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Die
Erfindung betrifft ein Entkoppelelement zum Einsatz mit Abgasanlagen
und mit im Wesentlichen hohlzylindrischer Form mit insbesondere
kreisförmigem oder annähernd ovalem Querschnitt,
zumindest bestehend aus einem teilweise schraubengangförmig-
oder ringgewellten Balg und mit wenigstens zwei Enden in Form eines
Einlasses und eines Auslasses für die Durchströmung
eines Abgasstromes durch das Entkoppelelement, wobei ein Filterelement
zur Filterung des Abgasstromes zumindest teilweise im Inneren des
Entkoppelelementes angeordnet ist.
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Üblicherweise
werden derartige Entkoppelelemente insbesondere im Bereich der Automobiltechnik
eingesetzt und werden in die Abgasanlage einer Antriebsmaschine
integriert bzw. zwischengeschaltet. Dadurch sollen Motorbewegungen
sowie Vibrationen, Stöße und thermische Wärmedehnungen
in der Abgasanlage aufgrund des von der Antriebsmaschine strömenden
Abgases absorbiert werden. Ein Teil dieser Abgase wird in der Regel
kontrolliert in einen Brennraum der Antriebsmaschine zurückgeleitet.
Zweck dieser Rückführung von Abgasen ist es, die
Verbrennungstemperatur in Zylindern der Antriebsmaschine zu vermindern
und so die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung von Kraftstoff
zu reduzieren. Zur Einleitung bzw. Rückführung
von Abgasen in den Brennraum der Antriebsmaschine sind im Stand
der Technik bereits eine so genannte innere und äußere
Abgasrückführung bekannt.
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Bei
der inneren Abgasrückführung wird im Gegensatz
zur äußeren Abgasrückführung,
welche eine separate Rückführungsleitung benötigt,
die Verbren til und Auslassventil der jeweiligen Zylinder die entsprechende
Ventilüberschneidung vergrößert wird,
so dass ein Teil der verbrannten Abgase nicht aus dem Zylinder ausgeleitet
wird. Dadurch sinkt die Verbrennungstemperatur bei einem erneuten
Verbrennen von Kraftstoff in den Zylindern und es entstehen weniger
Stickoxide.
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Zur
Senkung der Verbrennungstemperatur in den Zylindern der Antriebsmaschine
ist auch eine äußere Abgasrückführung
möglich. Bei der äußeren Abgasrückführung
wird eine Abgasleitung der Abgasanlage und ein Ansaugtrakt der Antriebsmaschine
durch eine außerhalb der Antriebsmaschine angeordnete zusätzliche
Abgasrückführungsleitung verbunden. Bei der äußeren
Abgasrückführung wird weiter zwischen einer Hochdruck-Abgasrückführung (H-EGR)
und einer Niederdruck-Abgasrückführung (L-EGR)
unterschieden. Aufgrund schärferer Abgasgrenzwerte, insbesondere
bei Stickoxiden wird jedoch vermehrt eine L-EGR-Leitung eingesetzt.
Beim Einsatz einer L-EGR-Leitung erfolgt die Entnahme des Abgases
zur Rückführung in den Brennraum der Antriebsmaschine
stromabwärts eines in der Abgasanlage angeordneten Dieselpartikelfilters,
die Einleitung des rückgeführten Abgases in den
Brennraum der Antriebsmaschine üblicherweise vor einem
Turbolader bzw. Kompressor. Durch die Abgasrückführung
erhöht sich die Menge des rückgeführten
Abgases im Brennraum der Antriebsmaschine und die Verbrennungstemperatur
im Brennraum der Antriebsmaschine wird reduziert, was letztendlich
der Entstehung von Stickoxiden bei der Verbrennung von Kraftstoffen
entgegenwirkt.
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Bei
Verwendung einer (äußeren) L-EGR-Leitung sind
hinsichtlich der Entkopplung von Schwingungen und zum Ausgleich
von Montagetoleranzen entsprechend verglichen mit einer inneren
Abgasrückführung hohe Anforderungen zu erfüllen,
da zusätzliche Leitungen, Befestigungsteile, etc. verwendet
werden müssen. Ein weiteres Problem bei der äußeren
L-EGR sind losgelöste Partikel des Dieselpartikelfilters.
Diese gelangen durch das rückgeführte Abgas zum
einen in den EGR Kühler und setzen diesen im Laufe der
Zeit zu, zum anderen werden diese stromaufwärts des Turboladers
bzw. Kompressors in den Ansaugtrakt der Antriebsmaschine eingeleitet und
können in Folge den Turbolader bzw. Kompressor sowie Kolben
und Ventile der Antriebsmaschine beschä digen bzw. die Lebensdauer
des Turboladers oder Kompressors oder von Komponenten der Antriebsmaschine
wesentlich verkürzen.
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Im
Stand der Technik ist es hierfür bereits bekannt, die Entkopplung
von Schwingungen über einen in die L-EGR-Leitung integrierten
Balg sicherzustellen, der üblicherweise an dem dem Dieselpartikelfilter
nächstgelegenen Ende der Abgasrückführungsleitung
angeordnet ist. Stromabwärts dieses Balges in der Abgasrückführungsleitung
wird dann zusätzlich mit hohem Aufwand eine Vorrichtung
zur Abscheidung der oben genannten Partikel des Dieselpartikelfilters
aus dem Abgasrückführungsstrom angeordnet, um
eine Beschädigung des Turboladers, Kompressors oder von
Komponenten der Antriebsmaschine zu vermeiden.
