EP0286932B1

EP0286932B1 - Filteranordnung zum Entfernen von Russpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP0286932B1
Application number: EP88105338A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Lepperhoff; Georg Dipl.-Ing. Hüthwohl
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1987-04-11
Filing date: 1988-04-02
Publication date: 1992-06-17
Anticipated expiration: 2008-04-02
Also published as: EP0286932A2; US4872889A; EP0286932A3; ATE77441T1; DE3872025D1; DE3712333A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit wenigstens einem durch wabenförmig zueinander angeordnete Filterkanäle gebildeten Filterkörper aus einem porösen Filtermaterial, wobei im Bereich der Eintrittsöffnungen der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle elektrische Widerstandsheizelemente angeordnet sind, die über eine Zuleitung und eine Ableitung mit einer Stromversorgung verbunden sind, und die jeweils im Bereich der Eintrittsöffnungen der Filterkanäle als mehreren Eintrittsöffnungen zugeordnete, schlaufenförmig in die Filterkanäle hineinragende elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind.
Zur Verminderung der Partikelemission insbesondere bei Dieselmotoren sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt. Diese bestehen in der Regel aus Filtersystemen, die die im Abgas vorhandenen Partikel zurückhalten und sammeln. Die im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel führen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im Abgassystem, so daß der Abgasgegendruck des Motores ansteigt. Dies führt zu einer Erhöhung des Brennstoffverbrauchs und im Extremfall zum Motorstillstand. Deshalb ist es notwendig, die im Filter angesammelten Partikel zu beseitigen, beispielsweise durch Oxidation bei hohen Temperaturen.
Als Filterkörper für den Rückhalt der Rußpartikel haben sich Wabenfilter aus einem porösen keramischen Material als zweckmäßig erwiesen. Diese Wabenfilter werden durch eine Vielzahl paralleler Filterkanäle gebildet, die wechselweise gaseintrittsseitig und gasaustrittsseitig verschlossen sind, so daß die Abgase durch die porösen Filterwände strömen und sich hierbei die Rußpartikel auf den Wandungen der Filterkanäle abscheiden. Eine Regeneration des Filters ist durch Abbrennen der gesammelten Partikel möglich.
Die zur Entzündung der Rußpartikel im Abgas notwendigen Temperaturen werden von Dieselmotoren oft nicht ausreichend häufig erreicht, so daß eine Regeneration nicht sichergestellt ist. Eine zwangsweise Regeneration kann durch Zufuhr von Zusatzenergie erreicht werden. Eine besonders energiegünstige Regeneration kann erreicht werden, wenn die am Filterkörper abgelagerte Rußschicht im Eintrittsbereich der Filterkanäle durch eine kurzzeitige Energiezufuhr punktweise entzündet wird. Die Energiefreisetzung bei der dann einsetzenden Rußverbrennung führt zu einem selbsttragenden Rußabbrand im Filterkörper. Die Entzündung der Rußschicht kann durch in die Öffnung der Filterkanäle eingesetzte schlaufenförmige Widerstandsdrähte erfolgen, wie es beispielsweise in US-A-4 373 330 beschrieben ist.
Diese Schrift beschreibt eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit wenigstens einem durch wabenförmig zueinander angeordnete Filterkanäle gebildeten Filterkörper aus einem porösen Filtermaterial, wobei im Bereich der Eintrittsöffnungen der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle elektrische Widerstandsheizelemente angeordnet sind, die über eine Zuleitung und eine Ableitung mit einer Stromversorgung verbunden sind, und die jeweils im Bereich der Eintrittsöffnungen der Filterkanäle als mehreren Eintrittsöffnungen zugeordnete, schlaufenförmig in die Filterkanäle hineinragende elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind.
Bei Filteranordnungen dieser Art tritt jedoch der Nachteil auf, daß durch Vibrationen und thermische Effekte die Schlaufen nicht in den Kanälen bleiben, sondern nach mehr oder weniger langer Betriebsdauer aus den Kanälen herauswandern. Daher sind Maßnahmen erforderlich, um die Heizleiter in der vorgegebenen Position zu halten, wobei jedoch die thermische Wirksamkeit und die freie Beweglichkeit der Heizelemente möglichst wenig beeinträchtigt werden sollen.
Diese Forderung wird durch die in US-A-4 512 786 beschriebene Anordnung nicht erfüllt, da dort die Heizelemente durch den für die Funktion des Filters notwendigen Stopfen auf der Einlaßseite in den Auslaßkanal geschoben sind. Durch die Einbettung der Heizleiter in die Stopfen wird sowohl ihre thermische Wirksamkeit als auch ihre Beweglichkeit erheblich beeinträchtigt.
