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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Feststoffilter zum Herausspülen der
im Abgas zum Beispiel einer Dieselmaschine enthaltenen Schwebstoffe
in Form von Ruß,
welche nachfolgend nur Partikel genannt werden, sofern es sich um
keine spezifischen Feststoffe handelt.
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STAND DER TECHNIK
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Dieselmaschinen
weisen große ökonomische
Vorteile auf, doch bei diesen Maschinen ist es zwingend erforderlich,
die im Abgas enthaltenen Partikel zu entfernen. Das erfolgt mit
einem im Abgassystem der Dieselmaschine angeordneten Partikelfilter,
so daß keine
Partikel in die Atmosphäre
ausgestoßen
werden (siehe japanisches Dokument 9-262414).
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Zu
einem solchen Partikelfilter gehören grundsätzlich n
Faservliesbahnen aus hitzebeständigem
Metall (mit n als gerade Zahl 2 oder größer) mit Filterfunktion und
die gleiche Anzahl an Blechen aus hitzebeständigem Metall, welche eine
kleinere Breite haben als die Faservliesbahnen, im Vertikalschnitt gewellt
sind und deshalb allgemein als Wellplatten bezeichnet werden.
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Nachfolgend
wird das Verfahren zur Herstellung von Partikelfiltern kurz umrissen.
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Zuerst
werden Wellbleche und Vliesbahnen abwechselnd in gleicher Richtung übereinander
gelegt, um ein entsprechend langes rechteckiges Mehrschichtpaket
zu erzeugen, welches dann zu einem zylindrischen Körper (nachfolgend
zylindrischer Mehrschichtkörper
genannt) gerollt wird. Anzumerken ist, daß durch die Steifigkeit der
Wellbleche als Gerüst
des zylindrischen Mehrschichtkörpers
dieser Zylinderform beibehält.
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Der
zylindrische Mehrschichtkörper
hat einen Dichtabschnitt, welcher durch Zusammenschweißen der
Seitenkanten benachbarter Vliesbahnen in Radialrichtung erzeugt
wird, und einen Nichtdichtabschnitt, bei welchem die Seitenkanten
wiederum benachbarter Vliesbahnen eine Öffnung bilden, so daß abwechselnd
Dichtabschnitte und Nichtdichtabschnitte erzeugt werden. Auf der
anderen Seite des Mehrschichtkörpers
werden auf gleiche Weise Nichtdichtabschnitte und Dichtabschnitte
abwechselnd erzeugt.
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Mit
anderen Worten, auf eine Stirnseite des zylindrischen Mehrschichtkörpers gesehen
sind die zwischen jeweils benachbarten Vliesbahnen angeordneten
Wellbleche abwechselnd sichtbar und unsichtbar, und das ist auch
auf der anderen Seite des Mehrschichtkörpers der Fall, aber in entgegengesetzter
Anordnung.
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Noch
besser ausgedrückt,
Abschnitte aus paarigen Vliesbahnen mit dazwischen angeordnetem Wellblech,
welche auf einer Seite offen, auf der anderen geschlossen sind,
werden spiralförmig
zum zylindrischen Mehrschichtkörper
zusammengerollt. Dieser zylindrische Mehrschichtkörper wird
in einen beidseitig offenen Behälter
aus hitzebeständigem Metall
mit einem dem Innendurchmesser des Abgasrohres im wesentlichen entsprechenden
Außendurchmesser
eingesetzt. Die Innenfläche
dieses Behälters
aus hitzebeständigem
Metall und die Außenfläche des
Mehrschichtkörpers
werden an geeigneten Abschnit ten miteinander verschweißt, um den Mehrschichtkörper im
Metallbehälter
zu fixieren. Damit ist die Fertigung des Partikelfilters beendet.
Anzumerken ist, daß zwischen
dem Mehrschichtkörper und
dem Metallbehälter
möglichst
kein Spalt vorhanden sein sollte, um einen vibrationsbeständigen Partikelfilter
zu erzeugen.
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Der
Partikelfilter wird in einer zwei Abgasrohre verbindenden Muffe
befestigt.
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Wie
bereits erwähnt,
wird der Mehrschichtkörper
möglichst
spaltfrei im Metallbehälter
befestigt, damit das Abgas den zylindrischen Mehrschichtkörper leckfrei
durchströmt.
Mit anderen Worten, der Außendurchmesser
des Mehrschichtkörpers
ist nur um eine Winzigkeit kleiner als der Innendurchmesser des
Metallbehälters,
so daß von
einer annähernde Übereinstimmung
beider gesprochen werden kann.
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Der
so konfigurierte Partikelfilter wird im Abgasrohr koaxial zu diesem
befestigt.
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Das
Abgas strömt
aus dem Abgasrohr in den ersten offenen Abschnitt. Da die andere
Seite dieses Abschnitts dicht ist, d.h. die winzigen Spalte zwischen
den Fasern durch Schweißen
geschlossen wurden, strömt
das Abgas durch diese Vliesbahn in den nächsten Abschnitt, welcher am
anderen Ende offen ist. Die im Abgas enthaltenen Partikel bleiben an
den winzigen Spalten zwischen den Vliesfasern haften und werden
somit aus dem Abgas entfernt.
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Das
gereinigte Abgas gelangt aus diesem Abschnitt in die Atmosphäre.
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Wenn
die zurückgehaltene
Partikelmenge die Spalte zwischen den metallischen Vliesfasern schließlich vollständig verstopft,
steigt der Strömungswiderstand,
so daß das
Abgas nicht mehr ungehindert strömen
kann. Dadurch können
keine weiteren Partikel zurückgehalten
werden.
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Um
aber ein Verstopfen zu verhindern, werden durch die Abgaswärme oder
durch die von einem elektrischen Heizelement erzeugte Wärme die
zurückgehaltenen
Partikel periodisch verbrannt. Dieser Vorgang wird Regenerierung
des Partikelfilters genannt.
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Zur
Fertigung des im japanischen Dokument 9-26241 offenbarten, dem Stand
der Technik entsprechenden Mehrschichtkörpers durch Zusammenrollen
eines länglichen
rechteckigen Mehrschichtpaket muß an diesem eine Startwindung
erzeugt werden. Dabei entstehen in dieser Startwindung übermäßige Spannungen
und somit Risse und Falten, wenngleich diese nur winzig sind.
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Außerdem werden
bei der Fertigung des Mehrschichtkörpers unter Verwendung der
die Festigkeit in radialer Richtung gewährleistenden Wellbleche diese
und die Vliesbahnen nur durch die aus dem Zusammenrollen resultierende
Berührungsreibung axial
zusammengehalten. Wenn der in Axialrichtung wirkende Abgasdruck
sich plötzlich ändert, verschieben
die Faservliesbahnen und die Wellbleche sich zueinander. Wenn das
eintritt, nimmt die von den Wellblechen erzeugte Steifigkeit des
zylindrischen Mehrschichtkörpers
ab, so daß mit
Rissen und Schäden
in bzw. an diesem zu rechnen ist.
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Wie
bereits erwähnt,
wird der Partikelfilter koaxial zum Abgasrohr an diesem befestigt
und an der Peripherie mit dem Behälter aus hitzebeständigem Metall
verschweißt.
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Andererseits
ist die Strömungsgeschwindigkeit
(der Druck) im Zentrum des Abgasrohrs am größten, so daß dieser Bereich am leichtesten
von Abgasimpulsen, den sogenannten Druckwellenbewegungen innerhalb
des Abgasrohrs, beeinflußt
wird.
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Wenn
nun ein Partikelfilter über
einen längeren
Zeitraum im Einsatz ist, wird durch die Druckwirkung der Zentralabschnitt
des zylindrischen Mehrschichtkörpers
in Abgasströmungsrichtung
belastet und so verschoben, daß der
zylindrische Mehrschichtkörper
wie eine Kegelfeder aussieht. Wenn die Axialkraft die Steifigkeit
des zylindrischen Mehrschichtkörpers überschreitet,
kommt es zum Bruch des Partikelfilters.
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Außerdem muß bei längerer Einsatzdauer eines
solchen Partikelfilters aufgrund der durch die Abgaswärme und
die Abgasimpulse entstehenden Druckschwankungen mit einer Beschädigung der Schweißnaht am
hinteren Dichtabschnitt des zylindrischen Mehrschichtkörpers gerechnet
werden. Das Öffnen
des Dichtabschnitts spielt für
das Abgas keine Rolle, da dieses jetzt ungehindert durch den Partikelfilter
strömt.
Dadurch werden aber weit weniger Partikel im Faservlies abgelagert,
so daß die
Filterwirkung des Partikelfilters sich drastisch verschlechtert.
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Vom
Abgas wird auch sogenannte Asche mitgeführt, welche für den Menschen
unschädlich
ist, als Hauptkomponente aber CaSO3 (Kalk),
d.h. eine Verbrennungskomponente des Maschinenöls enthält und auch im Partikelfilter
hängen
bleibt. Durch diese Asche wird der Strömungswiderstand im Filter weiter vergrößert. Deshalb
muß die
im Partikelfilter abgelagerte Asche beseitigt werden.
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Das
Entfernen der Asche erfolgt mittels Abgaswärme und so weiter. Ruß als typisches
Partikel verbrennt bei etwa 600°C,
Asche aber erst bei mehr als 1000°C.
Wenn das Abgassystem auf 1000°C
gebracht wird, verbrennt zwar die Asche, doch dabei entstehen thermische
Schäden
zum Beispiel am Partikelfilter selbst, am Katalysator und anderen
Bauteilen. Demzufolge ist wichtig, auf welche Weise die Asche entfernt
wird.
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Die
Erfinder dieser Neuerung haben wiederholt Tests und Studien durchgeführt und
festgestellt, daß die
Menge der an der Oberfläche
der Vliesfasern abgelagerte Asche von der Beschaffenheit der metallischen
Vliesfasern abhängig
ist.
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Die
Erfinder haben ein spezifisches Faservlies entwickelt, an welchem
auch unter der Aschverbrennungstemperatur von 1000°C, zum Beispiel
bei der Rußverbrennungstemperatur
von etwa 600°C, wesentlich
weniger Asche haften bleibt.
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Die
Erfinder untersuchten auch den Fall, in welchem die Asche nicht
an diesem spezifischen Faservlies haften blieb, sondern zusammen
mit Ruß als typisches
Partikel in die Vliesfasern eingedrungen war.
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Bei
den durchgeführten
Tests konnte nachgewiesen werden, daß bei diesem spezifischen Faservlies
das Volumenverhältnis
(Verhältnis
aus dem Hohlraumvolumen im Faservlies und dem Gesamtvolumen), der
Faserdurchmesser und die Vliesbahndicke in spezifischen Bereichen
liegen.
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Die
Erfinder haben auch ermittelt, weshalb kaum Asche am Faservlies
haften bleibt, wenn von den genannten drei Parametern mindestens
das Hohlraumverhältnis
oder/und der Faserdurchmesser im jeweiligen Bereich liegen.
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Da
zur Erzeugung des Dichtabschnitts die Vliesfasern nur an ganz begrenzten
Stellen miteinander verschweißt
werden, ist eine Vereinfachung des Schweißvorgangs erwünscht.
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Im
allgemeinen wird der hitzebeständige
Behälter
im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung untergebracht,
so daß dieser
außen zwangsläufig Zylinderform
hat. Wenn der Außendurchmesser
des zylindrischen Mehrschichtkörpers in
etwa dem Innendurchmesser des hitzebeständigen Behälters entspricht, treten beim
Einschieben des Mehrschichtkörpers
in den Behälter
Schwierigkeiten auf.
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Wünschenswert
ist außerdem
eine Technologie, bei welcher eine geringere Anzahl an Prozessen
zum Regenerieren des Partikelfilters erforderlich ist.
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Es
wird angenommen, daß durch
Unterschiede in der thermischen Ausdehnung des Abgasrohres im Bereich
des Partikelfilters und der Filterelemente Wärmespannungen auftreten, welche
die Lebensdauer des Partikelfilters verringern können.
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Deshalb
ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung
einer Technologie, welche Beschädigungen
des Partikelfilters verhindert und somit dessen Lebensdauer verlängert.
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Diese
Aufgabe erfüllt
der im Anspruch 1 definierte Partikelfilter.
- (1)
Dieser Partikelfilter weist mehrere Elemente auf, einen Axialkern
aus hitzebeständigem
Metall, einen Mehrschichtköper,
welcher aus Faservliesbahnen und Wellblechen aus hitzebeständigem Metall
als Mehrschichtpaket gefertigt und um den Axialkern gewunden ist,
und einen hitzebeständigen
Behälter
als Aufnahme für
den Mehrschichtkörper.
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Die
Faservliesbahnen sind nicht gewebt, sondern Bahnen aus mechanisch,
chemisch und thermisch miteinander verbundenen Fasern.
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Dieser
Partikelfilter ist wegen seiner Hitzebeständigkeit zur Verwendung im
Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung geeignet und
mit einem Einlaßkanal
und einem Auslaßkanal versehen,
durch welche das Abgas strömen
kann. Der Durchmesser des aus hitzebeständigem Metall gefertigten Behälters sollte
dem Innendurchmesser des Maschinenabgasrohres annähernd entsprechen.
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Zur
Fertigung des zylindrischen Mehrschichtkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung wird
das Mehrschichtpaket um den Axialkerns gewunden. Bei Verwendung
eines Axialkerns wird die Vorderkante des um diesen zu wickelnden
Mehrschichtpakets weniger gekrümmt
als beim Wickeln ohne diesen, so daß Riß- und Faltenbildung an der Startwindung
fast vollständig
verhindert und die Haltberkeit des Zentralabschnitts des auf diese
Weise erzeugten Mehrschichtkörpers
verbessert werden kann.