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Nachteilig
im Stand der Technik ist, dass die Anordnung einer zusätzlichen
Partikel-Abscheidevorrichtung in einer EGR-Leitung fertigungstechnisch schwierig
und teuer ist, da zusätzliche Fügestellen entstehen
und Zusatzteile für die Befestigung, Abdichtung etc. benötigt
werden. Weiterhin ist ebenfalls der Bauraumbedarf sehr hoch: Entlang
der EGR-Leitung müssen sowohl die Partikel-Abscheidevorrichtung
als auch eine Entkoppelstrecke zur Entkopplung von Schwingungen
vorgesehen werden. Dies bedingt ebenfalls ein erhöhtes
Gesamtgewicht der EGR-Leitung.
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Um überhaupt
eine Partikel-Abscheidung sowie eine Entkopplung entlang der EGR-Leitung durchführen
zu können, ist die Leitungsführung der EGR-Leitung,
das sogenannte Routing auf Grund des vorgegebenen geringen Bauraums
entsprechend kompliziert. Dies führt zu Strömungsverlusten im
rückgeführten Abgasstrom und erschwert den Einsatz
von kostengünstigen Standardbauteilen. Schließlich
wird im Stand der Technik zur Partikel-Abscheidung üblicherweise
ein Vlies oder ein Tressenfilter verwendet, wobei das Vlies als
Tiefenfilter und der Tressenfilter als Oberflächenfilter
eingesetzt werden. Der Einsatz eines Vlieses als auch eines Tressenfilters
in einem separaten Gehäuse ist ebenfalls sehr teuer.
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Im
Stand der Technik, beispielsweise in der
DE-A 197 22 603 , ist es
bereits bekannt, ein Entkoppelelement für Abgasanlagen
mit einem Filterelement in Form eines Katalysators zu kombinieren. Hierbei
wird der Katalysator zur Filterung des Abgasstromes zumindest teilweise
im Inneren des Entkoppelelementes angeordnet. Überträgt
man dies auf den vorliegenden Anwendungsbereich der Abgasrückführung
lässt sich der für die Filterung und Entkopplung
notwendige Bauraum reduzieren, indem das Entkoppelelement, insbesondere
der Balg als Gehäuse für das Filterelement fungiert.
Gleichzeitig wird eine Filterung des Abgasstromes erreicht, so dass
Partikel beispielsweise eines vorgeschalteten Diesel-Partikelfilters
aus dem rückgeführten Abgasstrom herausgefiltert
werden und so einen der Antriebsmaschine in Strömungsrichtung
vorgeschalteten Abgasturbolader sowie die Komponenten der Antriebsmaschine
selbst nicht mehr beschädigen.
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In
der europäischen Patentanmeldung
EP 1 179 673 A2 ist zwar
ebenfalls bereits ein Filterelement zur Filterung eines Abgasstromes
offenbart, welches in eine. Verbindungsleitung zur Abgasrückführung
integriert ist. Eine Entkopplung oder Dämpfung von Schwingungen
der genannten Verbindungsleitung von dem Verbrennungsmotor ist damit
allerdings nicht möglich, da lediglich zur thermischen
Isolierung von Verbindungsleitung und Ansaugvorrichtung eines Verbrennungsmotors
voneinander am Ende der Verbindungsleitung, welches im Bereich der
Ansaugvorrichtung des Verbrennungsmotors angeordnet ist, eine entsprechende
Hülse vorgesehen ist.
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Durch
den reduzierten Bauraum von Entkoppelelement und Filterelement wird
die Verlegung bzw. Ausführung einer L-EGR-Leitung auch
erheblich vereinfacht: Es werden nicht nur weniger Einzelteile für
die Anordnung und Befestigung der L-EGR-Leitung benötigt,
sondern ebenso können standardisierte kostengünstige
Leitungsteile bzw. -rohre eingesetzt werden. Außerdem werden
Strömungsverluste reduziert. Da das Filterelement zumindest
teilweise im Inneren des Entkoppelelementes angeordnet ist, ist
das Gewicht von Entkoppelelement und eingebautem Filterelement auch
deutlich geringer als die Summe der Gewichte der jeweiligen Einzelbauteile
des Standes der Technik, da auf ein separates Filtergehäuse
für das Filterelement verzichtet werden kann.
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Ein
solches Entkoppelelement mit Filterelement ist bei unterschiedlichen
Arten von Antriebsmaschinen universell einsetzbar; lediglich die
jeweiligen Anschlussrohre sind entsprechenden Bauraumerfordernissen
anzupassen. Die Auslegung des Balges wird dabei den Vorgaben hinsichtlich
der gewünschten Entkoppelwirkung angepasst. So lässt
sich das Filterelement als Katalysator ausbilden und auf diese Weise
eine Entkopplung und Schadstoffreduzierung sowohl im nicht rückgeführten
als auch im rückgeführten Abgasstrom der Antriebsmaschine
ermöglichen und dadurch Ablagerungen im EGR Kühler
verhindern.
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Hiervon
ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entkoppelelement
zur Verfügung zu stellen, welches bei der üblichen
Entkopplung von Schwingungen, dem Ausgleich von Montagetoleranzen
und thermischen Ausdehnungen sowie der Abscheidung von Festkörperpartikeln
aus dem Abgasstrom ein verbessertes Arbeitsverhalten aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass bei Kombination eines Entkoppelelements mit einem
Filterelement – so vorteilhaft diese auch im Hinblick auf
den Bauraum und die Lebensdauer des nachgeschalteten Turboladers,
Kompressors oder dergleichen sein mag – der Druckverlust über
das Entkoppelelement derart groß wird, dass die Vorteile
der Abgasrückführung teilweise zunichte gemacht
werden bzw. nicht wirksam erzielbar sind. Um nachteiligen Effekten
zu begegnen, schlägt die Erfindung ein Filterelement vor,
das selbsttragend und/oder ohne Träger und/oder ohne Stützkörper
ausgebildet ist, um dadurch einen deutlich reduzierten Druckverlust
zu erreichen, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Arbeitsverhalten
gegenüber den bekannten Bauformen verbessert werden kann.
