DE19923228A1 - Heizelement zum Beheizen strömender Gase - Google Patents

Abstract

Ein Heizelement zum Beheizen strömender Gase, mit einer ersten flächigen Komponente, welche elektrisch leitfähig und durch das Leiten eines elektrischen Stroms heizbar ist, und einer zweiten flächigen Komponente, welche elektrisch isolierend ist, wobei die Komponenten so angeordnet sind, daß eine Schichtenfolge vorliegt, und die Komponenten Strömungswege für das zu beheizende Gas bilden und wobei wenigstens einige Schichten der Schichtenfolge der ersten flächigen Komponente durch die zweite flächige Komponente gegeneinander isoliert sind. Eine Abgasanlage weist mindestens ein Heizelement auf, welches in Strömungsrichtung vor mindestens einem Filter angeordnet ist. Bei einem Verfahren zum Beheizen strömender Gase wird mindestens ein Heizelement zeitlich selektiv betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement zum Beheizen strö­ mender Gase, mit einer ersten flächigen Komponente, welche elektrisch leitfähig und durch das Leiten eines elektri­ schen Stroms heizbar ist, und einer zweiten flächigen Kom­ ponente, welche elektrisch isolierend ist, wobei die Kompo­ nenten so angeordnet sind, daß eine Schichtenfolge vor­ liegt, und die Komponenten Strömungswege für das zu behei­ zende Gas bilden.

Ein gattungsgemäßes Heizelement ist aus der DE 196 40 577 A1 bekannt. Dabei handelt es sich um einen elektrisch be­ heizten katalytischen Umwandler mit einem laminierten Auf­ bau, der aus gewellten Metallfolien und flachen Metallfo­ lien gebildet ist. Es liegt eine Mehrzahl aufeinanderfol­ gender Schichten aus gewellten und flachen Metallfolien vor. Die flachen Metallfolien und die gewellten Metallfo­ lien sind jeweils durch Isolierschichten gegeneinander iso­ liert. Es existieren Bereiche mit einem hohen elektrischen Widerstand, so daß bei einer angelegten Spannung und einem resultierenden Stromfluß Bereiche mit einer stark erhöhten Temperatur vorliegen. Aufgrund dieser Anordnung wird be­ reits bei einer geringen elektrischen Stromstärke eine hohe Temperatur zum Starten von katalytischen Reaktionen er­ zeugt.

Die beschriebene Heizanordnung des Standes der Technik be­ faßt sich mit der katalytischen Umwandlung von Abgasen. Al­ lerdings gibt es auch andere Gründe für die Beheizung eines Abgasstroms.

Bei Dieselmotoren ist es beispielsweise bekannt, die im Ab­ gas befindlichen Rußpartikel in einem Filter innerhalb der Auspuffanlage herauszufiltern. Wird der Dieselmotor mit hoher Last betrieben, so weisen die durch den Filter durch­ tretenden Abgase eine hohe Temperatur auf, und die von dem Filter aufgefangenen Rußpartikel werden aufgrund der hohen Temperaturen verbrannt. Folglich kommt es nur selten zu einer Zusetzung des Filters, da eine quasi selbstreinigen­ de Wirkung vorliegt. Problematisch ist der Betrieb eines Rußfilters allerdings bei Betriebsbedingungen des Motors, welche vergleichsweise geringe Abgastemperaturen nach sich ziehen. Die Abgastemperatur reicht dann nicht mehr dazu aus, die nötige Energie für die Verbrennung der im Filter befindlichen Rußpartikel bereitzustellen. Es kann daher auch bei Abgasanlagen für Dieselmotoren nützlich sein, den Abgasstrom zu beheizen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wirkungsvolle Möglichkeit zum Beheizen strömender Gase zu schaffen, welche insbesondere in Verbin­ dung mit Partikelfiltern nützlich ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 14 und 17 gelöst.