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Der
Partikelfilter gemäß Anspruch
1 weist außerdem
ein Element auf, welches ein axiales Verschieben des Axialkerns
im hitzebeständigen
Behälter
verhindert.
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Wenn
der Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
verwendet und demzufolge der Zentralabschnitt des Mehrschichtkörpers durch
auftretende Abgasimpulse axial belastet wird, verhindert das genannte
Element axiales Verschieben des Axialkerns. Dadurch kann dieser nicht
aus dem hitzebeständigen
Behälter
gedrückt und
somit der zylindrische Mehrschichtkörper weder verformt noch beschädigt werden.
Demzufolge wird auch der Partikelfilter nicht beschädigt.
- (2) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter hat
der Mehrschichtkörper
optional zylindrische Form, wobei dessen beide Seiten abwechselnd
in radialer Richtung offen bzw. durch Verbinden der Kanten benachbarter
Vliesfaserbahnen geschlossen sind und somit ein taschenförmiger Abschnitt mit
einer offenen und einer geschlossenen Seite erzeugt wird.
- (3) Bei dem unter (1) oder (2) beschriebenen Partikelfilter
ist das Element, welches axiales Bewegen des Axialkerns verhindert,
vorzugsweise ein Verbindungselement und am hitzebeständigen Behälter und
am Axialkern des Mehrschichtkörpers
befestigt. Wenn der Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung verwendet und demzufolge der Zentralabschnitt
des Mehrschichtkörpers
durch auftretende Abgasimpulse axial belastet wird, verhindert das
genannte Element axiales Verschieben des Axialkerns. Dadurch kann
dieser nicht aus dem hitzebeständigen
Behälter
gedrückt
und somit der zylindrische Mehrschichtkörper weder verformt noch beschädigt werden.
Demzufolge wird auch der Partikelfilter nicht beschädigt.
- (4) Bei dem unter (3) beschriebenen Partikelfilter ist der hitzebeständige Behälter vorzugsweise beiderseits
offen und das Verbindungselement an einer Stirnseite dieses Behälters befestigt,
wobei das Verbindungselement einen gegen den Flansch des Behälters gedrückten ringförmigen Abschnitt,
einen in den Axialkern des Mehrschichtkörpers ragenden Zapfen und mehrere den
Ring mit dem Zapfen verbindende, den Axialkern nicht berührende Arme
aufweist.
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Das
Verbindungselement wird in den mit dem Mehrschichtkörper bestückten hitzebeständigen Behälter geschoben,
bis dessen ringförmiger
Abschnitt den Behälterflansch
berührt.
In diesem Zustand liegen der Zapfen und der Axialkern sich gegenüber. Wenn
der Axialkern durch die Abgasimpulse oder auf andere Weise axial
belastet wird, legt dieser sich gegen den Zapfen, welcher über die
Arme mit dem Ring verbunden ist, und kann zusammen mit dem um diesen
gewundenen Mehrschichtkörper nicht
aus dem Behälter
gedrückt
werden. Dadurch kann der Partikelfilter nicht beschädigt werden.
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Die
Anzahl der Arme ist nicht begrenzt, sollte aber unter Beachtung
der erforderlichen Festigkeit des Verbindungselements auf ein Minimum
beschränkt
werden, um dem Abgas einen möglichst
geringen Strömungswiderstand
entgegen zu setzen. Die von den Erfindern durchgeführten Versuche
ergaben, daß vier
Arme am besten geeignet sind.
- (5) Bei dem unter
(4) beschriebenen Partikelfilter weist der Zapfen vorzugsweise einen
Anschlagabschnitt auf, welcher axiales Bewegen des Axialkerns zuverlässig verhindert.
Der
Anschlagabschnitt kann unterschiedlich konfiguriert sein.
- (6) bei dem unter (4) oder (5) beschriebenen Partikelfilter
sind die Arme vorzugsweise gerade ausgeführt und zentrieren in Form
eines Kreuzes den Zapfen.
- (7) Bei dem unter (4) oder (5) beschriebenen Partikelfilter
kann der Arm auch gebogen sein und den Zapfen S-förmig zentrieren.
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Da
die Länge
des geraden Arms kürzer
ist als jene des gebogenen Arms, ist auch der dem Mehrschichtpaket
gegenüber
liegende Armabschnitt kleiner, so daß dem Abgas ein geringerer
Strömungswiderstand
entgegen gesetzt wird. Damit wird aber die Kraft geringer, welche
das Herausdrücken
des zylindrischen Mehrschichtkörpers
aus dem hitzebeständigen
Behälter
verhindert.
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Dagegen
hat der gebogene Arm S-Form, so daß dessen Länge zwischen dem Ring und dem
Zapfen größer ist
als jene des geraden Arms. Dadurch ist auch der dem zylindrischen
Mehrschichtkörper
gegenüber
liegende Armabschnitt größer, so
daß dem Abgas
ein größerer Strömungswiderstand
entgegen gesetzt wird und dieses nicht gleichmäßig strömen kann. Demzufolge steigt
die Kraft, welche das Herausdrücken
des zylindrischen Mehrschichtkörpers aus
dem hitzebeständigen
Behälter
verhindert. Andererseits ist beim gebogenen Arm eine bessere Wärmedehnung
als beim geraden Arm zu verzeichnen, so daß dieser eine längere Lebensdauer
hat.
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Mit
anderen Worten, der gerade und der gebogene Arm haben Vorteile und
Nachteile. Da der Zapfen, welcher das Bewegen des Axialkerns verhindert,
von den Armen gestützt
wird, hat dieser eine größere Steifigkeit.
Da der Zentralabschnitt des zylindrischen Mehrschichtkörpers dem
Zapfen direkt gegenüber
liegt, kann dieser sich in Abgasströmungsrichtung nicht bewegen.
- (8) Wenn der unter (5) beschriebene Partikelfilter ins
Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert
wird, um hauptsächlich
die im Abgas enthaltenen Partikel zurückzuhalten, ragt der Zapfen
in die von der Trennwand erzeugte, in Abgasströmungsrichtung hinten offene
Bohrungshälfte,
doch da dieser etwas länger ist
als diese Bohrungshälfte,
entsteht zwischen dem hitzebeständigen
Behälter
und dem Verbindungselement ein Spalt. Wenn durch äußere Kräfte, zum
Beispiel durch Abgasdruckschwankungen periodische Schwingungen erzeugt
und diese zwangsläufig
auf den Partikelfilter übertragen
werden, beginnen der Axialkern und der Zapfen, welche als separat
Teile gefertigt sind und unterschiedliche Elastizität aufweisen,
in diesem Spalt zu schwingen.
Dadurch werden die am Mehrschichtkörper abgelagerten
Aschepartikel abgeschüttelt,
so daß ein Verstopfen
des Faservlieses verhindert werden kann. Diese Aschepartikel können ohne
Verbrennung aus dem Partikelfilter entfernt werden.
- (9) Bei dem unter (8) beschriebenen Partikelfilter wird der
genannte Spalt vorzugsweise durch ein scheibenförmiges elastisches Element
ausgefüllt.
Das
elastische Element kann wie das Verbindungselement konfiguriert
werden und zum Beispiel eine Keramikfaserdichtung sein.
Diese
im genannten Spalt angeordnete Dichtung kann das beim Anschlagen
des schwingenden Verbindungselements an den hitzebeständigen Behälter erzeugte
Geräusch
dämpfen.
Das Dichtungsmaterial ist aber nicht auf Keramikfaser beschränkt, denn
auch ein anderes geeignetes Material kann dieses Geräusch dämpfen und
das Verstopfen des Faservlieses verhindern.
- (10) Bei dem unter (4) beschriebenen Partikelfilter liegen die
Arme des von einer Seite in den hitzebeständigen Behälter geschobenen Verbindungselements
dem Mehrschichtpaket des Mehrschichtkörpers gegenüber.
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Das
von der Maschine emittierte Abgas drückt nicht nur gegen den Axialkern
als Konstruktionselement, sondern auch auf das Mehrschichtpaket aus
Faservlies und Wellblech und könnte
das Faservlies oder das Wellblech aus dem hitzebeständigen Behälter schieben.
Das kann aber verhindert werden, wenn die Arme dem Mehrschichtpaket
gegenüber
liegen und dieses stützen.
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Normalerweise
ist das Faservlies etwas breiter als das Wellblech. Damit die Arme
das Wellblech und das Faservlies stützen, müssen diese entsprechend konfiguriert
werden. Dadurch kann die gewünschte
Steifigkeit des Mehrschichtkörpers
gewährleistet
werden.
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Dadurch
wird das Faservlies und/oder das Wellblech an mehreren Stellen gestützt und
die in Axialrichtung erzeugte Spannung besser verteilt, so daß der Partikelfilter
eine längere
Lebensdauer hat.
- (11) Wenn der unter (1) oder
(2) beschriebene Partikelfilter ins Abgassystem einer Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung installiert ist, wirkt die durch die Wand des
zylindrischen Axialkerns sich erstreckende Durchgangsbohrung, welche
die zur Abgaseintrittsseite hin offene Bohrung in diesem mit dem
Mehrschichtpaket um diesen verbindet, als eine die Axialkernbewegung verhindernde
Vorrichtung.
In diesem Fall strömt das Abgas in den eintrittsseitig
offenen Axialkern, durch die Durchgangsbohrung in den austrittsseitig
offenen taschenförmigen
Abschnitt des Mehrschichtpaketes und von diesem in die Atmosphäre.
Durch
diese Konstruktion wird die durch den Abgasdruck auf den Axialkern
wirkende Kraft verringert, so daß dieser nicht aus dem hitzebeständigen Behälter geschoben
werden kann. Somit wird eine Verformung und Bruch des zylindrischen Mehrschichtkörpers verhindert
und der Partikelfilter nicht beschädigt.
- (12) Die unter (11) erwähnte
Durchgangsbohrung zur Herstellung der Verbindung zwischen der Axialkernbohrung
und dem um den Axialkern gewundenen Mehrschichtpaket wird vorzugsweise
von der Abgaseintrittsseite zur Abgasaustrittsseite hin schräg durch
die Axialkernwand geführt,
da diese ein gleichmäßigeres
Strömen
des Abgases als eine rechtwinklig durch die Axialkernwand geführte Durchgangsbohrung
gewährleistet.
In
diesem Fall strömt
das Abgas ungehindert in den unmittelbar über dem Axialkern liegenden
taschenförmigen
Abschnitt. Dadurch wird die vom Abgas auf den zylindrischen Mehrschichtkörper ausgeübte Kraft
in Richtung Austrittsseite verringert und demzufolge in diesem eine
geringere Spannung aufgebaut, so daß ein Beschädigen des Partikelfilters verhindert
werden kann.
- (13) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter ist die
Axialkernbohrung vorzugsweise an der Abgasaustrittsseite offen,
so daß nur
ein Teil des Abgases ins Mehrschichtpaket strömt, während der andere Teil von der
Außenseite
des Axialkerns durch die Durchgangsbohrung in der Wand des Axialkerns
in die Axialkernbohrung strömt
und von dort in die Atmosphäre
gelangt. Dadurch ist ein geringerer Abgasdruck im Mehrschichtpaket
zu verzeichnen, so daß keine
Gefahr des Aufreißens der
Schweißnaht
am Dichtabschnitt besteht.
- (14) Bei dem unter (13) beschriebenen Partikelfilter ist die
Durchgangsbohrung vorzugsweise schräg durch die Wand des Axialkerns
geführt,
so daß im
Gegensatz zu einer rechtwink lig durch die Axialkernwand sich erstreckenden
Durchgangsbohrung das Abgas gleichmäßiger über das Mehrschichtpaket durch
diese in die Axialkernbohrung strömt. Da durch die Durchgangsbohrung
eine größere Abgasmenge
in die Atmosphäre
strömen
kann, wird der Abgasdruck am Mehrschichtkörper und somit am Dichtabschnitt
verringert, so daß ein
Beschädigen
des Partikelfilters effektiv verhindert werden kann.
- (15) Bei dem unter (11) bis (14) beschriebenen Partikelfilter
beträgt
der Durchmesser des Axialkerns vorzugsweise 15 bis 27% des Durchmessers
des zylindrischen Mehrschichtkörpers.
Wenn
das bei (11) und (12) der Fall ist, wird die auf den Axialkörper wirkende
Stoßkraft
verringert, wie die von den Erfindern durchgeführten Versuche zeigen.
Wenn
das bei (13) und (14) der Fall ist, wird der auf das Faservlies
wirkende Druck verringert, wie die von den Erfindung durchgeführten Versuche ebenfalls
zeigen.
- (16) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Seite des Faservlieses doppelt gefaltet und in
dem dadurch gebildeten taschenförmigen
Abschnitt das Wellblech an einer der beiden Innenflächen angeordnet.
Das ist somit auch in dem um den Axialkern gewickelten Mehrschichtpaket
der Fall. Mit anderen Worten, eine Seite des um den Axialkern gewickelten
Mehrschichtpakets ist durch das Falten durchgehend als Dichtabschnitt
ausgeführt, so
daß ein
Verschweißen
sich nicht erforderlich macht. Somit ist der Abschnitt zwischen
benachbarten Dichtabschnitten an dieser Seite im wesentlichen offen,
während
an der anderen Seite der Dichtabschnitt durch Verschweißen benachbarter
Vliesbahnen erzeugt wird. Das heißt, daß das Schweißen zur
Erzeugung des Dichtabschnitts nur an einer Seite erforderlich ist
und dadurch die Fertigung vereinfacht wird. Anzumerken ist, daß auch die
Seite, welche nicht doppelt gefaltet, sondern nur um eine bestimmte
Breite abgewinkelt ist, als Falte angesehen werden kann.
