DE4229954A1 - Abgasfilter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasfilter, vor allem für Ruß enthaltende Verbrennungs­ gase, welcher im wesentlichen aus einem feinporigen metallischen Filterelement besteht.

Metallische Filterelemente für Abgase sind im Stand der Technik in vielfältiger Form bekannt. So gibt es beispielsweise für Dieselfahrzeuge Filter mit zylindrischen Gehäusen, welche im Inneren zwischen Sieben oder Lochscheiben eine Mehrzahl von Schichten aus Metallwolle aufweisen. Bei anderen Filtern sind poröse keramische Grundkörper mit Metall beschichtet, wobei das Metall in erster Linie als Katalysator dient, um schädliche Bestandteile von Abgasen, vornehmlich von Autoabgasen- in besser umweltverträgliche Substanzen umzuwandeln, d. h. im allgemeinen zu oxidieren.

Es sind auch bereits Abgasfilter bekannt, in welche Heizelemente integriert sind, um so die Filterelemente auf einer gewünschten Temperatur zu halten.

Ein Nachteil aller bekannter Filtersysteme besteht jedoch häufig darin, daß sie einen relativ voluminösen und komplizierten Aufbau haben, entsprechend teuer sind und/oder in bestimmten Betriebszustanden unwirksam sind. Letzteres gilt beispielsweise für die Abgasfilter von Kraftfahrzeugen unmittelbar nach dem Kaltstart. Die bekannten heizbaren Filtersysteme können diesen Mangel nicht vollständig beheben, da wegen der relativ großen Masse und den unvermeidlichen Wärmeübergangswiderständen zwischen Heizelementen und Filterelement auch bei heizbaren Filtern eine gewisse Zeit vergeht, bevor diese ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Eine genügend hohe Betriebstemperatur ist vor allem erforderlich, um beispielsweise den in Dieselabgasen enthaltenen Ruß effektiv zu verbrennen. Während moderne Dieselfahrzeuge bei betriebswarmem Motor und mäßiger Motorbelastung den Kraftstoff ohnehin relativ rußarm verbrennen, tritt eine massive Rußentwicklung vor allem beim Kaltstart auf, so daß es wichtig wäre, daß entsprechende Rußfilter gerade zu diesem Zeitpunkt besonders wirksam sind. Ähnliches gilt auch für die katalytische Umsetzung anderer Abgasbestandteile.

Gegenüber dem genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abgasfilter zu schaffen, welcher einen sehr einfachen Aufbau hat, zu geringen Kosten herstellbar ist und dennoch eine effektive Verbrennung von Ruß und/oder eine Umwandlung umweltschädlicher Abgasbestandteile bewirkt, ohne daß der Filter bereits von Abgasen oder sonstiger Abwärme hinreichend aufgeheizt ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum einen eine Strom- bzw. Spannungsquelle für das Filterelement vorgesehen ist und daß zum anderen Strom-/Spannungsanschlüsse an mindestens zwei voneinander beabstandeten Stellen des metallischen Filterelementes für die Verbindung mit der Spannungsquelle bzw. Stromversorgung vorgesehen sind.

Da das Filterelement aus Metall besteht, ist es grundsätzlich immer möglich, ein solches metallisches Filterelement so mit Strom-/Spannungsanschlüssen zu versehen, daß es bei Anschluß an eine Spannungsquelle von Strom durchflossen und damit aufgeheizt wird. Dabei muß man lediglich die Geometrie des Filterelementes und/oder die Spannungsquelle geeignet auswählen, damit sich eine passende Heizleistung ergibt, welche das metallische Filterelement in kürzester Zeit auf die erforderliche Betriebstemperatur bringt. Betrachtet man beispielsweise die Anwendung bei einem Dieselmotor, so wäre es denkbar, das Filterelement gleichzeitig mit der Vorglühkerze mit einer entsprechenden Spannungs- bzw. Stromquelle zu verbinden, so daß das Filterelement nach der Vorglühzeit bereits die erforderliche Betriebstemperatur in einer Größenordnung zwischen ca. 350 und 700°C, vorzugsweise 600-700°C, erreicht hat.

