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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Wärmetauscher, die einem Abgaszustrom eines Verbrennungsmotors ausgesetzt sind.
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HINTERGRUND
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Die Anmerkungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformation in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung dar und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
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Verbrennungsmotoren erzeugen Abgas, das Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), Partikelmaterial (PM) und andere Emissionsgase enthält. Ein Abgasrückführungs-(AGR-)System kann dazu verwendet werden, Stickoxide (NOx) durch Verdünnen eintretender Luft mit rückgeführten Abgasen, die inert sind, zu reduzieren, wodurch Spitzenverbrennungstemperaturen reduziert und entsprechend NOx-Niveaus reduziert werden.
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Verbrennungstemperaturen können ferner durch Kühlen des rückgeführten Abgases reduziert werden, was in einem rückgeführten Abgas mit höherer Dichte resultiert. Ein AGR-System kann einen Wärmetauscher aufweisen, der das rückgeführte Abgas vor Eintritt in den Ansaugkrümmer kühlt. Ein AGR-Ventil oder eine andere Dosiervorrichtung kann die Strömung des Abgases in den Ansaugkrümmer regulieren. AGR-Systeme sind in den Druckschriften
DE 44 39 940 A1 ,
DE 103 48 366 A1 und
US 7 461 641 B1 beschrieben.
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Ein Wärmetauscher zur Verwendung mit einem AGR-System umfasst eine Mehrzahl von Wärmetauscherleitungen, die aus thermisch leitendem Material hergestellt sind und durch die zurückgeführtes Abgas strömt. Die Wärmetauscherleitungen stehen in Kontakt mit einem Fluid, zum Beispiel Motorkühlmittel oder Luft, das/die Wärme von dem Abgas durch die Wärmetauschleitungswände absorbiert. Der thermische Wirkungsgrad, d. h. die Wärmeübertragung durch die Wärmeaustauschleitungswände kann reduziert werden, wenn sich Kohlenwasserstoffe und Ruß einschließlich Asche und Partikelmaterial (PM) an den Wänden der Wärmeaustauschleitungen niederschlagen bzw. ausfallen, dort koagulieren und anderweitig daran abscheiden und anhaften.
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Die Auslegung eines Wärmetauschers für ein AGR-System kann eine Kompensation eines Verlustes an thermischem Wirkungsgrad während seiner Betriebslebensdauer umfassen, die eine Bemessung des Wärmetauschers mit überschüssiger Wärmeübertragungskapazität aufweist, um eine Schädigung zu kompensieren, die während seiner Betriebslebensdauer auftreten kann. Diese überschüssige Wärmeübertragungskapazität kann verfügbaren Einbauraum verbrauchen, Gewicht beitragen und eine Gesamtkonstruktion des Wärmetauschers beeinträchtigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber herkömmlichen Verfahren verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader anzugeben. Ferner soll ein entsprechender Verbrennungsmotor geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 2. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der so konfiguriert ist, dass er überstöchiometrisch betrieben wird, umfasst ein Reduzieren einer Temperatur eines Anteils eines Abgaszustroms mittels eines Wärmetauschers, wobei der Anteil des Abgaszustroms stromaufwärts eines Turbinenabschnitts eines Turboladers aus dem Abgaszustrom herausgeführt wird und stromabwärts eines Kompressorabschnitts des Turboladers an ein Ansaugsystem des Motors rückgeführt wird, und ein Reduzieren eines Massendurchflusses von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen, die in dem rückgeführten Anteil des Abgaszustroms vorhanden sind, stromaufwärts des Wärmetauschers, was dazu dient, eine Abscheidung und Anhaftung von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen an Oberflächen des Wärmetauschers zu reduzieren. Das Reduzieren des Massendurchflusses von Kohlenwasserstoffen, die in dem rückgeführten Anteil des Abgaszustromes vorhanden sind, stromaufwärts des Wärmetauschers umfasst ein Leiten des rückgeführten Anteils des Abgaszustromes durch einen Kohlenwasserstofffänger, der sich stromaufwärts des Wärmetauschers befindet. Das Reduzieren des Massendurchflusses von Partikelmaterial in dem rückgeführten Anteil des Abgaszustromes stromaufwärts des Wärmetauschers umfasst ein Leiten des rückgeführten Anteils des Abgaszustromes durch einen Partikelfilter, der sich stromabwärts des Kohlenwasserstofffängers und stromaufwärts des Wärmetauschers befindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein zweidimensionales schematisches Schaubild eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, einem Turbolader und einem Abgassystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2A und 2B zweidimensionale schematische Ansichten mit einer Seitenansicht und einer Stirnansicht einer Wärmetauschervorrichtung vom Axialströmungsrohrtyp gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
