DE102021210761A1

DE102021210761A1 - Heizleiter zur Aufheizung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102021210761A1
Application number: DE102021210761.3A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brück; Peter Hirth; Holger Stock
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2023-03-30
Also published as: WO2023046631A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizleiter (1) für den Einsatz in einer Abgasstrecke einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heizleiter (1) einteilig oder aus einer Mehrzahl von Heizleiterelementen (2, 5, 8) gebildet ist, welche über Verbindungsmittel elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Heizleiterelemente (2, 5, 8) weiterhin gegenüber einer in axialer Richtung vorgelagerten oder nachgelagerten Struktur oder gegenüber einer in radialer Richtung außen befindlichen Struktur abgestützt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Heizleiter für den Einsatz in einer Abgasstrecke einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heizleiter einteilig oder aus einer Mehrzahl von Heizleiterelementen gebildet ist, welche über Verbindungsmittel elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Heizleiterelemente weiterhin gegenüber einer in axialer Richtung vorgelagerten oder nachgelagerten Struktur oder gegenüber einer in radialer Richtung außen befindlichen Struktur abgestützt sind.
Stand der Technik
Zur schnelleren Aufheizung von Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung, insbesondere in Abgassträngen von Verbrennungskraftmaschinen, werden Heizelemente eingesetzt. Diese erwärmen sowohl das strömende Abgas als auch die benachbart angeordneten Strukturen, wie beispielsweise die Wabenkörper, welche die Katalysatoren bilden, oder Verdampfungselemente. Bevorzugt findet eine Aufheizung unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes statt, wodurch ein elektrischer Strom in einer leitfähigen Struktur in Wärme umgewandelt wird. Heizelemente dieser Art sind im Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt.
Im Stand der Technik sind beispielsweise Strukturen bekannt, welche als Heizleiter fungieren, die aus Metallpulver und einer Keramik extrudiert und anschließend gesintert werden. Diese Heizleiter werden im Abgasstrom angeordnet und mit einer Spannungsquelle verbunden.
Durch das Extrudieren und das anschließende Sintern besteht ein hoher Freiheitsgrad hinsichtlich der Gestaltung der Heizleiter. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Heizleiter dieser Art insbesondere hinsichtlich der auftretenden mechanischen Belastungen, insbesondere der Schwingungen, nicht ausreichend dauerstabil sind. Außerdem ist die erreichte Heizleistung nicht ausreichend, um die Vorgaben zur schnellen Aufheizung des Abgases zur Einhaltung der geltenden gesetzlichen Grenzwerte zu erreichen.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Heizleiter zu schaffen, welcher hinsichtlich seiner Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe hinsichtlich des Heizleiters wird durch einen Heizleiter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Heizleiter für den Einsatz in einer Abgasstrecke einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heizleiter einteilig oder aus einer Mehrzahl von Heizleiterelementen gebildet ist, welche über Verbindungsmittel elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Heizleiterelemente weiterhin gegenüber einer in axialer Richtung vorgelagerten oder nachgelagerten Struktur oder gegenüber einer in radialer Richtung außen befindlichen Struktur abgestützt sind.
Das Erzeugen des Heizleiters aus einer Mehrzahl individuell angepasster Heizleiterelementen ist vorteilhaft, um einen Heizleiter zu erhalten, der den zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt möglichst optimal ausnutzt. Darüber hinaus ermöglicht es den Aufbau eines Heizleiters, der hinsichtlich thermisch induzierter Ausdehnungen unempfindlicher ist und eine geringere Verformung erfährt. Das Entstehen von Hotspots, also sogenannten Heißstellen, wird vermieden und insgesamt die Dauerhaltbarkeit verbessert.
