DE69304198T2

DE69304198T2 - Dieselpartikelfilter mit perforierten rohren mit parallelem offset-kreuzwickel aus anorganischem faden

Info

Publication number: DE69304198T2
Application number: DE69304198T
Authority: DE
Inventors: Richard Bloom; Troy Ista; Mark Smith
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: MX9302454A; CA2133571A1; JP3245168B2; KR100284956B1; EP0640173A1; JPH08500409A; BR9306333A; KR950701407A; EP0640173B1; US5248481A; WO1993023657A1; DE69304198D1; ES2091003T3

Description

Die Erfindung betrifft Filter oder Abscheider, die Partikel aus dem Abgas von Dieselmotoren entfernen, und betrifft insbesondere Filter, die perforierte Hohlrohre aufweisen, von denen jedes zum Bereitstellen des Filterelements mit wärruebeständigem Faden umwickelt ist.
Die WO 92/17689 (Bloom) offenbart einen Dieselpartikelfilter mit einem Gehäuse, das zumindest ein perforiertes Hohlrohr mit spiralförmigem Kreuzwickel aus wärmebeständigem Faden (beispielsweise beständig gegenüber Temperaturen oberhalb von etwa 600º C), der einen Kern aufweist, von dem Filamente oder Fasersegmente nach außen vorstehen. Der Kern jeder Wicklung des Fadens ist radial mit dem Kern einer darunterliegenden Wicklung ausgerichtet, um voneinander beabstandete Wände zum Festlegen vierseitiger öffnungen zu bilden. Die vorstehenden Fasersegmente greifen über jede Öffnung ineinander ein. Mittel zum Versperren von Zwischenräumen an den Enden des Gehäuses bedingen, daß Abgas, welches an einem nichtversperrten Zwischenraum an einem Ende des Gehäuses eintritt, im wesentlichen radial durch die vierseitigen Öffnungen hindurchtritt, wodurch es ermöglicht wird, daß die ineinandergreifenden Filamente oder Fasersegmente Ruß oder in dem Abgas enthaltene Partikel auffangen bzw. filtern. Die in der WO 92/17689 dargestellten Dieselpartikelfilter weisen mehrere Rohre auf, die entweder konzentrisch oder nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Wegen der hohen Temperaturen, bei denen angesammelter Ruß periodisch verbrannt wird, sollte der Faden keramisch und vorzugsweise ein in Lagen verzwirnter bzw. zwirngedrehter Keramik-Endlosfaden sein, um eine erforderliche Festigkeit zu erreichen, die es ermöglicht, den Faden fest zu wickeln, damit er trotz der von dem Abgas ausgeübten Kraft an Ort und Stelle verbleibt. Ein zwirngedrehter Endlosfaden kann strukturiert sein, um zu bewirken, daß Schlaufen der zusammenhängenden Filamente ohne substantiellen Bruch der Filamente nach außen vorstehen. Besonders nützlich sind Keramik-Endlosfäden aus Aluminiumoxid-Boroxid-Siliziumoxid- Fasern, die unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 312 CERAMIC YARN" oder "NEXTEL 440 CERAMIC YARN" von 3M Company in St. Paul, MN, käuflich erwerbbar sind. Ein aus der Anmeldung von Bloom bekannter Dieselpartikelfilter, der unter Verwendung von strukturiertem Keramikfaden hergestellt ist, sollte zumindest so effizient und haltbar sein wie jeder bekannte Dieselpartikelfilter, wegen der hohen Kosten des Keramikfadens könnte er jedoch für eine allgemeine Verwendung als zu teuer eingeschätzt werden.
Die Erfindung stellt einen Dieselpartikelfilter bereit, der unter Verwendung von wesentlich weniger Faden hergestellt werden kann, als zur Herstellung eines gleich effizienten Filters erforderlich ist, der auf der Anmeldung von Bloom basiert. Der neue Filter ist sowohl bezüglich der Rohmaterialkosten als auch hinsichtlich eines reduzierten Zeitaufwands zum Wickeln des Fadens auf das perforierte Rohr wirtschaftlich. Die Erfindung stellt zudem eine Patrone bereit, die in einem Dieselpartikelfilter verwendbar ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Patrone. Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 11 bzw. 12 gelöst.
Um die vorstehend erwähnte Reduktion des Fadens zu erhalten, sollte das Filterelement zumindest vier Fadenlagen (vorzugsweise 10 bis 30 Lagen) aufweisen und die Kerne der Windungen von zumindest drei Lagen (vorzugsweise 5 bis 15 Lagen) sollten bezüglich der Kerne der Windungen der darunterliegenden Lagen seitlich versetzt sein bzw. einen parallelen Offset aufweisen.
In einem erfindungsgemäßen Filterelement sind Kerne von Wicklungen aneinander angrenzender versetzter Lagen dichter zueinander gelegen als Kerne von Wicklungen der gleichen Lage. Dichtere Abstände ergeben einen besseren Halt für die Fasersegmente, reduzieren somit Beschädigung und ermöglichen ebenfalls, daß jedes Fasersegment eine größere Rußdichte tragen kann, wobei diese Vorteile erreicht werden können, obwohl der Gegendruck zufriedenstellend niedrig bleibt. Wenn im Gegensatz dazu alle Kerne aufeinanderfolgender Wicklungen mit den Kernen darunterliegender Wicklungen radial ausgerichtet sind, erhöht eine Reduktion des Abstandes zwischen den Kernen den Gegendruck.
