DE102021109568A1 - exhaust heater - Google Patents
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Abstract
Ein Abgasheizer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine umfasst eine Trägeranordnung (16) und eine an der Trägeranordnung (16) getragene, vom Abgas in einer Abgas-Hauptströmungsrichtung (H) durchströmbare Heizleiteranordnung (14) mit wenigstens einen stromdurchflossenen Heizleiter (66, 68), wobei der wenigstens eine Heizleiter (66, 68) durch Heraustrennen aus einem Metall-Flachmaterial bereitgestellt ist, wobei die Heizleiteranordnung (14) wenigstens zwei in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnete Heizleiter (66, 68) umfasst oder/und die Trägeranordnung (16) wenigstens ein Trägerelement (18, 20) mit einem bezüglich einer Abgasheizer-Mittenachse radial außen liegenden, zur Festlegung an einem Abgasführungsgehäuse (10) ausgebildeten Befestigungsbereich (38) umfasst, wobei der Befestigungsbereich (38) einen radial außen liegenden Leiterbereich (120) wenigstens eines Heizleiters (66, 68) der Heizleiteranordnung (14) in wenigstens einem, vorzugsweise mehreren Umfangsbereichen wenigstens teilweise nicht radial überlappt.An exhaust gas heater for an exhaust system of an internal combustion engine comprises a support arrangement (16) and a heating conductor arrangement (14) carried on the support arrangement (16) and through which the exhaust gas can flow in a main exhaust gas flow direction (H) and having at least one current-carrying heating conductor (66, 68), wherein the at least one heating conductor (66, 68) is provided by cutting it out of a flat metal material, the heating conductor arrangement (14) comprising at least two heating conductors (66, 68) arranged one after the other in the main exhaust gas flow direction and/or the support arrangement (16) comprises at least one carrier element (18, 20) with a fastening area (38) which is located radially on the outside with respect to a central axis of the exhaust gas heater and is designed to be fixed to an exhaust gas guide housing (10), the fastening area (38) having a conductor area (120) located radially on the outside of at least one Heating conductor (66, 68) of the heating conductor arrangement (14) in at least one, preferably several Circumferential areas at least partially not overlapped radially.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasheizer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägeranordnung und eine an der Trägeranordnung getragene, vom Abgas in einer Abgas-Hauptströmungsrichtung durchströmbare Heizleiteranordnung mit wenigstens einen stromdurchflossenen Heizleiter, wobei der wenigstens eine Heizleiter durch Heraustrennen aus einem Metall-Flachmaterial bereitgestellt ist.The present invention relates to an exhaust gas heater for an exhaust system of an internal combustion engine, comprising a carrier arrangement and a heating conductor arrangement carried on the carrier arrangement and through which the exhaust gas can flow in a main exhaust gas flow direction, with at least one current-carrying heating conductor, the at least one heating conductor being provided by being cut out of a flat metal material is.
Ein derartiger Abgasheizer ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasheizer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine vorzusehen, welcher eine erhöhte Effizienz bei der Übertragung von Wärme auf diesen durchströmendes Abgas aufweist.It is the object of the present invention to provide an exhaust gas heater for an exhaust system of an internal combustion engine, which has increased efficiency in the transfer of heat to the exhaust gas flowing through it.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Abgasheizer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägeranordnung und eine an der Trägeranordnung getragene, vom Abgas in einer Abgas-Hauptströmungsrichtung durchströmbare Heizleiteranordnung mit wenigstens einem stromdurchflossenen Heizleiter, wobei der wenigstens eine Heizleiter durch Heraustrennen aus einem Metall-Flachmaterial bereitgestellt ist, wobei:
- - die Heizleiteranordnung wenigstens zwei in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnete Heizleiter umfasst,
- - die Trägeranordnung wenigstens ein Trägerelement mit einem bezüglich einer Abgasheizer-Mittenachse radial außen liegenden, zur Festlegung an einem Abgasführungsgehäuse ausgebildeten Befestigungsbereich umfasst, wobei der Befestigungsbereich einen radial außen liegenden Leiterbereich wenigstens eines Heizleiters der Heizleiteranordnung in wenigstens einem, vorzugsweise mehreren Umfangsbereichen wenigstens teilweise nicht radial überlappt.
- - the heating conductor arrangement comprises at least two heating conductors arranged one after the other in the exhaust gas main flow direction,
- - the support arrangement comprises at least one support element with a fastening area which is radially on the outside with respect to a central axis of the exhaust gas heater and is designed to be fixed to an exhaust gas guide housing, the fastening area being at least partially non-radial in a radially outer conductor area of at least one heating conductor of the heating conductor arrangement in at least one, preferably several, circumferential areas overlapped.
