DE3838589C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung handelt von einem Filter zum Entfernen von Ruß­ partikeln aus Abgasen mit einem von wabenförmig angeordneten Filterkanälen durchzogenen Filterkörper aus porösem Material, wobei im Bereich der Eintrittsöffnungen der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle wenigstens zwei für angrenzende Bereiche der Stirn­ fläche des Filterkörpers Heizzonen bildende Wider­ standsheizelemente angebracht sind.

Diese Widerstandsheizelemente werden zeitweise einzeln oder gemeinsam mit einer Stromquelle verbunden, um im Zusammen­ wirken mit den Filterkörper durchströmenden Gasen die an den Kanalwänden angesetzten Rußpartikel abzubrennen.

Ein derartiges Filter ist aus der DE-OS 37 12 333 bekannt. Bei diesem sind die die einzelnen Heizzonen bildenden Wider­ standsheizelemente harfenartig oder mäanderförmig auf der Stirnfläche des Filterkörpers verlegte Drähte, die über den Eintrittsöffnungen der Filterkanäle in diese eintauchende Drahtschlaufen bilden. Naturgemäß ist der Querschnitt eines Drahtes über seine Länge konstant, wodurch über seine gesamte Länge dieselbe Wärmemenge freigesetzt wird. Dadurch erhitzt sich der Draht auch dort, wo er es nicht soll oder muß.

Da weiters Länge und Querschnitt des Drahtes zum Erreichen der Zündtemperatur aufeinander abgestimmt sein müssen, besteht bei der Disposition und Dimensionierung der Heizzonen keine konstruktive Freiheit. Außerdem ist die Verlegung der dünnen Drähte mit ihren Schlaufen auf der Stirnfläche des Filter­ körpers sowie deren Verbindung mit den nach außen führenden Stromleitungen bei der Fertigung ein außerordentlich schwie­ riger und zeitraubender Arbeitsgang.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, Widerstandsheizelemente zu schaffen, die konstruktive Freiheit bei der Zonenteilung ge­ ben, die zugleich aber billig in Fertigung und Montage, zuver­ lässig und langlebig sind.

Bei einem gattungsgemäßen Filter wird das dadurch erreicht, daß die Widerstandsheizelemente sich in ihrer Länge und in ihrer Breite über eine ganze Heizzone erstreckende perforierte Blechstreifen sind, die ein aus Querstegen und Längsstegen bestehendes Gitter bilden, wobei die Längsstege zu U-förmigen Heizleitern gebogen sind, die in die offenen Filterkanäle ragen.

Dadurch wird für jede Heizzone nur ein billiges, robustes und für die Massenproduktion geeignetes Teil benötigt, das leicht montierbar ist. Dadurch, daß die Heizelemente zweidimensionale Gitter bilden, wird der elektrische Strom bei Zerstörung eines U-förmigen Heizleiters umgeleitet, so daß die ganze Heizzone im wesentlichen funktionsfähig bleibt.

Weiters ist es dadurch möglich, die einzelnen Leitungsquer­ schnitte so abzustimmen, daß nur die schmalen Längsstege bis zum Glühen erhitzt werden, die anderen den Filterkörper berüh­ renden Teile jedoch weniger, was die Lebensdauer erhöht.

Dadurch, daß es sich um ein zweidimensionales Gitter mit indi­ viduell gestaltbaren Querschnitten handelt, kann dieses der gewählten Größe und Form (bei rundem Querschnitt des Filter­ körpers) der einzelnen Heizzonen angepaßt werden.

Alle diese Vorteile treten noch stärker hervor, wenn man den Heizleiter in Weiterbildung der Erfindung so gestaltet, daß die Stege in Richtung der Diagonalen der schachbrettartig angeordneten Filterkanäle liegen.

Dadurch können die verbindenden Querschnitte größer gewählt werden, ohne die Gasströmung zu behindern, außerdem wird die Steifigkeit des gesamten Widerstandsheizelementes erhöht.

Zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit wird in Fortbildung der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen U-förmigen Heizleiter durch Biegung um ihre Längsachse zu versteifen, wodurch auch die Gefahr strömungserregter Schwingungen abnimmt. Werden sie so gebogen, daß ihre Seitenränder den Innenwänden der Gasein­ trittskanäle nahekommen, können Rußablagerungen direkt durch Kontakt entzündet werden.

Durch Einschnürung der U-förmigen Heizleiter an bestimmten Stellen läßt sich die Lage der Stelle höchster Temperatur und damit das Abbrennverhalten optimieren.

