CN112832887A - 具有泡沫金属加热元件的废气加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种加热装置(10)包括：泡沫金属形式的加热元件(16)；由沿着纵向轴线(X)延伸的侧壁(14)限定的壳体(12)，在其中容纳泡沫金属(16)；设置在泡沫金属(16)与壳体(12)之间的电绝缘装置(18)；至少一个电极(22)。泡沫金属(16)包括被构造为接收至少一个电极(22)的区域(24)。

Description

具有泡沫金属加热元件的废气加热装置
技术领域
本发明涉及一种废气加热装置，其用于装备内燃机、特别是车辆内燃机的排气管路。
背景技术
已经从现有技术中已知了一种内燃机排气管路，其包括用于将污染颗粒(特别是氮氧化物NOx)还原成无害颗粒(特别是氮气N2和水H2O)的催化净化装置。为此目的，废气通过催化净化单元。
应该注意的是，当在高温下进行反应时，催化净化单元的效率是最佳的。因此，在冷启动期间反应效率较差，因而排放出较多的污染颗粒。
为了解决该缺点，一种方案包括给排气管路装上废气加热装置，其用于在废气通过净化单元之前加热废气，直到发动机排放出足够热的气体为止。该加热装置设置在净化单元的上游。
加热装置的一个已知例子包括由泡沫金属形成的加热元件，其中有电流流过以通过焦耳效应对其进行加热。泡沫金属被设置成使废气从其中通过，因此废气在进入净化单元之前被加热。电流由电连接至泡沫金属的电极提供。
然而，这种加热装置并不完全令人满意，特别是因为难以形成电极与泡沫金属之间的电连接。
发明内容
本发明的目的特别在于通过提供一种能够简单而可靠地形成电极与泡沫金属之间的电连接的加热装置来解决上述缺点。
为此，本发明特别地涉及一种用于热机排气管路的废气加热装置，其包括：
-泡沫金属形式的加热元件；
-由沿着纵向轴线延伸的侧壁限定的壳体，在其中容纳泡沫金属；
-设置在泡沫金属与壳体之间的电绝缘装置；
-至少一个电极，
其特征在于，泡沫金属包括被构造为接收至少一个电极的区域。
由于泡沫金属的所述区域被成型为接收电极，因此所述装置在电极与泡沫金属之间不需要附加的连接元件。
根据本发明的加热装置还可以包括单独考虑或根据所有技术上可行的组合考虑的一个或多个以下特征：
-泡沫金属包括泡沫预制体，其在整个体积中具有均匀的网孔结构。
-加热装置包括由在干燥之前已浸透泡沫金属的外周部的第一液体材料形成的保护层，电绝缘装置包括环绕该保护层的至少一个环形元件。
-加热装置包括两个环形的保持元件，它们用于保持泡沫金属、在纵向轴线的方向上设置在泡沫金属的两侧上并且各自被固定在壳体上。
-至少一个保持元件包括朝着纵向轴线延伸的紧固突片，并且壳体针对每个紧固突片都包括焊接孔，对应的紧固突片通过该焊接孔被焊接到壳体上。
本发明还涉及一种热机的排气管路，其特征在于其包括上文限定的加热装置。
本发明还涉及一种车辆、特别是机动车辆，其特征在于其包括上文限定的排气管路。
本发明最后涉及一种用于制造废气加热装置的方法，其特征在于根据以下步骤来制造泡沫金属：
-制造泡沫预制体；
-用具有第一密度的第一液态金属填充泡沫预制体；
-对填充有金属的泡沫预制体进行干燥；
-对填充有金属的泡沫预制体进行第一次烧结；
-在第一次烧结之后，在填充有金属并经烧结的泡沫预制体的外周部的至少一个区域中注入具有比第一密度更高的第二密度的第二液态金属；
-对包括所述区域的泡沫预制体进行第二次烧结。
有利地，泡沫金属的制造包括在第一次烧结之后并且在注入第二液态金属之前将填充有金属并经烧结的泡沫预制体切割成第一形状，注入第二液态金属的两个区域位于第一形状的外周部上。
可选地，第一形状的尺寸大于期望的最终形状的尺寸，泡沫金属的制造包括在第二次烧结之后切割第一形状以获得期望的最终形状。
附图说明
将在下面仅作为非限制性例子提供并且参照附图做出的说明中突出本发明的各个方面和其他优点，在附图中：
-图1是根据本发明的第一实施例的加热装置的立体图；
