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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere
für eine nach dem Diesel-Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine
mit zwei in Reihe geschalteten Filterelementen. Eine solche Abgasnachbehandlungseinrichtung
ist aus der
DE 101
56 191 A1 bekannt.
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Bei
der aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtung
erfolgt die eigentliche Abgasreinigung im Hauptfilter. Der Vorfilter hat
eine deutlich geringere Abscheiderate und eine sehr viel kleinere
Speicherkapazität für Ruß als der Hauptfilter.
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Die
Speicherkapazität des Vorfilters ist so bemessen, dass
erstens eine relativ kleine Energiezufuhr ausreicht, um den Vorfilter
auf die zur Oxidation des Rußes erforderliche Temperatur
aufzuheizen. Zweitens soll die durch die Oxidation des Rußes
im Vorfilter verursachte Temperaturerhöhung des Abgases
stromabwärts des Vorfilters ausreichend sein, um die Regeneration
des Hauptfilters auszulösen. Der Vorfilter dient bei dieser
Abgasnachbehandlungseinrichtung gewissermaßen als Heizeinrichtung für
das Abgas, um bei Bedarf die Regeneration des Hauptfilters auslösen
zu können.
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Da
viele Filterelemente heutzutage aus einem extrudierten keramischen
Material bestehen und die Herstellung dieser extrudierten Filterelemente
technischen und wirtschaftlichen Grenzen unterliegt, ist die Speicherkapazität
des Hauptfilters begrenzt. Die Herstellung der Filterelemente ist
besonders wirtschaftlich, wenn deren Durchmesser und Länge vergleichsweise
klein sind. Mit zunehmender Querschnittsfläche und zunehmender
Länge des Filterelements steigen die Herstellungskosten
stark an.
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Damit
die Rußbeladung des Hauptfilters eine zulässige
Grenze nicht überschreitet, muss der aus dem Stand der
Technik bekannte Hauptfilter relativ häufig regeneriert
werden, was sich negativ aus dessen Lebensdauer auswirkt.
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Des
Weiteren muss der Hauptfilter unter verschiedensten Betriebsbedingungen
zuverlässig arbeiten, weil nahezu die gesamte Abgasnachbehandlung
im Hauptfilter stattfindet. So ist es beispielsweise erforderlich,
dass der Hauptfilter sowohl kleinste als auch größte
Rußpartikel sicher herausfiltert. Der Abgasgegendruck des
Hauptfilters darf in allen Betriebs- und Beladungszuständen
einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigen und außerdem muss
der Hauptfilter den unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen über
die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung
standhalten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachbehandlungseinrichtung
bereitzustellen, deren Speicherkapazität für Rußpartikel
erhöht ist, bei dem die Häufigkeit der Regenerationen
deutlich verringert wird und die noch dazu wirtschaftlich herstellbar
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
für eine nach dem Dieselverfahren arbeitende Brennkraftmaschine umfassend
ein erstes Filterelement und ein stromabwärts angeordnetes
zweites Filterelement, wobei erstes Filterelement und zweites Filterelement
in Reihe geschaltet sind, und wobei die Abscheiderate des ersten
Filterelements kleiner als die Abscheiderate des zweiten Filterelements
ist, dadurch gelöst, dass die Speicherkapazität
des ersten Filterelements größer oder gleich der
Speicherkapazität des zweiten Filterelements ist.
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Durch
die Serienschaltung von mehreren Filterelementen, die in erster
Näherung eine gleich große Speicherkapazität
aufweisen, ist es möglich, die Gesamtspeicherkapazität
der Abgasnachbehandlung der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung zu vergrößern
und dadurch die Zahl der erforderlichen Regenerationen entsprechend
zu reduzieren. Eine gewünschte Gesamtspeicherkapazität
der Abgasnachbehandlungseinrichtung für Ruß kann
dadurch erreicht werden, dass mehrere kleine Filterelemente in Reihe
geschaltet werden. Die gewünschte Gesamtspeicherkapazität
ergibt sich dabei durch die Addition der Speicherkapazitäten
der Filterelemente. Wegen der starken Abhängigkeit der
Herstellungskosten von der Speicherkapazität ist es in vielen
Anwendungsfällen wirtschaftlicher, mehrere kleine Filterelemente
herzustellen und diese in Reihe zu schalten, um die gewünschte
Gesamtspeicherkapazität zu erreichen.
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Ein
weiterer und sehr wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung ist, dass die einzelnen Filterelemente
jeweils nur ganz spezifisch konfiguriert werden können.