Gemäß einer Abwandlung der Erfindung ist es bei diagonaler Anordnung der Widerstandsheizelemente möglich, diese auch zum Abdecken der gasaustrittsseitig offenen Kanäle einzu­ setzen, wodurch nicht nur das Verstopfen dieser Kanäle mit Keramikmasse überflüssig wird, sondern auch der Heizleiter durch die zwischen den Kanälen bestehende Druckdifferenz - die ja dem Druckverlust des Filters entspricht - an die Stirn­ fläche des Filterkörpers gepreßt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die stirnseitigen Enden der Widerstandsheizelemente als aus dem Filtergehäuse herausgeführte Kontaktzungen auszubilden, wodurch Leitungsverbindungen im Inneren des Filters vermieden werden. Insbesondere läßt sich der Masseanschluß besonders einfach gestalten, indem man die Massezungen entweder direkt zum Anschlußflansch führt oder von der Stirnfläche des Filter­ körpers wegbiegt und mit einem Masseleiter in Kontakt bringt, der mit dem Gehäuseflansch verbunden ist, je nach Disposition der Heizzonen. Wenn man schließlich die Heizzonen so anbringt, daß alle Massezungen in einer Linie liegen, genügt ein ein­ ziger schmaler Blechstreifen als Masseanschluß.

Die Erfindung ist in den folgenden Abbildungen dargestellt:

Fig. 1 Erfindungsgemäßes Partikelfilter im Längsschnitt,

Fig. 2 Ansicht A in Fig. 1,

Fig. 3 Detail B in Fig. 2, stark vergrößert, (um 90° verdreht),

Fig. 4 Variante zu Fig. 3,

Fig. 5 Axionometrische Darstellung, teilweise aufge­ schnitten, entsprechend Fig. 3,

Fig. 1 zeigt das Partikelfilter aus einem von einem Einström­ konus (1), einem Mantel (3) und einem Ausströmkonus (5) gebil­ deten Gehäuse, einem keramischen Filterkörper (7) mit später zu beschreibenden Kanälen und stromaufwärts des Filterkörpers (7) angeordneten Widerstandsheizelementen (18).

Der Einströmkonus (1) und der Austrittskonus (5) sind über Flansche (2) mit den Flanschen (4) des Mantels (3) auf geeig­ nete Weise fest verbunden. Die Flansche (2, 4) sind in der gezeigten Ausführungsform nach innen gebogen, sie können aber ebensogut nach außen gebogen oder angeschweißt und durch Schrauben, Bördeln, Löten oder Schweißen miteinander verbunden sein.

Im Inneren des Mantels (3) ist der Filterkörper (7) axial und radial z.B. über Packungsringe (6) festgehalten. Er besteht aus einem porösen Material, etwa Keramik und enthält längsge­ richtete schachbrettartig angeordnete Eintrittskanäle (9) und Austrittskanäle (10), wie in Fig. 5 zu sehen. Das zu reinigen­ de Gas strömt in die vorne offenen Eintrittskanäle (9), tritt durch die porösen Trennwände (24) und verläßt den Filterkörper (7) durch die nach hinten offenen Austrittskanäle (10).

Fig. 2 ist eine Stirnansicht des Filters mit abgenommenem Eintrittskonus (1) in Strömungsrichtung (8). Dort und in Fig. 1 ist zu erkennen, daß auf der Stirnfläche (17) mehrere Wider­ standsheizelemente (18) aufliegen, die Bereiche (12) bilden. Die einzelnen Widerstandsheizelemente (18) können einzeln unter Strom gesetzt werden, wodurch sie in der betreffenden Zone das Abbrennen des in den Eintrittskanälen (9) angesammel­ ten Rußes einleiten.

Die Widerstandsheizelemente (18) bilden Kontaktzungen (13), die durch Isolatoren (14) zwischen den Flanschverbindungen (2, 4) aus dem Filtergehäuse hinausgeführt sind, wozu Teile (30) der Flansche abgehoben sein können um Raum für die Isolatoren (14) zu schaffen.

Das andere Ende der Widerstandsheizelemente läuft in der darge­ stellten Ausführung in aufwärts gebogene Massezungen (15) aus, die einen Masseleiter (16) berühren, der ein zwischen den Flanschen (2, 4) gehaltener Blechstreifen ist. Er steht mit den Flanschen (2, 4) in leitender Verbindung, wodurch eine Seite der Widerstandsheizelemente (18) mit dem Gehäuse (1, 3, 5) und damit mit Masse verbunden ist.