-图2是图1的加热装置的分解立体图；
-图3是用于制造图1的加热装置的泡沫金属的预制体的细节的立体图；
-图4以俯视图示意性示出了在图1的加热装置的泡沫金属的制造的一个步骤期间的泡沫金属；
-图5是根据本发明的第二实施例的加热装置的分解立体图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的一个示例性实施方式的加热装置10。
加热装置10适合于在热机的排气管路中设置在废气净化装置的上游。热机例如是车辆的热机，特别是机动车辆的热机，但是在变型中可以是任何其他热机。
净化装置以本身已知的方式包括催化净化单元，以允许将污染颗粒(特别是氮氧化物NOx)还原成无害颗粒(特别是氮气N2和水H2O)。还原反应在高温下更有效，因此加热装置10用于特别是在热机冷启动期间在净化装置上游加热废气。
加热装置10包括由沿着纵向轴线X延伸的大体柱状的壁14形成的壳体12。优选地，壁14具有围绕纵向轴线X限定的柱状的总体形状，其具有圆形、椭圆形或带有圆角的矩形的底部。
加热装置10还包括容纳在壳体12中的加热元件16、在径向上插在加热元件16与壳体12的壁14之间的电绝缘和热绝缘装置18以及保持元件20。加热装置10还包括电连接至加热元件16的至少一个电极22，其用于使电流在该加热元件16中通过以通过焦耳效应对其进行加热。优选地，加热装置包括两个电极22。
优选地，每个电极22包括被绝缘护套22b围绕的导电芯22a。
导电芯22a例如由金属制成，特别是由从铁铬铝(FeCrAl)及其合金、镍铬(NiCr)及其合金、不锈钢、
Figure BDA0002789138810000041
或碳化硅中选择的材料制成。
绝缘护套22b例如由氧化镁MgO或氧化铝Al2O3制成。
绝缘护套22b优选又被用于焊接到壳体12上的可焊接材料(特别是
Figure BDA0002789138810000042
或NiCr)所制成的外罩22c围绕。该外罩22c由于绝缘护套22b而与导电芯22a电隔离。
加热元件16由泡沫金属形成，其根据本发明的制造将在后面描述。
优选地，泡沫金属16由铁铬铝(FeCrAl)合金或镍铬(NiCr)合金制成。泡沫金属16的密度在8％(含)和11％(含)之间，并且厚度(在纵向轴线X的方向上考虑)在15mm(含)和30mm(含)之间。
泡沫金属16具有至少一个区域24，其被成型为接收至少一个电极22中的一个。区域24可以设置在泡沫金属16的任何适当的位置。在所描述的例子中，泡沫金属16包括设置在泡沫金属16的外周部并且彼此相对设置的两个区域24。在一种变型中，可以在泡沫金属16的中心处或在泡沫金属16的中心附近设置区域24。根据另一种变型，区域24可以在泡沫金属16的外周部彼此不相对地设置，而是使得电极22相对于彼此形成角度，例如小于或等于45°或在120°(含)和180°(含)之间。
优选地，每个区域24是致密的焊接区域24，其用于通过焊接而耦合到相应的一个电极22上。换言之，焊接区域24的密度足以允许焊接对应的电极22。
每个区域24优选在泡沫金属16中延伸至少5mm的深度。此外，每个区域24优选在大于电极22的导电芯22a的直径的两倍的直径上延伸。因此，对于直径为约6mm的导电芯22a，对应的区域24的直径为至少12mm，例如为约18mm。
绝缘装置18包括至少部分地环绕加热元件16的外周部的至少一个绝缘元件26，优选包括两个绝缘元件26。更具体地，两个绝缘元件26被设置成使致密的焊接区域24露出。
有利地，绝缘元件26包括边沿26a，这些边沿一起界定将加热元件16的外周部容纳在其中的凹部27。因此，边沿26a在加热元件16的纵向轴线X的方向上的两侧上给加热元件16的外周部加上框架。
绝缘元件26特别是可以确保针对废气的径向密封性，以确保废气仅在轴线X的方向上通过加热元件16。
每个绝缘元件26例如由电绝缘材料制成的纤维丝网形成。可以想到任何电绝缘材料。
