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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines an einem Abgassystem angeordneten Partikelfilters.
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Stetig steigende Anforderungen an eine Abgasqualität führen zur Notwendigkeit einer Abgasreinigung mittels eines Partikelfilters auch im Bereich der Otto-Motoren. Zum Reinigen von Abgasen eines Otto-Motors werden sogenannte „Otto-Partikelfilter (OPF)“ in Strömungsrichtung hinter einem jeweiligen motornahen Katalysator angeordnet.
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Um einen fehlerfreien Motorbetrieb zu gewährleisten, muss ein jeweiliger Otto-Partikelfilter zyklisch bzw. je nach Beladungsgrad regeneriert werden. Eine Regeneration setzt voraus, dass der Otto-Partikelfilter eine bestimmte Betriebstemperatur von bspw. 650 °C erreicht und ein für einen Abbrand von in dem Otto-Partikelfilter angesammeltem Ruß erforderlicher Sauerstoff durch bspw. einen Schubbetrieb eines entsprechenden Fahrzeugs zugeführt wird. Dies geschieht passiv oder aktiv. Bei einer passiven Regeneration erwärmt sich der Otto-Partikelfilter im Fahrbetrieb auf die nötige Betriebstemperatur von bspw. 650°C. Durch ein jeweiliges Fahrprofil ergeben sich Schubphasen, wodurch ein Abbrand von in dem Otto-Partikelfilter eingelagerten Rußpartikeln stattfindet.
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Eine aktive Regeneration beinhaltet innermotorische Maßnahmen, die zur Erhöhung einer Abgastemperatur beitragen und, dadurch bedingt, ein Erreichen einer Betriebstemperatur eines jeweiligen Otto-Partikelfilters auch unabhängig von einem aktuellen Fahrprofil ermöglichen. Auch bei einer aktiven Regeneration kann eine für einen Rußabbrand nötige Sauerstoffzufuhr durch Schubphasen im Fahrprofil zugeführt werden.
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Je nach Einbaulage eines Otto-Partikelfilters, ergeben sich thermisch günstige oder ungünstige Positionen zum Erreichen der Betriebstemperatur des Otto-Partikelfilters.
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Bei motornahen Konzepten werden Otto-Partikelfilter direkt nach einem motornahen Katalysator verbaut, so dass die für eine Regeneration notwendige Betriebstemperatur von bspw. 650°C sowohl passiv als auch durch aktive Maßnahmen erreicht werden kann.
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Mit zunehmendem Abstand zwischen Motor und Otto-Partikelfilter, insbesondere bei einer Anordnung eines Otto-Partikelfilters in einem Fahrzeug-Unterboden, ergibt sich eine thermisch ungünstige Einbauposition. Durch einen gegenüber einem motornahen Konzept vergrößerten Abstand zwischen motornahem Katalysator und Otto-Partikelfilter ergeben sich über ein zur Versorgung des Otto-Partikelfilters mit Abgas vorgesehenes Abgasrohr beträchtliche Wärmeverluste. Diese Wärmeverluste können ein Erreichen der Betriebstemperatur des Otto-Partikelfilters zur passiven Regeneration des Otto-Partikelfilters erschweren oder verhindern.
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Um auch bei einer motorfernen Einbauposition eines Otto-Partikelfilters bei einer aktiven Regeneration die nötige Betriebstemperatur im Otto-Partikelfilter zu erreichen, müssen Maßnahmen getroffen werden, um Wärmeverluste über ein zur Versorgung des Otto-Partikelfilters vorgesehenes Abgasrohr zu kompensieren. Dies führt zu einer starken Belastung von dem Otto-Partikelfilter vorgelagerten Bauteilen bzw. zu komfortkritischen Betriebszuständen eines jeweiligen Otto-Motors, in denen der Otto-Motor bspw. mit hoher Drehzahl betrieben wird.