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3 eine schematische Ansicht der Oberflächenabscheidung von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen an einer Innenfläche eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
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4 eine zweidimensionale schematische Darstellung einer ersten Abgasbehandlungsvorrichtung mit einer katalysierten, sich kontinuierlich regenerierenden Partikelfiltervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen das Dargestellte nur dem Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck der Beschränkung derselben dient, zeigt 1 ein Motorsystem, das einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Turbolader 20 aufweist. Der Motor 10 ist bevorzugt derart konfiguriert, dass er überstöchiometrisch arbeitet. Der Motor umfasst ein Luftansaugsystem 12 und ein Abgassystem. Das Luftansaugsystem 12 umfasst beispielsweise einen Ansaugkrümmer, einen AGR-Einlass und eine Luft/Luft-Wärmetauschervorrichtung 34, die derart konfiguriert ist, Ansaugluft stromabwärts eines Kompressor- bzw. Verdichterabschnittes 22 des Turboladers 20 zu kühlen. Das Abgassystem führt von dem Motor 10 ausgegebenes Abgas und umfasst beispielsweise einen Abgaskrümmer 16, ein Flammrohr 18, eine AGR-Leitung 19 und ein Abgasrückführungs-(AGR-)System 30. Das Abgas von dem Motor 10 strömt in den Abgaskrümmer 16 durch das Flammrohr 18 zu einem Turbinenabschnitt 24 des Turboladers 20 und gelangt bevorzugt durch zumindest eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 vor Ausstoß in atmosphärische Luft.
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Die AGR-Leitung 19 lenkt einen Anteil des Abgases in das AGR-System 30. Bei einer Ausführungsform strömt nicht behandeltes Abgas von dem Motor 10 in den Abgaskrümmer 16 durch das Flammrohr 18, wobei ein Anteil des in der AGR-Leitung 19 strömenden Abgases in das Ansaugsystem 12 rückgeführt wird.
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Das AGR-System 30 umfasst ein AGR-Ventil 32 stromabwärts eines Wärmetauschers 34, wie gezeigt ist. Alternativ kann das AGR-Ventil 32 stromaufwärts des Wärmetauschers 34 liegen. Der Wärmetauscher 34 ist stromabwärts einer Abgasbehandlungsvorrichtung 40 angeordnet. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 umfasst eine erste und eine zweite Abgasbehandlungsvorrichtung 40A bzw. 40B, die derart konfiguriert sind, um eine Abscheidung und Anhaftung von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen an Oberflächen des Wärmetauschers 34 zu reduzieren, um den thermischen Wirkungsgrad des Wärmetauschers 34 beizubehalten und einen Verlust an thermischem Wirkungsgrad zu minimieren.
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Die erste Abgasbehandlungsvorrichtung 40A der Ausführungsform umfasst eine katalysierte, sich kontinuierlich regenerierende Partikelfiltervorrichtung und ist unter Bezugnahme auf 3 unten beschrieben. Die zweite Abgasbehandlungsvorrichtung 40B ist bevorzugt ein Oxidationskatalysatorwandler, der ein Beschichtungssubstrat aufweist, das derart konfiguriert ist, um Kohlenwasserstoffe in dem rückgeführten Anteil des Abgaszustroms stromaufwärts des Wärmetauschers 34 zu oxidieren. Die erste und zweite Abgasbehandlungsvorrichtung 40A und 40B sind so konfiguriert, dass eine Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads des Wärmetauschers 34 durch Beseitigen von thermisch isolierenden Materialien aus dem rückgeführten Anteil des Abgaszustrom stromaufwärts des Wärmetauschers 34 verhindert wird. Durch das Entfernen der thermisch isolierenden Materialien, z. B. Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffe aus dem rückgeführten Anteil des Abgaszustroms stromaufwärts des Wärmetauschers 34 werden die Abscheidung und der Niederschlag des Partikelmaterials in dem Abgas auf Oberflächen 50A des Wärmetauschers 34 verzögert.