- (17) Der unter (16) beschriebene Partikelfilter wird vorzugsweise
in Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert
und dient dazu, die im Abgas enthaltenen Partikel zurückzuhalten,
wobei in Abgasströmungsrichtung gesehen
die durch Umlegen des Faservlieses erzeugte Falte hinten liegt.
Der durch die Falte gebildete Dichtabschnitt muß nicht wie bei einem herkömmlichen
Partikelfilter durch Verschweißen der
Kanten benachbartere Vliesbahnen erzeugt werden und wird durch die
aus der Abgaswärme und
aus Abgasimpulsen entstehenden Druckschwankungen nicht geöffnet. Dadurch
kann eine extreme Verringerung der Partikelrückhaltefähigkeit in diesem Abschnitt
verhindert werden.
- (18) Bei dem unter (17) beschriebenen Partikelfilter sind die
durch Doppelfalten des Faservlieses und die durch Verschweißen der
Kanten benachbarter Faservliesbahnen erzeugten einseitig offenen
taschenförmigen
Abschnitte in Radialrichtung des Mehrschichtpakets abwechselnd angeordnet.
- (19) Einer der unter (1) bis (18) beschriebenen und vorzugsweise
ins Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zu
installierende Partikelfilter zum Entfernen der im Abgas enthaltenen
Partikel weist einen Abgasströmungskanal
auf, welcher, enger als alle anderen Kanäle, abgasaustrittsseitig mit
einer Durchgangsbohrung versehen ist.
Dieser engere Abgasströmungskanal
im Partikelfilter ist sowohl vom Raum im einseitig offenen, taschenförmigen Ab schnitt
des Faservlieses als auch vom äußersten
Raum zwischen dem zylindrischen Mehrschichtkörper und dem hitzebeständigen Behälter umgeben.
Wenn der Raum zwischen der Außenfläche des
Mehrschichtkörpers und
der Innenfläche
des hitzebeständigen
Behälters
groß ist,
kann der in Schwingung gesetzte Mehrschichtkörper gegen den Behälter schlagen. Das
wird durch den engeren Abgasströmungskanal
verhindert. Durch diese Konstruktion erhält der zylindrische Mehrschichtkörpers eine
große Kapazität und damit
eine große
Partikelauffangfläche,
so daß dem
Abgas ein geringerer Strömungswiderstand
entgegen gesetzt wird.
Das Abgas strömt zuerst in einen weiten,
dann in einen engen Abschnitt. Mit anderen Worten, das Abgas strömt erst
dann in den engen Abschnitt, wenn der weite Abschnitt durch Asche- und Rußpartikel
verstopft ist. Wenn der Filter verstopft ist, kann das Abgas aus
dem engen Kanal durch die am Ende dieses Kanals vorhandene Durchgangsbohrung
direkt in die Atmosphäre
strömen.
Dadurch kann ein Beschädigen
des Partikelfilters verhindert werden. Wichtig ist, daß der Partikelfilter
regeneriert wird, bevor das Abgas, obwohl nur in einer geringen
Menge, durch diese Durchgangsbohrung zu strömen beginnt.
- (20) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter wird dieser
enge Abgasströmungskanal
mit einem porösen
Material mit maximalem Hohlraumverhältnis für das Zurückhalten Partikeln gefüllt. Dadurch
wird das Abgas gereinigt, bevor es durch die genannte Durchgangsbohrung
in die Atmosphäre
gelangt.
- (21) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter hat der
Mehrschichtkörper
optional Kegelstumpfform.
Da der Partikelfilter im allgemeinen
ins Abgasrohr einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert
wird, hat dessen hitzebeständiger
Behälter
außen
zwangsläufig
Zylinderform. Das würde
aber das Einsetzen des zylindrischen Mehrschichtkörpers in
den Behälter
erschweren. Demzufolge wurde das Mehrschicht des Partikelfilters gemäß der vorliegenden
Erfindung kegelstumpfförmig
konfiguriert, damit beim Einsetzen des Mehrschichtkörpers dessen
Vorderkante die Innenfläche
des Behälters
nicht berührt.
- (22) Die beiden Seiten des unter (21) beschriebenen kegelstumpfförmigen Mehrschichtkörper sind in
radialer Richtung abwechselnd abgedichtet und offen. Der auf diese
Weise erzeugte, auf einer Seite geschlossene, auf der anderen Seite
offene taschenförmige
Abschnitt hat von der geschlossenen Seite aus eine geneigte, ventilatorflügelartige Fläche, welcher
das in die Tasche eingesetzte Wellblech angepaßt ist.
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Andererseits
werden bei einem zylindrischen Mehrschichtkörper in Abgasströmungsrichtung
gesehen die Partikel relativ konzentriert hinten im taschenförmigen Abschnitt
abgelagert, so daß dort
die Gefahr des Verstopfens des Faservlieses besteht und bei Überbelastung
die Tasche aufreißt.
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Da
beim kegelstumpfförmigen
Partikelfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung der taschenförmige
Abschnitt hinten weiter ist als vorn, weist dieser dort eine größere Steifigkeit
auf. Wenn mit zunehmendem Ablagern von Partikeln an der Abgasausströmseite der
Druck dort zunimmt, verhindert die größere Steifigkeit ein Beschädigen oder
Aufreißen der
Tasche.
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Durch
die geneigte ventilatorflügelartige
Fläche
des taschenförmigen
Abschnitts wird die Abgasauftreffkraft an dieser in eine rechtwinklig
zur Wand der Tasche sich erstrek kende Komponente und eine parallel
zur Innenfläche
der Tasche sich erstreckende Komponente zerlegt.
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Dagegen
trifft bei einem zylindrischen Mehrschichtkörper das Abgas direkt auf den
Dichtabschnitt des taschenförmigen
Abschnitts, so daß von dort
aus die im Abgas enthaltenen Partikel allmählich am Faservlies abgelagert
werden. Doch am äußersten
Ende der Tasche werden kaum Partikeln abgelagert.
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Dagegen
wird bei einem Partikelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung
die Abgasströmungskraft F
an der schrägen
Fläche
in die beiden genannten Komponenten zerlegt. Die rechtwinklig zur
Taschenwand sich erstreckende Komponente drückt das Abgas in die entsprechenden
Abschnitte des Faservlieses, so daß das Ablagern der im Abgas
enthaltenen Partikel im wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Faservlies
erfolgt. Dadurch wird konzentriertes Verstopfen im hinteren Teil
des taschenförmigen Abschnitts
effektiv unterbunden.
-
Da
dieses konzentrierte Verstopfen am hinteren Ende des taschenförmigen Abschnitts
bei einem Partikelfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht auftritt, muß dieser
nicht so häufig
wie ein Partikelfilter mit zylindrischem Mehrschichtkörper regeneriert
werden.
-
Wie
bereits beschrieben, werden durch Nutzung der Abgaswärme und
durch Verwendung eines elektrischen Heizelements die am Faservlies
abgelagerten Partigel periodisch verbrannt, um ein Verstopfen und
damit Beschädigen
des Partikelfilters zu verhindern. Da das Regenerieren aber weniger
häufig durchgeführt werden
muß, wird
der Brennstoff- und damit der Energieverbrauch gesenkt.
- (23) Der unter (22) beschriebene Partikelfilter wird so ins
Abgassystem installiert, daß der
große Durchmesser
des kegelstumpfförmigen
Mehrschichtkörpers
in Abgasströmungsrichtung
hinten liegt. Dadurch wird vom Abgas an dieser Stelle eine Druckspannung
in der Faservlieslage aufgebaut. Bei entgegengesetzter Anordnung
wäre die Spannung
eine Zugspannung. Wie die Ergebnisse der von den Erfindern durchgeführten Versuche
zeigen, weist das Faservlies eine größere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit
auf, so daß die beschriebene
Konstruktion dem Abgasdruck besser widersteht.
- (24) Bei dem unter (1) beschriebenen Partikelfilter sind in
Radialrichtung der Dichtabschnitt und der offenen Abschnitt des
Mehrschichtpakets an dessen beiden Seiten abwechselnd angeordnet,
wobei das Wellblech an der Seite, an welcher die Kanten benachbarter
Faservliesbahnen miteinander verschweißt werden, zwischen beiden
eingebettet ist.
In diesem Fall kann die Axialspannung im Faservlies
vom Wellblech aufgenommen werden. Dadurch wird die Steifigkeit des
Mehrschichtkörpers erhöht und axiales
Verschieben der Mehrschichtpaketlagen durch den Abgasdruck verhindert.
Da die vom Abgasdruck im Faservlies aufgebaute Spannung vom Wellblech
aufgenommen wird, kann auch das Aufreißen der Schweißnaht am Dichtabschnitt
verhindert werden.
- (25) Bei dem unter (1) bis (24) beschriebenen Partikelfilter
wird an bestimmten Stellen das Faservlies mit dem Axialkern verschweißt, wobei
an der Schweißstelle
die Metallmenge pro Flächeneinheit
des Axialkerns und jene des Faservlieses im wesentlichen gleich
sind.
-
Dadurch
entspricht an der Verbindungsstelle der Wärmedehnungskoeffizient des
Axialkörpers
jenem des mit diesen in Berührung
gebrachten Faservlieses, so daß bei
einer eintretenden Verformung der Schweißstelle der Axialkern und das
Faservlies übereinstimmend
verformt werden. Durch dieses übereinstimmende
Verformen wird die Wärmespannung
in der Verbindungsstelle verringert und folglich die Lebensdauer
des Partikelfilters verlängert.
-
Bei
einer dicken Axialkernwand wird der Partikelfilter groß. Bei einer
dünnen
Axialkernwand hat der Axialkern nicht die gewünschte Festigkeit. Um den genannten
Forderungen zu genügen,
sollte die Axialkernwand vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm dick sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
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2 zeigt
vergrößert modifizierte
Hauptabschnitte des in 1 dargestellten Partikelfilters.
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3 zeigt
die Vorderansicht eines Verbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
die Seitenansicht des in 3 dargestellten Verbindungselements.
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5 zeigt
die Vorderansicht eines anderen Verbindungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 zeigt
die Seitenansicht des in 5 dargestellten Verbindungselements.
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7 zeigt
eine modifizierte erste Ausführungsform
des Partikelfilters bei entferntem Verbindungselement.
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8 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
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9 zeigt
die Vertikalschnittansicht des in 8 dargestellten
Partikelfilters.
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10 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
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11 zeigt
vergrößert modifizierte
Abschnitte des in 10 dargestellten Partikelfilters.
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12 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
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13 zeigt
vergrößert die
Hauptabschnitte des in 12 dargestellten Partikelfilters.
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14 zeigt
die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Faservlieses gemäß der vorliegenden
Erfindung vor dem Ablagern von Partikeln an diesem.
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15 zeigt
vergrößert einen
Ausschnitt des in 14 dargestellten Vlieses.
-
16 zeigt
schematisch das Eindringen von Asche in ein Vlies gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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17 zeigt
die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Vergleichsbeispiels
1 des Faservlieses gemäß der vorliegenden
Erfindung vor dem Ablagern von Partikeln an diesem.
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18 zeigt
vergrößert einen
Ausschnitt des in 17 dargestellten Vlieses.
-
19 zeigt
schematisch das Ablagern von Ruß-
und Aschepartikeln am Faservlies gemäß Vergleichsbeispiel 1.
-
20 zeigt
die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Faservlieses gemäß Vergleichsbeispiel
1 vor dem Ablagern von Partikeln an diesem.
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21 zeigt
vergrößert einen
Ausschnitt eines Faservlieses gemäß der vorliegenden Erfindung mit
abgelagerten Aschepartikeln.
-
22 zeigt
in Tabellenform die Ablagerungsmengen am Faservlies gemäß Vergleichsbeispiel
1 und am Faservlies gemäß der vorliegenden Erfindung
(Gegenversion).
-
23 zeigt
die Geschwindigkeitsbereiche beim Fahren im Stadtverkehr und beim
Fahren mit hohen Geschwindigkeiten.
-
24 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
-
25 zeigt
vergrößert die
Hauptabschnitte des in 24 dargestellten Filters.
-
26 zeigt
in Diagrammform die Wirkung des Partikelfilters gemäß der fünften Ausführungsform.
-
27 die Änderung
des Hohlraumverhältnisses
in einem Faservlies.
-
28 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
-
29 zeigt
vergrößert die
Hauptabschnitte des Faservlieses eines Mehrschichtkörpers in
Form eines stumpfen Kegels.
-
30 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
siebenten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
-
31 zeigt
vergrößert die
Hauptabschnitte des in 30 dargestellten Partikelfilters.
-
32 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
-
33 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer
neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
-
34 zeigt
vergrößert die
Hauptabschnitte des in 33 dargestellten Partikelfilters.
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Beste
Art der Realisierung dieser Erfindung Nachfolgend werden anhand
der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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<Erste Ausführungsform>
-
Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen 1 bis 7 beschrieben.
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter 1,
teilweise als Schnittansicht.
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Dieser
Partikelfilter 1 ist Bestandteil des Abgassystems 2 zum
Beispiel einer Dieselmaschine und dient zum Entfernen der im Abgas
enthaltenen Schwebeteilchen.
