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Die
Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem
einer Brennkraftmaschine, welche Partikel aus einem Gasstrom herausfiltert
und ein Gehäuse
und mindestens eine in dem Gehäuse
angeordnete Filterstruktur mit Filtertaschen aufweist, die von gasdurchlässigen Filterwänden begrenzt
sind.
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Eine
Filtereinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 101 28 936 A1 bekannt.
Bei der dort gezeigten Filtereinrichtung handelt es sich um einen
Partikelfilter für
ein Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die Filterwände bei
der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt
und so angeordnet, dass keilförmige
Filtertaschen gebildet werden. Die spitz zulaufenden Keilkanten
der Filtertaschen zeigen entgegen der Strömungsrichtung des Abgases,
die in Strömungsrichtung
gesehen hintere Schmalseite einer Filterseite ist offen. Die Filtertaschen
sind in der Regel nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt
rotationssymmetrische ringartige Filterstruktur gebildet wird. Im
Betrieb tritt das Abgas durch die Seitenwände der Filtertaschen hindurch,
wobei Partikel zurückgehalten
werden. Bei der bekannten Filtereinrichtung sind die Filterwände durch
flexible Sintermetallmatten oder Sintermetallfolien gebildet, denen
gesonderte Tragstrukturen, beispielsweise Lochbleche, Gewebe, oder
dergleichen zugeordnet sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Filtereinrichtung der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie während einer
möglichst langen
Lebensdauer gute Filtereigenschaften aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
mindestens eine Filtertasche ein Stützelement aus einem gasdurchlässigen Keramikmaterial
aufweist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Verwendung eines Keramikmaterials für das Stützelement hat den Vorteil,
dass das Stützelement
auch bei einer hohen Temperatur seine Form beibehält, die
Filtertasche also auch bei hohen Temperaturen nicht "zusammenfällt". Hohe Betriebstemperaturen
können
jedoch insbesondere bei Filtereinrichtungen von Brennkraftmaschinen
immer wieder vorkommen, um die in der Filtereinrichtung angesammelten
Rußpartikel
zu verbrennen. Da die Filtertaschen und somit auch die gesamte Filterstruktur ihre
Form auch bei hohen Betriebstemperaturen beibehält, verändern sich weder die Strömungsverhältnisse
in der Filtereinrichtung über
deren Lebensdauer wesentlich noch wird die Filterwirkung der Filterwände mit
der Zeit durch entsprechende Verformungen beeinträchtigt.
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Darüber hinaus
gestattet die Verwendung eines gasdurchlässigen Keramikmaterials für das Stützelement
eine gleichmäßige Verteilung
der Filterwirkung über
die Filterwand, es werden also durch das Stützelement keine vom Stützelement "abgedeckten" Stellen der Filterwand
geschaffen, an denen dann nur eine eingeschränkte Filterwirkung vorliegen
würde.
Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung
hat daher einen hohen Wirkungsgrad.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass die Gesamt-Außenform des Stützelements
wenigstens in etwa der Innenform der Filtertasche entspricht und das
Stützelement
im Passsitz in der Filtertasche angeordnet ist. Dies erleichtert
die Herstellung und gestattet die Formerhaltung nicht nur einer
Filterwand sondern der gesamten Filtertasche mittels des Stützelements.
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Die
Herstellung wird erleichtert, wenn das Stützelement insgesamt federelastische
Eigenschaften aufweist und in die Filtertasche unter Spannung eingeführt ist.
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Besonders
vorteilhaft ist auch, wenn das Material des Stützelements eine größere Porosität aufweist
als das Material der Filterwand. Hierdurch wird der Strömungswiderstand
klein gehalten. Letztlich kommt dies beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine
sowohl dem Kraftstoffverbrauch als auch dem Emissionsverhalten zugute.
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Ein
besonders bevorzugter Werkstoff für das Stützelement ist SiC-Keramik,
und hier insbesondere rekristallisiertes Siliciumcarbid. Hierbei
handelt es sich um einen verschleißbeständigen, chemisch resistenten
Werkstoff mit einstellbarer Porosität und Porengröße beziehungsweise
Porengrößenverteilung,
welcher ferner thermisch sehr stark belastet werden kann. Da SiC-Keramik
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, verfügt
es auch über
eine gute Temperaturwechselbeständigkeit.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stützelement
aus einer zunächst
ungebrannten SiC-Folie geformt, insbesondere gefaltet, und anschließend gesintert
ist. Eine ungebrannte SiC-Folie ist flexibel und kann daher sehr
einfach verarbeitet werden. Bekannt sind SiC-haltige Folien, welche
wie Papier gefaltet werden können.
