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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Filtervorrichtungen und insbesondere
Vorrichtungen zum Filtern von Partikelmaterial aus einem Dieselmotorabgasstrom.
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Hintergrund der Erfindung
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Dieselmotorabgasgase
enthalten "Ruß" (Partikelmaterial,
das feine Kohlenstoffpartikel enthält). Unter gewissen Betriebsbedingungen
kann eine beträchtliche
Menge Ruß vorhanden
sein. Der Ruß,
den man als eine schwarze Wolke erkennt, die aus einem Auspuffrohr
austritt, ist nicht wünschenswert.
Somit muss dieser entfernt werden, falls er beim Verbrennungsprozess
nicht vermieden werden kann.
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Eine
Art und Weise, Ruß zu
entfernen, besteht darin, die Abgase durch einen Filter hindurchzuführen. Eine
Schwierigkeit, die bei der Verwendung eines Filters auftritt, besteht
darin, dass der Filter verstopfen kann, was die richtige Motorenfunktion
beeinträchtigt,
indem ein zu hoher "Gegendruck" (d. h. Stromdrosselung)
in dem Auspuff erzeugt wird, wodurch ein korrekter Ausfluss der
Abgase verhindert wird.
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WO 2005/099867 (Sarai
et al.) beschreibt eine Abgasreinigungsvorrichtung, die eine Vielzahl von
Abgasdurchgangswegen und einen Filterkörper umfasst, der innerhalb
der Durchgangswege installiert ist. Der Abgasdurchgang enthält einen
Filterleitungsabschnitt und einen Filterumgehungsabschnitt.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filtervorrichtung
zum Filtern von Ruß aus
einem Dieselmotorabgasstrom bereitzustellen, die wenigstens einen
gewissen Gasstrom ermöglicht, und
zwar sogar dann, wenn ein Filtermedium, das mit der Filtervorrichtung
in Zusammenhang steht, vollständig
verstopft sein sollte.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Sehr
allgemein umfasst die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Vielzahl von Durchgangen, die aus sich longitudinal erstreckenden
nebeneinander angeordneten Kanälen
bestehen. Die Durchgänge
sind axial durch ein poröses
Filtermedium getrennt, das sich über
die Kanäle
erstreckt, wodurch die Kanäle über das
poröse
Filtermedium fluidisch kommunizieren. Ein Druckunterschied wird
entlang des Filtermediums erzeugt, indem der Strom durch ein Ende
von jedem Kanal beschränkt
bzw. gedrosselt wird, wobei sich jedes Drosselelement an einem gegenüberliegenden
Ende von dem des anderen Kanals befindet. Da eine Stromdrosselung
anstatt einer vollständigen
Blockierung verwendet wird, ist ein gewisser Strom entlang jedem
Durchgang direkt entlang der Kanäle
möglich,
und zwar sogar dann, wenn die Kanäle aufgrund eines Verstopfens des
Filtermediums die Fähigkeit
verlieren, fluidisch zu kommunizieren,.
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In
der einfachsten Ausführungsform
werden die Kanäle
hinsichtlich des Stroms gedrosselt, indem ein Ende zusammengedrückt ist.
In ausgefeilteren Ausführungsformen
sind die Kanäle
in zu benachbarten Kanälen
entgegengesetzten Richtungen verjüngt.
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Insbesondere
wird eine Filtervorrichtung bereitgestellt, die erste und zweite
sich längs
erstreckende Kanäle
aufweist, die einander zugewandt sind und durch eine Lage bzw. Bahn
eines porösen Filtermediums
getrennt sind, um eine Filtereinheit zu definieren, die erste und
zweite sich längs
erstreckende Durchgänge
aufweist, die fluidisch durch das Filtermedium kommunizieren. Die
ersten und zweiten Durchgänge
weisen jeweils einen Einlass und einen Auslass an gegenüberliegenden
Enden davon auf, wobei der Einlass und der Auslass des ersten Durchgangs
jeweils an den Einlass und den Auslass des zweiten Durchgangs angrenzen.