Wenn ein elektrisches Heizelement verwendet wird, um ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung zu regenerieren, werden Strahlungsverluste durch die wärmeisolierenden Eigenschaften eines seitlichen Versatzes bzw. Offsets der Fadenkerne reduziert. Die Kerne der Fadenwicklungen, die sich nah an dem elektrischen Heizelement befinden, sind jedoch vorzugsweise radial ausgerichtet, um Wände bereitzustellen. Diese größeren vierseitigen Öffnungen verstärken die Entzündung von Ruß, der nahe dem Heizelement aufgefangen wurde. Nachdem der Ruß entzündet wurde, erzeugt seine Verbrennung zusätzliche Wärme, die leicht mehr entfernt gelegenen Ruß entzündet trotz der Wärmebarrieren, die sich durch den seitlichen Versatz der Fadenkerne ergeben.
Wie in der Anmeldung von Bloom gelehrt, wird der Faden vorzugsweise in einem Winkel von 30º bis 70º zur Achse des Rohres gewickelt, insbesondere von 45º bis 55º. Demzufolge müssen Fadenwicklungen, die im ersten Kreuzwickeldurchlauf jeder Lage abgelegt sind, mit nachfolgenden Wicklungen verschachtelt sein, bis die Abstände zwischen den Kernen aneinander angrenzender Wicklungen im wesentlichen gleichförmig über eine Lage verteilt sind. Wie im Beispiel 2, erfordert eine einzelne Lage acht Durchläufe hin und zurück auf einem Rohr von 5 cm Durchmesser bei einem Anfangswickelwinkel von 46º zur Achse des Rohres, um einen Kernabstand von Mitte zu Mitte (hier die "Filterbandbreite" genannt) von etwa 1,5 cm zwischen Mittelpunkten gegenüberliegender Seiten jeder vierseitigen Öffnung zu erhalten.
Durch Auswahl der Abmessungen bzw. Größen der vierseitigen Öffnungen, der Höhen und Lagen der Wände und der Anzahl und dem Grad der seitlichen Offsets kann das Filterelement so ausgelegt werden, daß Ruß gleichmäßig verteilt wird. Dies ermöglicht es, daß mehr Ruß gesammelt wird, bevor er verbrannt werden muß, so daß Energie dadurch gespart wird, daß die Zeitabschnitte zwischen Regenerationen verlängert werden. Zudem erzeugt ein konzentrierteres Verbrennen des Rußes mehr Wärme und reduziert so die für jede Regeneration erforderliche Energie.
Wie bei der Anmeldung von Bloom:
(a) kann das perforierte Rohr oder können die Rohre aus einem Rohr hergestellt werden, das mit verschieden ausgeformten Öffnungen ausgebildet ist, einem röhrenförmigen Drahtsieb oder einem röhrenförmigen Streckgitter, und sollte eine nichtperforierte Fläche an jedem Ende aufweisen; die Perforationen sollten so groß wie möglich sein, wobei Steifigkeit beibehalten werden muß, und jede Perforation sollte, wenn sie kreisformig ist, vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 bis 20 mm aufweisen, insbesondere von 3 bis 7 mm; die Perforationen nehmen vorzugsweise etwa 40 bis 80 % der gesamten projizierten perforierten Fläche jedes Rohres ein und das Filterelement bedeckt die gesamte perforierte Fläche;
(b) der Faden ist vorzugsweise ein strukturiertes Keramik- Endlosgarn;
(c) der Faden wird unmittelbar vor dem Wickeln strukturiert, so daß jede Windung des Fadens nur zusammengedrückt wird, wo sie den Kern einer anderen Windung des Fadens berührt; und
(d) an den nichtperforierten Flächen werden nebeneinanderliegende Wicklungen des Fadens dicht gewickelt, um relativ dicke Endwände bereitzustellen, die im wesentlichen undurchlässig für den Abgasstrom sind.
Während die Anmeldung von Bloom eine Wickelspannung von etwa 9,8 bis etwa 19,6 Newton vorschlägt, ist bei der vorliegenden Erfindung eine geringere Wickelspannung möglich, da das Verhaken zwischen seitlich versetzten Wicklungen die Stabilität erhöht. Zudem würde eine hohe Wickelspannung ein unerwünschtes Zusammendrücken dort erzeugen, wo Wicklungen von Fasersegmenten der darunterliegenden Lage getragen werden. Aus diesem Grunde werden Wickelspannungen von 4 bis 13 Newton bevorzugt.
Für die meisten Anwendungen weist der Kern des Fadens vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 0,5 mm, insbesondere von 1 bis 10 mm auf; das Filterelement weist vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 150 mm, insbesondere von 5 bis 30 mm auf und die Filterbandbreite der vierseitigen Öffnungen beträgt vorzugsweise 0,25 bis 10 cm, insbesondere 0,8 bis 2 cm.
Die Erfindung wird leichter verständlich unter Bezug auf die Zeichnung, in der alle Figuren schematisch sind, wobei Fig. 1 ein Mittelschnitt in Längsrichtung durch einen erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter ist;
Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2--2 in Fig. 1 ist, wobei Teile weggelassen sind, um lediglich einen Abschnitt eines Filterelements erheblich vergrößert zu zeigen,
Fig. 3 einen Teil der Oberfläche des Filterelements nach Fig. 2 zeigt und
Fig. 4 ein Mitteischnitt in Längsrichtung durch einen zweiten erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter ist.
Der Dieselpartikelfilter 10 in den Figuren 1-3 weist ein längliches Gehäuse 11 mit einem zylindrischen Mittelstück 12, einem konischen Abgaseinlaß 13 und einem konischen Abgasauslaß 14 auf. Innerhalb des zylindrischen Mittelstücks befinden sich 13 parallele nebeneinanderliegende Patronen, von denen jede ein starres, perforiertes Hohlrohr 16 aufweist. Jedes Rohr ist in der Nähe des Abgasauslasses geschlossen und in der Nähe des Abgaseinlasses offen und jedes geschlossene Ende ist durch eine Stütze 18 an einer Endwand befestigt. Eine kreisförmige Platte 20 ist an den Rohren an deren offenen Enden angeschweißt und mit kreisförmigen Öffnungen zum Aufnehmen der Rohre ausgebildet. Die Platte 20 ist zudem an dem zylindrischen Mittelteil 12 verschweißt, um somit die Zwischenräume zwischen nebeneinanderliegenden Rohren sowie zwischen den Rohren und dem Gehäuse 11 zu versperren, so daß in den Einlaß 13 einströmendes Abgas im großen und ganzen radial durch die Perforationen 21 in jeder der Rohre nach außen strömt, bevor es durch einen nicht versperrten Zwischenraum in der Nähe des Auslasses 14 austritt. Jedes Rohr 16 ist mit Ausnahme eines nichtperforierten Bereichs 22 an jeder seiner äußeren Enden perforiert.
