DE102022129142A1 - Electrically heated unit - Google Patents
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Abstract
Eine elektrisch beheizbare Einheit zum Einsatz in einem Gasstrom, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, umfasst einen von dem Gasstrom durchströmbaren und elektrisch leitfähigen Grundkörper, insbesondere ein Katalysatorsubstrat, mit einer stromeingangsseitigen Stirnfläche, mit einer stromausgangseitigen Stirnfläche und mit einer zwischen den Stirnflächen angeordneten Umfangsfläche. Ferner umfasst die elektrisch beheizbare Einheit eine Heizeinrichtung mit zumindest einer ersten Elektrode und mit zumindest einer zweiten Elektrode. Zumindest eine der Elektroden, insbesondere beide Elektroden, umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht, die an einer Außenfläche des Grundkörpers angeordnet oder auf diese aufgebracht ist und die mit dem Grundkörper elektrisch leitend verbunden ist, ein von der elektrisch leitfähigen Schicht beabstandet angeordnetes elektrisch leitfähiges Kontaktelement und eine elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur, die zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement angeordnet ist und sowohl die elektrisch leitfähige Schicht als auch das elektrisch leitfähige Kontaktelement kontaktiert.An electrically heatable unit for use in a gas flow, in particular for an exhaust gas aftertreatment device of an internal combustion engine, comprises an electrically conductive base body through which the gas flow can flow, in particular a catalyst substrate, with an end face on the current input side, with an end face on the current output side and with a peripheral surface arranged between the end faces. The electrically heatable unit also comprises a heating device with at least one first electrode and with at least one second electrode. At least one of the electrodes, in particular both electrodes, comprises an electrically conductive layer which is arranged on an outer surface of the base body or applied to it and which is electrically conductively connected to the base body, an electrically conductive contact element arranged at a distance from the electrically conductive layer and an electrically conductive, flexible connection structure which is arranged between the electrically conductive layer and the electrically conductive contact element and contacts both the electrically conductive layer and the electrically conductive contact element.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrisch beheizbare Einheit zum Einsatz in einem Gasstrom, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung - insbesondere zur katalytischen Abgasnachbehandlung - einer Brennkraftmaschine.The invention relates to an electrically heatable unit for use in a gas stream, in particular for an exhaust gas aftertreatment device - in particular for catalytic exhaust gas aftertreatment - of an internal combustion engine.
In modernen Kraftfahrzeugen spielt sowohl der Kraftstoffverbrauch, als auch der Ausstoß von Schadstoffen wie beispielsweise Stickoxide eine immer größere Rolle. Dies wird einerseits durch die Abgasvorschriften der regulierenden Behörden gefordert, andererseits nimmt auch das Umweltbewusstsein der Verbraucher immer weiter zu, sodass die Verbraucher bereits in die Kaufentscheidung ökologische Aspekte einfließen lassen.In modern motor vehicles, both fuel consumption and the emission of pollutants such as nitrogen oxides are playing an increasingly important role. On the one hand, this is required by the emissions regulations of the regulatory authorities, and on the other hand, consumers' environmental awareness is increasing, so that consumers are already taking ecological aspects into account when making purchasing decisions.
Zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen werden u.a. Katalysatoren eingesetzt. Konventionelle Katalysatoren umfassen in der Regel einen Grundkörper aus elektrisch nichtleitender Keramik (Wabenkörper mit Kanälen), wobei der Katalysatorgrundkörper mit einem Katalysatormaterial (beispielsweise Metalle der Platin Gruppe, sogenannte Platin Group Metals - PGM) beschichtet ist. Das Katalysatormaterial wird in einer sehr dünnen und porösen Schicht auf den Grundkörper aufgebracht (sogenanntes WashCoat).Catalysts are used, among other things, for exhaust gas treatment in vehicles. Conventional catalysts usually comprise a base body made of electrically non-conductive ceramic (honeycomb body with channels), whereby the catalyst base body is coated with a catalyst material (for example metals from the platinum group, so-called platinum group metals - PGM). The catalyst material is applied to the base body in a very thin and porous layer (so-called wash coat).