Durch das Vorsehen mehrerer Heizleiter in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgend wird die Oberfläche, an welcher Wärme auf das den Abgasheizer durchströmendes Abgas übertragen werden kann, deutlich vergrößert, wobei aufgrund des Umstandes, dass der Heizleiter selbst durch Heraustrennen aus einem Metall-Flachmaterial bereitgestellt ist, durch das Anordnen mehrerer derartiger Heizleiter hintereinander die Baugröße einer so aufgebauten Abgasheizung nicht wesentlich zunimmt. Bei derartiger Ausgestaltung können die verschiedenen grundsätzlich nicht mit einer elektrischen Isolierung ummantelten Heizleiter aus gleichen oder unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien aufgebaut sein und können so gestaltet bzw. angeordnet sein, dass sie gezielt eine Beeinflussung der Strömungsführung des Abgasstroms bewirken. Auch können verschiedene Heizleiter verschieden gestaltet sein, beispielsweise auch unterschiedlich dimensioniert sein, um beispielsweise an eine Anpassung an eine trichterartige Struktur eines Abgasführungsgehäuses zu erreichenBy providing several heating conductors in succession in the exhaust gas main flow direction, the surface on which heat can be transferred to the exhaust gas flowing through the exhaust gas heater is significantly increased, due to the fact that the heating conductor itself is provided by cutting it out of a flat metal material By arranging several such heating conductors one behind the other, the size of an exhaust gas heater constructed in this way does not increase significantly. In such an embodiment, the various heating conductors, which are basically not encased in electrical insulation, can be made of the same or different electrically conductive materials and can be designed or arranged in such a way that they specifically influence the flow of the exhaust gas stream. Different heating conductors can also be designed differently, for example also be dimensioned differently, in order to achieve an adaptation to a funnel-like structure of an exhaust gas guide housing, for example
Durch das Ausgestalten der Trägeranordnung derart, dass diese in einem Umfangsbereich oder mehreren Umfangsbereichen einen Heizleiter zumindest teilweise nicht radial überlappt, diesen also zumindest teilweise nicht gegen die Anströmung bzw. Umströmung mit Abgas abschirmt, wird auch im radial äußeren Bereich die Möglichkeit bereitgestellt, eine thermische Wechselwirkung zwischen dem Abgas und einem Heizleiter bereitzustellen, so dass auch mit dieser Maßnahme ohne Zunahme der Baugröße die zur Wärmeübertragung effizient nutzbare Oberfläche des Heizleiters vergrößert werden kann.By configuring the carrier arrangement in such a way that it at least partially does not radially overlap a heat conductor in one peripheral region or several peripheral regions, i.e. at least partially does not shield it from the flow of exhaust gas on or around it, the possibility is also provided in the radially outer region of a thermal Provide interaction between the exhaust gas and a heat conductor, so that the surface of the heat conductor that can be used efficiently for heat transfer can also be increased with this measure without increasing the size.
Jede der beiden vorangehend erläuterten Maßnahmen führt für sich alleine zu einem erhöhten Wärmeübertragungsvermögen eines so aufgebauten Abgasheizers und kann daher gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung eigenständig in einem Abgasheizer realisiert sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn beide Maßnahmen in Kombination in einem Abgasheizer vorgesehen sind.Each of the two measures explained above alone leads to an increased heat transfer capacity of an exhaust gas heater constructed in this way and can therefore be implemented independently in an exhaust gas heater according to the principles of the present invention. It is particularly advantageous if both measures are provided in combination in an exhaust gas heater.
Um in der von Abgas durchströmbaren Querschnittsfläche eines Abgasführungsgehäuses eine möglichst große Oberfläche des Heizleiters zur thermischen Wechselwirkung mit dem Abgas zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein, vorzugsweise jeder Heizleiter der Heizleiteranordnung wenigstens bereichsweise windungsartig sich erstreckend ausgebildet ist. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens ein, vorzugsweise jeder Heizleiter der Heizleiteranordnung wenigstens ein Mäander-Windungsfeld, vorzugsweise eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Mäander-Windungsfeldern, umfasst, wobei jedes Mäander-Windungsfeld eine Mehrzahl von bezüglich der Abgasheizer-Mittenachse radial aufeinander folgend angeordneten, im Wesentlichen in Umfangsrichtung sich erstreckenden Mäander-Windungsabschnitten umfasst, wobei wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Mäander-Windungsabschnitte in einem ersten Umfangsende an einen radial weiter innen positionierten Mäander-Windungsabschnitt anschließen oder/und in einem zweiten Umfangsende an einen radial weiter außen positionierten Mäander-Windungsabschnitt anschließen.In order to achieve the largest possible surface area of the heating conductor for thermal interaction with the exhaust gas in the cross-sectional area of an exhaust gas guide housing through which exhaust gas can flow, it is proposed that at least one, preferably each, heating conductor of the heating conductor arrangement is designed to extend at least in regions in a coil-like manner. For this purpose, it can be provided, for example, that at least one, preferably each, heating conductor of the heating conductor arrangement has at least one meander winding field, preferably a plurality of windings in the circumferential direction nother following meander-winding fields, wherein each meander-winding field comprises a plurality of meander-winding sections which are arranged radially one after the other with respect to the central axis of the exhaust gas heater and extend essentially in the circumferential direction, with at least one, preferably several meander-winding sections in a first circumferential end adjoin a meander winding section positioned radially further inwards and/or adjoin a second circumferential end to a meander winding section positioned radially further outwards.
Bei Ausgestaltung der Heizleiteranordnung mit wenigstens zwei in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgend angeordneten Heizleitern können wenigstens zwei Heizleiter zueinander elektrisch seriell geschaltet sein oder/und können wenigstens zwei Heizleiter zueinander elektrisch parallel geschaltet sein.If the heating conductor arrangement is configured with at least two heating conductors arranged one after the other in the exhaust gas main flow direction, at least two heating conductors can be electrically connected in series with one another and/or at least two heating conductors can be electrically connected in parallel with one another.
