DE102007051654A1

DE102007051654A1 - Heizelement für einen Verdampfer

Info

Publication number: DE102007051654A1
Application number: DE102007051654A
Authority: DE
Inventors: Christoph Noller; Jürgen Klement
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement (26) für einen Verdampfer, insbesondere für eine Abgasanlage, mit einem Heizabschnitt (24) und einem Gehäuse (30), an dem der Heizabschnitt (24) angebracht ist, wobei mindestens eine Dichtung (34, 36) vorgesehen ist, die zwischen dem Gehäuse (30) und dem Heizabschnitt (24) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hitzeschutz (40, 42) vorgesehen ist, der die Dichtung (34, 36) vor übermäßiger Wärmeeinwirkung schützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement für einen Verdampfer insbesondere für eine Abgasanlage, mit einem Heizabschnitt und einem Gehäuse, an dem der Heizabschnitt angebracht ist, wobei mindestens eine Dichtung vorgesehen ist, die zwischen dem Gehäuse und dem Heizabschnitt abdichtet.
Der Verdampfer kann dazu verwendet werden, ein Reaktionsmittel in eine Abgasleitung einzubringen, beispielsweise Harnstoff oder Kraftstoff. Auf diese Weise kann im Abgas eine chemische Reaktion hervorgerufen werden, die zur Regeneration von Bauteilen genutzt werden kann, die in der Abgasanlage zur Verringerung der Emissionen angeordnet sind. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist ein Dieseloxidationskatalysator (DOC), ein Partikelfilter oder ein SCR-Katalysator.
Als Heizelement wird in einem solchen Verdampfer üblicherweise eine Glühkerze verwendet, die elektrische Energie in Wärme umsetzt. Diese weist ein Glührohr auf, in welchem ein elektrischer Widerstand angeordnet ist. Zwischen dem Glührohr und dem Gehäuse des Heizelements ist ein Dichtung angeordnet. Eine weitere Dichtung ist im Glührohr angeordnet, um das Innere des Glührohres abzudichten.
Bei allen Heizelementen stellt sich das Problem, daß die Dichtungen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Zum einen werden die hohen Temperaturen im Heizelement selbst erzeugt, und zum anderen werden die Temperaturen vom verdampften Reaktionsmittel oder benachbarten Bauteilen der Abgasanlage übertragen. Die hohen Temperaturen begrenzen die Lebensdauer der Heizelemente.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Heizelement der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Lebensdauer optimiert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Heizelement der eingangs genannten Art ein Hitzeschutz vorgesehen ist, der die Dichtung vor übermäßiger Wärmeeinwirkung schützt. Dies erhöht die Lebensdauer des Heizelements.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz darin besteht, die Dichtung am vom Heizelement abgewandten Ende des Gehäuses anzuordnen. Dies verlängert den Wärmeübertragungsweg im Gehäuse von dem Ende, an dem die Wärme ins Gehäuse eingeleitet wird, bis zu der Stelle, an der die Dichtung angeordnet ist. Dadurch wird die Temperatur verringert, die im Bereich der Dichtung auftreten kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist im Bereich des Übergangs vom Heizelement zum Gehäuse ein Gewinde oder ein Einspreßabschnitt vorgesehen, mittels dem das Heizelement an einem Verdampferkammergehäuse befestigt werden kann, wobei die Dichtung, vom Heizelement aus gesehen, hinter dem Gewinde oder dem Einpreßabschnitt angeordnet ist. Diese Gestaltung beruht auf der Erkenntnis, daß ein wesentlicher Teil der Temperaturbelastung auf die Übertragung von Wärme vom Verdampferkammergehäuse auf das Gehäuse des Heizelements zurückzuführen ist. Indem die Dichtung nun außerhalb des Bereichs angeordnet wird, in dem diese Wärmeübertragung erfolgt, verringern sich die auf die Dichtung maximal einwirkenden Temperaturen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz durch Kühlflächen, insbesondere Kühlrippen, gebildet ist, die am Gehäuse angeordnet sind. Mittels der