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Die Erfindung betrifft einen Filter für eine fluidführende Rohrleitung, insbesondere für eine gasführende Rohrleitung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Filter der vorliegenden Art umfasst ein selbsttragendes flächiges Filterelement, das eigenstabil einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein kann, oder auch aus einer ganzflächig durchlässigen Stützstruktur mit einer auf dieser sitzenden, nicht zwingend eigenstabilen Filterschicht bestehen kann. Dieses Filterelement wird entlang seines Umfangs unmittelbar oder mittelbar in der fluidführenden Rohrleitung fixiert. Hierbei überdeckt es einen freien Querschnitt der Rohrleitung, wobei sein Umfang eine mittlere Filterebene umschreibt.
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Das bevorzugte Anwendungsgebiet eines Filters der vorliegenden Art ist eine gasführende Rohrleitung eines Verbrennungsmotors, und dort speziell eine Leitung zur Abgasrückführung zur Minderung der Emission von Stickoxiden, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasturbinen, Heizkesseln usw. entstehen. Dementsprechend hoch sind die thermischen Belastungen in der fluidführenden Rohrleitung, in die der Filter eingesetzt werden soll.
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Bei der insbesondere in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren aufgrund der strengen Abgasvorschriften obligatorischen äußeren Abgasrückführung werden der Abgastrakt und der Ansaugtrakt des Motors durch eine Leitung verbunden. Diese kann im Zylinderkopf verlaufen oder eine separate Leitung außerhalb des Motorblocks sein. Wird der vom Verbrennungsmotor angesaugten Luft auf diese Weise Abgas zugemischt, sinkt die Sauerstoffkonzentration des dem Motor zugeführten Gemischs, was die Verbrennungstemperatur in den Zylindern des Motors senkt. Da die Bildung von Stickoxiden stark temperaturabhängig ist, kann die Stickoxidbildung hierdurch gesenkt werden. Um die Effizienz dieses Vorgangs zu erhöhen, muss das rückgeführte Abgas dem Ansaugtrakt allerdings möglichst kühl zugeführt werden, was durch eine aktive Kühlung des rückgeführten Abgasstroms oder durch eine Entnahme des rückzuführenden Abgases an einem weiter stromabwärts liegenden Punkt der Abgasanlage, an dem die Abgastemperaturen bereits deutlich abgesenkt sind, erfolgen kann.
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Insbesondere bei modernen Dieselmotoren ist es üblich, hybride Abgasrückführsysteme einzusetzen, bei denen ein Teil des Abgases motornah zur Rückführung entnommen wird (Hochdruck-Abgasrückführung) und ein Teil stromabwärts des Katalysators bzw. Dieselpartikelfilters entnommen wird (Niederdruck-Abgasrückführung).
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Problematisch ist hierbei nun, dass über die Niederdruck-Abgasrückführung Keramikpartikel des Katalysators bzw. Dieselpartikelfilters in den Ansaugtrakt des Motors gelangen können. Ferner können über die Hochdruck-Abgasrückführleitung Rußpartikel in den Ansaugtrakt transportiert werden. Keramikpartikel können an den bewegten Bauteilen des Motors Schäden anrichten, insbesondere am Verdichterrad des üblicherweise vorhandenen Turboladers. Aber auch Rußpartikel im rückgeführten Abgasstrom können einen Turbolader oder sonstige Bauteile, wie einen Kühler für den rückgeführten Abgasstrom, beschädigen, da die Russpartikel als Kondensationskeime wirken und eine Kondensatbildung initiieren. Das ausfallende Kondensat führt dann zu einer sogenannten Verlackung der Bauteile.
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In Abgasrückführsystemen von Verbrennungsmotoren ist es daher unverzichtbar, den rückgeführten Abgasstrom zu filtern. Dies geschieht im Stand der Technik mittels eines Filterelementes, das im Wesentlichen aus einem Metallvlies besteht. Insbesondere wegen der thermischen Belastung des Filters ist es dabei nicht unproblematisch, den Filter so in die fluidführende Rohrleitung einzusetzen, dass er dauerhaft und funktionell fixiert ist.