Für eine möglichst vollständige Regeneration muß in möglichst viele Filterkanäle des Wabenfilters eine Schlaufe des Heizleiters eingesetzt werden. Die Anzahl der Filterkanäle, die so mit Schlaufen eines Heizleiters versehen werden kann, ist durch den elektrischen Widerstand des Heizleiters beschränkt.
Bei einer bei Kraftfahrzeugen üblichen Versorgungsspannung von 12 V beträgt die Heizleiterlänge etwa 15 bis 25 cm, aus der 10 bis 15 Schlaufen gebogen werden können. Keramische Wabenfilter besitzen etwa 1000 Kanäle, die zu beheizen sind. Es muß für eine möglichst vollständige Beheizung des Filters daher eine große Anzahl einzelner zu Schlaufen gebogener Heizdrähte parallel eingesetzt und angeschlossen werden. Zur gleichzeitigen Regeneration des gesamten Filters ist eine hohe Heizleistung erforderlich, die nicht von dem elektrischen Bordsystem des Fahrzeugs aufgebracht werden kann. Die Heizleistung kann daher nur durch sequentielle Regeneration einzelner Teilbereiche des Filters aufgebracht werden. Dies ist z.B. aus US-A-4 427 418 bekannt.
Die schlaufenförmig gebogenen Heizleiter müssen, um eine sequentielle Regeneration durchführen zu können, zu kleinen Gruppen zusammengeschaltet werden. Die einzelnen Gruppen sind elektrisch voneinander getrennt so an die Versorgungsspannung des Fahrzeugs angeschlossen, daß sie unabhängig voneinander eingeschaltet werden können. Der Abstand zwischen den einzelnen Anschlüssen, die elektrisch voneinander isoliert sein müssen, ist infolge der geringen Kanalquerschnitte von ca. 2 x 2 mm sehr eng. Ein gegenseitiges Berühren der einzelnen Anschlüsse würde beim Betrieb des Fahrzeugs zu einem Kurzschluß oder zu einem gleichzeitigen Einschalten mehrerer Bereiche mit für das Bordnetz des Fahrzeugs zu hohem Stromverbrauch führen. Bei einem Auswandern der Drähte kann es auch zu einer Überbrückung einzelner Schlaufen kommen. Als Folge sinkt der elektrische Widerstand des Heizleiters, wodurch die Heizleitertemperatur ansteigt und ein Durchbrennen des Drahtes eintritt.
Maßnahmen zur Regeneration von Abgasfiltern sind auch in US-A-4 456 457 bei Schaumkeramikfiltern beschrieben. Hier werden jedoch keine schlaufenförmigen Heizelemente, sondern mehr oder weniger geradlinige Heizleiter verwendet, die zur Verbesserung der Wärmeübertragung in Nuten verlaufen, wobei die Nuten zur Vermeidung von Wärmeabstrahlung einzeln oder insgesamt durch Schließkörper verschlossen sind. Eine Übertragung von Maßnahmen dieser Art auf Wabenfilter stößt daher vor allem auf Fertigungsprobleme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regenerationsanordnung für Dieselpartikelfilter der eingangs bezeichneten Art, also für Wabenfilter, zu schaffen, bei der in thermisch günstiger und fertigungstechnisch einfacher Art eine sichere Fixierung der Heizschlaufen im Wabenkörper gewährleistet ist und Kurzschlüsse vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Filteranordnung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die elektrischen Verbindungen der Schlaufen der Widerstandsheizelemente zwischen den einzelnen Filterkanälen in Nuten des Filterkörpers oder einer Abdeckung eingesetzt sind. Vorzugsweise sind die Verbindungen der Widerstandsheizelemente in Nuten fest untergebracht, während die Widerstandsheizelemente frei beweglich sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Nuten in der Stirnfläche des Filterkörpers abwechselnd gegenläufig schräg ausgebildet sind, so daß die Widerstandsheizelemente zur Fixierung eingehakt werden können. Auch kann zumindest ein Teil der Nuten in den Filterkanälen nach dem Einsetzen der Widerstandsheizelemente nach oben verschlossen sein, und es kann vorteilhaft sein, daß die Widerstandsheizelemente vor dem Verschließen der Nuten mit einem Material ummantelt sind, das bei Erhitzen der Widerstandsheizelemente abbrennt oder verdampft, so daß keine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Widerstandsheizelementen und dem Filter besteht.