Ein Filterelement 23, das durch Wickeln eines wärmebeständigen Fadens auf das Rohr ausgebildet wurde, bedeckt die perforierte Fläche und einen Teil der nichtperforierten Flächen jedes Rohres. Aufeinanderfolgende Lagen wurden mit einem strukturierten Faden ausgebildet, der einen Kern aufweist, von dem Filamentschlaufen oder Fasersegmente 26 nach außen vorstehen. Hierzu wurde das Rohr 16 vorübergehend auf die Spindel einer Wickelmaschine (nicht gezeigt) aufgesetzt, die den Faden computergesteuert aufbrachte. Die verschiedenen Durchläufe jeder Lage hin und zurück führten zu einem Ineinanderverweben entgegengesetzt gerichteter Wicklungen (wie in Fig. 3 angedeutet), die somit dazu beitragen, das Filterelement gegen die Kräfte des Abgases zu stabilisieren.
Der Kern jeder aufeinanderfolgenden Wicklung der ersten vier Lagen 28 unstrukturierten Fadens wurde fest gegen den Kern einer darunter liegenden Wicklung und radial mit diesem ausgerichtet gewickelt. Die radial ausgerichteten Kerne bilden zusammen voneinander beabstandete Wände, die eine erste Gruppe vierseitiger Öffnungen festlegen, die trichterförmig sind, wie in Fig. 2 gezeigt.
Durch Drehen der Spindel um 23º, bevor ein zweiter Satz von vier Lagen 30 strukturierten Fadens aufgebracht wird, schneiden deren radial miteinander ausgerichtete Kerne die vierseitigen Öffnungen, die von den ersten vier Lagen 28 ausgebildet sind, wodurch sie eine zweite Gruppe vierseitiger Öffnungen bilden, innerhalb derer die vorstehenden Fasersegmente 26 ineinander greifen, um Rußauffangstellen bzw. -filter zu bilden. Nachdem die Spindel um 23º gedreht wird, wird ein dritter Satz von zwei Fadenlagen 32 abgelegt, um eine dritte Gruppe vierseitiger Öffnungen zu bilden. Wie in Fig. 2 gezeigt, schneiden die Kerne radial miteinander ausgerichteter Fadenwicklungen des dritten Satzes der Lagen 32 die zweite Gruppe vierseitiger Öffnungen und sind mit den Kernen der Wicklungen des ersten Satzes der vier Lagen 28 radial ausgerichtet.
Die Spindel wurde dann um 11,5º gedreht, bevor eine vierte Lage 34 aus einem einzelnen Faden aufgebracht wird, die eine vierte Gruppe vierseitiger Öffnungen bildet. Jeder Kern einer Wicklung der vierten Lage 34 ist um 25 % des Quermaßes der vierseitigen Öffnung des dritten Lagensatzes 32 seitlich versetzt.
Die Spindel wurde wiederum um 11,5º gedreht, bevor eine fünfte Lage 36 aus einem Einzelfaden aufgebracht wurde, der eine fünfte Gruppe vierseitiger Öffnungen bildet. Jeder Kern einer Wicklung der fünften Lage 36 schneidet vierseitige Öffnungen des dritten Lagensatzes 32 und ist radial ausgerichtet mit Kernen von Wicklungen des zweiten Lagensatzes 30.
Die Spindel wurde wiederum um 11,5º gedreht, bevor ein sechster Satz von vier Fadenlagen 38 aufgebracht wurde, die radial miteinander ausgerichtet sind, um eine sechste Gruppe vierseitiger Öffnungen auszubilden. Jede Wicklung der Fadenkerne der sechsten Lage 38 schneidet Zwischenräume zwischen Kernen der Wicklungen der fünften Lage 36 und Kernen der Wicklungen des dritten Lagensatzes 32. Die resultierenden Filterelemente 23 auf jedem der Rohre 16 wiesen 16 Fadenlagen auf.
Wie in der Anmeldung von Bloom gelehrt, wird der Wickelwinkel geringfügig erhöht (beispielsweise etwa 0,25º), entweder um den Fadenkern in radialer Ausrichtung mit dem darunterliegenden Kern der vorherigen Lage zu bringen oder um einen gewünschten seitlichen Versatz zu erhalten, wenn jede aufeinanderfolgende Fadenlage des Filterelements 23 aufgebracht wird.
Das nach außen strömende Abgas wird von den seitlich versetzten Fadenkernen der äußeren fünf Lagensätze des Filterelements 23 in einen Weg mit mehreren Richtungsänderungen abgelenkt.
Die durch die Fadenlagen, 28, 30, 32, 34, 36 und 38 ausgebildeten vierseitigen Öffnungen sind im wesentlichen gleichförmig und rautenförmig, wie in Fig. 3 gezeigt.
Indem die perforierten Rohre 16 aus einem Material mit einem elektrischen Widerstand ausgebildet und periodisch mit einer elektrischen Spannung über jedem Rohr beaufschlagt werden, kann jedes Filterelement 23 gereinigt werden, wann immer die Spannung angelegt wird, um gesammelten Ruß abzubrennen.
Der Dieselpartikelfilter 40 nach Fig. 4 weist ein längliches Gehäuse 41 mit einem zylindrischen Mittelteil 42, einem konischen Abgaseinlaß 43 und einem konischen Abgasauslaß 44 auf. Innerhalb des zylindrischen Mittelteils befinden sich fünf konzentrische, starre, perforierte Hohlrohre 45, 46, 47, 48 und 49, die den zylindrischen Mittelteil 42 radial ausfüllen. An den Einlaßaußenenden der Rohre befinden sich ringförmige Abdeckungen 50 und 51 sowie eine mittige kreisförmige Abdeckung 52. An den Auslaßaußenenden der Rohre befinden sich ringförmige Abdeckungen 54, 55 und 56.
