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Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, ein Filtermaterial, welches insbesondere als Träger für katalytisch wirksames Material genutzt werden kann, ein Rohr, in dem das Filtermaterial angeordnet ist.
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Verbrennungsmotoren, die stöchiometrisch betrieben werden (bei einer Luftzahl von λ = 1), verfügen in der Regel über einen Dreiwegekatalysator, um bestimmte Abgasbestandteile durch Umwandlung in andere Stoffe in ihrem Abgasanteil zu reduzieren. Diese Abgasbestandteile sind gasförmig und umfassen beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Kohlenstoffmonoxid. Neben gasförmigen Stoffen wird aber auch sehr feiner Ruß bei der Verbrennung erzeugt. Dieser Ruß gelangt in Form von Partikeln einer Größe von 20 bis 2500 nm in die Abgasanlage. Um den Ausstoß dieser feinen Partikel einzugrenzen, können Partikelfilter zum Einsatz gelangen. Ein Partikelfilter mit einer gewissen Rußbeladung muss regeneriert werden. Dazu wird der eingelagerte Ruß zu CO2 verbrannt.
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Für diesen Regenerationsprozess sind in der Regel Temperaturen ab 550 °C nötig. Mit dem Bestreben, den CO2-Ausstoss bei Fahrzeugen immer weiter zu senken, geht einher, dass immer weniger Wärmeenergie in der Abgasanlage zur Verfügung steht, die zum Erzielen hoher Konvertierungsraten von Katalysatoren und der Regenration von Partikelfiltern von großer Bedeutung ist. Durch die abnehmende Menge an Wärmeenergie benötigen Katalysatoren und Partikelfilter nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors immer mehr Zeit, um auf ihre optimale Betriebstemperatur zu kommen beziehungsweise kühlen umso schneller wieder ab. Die Temperatureinstellung der Abgasanlage wird somit anspruchsvoller. Es gibt hierzu auch konstruktionsseitige Lösungsansätze.
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In der
DE 102 43 971 A1 ist ein Katalysator mit einem Gehäuse offenbart, das derart beschaffen ist, dass ein unbehandelter Teil eines Abgases zwischen Gehäuse und Katalysator in einem Bypass strömt und ein Teil des Abgases aus Öffnungen in der Mantelfläche aus dem Katalysator austritt und sich mit dem Bypass-Gasstrom vereinigt. Durch diese Maßnahme soll eine Überhitzung des Katalysators vermieden werden.
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Es ist somit bekannt, die Abgasführung zu ändern, um die Temperatur in einer Abgasanlage zu beeinflussen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter zur Abgasbehandlung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mit dem ein schnelles Aufheizen und ein langsameres Abkühlverhalten gegenüber Partikelfiltern aus dem Stand der Technik ermöglicht wird. Zudem soll ein entsprechend ausgerüsteter Verbrennungsmotor, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es wird ein Partikelfilter, insbesondere ein Ottopartikelfilter, zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine oder eines Ottomotors, bereitgestellt, ein Filtermaterial, ein Rohr, in dem das Filtermaterial angeordnet ist und das einen Einlass sowie einen Auslass besitzt, aufweisend. Erfindungsgemäß weist der Partikelfilter ein Partikelfiltergehäuse auf, das ausgeformt ist, zumindest einen Teil eines das Filtermaterial durchströmendes Abgas mittels zumindest eines Strömungskanals, der in den Auslass mündet, durch das Partikelfiltergehäuse zu leiten.
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Das Filtermaterial kann insbesondere als Träger für ein katalytisch wirksames Material ausgeführt sein. Ein Ottomotor ist insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. Zum Betreiben dieses Motors wird als Kraftstoff bevorzugt Benzin genutzt.