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Die
Grundbestandteile dieses Partikelfilters sind ein beiderseits offener
hitzebeständiger
Metallbehälter 5 und
ein in diesen gedrückter
zylindrischer Mehrschichtkörper 3 mit
Filterfunktion, welche miteinander zu einer Einheit verschweißt werden.
-
Beim
Partikelfilter gemäß der ersten
Ausführungsform
ist der Mehrschichtkörper 3 aus
einer entsprechend langen Faservliesbahn 11 aus hitzebeständigem Metall
und Wellblechen 13a, 13b, ebenfalls aus hitzebeständigem Metall,
zusammengesetzt, wobei die Wellbleche etwas schmaler sind als die
Faservliesbahn. Die Faservliesbahn 11 und die Wellbleche 13a, 13b werden
in gleicher Richtung übereinander
gelegt und in Form eines Mehrschichtpakets (nicht dargestellt) um
einen Axialkern 7 aus hitzebeständigem Metall gewunden, um
einen zylindrischen Mehrschichtkörper
zu erhalten. Die Außenschicht
dieses Mehrschichtkörpers 3 ist
eine Faservliesbahn 11.
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Zum
Partikelfilter 1 gehört
auch ein Verbindungselement, welches an einer Seite des Metallbehälters 5 befestigt
wird und den Axialkern 7 arretiert. In dieser Spezifikation
wird das Verbindungselement als Ring 9 bezeichnet.
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Zur
Herstellung des Mehrschichtpakets gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Faservliesbahn 11 längs doppelt gefaltet und in
den dadurch gebildeten Zwischenraum ein Wellblech 13a und
in den anderen ein Wellblech 13b gelegt, welche dann an
die jeweilige Fläche 11a der
beim Doppelfalten der Vliesbahn erzeugten beiden Abschnitte 11b geschweißt werden.
In der weiteren Beschreibung der genannten Ausführungsformen werden die Wellbleche 13a, 13b nur
als Wellblech 13 bezeichnet.
-
Das
auf diese Weise erzeugte Mehrschichtpaket aus der Vliesbahn 11 und
dem Wellblech 13 wird um den Axialkörper 7 gewunden; danach
werden die Berührungsabschnitte
zwischen der Vliesbahn 11 und dem Wellblech 13 miteinander
verbunden, um den Mehrschichtkörper 3 fertigzustellen.
-
Auf
eine Seite des spiralförmig
um den Axialkern 7 gewundenen Mehrschichtpaketes gesehen wechseln
Dichtabschnitte 17 und Öffnungen 19 sich einander
ab, so daß das
zwischen Lagen der Faservliesbahn 11 angeordnete Wellblech 13 abwechseln sichtbar
und nicht sichtbar wird.
-
Der
durch Doppelfalten der Vliesbahn 11 erzeugte Raum L1 weist
an einer Seite den Dichtabschnitt 17 auf und ist an der
anderen Seite offen (nachfolgend Tasche genannt), und in dieser
Tasche ist das Wellblech 13 angeordnet. Beiderseits dieser Tasche
L1 schließt
ein Raum L2 sich an, welcher zwar von Vlies umgeben, aber beidseitig
offen ist und ein Wellblech 13 beherbergt. Vor dem Einsetzen
des zylindrischen Mehrschichtbehälters 3 in
den Metallbehälter 5 wird
eine Seite dieser Räume
durch Schweißen
verschlossen, so daß jetzt
Taschen L2 entstehen.
-
Anzumerken
ist, daß in
Abhängigkeit
von der Länge
des Mehrschichtpakets diese an einer Seite offenen, an der anderen Seite
geschlossenen taschenförmigen
Abschnitte L1, L2 in mehreren Schichten spiralförmig um den Axialkern 7 gewunden sind.
Der unmittel am Axialkern 7 gelegene taschenförmige Abschnitt
L1 mit einem darin angeordneten Wellblech 13b, welches
jenem der Tasche L1 entspricht, wird am Abschnitt 17a an
diesen geschweißt (in 2 mit
dem Bezugszeichen 15 gekennzeichneter Abschnitt).
-
Die
Metallmenge pro Flächeneinheit
des Axialkörpers 7 am
Verbindungsabschnitt ist absolut gleich oder entspricht im wesentlichen
jener pro Volumeneinheit des Faservlieses 11 (die „im wesentlichen
gleiche Metallmenge" bezieht
sich auf den Zustand, wenn in den nachfolgend beschriebenen Effekten
keine Unterschiede zu erkennen sind).
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Bei
dieser Erfindung entspricht der Wärmedehnungskoeffizient des
Verbindungsabschnitts 15 jenem der mit diesem Abschnitt
verbunden Seitenfläche 17a des
Faservlieses 11. Auch wenn der Verbindungsabschnitt 15 und
die mit diesem Abschnitt verbundene Seitenfläche 17a des Faservlieses 11 die Abgaswärme aufnehmen,
werden beide in gleichem Maße
verformt. Dadurch kann die Erzeugung von Wärmespannungen weitgehend verhindert
und somit die Lebensdauer des Partikelfilters 1 verlängert werden.
-
Wenn
zur Erfüllung
der genannten Forderungen der Axialkern 7 dick ist, wird
der Partikelfilter 1 groß, während bei einem dünnen Axialkern
dessen Steifigkeit abnimmt. Aus diesem Grund sollte die Axialkerndicke
0,1 bis 0,3 mm betragen.
-
Wenn
das Mehrschichtpaket auf den Axialkern 7 gewickelt ist,
der Mehrschichtkörper 3 sich aber
nicht im Metallbehälter 5 befindet,
ist dessen eine Seite noch nicht mit einem Dichtabschnitt versehen.
-
Gemäß dem Stand
der Technik muß aber auch
diese Seite abwechselnd Dichtabschnitte 17 und Öffnungen 19 aufweisen.
Die Dichtabschnitte 17 auf dieser Seite werden durch Schweißen erzeugt (1 und 2).
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Demzufolge
ist der taschenförmige
Abschnitt L1 an einer Seite geschlossen, an der anderen Seite offen.
Das ist auch beim taschenförmigen
Abschnitt L2 der Fall, jedoch seitenverkehrt.
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Die
Fasern des Vlieses 11 und das Wellblech 13 können aus
einer hitzebeständigem
Metallegierung wie Fe-Cr-Al, Ni-Cr-Al usw. erzeugt werden. Das Faservlies 11 und
das Wellblech 13 können
durch Hartlöten
oder durch ein anderes vom Schweißen sich unterscheidendes Diffusionsverfahren
miteinander verbunden werden.
-
Zum
Löten wird
ein hitzebeständiges
Material auf Ni-Basis verwendet.
-
Das
Verbinden des Faservlieses mit dem Wellblech durch Diffusion erfolgt
auf die Weise, daß beide übereinander
gelegt, zusammengedrückt
und dann auf eine geeignete Temperatur gebracht werden. Wenn in
diesem Fall das Wellblech und das Faservlies im wesentlichen aus
dem gleichen Werkstoff hergestellt sind, werden die beiden Werkstoffe
durch ein Diffusionsphänomen
vereinheitlicht, so daß keine Wärmespannungen
entstehen und somit die Haltbarkeit beider verbessert werden kann.
-
Wenn
das Faservlies 11 und das Wellblech 13 aus dem
gleichen Werkstoff hergestellt sind, kann beim Diffusionsverbinden
beider die gewünschte
Hitzebeständigkeit
gewährleistet
werden.
-
Wie
bereits erwähnt,
kann durch Vereinheitlichen der Werkstoffe durch das Diffusionsphänomen die
Hitzebeständigkeit
weiter verbessert werden. Durch Schweißen oder Hartlöten kann
eine höhere Festigkeit
als durch Diffusionsverbinden erzielt werden.
-
Normalerweise
erfordert das Diffusionsverbinden eine Temperatur von 1200°C oder höher, doch
wenn eine vom Werkstoff des Faservlieses und des Wellblechs sich
unterscheidende Diffusionssubstanz verwendet wird, kann die Diffusionsreaktion
beschleunigt und bereits bei 1000 bis 1150°C die Diffusionsverbindung erzeugt
werden.
-
Wenn
während
des Diffusionsvorgangs auf die Verbindungsstelle ein Druck ausgeübt wird,
kann eine gleichmäßigere Naht
erzeugt werden.
-
Wenn
das Faservlies 11 und das Wellblech 13 zu einer
Rolle aufgewickelt werden, wird die Außenfläche mit einem MO, AlN, Tonerde
usw. enthaltenden Band abgedeckt, dessen Wärmedehnungskoeffizient kleiner
ist als jener des für
das Faservlies 11 und das Wellblech 13 verwendeten
Metalls. In diesem Zustand wird der gesamte Mehrschichtkörper während der
bei hoher Temperatur ablaufenden Diffusionsreaktion radial gleichmäßig belastet
und dadurch eine gleichmäßigere Diffusionsverbindung
erhalten.
-
Wenn
während
des Belastens die Berührungsfläche zwischen
dem Faservlies 11 und dem Wellblech 13 sich ändert, streut
die Steifigkeit der erzeugten Naht.
-
Wenn
der für
das Vlies 11 und das Wellblech 13 verwendete Werkstoff
mindestens Fe oder Ni und das zuzuführende Material mindestens
Cr, eine der Fe-Cr-Serien oder eine der Ni-Cr- Serien enthält, wird an der Nahtstelle
zwischen beiden eine Verbindungsschicht erzeugt, welche stark hitzebeständig ist.
-
Der
Axialkern 7 ist mit einer Durchgangsbohrung 21 versehen,
aus welcher eine Trennwand 23 ragt und die Bohrung in zwei
Hälften
teilt. Beim Einsetzen des Partikelfilters 1 mit der Faltenseite
des Faservlieses auf die Austrittsseite des Abgassystems gerichtet
unterteilt die Trennwand 23 die Bohrung 21 im
Axialkörper
in einen an der Eintrittsseite liegenden, vorn geöffneten
und hinten geschlossenen Raum 21a und einen an der Austrittsseite
liegenden, vorn geschlossenen und hinten geöffneten Raum 21b.
Die genannte „Falte" ist nicht auf eine
durch Umlegen des Faservlieses erzeugte Falte beschränkt und
schließt
einen seitlichen Bereich ein, in welchem beim Umlegen keine Falte
gebildet wird. Die Wand 8 des Axialkörpers ist vorn mit zwei oder
mehr Durchgangsbohrungen 25 versehen, welche den Raum 21a mit
dem Mehrschichtpaket verbindet.
-
Wie 1 zeigt,
verläuft
die Durchgangsbohrung 2:5 unter einem Winkel von 90° durch die Wand 8,
kann aber auch wie in 2 dargestellt schräg eingebracht
werden, wobei deren Mündung 25a in
den Axialkern 7 auf der Eintrittsseite liegt und deren
Mündung 25b etwas
dahinter auf das Faservlies 11, genauer ausgedrückt auf
das Konstruktionselement des Mehrschichtpakets gerichtet ist.
-
Der
Metallbehälter 5 ist
so konfiguriert, daß zwischen
dessen Innenwand und dem eingesetzten Mehrschichtkörper 3 möglichst
kein Spalt gebildet wird, damit das gesamte Abgas leckfrei durch
den Mehrschichtkörper 3 mit
Filterfunktion strömt.
Das heißt,
der Innendurchmesser des Metallbehälters 5 entspricht
im wesentlichen dem Außendurchmesser des
zylindrischen Mehrschichtkörpers 3.
-
In
der Praxis ist eine solche Durchmesserübereinstimmung nicht realisierbar,
so daß in
den zwischen der Außenfläche des
Mehrschichtkörpers 3 und
der Innenfläche
des Metallbehälters 5 zwangsläufig vorhandenen
Raum Abgas strömen
kann. In den 1 und 2 ist dieser
Strömungskanal
mit dem Bezugszeichen 26 gekennzeichnet.
-
Wie
aus 1 hervor geht, ist der Partikelfilter 1 an
der Stelle 2' im
Abgasrohr 2 der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
angeordnet und wird an dieser Stelle von dem an einer Seite de Metallbehälters 5 vorhandenen
Flansch 27 fixiert.
-
Wie
aus den 3 und 4 hervor
geht, gehören
zum Verbindungselement 9 ein gegen den Behälterflansch 27 gedrückter Ring 29,
eine Nabe 31 und vier Arme 33, welche den Ring 29 mit
der Nabe 31 verbinden und nur dem Mehrschichtpaket, nicht dem
Axialkern 7 des Mehrschichtkörpers 3 gegenüber liegen.
-
Integraler
Bestandteil der Nabe 31 ist ein in den Bohrungsabschnitt 21b des
Axialkerns 7 ragender Zapfen 35, welcher annähernd die
gleiche Länge hat
wie der Bohrungsabschnitt 21b.
-
Die
Arme 33 können
unterschiedlich konstruiert sein, entweder gerade, wie 3 zeigt,
oder gebogen und paarweise ein S bilden, wie 5 zeigt.
-
Die
von den Erfindern durchgeführten
Versuche ergaben, daß die
auf den Axialkern 7 wirkende Schubkraft relativ gering
ist, wenn der Durchmesser des Axialkörpers 7 etwa 15–27 des
Durchmessers des Mehrschichtkörpers 3 beträgt.
-
Nachfolgend
wird der Zusammenbau des Partikelfilters 1 detailliert
beschrieben.
-
Zuerst
wird der Mehrschichtkörper 3 in
den Metallbehälter 5 geschoben.