Zur elektrischen Verbindung der Heizleiter mit einer Spannungsquelle bzw. miteinander wird vorgeschlagen, dass bei einem ersten Heizleiter der wenigstens zwei Heizleiter ein radial äußerer Mäander-Windungsabschnitt eines Mäander-Windungsfelds einen ersten Anschlussbereich des ersten Heizleiters bereitstellt und ein radial äußerer Mäander-Windungsabschnitt eines anderen Mäander-Windungsfelds einen zweiten Anschlussbereich des ersten Heizleiters bereitstellt, dass bei einem zweiten Heizleiter der wenigstens zwei Heizleiter ein radial äußerer Mäander-Windungsabschnitt eines Mäander-Windungsfelds einen ersten Anschlussbereich des zweiten Heizleiters bereitstellt und ein radial äußerer Mäander-Windungsabschnitt eines anderen Mäander-Windungsfelds einen zweiten Anschlussbereich des zweiten Heizleiters bereitstellt, und dass bei dem ersten Heizleiter und dem zweiten Heizleiter jeweils wenigstens ein Anschlussbereich von erstem Anschlussbereich und zweitem Anschlussbereich einen Spannungsquellen-Anschlussbereich zum Anschluss der Heizleiteranordnung an eine Spannungsquelle bereitstellt oder/und bei dem ersten Heizleiter und dem zweiten Heizleiter jeweils ein Anschlussbereich von erstem Anschlussbereich und zweitem Anschlussbereich einen Verbindungs-Anschlussbereich zur seriellen elektrischen Verbindung des ersten Heizleiters mit dem zweiten Heizleiter bereitstellt.To electrically connect the heating conductors to a voltage source or to one another, it is proposed that, in the case of a first heating conductor of the at least two heating conductors, a radially outer meander winding section of a meander winding field provides a first connection area of the first heating conductor and a radially outer meander winding section of another meander winding field provides a second connection area of the first heating conductor, that in the case of a second heating conductor of the at least two heating conductors, a radially outer meander-winding section of a meander-winding field provides a first connection area of the second heating conductor and a radially outer meander-winding section of another meander-winding field provides a second Connection area of the second heating conductor provides, and that in the case of the first heating conductor and the second heating conductor in each case at least one connection area of the first connection area and the second connection area has a voltage source en connection area for connecting the heating conductor arrangement to a voltage source and/or in the case of the first heating conductor and the second heating conductor, one connection area each of the first connection area and the second connection area provides a connection connection area for the serial electrical connection of the first heating conductor to the second heating conductor.
Die effiziente Umströmung der Heizleiter mit Abgas kann weiter dadurch verbessert werden, dass bei Ausgestaltung der Heizleiteranordnung mit wenigstens zwei in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgend angeordneten Heizleitern wenigstens zwei Heizleiter quer zur Abgas-Hauptströmungsrichtung zueinander nicht deckungsgleich sind. Dies bedeutet, dass ein weiter stromabwärts positionierter Heizleiter nicht bzw. nicht vollständig im Strömungsschatten eines weiter stromaufwärts positionierten Heizleiters liegt, sondern zumindest bereichsweise quer zur Abgas-Hauptströmungsrichtung über diesen hervorsteht und somit von diesem nicht überdeckt und gegen die Anströmung mit Abgas abgeschirmt ist. Dabei ist es für eine stabile Positionierung vorteilhaft, wenn die in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinander folgenden Heizleiter der Heizleiteranordnung zwischen Trägerelementen der Trägeranordnung getragen sind.The efficient flow of exhaust gas around the heating conductors can be further improved in that when the heating conductor arrangement is configured with at least two heating conductors arranged one after the other in the main direction of exhaust gas flow, at least two heating conductors are not congruent with one another transversely to the main direction of exhaust gas flow. This means that a heating conductor positioned further downstream is not or not completely in the flow shadow of a heating conductor positioned further upstream, but protrudes at least in some areas transversely to the main flow direction of the exhaust gas and is therefore not covered by it and is shielded from the oncoming flow of exhaust gas. In this case, it is advantageous for stable positioning if the heating conductors of the heating conductor arrangement which follow one another in the exhaust gas main flow direction are carried between support elements of the support arrangement.
Zur Erhöhung der Stabilität können bei Ausgestaltung der Heizleiteranordnung mit wenigstens zwei in der Abgas-Hauptströmungsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Heizleitern wenigstens zwei Heizleiter durch wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von Verstrebungselementen bezüglich einander abgestützt sein.To increase stability, if the heating conductor arrangement is configured with at least two heating conductors arranged one after the other in the exhaust gas main flow direction, at least two heating conductors can be supported with respect to one another by at least one, preferably a plurality of strut elements.
Hierzu kann wenigstens ein, vorzugsweise jedes Verstrebungselement sich zwischen Mäander-Windungsabschnitten zweier Heizleiter erstrecken.For this purpose, at least one, preferably each, strut element can extend between meander winding sections of two heating conductors.
Insbesondere bei Parallelschaltung der durch ein oder mehrere Verstrebungselemente bezüglich einander abgestützten Heizleiter können derartige auch zur Vergrößerung der zur Wärmeübertragung nutzbaren Oberfläche beitragenden Verstrebungselemente aus Metallmaterial aufgebaut sein und mit den Heizleiter durch Materialschluss, beispielsweise Verschweißen oder Verlöten, verbunden sein.In particular, when the heating conductors are connected in parallel and supported by one or more strut elements relative to one another, such strut elements that contribute to increasing the surface area usable for heat transfer can be made of metal material and connected to the heating conductors by material bonding, for example welding or soldering.
Bei Ausgestaltung der Heizleiter mit einem oder mehreren Mäander-Windungsfeldern kann ein gegenseitiges vollständiges Abdecken gegen die Anströmung mit Abgas dadurch vermieden werden, dass bei wenigstens einem, vorzugsweise jedem Mäander-Windungsfeld, wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von Mäander-Windungsabschnitten von einem der Heizleiter zu einem in der Abgas-Hauptströmungsrichtung folgenden Mäander-Windungsabschnitt eines anderen der Heizleiter quer zur Abgas-Hauptströmungsrichtung nicht deckungsgleich ist.If the heating conductors are configured with one or more meander-winding fields, mutual complete covering against the flow of exhaust gas can be avoided by at least one, preferably each meander-winding field, at least one, preferably a plurality of meander-winding sections of one of the heating conductors is not congruent to a meander winding section of another of the heating conductors transverse to the main flow direction of the exhaust gas, which follows in the exhaust gas main flow direction.
Bei Ausgestaltung wenigstens eines Trägerelements mit einen radial außen liegenden Leiterbereich wenigstens eines Heizleiters der Heizleiteranordnung in wenigstens einem Umfangsbereich wenigstens teilweise nicht radial überlappendem Befestigungsbereich kann das wenigstens eine Trägerelement eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten und radial außen jeweils einen Befestigungsabschnitt des Befestigungsbereichs bereitstellenden Trägerarmen umfassen.If at least one carrier element is configured with a radially outer conductor region of at least one heating conductor of the heating conductor arrangement in at least one peripheral region, the fastening region at least partially does not radially overlap, the at least one carrier element can have a plurality of carrier arms arranged at a distance from one another in the circumferential direction and each providing a fastening section of the fastening region radially on the outside include.