Das erfindungsgemäße Heizelement baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, daß wenigstens einige Schichten der Schichtenfolge der ersten flächigen Komponente durch die zweite flächige Komponente gegeneinander isoliert sind. Das Heizelement ist im Vergleich zu dem beschriebenen Heizele­ ment des Standes der Technik wesentlich vereinfacht und für den Betrieb im Zusammenhang mit einem Partikelfilter beson­ ders geeignet. Da das Heizelement der vorliegenden Erfin­ dung in erster Linie nicht dem Ingangsetzen einer kataly­ tischen Reaktion dient, ist es nicht erforderlich, lokale Hochtemperaturzonen bereitzustellen. Vielmehr ist dem strö­ menden Gas insgesamt eine erhöhte Temperatur zu vermitteln, damit eine Verbrennung der in einem nachfolgenden Filter sitzenden Rußpartikel erfolgen kann. Daher ist es möglich, mit einer Schichtenfolge aus nur zwei Komponenten das er­ wünschte Ergebnis zu erzielen. Insbesondere kann auf lokale Hochtemperaturbereiche verzichtet werden, was einen einfa­ chen Aufbau des Heizelementes ermöglicht.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die erste flächige Kompo­ nente mindestens eine Metallfolie aufweist. Eine Metallfo­ lie als elektrisch leitende Komponente zu verwenden, ist besonders vorteilhaft, da Metallfolien leicht zu verarbei­ ten sind und den extremen Bedingungen in einer Auspuffan­ lage besonders gut standhalten.

Vorzugsweise ist die erste flächige Komponente wellenförmig ausgebildet. Durch eine solche wellenförmige Ausbildung läßt sich in einem vorgegebenen Volumen eine besonders gute Heizwirkung erzeugen. Das strömende Gas kommt mit einer großen Fläche der beheizten ersten flächigen Komponente in Berührung.

Bevorzugt sind die Komponenten spiralförmig um einen Lei­ tungskern angeordnet, so daß die Schichtenfolge entsteht.

Die beiden Pole der Spannungsversorgung werden somit einer­ seits im Zentrum der spiralförmigen Anordnung, d. h. an dem Leitungskern und im äußeren Bereich der spiralförmigen An­ ordnung angelegt.

Vorzugsweise weist die Schichtenfolge mindestens vier Schichten auf. Eine Anordnung aus vier Schichten hat sich im Betrieb als vorteilhaft im Hinblick auf die Strömungs­ vorgänge sowie auf die Beheizung des Gases erwiesen.

Es ist besonders bevorzugt, wenn die spiralförmige Anord­ nung in einem Rohr angeordnet ist. Auf diese Weise ist das Strömungsvolumen für das zu beheizende Gas definiert, und der Schichtenanordnung ist eine ausreichende Stabilität vermittelt.

Es kann vorteilhaft sein, daß die Länge des Rohres größer ist als die axiale Länge der spiralförmigen Anordnung. Wenn das Rohr also beispielsweise stromabwärts über das Heizele­ ment übersteht, können auf dem Rohr weitere funktionelle Elemente vorgesehen sein.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Rohr als Innenrohr eines Filterelementes ausgebildet ist. Man erhält so einen robusten Aufbau mit einem ein­ stückigen Träger, sowohl für das Filterelement als auch für das Heizelement.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die isolierende Komponen­ te eine Folie aus temperaturbeständigem, flexiblem Material ist. Durch die Flexibilität der Folie ist man einerseits in der Formgebung der Schichtenanordnung variabel; ferner ist eine Flexibilität auch im Hinblick auf den Betrieb des Heizelementes von Vorteil, da aufgrund thermischer und me­ chanischer Effekte mitunter Verformungen der Schichtanord­ nung auftreten können.

Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn die isolierende Komponente eine innere Stützschicht, bevorzugt aus Metall, und auf beiden Seiten der inneren Stützschicht angeordnete Außenschichten aus einem Isoliermaterial aufweist. Durch diesen Aufbau liegt eine robuste, temperaturbeständige Heizanordnung vor.

Vorzugsweise handelt es sich bei der isolierenden Folie um eine glasfaserverstärkte Glimmerschicht, die bis 900°C temperaturbeständig ist. Eine derartige Ausführungsform bietet eine vorteilhafte Flexibilität im Hinblick auf die Fertigung und eine ausreichende Belastbarkeit während des Betriebs des Heizelementes.

