CN113969813B - 电加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电加热装置(3)，其具有在外部环绕的、尤其是圆形的壳体(4)，其中在壳体(4)中布置有叠片结构，所述叠片结构能够通过加载电流加温。叠片结构通过叠片排(7)在壳体(4)中彼此平行地布置，其中，平行布置的叠片排(7)彼此电串联或并联地布置。

Description

电加热装置
技术领域
本发明涉及内燃机的技术领域，尤其涉及一种,在废气系中的电加热装置。
背景技术
为了符合立法和市场或者客户期望，如今将内燃机调整到最高的效率并且尽可能少地产生废热。
与此相矛盾的是，在冷启动之后快速加热废气部件并且在当前测试循环期间保持该温度范围，以便确保用于将有害废气组分转化为非有害成分的最佳响应条件。
在催化器的情况下，这种起燃开始于约180℃，反应速率随温度升高。因为即将发生的许可限制直接在冷启动之后判断废气成分，所以应该尽可能快地达到起燃温度。
为此使用加热元件，其在一定的界限内允许废气设备的主动的热管理。这些加热元件当前大多由薄板蜂窝结构(鳍状结构)螺旋形地缠绕。导体(蜂窝束)的分离通过气隙来确保。通过高温钎焊使整个结构变硬。整个加热基体的电绝缘大多通过陶瓷销(支撑销)实现，其中，这些陶瓷销被插入到催化器体中。
例如，从EP 2 802 752 B1中已知这种加热装置。
发明内容
本发明的任务是，从现有技术出发说明一种用于废气系的加热装置，该加热装置可以成本低廉地并且简单地制造，但同时提供了高的有效加热功率，以便能够满足对废气流的短期的外部加热的未来要求以及可选地给出在废气部件彼此间的布置方面的设计自由度。
本发明提供一种废气系中的电加热装置，其具有在外部环绕的、尤其是圆形的壳体，其中在所述壳体中布置有叠片结构，所述叠片结构能够通过加载电流来加温，其特征在于，所述叠片结构通过叠片排在所述壳体中彼此平行地布置，其中平行布置的叠片排彼此电串联或并联地布置，和/或所述加热装置的纵轴线沿着废气流动方向以相对于废气后处理部件的纵轴线大于1度的角度布置。
在一实施例中，所述壳体是径向环绕的周面。
在一实施例中，所述叠片排通过保持元件保持在壳体中，尤其是通过两个保持杆保持，所述保持杆穿过所述叠片排。
在一实施例中，所述叠片排通过贯通的板条制造并且相互连接。
在一实施例中，所述叠片排单独地制造，其中，在相应的端部区域中布置有连接元件、尤其是导电的连接元件。
在一实施例中，所述连接元件构造为接触板或接触接片或卡箍板。
在一实施例中，在所述叠片排的相应的端部区域中布置有间隔保持件、尤其是陶瓷板。
在一实施例中，所述间隔保持件与壳体耦接，尤其是所述间隔保持件部分地穿过壳体。
在一实施例中，所述叠片排的宽度(B)沿废气流动方向(A)局部不同地构造。
在一实施例中，在保持杆的区域中，所述叠片排被构造为更宽。
在一实施例中，所述保持杆多件式地构造，尤其是由插塞套筒构成。
在一实施例中，所述叠片排本身分别两件式地构成，通过电的导体板和与之耦接的叠片板构成。
在一实施例中，在所述叠片板的端部区域中相对于中间区域布置有更少的叠片，其中，所述中间区域在所述叠片板的大部分长度上延伸。
在废气系中的电加热装置也可以称为废气系加热装置，替代地也可以称为催化器加热装置。该电加热装置具有一个外部环绕的、尤其是圆形的壳体。壳体尤其是径向圆形环绕的板材壳体，该板材壳体尤其具有外部的罩壳。然后，该电加热装置可以被集成到废气系中，特别是在废气流动方向上被置于废气后处理部件、例如催化器的前面。