Um dabei den zwischen zwei derartigen Trägerarmen liegenden Bereich eines radial außen liegenden Leiterbereichs eines Heizleiters gegen die Anströmung mit Abgas nicht bzw. nicht vollständig abzudecken, kann vorgesehen sein, dass zwischen den Befestigungsabschnitten wenigstens zweier in Umfangsrichtung aufeinander folgender Trägerarme, vorzugsweise aller in Umfangsrichtung aufeinander folgender Trägerarme, in Umfangsrichtung keine Verbindung besteht.In order not to cover or not completely cover the area of a radially outer conductor area of a heating conductor located between two such support arms against the flow of exhaust gas, it can be provided that between the fastening sections of at least two support arms following one another in the circumferential direction, preferably all of them following one another in the circumferential direction Support arms, there is no connection in the circumferential direction.
Alternativ oder zusätzlich kann in Zuordnung zu den Trägerarmen vorgesehen sein, dass die Befestigungsabschnitte wenigstens zweier in Umfangsrichtung aufeinander folgender Trägerarme, vorzugsweise aller in Umfangsrichtung aufeinander folgender Trägerarme, in Umfangsrichtung durch einen Befestigungsrand miteinander verbunden sind. Ein derartiger Befestigungsrand trägt radial außen zur Versteifung eines Trägerelements bei, ist gleichwohl aber derart dimensioniert, dass in dem Bereich zwischen den beiden durch diesen verbundenen Trägerarmen der radial außen liegende Leiterbereich nicht bzw. nicht vollständig überdeckt ist.Alternatively or additionally, it can be provided in association with the support arms that the attachment sections of at least two support arms following one another in the circumferential direction, preferably all support arms following one another in the circumferential direction, are connected to one another in the circumferential direction by a fastening edge. Such a fastening edge contributes to stiffening a carrier element radially on the outside, but is nevertheless dimensioned such that in the area between the two carrier arms connected by it, the conductor area lying radially on the outside is not or not completely covered.
Um einen stabilen Aufbau zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die Trägerarme des wenigstens einen Trägerelements von einem Zentralbereich des wenigstens einen Trägerelements sich nach radial außen erstrecken, oder/und dass wenigstens an einem Teil der Trägerarme des wenigstens einen Trägerelements oder/und einem Zentralbereich des wenigstens einen Trägerelements wenigstens eine Verbindungsformation zum festen Verbinden des wenigstens einen Trägerelements mit der Heizleiteranordnung vorgesehen ist.In order to obtain a stable structure, it is proposed that the support arms of the at least one support element extend radially outwards from a central area of the at least one support element, and/or that at least part of the support arms of the at least one support element and/or a central area of the at least one support element is provided at least one connection formation for firmly connecting the at least one support element to the heating conductor arrangement.
Um in Bereichen, in welchen unvermeidbar auch der radial äußere Leiterbereich durch einen Trägerarm überdeckt sein muss, das Entstehen eines Wärmestaus zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, dass wenigstens Heizleiter in einem von einem Trägerarm überdeckten Bereich eine größere Leiter-Querschnittsfläche aufweist, als in einem nicht von einem Trägerarm überdeckten Bereich. In dem überdeckten Bereich weist aufgrund der größeren Querschnittsfläche der Heizleiter einen geringeren Widerstand auf, so dass dort auch weniger Wärme generiert wird. Eine derartige Struktur ist vorzugsweise in einem radial äußeren Leiterbereich eines Heizleiters, insbesondere einem radial äußeren Mäander-Windungsabschnitt bei zumindest einem Mäander-Windungsfeld vorgesehen.In order to avoid the build-up of heat in areas in which the radially outer conductor area must also unavoidably be covered by a support arm, it is further proposed that at least the heating conductor have a larger conductor cross-sectional area in an area covered by a support arm than in one Area not covered by a support arm. In the covered area, the heating conductor has a lower resistance due to the larger cross-sectional area, so that less heat is generated there. Such a structure is preferably provided in a radially outer conductor region of a heating conductor, in particular a radially outer meander winding section in at least one meander winding field.
Eine stabile Struktur kann weiter dadurch unterstützt werden, dass ein stromaufwärtiges Trägerelement und ein stromabwärtiges Trägerelement vorgesehen sind, wobei die Heizleiteranordnung in der Abgas-Hauptströmungsrichtung zwischen dem stromaufwärtigen Trägerelement und dem stromabwärtigen Trägerelement angeordnet ist. Die Heizleiteranordnung ist selbstverständlich bezüglich der beispielsweise auch aus Blechmaterial aufgebauten Trägerelemente elektrisch isoliert gehalten.A stable structure can be further supported by providing an upstream support element and a downstream support element, with the heating conductor arrangement being arranged in the exhaust gas main flow direction between the upstream support element and the downstream support element. The heating conductor arrangement is of course kept electrically insulated with respect to the carrier elements, which are also made of sheet metal, for example.