So kann beispielsweise ein stromaufwärts gelegen angeordnetes
erstes Filterelement bezüglich seiner Filterfläche
und der durchschnittlichen Porengröße so ausgelegt
werden, dass insbesondere die großen Rußpartikel
herausgefiltert werden und die stromabwärts angeordneten
Filterelemente können dann eine kleinere Porengröße
aufweisen, um auch die kleineren Rußpartikel sicher herauszufiltern.
Dabei besteht für die stromabwärts angeordneten
Filterelemente nicht die Gefahr, dass die feinporigen Filterelemente
verstopfen, da die großen Rußpartikelfilter bereits
in dem ersten Filterelement herausgefiltert wurden.
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Auch
können die verschiedenen in Reihe hintereinander angeordneten
Filterelemente hinsichtlich der auftretenden Temperatur bezüglich
Material oder Filterbauart jeweils den dort herrschenden Bedingungen
optimal angepasst werden, so dass in aller Regel die Anforderungen
an die einzelnen Filterelemente geringer sind, als wenn ein großes
Filterelement die gesamte Abgasnachbehandlung durchführen
muss.
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Eine
besonders kompakte Bauweise stellt sich dann ein, wenn mindestens
zwei Filterelemente direkt hintereinander angeordnet sind. Dann
können diese Filterelemente in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet werden.
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Des
Weiteren ist es möglich, dass bei mehreren direkt hintereinander
angeordneten Filterelementen nur an einer Eintrittsfläche
des stromaufwärts angeordneten Filterelements Verschlussstopfen
für die Austrittkanäle vorhanden sind und an der
Austrittsfläche des stromabwärts angeordneten
Filterelements Verschlussstopfen für die Eintrittskanäle
vorhanden sind. Dadurch wird die Zahl der benötigten Verschlussstopfen
reduziert, was sich weiter positiv auf die Herstellungskosten und
damit die Wirtschaftlichkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung
auswirkt.
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Alternativ
ist es auch möglich, dass zwei direkt hintereinander angeordnete
Filterelemente jeweils an ihrer Eintrittsseite Verschlussstopfen
und im Wechsel dazu an ihrer Austrittsseite Verschlussstopfen aufweisen
und die Filterelemente so angeordnet werden, dass ein Austrittskanal
des stromaufwärts angeordneten Filterelements in einen
Eintrittskanal des stromabwärts angeordneten Filterelements
mündet. Dadurch treten die zu reinigenden Abgase zweimal
durch eine Filterwand, nämlich einmal durch eine Filterwand
des ersten Filterelements und einmal durch eine Filterwand des zweiten
Filterelements. Dadurch wird trotz einer vergleichsweise geringen Abscheiderate
beider Filterelemente durch die Verkettung der beiden Filterelemente
eine verbesserte Gesamtabscheiderate erzielt.
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Auch
wird die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlung
robuster hinsichtlich Brüchen oder Rissen innerhalb eines
Filterelements, da durch die Funktionsunfähigkeit eines
Filterelements nicht sofort die gesamte Abgasnachbehandlungseinrichtung wirkungslos
wird.
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Aufgrund
der kleineren Volumina der einzelnen Filterelemente können
auch die bei der Regeneration auftretenden thermischen Spannungen
und Temperaturen besser beherrscht werden, so dass die Gefahr von
Rissen und Beschädigungen der Filterelemente reduziert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung
kann letztendlich mit Filterelementen aller bekannten Bauarten hergestellt
werden. Dazu gehören sogenannte Wallflowfilter aus bevorzugt
sinterkeramischen Werkstoffen aber auch Filter aus keramischen Fasern
oder Schäumen, metallischen Fasern, Partikeln oder keramischen
Membranen.
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Je
nach Lage der Filterelemente in der Abgasanlage können
entsprechend den am Einbauort herrschenden Betriebsbedingungen die
jeweils am besten geeigneten Filterelemente und -bauarten ausgewählt
und eingesetzt werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
sieht vor, dass mindestens eines der Filterelemente stromaufwärts
eines Abgasturboladers oder eines Kompressors der Brennkraftmaschine
angeordnet ist. Dadurch kann, ein geeignetes Filtermaterial vorausgesetzt,
schon bei den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen die Rußpartikel
aus dem Abgas herausgefiltert werden und teilweise sogar kontinuierlich oxidiert
werden.
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Die
Einstellung der Abscheiderate des Filterelements kann durch den
freien hydrodynamischen Durchmesser das Filtermaterial, die Kanalgeometrie, die
Zelldichte, die Korngröße des Filterwerkstoffes und/oder
die Abmessungen der Filterelemente (18.1, 18.2)
eingestellt werden.
