DE69620251T2 - Filterpatrone für heisse abgase - Google Patents

Filterpatrone für heisse abgase

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen Filter zum Entfernen von Partikeln aus Gasströmen und insbesondere ein Filter, das zum Verbessern der Strömungsrate und des Druckabfalls einer regenerierbaren Filterpatrone geeignet ist. Obwohl in dieser Anmeldung die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Abgasfilter für Dieselmotore beschrieben ist, ist die Erfindung auf einfache Weise zum Filtern von Partikeln aus anderen Arten von Gasströmen adaptierbar.
  • Dieselmotore stoßen ein gefährliches rußiges Abgas aus, dessen Gefährlichkeit durch Verwendung von Dieselpartikelfiltern reduziert werden kann. Die Filter fangen von einem Motor abgegebene Rußpartikel auf und verhindern somit, dass die Partikel in die Atmosphäre gelangen. Der von solchen Filtern aufgefangene Ruß lagert sich jedoch mit der Zeit ab. Bei Rußablagerungen im Filter sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Filters, erfolgt ein größerer Druckabfall am Filter und erfährt der Motor einen höheren Auspuffdruck, durch den die Motorleistung reduziert wird. Daher muss das verstopfte Filter periodisch entweder ersetzt oder regeneriert werden. Je nach der Geschwindigkeit, mit der sich die Filter mit Rußpartikeln füllen, ist das Ersetzen der verstopften Filter lästig und teuer. Daher ist eine periodische Regenerierung des Filters (d. h. Entfernen des aufgefangenen Rußes) das bevorzugte Verfahren zum Aufrechterhalten eines sauberen Filters.
  • Es gibt mehrere Methoden zum Regenerieren von Dieselpartikelfiltern. Die Methoden umfassen typischerweise das Zünden der aufgefangenen Rußpartikel im Filter, wodurch der Ruß aus dem Filter herausgebrannt wird. Eine Methode umfasst das periodische Freigeben eines Brenngases in den Filter, wie in US-A-4,912,920 beschrieben. Eine weitere Methode umfasst elektrische Heizelemente, die mit den Filterelementen in Kontakt stehen. Ein elektrisch regenerierbares Filter ist in US-A-5,252,164 beschrieben. Eine dritte Methode nutzt Mikrowellenenergie zum Erhitzen des Filters, wodurch ein Zünden und Verbrennen der in dem Filter eingefangenen Partikel bewirkt wird, so dass das Filter regeneriert wird. Ein durch Mikrowellen regenerierbares Filter ist in US- A-5,453,116 beschrieben.
  • Bei Filteranordnungen, die durch Zünden des aufgefangenen Rußes mittels eines Verbrennungsgaszusatzes oder elektrischer Widerstandsbeheizung regeneriert werden, werden typischerweise Metallstrukturen zum Tragen des Filterelements oder zum Bereitstellen einer Widerstandsbeheizung verwendet, während bei Filtern, die durch Zünden des aufgefangenen Rußes mittels Mikrowellenenergie regeneriert werden, typischerweise poröse nichtmetallische Strukturen zum Tragen des Filterelements verwendet werden. Eine perforierte Metallrohr-, Sieb-, Walzdraht- o. ä. Struktur wird häufig zum Tragen eines Filterelements verwendet. In US-A-5,258,164 ist z. B. eine zwischen einem inneren Filterelement 20 und einem äußeren Filterelement 22 positionierte elektrisch widerstandsfähige Streckmetallhülse 21 beschrieben, die zum Erwärmen und dadurch zum Regenerieren der Filterelemente 20, 22 verwendet wird. Dieselabgas tritt in das Innere der porösen Tragstruktur ein und läuft radial durch die Filterelemente 20, 22.
  • Die Verwendung einer regenerierbaren Filterpatrone wird durch die Strömungsrate des Abgases in der Filterpatrone und den Druckabfall über die Filterpatrone eingeschränkt. Da sich die Strömungsrate oder der Druckabfall über die Filterpatrone erhöht, erhöht sich auch die auf die Innenseite des Filterelements wirkende Kraft. Die Vergrößerung der Kraft bewirkt häufig, dass sich das Filterelement nahe der Mitte der Filterpatrone aufweitet oder "ballonartig aufbläht", was zu einer Verkürzung der Gesamtlänge des Filterelements führt. Wenn sich das Filterelement ballonartig aufbläht, kann die poröse Struktur, die das Filterelement trägt, an ihrem Ende frei liegen und das Abgas aus der Filterpatrone ausströmen, ohne das Filterelement durchlaufen zu haben. Die daraus resultierende Leckage verringert die Filterpatronenleistung.
  • In EP-A-608 783 sind eine Dieselpartikel-Filterpatrone mit einem längsverlaufenden hohlen Rohr mit einem perforierten Bereich und einem Endbereich und ein Filterelement auf dem hohlen Rohr beschrieben, wobei das Filterelement über den Außendurchmesser des perforierten Bereichs und des Endbereichs verläuft.
