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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Dieselpartikelfilter mit einem keramischen
Filterkörper mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 35 01 182 A1 ist
ein Abgasfilter für Dieselmotoren bekannt. Die dort offenbarten
keramischen Filterkörper weisen geschichtete, flächige und
poröse Filterwände auf, zwischen denen Gaskanäle
gebildet sind. Die Gaskanäle sind wechselseitig verschlossen.
Ein auf einer Seite in die dorthin offenen Gaskanäle einströmender
Abgasstrom wird durch die Verschlussstopfen gezwungen, die porösen
Filterwände quer zu ihrer Fläche zu durchströmen.
Die auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Abgaskanäle
sind in Abströmrichtung offen und geben den filtrierten
Abgasstrom frei.
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Zur
Herstellung der dort gezeigten keramischen Filterkörper
werden keine Angaben gemacht. Geometrisch vergleichbare Körper,
wie sie beispielsweise von Abgaskatalysatoren bekannt sind, werden durch
Extrudieren hergestellt. Dies erfordert einen hohen Werkzeugaufwand
für die Formgebung. Die Freiheitsgrade bei der Formgebung
des Filterkörpers und insbesondere der Filterwände
sowie der Gaskanäle ist durch den Extrusions-Prozess eingeschränkt. Eine
strömungsoptimale Ausgestaltung des Dieselpartikelfilters
ist schwierig.
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Die
WO 2006/005668 A1 zeigt
einen keramischen Abgasfilter für Brennkraftmaschinen,
dessen Filterkörper aus keramisch imprägniertem
Papier gebildet ist. Je eine glatte und eine wellige imprägnierte Papierbahn
werden zu einem Halbzeug unter Bildung von Gaskanälen geschichtet
und zu einem Wickelkörper aufgerollt. Die Wellen der gewellten
Papierbahn haben über ihre gesamte Länge eine
konstante Form, so dass auch die Gaskanäle entlang ihrer
Lauflänge einen konstanten Querschnitt aufweisen. Für
eine Querdurchströmung der Kanalwände sind die
Strömungskanäle mittels Stopfen wechselseitig
verschlossen. Eingangsseitig und ausgangsseitig des Dieselpartikelfilters
stehen jeweils nur die Hälfte des Gesamtquerschnittes des
keramischen Filterkörpers für eine Ein- bzw. Ausströmung
zur Verfügung. Wirkungsgrad und Bauvolumen der gezeigten
Anordnung sind verbesserungsfähig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Dieselpartikelfilter derart weiterzubilden, dass mit geringem Platzbedarf
eine verbesserte Abgasnachbehandlung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Dieselpartikelfilter mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird ein Dieselpartikelfilter mit einem keramischen Filterkörper
aus einer keramisch imprägnierten und gefilterten Faserbahn
vorgeschlagen, bei dem die durch die keramisch imprägnierte
Faserbahn gebildeten Wän de der Gaskanäle Öffnungen aufweisen,
die die Gaskanäle strömungsleitend miteinander
verbinden. Der aus den Faserbahnen gewickelte oder gestapelte Rohling
des Filterkörpers erlaubt verschiedene, weiter unten näher
beschriebene vorbereitende Maßnahmen, die spätestens
während des Sintervorganges die Öffnungen an gewünschter Stelle
erzeugen. Mit einfachen Herstellungsmitteln lassen sich Öffnungen
erzeugen, die einen Gasaustausch zwischen benachbarten Gaskanälen
ermöglichen. Dies erlaubt es insbesondere im Eingangs- bzw.
Ausgangsbereich des Filterkörpers, den vollständigen
Kanalquerschnitt sämtlicher Gaskanäle zu nutzen,
wodurch die An- und Abströmverhältnisse infolge
eines verringerten Strömungswiderstandes und/oder durch
gezielte Wirbelbildung verbessert sind.
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In
vorteilhafter Weiterbildung sind benachbarte Gaskanäle
wechselseitig auf einer Einströmseite des Filterabschnitts
und auch auf einer Ausströmseite des Filterabschnitts durch
Verschlussstopfen insbesondere aus Keramikmaterial verschlossen, wobei
der Filterabschnitt bezogen auf eine Längsrichtung der
Gaskanäle zwischen den Verschlussstopfen liegt, und wobei
die Gaskanäle bezogen auf die Längsrichtung außerhalb
des Filterabschnitts mindestens einen Verwirbelungsabschnitt bilden,
in dem die Öffnungen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung
erfolgt die filtrierende Durchströmung der Filterwände
im wesentlichen nur im Filterabschnitt. Stromauf und/oder stromab
des durch die Verschlussstopfen begrenzten Filterabschnittes werden nicht
die porösen Filterwände, sondern die Öffnungen
in den Gaskanälen für eine Querströmung
genutzt. Es entsteht eine gezielte Verwirbelung im An- bzw. Abströmbereich
unter Nutzung des Strömungsquerschnittes auch derjenigen
Gaskanäle, die ohne solche Öffnungen infolge der
Verschlussstopfen von der Durchströmung ausgeschlossen
wären.
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In
bevorzugter Weiterbildung ist der mindestens eine Verwirbelungsabschnitt
als ein katalytischer Abschnitt zur katalytischen Reinigung des
Abgasstromes ausgebildet. Vorteilhaft weisen im Bereich des mindestens
einen mit Öffnungen versehenen katalytischen Abschnitts
beide Typen von benachbarten Gaskanälen eine katalytische
Beschichtung auf. Mit einem einteilig monolithisch hergestellten
Keramikkörper kann in kompakter Bauform sowohl eine Filtrierung
als auch eine katalytische Abgasreinigung vorgenommen werden. Der
gesamte Querschnitt sämtlicher Gaskanäle, also
nicht nur derjenige der einströmseitigen oder ausströmseitigen Gaskanäle,
kann mit einer entsprechenden katalytischen Beschichtung infolge
der angebrachten Öffnungen auf den Abgasstrom einwirken.