在壳体本身中布置有叠片结构。这种叠片结构能够电加温，即被构造为电阻加热装置。因此，通过加载电流可以加温叠片结构。因此，叠片结构或者多块板或一块板(通过其形成叠片结构)也可以称为加热导体。
在本发明的范围内原则上可以实现所述叠片结构的三种不同的结构变型方案。
第一变型方案规定，叠片板构造成一体式并且材料统一的。叠片板虽然优选是一体式的并且材料统一的，但又再划分为载体板和鳍状板。如上所述，这些叠片板一体式地并且材料统一地构造并且在加载电流时由于电阻加温而共同加温。
第二变型方案规定，鳍状板和载体板单独制造并且它们优选相互耦接，尤其是材料锁合地，例如通过钎焊或点焊来耦接。在加载电流时，电流不仅流过鳍状板而且流过载体板并且这两者都通过加载电流而加温。
第三变型方案规定，叠片结构通过鳍状板和载体板两件式地制造。这些元件优选又相互耦接。然而在加载电流时，仅载体板被电流流过并且由于电阻加温而加温。与载体板耦接的鳍状板由于热传导而加温，特别是通过接触或者耦接部位进行加温。
所有变型方案同时是，通过流经的废气然后由于对流将叠片结构的热量输出给废气。
设置有电接头。在此，电接头尤其穿过外部的壳体，从而它们可以与壳体外部的相应的电连接耦接。
壳体和叠片结构本身由钢材料制成。尤其地，这种钢材料在热学上抵抗所出现的最高1000℃或更高的废气温度。叠片结构由具有相应的欧姆电阻的导电的钢材料构成，使得在加载电流时叠片结构被加温并且由于出现的对流将热量传递到流过的废气上。废气后处理部件于是在流动方向上在下游接入，由此被加温的废气遇到该废气后处理部件。
根据本发明，现在在叠片结构中布置叠片排。这些叠片排局部地彼此平行地布置。局部平行布置的叠片排电串联或并联地连接。这些叠片排直线地构造。
根据本发明，通过彼此平行布置的叠片排可以首先单独地制造这些叠片排，然后将其装入到壳体中。
各个叠片排和叠片排上的叠片也可以被称为鳍状片或加热鳍状片。通过局部彼此平行地布置的叠片排那么电并联地或优选地彼此串联地连接，实现这样最佳的电流通量，使得叠片排均匀地加热并且因此实现相应均匀地将热量传递到连接在下游的废气后处理部件上。
为了使这些叠片排本身能够局部地彼此平行地布置，这些叠片排首先可以与壳体单独地或分开地生产。这或者对于叠片排一体式地并且材料统一地进行。然而优选地，能够构造载体板或者电流导体板。然后，叠片层或者鳍状层或者叠片板被布置在电流导体板本身上。所述耦接例如可以材料锁合地通过电阻点焊或者也可以通过钎焊实现。所述电流导体板本身尤其由电阻式的、也就是说由于电阻加热而加温的材料构成。然后热量经由热传导传递到鳍状层。鳍状层增大可用于热传递的表面，并且因此将热量传递至流过的废气。
所有叠片排同样优选地一体式地并且材料统一地构造。例如，电流导体板能够一体式地材料统一地、例如曲折形地弯曲。在壳体中的相应端部处则设置有电流接头，从而可以施加电压，使得电流流过所述一个电流导体板以用于加温。
替代地，也可以将每个叠片排相互分开地制造、布置。在这种情况下，相应的叠片排被单独制造。在每个叠片排的端部上设置有接触元件和/或间隔保持件。
接触元件本身例如可以通过相应的接触板构成。接触板本身提供物理接触，并且因此同时保持间距。然而，接触板还由导电的材料构成，并且因此同样用作物理的间隔保持件和电连接器。
替代地，电流导体板也可以在端部处延长，然后形成相应的接片，其中，两个彼此并排的电流导体板的接片耦接，例如通过材料锁合的耦接来耦接。因此，两个相邻的叠片排电连接。
又替代地，构造有卡箍板、也可以构造为例如横截面为C形的连接器。卡箍板随后作为第三构件布置在两个叠片排之间并且将它们相互电连接。