Vorzugsweise ist die Heizleistung durch Veränderung des Wi­ derstandes der ersten Komponente veränderbar. Eine solche Widerstandsveränderung kann durch Verlängerung, Verkürzung und/oder Verbreiterung der ersten Komponente bewirkt wer­ den. Ferner können auch die Länge, die Stärke und die Wel­ lung des vorzugsweise wellenförmig ausgebildeten elektri­ schen Leiters den Widerstand und damit die Heizleistung be­ einflussen. Ebenfalls ist die Wahl des Materials ein Para­ meter zum Verändern der Heizleistung. Bei der Veränderung des Widerstandes durch geometrische Maßnahmen ist darauf zu achten, daß die Isolierschicht entsprechend angepaßt wird.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß einige Schichten der Schichtenfolge der ersten flächigen Komponente nicht gegen­ einander isoliert sind. Liegt beispielsweise eine spiral­ förmige Anordnung innerhalb eines Rohres vor, so kann der äußere Bereich durch das Fortlassen einer Isolierschicht "kurzgeschlossen" werden, so daß dieser nicht zur Behei­ zung des strömenden Gases beiträgt. Dies kann mitunter eine höhere Effizienz beim Heizen bewirken, da die Abstrahlung der in das Gas eingebrachten Wärmeenergie aus den rohrwand­ nahen Bereichen herabgesetzt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist mindestens ein Heizelement in Strömungsrichtung vor mindestens einem Fil­ ter angeordnet. Es liegt somit eine Zuordnung zwischen ei­ nem Heizelement und einem Filter vor, so daß ein Abbrennen der Feststoffpartikel in einem Filter gezielt durch das Be­ treiben eines Heizelementes erfolgen kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Filter und Heiz­ elemente parallel angeordnet sind. Auf diese Weise kann jedes Filterelement gezielt mit beheiztem Gas beschickt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn vor mindestens einem Filter mindestens eine Druckmeßstelle angeordnet ist. Der Druck vor dem Filter während des Betriebs der Abgasanlage kann als Maß für die Zusetzung des Filters verwendet wer­ den. Folglich kann durch die Messung des Druckes an einer Druckmeßstelle ermittelt werden, zu welchem Zeitpunkt der Einsatz eines Heizelementes erforderlich ist. Dabei kann zusätzlich der Lastzustand des Motors berücksichtigt wer­ den.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beheizen strömen­ der Gase wird mindestens ein Heizelement zeitlich selektiv betrieben. Wird beispielsweise ein Dieselmotor mit hoher Last betrieben, so ist aufgrund der ohnehin hohen Abgas­ temperaturen der Einsatz eines Heizelementes mitunter nicht oder nur selten erforderlich. Bei geringer Last wird eine häufigere Zusetzung des Filters vorliegen, so daß ein häu­ figerer Betrieb der Heizelemente nützlich ist. Jedenfalls wird durch den selektiven Betrieb vermieden, Heizelemente einem unnötigen Dauerbetrieb zu unterwerfen und Leistung aus den Bordnetz unnötig zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn der Druck vor dem mindestens einen Filter gemessen wird und das mindestens eine Heizelement druckabhängig und in Abhängigkeit vom Lastzustand des betreffenden Motors be­ trieben wird. Da der Druck vor dem Filter maßgeblich von dem bereits von dem Filter aufgefangenen Feststoffgehalt abhängt, können durch die Druckmessung die geeigneten Zeit­ räume für den Betrieb eines Heizelementes ermittelt werden.

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren mehrere Heizelemente und mehrere Filter verwendet, wobei ein Heizelement jeweils einem Filter zugeordnet ist; mindestens ein Heizelement wird betrieben, wenn der Druck einen Schwellendruck überschrei­ tet, und bei aufeinanderfolgenden Schwellendrucküberschrei­ tungen werden verschiedene Heizelemente oder verschiedene Gruppen von Heizelementen betrieben. Für den ordnungs­ gemäßen Betrieb der Auspuffanlage ist es mitunter nicht er­ forderlich, stets sämtliche Heizelemente bei einer Druck­ erhöhung zu zünden. Folglich ist ein selektives Zünden aus­ reichend, welches beispielsweise von einer vorbestimmten Reihenfolge abhängt. Es ist auch denkbar, den Druck in der Auspuffanlage ortsabhängig zu messen, so daß auf diese Weise die Auswahl des "richtigen" Heizelementes zur Erzie­ lung eines möglichst großen Abbrenneffektes erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es mit einem einfach ausgebildeten Heizelement mög­ lich ist, eine Auspuffanlage stets unter nahezu optimalen Bedingungen zu betreiben. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, eine Anordnung innerhalb der Auspuffanlage zu wäh­ len, die einen selektiven und somit ökonomischen sowie öko­ logischen Betrieb ermöglicht.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform bei­ spielhaft beschrieben.