Hierdurch können
auf einfache und preiswerte Art und Weise Filtereinrichtungen geschaffen
werden, deren Filterstruktur eine große spezifische Oberfläche aufweist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Filtereinrichtung zeichnet
sich dadurch aus, dass das Stützelement
in Längsrichtung
der Filtertasche gesehen wenigstens abschnittsweise mäanderförmig, Z-förmig, oder
gewellt ist. Das Stützelement
kann hierdurch auf einfache Weise mit der notwendigen Steifigkeit,
aber auch mit einer gewissen Federelastizität versehen werden, die für eine leichte
Anwendbarkeit an bzw. in einer Filtertasche hilfreich ist. Darüber hinaus
kann ein solches Stützelement
aus einem einzigen Rohteil hergestellt werden, ohne dass Verbindungsarbeiten
erforderlich sind, was die Herstellung nochmals vereinfacht und
die Herstellkosten senkt.
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Dem
Stützelement
kann auch eine Sekundärfunktion
zugewiesen werden, nämliche
jene, dafür
zu sorgen, dass die Gasströmung
im Bereich der Filterwand optimal ist. Hierzu ist das Stützelement
so ausgebildet, dass Strömungskanäle gebildet
werden, durch die der Gasstrom geleitet wird.
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Dabei
kann eine gemischte Kanal- und Wanddurchtrittsströmung erzielt
werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
sieht vor, dass das Stützelement
wenigstens bereichsweise eine Schicht aus einem katalytischen Material
aufweist. Hierdurch wird eine große katalytisch wirkende Fläche geschaffen,
was beispielsweise bei der Stickoxidreduktion oder beim Verbrennen
abgelagerter Rußpartikel
einen hohen katalytischen Wirkungsgrad gewährleistet. Dies gilt vor allem
dann, wenn auch die Filterstruktur wenigstens bereichsweise mit
einem katalytischen Material versehen ist.
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Es
versteht sich, dass dann, wenn mittels der katalytischen Beschichtung
die Rußoxidation
gefördert
werden soll, das Stützelement
zum stromaufwärts
angeordneten Umhüllungselement
wird. Dabei kann das katalytische Material auf das Stütz- bzw. Umhüllungselement
besonders einfach beispielsweise dadurch aufgebracht werden, dass
das Stütz-
beziehungsweise Umhüllungselement
in das katalytische Material, wenn dieses flüssig ist, getränkt wird.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stütz- bzw. Umhüllungselement über die Filtertasche übersteht.
Dies bewirkt eine Vergrößerung der
katalytisch wirksamen Oberfläche,
was den katalytischen Wirkungsgrad nochmals verbessert.
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In
vielen Anwendungsfällen
dürfte
die stützende
Wirkung des Stützelements
am einfachsten zu realisieren sein, wenn das Stützelement wenigstens bereichsweise
innerhalb der Filtertasche angeordnet ist. Wie bereits oben angedeutete wurde,
ist aber grundsätzlich
auch denkbar, dass das Stützelement wenigstens
um einen Bereich der Filtertasche herum angeordnet ist und so ein
Umhüllungselement
bildet. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn das Stütz- beziehungsweise
Umhüllungselement
mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist, welche die Rußoxidation
fördern
soll.
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In
Weiterbildung hierzu kann vorgesehen sein, dass die Filtertasche
keilförmig
ist und dass das Stütz- beziehungsweise
Umhüllungselement
an der axialen Schmalseite eine Rundung aufweist, welche eine stromaufwärts gelegene
Kante der Filtertasche strömungsgünstig überdeckt.
