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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Dieselpartikelfilter
zur Entfernung von Rußpartikeln aus Dieselabgasen, der
einen Partikelfilter mit einer katalytisch aktiven Beschichtung
und einen Wärmetauscher umfaßt. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Filterung von Rußpartikeln aus
Dieselabgasen unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Dieselpartikelfilter.
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Wachsende
Mobilitätsansprüche und eine steigende Fahrzeugdichte
machen insbesondere in Ballungsgebieten einen stärkeren
Immissionsschutz nötig. Eine katalytische Nachbehandlung
von Autoabgasen ist daher von stetig wachsender Bedeutung.
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In
Abgasen von Motoren enthaltene Schadstoffe werden durch verschiedene
Katalysatortypen und Verfahren aus den Abgasen entfernt. Bei den Schadstoffen
handelt es sich um unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid,
Stickoxide und insbesondere Rußpartikel, die den bekannten
Feinstaub bilden.
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Bei
Dieselmotoren sind die Rohemissionen von Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid sehr niedrig. Kritischer sind die im Vergleich zum
Ottomotor deutlich höheren Partikelemissionen. Stetig strenger
werdende Abgasnormen auch für Dieselmotoren zwingen zu
ständigen Forschung und Entwicklung im Bereich der Motorentechnik
und Katalysatortechnik.
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Zur
Reduzierung der Partikelemission werden bei Dieselmotoren Nachbehandlungssysteme
für das Abgas eingesetzt, die im Wesentlichen aus Filtersystemen
bestehen, die zunächst die festen Anteile an der Partikelphase
auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikel führen
zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im
Abgassystem, wodurch sich der Abgasgegendruck für den Motor
erhöht. Mit zunehmender Partikelmenge kann dies in Abhängigkeit
von Last und Drehzahl zu einem Stillstand des Motors führen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, kontinuierlich oder intermittierend
die im Filter abgelagerten Partikel zu beseitigen. Im Allgemeinen
werden die Partikel durch Oxidation entfernt, meistens mit Filtern,
die über eine katalytisch aktive Beschichtung verfügen.
Durch die Oxidation der Partikel im Katalysator wird dieser regeneriert.
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Partikelfilter
werden je nach der Partikelherkunft Dieselpartikelfilter oder Rußpartikelfilter
genannt. Es gibt zwei Funktionsweisen von Partikelfiltern, die sich
grundsätzlich unterscheiden. Bei einem Wandstromfilter
wird das Abgas durch eine poröse Wand hindurchgeleitet,
während das Abgas bei Durchflußfiltern an der
inneren Oberfläche des Filters entlang fließt.
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Bei
einem Wandstromfilter, auch „geschlossenes System" genannt,
wird das mit Russpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung
einer porösen Filterwand gefiltert. Die Partikel bleiben
dabei an der Oberfläche der Filterwand hängen
oder verbleiben mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand. Für
beide Fälle gilt, dass die Partikel nicht durch einen Siebeffekt
hängen bleiben, d. h. die Löcher des Filters,
durch die das Abgas strömt, müssen nicht kleiner
sein als die Partikel. Die Partikel werden statt dessen durch Adhäsion
an der porösen Filterwand festgehalten. Auch bei Oberflächenfiltern
findet zu Beginn eine Tiefenfiltration statt. Mit Belegung der inneren
Filterflächen erfolgt eine Deposition der Partikel auf der
Filteroberfläche. Bei der Tiefenfiltration lagern sich
die Partikel nur in der inneren Filterstruktur ab.
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Durchflußfilter,
auch bekannt als „Offene Systeme", sind bekannt. Typischerweise
besteht ein Durchflußfilter aus dünnen Stahlfolien
mit gezielter Strömungsleittechnik, in denen die Partikel
vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf die innere Oberfläche
des Filters gebracht werden. Bei genügend hohen Temperaturen
werden die dort angelagerten Partikel kontinuierlich oxidiert. Somit
wird der Filter kontinuierlich regeneriert
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Da
der Abgasstrom in einem Durchflußfilter keine feinporöse
Wand durchdringen muß, ist der Druckabfall deutlich geringer
als bei einem Wandstromfilter.