Die Anordnung ist wirksam, kompakt und einfach im Aufbau.
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In
bevorzugter Weiterbildung weist ein ausgangsseitiger katalytischer
Abschnitt eine NOX-Speicherbeschichtung auf. Im Abgasstrom enthaltene
Stickoxide (NOX) werden über eine bestimmte Betriebsdauer
in der NOX-Speicherbeschichtung eingelagert, ohne mit dem Abgasstrom
ins Freie zu gelangen. In bestimmten Zeitabständen kann
dann eine Regenerierung der Speicherbeschichtung beispielsweise
durch einen kurzzeitigen Betrieb mit übermäßig
fettem Kraftstoff/Luft-Gemisch und einer daraus folgenden Desorption
und Reduktion erfolgen.
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Alternativ
oder in Kombination kann es zweckmäßig sein, dass
ein eingangsseitiger katalytischer Abschnitt eine oxidierende katalytische
Beschichtung zur Verminderung des CO- bzw. HC-Gehaltes im Abgasstrom
aufweist. In Verbindung mit den vorgenannten Öffnungen
und der sich daraus einstellenden Verwirbelung bei maximaler Ausnutzung
der verfügbaren Kanalquerschnitte kann neben der filtrierenden
Reinigung auch eine wirkungsvolle katalytische Reinigung des Abgasstromes
herbeigeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine
Wand aufgebogene Laschen zur Bildung der Öffnungen im Filterkörper
auf. Diese Laschen aus keramisch getränktem Fasermaterial
sind leicht herzustellen, indem sie teilweise aus dem Fasermaterial
ausgeschnitten und aufgebogen werden. Beim Sinterprozess verbrennt
das Fasermaterial, während ein Filterkörper mit
strömungsleitenden Laschen aus dem gesinterten Keramikmaterial
zurückbleibt. Mittels der Laschen lässt sich eine
gezielte Beeinflussung der Strömung infolge ihrer Wirkung
als aerodynamische Leitelemente erzielen.
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In
vorteilhafter Ausbildung sind die Öffnungen im Filterkörper
durch keramisch nicht imprägnierte Abschnitte der mindestens
einen Faserbahn gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann
es zweckmäßig sein, dass die Öffnungen
im Filterkörper durch Ausschnitte in der mindestens einen
Faserbahn gebildet sind. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit
besteht in der Bildung der Öffnungen durch Auftragungen
auf die mindestens eine Faserbahn, die eine keramische Imprägnierung
verhindern. In vorgenannter Weise kann mit einfachen Mitteln eine
selektive keramische Imprägnierung vorgenommen werden,
die die Kontur des späteren Filterkörpers vorgibt.
Verbleibende, nicht getränkte Faserabschnitte verbrennen
beim Sinterprozess und hinterlassen Öffnungen und Außenkonturen
in gewünschter Form, Anzahl und Positionierung. Nahezu
beliebige geometrische Ausbildungen sind auf einfachste Weise realisierbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 in
schematischer Perspektivdarstellung einen Filterabschnitt eines
erfindungsgemäßen keramischen Filterkörpers
aus keramisch imprägnierten, gewickelten Faserbahnen,
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2 eine
schematische Längsschnittdarstellung benachbarter Gaskanäle
mit zwischenliegenden Öffnungen für einen ungehinderten
Gasaustausch in katalytischen Verwirbelungsab schnitten des erfindungsgemäßen
keramischen Filterkörpers,
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3 eine
Schemadarstellung einer Walzanlage zur Formung und Fügung
von Faserbahnen zu einem Halbzeug,
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4 einen
aus dem Halbzeug nach 3 gebildeten Rohling bei der
keramischen Imprägnierung in einem Tauchbad,
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5 eine
Schemadarstellung einer Walz- und Rakelanlage zur Imprägnierung
von Faserbahnen mit Keramikmaterial, sowie zur Formgebung und Fügung
zu einem Halbzeug,
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6 eine
schematische Perspektivdarstellung einer mit der Anordnung nach 5 teilweise imprägnierten,
mit Ausschnitten versehenen Faserbahn.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt
in schematischer, teilweise geschnittener Perspektivdarstellung
einen erfindungsgemäßen keramischen Filterkörper 1 im
Bereich seines Filterabschnittes 54. Der Filterabschnitt 54 ist
Teil eins in 2 schematisch dargestellten
Filterkörpers 1, der wiederum Teil eines nicht
näher dargestellten, zur Filtrierung eines Abgasstromes 2 eines
Dieselmotors vorgesehenen Dieselpartikelfilters ist. Der Filterkörper 1 ist
durch weiter unten im Zusammenhang mit den 3 bis 6 näher
beschriebene, keramisch imprägnierten Faserbahnen 4, 4' gebildet.
Die Faserbahnen 4, 4' sind entsprechend der Darstellung nach
den 3 bis 5 zu einem Halbzeug 17 zusammengefügt,
welches zu dem näherungsweise zylindrisch ausgeführten
Filterkörper 1 nach 1 aufgewickelt
ist. Durch das Aufwickeln der keramisch imprägnierten Faserbahnen 4, 4' zu
einem Wickelkörper entsteht eine Schichtungsrichtung, die
zu einer Radialrichtung 37 des zylindrischen Filterkörpers 1 identisch
ist. Alternativ kann es auch zweckmäßig sein,
mehrere gewellte Faserbahnen 4 bzw. Halbzeuge 17 (4 und 6)
in einer Ebene anzuordnen und stapelartig übereinanderzuschichten.
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Es
ist eine Durchströmung des Filterkörpers 1 vom
Abgasstrom 2 in einer Axialrichtung 38 des Filterkörpers 1 von
einer Einströmseite 33 zu einer Ausströmseite 34 vorgesehen.