Fig. 1a zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelementes;

Fig. 1b ist eine Schnittansicht durch die isolierende Komponente in einer bevorzugten Ausführungs­ form;

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Ausführungsform einer erfindunsgemäßen Auspuffanlage mit einem Heiz­ element;

Fig. 3 ist eine Ansicht der Auspuffanlage gemäß Fig. 2 in der mit III gekennzeichneten Blickrichtung;

Fig. 4 ist eine Ansicht des Heizelementes in der in Fig. 1a mit IV gekennzeichneten Blickrichtung;

Fig. 5 ist eine Ansicht eines in ein verlängertes Rohr eingesetzten Heizelementes.

In Fig. 1a ist ein erfindungsgemäßes Heizelement 2 darge­ stellt. Das Heizelement 2 umfaßt eine wellenförmig ausge­ bildete Metallfolie 4, welche spiralförmig gewickelt ist. Die aufgrund dieser spiralförmigen Anordnung entstehenden Schichten sind durch Isolierschichten 6 gegeneinander iso­ liert. Durch die beschriebene Anordnung der Komponenten werden Strömungswege 8 für ein zu beheizendes Gas ausge­ bildet. Die Schichten sind um einen Leitungskern 10 ge­ wickelt. Die gesamte spiralförmige Anordnung ist inner­ halb eines Rohres 12 angeordnet. Zum Beheizen des Heiz­ elementes wird eine elektrische Spannung an den Leitungs­ kern 10 und im äußeren Bereich an die Metallfolie 4 ange­ legt. Die elektrische Verbindung im Außenbereich der spi­ ralförmigen Anordnung erfolgt vorzugsweise durch direkte Kontaktierung des Rohres 12. Das Heizelement 2 wird durch den Leitungskern 10 zentral gestützt und damit stabili­ siert. Die Spannungszuführung zum Leitungskern 10 erfolgt über eine Zuleitung 20, die durch eine, vorzugsweise kera­ mische, Isolierung 22 durch das Rohr 12 nach außen geführt ist.

In Fig. 1b ist ein Schnitt durch die isolierende Komponen­ te 6 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die isolierende Komponente 6 besteht aus drei Schichten 6a, 6b, 6c, wobei die mittlere Schicht 6b vorzugsweise eine Metallschicht ist, während die äuße­ ren Schichten 6a, 6c isolierend sind.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Auspuffanlage. In einem Aus­ puffrohr 14 ist ein Filter 16 angeordnet. Das durch das Auspuffrohr strömende, partikelbeladene Gas strömt in einem Endbereich in das Filter 16 ein.

Nachfolgend verläßt das gereinigte Gas den Innenbereich des Filters 16 durch den perforierten und mit einem Filtermedi­ um versehenen Außenbereich des Filters 16. Strömungswege sind durch Pfeile beispielhaft angedeutet. Dem dargestell­ ten Filter 16 ist ein Heizelement 2 vorgeschaltet, so daß das Auspuffgas beheizt werden kann. Vorzugsweise sind meh­ rere Filter 16 in dem Auspuffrohr 14 angeordnet. Vor den Filtern 16 befindet sich eine Druckmeßstelle 18, an welcher der Druck innerhalb des Auspuffrohres 14 ermittelt werden kann. Die Druckmeßstelle 18 kann beispielsweise durch ein nach außen zu einem Drucksensor führendes Rohr realisiert sein. Je verschmutzter die Filter 16 sind, umso höher ist der Druck, welcher über die Druckmeßstelle 18 ermittelt wird. Somit kann der Betrieb eines Heizelementes 2 von dem Druck abhängig gemacht werden, welcher an der Druckmeßstel­ le 18 ermittelt wird. Im Ergebnis wird das Heizelement 2 nur betrieben, wenn dies tatsächlich erforderlich ist. Bei einer Anordnung mit mehreren Filtern 16 und mehreren Heiz­ elementen 2 werden die Heizelemente 2 ebenfalls druck­ abhängig gezündet, jedoch selektiv und bevorzugt in einer vorbestimmten Reihenfolge. Als weiterer Parameter für die selektive Zündung kann der Lastzustand des Fahrzeugs heran­ gezogen werden.