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Bisherige Lösungen, beispielsweise nach der
DE-A-10 2010 050 393 , verwenden hierzu einen Rohrstutzen mit einem Deckel, der mit einem bestimmten Lochbild für den Durchtritt des zu filternden Fluids versehen ist. Hierauf wird das Filterelement positioniert und mittels eines zweiten Deckels fixiert, der ein identisches Lochbild wie der erste Deckel aufweist und fluchtend mit diesem ausgerichtet wird. Zwischen dem ersten und dem zweiten Deckel wird das Filterelement eingeschlossen, so dass das Fluid, das durch die Löcher in den beiden Deckeln fließt, durch das Filterelement hindurchtreten muss und dort gefiltert wird. Der erste und der zweite Deckel werden mittels einer Schweißverbindung aneinander festgelegt.
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Die Fertigung eines solchen Filters nach dem Stand der Technik und der Einbau insbesondere in eine Abgasrückführungsleitung eines Verbrennungsmotors sind aufgrund der notwendigen, exakten Ausrichtung der Bauteile zueinander sowie insbesondere aufgrund der notwendigen Verschweißung unvorteilhaft aufwendig. Darüber hinaus erfordert die Schweißbarkeit der Bauteile eine Mindestwindstärke derselben, was die Materialkosten hoch hält. Schließlich ergeben sich beim bevorzugten Anwendungsbereich in einer gasführenden Rohrleitung eines Verbrennungsmotors Probleme durch die hohe thermische Belastung des Filters, denn die Lochbilder der beiden verwendeten Deckel sind, um den Fluidfluss nicht allzu sehr zu behindern, naturgemäß mit sehr schmalen Stegen zwischen den Löchern versehen, die dementsprechend anfällig für Heißrisse sind.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Filter zur Verwendung in gasführenden Rohrleitungen von Verbrennungsmotoren beschränkt ist, auch wenn es sich hierbei um die bevorzugte Verwendung handelt und der oben beschriebenen Stand der Technik der Ausgangspunkt für die erfinderischen Überlegungen war. Andere Verwendungen von Filtern zum Einsetzen in fluidführende Rohrleitungen zeigen indes ähnliche Problemstellungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auf die bislang übliche Haltestruktur mit einem das Filterelement tragenden und ein Lochbild aufweisenden Deckel verzichtet werden kann, ohne die thermomechanische Belastbarkeit des Filters wesentlich zu beeinträchtigen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch einen Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filters finden sich in den Ansprüchen 2 bis 14.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Filter der eingangs genannten Art also ohne einen Deckel mit Lochbild und Stegen oder sonstige stabile, jedoch abschattende Haltestrukturen gefertigt. Das Filterelement, das wie eingangs erwähnt eigenstabil ist oder auch aus einer Filterschicht auf einer Stützstruktur, die selbst durchlässig ist, gebildet sein kann, ist vielmehr selbsttragend mit seinem Umfang in der Rohrleitung fixiert. Dies kann unmittelbar oder auch mittelbar, beispielsweise über ein Trägerrohr, eine Hülse oder dergleichen erfolgen. Hierdurch ergeben sich nicht nur Vorteile hinsichtlich des nutzbaren Leitungsquerschnitts, da keine Abschattungen durch Stützstege und dergleichen vorhanden sind. Weitere Vorteile ergeben sich insbesondere beim bevorzugten Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, in einem Abgas-Rückführungssystem eines Verbrennungsmotors. Denn wenn sich auf dem Filtergewebe Rußpartikel absetzen, die sich im Laufe der Zeit zu einem Filterkuchen ansammeln, ermöglicht die frei tragende Anordnung des Filterelements, dass der Filterkuchen durch hohe Abgastemperaturen beim Regenerieren eines in der Regel stromaufwärts angeordneten Partikelfilters wieder abgebaut werden kann. Ein Filter, der nach dem Stand der Technik mit einer abschattenden