Dazu ist die erste Faserbahn 4 gewellt ausgeführt,
während eine zweite Faserbahn 4' im Wesentlichen
glatt ist. Der hier gewählte Begriff der Wellenform umfasst
Wellen mit gerundetem, beispielsweise sinusförmigem Querschnitt, aber
auch solche mit eckigem, beispielsweise dreieckigem, rechteckigem
oder trapezförmigem Querschnitt. In Folge der Stapelung
bzw. Wickelstruktur liegen bezogen auf die radiale Richtung 37 des
Filterkörpers 1 abwechselnd eine gewellte Faserbahn 4 und
eine glatte Faserbahn 4' übereinander. Die gewellte
Faserbahn 4 ist mit der zweiten, glatten Faserbahn 4' entlang
von einer Vielzahl zumindest näherungsweise parallel verlaufender
Kontaktlinien 19, 19', 19'' verbunden.
Durch die Wellenform der Faserbahn 4, die glatte Form der
weiteren Faserbahn 4' und die Wickelstruktur entsteht eine
Vielzahl von zumindest näherungsweise achsparallel verlaufenden Gaskanälen 18, 18' mit
entlang der Axialrichtung 38 konstanter, in der Radialrichtung 37 gemessener
Höhe. In einer Umfangsrichtung 55 des Filterkörpers 1 sind
abwechselnd je ein Gaskanal 18 und ein Gaskanal 18' vorgesehen.
Die Gaskanäle 18 sind zur Einströmseite 33 hin
offen und in gegenüberliegender Richtung zur Ausströmseite 34 hin
mittels Verschlussstopfen 22 verschlossen. Bezogen auf
die Umfangsrichtung 55 liegt zwischen zwei Gaskanälen 18 je
ein Gaskanal 18', der zur Einströmseite 33 hin mittels
eines Verschlussstopfens 22' verschlossen und zur Ausströmseite 34 hin
offen ist. Im Betrieb strömt der Abgasstrom 2 entsprechend
einem Pfeil 23 achsparallel in die zur Einströmseite 33 hin
offenen Gaskanäle 18 ein. In der Umfangsrichtung 55 angeordnete
Seitenwände der durch die gewellte Faserbahn 4 hergestellten
keramischen Struktur bilden flächige und poröse
Filterwände 3. Der an den Verschlussstopfen 22 aufgestaute
Abgasstrom 2 wird in der Umfangsrichtung 55 entsprechend
Pfeilen 24 abgelenkt und durchströmt die porösen
keramischen Filterwände 3 quer zu ihrer Fläche.
Entsprechend den Pfeilen 24 tritt der Abgasstrom 2 durch
die Filterwände 3 hindurch in die zur Ausströmseite 34 hin
offenen Kanäle 18 ein und strömt aus
ihnen entsprechend Pfeilen 25 aus. Beim Durchtritt durch
die porösen Filterwände 3 wird der Abgasstrom 2 von
mitgeführten Rußpartikeln oder dgl. gereinigt.
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2 zeigt
eine perspektivische Längsschnittdarstellung durch einen
erfindungsgemäß ausgeführten Filterkörper 1 mit
einem mittigen Filter abschnitt 54 und zwei in der Längsrichtung 38 daran beidseitig
angrenzenden Verwirbelungsabschnitte 49, 50. Im
eingangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 49 grenzen in der
Umfangsrichtung 55 Gaskanäle 18, 18'' und
im ausgangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 50 Gaskanäle 18' und 18''' wechselseitig
aneinander. Im mittigen Filterabschnitt 54 sind bezogen
auf die Umfangsrichtung 55 Gaskanäle 18, 18' wechselseitig nebeneinander
angeordnet. Die Gaskanäle 18 sind auf der Ausströmseite 34 des
Filterabschnitts 54 durch Verschlussstopfen 22 verschlossen,
während die ausgangsseitigen Gaskanäle 18' auf
ihrer Einströmseite 33 des Filterabschnitts 54 durch
Verschlussstopfen 22' verschlossen sind. Die Gaskanäle 18'' des
eingangsseitigen Verwirbelungsabschnittes 49 sind von den
dazu in Längsrichtung fluchtenden ausgangsseitigen Gaskanälen 18' durch
die Verschlussstopfen 22' getrennt, während die
eingangsseitigen Gaskanäle 18 von den dazu in
Längsrichtung fluchtenden Gaskanälen 18''' des
ausgangsseitigen Verwirbelungsabschnittes 50 durch die
Verschlussstopfen 22 getrennt sind. Der in schematischer
Schnittdarstellung in der Längsrichtung 38 und der
Umfangsrichtung 55 gezeigte Filterkörper 1 nach 2 ist
einschließlich seiner beiden Verwirbelungsabschnitte 49, 50 entsprechend
dem Filterabschnitt 54 nach 1 etwa zylindrisch
aufgewickelt, kann aber auch gestapelt sein.
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Bezogen
auf die Längsrichtung 38 liegt der Filterabschnitt 54 zwischen
den Verschlussstopfen 22, 22', während
die beiden Verwirbelungsab schnitte 49, 50 bezogen
auf die Längsrichtung 38 außerhalb des
Filterabschnittes 54 bzw. außerhalb der Verschlussstopfen 22, 22' liegen.
Im eingangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 49 sind die
in der Umfangsrichtung 55 benachbarten Gaskanäle 18, 18'' durch Wände 45 voneinander
getrennt, während im ausgangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 50 die
Gaskanäle 18', 18''' ebenfalls durch
Wände 45 voneinander getrennt sind. In beiden
Verwirbelungsabschnitten 49, 50 weisen die durch
die Faserbahn 4 (1) gebildeten
Wände 45 eine Anzahl von Öffnungen 13, 13' auf,
die die Gaskanäle 18, 18'' bzw. die Gaskanäle 18', 18''' strömungsleitend
verbinden. Zur Demonstration verschiedener, einzeln für
sich oder auch in Kombination miteinander einsetzbarer Optionen
ist ein Teil der Öffnungen 13 als einfache Aussparung
in den Wänden 45 ausgebildet, während
ein weiterer Teil der Öffnung 13' mit strömungsleitenden Laschen 46 versehen
ist. Die Laschen 46 werden aus den weiter unten näher
beschriebenen Faserbahnen 4, 4' teilweise ausgestanzt
bzw. ausgeschnitten und aus der Ebene der jeweiligen Faserbahn 4, 4' aufgebogen.
