DE60115999T2

DE60115999T2 - Feststofffilter

Info

Publication number: DE60115999T2
Application number: DE60115999T
Authority: DE
Inventors: Zenichiro Toyota-shi KATO; Hiromichi Toyota-shi Yanagihara; Kazuhiko Toyota-shi Shiratani; Youichi 1-1 Nagai; Satoru 1-1 ITSUAKI; Kohei 1-1 Shimoda; Kazutoshi Itami-shi SHIBUTANI
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP3445775B2; WO2001063102A1; JP2001317326A; EP1172533A4; CN1198047C; DE60115999D1; US20020157361A1; EP1172533A1; US6776815B2; KR20010110781A; EP1172533B1; CN1366575A; KR100445822B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
STAND DER TECHNIK
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).
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.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung von Partikelfiltern kurz umrissen.
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.
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.
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.
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.
Der Partikelfilter wird in einer zwei Abgasrohre verbindenden Muffe befestigt.
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.
Der so konfigurierte Partikelfilter wird im Abgasrohr koaxial zu diesem befestigt.
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.
Das gereinigte Abgas gelangt aus diesem Abschnitt in die Atmosphäre.
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.
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.
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.
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.
Wie bereits erwähnt, wird der Partikelfilter koaxial zum Abgasrohr an diesem befestigt und an der Peripherie mit dem Behälter aus hitzebeständigem Metall verschweißt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Da zur Erzeugung des Dichtabschnitts die Vliesfasern nur an ganz begrenzten Stellen miteinander verschweißt werden, ist eine Vereinfachung des Schweißvorgangs erwünscht.
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.
Wünschenswert ist außerdem eine Technologie, bei welcher eine geringere Anzahl an Prozessen zum Regenerieren des Partikelfilters erforderlich ist.
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.
Deshalb ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Technologie, welche Beschädigungen des Partikelfilters verhindert und somit dessen Lebensdauer verlängert.
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.

Die Faservliesbahnen sind nicht gewebt, sondern Bahnen aus mechanisch, chemisch und thermisch miteinander verbundenen Fasern.
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.
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.
Der Partikelfilter gemäß Anspruch 1 weist außerdem ein Element auf, welches ein axiales Verschieben des Axialkerns im hitzebeständigen Behälter verhindert.
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.

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.
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.

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.
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.
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.

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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
2 zeigt vergrößert modifizierte Hauptabschnitte des in 1 dargestellten Partikelfilters.
3 zeigt die Vorderansicht eines Verbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt die Seitenansicht des in 3 dargestellten Verbindungselements.
5 zeigt die Vorderansicht eines anderen Verbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt die Seitenansicht des in 5 dargestellten Verbindungselements.
7 zeigt eine modifizierte erste Ausführungsform des Partikelfilters bei entferntem Verbindungselement.
8 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
9 zeigt die Vertikalschnittansicht des in 8 dargestellten Partikelfilters.
10 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
11 zeigt vergrößert modifizierte Abschnitte des in 10 dargestellten Partikelfilters.
12 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
13 zeigt vergrößert die Hauptabschnitte des in 12 dargestellten Partikelfilters.
14 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Faservlieses gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Ablagern von Partikeln an diesem.
15 zeigt vergrößert einen Ausschnitt des in 14 dargestellten Vlieses.
16 zeigt schematisch das Eindringen von Asche in ein Vlies gemäß der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Vergleichsbeispiels 1 des Faservlieses gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Ablagern von Partikeln an diesem.
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.
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.
Beste Art der Realisierung dieser Erfindung Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
<Erste Ausführungsform>
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen 1 bis 7 beschrieben.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Partikelfilter 1, teilweise als Schnittansicht.
Dieser Partikelfilter 1 ist Bestandteil des Abgassystems 2 zum Beispiel einer Dieselmaschine und dient zum Entfernen der im Abgas enthaltenen Schwebeteilchen.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
<Vierte Ausführungsform>
Nachfolgend wird anhand der 12 und 13 eine vierte Ausführungsform beschrieben.
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.
14 zeigt die Oberfläche des Faservlieses 11 ohne abgelagerte Partikel wie Asche usw., aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, und 15 einen vergrößerten Ausschnitt daraus.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Mit dem Stützelement 70 können auch die bisher beschriebenen Partikelfilter ausgerüstet werden.
<Achte Ausführungsform>
Nachfolgen wird anhand von 32 eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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.
Deshalb wird nachfolgend nur auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsformen näher eingegangen.
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.
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.
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.
Demzufolge wird beim Partikelfilter gemäß der achten Ausführungsform die Wärmediffusion an die Atmosphäre verhindert und die Wärmespannung verringert.
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.
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.
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.
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.
<Neunte Ausführungsform>
Nachfolgend wird anhand der 33 und 34 eine neunte Ausführungsform beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
Diese Kerben erleichtern auch das Abwinkeln des seitlichen Endes 14 des Wellblechs 13 mittels einer Presse.
<Modifiziertes Beispiel>
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.
Wie aus diesen Darlegungen hervor geht, wirkt in diesem Fall das geschlossene Ende des Metallbehälters als Axialkernverschiebungsverhinderungselement.
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.
Anzumerken ist, daß die in Abgaskanälen angeordneten kleinen Partikelfilter je nach Erfordernis entweder separat betrieben oder über ein Verbindungsrohr miteinander gekoppelt werden können.
Die Faservliesbahn und der Axialkern können unterschiedlich ausgeführt und uneingeschränkt miteinander kombiniert werden, wie aus der Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen zu erkennen ist.
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.