Katalysatoren können erst nach Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur - auch „Anspringtemperatur“ oder „light-off“ Temperatur genannt - Schadstoffemissionen effizient umsetzen, d.h. in weniger schädliche Gasemissionen umwandeln. Diese Mindesttemperatur liegt bei etwa 250°C bis 280°C kann aber bei gealterten Katalysatoren auch bis zu etwa 400°C bis 800°C betragen. Um diese Temperaturen zu erreichen, wird der Katalysator durch die ihn durchströmenden heißen Abgase aus einem Verbrennungsmotor erwärmt. Je nachdem wo der Katalysator in der Abgasanlage angeordnet ist, kann es einige Zeit in Anspruch nehmen, bis der Katalysator die benötigte Mindesttemperatur erreicht hat. Oftmals ist man bestrebt, den Katalysator möglichst motornah anzuordnen, um diesen möglichst effizient und vor allem schnell aufzuheizen. Eine weitere Möglichkeit, um die Mindesttemperatur schneller zu erreichen, besteht darin, den Katalysator zu beheizen. Hierzu kann eine dem Grundkörper des Katalysators vorgeschaltete Heizscheibe am Katalysatorgrundkörper vorgesehen sein, welche erhitzte Luft in den Grundkörper des Katalysators einträgt und damit den Katalysator vorheizt.Catalysts can only efficiently convert pollutant emissions, i.e. convert them into less harmful gas emissions, once they reach a certain minimum temperature - also known as the "light-off temperature". This minimum temperature is around 250°C to 280°C, but can be up to around 400°C to 800°C in aged catalysts. To reach these temperatures, the catalyst is heated by the hot exhaust gases from a combustion engine flowing through it. Depending on where the catalyst is located in the exhaust system, it can take some time for the catalyst to reach the required minimum temperature. Often, efforts are made to position the catalyst as close to the engine as possible in order to heat it up as efficiently and, above all, quickly as possible. Another way to reach the minimum temperature more quickly is to heat the catalyst. For this purpose, a heating disk can be provided on the catalyst base body upstream of the catalyst base body, which introduces heated air into the catalyst base body and thus preheats the catalyst.
Zur deutlichen Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der light-off Temperatur tragen direkt beheizbare Katalysatoren bei (electrically heated catalysts - EHC). Bei EHC wird über das Anlegen einer elektrischen Spannung direkt am Katalysatorgrundkörper eine Potentialdifferenz und damit letztlich durch eine Widerstandheizung eine Erwärmung des Katalysators bewirkt. Um dies zu ermöglichen, ist der elektrisch beheizbare Katalysatorgrundkörper aus einem leitfähigen Material gefertigt. Eine an dem leitfähigen Material angelegte Spannung führt durch die daraus resultierende Potentialdifferenz durch den elektrischen Widerstand des leitfähigen Materials zu einer Erwärmung des Katalysators. Eine vollständige Erwärmung, d.h. eine Erwärmung des gesamten Katalysatormaterials, insbesondere im Inneren des Katalysators, benötigt aber auch bei den bekannten direkt beheizbaren Katalysatoren eine gewisse Zeit, was wiederum dazu führt, dass der Katalysator erst nach dieser gewissen Zeit voll funktionsfähig ist, um die Schadstoffe größtenteils aus dem Abgas in unschädliche Stoffe umzuwandeln.Directly heated catalysts (electrically heated catalysts - EHC) help to significantly shorten the time until the light-off temperature is reached. With EHC, a potential difference is created by applying an electrical voltage directly to the catalyst base body, which ultimately causes the catalyst to heat up through resistance heating. To make this possible, the electrically heated catalyst base body is made of a conductive material. A voltage applied to the conductive material leads to heating of the catalyst through the resulting potential difference due to the electrical resistance of the conductive material. However, complete heating, i.e. heating of the entire catalyst material, especially inside the catalyst, takes a certain amount of time even with the known directly heated catalysts, which in turn means that the catalyst is only fully functional after this certain amount of time in order to convert most of the pollutants from the exhaust gas into harmless substances.
Eine der größten Herausforderungen bei elektrisch beheizbaren Einheiten mit elektrisch leitendem Substrat (ELS), beispielsweise Katalysatoren, ergibt sich bei der elektrischen Kontaktierung. Das ELS, beispielsweise ein semi-keramisches leitfähiges Trägermaterial, kann an geeigneten Punkten mit einer metallischen Kontaktierung versehen werden, beispielsweise durch eine direkte Verbindung zwischen Metall und ELS, um den elektrischen Strom von einer Stromquelle (Batterie bzw. Leistungselektronik/Endstufe) in das ELS einbringen zu können. Dabei sollte diese Kontaktierung auch so gewählt werden, dass eine für die Heizleistung effektive Bestromung möglich ist. Zusätzlich sollte eine stabile, dauerhafte Verbindung zwischen dem elektrisch leitendem Substrat und der Kontaktierung gegeben sein, damit ein Zusammenbau den Anforderungen an ein Fahrzeugleben standhält.One of the biggest challenges with electrically heated units with an electrically conductive substrate (ELS), such as catalysts, is the electrical contact. The ELS, for example a semi-ceramic conductive carrier material, can be provided with a metallic contact at suitable points, for example by a direct connection between metal and ELS, in order to be able to introduce the electrical current from a power source (battery or power electronics/output stage) into the ELS. This contact should also be selected in such a way that an effective current supply for the heating output is possible. In addition, there should be a stable, permanent connection between the electrically conductive substrate and the contact so that an assembly can withstand the demands of the vehicle's life.