Der Einlass des ersten Durchgangs und der Auslass des zweiten Durchgangs
sind jeweils mit einem nicht beschränkenden Flussdrosselelement
versehen, um einen Druckunterschied entlang des Filtermediums zu
bewirken, und zwar in Reaktion darauf, dass ein mit Druck beaufschlagtes
Fluid in die Einlässe
der ersten und zweiten Durchgänge
eingeleitet wird. Dies fördert den
Fluidstrom zwischen den ersten und den zweiten Durchgängen durch
das Filtermedium, während
außerdem
ein gewisser Fluidstrom direkt entlang der ersten und zweiten Durchgänge von
deren jeweiligen Einlässen
durch deren jeweilige Auslässe
ermöglicht wird.
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Die
Einlass- und Auslassflussdrosselelemente können ausgewählt sein, um bis zu einem vorbestimmten
Grad die maximale Luftdrosselung zu beschränken, die durch die Filtervorrichtung
in dem Fall erzeugt wird, in dem das Filtermedium blockiert bzw.
verstopft ist.
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Eine
Vielzahl von Filtereinheiten können
in einer alternierenden Anordnung Seite an Seite angeordnet sein,
um eine Vielzahl der ersten und zweiten Durchgänge zu definieren, wobei der
Einlass von jedem der ersten Durchgänge an einen Einlass von einem
der zweiten Durchgänge
an einer gegenüberliegenden
Seite des Filtermediums davon angrenzt und der Auslass von jedem
der ersten Durchgänge
an einen Auslass von einem der zweiten Durchgänge angrenzt, und zwar an einer
gegenüberliegenden
Seite des Filtermediums.
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Die
ersten und zweiten Kanäle
können
aus Metallfolie ausgebildet sein, wobei die Filtervorrichtung alternierende
Lagen bzw. Bahnen aus Metallfolie umfasst und das poröse Filtermedium
in einer gestapelten und/oder gewundenen Ausgestaltung vorliegt.
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Bei
dem Fluid kann es sich um Dieselabgase handeln, wobei das Filtermedium
ausgewählt
ist, um Partikelmaterial, einschließlich Ruß, aus den Dieselabgasen abzufangen.
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Das
Flussdrosselelement kann eine Verengung des Einlasses der ersten
Durchgänge
und des Auslasses der zweiten Durchgänge sein.
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Die
ersten und zweiten Kanäle
können
sich entlang deren jeweiligen Langen verjüngen.
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Die
ersten und zweiten Kanäle
können
im Allgemeinen parallele Seiten aufweisen, wobei das Schmalerwerden
ein Ergebnis eines Verbiegens des Einlasses von jedem der ersten
Durchgänge
und des Auslasses von jedem der zweiten Durchgänge ist.
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Die
Kanäle
können
sich in einem Konvergenzverhältnis
von 10:1 verjüngen.
Die Einlässe
der zweiten Durchgänge
und die Auslässe
der ersten Durchgänge
können
ungefähr
10 mm (.4 Zoll) breit, 2 mm (.08 Zoll) hoch und 90 mm (3,5 Zoll)
lang sein.
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Bei
der Metallfolie kann es sich um eine Eisenchromaluminiumlegierung
handeln und bei dem Filtermedium kann es sich um einen offenporigen Schaum
oder um ein gesintertes, nicht gewebtes Faservlies aus einer Eisenchromaluminiumlegierung handeln.
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Die
Erfindung stellt ferner eine Filtervorrichtung bereit, die eine
erste und eine zweite Lage bzw. Bahn umfasst, die in eine Vielzahl
von sich longitudinal erstreckenden, verjüngenden Kanälen ausgebildet sind, die gegenüberliegende
Einlass- und Auslassenden
aufweisen, wobei die Kanäle
zwischen einem Schmalerwerden und einem Breiterwerden entlang jeweiliger
Langen davon zwischen den Einlass- und den Auslassenden alternieren. Die
ersten und zweiten Lagen bzw. Bahnen können eine über die andere gestapelt sein,
wobei die Einlass- und Auslassenden einander entsprechen und eine
Lage bzw. Bahn eines porösen
Filtermediums zwischen diesen angeordnet ist, um einen gestapelten
Satz zu definieren. Ein sich longitudinal erstreckendes Gehäuse erstreckt
sich um den gestapelten Satz, um einen Fluidkanal zu definieren,
der sich zwischen den Einlass- und Auslassenden erstreckt.
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Der
gestapelte Satz kann zusammen mit einer weiteren Lage bzw. Bahn
des porösen
Filtermediums aufgewickelt werden, um benachbarte Schichten zu separieren,
und zwar in Form einer Spirale mit einer Achse, die parallel zu
den Kanälen
verläuft,
wobei das Gehäuse
wenigstens teilweise den Außenumfang
darum abdichtet, um eine Gasleckage dazwischen zu verhindern.