<Industrielle Nutzung>
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.

Claims

Partikelfilter (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H), welcher aufweist: einen Axialkern (7) aus hitzebeständigem Metall, einen Mehrschichtkörper (3), erzeugt durch Umwickeln des Axialkerns (7) mit einem Mehrschichtpaket aus abwechselnd Faservlies (11) und Wellblech (13) jeweils aus hitzebeständigem Metall, einen hitzebeständigen Behälter (5) als Aufnahme für den Mehrschichtkörper (3) und ein Element (9, 25), welches axiales Verschieben des Axialkerns (7) im hitzebeständigen Behälter (5) verhindert.
Partikelfilter (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H) gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrschichtkörper (3) Zylinderform hat und in Radialrichtung abwechselnd mit einem aus den seitlichen Enden benachbarter Faservliesbahnen (11) erzeugten Dichtabschnitt (17) und einem offenen Abschnitt (19) versehen ist und die Dichtabschnitte und die offenen Abschnitte Taschen (L1, L2) bilden.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das die Axialbewegung des Axialkerns verhindernde Element (9) am Metallbehälter (5) und am Axialkern (7) des Mehrschichtkörpers (3) befestigt ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 3, wobei der hitzebeständige Behälter (5) beidseitig offen ist und das an einer Stirnseite dieses Behälters (5) befestigte Verbindungselement (9) in einen Ring (9), eine im Bereich des Axialkerns des Mehrschichtkörpers sich erstreckende Nabe (31) und diese mit dem Ring (9) verbindende, nur im Bereich über dem Axialkern sich erstreckende Arme (33) unterteilt ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 4, wobei zur Nabe (31) ein auf den Axialkern gerichteter Zapfen (35) gehört.
Partikelfilter gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Arme (33) gerade sind.
Partikelfilter gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Arme (33) gebogen sind.
Partikelfilter gemäß Anspruch 5, welcher ins Abgassystem (2) einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert wird und zum Entfernen der im Abgas hauptsächlich enthaltenen Partikel dient, wobei der Axialkern (7) eine mit einer Trennwand (23) versehene Durchgangsbohrung (21) aufweist und diese von der Trennwand (23) in einen auf der Abgaseintrittsseite offnen Bohrungsabschnitt (21a) und einen auf der Abgasaustrittsseite offenen Bohrungsabschnitt (21b) unterteilt, der Zapfen (35) in den Bohrungsabschnitt (21b) ragt und etwas länger ist als dieser, der Zapfen und der Axialkern separate Elemente mit unterschiedlicher Elastizität sind und durch den Unterschied in der Länge des Bohrungsabschnitts (21b) und jener des in diesen ragenden Zapfens zwischen dem hitzebeständigen Behälter (5) und dem Verbindungselement (9) ein Spalt gebildet wird.
Partikelfilter gemäß Anspruch 8, wobei im Spalt (37) ein scheibenförmiges elastisches Element (39) untergebracht ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 4, wobei die Arme (33) dem Mehrschichtpaket des Mehrschichtkörpers (3) gegenüber liegen, wenn das Verbindungselement (9) in die Bohrung des hitzebeständigen Behälters (5) gedrückt wird.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Axialkern (7) mit einer in dessen Längsrichtung sich erstreckenden, zur Abgasseintrittsseite offenen Bohrung (21) und dessen Wand mit einer Durchgangsbohrung (25) als Verbindungskanal zwischen der Bohrung (21) und dem Mehrschichtpaket und versehen ist und diese Durchgangsbohrung ein axiales Verschieben des Axialkerns (7) verhindert, wenn der Partikelfilter im Abgassystem (2) der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 11, wobei die Durchgangsbohrung (25) sich von der Abgaseintrittsseite schräg durch die Wand des Axialkerns in Richtung Abgasaustrittsseite erstreckt und deren Mündung (25a) auf die Bohrung (21) und deren Mündung (25b) auf das um den Axialkern (7) gewickelte Mehrschichtpaket gerichtet ist.