Danach wird die Außenfläche des
Mehrschichtkörpers 3 mit
der Innenfläche des
Metallbehälters 5 verschweißt. Schließlich wird das
Arretierelement 9 mit dem Zapfen 35 voran gegen
den Metallbehälter 5 gedrückt, bis
dessen Flansch 29 den Behälterflansch 27 berührt und
die Arme 33 dem Mehrschichtkörper 3, ausgenommen dessen
Axialkern 7, sich gegenüber
befinden.
-
Anzumerken
ist, daß zwischen
dem Abgasrohr 2 und dem Metallbehälter 5 ein Raum 80 vorhanden
ist. Das von der Maschine emittierte Abgas strömt zwar durch den Partikelfilter 1 in
die Atmosphäre,
verharrt dabei aber in diesem Raum 80 und macht diesen
zu einen adiabatischen Raum, welcher nachfolgend auch so genannt
wird. Da der Flansch 27 den adiabatischen Raum 80 nach
hinten schließt, gelangt
das Abgas nicht direkt in die Atmosphäre.
-
Die
Größe des adiabatischen
Raums 80 ergibt sich aus dem Dimensionsunterschied zwischen dem
Innendurchmesser des Abgasrohrs 2 und dem Außendurchmesser
des Metallbehälters 5.
-
Nachfolgend
werden die Wirkungsweise und die Effekte des Partikelfilters 1 gemäß der ersten Ausführungsform
beschrieben.
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Wenn
der Partikelfilter 1 an der Stelle 2' im Abgasrohr 2 fixiert
ist, verhindert das Arretierelement 9, genauer gesagt der
an diesem angeordnete Zapfen 35 ein axiales Verschieben
des Axialkerns 7 des in den Metallbehälter 5 eingesetzten
Mehrschichtkörpers 3,
selbst wenn dieser durch er zeugte Abgasimpulse stark belastet wird.
Mit anderen Worten, der gesamte Mehrschichtkörper 3 mit dem in
dessen Zentrum angeordneten Axialkern 7 kann nicht aus
dem Metallbehälter 5 gedrückt werden.
Deshalb wird das Verbindungselement 9 auch Arretierelement
genannt.
-
Wenn
das Arretierelement 9 am Metallbehälter 5 befestigt ist,
befinden dessen Arme 33 sich dem Mehrschichtpaket des Mehrschichtkörpers 3 gegenüber. Das
durch den Partikelfilter 1 strömende Abgas drückt axial
auf das Faservlies 11, das Wellblech 13 und auch
den Axialkern 7 als Konstruktionsteil des Mehrschichtkörpers 3 und
könnte
die beiden Erstgenannten aus dem Metallbehälter 5 drücken. Das
wird aber von den diesen gegenüber
liegenden Armen verhindert.
-
Normalerweise
ist das Wellblech 13 etwas schmaler als das Faservlies 11,
so daß die
Arme 33 entsprechend konfiguriert werden müssen, um
eine Verschlechterung der Steifigkeit des Mehrschichtpakets aus
Faservlies 11 und Wellblech 13 als Ganzes zu verhindern.
-
Um
die Spannung in Axialrichtung besser zu verteilen und dadurch die
Lebensdauer des Partikelfilters 1 zu verlängern, kann
die Anzahl der das Faservlies 11 und/oder das Wellblech 13 stützenden Abschnitte
erhöht
werden.
-
Nachfolgend
werden die geradlinigen Arme mit den gekrümmten Armen verglichen.
-
Die
Länge des
geradlinigen Arms 33 ist kürzer als jene des gekrümmten Arms,
so daß der
geradlinige Arm dem Abgas einen geringeren Strömungswiderstand entgegensetzt.
Dadurch strömt zwar
das Abgas ungehindert, doch die Kraft der Arme zum Festhalten des
Mehrschichtkörpers 3 im
Metallbehälter
wird geringer.
-
Das
heißt,
daß gekrümmte Arme,
welche paarweise die Form des Großbuchstabens S bilden und den
Ring mit der Nabe verbinden, länger
sind als geradlinige Arme. Dadurch wird deren Fläche im Bereich des zylindrischen
Mehrschichtkörpers 3 größer und
demzufolge dem durch den Partikelfilter 1 strömenden Abgas
ein größerer Widerstand
entgegen gesetzt. Dieser bewirkt aber ein unstetes Strömen des
Abgases. Andererseits haben die gekrümmten Arme eine größere Rückhaltekraft
als die geradlinigen Arme und können
sich besser thermisch dehnen.
-
Somit
haben die geradlinigen und die gekrümmten Arme Vorteile und Nachteile,
doch da alle dieser Arme in die Nabe und schließlich den Zapfen übergehen,
weist dieser die zum Zurückhalten
des Mittelabschnitts des Mehrschichtkörpers 3 im Metallbehälter 5 erforderliche
Festigkeit auf.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist die Wand 8 des Axialkerns 7 im Bereich des
einströmseitigen
Bohrungsabschnitts 21a mit einer Durchgangsbohrung 25 versehen.
-
Das
in den hinten geschlossenen Bohrungsabschnitt 21a strömende Abgas
gelangt durch diese Durchgangsbohrung 25 in den unmittelbar über dem Axialkern 7 gelegenen
taschenförmigen
Abschnitt L1 (in 1 durch den Pfeil angedeutet).
Dadurch wird vom Abgas nur eine geringere Stoßkraft auf den Axialkern 7 ausgeübt und dieser
nicht aus dem Metallbehälter 5 gedrückt. Mit
anderen Worten, der einströmseitige
Bohrungsabschnitt 21a und die Durchgangsbohrung 25 wirken
als eine Einheit, welche das Verschieben des Axialkerns 7 verhindert.
Das heißt,
daß selbst
bei Fehlen des Arretierele ments 9 im Partikelfilter 1,
dargestellt in 7, der Axialkern 7 nicht
bewegt wird.
-
Bei
dem in 7 dargestellten Partikelfilter 1, welcher
den Axialkern 7 aufweist, wird die erste Windung des um
diesen gewundenen Mehrschichtpakets aus Faservlies und Wellblech
weniger gebogen als bei einem Mehrschichtkörper ohne Axialkern.
-
Deshalb
ist in diesem Fall beim Wickeln des Mehrschichtpakets um den Axialkern
kaum Riß-
und Faltenbildung in der diesen berührenden ersten Windung zu verzeichnen
und eine gute Haltbarkeit des Zentralabschnitts des Mehrschichtkörpers zu
erwarten.
-
Selbst
wenn beim Partikelfilter 1 der Zentralabschnitt des Mehrschichtkörpers 3 durch
Abgasimpulse usw. belastet wird, verhindern mehrere Einheiten ein
axiales Verschieben des Axialkerns 7, so daß dieser
nicht aus dem Behälter 5 gedrückt und
der Mehrschichtkörper
weder verformt noch zerstört wird.
Somit wird auch der gesamte Partikelfilter 1 vor Beschädigung geschützt.
-
Gemäß dem Stand
der Technik wird der Dichtabschnitt 17 durch Verschweißen übereinander gelegter
Vliesbahnen 11 erzeugt, während dessen Erzeugung gemäß der vorliegenden
Erfindung nur durch Falten des Faservlieses 11 ohne Verschweißen erfolgt,
so daß selbst
bei Druckschwankungen, hervorgerufen durch die Abgaswärme und
durch Abgasimpulse, dieser nicht geöffnet und demzufolge das Zurückhalten
von Partikeln nicht beeinträchtigt wird.
-
Mit
anderen Worten, an den Faltstellen ist Schweißen nicht erforderlich, so
daß eine
einfachere Fertigung sich ergibt.
-
Der
einströmseitige
Bohrungsabschnitt 21a sollte möglichst kurz sein, damit nur
eine geringe Abgasmenge in diesen gelangt und der Druckeinfluß abgemindert
wird.
-
Wie
aus 2 hervor geht, erstreckt die Durchgangsbohrung 25 sich
von der Einströmseite schräg durch
die Wand 8 zur Ausströmseite.
Das heißt,
die Mündung 25a der
Durchgangsbohrung 25 liegt am Innendurchmesser des Bohrungsabschnitts 21a,
deren Mündung 25b an
der Außenfläche des Axialkörpers 7 und
ist auf das Faservlies 11 als Konstruktionselement des
Mehrschichtpakets gerichtet. Die von der Einströmseite schräg zur Ausströmseite hin
sich erstreckende Durchgangsbohrung ermöglicht im Vergleich mit einer
rechtwinklig durch die Wand geführten
Bohrung ruhigeres Strömen
des Abgases durch den Partikelfilter.
-
Genauer
ausgedrückt,
das Abgas strömt schräg durch
die Durchgangsbohrung 25 in den unmittelbar über der
Außenfläche des
Axialkerns 7 liegenden Abschnitts L1' des Mehrschichtpakets, so daß der in
Richtung Ausströmseite
auf den Axialkern 7 wirkende Abgasdruck verringert werden
kann, dieser dadurch weniger belastet und somit ein Beschädigen des
Partikelfilters 1 weitgehend verhindert wird.
-
Nachfolgend
werden die Hitzebeständigkeit und
die Lebensdauer eines Partikelfilters gemäß der ersten Ausführungsform
mit jenen eines nach dem Stand der Technik gefertigten Partikelfilters
miteinander verglichen.
-
In
einem nach dem Stand der Technik gefertigten Partikelfilter ist
bezüglich
der Temperaturverteilung innerhalb des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3 beim
Verbrennen der abgelagerten Partikel eine Wärmespannung von 8 N/mm2 bei 200°C
im Faservlies zu verzeichnen. Dagegen beträgt bei einem Parti kelfilter
gemäß der ersten
Ausführungsform
aufgrund des in diesem gebildeten adiabatischen Raums 80 die
Wärmespannung 4 N/mm2 bei 100°C. Dieser
Spannungswert ist ein Zeichen dafür, daß beim Partikelfilter gemäß der ersten
Ausführungsform
Ableiten von Wärme
in die Atmosphäre
verhindert und die Wärmespannung
verringert werden kann.
-
Der
adiabatische Raum 80 verhindert auch Wärmespannungen, welche durch
Unterschiede in der Wärmedehnung
zwischen dem zylindrischen Mehrschichtkörpers 3 und dem der
Atmosphäre
ausgesetzten Abgasrohr 2 aufgrund der beim Verbrennen der
Partikel auftretenden Temperaturerhöhung erzeugt werden. Da die
Peripherie des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3 vom adiabatischen
Raum 80 umgeben ist, wird beim Verbrennen der Partikel
die Temperaturhaltekapazität
verstärkt,
so daß die
Partikel effizienter verbrannt werden können.
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Da
das Verbinden des Wellblechs 13 mit dem Faservlies 11 im
Berührungsabschnitt
beider erfolgt, können
axiale Abweichungen im zylindrischen Mehrschichtkörper 3 verhindert
werden. Dadurch bleibt auch dessen Steifigkeit erhalten, so daß in diesem
keine Risse entstehen und dieser nicht beschädigt wird.
-
<Zweite Ausführungsform>
-
Nachfolgend
wird anhand der 8 und 9 eine zweite
Ausführungsform
des Partikelfilters beschrieben, welcher mit dem Bezugszeichen 1A gekennzeichnet
ist.
-
Bei
diesem Partikelfilter 1A sind der Zapfen 35 und
der Ring 9 separat gefertigte Bauteile, wobei der Zapfen 35 etwas
länger
ist als der Bohrungsabschnitt 21b im Axialkern 7 und
eine andere Elastizität hat
als der Axialkern 7. Wenn der Zapfen 35 in den Bohrungsabschnitt 21b eingesetzt
ist, bleibt aufgrund des Längenunterschieds
zwischen beiden ein Spalt 37 zwischen dem Metallbehälter und
dem Ring 9. Dieser in 9 noch deutlich
sichtbare Spalt 37 wird durch ein scheibenförmiges elastisches
Element 39 (Keramikfaserdichtung) vollständig gefüllt.
-
Bei
diese Ausführungsform
sind Bauelemente, welche jenen der ersten Ausführungsform gleichen, mit den
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf eine erneute Beschreibung
verzichtet wird. Anzumerken ist, daß der Zapfen 35 eine
höhere Elastizität hat als
der Axialkern 7.
-
Der
Partikelfilter 1A der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich
vom Partikelfilter 1 gemäß der ersten Ausführungsform
hinsichtlich der Wirkungsweise.
-
Wenn
zum Beispiel durch Druckschwankungen aufgrund von Abgasimpulsen
periodisch Schwingungen erzeugt und auf den Partikelfilter 1A übertragen
werden, beginnt aufgrund der Elastizitätsunterschiede zwischen dem
Zapfen 35 und dem Axialkern 7 der letztgenannte
innerhalb des Spaltes 37 zu vibrieren.
-
Mit
dem Vibrieren des Axialkerns 7 vibriert der gesamte Mehrschichtkörper 3 im
Metallbehälter 5.
In diesem Fall werden am Faservlies 11 haftende und dieses
verstopfende, unbrennbare Aschepartikel abgeschüttelt und können aus dem Partikelfilter 1A entfernt
werden.
-
Die
bei hohen Temperaturen auftretende thermische Ausdehnung des Zapfens 35 und
die daraus resultierende Spannung im Mehrschichtkörper 3 ist
zwangsläufig
kleiner, so daß dieser
kaum zerstört werden
kann.
