik, die den
Beladungszustand des Partikelfilters erkennen kann.
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In
den Druckschriften
DE
199 33 988 A1 und
EP
0 587 146 B1 sind Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Bestimmung
der Rußbeladung
eines Partikelfilters beschrieben, bei denen die Rußbeladung
aus der Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite
des Partikelfilters abgeleitet wird. Der Differentialdruck hängt einerseits
vom Beladungszustand des Partikelfilters, andererseits von der Gasströmung durch
den Filter ab. Die für
die Gasströmung
durch den Motor verwendete charakteristische Größe ist kompliziert ermittelbar,
entspricht aber – insbesondere
im Falle von abgasrückgeführten Systemen – nicht
genau dem Gasstrom durch den Filter. Das führt bei dem in der
EP 0 587 146 B1 beschriebenen
Verfahren zu großen
Ungenauigkeiten. Das in
DE
199 33 988 A1 gezeigte Verfahren berücksichtigt die abgasrückgeführte Luftmenge,
weist jedoch aufgrund von Quereffekten, resultierend beispielsweise aus
Aschebildung im Filter und der daraus resultierenden Druckdifferenz
ebenfalls Schwächen
auf.
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Die
EP 1 106 996 A2 beschreibt
einen Sensor zur Ermittlung von Rußkonzentrationen in Gasen. Bei
diesem bekannten Sensor wird in definierten zeitlichen Abständen ein
Substrat, das dem rußhaltigen Gas
ausgesetzt ist und dessen Oberfläche
sich mit Ruß belädt, bis
zur Zündtemperatur
des Rußes
aufgeheizt. Die dann freigesetzte und gemessene Wärmemenge
dient als Maß für die am
Substrat vorbei geströmte
Rußmenge.
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Bei
dem in der
DE 35 25
755 C1 offenbarten Verfahren handelt es sich um ein optisches
Messverfahren, das aufgrund der durch Ruß verursachten Trübung des
Abgases und der damit veränderten
optischen Wegstrecke ein rußabhängiges Signal
liefert. Weder das in der
EP
1 106 996 A2 noch das in der
DE 35 25 755 C1 dargestellte Messverfahren
eignet sich für
die direkte Beladungserkennung von Partikelfiltern.
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Weiter
zeigt die
DE 28 36
002 A1 einen Sensor, der auf der Messung der elektrischen
Leitfähigkeit
basiert. Dabei wird ausgenutzt, dass die Oberflächenbelegung des Sensorsubstrats
mit Ruß zu
einer Abnahme des elektrischen Widerstandes zwischen zwei auf der
Substratoberfläche
angeordneten Messelektroden führt.
Ferner ist der Bereich zwischen den beiden Elektroden mit einer
elektrisch isolierenden aber katalytisch aktiven Beschichtung versehen. Diese
sorgt dafür,
dass der auf der Oberfläche
abgeschiedene Ruß in
Phasen mit rußarmem
Abgas oxidiert und damit von der Messoberfläche gelöst wird. Dies ermöglicht nach
der
DE 28 36 002 A1 eine
kontinuierliche Nutzung des Sensors zur Regelung der Kraftstoff-
oder Luftzufuhr mit dem Ziel der rußoptimierten Verbrennung. Diese
Messvorrichtung ist allerdings nicht geeignet, die Beladung des
Partikelfilters zu messen, da die katalytische Oberfläche des beschriebenen
Sensors im Vergleich zur Oberfläche des
Partikelfilters ein anderes Verhalten aufweist.
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Schließlich offenbart
die
DE 36 08 801 A1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Regeneration von Partikelfiltersystemen,
bei denen eine Filterregeneration eingeleitet wird, wenn eine Rußbeladung
des Partikelfilters einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Um den Beladungszustand des Partikelfilters zu erfassen, sind auf
der Filteroberfläche
bzw. in den Eintrittskanälen
des Filterkörpers
Messelektroden vorgesehen, zwischen denen der elektrische Widerstand
gemessen wird. Der elektrische Widerstandswert zwischen den beiden
Messelektroden hängt
dabei von der im Eintrittskanal abgeschiedenen Rußmenge ab.
Der Widerstandsmesswert wird aber auch hier durch eine Störgröße beeinflusst,
die von dem Filtersubstrat, insbesondere seinen temperaturabhängigen Eigenschaften
bestimmt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Partikelfilter bereitzustellen,
dessen Beladungszustand direkt und exakt erfasst werden kann, um
eine möglichst
optimale bedarfsgerechte Regenerierung des Partikelfilters zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters mit den
Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der jeweiligen abhängigen
Ansprüche.