Kühlflächen kann ein wesentlicher Teil der in das Gehäuse eingeleiteten Wärme an die Umgebung abgegeben werden, bevor sie die Dichtung erreicht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz durch ein Hitzeschild gebildet ist, der zwischen dem Heizabschnitt und dem Gehäuse angeordnet ist. Dies verhindert, daß heiße Bauteile in der Umgebung des Heizelements zusätzliche Wärme auf das Heizelement abstrahlen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eine Verdampferkammer vorgesehen, in die das Heizelement eingesetzt ist, wobei der Hitzeschutz durch eine luftspaltisolierte Außenwand der Verdampferkammer gebildet ist. Diese Ausführungsform basiert auf dem Grundgedanken, die Menge der im Heizelement erzeugten Wärme zu verringern, um dadurch die sich aus der Wärmebelastung ergebenden Probleme zu beseitigen. Indem die Verdampferkammer isoliert wird, verringert sich die Wärmemenge, die zum Verdampfen des Reaktionsmittels notwendig ist und im Heizelement erzeugt werden muß. Eine geringere Wärmemenge führt zu einer geringeren Erwärmung des Heizelements, insbesondere des Glührohres, und somit zu einer geringeren Wärmemenge, denen die Dichtungen ausgesetzt sind. Dadurch ergeben sich insgesamt geringere Temperaturen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Verdampferkammer vorgesehen, in die das Heizelement eingesetzt ist, wobei der Hitzeschutz durch eine Isolierung zwischen der Wand der Verdampferkammer und dem Heizelement gebildet ist, insbesondere durch eine Hohlmutter und/oder einen Isolierring. Diese Ausgestaltung verringert durch die Isolierung zwischen dem Verdampferkammergehäuse und dem Gehäuse des Heizelements die Wärmemenge, die vom Verdampferkammergehäuse zum Heizelementgehäuse übertragen werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz durch einen vergrößerten Durchmesser des Gehäuses gebildet ist. Auf diese Weise wird eine größere Oberfläche geschaffen, mittels der das Gehäuse die eingeleitete Wärme an die Umgebung abgeben kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Heizelement ein Glührohr aufweist, das am Gehäuse befestigt ist, wobei der Hitzeschutz durch einen verlängerten Wärmeübertragungsweg des Glührohres gebildet ist. Auf diese Weise wird die Wärmemenge verringert, die durch Wärmeleitung vom Glührohr in das Gehäuse übertragen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz durch Öffnungen im Gehäuse gebildet ist. Dies ermöglicht, einen Teil der Wärme aus dem Gehäuse abzuführen, indem beispielsweise Luft in das Gehäuse eintreten und in erwärmtem Zustand wieder austreten kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hitzeschutz durch ein verlängertes Gehäuse gebildet ist, wobei die Länge des Gehäuses größer ist als die Länge des Heizabschnittes. Dies ermöglicht, die Dichtung in großem Abstand von den heißen Teilen des Heizelements anzuordnen. Dabei ist das Gehäuse vorzugsweise etwa zwei bis drei Mal so lang wie der Heizabschnitt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
1 schematisch eine Abgasanlage, in der ein Verdampfer mit Heizelement eingesetzt wird;
2 in einem schematischen Schnitt ein Heizelement gemäß dem Stand der Technik, dessen Heizabschnitt sich in eine Verdampferkammer erstreckt;
3 in einer Ansicht entsprechend 2 ein Heizelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 in einer Ansicht entsprechend 2 ein Heizelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 in einer Ansicht entsprechend 2 ein Heizelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
6 in einer Ansicht entsprechend 2 ein Heizelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
7 in einem schematischen, abgebrochenen Schnitt ein Heizelement mit Verdampferkammer gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
8a in einer Ansicht entsprechend 2 ein Heizelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
8b eine Variante zur in 8a gezeigten Ausführungsform.