Infolge ihrer keramischen Imprägnierung und des abschließenden,
weiter unten näher beschriebenen Sinterprozesses verbrennt
das Fasermaterial der Faserbahnen 4, 4' (1),
wobei die Laschen 46 in rein keramischer Form zurückblieben.
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Durch
die Öffnungen 13, 13', ggf. strömungsleitend
unterstützt durch die Laschen 46 findet ein verwirbelnder
Gasaustausch zwischen den benach barten Gaskanälen 18, 18'' im
eingangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 49 bzw. zwischen
den benachbarten Gaskanälen 18', 18''' im
ausgangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 50 in folgender
Weise statt: Der in 1 dargestellte Abgasstrom 2 strömt
nicht nur durch die eingangsseitigen Gaskanäle 18,
sondern auch durch die an den Verschlussstopfen 22' endenden
Gaskanäle 18'' in den Filterkörper 1 ein. Der
anteilige Abgasstrom der eingangsseitigen Gaskanäle 18'' wird
an den Verschlussstopfen 22' aufgestaut und durch die Öffnungen 13, 13' in
die benachbarten eingangsseitigen Gaskanäle 18 eingeleitet. Trotz
der Aufstauwirkung der Verschlussstopfen 22' steht nicht
nur der Strömungsquerschnitt der eingangsseitigen Gaskanäle 18,
sondern auch derjenige der eingangsseitigen Gaskanäle 18'' im
Verwirbelungsabschnitt 49 zur Verfügung. Demnach
sind im eingangsseitigen Verwirbelungsabschnitt 49 zwei
Typen von eingangsseitigen Gaskanälen 18, 18'' vorhanden.
Der erste Typ ist durch die Gaskanäle 18 gebildet,
die an den Verschlussstopfen 22' vorbei in den Filterabschnitt 54 hineinlaufen
und an den ausgangsseitigen Verschlussstopfen 22 enden.
Der weitere Typ ist durch die eingangsseitigen Gaskanäle 18'' gebildet,
die eingangsseitig des Filterabschnitts 54 an den Verschlussstopfen 22 enden
und ihren anteiligen Abgasstrom mittels der Öffnungen 13, 13' an
die benachbarten Gaskanäle 18 übergeben.
Der eingangsseitige Verwirbelungsabschnitt 49 ist optional
als katalytischer Abschnitt 47 ausgebildet, in dem beide
Typen der benachbarten Gaskanäle 18, 18'' auf ihren Innenwänden
eine katalytische Beschichtung in Form einer oxidierenden Katalysatorbeschichtung 52 zur
Verminderung des CO- bzw. HC-Gehaltes im Abgasstrom 2 aufweisen.
Der auf diese Weise katalytisch nachbehandelte Abgasstrom 2 tritt
durch die Gaskanäle 18 in den Filterabschnitt 54 ein,
wo er infolge der Aufstauwirkung der Verschlussstopfen 22 entsprechend
der Pfeile 24 durch die Filterwände 3 hindurch
gedrückt wird und in die benachbarten ausgangsseitigen
Gaskanäle 18' austritt.
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Auch
der ausgangsseitige Verwirbelungsabschnitt 50 weist zwei
Typen von Gaskanälen 18', 18''' auf.
Der erste Typ ist durch die ausgangseitigen Gaskanäle 18' gebildet,
die stromab der Verschlussstopfen 22' beginnen und sowohl
durch den Filterabschnitt 54 als auch durch den ausgangsseitigen
Verwirbelungsabschnitt 50 zur Ausströmseite 34 hin
verlaufen. Der weitere Typ ist durch die ausströmseitigen
Gaskanäle 18''' gebildet, die stromab des Filterabschnittes 54 und
dessen außenseitiger Verschlussstopfen 22 allein
im ausgangseitigen Verwirbelungsabschnitt 50 verlaufen.
Um auch den Strömungsquerschnitt der eingangseitig durch
die Verschlussstopfen 22 abgetrennten Gaskanäle 18''' zu nutzen,
sind die Öffnungen 13, 13', ggf. in Verbindung
mit Laschen 46 vorgesehen, wodurch ein Strömungsaustausch
der ausgangsseitigen Gaskanäle 18' mit den weiteren
Gaskanälen 18''' herbeigeführt wird.
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Der
ausgangsseitige Verwirbelungsabschnitt 50 ist als ausgangsseitiger
katalytischer Abschnitt 48 ausgeführt. Hierbei
weisen beide Typen von benachbarten Gaskanälen 18', 18''' eine
katalytische Beschichtung an ihren Innenwänden in Form
einer NOX-Speicherbeschichtung 51 auf. Dadurch ist die gesamte
Innenfläche der Gaskanäle 18' und auch der
Gaskanäle 18''' katalytisch wirksam.
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Optional
weisen die Filterwände 3 des Filterabschnittes 54 noch
eine katalytische Beschichtung 53 zur Reduzierung der Zündtemperatur
von in den gasdurchlässigen Filterwänden 3 zurückgehaltenen Partikeln
auf. Bei einem entsprechenden Verschmutzungsgrad der Filterwände 3 kann
der Filterkörper 3 ggf. mit mäßig
erhöhter Temperatur betrieben werden, in dessen Folge die
eingelagerten, ausgefilterten Partikel verbrannt werden.