Es versteht sich, daß zu diesem Zweck das Filterelement aus einem genügend hitzebeständigen Metall bestehen sollte. Zweckmäßig ist es auch, wenn das betreffende Metall halbwegs oxidationsbeständig ist, wobei es jedoch hierauf nicht allzu sehr ankommt, da auch möglicherwei­ se oxidierte Metalloberflächen des Filterelementes durch den verbrennenden Ruß wieder zu Metall reduziert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Filterelement aus einem gesinterten Metallvlies besteht. Ein derartiges gesintertes Metallvlies hat zum einen einen sehr kompakten Aufbau, ist leicht zu verarbeiten und zu handhaben und hat gleichzeitig eine relativ große wirksame Oberfläche bei kleinen äußeren Abmessungen. Zweckmäßigerweise soll das Filterelement eine ebene, gasdurchlässige Platte mit einer Dicke von weniger als 1 cm sein. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die offene Porosität des Filter­ elementes mehr als 80%, während die mittlere Porengröße in der Größenordnung von 10 bis 15 µm liegen sollte. Hierdurch wird auch bei recht dünnen, plattenförmigen Filterelementen eine ausreichende Kontaktfläche und Kontaktdauer für durchströmende Abgase zur Verfügung gestellt. Rußteilchen, die zunächst mechanisch von dem Filterelement aufgefangen werden, verbrennen zu Kohlendioxid und können durch das offenporige Filterelement entweichen. Bei der bevorzugten Porosität und Porengröße kann die Dicke des Filterelementes sogar in einem bevorzugten Bereich von weniger als 2 mm liegen. Zweckmäßigerweise ist das Filterelement als Kreisscheibe ausgebildet und kann so in relativ einfacher Weise in einem Rohr oder Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet werden. Der (frei durchströmbare) Durchmesser der Kreisscheibe sollte speziell für die Anwendung an Kraftfahrzeugen in etwa einem Auspuffdurchmesser entsprechen.

Im folgenden wird der Einfachheit halber als Energieversorgung lediglich eine Spannungsquelle betrachtet, d. h. eine (Strom- und) Spannungsquelle, bei welcher die an den Anschlüssen anliegende Spannung vorgebbar ist, und der dabei gezogene Strom vom Wert des durchflossenen Widerstands abhängt Analoge Betrachtungen gelten selbstverständlich für Strom- (und Spannungs-) Quellen, bei welchen ein bestimmter Stromfluß vorgegeben wird und die Spannung entsprechend dem vorliegenden Widerstand angepaßt wird. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher an dem metallischen Filterelement bzw. in dieses integriert ein Temperaturfühler vorgesehen ist. Das von diesem Temperaturfühler empfangene Signal kann dann dazu dienen, die Spannungsquelle von dem Filterelement zu trennen bzw. abzuschalten oder die angelegte Spannung zu reduzieren, wenn dieses eine genügend hohe Temperatur erreicht hat. Diese Temperatur wird dann entweder durch die hindurchströmenden Abgase aufrechterhalten, gegebenenfalls kann aber auch nach Absinken der Temperatur und einem entsprechenden Signal des Meßfühlers die Spannungsquelle wieder mit den Anschlüssen des Filterelementes verbunden bzw. die Spannung erhöht werden. Es ist dabei möglich, die Spannungsquelle in Abhängigkeit von dem Signal des Temperaturfühlers so zu regeln, so daß die Leistung der elektrischen Heizung des Filterelementes kontinuierlich der jeweiligen Temperatur angepaßt und die Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird.

