Filteranordnung zum Entfernen von Russpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine

Abstract

 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, soll derart ver­bessert werden, daß eine sichere Fixierung der Heizleiter und ihrer Anschlüsse gewährleistet ist und Fehlkontakte, insbesondere Kurzschlüsse, vermieden werden.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß mehrere Widerstandsheiz­elemente (1) und/oder ihre Verbindungen mit einem Befestigungs­element (10) verbunden sind, welches an die Stromzuführung ange­schlossen und in seiner Position unter Einhaltung eines maximalen Abstandes von 30 mm von der Filteroberfläche dreidimensional ortsveränderbar angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft 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.

[0002] 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 Motors 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.

[0003] 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.

[0004] 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. 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.

[0005] 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, wie dies z.B. aus US-PS 4,427,418 be­kannt ist.

[0006] Die schlaufenförmig gebogenen Heizleiter müssen, um eine sequentielle Regeneration durchführen zu können, zu kleinen Gruppen zusammengeschaltet werden. Die einzelnen Gruppen sind elektrisch voneinander getrennt derart an die Versorgungsspan­ nung des Fahrzeugs angeschlossen, daß sie unabhangig 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 dann der elektrische Widerstand des Heiz­leiters, wodurch die Heizleitertemperatur ansteigt und ein Durch­brennen des Drahtes eintreten kann.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regenerations­anordnung für Dieselpartikelfilter der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der eine sichere Fixierung der Anschlüsse der Heizleiter und der Heizschlaufen im Wabenkörper gewährleistet ist und Fehlkontakte, insbesondere Kurzschlüsse, vermieden werden.

[0008] Vor allem an den Enden der Heizleiter ist die Halterung der Heiz­drähte im Filter problematisch. Hier müssen, wie erwähnt, außer­dem mehrere Heizdrähte elektrisch miteinander verbunden werden, und es muß eine Möglichkeit geschaffen werden, die zur Beheizung notwendige elektrische Energie auf einem ausreichend großen Quer­schnitt von außen zuzuführen.

[0009] Gemäß der Erfindung ist bei einer Filteranordnung der eingangs bezeichneten Art vorgesehen, daß mehrere Widerstandsheizelemente und/oder ihre Verbindungen mit einem Befestigungselement ver­bunden sind, welches an die Stromzuführung angeschlossen und in seiner Position unter Einhaltung eines maximalen Abstandes von 30 mm von der Filteroberfläche dreidimensional ortsveränderbar an­geordnet ist.

[0010] Vorzugsweise ist das Befestigungselement an einem im wesentlichen parallel zur Richtung der Kanäle des Filters angeordneten Bolzen angebracht, welcher durch ein Gewindestück mit exzentrischer Bohrung gegenüber einer Deckplatte parallel zur Oberfläche des Filters ortsveränderbar ist.

[0011] Dabei kann es vorteilhaft sein, daß die Höhe des Befestigungs­elements über der Oberfläche des Filters durch ein Schraubgewinde veränderbar ist.

[0012] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Gewindestück ein Außengewinde geringer Steigung besitzt, das mit einem Innengewinde der Deckplatte zusammenwirkt.

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

[0014] Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Filteranordnung gemäß der Erfindung, teilweise geschnitten,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 1.

[0015] Wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, sind Heizdrähte 1 in die Öffnungen der Kanäle eines Filterkörpers 2 schlaufenförmig derart eingesetzt, daß sie auch im Fahrzeugbetrieb jeweils sicher in ihrer Lage gehalten sind. Der Filterkörper 2 ist mit einer Isoliermatte 3 in ein Gehäuse 4 eingebaut und mit einem Halte­winkel 14 abgestützt.

[0016] Wie Fig. 3 zeigt, sind mehrere Heizdrähte 1 mit ihren Enden an eine im vorliegenden Fall etwa halbkreisförmige, verhältnismäßig kleine, elektrisch leitfähige Platte 10 angeschlossen, z.B. durch Löten oder Schweißen. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die Platte 10 mit möglichst geringem Abstand gegenüber der Oberfläche des Filterkörpers 2 sicher angeordnet ist, und zwar höchstens etwa 30 mm. Durch diese Maßnahme ist erreicht, daß die Heizdrähte bzw. ihre Anschlußenden sich bei Stromdurchgang und entsprechender Erwärmung nicht derart verformen können, daß die Stabilität der Anordnung gefährdet ist und Fehlkontakte auftreten können.

[0017] Ein Bolzen, beispielsweise eine Schraube 5, befindet sich inner­halb einer entsprechenden Aussparung der Platte 10, und er ist in geeigneter Weise mit der Platte 10 verbunden, z.B. durch Fest­schweißen. Die Schraube 5 ist umgeben von einem Rohr 9 aus elek­trisch nicht leitendem Material, vorzugsweise Keramik.