An den Einlaßaußenenden der Rohre sind nebeneinanderliegende Abdeckungen mit dünnen Verstrebungen 58, 59 und 60 miteinander verbunden, wobei die äußerste Verstrebung 60 ebenfalls mit dem Gehäuse 41 verbunden ist. In gleicher Weise sind an den Auslaßaußenenden der Rohre nebeneinanderliegende Abdeckungen durch dünne Verstrebungen 62 und 63 miteinander verbunden.
Jedes der fünf konzentrischen Rohre 45, 46, 47, 48 und 49 weist an seinen Außenenden nichtperforierte Flächen 64 auf und seine perforierte Fläche ist mit einem Filterelement 65 bedeckt, das in gleicher Weise hergestellt wurde wie eines der Filterelemente 23 in den Figuren 1-3. Abgas, das in die nichtversperrten Zwischenräume in der Nähe des Einlasses 43 einströmt, tritt in Zwischenräume zwischen die Rohre ein, die nicht durch die Abdeckungen 50, 51 und 52 versperrt sind, und strömt durch Perforationen des Filterelements 65 radial nach innen und nach außen, bevor es durch nicht von den Abdeckungen 54, 55 und 56 versperrte Zwischenräume in der Nähe des Auslasses 44 ausströmt.
Um die Rohmaterialkosten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilters zu reduzieren, können die Filterelemente eine oder mehrere Lagen nichtgewobener Matten anorganischer Fasern aufweisen, die so ausgewählt sind, daß sie einen hohen Grad an Filtereffizienz ohne nennenswerten Gegendruck ergeben. Eine bevorzugte nichtgewobene Matte weist geblasene Keramikmikrofasern auf wie beispielsweise geblasene Aluminiumoxid-Boroxid-Siliziumoxid-Mikrofasern. Geeignete nichtgewobene Matten sind unter den Handelsbezeichnungen "ULTRAFIBER 312", "ULTRAFIBER 440" und "ULTRAFIBER 550" von der 3M Company und "SAFFIL LD MAT" von Imperial Chemicals Inc. erhältlich. Derartige Matten können zwischen Wicklungslagen und/oder an den radial inneren und äußeren Oberflächen eines Filterelements zwischengefügt sein. Wenn sie an der äußeren Oberfläche eingesetzt werden, kann eine derartige Matte einen wünschenswerten Wärmeisoliereffekt haben, der sowohl Energie spart, als auch hilft, das Gehäuse kalt zu halten.
Zur Herstellung eines Filterelements verwendbare wärmebeständige Fäden weisen spezielle Hochtemperaturglasfasern auf, beispielsweise S-2 Glas oder E Glas von Owens Corning, die kontinuierlich mit Siliziumoxidfasern (beispielsweise solche, die unter der Handelsbezeichnung "ASTROQUARTZ" erhältlich sind), extrahierte Glasfasern (beispielsweise solche, die unter der Handelsbezeichnung "REFRASIL" erhältlich sind), nicht glasartige Keramikfasern (beispielsweise solche, die unter der Handelsbezeichnung "NICALON" erhältlich sind), Fasern keramischer Metalloxide, die mit Nichtmetalloxiden kombiniert sind (beispielsweise Zirkonoxid-Siliziumoxid, Alurniniumoxid-Siliziumoxid, Graphit, Aluminiumoxid- Chromoxid-Metalloxide und vorzugsweise Aluminiumoxid- Boroxid-Siliziumoxid (beispielsweise solche, die unter den Handelsbezeichnungen "NEXTEL 312", "NEXTEL 440" oder "NEXTEL 550" erhältlich sind). Für Anwendungen unterhalb von etwa 330º C können konventionelle Glasfasern verwendet werden.
Um zur Oxidation von Kohlenstoff und löslichen organischen Bestandteilen (zum Beispiel Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid) von Rußpartikeln des Dieselabgases beizutragen, kann das Filterelement zudem einen Oxidationskatalysator aufweisen, mit dem der anorganische Faden, die anorganische nichtgewobene Matte oder eine Kombination hiervon beschichtet ist. Solche Oxidationskatalysatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen beispielsweise Edelmetalle (zum Beispiel Platin, Rhodium, andere Platingruppenmetalle und Silber) sowie unedle Metalle (zum Beispiel Kupfer, Eisen, Mangan und Kalium) auf. Verfahren zum Aufbringen der Katalysatorbeschichtung auf den anorganischen Faden oder die nichtgewobene Matte sind im Stand der Technik bekannt.
Wenn ein Filterelement ein strukturiertes Keramik- Endlosgarn aufweist, kann es wünschenswert sein, einige wärmeunbeständige Fasern einzufügen. Durchtrittswege, die erzeugt werden, wenn die flüchtigen Fasern während oder vor der ersten Verwendung des Filters weggebrannt werden, können sowohl einen reduzierten Gegendruck als auch einen verbesserten Zugang zu den filternden Fasersegmenten ergeben.
In dem neuen Dieselpartikelfilter kann eine Einrichtung zum periodischen Abbrennen angesammelter Partikel, beispielsweise durch periodisches Aufheizen des Abgases auf eine Temperatur oberhalb des Brennpunktes der gefilterten Partikelsubstanz, integriert sein. Anwendbare elektrische Verbrennungstechniken sind in der EP-A-0 275 372 und in der WO 92/17691 (Bloom et al.) offenbart. Die gefilterte Partikelsubstanz kann stattdessen auch durch Einleiten von Heißgas durch den Dieselpartikelfilter weggebrannt werden.
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden weiter durch die folgenden Beispiele gezeigt, wobei die speziellen Materialien und Mengen, die bei diesen Beispielen genannt werden, sowie andere Bedingungen und Details jedoch nicht zur Einschränkung der Erfindung gedacht sind.