  • Es besteht daher Bedarf an einer regenerierbaren Filterpatrone, die als Filter wirkt und gegen Ausfall aufgrund von "ballonartigem Aufblähen" des Filterelements beständig ist und die einfach und kostengünstig herzustellen ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Filterpatrone gemäß Anspruch 1. Die anderen Ansprüche betreffen zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines Reingasstroms. Die Erfindung umfasst ein Partikelfilter mit einem längslaufenden hohlen Rohr mit einem perforierten Bereich und einem offenen Endbereich. Der offene Endbereich hat einen ersten Außendurchmesser, und der perforierte Bereich hat einen zweiten Außendurchmesser. Der erste Durchmesser des offenen Endbereichs ist kleiner als der zweite Durchmesser des perforierten Bereichs, und beide Durchmesser sind durch eine Schulter miteinander verbunden. Ein Filterelement ist um das hohle Rohr angeordnet und verläuft über den zweiten Durchmesser des perforierten Bereichs und den ersten Durchmesser des offenen Endbereichs.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Schnittansicht eines Dieselpartikel-Abscheiders, bei dem die erfindungsgemäße Partikelpatrone verwendet wird;
  • Fig. 2 eine Schnittansicht einer dem Stand der Technik entsprechenden Partikelpatrone;
  • Fig. 3 eine Vorderansicht einer dem Stand der Technik entsprechenden Partikelpatrone mit einem "ballonartig aufgeblähten" Filterelement; und
  • Fig. 4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Partikelpatrone.
  • Obwohl die oben genannten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen zeigen, dienen die dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur der Erläuterung und dürfen nicht als Einschränkung angesehen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche Modifikationen und Ausführungsformen von Fachleuten auf dem Sachgebiet entwickelt werden können, die in den Umfang des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine effiziente Filterpatrone bereit, die zum Regenerieren (d. h. Ausbrennen des aufgefangenen Rußes) geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Verhindern eines "ballonartigen Aufblähens" der Filtermedien der Partikelpatrone während des Betriebs geeignet.
  • In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und in den Ansprüchen haben die folgenden Ausdrücke die nachstehend festgelegte Bedeutung:
  • "Anorganische Faser" bezieht sich auf eine beliebige anorganische Faser, die beständig ist gegen hohe Temperaturen (z. B. Temperaturen über ungefähr 600ºC), chemisch beständig ist gegen Dieselabgas und Textilqualitäten aufweist (d. h. zum Herstellen eines Garns oder Gewebes geeignet ist, aus dem das Tragrohr hergestellt werden kann oder das um das Tragrohr gespult oder gewickelt werden kann);
  • "Seil" bedeutet mehrere oder ein Bündel einzelner Fasern oder Fäden;
  • "Garn" bedeutet mehrere oder ein Bündel einzelner Fasern oder Fäden, die miteinander verdreht sind;
  • "Anorganisches Endlosfaden-Garn" bezieht sich auf ein beliebiges anorganisches Garn, das gegen hohe Temperaturen beständig ist (z. B. Temperaturen über ungefähr 600ºC) und das ausreichend lang ist, um mindestens einmal um den Umfang des Tragrohrs gewickelt zu werden; vorzugsweise ist das Endlosgarn mindestens 25 cm lang, besser noch mindestens 1 m lang.
  • Gemäß Fig. 1 weist ein Dieselpartikelabscheider 10 ein Gehäuse 12 mit einem zylindrischen Körper 14, einem Abgaseinlass 16 und einem Abgasauslass 18 auf. In dem zylindrischen Körper 14 befinden sich mehrere parallele nebeneinander angeordnete Filteranordnungen 20, von denen jede angrenzend an den Abgaseinlass 16 offen und angrenzend an den Abgasauslass 18 blockiert ist. Die Filteranordnungen 20 verlaufen zwischen einer Endwand 22, die dem Abgasgaseinlass 16 benachbart ist, und einer Endwand 24, die dem Abgasauslass 18 benachbart ist. Die Filteranordnungen 20 sind durch ein offenes Einlassrohr 26 bzw. eine geschlossene Endkappe 28 mit der Endwand 22 und der Endwand 24 verbunden. Die Endwand 22 und die Endwand 24 sind mit dem zylindrischen Körper 14 verbunden und unterstützen das Leiten des Abgases 29 durch die Filteranordnungen 20. Die Endwand 22 blockiert die Räume zwischen benachbarten Filterpatronen 20, so dass das Abgas (siehe Pfeile 29 in Fig. 1), das in dem Abgaseinlass 16 eintritt, durch das offene Einlassrohr 26 in das Innere der Filterpatrone 20 strömt. Die geschlossene Endkappe 28 blockiert das Ende der Filteranordnungen 20 an der Endwand 24 und zwingt das Abgas 29, vor dem Austreten durch Öffnungen 31 in der Endwand 24, die dem Abgasauslass 18 benachbart ist, die Filterpatrone 20 radial zu durchlaufen und diese außen entlang zu laufen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Abgas 29 derart geleitet werden, dass das Abgas 29 radial von der Außenseite der Filterpatrone 20 in das Innere der Filterpatrone 20 strömt und dann durch ein offenes Ende der Filterpatrone ausströmt.