Dies kommt vor allem dem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
zugute, da durch eine solche Rundung Verwirbelungen vermieden werden,
welche eine ungleichmäßige Durchströmung der
Filterstruktur zur Folge hätten.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Filterstruktur insgesamt rotationssymmetrisch
ist mit einem radial außerhalb
und/oder innerhalb der Filtertaschen gelegenen Strömungsraum,
dass das Stütz- beziehungsweise
Umhüllungselement
wenigstens zum Teil um eine Filtertasche herum angeordnet ist, und
dass das Stütz-
beziehungsweise Umhüllungselement
in den Strömungsraum
hineinragende Leitabschnitte aufweist, durch welche der Gasstrom
wenigstens teilweise vom Strömungsraum
zu den Filtertaschen hingeleitet wird. Dies erhöht nochmals den Wirkungsgrad
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem
mit einer Filtereinrichtung, in der eine Filterstruktur angeordnet
ist;
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2 eine
perspektivische Darstellung der Filterstruktur von 1;
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3 eine
teilweise explodierte Darstellung zweier Filtertaschen der Filterstruktur
von 2 und eines Stützelements;
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4 eine
Ansicht längs
des Pfeils IV von 3;
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5 eine
Darstellung ähnlich 4 einer alternativen
Ausführungsform
eines Stützelements;
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6 eine
Darstellung ähnlich 4 einer nochmals
alternativen Ausführungsform
eines Stützelements;
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7 eine
perspektivische Darstellung des Stützelements von 6;
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8 einen
Schnitt quer durch eine Filtertasche mit einem in diesem angeordneten
Stützelement,
welches ähnlich
aufgebaut ist wie jenes der 6 und 7;
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9 eine
vereinfachte Darstellung einer Filtereinrichtung mit einer Filterstruktur
mit nochmals abgeänderten
Stützelementen;
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10 eine
Darstellung ähnlich 4 einer nochmals
alternativen Ausführungsform
eines Stützelements;
und
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11 eine
perspektivische Darstellung einer Filtertasche mit einem als Umhüllungselement ausgebildeten
Stützelement.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Bereich einer Brennkraftmaschine 10 gezeigt. Er umfasst
einen Motor 12 mit Aggregaten und gegebenenfalls einem
Dieseloxidationskatalysator. Die Abgase werden über Abgassystem 13 mit
einem Abgasrohr 14 abgeleitet. In letzterem ist eine Filtereinrichtung 16 angeordnet,
welche Rußpartikel
aus dem im Abgasrohr 14 strömenden Abgas herausfiltert.
Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich
beziehungsweise wird erforderlich werden, um gesetzliche Bestimmungen
einzuhalten.
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Die
Filtereinrichtung 16 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 18,
in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel
rotationssymmetrische, insgesamt ebenfalls zylindrische Filterstruktur 20 angeordnet ist.
Diese umfasst eine Vielzahl von keilförmigen Filtertaschen, von denen
in 2 nur zwei mit dem Bezugszeichen 22a beziehungsweise 22b versehen sind.
Diese Filtertaschen 22a und 22b sind in 3 nochmals
vergrößert dargestellt.
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Jede
der keilförmigen
Filtertaschen 22 weist zwei seitliche Filterwände auf,
von denen in den 2 und 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils
nur eine mit dem Bezugszeichen 24a beziehungsweise 24b versehen
ist. Die einem Einlass 26 des Gehäuses 18 zugewandten
und in den 2 und 3 linken
bzw. vorderen Ränder
der Filterwände 24a und 24b einer
Filtertasche 22 sind miteinander verbunden, wohingegen
die einem Auslass 28 des Gehäuses 18 zugewandeten
und in den 2 und 3 rechten
bzw. hinteren Ränder
einer Filtertasche 22 voneinander beabstandet sind. Hierdurch ergibt
sich die Keilform der Filtertaschen 22. Nach radial innen
und nach radial außen
sind die Filtertaschen 22 durch insgesamt dreieckige Filterwandabschnitte 24c und 24d (3)
verschlossen.
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Die
Filtertaschen 22 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ringförmig
um einen zentrischen kanalartigen Strömungsraum 30 angeordnet
und zueinander abgedichtet. Dieser ist an seinem in 2 hinteren
und nicht sichtbaren Ende durch eine Dichtplatte verschlossen. Gegenüber dem
Gehäuse 18 ist die
Filterstruktur 20 ebenfalls im Bereich ihres in 2 hinteren
Endes durch in 1 nicht näher gezeigte Dichteinrichtungen
abgedichtet. Die die Filtertaschen 22 und letztlich die
Filterstruktur 20 bildenden Filterwände 24 sind auf Sintermetallbasis
hergestellt. Dabei handelt es sich um eine offenporige und gasdurchlässige Struktur,
welche Rußpartikel
aus dem Gasstrom herausfiltert, wenn dieser durch die Filterwände 24 hindurchtritt.