In 1 ist eine Abgasanlage 10 gezeigt, durch die das Abgas eines Verbrennungskraftmotors 12 eines Kraftfahrzeugs entlang der Strömungsrichtung A strömen kann. Die Abgasanlage 10 weist ein Abgasrohr 14 auf, welches zu einem Bauteil 16 eines Abgasreinigungssystems führt. Beim Bauteil 16 kann es sich um einen SCR-Katalysator, um einen NO_x-Speicherkatalysator und/oder einen Partikelfilter (gegebenenfalls mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator) handeln. Stromaufwärts des Bauteils 16 ist schematisch ein Verdampfer 18 angeordnet, mit dem ein Reaktionsmittel, beispielsweise Harnstoff oder auch Kraftstoff, in das durch das Abgasrohr 14 strömende Abgas eingebracht werden kann.
Der Verdampfer 18 (siehe insbesondere 2) weist eine Verdampferkammer 20 auf, die im Inneren eines Verdampferkammergehäuses 22 gebildet ist. Im Verdampferkammergehäuse 22 sind eine (nicht gezeigte) Eingangs- und eine Ausgangsöffnung für das zu verdampfende Reaktionsmittel vorgesehen.
In die Verdampferkammer 20 ragt ein Heizabschnitt 24 eines Heizelements 26 hinein. Der Heizabschnitt weist insbesondere ein Glührohr 28 auf, in dessen Innenraum elektrische Energie mittels einer Glühwendel 29 in Wärme umgesetzt wird, die von Magnesiumoxid umgeben ist. Das Glührohr 28 ist in einem Gehäuse 30 aufgenommen, das mit einem Außengewinde 32 versehen ist. Auf das Außengewinde 32 ist das Verdampferkammergehäuse 22 aufgeschraubt. Alternativ kann vorgesehen sein, das Heizelement 26 in das Verdampferkammergehäuse 22 einzupressen.
Zur Abdichtung des Innenraums des Glührohrs 28 ist eine Dichtung 34 vorgesehen, die zwischen einen Kern 38 des Heizelements 26 und dem Glührohr 28 angeordnet ist, und zwar in einem Bereich des Gehäuses, in welchem dieses radial nach innen gepreßt ist (siehe Pfeil P). Dieser Bereich liegt unterhalb des Abschnittes, in welchem das Verdampferkammergehäuse 22 mit dem Heizelement 26 verbunden ist. Weiterhin ist eine Dichtung 36 vorgesehen, die zwischen dem Kern 38 und dem Gehäuse 30 abdichtet.
Es ist in 2 zu sehen, daß die beiden Dichtungen 34, 36 relativ nah an den heißen Teilen des Heizelements 26 angeordnet sind. Insbesondere die Dichtung 34 ist nahezu ungeschützt den Temperaturen ausgesetzt, die unmittelbar von der Glühwendel 29, durch Wärmeleitung vom Glührohr 28 und durch Wärmeleitung vom Verdampferkammergehäuse 22 ins Gehäuse 30 auftreten.
In 3 ist ein Heizelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Für die vom Heizelement von 2 bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Der Unterschied zum in 2 gezeigten Heizelement gemäß dem Stand der Technik besteht darin, daß als Hitzeschutz das Gehäuse 30 stark verlängert ausgeführt ist. Auf diese Weise ist die zweite Dichtung 36 in großem Abstand vom Heizabschnitt 24 angeordnet, so daß die im Bereich der Dichtung 36 auftretenden Temperaturen wesentlich geringer sind als im Stand der Technik.
In 4 ist ein Heizelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Unterschied zum in 3 gezeigten Heizelement besteht darin, daß als Hitzeschutz nun auch die erste Dichtung 34 in großem Abstand vom Heizabschnitt 24 angeordnet ist. Dies ist möglich, da auch das Glührohr 28 entlang dem Kern 38 weit nach hinten gezogen ist, so daß nun die Dichtung 34 im großen Abstand von der Glühwendel angeordnet ist sowie im großen Abstand von der Verbindung zwischen Verdampferkammergehäuse 22 und Gehäuse 30 des Heizelements. Insgesamt sind somit beide Dichtungen nur stark verringerten Temperaturen ausgesetzt.
