DE69115777T2

DE69115777T2 - Montagesystem für Dieselpartikelfilter

Info

Publication number: DE69115777T2
Application number: DE69115777T
Authority: DE
Inventors: Paul R Miller
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1991-07-13
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2011-07-14
Also published as: JPH0729013B2; DE69115777D1; JPH06178906A; EP0467247A1; EP0467247B1; US5082479A

Description

Die Erfindung betrifft eine Montageeinrichtung für einen Partikelfilter in einem äußeren Gehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.
Während der letzten Jahre erfordern es die Partikelausstoßstandards, daß alle Stadtbusse und Schwerlastwagen Partikelmengen unterhalb einer vorgegebenen Menge von beispielsweise 0,1 gm/hp-hr ausstoßen. Diese Partikel sind sehr klein in ihrer Größe mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 - 1,0 Mikrometern und sind extrem leicht. Daher sind Partikelfilter entwickelt worden die in effektiver Weise eine genügende Menge an Partikeln aus dem Abgas eines typischen Dieselmotors eines Lastkraftwagens oder eines Busses entfernen, um die Abgasemissionen in Übereinstimmung mit den Regulierungen zu bringen.
Während der normalen Betriebsweise eines typischen Kraftfahrzeugmotors müssen ungefähr 0,57 m³ (20 cubic feet) an Partikeln über eine Fahrstrecke von 62.150 km (100.000 Meilen) gefiltert werden. Offensichtlich kann eine solche Menge an Partikein nicht innerhalb des Kraftfahrzeuges gespeichert werden. Daher benötigt eine erfolgreiche lang andauernde Betriebsweise eines Partikelfilters, der auf dem System der Abgasnachbehandlung (EAS) basiert, eine Methode, um die gefilterten Partikel zu entfernen. Eine Methode, die erfolgreich erprobt worden ist, besteht darin, eine Vorrichtung vorzusehen, um die gefilterten Partikel zu verbrennen, um dadurch den Filter zu regenerieren. Der Regenerierungsprozeß wird während der normalen Betriebstätigkeit des Filters durchgeführt, indem zusätzlich Hitze dem Einlaß des Partikelfilters mit einer Temperatur von oberhalb 650ºC (1.200 Grad Farenheit) zugeführt wird. Diese führt zu einer Oxidation der gefilterten Kohlenstoffpartikel in einer Weise, daß die "reinen" Flußbedingungen des Filters wiederhergestellt werden. Jedoch erzeugt der Regenerierungsprozeß unvermeidbar Temperaturgradienten, thermische Ausdehnungen und dementsprechende thermische Belastungen des Partikelfilters.
Die Differenzen in den thermischen Ausdehnungen innerhalb und zwischen den verschiedenen Komponenten eines Partikelfilters während der normalen Betriebsweise und der Regenerierung sind ein wichtiger Gesichtspunkt, der bei dem Aufbau und der Herstellung des Montagesystems des Filters berücksichtigt werden muß. Eine konventionelle Montageeinrichtung für Partikelfilter weist ein Filterelement auf, wie beispielsweise ein poröses keramisches Material, das mit einem elastischen Material umgeben ist und das in einem äußeren Mantel zusammengedrückt ist. Ein entsprechender radialer Druck oder eine entsprechende Haltekraft ist dabei notwendig, die durch das Gehäuse auf den Filter ausgeübt wird, um Kraftfahrzeugvibrationen und Druckkräfte auszuhalten und um eine axiale Verschiebung des Filters unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen zu verhindern.
Die EP - A - 0 072 059 und ebenso die WO - A - 89/01566 offenbaren Partikelfiltervorrichtungen, die bei Partikelfiltern mit einer Regenerierung des Partikelfilters durch Hitze verwendet werden, bei denen ein Bypassdurcbgang für das Abgas während des Filterregenerierungsprozesses eingerichtet ist. Darüber hinaus erkennen beide Dokumente die Notwendigkeit, in geeigneter Weise ein Partikelfilterelement bei allen Betriebsbedingungen zu halten, indem das einen äußeren zu sammendrückbaren Mantel aufweisende Partikelfilterelement in einem äußeren Gehäuse angeordnet wird.
Die EP - A - 0 072 059 offenbart eine Partikelfiltervorrichtung, die in einer Montageröhre mit einem festen Durchmesser montiert ist. Dieser Durchmesser ist deswegen festgesetzt, weil die Endflächen der Montageröhre entlang ihrer Oberflächenlinie miteinander vor der Montage der Partikelfiltervorrichtung innerhalb der Montageröhre verschweißt werden. Daher übt die Montageröhre eine radiale zusammendrückende Kraft auf die Paritkelfiltervorrichtung aus, die nur von den radialen Abmessungen der miteinander kombinierten Elemente abhängt.
Die WO - A - 89/01566 offenbart eine Partikelfiltervorrichtung, die in einem zuvor zusammengerollten Metallblech angeordnet wird, das mit einer vorbestimmten zylindrischen Ausdehnung ausgebildet ist. In dieser Weise wird ein Modul gebildet, das in einem äußeren Gehäuse installiert wird.
Daher offenbaren beide Dokumente, die EP - A - 0 072 059 und die WO - A -89/01566, Montageeinrichtungen für Partikelfilter, bei denen die Partikelfiltervorrichtung in einer Ummantelung mit einem vorgegebenen Durchmesser installiert wird, so daß recht kleine Toleranzen der zu montierenden Elemente notwendig sind, um nicht das brüchige Material der Partikelfiltervorrichtung zu zerstören.