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Das AGR-System 30 führt einen Anteil des Abgases zu dem Ansaugsystem 12 des Motors 10 zurück, wobei der Massendurchfluss durch das AGR-Ventil 32 in Verbindung mit Motorbetriebsbedingungen gesteuert wird. Das AGR-System 30, wie in 1 gezeigt ist, ist als ein Hochdruckkreislauf-AGR-System konfiguriert, wobei die AGR-Leitung 19 fluidtechnisch mit dem Flammrohr 18 und stromaufwärts des Turbinenabschnittes 24 des Turboladers 20 verbunden ist.
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Ein Steuermodul steuert ein Öffnen und Schließen des AGR-Ventils 32 während des Motorbetriebs, um den Massendurchfluss des rezirkulierten Anteils des Abgases in das Ansaugsystem 12 zu dosieren, d. h. zu steuern. Der Wärmetauscher 34 ist derart konfiguriert, dass er Wärme zwischen dem rückgeführten Anteil des Abgases und einem zweiten Fluid über den Wärmetauscher 34 überträgt, und umfasst bei einer Ausführungsform eine Mehrzahl zylindrischer Rohre, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind. Die zylindrischen Rohre des Wärmetauschers 34 sind aus einem thermisch leitenden Material geformt, beispielsweise Aluminium oder rostfreiem Stahl. Der Fachmann erkennt, dass der Wärmetauscher 34 eine von verschiedenen Wärmetauscherkonfigurationen aufweisen kann. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 34 Wärmetauscherkonfigurationen vom Rohr-Typ, Platten-Typ, Mantel-Typ oder anderem Typ unter Verwendung von Wärmeübertragungsverfahren mit paralleler Strömung und entgegengesetzter Strömung aufweisen.
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Die 2A und 2B zeigen schematisch eine Seitenansicht und eine Stirnansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Wärmetauschers 34, der einen Wärmetauscher vom Axialströmungsrohrtyp aufweist, der eine Mehrzahl von Wärmetauschervorrichtungen aufweist, die zylindrische Rohre 50 aufweisen, die als Fluidleitungen dienen. Die Rohre 50 sind in einem Gehäuse 52 angeordnet. Die Rohre 50 bestehen aus einem thermisch leitenden Material. Jedes Rohr 50 besitzt eine Innenfläche 50A und eine Außenfläche 50B. Ein Abgaspfad wird durch den Wärmetauscher 34 gebildet, der einen Abgaseinlass 53 aufweist, der fluidtechnisch mit der Innenfläche 50A der Rohre 50 verbunden ist, die fluidtechnisch mit einem Abgasauslass 54 verbunden ist. Der Abgaseinlass 53 und der Abgasauslass 54 sind bevorzugt an gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 34 angeordnet. Die Rohre 50 sind fluidtechnisch in einer Parallelanordnung verbunden, was in einer gleichstromigen Fluidströmung des rückgeführten Anteils des Abgases durch die Innenflächen 50A von allen Rohren 50 zur Folge hat. Alternativ dazu können die Rohre 50 fluidtechnisch in einer Reihenanordnung verbunden sein, was in einer seriellen Fluidströmung des rückgeführten Anteils des Abgases durch die Innenflächen 50A der Rohre 50 resultiert. Das Gehäuse 52 umfasst auch einen zweiten Fluidpfad, der einen zweiten Fluideinlass 55 und einen zweiten Fluidauslass 56 aufweist. Eine Einlassplatte 58 und eine Auslassplatte 59 können zwischen der Abgaseinlassöffnung 53 und dem Gehäuse 52 bzw. zwischen dem Gehäuse 52 und der Abgasauslassöffnung 54 positioniert sein. Der zweite Fluideinlass 55 und der zweite Fluidauslass 56 sind mit einem zweiten Fluidzirkulationssystem verbunden. Der zweite Fluideinlass 55 und der zweite Fluidauslass 56 definieren den zweiten Fluidpfad durch das zylindrische Gehäuse 52 für das zweite Fluid 60.
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Der rückgeführte Anteil des Abgases strömt durch den Abgaspfad, der in den Wärmetauscher 34 durch den Abgaseinlass 53 eintritt, strömt durch die Mehrzahl von Rohren 50 in Fluidkontakt mit deren Innenflächen 50A und tritt durch den Abgasauslass 54 aus.