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Eine
Möglichkeit der Regeneration des Filters im Pkw-Bereich
bietet die Kraftstoffnacheinspritzung, so daß die Abgastemperatur
steigt und der Ruß verbrannt wird. Die Zündtemperatur
zum Verbrennen der Rußpartikel wird durch die katalytisch aktive
Beschichtung herabgesetzt. Ein Nachteil dieser Ausführungsform
besteht darin, daß die Temperatursteuerung problematisch
ist, so daß die Lebensdauer der Katalysatoren herabgesetzt
wird.
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Ein
mögliches Verfahren der Oxidation von Partikeln in Rußfiltersystemen
offenbart die
DE-A-35 38
155 . Zur Oxidation der Partikel wird Sekundärenergie
mit Hilfe eines Widerstandsheizdrahts zugeführt. Dies wird
zu dem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem ein zündfähiges
Kohlenstoffstaub/Luft-Gemisch vorliegt, das umgesetzt werden kann.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Rußpartikel nur
intermittierend und nicht kontinuierlich entfernt werden.
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In
der
DE-A-20 2005
001 257 wird das Problem aufgegriffen, daß für
eine Regeneration der Rußpartikelfilter Sekundärenergie
zugeführt werden muß, wodurch aufwändigere
Vorrichtungen nötig sind und zusätzliche Energie
aufgebracht werden muß. Die Vorrichtung umfaßt
einen Partikelaufnahmespeicher, der so nahe am Motor angeordnet
ist, daß Temperaturen oberhalb 230°C erreicht
werden. Bei dieser Temperatur oxidiert im Abgas vorhandenes NO
2 die Rußpartikel, wobei Stickstoff
und CO
2 entstehen. Dieser NO
2-Oxidationseffekt
regeneriert im Betrieb des Dieselmotors wenigstens teilweise den
Rußpartikelfilter. Nachteil dieses Partikelfilters ist die
unvollständige Entfernung von Rußpartikeln.
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Die
Partikelfilter im Stand der Technik haben den Nachteil, daß Sekundärenergie
zugeführt werden muß und daß die Sekundärenergie
insbesondere bei Kurzstreckenfahrten nicht schnell genug zugeführt
werden kann, so daß die Oxidation der Rußpartikel
nicht stattfindet. Ferner haben diese Ausführungsformen
im Stand der Technik, die den NO2-Oxidationseffekt
ausnutzen, den Nachteil, daß die Katalysatoren nahe am
Motor angeordnet werden müssen, da hier benötigte
Abgastemperatur am höchsten ist. Eine solche Anordnung
ist aber aus Platzgründen mit Nachteilen behaftet. Ferner
besteht der Nachteil, daß die Materialien der Dieselpartikelfilter,
bei denen die Oxidation der Rußpartikel durch Zufuhr von
Sekundärenergie stattfindet, besonders temperaturbeständig
sein müssen.
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Bei
Dieselmotoren hat der Abgasstrom eine geringere Temperatur. Für
eine wirksame Regenerierung des Partikelfilters ist ein verbessertes
Wärmemanagement daher von großer Bedeutung.
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Im
Stand der Technik sind Vorrichtungen beschrieben, um eine Wärmerückgewinnung
zu betreiben. Die
US-A-2006
0 245 987 offenbart einen Wärmetauscher, der einen
ersten Abgasstrom abschnitt und einen zweiten Abgasstromabschnitt
in Gegenrichtung zum ersten umfaßt, um Wärmeenergie
vom ersten Fluid, das durch den ersten Abgasstromabschnitt fließt,
zum zweiten Fluid zu übertragen, das durch den zweiten
Abgasstromabschnitt fließt. Beide Stromabschnitte sind
mit einem wärmeleitfähigen porösen Netzwerk
ausgefüllt, das über eine große Oberfläche
verfügt, um einen wirksamen Wärmeaustausch vom
ersten Abgasstromabschnitt zum zweiten zu ermöglichen.