Die Partikelfiltervorrichtung, die aus diesem Stand der Technik bekannt ist, weist den Nachteil auf, daß die Herstellung des Partikelfilters mit einer akzeptablen Standzeit sehr enge Herstellungstoleranzen sowohl des Filterelementes als auch der umgebenden Haltestruktur benötigt. Diese Toleranzen sind derart gering, daß, um sie in genügender Weise einzuhalten, erhebliche Kosten in der Herstellung der einzelnen Komponenten enstehen und daß diese Toleranzen sich praktisch als technisch undurchführbar erweisen. Der Grund für die kleinen Toleranzen beruht darauf, daß das Partikelfilterelement aus einem keramischen Material hergestellt ist, das zerstört werden kann, wenn ein ungeeigneter Montagedruck auf das Partikelfilterelement ausgeübt wird oder wenn das Partikelfilterelement durch eine weitere Ausdehnung selbst einen zu großen Druck gegen das Montageelement erzeugt.
Die US - A - 4,925,634 offenbart einen monolithischen Katalysator mit einem zylindrischen Gehäuse, das aus in Längsrichtung aufgeteilten zylindrische Gehäusehälften besteht und das das in einem Halteelement eingeschlagene Katalysatormaterial aufnimmt. Auf jeder Seite der Gehäusehälften erstrecken sich Flansche in Längsrichtung des Gehäuses. Vorgegebene Druckbel astungen werden in votestimmten Richtungen auf das zylindrische Gehäuse ausgeübt, um die Flansche miteinander in Berührung zu bringen und in dieser Position werden die Flansche fest miteinander verbunden. Diese Anordnung wird in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet, wobei die Anordnung auf beiden Seiten mit dem Abgassystem fest verbunden wird. Daher wird das Gehäuse als Montagevorrichtung für den Katalysator und ebenso gleichzeitig als äußeres Gehäuse des Katalysators verwendet, so daß thermische Ausdehnungen und der Aufbau des Gehäuses zu thermischen Belastungen des Katalysators führen können.
Die FR - A - 2 224 639 offenbart ein System, das bei einem Katalysator verwendet wird und das nicht solchen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist, die bei Partikelfiltern bei beispielsweise der Regenerierung auftreten, so daß es keine Notwendigkeit für einen Bypassdurchgang gibt. Die Katalysatorvorrichtung ist in einer Ummantelung montiert, die gleichzeitig als äußeres Gehäuse der Anordnung dient. Während der Anordnung der Katalysatorvorrichtung in der Ummantelung wird die Überlappung zwischen beiden Enden der Ummantelung vergrößert, so daß der Durchmesser des Innenraumes innerhalb der Ummantelung verringert wird. Dieser Prozeß der Verringerung des Durchmessers der Ummantelung wird so lange fortgesetzt, bis eine vorbestimmte radiale zusammendrückende Kraft auf die Katalysatorvorrichtung ausgeübt wird. Wenn diese vorbestimmte radiale zusammendrückende Kraft erreicht worden ist, werden beide Enden der Ummantelung miteinander verschweißt.
Ein weiterer besonderer Montagesystemtyp für einen Partikelfilter ist in der US - A - 4,5 04,294 offenbart, der ein keramisches Filterelement aufweist, das mit einem elastischen Material umhüllt ist und das in einem Gehäuse in Form eines "Greifers" befestigt ist. Dieser "Greifer"-Aufbau verwendet zwei sich entsprechende Halbschalenteile mit Flanschen, die so ausgestaltet sind, daß sie klemmend miteinander verbunden und zusammengehalten werden können, um den Filter in einem Hohlraum mit festem Durchmesser zusammenzudrücken. Daher wird die Größe des radialen Befestigungsdruckes, der auf ein gegebenes Filterelement durch diesen Greifer-Gehäusetyp ausgeübt wird, in signifikanter Weise durch den äußeren Durchmesser des Filterelementes, die Dicke und die Nachgiebigkeit des elastischen Materials und den inneren Durchmesser des Greifers beeinflußt. Jede dieser Abmessungen weisen Herstellungstoleranzen auf, die sorgfältig überprüft werden müssen, um sicherzustellen, daß ein geeigneter, jedoch nicht übermäßiger radialer Druck auf das Partikelfilterelement ausgeübt wird. Wegen der großen, die mit dem Einhalten von sehr engen Herstellungstoleranzen verbunden sind, ist ein signifikanter Anteil an Filtereinrichtungen entweder zu fest, so daß während Temperaturveränderungen durch axiale Spannungen auf das Filterelement Zerstörungen auftreten, oder zu locker, um ein zuverlässiges Halten des Filters in axialer Richtung zu gewährleisten.
Eine weitere bekannte Partikelfiltereinrichtung weist den Aufbau einer mit Wulsten versehenen Büchse auf, die auch in der US - A - 4,504,294 offenbart ist. Diese Einrichtung wird dadurch gebildet, daß ein ummantelter keramischer Filter in ein zylindrisches Gehäuse mit festem Durchmesser gepreßt wird. Wiederum werden nicht akzeptable Befestigungsdrücke auf den Filter ausgeübt, sollten die Toleranzen außerhalb akzeptabler Bereiche liegen.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Herstellung von Partikelfiltervorrichtungen mit akzeptabler Standzeit sehr enge Herstellungstoleranzen des Filterelementes und der umgebenden Haltestruktur erfordern. Diese Toleranzen sind so gering, daß, um sie einzuhalten, in signifikanter Weise die Kosten der Herstellung der einzelnen Komponenten erhöht werden und daß es praktisch technisch nicht realisierbar ist.