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Die
Filtervorrichtung kann außerdem
eine Vielzahl der gestapelten Sätze
umfassen, die in einem Block innerhalb einer Lage bzw. Bahn des
porösen
Filtermediums dazwischen übereinander
angeordnet sind. Das Gehäuse
kann eine Parallelepiped-Querschnittsform
aufweisen, die sehr genau einem Außenumfang des Blocks entspricht,
um eine Gasleckage dazwischen zu vermeiden. Das Gehäuse kann
einen zylindrischen oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht, die teilweise ausgeschnitten ist,
die die grundlegende Struktur und die Funktionsweise einer Filtervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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2 zeigt
eine Draufsicht der Struktur von 1, wobei
der ausgeschnittene Abschnitt nicht vorhanden ist.
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3 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von 2.
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4 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie 4-4 von 2.
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5 zeigt
eine Explosionsdarstellung der Struktur von 1.
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6 zeigt
eine Endansicht der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die eine gestapelte Ausgestaltung aufweist.
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6A zeigt
eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Filtervorrichtung,
die der von 6 ähnelt, wobei diese jedoch abgerundete
Einlass- und Auslassenden
aufweist.
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7 zeigt
eine Endansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die eine aufgewickelte Ausgestaltung aufweist.
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7A zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer aufgewickelten Ausgestaltung innerhalb eines
Gehäuses.
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8 zeigt
eine perspektivische Ansicht, die ein Ende von zwei ausgebildeten
und zwei porösen Lagen
bzw. Bahnen darstellt, die alternierend angeordnet sind, wie dies
vor dem Stapeln gemäß 6 oder
dem Aufwickeln gemäß 7 der
Fall sein kann.
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9 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer alternativen Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die 5 ähnelt, wobei jedoch anders geformte
Kanäle
dargestellt sind.
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10 zeigt
einen Graph der Filtereffizienz gegenüber der Aufenthaltszeit.
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11 zeigt
einen Graph der Transiteffizienz gegenüber der Geschwindigkeit.
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12 zeigt
einen Graph der Effizienz gegenüber
der Einlassgeschwindigkeit.
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13 zeigt
einen Graph der Rußkonzentration
gegenüber
der Zeit.
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14 zeigt
einen Graph des Gegendrucks gegenüber der Geschwindigkeit.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Eine
Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in den beigefügten
Zeichnungen im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Die
Filtervorrichtung 20 weist erste und zweite angrenzende
und sich longitudinal erstreckende Durchgänge (passages) 22 bzw. 24 auf,
wobei jeder durch einen ersten Kanal 26 und einen zweiten
Kanal 28 definiert wird, die einander zugewandt sind (d.
h. sich einander öffnen).
Der erste und der zweite Kanal 26 bzw. 28 sind
jeweils durch eine Lage bzw. Bahn (sheet) aus einem porösen Filtermedium 30 getrennt, um
den ersten und den zweiten Durchgang 22 und 24 zu
definieren.
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Der
erste und der zweite Durchgang 22 und 24 kommunizieren
fluidisch durch das Filtermedium 30.
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Jeder
erste Durchgang 22 weist einen Einlass 32 und
einen Auslass 42 an gegenüberliegenden Enden davon auf.
Jeder zweite Durchgang 24 weist einen Einlass 34 und
einen Auslass 44 an gegenüberliegenden Enden davon auf.
Die Einlässe 32 und 34 des
ersten Durchgangs 22 und des zweiten Durchgangs 24 grenzen
jeweils aneinander an. Die Auslässe 42 und 44 desselben
ersten Durchgangs 22 und zweiten Durchgangs 34 grenzen
ebenso aneinander an.
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Mit
anderen Worten: Die ersten und zweiten Kanäle definieren einen Durchgang,
der durch das poröse
Filtermedium 30 in erste und zweite benachbarte Durchgänge 22 bzw. 24 getrennt
wird, die fluidisch durch das poröse Filtermedium 30 kommunizieren.