In Fig. 2 sind die Bereiche (12) so angeordnet, daß alle Masse­ zungen (15) den Masseleiter (16) berühren. Es liegt aber im Bereich der Erfindung, die Widerstandsheizelemente (18) nach Belieben zu formen und anzuordnen, wobei unter Verzicht auf den Masseleiter (16) die Massezungen auch einzeln zum Flansch (2, 4) geführt sein können. Die besondere Gestaltung der Wider­ standsheizelemente (18) schafft dafür die Voraussetzung.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei verschiedene Gestaltungs­ möglichkeiten der Widerstandsheizelemente (18) stark ver­ größert dargestellt. Beiden Varianten ist gemeinsam, daß die Widerstandsheizelemente (18) Blechstreifen sind, die so ausge­ stanzt sind, daß sie als Heizleiter dienende Längsstege (20) und diese verbindende Querstege (21) bilden. Die Längsstege (20) sind U-förmig gebogen, so daß sie in die Eintrittskanäle (9) des Filterkörpers (7) eintauchen.

Die Widerstandsheizelemente (18) können schnell und präzise mit einfachen Stanz- oder Preßwerkzeugen hergestellt werden. Bei Herstellung durch Pressen ist es ohne Mehraufwand möglich, die Steifigkeit des Widerstandsheizelementes (18) durch Bil­ dung von Sicken (25, in Fig. 3) in den Querstegen (21) oder Biegung der Heizleiter (26) auch in Längsrichtung zu erhöhen. Wenn die Seitenkanten (28) den Innenwänden (29) der Gasein­ trittskanäle (9) nahekommen, können Rußablagerungen direkt gezündet werden.

In Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, daß der Filterkörper (7) schachbrettartig angeordnete Eintrittskanäle (9) enthält, die nach dessen Stirnfläche (17) hin offen sind und in die die partikelbeladenen Abgase einströmen. Die Austrittskanäle (10) sind gegenüber der Stirnfläche (17) verschlossen, normalerweise durch einen keramischen Stopfen (11).

In der Ausführungsform der Fig. 3 sind die Stege (20, 21) des Widerstandsheizelementes (18) in Richtung der Diagonalen des Schachbrettes auf der Stirnfläche (17) angeordnet. Der elektrische Strom fließt hier parallel durch mehrere Längs­ stege (20). Wenn einer dieser Längsstege zerstört wird, umgeht der elektrische Strom diese Störstelle unter Benützung der Querstege (21). Das Widerstandsheizelement, im wesentlichen funktionsfähig, bleibt also.

Weiters sind in Fig. 3 zwei Abwandlungen erkennbar. Wenn man sich die Keramikstopfen (11) ersparen will, verbreitert man die Querstege zu Lappen (22), die den Gasen den Eintritt in die Austrittskanäle verwehren und sogar durch die herrschende Druckdifferenz an die Stirnfläche (17) des Filterkörpers (7) angepreßt werden. In ähnlicher Weise lassen sich auch die Ein­ trittskanäle (9) hinten zustopfen, was nicht dargestellt ist. Zur genauen Anpassung des Widerstandes an Strömungsgegeben­ heiten und an die Form und Größe des Widerstandsheizelementes (18), aber auch zur Beeinflussung des Abbrennverhaltens, ist es möglich, einzelne oder alle Heizleiter (20) mit Einschnü­ rungen (23) zu versehen, an denen dann die Stromdichte und damit die Temperatur höher ist.

Fig. 4 unterscheidet sich von Fig. 3 nur dadurch, daß die Längsstege (20) und Querstege (21) nicht diagonal, sondern in Richtung des Schachbrettes ausgerichtet sind. Auch hier ist es möglich, ähnlich wie in Fig. 3, Lappen (22) oder Einschnürungen (23) mit demselben Effekt anzubringen.