Zur Bestromung und damit zur Erwärmung eines elektrisch leitenden Substrats eines Grundkörpers der elektrisch beheizbaren Einheit können Elektroden, bevorzugt aus Metall ausgebildet, vorgesehen sein. Eine direkte elektrische Kontaktierung der Elektroden mit dem Grundkörper kann aus mehreren Gründen problematisch sein. Beispielsweise kann eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von Metallen und Keramiken eine direkte Verbindung beider Komponenten, z.B. durch Löten unmöglich oder zumindest fehleranfällig machen. Die Verbindung kann durch unterschiedliche Ausdehnung der Materialien bei Wärmeeinfluss getrennt werden, sodass eine effektive Bestromung des Grundkörpers nicht mehr gewährleistet sein kann. Ein weiteres Problem kann sich aus möglichen Oxidationsprozessen an der Keramik des Grundkörpers ergeben, die zu einer elektrisch passivierten (nichtleitenden) Oxidschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers führen kann. Daher kann es vorteilhaft sein, die Kontaktierung vor Sauerstoff zu schützen. Ein mechanisches Anpressen der Elektroden scheidet jedoch, insbesondere bei höheren Temperaturen, aus. Bei einer punktuellen Kontaktierung können sehr hohe Stromdichten in der Keramik des Grundkörpers entstehen. Durch den höheren Widerstand des ELS, beispielsweise im Vergleich zu einem metallischen Anschluss, kann es zu einer sehr starken Temperaturentwicklung bis hin zur Zerstörung des Grundkörpers kommen. Weitere Probleme bei einer punktuellen direkten Kontaktierung können sich aus einer möglichen Kraftübertragung durch die elektrischen Anschlüsse auf die zugempfindliche Keramik sowie aus großen Oberflächentoleranzen bei extrudierten Keramikkörpern (Rundheit, Oberflächenrauigkeit, etc.) ergeben. Eine flächige Kontaktierung der Elektroden mit dem Grundkörper kann vorteilhaft sein und zu einer gleichmäßigeren Erwärmung des Grundkörpers führen.Electrodes, preferably made of metal, can be provided for supplying current and thus heating an electrically conductive substrate of a base body of the electrically heatable unit. Direct electrical contact between the electrodes and the base body can be problematic for several reasons. For example, different thermal expansion of metals and ceramics can make a direct connection between the two components, e.g. by soldering, impossible or at least prone to errors. The connection can be severed by different expansion of the materials when exposed to heat, so that effective current supply to the base body can no longer be guaranteed. A further problem can arise from possible oxidation processes on the ceramic of the base body, which can lead to an electrically passivated (non-conductive) oxide layer on the surface of the base body. It can therefore be advantageous to protect the contact from oxygen. However, mechanical pressing of the electrodes is not possible, especially at higher temperatures. With a Very high current densities can arise in the ceramic of the base body with point-based contact. The higher resistance of the ELS, for example in comparison to a metallic connection, can lead to a very strong temperature development that can even destroy the base body. Further problems with point-based direct contact can arise from the possible transmission of force through the electrical connections to the tension-sensitive ceramic as well as from large surface tolerances in extruded ceramic bodies (roundness, surface roughness, etc.). A surface contact between the electrodes and the base body can be advantageous and lead to a more even heating of the base body.
Vorstehend wurde die der Erfindung zugrundeliegende Problematik rein beispielhaft anhand einer Anwendung aus der Abgastechnik beschrieben. Ähnliche Probleme ergeben sie aber auch in anderen Bereichen, z.B. in der Prozesstechnik.The problem underlying the invention was described above purely by way of example using an application from exhaust gas technology. However, similar problems also arise in other areas, e.g. in process technology.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine stabile und dauerhaft funktionsfähige Verbindung zwischen einem elektrisch leitenden Substrat und einer Kontaktierung zur Bestromung einer beheizbaren Einheit, beispielsweise eines Katalysators oder einer Heizscheibe ermöglicht als bekannte Vorrichtungen aus dem Stand der Technik.It is an object of the invention to provide a device which enables a stable and permanently functional connection between an electrically conductive substrate and a contact for supplying current to a heatable unit, for example a catalyst or a heating disk, than known devices from the prior art.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine elektrisch beheizbare Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by an electrically heatable unit having the features of claim 1.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine elektrisch beheizbare Einheit einen elektrisch leitfähigen Grundkörper und eine Heizeinrichtung auf. Der elektrisch leitfähige Grundkörper, insbesondere ein Katalysatorsubstrat, weist eine stromeingangsseitige Stirnfläche, eine stromausgangseitige Stirnfläche und eine zwischen den Stirnflächen angeordnete Umfangsfläche auf und wird von dem Gasstrom durchströmt. Die Heizeinrichtung umfasst zumindest eine erste Elektrode und zumindest eine zweite Elektrode. Zumindest eine der Elektroden, insbesondere beide Elektroden, umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht, die an einer Außenfläche des Grundkörpers angeordnet oder auf diese aufgebracht ist und die mit dem Grundkörper elektrisch leitend verbunden ist, ein von der elektrisch leitfähigen Schicht beabstandet angeordnetes elektrisch leitfähiges Kontaktelement und eine elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur, die zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement angeordnet ist und sowohl die elektrisch leitfähige Schicht als auch das elektrisch leitfähige Kontaktelement kontaktiert.According to a first aspect of the invention, an electrically heatable unit has an electrically conductive base body and a heating device. The electrically conductive base body, in particular a catalyst substrate, has an end face on the current input side, an end face on the current output side and a peripheral surface arranged between the end faces and is flowed through by the gas flow. The heating device comprises at least one first electrode and at least one second electrode. At least one of the electrodes, in particular both electrodes, comprises an electrically conductive layer which is arranged on an outer surface of the base body or applied to it and which is electrically conductively connected to the base body, an electrically conductive contact element arranged at a distance from the electrically conductive layer and an electrically conductive, flexible connection structure which is arranged between the electrically conductive layer and the electrically conductive contact element and contacts both the electrically conductive layer and the electrically conductive contact element.