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Die
Filtervorrichtung 20 weist in den meisten Anwendungen typischerweise
zahlreiche erste Durchgänge 22 und
zweite Durchgänge 24 auf,
wobei in diesem Fall, wie dargestellt, eine Vielzahl von ersten
Kanälen 26 und
zweiten Kanälen 28 in
alternie render bzw. abwechselnder Sequenz in einer ersten Lage aus
einem formbaren Material 50 ausgebildet sind. Gleichermaßen ist
eine Vielzahl von ersten Kanälen 26 und
zweiten Kanälen 28 in
abwechselnder Sequenz in einer zweiten Lage aus formbarem Material 60 ausgebildet.
Das Filtermedium 30 umfasst, wie vorstehend beschrieben,
eine Lage aus porösem
Material, die sandwichartig zwischen der ersten Lage 50 und
der zweiten Lage 60 angeordnet ist.
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Die
jeweiligen Materialien der ersten Lage bzw. Bahn 50, der
zweiten Lage bzw. Bahn 60 und des Filtermediums können gemäß den Betriebsanforderungen
ausgewählt
werden. Bei einer Filtervorrichtung 20, die für die Verwendung
in Dieselmotorabgasfilteranwendungen gedacht ist, kann es sich bei
der ersten Lage 50 und der zweiten Lage 60 um eine
Eisenchromaluminiumlegierung (FeCrAl) handeln. Derartiges Material
wird üblicherweise
für Katalysatorträgersubstrate
verwendet und das Aluminium dient sowohl zur Vermeidung von Korrosion
als auch als eine geeignete Oberfläche, auf der eine Katalysatorbeschichtung
verankert werden kann. Beide Eigenschaften sind gemäß der vorliegenden
Anmeldung wünschenswert.
Ursprünglich
verwendeten experimentelle Teile Nickelschaum als Filtermedium, wobei
man jedoch herausgefunden hat, dass reines Nickel rasch in Richtung
des oberen Endes eines Dieselabgastemperaturbereichs oxidiert. Bessere
Ergebnisse sind unter Verwendung von Inconel oder FeCrAl als Material
erhalten worden. Akzeptable Ergebnisse sind erhalten worden, indem
entweder ein offenporiger Schaum oder ein gesintertes, nicht gewebtes
Faservlies verwendet worden ist. Beide Materialien sind in beiden
Formen erhältlich.
Insbesondere sind Materialien mit einer Porosität von ungefähr 90% und einer mittleren
Porengröße oder
Hohlraumgröße von ungefähr 300 μm getestet
worden. Die Dicke ist zwischen 0,2 und 4 mm (.008 und 0,16 Zoll) variiert
worden.
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Um
einen Druckunterschied bzw. Druckabfall entlang des Filtermediums 30 zu
erzeugen, setzen der Einlass 32 des ersten Durchgangs 22 und
der Auslass 44 des dazugehörigen zweiten Durchgangs 24 dem
Fluss einen anderen Widerstand bzw. an eine andere Drosselung entgegen
als der entsprechende Einlass 34 des dazugehörigen zweiten Durchgangs 24 und
der Auslass 42 des ersten Durchgangs 22. Mit anderen
Worten, der Einlass 32 des ersten Durchgangs 22 bewirkt
eine stärkere Flussdrosselung
als der Einlass 34 des dazugehörigen zweiten Durchgangs 24.
Der Auslass 42 des ersten Durchgangs 22 bewirkt
eine geringere Flussdrosselung als der Auslass 44 des dazugehörigen zweiten
Durchgangs 24.
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Der
Unterschied in der Flussdrosselung kann erreicht werden, indem der
Einlass 32 des ersten Durchgangs 22 mit einem
kleineren Querschnittsbereich als der Einlass 34 des zweiten
Durchgangs 24 und der Auslass 42 des ersten Durchgangs 22 mit einem
größeren Querschnittsbereich
als der Auslass 44 des zweiten Durchgangs 24 ausgestaltet
wird. Dies wird im Allgemeinen den Effekt haben, dass bei einem
gegebenen Gasdruck an den jeweiligen Einlässen 32 und 34 ein
größerer Druck
in dem ersten Durchgang 22 als in den zweiten Durchgang 24 vorhanden
ist. Somit wird dies den Gasstrom von dem ersten Durchgang durch
das Filtermedium 30 in den zweiten Durchgang 24 fördern. Dies
ist durch die Pfeile 70 gekennzeichnet.