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Die
Größe der Poren des Filtermaterials, das Filtermaterial
und/oder die Abmessungen des Filterelements eingestellt werden.
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Des
Weiteren ist es möglich, die Abscheiderate eines oder mehrerer
Filterelemente mithilfe eines oder mehrerer Bypasskanäle
zu reduzieren. Dies bedeutet, dass nicht das gesamte Abgas in diesem Filterelement
gefiltert wird, sondern dass ein Teil des Abgases ungefiltert durch
diese Bypasskanäle an dem eigentlichen Filterelement vorbei
oder durch das Filterelement hindurchströmen kann. Dadurch
wird die Gefahr des Verstopfens eines oder mehrerer Filterelemente
vermieden, was sich positiv auf die Brennkraftmaschine auswirkt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
nach dem Stand der Technik
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2 ein
Filterelement im Längsschnitt,
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3 bis 5 Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 trägt
eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Ein Steuergerät 11 steuert
die Brennkraftmaschine 10 über Signalleitungen
(ohne Bezugszeichen). Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet,
in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser
werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden
Abgas herausgefiltert, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
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Bei
der in 1 dargestellten Anordnung nach dem Stand der Technik
umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches,
insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet
ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese
Geometrien beschränkt. Bei Bedarf wird die Brennkraftmaschine 10 so
angesteuert, dass das Filterelement 18 der Filtereinrichtung 16 regeneriert
wird.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch ein Filterelement1 18 dargestellt.
Das Filterelement 18 ist beispielsweise als extrudierter
Formkörper aus einem keramischen Material, wie Cordierit,
hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der
Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt.
Eine Eintrittsfläche hat in 2 das Bezugszeichen 22,
während eine Austrittsfläche in 2 das
Bezugszeichen 24 hat.
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Parallel
zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen
mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30.
Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 mit
Verschlussstopfen 31 verschlossen. Im Gegensatz dazu sind
die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen
und im Bereich der Eintrittsfläche 22 mit Verschlussstopfen 31 verschlossen.
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Der
Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also
in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch
eine Filterwand 34 in einen der Austrittskanäle 30.
Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
Bei dem dargestellten Filterelement 18 handelt es sich
somit um einen sogenannten „wall-flow"-Filter. Allerdings
ist die erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung
nicht auf wall-flow-Filter beschränkt. Es können
auch „flow-through"-Geometrien eingesetzt werden. Hier
sind alle Kanäle an der Eingangsseite offen; es sind aber
Mischformen zwischen „wall-flow"- und „flow-through"-Filtern
möglich.
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Wie
sich aus dem Längsschnitt gemäß 2 ergibt,
ist das Filterelement 18 dichtend in einem Gehäuse 38 der
Filtereinrichtung 16 aufgenommen. Zwischen Gehäuse 38 und
Filterelement 16 ist eine Dichtmatte 36 angeordnet,
die dafür sorgt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse 38 und
Filterelement 16 gasdicht ist.
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In 3 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst
eine erste Filtereinrichtung 14.1 mit einem ersten Filterelement 18.1 und
eine zweite Filtereinrichtung 14.2 mit einem zweiten Filterelement 18.2.
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Die
Speicherkapazitäten für Rußpartikel von erstem
Filterelement 18.1 und zweitem Filterelement 18.2 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel gleich. Allerdings ist die
Abscheiderate des ersten Filterelements 18.1 niedriger
als die des zweiten Filterelements 18.2.
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Unter
der Abscheiderate A wird im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung
das Verhältnis zwischen der Masse der in den Abgasen enthaltenen
Rußpartikel am Austritt des eine Filterelements 18 und
der Masse der in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel an
der Eintrittsfläche 22 in das Filterelement 18 einströmenden
Rußpartikel verstanden.
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Die
Abscheiderate Ages der gesamten Abgasnachbehandlungseinrichtung
ergibt sich aus dem Produkt der Abscheiderate A1 des
ersten Filterelements 18.1 und der Abscheiderate A2 des zweiten Filterelements 18.2.
Durch die erfindungsgemäß unterschiedlichen Abscheideraten
A1 und A2 wird eine gleichmäßige
Beladung des ersten und des zweiten Filterelements 18.1 und 18.2 gewährleistet.
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Das
erste Filterelement 18.1 ist näher an der Brennkraftmaschine 10 angeordnet
ist, so dass es von Abgasen mit höherer Temperatur durchströmt wird.