Die elektrisch beheizbare Einheit kann als Reinigungseinheit, beispielsweise als Katalysator, oder als Heizeinheit, beispielsweise als Heizscheibe ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann als ein Verbrennungsmotor, beispielsweise als Ottomotor oder Dieselmotor, ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann auch andere Brennverfahren umsetzen, beispielsweise ein Miller-Brennverfahren, oder andere Brennstoffe verwenden, beispielsweise synthetische Brennstoffe oder Wasserstoffe. Bei einem Betrieb solch einer Maschine entstehen Schadstoffe. Die Schadstoffkonzentrationen können stark von den Betriebsbedingungen abhängen, beispielsweise von der Art des Kraftstoffs, der Konzentration des Kraftstoffs im verwendeten Kraftstoff-Luft-Gemisch, der Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs, der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors.The electrically heatable unit can be designed as a cleaning unit, for example as a catalyst, or as a heating unit, for example as a heating disk. The internal combustion engine can be designed as an internal combustion engine, for example as a gasoline engine or diesel engine. The internal combustion engine can also implement other combustion processes, for example a Miller combustion process, or use other fuels, for example synthetic fuels or hydrogen. When such a machine is operated, pollutants are produced. The pollutant concentrations can depend heavily on the operating conditions, for example on the type of fuel, the concentration of the fuel in the fuel-air mixture used, the amount of the fuel-air mixture, the speed of the internal combustion engine and/or the operating temperature of the internal combustion engine.
Die durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgase bilden einen Gasstrom. Die Abgase werden über eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung nach außen geleitet, d.h. an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst in der Regel zumindest einen Grundkörper, der von dem Gasstrom, im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers, durchströmt wird. Der Begriff „im Wesentlichen“ bezieht sich hierbei darauf, dass der Gasstrom vor allem an der stromeingangsseitigen Stirnfläche (also am Eingang des Grundkörpers) und an der stromausgangsseitigen Stirnfläche (also am Ausgang des Grundkörpers), beispielsweise bauartbedingt, nicht parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers verlaufen muss. Auch im Inneren des Grundkörpers können Strömungsabweichungen, beispielsweise kleiner 20° zu einer Längsachse des Grundkörpers möglich sein. Durch die im Wesentlichen parallele Strömung des Abgases zu einer Längsachse des Grundkörpers kann ein geringer Abgasgegendruck innerhalb der Abgasanlage erreicht werden, was einen Leistungsverlust und einen Mehrverbrauch der Brennkraftmaschine verringert. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Strukturen eines von einem Gasstrom durchströmten Grundkörpers denkbar, beispielsweise gedruckte Strukturen. Bei solchen Strukturen können Strömungsabweichungen im Inneren der Strukturen bis zu 90° zu einer Längsachse des Grundkörpers möglich sein. Derartige Strukturen können vorteilhaft hinsichtlich einer Wärmeübertragung von der elektrisch beheizbaren Einheit auf den durchströmenden Gasstrom oder bezüglich einer Reaktivität durch bessere Durchmischung des Gasstroms sein.The exhaust gases produced by combustion in the internal combustion engine form a gas flow. The exhaust gases are guided to the outside via an exhaust system connected to the internal combustion engine through an exhaust aftertreatment device, i.e. released into the ambient air of the vehicle. The exhaust aftertreatment device generally comprises at least one base body through which the gas flow flows, essentially parallel to a longitudinal axis of the base body. The term "essentially" refers to the fact that the gas flow does not have to run parallel to a longitudinal axis of the base body, especially on the front face on the flow inlet side (i.e. at the inlet of the base body) and on the front face on the flow outlet side (i.e. at the outlet of the base body), for example due to the design. Flow deviations, for example less than 20° to a longitudinal axis of the base body, can also be possible inside the base body. The essentially parallel flow of the exhaust gas to a longitudinal axis of the base body means that a low exhaust back pressure can be achieved within the exhaust system, which reduces a loss of power and increased consumption of the internal combustion engine. However, other structures of a base body through which a gas flow flows are also conceivable, for example printed structures. With such structures, flow deviations inside the structures of up to 90° to a longitudinal axis of the base body are possible. Such structures can be advantageous in terms of heat transfer from the electrically heatable unit to the gas flow flowing through it or in terms of reactivity through better mixing of the gas flow.