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Obgleich
zu erwarten ist, dass es einen allgemeinen Fluidstrom (Gasstrom)
von dem zweiten Durchgang 24 in den ersten Durchgang 22 gibt,
muss dies nicht der Fall entlang der gesamten Länge des ersten Durchgangs 22 und
des zweiten Durchgangs 24 sein. Computermodelle legen nahe,
dass es regionale Anomalien geben kann, bei denen der Strom tatsächlich in
der umgekehrten Richtung verläuft,
d. h. von dem ersten Durchgang 22 zu dem zweiten Durchgang 24.
Ein derartiges Verhalten kann von den Betriebsbedingungen, der Kanalausgestaltung und
dem Grad des Blockierens des Filtermediums 30 abhängen. Somit
sollten die Pfeile 70 mehr als eine beispielhafte Darstellung
der allgemeinen Flussrichtung erachtet werden als eine bestimmte
tatsächliche Flussrichtung.
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Im
Gebrauch erfolgt die Filtration beim Durchgang von Auspuffgasen
bzw. Abgasen (oder einem anderen Fluid) durch das Filtermedium 30.
Somit kann es sein, dass regionale Anomalien die Gesamtleistung
der Filtervorrichtung 20 nicht beeinflussen.
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Die
ersten Kanäle 26 und
die zweiten Kanäle 28 können verjüngt sein,
wie dies in den 1–8 dargestellt
ist. Alternativ können
diese Seite an Seite parallel verlaufen, wie dies in 9 dargestellt
ist. In der vorherigen Anordnung ist die Flussdrosselung inhärent in
der Verjüngung
der ersten und zweiten Durchgänge 22 bzw. 24.
In der anderen Anordnung kann die Flussdrosselung erreicht werden,
indem die Einlässe 32 der
ersten Durchgänge 24 und
die Auslässe 44 der
zweiten Durchgänge 22 zusammengedrückt werden.
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Ein
Vorteil der verjüngten
Anordnung, die in den 1–8 dargestellt
ist, besteht darin, dass diese "robustere" Leistungseigenschaften
aufweist. Mit anderen Worten, die verjüngte Anordnung liefert gute
Ergebnisse über
einen großen
Bereich von Geschwindigkeiten, da diese ein gleichförmigeres
Geschwindigkeitsprofil durch das Filtermedium 30 als die
Version mit einem zusammengekniffenen bzw. zusammengedrückten Ende
von 9 liefert. Obgleich man annimmt, dass die zusammengedrückte Ausgestaltung
prinzipiell über
die Drosselung des Abgasstromes an dem zusammengedrückten Ende funktioniert,
können
andere Faktoren relevant für
den Strom in der verjüngten
Ausgestaltung sein. Die verjüngte
Ausgestaltung bewirkt, dass sich der Gasstrom entlang der Länge des
Filtermediums 30 beschleunigt. Der sehr geringe Einfallswinkel
erlaubt außerdem
lange Aufenthaltszeiten innerhalb des Filtermediums.
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Da
die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht vollständig
sowohl den Einlass 32 der ersten Durchgänge 22 als auch den
Auslass 44 der zweiten Durchgänge 24 verschließt, handelt
es sich um eine nicht blockierende Anordnung. Mit anderen Worten,
falls das Filtermedium 30 verstopft bzw. blockiert werden
sollte, wird ein Strom immer noch entlang der ersten Durchgänge 22 und
der zweiten Durchgänge 24 direkt
von deren jeweiligen Einlässen 32 und 34 durch
deren jeweilige Auslässe 42 und 44 stattfinden.
Vorzugsweise wird jedwede Flussdrosselung ausgewählt, um einen vorbestimmten
maximalen Gegendruck bereitzustellen. Somit wird jedwedes Blockieren
bzw. Verstopfen immer noch den Betrieb eines Motors ermöglichen,
der mit der Filtervorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung
im Zusammenhang steht.
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Um
einen Strom bzw. Fluss durch die ersten und zweiten Durchgänge 22 bzw. 24 zu
bewirken, sind die Anordnung der ersten Durchgänge 22 und der zweiten
Durchgänge 24 in
einem Gehäuse 80 montiert,
das schmiegsam um die Durchgänge
passt, um den Gasfluss bzw. Gasstrom zwischen dem Gehäuse 80 und
den Durchgängen
auf ein Mindestmaß zu
beschränken.
