DE4137771A1 - Elektrisch regenerierbare partikelfiltereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesonde­ re Filtereinrichtung zum Abscheiden von Feststoffen aus dem Abgas einer selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Filtereinrichtungen, die auch als Rußfilter oder Partikelfilter bekannt sind, werden zur Erfüllung be­ stehender oder zu erwartender Abgasemissionsgrenzwerte, insbesondere bei mit selbstzündender Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeugen oder Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei werden von der Filtereinrichtung Feststoffe - insbe­ sondere Rußpartikel - aus dem Abgas ausgeschieden und an der Filtereinrichtung angelagert.

Solche Filtereinrichtungen sind bekannt und werden schon erfolgreich eingesetzt (DE-OS 41 30 629). Regeniert, also gereinigt, werden derartige Filtereinrichtungen durch Ab­ brennen der angelagerten Feststoffe, wobei der Abbrennvor­ gang durch elektrisches Erhitzen der Filtereinrichtung einleitbar ist. Die angelagerten Feststoffe weisen alle­ samt Kohlenstoff auf und lassen sich durch Erhitzen auf Temperaturen von ca. 650° entzünden und brennen normaler­ weise rückstandsfrei ab. Dabei ist ein Filter der Filter­ einrichtung heterogen aufgebaut und weist eine grobporige Schicht und eine feinporige Schicht auf, wobei das Filter so in dem Abgasstrom angeordnet ist, daß zuerst die grob­ porige Schicht von dem Abgas durchströmt wird und die grobporige Schicht eine Struktur aufweist, die das Ein­ dringen von Feststoffen ermöglicht, während die in Strö­ mungsrichtung anschließende feinporige Schicht die Fest­ stoffe ausscheidet. Ein Abbrennvorgang wird nun durch elektrisches Erhitzen des Filters eingeleitet. Dabei kann die elektrische Widerstandsheizung in Form von Heizfäden vor der porigen Schicht angeordnet sein, oder aber das Filtermaterial selbst, insbesondere die grobporige Schicht, ist elektrisch leitfähig ausgebildet. Dabei hat sich als Filter-Herstellungsmaterial Siliciumcarbid (SiC) bewährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterein­ richtung bereitzustellen, bei dem die Regenierbarkeit ge­ genüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Filtereinrichtung Filterkerzen aufweist, die parallel ge­ schaltet von Abgas durchströmt werden, wobei die Filter­ kerzen einzeln oder in Gruppen regenierbar sind. Damit wird erreicht, daß während des Regenerationsvorgangs eine nachteilige Auswirkung auf den Brennkraftmaschinenbetrieb durch den Regenerationsvorgang vermieden wird, anderer­ seits die zu regenierende (n) Filterkerze (n) störungsfrei regeniert werden kann bzw. können.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Abgasstrom während des Regeneriervorganges drosselbar oder absperrbar. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß, wenn eine Filterkerze zur Regeneration elektrisch aufgeheizt wird - entweder über den eigenen elektrischen Widerstand oder über einge­ baute bzw. angebaute Heizleiter - ein wesentlicher Teil der elektrischen Heizleistung durch das durch die Filter­ kerze strömende Abgas während des Brennkraftmaschinenbe­ triebs abgeführt wird. Durch die Drosselung oder Ab­ sperrung des Abgasstromes während des Regeniervorganges kann die zugeführte Heizleistung verringert werden, ober aber bei unveränderter Heizleistung wird die nötige Zünd­ temperatur von ca. 650° schneller und zuverlässiger er­ reicht. Hinzu kommt der Effekt, daß das Abgas sich durch den Drosselvorgang - bei in Strömungsrichtung vor den Fil­ terkerzen angeordneter Drosseleinrichtung - erwärmt und diese Eigenerwärmung gegebenenfalls nicht durch elektri­ sche Energie erzeugt werden muß. Zudem wird durch die Ein­ zelregeneration oder Gruppenregeneration der Betrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise durch erhöhten Gesamtab­ gasgegendruck nicht oder nur unwesentlich beeinflußt.