Haltestruktur bzw. einem Deckel mit Öffnungen und diese verbindenden Haltestegen versehen ist, ist hingegen kaum in der Lage, zurückgehaltene und einen Filterkuchen bildende Rußpartikel während einer Regenerierung des Partikelfilters bzw. durch hohe Abgastemperaturen wieder zu beseitigen. Denn die Stege des Deckels leiten die Wärme aus dem Filterelement besonders schnell in die Rohrleitung ab, insbesondere wenn diese, wie in einer Hochdruck-Abgasrückführungsleitung üblich, einen Kühler beherbergt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Filterelement, auch wenn es nicht aus einem eigenstabilen, selbsttragenden Filtermaterial besteht, sondern von einer ganzflächig durchlässigen Stützstruktur abgestützt ist, in einem Filter der vorliegenden Art nur dann freitragend konstruiert werden kann, wenn zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der thermomechanischen Widerstandsfähigkeit ergriffen werden. Denn in vielen Anwendungsfällen, insbesondere beim vorliegend besonders bevorzugten Anwendungsgebiet in einer Abgasrückführungsleitung eines Verbrennungsmotors, muss der Filter zyklisch Temperaturschwankungen zwischen Umgebungstemperatur (die im Winter deutlich unter 0°C liegen kann) und Betriebstemperatur sowie gegebenenfalls Regeneriertemperatur von etwa 650°C bis 950°C Stand halten. Zur Temperaturbelastung addiert sich die mechanische Belastung durch einen Differenzdruck von typischerweise mindestens 80 mbar bis zu typischerweise 300 mbar. Wärmedehnungseffekte könnten so dazu führen, dass sich die Filterfeinheit ändert oder sogar Ausbeulungen bis hin zum Ausfall des Filters entstehen.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zur thermomechanischen Stabilisierung das Filterelement und/oder eine Schicht desselben, beispielsweise eine Stützstruktur für eine nicht eigenstabile Filterschicht, aus einem plastisch verformbaren Material zu fertigen und solcherart mit mindestens einer den Umfang nicht schneidenden Welle oder Sicke zu versehen, dass das Filterelement die Filterebene oder eine zu dieser parallelen Ebene innerhalb des Umfangs mindestens viermal schneidet.
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Dies bedeutet, dass das Filterelement sich entlang einer durch dessen Mittelpunkt gehenden Schnittlinie in zwei Richtungen wellt, also nicht nur etwa konvex oder konkav gewölbt ist. Wichtig ist hierbei, dass der Umfang des Filterelements von der Welle oder Sicke unbeeinflusst bleibt, da diese innerhalb des Umfangs und bevorzugt im Wesentlichen entlang einer Parallelkurve zum Umfang verläuft. Hierdurch kann beispielsweise die Form einer Lautsprechermembran gebildet werden. Gegebenenfalls kann die Welle oder Sicke auch aus mehreren voneinander beabstandeten Teilabschnitten, beispielsweise in Form einer Segmentwellung zusammengesetzt sein.
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Die in das Filterelement eingebrachte, bevorzugt eingeprägte Welle oder Sicke sorgt dafür, dass Wärmeausdehnungseffekte an dieser Welle oder Sicke kompensiert werden können, so dass sich auch bei hoher thermomechanischer Belastung keine übermäßigen Spannungen im Material ergeben. Dies ist beispielsweise besonders wichtig, wenn, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, das Filterelement zumindest zum Teil aus Metalldrähten hergestellt ist, die unterschiedliche Drahtstärken aufweisen, wobei insbesondere Kettdrähte eines Metallgeflechts dicker als Schussdrähte ausgebildet sein können.
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Die erfindungsgemäße thermomechanische Stabilisierung des Filterelements führt vorteilhafterweise dazu, dass am Umfang lediglich ein Spannring zur kraftschlüssigen oder formschlüssigen Fixierung an der fluidführenden Rohrleitung ausreicht, um den Filter dauerhaft stabil aufzubauen.