Im Zusammenhang mit der beschriebenen Aufgabe ist es dabei vorteilhaft, daß in Strömungsrichtung der Abgase vor den Widerstandsheizelementen eine gasdurchlässige Abdeckplatte angeordnet ist. Vorzugsweise besteht die Abdeckplatte aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, und sie kann durch eine Gitterstruktur gebildet sein, die Strömungskanäle bildet, jedoch kann sie auch aus offenporigem keramischen Schaum bestehen.
Die Widerstandsheizelemente und/oder ihre Verbindungen können in Nuten des Filterkörpers aus porösem Filtermaterial untergebracht sein, jedoch können sie auch in Nuten der Abdeckplatte untergebracht sein oder zugleich in Nuten sowohl des Filterkörpers als auch der Abdeckplatte angeordnet sein.
Dabei ist es vorteilhaft, daß die Widerstandsheizelemente und/oder ihre Verbindungen über die Endstopfen von Filterauslaßkanälen geführt sind, und die Widerstandsheizelemente und/oder ihre Verbindungen können auf der Eingangsseite des Filterkörpers mäanderförmig gebogen angeordnet sein, wobei sie Rechteckquerschnitt haben können.
Für eine Filteranordnung mit stirnseitig am Filterkörper angeordneten Heizelementen, insbesondere mit in einzelnen Heizzonen angeordneten Heizelementen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die freien Enden des Heizleiters über ein Anschlußelement jeweils mit einer mit Abstand über die Stirnfläche geführten Zuleitung bzw. Ableitung verbunden sind. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die aus jeweils mehreren parallel zueinander verlaufenden Heizdrähten mit den jeweils im Endbereich quer hierzu verlaufenden Zu- bzw. Ableitungen ein stabiles Heizelement gebildet wird, das eine zuverlässige Positionierung der Heizdrähte ermöglicht, auch dann, wenn die Filteranordnung, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, Erschütterungen ausgesetzt ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Anschlußelement jeweils durch ein parallel zur Strömungsrichtung gegen die Stirnfläche des Filterkörpers geführtes Rohr aus elektrisch leitendem Material besteht, dessen eines Ende fest mit der Zuleitung bzw. Ableitung und dessen anderes Ende fest mit dem freien Heizdrahtende verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, ein aus Zuleitung bzw. Ableitung und Anschlußelement gebildetes starres Bauteil zu schaffen, das unmittelbar bis an die Stirnfläche des Filterkörpers herangeführt werden kann und so zu einer Verbesserung der Fixierung der schlaufenförmig gebogenen Heizdrahtstücke in den Filterkanälen führt. Mit dem so geschaffenen starren Anschlußstück wird der Anschluß eng beieinander liegender Heizleiter verschiedener Bereiche ohne die Gefahr eines Kurzschlusses durch Verbiegen der Anschlußstücke bei Erhitzen ermöglicht.
Die Verbindung zwischen dem Anschlußstück und dem gegen die Filterstirnfläche geführten Rohr kann in einfacher Ausgestaltung durch Einpressen des Heizleiters erfolgen. Eine hohe thermische Belastung an der mechanisch durch Schwingungen stark belasteten Einspannstelle bei der Fertigung, wie es bei einem Anschweißen des Heizleiters auftreten kann, wird so vermieden. Auch ist ein Einlöten von der Oberseite des Filters her möglich.
Um ein Auswandern der Heizschlaufen zwischen den Anschlußstellen sicher zu vermeiden, werden die Schlaufen zwischen den starren Anschlußstücken zumindest in gewissen Abständen zusätzlich fixiert. Infolge der unterschiedlichen Wärmedehnkoeffizienten des Heizleitermaterials und der Filterkeramik ist eine feste Verbindung, wie sie z.B. beim Kleben des Heizleiters mit keramischen Klebern entstehen würde, nicht möglich. Der Heizleiter sollte auch nicht fest eingespannt werden, da dies infolge der Vibrationen langfristig zu einem Materialabrieb des Heizleiters führen könnte. Zudem führt eine feste Verbindung zwischen Heizleiter und Filtermaterial zu einem an dieser Stelle schlechteren Wärmeübergang, wodurch der Draht örtlich überhitzt würde.
In Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, die Heizleiter auf der Filterstirnfläche zumindest zu einem Teil durch Öffnungen, die nach oben verschlossen sind, zu führen. Diese Öffnungen sind so gestaltet, daß sich der Heizleiter mit einem gewissen Spiel darin bewegen kann, so daß eine mechanische Beanspruchung durch Krafteinwirkung weitgehend vermieden wird. Der Wärmeübergang an die Umgebung wird nicht durch die isolierende Wirkung der Keramik begrenzt, so daß die Heizleitertemperatur in der Öffnung nicht ansteigt.
Die Öffnungen können durch in Laufrichtung oder senkrecht zur Laufrichtung der Heizschlaufen in die Filterstirnfläche eingebrachte Nuten gebildet sein, in die die Heizleiter eingelegt sind.
Werden in Laufrichtung der Heizleiter mehrere kurze Nuten schräg in die Filterstirnfläche eingebracht, so sind die Nuten fertigungsmäßig weitgehend oben geschlossen. Ein mögliches seitliches Auswandern wird durch die jeweils gegenläufig schräge Nut im weiteren Verlauf verhindert. Bei senkrechtem Einbringen der Nut kann diese nach Einsetzen des Heizleiters oben verschlossen werden. Dies kann durch die auf der Filterstirnfläche angeordnete gasdurchlässige Abdeckung erfolgen. Im Bereich der Anschlußenden der Heizleiter wird die Abdeckung durchbohrt. Es ist daher auch möglich, nur einen Teil der Nutlänge bei Nuten in Richtung der Heizleiter bzw. einen Teil der Nuten bei Nuten quer zur Richtung der Heizleiter etwa in der Mitte zwischen den Anschlußenden oben zu verschließen. Dann ist es ausreichend, einige Stege aus gasdurchlässigen Platten quer zur Laufrichtung der Heizleiter auf der Filterstirnfläche z.B. durch Festkitten auf den Stopfen des Wabenfilters zu fixieren. Auch ist es dann möglich, einige dünne Stege aus keramischem gasundurchlässigen Material, z.B. dünne Röhrchen, die mit ihrem Querschnitt die Filterkanäle nicht wesentlich verschließen, quer zur Laufrichtung der Heizleiter auf den Stopfen der Wabenstruktur zu führen, so daß wiederum die Nuten zu einem Teil verschlossen sind.
Dieselbe Ausbildung der Öffnungen kann aber auch durch entsprechend in der Abdeckplatte bzw. in den Stegen angeordnete Nuten bei unbearbeiteter Filterstirnfläche erzeugt werden. Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1: zeigt einen Längsschnitt durch eine Filteranordnung.
Fig. 2: zeigt eine Teilaufsicht auf den Filterkörper in der Ausführungsform Gemäß Fig. 1
Fig. 3: zeigt einen Längsschnitt durch eine Filteranordnung mit Nuten in der Stirnfläche des Filterkörpers quer zur Laufrichtung der Heizleiter und poröser Abdeckung.
Fig. 4: zeigt eine Teilaufsicht auf den Filterkörper in der Ausführungsform gemäß Fig. 3
Fig. 5: zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Filteranordnung mit Nuten in der Stirnfläche des Filterkörpers quer zur Laufrichtung der Heizleiter und elektrisch leitenden Schienen in den Nuten.
Fig. 6: zeigt eine Teilaufsicht auf den Filterkörper in der Ausführungsform gemäß Fig. 5.
Fig. 7: zeigt einen Längsschnitt durch eine Filteranordnung mit poröser Abdeckung auf der Stirnfläche des Filterkörpers und Nuten in der Abdeckung.
Fig. 8: zeigt einen ersten Längsschnitt durch eine Filteranordnung mit abwechselnd gegenläufig schräg angeordneten Nuten.
Fig. 9: zeigt einen weiteren Längsschnitt durch eine Filteranordnung mit abwechselnd gegenläufig schräg angeordneten Nuten entsprechend Fig. 8, wobei der Schnitt seitlich verschoben ist.
Fig. 10: zeigt einen Längsschnitt durch eine Filteranordnung mit Nuten in der porösen Abdeckung des Filterkörpers.
Fig. 11: zeigt eine Aufsicht auf den Filterkörper in der Ausführungsform gemäß Fig. 10.
Fig. 12: zeigt eine Teilaufsicht auf eine in mehrere Heizzonen unterteilte Filteranordnung.