Während also bisher allenfalls ein Augenmerk auf die Stabilität
eines Filters gerichtet wurde, beschäftigt sich die vorliegende
Erfindung mit dem Thema des durch den Filter verursachten und sich
auf die Abgasrückführung negativ auswirkenden
Druckverlusts.
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Wesentlich
für das selbsttragende, träger- und/oder stützkörperlose
Filterelement ist die Tatsache, dass die Filterfläche so
groß wie möglich ist und somit nicht durch Träger
oder Stützkörper oder sonstige Hilfsmittel blockiert
oder bedeckt wird. Dadurch ist die ansonsten für einen
großen Druckverlust verantwortliche Stützfläche
eliminiert und das Filterelement besteht fast nur aus für
den Abgasstrom durchlässigen Bereichen mit Filterfunktion.
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In
diesem Zusammenhang ist es von großem Vorteil, wenn das
Filterelement so ausgebildet ist, dass zumindest 70%, insbesondere
zumindest 80% der Oberfläche des Filterelements durchlässig
sind und als Filterfläche wirksam arbeiten können.
Dieses große Flächenverhältnis von ca.
80% sorgt für einen besonders niedrigen Druckverlust und
damit für ein besonders gutes Arbeitsverhalten des erfindungsgemäßen
Entkoppelelements. Bei bekannten Filterelementen werden Träger,
Stützen oder sonstige tragende Bauteile vorgesehen, die
die wirksame Filterfläche weiter verkleinern bzw. etwaige
an sich durchlässige Filterflächen ver- bzw. überdecken
und damit undurchlässig machen, so dass sie nicht mehr
ihre Funktion als Filterfläche erfüllen können.
Genau auf diese tragenden Bauteile wird nun bei der vorliegenden
Erfindung verzichtet.
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Besonders
vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Filterelement bauchig oder
tütenförmig ausgebildet ist mit einer Filterspitze,
die insbesondere konisch oder bauchig ausgebildet ist. Daneben sind
auch Kegel-, Kegelstumpf- oder Zylinderformen möglich (die hier
als unter den Allgemeinbegriff „bauchig” fallend zu
verstehen sind), wobei aber die genannte tütenförmige
Ausbildung für eine deutlich vergrößerte
Filteroberfläche verantwortlich ist, die sich ebenfalls
sehr günstig im Hinblick auf den Druckverlust auswirkt.
Es sei an dieser Stelle betont, dass die genannte erfindungsgemäße
bauchige oder Tütenform (die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
etwa der Form eines Papier-Teesiebes entspricht) jegliche von der
Scheibenform abweichende insbesondere aufgewölbte Ausgestaltung,
also auch beispielsweise strumpfförmige Filterelemente
umfassen soll.
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Von
besonderem Vorteil für die Lebensdauer eines solchen Entkoppelelementes
ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Filterspitze des Filterelements,
also beispielsweise das tütenförmige Ende, die
bauchige Wölbung und dergleichen dem Einlass des Entkoppelelements
zugewandt ist. Hierdurch lässt sich erreichen, dass das
Filterelement nicht im Laufe der Zeit mit den aus dem Abgasstrom
herausgefilterten Partikeln im Bereich der Filterspitze zugesetzt
wird und somit den Druckverlust über die Lebensdauer erhöhen
würde; statt dessen fallen die aus dem Abgasstrom abgefangenen
Partikel vom Filterelement in den das Filterelement umgebenden Bereich
des Entkoppelelements, also insbesondere in den Balgkörper.
Die Orientierung der Filterspitze in Richtung des Einlasses des
Entkoppelelements führt außerdem zu einer Reduzierung
der Strömungsverluste im Vergleich zu einer umgekehrten
Anordnung.
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Weiter
empfiehlt es sich, wenn die der Filterspitze gegenüberliegende
Filterbasis dem Auslass des Entkoppelelements zugewandt ist und/oder wenn
das Filterelement insbesondere nur im Bereich des Auslasses des
Entkoppelelements mittels der Filterbasis festgelegt ist. Dadurch
ist sichergestellt, dass das Filterelement nicht die Funktion des
Entkoppelelements und insbesondere des gewellten Balgs beeinträchtigt.
Denn bei Festlegung an nur einem Ende und insgesamt tütenförmiger
und stützkörperloser Ausbildung ist offensichtlich,
dass die Durchmesserverhältnisse des Filterelements gegenüber
dem Balg so auswählbar sind, dass das Filterelement bei
Auslenkungen des Balgs an dessen Innenseite nicht anstößt.
Und selbst wenn das Filterelement einmal im Extremfall an die Balginnenwandung
anstoßen würde, so würde das stützkörperlose Filterelement
ausreichend nachgiebig sein, um einen solchen Kontakt beschädigungslos
zu überstehen.
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Zweckmäßigerweise
ist das Filterelement so ausgelegt, dass das Entkoppelelement bei
einer Temperatur des Abgases in der Größenordnung
von etwa 250°C, bei einem Massenstrom des Abgases im Bereich
von 40–80 kg/h sowie bei einer zumindest etwa 90%-igen
Filterung von im Abgas enthaltenen Teilchen einer Partikelgröße
zwischen 50 und 500 μm einen Druckverlust im Bereich von
etwa zwischen 3 und 30 mbar und insbesondere im Bereich von nur zwischen
3 und 20 mbar aufweist.
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Dies
soll aber nicht etwa durch ein schlecht funktionierendes, d. h.
zu grobes Filterelement ermöglicht werden – vielmehr
ist das Filterelement so auszulegen, dass es zumindest eine 90%-ige
und insbesondere eine etwa 99%-ige Filterung von im Abgas enthaltenen
Teilchen der Partikelgröße zwischen 95 und 105 μm
aufweist.
