CN114592949A - 用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置(1)，其具有加热元件(3)，所述加热元件对应于废气后处理组件，特别是催化转化器(2)。所述加热元件(3)由加热导体和与所述加热导体耦合的支架(6)构成，其中所述支架(6)在所述加热元件(3)的横截面面积内延伸并且所述支架(6)由网格状结构构成，其中所述网格状结构由彼此不规则耦合的弧形轮辐(9)构成，其中所述加热导体和所述支架(6)在沿废气流动方向(A)的纵向剖面中具有槽形构造。

Description

用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置

技术领域

本发明涉及机动车辆排气系统领域，尤其涉及一种废气处理装置。

背景技术

为了符合法规以及市场和客户的期望，现如今对内燃机进行了修整以实现最高效率并且尽可能少地产生余热。

这与冷起动后废气组分的快速加热以及在常规的试验循环期间保持此温度范围以确保将有害的废气成分转化为无害元素的最佳反应条件相矛盾。

在采用催化转化器的情况下，此起燃始于约180℃，反应速度随着温度的升高而增大。即将到来的审批限制将在冷起动后直接评估废气成分，因此应尽快达到起燃温度。

为此，使用加热元件，其允许在一定限度内对排气设备进行主动热管理。这些加热元件目前通常由薄板蜂窝结构(板翅结构)螺旋式地卷绕而成。通过气隙确保将导体(蜂窝线)隔开。通过高温焊接对整体结构进行加固。通常通过陶瓷销(支撑销)实现整个加热矩阵的电绝缘，其中将这些销件插入催化转化器内。

由DE 20 2020 104 976 U1已知一种根据权利要求1的前序部分中的特征的用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置。

发明内容

本发明的目的是，基于现有技术，在排气系统中布置一种加热装置，所述加热装置成本较低且易于生产，同时能提供高效的加热功率并且特别是具有较高的耐热性。

本发明用以达成上述目的的解决方案在于一种用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置，其具有加热元件，所述加热元件对应于废气后处理组件，其中所述加热元件由加热导体和与所述加热导体耦合的支架构成，其中所述支架在所述加热元件的横截面内延伸并且所述支架由网格状结构构成，所述网格状结构由彼此不规则耦合的弧形轮辐构成，其中所述加热元件和所述支架在沿废气流动方向A的纵向剖面中具有槽形构造。

在一实施例中，所述支架由金属材料构成。

在一实施例中，所述加热元件为卷绕的加热导体。

在一实施例中，两个相邻的弧形轮辐具有沿相反方向的弧形形状。

在一实施例中，在弧形轮辐上设有至少一个用于与所述加热元件耦合的固定点。

在一实施例中，所述加热元件具有蜂窝状结构并且特别是构建为电动加热元件或者所述加热元件为加热导体，所述加热导体特别是为卷绕的多孔板或金属丝网。

在一实施例中，在加热元件与支架之间布置有电绝缘且耐热的耦合构件。

在一实施例中，两个支架夹层式地将所述加热元件容置在其间。

在一实施例中，构建有作为耦合构件的间隔套管以及穿过所述间隔套管的销件，其中所述间隔套管以电绝缘的方式构建。

在一实施例中，在一个耦合构件中布置有两个彼此指向相反方向的固定销，所述固定销在其尖端处彼此耦合。

在一实施例中，所述支架在所述废气后处理组件的壳体中与至少部分环周的外部轮廓耦合，其中所述轮辐随后以一体成型且材料统一的方式从所述轮廓径向向内定向地连接并相互耦合。

本发明涉及一种用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置。所述机动车辆具有内燃机。这个内燃机例如可以是柴油机或奥托发动机。这个机动车辆也可以是具有附加内燃机的混合动力机动车辆。因此，所述废气处理装置为废气后处理装置。

所述机动车辆具有排气系统。在这个排气系统中布置有特别是形式为催化转化器的废气后处理组件。在这个排气系统中，加热元件沿废气流动方向位于催化转化器的上游或下游。这个加热元件用于例如在冷起动阶段期间对催化转化器进行外部电加热。