In 5 ist ein Heizelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Unterschied zum in 4 gezeigten Heizelement besteht darin, daß das Gehäuse 30 als Hitzeschutz mit mehreren Kühlflächen 40 versehen ist, die an umlaufenden Kühlrippen 42 ausgeführt sind. Dies ermöglicht, einen großen Teil der vom Heizabschnitt 24 in das Gehäuse eingeleiteten Wärme an die Umgebung anzugeben, so daß die im Bereich der Dichtungen 34, 36 auftretenden Temperaturen stark verringert sind. Auch bei dieser Ausführungsform sind die beiden Dichtungen 34, 36 ähnlich wie bei den beiden vorhergehenden Ausführungsformen im großen Abstand von der Glühwendel angeordnet. Es ist zu erkennen, daß die Hitzeschutzmaßnahmen der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsformen.
In 6 ist ein Heizelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Unterschied zum in 4 gezeigten Heizelement besteht darin, daß das Gehäuse 30 als Hitzeschutz mit einem Hitzeschild 50 versehen ist, der sich ausgehend vom Verdampferkammergehäuse 22 vom Heizabschnitt 24 weg konisch erweitet. Der Hitzeschild 50 verhindert, daß andere Bauteile, die in der Nähe des Heizelements angeordnet sind, beispielsweise ein Abgasrohr oder eine Abgasleitung, durch Wärmestrahlung zur Erwärmung des Gehäuses 30 beitragen. Innerhalb des konischen Hitzeschildes kann das verlängerte Gehäuse 30 weiterhin Wärme an die Umgebung angeben.
Bei dieser Ausführungsform ist das Heizelement übrigens in das Verdampferkammergehäuse mittels eines Einpreßabschnittes 33 eingepreßt.
In 7 ist ein Heizelement gezeigt, bei dem der Hitzschutz durch eine besondere Ausgestaltung des Verdampferkammergehäuses 22 und ein spezielle Anbringung des Verdampferkammergehäuses am Gehäuse 30 des Heizelements bewerkstelligt ist. Das Verdampferkammergehäuse 22 ist doppelwandig ausgeführt, so daß ein Luftspalt 60 zwischen einer Innenwand 22a und einer Außenwand 22b gebildet ist. Abweichend von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist das Verdampferkammergehäuse 22 nicht auf das Gehäuse 30 des Heizelements 26 aufgeschraubt, sondern mittels einer Überwurfmutter 62 befestigt, die an einem flanschartig abgebogenen Rand von Innenwand 22a und Außenwand 22b angreift und das Verdampferkammergehäuse 22 über einen Isolierring 64 gegen das Gehäuse 30 spannt.
Um die Wärmeleitung vom Verdampferkammergehäuse 22 zum Gehäuse 30 des Heizelements weiter zu verringern, könnte die Überwurfmutter 62 mit einem im Querschnitt määnderförmigen Zwischenabschnitt zwischen ihren beiden axialen Enden versehen sein, um den Wärmeübertragungsweg zu erhöhen, oder im Bereich des Verdampferkammergehäuses 22 mit speziellen Isolationsgestaltungen versehen sein, beispielsweise hohlen Bereichen, die eine Luftspaltisolation bewirken.
In 8a ist ein Heizelement gemäß einer sechsten Ausführungsform gezeigt. Der Unterschied zum in 4 gezeigten Heizelement besteht darin, daß der Hitzeschutz durch eine spezielle Ausgestaltung von Gehäuse 30 und Glührohr 28 bewerkstelligt ist. Das Gehäuse 30 ist mit einem stark vergrößerten Durchmesser versehen, so daß eine Kammer 70 gebildet ist. Im Inneren der Kammer 70 ist das Glührohr angeordnet, welches hier mit einem verlängerten Wärmeübertragungsweg ausgeführt ist. Dieser verlängerte Wärmeübertragungsweg ist durch einen im Querschnitt mäanderförmigen Verlauf der Wandung 72 des Glührohres erhalten.
