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1. (WO1993019288) DISPOSITIF DE FILTRATION POUR ELIMINER LES PARTICULES DE SUIE DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
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Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen
einer Verbrennungskraft aschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine , insbesondere eines Dieselmotors, mit wenigstens einem durch waben-för ig zueinander angeordnete Filterkanäle gebildeten Filterkörper aus einem porösen Filtermaterial, wobei jeweils im Bereich der Eintrittsöffnung der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle ein mehreren Eintrittsöffnungen zugeordnetes elektrisches iderstandsheizelement 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 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, wodurch der Abgaεgegendruck des Motors ansteigt.
Dies führt zu einer Erhöhung des Brennstoffverbrauchs und im Extremfall 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 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. 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 erforderlichen Häufigkeit erreicht, so daß die Regeneration nicht sichergstellt 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 Abgastempera-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 Widerstandsheizelemente angeordnet, die für aneinandergrenzende Stirnflächenbereiche Heizzonen bilden. Durch die Aufteilung der eintrittsseitigen 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 Fahrzeuglichtmaschine anzupassen. Die Größe der durch das jeweilige Widerstandsheizelement 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 dadurch, daß die einzelnen Widerstandsheizelemente über eine Schalteinrichtung 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 mäanderförmi gebogenen Draht gebildet, dessen Schlaufen jeweils in eine Eintrit öffnung des Filterkanals eingesteckt sind.

Die freien Enden des Mäanders sind über ein Anschlußelement jeweil 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 Hei element gebildet wird, das eine zuverlässige Positionierung der Heizdrähte an deren freien Enden ermöglicht.

Durch Erschütterungen sowie thermische Dehnung ist es jedoch möglich, daß die Mäander aus den Kanälen herauswandern. Hierdurch ist eine zuverlässige Dauerhaltbarkeit des Systems nicht mehr gegeben. 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 Bauaufwand 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 Filterkanal 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 entsprechende 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 Heizschlaufen die Auswärtsbewegung der Heizschlaufen hemmende Widerhaken 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 Auεführungsform der Erfindung.

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

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teiles eines Heizleiters.

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

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

Wie Fig. 1 zeigt, besteht das Widerstandsheizelement einer Filteranordnung gemäß der Erfindung aus einem mäanderförmig gebogenen Heizleiter 1, dessen Flanken 2 in die Eintrittsöffnung von Filterkanälen 5 eines als Wabenfilter ausgebildeten Filterkörper 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 Kr 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 elektrisches Aufheizen der Heizleiter 1 in Richtung der Abgasströmung 7 in den Filterkanal 5 einwandern kann. Bei dem anschließe den Abkühlen verkürzt sich die Länge des Heizleiters 1, und dur die Widerhaken 8 wird der obere Leiterbereich in die Wandung de Filterkanals 5 hineingezogen, so daß eine Auswärtsbewegung des 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 v 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 Extrudieren 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 Oberflächenbehandlung 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 Oberflächenbehandlung des Extrudierwerkzeuges beeinflußt. Der Reibungswiderstand 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 formschlüssige Verbindungen entstehen und der Mäander fixiert wird.

Wie Fig. 5 zeigt, ist der Kanalquerschnitt des Filtereintrittskanal 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 erfolgen. Der Heizleiter 11 erhält im Bereich der Flanke eine zu der Verengung korrespondierende Form, wodurch dem Auswandern des Heizleiters 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 Abwärtsbewegung 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.