Diesem Umstand kann durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffs für
das erste Filterelement Rechnung getragen werden. Des Weiteren sind
die Anforderungen an das erste Filterelement 18.1 wegen
der vergleichsweise geringeren Abscheiderate A1 des ersten
Filterelements 18.1 geringer als an das zweite Filterelement 18.2.
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Auch
ist es möglich, beispielsweise in dem ersten Filterelement 18.1 gezielt
die Rußpartikel mit einem verhältnismäßig
großen Durchmesser herauszufiltern und die kleineren Rußpartikelfilter
in dem zweiten Filterelement 18.2 herauszufiltern. Dadurch können
die Filterelemente 18.1 und 18.2 selektiv auf die
zu filternden Partikel abgestimmt und optimiert werden, so dass
das Abgas von Rußpartikeln unterschiedlicher Größe
effektiv und wirkungsvoll gereinigt wird.
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Des
Weiteren kann durch die Aufteilung der durch die verschiedene Porosität
der Filterelemente 18.1 und 18.2 einerseits ein
Zusetzen der Filterflächen und somit ein Verstopfen des
Filterelements verhindert werden, dass für das Filtern
kleinster Rußpartikel zuständig ist.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei in Serie geschalteten
Filterelementen im Längsschnitt dargestellt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel weist lediglich das erste Filterelement 18.1 an
seiner Eintrittsfläche 22.1 Verschlussstopfen 31 auf.
An der Austrittsfläche 24.1 des ersten Filterelements 18.1 sind
alle Kanäle offen und gehen direkt in die Kanäle
des zweiten Filterelements 18.2 über.
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Bei
dem zweiten Filterelement 18.2 sind nur an dessen Austrittsseite 24.2 Verschlussstopfen 31 vorgesehen.
Im Ergebnis wirken diese Filterelemente 18.1 und 18.2 wie
ein verlängertes Filterelement 18 gemäß dem
Stand der Technik (siehe 2). Dadurch können
die bislang bestehenden herstellungsbedingten Restriktionen bezüglich
der Länge eines Filterelements aufgehoben werden und auch
sehr lange gebaute Filterelemente, bestehend aus einem ersten Filterelement 18.1 und
einem zweiten Filterelement 18.2, wirtschaftlich hergestellt
werden.
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Es
ist selbstverständlich darauf zu achten, dass an dem Übergang
zwischen erster Austrittsfläche 24.1 des ersten
Filterelements 18.1 und der Eintrittsfläche 22.2 des
zweiten Filterelements 18.2 keine unerwünschte
Mischung bereits gefilterter Abgase mit noch ungefilterten Abgasen
stattfindet. Dies kann beispielsweise durch nicht dargestellte Passstifte oder
andere Fixierungsmittel gewährleistet werden.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, nicht nur zwei Filterelemente 18.1 und 18.2 direkt
hintereinander anzuordnen, sondern zwischen den in 4 dargestellten
Filterelementen 18.1 und 18.2 noch ein drittes
Filterelement anzuordnen. Dieses dritte Filterelement, welches nicht
dargestellt ist, kann aus einer Vielzahl parallel angeordneter Kanäle bestehen,
die sowohl an der Eintrittsfläche als auch an der Austrittsfläche
offen sind.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier erfindungsgemäß in
Serie geschalteter Filterelement 18.1 und 18.2 dargestellt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel weisen die Filterelemente 18.1 und 18.2 Eintrittskanäle 28 und Austrittskanäle
auf, die jeweils an den Eintrittsflächen 22.1 bzw. 22.2 und
an den Austrittsflächen 24.1 und 24.2 durch
Verschlussstopfen 31 verschlossen sind. Dabei sind die
Filterelemente 18.1 und 18.2 so angeordnet, dass
ein Austrittskanal 30 des ersten Filterelements 18.1 in
einen Eintrittskanal 28 des zweiten Filterelements 18.2 mündet.
Dies bedeutet, dass das zu reinigende Abgas beim Durchströmen
der beiden Filterelemente 18.1 und 18.2 zweimal
durch eine Filterwand 34 hindurchtritt und somit zweistufig
gereinigt wird. Auch hierdurch wird eine besonders effektive Reinigung
gewährleistet und es ist möglich, die Betriebseigenschaften
des ersten Filterelements 18.1 und des zweiten Filterelements 18.2 verschieden
einzustellen, so dass einerseits durch die zweistufige Abgasnachbehandlung
eine besonders effektive Reinigung des Abgases erfolgt und andererseits das
Verstopfen die Betriebssicherheit beider Filterelemente und Zuverlässigkeit
beider Filterelemente 18.1 und 18.2 gewährleistet
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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