-
Die
im Spalt 37 angeordnete scheibenförmige, elastische Dichtung 39 dämpft das
Geräusch, welches
bei dem durch Vibration verursachten gegenseitigen Berühren des
Metallbehälters 5 und
des Rings 9 entsteht. Der Werkstoff der Dichtung ist nicht auf
Keramikfasern beschränkt
und auch trotz Verringerung des genannten Stoßgeräuschs wird das Verstopfen des
Filters verhindert.
-
<Dritte Ausführungsform>
-
Nachfolgend
wird anhand der 10 und 11 eine
dritte Ausführungsform
beschrieben.
-
Der
in 10 mit dem Bezugszeichen 1B gekennzeichnete
Partikelfilter unterscheidet sich vom Partikelfilter 1A (8 und 9)
darin, daß dieser
weder den Ring 9 noch das elastische Element 39 aufweist,
der Axialkern anders konfiguriert ist, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 7B,
und die Dichtung an einer Stirnseite des zylindrischen Mehrschichtkörpers konstruktiv
verändert
wurde. In den genannten Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß nur die Unterschiede zwischen
den beiden Ausführungsformen
beschrieben werden.
-
Der
Axialkern 7B ist mit einer zur Ausströmseite geöffneten Sacklockbohrung 21B ohne
Trennwand und mit einer Durchgangsbohrung 25B versehen.
Die Durchgangsbohrung 25B verbindet die Sacklochbohrung 25B mit
dem Raum L2 im Mehrschichtpaket unmittelbar über dem Axialkern 7B.
Der Boden 40 der Sacklochbohrung 25B ist eben
ausgeführt.
-
Der
Dichtabschnitt 17B des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3B gemäß der dritten
Ausführungsform
entspricht dem Dichtabschnitt 17 der zweiten Ausführungsform
und wird auch wie jener nicht durch Doppelfalten des Faservlieses
erzeugt.
-
Der
zylindrische Mehrschichtkörper 3B des Partikelfilters
gemäß der dritten
Ausführungsform weist
zwei oder mehr (gerade Zahl) Faservliesbahnen 11 mit Filterfunktion
wie gemäß dem Stand
der Technik und die gleiche Anzahl an Wellblechen 13 aus
einem hitzebeständigen
Material auf. Der Dichtabschnitt wird durch Zusammenschweißen von
zwei benachbarten Vliesbahnen an einer Seite erzeugt.
-
Die
Außenfläche des
Axialkerns 7B ist von Faservlies 11 umgeben.
-
Wie
aus 10 hervor geht, erstreckt die Durchgangsbohrung 25B sich
rechtwinklig durch die Wand 8B. des Axialkerns 7B Die
Durchgangsbohrung 25B kann sich aber auch schräg durch
die Wand 8B erstrecken, wie 11 zeigt.
Die Mündung 25a dieser
Bohrung liegt auf der mit Faservlies 11 bedeckten Außenfläche des
Axialkerns 7B und die Mündung 25b an
der Innenfläche
der Sacklochbohrung 25B.
-
Der
Partikelfilter 1B gemäß der dritten
Ausführungsform
weist zwar den beschriebenen Unterschied zum Partikelfilter 1A gemäß der zweiten
Ausführungsform
(8 und 9) auf, zeigt aber im wesentlichen
die gleichen Effekte wie jener. Beim Partikelfilter 1B gelangt
ein Teil des zum Mehrschichtkörper 3B strömenden Abgases
durch die Durchgangsbohrung 25B in die Sacklochbohrung 21B und
von dort in die Atmosphäre
(in 10 durch den Pfeil angedeutet). Demzufolge strömt weniger Abgas
durch den Mehrschichtkörper 3B selbst,
so daß im
Mehrschichtpaket zwangsläufig
ein geringerer Druck zu verzeichnen ist.
-
Demzufolge
besteht kaum die Gefahr, daß der
an der Ausströmseite
des Mehrschichtkörpers 3B durch
Schweißen
erzeugte Dichtabschnitt 17B aufreißt. Dadurch wird ein Beschädigen des
Partikelfilters 1B verhindert.
-
Es
könnte
vermutet werden, daß das
durch die Durchgangsbohrung 25B in die Sacklochbohrung 21B strömende Abgas
ungereinigt in die Atmosphäre gelangt.
Das ist jedoch nicht der Fall, da das Abgas erst das um den Axialkern
gewundene Vlies 11 passieren muß und dieses die im Abgas vorhandenen Partikel
zurückhält. Damit
ist die Skepsis, Abgas könnte
ungereinigt in die Atmosphäre
gelangen, vollkommen unbegründet.
-
Die
schräg
durch die Wand 8B geführte Durchgangsbohrung 25B gewährleistet
gleichmäßigere Abgasströmung durch
den Partikelfilter als die im rechten Winkel durch die Wand 8B sich
erstreckende Durchgangsbohrung 25B, so daß im Mehrschichtpaket
des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3B ein
geringer Abgasdruck entsteht. Demzufolge kann auch eine größere Abgasmenge
durch die Durchgangsbohrung 25B in die Atmosphäre gelangen,
so daß dem
Dichtabschnitt 17B keine größere Beachtung geschenkt werden
muß und
somit eine geringere Gefahr der Beschädigung des Partikelfilters 1B besteht.
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<Vierte Ausführungsform>
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Nachfolgend
wird anhand der 12 und 13 eine
vierte Ausführungsform
beschrieben.
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Der
mit dem Bezugszeichen 1C gekennzeichnete Partikelfilter
der vierten Ausführungsform unterscheidet
sich vom Partikelfilter 1 gemäß der ersten Ausführungsform
(1 bis 7) darin, daß zwischen der Außenfläche des
zylindrischen Mehrschichtkörper 3 und
der Innenfläche
des Metallbehälters 5 ein
Raum 26 vorhanden und dieser mit porösem Material 45 wie
Faservlies gefüllt
ist. Die Rückwand
dieses Raums 26 ist mit einer zur Ausströmseite gerichteten
Durchgangsbohrung 43 versehen, welche schneller als alle
anderen Strömungskanäle im Mehrschichtpaket
Abgas zur Ausströmseite
gelangen läßt. Das
poröse
Material 45 hat maximales Hohlraumverhältnis zum Zurückhalten
von Partikeln. Auf das poröse
Material 45 kann aber auch verzichtet werden. Alle anderen
Elemente dieses Partikelfilters gleichen jenen des Partikelfilters 1 und
sind auch mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf eine
erneute Beschreibung verzichtet wird.
-
Es
gibt jedoch ein Problem dahingehend, daß Abgas, obwohl nur ganz geringer
Menge, diesen engen Kanal direkt durchströmt. Wichtig ist deshalb, daß der Partikelfilter
regeneriert wird, bevor das Abgas durch die Bohrung 43 in
die Atmosphäre
gelangt. Dadurch bringt der Partikelfilter 1C neben den
Effekten des Partikelfilter 1 weitere Effekte.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist der Raum 26 als enger Strömungskanal 26 mit
porösem
Material 45 gefüllt,
welches die im Abgas enthaltenen Partikel, zumindest Ruß zurückhält. Der
zwischen der Außenfläche des
Mehrschichtbehälters 3 und
der Innenfläche des
Metallbehälters 5 gebildete
Raum 26 ist von allen im Partikelfilter 1C vorhandenen
Strömungskanälen der
engste, muß aber
genügend
große
sein, um ein durch Schwingungen verursachtes Schlagen des Mehrschichtkörpers 3 gegen
den Metallbehälter 5 zu verhindern.
Durch diese Konstruktion erhält
der Mehrschichtkörper 3 eine
große
Partikelrückhaltekapazität, so daß der Strömungswiderstand
für das
Abgas geringer wird.
-
(Sonstiges)
-
Nachfolgend
wird anhand der 14 bis 16 auf
das bei allen Ausführungsformen
des Partikelfilters verwendete Faservlies näher eingegangen.
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14 zeigt
die Oberfläche
des Faservlieses 11 ohne abgelagerte Partikel wie Asche
usw., aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, und 15 einen
vergrößerten Ausschnitt
daraus.
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Die
Metallfasern des Faservlieses 11 haben einen Durchmesser
von 10 bis 50 μm.
Das Hohlraumverhältnis,
d.h. das Verhältnis
aus den Spalten im Faservlies 11 und der Kapazitätseinheit
des Faservlieses 11 liegt bei 50 bis 85% und die Vliesdicke beträgt 0,2–1,0 mm.
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Die
Erfinder haben ermittelt, daß bei
Verwendung eines solchen Faservlieses die Ascheablagerungsmenge
bereits bei einer Temperatur von z.B. 600°C, welche als Rußverbrennungstemperatur
definiert und unter der Ascheverbrennungstemperatur von 1000°C liegt,
wesentlich verringert werden kann.
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Die
Erfinder haben auch den Fall untersucht, in welchem weder Ruß noch Asche
am Faservlies abgelagert worden war, und haben herausgefunden, daß Asche
und Ruß in
die Vliesfasern diffundiert waren (schwarze Punkte in 16).
In 16 kennzeichnen die Bezugszeichen P1 und P2 den
Druck vor bzw. hinter dem ins Abgassystem installierten Partikelfilter,
wobei P1 > P2. Der
Grund für
diese Beziehung kann den Abgasimpulsen mit zugeschrieben werden.
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Die 17 und 18 zeigen
Bilder eines Faservlieses 11' (Vergleichsbeispiel
1), welche mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden
und den in den 14 und 15 gezeigten Aufnahmen
entsprechen.
-
19 zeigt
schematisch Rußpartikel 49 und
Aschepartikel 50, abgelagert am Faservlies 11'. In dieser
Figur definieren die Pfeile die Abgasströmungsrichtung durch das Faservlies 11', an welchem Rußpartikel 49 und
Aschepartikel 50 abgelagert wurden. Die Bezugszeichen P1
und P2 entsprechen jenen in 15.
-
Die
Erfinder haben ermittelt, weshalb bei einem Faservlies, bei welchem
von den Parametern Hohlraumverhältnis,
Faserdurchmesser und Vliesbahndicke mindestens das Hohlraumverhältnis oder/und
der Faserdurchmesser im entsprechenden Bereich liegen, kaum Asche
abgelagert wird.
-
Auf
die Gründe
dafür wird
nachfolgend anhand der 20 und 21 näher eingegangen.
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In 20 kennzeichnen
die Bezugszeichen 51, 51 ... willkürlich herausgegriffenen
Fasern des Faservlieses 11' mit
daran abgelagerten Ruß-
und Aschepartikeln 49 bzw. 50.
-
21 zeigt
das Faservlies 11 als Gegenversion gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 21 kennzeichnen die Bezugszeichen 51A, 51A ...
willkürlich
herausgegriffene Fasern des Faservlieses 11 mit daran abgelagerten
Ruß- und
Aschepartikeln 49 bzw. 50.
-
Aus
den 20 und 21 geht
hervor, daß an
den Metallfasern 51A des Faservlieses 11 weniger
Ruß- und
Aschepartikel 49 bzw. 50 als an den Fasern 51 des
Faservlieses 11' haften
und deren ursprüngliche
Form deshalb deutlich zu erkennen ist.
-
Nachfolgend
wird zuerst das Prinzip des Ablagerns von Asche an den Metallfasern
beschrieben und dann auf die Ursache dafür näher eingegangen.
-
Wenn
das Abgas im rechten Winkel auf die Metallfasern trifft, entstehen
Wirbel abwechselnd über
und unter diesen, aus welchen die sogenannte Karman'sche Wirbelstraße resultiert.
Durch den Einfluß dieser
Wirbelstraße
sinkt der Druck hinter den Fasern bis fast auf Vakuumhöhe, so daß Asche
und Ruß nicht
weggeblasen, sondern problemlos an diesen abgelagert werden.
-
Durch
das allmähliche
Ablagern von Ruß- und
Aschepartikeln wird von Faser zu Faser gelegentlich eine Brücke gebildet,
so daß diese
die ursprüngliche
Form verlieren, wie aus 20 zu
erkennen ist.
-
Bei
Verwendung des in 21 dargestellten Faservlieses 11 tritt
dieses brückenartige
Ablagern von Aschepartikeln und anderen Partikeln kaum in Erscheinung.
Selbst wenn bei einem großen
Hohlraumverhältnis
eine Brücke
sich bilden sollte, wird diese lang und spröde, so daß an dieser Asche sich kaum
ablagern kann.
-
Außerdem werden
die Aschepartikel mechanisch an der Oberfläche der Metallfasern festgehalten,
wobei die Größe der Ablagerungen
im Verhältnis zu
den zwischen den Metallfasern vorhandenen Spalte klein ist. Durch
den aus Abgasimpulsen resultierenden hohen Druck P1 dringen die
Asche- und Rußpartikel
in diese Spalte, dargestellt in 16, und
können
nur unter Schwierigkeiten abgelagert werden, wie 19 zeigt.
-
Die
erwähnte
Brücke
kann eher beim Ablagern von Partikeln an den Metallfasern als beim
Eindringen in die Spalte zwischen diesen entstehen, so daß der Strömungswiderstand
geringer ist. Demzufolge kann die Belastung der Metallfasern verringert werden,
so daß der
Dichtabschnitt 17B eine längere Lebensdauer hat.
-
Der
ins Faservlies eingedrungene Ruß verbrennt
bei einer Temperatur von etwa 600°C,
während
die Asche, welche bei dieser Temperatur nicht verbrennt, durch die
aus Abgasimpulsen resultierende Stoßbelastung aus den Spalten
des Faservlieses 11 geschleudert wird. Wie bereits erwähnt, besteht die
Asche aus Kalk und verursacht beim Ausstoßen in die Atmosphäre deshalb
keine besonderen Probleme.