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Die
erste Lage bzw. Bahn 50 und die zweite Lage bzw. Bahn 60 können auf
beiden Seiten des Filtermediums 30 mit einer weiteren Lage 30 aus
Filtermedium unterhalb von diesen angeordnet werden, um sodann um
einen Stift (mandrel) in eine Spirale aufgewickelt zu werden, wie
dies in den 8 und 9 dargestellt
ist. In einer derartigen Anordnung kann das Gehäuse einen zylindrischen Querschnitt aufweisen,
wie dies dargestellt ist. Alternativ können die Lagen bzw. Bahnen 30, 50 und 60 in
eine elliptische Ausgestaltung (nicht dargestellt) aufgewickelt werden,
wobei in diesem Fall ein elliptisches Gehäuse 80 notwendig ist.
Es ist außerdem möglich, die Struktur
auszubilden, indem lediglich eine erste Lage bzw. Bahn 50 über dem
Filtermedium 30 angeordnet wird und die zwei Lagen zusammen
aufgewickelt werden. Dabei wird effektiv die erste Lage bzw. Bahn 50 die
zweite Lage 60 relativ zu einer darüber liegenden Lage.
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Vom
Standpunkt der Herstellung ist es einfacher, die Struktur unter
Verwendung einer einzelnen gewellten Lage bzw. Bahn, wie beispielsweise
der Lage 50, und einer einzelnen Lage Filtermedium 30 auszubilden.
Vorzugsweise werden das Filtermedium 30 und die gewellte
Lage bzw. Bahn (50 oder 60) unter Verwendung einer
amorphen Nickelhartlötfolie zusammengelötet. In
der Praxis wird der Prozess des Aufwickelns keine geeignete Ausrichtung
von allen ersten Kanälen 22 und
zweiten Kanälen 24 liefern und
somit wird nicht der gesamte Fluss so sein, wie dies dargestellt
ist. In dem Fall von verjüngten
Kanälen
gibt es gewisse Überlappungen,
die zu einem Fluss bzw. Strom von einem Kanal in zwei benachbarte
Kanäle
oder umgekehrt führen
können,
und zwar je nach dem Geschwindigkeitsprofil in dem betreffenden
Bereich. Das Gesamtergebnis jedoch wird ein wirksames Filtern liefern.
Falls es wünschenswert ist,
eine gute Ausrichtung bereitzustellen, dann wird eine gestapelte
Ausgestaltung gegenüber
einer aufgewickelten bzw. aufgewundenen Ausgestaltung bevorzugt.
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Als
eine Alternative zum Aufwickeln kann die Grundstruktur, die die
erste Lage bzw. Bahn 60 und die zweite Lage bzw. Bahn 70 umfasst,
in einem Stapel 72 wiederholt werden, wie dies in 6 dargestellt
ist. Dies erfordert ein Gehäuse,
das wenigstens einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Andere Stapelanordnungen
sind denkbar, wie beispielsweise diamantförmige, hexagonale oder oktagonale
oder andere Querschnitte. Das entsprechende Gehäuse wird typischerweise eine
Parallelepipedform aufweisen, wie dies in 6A dargestellt
ist, und vorzugsweise schmiegsam um den Stapel passen, um eine Leckage
zwischen diesen zu verhindern. Alternativ kann ein Abdichtungsmedium
zwischen dem Gehäuse 80 und
dem Stapel 72 bereitgestellt sein. Bei dem Abdichtungsmedium
kann es sich beispielsweise um einen sich nach innen erstreckenden
Flansch oder um ein elastisches hitzewiderstandsfähiges faseriges Material
(nicht dargestellt) handeln. Wie bei der aufgewickelten Anordnung
kann die Ausgestaltung ebenso durch Lagen bzw. Schichten erreicht
werden, die eine erste Lage bzw. Bahn 50 (oder eine zweite Lage
bzw. Bahn 60) umfassen, die eine über die andere gestapelt sind,
wobei jede aufeinander folgende Lage bzw. Schicht versetzt ist,
so dass eine schmale Öffnung
sich oberhalb (oder unterhalb) einer breiten befindet.