  • Eine dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone 20 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Filterpatrone 20 ist als Patrone ausgebildet. Ein perforiertes Tragrohr 30 verläuft zwischen dem offenen Einlassrohr 26 und der geschlossenen Endkappe 28. Ein Filterelement 32 ist über dem Tragrohr 30, dem Einlassrohr 26 und der Endkappe 28 angeordnet. Die Filterpatrone 20 umfasst somit das Tragrohr 30, das offene Einlassrohr 26, die geschlossene Endkappe 28 und das Filterelement 32.
  • Das Filterelement 32 kann verschiedene Arten von anorganischem Material aufweisen. Das anorganische Garn kann z. B. im wesentlichen spiralförmig oder kreuzförmig über das Tragrohr 30 gewickelt sein, um ein Filterelement 32 zu bilden. Wahlweise können mehr als eine Art von Filtermaterial kombiniert werden, um das Filterelement 32 zu bilden. Eine nichtgewebte Matte kann z. B. zwischen dem Tragrohr 30 und einem anorganischen Garn angeordnet sein, das im wesentlichen spiralförmig oder kreuzförmig über die nichtgewebte Matte und das Tragrohr 30 gewickelt sein kann. Es kann eine beliebige andere Kombination von Filtermaterialien, die die gewünschte Filterleistung bieten, verwendet werden. Bei dem das Filterelement 32 aufweisenden anorganischen Material kann es sich z. B. um Glasfasern oder Keramikmaterial handeln.
  • Gemäß Fig. 2 verläuft das Filterelement 32 über das perforierte Tragrohr 30 und auf das Einlassrohre 26 und die Endkappe 28. Die Außendurchmesser des Einlassrohrs 26 und der Endkappe 28 entsprechen ungefähr dem Außendurchmesser des perforierten Tragrohrs 30. Wie oben gesagt, tritt während des Betriebs Abgas 29 durch das offene Einlassrohr 26 in die Filterpatrone 20 ein und strömt radial durch das Filterelement 32. Wenn sich die Strömungsrate oder der Druckabfall über die Filterpatrone 20 erhöht, erhöht sich auch die auf die Innenfläche 34 des Filterelements 32 wirkende Kraft. Gemäß Fig. 3 bewirkt die größere Kraft, dass sich das Filterelement 32 nahe der Mitte der Filterpatrone 20 ausdehnt ("ballonartig aufbläht"), was zu einer Verkürzung der Gesamtlänge des Filterelements 32 führt. Wenn die effektive Länge des Filterelements 32 verkürzt wird, werden die Perforationen 36 im Tragrohr 30 freigelegt.
  • Der einzige Widerstand gegen den Aufbläheffekt ist die Dichtung zwischen dem Filterelement 32 und dem Einlassrohr 26, der Endkappe 28 und dem Tragrohr 30. Die Dichtung zwischen dem Filterelement 32 und dem Einlassrohr 26, der Endkappe 28 und dem Tragrohr 30 wird von der Spannung und dem Wicklungswinkel bestimmt, mit dem die Keramikfaser auf das Tragrohr 30 aufgewickelt ist. Die Dichtungsfestigkeit ist das Produkt des Kosinus des Wicklungswinkels mal der Spannung in der Keramikfaser. Die Dichtungsfestigkeit bestimmt die Strömungsrate und den Druckabfall, denen die Filterpatrone ohne ballonartiges Aufblähen standhalten kann. Derzeit sind dem Stand der Technik entsprechende Filterpatronen, wie sie in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, auf Strömungsraten von ungefähr 1,27 m³/Min. (45 acfm) und Druckabfälle von ungefähr 14,91 kPa (60 Inch H&sub2;O) begrenzt. Wenn die Dichtung zwischen dem Filterelement 32 und dem Einlassrohr 26, der Endkappe 28 und dem Tragrohr 30 gebrochen ist, werden die Perforationen 36 in dem Tragrohr 30 freigelegt und kann das Abgas durch die Perforationen 36 strömen, ohne das Filterelement 32 durchlaufen zu haben. Durch den daraus resultierenden Leckagepfad wird die Filterpatronenleistung reduziert.
  • Die vorliegende Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, eliminiert den Aufbläheffekt und verbessert folglich die Strömungsrate und den Druckabfall einer als aufgewickelte Faser ausgebildeten regenerierbaren Dieselpartikel-Filterpatrone durch Verbessern der Festigkeit der Dichtung zwischen dem Filterelement und dem Tragrohr. Die erfindungsgemäße Filterpatrone 120 weist ein offenes Einlassrohr 126 und eine geschlossene Endkappe 128 auf. Ein perforiertes Tragrohr 130 verläuft zwischen dem offenen Einlassrohr 126 und der geschlossenen Endkappe 128. Ein Filterelement 132 ist über dem Tragrohr 130, dem Einlassrohr 126 und der Endkappe 128 angeordnet. Das Filterelement ist vorzugsweise aus einem anorganischen Garn gebildet, das im wesentlichen spiralförmig oder kreuzförmig auf das Tragrohr 130 aufgewickelt ist.