Fig. 5 zeigt das Widerstandsheizelement nach Fig. 3 und einen kleinen Teil des Filterkörpers (7) aufgeschnitten in axionometrischer Ansicht. Die Heizleiter (20) tauchen in die Eintrittskanäle (9) ein, das Abgas tritt von diesen durch die Keramikwand (19) hindurch, wobei der mitgeführte Ruß abgelagert wird, und in die Austrittskanäle (10) ein, die durch einen Keramikstopfen (11) gegenüber der Stirn­ fläche (17) verschlossen sind.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion gestaltet sich auch der Zusammenbau des Partikelfilters besonders einfach und arbeitsökonomisch: Die einzelnen Widerstandselemente (18) können problemlos auf den im Gehäuse (6) eingepackten Filter­ körper (7) aufgesetzt werden, wobei die Kontaktzungen (13) und die Massezungen (14) über den Mantelflansch (4) hinaus­ ragen. Sodann wird der Einlaufkonus (1) aufgesetzt und mit dem Flansch (4) verbunden.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Ausbildungen der Flansche (2, 4) und deren Verbindung durch Schrauben, Bör­ deln, Schweißen etc. denkbar. Dementsprechend können auch die Zungen (13, 15) in handwerklich geläufiger Weise ausge­ bildet und zwischen den Flanschen (2, 4) entweder verbunden oder isoliert hinaufgeführt werden.

Weitere Abwandlungen der abgebildeten Ausführungsbeispiele sind möglich. So könnte die Stirnfläche des Filterkörpers auch rechteckig sein und die einzelnen Widerstandsheizele­ mente so ausgebildet, daß ihnen die Stirnfläche weitgehend belegt werden kann. Es ist sogar denkbar, mehrere Filter­ körper zusammenzufassen.

Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Widerstandsheizelemente nicht nur die gestellten Aufgaben gelöst, sondern erst durch sie wird die billige Massenpro­ duktion derartiger Filter möglich.

Claims (12)

1. Filter zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen mit einem von wabenförmig angeordneten Filterkanälen (9, 10) durchzogenen Filterkörper (7) aus porösem Material, wobei im Bereich der Eintrittsöffnungen der gaseintrittsseitig offenen Filterkanäle (9) wenigstens zwei für angrenzende Bereiche der Stirnfläche (17) des Filterkörpers (7) Heizzonen (12) bildende Widerstandsheizelemente (18) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizelemente (18) sich in ihrer Länge und in ihrer Breite über eine ganze Heizzone (12) er­ streckende perforierte Blechstreifen sind, die ein aus Längsstegen (20) und Querstegen (21) bestehendes Gitter bilden, wobei die Längsstege (20) zu U-förmigen Heiz­ leitern gebogen sind, die in die offenen Filterkanäle (9) ragen.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filterkanäle (9, 10) quadra­ tischen Querschnittes schachbrettartig angeordnet sind und daß die Stege (20, 21) in Richtung der Diagonalen des Schachbrettes liegen.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizleiter (20) zusätzlich zur U-förmigen Biegung auch um ihre Längsachse (27) gebo­ gen sind.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizleiter (26) so um ihre Längsachsen (27) gebogen sind, daß deren Seitenkanten (28) den Innenwänden (29) der Eintrittskanäle nahekommen oder diese berühren.

5. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu den U-förmigen Heizlei­ tern (20) gebogenen Stege eine oder mehrere Einschnürungen (23) aufweisen.

6. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querstege (21) die Austritts­ kanäle (10) des Filterkörpers (7) abdecken.

7. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein stirnseitiges Ende der Widerstandsheizelemente (18) als Kontaktzunge (13) ausgebildet ist, die aus dem Filtergehäuse (1, 3, 5) hinausgeführt ist.

8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine Kontaktzunge (13) der Widerstandsheizelemente durch den Anschlußflansch (2, 4) hinausgeführt ist.

9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer der Flansche (2, 4) an den Durchführungsstellen der Kontaktzungen (13) Sicken (30) aufweist.

10. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anderen stirnseitigen Enden der Widerstandsheizelemente (18) als Massezungen (15) ausgebildet sind, die zum Gehäuseflansch (2, 4) geführt und mit diesem leitend verbunden sind.

11. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anderen stirnseitigen Enden der Widerstandsheizelemente (18) als Massezungen (15) ausgebildet sind, die von der Stirnfläche (17) des Filter­ körpers weg gebogen sind und einen stromaufwärts der Stirn­ fläche (17) angeordneten Masseleiter (16) berühren, wobei dieser Masseleiter (16) mit dem Gehäuseflansch (2, 4) leitend in Verbindung steht.

12. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Widerstandsheizelemente (18) auf der Stirnfläche (17) des Filterkörpers (7) so angeordnet sind, daß deren Kontaktzungen (13) am Außenrand des Filterkörpers (7) liegen und deren Massezungen (15) ungefähr in einer Linie enden, in der der Masseleiter (16) liegt und diesen leitend berühren.