In Weiterbildung der Erfindung steuert ein an einer Fil­ terkerze angeordnetes Ventil den Abgastrom. Dabei ist es grundsätzlich möglich, das Ventil vor oder hinter der Fil­ terkerze anzuordnen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Ventil elektromag­ netisch betätigbar. Bei einem derart elektromagnetisch be­ tätigbaren Ventil ist dieses in vorteilhafter Weiterbil­ dung elektrisch mit der Heizeinrichtung der Filterkerze verschaltet. Damit entsteht kein zusätzlicher Schaltungs­ aufwand, da die Drosselung oder Absperrung des Abgases ausschließlich während des Regeneriervorganges - also während des elektrischen Erwärmens der Filterkerze - vor­ genommen werden soll. Auch ist eine Fehlbedienung, die sich durch ein alleiniges Einschalten des Ventils oder der Heizeinrichtung ergeben könnte, durch die erfindungsgemäße Verschaltung ausgeschlossen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventil stromabwärts der Filterkerze angeordnet und weist eine den Abgasstrom steuernde Sperrvorrichtung auf, die gegen die Strömungsrichtung des Abgases betätigbar ist. Diese Aus­ bildung hat sich als konstruktiv günstige Lösung erwiesen, die bei einer Betriebstörung oder einem Defekt ein unbe­ absichtigtes Stauen des Abgases verhindert.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Zeichnungsbe­ schreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestell­ te Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Filterkerze mit nachgeschaltetem Ventil, das eine tellerförmige Sperrvorrichtung aufweist und

Fig. 2 eine Filterkerze mit einem nachgeschalteten Ventil, das eine trichterförmige Steuervorrichtung aufweist.

Eine Filtereinrichtung zum Abscheiden von Feststoffen aus dem Abgas einer selbstzündenden Brennkraftmaschine weist zumindest eine Filterkerze 1 auf, die heterogen aufgebaut eine grobporige äußere Schicht und eine feinporige innere Schicht aufweist. Die grobporige Schicht weist eine Struk­ tur auf, die das Eindringen von Feststoffen ermöglicht, während die in Strömungsrichtung anschließende feinporige Schicht die Feststoffe ausscheidet. Zumindest die grobpo­ rige Schicht ist elektrisch leitfähig. Um die elektrische Energie zum Erhitzen der Filterkerze 1 zuführen zu können, sind an die Filterkerze 1 in geeigneter Weise elektrische Anschlüsse 2a, 2b angebracht. In Strömungsrichtung 3 hinter der Filterkerze 1 ist ein Ventil 4 angeordnet. Das Ventil 4 weist einen Spulenkörper 5 auf, auf dem ein Spulendraht 6 aufgewickelt ist. Dabei ist der Spulendraht 6 mit dem filterkerzenseitigen Ende mit dem elektrischen Anschluß 2b der Filterkerze 1 über eine elektrische Verbindung 7 ver­ schaltet. Das der Filterkerze 1 abgewandte Ende des Spu­ lendrahtes 6 ist als elektrischer Anschluß 2c ausgeführt. An die elektrischen Anschlüsse 2a, 2c wird eine elektrische Spannung angelegt, die einerseits die Aufheizung der Fil­ terkerze 1 bewirkt und weiterhin durch den Spulendraht 6 ein magnetisches Feld erzeugt. Das magnetische Feld be­ wirkt, daß eine Sperrvorrichtung, die als Tellerventil 8 ausgebildet ist, auf den Spulenkörper 5 gegen die Kraft einer Feder 9 gezogen wird. Das Tellerventil 8 weist eine nicht dargestellte Führungseinrichtung auf, die es in dem Spulenkörper 5 führt bzw. hält. Denkbar ist, daß diese Führungsvorrichtung durch die Feder 9 bewirkt wird.