Außerhalb des Standes der Technik, der die Montage von Partikelfiltern betrifft, ist es bekannt, ein zylindrisches Element wie beispielsweise ein Katalysatormaterial mit einem Metallblech zu umgeben, um einen spezifischen Druck auf die Oberfläche des Katalysatorelementes auszuüben. Die US - A - 4,148,120 offenbart einen solchen Kaalysatormontageeinrichtungstyp. Insbesondere werden die Enden eines rechteckigen Metallbleches um das Katalysatorelement herumgezogen, so daß sie sich überlappen. Die Enden werden solange weiter zusammengezogen, bis ein spezifischer radialer Druck auf die Oberfläche des Katalysatorelementes ausgeübt wird. Die Enden des Metallbleches werden dann befestigt, um diesen spezifischen radialen Druck aufrechtzuerhalten. Die US - A - 4,093,423 offenbart ebenso den Vorteil des im vornherein unter Druck gesetzten Katalysatorgehäuses, in dem viele Toleranzprobleme des Elementdurchmessers in bezug auf den Gehäusedurchmesser eliminiert sind. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, wie diese Katalysatormontagetechnik bei der Montage von Partikelfiltern verwendet werden könnte.
Es gibt daher die Notwendigkeit für ein einfaches, effektives und zuverlässiges Partikelfiltermontagesystem, das die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik löst.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik angelegten Nachteile zu lösen, indem ein Montagesystem für einen Partikelfilter in einem äußeren Gehäuse angegeben wird, das einfach, effektiv und preiswert sowie in hohem Maße zuverlässig ist.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird durch eine Partikelfiltervorrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1 gelöst. Diese Partikelfiltervorrichtung verwendet eine Ummantelung, um einen vorgegebenen radialen Druck auf einen Partikelfilter auszuüben, der in einem äußeren Gehäuse montiert ist, das weite Herstellungstoleranzen aufweist, die nicht den radialen durch die Ummantelung ausgeübten Druck beeinflussen. Die Ummantelung kann speziell auf die Umfangsabmessung des Filterelementes eingestellt werden, um in akkurater und dauerhafter Weise einen vorgegebenen Druck auf das Filterelement auszuüben, wodurch die Herstellungskosten verringert werden, die mit der Einhaltung enger Toleranzgrenzen bei den Abmessungen des Filterelementes und des äußeren Gehäuses verbunden sind. Das Filterelement, das von der Ummantelung umgeben ist, kann axial und radial innerhalb des äußeren Gehäuses getragen werden, indem Montageringe, die an der Ummantelung befestigt sind, verwendet werden, die mit Vertiefungen oder Rippen in Eingriff stehen, die am äußeren Gehäuse ausgebildet sind. Die Montageringe befestigen den Filter herausnehmbar innerhalb des Gehäuses, während keine wesentlichen Einengungen des Gasflusses durch den Filter hervorgerufen werden, wodurch der effektive Flußquerschnitt des Filters aufrechterhalten bleibt und wobei die thermischen Belastungen minimiert werden. Die Montageringe der vorliegenden Erfindung erlauben eine temperaturbedingte Ausdehnung und ein entsprechendes Zusammenziehen des Filters.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein einer Seitenansicht ein Montagesystem für einen Partikelfilter, das ein erfindungsgemäßes bevorzugtes Ausführungsbeispiel aufweist, wobei Teile weggebrochen sind,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel entlang der in Fig. 1 dargestellten Linie 2-2,
Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht des in Fig. 1 dargestellten weggebrochenen Teils, die eine Partikelfilterkartusche zeigt, die in einem äußeren Gehäuse befestigt ist, wobei Befestigungsvorrichtungen in Form von ringförmigen Vertiefungen und Montageringen verwendet werden,
Fig. 4 eine vergrößerte Detailansicht des in Fig. 1 dargestellten weggebrochenen Teils, die eine Partikelfilterkartusche zeigt, die in einem äußeren Gehäuse befestigt ist, wobei Befestigungsvorrichtungen in Form von ringförmigen Rippen und Montageringen verwendet werden,
Fig. 5 eine vergrößerte Detailansicht des in Fig. 1 dargestellten weggebrochenen Teils, die eine Partikelfilterkartusche zeigt, die in einem äußeren Gehäuse befestigt ist, wobei konische Erweiterungen der Ummantelung als Befestigungsvorrichtungen verwendet werden, und
Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht im Querschnitt des "strömungsaufwärts" angeordneten Teils eines aus dem Stand der Technik bekannten Montagesystems für einen Partikelfilter.