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Trägerelement wenigstens einen Spannungsquellen-Anschlussbereich der Heizleiteranordnung gegen eine direkte Abgasanströmung im Wesentlichen abschirmt. Im Bereich des Anschlusses der Heizleiteranordnung an ein Abgasführungsgehäuse durchsetzende Anschlusselemente wird im Allgemeinen weniger Wärme bereitgestellt, als in den zur thermischen Wechselwirkung mit dem Abgas vorgesehenen Leiterbereichen der Heizleiteranordnung. Durch das Abschirmen dieses Bereichs gegen die Abgasdurchströmung wird somit vermieden, dass in diesem Bereich strömendes Abgas weniger stark erwärmt wird, als in anderen Bereichen strömendes Abgas.In a particularly preferred embodiment, it can be provided that at least one carrier element essentially shields at least one voltage source connection area of the heating conductor arrangement against a direct flow of exhaust gas. In the region of the connection of the heating conductor arrangement to connection elements penetrating an exhaust gas guide housing, generally less heat is provided than in the conductor regions of the heating conductor arrangement intended for thermal interaction with the exhaust gas. By shielding this area from the flow of exhaust gas, it is thus avoided that exhaust gas flowing in this area is heated to a lesser extent than exhaust gas flowing in other areas.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasheizanordnung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens einen an einem Abgasführungsgehäuse getragenen erfindungsgemäß aufgebauten Abgasheizer.The invention also relates to an exhaust gas heating arrangement for an exhaust system of an internal combustion engine, comprising at least one exhaust gas heater constructed according to the invention and carried on an exhaust gas guide housing.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens einen in einem Abgasführungsgehäuse angeordneten, erfindungsgemäß aufgebauten Abgasheizer und stromabwärts bezüglich des Abgasheizers wenigstens eine Abgasbehandlungsanordnung.The invention further relates to an exhaust system for an internal combustion engine, comprising at least one exhaust gas heater constructed according to the invention and arranged in an exhaust gas guide housing and downstream of the exhaust gas heater at least one exhaust gas treatment arrangement.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine Ansicht eines Abgasheizers in einem Abgasführungsgehäuse, betrachtet in einer Abgas-Hauptströmungsrichtung; -
2 den Abgasheizer der1 in dem Abgasführungsgehäuse in perspektivischer Ansicht; -
3 eine Teil-Längsschnittansicht des in das Abgasführungsgehäuse eingesetzten Abgasheizers; -
4 ein Trägerelement einer Trägeranordnung des Abgasheizers der1 ; -
5 einen weiter stromaufwärts zu positionierenden ersten Heizleiter einer Heizleiteranordnung des Abgasheizers der1 ; -
6 einen weiter stromabwärts zu positionierenden zweiten Heizleiter der Heizleiteranordnung des Abgasheizers der1 ; -
7 die Heizleiter der5 und6 im Verbund; -
8 eine der1 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltung eines in einem Abgasführungsgehäuse angeordneten Abgasheizers; -
9 eine perspektivische Ansicht des Abgasheizers der8 in dem Abgasführungsgehäuse; -
10 eine Seitenansicht des Abgasheizers der8 in einem Abgasführungsgehäuse; -
11 eine Teil-Längsschnittansicht des Abgasheizers der8 ; -
12 einen weiter stromaufwärts zu positionierenden ersten Heizleiter einer Heizleiteranordnung des Abgasheizers der8 ; -
13 einen weiter stromabwärts zu positionierenden zweiten Heizleiter der Heizleiteranordnung des Abgasheizers der8 ; -
14 dieHeizleiter der 12 und13 im Verbund; -
15 ein stromaufwärtiges Trägerelement einer Trägeranordnung des Abgasheizers der8 ; -
16 ein stromabwärtiges Trägerelement der Trägeranordnung des Abgasheizers der8 ; -
17 eine alternative Ausgestaltung eines stromaufwärtigen Trägerelements; -
18 eine alternative Ausgestaltung eines stromabwärtigen Trägerelements; -
19 ein Isolierelement für eine Heizleiteranordnung; -
20 in prinzipartiger Darstellung eine Abgasanlage -
21 zwischen zwei Heizleitern angeordnete Verstrebungselemente.
-
1 a view of an exhaust gas heater in an exhaust gas guide housing, viewed in a main exhaust gas flow direction; -
2 the exhaust gas heater1 in the exhaust gas guide housing in a perspective view; -
3 a partial longitudinal sectional view of the exhaust gas heater used in the exhaust gas guide housing; -
4 a carrier element of a carrier arrangement of the exhaust gas heater1 ; -
5 a first heating conductor of a heating conductor arrangement of the exhaust gas heater to be positioned further upstream1 ; -
6 a second heating conductor of the heating conductor arrangement of the exhaust gas heater to be positioned further downstream1 ; -
7 the heating conductors5 and6 networked; -
8th one of the1 corresponding view of an alternative embodiment of an exhaust gas heater arranged in an exhaust gas guide housing; -
9 a perspective view of the exhaust gas heater of FIG8th in the exhaust gas guide housing; -
10 a side view of the exhaust gas heater8th in an exhaust gas guide housing; -
11 a partial longitudinal sectional view of the exhaust gas heater of FIG8th ; -
12 a first heating conductor of a heating conductor arrangement of the exhaust gas heater to be positioned further upstream8th ; -
13 a second heating conductor of the heating conductor arrangement of the exhaust gas heater to be positioned further downstream8th ; -
14 theheating conductors 12 and13 networked; -
15 an upstream support member of a support assembly of the exhaust gas heater8th ; -
16 a downstream bracket member of the bracket assembly of the exhaust gas heater8th ; -
