DE4209213A1 - Filteranordnung zum entfernen von russpartikeln aus abgasen einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, insbe­ sondere eines Dieselmotors, mit wenigstens einem durch waben­ förmig zueinander angeordnete Filterkanäle gebildeten Filter­ körper aus einem porösen Filtermaterial, wobei jeweils im Be­ reich der Eintrittsöffnung der gaseintrittsseitig offenen Filter­ kanäle ein mehreren Eintrittsöffnungen zugeordnetes elektrisches Widerstandsheizelement angeordnet ist, das schlaufenförmig in die Filterkanäle eintaucht und über eine Zuleitung und eine Ableitung mit einer Stromversorgung verbunden ist.

Zur Verminderung der Partikelemission, insbesondere bei Dieselmo­ toren, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt. Diese bestehen in der Regel aus Filtersystemen, die die im Abgas vorhandenen Parti­ kel zurückhalten und sammeln. Die im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel führen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im Abgassystem, wodurch der Abgasgegendruck des Motors ansteigt. Dies führt zu einer Erhöhung des Brennstoffverbrauchs und im Ex­ tremfall zum Motorstillstand. Deshalb ist es notwendig, die im Filter abgelagerten Rußpartikel zu beseitigen, was beispielsweise durch Oxidation bei hohen Temperaturen erfolgen kann.

Als Filterkörper für den Rückhalt der Rußpartikel haben sich sogenannte Wabenfilter aus einem porösen keramischen Material als zweckmäßig erwiesen. Diese Wabenfilter werden durch eine Vielzahl paralleler Filterkanäle gebildet, die wechselweise gaseintritts­ seitig und gasaustrittsseitig verschlossen sind, so daß die Ab­ gase durch die porösen Filterwände strömen und sich hierbei die Rußpartikel auf den Wandungen der Filterkanäle abscheiden. Zur Regeneration des Filters ist es beispielsweise möglich, die Abgastemperatur so weit zu erhöhen, daß die Zündtemperatur der an den Wandungen der Filterkanäle angelagerten Rußpartikel erreicht wird und diese verbrennen. Die hierzu notwendigen Temperaturen werden zumindest bei Fahrzeug-Dieselmotoren nicht in der er­ forderlichen Häufigkeit erreicht, so daß die Regeneration nicht sichergestellt ist. Motorische Zusatzmaßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur können zudem mit einem erheblichen Kraftstoffmehr­ verbrauch verbunden sein. Auch der Einsatz von Zusatzenergie, beispielsweise durch Zusatzbrenner zur Erhöhung der Abgas­ temperatur, erfordert hohe Leistungen und führt damit zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs.

Eine energiegünstige Regeneration kann erreicht werden, wenn die am Filterkörper abgelagerte Rußschicht im Eintrittsbereich der Filterkanäle durch eine kurzfristige Energiezufuhr punktuell entzündet wird. Die Energiefreisetzung bei der dann einsetzenden Rußverbrennung kann zu einem selbsttragenden Rußabbrand führen, da die freigesetzte Wärme größer ist als die abgeführte Wärme.

Hierzu sind an der eintrittsseitigen Stirnfläche des Filterkörpers jeweils mit Zuleitung und Ableitung versehene Widerstandsheizele­ mente angeordnet, die für aneinandergrenzende Stirnflächen­ bereiche Heizzonen bilden. Durch die Aufteilung der eintritts­ seitigen Stirnfläche des Filterkörpers in mehrere Heizzonen ist es möglich, die hierfür erforderlichen Widerstandsheizelemente hinsichtlich der zur Erzeugung der Zündtemperatur erforderlichen elektrischen Energie an die Leistung der vorhandenen Fahrzeuglicht­ maschine anzupassen. Die Größe der durch das jeweilige Widerstands­ heizelement beaufschlagten Heizzone ist durch den für die Wärmefrei­ setzung erforderlichen elektrischen Widerstand des Heizelements bei gegebenem Drahtquerschnitt und gegebenem Drahtmaterial sowie die Leistung der vorhandenen Stromversorgung, insbesondere der vorhandenen Fahrzeuglichtmaschine, festgelegt. Die Aufteilung der Stirnfläche des Filterkörpers in eine entsprechende Zahl von Heizzonen ermöglicht es, praktisch alle Filterkanäle im Bereich ihrer Eintrittsöffnung trotz der Begrenzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung aufzuheizen. Dies geschieht da­ durch, daß die einzelnen Widerstandsheizelemente über eine Schalt­ einrichtung nacheinander ein- und wieder ausgeschaltet werden, so daß in einem entsprechenden Zyklus fortlaufend die Rußablagerungen in den Filterkanälen jeder Heizzone abgebrannt werden.

Die Widerstandsheizelemente sind aus wenigstens einem mäanderförmig gebogenen Draht gebildet, dessen Schlaufen jeweils in eine Eintritts­ öffnung des Filterkanals eingesteckt sind.