Da beide Abgasstromabschnitte mit einem porösen Netzwerk
ausgefüllt sind, kann es aufgrund des Strömungswiderstandes
im porösen Filtermaterial zu einem erhöhten Druck
zwischen Filter und Motor kommen. Ein Problem bei Abgasfilter ist
eine effektive Filterung, wobei der Druck vor dem Filter nicht zu
groß wird und somit eine möglichst geringe Druckdifferenz
zwischen dem Raum vor und hinter dem Filter vorliegt.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Dieselpartikelfilter und
ein Verfahren bereitzustellen, bei denen im Abgas von Dieselmotoren
vorhandene Rußpartikel ohne Sekundärenergiezufuhr kontinuierlich
entfernt werden, wobei der Druckabfall möglichst gering
ist und trotzdem die im Abgasstrom vorhandenen Rußpartikel
effektiv gefiltert werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Dieselpartikelfilter bei dem ein erstes Partikelfiltersubstrat
in einem ersten Strömungsabschnitt und ein zweites Partikelfiltersubstrat
vor einem zweiten Strömungsabschnitt angeordnet sind, wobei
der erste Strömungsabschnitt und der zweite Strömungsabschnitt
teilweise durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt
sind und die Führung eines Abgases im zweiten Strömungsabschnitt
im Gegenstrom zu der Führung des Abgases im ersten Strömungsabschnitt
verläuft.
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Vorteil
dieses Dieselpartikelfilters ist ein verbessertes Wärmemanagement.
Bei dem erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter
wird die exotherme Energie genutzt, die bei der Oxidation der Rußpartikel an
dem Partikelfiltersubstrat freigesetzt wird.
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Die
Ausnutzung der Energie unter Verwendung des Gegenstromprinzips ist
besonders effektiv. Das Gegenstromprinzip ist allgemein bekannt
von einem Liebig-Kühler, bei dem ein Gasstrom zur Kondensation
gebracht wird, in dem dieser an einem Wärmetauscher abgekühlt
wird, wobei das verwendete Kühlmedium in entgegengesetzter
Richtung an dem Wärmetauscher entlang strömt wie
das zu kondensierende Gas. Unter Verwendung dieses Gegenstromprinzips
wird eine besonders effektive Wärmeübertragung
erreicht.
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Aufgrund
des verbesserten Wärmemanagements kann der erfindungsgemäße
Dieselpartikelfilter entfernt vom Motor am Unterboden eines Fahrzeugs
angeordnet sein, weil die im Dieselpartikelfilter entstehende Wärme
genutzt wird. Ein kostenintensives doppelwandiges Auspuffrohr zur
besseren Wärmeisolierung muß nicht notwendigerweise
zwischen Dieselmotor und Dieseloxidationskatalysator eingebaut werden.
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Die
wärmedurchlässige Wand trennt die Strömungsabschnitte
teilweise, damit ein Abgasstrom aus dem ersten Strömungsabschnitt
in den zweiten Strömungsabschnitt geführt werden
kann.
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Es
ist ferner überraschenderweise gefunden worden, daß die
Temperatur im Dieselpartikelfilter niedriger sein kann. Somit wird
die Lebensdauer eines Dieselpartikelfilters erhöht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Partikelfiltersubstrat
als Wandstromfilter ausgestaltet.
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In
diesem Fall durchdringt der Abgasstrom das Partikelfiltersubstrat.
Das bedeutet, daß der Abgasstrom auf der ersten Seite des
Filters in diesen hinein strömt, durch den porösen
durchlässigen Filter hindurch strömt und aus dem
Filter auf der zweiten Seite heraus strömt. Durchflußfilter
haben zwar den Nachteil eines größeren Druckabfalls,
sorgen jedoch für eine sehr effektive Filterung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Partikelfiltersubstrat
als Durchflußfilter ausgestaltet.
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In
dem Fall gleitet der Abgasstrom an der Partikelfiltersubstratoberfläche
entlang und/oder dringt nur wenig in das Partikelfiltersubstrat
ein. Besonders bevorzugt ist der Durchflußfilter in der
Krümmung, d. h. nach dem ersten Strömungsabschnitt und
vor dem zweiten Strömungsabschnitt angeordnet. In dem Fall
stellt das Partikelfiltersubstrat gewissermaßen ein Prallkörper
dar, auf den der Abgasstrom auftrifft und entlang seiner Oberfläche
strömt.