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3 zeigt
in schematischer Ansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines
Halbzeuges 17, das seinerseits zur Herstellung eines Rohlinges
für den Filterkörper 1 nach den 1 und 2 entsprechend
der Darstellung nach 4 vorgesehen ist. Eine erste,
zunächst glatte Faserbahn 4 wird entsprechend
einem Pfeil 28, einem Paar von gewellten Walzen 20, 20' zugeführt,
deren Wellen ineinander kämmen. Die Faserbahn 4 wird
durch die ineinander kämmenden Wellen hindurchgeführt,
wodurch sie eine wellige Form erhält. Eine weitere, glatte
Faserbahn 4' wird entsprechend einem Pfeil 27 der
Vorrichtung zugeführt und mittels einer Andruckwalze 29 umgelenkt.
Dabei wird die glatte Faserbahn 4' gegen die gewellte Faserbahn 4 gedrückt.
Eine dazwischen entsprechend einem Pfeil 32 einge führte
Raupe 21 aus einem keramischen Material bildet später
die Verschlussstopfen 22' entsprechend der Darstellung nach
den 1 und 2.
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4 zeigt
einen nicht vollständig aufgewickelten, aus dem Halbzeug 17 nach 3 hergestellten
Rohling zur Bildung des Filterkörpers 1 nach den 1 und 2.
In den katalytischen Abschnitten 47, 48 bzw. in
den Verwirbelungsabschnitten 49, 50 ist die Faserbahn 4 und/oder
die Faserbahn 4' mit Ausschnitten 16 versehen,
die später beim Sintern die in 2 dargestellten Öffnungen 13 bilden.
Des Weiteren ist streifenweise ein Material aufgetragen, welches
die spätere keramische Imprägnierung der Faserbahn 4, 4' verhindert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind hierzu verschiedene
parallel zueinander verlaufende Haftspuren 57 vorgesehen, mittels
derer die beiden Faserbahnen 4, 4' aneinander
haften. Die glatte Faserbahn 4' ist an ihren beiden Längskanten
noch mit einer weiteren Haftspur 58 versehen, die jedoch
nur der vereinfachten Herstellung des Halbzeuges 17 dient,
und die bei der Herstellung des Rohlings in nicht dargestellter
Weise abgetrennt wird. Zwischen der gewellten Faserbahn 4 und
der glatten Faserbahn 4' befindet sich noch die Raupe 21 nach 3 zur
Bildung der Verschlussstopfen 22' (1). Auf
ihrer der glatten Faserbahn 4' abgewandten Seite der welligen
Faserbahn 4 ist angrenzend an den benachbarten Verwirbelungsabschnitt 50 eine
weitere Raupe 21 aus keramischem Material aufgetragen,
die beim Aufwickeln des Halbzeuges 17 zu dem gezeigten
Rohling die späteren ausgangsseitigen Verschlussstopfen 22 (1)
bildet.
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Im
Anschluss an das Aufwickeln des Rohlings oder alternativ nach einer
Stapelbildung wird der Rohling entsprechend einem Pfeil 61 in
einen Behälter 59 mit einem Tauchbad 60 geführt.
Das Tauchbad 60 enthält eine Emulsion 9 mit
dem Keramikmaterial 6. Der aus den Faserbahnen 4, 4' gebildete Rohling
des Filterkörpers 1 (1, 2)
wird mit dem Keramikmaterial 6 getränkt, bzw.
imprägniert. Es erfolgt jedoch nur eine partielle Imprägnierung,
da die Ausschnitte 16 und die Haftspuren 57 keramisch nicht
imprägnierte, in 6 vergleichbar
dargestellte Abschnitte 12 bilden.
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Der
auf diese Weise gebildete Rohling des Filterkörpers 1 (1, 2)
wird anschließend unter Temperatur gesintert, wobei der
Filterkörper 1 einschließlich des Filterabschnittes 54,
beim Verwirbelungsabschnitt 49, 50 und der Verschlussstopfen 22, 22' (2)
einteilig monolithisch entsteht. Nicht imprägnierte Fasern,
beispielsweise im Bereich der Haftspuren 57, 58 verbrennen
dabei zumindest näherungsweise rückstandsfrei
und hinterlassen Öffnungen 13 entsprechend der
Darstellung nach 2. In den übrigen Merkmalen
und Bezugszeichen stimmt das Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 mit
demjenigen nach den im Folgenden beschriebenen 5 bis 6 überein.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Herstellung
des erfindungsgemäßen Filterkörpers 1 (1, 2).
Zwei Be schickungswalzen 30, 31 der Vorrichtung
sind achsparallel zueinander angeordnet und liegen bündig
nebeneinander. Sie drehen sich gegenläufig, wobei in einem
keilförmigen Zwischenraum oberhalb ihrer Berührlinie
ein Keramikmaterial 6 bevorratet ist. Das Keramikmaterial 6 kann
ein trockenes Pulver aus feingemahlener Keramik sein, welches für
eine Trockenimprägnierung der Faserbahn 4 vorgesehen ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit dem Keramikmaterial 6 eine
wässrige Emulsion 9 hergestellt. Anstelle von
Wasser kann auch eine andere geeignete Flüssigkeit oder
ein Flüssigkeitsgemisch zweckmäßig sein.
Als Keramikmaterial 6 kommt bevorzugt Aluminiumoxid, Cordierit,
Mullit, Sliciumcarbid und/oder Aluminiumtitanat jeweils für
sich alleine oder auch in verschiedenen Kombinationen miteinander
in Betracht. Eine weitere Walze 10 ist achsparallel zur
Beschickungswalze 30 angeordnet und berührt diese
entlang einer Berührlinie. Die Beschickungswalze 30 trägt
infolge ihrer durch einen Pfeil angegebenen Drehung die keramische
Emulsion 9 zur Walze 10 und rollt die keramische
Emulsion 9 auf die Oberfläche der Walze 10 auf.
Mittels der Walze 10 wird das Keramikmaterial 6 in
das Material der unterhalb in Richtung eines Pfeils 28 entlang
geführten Faserbahn 4 eingewalzt. Hierzu liegt
die Walze 10 mit Anpressdruck auf der Faserbahn 4 auf.