Die freien Enden des Mäanders sind über ein Anschlußelement jeweils mit einer mit Abstand über die Stirnfläche des Filterkörpers geführten Zuleitung bzw. Ableitung verbunden. Eine derartige Ausge­ staltung hat den Vorteil, daß durch die aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Heizdrähten und der jeweils im Endbereich quer hierzu verlaufenden Zuleitung bzw. Ableitung ein stabiles Heiz­ element gebildet wird, das eine zuverlässige Positionierung der Heizdrähte an deren freien Enden ermöglicht.

Durch Erschütterungen sowie thermische Dehnung ist es jedoch mög­ lich, daß die Mäander aus den Kanälen herauswandern. Hierdurch ist eine zuverlässige Dauerhaltbarkeit des Systems nicht mehr ge­ geben. Zusätzliche Halterungen und/oder Abdeckscheiben, wie in DE-OS 37 12 333 beschrieben, haben den Nachteil eines höheren Bauaufwandes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Auswandern der Heizschlaufen ohne zusätzliche Halterungen bei niedrigem Bauauf­ wand zuverlässig zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Filteranordnung der eingangs bezeichneten Art vorgesehen, daß die Oberfläche der Filterkanäle und die schlaufenförmig in die Filterkanäle eintauchenden Heizelemente derart ausgebildet sind, daß der Widerstand gegen eine Auswärtsbewegung der Heizschlaufen aus dem Filterkanal wenig­ stens ebenso groß ist wie der Widerstand gegen das Einschieben der Heizschlaufen in den Filterkanal. Vorzugsweise sind in den Filter­ kanal eintauchende Heizschlaufen mit der Wandung der Filterkanäle formschlüssig verbunden, und es kann auch vorteilhaft sein, daß der Querschnitt von Filterkanälen eintrittsseitig verengt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Flanken von Heizschlaufen durch Nuten im Filterkanal und ent­ sprechende Auswölbungen der Heizschlaufen im Bereich ihrer Flanken fixiert. Auch kann vorgesehen sein, daß die Heizschlaufen durch Nuten im Bereich der Filterstirnfläche und entsprechende Auswöl­ bungen der Heizschlaufen im Bereich ihrer Flanken fixiert sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung sieht vor, daß die Heiz­ schlaufen die Auswärtsbewegung der Heizschlaufen hemmende Wider­ haken aufweisen, und diese Widerhaken können durch entsprechendes Biegen des Heizdrahtes erzeugt sein. Auch kann es vorteilhaft sein, daß die Rauheit des Heizdrahtes und/oder des Filtermaterials derart beschaffen ist, daß eine Auswärtsbewegung der Heizschlaufen gehemmt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Filtermaterial und die Heizschlaufen durch Aufheizen des Heizleiters auf die Schmelztemperatur des keramischen Materials des Filterkörpers formschlüssig verbunden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 im Teillängsschnitt und in vergrößerter Darstellung eine erste Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A der Fig. 1.

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teiles eines Heiz­ leiters.

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung einen Teilschnitt der Filter­ anordnung und in Seitenansicht einen Teil eines Heizleiters.

Fig. 5-7 im Teillängsschnitt weitere Ausführungsformen der Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht das Widerstandsheizelement einer Fil­ teranordnung gemäß der Erfindung aus einem mäanderförmig geboge­ nen Heizleiter 1, dessen Flanken 2 in die Eintrittsöffnung von Filterkanälen 5 eines als Wabenfilter ausgebildeten Filterkörpers 6 eintauchen. Die Flanken 2 sind auf der Filterstirnfläche bzw. im Kanal durch Querverbindungen 3, 4 verbunden. Die Filterkanäle 5 werden vom Abgasstrom in Richtung des Pfeiles 7 durchströmt.

Erfindungsgemäß ist der Heizleiter derart geformt, daß sich bei thermischer Dehnung der Schlaufen oder bei Schwingungen keine Kraft zur Filterstirnfläche auf der Filterwand ausbilden kann. In die Flanken 2 des Heizleiters 1 sind hierfür Widerhaken 8 eingearbei­ tet. Dies bewirkt, daß bei Dehnung des Heizleiters 1 durch elek­ trisches Aufheizen der Heizleiter 1 in Richtung der Abgasströ­ mung 7 in den Filterkanal 5 einwandern kann. Bei dem anschließen­ den Abkühlen verkürzt sich die Länge des Heizleiters 1, und durch die Widerhaken 8 wird der obere Leiterbereich in die Wandung des Filterkanals 5 hineingezogen, so daß eine Auswärtsbewegung des Heiz­ leiters 1 verhindert wird.

Die Einarbeitung der Widerhaken 8 in das Drahtmaterial kann z. B. entsprechend der Darstellung in Fig. 3 durch Stauchen oder aber auch durch Rändeln erfolgen. Auch möglich ist das Einarbeiten von Mikroschuppen durch spezielle Oberflächenbearbeitung.

Wie Fig. 4 zeigt, ist es ausschließlich oder zusätzlich möglich, eine Mikroschuppenstruktur 10 in das keramische Material 9 des Filterkanals 5 einzuarbeiten. Dies kann durch spezielle Ausformung der Oberfläche des Mundstückes der Extrudiermaschine erreicht werden. Auch ist die Einbringung der Mikroschuppen durch spezielle Teilchen möglich, die der keramischen Masse beim Extru­ dieren zugesetzt werden und die nach dem Extrudieren ausgewaschen oder ausgeschmolzen werden. Während des Extrudierens richten sich diese Zusatzteilchen auf der Oberfläche in Extrudierrichtung aus und erzeugen so die Mikroschuppen.