Der elektrisch leitfähige Grundkörper eines elektrisch beheizbaren Katalysators (EHC's), anderer Reinigungseinheiten oder anderer elektrisch beheizbaren Einheiten zum Einsatz in einem Gasstrom, wird bislang oftmals aus Metall aufwändig gefertigt. Unter Verwendung eines semi-keramischen Trägermaterials, das beispielsweise durch Hinzufügen von metallischen Zusätzen (Additiven) in ein Keramik-Substrat vor dem Sinterprozess ebenfalls elektrisch leitfähig und direkt beheizbar gemacht werden kann, können die Vorzüge einer Keramik, wie beispielsweise einer deutlich geringeren Dichte und damit Gewichtsvorteile oder geringere Produktionskosten, gegenüber metallischen Trägern ausgenutzt werden. Vorteil beim direkten Beheizen des keramischen Grundkörpers, der elektrisch bestromt und beheizt werden kann, ist ein höherer Wirkungsgrad und ein schnelleres Heizverhalten, da beispielsweise im Gegensatz zu beheizbaren Katalysatoren/Reinigungseinheiten, die mit Hilfe einer Heizscheibe beheizt werden, die Beheizung nicht über den Umweg erwärmter Luft gegangen werden muss, d.h. die Heizscheibe erwärmt Luft, die dem Grundkörper des Katalysators/der Reinigungseinheit zugeführt wird und somit den Grundkörper indirekt erwärmt. Bei einem EHC/einer Reinigungseinheit mit elektrisch leitfähigem Substrat wird der Grundkörper direkt bestromt und damit direkt erwärmt.The electrically conductive base body of an electrically heated catalyst (EHC), other cleaning units or other electrically Heatable units for use in a gas stream have so far often been manufactured from metal, which is a complex process. By using a semi-ceramic carrier material, which can also be made electrically conductive and directly heatable, for example by adding metallic additives to a ceramic substrate before the sintering process, the advantages of ceramic, such as a significantly lower density and thus weight advantages or lower production costs, compared to metallic carriers, can be exploited. The advantage of directly heating the ceramic base body, which can be electrically powered and heated, is higher efficiency and faster heating behavior, since, for example, in contrast to heatable catalysts/cleaning units that are heated with the help of a heating disk, the heating does not have to go via the detour of heated air, i.e. the heating disk heats air that is fed to the base body of the catalyst/cleaning unit and thus heats the base body indirectly. In an EHC/cleaning unit with an electrically conductive substrate, the base body is directly supplied with current and thus directly heated.
Der elektrisch leitfähige Grundkörper einer Reinigungseinheit wie beispielsweise ein Katalysator oder ein Partikelfilter kann dabei in Wabenform angeordnete Kanäle aufweisen. Durch die Wabenform, insbesondere durch dünnwandige Kanäle, wird eine Oberfläche des Grundkörpers erhöht. Durch die dünnwandigen Kanäle und die damit erhöhte Oberfläche des Grundkörpers einer als Katalysator ausgebildeten Reinigungseinheit können aus dem Gasstrom der Brennkraftmaschine mehr Abgase in unbedenkliche Stoffe umgewandelt werden, da durch die erhöhte Oberfläche mehr Abgasvolumen in Kontakt mit der katalytisch aktiven Beschichtung (PGM WashCoat) kommt. Auf der Oberfläche des Grundkörpers sind dazu Edelmetalle aufgebracht, wie beispielsweise Rhodium, Platin und Palladium, durch die die Schadstoffe katalytisch umgewandelt werden.The electrically conductive base body of a cleaning unit such as a catalyst or a particle filter can have channels arranged in a honeycomb shape. The honeycomb shape, in particular the thin-walled channels, increases the surface area of the base body. The thin-walled channels and the resulting increased surface area of the base body of a cleaning unit designed as a catalyst allow more exhaust gases to be converted into harmless substances from the gas flow of the internal combustion engine, since the increased surface area means that more exhaust gas volume comes into contact with the catalytically active coating (PGM WashCoat). Precious metals such as rhodium, platinum and palladium are applied to the surface of the base body, which catalytically convert the pollutants.