补充地，在叠片排之间也可以构造间隔保持件。这些间隔保持件优选由电绝缘材料、例如由陶瓷构成。在一种优选的实施变型方案中，这些间隔保持件完全直至部分穿过壳体地与壳体耦接。优选地，间隔保持件被构造为间隔板或陶瓷板。这些间隔保持件在壳体中沿水平方向在两个叠片排之间向内突出并且在此保持物理间距。同时，陶瓷板部分地穿过壳体并且在此具有开口，保持机构、例如线材穿过该开口引导。线材然后与壳体的外侧耦接，从而简化的装配是可行的。
本发明的另一个重要的组成部分规定，纵轴线沿加热元件的废气流动方向可以相对于催化器的纵轴线以大于1度的角度布置。优选地，该角度大于2度，尤其是3度，特别优选大于5度。然而角度布置应整体上小于30度地构造。这通过以下方式实现，即，叠片排布置在保持杆本身的加热元件的壳体中。因此，可以完全省去加热元件和下游的催化器之间的保持销，因此可以实现毫无问题的物理脱耦并且也可以实现任意的几何布置。也可行的是，壳体本身具有不同于催化器的横截面几何形状。因此也可以使用陶瓷催化器，加热元件置于陶瓷催化器前面。
为了使得这些叠片排本身位置固定地布置在壳体中，在壳体中设置有保持元件。保持元件为此穿过这些叠片排。尤其地，保持元件被构造为保持杆。特别优选地，两个保持杆又平行地彼此间隔开地布置在壳体中。这些叠片排为此例如具有相应的孔，保持杆穿过所述孔接合。保持杆本身可以由电绝缘的材料构成，例如由陶瓷材料构成。也可行的是，在叠片排中设置相应的套筒。所述套筒优选是陶瓷套筒。这些套筒然后具有相应的间距。然后，套筒本身优选被保持杆穿过，例如它可以由钢材料、尤其是不锈钢材料构成。
替代地，也可行的是，相应的间隔套筒本身相互接合并且因此构造为模块化的插塞系统。然后，多个套筒形成保持杆。
然后，套筒彼此插入，进而保持这些叠片排的平行性彼此间的间距，同时这些叠片排也保持位置固定，尤其是在废气流动方向上在壳体中保持位置固定。然后可以在相应的端部上放置一种不锈钢铆钉或不锈钢套筒，以便使间隔保持件与壳体耦接，例如焊接。
为了在整个横截面上实现均匀加温，此外规定，叠片排在其纵向方向上具有不同的宽度。尤其是在保持杆的区域内的宽度更大。由于保持杆，在叠片排自身中存在较小的表面，该表面可以被加温。因此，在保持杆的区域内，到废气的较少的温度传递与此相关。由于叠片排在此在其自身的宽度上被设计成更大的事实，可以提供用于热传递的相等的面积。同样，通过这种方式将叠片排中的电流导体横截面构造为相同的。因此，结果是，可以在整个横截面面积上实现流动的废气的均匀加温。
在另一种优选的设计变型方案中，在相应的叠片排的端部区域中，相对于中间区域构造有更小的横截面面积，尤其是布置有更少的叠片。中间区域在叠片板自身的大部分长度上延伸，优选在叠片板自身长度的超过50％，尤其超过60％，并且非常特别优选在叠片板自身长度的70％，尤其超过80％，并且特别优选超过90％上延伸。然而，在相应的端部区域中的剩余的10％或更少则与中间区域相比具有更小的、可用于热传递的面积。由此可以避免在壳体的相应的边缘区域中的热积聚。由此也可以实现在整个横截面上均匀地加温流动的废气。
附图说明
在下面的附图中描述了其它优点、特征。这些附图有助于简单理解本发明。其中示出：
图1示出了废气射流的局部截取部分，
图2示出了根据本发明的加热装置的透视图，
图3以局部剖视图示出了叠片排的放大图示，
图4和图5示出了各个叠片排的不同耦接的示意图，
图6示出了叠片排的两件式图示，
图7a示出类似于图2的透视图，
图7b示出了图7a的纵向剖视图，
图8a和图8b示出根据本发明的加热装置的优选的设计变型方案，
图9示出了根据本发明的实施变型方案，
图10a至图10d示出了带有保持杆的结构，
图11a和图11b示出不同的保持杆，