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Die erfindungsgemäße Welle oder Sicke, oder mehrere Wellen oder Sicken sind vorzugsweise rotationssymmetrisch oder punktsymmetrisch ausgeformt und bevorzugt der Symmetrie des Querschnitts der fluidführenden Rohrleitung angepasst. Dies optimiert die wärmeausdehnungsausgleichende Eigenschaft der Wellen oder Sicken.
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Bevorzugt weist das Filterelement mehrere konzentrische Wellen oder Sicken mit gleichen oder unterschiedlichen Höhen sowie mittig eine Abflachung oder kalottenförmige Erhebung oder Eindrückung auf. Hierbei können die Wellen oder Sicken stetig oder ungleichmäßig eingeprägt sein.
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Das Filterelement kann beispielsweise als Rillenmembranscheibe, mit wulstartigem Ring außen und innenliegender kegeliger Erhebung oder Kugelkalotte oder auch teilweise flachem Boden ausgeführt sein.
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Das Filterelement besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt zumindest zum Teil aus hitzebeständigem Edelstahl, insbesondere aus austenitischem Edelstahl, da dieser leichter umformbar ist als ferritischer Edelstahl.
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Das Filterelement oder die filternde Schicht desselben kann aus einem Gewebe, einem Feingewebe, einem Gestricke, das insbesondere Rechteckmaschen oder Quadratmaschen enthält, einem Gewirke, einem Sintergewebe und/oder einem Tressengewebe oder dergleichen bestehen, wobei die Filterfeinheit mindestens 500 μm beträgt; bevorzugt liegt die Filterfeinheit bei mindestens 200 μm.
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Das Filterelement soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet sein, dass es im eingebauten Zustand und bei einer Temperatur von bis zu 650°C, bevorzugt bis zu 750°C, weiter bevorzugt bis zu 950°C, einem Differenzdruck ohne bleibende Verformung Stand hält.
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Das Filterelement soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiter bevorzugt im eingebauten Zustand einer Maximalkraft von mindestens 100 N, bevorzugt von mindestens 200 N, weiter bevorzugt von mindestens 600 N ohne auszureißen Stand halten, wobei diese Maximalkraft senkrecht zur Filterebene auf mindestens 2/3 der Gesamtfläche des Filterelements einwirkt.
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Das Filterelement kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung an einem an sich bekannten Trägerrohr fixiert sein und dessen lichten Innenquerschnitt überdecken. Ein solches Trägerrohr kann zylindrisch, oval, polygonal, rechteckig oder quadratisch geformt sein. Das Filterelement ist dann bevorzugt an seinem Umfang zu einem parallel zur Wandung des Trägerrohrs verlaufenden Umfangsbereich umgebogen. Das Fixieren am Trägerrohr erfolgt dann mittels einer Hülse, die den Umfangsbereich des Filterelements zwischen sich und das Trägerohr klemmt. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Filterelement zwischen der Hülse und dem Trägerrohr verdichtet wird, so dass kein Leckpfad neben dem Filterelement entstehen kann.
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Wenn ein Trägerrohr und eine Hülse zum Aufnehmen des Filterelements verwendet werden, ist es bevorzugt, wenn das Trägerrohr und die Hülse mit mindestens einer fluchtenden Ablauföffnung versehen sind, um beispielsweise Kondensat abzuleiten und/oder bei der Montage des Filters eine Sichtkontrolle zuzulassen. Diese Ablauföffnung wird vom Filterelement überdeckt, so dass auch hier kein Leckpfad entsteht.