  • Das Einlassrohr 126 und die Endkappe 128 sind "stufenförmig" ausgebildet und weisen radiale Schultern 140 bzw. 142 auf. Wie durch Vergleich der in Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen Filterpatrone 120 und der in Fig. 2 gezeigten, dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone ersichtlich, ist das Filterelement 32 der dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone in einer ganz anderen Weise auf dem Tragrohr 30 positioniert als das Filterelement 132 auf dem Tragrohr 130 der erfindungsgemäßen Filterpatrone 120 positioniert ist. Bei der erfindungsgemäßen Filterpatrone 120 verläuft das spiralförmig gewickelte oder kreuzgewickelte Garn des Filterelements 132 derart über die radialen Schultern 140, 142, dass sich Endbereiche 152 des Filterelements 132 auf den reduzierten Durchmesserbereich 154 des Einlassrohrs 126 bzw. der Endkappe 128 erstrecken. Die radialen Schultern 140, 142 ermöglichen eine Erhöhung der Festigkeit der Dichtung zwischen dem Filterelement 132 und dem Tragrohr 130. Die radialen Schultern 140, 142 haben eine ausreichende Höhe "H", die es ermöglicht, dass das spiralförmig gewickelte oder kreuzgewickelte Garn des Filterelements 132 an dem Tragrohr 130 befestigt wird. Vorzugsweise haben die radialen Schultern 140, 142 eine Höhe "H" im Bereich von 3,2 mm bis 19,0 mm (1/8 Inch bis 3/4 Inch).
  • Wenn sich der Druckabfall über die erfindungsgemäße Filterpatrone 120 erhöht und die auf die Innenfläche 134 des Filterelements 132 wirkende Kraft ebenfalls erhöht, kann sich das über die radialen Schultern 140, 142 verlaufende Filterelement 132 nicht bewegen. Wenn der Mittelbereich des Filterelements 132 versucht, sich aufgrund des steigenden Druckabfalls über das Filterelement 132 "ballonartig aufzublähen", wird ein Bewegen der über die radialen Schultern 140, 142 verlaufenden Bereiche 152 des Filterelements 132 verhindert. Die effektive Länge des Filterelements 132 kann nicht verkürzt werden, wenn die Endbereiche 152 in ihrer Bewegung eingeschränkt werden, und das Filterelement 132 wird somit an einem ballonartigen Aufblähen gehindert. Dies ermöglicht es der Filterpatrone 120, mit höheren Strömungsraten und Druckabfällen bei Aufrechterhaltung der Filterleistung fertig zu werden als die in Fig. 2 gezeigte, dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone 20.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filterpatrone 120 ist das Tragrohr 130 ein elektrisch widerstandsfähiges Rohr, wie das in US-A-5,409,669 beschriebene Rohr. Zur Unterstützung bei der Befestigung der Filterpatrone 120 in einem Dieselpartikelabscheider (wie in Fig. 1 gezeigt) können eine Grundplatte 160 und ein Befestigungsbolzen 162 an dem Einlassrohr 126 bzw. der Endkappe 128 befestigt sein. Alternativ kann die Filterpatrone 120 mit anderen auf dem Sachgebiet bekannten Mitteln, wie z. B. Schweißen, Verschrauben etc., in einem Dieselpartikelabscheider befestigt sein.
  • Wie oben gesagt, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Filterelement 132 aus einem anorganischen Garn, das im wesentlichen spiralförmig oder kreuzförmig um das Tragrohr 130 gewickelt ist, gebildet. Beispiele für Methoden zum Wickeln des anorganischen Garns um das Tragrohr 130 sind in US-A-5,248,481, in der ein Verfahren mit seitlich versetzter Wicklung beschrieben ist, und US-A-5,248,482, in der ein Verfahren mit radial ausgerichteter Wicklung beschrieben ist, aufgeführt.
  • Bei dem Verfahren mit seitlich versetzter Wicklung wird ein Endlosfaser-Garn, das texturiert ist, um mehrere Schlaufen von Endlosfasern oder Fasersegmenten, die von dem Kern des Garns vorstehen, bereitzustellen, im wesentlichen spiralförmig um das Tragrohr kreuzgewickelt, um mehrere Garnlagen zu bilden. Aufeinanderfolgende Windungen in jeder Lage sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, so dass miteinander verwobene Kerne gebildet werden. Die Kerne aufeinanderfolgender Windungen jeder aufeinanderfolgenden Lage sind voneinander beabstandet, um vierseitige Öffnungen zu bilden, wobei die Schlaufen der Fasern oder Fasersegmente auf dem texturierten Garn in jede der vierseitigen Öffnungen eingreifen, um einen Abscheider für in dem Abgas enthaltene Partikel zu bilden. Die Kerne des Garns in mindestens einer Lage sind von den Kernen des Garns in einer benachbarten Lage seitlich versetzt, um das Gas in einen durch das Filtermaterial führenden kurvenreichen Pfad abzulenken.
  • Bei dem Verfahren mit radial ausgerichteter Wicklung wird ebenfalls ein texturiertes Endlosfaden-Garn verwendet, das um das Tragrohr kreuzgewickelt ist.