Fig. 1 zeigt ein Montagesystem 10 für ein Partikelfilter, das ein äußeres Gehäuse 11 aufweist, das ein Partikelfilterelement als keramische Kartusche 30 aufnimmt, die in Übereinstimmung mit bekannten Techniken hergestellt worden ist, wie sie beispielsweise in der US - RE - 33,118 offenbart sind. Das äußere Halbschalengehäuse 11 weist zwei halbzylindrische Halbschalen 36 und 27 auf, die zusammengebracht werden, um einen Gaseinlaß 14 für die Aufnahme des partikelbeladenen Gasstromes wie beispielsweise eines Verbrennungsprodukts und einen Gasauslaß 15 für ein Ablassen des Verbrennungsproduktes aus dem äußeren Gehäuse 11 zu bilden. Die Partikelfilterkartusche 30 ist innerhalb des Durchganges 11 befestigt, der sich zwischen dem Gaseinlaß 14 und dem Gasauslaß 15 erstreckt.
Wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird, ist das Gehäuse 11 so ausgebildet, daß ein Bypassdurchgang 37 vorgesehen ist, der sich um die Partikelfilterkartusche 30 herum erstreckt und einen alternativen Weg für den Gasfluß vom Einlaß 14 zum Auslaß 15 ohne Durchgang durch die Kartusche 30 ermöglicht. Die Partikelfilterkartusche 30 kann im unteren Teil des äußeren Gehäuses 11 befestigt sein, wie am besten in Fig. 2 zu erkennen ist. Das äußere Gehäuse 11 weist eine innere Halbschale 18 auf, die sich zwischen den äußeren Halbschalen 27 und 36 befindet. Jeder der Halbschale ist mit einem Paar von sich gegenüberstehenden Flanschen versehen, die so miteinander verbunden werden können, daß die innere Halbschale 18 das Innere 20 des Gehäuses in einen Durchgang 17 und einen Bypassdurchgang 37 aufteilt. Die Flansche sind entlang eines Paares von sich gegenüberliegenden longitudinalen Nähten oder Verbindungen 35 verbunden. Obwohl es nicht besonders dargestellt ist, kann der Bypassdurchgang 37 so ausgebildet sein, daß er das Gas um die Partikelfilterkartusche 30 zu einer anderen Partikelfilterkartusche führt. die in axialer Richtung in Richtung des Auslasses 15 angeordnet ist. In dieser Weise kann ein Filter regeneriert werden, während das Abgas um den zu regenerierenden Filter herum geleitet wird, um durch den anderen Filter gefiltert zu werden, bevor es in die Atmosphäre austritt.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann die Partikelfilterkartusche 30 ein Filterelement 13 für die Entfernung der Partikel aus dem Gasfluß entfernen, der durch den Durchgang 17 verläuft. Das Partikelfilterelement 13 kann im wesentlichen zylindrisch ausgestaltet und üblicherweise aus einem porösen keramischen Material geformt sein. Das Filterelement 13 weist ein Paar von quer verlaufenden Flächen 23 und 24 auf. Eine elastische Schicht 20 ist um die zylindrische Oberfläche des Filterelementes 13 zwischen der strömungsaufwärts angeordneten Oberfläche 23 und der strömungsabwärts angeordneten Oberfläche 24 herum gelegt. Ein Druckmittel, vorzugsweise in Form einer Ummantelung 19, umschließt zusammendrückend die elastische Schicht 20, indem ein vorgegebener radialer Druck auf das Filterelement 13 ausgeübt wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind Verlängerungen oder Montageringe 21 und 22 am Rand der Ummantelung 19 an der Oberfläche 23 und der Oberfläche 24 befestigt. Der strömungsaufwärts angeordnete Befestigungsring 21 steht im Eingriff mit einer Nut 26, die von einem Paar axial beabstandet angeordneter ringförmiger Rippen 25 und 25' gebildet wird und die an der inneren Halbschale 18 und an der äußeren Halbschale 27 des äußeren Gehäuses 11 befestigt sind.
Die elastische Schicht 20, die das Partikelfilterelement 13 umgibt, dient dazu, die von der Ummantelung 19 ausgeübte Kraft auf das Partikelfilterelement 13 zu übertragen. Die elastische Schicht 20 fungiert ebenso als Isolator, um Wärmeverluste aus und Temperaturgradienten 55 in dem Filterelement 13 zu minimieren. Die Elastizität der Schicht 20 erlaubt es der Schicht, kleine Unterschiede in den Expansionskoeffizienten zwischen der Ummantelung 19 und dem Filterlement 13 aufzunehmen. Die elastische Schicht 20 kann jegliches hitzeresistente Material sein. In den Fig. 3 und 4 ist dargestellt, daß die elastische Schicht oder die elastischen Schichten 20 Drahtgitterschutzvorrichtungen 32 und 34 aufweisen, um die Errosion an den Kanten der elastischen Schicht 20 durch die heißen Abgase zu verhindern.
Wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist, kann die Ummantelung 19 aus einem rechteckigen Metallblech oder einem ähnlichen Material gebildet sein, das um die elastische Schicht herumgelegt ist, wodurch ein wesentlicher Teil der äußeren Oberfläche der elastischen Schicht 20 abgedeckt ist. Die Ummantelung 19 wird dabei mit einer Methode, wie sie beispielsweise bei einer Schelle angewendet wird, befestigt. Insbesondere wird die Ummantelung 19 um das Filterelement 13 herumgelegt, so daß die Enden der Ummantelung 19 benachbart angeordnet sind oder sich überlappen. Die Ummantelung 19 wird dann in einer Weise zusammengedrückt, daß die Enden der Ummantelung 19 sich überlappen, wodurch die Ummantelung 19 sich an die äußere Oberfläche der elastischen Schicht 20 anpaßt. Durch weiteres Anziehen der Ummantelung 19 wird die elastische Schicht 20 durch die Ummantelung 19 zusammengedrückt, die einen gewünschten Grad an radialem Druck auf das Filterelement 13 in Abhängigkeit von der auf die Ummantelung 19 angewandte Spannung überträgt. Der auf das Filterelement 13 ausgeübte radiale Druck kann durch Einstellung der Spannung der Ummantelung 19 eingestellt werden, bis ein vorbestimmter radialer Druck erreicht wird. Die Enden der Ummantelung 19 werden dann befestigt, um den eingestellten radialen Druck auf das Filterelement 13 aufrechtzuerhalten.