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Das Filterelement, das bevorzugt mindestens teilweise aus einem Gewebe, einem Gestricke oder einem Gewirke besteht, kann zur zusätzlichen Erhöhung der thermomechanischen Stabilität spezielle Strukturierungen und eine geeignete Auswahl der Drahtdurchmesser aufweisen, beispielsweise unterschiedliche Durchmesser von Kett- und Schussdrähten oder mehrlagige, unterschiedliche Gewebe- bzw. Gewirkeformen, die auch miteinander versintert oder beschichtet sein können.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgestalteten Filters beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische seitliche Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filters;
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2 eine seitliche schematische Schnittdarstellung des Filters aus 1 in seiner Einbausituation;
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3 eine schematische seitliche Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Filters;
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4 eine Draufsicht auf den Filter aus 3;
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5 bis 9 schematische seitliche Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen eines Filters.
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In 1 ist ein erfindungsgemäß ausgestalteter Filter in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Dieser Filter besteht aus einem Filterelement 1, das selbsttragend ausgestaltet ist und an einem Umfang 2 in einer (hier nicht dargestellten) Rohrleitung fixiert werden kann. Dieses Filterelement 1 ist kreisrund und um einen Mitteilpunkt 3 rotationssymmetrisch ausgebildet. Es besteht aus einem Filtergewebe aus austenitischem Edelstahldrähten mit einer Filterfeinheit von etwa 200 μm.
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Der Umfang 2 des Filterelements 1 umschreibt eine mittlere Filterebene 4, die eine zu dieser Filterebene 4 parallele Ebene 4a aufweist, welche vom Filterelement vier Mal geschnitten wird. Der zentrale Bereich des Filterelements 1 besitzt die Form einer Kugelkalotte, wobei sich diese jedoch nicht bis zum Umfang 2 fortsetzt, sondern in eine Welle 5 ausläuft, die über einen wulstartigen Ring 6 mit dem Umfang 2 verbunden ist. Hauptsächlich durch die Welle 5 und die damit verbundene zweifache Umbiegung des Filterelements 1 relativ zur Filterebene 4 ist das Filterelement 1 thermomechanisch besonders widerstandsfähig, da wärmebedingte Ausdehnungen und Längenänderungen des kalottenförmigen zentralen Bereichs des Filterelements durch die Welle 5 kompensiert werden.
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Der Pfeil 7 symbolisiert die Strömungsrichtung des zu filternden Fluids. Die kugelfömige Wölbung des inneren Bereichs des Filterelements 1 sorgt für eine hohe mechanische Stabilität gegen die Fluidströmung.
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2 zeigt das Filterelement 1 aus 1 in einem in ein Trägerrohr 8 eingebauten Zustand zum Einsetzen in eine Abgasrückführungs-Leitung eines Dieselmotors. Das Filterelement 1 sitzt hierbei auf dem Trägerrohr 8, indem der Umfang 2 des Filterelements 1 einen eingezogenen Rohrstutzen 9 des Trägerrohrs 8 überdeckt. Auf den Rohrstutzen 9 ist eine Hülse 10 aufgesetzt, die in Form eines Spannrings ausgebildet ist und den Umfang 2 des Filterelements 1 zwischen sich und dem Rohrstutzen 9 klemmt, den lichten Innenquerschnitt des Rohrstutzens 9 jedoch vollständig frei lässt.
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Das Metallgewebe des Filterelements 1 überdeckt nebenbei eine im Rohrstutzen 9 des Trägerrohrs 8 vorgesehene seitliche Ablauföffnung 11, die mit einer Ablauföffnung 12 in der Hülse 10 fluchtet. Dadurch, dass das Filterelement 1 die beiden Ablauföffnungen 11, 12 überdeckt, kann hierdurch kein Leckpfad für den zu filternden Gasstrom entstehen. Gleichzeitig kann durch die Ablauföffnung 12 eine Sichtkontrolle dahingehend erfolgen, ob das Filterelement 1 korrekt zwischen dem Rohrstutzen 9 und der Hülse 10 verpresst ist.