  • Aufeinanderfolgende Windungen von Garn sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, um miteinander verwobene Kerne zu bilden, wobei die Kerne der aufeinanderfolgenden Windungen jeder Lage radial ausgerichtet sind, um beabstandete Wände zu bilden, die vierseitige Öffnungen begrenzen. Die Schlaufen der Fasern oder Fasersegmente des texturierten Garns greifen in jede der vierseitigen Öffnungen ein, um einen Abscheider für Dieselabgaspartikel zu bilden.
  • Vorzugsweise hat das über das Tragrohr 130 gewickelte oder kreuzgewickelte anorganische Garn einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 5 mm, besser noch im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 3 mm. Solche Garne weisen typischerweise ungefähr 780 bis ungefähr 7800 einzelne anorganische Fasern auf. Vorzugsweise weisen die anorganischen Garne ungefähr 1.560 bis ungefähr 4.680 einzelne Fasern auf. Vorzugsweise weist das anorganische Garn eine Zwirnverdrehung auf, da eine solche Konstruktion texturierbar ist, um ein höherwertiges Filtermaterial gegenüber anorganischem Garn ohne Zwirnverdrehung zu bilden.
  • Durch die Texturierung des anorganischen Garns wird die Filter- oder Abscheideeffizienz verbessert. Vorzugsweise ist das anorganische Garn derart texturiert, dass es offen ist, z. B. ist es so texturiert, dass Schlaufen von Endlosfasern, einzelnen Fasersegmenten oder einer Kombination daraus von einem dichten Kern nach außen vorstehen. Schlaufen von Endlosfasern sind die bevorzugteste Variante. Das anorganische Garn kann mittels auf dem Sachgebiet bekannter Methoden texturiert werden, einschließlich z. B. der Luftdüsen- oder mechanischen Texturierung. Luftdüsentexturierung wird bevorzugt, da dadurch im wesentlichen ein texturiertes Garn mit weniger Fasersegmenten und mehr Faserschlaufen hergestellt wird als bei durch Anwendung der mechanischen Methode texturiertem Garn. Eine für diesen Zweck geeignete Luftdüsen-Texturiermaschine ist unter dem Markennamen MODEL 17 SIDEWINDER bei Enterprise Machine and Development Corporation, New Castle, Delaware, erhältlich. Vorzugsweise hat das texturierte anorganische Garn einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 10 mm. Bei einer bevorzugteren Variante liegt der Durchmesser des texturierten anorganischen Garns im Bereich von ungefähr 3 bis ungefähr 6 mm.
  • Die anorganischen Fasern, die das anorganische Garn bilden, haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 20 Mikrometern. Bei einer bevorzugteren Variante haben die anorganischen Fasern einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 7 bis ungefähr 15 Mikrometern. Fasern mit einem Durchmesser innerhalb der spezifizierten Bereiche sind generell einfacher herzustellen und zu texturieren als Fasern mit Durchmessern, die beträchtlich außerhalb dieser Bereiche liegen. Ferner können Fasern mit einem Durchmesser, der wesentlich unter 5 Mikrometern liegt, leicht beschädigt werden (d. h. beim Texturieren brechen). Fasern mit einem Durchmesser von wesentlich über 25 Mikrometern bilden typischerweise ein Filter, das weniger effizient ist als Fasern mit Durchmessern innerhalb der spezifizierten Bereiche.
  • Die anorganischen Fasern, die das anorganische Garn bilden, sind vorzugsweise wärmebeständig. Die wärmebeständigen Fasern können z. B. amorph, polykristallin oder eine Kombination daraus sein. Geeignete wärmebeständige Fasern umfassen spezielle Hochtemperatur-Glasfasern, wie z. B. S2 GLASS oder E GLASS, die bei Owens-Corning, Toledo, Ohio, erhältlich sind; stranggeschmolzene Silicafasern, wie z. B. abgeschmolzenes QUARTZELTM Quarzgarn, das bei Quartz Products Corporation, Louisville, Kentucky, erhältlich ist; und Fasern aus Keramik-Metalloxiden, wie z. B. Keramikfasern NEXTELTM 312, 440 oder 550, die bei 3M Company, St. Paul, Minnesota, erhältlich sind. Gewirkte, gewebte oder geflochtene Gewebe aus Mischungen der Glas- und Keramikgarne können ebenfalls verwendet werden. Bei Anwendungen unterhalb von ungefähr 330ºC können herkömmliche Glasfasern benutzt werden.
  • Zur Erzielung eines verbesserten Filterwirkungsgrads ist anorganisches Garn vorzugsweise im wesentlichen spiralförmig oder kreuzförmig um das Tragrohr 130 gewickelt, wie oben beschrieben. Das anorganische Garn kann derart um das Tragrohr 130 gewickelt sein, dass die Kerne der aufeinanderfolgenden Windungen jeder aufeinanderfolgenden Lage radial ausgerichtet sind (wie in US-A-5,248,482 beschrieben), oder das anorganische Garn kann derart um das Tragrohr 130 gewickelt sein, dass die Kerne aufeinanderfolgender Windungen von aufeinanderfolgenden Lagen seitlich voneinander versetzt sind (wie in US-A-5,248,481 beschrieben).