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Mit zunehmendem Abstand zwischen Katalysator und Otto-Partikelfilter ergeben sich aufgrund der voranstehend beschriebenen Zusammenhänge nur noch beschränkt nutzbare Betriebsfenster, um eine aktive Regeneration und somit eine einwandfreie Funktion des Otto-Partikelfilters zu gewährleisten.
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Weiterhin ergibt sich für den Fall einer Standregeneration, wie sie bspw. bei einem Kundendienst vorkommt, durch zusätzlich eingeschränkte Betriebsbereiche eine kritische thermische Belastung jeweiliger abgasführenden Bauteile und eines Motorraums eines jeweiligen Fahrzeugs.
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In der deutschen Druckschrift
DE 10 2014 205 156 A1 wird eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem zwischen einem Partikelfilter und einem Katalysator befindlichen Abgasrohrabschnitt offenbart. Dabei ist vorgesehen, dass der Abgasrohrabschnitt mittels einer thermisch isolierten Heizvorrichtung erwärmt wird.
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Die deutsche Druckschrift
DE 10 2011 120 440 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Abdeckelements zum Abdecken von Isoliermaterial an einem Abgasrohr.
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Eine isolierte Abgasleitung ist in der deutschen Druckschrift
DE 103 34 307 A1 offenbart.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorgestellten Erfindung, eine energetisch effiziente Möglichkeit zum Einstellen einer Betriebstemperatur eines Partikelfilters eines Otto-Motors bereitzustellen.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine vorgestellt. Das vorgestellte Abgassystem umfasst einen Katalysator und einen entlang eines Strömungsverlaufs von durch das Abgassystem zu leitendem Abgas hinter dem Katalysator angeordneten Partikelfilter. Dabei ist vorgesehen, dass ein zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter befindlicher Abgasrohrabschnitt des Abgassystems mittels mindestens eines thermischen Isolationselements zumindest bereichsweise thermisch isoliert ist.
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Ausgestaltungen der vorgestellten Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Abgassystem dient insbesondere zum Betreiben eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine, der im Vergleich zu einer motornahen Anordnung, die eine rein passive Erwärmung des Partikelfilters ermöglicht, in größerem Abstand von bspw. 50 cm oder 100 cm zu der Brennkraftmaschine angeordnet ist, d. h. der durch einen langen bzw. weiten Bereich zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter von der Brennkraftmaschine beabstandet ist, so dass der Partikelfilter bspw. an einem der Brennkraftmaschine entgegengesetzten Ende eines jeweiligen Fahrzeugs angeordnet ist. Durch das mindestens eine erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement kann ein Verlust von Wärmeenergie, d. h. ein Verlust von thermischer Energie, in einem Bereich zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter minimiert werden, so dass ein Eintrag von Wärmeenergie in den Partikelfilter maximiert wird.
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Insbesondere kann das mindestens eine erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement Komponenten eines jeweiligen Abgassystems, wie bspw. einen Abgasrohrabschnitt an einem Ausgangstrichter eines Katalysators , ein Abgasrohr oder einen Eingangstrichter eines jeweiligen Partikelfilters thermisch isolieren und entsprechend räumlich zumindest bereichsweise umfassen. Selbstverständlich kann das mindestens eine thermische Isolationselement zusätzlich oder ausschließlich jeweilige Komponenten eines jeweiligen Abgassystems, insbesondere einen Partikelfilter als Ganzes, d. h. bis auf jeweilige Zu- und Ableitungen komplett umschließen.