图12示出了固定在壳体上的间隔保持件，
图13示出了两个由陶瓷制成的保持杆，以及
图14示出了加热元件和催化器彼此间的根据本发明的角度布置。
具体实施方式
图1以分解图示出了废气系的局部截取部分。在此示出了呈催化器2形式的废气后处理部件。在废气流动方向A上在催化器2前面连接一个呈加热装置3形式的加热螺旋管。该加热装置如由现有技术已知的那样曲折形地缠绕。在本发明的范围内，曲折形的走向可理解为曲折形的走向或z字形走向。
此外，示出了外部的壳体4，加热螺旋管装入到该壳体中，并且该壳体4具有电接头5，以便给加热螺旋管加载电流。
图2示出了根据本发明的加热装置3的透视图。该加热装置具有一个外部的壳体4。壳体4是径向环绕的板材罩壳。该板材罩壳可以在废气流动方向A上具有较小的宽度B。然而，壳体4也可以被构造为在废气流动方向上比这里所示的明显更长。此外，设置两个电接头5，以用于对布置在加热装置3中的叠片结构6加载电流。根据本发明，在加热装置3中布置有单个叠片排7。这些叠片排7相对于在这里示出的水平方向H局部地看平行地上下叠置地布置。
各个叠片排7现在相互电串联连接，从而使得同样用虚线示出的电流通量E曲折形地产生。为此，接触板9布置在叠片排7的相应的端部区域8中，这也在图3中示出，图3以局部剖视图示出了叠片排7的放大图示。接触板9分别仅布置在每两个叠片排7之间，从而得到曲折形的电流通量E。
为了使得这些叠片排7本身被保持在壳体4中，此外设置有呈保持杆10形式的保持元件，在本实施例中为呈两个保持杆10形式的保持元件。保持杆10相对于垂直方向V延伸穿过所有的叠片排7，并且如图2所示，在上侧和下侧分别与壳体4耦接。因此，在废气流动方向A上，这些叠片排7位置固定地布置以及相互平行地间隔开。
如图3所示，保持杆10可以由金属的内部的杆11以及例如陶瓷的间隔套筒12构成，其中给每个叠片排7配设有间隔套筒12本身。
根据图4和图5，示意性地示出了各个叠片排7彼此间的不同耦接。如图6所示，这些叠片排7本身优选两件式地构造。这些叠片排具有电流导体板13以及布置在其上的叠片板14，也称为鳍状板。电流导体板13和叠片板14于是优选地耦接，例如经由钎焊过程等以材料锁合的方式耦接。根据图6的实施变型方案，两个叠片排7在其端部区域8中通过弯曲过程被弯曲。每个叠片排7也可以彼此独立地制造。如在说明书中已经提及的那样，所有叠片排7也可以由一个单件制成，然后这些叠片排通过弯曲技术制成并且曲折形地延伸。
根据图4，各个叠片排7在其各自的端部区域8中通过接触接片15彼此耦接。这意味着，电流导体板13构造得更长，弯曲并且例如通过点焊P或类似手段相互耦接。
根据图5的设计变型方案，这些叠片排7在其端部区域8中通过一个卡箍板16相互耦接。该卡箍板16本身例如构造为C形。于是，卡箍板16在端部区域8中分别将两个叠片排7或电流导体板13相互连接，然而始终在其间留有耦接，从而在此同样又产生曲折形的电流通量E，因此产生叠片排7的电串联连接。
图7a和图7b示出透视图，根据图7a类似于图2仅在没有标出的电流通量的情况下示出。图7b示出了穿过图7a的纵向截面图。在纵向截面图中尤其可看出，保持杆10关于垂直方向V布置成贯穿各个叠片排7相互位置固定。同样可以看到，在电接头5上存在相对于壳体4的电绝缘，因此电接头5导电地与叠片结构连接，然而与壳体4电绝缘地布置。在相应的端部区域中一方面布置有接触板。在它们之间布置有附加的间隔板17，分别针对每个第二叠片排7布置有附加的间隔板17。间隔板17优选地由陶瓷材料制成。