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Ein Ottopartikelfilter ist ein Partikelfilter, der in der Lage ist, Partikel aus dem Abgas eines Ottomotors, einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, welche insbesondere stöchiometrisch betrieben wird, zu filtern. Ottopartikelfilter unterscheiden sich von Dieselpartikelfiltern in der Beschaffenheit des Filtermaterials. Die Filter in Ottomotoren (Ottopartikelfilter, OPF) haben idealer Weise eine kleinere mittlere Porengröße (14 bis 20 µm) als die Filter in Dieselmotoren (Dieselpartikelfilter, DPF), da die mittlere Größe der von Ottomotoren emittierten Partikel wesentlich kleiner als die mittlere Größe der Partikel aus Dieselmotoren ist. Dabei führen die unterschiedliche Porengröße und die unterschiedliche Partikelgröße zu einem verschiedenen Gegendruckverlauf der Beladung von Ottopartikel- und Dieselpartikelfiltern. In der Praxis erfordert der steilere Gegendruckanstieg beim Ottopartikelfilter ein kürzeres Intervall zwischen den Regenerationen des Filters als beim Dieselpartikelfilter. Bei vergleichbaren Motoren ist der Unterschied des Intervalls zwischen den Regenerationen etwa ein Faktor von 10. Die Filter unterscheiden sich auch in der verwendeten Wandstärke. Erfindungsgemäß kann beim Ottopartikelfilter diese Wandstärke bei maximal 8 mil (etwa 0,2032 mm) liegen. Der Dieselpartikelfilter weist in der Regel mindestens 10 mil Wandstärke auf und es sind bis zu 12 mil bekannt. Erfindungsgemäß kann die Wandstärke beim OPF kleiner als 8 mil sein. Bevorzugt kann ein Bereich von 6 bis 7,5 mil gewählt werden. Noch bevorzugter kann ein Bereich von 2 bis 6 mil gewählt werden. Diese Wandstärke verringert auf vorteilhafte Weise den Abgasgegendruck und verringert die Einlagerungen von nicht regenerierbarer Asche statt Ruß in den Partikelfilterwänden.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Partikelfilters kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass zumindest ein Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie zur Temperierung des Partikelfilters beziehungsweise des Filtermaterials, der die katalytisch wirksamen Komponenten tragen kann, genutzt wird. Dadurch wird nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors der Partikelfilter schneller auf eine vorgesehene Betriebstemperatur gebracht und diese auch gehalten, sodass der Wirkungsgrad einer optionalen aufgetragenen katalytischen Beschichtung des Partikelfilters insgesamt optimiert werden kann und eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters schneller erreicht werden kann. Für einen Ottomotor ist die Beschichtung des Partikelfilters mit einer Dreiwegekatalysatorfunktion eine besonders bevorzugte Variante.
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Vorteilhafterweise kann zudem durch diese Ausgestaltung die für jeden Verbrennungsmotor und jeden Partikelfilter spezifische Wärmemenge, die zum Erreichen einer gewünschten Betriebstemperatur benötigt wird, eingestellt werden, indem eine entsprechende Wärmeübertragungszeit von dem Abgas verwendet wird und diese gezielt in Bereiche des Partikelfilter geleitet wird, wo die Wärme benötigt wird. Diese Einstellung kann unter anderem über die Auslegung der Strecke, die Materialwahl und die Flussgeschwindigkeit alleine oder auch Kombinationen dieser gewährleistet werden. Besonders vorteilhaft ist, dass diese Maßnahme CO2-neutral erfolgt, da die Wärmeenergie ohnehin entsteht und ansonsten ungenutzt an die Umwelt abgegeben würde.
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Der Einlass und der Auslass des Partikelfilters sind als Abgasrohre ausgebildet, wobei das Abgasrohr für den Einlass das Abgas unmittelbar dem Filtermaterial zuführt (zum Beispiel über eine kegelförmige Ausgestaltung mit dem Filtermaterial als Bodenfläche des Kegels), während das Abgasrohr für den Auslass dieses aus einem dem Filtermaterial nachgeordneten Raum abführt.
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Vorzugsweise erfolgt die Entnahme des Abgases aus diesem Raum über umlaufend angeordnete Durchgangsöffnungen im Rohr, das diesen Raum begrenzt, und die Zuführung des Abgases in das Abgasrohr über einen der Strömungskanäle oder Öffnungen dieser in das Abgasrohr, das vorzugsweise über umlaufend angeordnete Durchgangsöffnungen zur Einleitung des Abgases verfügt. Eine andere bevorzuge Ausgestaltung kann eine Anordnung komplett ohne Öffnungen sein, bei der Das Filtermaterial in einem offenen Raum endet, ohne mit einem Blech an der Auslassseite befestigt zu sein. Die Befestigung kann hier beispielsweise nur an der Einlassseite erfolgen.