17 an alternative embodiment of an upstream support member; -
18 an alternative configuration of a downstream support member; -
19 an insulating element for a heating conductor arrangement; -
20 a schematic representation of an exhaust system -
21 Bracing elements arranged between two heating conductors.
Die
Die Trägeranordnung 16 umfasst zwei scheibenartige und beispielsweise aus Blechmaterial geformte, zueinander baugleiche Trägerelemente 18, 20. Die Trägerelemente 18, 20 sind mit einem im Wesentlichen quer zur Abgasheizer-Mittenachse A sich erstreckenden Zentralbereich 22 und einer Mehrzahl von von dem Zentralbereich 22 sich in Richtung nach radial außen erstreckenden Trägerarmen 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 aufgebaut. In einem Außenumfangsbereich der Trägerelemente 18, 20 ist ein allgemein mit 38 bezeichneter Befestigungsbereich gebildet, mit welchem die Trägerelemente 18, 20 und somit der gesamte Abgasheizer 12 an der Innenoberfläche des Abgasführungsgehäuses 10 beispielsweise durch Verschweißung festgelegt werden kann. In diesem Befestigungsbereich 38 sind die beiden Trägerelemente 18, 20 in axialer Richtung abgekrümmt.The
Im Bereich von jedem der Trägerarme 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 umfasst der Befestigungsbereich 38 einen jeweiligen Befestigungsabschnitt 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52. Zwischen zwei jeweils einen radial äußeren Endbereich eines Trägerarms 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 bildenden Befestigungsabschnitten 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52 ist jeweils ein die Befestigungsabschnitte zweier benachbarter Trägerarme verbindender Befestigungsrand 54, 56, 58, 60, 62, 64 gebildet, so dass die Befestigungsabschnitte 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52 mit den dazwischen sich erstreckenden und benachbarte Trägerarme 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 miteinander verbindenden Befestigungsrändern 54, 56, 58, 60, 62, 64 eine in Umfangsrichtung im Wesentlichen durchlaufende Struktur des Befestigungsbereichs 38 bereitstellen. Lediglich zwischen den beiden in
Durch die Gestalt der Trägerarme 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 und auch des Befestigungsbereichs 38 wird eine gezielte Strömungsführung für das den Abgasheizer 12 durchströmende Abgas erreicht. Insbesondere können durch die Trägerarme 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 Bereiche abgedeckt werden, die gegen eine direkte Anströmung geschützt werden sollen. Dies können beispielsweise Bereiche sein, in welchen Sensoren beispielsweise zur Temperaturerfassung oder zur Erfassung der Abgaszusammensetzung angeordnet sind. Durch den im Wesentlichen ringartig durchlaufenden Befestigungsbereich 38 wird eine Strömung im radial äußeren Bereich unmittelbar entlang einer vergleichsweise kalten Innenoberfläche eines den Abgasheizer 12 enthaltenden Abgasführungsgehäuses verhindert.Due to the shape of the
Die
Obgleich das Erzeugen derartiger Heizleiter 66, 68 durch Heraustrennen aus einem Flachmaterial in besonders einfacher und ökonomisch durchführbarer Art und Weise die Möglichkeit gibt, die Heizleiter 66, 68 mit vergleichsweise komplexer Struktur der Mäander-Windungsabschnitte derselben bereitzustellen, sind grundsätzlich auch andere Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Metallspritzguss oder Sintern, zum Erhalt derartiger Heizleiter 66,68 möglich.Although the production of
Die radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 der Mäander-Windungsfelder 70, 80 des ersten Heizleiters 66 stellen einen ersten Anschlussbereich 92 bzw. einen zweiten Anschlussbereich 94 des ersten Heizleiters 66 bereit. Gleichermaßen stellen die radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 der Mäander-Windungsfelder 70, 80 des zweiten Heizleiters 68 einen ersten Anschlussbereich 96 und einen zweiten Anschlussbereich 98 des zweiten Heizleiters 68 bereit. Mit ihren ersten Anschlussbereichen 92, 94 stellen die Heizleiter 66, 68 jeweils einen Spannungsquellen-Anschlussbereich bereit, mit welchem die Heizleiter beispielsweise über das Abgasführungsgehäuse 10 elektrisch isoliert und gasdicht durchsetzende Anschlusselemente 100, 102 an eine Spannungsquelle angeschlossen werden können. Mit ihren zweiten Anschlussbereichen 94, 98 stellen die beiden Heizleiter 66, 68 Verbindungs-Anschlussbereiche bereit, in welchen die beiden Heizleiter 66, 68 beispielsweise durch einen Nietbolzen oder Verschweißen oder dergleichen, miteinander elektrisch leitend verbunden sind, so dass sich in diesem Ausgestaltungsbeispiel eine elektrisch serielle Schaltung der beiden Heizleiter ergibt. Im Bereich der Anschlussbereiche 92, 94, 96, 98 weisen die Heizleiter 66, 68 bzw. die jeweiligen radial außen liegenden Mäander-Windungsabschnitte 82 eine vergleichsweise große Breite auf, um aufgrund des lokal geringeren elektrischen Widerstands in diesen gegen die Anströmung mit Abgas abgeschirmten Bereichen das Entstehen von Wärme im Vergleich zu den frei anströmbaren Bereichen mindern.The radially outer
Bei einer alternativen Ausgestaltung können bei jedem der Heizleiter 66, 68 auch die zweiten Anschlussbereiche 94, 98 Spannungsquellen-Anschlussbereiche bereitstellen, so dass beispielsweise die beiden ersten Anschlussbereiche 92, 96 der beiden Heizleiter 66, 68 mit dem Anschlusselement 100 und über dieses mit einer Spannungsquelle verbunden werden können, während die zweiten Anschlussbereiche 94, 98 der beiden Heizleiter 66, 68 miteinander und über das Anschlusselement 102 mit der Spannungsquelle verbunden sein können, so dass sich eine elektrisch parallele Schaltung der Heizleiter 66, 68 ergibt. Insbesondere bei Auswahl einer Parallelschaltung der beiden Heizleiter 66, 68 wird eine Selbstregulierung der Heizleiter 66, 68 erhalten, wenn diese unterschiedlichen Abgastemperaturen ausgesetzt sind und dadurch lokal unterschiedliche elektrische Widerstände der Heizleiter 66, 68 auftreten.In an alternative configuration, the