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Der
Partikelfilter weist einen Filterkörper mit mehreren anströmseitig
offenen und abströmseitig geschlossenen
Eintrittskanälen
sowie mehreren anströmseitig
geschlossenen und abströmseitig
offenen Austrittskanälen
auf, wobei die Eintrittskanäle und
die Austrittskanäle
jeweils im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Längsrichtung
des Filterkörpers
angeordnet sind und durch gemeinsame Trennwände voneinander getrennt sind.
Ferner sind die Trennwände
entlang eines Messpfades teilweise elektrisch leitfähig ausgebildet,
sodass ein Strompfad gebildet ist, der durch einen oder mehrere Eintrittskanalabschnitte
unterbrochen ist.
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Der
Ruß, der
in dem eine Unterbrechung der elektrisch leitfähigen Trennwandabschnitte bildenden
Eintrittskanalabschnitt abgelagert ist, bildet einen Widerstand
in dem Strompfad, dessen Wert sich mit der Rußschichtdicke ändert. Aus
der Erfassung des Widerstandes des Strompfades lässt sich somit direkt und exakt
ein Beladungszustand des Partikelfilters ermitteln, wobei eine Abhängigkeit
des Messwerts von den Eigenschaften des Filtermaterials vermieden
ist. Mittels dieser exakten Erfassung des Beladungszustandes des
Partikelfilters kann dessen bedarfsgerechte Regenerierung optimiert
werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung verläuft ein Messpfad in einer Ebene
senkrecht zur Längsachse
des Filterkörpers,
und auf der Oberfläche
des Filterkörpers
sind zwei Messelektroden angeordnet, zwischen denen der Strompfad
gebildet ist. Vorzugsweise können
auch mehrere Messpfade in einer Ebene senkrecht zur Längsachse
des Filterkörpers
verlaufen, wobei in diesem Fall auf der Oberfläche des Filterkörpers mehrere
Messelektroden angeordnet sind, zwischen denen die verschiedenen
Strompfade gebildet sind. In beiden Fällen können auch mehrere Messpfade
in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Längsachse des Filterkörpers verlaufen,
und es können
mehrere Unterbrechungen des Strompfades bzw. der Strompfade durch
Eintrittskanalabschnitte an Positionen mit verschiedenen Abständen zum Rand
des Filterkörpers
vorgesehen sein. Durch die variable Gestaltung der Messpfadverläufe kann
die Beladung des Partikelfilters auch lokal unterschieden werden.
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Alternativ
können
auch ein oder mehrere Messpfade in Längsrichtung eines Eintrittskanals verlaufen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch leitfähigen Abschnitte
der Trennwände durch
ein elektrisch leitfähiges
Material gebildet, das in ein poröses Material des Filterkörpers integriert
ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das elektrisch
leitfähige
Material in Form einer Suspension auf die Trennwände aufgebracht wird, sodass
es aufgrund der Kapillarkräfte
in die Trennwand gesaugt wird, woraufhin es anschließend gesintert
wird.
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Das
elektrisch leitfähige
Material ist vorzugsweise ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern,
Ionenleitern und Kombinationen davon.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Filterkörper mit
elektrischen Ladungsträgern
dotiert, sodass seine Grundleitfähigkeit
etwas erhöht
ist.
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Der
Filterkörper
ist insbesondere aus einem Keramikmaterial gebildet, das sich durch
sehr gute Filtereigenschaften, hohe Porosität und hohe Temperaturfestigkeit
auszeichnet.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht zur Erläuterung des Grundaufbaus eines
Partikelfilters;
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2 eine
schematische Längsschnittansicht
eines Partikelfilters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
schematische Querschnittansicht eines Partikelfilters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 schematische
Querschnittansichten von verschiedenen beispielhaften konkreten
Ausführungsformen
von Messpfaden eines erfindungsgemäßen Partikelfilters; und
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5 eine schematische Querschnittansicht einer
weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters.
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Der
Grundaufbau eines Partikelfilters gemäß der vorliegenden Erfindung
wird zunächst
unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erläutert. Anschließend werden
verschiedene konkrete Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Partikelfilters
anhand der 4A–C und 5 näher beschrieben.