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Wie
vorstehend erwähnt, ist das Entkoppelelement dabei so ausgelegt,
dass der erfindungsgemäße geringe Druckverlust
zwischen 3 und 30 mbar bei einem Abgas auftritt, das – bei
gegebenem Massenstrom im Bereich von 40–80 kg/h – eine
Temperatur in der Größenordnung von etwa 250°C
aufweist. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn bei einer Temperatur
des Abgases in der Größenordnung von etwa 250°C,
bei einem Massenstrom des Abgases in der Größenordnung
von etwa 80 kg/h sowie bei einer etwa 99%-igen Filterung von im
Abgas enthaltenen Teilchen einer Partikelgröße
zwischen 95 und 105 μm der Druckverlust im Bereich von
etwa zwischen 10 und 13 mbar liegt.
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Es
sei betont, dass der Druckverlust für andere Temperaturbereiche
anders ausfällt, nämlich bei niedrigeren Temperaturen
geringer und bei höheren Temperaturen größer.
Näheres hierzu ergibt sich aus dem als 7 beigefügten
Schaubild und der zugehörigen Beschreibung. Die in den
Ansprüchen angegebenen Werte müssen nicht den
tatsächlichen Arbeitsbedingungen entsprechen; vielmehr
dienen sie primär dazu, Entkoppelelemente mit unterschiedlichen
Filterbauformen miteinander vergleichen zu können und das
Vorhandensein der erfindungsgemäßen Eigenschaften
auch bei anderen, üblicherweise bei anderen Bedingungen
eingesetzten Entkoppelelementen nachweisen zu können.
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Das
Filterelement der vorliegenden Erfindung dient insbesondere zum
Herausfiltern von festen, insbesondere keramischen Partikeln, die
im Abgasstrom enthalten sind, in einer Ausführungsform mit
Katalysator dient das Filterelement vorwiegend zum Herausfiltern
von HC und CO aus dem Abgas.
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Wie
sich schon aus dem Vorstehenden ergibt, ist das Filterelement zweckmäßigerweise
koaxial zum Balg im Entkoppelelement angeordnet; wenn nun das Entkoppelelement
vom Abgasstrom durchströmt wird, so bedeutet dies, dass
das Filterelement zumindest in seiner Radialrichtung vom Abgasstrom durchströmbar
ist. Durch die tütenförmige bzw. bauchige Ausführung
kommt zu dieser Radialkomponente noch eine Axialkomponente hinzu,
was sich insgesamt besonders günstig auf den Druckverlust
auswirkt, vor allem gegenüber einer nur axialen Durchströmung.
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Während
es hinsichtlich der Ausgestaltung des Filterelements verschiedene
Möglichkeiten gibt, dieses beispielsweise aus einem Geflecht,
einem Metallvlies oder einem Quadratmaschengewebe bestehen kann,
so hat sich als vorteilhaft ein als Oberflächenfilter wirksames
Metalltressengewebe erwiesen, das bevorzugterweise als glatte Tresse
ausgebildet ist mit einem besonders bevorzugten Verhältnis
von 30 Kettfäden zu 120–150 Schussfäden
pro inch2. Ein anderes bevorzugtes Filterelement
besteht aus einem tüten- oder kegelförmigen gesinterten
Metall-Vliesfilter mit einer axialen Filterlänge (axialer
Abstand zwischen Filterbasis und Filterspitze) von etwa 65–70
mm. Bei Variation der Filterlänge lässt sich feststellen,
dass im beobachteten Bereich mit größerer Länge
(wodurch entsprechend die Filterfläche größer
wird) der Druckverlust sinkt. Ebenso sinkt der Druckverlust, wenn
man anstelle eines kegelförmigen Filterelements ein tütenförmiges,
d. h. flacheres und breiteres Filterelement verwendet, das eine
etwas größere wirksame Filterfläche aufweist.
Somit sind die zu Vergleichzwecken aufgeführten Parameter,
insbesondere der Druckverlust auf eine vergleichbare bzw. gleich
bleibende wirksame Filteroberfläche zu beziehen, da sich
diese Parameter in Abhängigkeit der Filterform und -größe ändern.
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Weitere
Vorteile lassen sich bei dem erfindungsgemäßen
Entkoppelelement dadurch erzielen, dass es eine Einrichtung zur
Beladungserkennung aufweist, die insbesondere die Druckdifferenz über das
Entkoppelelement misst. Kommt es während des Gebrauchs
des Entkoppelelements zu einem erhöhten Anfall von Partikeln,
beispielsweise in Folge einer Schädigung des Dieselpartikelfilters,
einer Versottung des Filters in Folge ungünstiger Gemischverbrennung
oder dergleichen, kann diese Störung unmittelbar festgestellt
und der Filter des Entkoppelelements oder das gesamte Entkoppelelement
ausgetauscht werden.
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Zusätzliche
Vorteile lassen sich durch eine Einrichtung zur Veränderung
des Abgasstroms, insbesondere durch eine Abgasklappe erzielen, die
insbesondere im Bereich des Einlasses des Entkoppelelements angeordnet
ist. Hierdurch lässt sich die Rückführungsrate
des Abgasstroms in idealer Weise auf die vorhandenen Werte und insbesondere
auf die Eigenschaften des Filterelements einstellen. Schließlich
kann eine Einrichtung zur Kühlung der Filteroberfläche
vorgesehen sein, die vorzugsweise elektrisch arbeitet; ebenso lässt
sich eine Kühlung über eine geeignete Gestaltung
der Balgwellengeometrie erzielen.
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Ebenso
liegt es im Rahmen der Erfindung, das Filterelement als an sich
bekannter EGR-Katalysator oder auch als Zyklonenfilter auszubilden.
Weiterhin ist es möglich, das Filterelement als Kühler oder
Vorwärmer auszubilden, da der Balg des Entkoppelelementes
auf seiner durch die üblicherweise vorhandenen teilweise
gewellten Bereiche vergrößerten Oberfläche
eine verbesserte Wärmeein- bzw. Wärmeableitung
ermöglicht.