Eine besonders elegante Form der Temperaturregelung bzw. eines "Meßfühlers" liegt vor, wenn das metallische Filterelement selbst als Meßfühler verwendet wird, indem die über ihm abfallende Spannung abgegriffen oder der hindurchfließende Strom gemessen wird. Die weitaus meisten Metalle haben in dem in Frage kommenden Temperaturbereich einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, d. h. ihr Widerstand nimmt mit der Temperatur zu. Dies kann man entweder, bei im wesentlichen konstanter Stromzufuhr, über den Spannungsabfall an dem Element messen oder aber, falls die angelegte Spannung konstant gehalten wird, durch Messung des durch den Stromkreis fließenden Stromes. In diesem Fall könnte der Spannungs­ abfall über einem in dem Stromkreis integrierten Konstantwiderstand gemessen und als Meßsignal zur Anpassung der Spannung verwendet werden. Dabei muß selbstverständlich der Einfluß der externen Spannungs- oder Stromänderungen auf das Meßfühlersignal berücksichtigt werden.

Bei der Verwendung als Rußfilter in einem Kraftfahrzeug kann es unter Umständen zweckmäßig sein, wenn die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Gleichspannungswandler aufweist, der die Gleichspannung der Lichtmaschine bzw. der Batterie auf einen höheren Spannungswert hoch- oder auch herabtransformiert, falls der elektrische Widerstand des Heizelementes zwecks Erzielung einer ausreichenden Heizleistung eine höhere oder niedrigere Spannung erfordert.

Für die Anwendung an Kraftfahrzeugen ist außerdem eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher das Filterelement zwischen zwei thermisch und elektrisch isolierenden Ringen gehaltert wird. Im allgemeinen sind thermische Isolatoren gleichzeitig auch elektrische Isolatoren, falls gewünscht, kann jedoch auch die thermische Isolierung von der elektrischen Isolierung getrennt sein, so daß also je ein thermisch isolierender und je ein elektrisch isolierender Ring auf beiden Seiten eines scheibenförmigen metallischen Filterelementes angeordnet sein könnten.

Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn das metallische Filterelement in einem Flanschgehäuse aufgenommen ist, welches im wesentlichen aus zwei Flanschen mit kurzen Rohrstutzen besteht, wobei z. B. der äußere Rand des metallischen Filterelementes mit den darauf gelegten thermisch und elektrisch isolierenden Ringen zwischen den Flanschflächen eingeklemmt ist. Die an die Flansche anschließenden Rohrstutzen könnten dann in herkömmlicher Weise mit den Enden eines in dem betreffenden Bereich unterbrochenen Auspuffrohres verbunden sein.

Der äußere Rand des Filterelementes, vorzugsweise einschließlich der benachbarten Isolations­ ringe und auch der Flanschränder könnte durch eine PTFE-Folie abgedeckt und abgedichtet sein.

Besonders bevorzugt ist außerdem eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ausgehend von den elektrischen Anschlüssen am Rand des Filterelementes jeweils eine Randzone oder Randschicht höherer Leitfähigkeit vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise durch Beschichten eines schmalen Randstreifens mit Kupfer oder einem anderen Metall hoher Leitfähigkeit geschehen. Im Falle einer Kreisscheibe ist es beispielsweise zweckmäßig, wenn zwei elektrische Anschlüsse diametral gegenüberllegend angeordnet werden und wenn sich die gut leitfähige Schicht ausgehend von diesen diametral gegenüberliegenden Punkten entlang des Randes der kreisförmigen Metallscheibe beidseitig über einen Bereich zwischen 30 und 45° erstreckt Hierdurch wird sichergestellt, daß der Strom im wesentlichen gleichmäßig verteilt durch die gesamte Fläche der kreisförmigen Scheibe fließt, so daß diese entsprechend gleichmäßig erwärmt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen in ein Auspuffrohr integrierten Abgasfilter und

Fig. 2 eine Draufsicht auf das metallische Filterelement gemäß Fig. 1 mit elektrischen Anschlüssen.

In Fig. 1 erkennt man im Schnitt ein metallisches Filterelement 1, welches die Form einer Kreisscheibe hat und aus einem nur ca. 1 bis 2 mm dicken, gesinterten Metallfaservlies besteht. Dieses hat eine sehr hohe offene Porosität und eine sehr kleine Porengröße, ist jedoch relativ gut durchlässig für Gas. In Fig. 1 nicht zu erkennen sind zwei diametral gegenüberliegende elektrische Anschlüsse an dem scheibenförmigen Filterelement 1. Diese sind in Fig. 2 dargestellt.