Beispiel 1

Ein Dieselpartikelfilter wurde mit einem länglichen Gehäuse hergestellt, das ein zylindrisches Mittelteil sowie daran angefügt einen konischen Abgaseinlaß und -auslaß aufweist, im wesentlichen wie in Fig. 1 dargestellt. In dem zylindrischen Mittelteil war ein 2 x 2 Feld von vier parallelen Patronen angebracht, von denen jede ein starres, perforiertes Hohlrohr enthält. Jedes Rohr war aus ziehfähigem Metall (erhältlich unter der Handelsbezeichnung "INCONEL 600D" von Inco Alloys) gebildet, das auf eine Länge von 25,4 cm und einen Durchmesser von 3,8 cm gezogen wurde, um einen elektrischen Widerstand von 0,22 Ohm aufzuweisen. Jede Öffnung des gezogenen Metalls wies eine Fläche von etwa 100 mm² auf und die Öffnungen nahmen zusammen 61 % der perforierten Fläche jedes Rohrs ein. Das Ende jedes Rohrs war in der Nähe des Abgasauslasses mit einer Abdeckung verschlossen und an dem anderen Ende befand sich ein Bund, der das Rohr in der Nähe des Abgaseinlasses offen läßt. Eine kreisförmige Platte in der Nähe des Abgaseinlasses versperrte die Zwischenräume zwischen den Bünden nebeneinanderliegender Rohre und zwischen den Bünden und dem zylindrischen Mittelteil, ohne die offenen Enden der Rohre zu versperren. Die Abdeckung und der Bund reduzierten die perforierte Länge jedes Rohrs auf 22,9 cm. Unter Verwendung eines computergesteuerten Fadenwicklers (Automation Dynamics Model #HWC-860) wurde ein wärmefester Faden bei einer Spannung von etwa 12,75 Newton gewickelt, um die perforierte Fläche jedes Rohrs in der in den Fig. 1-3 gezeigten Weise zu bedecken. Der Faden war ein zwirngedrehter Keramik-Endlosfaden aus Aluminiumoxid- Boroxid-Siliziumoxid-Fasern (nämlich "NEXTEL 312", 1800 Denier 2/2 1,5z Faden), der einen Abschnitt eines niedrigen Grads an Strukturierung und einen weiteren mit mittlerem Grad an Strukturierung aufwies, während ein dritter nicht strukturiert war. Der nichtstrukturierte Faden hatte einen Durchmesser von 0,18 cm, während die Filamentschlaufen sowohl des niedrig strukturierten als auch des mittel strukturierten Fadens in einer Einhüllenden von etwa 1-5 cm Durchmesser vorgesehen waren. Die individuellen Filamente wiesen einen Durchmesser von 10-12 µm auf.
Zuerst wurden fünf Lagen radial ausgerichteten nichtstrukturierten Fadens bei einem Anfangswickelwinkel von 47º aufgebracht, um eine Anfangsfilterbandbreite von 8,15 mm bereitzustellen, und die Anzahl der Zyklen pro Lage war 10.
Nachdem die Spindel des Fadenwicklers 23,5º vorgestellt wurde, wurden acht Lagen niedrig strukturierten Fadens aufgebracht, um die radialen Wände auszubilden, die die vierseitigen Öffnungen der ersten fünf Lagen schneiden.
Nach dem Vorstellen der Spindel um weitere 23,5º wurden acht Lagen mittelstrukturierten Fadens aufgebracht, um die radialen Wände auszubilden, die die vierseitigen Öffnungen der vorhergehenden acht Lagen schneiden.
Das Filterelement der sich daraus ergebenden Patrone hatte einen Durchmesser von etwa 5,8 cm und sein Fadengehalt betrug etwa 170 g.
Die Patronen wurden in zwei identische Dieselpartikelfiltern eingebaut, von denen jeder in dem Auspuffsystem eines 2,3 Liter Vierzylinder-viertakt- Dieselmotors mit indirekter Einspritzung ("CUMMINS 4A2,3" von Cummins Engine Co. in Columbus OH) eingebaut wurde. Die Partikelfiltereffizienz des Dieselpartikelfilters wurde gemessen unter Verwendung bekannter Mehrschichtfilterprobenentnahme stromaufwärts und stromabwärts des Filters unter Verwendung des Filterhandhabungsverfahrens, wie es in 40 CFR 986.1339-86 (1989) skizziert ist. Die verwendeten Membranfilter wiesen einen Durchmesser von 90 mm auf (käuflich erhältlich unter der Handelsbezeichnung "PALLFLEX TEFLON MEMBRANE FILTERS" von Pallflex Products Corp. in Putnam, CT)
Der mit Ruß gefüllte Dieselpartikelfilter wurde mit einer 12-Volt Gleichstromquelle 4,5 Minuten lang bei einer Luftströmung von 1,88 Liter/Sekunde regeneriert, so daß der Gegendruck auf 25,5 cm Wasser bei einer Durchflußrate von 60 Liter/Sekunde reduziert wurde.