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Bevorzugter Weise wird das Abgas in zumindest einem Strömungskanal, vorzugsweise zwei Strömungskanälen, der oder die im Inneren eines Partikelfiltergehäuses ausgebildet ist oder sind, geführt. Vorteilhafterweise kann somit das Abgas zur Temperierung des Partikelfilters genutzt werden.
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Vorzugsweise ist der zumindest eine Strömungskanal zuerst entgegen der Strömungsrichtung des in den Partikelfilter eintretenden Abgases ausgerichtet und wird am Ende des Partikelfiltergehäuses in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt, sodass das Abgas in den Auslass des Partikelfilters eingeleitet werden kann. Vorzugsweise wird das Abgas zuerst, zu dem Zeitpunkt, an dem es noch den höchsten Gehalt an Wärmeenergie aufweist, benachbart zum Filtermaterial geführt, vorzugsweise in einem Strömungskanal. Benachbart bedeutet in diesem Zusammenhang auch, dass ein gewisser Abstand zum Filtermaterial gegeben sein kann, der beispielsweise durch ein entsprechendes zusätzliches Blech im Rohr gebildet sein kann. So kann vorteilhafterweise die Wärmeenergie des Abgases im Gegenstrom besonders effektiv übertragen werden.
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Die Gestaltung des Strömungskanals im Bereich des Einlasses zum Partikelfilter kann wie der Einlass kegelförmig beziehungswiese der Einlassform korrespondierend konstruiert sein. Diese korrespondierende Bauweise hat den Vorteil, dass weniger Bauraum benötigt wird. Es kann aber auch eine nicht korrespondierende Konstruktion gewählt werden. Beispielsweise kann der kegelförmige Einlass von einer zylinderförmigen Strömungskanalform umschlossen werden. In diesem Beispiel wird ein größerer Freiraum erzielt, der auf vorteilhafte Weise den Abgasgegendruck gegenüber dem vorigen Beispiel reduziert.
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Ein weiterer Strömungskanal vorzugsweise zur Zuführung des Abgases zum Auslass, verläuft, vorzugsweise dem anderen Strömungskanal benachbart (im Wesentlichen parallel), zu einer Außenwandung des Partikelfiltergehäuses, sodass vorteilhafterweise das am stärksten abgekühlte Teilabgas am weitesten entfernt vom Filtermaterial geführt wird.
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Die vorzugsweise gegebenen beiden Strömungskanäle werden vorzugsweise durch eine Innenwandung und eine Außenwandung sowie das Rohr gebildet. Damit ist eine sehr einfache konstruktive Umsetzung des erfindungsgemäßen Partikelfilters möglich.
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Das Filtermaterial wird vorzugsweise in einem Mantelrohr angeordnet, wobei zwischen Mantelrohr und Rohr ein Spalt ausgebildet sein kann, der nicht vom Abgas durchströmt wird. Dieser Spalt kann vorteilhafterweise als zusätzliche Isolierung des Filtermaterials dienen.
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Das Partikelfiltergehäuse erstreckt sich vorzugsweise über den ganzen Partikelfilter oder zumindest einen Großteil des Partikelfilters. Wesentlich ist, dass das Filtermaterial vollständig im Partikelfiltergehäuse angeordnet ist und dass das zweite Abgasrohr für den Auslass im Partikelfiltergehäuse befindlich ist, um den zumindest einen Strömungskanal anzubinden. So wird sichergestellt, dass das Filtermaterial stets vollständig temperiert wird und zudem eine einfache konstruktive Anbindung an den Auslass möglich ist.
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Bei dem Partikelfilter handelt es sich vorzugsweise um Partikelfilter bei dem das Filtermaterial eine NOx-, eine SCR- oder eine Dreiwegekatalysatorbeschichtung - insbesondere besonders bevorzugt für Ottomotoren - aufweist.