Fig. 3 zeigt das Auspuffrohr 14 in der in Fig. 2 mit III gekennzeichneten Blickrichtung. Es sind mehrere Filter 16, 16' zu erkennen, wobei durchaus verschiedene Filter im Hin­ blick auf die geometrische Anordnung oder auch im Hinblick auf das Filtermaterial Verwendung finden können. Im vorlie­ genden Beispiel ist ein zentrales Heizelement 2 vorgesehen, welches der Erwärmung des Gases für die Reinigung aller Filter 16, 16' dient.

Fig. 4 zeigt ein in ein Rohr 12 eingesetztes Heizelement 2. Hier ist ebenfalls die elektrische Zuführung 20 zu dem Lei­ tungskern 12 dargestellt, welche über eine keramische Iso­ lierung 22 in den Außenbereich des Rohres 12 geführt wird.

In Fig. 5 ist ein Heizelement 2 dargestellt, welches in ein verlängertes Rohr 12 eingesetzt ist. Die Wicklung des Heiz­ elementes 2 ist auf eine Verengung im rückwärtigen Teil des Rohres 12 geschoben. Damit liegt eine ausreichende Stabili­ sierung des Heizelementes 2 gegen Verrutschen vor. Der ver­ längerte Teil des Rohres 12 ist mit Löchern 24 versehen, so daß durch das Rohr 12 strömende Gase durch die Löcher 24 nach außen treten können. Das eigentliche Filtermedium ist vorzugsweise am Außenbereich des perforierten Rohrteils an­ gebracht.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (19)

1. Heizelement (2) zum Beheizen strömender Gase, mit

• - einer ersten flächigen Komponente (4), welche elektrisch leitfähig und durch das Leiten eines elektrischen Stroms heizbar ist, und
• - einer zweiten flächigen Komponente (6), welche elektrisch isolierend ist, wobei
• - die Komponenten (4, 6) so angeordnet sind, daß eine Schichtenfolge vorliegt, und
• - die Komponenten Strömungswege (8) für das zu behei­ zende Gas bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Schichten der Schichtenfolge der ersten flächigen Komponente (4) durch die zweite flä­ chige Komponente (6) gegeneinander isoliert sind.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste flächige Komponente (4) mindestens eine Metallfolie (4) aufweist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste flächige Komponente (4) wellenförmig ausgebildet ist.

4. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (4, 6) spiralförmig um einen Lei­ tungskern (10) angeordnet sind, so daß die Schichten­ folge entsteht.

5. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge mindestens vier Schichten auf­ weist.

6. Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Anordnung in einem Rohr (12) an­ geordnet ist.

7. Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Rohrs (12) größer ist als die axiale Länge der spiralförmigen Anordnung.

8. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12) als Innenrohr eines Filterelementes ausgebildet ist.

9. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Komponente (6) eine Folie aus tem­ peraturbeständigem, flexiblem Material ist.

10. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Komponente eine innere Stütz­ schicht, bevorzugt aus Metall, und auf beiden Seiten der inneren Stützschicht angeordnete Außenschichten aus einem Isoliermaterial aufweist.

11. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Folie (6) eine glasfaserverstärkte Glimmerschicht ist, die bis 900°C temperaturbe­ ständig ist.

12. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung durch Veränderung des Wider­ standes der ersten Komponente (4) veränderbar ist.

13. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einige Schichten der Schichtenfolge der ersten flächigen Komponente (4) nicht gegeneinander isoliert sind.

14. Abgasanlage, insbesondere mit einem Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (2) in Strömungsrich­ tung vor mindestens einem Filter (16) angeordnet ist.

15. Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Filter (16) und Heizelemente (2) parallel angeordnet sind.

16. Abgasanlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor mindestens einem Filter (2) mindestens eine Druckmeßstelle (18) angeordnet ist.

17. Verfahren zum Beheizen strömender Gase, insbesondere mit einem Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem mindestens ein Heizelement (2) zeitlich selektiv betrieben wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Druck vor dem mindestens einen Filter (16) gemessen wird und das mindestens eine Heizelement (2) druckabhängig und in Abhängigkeit vom Lastzustand des betreffenden Motors betrieben wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei dem

• - mehrere Heizelemente (2) und mehrere Filter (16) verwendet werden, wobei ein Heizelement (2) jeweils einem Filter (16) zugeordnet ist,
• - mindestens ein Heizelement (2) betrieben wird, wenn der Druck einen Schwellendruck überschreitet, und
• - bei aufeinanderfolgenden Schwellendrucküberschrei­ tungen verschiedene Heizelemente (2) oder verschie­ dene Gruppen von Heizelementen (2) betrieben werden.