Die zumindest eine erste Elektrode und die zumindest eine zweite Elektrode der Heizeinrichtung sind aus elektrisch leitenden Elementen ausgebildet. Die erste Elektrode kann auch als Anode und die zweite Elektrode als Kathode fungieren, oder umgekehrt. Die Elektroden kontaktieren - direkt oder indirekt - die elektrisch leitfähige Wabenstruktur des Grundkörpers. Durch das Anlegen einer äußeren Spannung an den Elektroden baut sich eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode auf, so dass ein elektrischer Strom fließt. Der elektrisch leitfähige Grundkörper stellt dabei einen elektrischen Widerstand dar, der zu einer Erwärmung führt. Mit Hilfe einer Steuereinheit kann der Stromfluss zwischen den Elektroden und somit die Erwärmung des Grundkörpers gesteuert werden. Je größer dieser Stromfluss ist, desto heißer wird der elektrisch leitfähige Grundkörper bzw. desto schneller erwärmt sich der elektrisch leitfähige Grundkörper und - bei einem Katalysator - damit auch die auf dem Grundkörper aufgebrachte katalytische Beschichtung (PGM WashCoat). Analoges gilt bei Reinigungseinheiten anderer Bauart, insbesondere bei Partikelfiltern oder bei anderen beheizbaren Einheiten, beispielsweise bei Heizscheiben.The at least one first electrode and the at least one second electrode of the heating device are made of electrically conductive elements. The first electrode can also function as an anode and the second electrode as a cathode, or vice versa. The electrodes contact - directly or indirectly - the electrically conductive honeycomb structure of the base body. By applying an external voltage to the electrodes, an electrical potential difference builds up between the first electrode and the second electrode, so that an electrical current flows. The electrically conductive base body represents an electrical resistance that leads to heating. With the help of a control unit, the current flow between the electrodes and thus the heating of the base body can be controlled. The greater this current flow, the hotter the electrically conductive base body becomes or the faster the electrically conductive base body heats up and - in the case of a catalyst - also the catalytic coating (PGM WashCoat) applied to the base body. The same applies to cleaning units of other designs, in particular particle filters or other heatable units, for example heating disks.
Die elektrisch leitfähige Schicht ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Das elektrisch leitfähige Material weist sowohl temperaturstabile als auch korrosionsbeständige Eigenschaften auf, beispielsweise hitzebeständige Metalle wie z.B. Nickel. Grundsätzlich sind alle geeigneten Metalle, die die Anforderungen bezüglich Temperatur- und Korrosionsstabilität erfüllen, für die Ausbildung der elektrisch leitfähigen Schicht geeignet. Für jede der zumindest einen ersten Elektrode und zumindest einen zweiten Elektrode kann eine eigene elektrisch leitfähige Schicht vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, eine gemeinsame elektrisch leitfähige Schicht für Elektroden mit gleichem Potential zu verwenden. Beispielsweise können einen Mehrzahl von voneinander beabstandeten ersten Elektroden mittels der Steuereinheit mit einem positiven Potential beaufschlagt werden. Die Mehrzahl der ersten Elektroden kann eine gemeinsame elektrisch leitfähige Schicht aufweisen. Entsprechendes gilt für eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten zweiten Elektroden mit gleichem Potential. Die zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht je Elektrode ist an einer Außenfläche des Grundkörpers angeordnet. Dabei ist unter der Außenfläche des Grundkörpers eine abgewandte Seite der den Grundkörper umhüllenden Umfangsfläche zu verstehen. Die elektrisch leitfähige Schicht kann galvanisch auf der Außenfläche des Grundkörpers abgeschieden werden. Eine Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht kann von der Stromstärke und der Dauer der Bestromung der galvanischen Behandlung des Grundkörpers abhängen. Bei der galvanischen Behandlung wird der Grundkörper in ein Galvanik-Bad gegeben. Bereiche der Außenfläche des Grundkörpers, in denen keine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht werden soll, werden abgeklebt oder durch Beschichtungen geschützt. Eine weitere Möglichkeit eines gezielten Aufbringens oder Abscheidens der elektrisch leitfähigen Schicht auf die Außenfläche des Grundkörpers kann darin bestehen, den Grundkörper vor der Galvanisierung zu oxidieren, wodurch eine nicht-leitende Oberfläche auf die Außenfläche des Grundkörpers aufgebracht wird. Anschließend werden nur Zielflächen, in denen die elektrisch leitfähige Schicht angeordnet sein soll, mechanisch angeschliffen, um die Oxidschicht in den Zielflächen zu entfernen. Neben einer galvanischen Beschichtung zum Aufbringen der metallischen Schicht auf die Außenfläche des Grundkörpers sind auch andere Verfahren denkbar, beispielsweise ein chemisches Abscheiden der metallischen Schicht oder ein Aufpressen einer dünnen metallischen Folie durch beispielsweise Magnetpulsschweißen.The electrically conductive layer is made of an electrically conductive material. The electrically conductive material has both temperature-stable and corrosion-resistant properties, for example heat-resistant metals such as nickel. In principle, all suitable metals that meet the requirements with regard to temperature and corrosion stability are suitable for forming the electrically conductive layer. A separate electrically conductive layer can be provided for each of the at least one first electrode and at least one second electrode. However, it is also possible to use a common electrically conductive layer for electrodes with the same potential. For example, a plurality of spaced-apart first electrodes can be subjected to a positive potential by means of the control unit. The majority of the first electrodes can have a common electrically conductive layer. The same applies to a plurality of spaced-apart second electrodes with the same potential. The at least one electrically conductive layer per electrode is arranged on an outer surface of the base body. The outer surface of the base body is understood to mean a side facing away from the peripheral surface surrounding the base body. The electrically conductive layer can be deposited galvanically on the outer surface of the base body. The layer thickness of the electrically conductive layer can depend on the current strength and the duration of the current supply during the galvanic treatment of the base body. During the galvanic treatment, the base body is placed in a galvanic bath. Areas of the outer surface of the base body where no electrically conductive layer is to be applied are taped off or protected by coatings. Another possibility for a targeted application or deposition of the electrically conductive layer on the outer surface of the base body can be to oxidize the base body before galvanization, whereby a non-conductive surface is applied to the outer surface of the base body. Then only target areas in which the electrically conductive layer is to be arranged are mechanically ground in order to remove the oxide layer in the target areas. In addition to a galvanic coating In addition to the method for applying the metallic layer to the outer surface of the base body, other methods are also conceivable, for example chemical deposition of the metallic layer or pressing on a thin metallic foil by, for example, magnetic pulse welding.