In 8b ist eine Ausführungsvariante zur in 8a gezeigten Ausführungsform dargestellt. Der Unterschied besteht darin, daß zwei Öffnungen 80, 82 im Gehäuse 30 ausgebildet sind, welche den Innenraum der Kammer 70 mit der Umgebung verbinden. Somit ist eine Belüftung realisiert, mittels der erwärmte Luft aus der Kammer 70 abgeführt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht sind. Die Wandung der Verdampferkammer wird üblicherweise sehr viel dünner ausgeführt werden als in den Zeichnungen gezeigt. Die Länge des Heizabschnittes 24 des Heizelements wird bei den Ausführungsformen gemäß den 3 bis 6 rund ein Drittel bis maximal der Hälfte der Länge des Gehäuses betragen, also der Länge des sich außerhalb der Verdampferkammer befindenden Teil des Heizelements.

Claims

Heizelement (26) für einen Verdampfer, insbesondere für eine Abgasanlage, mit einem Heizabschnitt (24) und einem Gehäuse (30), an dem der Heizabschnitt (24) angebracht ist, wobei mindestens eine Dichtung (34, 36) vorgesehen ist, die zwischen dem Gehäuse (30) und dem Heizabschnitt (24) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hitzeschutz vorgesehen ist, der die Dichtung (34, 36) vor übermäßiger Wärmeeinwirkung schützt.
Heizelement (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz darin besteht, die Dichtung (34, 36) am vom Heizelement (24) abgewandten Ende des Gehäuses (30) anzuordnen.
Heizelement (26) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Übergangs vom Heizelement (26) zum Gehäuse (30) ein Gewinde (32) oder ein Einpreßabschnitt (33) vorgesehen ist, mittels dem das Heizelement (26) an einem Verdampferkammergehäuse (22) befestigt werden kann, und daß die Dichtung (34, 36), vom Heizelement (26) aus gesehen, hinter dem Gewinde (32) oder dem Einpreßabschnitt (33) angeordnet ist.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz durch Kühlflächen (40), insbesondere Kühlrippen (42), gebildet ist, die am Gehäuse (30) angeordnet sind.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz durch ein Hitzeschild (50) gebildet ist, der zwischen dem Heizabschnitt (24) und dem Gehäuse (30) angeordnet ist.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdampferkammer (20) vorgesehen ist, in die das Heizelement (26) eingesetzt ist, und daß der Hitzeschutz durch eine luftspaltisolierte Außenwand (22a, 22b) der Verdampferkammer (20) gebildet ist.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdampferkammer (20) vorgesehen ist, in die das Heizelement (26) eingesetzt ist, und daß der Hitzeschutz durch eine Isolierung (62, 64) zwischen der Wand (22) der Verdampferkammer (20) und dem Gehäuse (30) des Heizelements (26) gebildet ist.
Heizelement (26) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung eine Hohlmutter (62) und/oder einen Isolierring (64) umfassen kann.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz durch einen vergrößerten Durchmesser des Gehäuses (30) des Heizelements (26) gebildet ist, insbesondere durch eine im Gehäuse gebildete Kammer (70).
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (26) ein Glührohr (28) aufweist, das am Gehäuse (30) befestigt ist, und daß der Hitzeschutz durch einen verlängerten Wärmeübertragungsweg (72) des Glührohres (28) gebildet ist.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz durch Öffnungen (80, 82) im Gehäuse (30) gebildet ist.
Heizelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschutz durch ein verlängertes Gehäuse (30) gebildet ist, wobei die Länge des Gehäuses (30) größer ist als die Länge des Heizabschnittes (24).
Heizelement (26) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) etwa zwei bis drei Mal so lang ist wie der Heizabschnitt (24).