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Wenn
das Filterelement im Bereich des Einlasses (und/oder Auslasses)
des Entkoppelelementes angeordnet ist, ist es auf einfache Weise
möglich, bestehende Entkoppelelemente ohne Filterelement, beispielsweise
durch Einstecken eines Filterelementes im Bereich des Einlasses
und/oder Auslasses mit einem Filterelement nachzurüsten
oder zu Wartungszwecken das Filterelement auszutauschen, ohne dass
das gesamte Entkoppelelement hierzu geöffnet oder komplett
ersetzt werden muss. Zudem kann das Filterelement auf einfache Weise
zusammen mit einem Ende des Entkoppelelementes an diesem festgelegt
werden.
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Zweckmäßigerweise
ist das Filterelement durch Verschweißen oder Verpressen
am Entkoppelelement, insbesondere am Balg, festgelegt. Damit ist eine
einfache und kostengünstige Befestigung des Filterelementes
am Entkoppelelement möglich.
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Damit
das Filterelement möglichst geringe Belastungen und Kräfte
durch die Aufnahme von Schwingungen durch das Entkoppelelement erfährt, ist
es vor teilhaft, wenn das Filterelement im Bereich einer Festseite
des Entkoppelelementes angeordnet ist. Die Festseite des Entkoppelelementes
ist dabei dasjenige Ende des Entkoppelelementes, welches geringeren
Bewegungen und damit Belastungen durch die vom Entkoppelelement
aufzunehmenden Schwingungen der Antriebsmaschine ausgesetzt ist. Damit
erhöht sich die Lebensdauer des Filterelementes.
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Wird
das Filterelement in Axial- und/oder in Radialrichtung vom Abgasstrom
durchströmt, ermöglicht dies – wie bereits
erwähnt – einen optimalen Durchsatz des Abgasstromes
und gleichzeitig eine effektive Filterung des Abgasstromes. Dabei
liegt es im Rahmen der Erfindung, dass bei einem als Fliehkraftabscheider
bzw. Zyklonenfilter ausgebildeten Filterelement, der Abgasstrom
im Wesentlichen tangential bezüglich des radialen Umfangs
des Filterelementes in dieses eintritt und anschließend
auf eine im Wesentlichen kreisförmige Bahn gelenkt wird.
Die zu filternden Partikel werden dann mehrheitlich durch die durch
die kreisförmige Bahn des Abgasstromes wirkende Zentrifugalkraft
vom Abgasstrom getrennt.
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Vorteilhafterweise
sind das Filterelement und/oder der Balg ein- oder mehrlagig ausgebildet. Ein
mehrlagiges Filterelement ermöglicht eine weitere Verbesserung
bzw. Anpassung der Filterwirkung, wohingegen ein mehrlagig ausgeführter
Balg nicht nur hinsichtlich seiner Stabilität verbessert
wird, sondern ebenfalls ist es damit möglich, die Beweglichkeit des
Entkoppelelementes an die jeweiligen Anforderungen anzupassen bei
gleichzeitiger Gewährleistung der Gasdichtheit des Entkoppelelementes.
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Um
das Filterelement noch einfacher und kostengünstiger im
Entkoppelelement festzulegen, kann das Filterelement in einem ungewellten
Bereich des Balges angeordnet werden. Die Dämpfung des Balges
bzw. Entkoppelelementes kann auf diese Weise verringert werden,
ohne dass das Filterelement bei Belastung des Balges diesen berührt
und das Filterelement bzw. der Balg durch Reibung aneinander beschädigt
werden.
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Weiterhin
ist es auch möglich, den ungewellten Bereich des Balges
an die Form, insbesondere den Durchmesser bzw. Geometrie des Filterelementes
anzupassen. Dadurch ist eine größere Filterwirkung
des Filterelementes möglich ohne das Entkoppelelement hierfür
verlängern zu müssen und damit den hierfür
notwendigen Bauraum für den Einbau zu vergrößern.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; dabei zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Entkoppelelement mit einem Filterelement;
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2 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Entkoppelelementes mit einem Filterelement, angeordnet im ungewellten
Bereich des Balges;
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3 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Entkoppelelementes mit Filterelement gemäß 2;
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4a und 4b eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Entkoppelelementes mit koaxial angeordneten Filterlagen;
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5 eine
alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Entkoppelelements mit Filterelement in teilweise geschnittener Seitenansicht;
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6 das
Entkoppelelement aus 5 in komplett geschnittener
Seitenansicht (Längsschnitt);
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7 ein
Schaubild mit Kennlinien (Druckverlust über Massenstrom)
für verschiedene Temperaturen des Abgases;
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8 das
Filterelement aus 5 separat in komplett geschnittener
Seitenansicht (Längsschnitt);
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9 das
Filterelement aus 5 separat in Draufsicht und
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10 das
Filterelement aus 5 separat in perspektivischer
Seitenansicht.
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In 1 ist
eine Zeichnung eines erfindungsgemäßen Entkoppelelementes 1 im
Axialschnitt mit zwei Enden E, A auf der rechten bzw. linken Seite
der Zeichnung gezeigt, wobei das rechte Ende als Einlass E eines
Abgasstromes S und das linke Ende als Auslass A des Abgasstromes
S dient. Der Abgasstrom S durchströmt das Entkoppelelement 1 vom Einlass
E in Richtung D des Auslasses A. Diese Richtung wird als Durchströmungsrichtung
D bezeichnet. Weiterhin weist das Entkoppelelement 1 einen
Balg 3 aus Metall mit einem gewellten Bereich 3' auf.
Im Inneren I des Entkoppelelementes 1 ist ein Filterelement 2' angeordnet,
welches sich im Wesentlichen entlang der Axialrichtung und ausgehend
vom Auslass A des Entkoppelelementes in das Entkoppelelement entgegen
der Durchströmungsrichtung D hineinerstreckt und im Wesentlichen
einen kreisförmigen oder annähernd ovalen Querschnitt,
vorteilhafterweise dem Querschnitt des Entkoppelelementes 1 entsprechend,
aufweist.