Wie man in Fig. 1 weiterhin erkennt, ist das kreisförmige Filterelement 1 zwischen zwei Kleinflanschen 7, 8 eingeklemmt, wobei noch zwei Paare von thermisch und elektrisch isolierenden Ringen 5, 6, 13, 14 zwischen den Dichtflächen der Kleinflansche 7, 8 und dem Filterelement 1 liegen. Unmittelbar auf dem Filterelement 1 liegt beidseitig je ein Ring 13, 14 aus keramischem Faserpapier auf, auf welchem wiederum jeweils ein PTFE-Isolierring 5, 6 liegt, wobei diese PTFE-Isolierringe 5, 6 direkt mit den Dichtungsflächen der Flansche 7, 8 in Berührung treten. Außerdem ist um den äußeren Umfang der Kleinflansche 7, 8, der Isolierringe und des Filterelementes eine Abdeckfolie bzw. ein Abdeckband 16 aus PTFE-Folie herumgezogen bzw. herumgewickelt, lediglich unterbrochen durch die beiden elektrischen Anschlüsse an dem Filterelement 1. Die Kleinflansche 7, 8 werden durch einen Spanring 9 zusammengepreßt und sorgen so für einen dichten Eingriff zwischen den Dichtungsflächen des Flansches 7, 8 und den Isolierringen 5, 6.

Die Flansche 7, 8 weisen jeweils einen kurzen Rohrstutzen 15 auf, der in der dargestellten Ausführungsform mit den beiden Enden eines an dieser Stelle aufgetrennten Auspuffrohres 10 verschweißt ist. Selbstverständlich können hier auch handelsübliche Schellenverbindungen oder dergleichen vorgesehen werden. Aus dem Auspuffrohr 10 muß gegebenenfalls ein Stück herausgetrennt werden.

In Fig. 2 erkennt man in der Draufsicht auf das kreisscheibenförmige Filterelement 1, daß diametral gegenüberliegend zwei elektrische Anschlüsse 3, 4 vorgesehen sind. An diese sind zweckmäßigerweise temperaturbeständige Anschlußdrähte 11, 12 unmittelbar angeschweißt Diese sind vorzugsweise mit einer regelbaren Stromquelle 2 verbunden. Unmittelbar an den Anschlüssen 3, 4 sind auch zwei Spannungsabgriffe angeschweißt, welche zu einem Spannungs­ meßgerät 14 führen. Die von dem Meßgerät 14 erfaßte Spannung wird an die Steuerung der Konstantstromquelle 2 weitergegeben, so daß diese gegebenenfalls den Strom herabregelt, wenn der Spannungsabfall an dem Filterelement 1 einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, der von dem temperaturabhängigen Widerstand des Filterelementes 1 abhängt gegebenenfalls kann der Strom auch ganz abgeschaltet werden, wenn durch das Herabregeln ein vorbestimmbarer unterer Grenzwert für den Heizstrom erreicht ist. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Filterelement eine Masse von etwa 20 bis 30 g haben kann, wobei eine Heizleistung von anfänglich 500 Watt ausreicht, um dies in kürzester Zeit auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Bei einer angelegten Spannung von 12 Volt, wie sie in einem normalen Kfz zur Verfügung steht, müßte dann ein Strom von etwa 40 Ampère fließen, der Widerstand des Heizelementes also etwa 0,3 Ohm betragen. Falls der Widerstand kleiner ist, kann die Spannung entsprechend herabgeregelt oder aber der Strom begrenzt werden, wie dies bei einer regelbaren Stromquelle 2 ohnehin automatisch geschieht.