In Fig. 1 ist die Unterbringung und Befestigung eines Widerstandsheizelements in einer Filteranordnung der eingangs bezeichneten Art erkennbar. Das Widerstandsheizelement besteht im wesentlichen aus einem schlaufenförmig gebogenen Heizdraht 1, dessen Schlaufen in die Eintrittsöffnungen von Filterkanälen 2 eines als Wabenfilter ausgebildeten Filterkörpers 3 eingesteckt sind. Es ist auch möglich, den Heizdraht so zu gestalten, daß nur die im Kanal angeordneten Schlaufen aus Heizleitermaterial bestehen, während die Verbindungen zwischen den einzelnen Heizleitern aus Material geringeren elektrischen Widerstandes bestehen. Die Filterkanäle 2 werden vom Abgasstrom in Richtung von Pfeil 18 durchströmt. Die Schlaufen des Heizdrahtes 1 sind, wie Fig. 2 erkennen läßt, diagonal in die einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Filterkanäle 2 eingesteckt, so daß ein Heizdrahtstück, wie Fig. 2 ebenfalls zeigt, mehrere nebeneinanderliegende Filterkanäle 2 überdeckt. Zur Fixierung des Heizdrahtes 1 in den einzelnen Filterkanälen 2 ist er so gebogen, daß er jeweils an der Wand 4 des betreffenden Filterkanals 2 anliegt.
Die Enden 5 und 6 des Heizdrahtes 1 werden aus der Eintrittsöffnung des jeweiligen Filterkanals herausgeführt und sind oberhalb der Stirnfläche 7 des Filterkörpers 3 über Anschlußstücke 8, 9 mit einer Zuleitung 17 bzw. einer entsprechenden Ableitung (hier nicht dargestellt) verbunden. Die Anschlußstücke 8, 9 sind hierbei so gestaltet, daß sie die Heizdrahtenden 5 und 6 in den Filterkanälen fixieren. Zu diesem Zweck sind Anschlußleitungen 10 und 11 aus einem formstabilen, elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem dünnwandigen Rohr, hergestellt. Die Zuleitung 17 und entsprechend auch die zugehörige Ableitung wird dann jeweils durch die Wand des Filtergehäuses 12 hindurchgeführt, in dem der Filterkörper 3 mittels einer Einpackmatte 13 festgesetzt ist. Zur Vermeidung eines elektrischen Kontaktes zwischen der Zuleitung 17 und dem (geerdeten) Filtergehäuse 12 ist eine Isolierung 14 aus keramischem Material eingesetzt. Da die die Anschlußstücke 8, 9 bildenden Leitungen dünnwandige Rohrstücke sind, in die die freien Enden 5 und 6 des Heizdrahtes eingesteckt und mit ihnen verbunden sind, ist zudem sichergestellt, daß ein Kontakt mit dem benachbarten Anschluß 15 eines eine andere Heizzone bildenden Widerstandsheizelementes 16 vermieden ist.
Die Länge des Heizdrahtes ist nicht beliebig wählbar, sondern durch den spezifischen Widerstand des Materials, den Querschnitt und durch die für die Erzielung der Zündtemperatur erforderliche Oberflächenleistung sowie durch die zur Verfügung stehende elektrische Energie bestimmt. Somit ist die Anzahl der durch ein Heizdrahtelement überdeckten Filterkanäle 2 konstant, so daß, wie Fig. 2 zeigt, die gesamte Stirnfläche des Filterkörpers mit Rücksicht auf die zur Verfügung stehende elektrische Leistung in mehrere getrennte Heizzonen unterteilt ist.