  • Vorzugsweise hat jedes Filterelement eine Dicke im Bereich von ungefähr 1 bis 25 mm. Bei Filterelementen mit im wesentlichen spiralförmig gewickeltem oder kreuzgewickeltem texturierten Garn mit anorganischen Fasern liegt die bevorzugte Gesamtdicke der gewickelten oder kreuzgewickelten Fasern im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 15 mm. Dicken, die die aufgeführten Bereiche wesentlich übersteigen, können zu einer starken Kostensteigerung und ferner zu unerwünscht hohen Auspuffdrücken führen, wohingegen Dicken, die die aufgeführten Bereiche wesentlich unterschreiten, zu einem inadäquaten Filterwirkungsgrad führen können.
  • Jedes Filterelement 132 kann alternativ eine Lage oder mehrere Lagen aus mehr als einer Art von Filtermaterial aufweisen. Das Filterelement 132 kann z. B. eine Lage oder mehrere Lagen aus im wesentlichen spiralförmig gewickeltem oder kreuzgewickeltem anorganischen Garn aufweisen, oder es kann eine Lage oder mehrere Lagen aus nichtgewebten Matten mit anorganischen Fasern aufweisen, wobei die Matte von im wesentlichen spiralförmig gewickeltem oder kreuzgewickeltem anorganischen Garn an dem Tragrohr 130 gehalten wird.
  • Die folgende Beispiele dienen zur Darstellung der durch die Erfindung realisierten verbesserten Leistung, sie dürfen jedoch nicht als Einschränkung angesehen werden.
    • BEISPIELE
  • Es wurden Tests zur Bestimmung der Verbesserung der Filterpatronenleistung bei "gestufter" Patronenkonfiguration durchgeführt. Bei Test 1 handelte es sich um einen Kurzzeittest bei großem Druckabfall und hoher Strömungsrate. Bei Test 2 handelte es sich um einen Langzeit-Lebensdauertest bei erhöhtem Druckabfall und hoher Strömungsrate. Bei Test 3 handelte es sich um einen Charakterisierungstest zum vollständigen Charakterisieren der Unterschiede zwischen der dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone 20 und der erfindungsgemäßen Filterpatrone 120 (mit dem "gestuften" Einlassrohr 126 und der "gestuften" Endkappe 128).
    • Test 1: Kurzzeittest bei großem Druckabfall und hoher Strömungsrate
  • Das Ziel von Test 1 war die Untersuchung der kurzzeitigen stabilen Filterleistung einer dem Stand der Technik entsprechenden, elektrisch regenerierbaren Filterpatrone und der erfindungsgemäßen Filterpatrone. Die dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone und die erfindungsgemäße Filterpatrone waren in jeder Hinsicht identisch, mit der Ausnahme, dass bei der erfindungsgemäßen Filterpatrone ein "gestuftes" Einlassrohr vorgesehen war. Die Filterelemente der beiden Testpatronen waren ansonsten identisch. Testbedingungen waren: 1) 10-minütige Regeneration, gefolgt von einer einminütigen Abkühlphase; 2) Auslösung der Regenerierung wurde bei 60 kPa; 3) Abgasströmung durch die Patrone von 2,81 m³/Minute/Patrone bei einer Abgasrohrtemperatur von 450ºC; 4) Erzeugung des Abgases von einem 2,3-Liter-4-Zylinder-Dieselmotor bei 1845 UpM und einer Last von 98 N·m; 5) Verwendung von Kraftstoff mit niedrigem Schwefelgehalt (0,05%) und von aschearmem Öl; und 6) Platzierung von zwei Filterpatronen in einen Testkanister.
  • Die für diesen Test geltenden Testbedingungen erzeugten eine fünffache Erhöhung des Druckabfalls und eine zweifache Erhöhung der Strömungsrate gegenüber dem typischen Druckabfall und der typischen Strömungsrate einer dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone.
  • Die während des Tests erfassten Daten enthielten den Zeitraum zwischen Regenerationen und den Auspuffdruck nach der Regeneration. Dieser Test diente zur Bestimmung der kurzzeitigen Leistung der Erfindung. Die Erfindung wurde durch Belasten der Filterpatronen (der dem Stand der Technik entsprechenden Patrone und der erfindungsgemäßen Patrone) mit Ruß auf den vorbestimmten Druckabfall von 60 kPa getestet. Bei Erreichen dieses Druckabfalls durch die Filterpatronen wurden diese regeneriert und wurde der Lastzyklus wiederholt. Der Test wurde vierundzwanzig Stunden lang durchgeführt, um die Belastungszeit zwischen den Regenerationen aufzuzeichnen.
  • Wenn die Belastungszeit zwischen den Regenerationen konstant blieb, haben die Filterpatronen den Test bestanden. Das bedeutet, dass keine Änderung in der Leistung der Filterpatronen während des Tests eingetreten ist. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Tests zwischen der Standard-Filterpatrone und der erfindungsgemäßen Filterpatrone mit dem gestuften Einlassrohr.