Im Bereich der Flanke 2 des Heizleiters 1 kann durch Oberflächenbe­ handlung des Heizleiters oder der Filterwand eine Reibpaarung erzeugt werden, die in Richtung Filterstirnfläche einen höheren Reibungsbeiwert aufweist als in Eintauchrichtung. Der Reibungswider­ stand des Filtermaterials wird hierbei z. B. durch spezielle Ober­ flächenbehandlung des Extrudierwerkzeuges beeinflußt. Der Reibungs­ widerstand des Drahtmaterials wird durch Aufbringen von Widerhaken oder entsprechende Oberflächenbehandlung (z . B. Rändeln) eingestellt.

Auch ist es möglich, den Draht nach Montage im Filterkanal auf eine Temperatur im Schmelzbereich der Keramik aufzuheizen. Hierbei wird die Keramikwand im Kontaktbereich mit dem Heizleiter an dessen Form angepaßt, so daß im Bereich der Widerhaken form­ schlüssige Verbindungen entstehen und der Mäander fixiert wird.

Wie Fig. 5 zeigt, ist der Kanalquerschnitt des Filtereintrittskanals 5 eintrittsseitig durch Stauchen des keramischen Materials vor dem Brennen verengt. Die Form des Heizleiters 11 ist an die Form der Filterwandung angepaßt. Die Verengung des Kanals im Bereich der Filterstirnfläche kann z. B. durch plastische Verformung des extrudierten Filterrohlings vor dem eigentlichen Brennprozeß erfol­ gen. Der Heizleiter 11 erhält im Bereich der Flanke eine zu der Verengung korrespondierende Form, wodurch dem Auswandern des Heiz­ leiters 11 eine zusätzliche Kraft entgegenwirkt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die Flanke 2 des Heizleiters 12 zusätzlich durch Aufheizen oder Vibration in die Wand des Filterkanals 5 eingearbeitet.

Die Mäanderform erhält hierzu eine zusätzliche Nase 13 im Bereich der filtereintrittsseitigen Schlaufe. Die Nase 13 der Flanke 2 liegt in einer Vertiefung 14 der Kanalwand. Ein Auswandern des Mäanders ist hierdurch unterbunden.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist die Nase 13 der Flanke 2 derart gebogen, daß der Widerstand gegen eine Aus­ wärtsbewegung der Heizschlaufe aus dem Filterkanal 5 höher ist als der Widerstand gegen das Einschieben der Heizschlaufe in den Filterkanal 5. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise eine besonders sichere Arretierung der Heizschlaufe erreicht.

Claims (10)

1. Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmo­ tors, mit wenigstens einem durch wabenförmig zueinander ange­ ordnete Filterkanäle (5) gebildeten Filterkörper (6) aus einem porösen Filtermaterial, wobei jeweils im Bereich der Eintritts­ öffnung der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle (5) ein mehreren Eintrittsöffnungen zugeordnetes Widerstandsheizelement (1) angeordnet ist, das schlaufenförmig in die Filterkanäle (5) eintaucht und über eine Zuleitung und eine Ableitung mit einer Stromversorgung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Filterkanäle (5) und die schlaufenförmig in die Filterkanäle (5) eintauchenden Heizelemente (1) derart ausge­ bildet sind, daß der Widerstand gegen eine Auswärtsbewegung der Heizschlaufen aus dem Filterkanal (5) wenigstens ebenso groß ist wie der Widerstand gegen das Einschieben der Heizschlaufen in den Filterkanal (5).

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Filterkanal eintauchende Heizschlaufen mit der Wandung der Filterkanäle (5) formschlüssig verbunden sind.

3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Querschnitt von Filterkanälen (5) eintrittsseitig verengt ist.

4. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (2) von Heizschlaufen durch Nuten (14) im Filter­ kanal (5) und entsprechende Auswölbungen (13) der Heizschlaufen im Bereich ihrer Flanken (2) fixiert sind.

5. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizschlaufen durch Nuten im Bereich der Filter­ stirnfläche und entsprechende Auswölbungen (13) der Heizschlaufen im Bereich ihrer Flanken (2) fixiert sind.

6. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschlaufen die Auswärtsbewegung der Heizschlaufen hemmende Widerhaken (8) aufweisen.

7. Filteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerhaken (8) durch Biegen des Heizdrahtes erzeugt sind.

8. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauheit der Oberfläche des Heizleiters (1) derart beschaffen ist, daß eine Auswärtsbewegung der Heizschlaufe gehemmt ist.

9. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauheit des Filtermaterials derart beschaffen ist, daß eine Auswärtsbewegung der Heizschlaufe gehemmt ist.

10. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Filtermaterial und die Heizschlaufen durch Aufheizen des Heizleiters auf die Schmelztemperatur des keramischen Materials des Filterkörpers formschlüssig verbunden sind.