图8a和图8b示出根据本发明的加热装置3的一种优选的实施变型方案。在此，相应的叠片排7又曲折形地相互连接，通过贯通的电流导体板13相互连接。替代地，也可以将已经在图3、图4和图5中布置的连接部实施在两个相邻的叠片排7之间的端部区域8中。然而，在这种情况下，在废气流动方向A上测量的这些叠片排7的宽度B被不同地设计。这意味着，宽度B在叠片排7的纵向方向L上变化。宽度B本身是在废气流动方向A上测量的。因此，宽度在保持杆10的区域中构造得较大。因此，在保持杆10的区域内也有效地提供相同的面积，从而在废气流动方向A上在加热装置3的整个横截面上基本上可以实现相同的热传递，并且可以产生横截面上被均匀加温的废气流。
图9示出了另一种根据本发明的实施变型方案。在此，贯通的电流导体板13也被一体式地折叠或弯曲。两个叠片排7分别相互平行指向地指向，其中，随后又以相互间一定的间距布置有电流导体板13的两个层，然而没有叠片排7，又跟随有两个相互平行布置的叠片排7。这使得能够在弯曲过程期间简单地制造布置在壳体4中的叠片结构。这又通过保持杆10保持并且连接到电接头5上。
因此，至少在图9的右侧示出，在叠片排7的相应的端部区域8中的叠片密度更小地构造。流动的可能的湍流和/或压缩在壳体4的边缘区域中可导致过度加温，这可通过端部区域8中的叠片的较低密度来平衡或避免。
图10a至图10d示出了具有保持杆10的结构，其中，保持杆10在此不是构造为一体式贯通的，而是通过相应的插塞套筒18构造。相应优选的陶瓷的插塞套筒18因此可以使相应叠片排7形状锁合地固定位置并且使其彼此电绝缘。因此，插塞套筒18能够作为间距保持件起作用并且同时也作为电绝缘体起作用。在保持杆10的端部上例如可以布置有金属套筒19，以便与壳体4耦接。这个实施变型方案也具有位于叠片结构之间的贯通的电流导体板13。然而，这分别曲折形地布置，使得在电流引导板13上分别平行于下一个叠片排7布置一个叠片排。因此，在折叠过程期间可装入间隔套筒12，并且间隔套筒12通过相对于彼此弯曲的叠片排7本身来保持。然后，整个结构可以随后装入到壳体4中并且通过套筒19形状锁合地位置固定。
图10b、图10c和图10d分别示出了这种叠片排7的纵向剖视图、顶部透视图和底部透视图。叠片排7具有电流导体板13和叠片板14。在其中突出的是，间隔套筒12作为陶瓷套筒，其同时实现电绝缘，但是也实现形状锁合的位置固定。根据整个发明的电流导体板13和叠片板14可由不锈钢材料构成，其优选具有0.1至0.2、尤其0.15mm的厚度或壁厚。
图11a和图11b示出了一种实施变型方案，其中相应的杆11被构造成一体式地穿过这些叠片排7。在此，相应的间隔套筒12布置为电绝缘体，其使各个叠片排7彼此形状锁合地间隔开并且电绝缘。
图12示出本发明的另一种设计变型方案。在此，接触板相对于端部区域中的相应的叠片排7布置，并且布置在每两个叠片排7之间。此外，间隔板17作为陶瓷板也分别布置在每二个叠片排7之间。这些间隔板在此部分穿过壳体4地布置并且具有孔，从而这些间隔板在壳体4的外侧穿过并且通过焊点21固定地保持。因此，间隔板17能够事后被引入到壳体4中并且在此形状锁合地被位置固定。
图13示出本发明的另一种设计变型方案。在此，相应的杆11被构造为陶瓷杆，从而使得叠片排7以形状锁合的方式保持间隔，但同时以电绝缘的方式布置。整个产品可以单独地制造，因此将叠片结构装入壳体内。也可以进行预装配并且而后将整个结构在钎焊装置中整体钎焊。
图14示出本发明的另一重要优点，据此，角度布置在几何上脱耦并且在本发明的范围内可任意地实现。为此，加热装置3可以以其纵轴线22相对于催化器2或废气后处理部件的纵轴线23以大于1度的角度α布置。因此在废气系1的走向中，例如在汽车的底部区域中，产生了更大的设计自由度。这例如带来优点，以便最佳地利用用于轴组件变速器、部件或内燃机的结构空间。通过加热装置3和废气后处理部件的物理脱耦，可以自由地选择角度布置，如在图14中所示。