  • Gemäß den in Tabelle 1 aufgeführten Daten ist die dem Stand der Technik entsprechende Patrone nach 5 Betriebsstunden ausgefallen. Die Zeit, die die dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone benötigte, um den zum Auslösen der Regeneration erforderlichen Druckabfall zu erreichen, hatte sich auf 300 Minuten erhöht, was ein Anzeichen für das Vorhandensein eines Lecks war. Eine Untersuchung der dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone zeigte, dass ein "ballonartiges Aufblähen" stattgefunden hatte. Eine weitere Verwendung führte zu einem Totalausfall der dem Stand der Technik entsprechenden Filteranordnung, was durch eine unendliche Belastungszeit nachgewiesen wurde (wodurch angezeigt wurde, dass der zum Auslösen der Regeneration erforderliche Druckabfall nie erreicht worden war). Im Gegensatz dazu hat die erfindungsgemäße Filterpatrone den Test bestanden. Obwohl die endgültige Belastungszeit der erfindungsgemäßen Filterpatrone von 105 auf 120 Minuten angestiegen ist, bedeutet dies eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone. Tabelle 1. Leistungs-Ergebnisse
  • *Der Druckabfall nivellierte sich und vergrößerte sich nicht, so dass die Regenerations-Auslösegrenze nie erreicht wurde.
    • Test 2: Langzeittest bei großem Druckabfall und hoher Strömungsrate
  • Das Ziel von Test 2 war die Untersuchung der stabilen Langzeit-Filterleistung (bei hoher Strömungsrate und großem Druckabfall) der erfindungsgemäßen Filterpatrone. Die Filterpatronenleistung wurde über eine Betriebszeit von ungefähr 1500 Stunden beobachtet. Die "gestufte" Konfiguration wurde sowohl bei dem Einlassrohr 126 als auch bei der Endkappe 128 der erfindungsgemäßen Filterpatrone realisiert. Testbedingungen waren: 1) 10-minütige Regeneration, gefolgt von einer einminütigen Abkühlphase; 2) Auslösung der Regenerierung bei 40 kPa; 3) Abgasstrom durch die Patronen von 2,8 m³/Minute/- Patrone bei einer Abgasrohrtemperatur von 450ºC; 4) Erzeugung von Abgas mit einem 2,3-Liter-4-Zylinder-Dieselmotor bei 1845 UpM und einer Last von 98 N·m; 5) Verwendung von Kraftstoff mit niedrigem Schwefelgehalt (0,05%) und von aschearmem Öl; und 6) Platzieren von zwei Filterpatronen in einen Kanister. Die beobachteten Leistungscharakteristiken der erfindungsgemäßen Filterpatrone umfassten die Belastungszeit zwischen Regenerationen und den Filterwirkungsgrad.
    • Belastungszeit
  • Die Belastungszeit ist die Zeit, die zum Belasten der Filter von dem Druckabfall nach der Regeneration zu einem Druckabfall von 40 kPa benötigt wird. Die Belastungszeit der Filterpatrone liegt zwischen 45-50 Minuten zu Beginn des Tests und ungefähr 20 Minuten am Ende des Testzeitraums. Die Belastungszeit verkürzt sich mit der Zeit auf natürliche Weise, da sich die Filterpatronen mit Nebenprodukten von verbranntem Schmieröl füllen, die den Motor durchlaufen haben. Die Nebenprodukte von verbranntem Schmieröl werden als Ölasche bezeichnet. Wenn sich die Belastungszeit mit der Zeit erhöhen würde, wäre das ein Anzeichen für den Ausfall der erfindungsgemäßen Filterpatrone. Die Belastungszeit würde sich erhöhen, wenn die Dichtung zwischen dem Filterelement und dem Heizeinrichtungs-Tragrohr ausfiele und ein Austreten des Abgasstroms ermöglichte. Dass die Belastungszeit mit der Zeit abnahm, war ein Zeichen dafür, dass keine Leckage in der erfindungsgemäßen Filterpatrone aufgetreten war.
    • Wirkungsgradmessungen
  • Die Wirkungsgrade der erfindungsgemäßen Filterpatrone lagen während der Dauer des Tests zwischen 78-98%. Die Wirkungsgrade wurden bei einem Druckabfall von 35 kPa gemessen. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Filterpatrone erhöhte sich mit fortschreitendem Testverlauf. Die Erhöhung des Wirkungsgrads war auf eine Akkumulierung der Ölasche im Filtermedium zurückzuführen. Ölasche sammelt sich auf der Innenseite des Filterelements an und dient als zusätzlicher Filtermechanismus. Die Tatsache, dass die Filterpatronen ihren Wirkungsgrad über die Dauer des Tests beibehielten zeigt, dass keine Leckagepfade in der Filterpatrone vorhanden waren. Ferner behielt die erfindungsgemäße Filterpatrone ihren hohen Wirkungsgrad trotz des sich vergrößernden Druckabfalls bei. Die dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone fiel beim größten getesteten Druckabfall aus.