Ein entsprechender Gasstrom ist in 3 durch
einen Pfeil 32 angedeutet. Der gereinigte Gasstrom verlässt die
Filtertaschen 22 über
deren in den 2 und 3 rechtes bzw.
hinteres und offenes Ende.
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Die
Filterwände 24 der
Filtertaschen 22 sind äußerst dünn. In das
Innere einer jeden Filtertasche 22 ist daher ein keilförmiges Stützelement 34 eingesetzt,
welches in 3 nur für die Filtertasche 22b gezeigt
und dort vor der Einführung
in die Filtertasche 22b längs der Pfeile 36 dargestellt
ist. Das Stützelement 34 weist
eine Gesamt-Außenform
auf, welche in etwa der Innenform der zugehörigen Filtertasche 22b entspricht.
Es ist so dimensioniert, dass es nach dem Einführen in die Filtertasche 22b in
dieser im Passsitz festgelegt ist.
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Das
Stützelement 34 weist
eine vergleichsweise hohe Steifigkeit auf. Hierdurch wird verhindert, dass
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 die seitlichen Filterwände 24a und 24b durch
den von außen auf
sie wirkenden Gasstrom 32 nach innen zusammengedrückt werden,
was eine unerwünschte
Widerstandserhöhung
der Filtereinrichtung 18 zur Folge hätte. Durch das Stützelement 34 wird
also sichergestellt, dass die beiden Filterwände 24a und 24b einer Filtertasche 22 auch
im Betrieb einen Abstand voneinander aufweisen. Das Stützelement 34 wird
daher auch als "Spacer" bezeichnet.
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Das
Stützelement 34 ist
aus einer Siliciumcarbidfolie hergestellt. Es weist zwei gewellte
Seitenwände 38a und 38b und
eine in etwa dreieckige obere Wand 38c auf. Hierzu wird
die Siliciumcarbidfolie im ungebrannten ("grünen") Zustand an den
Kanten 40a und 40b gefaltet. Zuvor oder danach
werden die in Längsrichtung
des Stützelements 34 verlaufenden Wellen
(ohne Bezugszeichen) in die beiden Seitenwände 38a und 38b eingebracht.
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Dann
wird die Siliciumcarbidfolie gesintert, wodurch sie ihre durch das
Falten beziehungsweise Wellen vorgegebene Form beibehält. Die
Unterseite (Bezugszeichen 42) des Stützelements 34 ist
ebenso wie seine Rückseite 44 offen.
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Wird
das Stützelement 34 nun
längs der
Pfeile 36 in die Filtertasche 22b eingeführt, federn
die Seitenwände 38a und 38b zusammen,
wodurch das Stützelement 34 in
der Filtertasche 22a unter einer gewissen Vorspannung verspannt
wird und in der Folge in dieser zuverlässig festgelegt ist.
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Die
gesinterte Siliciumcarbid-Keramik, aus welcher das Stützelement 34 hergestellt
ist, weist eine offenporige Struktur auf, durch die der Abgasstrom 32 hindurch
treten kann. Dabei ist die Porosität der Siliciumcarbid-Keramik
des Stützelements 34 größer als
jene des Sintermetalls, aus dem die Filterstruktur 20 beziehungsweise
die Filterwände 24 der Filtertaschen 22 hergestellt
sind. Hierdurch wird der Strömungswiderstand
reduziert.
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Das
in den 2 bis 4 gezeigte Stützelement 34 ist
selbst insgesamt keilförmig
mit zwei Seitenwänden 38a und 38b und
einer dazwischen liegenden Wand 38c. Möglich ist es aber auch, das Stützelement 34 im
Querschnitt mit einer sogenannten "Z-Faltung" zu versehen, wie dies in 5 dargestellt
ist. Möglich
ist auch eine Mäanderfaltung
entsprechend der 6 bis 8. Dabei
sei darauf hingewiesen, dass hier wie nachfolgend gilt, dass solche Elemente
und Bereiche, welche äquivalente
Funktionen zu zuvor beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen,
die gleichen Bezugszeichen tragen und im Normalfall nicht nochmals
im Detail erläutert sind.