Es wird ein Tränken der Faserbahn 4 mit der Emulsion 9 durchgeführt.
Die flächige, durchlässige Faserbahn 4 nimmt
dabei das feingemahlene Keramikmaterial 6 innerhalb ihres
gesamten Querschnitts auf.
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Die
endlose Faserbahn 4 durchläuft anschließend
in Richtung des Pfeils 28 zwei achsparallel zueinander
angeordnete, ineinander kämmende gewellte Walzen 20, 20',
wodurch die mit dem Keramikmaterial 6 imprägnierte
Faserbahn 4 eine gewellte Form erhält. Die Wellen
der gewellten Walzen 20, 20' sind wechselseitig
etwa konisch ausgeführt, wodurch auch die Wellen der Faserbahn 4 entsprechend
der Darstellung nach 1 wechselseitig konisch, d.
h. mit in der Durchströmungsrichtung sich erweiterndem
bzw. verengendem Querschnitt geformt werden. Die beiden gewellten
Walzen 20, 20' sind temperiert. Dies führt
zu einem leichten Antrocknen, jedoch nicht vollständigen
Durchtrocknen der gewellten, mit der Emulsion 9 getränkten
Faserbahn 4, wodurch die Wellenform stabilisiert wird.
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Eine
weitere Faserbahn 4' wird in entgegengesetzter Richtung
entsprechend einem Pfeil 27 der gezeigten Vorrichtung zugeführt
und läuft um eine Andruckwalze 29 um. Bezogen
auf die durch den Pfeil 27 angegebene Bewegungsrichtung
liegt vor der Andruckwalze 29 ein Sieb 15 auf
der Faserbahn 4' auf. Oberhalb des Siebes 15 ist
auf diesem ebenfalls eine wässrige Emulsion 9 mit
dem Keramikmaterial 6 bevorratet. Die Emulsion 9 wird
mittels einer Rakel 11 unter Druck durch das Sieb hindurch
in das Material der Faserbahn 4' hineingestrichen, wodurch eine
Tränkung der Faserbahn 4' mit der Emulsion 9 erfolgt.
Alternativ kann auch eine Trockenimprägnierung der Faserbahn 4' mit
dem Keramik material 6 erfolgen. Auch kann es zweckmäßig
sein, eine Imprägnierung der Faserbahn 4' mit
einer Walzenanordnung 10, 30, 31 entsprechend
der gegenüberliegenden Faserbahn 4 vorzunehmen.
Auch für die gewellte Faserbahn 4 kann eine Imprägnierung
mittels eines Siebes 15 und einer Rakel 11 zweckmäßig
sein.
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Die
Andruckwalze 29 liegt an der unteren gewellten Walze 20 an.
Infolge der gegenläufigen Drehung der Andruckwalze 29 und
der gewellten Walze 20 werden die glatte Faserbahn 4' und
die gewellte Faserbahn 4 aneinander angedrückt
und miteinander verbunden. In Durchlaufrichtung hinter der Walzenanordnung 29, 20 entsteht
das Halbzeug 17.
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Aus
dem Halbzeug 17 wird durch Aufwickeln oder durch Stapeln
ein Rohling des Filterkörpers 1 (1, 2)
gebildet. Unter gleichzeitigem Bezug auf 1 ist zu
erkennen, dass die gewellte Faserbahn 4 an ihren Wellenbergen
entlang von Kontaktlinien 19, 19' an der gestrichelt
angedeuteten, darüber liegenden glatten Faserbahn 4' anliegt
und entlang der Kontaktlinien 19, 19' mit ihr
verbunden ist. Die Verbindung kann durch einen geeigneten Leim erfolgen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung durch
die keramische Emulsion 9 in den Faserbahnen 4, 4' hergestellt.
Es kann auch zweckmäßig sein, entlang der Kontaktlinien 19, 19' zusätzliche
keramische Emulsion 9, ggf. in angedickter Form aufzutragen,
um eine Verbindung der beiden Faserbahnen 4, 4' zu
erreichen. Im verbundenen Zustand des Halbzeuges 17 sind
durch die Wellstruktur der Faserbahn 4 und die glatte Form
der Faserbahn 4' die späteren Gaskanäle 18, 18', 18'', 18'''
(2) vorgeformt, wobei Seitenwände der
gewellten Faserbahn 4 im Filterabschnitt 54 für
die Bildung der späteren Filterwände 3 vorgesehen
sind.
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Das
mit der keramischen Emulsion 9 getränkte Halbzeug 17 wird
nach der Imprägnierung entspr. 5 in feuchtem
Zustand, also bei noch nicht durchgetrockneter Emulsion 9,
in die Form des späteren Filterkörpers 1 nach 1 aufgewickelt oder
auch gestapelt und anschließend getrocknet. Beim Aufwickeln
bzw. Stapeln werden Wellentäler der gewellten Faserbahn 4 entlang
von Kontaktlinien 19'' mit der darunter liegenden glatten
Faserbahn 4' verbunden, wodurch neben den Gaskanälen 18 auch die
weiteren Gaskanäle 18' in der radialen Richtung 37 und
in der Umfangsrichtung 55 des etwa zylindrischen Filterkörpers 1 (1)
geschlossen sind. Die Verbindung an den Kontaktlinien 19'' erfolgt
in gleicher Weise wie an den Kontaktlinien 19, 19'.
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Der
auf diese Weise gebildete Filterrohling wird nach dem Trocknungsprozess
in einem Sinterofen unter Einwirkung von Temperatur gesintert, wobei das
Keramikmaterial 6 zu einem monolithischen Keramikkörper
zusammengesintert wird. Bei der hohen Sintertemperatur verbrennt
das Material der Faserbahnen 4, 4', wodurch eine
bestimmte Porosität des Keramikmaterials 6 erreicht
wird. Die Porosität ist derart ausgebildet, dass der Abgasstrom 2 (1, 2)
quer zur Fläche der keramischen Filterwände 3 durch
diese hindurchströmen kann.