有利地，保护层28覆盖加热元件16的外周部。保护层28用于保护绝缘元件26免受泡沫金属16的侵略性多孔边缘的影响。因此，一旦施加保护层28，加热元件16就具有平滑的外周部，而不再具有多孔且侵略性的外周部。因此，提高了绝缘元件26的寿命。
根据一个示例性实施方式，保护层28由金属制成，例如与形成泡沫金属16的金属相同的金属。在一种变型中，保护层28可以例如由陶瓷或氧化镁MgO制成。根据另一种变型，只要可以使加热元件16的外周部平滑，保护层28就可以由任何其他适当的材料制成。
保持元件20用于在纵向轴线X的方向上保持加热元件16以及绝缘元件26。更特别地，在所描述的例子中，保持元件20保持绝缘元件26，绝缘元件26保持加热元件16。保持元件20优选基本相同。
每个保持元件20具有环形的总体形状，其具有用于被固定到壳体12的壁14上(特别是固定到该壁14的内表面上)并且在径向上具有足够的延伸量从而足以延伸跨过加热元件16的一部分的外周轮廓20a。因此，保持元件20在纵向轴线X的方向上在加热元件16的两侧上夹持该加热元件16。
每个保持元件20界定实现朝向加热元件16的废气通道的中心开口21。
每个保持元件20在其外周轮廓20a上包括均匀分布在外周轮廓20a上的多个紧固突片30，例如三个至八个紧固突片，优选四个或六个紧固突片30。紧固突片30平行于纵向轴线X远离加热元件16延伸。因此，可以在这些加热元件16上执行焊接操作，而不会有焊接散发的热量损坏泡沫金属16。
壳体12的壁14针对每个紧固突片30都包括焊接孔32，通过该焊接孔32进行对应的紧固突片30与壁14的焊接。这些焊接孔32可以方便接近紧固突片30并减少这些紧固突片30的焊接时间。
焊接孔32优选具有周向延伸的长方形总体形状，以实现沿着每个焊接孔32的轮廓的最佳焊接表面。
应注意的是，泡沫金属16由此不是直接焊接在壳体12上，而是由保持元件20轴向地保持，而该保持元件被焊接到壳体12上。因此，避免了与泡沫金属的焊接有关的所有困难。
壳体12的壁14还具有用于电极22的通道开口34，每个通道开口34优选被设置成与加热元件16的相应的一个焊接区域24相对。替代地，通道开口34相对于焊接区域24偏移。每个通道开口34优选具有朝着壳体12的外部在径向上延伸的外周边沿36，从而可以良好地保持对应的电极22。
现在将描述用于制造加热装置10的方法。
该方法首先包括制造泡沫金属。
泡沫金属16的制造包括制造在图3中被部分地示出的泡沫预制体16a的步骤。根据本发明的泡沫预制体16a优选具有在其整个体积上均匀的网孔结构。如图3所示，该网孔结构例如包括具有大体上多面体形状、特别是六边形形状的网格37。网格37通过孔38彼此连通。有利地，网格的尺寸在0.4mm(含)和5mm(含)之间。
这样的泡沫预制体16a例如通过增材制造方法、特别是3D打印来制造。泡沫预制体16a例如由聚氨酯制成。
由于泡沫预制体16a的预定且均匀的结构，容易知道其性能(是可再现的)，并且在整个泡沫预制体16a中这种性能是相似的。
替代地，泡沫预制体16a具有不均匀的结构(传统海绵型的预制体)。
应当注意，泡沫预制体16a的尺寸优选大于最终泡沫金属16的尺寸。
接下来，该方法包括用具有第一密度的第一液态金属填充泡沫预制体16a。第一液态金属可以是熔融金属，或者在一种变型中是具有金属颗粒的流体(金属泥浆)。第一密度例如在泡沫金属16的密度的4％(含)和15％(含)之间。
泡沫预制体16a因此被第一液态金属浸透，该第一液态金属因此覆盖形成该泡沫预制体16a的材料。
接下来，该方法包括对填充有金属的泡沫预制体16a进行干燥，直到第一金属不再是液态，并因此保持附着在泡沫预制体16a上。
接下来，该方法包括对填充有金属并经干燥的泡沫预制体16a进行第一次烧结。烧结是指在第一金属的熔化温度以下加热填充有金属并经干燥的泡沫预制体，以提高第一金属的粘着力。
优选地，泡沫金属16的制造包括将填充有金属并经烧结的泡沫预制体16a切割成第一形状，其尺寸仍大于泡沫金属16的最终形状的尺寸。该第一形状例如是长方体，特别是具有正方形的底部。该第一形状在图4中示出，由附图标记16b表示。