Vergleichstest

Ein Dieselpartikelfilter (hier "C-1" genannt) wurde in gleicher Weise hergestellt wie das Beispiel 1, mit Ausnahme der Herstellung des Filterelements von C-1, es wurde der gleiche Faden so aufgebracht, daß die Kerne jeder aufeinanderfolgenden Wicklung mit dem Kern der darunterliegenden Wicklung radial ausgerichtet waren. Die Anfangsfilterbandbreite von C-1 betrug 6,2 mm und war so ausgewählt, daß seine Filterleistung mit derjenigen des Filters nach Beispiel 1 vergleichbar sein würde. C-1 wurde so hergestellt, daß er die folgenden 20 Lagen aufwies:
zunächst 4 Lagen unstrukturierten Fadens,
als nächstes 8 Lagen wenig strukturierten Fadens und
zuletzt 8 Lagen mittelstrukturierten Fadens.
Der gesamte Fadengehalt pro Patrone betrug 300 g.
Durchschnittliche Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1
wobei
A = Anfangsgegendruck in cm Wasser bei einer Strömung von 60 Liter/Sekunde bei 46º C
B = Zeitdauer zum Filtern von Ruß, um den Gegendruck auf 152 cm Wasser zu erhöhen
C = durchschnittliche Menge gefilteter Ruß pro Patrone während der Zeit B
D = Wirkungsgrad bei 127 cm Wasser Gegendruck
E = durchschnittliches Gewicht des Filtermediums
Die Unterschiede bei den Werten C und D liegen innerhalb der Versuchstoleranz. Der signifikant erhöhte Gegendruck (Punkt A) von C-1 verglichen mit Beispiel 1 ergibt sich daraus, daß Beispiel 1 43 % weniger Faden verwendet.