Durch die in Richtung der Abgasheizer-Mittenachse A und somit auch einer Abgas-Hauptströmungsrichtung H hintereinander liegenden Heizleiter 66, 68 wird bei axial kompakter Baugröße eine vergleichsweise große Oberfläche zur thermischen Wechselwirkung mit dem zu erwärmenden Abgas erreicht. Um dabei dafür zu sorgen, dass der weiter stromabwärts positionierte zweite Heizleiter 68 nicht vollständig im Strömungsschatten des weiter stromaufwärts positionierten ersten Heizleiters 66 positioniert ist, weisen die beiden Heizleiter 66, 68 zueinander nicht identische Strukturen bzw. Verläufe der einzelnen Mäander-Windungsabschnitte 82, 84, 86, 88 auf. Dies zeigt der in
Weiter kann die Anordnung so sein, dass die radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82, welche vom Befestigungsbereich 38 radial im Wesentlichen vollständig umgriffen sind und zum Bereitstellen einer elektrischen Isolierung bezüglich der Befestigungsbereiche 38 der beiden Trägerelemente 18, 20 von U-förmigem Isoliermaterial 104 umgeben sind, zueinander im Wesentlichen deckungsgleich sind. Auch die radial inneren Mäander-Windungsabschnitte 90 der beiden Heizleiter 66, 68 können zueinander deckungsgleich liegen.Furthermore, the arrangement can be such that the radially outer
Zum Herstellen eines festen Verbundes der beiden Trägerelemente 18, 20 mit den beiden zwischen diesen positionierten Heizleitern 66, 68 sind im Bereich von einigen der Trägerarme, nämlich im Bereich der Trägerarme 26, 30, 34, Verbindungsformationen 106 jeweils mit einer oder zwei Verbindungsöffnungen 108 vorgesehen. Durch diese Verbindungsöffnungen 108 können auch entsprechende Öffnungen in den Heizleitern 66, 68 durchsetzende Verbindungselemente 110, beispielsweise Schraubbolzen oder Nietbolzen, hindurch geführt werden, um somit einen festen axialen Verbund zu erreichen. Auch im Zentralbereich 22 können derartige Verbindungsformationen 106 vorgesehen sein. Es ist darauf hinzuweisen, dass in dem in
Grundsätzlich können die Heizleiter 66, 68 in denjenigen Bereichen, in welchen sie durch die Trägerelemente 18, 20 überdeckt und somit gegen die Abgasanströmung abgeschirmt sind, eine größere Breite bzw. Querschnittsfläche aufweisen, als in den gegen Abgasanströmung im Wesentlichen nicht abgeschirmten Bereichen, um aufgrund des lokal geringeren elektrischen Widerstandes in diesen Bereichen weniger Wärme zu erzeugen, als in nicht abgeschirmten Bereichen. In den im Wesentlichen nicht abgeschirmten Bereichen kann beispielsweise eine Querschnittsabmessung der Mäander-Windungsabschnitte im Bereich von 2mm x 4mm bis 4mm x 2mm bereitgestellt sein.In principle, the
Zur weiteren Erhöhung der Stabilität können zwischen den Heizleitern 66, 68 bzw. verschiedenen der Mäander-Windungsabschnitte derselben in
Da durch derartige Verstrebungselemente 130 ein stabiler Verbund der beiden Heizleiter 66, 68 erreicht werden kann, besteht die Möglichkeit, die Trägerelemente 18, 20 beispielsweise mit einer geringeren Anzahl an Trägerarmen bzw. einer geringeren Anzahl an Befestigungsbereichen auszugestalten, in welchen beispielsweise durch die in
Die
Um im Bereich der Verbindung der beiden Trägerelemente 18, 20 miteinander und mit den beiden Heizleitern 66, 68 einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden, sind zwischen jedem der beiden Heizleiter 66, 68 und dem diesem unmittelbar benachbarten Trägerelement 18 bzw. 20 und zwischen den beiden Heizleitern 66, 68 beispielsweise scheibenartige Isolierelemente 112 vorgesehen. Ein derartiges Isolierelement 112 ist in
In
Mit dem in den
Die in der Abgas-Hauptströmungsrichtung H aufeinanderfolgend angeordneten Heizleiter 66, 68 können zur Verbesserung der thermischen Wechselwirkung mit dem Abgas bzw. auch zur Beeinflussung der Abgasströmung zueinander unterschiedlich gestaltet bzw. dimensioniert sein und aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein.The
Eine abgewandelte Ausgestaltungsform eines Abgasheizers wird nachfolgend mit Bezug auf die
Es ist darauf hinzuweisen, dass hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus der Abgasheizer der
Der Abgasheizer 12 der
Bei dem stromaufwärtigen Trägerelement 18 ist in dem die Verbindung der Heizleiter 66, 68 mit den Anschlusselementen 100, 102 überdeckenden Bereich ein die beiden Trägerarme 24, 36 des stromabwärtigen Trägerelements 20 zusammenfassender, einheitlicher Trägerarm 24' vorgesehen, welcher mit einem über einen größeren Umfangsbereich sich erstreckenden Befestigungsabschnitt 40' auch einen in diesem Bereich in Umfangsrichtung durchlaufenden Befestigungsbereich 38 bereitstellt. Um eine vollständige Verdämmung in diesem Bereich zu vermeiden, sind in dem Trägerarm 24` mehrere beispielsweise auch verschieden dimensionierte Durchtrittsöffnungen 118 vorgesehen.In the
Grund für diese Ausgestaltung des stromaufwärtigen Trägerelements 18 ist, dass, wie die
Die
Um auch im radial äußeren Bereich der Heizleiter 66, 68 eine näherungsweise gleiche Heizcharakteristik zu erreichen, wie in weiter radial innen liegen Bereichen, weisen die radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 in den Bereichen, in welchen sie nicht von den Trägerarmen 24', 26, 28, 30, 32, 34 überdeckt sind, eine geringere Breite und somit auch eine geringere Querschnittsfläche auf, als in denjenigen Bereichen, die von den Trägerarmen 24', 26, 28, 30, 32, 34 überdeckt sind. Insbesondere weisen in diesen nicht überdeckten Bereichen die radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 beispielsweise die gleiche Breite und damit die gleiche Querschnittsfläche auf, wie die weiter radial innen liegenden Mäander-Windungsabschnitte 84, 86, 88, 90 insbesondere in den gleichermaßen nicht von den Trägerarmen 24', 26, 28, 30, 32, 34 bzw. vom Zentralbereich 22 überdeckten Bereichen derselben. Aufgrund der geringeren Querschnittsfläche und des somit erhöhten elektrischen Widerstandes wird auch in diesen Bereichen der radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 mehr Wärme entstehen, als in den mit größerem Querschnitt ausgebildeten und von den Trägerarmen 24', 26, 28, 30, 32, 34 überdeckten Bereichen derselben, so dass in diesen überdeckten Bereichen aufgrund des geringeren Wärmeanfalls ein Wärmestau vermieden wird. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche der Mäander-Windungsabschnitte in den von den Trägerelementen 18, 20 nicht bzw. im Wesentlichen nicht überdeckten Bereichen ebenso wie bei der Ausgestaltungsform der