Das Anziehen der Ummantelung 19 kann durch verschiedene Weise ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine Kante oder ein Ende der Ummantelung 19 auf dem Filterelement 13 gehalten werden, während die gegenüberliegende Kante um das Filterelement 13 herumgelegt und gezogen wird, um eine tangential zur Oberfläche des Filterelementes 13 ausgerichtete Kraft zu erzeugen. Andererseits kann die Ummantelung 19 um das Filterelement 13 herumgelegt werden und können beide Enden der Ummantelung 19 zueinander gezogen werden, um einander zu überlappen. Eine weitere Variante kann darin bestehen das Filterelement 13 zu drehen, während die Ummantelung 19 um die äußere Oberfläche herum angeordnet und eine Kante der Ummantelung 19 festgehalten wird, so daß eine Spannkraft in der Ummantelung 19 erzeugt wird, während es um das Filterlement 13 herumgewunden wird. Eine weitere Methode, die Ummantelung 19 zu spannen, könnte darin bestehen, die Ummantelung 19 um das Filterelement 13 herum anzuordnen, so daß sich seine Enden überlappen. Zwei sich gegenüberliegende Arme, die Oberflächen aufweisen, die an die äußere Oberfläche der Ummantelung 19 angepaßt sind, könnten so bewegt werden, daß die Ummantelung 19 zusammengedrückt wird, wodurch die Ummantelung 19 an die äußere Oberfläche der elastischen Schicht 20 angepaßt wird. Die Bedeutung dieser Methode, die Ummantelung zu spannen, egal wie sie ausgeführt wird, besteht darin, daß die Ummantelung 19 um das Filterelement 13 derart eingestellt wird, daß ein vorbestimmter radialer Druck auf das Filterelement 13 ausgeübt wird.
Als Alternative zu der Ummantelung 19 kann jedes Element dienen, wie beispielsweise ein flexibles verlängertes Band, Fiebermaterial oder Schnur, das hitzeresistent und in der Lage ist, einmal oder mehrere Male um das Filterelement 13 gewunden zu werden, wenn dieses Element in der Lage ist, eine radiale zusammendrückende Kraft auf das Filterelement auszuüben und aufrechtzuhalten. Das Merkmal der Methode der Einstellung der Ummantelung hat mehrere Vorteile in seiner Herstellung. Andere Methoden, die bei Partikelfiltervorrichtungen verwendet werden, die Methoden "Greifer-Halbschalen" oder "Buchse mit Wulst" (die oben beschrieben worden sind), machen es notwendig, daß Filterhersteller den Montagedruck auf das Filterelement dadurch steuern müssen, daß sie die Abmessungen des Filterelementes, der elastischen Schicht und der äußeren Ummantelung innerhalb relativ enger Toleranzgrenzen halten. Dadurch, daß der radiale Druck der äußeren Ummantelung auf das Filterelement akkurat und ständig ausgeübt und aufrechterhalten werden kann, verringert die beschriebene Methode der Ummantelung die Last der Filterhersteller, diese genauen Toleranzgrenzen einzuhalten. Die Abmessungen der Filterkomponenten und die entsprechenden Toleranzen bestimmen nicht länger den resultierenden radialen Druck. Stattdessen wird der den Filter belastende Druck in einfacher Weise durch die Genauigkeit der Meßvorrichtung für die Festsetzung der Belastung der Ummantelung bestimmt. Im Ergebnis reduziert die Methode der Ummantelung wesentlich die Herstellungskosten, während sie die Einfachheit des Befestigungswerkzeuges erhält, die durch die bestehenden Methoden angeboten werden.
Wie in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellt ist, sind die Montageringe 21, 22 und 29 fest mit der Ummantelung 19 an der strömungsaufwärts angeordneten Oberfläche 23 und der strömungsabwärts angeordneten Oberfläche 24 befestigt. Die Montageringe 21, 22 und 29 haben eine L-Form im Querschnitt, die sich bis hinter die äußere umfangseitige Oberfläche der Ummantelung 19 erstrecken. Jedoch sind lediglich die Montageringe 21 und 29 dafür da, das Filterelement 13 innerhalb des Durchganges 17 zu befestigen, indem die Montageringe 21 und 29 mit den ringförmigen Nuten 26 bzw. der Vertiefung 28 in Eingriff stehen. Der strömungsabwärts angeordnete Montagering 22 erstreckt sich über den äußeren Durchmesser der Ummantelung 19 heraus, um radial mit der inneren Halbschale 18 und der äußeren Halbschale 27 des Durchganges 17 in Berührung zu stehen, wodurch das Filterelement 13 radial gehalten wird. Ebenso steht nicht der Montagering 22 mit irgendeiner Vertiefung oder einem Stoppelement im Eingriff, wodurch eine axiale thermische Ausdehnung des Filterelementes 13 ermöglicht ist.