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Tritt
nun der Abgasstrom S beim Einlass E in das Entkoppelelement 1 ein,
wird zunächst der vom Filterelement 2' nicht beaufschlagte
Bereich 2 des Inneren I des Entkoppelelementes 1 durchströmt.
Anschließend tritt der Abgasstrom S z. B. in Radialrichtung
R1 in das Filterelement 2' ein.
Nach dem Eintritt in das Filterelement 2' wird der Abgasstrom
S durch das Filterelement 2' gefiltert und tritt dann wiederum parallel
zur Durchströmungsrichtung D durch den Auslass A des Entkoppelelementes 1 aus.
Weiterhin ist das Filterelement 2' auch im gewellten Bereich 3' des
Balges 3 angeordnet.
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Zur
Bedämpfung des Balges 3 sowie zum Schutz des Balges 3 gegen äußere
Beschädigungen kann der Balg 3 auf seiner radialen
Außenseite ein Außengestricke und/oder ein -geflecht
aufweisen. Gleichzeitig kann das Entkoppelelement auch im Bereich
des Ein- und/oder Auslasses E, A eine Endhülse 6 aufweisen,
die zur gegenseitigen Festlegung von Balg 3, Außengestricke,
etc. dient. Um die Beweglichkeit des Balges 3 und damit
die Flexibilität des Entkoppelelementes 1 zu erhöhen,
kann das Filterelement 2' hinsichtlich seiner axialen Erstreckung auch
verkürzt werden.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des Entkoppelelementes 1 aus 1.
Dabei erstreckt sich nun das Filterelement 2' in Axialrichtung lediglich
im ungewellten Bereich 3'' des Balges 3. Der ungewellte
Bereich 3'' ist in 2 im Gegensatz
zu 1 größer ausgebildet und erstreckt
sich nun nahezu über die Hälfte der gesamten axialen
Erstreckung des Entkoppelelementes 1.
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Der
ungewellte Bereich 3'' des Balges 3 ist dabei
an die Geometrie, insbesondere an den Radius des Filterelementes 2' entsprechend
angepasst, und die axiale Erstreckung von ungewelltem Bereich 3'' und
Filterelement 2' ist im Wesentlichen gleich groß. Weiterhin
ist ebenso wie in 1 der Innenradius 5 des
gewellten Bereiches 3' und der Innenradius 6 des ungewellten
Bereiches 3'' des Balges 3 im Wesentlichen gleich
groß.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Entkoppelelementes 1 gezeigt. Der Aufbau entspricht dabei
im Wesentlichen dem gezeigten Aufbau des Entkoppelelementes 1 aus 2.
Im Unterschied zu 2 entspricht nun der Innenradius 5 des
gewellten Bereiches 3' des Balges 3 nun nicht
mehr dem Innenradius 6 des ungewellten Bereiches 3'',
sondern der Innenradius 6 des ungewellten Bereiches 3'' ist
nun so ausgestaltet, dass er im Wesentlichen dem Außenradius 4 des gewellten
Bereiches 3' des Balges 3 entspricht. Dadurch
kann im Vergleich zur Ausführungsform des Entkoppelelementes 1 in 2 bei
gleicher axialer Länge des Entkoppelelementes 1 mit
Filterelement 2' eine größere Filterwirkung
aufgrund eines größeren Volumens des Filterelementes 2' erreicht
werden.
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In 4a wird
eine weitere Ausführungsform eines Filterelementes 2' im
Inneren I des Entkoppelelementes 1 in perspektivischer
dreidimensionaler Ansicht gezeigt. Dieses Filterelement 2' wird
in Durchströmungsrichtung D von einem Abgasstrom S durchströmt.
Das Filterelement 2' weist dabei an seiner radialen Außenseite
einen Blechzylinder 7 auf. Auf der radialen Innenseite
des Blechzylinders 7 ist als Filterlage ein erster Filterzylinder 8 koaxial
zur Achse des Filterelementes 2' angeordnet. Auf dessen
radialer Innenseite ist wiederum eine koaxial angeordnete Aussparung
H angeordnet, die sich teilweise in Axialrichtung des Filterelementes 2' erstreckt.
Schließlich ist auf deren radialer Innenseite und im Wesentlichen
entlang der gesamten axialen Erstreckung des Filterelementes 2' als
weitere Filterlage ein zweiter Filterzylinder 9 angeordnet.
Zudem weist das Filterelement 2' an seinem einen Ende in koaxialer
Weise angeordnete Stirnflächen 10 auf, die nicht
vom Abgasstrom S durchströmt werden können. Der
Abgasstrom S kann lediglich mittelbar in das Filterelement 2' über
die Aussparung H in den ersten Filterzylinder 8 bzw. zweiten
Filterzylinder 9 des Filterelementes 2' eintreten.
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4b zeigt
nun ein gemäß 4a in
Axialrichtung des Entkoppelelementes 1 in dessen Inneren
I angeordnetes Filterelement 2'. Der Strömungsverlauf
eines Abgasstromes S bei der Durchströmung eines Entkoppelelementes 1 in
Durchströmungsrichtung D ist wie folgt: Zunächst
tritt der Abgasstrom S über den Einlass E des Entkoppelelementes 1 in
diesen ein und durchströmt zunächst den Bereich 2 des
Entkoppelelementes 1, welcher nicht vom Filterelement 2' beaufschlagt
wird. Danach trifft der Abgasstrom S auf das Filterelement 2',
wobei die in Radialrichtung R1 orientierten
Stirnflächen 10 des Filterelementes 2' nicht
vom Abgasstrom S durchströmt werden können. Der
Abgasstrom S tritt somit in die Aussparung H des Filterelementes 2' ein
und wird anschließend in zwei Teilabgasströme
S1 bzw. S2 aufgeteilt.