In einer Teilaufsicht zeigt Fig. 2 die Stirnfläche 20 eines keramischen Wabenfilterkörpers mit Eintrittskanälen 22 und den die Filteraustrittskanäle zur Einlaßseite hin abschliessenden Filterstopfen 23. Bei der dargestellten Ausführungsform überdeckt jeweils ein Heizdraht 25 mit seinen Schlaufen neun Eintrittskanäle 22. Jeweils acht bis zehn Heizdrähte 25 sind über Stromanschluß 28 und Masseanschlüsse 27 zu einer Heizzone 26 zusammengeschaltet. Die Masse 27 ist allen Heizzonen 26 gemeinsam, während die Stromzufuhr für jede Heizzone 26 einzeln einschaltbar ist (nicht dargestellt). Die einzelnen Widerstandsheizelemente sind so ausgebildet, daß die Stirnfläche des Filterkörpers 3 in dreieckige und viereckige, vorzugsweise rechteckige, Heizzonen aufgeteilt ist. Da die einzelnen Heizzonen aneinandergrenzen, stehen alle Eintrittskanäle 22 mit einem Heizelement in Verbindung. Die Heizzonen 26 mit jeweils acht bis zehn Heizdrähten 25 decken bei der gezeigten Ausführungsform nahezu alle Filterkanäle ab, so daß der Filter durch sequentielle Stromzufuhr zu den einzelnen Heizzonen regeneriert werden kann.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Widerstandsheizdrähte 1 in Nuten 51, die senkrecht zur Laufrichtung der Heizdrähte 1 in der Stirnfläche des Filters ausgebildet sind, angeordnet. Die Nuten 51 sind dabei so breit, daß die Wände der Filterkanäle 2 angeschnitten werden und die Heizdrähte 1 in das Filter eingelassen werden können, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist. Der Vorteil der Führung der Nuten 51 senkrecht zur Laufrichtung der Heizdrähte 1 ist, daß die mechanische Bearbeitung der Filterstirnfläche überwiegend im Bereich der Filterstopfen erfolgt. Die Nuten 51 werden so tief in die Filterstirnfläche eingearbeitet, daß die Heizdrähte 1 nicht über die Stirnfläche hinausragen. Zur Fixierung der Heizdrähte 1 in den Nuten 51 wird oberhalb der Heizdrähte 1 eine Abdeckung 52 aus einem wärmebeständigen, gasdurchlässigen elektrisch nicht leitenden Material, z.B. keramischem Schaum, auf der Filterstirnfläche angebracht. Die Abdeckung 52 braucht nicht die gesamte Filterstirnfläche zu überdecken. Es ist ausreichend, wenn die Heizdrähte 1 an einigen Stellen zusätzlich im Filtermaterial festgehalten werden, um ein Auswandern zu vermeiden.
Die in die Filterstirnfläche senkrecht zur Laufrichtung der Heizdrähte eingebrachten Nuten 53 entsprechend der Darstellung in den Fig. 5 und 6 können auch mit elektrisch leitenden Schienen 54, an denen die einzelnen Heizschlaufen 1 angebracht sind, nach oben verschlossen werden. Besonders vorteilhaft ist hier ein geringer elektrischer Widerstand im Bereich der Übergänge zwischen den Heizschlaufen, wodurch die erzeugte Wärme hier besonders gering ist. Durch die im Keramikmaterial fixierten Schienen werden die Heizleiter im Filtermaterial festgehalten. Die Schienen 54 brauchen nicht die gesamte Filterstirnfläche zu überdecken. Es ist ausreichend, wenn die Heizleiter 1 mit einigen Schienen an einigen Stellen zusätzlich im Filtermaterial festgehalten werden, um ein Auswandern zu vermeiden.
Eine entsprechende Halterung der Heizleiter 1 auf der Filterstirnfläche wird erreicht, wenn Nuten 55, wie in Fig. 7 dargestellt, in eine Abdeckung 56 aus einem wärmebeständigen, gasdurchlässigen, elektrisch nicht leitenden Material, z.B. keramischem Schaum, eingebracht werden. Der wesentliche Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt in der leichteren Herstellung der Nuten 55, insbesondere wenn die Abdeckung 56 durch ein gießtechnisches Verfahren hergestellt wird. Die Nuten 55 können dann schon beim Gießen der Abdeckung 56 berücksichtigt werden, so daß eine nachträgliche Bearbeitung entfällt.
Bei der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsform ist der Filterkörper 3 an der Stirnfläche 20 mit abwechselnd gegenläufig schräg angeordneten Nuten 47, 48 versehen, die zweckmäßigerweise in die die Austrittskanäle verschließenden Stopfen 31 eingearbeitet sind. Fig. 8 zeigt dabei einen ersten Längsschnitt, während Fig. 9 ein zweiter Längsschnitt ist, der gegenüber Fig. 8 in der Filterstirnfläche seitlich verschoben ist. Der Vorteil dieser Maßnahme ist, daß der Widerstandsheizdraht 1 jeweils in abwechselnd geneigten Nuten 47 und 48 untergebracht ist, so daß er gleichsam "eingehakt" ist und keine weitere Fixierung benötigt.
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform und Anordnung der Widerstandsheizelemente auf der Filterstirnfläche dargestellt. Zur besseren Darstellung der Anordnung sind die Filterkanäle 32a, 32b übertrieben groß dargestellt. In Fig. 10 und der zugehörigen Stirnansicht in Fig. 11 ist daher nur eine Heizzone schematisch dargestellt.