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die ringförmigen Rippen 25 fest an der inneren Halbschale 18 und der äußeren Halbschale 27 des Durchganges 17 befestigt, um eine ringförmige Nut 26 zu bilden, um den Befestigungsring 21 aufzunehmen. Eine Gasdichtung kann ebenso in der ringförmigen Nut 26 vorgesehen sein, um zu verhindern, daß jegliches Gas um den Montagering 21 herum und an dem Filterelement 13 vorbeifließt.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können ringförmige Vertiefungen 28, die in der inneren Halbschale 18 und in der äußeren Halbschale 27 des äußeren Gehäuses 11 ausgebildet sind, anstelle der ringförmigen Nuten 25 verwendet werden. In diesem Fall ist der Montagering 21 durch einen Montagering 29 mit größerem Durchmesser ersetzt, um ein Eingreifen mit der Vertiefung 28 zu ermöglichen, während ein konstanter, überall vorhandener innerer Durchmesser aufrechterhalten bleibt.
In beiden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Filterelement 13 austauschbar im Durchgang 17 befestigt. Die strömungsaufwärts angeordneten Montageringe 21 und 29 können in einfacher Weise in der Vertiefung 28 oder den Nuten 26 angeordnet werden, so daß ein Auseinanderbauen des äußeren Gehäuses 11 durch Trennen der äußeren Halbschalen 36 und 27 ein einfaches Entfernen und Austauschen der Filterkartusche 30 ermöglicht. Dieser Vorteil wird dadurch realisiert, daß das äußere Gehäuse 11 nicht für die Erzeugung des auf das Filterelement 13 einwirkenden Druckes verwendet wird. Stattdessen hält die Ummantelung 19 den vorbestimmten radialen Druck auf das Filterelement 13 aufrecht, um somit eine einheitliche Filterkartusche zu bilden. Da die äußere Halbschale des äußeren Gehäuses nicht länger dazu verwendet wird, um die zusammendrückende Kraft auf das Filterelement 13 zu bestimmen, hat das äußere Gehäuse die einzige Funktion, die Filterkartusche 30 axial durch die Wechselwirkung mit den Montageringen 29 und 21 zu befestigen.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Montageringe 40 und 41 als integrale Verlängerungen der Ummantelung 42 ausgebildet. Dadurch, daß eine Ummantelung verwendet wird, die über die Oberflächen 23 und 24 hinausragen, können die Montageringe 40 und 41 als ringförmige konische Erweiterungen der Ummantelung 42 ausgebildet sein, um den inneren Durchmesser des Durchganges 17 auszugleichen. Der strömungsaufwärts angeordnete Montagering 40 wird beispielsweise durch Verschweißen mit der inneren Halbschale 18 und der äußeren Halbschale 27 befestigt. Wiederum ist der strömungsabwärts angeordnete Montagering 41 nicht an dem äußeren Gehäuse befestigt, wodurch eine thermische Ausdehnung der Filterkartusche 30 ermöglicht wird.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird im Stand der Technik eine Klemmummantelung 52 verwendet, um radial ein Filterelement 50 zusammenzudrücken. Da der von der Klemmummantelung 52 auf das Filterelement 50 ausgeübte radiale Druck nicht in effektiver Weise gesteuert werden kann, werden viele Filter mit losen Filterelementen hergestellt. Darüber hinaus erzeugt die Hitze, die während normaler Betriebsweise oder während des Regenerierungsprozesses erzeugt wird, thermische Ausdehnungsdifferenzen, die zu losen Filterelementen führen können. Daher war es im Stand der Technik notwendig, einen Befestigungsring 54 aufzunehmen, der sowohl strömungsaufwärts als auch strömungsabwärts vom Filterelement 50 befestigt wurde, um ein axiales Festhalten des Filterelementes 50 zu ermöglichen. Durch Ausüben dieser Funktion bedeckt jedoch der Befestigungsring 54 einen Teil des äußeren Randes 58 des Filterelementes 50. Der Befestigungsring 54 blockiert also notwendigerweise den Gasfluß in der Region 56, wodurch der effektive Filterdurchflußquerschnitt und die Partikelaufnahmekapazität des Filterelementes 50 verringert wird, und wodurch ebenfalls thermische Gradienten und Belastungen in dem Bereich 56 vergrößert werden. Durch Verwendung einer Ummantelung, um effektiv den radialen Druck vorzubestimmen, der für ein spezielles Filterelement 13 notwendig ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird der integrale Bypassfilter 11 nur noch dazu verwendet, um die Filterkartusche 30 festzuhalten. Wie in den Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellt ist, können die Montageringe 21, 22, 29, 41 und 43 in Verbindung mit der Ummantelung 19 verwendet werden, um das Filterelement 13 innerhalb des äußeren Gehäuses 11 zu befestigen, ohne den effektiven Durchflußquerschnitt des Filterelementes 13 zu beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung wird eine besondere Verwendung bei Lastkraftwagen und Bussen finden, die mit Dieselmotoren ausgerüstet sind und die strengen Partikelausstoßkontrollanforderungen und Regulierungen unterworfen sind. Die vorliegende Erfindung kann ebenso dort angewendet werden, wo es wünschenswert ist, ein Montagesystem für einen Abgaspartikelfilter zu verwenden, um Abgaspartikel zu filtern, die in den Bereich des Partikelmaterials fallen, die mit einem monolithischen keramischen Filter oder einem anderen geeigenten Filtermedium entfernt werden können.