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Durch
die mäanderförmige Faltung
liegt das Stützelement 34 bereichsweise
flächig
an den Filterwänden 24a bis 24c der
Filtertasche 22 an. Dies führt dazu, dass das Abgas nicht
nur zwischen dem Stützelement 34 und
den Filterwänden 24 der
Filtertasche 22 strömt,
sondern auch durch Bereiche der Wand 38 des Stützelements 34 hindurchtritt,
wie durch den Pfeil 50 angedeutet ist. Dies wird für eine Zusatzfunktion des
Stützelements 34 ausgenutzt:
Dieses ist nämlich
mit einer katalytischen Beschichtung 46 versehen, welche
dadurch auf das Stützelement 34 aufgebracht
wird, indem dieses in das zuvor verflüssigte katalytische Material
eingetaucht wird. Hierdurch ergibt sich eine katalytische Beschichtung 46 nicht
nur auf den Außenseiten
der Wände 38 des
Stützelements 34,
wie dies in 8 gezeigt ist, sondern auch im
Inneren der offenporigen Struktur des Stützelements 34, was
eine sehr große
katalytisch wirksame Oberfläche
zur Folge hat.
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Auch
die Filterwände 24a bis
d der Filtertasche 22 sind auf ihrer Innenseite mit einer
katalytischen Beschichtung 48 versehen. Beide katalytischen
Beschichtungen 46 und 48 liegen also stromabwärts von
den Filterwänden 24 und
werden von der von den Rußpartikeln
bereits befreiten Gasströmung
umströmt.
Die katalytischen Beschichtungen 46 und 48 dienen
zur Förderung
der Reduktion von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden
oder zur Oxidation von CO und HC. Durch die mäanderförmige Gestaltung des Stützelements 34 wird
die katalytisch wirksame Oberfläche
am Stützelement 34 besonders
groß.
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In 9 ist
eine nochmals abgewandelte Ausführungsform
von Stützelementen 34 in
einer Filtereinrichtung 16 schematisch gezeigt. Die in 9 gezeigten
Stützelemente 34 entsprechen
im Querschnitt und bezüglich
der katalytischen Beschichtung dem in den 6 bis 8 gezeigten
Stützelement 34.
Zur Vergrößerung der
katalytisch wirksamen Oberfläche
weisen die bei der Filtereinrichtung 16 in 9 verwendeten
Stützelemente 34 jedoch
jeweils einen Überstand 50 auf,
mit dem sie axial über
einen zum Auslass 28 hin weisenden Rand der Filterstruktur 20 überstehen.
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Ein
weiterer möglicher
Querschnitt eines Stützelements 34 ist
in 10 gezeigt: Auch dieses Stützelement 34 ist dadurch
hergestellt worden, dass es aus einer einzigen Siliciumcarbidfolie
gefaltet und anschließend
gesintert wurde. Durch die Faltung entsprechend 10 werden
Strömungskanäle 52a bis d
geschaffen, durch die eine Kanalströmung des gereinigten Abgases
innerhalb des Stützelements 34 erzwungen
wird. Darüber
hinaus wird durch die "Kanalfaltung" bei dem in 10 gezeigten
Stützelement 34 dessen
katalytisch wirksame Oberfläche vergrößert.
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Eine
nochmals abgewandelte Ausführungsform
eines Stützelements 34 zeigt 11:
Dabei ist das Stützelement 34 nicht
innerhalb, sondern außerhalb
der Filtertasche 22 um diese herum angeordnet. Es wird
daher auch als Umhüllungselement
bezeichnet. Obwohl dies in 11 nicht
sichtbar ist, ist auch hier das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement 34 mit
einer katalytischen Beschichtung versehen. Diese unterstützt jedoch
die Oxidation von stromaufwärts
von den Filterwänden 24 der
Filtertasche 22 abgelagerten Russpartikeln beziehungsweise
von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff.
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Im
Bereich der stromaufwärts
gelegenen Schmalseite der Filtertasche 22 weist das Stütz- beziehungsweise
Umhüllungselement 34 einen
vorstehenden, umgefalteten Lappen der Siliciumcarbidfolie auf, der
um die vergleichsweise spitze Kante der Filtertasche 22 herumgezogen
ist und hierdurch eine strömungsgünstige Rundung 54 bildet.
Darüber
hinaus weist das Stütz- beziehungsweise
Umhüllungselement 34 im
Bereich seiner schmalen Längsseite mehrere
in den zentrischen Strömungsraum 30 (vergleiche 2)
hineinragende Leitabschnitte 56 auf, durch welche der Gasstrom
im zentrischen Strömungsraum 30 von
diesem zu den Filtertaschen 22 hin geleitet wird.