Der Teilabgasstrom S1 tritt über
die radiale Außenseite des zweiten Filterzylinders 9,
die entlang der Aussparung H angeordnet ist, in diesen zur Filterung
ein, wohingegen der Teilabgasstrom S2 zunächst über
die entlang der Aussparung H angeordnete radiale Innenseite des
ersten Filterzylinders 8 in diesen zur Filterung eintritt.
Der Teilabgasstrom S2 durchströmt
dann den ersten Filterzylinder 8 in Axialrichtung und tritt
schließlich im nicht von der Aussparung H beaufschlagten
Bereich des Filterelementes 2' in den Auslass A über.
Die beiden Teilabgasströme S1,
S2 vereinigen sich so wieder zu einem einzigen Abgasstrom
S, welcher dann über den Auslass A aus dem Entkoppelelement 1 austritt.
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Weiterhin
liegt es im Rahmen der Erfindung das Filterelement sowohl im gewellten
als auch im ungewellten Bereich des Balges anzuordnen, gegebenenfalls
kann es sich auch vollständig entlang der Axialrichtung
im Inneren des Entkoppelelementes erstrecken. Zusätzlich
ist es ebenfalls möglich, dass das Filterelement teilweise
außerhalb des Entkoppelelementes angeordnet ist, beispielsweise
um das Filtervolumen des Filterelementes und damit dessen Filterwirkung
noch weiter zu verbessern.
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Die 5 und 6 zeigen
ein Entkoppelelement 11 mit einem besonders gestalteten
Filterelement 12', das in erfindungsgemäßer
Art und Weise tütenförmig ausgebildet ist mit
einer Filterspitze 121, einer ringförmigen Filterbasis 122 und
einer im Beispielsfall tütenförmigen Filterfläche 123 (die
insbesondere auch aus den 8, 9 und 10 erkennbar
ist), die aus einem Metalltressengewebe besteht.
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Das
Entkoppelelement 11 weist als zusätzliche Bauteile
einen ringgewellten Balg 13 mit zwei glattzylindrischen
Anschlussenden 13'' und einem gewellten mittleren Bereich 13' auf. Über
den Balg 13 ist ein Gestrickemantel 14 gezogen,
der über Endringe 15, 16 an den glattzylindrischen
Anschlussenden 13'' festgelegt ist. Die Anschlussenden
des Balgs sind wiederum mit jeweils einem Anschlussflansch 17, 18 versehen
an die die jeweilige Anschlussverrohrung (die in der Zeichnung nicht
dargestellt ist) angeschlossen werden kann.
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Das
so aufgebaute Entkoppelelement 11 weist einen Einlass E
und einen Auslass A für den Abgasstrom S auf, der das Entkoppelelement
in Durchströmungsrichtung D durchströmt.
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Erfindungsgemäß ist
das Filterelement so angeordnet, dass es mit seiner Filterspitze 121 dem Einlass
E zugewandt ist. Hierdurch lässt sich eine Verringerung
der Druckverluste in der Größenordnung von etwa
30% im Vergleich zu einem scheibenförmigen und mit Stützkörper
versehenen Filterelement erzielen. Außerdem werden durch
eine solche Anströmung des Abgasstromes auf die Filterspitze die
Strömungsverluste klein gehalten. Schließlich
fallen die aus dem Abgasstrom herausgefilterten Partikel in den
Balgkörper 3, verbleiben somit nicht im Inneren
des Filters. Hierdurch wird eine Vergrößerung der
Druckverluste über die Lebensdauer vermieden, da sich die
Partikel nicht im Inneren des Filters ansammeln, sondern der Filter
vielmehr regelmäßig und dauerhaft quasi selbsttätig
gereinigt wird.
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Die
Tüten- bzw. Strumpfform des Filterelements 12' ergibt
auch eine größere Bewegungsfreiheit gegenüber
dem Balg 13 und dem Anschlussflansch 18, die selbst
bei größeren Auslenkungen nicht Gefahr laufen,
mit dem Filterelement bzw. der Filterspitze 121 zu kollidieren.
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Wie
man aus 6 leicht erkennen kann, führt
eine Durchströmung des Abgasstroms S durch das Filterelement 12' nicht
nur zu einer Durchströmung in Axialrichtung, sondern aufgrund
der zur Mittelachse 19 des Entkoppelelements 11,
die mit der Mittelachse 19 des Filterelements 12' zusammenfällt, geneigten
Orientierung der Filterfläche 123 dazu, dass auch
eine Durchströmung in Radialrichtung auftritt, was sich
ebenfalls sehr günstig auf den Druckverlust über
das Entkoppelelement auswirkt.
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Zum
in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
des tütenförmigen Filterelements sei angemerkt,
dass hiervon abweichend auch andere gewölbte oder strumpfförmige
Filterformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen und ähnliche
Vorteile aufweisen. Das tütenförmige Filterelement
ist im Bereich seiner Filterspitze 121 mit einer Schweißnaht
versehen, die das Metalltressengeflecht in diesem Bereich fixiert
und somit für eine gewisse Stabilisierung sorgt. Bei strumpfförmigen
Filterelementen oder gewölbten bzw. bauchigen Filterelementen
kann auf eine solche Schweißnaht verzichtet werden und
die dem Einlass zugewandte „Filterspitze” durch
entsprechende Ausformung des Gewebes ohne Fügestellen gebildet
werden. Hierdurch lässt sich ähnlich wie durch
das Weglassen von Stützkörpern oder Trägern
die Filterfläche vergrößern und somit
der Druckverlust entsprechend verringern.
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Was
die dargestellten Anschlussflansche 17, 18 des
Entkoppelelements 11 betrifft, so lässt sich durch
deren möglichst große Dimensionierung (im Durchmesserbereich
von 25 bis 40 mm bis hin zu 56 mm bei Pkw-Abgasanlagen und in noch
höherer Größenordnung bei Nutzfahrzeuganwendungen)
der Druckverlust auch im Bereich der Anschlussverrohrung reduzieren.