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Bei
dieser Ausführungsform absorbieren die im Abgasstrom enthaltenen
Rußpartikel auf der Oberfläche des Partikelfilters.
Der Abgasstrom wird jedoch so geleitet, daß der durch die
Oxidation der Rußpartikel erwärmte Abgasstrom
im Wesentlichen an der Oberfläche des Partikelfilters entlang
strömt.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einem geringeren
Strömungswiderstand, den der Abgasstrom im Dieselpartikelfilter überwinden
muß.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Dieselpartikelfilter
drei Strömungsabschnitte, wobei nach dem zweiten Strömungsabschnitt
ein dritter Strömungsabschnitt und ein drittes Partikelfiltersubstrat
vorhanden sind, wobei das drit te Partikelfiltersubstrat nach dem
zweiten Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei der zweite
und der dritte Strömungsabschnitt teilweise durch eine
wärmedurchlässige Wand getrennt sind, und die
Führung eines Abgases im zweiten Strömungsabschnitt im
Gegenstrom zu der Führung des Abgases im ersten Strömungsabschnitt
verläuft.
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Vorteile
dieser Ausführungsform sind ein vorteilhaftes Wärmemanagement
und eine sehr effektive Filterung der Rußpartikel, wobei
der Druckabfall im Dieselpartikelfilter sehr gering gehalten wird.
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Damit
der Druckabfall im Dieselpartikelfilter sehr gering ist, ist das
dritte Partikelfiltersubstrat in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
als Durchflußfilter ausgestaltet. Das dritte Partikelfiltersubstrat
kann auch als Wandstromfilter ausgestaltet sein.
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Die
Partikelfiltersubstrate können bei Wandstromfiltern aus
unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die meist
aus Schäumen, Fasern oder Pulver aufgebaut sind, die wiederum
aus Keramiken oder aus Metall bestehen. Übliche Keramiken
sind Mullit, Cordierit, Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumtitanat. Übliche
Metalle sind Eisen/Chrom-Legierungen, insbesondere die dem Fachmann
bekannte FeCrAlloy, oder Chrom/Nickel-Stähle. Die porösen Wände
können im Filter auf unterschiedliche Art angeordnet sein.
Bei Fasern und Metallpulver werden eher flächige Filterwände
verwendet, die in Form von Rohren, Taschen oder Bälgen
angeordnet sind. Die aus Keramikpulver hergestellten Filter bilden
eine Kanalstruktur, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen
sind. Dadurch wird das Abgas gezwungen, die poröse Keramikwand
zu durchströmen.
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Die
Partikelfiltersubstrate des erfindungsgemäßen
Dieselpartikelfilters werden bevorzugt aus einem Metallfiltersubstrat,
einem Metallschaum, einem metallischen Faservlies, wie es beispielsweise
in den bekannten PM-Filterkatalysatoren verwendet wird, einem gesinterten
Pulver oder einem Wabenkörper gebildet.
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In
bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Partikelfiltersubstrate
die Materialien Mullit, Cordierit, Siliciumcarbid oder Aluminiumtitanat.
Ferner können metallische Substrate wie Eisen/Chrom-Legierungen,
insbesondere die dem Fachmann bekannte FeCrAlloy, oder Chrom/Nickel-Stähle
verwendet werden.
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Diese
Partikelfilter und Partikelfiltersubstrate haben sich als besonders
vorteilhaft erwiesen.