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Das zweite Fluid 60, beispielsweise Umgebungsluft oder Motorkühlmittel, strömt durch den zweiten Fluidpfad, der in dem Gehäuse 52 enthalten ist, und steht fluidtechnisch mit den Außenflächen 50B der Mehrzahl von Rohren 50 in Kontakt. Genauer tritt das zweite Fluid 60 in den zweiten Fluideinlass 55 ein, tritt mit den Außenflächen 50B der Rohre 50 fluidtechnisch in Kontakt und tritt durch den zweiten Fluidauslass 56 aus. Die Einlass- und Auslassplatten 58 und 59 enthalten das zweite Fluid 60 in dem Gehäuse 52. Wärme wird über die Innenflächen 50A und Außenflächen 50B der Mehrzahl von Rohren 50 zwischen dem rückgeführten Anteil des Abgases und dem zweiten Fluid 60 getauscht.
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Bei einer Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des rückgeführten Anteils des Abgases parallel zu der Richtung der Strömung des zweiten Fluides 60. bei einer Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des rückgeführten Anteils des Abgases entgegengesetzt der Strömungsrichtung des zweiten Fluides 60.
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Eine Wärmeübertragung durch den Wärmetauscher 34 ist eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen dem rückgeführten Anteil des Abgases und dem zugeordneten zweiten Fluid 60 zwischen der Innen- und Außenfläche 50A und 50B und des thermischen Wirkungsgrades der Wärmeaustauschrohre 50.
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Der thermische Wirkungsgrad der Wärmeaustauschrohre 50 wird durch die Anwesenheit isolierender Materialien beeinträchtigt, die daran abgeschieden sind. Die isolierenden Materialien können Partikelmaterial (PM), das Asche und Ruß enthält, sowie nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe aufweisen. Es erfolgt eine Kondensation, ein Niederschlag bzw. eine Ausfällung, eine Koagulation oder anderweitige Abscheidung und Anhaftung der isolierenden Materialien an den Innenflächen 50A der Wärmetauscherleitungen 50. Der thermische Wirkungsgrad der Wärmetauscherrohre 50 reduziert sich mit einer zunehmenden Dicke der isolierenden Materialien. Die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe, Partikelmaterial und Asche, die aus der Verbrennung resultieren, sind in dem Abgaszustrom in variierenden Konzentrationen abhängig von den Motorbetriebsfaktoren und Umgebungsbedingungen vorhanden. Die Größe der Abscheidung der isolierenden Materialien an den Innenflächen 50A des Wärmetauschers 34 kann mit Faktoren in Verbindung stehen, die einen AGR-Massendurchfluss und Geschwindigkeit, Temperatur sowie Temperaturgradient des rückgeführten Anteils des Abgases und eine Oberflächengeometrie der Innenflächen 50A des Wärmetauschers 34 enthalten.
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3 zeigt schematisch eine Innenfläche 50A eines beispielhaften Wärmetauschers 34 und zeigt eine Abscheidung von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen daran. Es ist ein Temperaturgradient überlagert, der grafisch durch eine Linie dargestellt ist, die eine Abgastemperatur TG und eine Oberflächentemperatur TO zeigt. Der Temperaturgradient gibt eine zunehmende Temperatur von dem Kühlmittel durch die Außenfläche 50B und die Innenfläche 50A der Wärmetauscherwände 50 zu dem Zentralabschnitt der Abgasströmung an. Betriebsbedingungen, die eine Schädigung oder Abscheidung von Partikelmaterial und Kohlenwasserstoffen unterstützen, weisen eine hohe Konzentration von Partikelmaterial in dem Abgaszustrom an dem Abgaseinlass 53 zu dem Wärmetauscher 34, einen hohen Temperaturgradient des Abgaszustromes von dem Abgaseinlass 53 zu dem Abgasauslass 54, eine niedrige Temperatur des Abgaszustromes an dem Abgasauslass 54, die eine Kondensation in dem Wärmetauscher 34 unterstützt, wie auch feuchte Partikel in dem Abgaszustrom auf. Eine Verschlechterung kann durch einen intermittierenden Betrieb des Motors 10 verschlimmert werden, was Gelegenheiten zum Kontakt und zur Kondensation von Abgas an Oberflächen mit geringer Temperatur erhöht.
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Der thermische Wirkungsgrad der Wärmeaustauschrohre 50 kann beibehalten werden und ein Verlust an thermischem Wirkungsgrad der Wärmeaustauschrohre 50 kann reduziert oder beseitigt werden, indem eine Abscheidung der isolierenden Materialien an den Innenflächen 50A des Wärmetauschers 34 reduziert oder beseitigt wird. Dieses Reduzieren und Beseitigen der Abscheidung der isolierenden Materialien an den Innenflächen 50A des Wärmetauschers 34 kann durch Filtern und anderweitiges Beseitigen von Partikelmaterial, das aus einer Verbrennung von dem durch das AGR-System 30 strömenden Anteil des Abgaszustroms resultiert, und Abfangen und Oxidieren der nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe erreicht werden.