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So kann auf vorteilhafte Weise ein Bauteil zwei oder mehr Funktionen zur Abgasbehandlung erfüllen.
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Der Strömungskanal des Partikelfilters kann eine zusätzliche Stützstruktur aufweisen. Die kann dadurch geschehen, dass der Strömungskanal und das Partikelfiltergehäuse in radialer Richtung eine zusätzliche Stützstruktur besitzen. Beispielsweise kann diese Stützstruktur aus radial verteilten Bauteilen zwischen den Wandungen bestehen. Die Struktur kann durch Blechstreifen oder ähnliche Teile aus Metallen oder Keramik gefertigt sein. Die Stützstruktur kann erfindungsgemäß zwischen anderen und/oder allen Wandungen des Partikelfilters erfolgen.
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So kann auf vorteilhafte Weise die Stabilität der Kanäle für die Abgasführung verbessert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verbrennungsmotor mit einem Motorblock, mit einer Einlassseite, welche mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors verbunden ist, und mit einer Auslassseite, welche ein Abgasnachbehandlungssystem aufweist, in dem ein erfindungsgemäßer Partikelfilter angeordnet ist.
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Das Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors kann vorzugsweise auch weitere Komponenten, die zur Abgasnachbehandlung wünschenswert sind, aufweisen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotors möglich.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen
- 1 in einer geschnittenen Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Partikelfilter und
- 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelfilters mit einer Stützstruktur.
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2 zeigt einen Partikelfilter 10 für ein nicht weiter dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, Der Einsatz erfolgt vorzugsweise in Kraftfahrzeugen.
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Die nachstehend beschriebenen technischen Merkmale sind nicht einzig für die hier beschriebene Ausführungsform geeignet, sondern Einzelmerkmale können auch bei anderen Ausführungsformen einsetzen.
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Der Partikelfilter 10 verfügt über Filtermaterial 11, das üblicherweise katalytisch wirksame Beschichtungen oder dergleichen aufweist, was jedoch hier nicht dargestellt ist, wie auch üblicherweise gegebene Strukturen innerhalb des Filtermaterials 11 hier nicht dargestellt ist.
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Das Filtermaterial 11 ist in einem Mantelrohr 12 angeordnet, das von einem Rohr 13 umgeben ist. Das Rohr 13 verfügt über einen Einlass 14 in Form eines ersten Abgasrohrs 14 und über einen Auslass 15 in Form eines zweiten Abgasrohrs 15, durch die ein Abgas 16, symbolisiert durch Pfeile 16, in den Partikelfilter 10 ein- und wieder austreten kann.
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Das erste Abgasrohr 14 mündet in das Mantelrohr 12, wobei dieses einen ersten Abschnitt 17 aufweist, in dem sich der Durchmesser des Mantelrohrs 12 vom Durchmesser des ersten Abgasrohrs 14 auf den Durchbesser eines zweiten Abschnitts 18 vergrößert, der zylindrisch ausgeformt ist und in dem das nicht detailliert dargestellte Filtermaterial 11 befindlich ist.
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Der erste Abschnitt 17 und der zweite Abschnitt 18 des Mantelrohrs 12 sind, wie bereits beschrieben, von dem Rohr 13 umgeben, das im Bereich des Einlasses 14 am Mantelrohr 12 anliegt und im weiteren Verlauf, insbesondere im zweiten, zylindrischen Abschnitt 18 des Mantelrohrs 12 von diesem beabstandet ist, sodass zwischen dem Mantelrohr 12 und dem Rohr 13 ein Spalt 19 gegeben ist. In Richtung des zweiten Abgasrohrs 15 verjüngt sich das Rohr 13 auf den Durchmesser des zweiten Abgasrohrs 15 und ist mit diesem verbunden. Im Bereich des Rohrs 13 vor dem Auslass 15 ist ein Raum 20 ausgebildet, in den das Abgas 16 nach Durchtreten des Filtermaterials 11 gelangt. Dieser Raum 20 ist nicht mehr vom Mantelrohr 12 umgeben. In dem sich zum Auslass 15 verjüngenden Abschnitt 21 des Rohrs 19 sind umlaufend Durchgangsöffnungen 22 eingebracht, durch die das Abgas 16, das das Filtermaterial 11 durchströmt hat, aus dem Rohr 13 austreten kann.