Partikelfilter (1B, 1D, 1G, 1H) gemäß Anspruch 1, wobei der Axialkern (7) mit einer in dessen Längsrichtung sich erstreckenden, zur Abgasaustrittsseite offenen Bohrung (21B) und dessen Wand (8) mit einer Durchgangsbohrung (25B) als Verbindungskanal zwischen der Bohrung (21B) und dem Mehrschichtpaket entlang des Axialkerns versehen ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 13, wobei die Durchgangsbohrung (25) sich von der Abgaseintrittsseite des Abgassystems (2) schräg durch den Axialkern (7) zur Abgasaustrittsseite erstreckt und deren Mündung (25a) auf das um den Axialkern gewickelte Mehrschichtpaket und deren Mündung (25) auf die Bohrung gerichtet ist.
Partikelfilter gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Durchmesser des Axialkerns (7) etwa 15 bis 27% des Durchmessers des Mehrschichtkörpers (3) beträgt.
Partikelfilter (1, 1A, 1C, 1F) gemäß Anspruch 1, wobei die Wellbleche (13) des Mehrschichtpakets an einer Innenfläche des in der Breite doppelt gefalteten Faservlieses angeordnet sind.
Partikelfilter gemäß Anspruch 16, welcher ins Abgassystem (2) einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert und zum Entfernen hauptsächlich der im Abgas enthaltenen Partikel verwendet wird und bei welchem im installierten Zustand die Faltstellen des Faservlieses (11) an der Abgasaustrittsseite liegen.
Partikelfilter gemäß Anspruch 17, wobei in radialer Richtung gesehen die durch Falten des Faservlieses (11) erzeugten taschenförmigen Abschnitte (L1, L2) abwechselnd an einer Seite den Dichtabschnitt (17) und auf der anderen Seite die Öffnung (19) aufweisen.
Partikelfilter (1C) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, welcher ins Abgassystem (2) einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung installiert und zum Entfernen hauptsächlich der im Abgas enthaltenen Partikel verwendet wird und einen Strömungskanal (26) aufweist, welcher enger ist als alle anderen Strömungskanäle des Filters und an der Abgasaustrittsseite mit einer Durchgangsbohrung (43) versehen ist, durch welche Abgas aus dem Filter strömt.
Partikelfilter gemäß Anspruch 19, wobei der enge Strömungskanal (26) mit einem porösen Material (45) mit einem maximalen Hohlraumverhältnis zum Zurückhalten von Partikeln gefüllt ist.
Partikelfilter (1E) gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrschichtkörper (3E) Kegelstumpfform hat.
Partikelfilter gemäß Anspruch 21, wobei in Radialrichtung gesehen der kegelstumpfförmige Mehrschichtkörper (3E) an beiden Seiten abwechselnd einen vom gefalteten Faservlies (11E) gebildeten Dichtabschnitt (17E) und einen offenen Abschnitt (19E) hat, welche einen taschenförmigen Abschnitt (L3) mit einer von der geschlossenen Seite zur offenen Seite hin geneigten ventilatorflügelartigen Fläche (60) bilden, und wobei innerhalb des Abschnitts (L3) das Wellblech (13E) eine der geneigten Fläche (60) angepaßte Form hat.
Partikelfilter gemäß Anspruch 22, wobei der große Durchmesser des kegelstumpfförmigen Mehrschichtkörpers (3E) an der Abgasaustrittsseite liegt, wenn der Filter im Abgassystem (2) installiert ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, wobei in Radialrichtung gesehen beide Seiten des Mehrschichtpakets abwechseln einen durch Falten des Faservlieses (11) erzeugten Dichtabschnitt (17B') und einen offenen Abschnitt aufweisen und wobei das seitliche Ende (14) des Wellblechs (13) zwischen den von benachbarten Faservliesbahnen (11) erzeugten Dichtabschnitt (17B') geklemmt wird.
Partikelfilter gemäß Anspruch 24, wobei das seitliche Ende (14) des Wellblechs (13) eben ausgeführt und in Wickelrichtung des Mehrschichtpakets in bestimmten Abständen mit axial sich erstreckenden Kerben versehen ist.
Partikelfilter gemäß der Ansprüche 1 bis 25, wobei das Faservlies (11) teilweise am Axialkern (7) festgeschweißt ist und am Schweißabschnitt die Metallmenge pro Kapazitätseinheit am Axialkern (7) und am Faservlies (11) im wesentlichen gleich ist.