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Wie
in 1 veranschaulicht, enthält ein Partikelfilter einen
Filterkörper 10 aus
einem Keramikmaterial, in dem mehrere Eintrittskanäle 14 und mehrere
Austrittskanäle 16 ausgebildet
sind. Die Eintritts- und Austrittskanäle 14, 16 sind
parallel zueinander und parallel zur Längsrichtung des Filterkörpers 10 angeordnet
und durch gemeinsame Trennwände 12 voneinander
getrennt. Die benachbarten Kanäle 14, 16 sind
ferner im Wechsel gegenseitig durch Verschlussstopfen 18, 20 verschlossen,
sodass sich die im Wechsel angeordneten anströmseitig offenen und abströmseitig
geschlossenen Eintrittskanäle 14 und
anströmseitig
geschlossenen und abströmseitig
offenen Austrittskanäle 16 ergeben.
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Die
zu reinigenden Abgase von der Brennkraftmaschine strömen stirnseitig
in die Eintrittskanäle 14 (siehe
Pfeil 22), treten dann durch die porösen Trennwände 12 in die Austrittskanäle 16 über und verlassen
schließlich
den Filterkörper 10 aus
den Austrittskanälen 16 (siehe
Pfeil 26). Die abgeschiedenen festen Partikel (insbesondere
Ruß) sammeln sich
dabei an den Wandungen der Eintrittskanäle 14 (siehe Bezugsziffer 24).
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Um
eine bedarfsgerechte Regenerierung des Partikelfilters zu realisieren,
wird der Beladungszustand des Partikelfilters mit Rußpartikeln
erfasst. Dies geschieht vorzugsweise in einer oder in mehreren Messebenen 28,
die senkrecht zur Längsachse des
Filterkörpers 10 liegen
und an verschiedenen Axialpositionen angeordnet sind, wie in 2 veranschaulicht.
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3 zeigt
den Grundaufbau einer solchen Messebene 28 im Querschnitt
des Filterkörpers 10. An
der Oberfläche
des Filterkörpers 10 sind
zwei Messelektroden 32 angebracht, zwischen denen ein Strompfad
gebildet ist, dessen elektrischer Widerstand (Gleichstrommessung)
bzw. elektrische Impedanz (Wechselstrommessung) gemessen werden kann
und von der Rußbildungsmenge 24 in
den Eintrittskanälen
entlang des Messpfades 34 abhängt.
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Zur
Ausbildung des Strompfades sind die Trennwände 12 entlang des
Messpfades 34 teilweise elektrisch leitfähig ausgebildet,
wie durch die schraffiert dargestellten Trennwandabschnitte 30 in 3 angedeutet.
Durch diese elektrisch leitfähigen
Trennwandabschnitte 30 wird ein Strompfad zwischen den zwei
Messelektroden 32 gebildet, der durch die Eintrittskanalabschnitte
unterbrochen ist. Der elektrische Widerstand bzw. die elektrische
Impedanz des Strompfades wird somit durch die abgelagerte Rußschicht 24 in
diesen unterbrechenden Eintrittskanalabschnitten bestimmt, wobei
sich der elektrische Widerstandswert mit der Rußschichtdicke verändert. In der
Ausgestaltungsform von 3 bilden die Rußablagerungen 24 in
den Eintrittskanalabschnitten eine Serienschaltung mehrerer Widerstände in dem Strompfad
zwischen den zwei Messelektroden 32.
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Die
elektrisch leitfähigen
Trennwandabschnitte 30 werden aus einem elektrisch leitfähigen Material,
wie beispielsweise Metall, Metalllegierungen, Halbleiter, Ionenleiter
oder Kombinationen davon gebildet. Das entsprechende Leitmaterial liegt
zunächst
als Paste vor, wie sie beispielsweise in der Dickschichttechnik
Verwendung findet. Zur Ausbildung der elektrisch leitfähigen Trennwandabschnitte 30 wird
der poröse
Filterkörper 10 an den
gewünschten
Stellen in den Messebenen 28 entlang der Messpfade 34 mit
der Paste benetzt. Aufgrund der Kapillarkräfte wird die Suspension des elektrisch
leitfähigen
Materials in die Trennwände 12 gesaugt
und durchtränkt
so die gesamte Trennwand 12 bis zur anderen Seite. Durch
einen anschließenden
Sintervorgang entsteht dann eine elektrisch leitende Verbindung
durch eine Trennwand 12 hindurch. Dieses Verfahren kann
an verschiedenen Stellen des Filterkörpers 10 auch mit
unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden, sodass sich für den jeweiligen
Messzweck geeignete Messstrukturen im Filterkörper 10 erzeugen lassen.