附图标记列表
1 废气系
2 催化器
3 加热装置或升温装置
4 壳体
5 电接头
6 叠片结构
7 叠片排
8 7的端部区域
9 接触板
10 保持杆
11 杆
12 间隔套筒
13 电流导体板
14 叠片板
15 接触接片
16 卡箍板
17 间隔板
18 插塞套筒
19 套筒
20 线材
21 焊点
22 3的纵轴线
23 2的纵轴线
A废气流动方向
H 水平方向
V 垂直方向
E 电流流动
L 7的纵向方向
B 宽度
P 点焊。

Claims (11)

1.一种用于加热废气的电加热装置(3)，其具有在外部环绕的、圆形的壳体(4)，其中在所述壳体(4)中布置有叠片结构，所述叠片结构能够通过加载电流来加温，其特征在于，所述叠片结构通过叠片排(7)在所述壳体(4)中彼此平行地布置，其中平行布置的叠片排(7)彼此电串联或并联地布置；
所述叠片排(7)通过两个保持杆(10)保持在壳体(4)中，所述保持杆(10)穿过所述叠片排(7)；
在保持杆(10)的区域中，所述叠片排(7)被构造为更宽，将叠片排(7)中的电流导体横截面构造为相同的。
2.根据权利要求1所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述壳体(4)是径向环绕的周面。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述叠片排(7)通过贯通的板条制造并且相互连接。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述叠片排(7)单独地制造，其中，在相应的端部区域(8)中布置有导电的连接元件。
5.根据权利要求4所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述连接元件构造为接触板(9)或接触接片(15)或卡箍板(16)。
6.根据权利要求1所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，在所述叠片排(7)的相应的端部区域(8)中布置有间隔保持件。
7.根据权利要求6所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述间隔保持件与壳体(4)耦接。
8.根据权利要求1所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述保持杆(10)由插塞套筒(18)构成。
9.根据权利要求1所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述叠片排(7)本身分别两件式地构成，通过电的导体板(13)和与之耦接的叠片板(14)构成。
10.根据权利要求9所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，在所述叠片板(14)的端部区域中相对于中间区域布置有更少的叠片，其中，所述中间区域在所述叠片板(14)的大部分长度上延伸。
11.根据权利要求1所述的用于加热废气的电加热装置(3)，其特征在于，所述加热装置(3)的纵轴线(22)沿着废气流动方向以相对于废气后处理部件的纵轴线(23)大于1度的角度布置。
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