所述加热元件自身由电加热元件构成。其可以是加热盘管或蜂窝装置。所述加热元件特别是为电阻加热器，其在供电时在极短的时间内生热，然后通过辐射和/或对流加热催化转化器。这个加热元件在沿废气流动方向的纵向剖面中呈槽形。也就是说，这个加热元件以截锥或漏斗的几何走向构建。因此，沿废气流动方向，这个走向在纵向剖面中可以呈阶梯状，但也可以是连续线性的、渐进的或递减的。废气流过这个加热元件。如果这个加热元件为一种加热格栅、金属丝布或多孔板，则特别是流过多孔结构。就加热盘管或实心加热导体而言，废气围绕加热导体环流。但是，废气随后流过加热导体绕组的各个间距之间的整个加热导体盘管。然而，如上文已述及的那样，加热导体的布局在沿废气流动方向的纵向剖面中呈槽形。在此情况下，这个加热导体自身或是实心的，或是也可以由多孔材料构成，例如由金属丝网构成。这个金属丝网指的是金属丝布或多孔板。此外，此举的优点在于，不仅可以围绕加热元件进行环流，而且还可以流过加热导体的相应孔隙度。

为了使得电加热元件布置在排气系统中，根据本发明，设有支架。这个电加热元件与支架耦合。所述支架至少在这个加热元件的横截面面积内延伸。这个支架自身也呈槽形，使得加热元件的纵向剖面的布局可靠地定位在排气系统中。在此情况下，这个支架也可以在纵向剖面中阶梯状地或者线性、渐进或递减地延伸，进而与加热元件的槽形形状相匹配。

其中，支架的槽形形状以及加热元件的槽形形状优选也可以指向废气流动方向本身。这表明，这个槽形形状的最深点指向废气流动方向。在此情况下，这个槽形形状特别是可以伸入排气系统内的漏斗中，进而形成加热元件的最大溢流面并且最佳地利用安装空间。

在本发明中，这个槽形形状也可以背离废气流动方向而定向。这表明，沿废气流动方向将最后入流至这个槽形形状的最深点。

为此，可以以某种方式制造这个支架，以便首先由圆盘构成冲压构件。然后一同形成弧形延伸的轮辐。在此情况下，随后对这个支架进行深拉，使得这个支架沿废气流动方向具有槽形或漏斗形轮廓，视需要也具有截锥段状的轮廓。

所述支架特别是径向环轴地以比加热元件自身更大的方式构建。因此，可以将这个支架布置在废气后处理组件的壳体中，特别是可以将这个支架与内侧面耦合。然后，这个支架将加热元件保持在相对于径向与壳体的内侧面间隔一定距离之处。

为了使得支架也可以以轴向间隔一定距离的方式保持这个加热元件自身，这个支架自身构建为盘形的平面元件。然而，为了使得废气能够流过支架，这个支架自身并未构建为密封的圆盘，而是具有蜘蛛网状或网格状的结构。根据本发明，这个结构的具体构建方式在于，这个支架的相对于径向的内表面由弧形延伸且彼此耦合的轮辐构成。在此情况下，这些弧形轮辐遵循样条函数或者具有弯曲的走向。各个轮辐的弧形形状赋予支架特殊的热机械强度。因此，基于这个弧形形状，以最佳的方式对因不同温度范围而引起的膨胀或收缩进行补偿。

在此情况下，加热元件通过各个耦合点或保持点与支架耦合。此，由于良好的热机械强度，这些固定点仅会经历很小的因膨胀或收缩而引起的位置变化，这反过来也会对与支架耦合的加热元件的热机械强度产生影响。

在本发明中，轮辐不必从外部环周式框架或轮廓径向向内延伸至轮毂。在本发明中，轮辐是延伸到支架的内部区域的连接件。径向向内定向并不意味着直线地向内延伸，而是轮辐通常具有朝向支架的径向定向的内部空间的定向。

所述支架基本上具有外部环周式环件。轮辐一方面从这个环件径向向内定向。但另一方面，这些轮辐在沿废气流动方向的纵向剖面中呈槽形，从而在侧视图中产生支架或漏斗的槽形形状。这一点特别是可以通过深拉过程进行制造。