Claims

1. Partikelfiltervorrichtung (10) mit einem äußeren Gehäuse (11), das einen Gaseinlaß (14), einen Gasauslaß (15) und einen den Gaseinlaß (14) und den Gasauslaß (15) verbindenden Durchgang (17) aufweist, mit einem im Durchgang (17) des Gehäuses (11) angeordneten Partikelfilterelement (13), das zur Filterung der in dem durch den Durchgang (17) strömenden Gas enthaltenen Partikel dient, und mit Montagevorrichtungen (21, 25, 26; 28, 29; 22) für die Befestigung des Partikelfilterelementes (13) in radialer und axialer Richtung innerhalb des Durchganges (17),

dadurch gekennzeichnet,

daß eine das Partikelfilterelement (13) umgebende Ummantelung (19) vorgesehen ist, um einen vorgegebenen radialen Druck auf das Partikelfilterelement (13) auszuüben, der im wesentlichen unabhängig von den Umfangsabmessungen des Durchganges (17) und der Partiklelfiltervorrichtung (13) ist,

daß die Ummantelung (19) eine einstellbare äußere Umfangsabmessung aufweist, um eine Anpassung der Umfangsabmessung der Ummantelung (19) an die Umfangsabmessung des Partikelfilterelements (13) zu ermöglichen, wobei die Ummantelung (19) entgegengesetzte Enden aufweist, die relativ zueinander umfangseitig einstellbar sind, um die einstellbare Umfangsabmessung für die Erzielung des vorbestimmten radialen Druckes einzustellen,

daß die Ummantelung (19) Befestigungsvorrichtungen für ein Halten der Enden in einer vorgegebenen relativen Position zueinander entprechend der Anwendung des vorbestimmten radialen Druckes auf das Partikelfilterelement (13) aufweist, daß die Montagevorrichtungen (21, 25, 26; 28, 29; 22) das Partikelfilterelement (13) radial und axial innerhalb des Durchganges (17) in einer Weise halten, daß keine weitere wesentliche radiale zusammendrückende Kraft auf das Partikelfilterelement (13) ausgeübt wird, und nur an einem Ende das Partikelfilterelement (13) axial einklemmen, während das andere Ende axial beweglich ist, so daß ein temperaturbedingtes Ausdehnen und Zusammenziehen des Partikelfilterelements (13) auftreten kann, ohne daß zerstörerische Kräfte innerhalb des Partikelfilterelements (13) auftreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine elastische Vorrichtung (20) zwischen der Ummantelung (19) und der äußeren Oberfläche des Partikelfilterelements (13) für ein Tragen des Partikelfilterelements (13) vorgesehen ist, und wobei vorzugsweise die elastische Vorrichtung (20) eine oder mehrere Schichten aus hitzebeständigem Material aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Partikelfilterelement (13) aus einem porösem keramischen Material gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei weiterhin eine Erosionsschutzvorrichtung (32, 34) vorgesehen ist, um die elastische Vorrichtung vor dem Gas zu schützen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Montagevorrichtung mindestens ein mit der Ummantelung (19) verbundenes Verlängerungselement (21, 22, 29, 40, 41) aufweist, das über die radiale Abmessung des Partikelfilterelements (13) hinausragt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Montagevorrichtung eine Haltevorrichtung für einen Eingriff mit den Verlängerungselementen (21, 29, 40) aufweist, um das Partikelfilterelement (13) in radialer und axialer Richtung zu halten,