[0018] Bei Filteranordnungen mit Wabenstruktur treten Schwierigkeiten dadurch auf, daß ein Filterkörper in seinen geometrischen Abmes­sungen nie völlig regelmäßig beschaffen ist. Hinzu kommt, daß es in der Praxis kaum gelingen wird, den Filterkörper relativ zur Gehäusewand stets an exakt gleicher Stelle anzuordnen. Toleranzen dieser Art sind aus den beschriebenen Gründen, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, daß die Abmessungen der Filterkanäle 2 x 2 mm betragen, äußerst kritisch. Schließlich wird es auch im Fertigungsvorgang nicht immer möglich sein, die Platte 10 in genau gleichem Abstand von der Filteroberfläche anzubringen.

[0019] Um Schwierigkeiten dieser Art zu beheben, ist vorgesehen, daß die Schraube 5 durch ein Gewindestück 11 mit exzentrischer Bohrung gegenüber einer Deckplatte 13 parallel zur Oberfläche des Filter­körpers 2 ortsveränderbar ist. Dabei kann die Höhe der Platte 10 über der Oberfläche des Filterkörpers 2 durch ein Schraubgewinde veränderbar sein. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Gewindestück 11 ein Außengewinde geringer Steigung besitzt, das mit einem Innengewinde der Deckplatte 13 zusammenwirkt. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Befestigungsplatte 10 für die Heizdrähte 1 in sehr genauer und zuverlässiger Weise dreidi­mensional verstellt und in der vorgesehenen Stellung gehalten werden kann.

[0020] Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist das in die Deckplatte 13 einge­schraubte Gewindestück 11 mit einer exzentrischen Bohrung in Längsachse versehen. Das Außengewinde des Gewindestücks 11 hat eine sehr kleine Steigung, so daß durch eine halbe Umdrehung nach rechts oder links ein weiter Bereich von möglichen Durchführungs­stellen abgedeckt werden kann, ohne daß eine nennenswerte Höhen­verstellung erfolgt. Durch mehrere Umdrehungen hingegen kann eine Höhenverstellung erreicht werden. Nach erfolgter Einstellung wird das Gewindestück 11 durch eine Kontermutter 12 gesichert.

[0021] Die Schraube 5 mit dem Isolierrohr 9 wird durch das Gewindestück 11 nach außen geführt. Über die Schraube 5 wird dann ein weiteres Isolierrohr 8 gesteckt. Mit einem handelsüblichen Kabelschuh 7 und einer Mutter 6 werden die Schraube 5, die Mutter 6, der Kabelschuh 7, die Isolierrohre 8 und 9, die Platte 10 sowie das Gewindestück 11 miteinander verspannt. Die Stromversorgung der Heizdrähte erfolgt über Kabelschuh 7, Schraube 5 und Befesti­gungsplatte 10. Die freien Enden der Heizdrähte sind mit der Masse verbunden.

[0022] Durch die Zusammenfassung der Heizdrähte 1 in der Befestigungs­platte 10 und den engen Abstand der Befestigungsplatte von weniger als oder gleich 30 mm von den Heizdrähten in der Ober­fläche des Filterkörpers 2 werden die mäanderförmig angeordneten Heizdrähte mit ihren Halterungen bzw. Anschlüssen zuverlässig an einem Herauswandern aus ihrer vorgesehenen Lage gehindert und dadurch die Gefahr von Fehlkontakten mit ihren nachteiligen Folgen behoben. Die dreidimensionale Einstellbarkeit der Befesti­gungsplatte 10 bei gleichzeitiger Isolation des Bolzens 5 ermög­licht einen zuverlässigen Ausgleich von Fertigungstoleranzen.

[0023] Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die dargestellte und beschriebene konstruktive Ausführungsform beschränkt ist und daß die Bezugsziffern nur der Erläuterung, aber nicht der Beschränkung dienen. Insbesondere ist es auch möglich, an Stelle der Befestigungsplatte 10 ein Befestigungs­ element anderer Art einzusetzen, z. B. in Form eines Stabes, eines Rohres oder in sonstiger geeigneter Form.

Ansprüche

1. 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, dadurch gekennzeich­net, daß mehrere Widerstandsheizelemente (1) und/oder ihre Ver­bindungen mit einem Befestigungselement (10) verbunden sind, welches an die Stromzuführung angeschlossen und in seiner Position unter Einhaltung eines maximalen Abstandes von 30 mm von der Filteroberfläche dreidimensional ortsveränderbar angeordnet ist.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (10) an einem im wesentlichen parallel zur Richtung der Kanäle des Filterkörpers (2) angeordneten Bolzen (5) angebracht ist, welcher durch ein Gewindestück (11) mit exzen­trischer Bohrung gegenüber einer Deckplatte (13) parallel zur Oberfläche des Filterkörpers (2) ortsveränderbar ist.

3. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Befestigungelements (10) über der Oberfläche des Fil­terkörpers (2) durch ein Schraubgewinde veränderbar ist.

4. Filteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Gewindestück (11) ein Außengewinde geringer Steigung besitzt, das mit einem Innengewinde der Deckplatte (13) zusammenwirkt.

Zeichnung