在此情况下，在分离工艺或冲压工艺之后，特别是实施成型过程，以便形成槽形形状。

总体而言，通过这个槽形形状一方面使得加热元件可以以流动优化的方式布置在排气系统中。此外，通过这个槽形形状和与此相关的偏移，可以提供与在采用仅基本上二维构建的盘体的情况下相比更多的加热面。因此，待溢流的表面基于这个槽形形状而有所扩大。

因此，这些轮辐连接在一起以形成基本上不规则的支撑网格，进而能够在加热导体的整个横截面面积上建立连接点。同时，流阻极低，因为相对于废气后处理组件的壳体的整个横截面，这些轮辐覆盖的横截面面积小于20％，特别是小于15％，尤其优选小于10％。在这个支架中设有较大的切口区域，因此，废气可以流过支架和加热元件，增加的流阻几乎可以忽略不计。因此，轮辐之间的中间区域以可通流的方式构建或剪切。

所述支架例如可以由金属材料、特别是耐废气的不锈钢材料通过激光切割等工艺制造为冲压构件或切出的构件，在此特别是采用铁素体或奥氏体材料。

两个相邻的轮辐特别优选相对于弧形形状相对彼此沿相反方向延伸。基于不同的膨胀性能，此举可以进一步提高热阻。

为了使得加热元件与支架耦合，设有间隔件。这些间隔件特别是指的是陶瓷套筒。陶瓷套筒的优点在于，其以耐热且不导电的方式构建。然后特别优选将销件以穿过这些陶瓷套筒的方式与支架和加热元件耦合。因此，这个加热元件形状配合且位置固定地以与支架轴向间隔一定距离的方式布置并且同时电绝缘。因此，在对这个加热元件进行供电时，不会与废气后处理组件的壳体发生短路。

在另一优选的技术变体中，也可以被称为固定销的销件布置在预应力下。实现这个预应力的具体方式特别是在于对这些销件进行点焊。借此在环境温度下实现以下情形：在焊接过程中会发生高度的热作用并且这些销件以形状配合的方式焊接。如果销件冷却下来，这个销件就会收缩，从而耦合地通过陶瓷间隔套筒预紧支架和加热元件。这样就可靠地避免配合松脱、格格作响或者产生热应力或发生膨胀。

特别优选可以通过以下方式改进上述效果：将两个固定销从相对侧插入，即以彼此相对的方式插入。然后在发生接触的尖端处将这些销件彼此耦合，特别是焊接在一起。多余的材料熔化，两个形成的销件的轴向长度相当于焊接过程结束时加热元件、间隔套筒与支架之间的间距。在焊接过程之后，材料收缩，使得彼此耦合的两个销件沿其轴向而收缩，从而通过形式为陶瓷套管的间隔件将加热元件耦合到支架上，其中这些销件处于预应力或拉应力下。因此，在运行期间的后期加热过程中，即在废气流动时，这些销件基于预应力的膨胀不会引起格格作响或松动的保持。这样就提高了支架的使用寿命。

这些轮辐自身优选以一体成型且材料统一的方式构建在支架中。

在另一优选的技术变体中，所述支架自身也可以采用多层的构建方案。在此情况下，优选设有三个板层。两个外部板层构建为相应的夹板或保持板。中间的板层构建为隔板。这样就能借助轴环将相应的陶瓷套筒插入这个隔板的开口中。然后，沿轴向位于上游的夹板将间隔套筒的轴环固定在支架自身中。可以将各个层彼此耦合，特别是以材料接合的方式，例如通过钎焊过程或熔焊过程。也可以首先制造这个板材复合体，然后再实施成型工艺以制造槽形形状。

在另一优选的技术变体中，所述加热元件相对于废气流动方向夹层式地布置在两个支架之间。这表明，一个支架沿废气流动方向位于所述加热元件的上游，另一支架沿废气流动方向位于所述加热元件的下游。因此，即使在流过废气后处理组件的废气的高流速下，加热元件也相对于轴向最佳地得到保持。