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Die Hülse 10 ist solcherart klemmend auf den Rohrstutzen 9 bzw. den Umfag 2 des Filterelements 1 gesetzt, dass das Filterelement 1 an seinem Umfang 2 verdichtet wird. Auch dies verhindert etwaige Leckpfade.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Filter sind zum Einsatz in einer Abgasrückführungs-Leitung eines Dieselmotors vorgesehen. Das Filtergewebe des Filterelements 1 weist eine solcherart spezielle Formgebung auf, dass ein etwaiger Filterkuchen durch zurückgehaltene Rußpartikel aus dem Abgasstrom in einem bestimmten Zeitfenster aufgebaut wird, der eine Schichtdicke von beispielsweise 0,01 mm bis 2 mm partiell bei einem maximalen Druckanstieg von 100 mbar zulässt, und dieser Filterkuchen bei einem Regenrationszyklus wieder abgebaut wird, so dass sich am Filterelement 1 ein Druckverlust ergibt, der dem Ausgangszustand entspricht. Als Ausgangszustand ist hierbei ein Zustand gemeint, der sich nach z. B. fünf bis zehn Regenerationszyklen einstellt. Die Regenerationstemperatur, die auf das Filterelement 1 einwirkt, liegt hierbei je nach Motorisierung bei ca. 750°C und kann auch im Bereich von 650°C bis 950°C liegen.
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Die 3 und 4 zeigen in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung und einer Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Filterelement 1. Dieses Filterelement 1 ist wiederum in der Draufsicht kreisrund ausgebildet und ist im Wesentlichen flach mit zwei konzentrisch eingeprägten Sicken 13 geformt. Diese Sicken 13 sorgen dafür, dass eine zur Filterebene 4 parallele Ebene 4a mehr als vier Mal geschnitten wird und gewährleisten hierdurch, dass Wärmeausdehnungseffekte bei thermomechanischer Belastung im Wesentlichen innerhalb der Sicken 13 kompensiert werden.
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In den 5 bis 9 sind weitere mögliche und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegende Formungen eines Filterelements 1 in seitlicher schematischer Schnittdarstellung gezeigt. Das Filterelement 1 in 5 weist wiederum einen wulstartigen Rand 6 auf, der über eine ringförmige Welle 5 mit einem im Wesentlichen konvex vorgewölbten Innenbereich des Filterelements 1 verbunden ist. Im Zentrum des Filterelements 1 ist allerdings eine Eindrückung 14 vorgesehen, die Wärmeausdehnungseffekte noch besser kompensieren hilft, insbesondere weil gerade im zentralen Bereich des Filterelements 1 die höchste thermische Belastung auftritt.
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Der in 6 gezeigte Filter weist ein Filterelement 1 auf, das nahezu wie das Filterelement 1 aus 1 geformt ist. Lediglich der Bereich des Umfangs 2 ist anders ausgestaltet, da hier kein wulstartiger Ring vorhanden ist. Dieses Filterelement 1 weist wiederum in etwa die Form einer Lautsprechermembran auf.
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In 7 ist ein Filterelement 1 dargestellt, dessen Innenbereich 15 nicht wie derjenige aus 1 und 6 konvex vorgewölbt, sondern konkav eingezogen ist. Um die erfindungsgemäße Ausgestaltung zu erzielen, bei der das Filterelement 1 eine Parallele 4a zur Filterebene 4 mindestens vier Mal schneidet, setzt sich der konkave Innenbereich 15 des Filterelements 1 über einen konvexen Ringwulst 16 fort, der schließlich in den Umfang 2 des Filterelements 1 übergeht. Dieser Ringwulst 16 kompensiert Längenausdehnungseffekte unter thermomechanischer Belastung.
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Die 8 und 9 zeigen schließlich zwei weitere Ausführungsbeispiele eines Filterelements 1, die jeweils einen flachen Innenbereich 15 und konzentrische Wellen 5 aufweisen. Im Fall der 8 sind die konzentrischen Wellen mit gleicher Höhe ausgebildet, während im Fall der 9 unsymmetrische Wellen vorgesehen sind, so dass der Innenbereich 15 des Filterelements 1 gegenüber dem Umfang 2 erhöht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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