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Das Rohr 13 ist weitgehend von einem Partikelfiltergehäuse 23 umgeben. Dieses verfügt über eine Außenwandung 24 und eine Innenwandung 25, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Dadurch ergeben sich zwei miteinander verbundene Strömungskanäle 26, 27. Der erste Strömungskanal 26 liegt zwischen der Innenwandung 25 und dem Rohr 13 und der zweite Strömungskanal 27 wird durch die Außenwandung 24 und die Innenwandung 25. begrenzt.
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Die Innenwandung 25 und die Außenwandung 24 sind an das zweite Abgasrohr 15 angebunden. In Richtung des Einlasses 14 erstreckt sich die Außenwandung 24 nahezu vollständig bis zum Einlass 14 und ist am Rohr 13 angebunden.
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Die Innenwandung 25 ist endseitig in Richtung des Einlasses 14 offen ausgestaltet. sodass eine Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal 26 und dem zweiten Strömungskanal 27 besteht.
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Durch die Durchgangsöffnungen 22 gelangt das Abgas 16 in den ersten Strömungskanal 26, da dieser den Bereich mit den Durchgangsöffnungen 22 des Rohres 13 überdeckt.
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Das Abgas 16 wird entgegen der ursprünglichen Strömungsrichtung, mit der das Abgas 16 in das erste Abgasrohr 14 eintritt, in den ersten Strömungskanal 26 geleitet und am offenen Ende des ersten Strömungskanals 26 gelangt das Abgas 16 nach einer Umlenkung um 180° in den zweiten Strömungskanal 27. Durch den zweiten Strömungskanal 27 wird das Abgas 16 in Richtung des zweiten Abgasrohres 15 weitergeleitet, wo es durch Durchgangsöffnungen 28, die im zweiten Durchgangsrohr 15 umlaufend vorgesehen sind, eintritt und aus dem Partikelfilter 10 abgeleitet wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Partikelfilters 10 mit einer Führung des bereits durch das Filtermaterial 11 hindurchgetretenen Abgases 16 entlang der Außenseite des Filtermaterials 11 ist es vorteilhafterweise möglich, einen Partikelfilter 10 CO2-neutral schnell auf eine erforderliche Betriebstemperatur zu bringen beziehungsweise durch die mit der Ausgestaltung einhergehende Wärmeisolation ein zu schnelles Abkühlen zu verhindern. Vorteilhafterweise kann so vorhandene Abgasenergie zum Aufheizen und Isolieren des Partikelfilters 10 genutzt werden, die sonst ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden würde.
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Die 2 zeigt im Wesentlichen denselben Aufbau wie 1, beinhaltet aber folgende Unterschiede. Die Außenwandung 24 ist in dieser Ausführungsform bis zum Beginn des ersten Abgasrohres 14 ausgeführt und umschließt dieses in einer zylindrischen Grundform. Darüber hinaus ist zwischen der Außenwandung 24 und der Innenwandung 25 eine Stützstruktur 29 angeordnet, die die Stabilität der Strömungskanäle unterstützt und einer thermischen Verformung entgegenwirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Partikelfilter
- 11
- Filtermaterial
- 12
- Mantelrohr
- 13
- Rohr
- 14
- Einlass / erstes Abgasrohr
- 15
- Auslass / zweites Abgasrohr
- 16
- Abgas / Pfeile
- 17
- erster Abschnitt des Mantelrohrs
- 18
- zweiter Abschnitt des Mantelrohrs
- 19
- Spalt
- 20
- Raum
- 21
- sich verjüngender Abschnitt des Rohrs
- 22
- Durchgangsöffnung
- 23
- Partikelfiltergehäuse
- 24
- Außenwandung
- 25
- Innenwandung
- 26
- erster Strömungskanal
- 27
- zweiter Strömungskanal
- 28
- Durchgangsöffnung
- 29
- Stützstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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