Beispiel 2

Eine Patrone für einen Dieselpartikelfilter wurde wie bei Beispiel 1 hergestellt mit der Ausnahme, daß sie eine einzelne Patrone enthielt. Ein Metallrohr ("INCONEL 600D") wurde so gestanzt, daß eliptische Öffnungen ausgebildet wurden, die etwa 0,75 cm Durchmesser in der Umfangsrichtung und 0,05 cm in Axialrichtung des Rohres aufwiesen. Die Länge des Rohres betrug 38,7 cm, sein Durchmesser betrug 5,1 cm und es hatte einen elektrischen Widerstand von 0,3 Ohm. Seine Öffnungen nahmen etwa 50 % der gesamten projizierten perforierten Fläche des Rohres ein.
Der Faden war ein zwirngedrehter Keramik-Endlosfaden aus Aluminiumoxid-Boroxid-Siliziumoxid-Fasern (nämlich "NEXTEL 440") 2000 Denier 2/2 1,5z Faden, der einen Durchmesser von etwa 0,2 cm aufwies, bevor er in hohem Maße strukturiert wurde, um eine Einhüllende aus Filamentschlaufen von etwa 5-7 cm Durchmesser zu erzeugen. Die einzelnen Filamente hatten einen Durchmesser von etwa 13-15 µm.
Der Faden wurde mit einer konstanten Spannung von 10,7 N gewickelt. Der anfängliche Wickelwinkel betrug 46º, um eine Filterbandbreite von 1,5 cm zu ergeben, und die Anzahl der Durchläufe pro Lage betrug 8, wobei 28 Lagen wie folgt vorgesehen waren:
Das Filterelement der sich daraus ergebenden Patrone hatte einen Außendurchmesser von 7 cm und enthielt 215 g Faden.
Die Patrone wurde in dem Auspuffsystem eines turboaufgeladenen 5,9 Liter Dieselmotors ("CUMMINS 6A3.4") angeordnet, der auf 1.200 U/min bei 6,9 MPa Hydrauliklast eingestellt war, um eine Durchflußrate von 77,9 Liter/Sekunde zu erzeugen. Die Patrone hatte einen Anfangsgegendruck von 22,9 cm Wasser und wurde bis zu 203 cm Wasser aufgefüllt. Die Patrone wurde vor und nach der Befüllung gewogen und es wurde herausgefunden, daß sie 2,4 9 Ruß aufgenommen hatte. Der Wirkungsgrad wurde während des Aufnehmens überprüft unter Verwendung eines Massenaufnahmesystems und es wurde herausgefunden, daß er bei einem Gegendruck von 127 cm Wasser 87 % betrug.
Die mit Ruß gefüllte Patrone wurde bei einer 24 Volt Gleichspannung über eine Zeitdauer von 5 Minuten regeneriert, womit der Gegendruck wieder auf etwa 28 cm Wasser gesenkt wurde.
Dieser Rußaufnahme- und Regenerationszyklus wurde zehn Mal wiederholt, wobei zwischen den Regenerationen 23 Minuten lagen. Am Ende jedes Zyklus betrug der Gegendruck etwa 28 cm Wasser.

Claims

1. Dieselpartikelfilter (10, 40) mit

(a) einem Gehäuse (11, 41) mit zumindest zwei Enden,

(b) eine Einrichtung zum Verbinden der beiden Enden des Gehäuses (11, 41) mit einem Auspuffsystem,

(c) Mitteln zum Halten (18, 50, 51, 52, 54, 55, 56, 58, 59, 60) zumindest eines Rohrs (16, 45, 46, 471 48, 49),

(d) zumindest einem Hohlrohr (16, 45, 46, 47, 48, 49), das zwischen den Enden des Gehäuses (11, 41) verläuft, wobei das Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) zwei Enden, eine äußere Oberfläche und Perforationen (21) aufweist, die eine perforierte Fläche bereitstellen, wobei das Rohr, (16, 45, 46, 47, 48, 49) von den Haltemitteln (18, 50, 51, 52, 54, 55, 56, 58, 59, 60) gehalten wird, und

(e) Mitteln zum versperren (20, 50, 51, 52, 54, 55, 56) von Zwischenräumen an den Enden des Gehäuses (11, 41), die bewirken, daß Abgas in nichtversperrte Zwischenräume an einem Ende des Gehäuses (11, 41) eintritt, um im wesentlichen radial durch jedes Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) hindurchzutreten,

gekennzeichnet durch

(f) ein Filterelement (23, 65), das einen wärmebeständigen Faden aufweist, der spiralförmig um jedes Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) kreuzgewickelt ist, um eine Vielzahl von Fadenlagen (28, 30, 32, 34, 36, 38) zu bilden, wobei der Faden einen Kern aufweist, von dem Filamente oder Fasersegmente (26) nach außen vorstehen, wobei aufeinanderfolgende Wicklungen in jeder Lage (30, 32, 34, 36, 38) entgegengesetzt gewickelt sind, um miteinander verwobene Kerne bereitzustellen, wobei die Kerne der Wicklungen jeder Lage (28, 30, 32, 34, 36, 38) beabstandet sind, um im wesentlichen gleichförmige vierseitige Öffnungen zu ergeben, in denen die vorstehenden Fasersegmente (26) ineinandergreifen, um Auffangstellen für Partikel zu bilden, die von dem Abgas mitgetragen werden, und wobei die Kerne der Wicklungen zumindest einer Lage (28, 30, 32, 34, 36, 38) von Kernen der Wicklungen einer benachbarten Lage (28, 30, 32, 34 36, 38) seitlich versetzt sind, um eine im großen und ganzen radiale Abgasströmung hierdurch in Durchtritte mit mehreren Richtungsänderungen abzulenken.

2. Filter (10, 40) nach Anspruch 1, der zudem zumindest ein zusätzliches derartiges perforiertes Hohlrohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) aufweist, wobei die Achsen der Rohre (16, 45, 46, 47, 48, 49) parallel und die Filterelemente (23, 65) voneinander beabstandet sind.

3. Filter (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die perforierten Rohre (45, 46, 47, 48, 49) konzentrisch sind und die Sperrmittel (50, 51, 52, 54, 55, 56) Zwischenräume zwischen den Rohren (45, 46, 47, 48, 49) an den Enden (43, 44) der Rohre (45, 46, 47, 48, 49) versperren, wobei nebeneinanderliegende Zwischenräume nur in der Nähe abwechselnder Enden der Rohre (45, 46, 47, 48, 49) versperrt werden.