und/oder wobei die Montagevorrichtung ein Paar von Verlängerungselementen aufweist, die integral mit der Ummantelung (19) ausgebildet sind, wobei das Verlängerungselement jeweils einen der ringförmigen Montageringe (40, 41) aufweist, die axial entlang des Partikelfilterelements (13) beabstandet angeordnet sind,

und vorzugsweise wobei die Haltevorrichtung ein Paar von ringförmigen Rippen (25, 25') aufweist, die an der inneren Wand des Gehäuses (11) an den de Verlängerungselementen gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind, und/oder wobei eine ringförmige Vertiefung (28) in dem Gehäuse ausgebildet ist, die so ausgestaltet und angeordnet ist, daß sie das Verlängerungselement fest in axialer Beziehung innerhalb des Gehäuses (11) hält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Montagevorrichtung lösbar das Partikelfilterelement (13) innerhalb des Gehäuses (11) hält, und/oder wobei das Partikelfilterelement (13) einen vorbestimmten Flußweg mit einer radialen, sich über die gesamte radiale Abmessung des Partikelfilterelements (13) erstreckende Querschnittsabmessung aufweist, wobei die Montagevorrichtung das Partikelfilterelement innerhalb des Durchganges (17) des Gehäuses (11) in einer Weise hält, daß im wesentlichen keine Blockierung der vollen radialen Abmessung des Flußweges durch das Partikelfilterelement (13) auftritt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das äußere Gehäuse (11) mindestens ein Paar von Schalen (27, 36) aufweist, die entlang einem Paar von axialen Nähten miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das äußere Gehäuse (11) eine innere Schale (18) und ein Paar von äußeren Schalen (27, 36) aufweist, wobei die innere Schale (18) mit einer der äußeren Schalen (27) verbunden ist, um den Teil des Durchganges (17) zu bilden, in dem das Partikelfilterelement (13) befestigt ist,

und vorzugsweise wobei die verbleibende äußere Schale (36) mit der inneren Schale (18) und der äußeren Schale (27) verbunden ist, um einen Bypass (37) für einen Gasfluß vom Einlaß (14) zum Auslaß (15) um das Partikelfilterelement herum zu bilden, und vorzugsweise wobei jede der Schalen (18, 27, 36) mit einem Paar von sich radial erstreckenden Flanschen versehen ist, die eine relativ feste Umfangsabmessung definieren,

und vorzugsweise wobei die Flansche so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie entlang des Paares von axialen Nähten (35) miteinander verbunden sind, um den Durchgang (17) und den Bypass (37) zu bilden, die Umfangsabmessungen aufweisen, die durch die Umfangsabmessungen der Schalen (18, 27 36) vorgegeben sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer Partikelfiltervorrichtung (10), die ein Partikelfilterelement (13) mit einer Umfangsabmessung aufweist, die wesentlichen Herstellungstoleranzen ausgesetzt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß weiterhin eine Ummantelung (19) vorgesehen ist, die um das Partikelfilterelement (13) herum angeordnet ist und eine einstellbare Umfangsabmessung für die Anwendung einer kontrollierbaren radialen Kraft auf das Filterelement (13) aufweist und

daß weiterhin die Verfahrensschritte vorgesehen sind:

Anordnen der Ummantelung (19) um das Partikelfilterelement (13) herum,

Einstellen der Ummantelung (19), um eine vorbestimmte radiale Kraft auf das Partikelfilterelement (13) auszuüben,

Befestigen der Ummantelung (19), um die eingestellte Umfangsabmessung in einer entsprechenden Position entsprechend der vorbestimmten radialen Kraft zu halten, und

Montieren des Partikelfilterelementes (13) in einem Gehäuse (11), um einen Durchgang (17) für das durch das Partikelfilterelement (13) strömende Gas zu bilden, während keine weitere wesentliche radiale zusammendrückende Kraft auf das Partikelfilterelement (13) ausgeübt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

Abdecken des Partikelfilterelementes (13) mit einer elastischen Schicht (20), bevor die Ummantelung (19) um das Partikelfilterelement (13) herum angeordnet wird, und

Befestigen mindestens eines Montageringes (21, 22, 29) an der Ummantelung (19), und wobei vorzugsweise die weiteren Schritte vorgesehen sind:

Anwendung eines Hitzebehandlungsverfahrens auf das Partikelfilterelement (13) und

Versehen der elastischen Schicht (20) mit Randerosionsschutzvorrichtungen (32, 34), und wobei vorzugsweise der weitere Schritt vorgesehen ist: Rollen der Enden der Ummantelung (19), um die Randerosionsschutzvorrichtungen (32, 34) zu befestigen.