-
Die
Erfinder haben erstmals nachgewiesen, daß bei Verwendung eines mit
dem Faservlies 11 ausgestatteten Partikelfilters im Abgassystem
einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung Aschepartikel nicht
an den Metallfasern abgelagert werden, sondern in die Spalte zwischen
diesen gelangen.
-
Deshalb
wird bei Verwendung des Faservlieses 11 in einem Partikelfilter
gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verstopfen des zylindrischen Mehrschichtkörpers effektiv verhindert.
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22 zeigt
in Tabellenform die bei beim Vergleichsbeispiel 1 und bei der Gegenversion
des Faservlieses erreichten Ascheablagerungen. Aus dieser Tabelle
geht hervor, daß am
Faservlies der Gegenversion etwa 20% weniger Asche als beim Vergleichsbeispiel
1 abgelagert werden, und das sowohl im Stadtverkehr als auch bei
hoher Fahrgeschwindigkeit.
-
23 zeigt
die Drehzahlbereiche beim Stadtverkehr und bei hoher Fahrgeschwindigkeit
und die in diesen Bereichen erzeugten Drehmomente. Wie aus 23 hervor
geht, wird im Stadtverkehr bei Drehzahlen von 0 bis 2000 ein Drehmoment
von etwa 70 Nm und bei hoher Geschwindigkeit im Drehzahlbereich
1600 bis 3000 ein Drehmoment von 0 bis etwa 140 Nm erzeugt.
-
<Fünfte
Ausführungsform>
-
Nachfolgend
wird anhand der 24 und 25 eine
fünfte
Ausführungsform
des Partikelfilters beschrieben.
-
Der
Unterschied zwischen dem Partikelfilter 1D dieser Ausführungsform
und dem Partikelfilter 1B der dritten Ausführungsform
(10 und 11) besteht
darin, daß die
Faservliesbahn 11A aus mehreren Lagen 11, 11 ...
mit unterschiedlichem Hohlraumverhältnis zusammengesetzt ist.
Zusammen mit einem Wellblech 13 wird dieses Mehrschichtpaket
zu einem Mehrschichtkörper 3B gerollt.
Die aus mehreren Lagen aufgebaute Faservliesbahn 11A bildet
taschenförmige
Abschnitte L2 des Mehrschichtkörpers 3B,
wobei das Hohlraumverhältnis
der einzelnen Lage 11 von der Abgaseintrittsseite zur Abgasaustrittsseite
stufenförmig
abnimmt, die Faservliesbahn 11A hierarchieartig aufgebaut
ist und die Änderung des
Hohlraumverhältnisses
zwischen 80 und 60% liegt.
-
Beim
Partikelfilter gemäß der fünften Ausführungsform
sind zwei Lagen 11 mit unterschiedlichem Hohlraumverhältnis zu
einer Faservliesbahn 11A zusammengefaßt, welche zusammen mit einem
Wellblech 13 zum Mehrschichtkörper 3B gerollt wird.
In dem von der Faservliesbahn 11A gebildeten taschenförmigen Abschnitt
L2 hat die auf der Abgaseintrittsseite angeordnete Lage 11 ein
höheres Hohlraumverhältnis als
die auf der Abgasaustrittsseite angeordnete Lage 11, wobei
das Hohlraumverhältnis
der auf der Abgaseintrittseite angeordneten Lage 80% und jenes der
auf der Abgasaustrittsseite angeordneten Lage 60% beträgt.
-
Übereinstimmende
Komponenten der beiden Partikelfilters 1B und 1D sind
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf eine
erneute Beschreibung verzichtet werden kann. Schwerpunkt wurde auf
die Kennzeichnung der von der dritten Ausführungsform sich unterscheidenden Komponenten
gelegt. Das Gleiche trifft zu auf die später beschriebenen Ausführungsformen
sechs und sieben.
-
Der
Partikelfilter 1D bringt neben den Effekten des Partikelfilters 1B weitere
Effekte. Wie bereits erwähnt,
ist die Faservliesbahn aus mehreren Lagen mit unterschiedlichem
Hohlraumverhältnis
von 80 bis 60% zusammengesetzt. Dadurch erfolgt das Ablagern von
Partikeln nicht konzentriert an einer Stelle, sondern streuend.
Mit anderen Worten, relativ große Partikel
werden nicht an der Lage mit kleinem Hohlraumverhältnis, sondern
an der Lage 11 mit großem Hohlraumverhältnis abgelagert,
während
bei relativ kleinen Partikeln das Umgekehrte der Fall ist. Mittelgroße Partikel
werden nicht an der Lage 11 mit großem Hohlraumverhältnis, sondern
zwangsläufig
an der Lage mit einem mittleren Hohlraumverhältnis abgelagert. Da die Partikel
entsprechend ihrer Größe und nicht
an einer Stelle konzentriert abgelagert werden, besteht kaum die
Möglichkeit
der erwähnten Brückenbildung.
Mit einem Partikelfilter dieser Art kann im Abgasrohr 2 einer
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung ein geringere Druckverlust
erreicht werden.
-
26 zeigt
in Diagrammform den Effekt des Partikelfilters gemäß fünften Ausführungsform.
-
In
dem in 26 dargestellten Diagramm ist auf
der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate der Druckverlust aufgetragen.
Die durchgehende Linie I bezieht sich auf den Druckverlust des im
Abgassystem einer Brennkraftmaschine installierten Partikelfilter 1D gemäß der fünften Ausführungsform
und die Strich-Punkt-Linie auf den Druckverlust in einem herkömmlichen
Partikelfilter. Die gestrichelte Linie gilt für den Druckverlust im Ausgangszustand
der beiden Partikel filter, während
die Doppelpunkt-Strich-Linie die Bezugslinie für eine erforderliche Filterregenerierung
kennzeichnet. Eine Regenerierung macht sich erforderlich, wenn die
Linien I und II die Bezugslinie schneiden.
-
Da
der Gradient der Linie II größer ist
als jener der Linie I, zeigt der Partikelfilter gemäß der fünften Ausführungsform
einen geringeren Druckverlust pro Zeiteinheit als der herkömmliche
Partikelfilter und muß deshalb
nicht so häufig
regeneriert werden wie jener.
-
Aus
dem Verlauf der Linie II geht hervor, daß der Ausgangsdruckverlust
nicht bei einem einzigen Regenerierungsvorgang, sondern erst bei
mehreren Regeneriervorgängen
oder durch Verlängerung
der Regenerierzeit erreicht wird. Wenn die Linie II die Bezugslinie
schneidet und damit der Regenerierzeitpunkt gekommen ist, gilt das
noch nicht für
den Partikelfilter 1D gemäß der fünften Ausführungsform. Wenn zu diesem
Zeitpunkt die Regenerierung trotzdem durchgeführt wird, um den Ausgangsdruckverlust
wieder zu erreichen, ist dafür
nur ein einziger Regeneriervorgang erforderlich. Hier wird angenommen,
daß das
Regenerieren des Partikelfilters 1D und des herkömmlichen
Partikelfilters bei gleichem Durchsatz erfolgt.
-
Wie
bereits beschrieben, werden beim Regenerieren des Partikelfilters
zur Beseitigung von Verstopfungen die an diesem abgelagerten Partikel durch
die Abgaswärme
und die von einem Heizelement erzeugte Wärme periodisch verbrannt. Die beim
Partikelfilter 1D erforderliche geringere Anzahl an Regeneriervorgängen führt zur
Senkung des Brennstoff- und Energieverbrauchs.
-
Beim
Zweilagen-Faservlies 11A werden die relativ großen Partikel
von der Lage 11 mit einem großen Hohlraumverhältnis, die
Partikel mittlerer und kleiner Größe von der Lage 11 mit
einem kleinen Hohlraumverhältnis
zurückgehalten.
-
Wie 27 zeigt,
kann auch eine Faservliesbahn 11A' erzeugt werden, welche aus einer
einzigen Lage 11 gebildet wird, deren Hohlraumverhältnis von
der Abgaseintrittsseite zur Abgasaustrittsseite allmählich abnimmt.
In diesem Fall sollte die Änderung
des Hohlraumverhältnisses
von der Abgaseintrittsseite in den taschenförmigen Abschnitt zu dessen
Abgasaustrittsseite von 80% allmählich
auf 69% erfolgen, gekennzeichnet durch den Pfeil A.
-
In
diesem Fall sind nicht einzelne Vlieslagen mit unterschiedlichem
Hohlraumverhältnis
zu einer Faservliesbahn vereint, denn nur eine einzige Faservliesbahn
weist Hohlraumverhältnisse
auf, welche sich stufenweise durch diese ändern. Dadurch werden im wesentlichen
die gleichen Effekte wie bei einem Mehrschichtkörper erzielt, und es besteht
keine Notwendigkeit des Aufschichtens mehrerer Vliesbahnen, so daß die Effizienz
steigt. Diese Anordnung, bei welcher das Hohlraumverhältnis sich
von der Abgaseintrittsseite in den taschenförmigen Abschnitt zu dessen
Abgasaustrittsseite hin stufenförmig
von 80% auf 60% ändert,
kann auch auf andere Ausführungsformen übertragen
werden.
-
Anzumerken
ist, daß die
Zahlenwerte (80 bis 60%) des Hohlraumverhältnisses als Beispiel anzusehen
sind. Die von den Erfindern durchgeführten Versuche mit einem Partikelfilter
gemäß der fünften Ausführungsform
haben aber ergeben, daß damit eine
hohe Partikelablagerungseffizienz erzielt wird.
-
<Sechste Ausführungsform>
-
Nachfolgend
wird anhand der 28 und 29 eine
sechste Ausführungsform
beschrieben.
-
Der
bei dieser Ausführungsform
mit dem Bezugszeichen 1E gekennzeichnete Partikelfilter
unterscheidet sich vom Partikelfilter 1B gemäß der dritten Ausführungsform
(10 und 11) darin,
daß der Mehrschichtkörper Kegelstumpfform
hat und der Axialkörper 7 gemäß der ersten
Ausführungsform (1 bis 7)
verwendet wird.
-
Komponenten
dieses Filters, welche jenen der dritten Ausführungsform entsprechen, sind
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden deshalb
nicht noch einmal beschrieben.
-
Zum
Partikelfilter 1E der sechsten Ausführungsform gehören der
Axialkern 7 aus hitzebeständigem Material mit darauf
gewickeltem Mehrschichtkörper 3E in
Form von Faservlies 11E und Wellblech 13E aus
hitzebeständigem
Material und der Metallbehälter 5 als
Aufnahme für
den Mehrschichtkörper 3E.
Die Dichtabschnitte 17E, welche die Kanten benachbarter
Faservliesbahnen 11E miteinander verbinden, und die Öffnungen 19E werden
an beiden Stirnseiten des kegelstumpfförmigen Mehrschichtkörpers 3E abwechselnd
erzeugt, so daß taschenförmige Abschnitte
L3, L3 ... mit einer ventilatorflügelähnlichen Fläche 60 gebildet werden.
Das Wellblech 13E ist im taschenförmigen Abschnitt L3 angeordnet.
-
Der
große
Durchmesser des kegelstumpfförmigen
Mehrschichtkörpers 3E zeigt
bei installiertem Filter auf die Auslaßseite des Abgasrohres 2.
-
Nachfolgend
werden die mit dem Partikelfilter 1E gemäß der sechsten
Ausführungsform
erzielten Effekte beschrieben.
-
Bei
einem Partikelfilter mit zylindrischem Mehrschichtkörper wie
bei den vorhergehenden Ausführungsformen
werden in Abgasströmungsrichtung gesehen
die Partikel im hinteren Bereich des taschenförmigen Abschnitts (Ausströmseite)
abgelagert, so daß dort
die Gefahr des Verstopfens des Faservlieses besteht. Wenn dadurch
die zulässige Spannung
des Faservlieses überschritten
wird, reißt der
Dichtabschnitt.
-
Da
beim Partikelfilter 1E gemäß der sechsten Ausführungsform
die Hinterkante des im taschenförmigen
Abschnitt L3 angeordneten Wellblechs 13 länger und
damit steifer ist als dessen Vorderkante, hat der taschenförmige Abschnitt
L3 an dieser Stelle auch eine höhere
Festigkeit. Wenn nun im hinteren Teil des taschenförmigen Abschnitts
Partikel abgelagert werden und dadurch der Druck steigt, kann aufgrund
der hohen Festigkeit an dieser Stelle kaum eine Beschädigung eintreten.
-
Wenn
der so konfigurierte Partikelfilter im Abgassystem installiert ist
und somit der große Durchmesser
des kegelstumpfförmigen
Mehrschichtkörpers 3E auf
der Abgasaustrittsseite liegt, erzeugt der auf die äußerste Faservlieslage 11E des
Mehrschichtkörpers 3E wirkende
Abgasdruck eine Druckspannung in dieser. Wenn aber dessen großer Durchmesser
auf der Abgaseintrittsseite liegt, wird eine Zugspannung erzeugt.
Die von den Erfindern durchgeführten
Versuche haben gezeigt, daß die Druckfestigkeit
der Faservliesbahn 11E größer ist als deren Zugfestigkeit,
so daß die
beschriebene Konstruktion ausreichende Festigkeit hat, um dem Abgasdruck
aufzunehmen.