有利地，如图4所示，泡沫金属16的制造包括在第一次烧结之后将具有比第一密度更大的第二密度的第二液态金属注入到填充有金属、经烧结和切割的第一形状16b的外周部上的两个分开的区域中。
第二液态金属可以是熔融金属，或者在一种变型中是具有金属颗粒的流体(金属泥浆)。第二密度例如大于泡沫金属16的密度的90％。
优选地，第二液态金属由与第一液态金属相同的材料制成，特别是由FeCrAl或NiCr合金制成，但是密度大于第一液态金属的密度。
其中注入第二液态金属的区域是焊接区域24。
接下来，该方法包括第二次烧结，以提高焊接区域24的粘着力。
替代地，不通过在泡沫金属16中注入第二液态金属来形成焊接区域24。在这种情况下，该方法包括在泡沫金属16中通过刺穿形成至少一个盲孔，然后用形成区域24的材料、特别是用第二液态金属填充该盲孔。
根据另一种变型，盲孔不是通过刺穿形成的，而是在形成泡沫金属16后就被形成。更具体地，预制体16a在这种情况下已经包括盲孔。
接下来，泡沫金属16的制造包括切割第一形状16b以获得期望的最终形状，其基本上对应于壳体12的形状，特别是柱状，例如具有圆形、椭圆形或带有圆角的矩形底部。
应当注意，使用根据本发明的方法获得的泡沫金属16是易于识别的，这是由于其均匀的网孔结构和/或存在焊接区域24。
优选地，泡沫金属16的制造包括将保护层28施加到其外周部上，以获得平滑的无侵略性的外周部。如前所述，保护层28例如由金属、陶瓷或氧化镁MgO制成。在保护层28由金属制成时，其例如由第一液态金属制成。
保护层28的施加可以通过喷射或涂刷操作来完成。
接下来，制造方法包括组装加热装置10。
加热元件16与装配在其外周部上的绝缘元件26组装在一起，并使焊接区域24露出。
通过经由焊接孔32焊接一个保持元件20的紧固突片30而将其焊接到壳体12上。接下来，设置有绝缘元件26的加热元件16可以被插入到壳体12中并同时由焊接到该壳体12的内侧上的保持元件20支撑。在这种插入期间，加热元件16的焊接区域24必须设置成与对应的通道开口34相对。
另一个保持元件20可以被附接在加热元件16上方，加热元件16因此被夹持在两个保持元件20之间。然后，像前述的保持元件20一样，将该另一个保持元件20焊接到壳体12上。
接下来，将电极22各自通过对应的通道开口34进行附接，每个电极22的导电芯22a被焊接到对应的焊接区域24上。这是通过该焊接区域24具有足够的密度从而允许电极22与泡沫金属16之间直接接触来实现的。
接下来，将每个电极22的外罩22c焊接到通道开口34的边沿36上，以将电极22良好地保持在壳体12上。
应当注意，本发明可以良好地控制泡沫金属的结构，其尺寸、孔隙密度和均匀性与预制体16a相关。由于其均匀性，所有网格都具有基本相同的形状和相同的尺寸，在泡沫金属16的整个体积上的热约束基本相同。此外，在纵向轴线X的方向上考虑的泡沫金属16的厚度优选是恒定的。在一种变型中，泡沫金属16的厚度不是恒定的，并且例如可以具有局部的增厚部和/或减厚部。
泡沫金属16的尺寸和性能是可预测和可再现的，因此容易进行模拟和测试以控制该泡沫金属的机械阻力和电阻。
应当注意，本发明也可以通过选择具有适当形状的预制体16a来制造具有各种形状的加热元件16，特别是具有S形或E形底部。
图5示出了根据本发明的第二示例性实施方式的加热装置10。在该图中，与前述两幅图中相似的元件使用相同的附图标记表示。
根据该第二实施方式，加热装置10包括具有不同形状的第一环形保持元件20和第二环形保持元件40。
第一环形保持元件20与第一实施方式的保持元件相同。它以相同的方式包括紧固突片30。
相反，第二环形保持元件40不包括紧固突片而是包括外周边缘42，具有用于使电极22通过的凹口44。该外周边缘42平行于纵向方向延伸。
该外周边缘42经由与该外周边缘42相对的焊接孔32被焊接到壳体12上。