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Die
Partikelfiltersubstrate umfassen in allen denkbaren Ausführungsformen
katalytisch aktive Beschichtungen. Diese Beschichtungen bestehen
aus Metalloxiden oder Mischoxiden mit einer erhöhten Sauerstoffspeicherkapazität
(OSC). Die Beschichtungen können Edelmetalle wie Platin,
Palladium, Gold oder Silber enthalten. Durch diese Beschichtungen
wird die Oxidation katalysiert, so daß die Rußpartikel
aus dem Abgasstrom entfernt werden. Die in den Dieselpartikelfiltern
verwendeten Filter weisen vorteilhafterweise eine hohe Oberfläche
auf. Die BET-Oberfläche des die Beschichtung umfassenden Partikelfiltersubstrats
ist größer 8 m2/g. Üblicherweise
beträgt die BET-Oberfläche zwischen 8 und 100 m2/g.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Filterung von Partikeln
aus Dieselmotorabgasen gelöst, bei dem ein erfindungsgemäßer
Dieselpartikelfilter verwendet wird.
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In
einem bevorzugten Verfahren wird ein Abgasstrom in einem ersten
Strömungsabschnitt entlang einer wärmedurchlässigen
Wand geführt, wobei der Abgasstrom einen ersten Partikelfilter
kontaktiert, an dem die im Abgasstrom mitgeführten Partikel
unter Wärmeabgabe oxidiert werden. Der durch die Oxidation
erwärmte Abgasstrom wird in einem zweiten Strömungsabschnitt
entlang der rückseitigen Fläche der wärmedurchlässigen
Wand geführt, so daß der im ersten Strömungsabschnitt
entlang der Fläche des Wärmetauschers geführte
Abgasstrom im Gegenstromprinzip erwärmt wird.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahren kontaktiert der Abgasstrom
nach dem ersten Strömungsabschnitt ein zweites Partikelfiltersubstrat,
an dem die im Abgasstrom mitgeführten Partikel unter Wärmeabgabe
oxidiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Partikelfiltersubstrat
ein Wandstromfilter und das zweite Partikelfiltersubstrat ein Durchflußfilter.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt
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1 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilters.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter 100.
Aus Richtung des Motors strömt ein Abgasstrom 102 durch
den Einlaß 101 des Dieselpartikelfilters 100 und
strömt durch einen ersten Strömungsabschnitt 103.
währenddessen kontaktiert der Abgasstrom das erste Partikelfiltersubstrat 108, das
als Wandstromfilter ausgestaltet ist. In der in 1 darge stellten
Ausführungsform ist ein weiterer Wandstromfilter 108' dargestellt.
An der Oberfläche der Filtersubstrate, die erfindungsgemäß katalytisch aktive
Materialien an der Oberfläche umfassen, findet die Oxidation
der Rußpartikel statt, so daß der Abgasstrom 102 erwärmt
wird. Anschließend kontaktiert der Abgasstrom ein zweites
Partikelfiltersubstrat 109, das in der in 1 dargestellten
Ausführungsform ein Durchflußfilter ist. Anschließend
fließt der Abgasstrom durch einen zweiten Strömungsabschnitt 104.
Der erste Strömungsabschnitt 103 und der zweite
Strömungsabschnitt 104 sind durch die wärmedurchlässige
Wand 106 teilweise getrennt. Der Abgasstrom fließt
entlang der Wand 106. Dadurch wird bewirkt, daß der
erwärmte Abgasstrom den Abgasstrom im ersten Strömungsabschnitt 103 erwärmt. 1 zeigt
weitere Partikelfilter, an denen die Oxidation der Partikel stattfindet,
sowie eine weitere wärmedurchlässige Wand 107,
an denen die Wärmeübertragung im Gegenstromprinzip
stattfindet. Der durch den zweiten Strömungsabschnitt 104 fließende
Abgasstrom 102 kontaktiert ein drittes Partikelfiltersubstrat 110 und
fließt durch einen dritten Strömungsabschnitt 105.
Dabei findet eine Wärmeübertragung statt.
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Das
Prinzip der Erwärmung eines Abgasstromes vor dem Kontaktieren
eines mit einer katalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters
unter Verwendung eines Wärmetauschers kann, wie in dem
Ausführungsbeispiel gezeigt, in einem Dieselpartikelfilter
mehrfach Anwendung finden. Schließlich fließt
der Abgasstrom aus dem Dieselpartikelfilter 100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3538155
A [0011]
- - DE 202005001257 A [0012]
- - US 20060245987 A [0015]