Dies ist durch die erfindungsgemäße Kombination
von Entkoppelelement und Filter und die dadurch erzielte Reduzierung
des Bauraums möglich.
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7 zeigt
nun für den vorliegenden Erfindungsgegenstand gemäß 5 bzw. 6 den Druckverlust
in Abhängigkeit vom Massenstrom bei unterschiedlichen Abgastemperaturen,
wobei diese Werte einer Messung für 250°C entnommen
und entsprechend hochgerechnet sind. Hieraus ist eine deutliche
Abhängigkeit von der Abgastemperatur zu entnehmen: Eine
höhere Temperatur bedeutet – bei gleichem Massenstrom – einen
größeren Druckverlust. In den gezeigten Beispielen
reduziert sich der Druckverlust bei einer von 250°C auf
25°C, also auf ein Zehntel, abgesenkten Temperatur auf
etwa die Hälfte, bei einer von 250°C auf 750°C
erhöhten, also verdreifachten Temperatur vergrößert
er sich etwa auf das Doppelte. Um nun verschiedene Entkoppelelemente
bzw. -bauformen miteinander vergleichen zu können, behilft
sich die vorliegende Erfindung der angegebenen Bezugsgrößen,
nämlich gibt Massenstrom, Filterungsgrad und Temperatur
vor und definiert in Abhängigkeit hiervon einen Druckverlustbereich,
der sich deutlich vom Stand der Technik unterscheidet und für
die erfindungsgemäßen Vorteile verantwortlich
ist.
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In
den 8, 9 und 10 ist
das Filterelement 12' aus den 5 und 6 separat
im Längsschnitt, in Draufsicht und in perspektivischer Seitenansicht
dargestellt. Dabei ist vor allem die ringförmige Filterbasis 122 zu
erkennen, die die Filterfläche 123, d. h. im vorliegenden
Beispiel das Metalltressengewebe hält und über
die das Metalltressengewebe am Entkoppelelement 11 bzw.
am glattzylindrischen Anschlussende 13'' des Balgs 13 festgelegt wird.
Da die Filterfläche 123 über einen Teil
der aus einem nicht perforierten separaten Ring bestehenden ringförmigen
Filterbasis 122 gezogen ist, ist die Filterfläche
in diesem überlappenden Bereich im wesentlichen undurchlässig.
Entsprechendes gilt für die Filterspitze 121,
bei der die aneinander anliegenden Lagen 123a, 123b der
Filterfläche 123 durch die Schweißnaht 121' fixiert
sind. Auch im Bereich der Schweißnaht ist die Filterfläche 123 nicht
durchlässig und kann nicht als Filter wirksam arbeiten.
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Wenn
man nun der Gesamtoberfläche des Filterelements 12' diese
undurchlässigen Bereiche 121' und 122' gegenüberstellt,
so ergibt sich eine verbleibende Gesamtfläche von zumindest
70%, insbesondere von zumindest 80% der Gesamtoberfläche, die
durchlässig ist und als Filterfläche wirksam arbeiten
kann. Dieses große Flächenverhältnis
von ca. 80% sorgt für den besonders niedrigen Druckverlust und
damit für das besonders gute Arbeitsverhalten des erfindungsgemäßen
Entkoppelelements. Bei bekannten Filterelementen werden Träger,
Stützen oder sonstige tragende Bauteile vorgesehen, die
die wirksame Filterfläche weiter verkleinern bzw. etwaige an
sich durchlässige Filterflächen ver- bzw. überdecken
und damit undurchlässig machen, so dass sie nicht mehr
ihre Funktion als Filterfläche erfüllen können.
Genau auf diese tragenden Bauteile wird nun bei der vorliegenden
Erfindung verzichtet.
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Das
Filterelement 12' besteht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
aus einem Metalltressengewebe mit folgenden Eigenschaften: Porosität: 80%;
Luftdurchlässigkeit: 1500 l/min dm2 bei
200 Pa; Permeabilitätsfaktor: 7–11 m2; Filterfläche: 48 cm2 bei einer
Filterlänge von etwa 65 mm und einem Filterdurchmesser
im Bereich der Filterbasis von etwa 40 mm. Dieses bevorzugte Filterelement
hat bei einem Abgasstrom von 250°C im Bereich von etwa
33,2 kg/h einen Druckverlust von etwa 7 mbar und bei einem Abgasstrom
von 250°C im Bereich von etwa 80 kg/h einen Druckverlust
von etwa 30 mbar. Durch Vergrößerung der Filteroberfläche
lässt sich der Druckverlust in gewissem Maße ändern,
insbesondere reduzieren, wobei zu berücksichtigen ist,
dass die Vergrößerung der wirksamen Filterfläche
nur in Maßen möglich und sinnvoll ist, zumal ja
erfindungsgemäß auf einen Träger, einen
Stützkörper oder ein sonstiges tragendes Bauteil
verzichtet werden soll.
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In
erfindungsgemäßer Art und Weise sind auch die
verschiedenen Ausführungsformen des Filterelements 2' aus
den 1 bis 4 selbsttragend
und träger- bzw. stützkörperlos und dadurch
mit maximaler wirksamer Filterfläche ausgebildet – mit
denselben Vorteilen wie beim Filterelement 12' aus den 5, 6, 8 bis 10.
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Zusammenfassend
bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass das erfindungsgemäße
Entkoppelelement mit integriertem Filterelement hinsichtlich des
Druckverlustes optimiert ist und Maßnahmen vorgesehen sind,
wie der Druckverlust auch über die Lebensdauer im wesentlichen
aufrechterhalten werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19722603
A [0009]
- - EP 1179673 A2 [0010]