Die Heizleiterelemente beziehungsweise der Heizleiter ist gegenüber einem in Strömungsrichtung des Abgases vorgelagerten oder nachgelagerten Element, wie beispielsweise einem Wabenkörper eines Katalysators mit entsprechenden Elementen, beispielsweise Stützstiften, abgestützt. Auch kann der Heizleiter gegenüber dem den Heizleiter umgebenden Gehäuse abgestützt sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizleiterelemente durch Sintern, Gießen oder 3D-Druck hergestellt sind. Die vorzugsweise gewählten Herstellmethoden erlauben das Herstellen des Heizleiters beziehungsweise der den Heizleiter bildenden Heizleiterelemente mit einem besonders hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der geometrischen Gestaltung. Es können insbesondere auf einfach Weise Heizleiterelemente hergestellt werden, die besonders gut an die entsprechende Einbausituation und den jeweiligen Strömungsquerschnitt angepasst sind.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Heizleiterelemente aus einem Materialmix mit keramischen Anteilen hergestellt sind. Keramischen Materialien mit einer Beimischung von Metallpartikeln sind vorteilhaft, da diese auf einfache Weise geformt werden können und durch den Beimischungsanteil der Metallpartikel spezifisch hinsichtlich ihrer elektrisch leitfähigen Eigenschaft angepasst werden können.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Heizleiterelemente durch metallbearbeitende Verfahren aus Metallblechen hergestellt sind. Beispielsweise können die Heizleiterelemente durch Ausstanzen aus Metallblechen gewonnen werden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Heizleiter eine mäanderförmige Struktur aufweist und eine vordefinierte Fläche innerhalb eines Strömungsquerschnitts einnimmt. Durch eine mäanderförmige Struktur des Heizleiters kann eine sehr gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts erreicht werden, wodurch eine optimale Heizleistung erreicht werden kann.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Heizleiter einen zentralen Innenpol aufweist, von welchem speichenförmige Heizleiterelemente in gerader oder gebogener Form hin zum radial außen liegenden Gehäuse verlaufen.
Der Innenpol kann beispielsweise von einem kreisrunden Heizleiterelement gebildet sein, von welchem entsprechende Speichen abragen. Je nach Anwendungsfall kann so eine hinsichtlich des entstehenden Druckverlustes und der gewünschten Heizeigenschaften optimale Form des Heizleiters genutzt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Heizleiterelemente federnd aufgehängt sind und eine Relativbewegung in axialer und/oder in radialer Richtung ermöglicht ist. Neben einer flexiblen Aufhängung der Heizleiterelemente können die Heizleiterelemente auch selbst derart gestaltet sein, dass sie eine gewisse Flexibilität in die radiale und/oder axiale Richtung aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Erschütterungen aufzunehmen, die im Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehen und auf die Abgasstrecke einwirken können.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Heizleiterelemente mittels Stützstrukturen miteinander oder mit benachbarten Strukturen verbunden sind, wobei die Stützstrukturen elektrisch isolierend sind. Stützstrukturen können beispielsweise Riegel sein, die von einem zum andren Heizleiterelement führen. Die Stützstrukturen können dabei elektrisch isolierend sein, oder elektrisch leitfähig. Durch eine isolierende Stützstruktur kann man einen definierten Strompfad erzeugen, indem man den Stromfluss von einem Heizleiterelement auf das nächste begrenzt. Ebenso kann man durch eine elektrisch leitfähige Stützstruktur gezielt den Strompfad von einem Heizleiterelement zum nächsten Heizleiterelement führen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Heizleiterelemente und/oder die Stützstrukturen Öffnungen aufweisen, welche der Verbindung miteinander oder mit benachbarten Strukturen dienen. Die Öffnungen sind bevorzugt bereits im Herstellungsprozess der Heizleiterelemente in diese eingebracht, so dass dann eine einfache Verbindung hergestellt werden kann.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Heizleiterelemente und/oder die Stützstrukturen mittels formschlüssiger und/oder kraftschlüssigen Verbindungen miteinander oder mit benachbarten Strukturen verbunden sind. Insbesondere sind Rastverbindungen oder das Einhaken zu bevorzuge, da diese auch einfachste Weise hergestellt werden können und eine dauerhaltbare Verbindung erzeugen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Aufsicht auf einen Heizleiter, wobei die Heizelemente speichenförmig vom Rand des Gehäuses in den Strömungsquerschnitt ragen,
2 eine Aufsicht auf einen Heizleiter, wobei ein zentral liegender Innenpol gezeigt ist, von welchem mehrere Heizleiterelemente speichenförmig hin zu radial außen liegenden Gehäuse abragen, und
3 eine Aufsicht auf mehrere Heizleiterelemente, welche in einem Strömungsquerschnitt angeordnet sind und mittels Stützelementen miteinander, mit axial vorgelagerten oder nachgelagerten Strukturen oder mit dem Gehäuse verbunden sind.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt einen Heizleiter 1, welcher aus einer Mehrzahl von Heizleiterelementen 2 gebildet ist. Die Heizleiterelemente 2 sind bogenförmig ausgebildet und ragen von dem den Strömungsquerschnitt 3 radial begrenzenden Gehäuse 4 ab in den Strömungsquerschnitt hinein. Die Heizleiterelemente können über hier nicht gezeigte Stützmittel miteinander elektrisch leitend verbunden sein, so dass diese einen gemeinsamen Heizleiter bilden. Ebenso können die Heizleiterelemente 2 gegenüber in Strömungsrichtung vorgelagerten und/oder nachgelagerten Strukturen, wie insbesondere Wabenkörpern abgestützt sein.