In Fig. 2 erkennt man noch, daß sich ausgehend von den Stromanschlüssen 3, 4 beidseitig ein schmaler Randstreifen 17, 18 über einen Kreisbogen von insgesamt in etwa 60° erstreckt. Hierbei handelt es sich um eine Randschicht hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise um eine Kupferbeschichtung des äußeren Randes des Filterelementes 1. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Filterelement 1 von einer relativ gleichmäßigen Stromdichte durchsetzt wird und entsprechend gleichmäßig aufgeheizt wird. Die mit der elektrischen Leitfähigkeit des metallischen Filterelementes 1 gleichzeitig verbundene hohe thermische Leitfähigkeit sorgt außerdem für einen sehr raschen Temperaturausgleich innerhalb des Filterelementes selbst. Durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist in Fig. 2 noch die Innenkontur der Isolierringe, weiche vorzugsweise jeweils den gleichen innen- und Außendurchmesser haben wie die Dichtflächen der Flansche 7, 8 und wobei auch das metallische Filterelement 1 vorzugsweise denselben Außendurchmesser hat wie die Kleinflansche 7, 8.

Der erfindungsgemäße Abgasfilter hat, wie man anhand der Figuren leicht erkennt, einen sehr einfachen Aufbau, kann ohne weiteres in bestehende Auspuffanlagen nachgerüstet werden und kann darüber hinaus auch anderenorts eingesetzt werden, wo rußbeladene Abgase zu filtern sind. Daneben kann das Filterelement auch eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen oder vollständig aus einem katalytisch wirksamen Metall bestehen, um auch andere Schadstoffe effektiv aus den Abgasen zu entfernen.

Es versteht sich, daß hinsichtlich der äußeren Gestaltung ein weites Spektrum von Gestaltungs­ möglichkeiten in der Halterung, Abdichtung und Isolierung entsprechender Filterelemente zur Verfügung steht. Auch die elektrische Steuerung und Regelung des durch das Filterelement fließenden Heizstromes kann auf beliebige andere Art, mit Hilfe von Zenerdioden, Transistoren oder anderen Schaltelementen erfolgen, um eine gewünschte Schalt- und Regelcharakteristik für den Heizstrom des Filterelementes zu erreichen.

Selbstverständlich können auch mehrere derartige Filterelemente hintereinander angeordnet werden.

Claims (16)

1. Abgasfilter für rußenthaltende Verbrennungsgase bestehend aus einem feinporigen metallischen Filterelement (1), dadurch gekennzeichnet, daß eine Strom-Spannungsquelle (2) und Strom-/Spannungsanschlüsse (3, 4) an voneinander beabstandeten Stellen des Filterelementes (1) für die Verbindung mit der Spannungsquelle (2) vorgesehen sind.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Filterelement (1) aus einem hitzebeständigen Metall besteht.

3. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (1) aus einem gesinterten Metallvlies besteht.

4. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (1) die Form einer Platte mit einer Dicke von weniger als 1 cm hat.

5. Abgasfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Filter­ elementes (1) weniger als 2 mm beträgt.

6. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (1) eine offene Porosität von mehr als 80% hat.

7. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen die Form einer Kreisscheibe hat.

8. Abgasfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe einen Durchmesser hat, der in der Größenordnung eines durchschnittlichen Auspuffdurchmessers liegt.

9. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler an dem Filterelement (1) angeordnet ist.

10. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungsabgriffe zur Messung des Spannungsabfalls über dem Filterelement (1) vorgesehen sind.

11. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Spannungsquelle ein Gleichspannungswandler vorgesehen ist.

12. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß das Filterelement (1) zwischen mindestens zwei thermisch und/oder elektrisch isolierenden Ringen (13, 14) gehaltert Ist.

13. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement in einem im wesentlichen von Flanschen (7, 8) gebildeten Gehäuse aufgenommen Ist.

14. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand des Filterelementes von einer dichtenden und elektrisch isolierenden Folie (16) abgedeckt ist.

15. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Filterelement in der Umgebung seiner elektrischen Anschlüsse (3, 4) und im wesentlichen parallel zu seinem äußeren Rand eine Schicht (17, 18) höherer Leitfähigkeit aufweist.

16. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Filterelement eine mittlere Porengröße zwischen 5 und 30 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 15 µm hat.