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Das mindestens eine erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement ermöglicht einen besonders hohen Wirkungsgrad beim Erwärmen eines Partikelfilters mittels durch eine Brennkraftmaschine erzeugtem Abgas bspw. während einer aktiven Regeneration des Partikelfilters. Dies bedeutet, dass der Partikelfilter unter Verwendung des mindestens einen thermischen Isolationselements besonders schnell erwärmt wird und entsprechend seine Betriebstemperatur von bspw. 650 °C erreicht. Entsprechend kann unter Verwendung des vorgestellten Abgassystems auf ein Verbrennen von Kraftstoff zum Kompensieren von Wärmeverlusten im Bereich zwischen Motor und Partikelfilter, insbesondere zwischen Katalysator und Partikelfilter verzichtet werden. Dies bedeutet, dass eine Brennkraftmaschine mittels des vorgestellten Abgassystems effizienter bzw. sparsamer betrieben werden kann als eine Brennkraftmaschine mit einem klassischen Abgassystem ohne thermische Isolationselemente.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement kann aus jedem thermisch isolierenden Material, insbesondere aus einer Keramik oder einem hitzebeständigen und als Schaum auf das Abgassystem aufgebrachten Material bestehen.
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Ferner ermöglicht das mindestens eine erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement eine Verringerung einer thermischen Belastung von einem jeweiligen Partikelfilter vorgelagerten Bauteilen, wie bspw. einem Katalysator, einem Turbolader oder einer Brennkraftmaschine, da eine Kompensation von durch ein Abgasrohr verursachten Wärmeverlusten über eine vermehrte Verbrennung von Kraftstoff nicht mehr notwendig ist. Entsprechend schützt das vorgestellte Abgassystem vor Bauteilschäden durch thermische Überlastung.
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Unter einem thermischen Isolationselement ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Element zu verstehen, das eine Abgabe von Wärmeenergie an eine Umgebung durch ein Abgassystem minimiert. Insbesondere ist unter einem thermischen Isolationselement eine thermische Schutzschicht aus einem Gewebe, wie bspw. Steinwolle, einem Metall, einer Keramik, einem Kunststoff oder einem Kompositwerkstoff, wie bspw. einem mit Keramik angereichten Polymer oder einer Kombination der voranstehend genannten Materialien zu verstehen. Es kann vorgesehen sein, dass ein Abgassystem bereichsweise, insbesondere im Bereich zwischen einem Katalysator und einem Partikelfilter von mindestens einem thermischen Isolationselement umhüllt bzw. umschlossen wird, so dass das Abgassystem im Bereich jeweiliger Isolationselemente nicht direkt mit einem in einer Umgebung des Abgassystems zirkulierenden Medium in Kontakt gelangen und entsprechend wenig thermische Energie an das Medium übertragen kann.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement den Abgasrohrabschnitt von außen umgibt.
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Um das erfindungsgemäß vorgesehene mindestens eine thermische Isolationselement an einem Abgassystem bzw. einem Abgasrohrabschnitt anzuordnen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass das mindestens eine thermische Isolationselement um das Abgassystem herum geführt, d. h., bspw. ebogen und/oder geklemmt wird. Dabei kann das mindestens eine thermische Isolationselement mittels Fixationselementen, wie bspw. mindestens einer Schelle fixiert werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement zusätzlich den Katalysator und/oder den Partikelfilter zumindest bereichsweise thermisch isoliert.
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Durch eine thermische Isolation eines jeweiligen Katalysators und/oder eines jeweiligen Partikelfilters kann ein Wärmeeintrag in den Partikelfilter gegenüber einer Anordnung, bei der lediglich ein zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter liegender Abschnitt thermisch isoliert ist, weiter gesteigert werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement von einer formgebenden Struktur ummantelt ist.
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Um ein formloses bzw. flexibles thermisches Isolationselement, wie bspw. Steinwolle, möglichst dicht bzw. möglichst positionsgenau an einem jeweiligen Abgasrohrabschnitt anzuordnen, kann vorgesehen sein, dass das thermische Isolationselement mittels einer formgebenden Struktur, wie bspw. einem Rohr, einem Netz, einem Draht oder jeder weiteren technisch zur Fixation eines thermischen Isolationselements geeigneten Struktur umgeben wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass an der formgebenden Struktur mindestens ein Halter zum Fixieren der formgebenden Struktur an einem entsprechenden Abgassystem bzw. einer geeigneten Trägerstruktur vorgesehen ist, so dass ein von der formgebenden Struktur umgebenes thermisches Isolationselement durchgehend bzw. unbeschädigt zum Isolieren des jeweiligen Abgasrohrabschnitts verwendet werden kann. Dabei kann die formgebende Struktur insbesondere aus einem Material der folgenden Liste an Materialien oder einer Kombination daraus bestehen: Blech, Alublech, Stützgewebe.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement formstabil ist.