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Der
Querschnitt der Gaskanäle 18, 18' verändert
sich entlang der Axialrichtung 38, und zwar verengen sich
die Querschnitte der eingangsseitigen Gaskanäle 18 von
der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin.
Umgekehrt erweitern sich die Querschnitte der ausgangsseitigen Gaskanäle 18' von
der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin, wobei
jedoch bei sämtlichen Gaskanälen 18, 18' die Kanalhöhe
konstant bleibt. Dies wird erreicht durch eine Wellenform der Faserbahn 4 mit
an der Einströmseite 33 breiten und an der Ausströmseite 34 schmalen
Wellenbergen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1 nimmt
die Breite der Wellenberge von der Einströmseite 33 zur
Ausströmseite 34 hin linear ab. In Folge der konstanten
Kanalhöhe und einer eindimensionalen, etwa konischen Krümmung der
Faserbahn 4 ist auch der Querschnittsverlauf etwa linear.
Es kann aber auch ein abweichender, nichtlinearer Verlauf insbesondere
durch mehrdimensionale räumliche Krümmung der
Faserbahn 4 zweckmäßig sein. Alternativ
kann auch eine Ausgestaltung der Wellen vorteilhaft sein, bei der
die Gaskanäle 18, 18' von der Einströmseite 33 zur
Ausströmseite 34 hin einen konstanten Querschnitt
aufweisen, wie dies beim Ausführungsbeispiel nach 2 der
Fall ist.
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Der
entlang von Pfeilen 23 in die Gaskanäle 18 eintretende
Abgasstrom 2 dringt entsprechend der Darstellung nach 1 entlang
der gesamten Lauflänge der Gaskanäle 18, 18' innerhalb
des Filterabschnittes 54 durch die Filterwände 3 entsprechend Pfeilen 24 hindurch.
Dadurch verringert sich der eingangsseitige Volumenstrom 23 im
Gaskanal 18 entlang dessen Lauflänge, während
sich der ausgangsseitige Volumenstrom 25 im Gaskanal 18' entlang dessen
Lauflänge vergrößert. Der vorstehend
beschriebene Querschnittsverlauf der Gaskanäle 18, 18' führt
dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaskanäle 18, 18' sowie
die über die Filterwände 3 gemessene
Druckdifferenz zwischen den Gaskanälen 18, 18' entlang
deren Lauflänge zumindest näherungsweise konstant
sind. Die Filtrierbelastung der Filterwände 3 ist
dadurch entlang der Lauflänge der Gaskanäle 18, 18' zumindest
näherungsweise konstant.
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6 zeigt
in perspektivischer Schemadarstellung die endlose Faserbahn 4'.
Das nachfolgend Beschriebene gilt sinngemäß auch
für die weitere Faserbahn 4 (5).
Die Faserbahnen 4, 4' bestehen aus Fasern 5.
Hierzu kann ein Filz, ein textiles Gewebe oder Gewirke vorgesehen
sein. Bevorzugt ist ein offenes, durchlässiges Filterpapier
gewählt. Die Faserbahn 4' ist flächig
und durchlässig in dem Sinne, dass das feingemahlene Keramikmaterial 6 (5) zwischen
Fasern 5 der Faserbahn 4 eindringen kann. Die
Durchlässigkeit der Faserbahn 4 und der Imprägnierungsprozess
nach 5 sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein
Teil der Fasern 5 nach dem Imprägnieren mit dem
Keramikmaterial 6 (5) an beiden
gegenüberliegenden Oberflächen 7, 8 der
Faserbahn 4 frei liegt. Dies führt beim Freibrennen
der Fasern 5 während des Sinter-Prozesses dazu,
dass die gesinterten keramischen Filterwände 3 durchgängig
von einer Oberfläche 7 bis zur gegenüberliegenden
Oberfläche 8 porös und damit quer zur
Fläche der Filterwände 3 gasdurchlässig
für den Abgasstrom 2 (1) sind.
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In
bestimmten Bereichen kann es zweckmäßig sein,
zumindest abschnittsweise eine verringerte Porosität und
damit zumindest näherungsweise eine Gasdichtigkeit herbeizuführen.
Beispielsweise kann der Filterkörper 1 (1)
im Bereich der glatten Faserbahn 4' eine derart geringe
Porosität aufweisen, dass er im technischen Sinne des Filtriervorganges praktisch
gasundurchlässig ist, während eine spürbare
Gasdurchlässigkeit nur im Bereich der gewellten Faserbahn 4 gewünscht
wird. In diesem Falle erfolgt neben der tränkenden Imprägnierung
der Faserbahn 4' auch eine geschlossene Oberflächenbeschichtung mit
dem Keramikmaterial 6 (5) an zumindest
einer der beiden Oberflächen 7, 8, ohne
dass dort die Fasern 5 freiliegen. In diesem Falle entsteht
beim Sintern ein geschlossener Keramikkörper, der im Bereich
der Oberfläche 7, 8 kaum porös
und damit im technischen Sinne gasundurchlässig ist. Die
Einstellung der Gasdurchlässigkeit bzw. Gasdichtigkeit kann
auch durch entsprechende Einstellung des Keramikmaterials 6 herbeigeführt
bzw. unterstützt werden. Insbesondere ist eine solche geschlossene,
im Wesentlichen gasundurch lässige keramische Imprägnierung
für den Bereich der katalytischen Abschnitte 47, 48 bzw.
Verwirbelungsabschnitte 49, 50 (2)
vorgesehen.