应当注意，该外周边缘42优选被定向为环绕加热元件16。
第二环形保持元件40还包括环形部分46，其在径向上具有足够的延伸量从而足以延伸跨过加热元件16的一部分。因此，保持元件20、40在纵向轴线X的方向上在加热元件16的两侧上夹持该加热元件16。
特别是因为外周边缘42环绕加热元件16，该第二实施方式具有可以减小壳体12在纵向轴线X的方向上的高度的优点。因此，壳体12的这种高度例如为51mm，而在第一实施方式中为65mm，这意味着在所描述的例子中高度减小了14mm。
此外，周向的两排焊接孔32之间在纵向轴线X的方向上的距离也相对于第一实施方式被减小了。
总的来说，第二实施方式使加热装置10的形式更紧凑。
本发明不限于上述实施方式，并且可以采取各种补充变型。

Claims (10)

1.一种用于热机排气管路的废气加热装置(10)，其包括：
-形成加热元件的泡沫金属(16)；
-由沿着纵向轴线(X)延伸的侧壁(14)限定的壳体(12)，在其中容纳所述泡沫金属(16)；
-设置在所述泡沫金属(16)与所述壳体(12)之间的电绝缘装置(18)；
-至少一个电极(22)，
其特征在于，所述泡沫金属(16)包括被构造为接收所述至少一个电极(22)的区域(24)。
2.根据权利要求1所述的废气加热装置(10)，其特征在于，所述泡沫金属(16)包括泡沫预制体(16a)，其在整个体积中具有均匀的网孔结构。
3.根据权利要求1或2所述的废气加热装置(10)，其特征在于，其包括由在干燥之前已浸透所述泡沫金属(16)的外周部的第一液体材料形成的保护层(28)，所述电绝缘装置(18)包括环绕所述保护层(28)的至少一个环形元件(26)。
4.根据权利要求1或2所述的废气加热装置(10)，其特征在于，其包括两个环形的保持元件(20)，它们用于保持所述泡沫金属(16)、在所述纵向轴线(X)的方向上设置在所述泡沫金属(16)的两侧上并且各自被固定在所述壳体(12)上。
5.根据权利要求4所述的废气加热装置(10)，其特征在于，至少一个所述保持元件(20)包括朝着所述纵向轴线(X)延伸的紧固突片(30)，并且所述壳体(12)针对每个所述紧固突片(30)都包括焊接孔(32)，对应的所述紧固突片(30)通过所述焊接孔被焊接到所述壳体(12)上。
6.一种热机排气管路，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的废气加热装置(10)。
7.一种车辆、特别是机动车辆，其特征在于，其包括根据权利要求6所述的热机排气管路。
8.一种用于根据权利要求1所述的废气加热装置(10)的制造方法，其特征在于，根据以下步骤来制造所述泡沫金属(16)：
-制造泡沫预制体(16a)；
-用具有第一密度的第一液态金属填充所述泡沫预制体(16a)；
-对填充有金属的所述泡沫预制体(16a)进行干燥；
-对填充有金属的所述泡沫预制体(16a)进行第一次烧结；
-在所述第一次烧结之后，在填充有金属并经烧结的所述泡沫预制体(16a)的外周部的至少一个区域(24)中注入具有比所述第一密度更高的第二密度的第二液态金属；
-对包括所述区域(24)的所述泡沫预制体(16a)进行第二次烧结。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述泡沫金属(16)的制造包括在所述第一次烧结之后并且在注入所述第二液态金属之前将填充有金属并经烧结的所述泡沫预制体(16a)切割成第一形状(16b)，注入所述第二液态金属的两个所述区域位于所述第一形状(16b)的外周部上。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一形状(16b)的尺寸大于期望的最终形状的尺寸，所述泡沫金属(16)的制造包括在所述第二次烧结之后切割所述第一形状(16b)以获得所述期望的最终形状。
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