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Wie
vorstehend angedeutet sind bessere Ergebnisse zumindest beim anfänglichen
Testen mit verjüngten
ersten und zweiten Kanälen 22 bzw. 24 als
mit Seite an Seite parallel verlaufenden Kanälen erhalten worden. Obgleich
die ausgewählten
spezifischen Dimensionen von der besonderen Anwendung abhängen, haben
erste Versuche beispielhaft vorteilhafte Ergebnisse mit einem Konvergenzverhältnis von
ungefähr
10:1 mit einer Höhe
des ersten Kanals 26 und des zweiten Kanals 28 von
ungefähr
2 mm (ungefähr
0,08 Zoll), einer Länge
von ungefähr
90 mm (ungefähr
3,5 Zoll) und einer Breite von ungefähr 10 mm (ungefähr 0,4 Zoll)
für die
Einlässe 34 der zweiten
Durchgänge
und die Auslässe 42 der
ersten Durchgänge
geliefert. Man nimmt an, dass eine untere Grenze für das Konvergenzverhältnis ungefähr 4:1 beträgt, wie
dies durch eine minimale Effektivität definiert ist. Man nimmt
an, dass die obere Grenze für das
Konvergenzverhältnis
ungefähr
20:1 beträgt,
und zwar in Anbetracht von Herstellungserfordernissen.
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Die
Erfindung wird weiter durch die nachstehenden Beispiele illustriert.
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Ein
Werkbanktesten und Computermodellieren ist ausgeführt worden,
und zwar unter Verwendung einer aufgewickelten bzw. aufgewundenen
Filtervorrichtung mit verjüngten
Kanälen
mit einem Konvergenzverhältnis
von 10:1, wobei die Einlässe
ungefähr
10 mm (0,4 Zoll) × 2
mm (0,08 Zoll) hoch und die Kanäle
ungefähr
90 mm (3,5 Zoll) lang gewesen sind. Ein Inconel Schaummedium mit
einer Porengröße von ungefähr 540 μm mit ungefähr 300 Zellen
bzw. Poren pro Quadratzoll ist verwendet worden.
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Beispiel 1
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10 zeigt
die Filtrierungseffizienz gegenüber
der Aufenthaltszeit (residence time). Man erkennt, dass die Aufenthaltszeit
ein sehr wichtiger Faktor hinsichtlich der Effizienz ist. Beispielsweise
ist die Effizienz bei einer Aufenthaltszeit von 0,001 Sekunden unterhalb
20%, wohingegen eine größere Aufenthaltszeit
von 0,05 Sekunden eine Effizienz von mehr als 50% liefert.
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Beispiel 2
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11 zeigt
eine Beziehung zwischen der Transiteffizienz und der Geschwindigkeit über einen Betriebsbereich
von 2 bis 20 Meter pro Sekunde (6,6 bis 66 Fuß pro Sekunde). Die Transiteffizienz
beträgt ungefähr 0,8 bei
10 Metern pro Sekunde (un gefähr 33
Fuß pro
Sekunde) und erreicht ein Maximum bei ungefähr 13 Metern pro Sekunde (ungefähr 43 Fuß pro Sekunde)
bei ungefähr
0,9.
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Beispiel 3
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12 zeigt
einen Graph, der die Filtereffizienz gegenüber der Geschwindigkeit illustriert.
Anders als bei der Transiteffizienz nimmt die Filtrierungseffizienz
mit steigender Geschwindigkeit ab. Es ist unzweifelhaft, dass dies
eine Funktion der verminderten Aufenthaltszeit bei höherer Geschwindigkeit ist.
Andere Flussfaktoren können
jedoch ebenfalls einen Einfluss haben.
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Beispiel 4
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13 zeigt
gemessene Partikelemissionen, und zwar Grundrauschen (baseline)
und mit einer Vorrichtung, wobei die gemessene Verminderung ungefähr 30% beträgt.
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14 zeigt
die Beziehung zwischen dem Gegendruck und der Geschwindigkeit. Wie
man das erwarten würde,
nimmt der Gegendruck signifikant mit der Geschwindigkeit zu. Es
ist interessant, dass, obgleich es einen verhältnismäßig starken Anstieg von ungefähr 5 Metern
pro Sekunde (ungefähr
16,4 Fuß pro
Sekunde) und 7 Meter pro Sekunde (ungefähr 23 Fuß pro Sekunde) gibt, der Anstieg
jenseits dieses Punktes bis zu der Grenze des Ausgestaltungsbetriebsbereichs
relativ linear ist.
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Die
vorstehende Beschreibung sollte als beispielhaft und nicht als beschränkend aufgefasst
werden. Dem Fachmann ergeben sich Variationen, ohne vom Grundgedanken
und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch
die nachstehenden Patentansprüche
definiert wird.