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Es
kann zweckmäßig sein, die Faserbahnen 4, 4' als
unbeschnittenes Endlosmaterial vollflächig mit dem Keramikmaterial 6 (5)
zu imprägnieren. Nicht imprägnierte Abschnitte 12 können
dabei beispielsweise durch Ausstanzung von Ausschnitten 16 zur
späteren Bildung von Öffnungen 13 (2)
oder durch eine Beschneidung eines begrenzten Flächengebildes 36 an
dessen Randbereich 26 gebildet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
nach 6 sind nicht imprägnierte Abschnitte 12 vorgesehen, die
selektiv von einer Imprägnierung mit dem Keramikmaterial 6 ausgenommen
werden; es erfolgt also nur eine partielle keramische Imprägnierung
der Faserbahnen 4, 4'. Ein Teil der nicht imprägnierten
Abschnitte 12 wird zur späteren Bildung der Öffnungen 13 (2)
von der Imprägnierung ausgenommen. Ein weiterer nicht imprägnierter
Abschnitt 12 ist durch den Randbereich 26 gebildet,
der das begrenzte Flächengebilde 36 umgibt. Das
begrenzte Flächengebilde 36 weist die Kontur auf,
die zum Wickeln des Filterkörpers 1 nach den 1, 2 erforderlich
ist. Das Flächengebilde 36 kann durch Beschneiden
der Faserbahn 4 insbesondere durch Ausstanzen der Umfangskontur
des Flächengebildes 36 sowie durch Ausstanzen
der Ausschnitte 16 hergestellt werden. Es kann auch zweckmäßig
sein, auf ein Ausstanzen der Ausschnitte 16 zu verzichten
und lediglich die zugehörigen Abschnitte 12 von der
Imprägnierung mit dem Keramikmaterial 6 (5)
auszunehmen. Dies erfolgt in weiter unten näher beschriebener
Weise. Des Weiteren werden in 2 dargestellte
Laschen 46 teilweise ausgestanzt und aus der Ebene der
Faserbahn 4, 4' aufgebogen, um Öffnungen 13' nach 2 zu
erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann es zweckmäßig
sein, eine die keramische Imprägnierung eines Abschnittes 12 verhindernde
Auftragung vergleichbar beispielsweise zu den Haftspuren 57, 58 nach 4 aufzubringen.
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Die
nur abschnittsweise imprägnierte und/oder beschnittenen
Faserbahnen 4, 4' werden in vorstehend beschriebener
Weise zu dem Halbzeug 17 gefügt, welches anschließend
zu einem Rohling des Filterkörpers 1 nach den 1, 2 geformt wird.
Die imprägnierten Bereiche der Faserbahnen 4, 4' nehmen
dabei die Gestalt des zu bildenden Filterkörpers 1 (1, 2)
an. Beim abschließenden Sinterprozess verbrennen dann die
nicht beschnittenen und nicht imprägnierten Abschnitte 12 vollständig
und hinterlassen den Filterkörper 1 in seiner
nach den 1 und 2 vorgesehenen
Form einschließlich der Öffnungen 13, 13',
Laschen 46 und Verschlussstopfen 22, 22' (2)
als einteiligen monolithischen Körper.
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Der
Darstellung nach 5 ist zu entnehmen, dass die
Walze 10 eine Oberflächenstrukturierung 14 aufweist.
Diese entspricht in ihrer Form der Kontur des Flächengebildes 36 nach 6.
Die keramische Emulsion 9 wird nur durch die erhabenen Flächen
der Oberflächenstrukturierung 14 unter Druck in
die Faserbahn 4 eingewalzt. In zwischenliegenden, in radialer
Richtung zurückversetzten Bereichen der Oberflächenstrukturierung 14 kann
keine Imprägnierung mit dem Keramikmaterial 6 erfolgen, so
dass die Faserbahn 4 analog zur Faserbahn 4' nach 6 nur
teilweise und unter Bildung der nicht imprägnierten Abschnitte 12 mit
dem Keramikmaterial 6 imprägniert wird.
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Eine
alternative Form der Herstellung von nicht imprägnierten
Abschnitten 12 in der Faserbahn 4' ergibt sich
aus der Darstellung nach 5 im Bereich des Siebes 15.
Das Sieb 15 ist vergleichbar zum Siebdruckverfahren mit
schematisch angedeuteten Abdeckungen 35 versehen. Die Abdeckungen 35 entsprechen
in ihrer Kontur der Form der nicht imprägnierten Abschnitte 12 nach 6.
Beim Aufstreichen der keramischen Emulsion 9 unter Druck
mittels der Rakel 11 verhindern die Abdeckungen 35,
ggf. auch die Ausstanzungen bzw. Ausschnitte 16 (6) partiell
eine Tränkung und bilden die nicht imprägnierten
Abschnitte 12.
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Der
Darstellung nach 5 ist noch zu entnehmen, dass
vor der Zusammenfügung der beiden Faserbahnen 4, 4' Raupen 21 aus
keramischem Material auf die gewellte Faserbahn 4 entsprechend
einem Pfeil 32 aufgebracht werden. Die keramischen Raupen 21 werden
zwischen den beiden Faserbahnen 4, 4' eingequetscht
und bilden später die Verschlussstopfen 22 nach
den 1 und 2. Analog zur Darstellung nach 4 wird
noch eine weitere Raupe 21 auf das Halbzeug 17 aufgetragen,
um beim Wickeln oder Stapeln des Rohlings (4) die weiteren
Verschlussstopfen 22 (1, 2)
zu erzeugen. Für die wechselseitige Anordnung der Verschlussstopfen 22, 22' nach 1 kann
es zweckmäßig sein, die Raupen 21 unterbrochen
aufzubringen. Für bestimmte Anwendungsfälle kann
es auch zweckmäßig sein, die Verschlussstopfen 22, 22' in Umfangsrichtung
durchgängig anzuordnen, wobei dann auch die zugeordneten
Raupen 21 durchgängig aufgebracht werden. Die
Raupen 21 bestehen bei den 3, 4 und 5 aus
einem feuchten, weichen keramischen Material und werden gemeinsam
mit den Faserbahnen 4, 4' getrocknet und anschließend
gesintert, wodurch ein monolithischer, keramischer Filterkörper 1 nach
den 1 oder 2 entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3501182
A1 [0002]
- - WO 2006/005668 A1 [0004]