Liegt an den elektrischen Anschlüssen 2a, 2c keine elek­ trische Spannung an, strömt das Abgas von außen durch die Filterkerze 1 in den Innenraum und weiter in Strömungs­ richtung 3 in den Spulenkörper 5. Das so gereinigte Abgas gelangt durch die von dem Spulenkörper 5 und dem abstehen­ den Tellerventil 8 gebildete Ringöffnung 10 in die Umge­ bung. Ein kleiner Teilstrom gelangt durch Bohrungen 11 in dem Tellerventil 8 ebenfalls in die Umgebung. Wird nun eine elektrische Spannung an die elektrischen Anschlüsse 2a, 2c angelegt, wird einerseits die Filterkerze 1 er­ hitzt, so daß die Zündtemperatur erzeugt wird. Gleichzei­ tig wird durch den Spulendraht 6 ein magnetisches Feld er­ zeugt, daß das Tellerventil 8 mit dem Ventilteller zur An­ lage an den Spulenkörper 5 bringt. Dadurch wird die Ring­ öffnung 10 verschlossen und das Abgas kann nur in einem verminderten Strom durch die Bohrungen 11 in die Umgebung abströmen. Insbesondere wenn mehrere Filterkerzen 1 pa­ rallel geschaltet sind und die Filterkerzen einzeln oder in kleineren Gruppen regeneriert werden, ist es im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, den Abgasstrom durch die Filterkerze 1, die regeniert werden soll, gänzlich abzu­ sperren. In einem derartigen Fall werden dann keine Bohrungen 11 in das Tellerventil 8 eingearbeitet.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Sperrvor­ richtung als Trichterventil 12 augebildet. Im geöffneten Zustand strömt das Abgas in Strömungsrichtung 3 durch die Filterkerze 1 in den Spulenkörper 5 und durch die Ringöff­ nung 10 in die Umgebung. Bei angelegter Spannung an die elektrischen Anschlüsse 2a, 2c wird das Trichterventil 12 analog zu dem Tellerventil 8 auf den Spulenkörper 5 gezo­ gen und die Ringöffnung 10 verschlossen. Das Abgas strömt dann in einem verringerten Strom durch den Trichter 13 in die Umgebung. Das Trichterventil weist ebenfalls eine ge­ eignete Führungs- und Haltevorrichtung auf, die es mit dem Spulenkörper 5 verbindet. Auch ist vorgesehen, eine Feder einzusetzen, die es in einer definierten Offen-Stellung bei nicht angelegter elektrischer Spannung hält.

Claims (6)

1. Filtereinrichtung, insbesondere Filtereinrichtung zum Abscheiden von Feststoffen aus dem Abgas einer selbst­ zündenden Brennkraftmaschine, wobei die Filtereinrichtung durch Abbrennen der angelagerten Feststoffe regenierbar ist, und der Abbrennvorgang durch elektrisches Erhitzen der Filtereinrichtung einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung Filter­ kerzen (1) aufweist, die parallel geschaltet von Abgas durchströmt werden, wobei die Filterkerzen (1) einzeln oder in Gruppen regenierbar sind.

2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Regeneriervorgangs der eine Filterkerze (1) durchströmende Abgasstrom dros­ selbar oder absperrbar ist.

3. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein an der Filterkerze (1) an­ geordnetes Ventil (4) den Abgasstrom steuert.

4. Filtereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4) elektromagne­ tisch betätigbar ist.

5. Filtereinrichtung nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4) elektrisch mit der Heizeinrichtung der Filterkerze (1) verschaltet ist.

6. Filtereinrichtung nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4) stromabwärts der Filterkerze (1) angeordnet ist und eine den Abgasstrom steuernde Sperrvorrichtung aufweist, die gegen die Strö­ mungsrichtung des Abgases in eine geschlossene Stellung bewegbar ist.