-
Wie
bereits erwähnt,
hat der taschenförmige Abschnitt
eine ventilatorflügelähnliche
geneigte Fläche 60,
welche die vom Abgasdruck ausgeübte
Kraft F in eine rechtwinklig zur Dicke der Vliesbahn wirkende Komponente
F1 und in eine parallel zu deren Oberfläche wirkende Komponente F2
zerlegt.
-
Bei
einem zylindrischen Mehrschichtkörper strömt das Abgas
parallel zu dessen Längsrichtung durch
den taschenförmigen
Abschnitt, so in diesem hauptsächlich
an der Abgasaustrittsseite Partikel abgelagert werden.
-
Im
Gegensatz dazu wird beim Partikelfilter 1E gemäß der sechsten
Ausführungsform
die Kraft F an der ventilatorflügelähnlichen
geneigten Fläche 60 in
die beiden Komponenten F1 und F2 aufgespaltet, so daß nur Abgas
mit der Kraftkomponente F1 die Faservliesbahn 11E durchströmt. Dadurch
werden im wesentlichen über
die gesamte Vliesbahn gleichmäßig Partikel
abgelagert, so daß ein
Verstopfen des hinteren Teils des taschenförmigen Abschnitts L3 effektiv
verhindert werden kann.
-
Wenn
aber im hinteren Teil des taschenförmigen Abschnitts L3 konzentriert
Partikel abgelagert werden, wird das Regenerieren des Partikelfilters öfter erforderlich.
Das ist beim Partikelfilter 1E gemäß der sechsten Ausführungsform
jedoch nicht der Fall, wie der Vergleich der beiden Linien in 26 zeigt.
-
Anzumerken
ist, daß die
Faservliesbahn 11E wie die Faservliesbahn 11A bei
der fünften
Ausführungsform
aus mehreren Lagen 11, 11 ... aufgebaut, aber
auch als Einzellage gemäß 27 ausgeführt werden
kann, bei welcher das Hohlraumverhältnis von 80% auf der Abgaseintrittsseite
sich stufenförmig auf
60% an der Abgasaustrittsseite ändert.
-
<Siebente Ausführungsform>
-
Nachfolgend
wird anhand der 30 und 31 eine
siebente Ausführungsform
beschrieben.
-
Der
mit dem Bezugszeichen 1F gekennzeichnete Partikelfilter
dieser Ausführungsform
unterscheidet sich vom Partikelfilter 1A der zweiten Ausführungsform
(8 und 9) darin, daß an der offenen Seite des
hitzebeständigen
Metallbehälters
anstatt des scheibenförmigen
elastischen Elements 39 ein Stützelement 70 für den Mehrschichtkörper 3 vorhanden
ist. Alle weiteren Komponenten entsprechen jenen der zweiten Ausführungsform
und sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf eine
erneute Beschreibung verzichtet wird.
-
Das
Stützelement 70 setzt
sich aus einer am Behälter
nach innen gerichteten Erhebung 74 und einem an deren Hinterkante
befestigten Klemmstück 72 zusammen,
zwischen welchen die Faservliesbahn 11 gehalten wird.
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Anzumerken
ist, daß das
Stützelement
nicht auf die dargestellte Form beschränkt ist und nicht dazu dient,
den Mehrschichtkörper 3 im
Metallbehälter
unbeweglich zu halten, sondern diesen impulsartig in Schwingungen
zu versetzten, um die daran abgelagerten Aschepartikel abzuschütteln und
ein Verstopfen der Faservliesbahn 11 zu verhindern. Demzufolge
kann das Stützelement
unterschiedlich konfiguriert sein, wenn es den gewünschten
Effekt gewährleistet.
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Wenn
der Partikelfilter 1F gemäß der siebenten Ausführungsform
und auch der Partikelfilter 1A gemäß der zweiten Ausführungsform
(8 und 9) durch Abgasdruckschwankungen,
d.h. durch eine äußere Kraft
periodisch in Schwingungen versetzt werden, wird die Schwingkraft
auf den zylindrischen Mehrschichtkörper 3 einschließlich Axialkern 7 übertragen,
so daß dieser
im Behälter 5 schwingt
und die an der Faservliesbahn 11 abgelagerten Aschepartikel
von dieser abgeschüttelt
werden. Diese nicht brennbaren Aschepartikel können aus dem Partikelfilter 1F entfernt
werden.
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Mit
dem Stützelement 70 können auch
die bisher beschriebenen Partikelfilter ausgerüstet werden.
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<Achte Ausführungsform>
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Nachfolgen
wird anhand von 32 eine achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Der
mit dem Bezugszeichen 1G gekennzeichnete Partikelfilter
dieser Ausführungsform
unterscheidet sich vom Partikelfilter 1B gemäß der dritten
Ausführungsform
darin, daß im
Metallbehälter 5 ein
zylindrisches Element 82 aus hitzebeständigem Metall lose und zwischen
diesem und der Behälterinnenfläche ein
Verstärkungselement 86 angeordnet ist,
so daß zwischen
diesem Element und dem Behälter
ein separater adiabatischer Raum 80a gebildet wird, welcher
durch eine die Behälterinnenfläche und die
Außenfläche des
zylindrischen Elements 82 berührende Dichtung 84 abgedichtet
wird, damit das Abgas nicht direkt in die Atmosphäre gelangt.
Alle weiteren Komponenten, welche jenen der dritten Ausführungsform
entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet,
so daß auf
eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
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Deshalb
wird nachfolgend nur auf die Unterschiede zwischen diesen beiden
Ausführungsformen näher eingegangen.
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Die
Größe des adiabatischen
Raums 80a ergibt sich aus dem Innendurchmesser des Metallbehälters 5 und
dem Außendurchmesser
des zylindrischen Elements 82. Somit weist der Parti kelfilter 1G den
zwischen dem Metallbehälter 5 und
dem Abgasrohr vorhandenen adiabatischen Raum 80 und den zwischen
dem Metallbehälter
und dem Mehrschichtkörper
vorhandenen adiabatischen Raum 80a auf.
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Die
Wand des zylindrischen Elements 82 muß entsprechend dick sein, um
den Mehrschichtkörper 3B zu
tragen, sollte aber nur etwa 0,2 bis 3 mm betragen, damit die Wand
ein möglichst
kleine Wärmekapazität hat.
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Die
Hitzebeständigkeit
des Partikelfilters gemäß der achten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von jener des Partikelfilters
gemäß dem Stand
der Technik. Beim Partikelfilter gemäß der ersten Ausführungsform
entsteht aufgrund der während
des Verbrennens der am Faservlies abgelagerten Partikel auftretenden
Temperaturverteilung im zylindrischen Mehrschichtkörper in
diesem eine Wärmespannung
von 4 N/mm2 bei 100°C. Dagegen ist beim Partikelfilter
mit den beiden adiabatischen Räumen 80, 80a gemäß der achten
Ausführungsform
bei 50°C
eine Wärmespannung
von 2 N/mm2 zu verzeichnen.
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Demzufolge
wird beim Partikelfilter gemäß der achten
Ausführungsform
die Wärmediffusion
an die Atmosphäre
verhindert und die Wärmespannung verringert.
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Das
Verstärkungselement 86 sollte
aus dreidimensionalem porösen
Metall, aus Metallgeflecht, aus Metallvlies, aus Wellblech oder
aus Stanzblech gefertigt werden und einen Materialfüllgrad von
30% oder weniger aufweisen, um die gewünschte adiabatische Wirkung
des adiabatischen Raums 80a zu gewährleisten.
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Durch
das in den adiabatischen Raum 80a eingesetzte Verstärkungselement 86 kann
die aus der Temperaturverteilung innerhalb des zylindrischen Mehrschichtkörpers resultierende
Wärmespannung im
Faservlies auf 2 N/mm2 bei 50°C beschränkt werden.
Die von den Erfindern durchgeführten
Dauerschwingversuche unter einer Last von 50 G bei 700°C haben auch
bei 10.000.000 Zyklen eine ausgezeichnete Schwingungsbeständigkeit
ohne Auftreten von Schäden
ergeben.
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Durch
das in den adiabatischen Raum eingesetzte Verstärkungselement kann der zylindrische Mehrschichtkörper 3B in
Axialrichtung gestützt
werden, so daß dessen
Stabilität
und Schwingungsbeständigkeit
erhöht
wird.
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Durch
das Ausgleichen der Wärmekapazität des Verstärkungselements 86,
des zylindrischen Elements 82 und des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3B pro
Volumeneinheit kann die Wärmespannung herabgesetzt
und dadurch die Lebensdauer des Partikelfilters verlängert werden.
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<Neunte Ausführungsform>
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Nachfolgend
wird anhand der 33 und 34 eine
neunte Ausführungsform
beschrieben.
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Der
mit dem Bezugszeichen 1H gekennzeichnete Partikelfilter
dieser Ausführungsform
unterscheidet sich vom Partikelfilter 1B gemäß der dritten
Ausführungsform
darin, daß das
seitliche Ende 14 des Wellblechs 13 zwischen das
seitliche Ende benachbarter Vliesbahnen 11 geschoben und
mit diesem zu einem Dichtabschnitt 17B' verschweißt wird.
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Alle
weiteren Komponenten dieser Ausführungsform,
welche jenen der dritten Ausführungsform entsprechen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß eine erneute Beschreibung verzichtet
und nur auf die Unterschiede näher
eingegangen wird.
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Während zur
Erzeugung des Dichtabschnitts 178B nur das seitliche Ende
einer Vliesbahn 11 mit dem seitlichen Ende einer benachbarten
Vliesbahn 11 miteinander verschweißt werden, wird der Dichtabschnitt 17B' wie eben beschrieben
erzeugt wird.
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Durch
diese Kombination kann die im Faservlies 11 auftretende
Axialspannung vom Wellblech 13 aufgenommen, somit die Steifigkeit
des zylindrischen Mehrschichtkörpers 3B erhöht und dieser durch
den Abgasdruck nicht aus dem Metallgehäuse geschoben werden. Da die
vom Abgasdruck im Faservlies 11 erzeugte Spannung vom Wellblech 13 aufgenommen
wird, kann ein Aufreißen
des Dichtabschnitts verhindert werden. Anzumerken ist, daß das mit
benachbarten Vliesbahnen verschweißte seitliche Ende 14 des
Wellblechs 13 eben und glatt sein sollte, um das Schweißen zu erleichtern.
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Das
ebene seitliche Ende 14 des Wellblechs kann in Aufwikkelrichtung
des Mehrschichtpakets in bestimmten Abständen mit in Achsrichtung sich
erstreckenden zahlreichen Kerben (nicht dargestellt) versehen werden,
um den Widerstand beim Wickeln des Mehrschichtpakets auf den Axialkern 7 zu
verringern.
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Diese
Kerben erleichtern auch das Abwinkeln des seitlichen Endes 14 des
Wellblechs 13 mittels einer Presse.
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<Modifiziertes Beispiel>
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Der
zylindrische Metallbehälter
ist am geschlossenen Ende mit mehreren Durchgangsbohrungen (nicht
dargestellt) versehen. Wenn der Partikelfilter im Abgasrohr der
Brennkraftma schine installiert ist, zeigt das geschlossene Ende
des mit dem zylindrischen Mehrschichtkörper bestückten Metallgehäuses in
Abgasströmungsrichtung.
Das geschlossene Ende des Metallbehälters verhindert zwar ein Verschieben
des Axialkerns durch den auf diesen wirkenden Abgasdruck und somit
eine Beschädigung oder
den Bruch des Mehrschichtkörpers,
bildet aber für
das Abgas ein Strömungshindernis.
Die erwähnten
Durchgangsbohrungen verhindern aber ein Stagnieren des Abgases im
Partikelfilter.
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Wie
aus diesen Darlegungen hervor geht, wirkt in diesem Fall das geschlossene
Ende des Metallbehälters
als Axialkernverschiebungsverhinderungselement.
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Der
beschriebene Partikelfilter wird auf unterschiedliche Weise verwendet.
So kann bei einer Brennkraftmaschine im Abgaskanal zwischen je einem
Zylinder und einem Sammelrohr ein klein dimensionierter Partikelfilter
oder im Abgasrohr 2 vor einem Katalysator (nicht dargestellt)
ein etwas größerer Partikelfilter
angeordnet werden. In Abhängigkeit vom
Maschinentyp können
solche Partikelfilter auch kombiniert eingesetzt werden.
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Anzumerken
ist, daß die
in Abgaskanälen angeordneten
kleinen Partikelfilter je nach Erfordernis entweder separat betrieben
oder über
ein Verbindungsrohr miteinander gekoppelt werden können.
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Die
Faservliesbahn und der Axialkern können unterschiedlich ausgeführt und
uneingeschränkt miteinander
kombiniert werden, wie aus der Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen
zu erkennen ist.
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Mit
dem Partikelfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung können
folgende Effekte erzielt werden:
- – Bewahren
des Filters vor Schäden
- – Beseitigen
von Aschepartikeln ohne Verbrennung
- – Vereinfachung
der Verschweißens
von Faservliesbahnen zu Erzeugung des Dichtabschnitts
- – Einfaches
Einsetzen des Mehrschichtkörpers
in den hitzebeständigen
Behälter
- – Verringerung
der Anzahl an Regeneriervorgängen
zum Entfernen abgelagerter Rußpartikel
- – Längere Lebensdauer
des Partikelfilters.
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<Industrielle Nutzung>
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Wie
beschrieben, wird der Partikelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung
im Abgassystem einer Dieselmaschine zum Beispiel verwendet, um die im
Abgas enthaltenen, als Schwebstoff bezeichneten Rußpartikel
aus diesem zu entfernen.