4. Filter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die perforierten Rohre (16) nebeneinander angeordnet sind und die Sperrmittel (20) ein Ende jedes Rohrs (16) nur in der Nähe von einem Ende des Gehäuses (11) versperren und Zwischenräume zwischen den Rohren (16) nur in der Nähe des anderen Endes des Gehäuses (11) versperren.

5. Filter (10, 40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der wärmebeständige Faden einen Keramikfaden aufweist.

6. Filter (10, 40) nach Anspruch 5, bei dem der Keramikfaden einen Endlosfaden aufweist, von dem Schlaufen durchgehender Filamente und/oder von Fasersegmenten (26) nach außen vorstehen.

7. Filter (10, 40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jede Wicklung des Fadens in dem perforierten Bereich jedes Rohrs (16, 45, 46, 47, 48, 49) in einem Winkel von 30º bis 70 º zur Achse des Rohrs (16, 45, 46, 47, 48, 49) verläuft, wobei der Faden einen Durchmesser von 1 bis 10 mm aufweist.

8. Filter (10, 40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Rohr, das mit geformten Öffnungen ausgebildet ist, einem rohrförmigen Drahtsieb und einem röhrenförmigen Streckgitter besteht, und bei der an jedem Ende des Rohrs (16, 45, 46, 47, 48, 49) eine nichtperforierte Fläche vorgesehen ist, und wobei an den nichtperforierten Flächen der Faden dicht gewickelt ist, um relativ dicke Endwände bereitzustellen, die für die Abgasströmung im wesentlichen undurchlässig sind.

9. Filter (10, 40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kerne von zumindest einer Fadenlage (30, 32, 34, 36, 38) radial ausgerichtet sind mit Kernen einer darunterliegenden Lage (28, 30, 32, 34, 36) und die radial ausgerichteten Kerne zusammen Wände bilden.

10. Filter (10, 40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kerne von Wicklungen von 5 bis 15 Lagen (30, 32, 34, 36, 38) seitlich versetzt sind von Kernen von Wicklungen der darunterliegenden Lage (28, 30, 32, 34, 36).

11. Patrone zur Verwendung in einem Dieselpartikelfilter, wobei die Patrone aufweist:

(a) ein perforiertes Hohlrohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) und

(b) Mittel (18; 56, 60) zum Anbringen der Patrone in einem Dieselpartikelfilter,

gekennzeichnet durch

(c) ein Filterelement (23, 65), das einen wärmebeständigen Faden aufweist, der spiralförmig auf ein Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49) kreuzgewickelt ist, um eine Vielzahl von Fadenlagen, (28, 30, 32, 34, 36, 38) zu bilden, wobei der Faden einen Kern aufweist, von dem Filamente oder Fasersegmente (26) nach außen vorstehen, wobei aufeinanderfolgende Wicklungen in jeder Lage (30, 32, 34, 36, 38) entgegengesetzt gewickelt sind, um miteinander verwobene Kerne bereitzustellen, wobei die Kerne der Wicklungen jeder Lage (28, 30, 32, 34, 36, 38) voneinander beabstandet sind, um im wesentlichen gleichförmige vierseitige Öffnungen bereitzustellen, in denen die vorstehenden Fasersegmente (26) ineinandergreifen, um Auffangstellen für Partikel zu bilden, die mit dem Abgas mitgetragen werden, wobei die Kerne der Wicklungen von zumindest einer Lage (28, 30, 32, 34, 36, 38) seitlich versetzt sind von Kernen von Wicklungen einer benachbarten Lage (28, 30, 32, 34, 36, 38), um Abgase, die im großen und ganzen radial durch die Patrone strömen, in Durchtritte mit mehreren Richtungsumkehren abzulenken.

12. Verfahren zum Herstellen einer Patrone nach Anspruch 11, wobei das Verfahren die sequentiellen Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen von zumindest einem perforierten Hohlrohr (16, 45, 46, 47, 48, 49)

gekennzeichnet durch:

(b) spiralförmiges Kreuzwickeln der ersten Lage (28) von Wicklungen des Fadens mit einem Kern, von dem Filamente oder Fasersegmente (26) nach außen vorstehen, auf dem Rohr (16, 45, 46, 47, 48, 49), wobei aufeinanderfolgende Wicklungen in jeder Lage (28) entgegengesetzt gewickelt sind, um miteinander verwobene Kerne bereitzustellen, wobei die Wicklungen anfangs weit beabstandet sind und dann mit nachfolgenden Wicklungen verschachtelt sind, bis die Kerne nebeneinanderliegender Wicklungen im wesentlichen gleichförmig beabstandet sind und vierseitige Öffnungen festlegen, in denen die vorstehenden Fasersegmente (26) ineinandergreifen, um Auffangstellen zu bilden, und

(c) spiralförmiges Kreuzwickeln zumindest einer zusätzlichen Fadenlage (30, 32, 34, 36, 38) über der ersten Lage (28), wobei Kerne, die gleiche Öffnungen festlegen, durch gleiche Auffangstellen überbrückt werden und von Kernen der ersten Lage (28) seitlich versetzt sind, so daß sie Gase, die im großen und ganzen radial durch die Patrone strömen, in Durchtritte mit mehreren Richtungsumkehren ablenken.