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4 zeigt schematisch in einem zweidimensionalen Detail eine Ausführungsform der ersten Abgasbehandlungsvorrichtung 40A, die eine katalysierte, sich kontinuierlich regenerierende Partikelfiltervorrichtung mit einem Filtersubstrat 43 vom Wandströmungstyp aufweist, das derart konfiguriert ist, dass es einen Massendurchfluss des Partikelmaterials, das in dem rückgeführten Anteil des Abgaszustroms vorhanden ist, stromaufwärts des Wärmetauschers 34 reduziert. Die Partikelfilteranordnung 40A umfasst einen Metallbehälter 41 mit einem Einlass 48 und einem Auslass 49, der ein bauliches Gehäuse für das Filtersubstrat 43 bereitstellt. Ein isolierendes Trägermaterial 42 ist um das Filtersubstrat 43 gewickelt und stützt und sichert das Filtersubstrat 43 mechanisch in dem Metallbehälter 41. Das Filtersubstrat 43 ist mit einem katalysierten Washcoat-Material 47 beschichtet, das bei einer Ausführungsform auf die Einlassseite des Filtersubstrats 43 aufgetragen gezeigt ist. Bevorzugte Washcoat-Materialien umfassen auf Aluminiumoxid basierenden Washcoat, einschließlich katalytischer Metalle, beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium und Cer.
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Das Filtersubstrat 43 umfasst bevorzugt eine Monolithvorrichtung mit einer Wabenstruktur, die aus einer Keramik geformt ist, die extrudiertes SiC oder Cordierit aufweist. Das Filtersubstrat 43 umfasst eine Mehrzahl paralleler Strömungsdurchgänge 45, die parallel zu einer Längsströmungsachse zwischen dem Einlass 48 und dem Auslass 49 geformt sind. Wände des Filtersubstrats 43, die zwischen den Strömungsdurchgängen 45 durch den extrudierten Cordierit geformt sind, sind porös. Die Strömungsdurchgänge 45 sind an einem Ende des Filtersubstrates 43, das zu dem Einlass 48 weist, und an einem Ende des Filtersubstrates 43, das zu dem Auslass 49 weist, schachbrettartig abwechselnd geschlossen. Die abwechselnd geschlossenen Strömungsdurchgänge 45 bewirken eine Strömung des Abgaszustromes durch die porösen Wände des Filtersubstrates 43, wenn Abgas von dem Einlass 48 zu dem Auslass 49 aufgrund der Druckdifferenz in dem Abgaszustrom zwischen dem Einlass 48 und dem Auslass 49 während des Motorbetriebs strömt.
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Die Strömung des Abgaszustromes durch die porösen Wände des Filtersubstrates 43 dient dazu, Partikelmaterial aus dem Abgaszustrom zu filtern oder herauszulösen und den Abgaszustrom in enge Nähe zu dem auf das Substrat aufgebrachten Katalysatormaterial zu bringen. Der Katalysator, wie Platin (Pt), und ein Sauerstoffspeichermaterial, wie Cerdioxid (CeO2) kann auf das Substrat durch Imprägnieren unter Verwendung einer wasserbasierten Lösung oder durch einen Washcoat mit Suspensionen unlöslicher Oxide oder Salze aufgebracht werden. Der Katalysator funktioniert bei geringeren Abgastemperaturen, um das Partikelmaterial, wenn es in dem Filtersubstrat 43 abgefangen wird, unter Verwendung von NO2, das in dem Abgaszustrom enthalten ist, kontinuierlich zu oxidieren. Bevorzugt besitzt die Abgasbehandlungsvorrichtung 40A einen Druckabfall von kleiner als 5 kPa unter Betriebsbedingungen, die einen AGR-Durchfluss von 40% aufweisen. Alternativ dazu kann ein Durchström-Partikelfilter verwendet werden. Ein Durchströmfilter verwendet eine Mehrzahl dünner Metallfolienvorrichtungen, die derart ausgelegt sind, um eine Strömung des Abgases zu zielen und eine Verlangsamung und Abscheidung von Partikelmaterial an Innenflächen ohne Durchdringung einer Wand zu bewirken.