Auf der Stirnfläche 33 des als Wabenfilter ausgebildeten keramischen Filterkörpers 30 ist quer über die Filterstopfen 31 verlaufend ein in der Ebene der Stirnfläche 33 mäanderförmig gebogener Heizdraht 34a, 34b angeordnet. Um einen geringen Strömungswiderstand bei großer wärmeübertragender Fläche zu erreichen, hat der Heizdraht 34a, 34b einen rechteckigen Querschnitt, und er ist hochkant auf der Stirnfläche 33 angeordnet. Auch andere Querschnittsformen für den Heizdraht mit großer Wärmeübertragungsfläche sind möglich. Beispielsweise können Widerstandsheizleiter mit Wärmeübertragungsrippen vorgesehen werden. Auch ist es möglich, mehrere Heizdrähte mit rundem Querschnitt übereinander anzuordnen. Um Wärmeverluste des Heizdrahtes 34a, 34b an das Filtergehäuse 37 und hier nicht eingezeichnete benachbarte Filterbereiche durch Wärmestrahlung zu vermeiden, ist oberhalb des Heizdrahtes 34 eine gasdurchlässige keramische Abdeckplatte 35 in einer Strömungskanäle definierenden Gitterstruktur angeordnet, die die gegen die Abgasströmung gerichtete Strahlung des Heizdrahtes 34a, 34b absorbiert und durch konvektiven Wärmeübergang mit dem Abgasmassenstrom, dargestellt durch die Pfeile 36 und 39, dem Heizbereich wieder zuführt. Die Abdeckplatte 35 kann aber auch aus anderem Material mit anderer Struktur, beispielsweise aus offenporigem, also gasdurchlässigem keramischen Schaum, gebildet sein. Wesentlich ist jedoch, daß das Material strahlungsabsorbierend ist. Die Abdeckplatte 35 und der Filterkörper 30 sind mit einer Einpackmatte 38 in das Filtergehäuse 37 eingesetzt. Die Abdeckplatte 35 kann so ausgeführt sein, daß sie gleichzeitig den Heizdraht 34a, 34b mechanisch auf der Stirnfläche 33 durch Pressung fixiert. Zusätzlich kann die dem Heizdraht 34a, 34b zugekehrte Seite der Abdeckplatte 35 mit einer der Mäanderform angepaßten Nutkontur versehen sein, die die exakte Ausrichtung des Heizdrahtes 34a, 34b zum Filterkörper 30 fixiert.
Der Abgasmassenstrom, dargestellt durch die Pfeile 36 und 39, kann bei der gezeigten Anordnung mit geringem Strömungswiderstand an dem Heizdraht 34a, 34b vorbei in die Filterkanäle 32a strömen. Zur Filterregeneration wird der Heizdraht 34a, 34b über eine nicht dargestellte Schalteinrichtung an eine Stromquelle E angeschlossen. Hierdurch wird der Ruß im Kontakbereich zwischen dem Filterkörper 30 und dem Heizdraht 34a, 34b gezündet, so daß anschließend die Rußablagerung in die Fitlerkanäle 32a hinein selbsttätig abbrennt.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es wieder notwending, daß zur Erzeugung der Zündtemperatur erforderliche elektrische Energie an die über die Fahrzeuglichtanlage zur Verfügung stehende elektrische Leistung angepaßt ist. Dementsprechend sind auch hier, wie die Aufsicht gem. Fig. 12 zeigt, mehrere unterschiedliche Heizzonen definierende Widerstandsheizelemente 40 auf der Stirnfläche 41 eines Filterkörpers 42 angeordnet. Die in Fig. 11 dargestellte Abdeckplatte 35 ist hierbei abgenommen. Die jeweils mit einem Widerstandsheizelement beaufschlagte Heizzone ist wegen des größeren Querschnittes des Heizdrahtes bei dieser Ausführungsform größer und umfaßt daher die in Fig. 12 gezeigte Anordnung von rechteckigen und dreieckigen Heizzonen 45 bzw. 46. Die Widerstandsheizelemente sind hierbei so ausgelegt, daß die dreieckigen Heizzonen 46 die halbe Größe der rechteckigen Heizzonen 45 aufweisen, so daß je zwei hintereinander geschaltete, eine dreieckige Heizzone 46 überdeckende Heizelemente den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen, wie ein eine rechteckige Heizzone 45 überdeckendes Heizelement. Auch bei dieser Anordnung sind die einzelnen Heizelemente über eine nicht dargestellte Schalteinrichtung einzeln an die Stromzufuhr zu und abschaltbar, so daß die gesamte Filterfläche durch nacheinanderfolgendes Zu- und Abschalten der einzelnen Heizelemente regeneriert werden kann.