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Durch ein formstabiles thermisches Isolationselement, d. h. ein thermisches Isolationselement, das selbst formstabil ist, kann auf zusätzliche Hüllstrukturen verzichtet werden. Als formstabile Isolationselemente eignen sich insbesondere Metalle, wie bspw. Bleche oder unter Verwendung von Metallen gebildete Kompositwerkstoffe.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement mindestens einen flexiblen und mindestens einen starren Bereich aufweist.
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Um eine Funktionsweise von elastischen Bereichen eines Abgassystems auch bei einer Isolation dieser Bereiche mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens einen thermischen Isolationselements aufrechtzuerhalten, kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine thermische Isolationselement in einem flexiblen Bereich des Abgassystems flexibel ausgestaltet wird. Eine Flexibilität des erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens einen thermischen Isolationselements kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass Bereiche in einem jeweiligen thermischen Isolationselement vorgesehen werden, die beweglich sind und die sich gegenüber weiteren starren Bereichen des thermischen Isolationselements verschieben können. Dazu können bspw. verschiedene Materialien und/oder verschiedene Materialstärken verwendet werden, um bewegliche und starre Bereiche in einem thermischen Isolationselement zu bilden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass das mindestens eine thermische Isolationselement mindestens eine Ausnehmung zur Anordnung von Komponenten des Abgassystems an dem Abgasrohrabschnitt aufweist.
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Um Komponenten des erfindungsgemäßen Abgassystems, wie bspw. Sensoren oder Verbindungselemente auch unter Verwendung des mindestens einen erfindungsgemäß vorgesehenen Isolationselements an dem Abgassystem anzuordnen und eine Störung einer Isolationswirkung des mindestens einen Isolationselements zu minimieren, können an dem mindestens einen thermischen Isolationselement Ausnehmungen bzw. Aufnahmen für entsprechende Komponenten vorgesehen sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Aufnahmen vor einer Anordnung an dem Abgassystem bereitgestellt werden und exakt an eine jeweilige Komponente angepasst werden, so dass ein formschlüssiger Übergang zwischen einer jeweiligen Komponente und dem mindestens einen thermischen Isolationselement entsteht.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgassystems ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine ein Otto-Motor ist.
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Das vorgestellte Abgassystem eignet sich insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einem Otto-Motor. Da ein Otto-Motor besonders heißes Abgas erzeugt, treten bei einem derartigen Motor besonders hohe Wärmeverluste zwischen dem Otto-Motor und einem jeweiligen Otto-Partikelfilter auf. Entsprechend trägt das erfindungsgemäß vorgesehene thermische Isolationselement bei einem Abgassystem bzw. einer Abgasanlage für einen Otto-Motor besonders stark zu einem effizienten Betrieb und einem Schutz vor Überhitzung jeweiliger Komponenten des Otto-Motors bei.
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Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines an einem Abgassystem angeordneten Partikelfilters, bei dem der Partikelfilter mittels durch eine Brennkraftmaschine erzeugtem Abgas erhitzt wird. Gemäß dem vorgestellten Verfahren ist es vorgesehen, dass ein Verlust an thermischer Energie an eine Umgebung des Abgassystems durch eine zumindest bereichsweise Anordnung mindestens eines thermischen Isolationselements an einem Abgasrohr zwischen einem Katalysator des Abgassystems und dem Partikelfilter minimiert wird.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Abgassystems.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems an einem Otto-Motor.