    • Test 3: Charakterisierungstest der Filterpatrone mit und ohne die Erfindung
  • Test 3 wurde an einem 3,4-Liter-Cummins-Dieselmotor mit indirekter Einspritzung durchgeführt. Die Betriebsbedingungen für den Test waren 1560 UpM Motorbetriebsdrehzahl und 132 N·m Belastung des Motors. Bei dem Test wurde der Filterwirkungsgrad einer dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone mit dem der erfindungsgemäßen Filterpatrone verglichen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Test 3.
  • Tabelle 2 zeigt, dass die erfindungsgemäße Filterpatrone in der Lage war, bei niedrigeren Strömungsraten eine ähnliche Leistung aufrechtzuerhalten wie die dem Stand der Technik entsprechende Filterpatrone und bei erhöhten Strömungsraten weiter arbeitete. Obwohl der Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Filterpatrone und dem der dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatrone bei hohen Strömungsraten gering war, behielt die erfindungsgemäße Filterpatrone ihren Filterwirkungsgrad ohne Ausfall bis zu dem höchsten getesteten Druckabfall bei.
  • Die kombinierten Testergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Filterpatrone in der Lage war, bei einer erhöhten Strömungsrate und einem größeren Druckabfall unter Beibehaltung hoher Wirkungsgradpegel ihre Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Die erfindungsgemäße Filterpatrone zeigt somit eine gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Filterpatronen eindeutig überlegene Leistung. Tabelle 2. Wirkungsgrad-Vergleiche der Erfindung
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute auf dem Sachgebiet offensichtlich, dass Änderungen in Form und Detail durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims (9)

1. Partikel-Filterpatrone (20, 120) zum Filtern eines partikelhaltigen Gases, insbesondere eine Dieselpartikel-Filterpatrone mit:
- einem längsverlaufenden hohlen Rohr (130) mit einem perforierten Bereich und einem Endbereich (26, 126) des hohlen Rohrs; und
- einem Filterelement (132), das ein Filtermaterial aufweist und an dem hohlen Rohr (130) angeordnet ist,
wobei die Patrone (20, 120) gekennzeichnet ist durch:
- eine Schulter (140) zwischen dem perforierten Bereich des hohlen Rohrs (132) und dem Endbereich (26, 126) des hohlen Rohrs, wobei der Endbereich (26, 126) des hohlen Rohrs einen ersten Außendurchmesser aufweist und der perforierte Bereich einen zweiten Außendurchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser und die Schulter (140) den ersten Durchmesser mit dem zweiten Durchmesser verbindet; und
- das Verlaufen des Filtermaterials über den zweiten Durchmesser des perforierten Bereichs und auf den ersten Durchmesser des Endbereichs (26, 126) des hohlen Rohrs und das Angreifen an der Schulter (140).
2. Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem das hohle Rohr (130) zwei Endbereiche (26, 28, 126, 128) des hohlen Rohrs aufweist, nämlich einen ersten Endbereich (26, 126) und einen zweiten Endbereich (28, 128), wobei jeweils ein Endbereich an jedem Rohrende vorgesehen ist, und das Partikelfilter ferner aufweist:
- zwei Schultern (140, 142), nämlich eine erste Schulter (140) und eine zweite Schulter (142), wobei die erste Schulter (140) zwischen dem perforierten Bereich und dem ersten Endbereich (26, 126) des hohlen Rohrs (130) und die zweite Schulter (142) zwischen dem perforierten Bereich und dem zweiten Ende (28, 128) des hohlen Rohrs (130) ausgebildet ist,
- wobei das Filterelement (132) zwei Enden mit jeweils einem Filterelement-Endbereich (152) aufweist und jeder Filterelement- Endbereich (152) an einer Schulter (140, 142) angreift.
3. Partikel-Filterpatrone (20, 120) nach Anspruch 2, bei der der zweite Endbereich (28, 128) abgedichtet ist.
4. Partikel-Filterpatrone (20, 120) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das hohle Rohr (130) ein elektrisch widerstandsfähiges Heizelement ist.
5. Partikelpatrone nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Filterelement (132) ein spiralförmig auf dem hohlen Rohr (130), einschließlich jeder Schulter (140, 142), kreuzgewickeltes wärmebeständiges Garn aufweist, das mehrere Garnlagen bildet, wobei das Garn einen Kern aufweist, von dem Fäden oder Fasersegmente nach außen vorstehen, wobei aufeinanderfolgende Windungen in jeder Lage in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, so dass miteinander verwobene Kerne gebildet werden, wobei die Windungskerne jeder Lage voneinander beabstandet sind, um im wesentlichen gleichförmige vierseitige Öffnungen zu bilden, in denen die vorstehenden Fasersegmente zur Ausbildung von Abscheidern für in dem Abgas enthaltene Partikel ineinander greifen.
6. Partikelpatrone nach Anspruch 5, bei der das Garn ein anorganisches Garn ist.
7. Partikel-Filterpatrone nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Endbereich oder die Endbereiche (28, 128, 26, 126) des hohlen Rohrs nicht perforiert ist/sind.
8. Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikel-Filter, mit mehreren Partikel- Filterpatronen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Motor-Abgassystem, insbesondere Dieselmotor-Abgassystem, mit dem Partikelfilter nach Anspruch 8.
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