Da die jeweils radial äußere Leiterbereiche 120 bereitstellenden radial äußeren Mäander-Windungsabschnitte 82 der Heizleiter 66, 68 in den zwischen den Befestigungsabschnitten 40', 42, 44, 46, 48, 50 liegenden Bereichen nicht von den Trägerelementen 18, 20 überdeckt sind, ist bei dieser Ausgestaltung des Abgasheizers 12 radial außen kein die Heizleiter 66, 68 umgreifendes, beispielsweise U-förmiges Isoliermaterial vorhanden. Vielmehr liegen in diesem Bereich die Heizleiter 66, 68 im Wesentlichen frei zwischen den beiden Trägerelementen 18, 20. Eine elektrische Isolierung und eine definierte Positionierung der Heizleiter 66, 68 ist im Wesentlichen nur im Bereich der Verbindungselemente 110 durch die in
Die
Eine abgewandelte Ausgestaltungsform dieser Trägerelemente 18, 20 ist in den
Bei Ausgestaltung des Abgasheizers 12 mit Trägerelemente 18, 20 mit dem vorangehend mit Bezug auf die zweite Ausgestaltungsform beschriebenen Aufbau mit die Heizleiter 66, 68 in Umfangsbereichen radial außen nicht überdeckendem Befestigungsbereich 38 kann der Abgasheizer 12 mit einer anderen Anzahl an Heizleitern, beispielsweise nur einem einzigen Heizleiter oder mehr als zwei Heizleitern, aufgebaut sein.If the
Weiter ist darauf hinzuweisen, dass, unabhängig von der Ausgestaltung des Befestigungsbereichs 38 entweder als im Wesentlichen in Umfangsrichtung durchlaufende Struktur mit Befestigungsabschnitten im Bereich der Trägerarme und Befestigungsrändern zwischen zumindest einem Teil dieser Befestigungsabschnitte, oder als in Umfangsrichtung unterbrochene Struktur mit diskreten Befestigungsabschnitten, zur Festlegung des Befestigungsbereichs 38 am Abgasführungsgehäuse 10 nicht notwendigerweise der gesamte Befestigungsbereich 38 genutzt werden muss. Es können diskrete Schweißpunkte gesetzt werden, so dass beispielsweise im Bereich einzelner Befestigungsabschnitte oder/und Befestigungsränder keine Anbindung an die Innenseite des Abgasführung Gehäuses erzeugt wird.It should also be pointed out that, regardless of the design of the
Die
Es ist abschließend darauf hinzuweisen, dass bei dem vorangehend beschriebenen Abgasheizer im Umfang der vorliegenden Erfindung verschiedenste Variationen vorgenommen werden können. So können beispielsweise auch mehr als zwei Heizleiter in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sein, wobei beispielsweise einige dieser Heizleiter dann seriell zueinander und einige dieser Heizleiter parallel zueinander geschaltet sein können. Ebenso wie bei den vorangehend beschriebenen Ausgestaltungsformen kann auch bei Ausgestaltung des Abgasheizers mit mehr als zwei Heizleitern vorgesehen sein, dass die einzelnen Heizleiter sich hinsichtlich ihrer Geometrie, also des Verlaufs der Leiterbereiche derselben, unterscheiden, um eine im Wesentlichen deckungsgleiche Positionierung zweier in Strömungsrichtung aufeinander folgender Heizleiter zu vermeiden und somit eine effiziente thermische Wechselwirkung zwischen diesen und dem Abgas zu gewährleisten. Auch der Verlauf der Leiterbereiche der einzelnen Heizleiter kann von den vorangehend beschriebenen bzw. den in dem Figuren dargestellten Verlauf abweichen. So können dort, wo aufgrund der Strömungscharakteristik in einem Abgasführungsgehäuse dies erforderlich ist, mehr bzw. eine größere Dichte von Leiterbereichen bzw. Windungsabschnitten vorgesehen sein, als in anderen Bereichen. Auch können zur Anpassung an die Strömungsverhältnisse die Leiterbereiche der Heizleiter eine variierende Breite und ggf. auch eine variierende Dicke aufweisen, um dadurch den elektrischen Widerstand und die bei Anlegen einer elektrischen Spannung lokal entstehende Wärme definiert einstellen zu können und insbesondere lokale Überhitzungsbereiche vermeiden zu können.Finally, it should be pointed out that a wide variety of variations can be made to the exhaust gas heater described above within the scope of the present invention. For example, more than two heating conductors can be arranged one after the other in the flow direction, with some of these heating conductors then being able to be connected in series with one another and some of these heating conductors being connected in parallel with one another. As with the embodiments described above, if the exhaust gas heater is configured with more than two heating conductors, it can also be provided that the individual heating conductors differ in terms of their geometry, i.e. the course of the conductor areas of the same, in order to ensure that two consecutive heating conductors are positioned essentially congruently in the direction of flow To avoid heating conductors and thus to ensure an efficient thermal interaction between them and the exhaust gas. The course of the conductor areas of the individual heating conductors can also deviate from the course described above or shown in the figures. Where this is necessary due to the flow characteristics in an exhaust gas guide housing, more or a greater density of conductor areas or winding sections can be provided than in other areas. To adapt to the flow conditions, the conductor areas of the heating conductors can also have a varying width and possibly also a varying thickness in order to be able to set the electrical resistance and the heat generated locally when an electrical voltage is applied in a defined manner and in particular to be able to avoid local overheating areas.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PUREM GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: EBERSPAECHER EXHAUST TECHNOLOGY GMBH, 66539 NEUNKIRCHEN, DE |