附图说明

本发明的其他优点、特征和特性是以下描述的主题。有利的技术变体在示意图中示出。这些图示用于简单理解本发明。

图1为根据本发明的废气处理装置的分解图，

图2为根据本发明的具有位于其后方的加热元件的支架的俯视图或端视图，

图3a和3b为根据图2的相应剖视图，

图4为图3b的详图，以及

图5为加热元件的替代性技术变体，这个加热元件沿废气流动方向布置在两个支架之间。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置1。为此，催化转化器2与沿废气流动方向A位于上游的加热元件3布置在壳体4中。在壳体4上可以设有电接头5，从而可以为布置在壳体4中的加热元件3供电。加热元件3沿废气流动方向A以槽形的方式构建。这个槽形形状也可以被称为截锥或棱锥形或漏斗形。沿废气流动方向A的构建方案也可参照碗的几何原理。

图2示出壳体4中的加热元件3的端视图。根据本发明的支架6沿废气流动方向A位于加热元件3的上游。加热元件3构建为螺旋式卷绕的加热导体。

支架6自身由网格状结构构成。支架6的外部环周式框架或外部环周式轮廓7或环件与壳体4的内侧面8耦合。这可以例如通过钎焊或熔焊来实现。在此情况下，各个轮辐9从外部环周式轮廓7沿径向R向内延伸，这些轮辐形成网格状结构。轮辐9自身均以弯曲或弧形的方式延伸。在这个技术变体中，轮辐9相对彼此不规则地分布。两个相邻或邻接的轮辐9优选分别沿相反方向延伸。

因此，支架6的横截面面积基本上覆盖了壳体4的内侧面8的横截面面积。然而，在轮辐9之间，即在支架6的网格状结构之间设有凹槽，从而提供优选80％以上、特别是85％以上、特别优选90％以上、最优选95％以上的横截面面积以供废气流过。因此，支架6对流经废气处理装置1的废气的流阻的影响可以忽略不计。

图3a所示，加热元件3具有距壳体4的内侧面8的相应间距10。因此，加热元件3的热膨胀不会致使加热元件3沿径向R与壳体4发生接触，因而不会引发短路。

图3b示出沿废气流动方向A的纵向剖面。在此可以看到加热元件3的各个绕组。因此，加热元件3在沿废气流动方向A的纵向剖面中基本上呈槽形。这同样适用于支架6。这个支架沿废气流动方向在纵向剖面中也以槽形的方式构建。如在此所述，这个走向可以呈阶梯装置或层状，以便特别是容置加热元件3的加热导体的各个绕组。

这个槽形形状的最深点20背离废气流动方向A而定向。就本发明而言，这表明，沿废气流动方向A最后入流至这个槽形形状的最深点20。

然后，固定点11布置在各个轮辐9上。这些固定点11具有间隔件12，其特别是为陶瓷套筒。在此情况下，加热元件3通过间隔件12与支架6自身耦合。在一个轮辐9上优选构建有三个固定点11。因此，可以在轮辐9的整个走向中，在对热膨胀进行检查的情况下，实现给定保持功能的最佳补偿比和对热膨胀的补偿。

在此情况下可以看出，嵌板13布置在壳体4自身中，这个嵌板沿径向R与壳体4的实际内侧面8间隔一定距离。因此，在此情况下，支架6耦合在嵌板13的内侧面8上。设有用于隔热的气隙19。嵌板13优选构建为套筒。如图3b和图4所示，支架6自身以三层的方式构建。这个支架具有两个沿轴线位于外侧的保持板14以及一个位于中间的隔板15。借此实现以下根据本发明的效果。形式为陶瓷套筒的间隔件12具有位于顶部的轴环16。轴环16被布置在隔板15的相应开口中，然后通过沿废气流动方向A位于上游和下游的保持板以形状配合的方式对这个轴环进行固定。这样一来，相应的间隔件12或相应的陶瓷套筒便以形状配合的方式固定在支架6上。各个层可以以材料接合的方式相互耦合。在根据图4的放大视图中特别是再次清楚地示出上述情形。在此情况下，借助固定销17或螺栓以形状配合的方式将加热元件3安放到间隔件12的轴向末端上并且通过固定销17以形状配合的方式对这个加热元件进行固定。在此，从两侧插入固定销17，这些固定销在中心耦合点18处例如通过电阻点焊而彼此耦合。位于支架6的侧面上的固定销16仅在电绝缘的间隔件12上具有设备触点。因此，在加热元件3与间隔件12之间不存在导电连接。