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In
der schematischen Darstellung von 3 zur Erläuterung
des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung ist der Messpfad 34 geradlinig
zwischen den zwei Messelektroden 32 ausgebildet und der Strompfad
ist durch alle Eintrittskanalabschnitte 14 unterbrochen.
In diesem Fall wird der elektrische Widerstand des Strompfades durch
den Widerstand der Serienschaltung mit dem höchsten Wert bestimmt. Es lässt sich
daher keine Aussage über
eine örtliche Verteilung
des Beladungszustandes des Partikelfilters machen. Wird zum Beispiel
die Randzone des Filterkörpers 10 nur
geringfügig
mit Ruß beladen,
die Kernzone dagegen stark, so kann dies mit der Messanordnung von 3 nicht
unterschieden werden.
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Anhand
von 4A bis 4C werden
daher nun verschiedene konkrete, beispielhafte Ausgestaltungen von
Messpfaden 34 in dem Partikelfilter der Erfindung näher erläutert.
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Bei
der Ausführungsform
von 4A sind neben den Austrittskanälen 16 auch alle Eintrittskanäle 14 bis
auf den zentralen Eintrittskanal 14 mit elektrisch leitfähigen Trennwandabschnitten 30 ausgebildet.
Mit dieser Messanordnung wird daher insbesondere der Beladungszustand
des Partikelfilters in der Kernzone des Filterkörpers 10 erfasst.
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4B zeigt
eine Ausführungsform
mit mehreren (verzweigten) Messpfaden 34 in einer Messebene 28 senkrecht
zur Längsachse
des Filterkörpers 10.
Die Unterbrechungen der Strompfade sind in den einzelnen Messpfaden 34 dabei
unterschiedlich gestaltet, sodass sich durch Auswertung der Widerstandswerte
der verschiedenen Strompfade Aussagen über eine örtliche Verteilung des Beladungszustandes
des Filterkörpers 10 in
Kernzone und Randzonen treffen lassen.
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In 4C ist
eine weitere Möglichkeit
mehrerer verzweigter Messpfade 34 in einer Messebene 28 senkrecht
zur Längsachse
des Filterkörpers 10 veranschaulicht,
wobei hier besonderer Wert auf den Beladungszustand in den Randzonen
des Filterkörpers 10 gelegt
wird. Außerdem
verläuft
ein Messpfad 34 im Wesentlichen diagonal durch die Messebene 28 des
Filterkörpers 10.
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Die
vorliegende Erfindung ist aber selbstverständlich nicht auf die in 3 und 4A–4C dargestellten
Anordnungen der Messpfade 34 beschränkt. Der Fachmann wird ohne
Weiteres zahlreiche weitere Modifikationen erkennen, die je nach
Anwendungsfall günstig
einzusetzen sind.
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Bei
den oben beschriebenen Partikelfiltern und Messmethoden des Beladungszustandes
wird jeweils quer zu den Eintrittskanälen 14, in denen der Ruß abgeschieden
ist, gemessen. Es ist aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ebenso denkbar, den Beladungszustand des Partikelfilters in Längsrichtung
der Eintrittskanäle 14 zu
messen. In diesem Fall können
die Messelektroden je nach Fragestellung bei der Untersuchung der
Rußablagerung in
unterschiedlichen axialen Abständen
positioniert werden.
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Neben
der Rußbeladung
ist häufig
auch die Temperatur des Partikelfilters von Interesse. Mit Hilfe des
oben beschriebenen Verfahrens lässt
sich vorteilhafterweise auch ein Widerstandstemperaturfühler direkt
in den Partikelfilter „implantieren" (siehe 5).
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Dies
geschieht mittels der geschlossenen Schleife 36 aus elektrisch
leitfähigen
Trennwandabschnitten 30. Anhand eines abgelegten Temperaturkennfeldes
lässt sich
aus dem elektrischen Widerstand der geschlossenen Schleife 36 die
Temperatur bestimmen. Neben der Temperaturmessung kann mittels einer
weiteren zusätzlichen
Messelektrode auch ein Messpfad 34 zur Messung der Rußbeladung
gebildet werden.
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In
einer weiteren Modifikation der Erfindung kann der gesamte Filterkörper 10 mit
Ladungsträgern „dotiert" werden, um damit
seine Grundleitfähigkeit zu
erhöhen.