Die in die Beschreibung, die Ansprüche und die Zusammenfassung gegenwärtig oder in einem späteren Zeitpunkt eingesetzten Bezugsziffern dienen ausschließlich der Erleichterung der Lesbarkeit. Sie sollen keinesfalls in irgendeiner Weise den Schutzumfang einschränken.

Claims

Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit wenigstens einem durch wabenförmig zueinander angeordnete Filterkanäle (2) gebildeten Filterkörper (3) aus einem porösen Filtermaterial, wobei im Bereich der Eintrittsöffnungen (22) der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle (2) elektrische Widerstandsheizelemente (1) angeordnet sind, die über eine Zuleitung (17) und eine Ableitung mit einer Stromversorgung (SW) verbunden sind, und die jeweils im Bereich der Eintrittsöffnungen (22) der Filterkanäle (2) als mehreren Eintrittsöffnungen (22) zugeordnete, schlaufenförmig in die Filterkanäle (2) hineinragende elektrische Widerstandsheizelemente (1) ausgebildet sind, dadurch gekennnzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen der Schlaufen der Widerstandsheizelemente (1) zwischen den einzelnen Filterkanälen (2) in Nuten (51, 53, 55, 47, 48) des Filterkörpers (3) oder einer gasdurchlässigen Abdeckung (56) eingesetzt sind.
Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Widerstandsheizelemente (1) in Nuten (51, 53, 55, 47, 48) fest untergebracht sind, während die Widerstandsheizelemente (1) frei beweglich sind.
Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (47, 48) in der Filterstirnfläche (20) abwechselnd gegenläufig schräg ausgebildet sind, so daß die Widerstandsheizelemente (1) zur Fixierung eingehakt werden können.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Nuten (47, 48) in den Filterkanälen (2) nach dem Einsetzen der Widerstandsheizelemente (1) nach oben verschlossen ist.
Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) vor dem Verschließen der Nuten (47, 48) mit einem Material ummantelt sind, das bei Erhitzen der Widerstandsheizelemente (1) abbrennt oder verdampft, so daß keine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Widerstandsheizelementen (1) und dem Filter besteht.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung (36, 39) der Abgase vor den Widerstandsheizelementen (1) eine gasdurchlässige Abdeckplatte (35) angeordnet ist.
Filteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (35) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (35) durch eine Strömungskanäle definierende Gitterstruktur gebildet ist.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenzeichnet, daß die Abdeckplatte (35) aus offenporigem keramischen Schaum besteht.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Verbindungen in Nuten (51, 53, 47, 48) des Filterkörpers (3) aus porösem Filtermaterial untergebracht sind.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Verbindungen in Nuten (55) der Abdeckplatte (35) untergebracht sind.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Verbindungen über die Endstopfen (31) von Filterauslaßkanälen geführt sind.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Verbindungen auf der Eingangsseite des Filterkörpers (3) mäanderförmig gebogen sind.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Verbindungen Rechteckquerschnitt haben.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (51, 53, 55, 47, 48) quer zur Laufrichtung der Widerstandsheizelemente (1) verlaufen und mit elektrisch leitendem Material ausgefüllt sind, so daß der elektrische Widerstand der Widerstandsheizelemente (1) im Bereich der Nuten (51, 53, 55, 47, 48) gegenüber dem Bereich der Filterkanäle geringer ist.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 6-15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Filterstirnfläche (7) die zumindest einen Teil der Verbindungen der Widerstandsheizelemente (1) in den Kanälen (2) überdeckende gasdurchlässige Abdeckung (35) so mit Nuten (55) versehen ist, daß die elektrischen Verbindungen zwischen den Schlaufen der Widerstandsheizelemente (1) zwischen den einzelnen Kanälen (2) in den Nuten (55) der gasdurchlässigen Abdeckung (35) auf der Stirnfläche (7) des Filterkörpers (3) liegen.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (5, 6) der Widerstandsheizelemente (1) über ein Anschlußelement (8, 9, 10, 11) jeweils mit einer mit Abstand über die Stirnfläche (7) des Filterkörpers (3) geführten Zuleitung (17) bzw. Ableitung verbunden sind.
Filteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement durch ein parallel zur Strömungsrichtung (18) gegen die Stirnfläche (7) des Filterkörpers (3) geführtes Rohr (10, 11) aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, dessen eines Ende fest mit der Zuleitung (17) bzw. Ableitung und dessen anderes Ende fest mit dem freien Heizdrahtende (5, 6) des Widerstandsheizelementes (1) verbunden ist.