- 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems.
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In 1 ist ein Otto-Motor 1, d. h. eine durch ein Zündsystem mit Zündkerzen gezündete Brennkraftmaschine, dargestellt. Beim Betrieb des Otto-Motors 1 erzeugtes Abgas wird durch ein Abgassystem 3 in eine Umgebung abgeführt.
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Um von dem Otto-Motor 1 erzeugtes Abgas nachzubehandeln und, dadurch bedingt, eine Schadstoffkonzentration in dem Abgas auf ein gemäß einer Abgasvorschrift, wie bspw. der Euro-6-Abgasnorm vorgegebenes Maß zu senken, wird das Abgas durch einen Katalysator 5 und zusätzlich durch einen Otto-Partikelfilter 7 geleitet.
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Da der Otto-Partikelfilter 7 eine besonders hohe Betriebstemperatur von bspw. 650 °C hat, benötigt der Otto-Partikelfilter 7 ein besonders hohes Maß an durch den Otto-Motor 1 zugeführter Wärmeenergie. Aufgrund der räumlich weit von dem Otto-Motor 1 entfernten Lage des Otto-Partikelfilters 7 ergeben sich auf dem Weg des Abgases durch das Abgassystem 3 Wärmeverluste durch an eine Umgebung abgestrahlte Wärme. Durch die Wärmeverluste wird der Otto-Partikelfilter 7 nicht optimal erwärmt, so dass der Otto-Motor 1 zusätzliche Wärmeenergie bereitstellen muss, um die Wärmeverluste zu kompensieren und den Otto-Partikelfilter 7 auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Dies führt dazu, dass Komponenten, die räumlich besonders nahe an dem Otto-Motor 1 angeordnet sind, wie bspw. der Katalysator 5, sehr stark erwärmt und ggf. überhitzt werden.
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Um die Wärmeverluste des von dem Otto-Motor 1 erzeugten Abgases auf dem Weg zu dem Otto-Partikelfilter 7 zu minimieren und, dadurch bedingt, eine Effizienz des Otto-Motors 1 zu steigern und weitere Komponenten, wie bspw. den Katalysator 5 vor einer Überhitzung zu schützen, ist das Abgassystem 3 in einem Bereich eines Abgasrohrs 9 zwischen dem Katalysator 5 und dem Otto-Partikelfilter 7 mit einem thermischen Isolationselement 11 umgeben.
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Das thermische Isolationselement 11 kann bspw. aus einer Keramik bestehen und minimiert einen Kontakt des Abgassystems 3 zu einem in einer Umgebung des Abgassystems 3 fließenden Medium, wie bspw. Luft, im Bereich zwischen dem Katalysator 5 und dem Otto-Partikelfilter 7.
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Durch das thermische Isolationselement 11 wird der Otto-Partikelfilter 7 im Vergleich zu einem Abgassystem ohne das thermische Isolationselement 11 bei einer Versorgung mit einer gleichen Menge an Wärmeenergie stärker erwärmt.
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In 2 ist ein Abgassystem 20 dargestellt. Das Abgassystem 20 umfasst einen Motor 22, einen Katalysator 24 und einen Partikelfilter 26. Der Partikelfilter 26 ist mit dem Katalysator 24 über eine Abgasleitung 28 verbunden. Um einen Wärmeeintrag durch den Motor 22 in den Partikelfilter 26 zu maximieren, wird der Katalysator 24 in einem Bereich 30 von einem thermischen Isolationselement 32 und der Partikelfilter 26 vollständig von einem thermischen Isolationselement 34 umgeben. Dabei ist selbstverständlich auch die Abgasleitung 28 von thermischen Isolationselementen 36 umgeben und entsprechend gut gegen eine Abgabe von Wärmeenergie an eine Umgebung der Abgasleitung 28 geschützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014205156 A1 [0011]
- DE 102011120440 A1 [0012]
- DE 10334307 A1 [0013]