Das elektrisch leitfähige Kontaktelement ist zur Kontaktaufnahme einer elektrisch leitenden Verbindung zu der Steuereinheit ausgebildet. Die Kontaktaufnahme kann auf einer von dem Grundkörper weg gerichteten Außenfläche des Kontaktelements oder in dem Kontaktelement, beispielweise durch Aufnahme einer Kontaktierung in einer Bohrung des Kontaktelements, angeordnet sein. Das Kontaktelement kann gleichmäßig von der elektrisch leitfähigen Schicht beabstandet sein und. Ferner kann das Kontaktelement eine gleiche Größe wie die elektrisch leitfähige Schicht aufweisen, d.h. eine Projektion des von der elektrisch leitfähigen Schicht beabstandeten Kontaktelements auf die elektrisch leitfähige Schicht kann zu einer Überdeckung ohne Überlappung der projizierten Fläche des Kontaktelements mit der Fläche der elektrisch leitfähigen Schicht führen. In anderen Worten, eine zweidimensionale Erstreckung (Länge und Breite) der elektrisch leitfähigen Schicht und eine zweidimensionale Erstreckung (Länge und Breite) des Kontaktelements können im Wesentlichen gleich groß sein.The electrically conductive contact element is designed to make contact with an electrically conductive connection to the control unit. The contact can be arranged on an outer surface of the contact element facing away from the base body or in the contact element, for example by making a contact in a bore in the contact element. The contact element can be evenly spaced from the electrically conductive layer and. Furthermore, the contact element can have the same size as the electrically conductive layer, i.e. a projection of the contact element spaced from the electrically conductive layer onto the electrically conductive layer can lead to an overlap without overlapping of the projected area of the contact element with the area of the electrically conductive layer. In other words, a two-dimensional extension (length and width) of the electrically conductive layer and a two-dimensional extension (length and width) of the contact element can be essentially the same size.
Die elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur kann einen Raum zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement zumindest abschnittsweise vollständig ausfüllen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Verbindungsstruktur nur einzelne diskrete Verbindungselemente zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement aufweist. Durch die Kontaktierung der Verbindungsstruktur sowohl mit der elektrisch leitfähigen Schicht als auch mit dem Kontaktelement stellt die Verbindungsstruktur ein Bindeglied zwischen dem Kontaktelement und der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. dem Grundkörper dar, das einen von außerhalb (beispielsweise von einer Steuereinheit) der elektrisch beheizbaren Einheit über eine Kontaktierung des Kontaktelements zugeführten Stromfluss überträgt und somit eine Bestromung und Erwärmung des Grundkörpers ermöglicht.The electrically conductive, flexible connection structure can completely fill a space between the electrically conductive layer and the electrically conductive contact element, at least in sections. However, it is also possible for the connection structure to have only individual, discrete connection elements between the electrically conductive layer and the contact element. By contacting the connection structure with both the electrically conductive layer and the contact element, the connection structure represents a link between the contact element and the electrically conductive layer or the base body, which transmits a current flow supplied from outside (for example from a control unit) to the electrically heatable unit via contacting the contact element and thus enables the base body to be energized and heated.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Einheit ist nicht auf die Abgastechnik beschränkt. Es ist auch möglich, die Einheit - in der Abgastechnik oder in anderen Bereichen - lediglich als Heizeinrichtung einzusetzen, mit der ein Gasstrom erhitzt wird, ohne dass eine (katalytisch) reinigende Wirkung erzielt wird.The use of the unit according to the invention is not limited to exhaust technology. It is also possible to use the unit - in exhaust technology or in other areas - merely as a heating device with which a gas stream is heated without achieving a (catalytic) cleaning effect.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend und in den abhängigen Ansprüchen genannt.Further embodiments of the invention are set out below and in the dependent claims.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch beheizbare Einheit ferner zumindest eine erste Kontaktfixierung und zumindest eine zweite Kontaktfixierung umfassen. Die zumindest eine erste Kontaktfixierung kann zumindest eine erste Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht und der Verbindungsstruktur fixieren. Die zumindest eine zweite Kontaktfixierung kann zumindest eine zweite Kontaktierung der Verbindungsstruktur und dem Kontaktelement fixieren. Durch die zumindest eine erste Kontaktfixierung und die zumindest eine zweite Kontaktfixierung kann die Verbindungsstruktur gegen ein Verschieben oder Verrutschen gesichert werden. Die Verbindungsstruktur ist jedoch immer noch flexibel zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement angeordnet. Die Verbindungsstruktur kann Relativbewegungen zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement ausgleichen, ohne dass die elektrisch leitende Verbindung (durch die Verbindungsstruktur) zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement unterbrochen wird. Eine Fixierung der Verbindungsstruktur kann insbesondere für eine Montage der elektrisch beheizbaren Einheit in einem Gehäuse (Canning) sinnvoll sein, da hierbei große Kräfte und Beschleunigungen auftreten können, die ein Verschieben oder Verrutschen der Verbindungsstruktur verursachen können.In some embodiments, the electrically heatable unit can further comprise at least one first contact fixation and at least one second contact fixation. The at least one first contact fixation can fix at least one first contact of the electrically conductive layer and the connection structure. The at least one second contact fixation can fix at least one second contact of the connection structure and the contact element. The at least one first contact fixation and the at least one second contact fixation can secure the connection structure against displacement or slipping. However, the connection structure is still arranged flexibly between the electrically conductive layer and the contact element. The connection structure can compensate for relative movements between the electrically conductive layer and the contact element without the electrically conductive connection (through the connection structure) between the electrically conductive layer and the contact element being interrupted. Fixing the connection structure can be particularly useful for mounting the electrically heatable unit in a housing (canning), since large forces and accelerations can occur here, which can cause the connection structure to shift or slip.