2 zeigt eine Anordnung mehrere Heizleiterelemente 5, die von einem zentral angeordneten Innenpol 6 bogenförmig als Speichen zum Gehäuse 7 verlaufen. Die Heizleiterelemente 5 können mit dem Gehäuse 7 und dem Innenpol elektrisch leitend verbunden sein. Das Ausführungsbeispiel der 2 sieht 4 Heizleiterelemente 5 vor. In alternativen Ausgestaltungen können auch mehr Heizleiterelemente vorgesehen sein, so dass der Strömungsquerschnitt dichter ausgefüllt wird und die Heizleistung insgesamt verbessert wird.
Die 3 zeigt mehrere Heizleiterelemente 8 welche stabförmig ausgebildet sind. In 3 sind beispielshaft vier Heizleiterelemente gezeigt. Eine abweichende Anzahl ist jedoch ebenso möglich.
Die Heizleiterelemente 8 sind mit Stützstrukturen 9 gegenüber dem Gehäuse 10 oder vorgelagerten beziehungsweise nachgelagerten Stützstrukturen abgestützt. Die Stützstrukturen 9 können auch zur Verbindung der Heizleiterelemente miteinander genutzt werden.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste

1: Heizleiter
2: Heizleiterelement
3: Strömungsquerschnitt
4: Gehäuse
5: Heizleiterelement
6: Innenpol
7: Gehäuse
8: Heizleiterelement
9: Stützstruktur
10: Gehäuse

Claims

Heizleiter (1) für den Einsatz in einer Abgasstrecke einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heizleiter (1) einteilig oder aus einer Mehrzahl von Heizleiterelementen (2, 5, 8) gebildet ist, welche über Verbindungsmittel elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Heizleiterelemente (2, 5, 8) weiterhin gegenüber einer in axialer Richtung vorgelagerten oder nachgelagerten Struktur oder gegenüber einer in radialer Richtung außen befindlichen Struktur abgestützt sind.
Heizleiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente (2, 5, 8) durch Sintern, Gießen oder 3D-Druck hergestellt sind.
Heizleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente (2, 5, 8) aus einem Materialmix mit keramischen Anteilen hergestellt sind.
Heizleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente (2, 5, 8) durch metallbearbeitende Verfahren aus Metallblechen hergestellt sind.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter eine mäanderförmige Struktur aufweist und eine vordefinierte Fläche innerhalb eines Strömungsquerschnitts einnimmt.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter einen zentralen Innenpol (6) aufweist, von welchem speichenförmige Heizleiterelemente (5) in gerader oder gebogener Form hin zum radial außen liegenden Gehäuse (7) verlaufen.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente federnd aufgehängt sind und eine Relativbewegung in axialer und/oder in radialer Richtung ermöglicht ist.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente (8) mittels Stützstrukturen (9) miteinander oder mit benachbarten Strukturen (10) verbunden sind, wobei die Stützstrukturen (9) elektrisch isolierend sind.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente und/oder die Stützstrukturen Öffnungen aufweisen, welche der Verbindung miteinander oder mit benachbarten Strukturen (10) dienen.
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterelemente und/oder die Stützstrukturen mittels formschlüssiger und/oder kraftschlüssigen Verbindungen miteinander oder mit benachbarten Strukturen (10) verbunden sind.