根据图3b，废气流动方向A是相反的。因此，这个槽形形状的最深点20以沿废气流动方向A或朝向废气流动方向A而定向的方式布置。这表明，废气首先沿废气流动方向A入流至最深点20。这个槽形形状的开口21背离废气流动方向A而定向。

在图3a中，这个槽形形状的开口21以沿废气流动方向A而定向的方式布置。

因此，根据图3b，漏斗22或漏斗形元件或扩散器可以相对于加热元件3的布局最佳地布置在安装空间中，因为这个槽形形状在几何上与这个漏斗形状相适配，进而最佳地利用安装空间。

在图3a中，加热元件3沿废气流动方向A位于支架6的下游。在图3b中，加热元件3沿废气流动方向A位于支架6的上游。然而，根据图3b，加热元件3也可以位于支架6的下游。

图5为另一技术变体的剖视图。在此，支架6沿废气流动方向1位于加热元件3的上游并且另一支架6位于这个加热元件的下游。加热元件3自身由呈波纹状的板层构成。在俯视或者从废气流的角度来看时，此举会产生蜂窝状结构。还通过位于上游和下游的支架6沿径向R为这个蜂窝状结构配备强度。然后，间隔件12又布置在支架6之间。在此情况下，加热元件3以分别间隔轴向间距10的方式布置在间隔件12自身上。固定销17穿过间隔件12并且以形状配合的方式与相对的支架6耦合。在此情况下，例如可以将固定销17与支架6点焊或钎焊在一起。间隔件12各具有一个轴环16，使得加热元件3以形状配合的方式固定在轴环16之间并且借此特别是以与支架6电绝缘的方式布置在废气处理装置中。

附图标记表

1-废气处理装置

2-催化转化器

3-加热元件

4-壳体

5-电接头

6-支架

7-框架/轮廓

8-4的内侧面

9-轮辐

10-间距

11-固定点

12-间隔件

13-嵌板

14-保持板

15-隔板

16-轴环

17-固定销

18-耦合点

19-气隙

20-最深点

21-开口

22-漏斗

R-径向

A-废气流动方向。

Claims (11)

1.一种用于布置在机动车辆的排气系统中的废气处理装置(1)，其具有加热元件(3)，所述加热元件对应于废气后处理组件，特别是催化转化器(2)，其中所述加热元件(3)由加热导体和与所述加热导体耦合的支架(6)构成，其特征在于，其中所述支架(6)在所述加热元件(3)的横截面面积内延伸并且所述支架(6)由网格状结构构成，所述网格状结构由彼此不规则耦合的弧形轮辐(9)构成，其中所述加热元件(3)和所述支架(6)在沿废气流动方向(A)的纵向剖面中具有槽形构造。

2.根据权利要求1所述的废气处理装置(1)，其特征在于，所述支架(6)由金属材料构成。

3.根据权利要求1或2所述的废气处理装置，其特征在于，所述加热元件(3)为卷绕的加热导体。

4.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置，其特征在于，两个相邻的所述弧形轮辐(9)具有沿相反方向的弧形形状。

5.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，在每个所述弧形轮辐(9)上设有至少一个用于与所述加热元件(3)耦合的固定点(11)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，所述加热元件(3)具有蜂窝状结构并且特别是构建为电动加热元件(3)或者所述加热元件(3)为加热导体，所述加热导体特别是为卷绕的多孔板或金属丝网。

7.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，在所述加热元件(3)与所述支架(6)之间布置有电绝缘且耐热的耦合构件。

8.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，两个所述支架夹层式地将所述加热元件容置在其间。

9.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，构建有作为耦合构件的间隔套管以及穿过所述间隔套管的销件，其中所述间隔套管以电绝缘的方式构建。

10.根据权利要求9所述的废气处理装置(1)，其特征在于，在一个所述耦合构件中布置有两个彼此指向相反方向的固定销(17)，所述固定销的尖端处彼此耦合。

11.根据上述权利要求中任一项所述的废气处理装置(1)，其特征在于，所述支架(6)在所述废气后处理组件的壳体中与至少部分环周的外部轮廓(7)耦合，其中所述轮辐(9)随后以一体成型且材料统一的方式从所述轮廓(7)径向向内定向地连接并相互耦合。

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