Bei einer derartigen Ausführungsform können die erste Kontaktfixierung und/oder die zweite Kontaktfixierung zumindest abschnittsweise als Lotschicht ausgebildet sein und/oder Lotpunkte umfassen. Die Kontaktfixierungen mittels eine Lotschicht kann vorteilhaft sein, da alle oder eine Vielzahl von Kontaktierungen zwischen der Verbindungsstruktur und der elektrisch leitfähigen Schicht und/oder zwischen der Verbindungsstruktur und dem Kontaktelement nahezu gleichzeitig fixiert werden können. Umfasst die Verbindungsstruktur nur eine geringe Anzahl diskreter Verbindungselemente, kann eine Fixierung der diskreten Verbindungselemente durch einzelne Lotpunkte vorteilhaft sein.In such an embodiment, the first contact fixation and/or the second contact fixation can be designed as a solder layer at least in sections and/or can comprise solder points. The contact fixations by means of a solder layer can be advantageous because all or a large number of contacts between the connection structure and the electrically conductive layer and/or between the connection structure and the contact element can be fixed almost simultaneously. If the connection structure only comprises a small number of discrete connection elements, fixing the discrete connection elements by means of individual solder points can be advantageous.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch leitfähige Schicht eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 30 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm aufweisen, beispielsweise 50 µm +/- 5 µm. Eine hinreichend große Schichtdicke kann sowohl eine stabile elektrisch leitende Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem elektrisch leitfähigen Grundkörper begünstigen, als auch eine stabile Kontaktfixierung der elektrisch leitfähigen, flexiblen Verbindungsstruktur an der elektrisch leitfähigen Schicht. Eine größere Schichtdicke kann vorteilhaft hinsichtlich einer Stromverteilung und/oder zum Aufbringen einer Kontaktfixierung, beispielsweise einer Lotschicht, auf die elektrisch leitfähige Schicht sein. Eine geringere Schichtdicke kann jedoch Vorteile bringen, um unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Grundkörpers und der elektrisch leitfähigen Schicht entgegenzuwirken.In some embodiments, the electrically conductive layer can have a layer thickness between 10 µm and 100 µm, in particular between 30 µm and 80 µm, preferably between 40 µm and 60 µm, for example 50 µm +/- 5 µm. A sufficiently large layer thickness can promote both a stable electrically conductive connection between the electrically conductive layer and the electrically conductive base body, as well as a stable contact fixation of the electrically conductive, flexible connection structure to the electrically conductive layer. A larger layer thickness can be advantageous with regard to current distribution and/or for applying a contact fixation, for example a solder layer, to the electrically conductive layer. However, a smaller layer thickness can be advantageous in order to counteract different thermal expansions of the base body and the electrically conductive layer.
Bei einigen Ausführungsformen kann sich die elektrisch leitfähige Schicht im Wesentlichen über eine gesamte axiale Länge in axialer Richtung des Grundkörpers erstrecken. Die gesamte axiale Länge des Grundkörpers kann eine räumliche Ausdehnung des Grundkörpers in axialer Richtung einer Symmetrieachse des Grundkörpers beschreiben, beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers bis zu der stromausgangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers. Der Begriff „im Wesentlichen“ bezieht sich hierbei darauf, dass die elektrisch leitfähige Schicht beispielsweise bis ganz oder nahe an die stromeingangsseitige Stirnfläche und ganz oder nahe an die stromausgangsseitige Stirnfläche des Grundkörpers ausgebildet sein kann, d.h. die zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht (und damit die zumindest eine Elektrode) kann so ausgebildet sein, dass die zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht abschnittsweise nicht ganz die Ränder, d.h. die stromeingangsseitige Stirnfläche und die stromausgangsseitige Stirnfläche, des Grundkörpers erreicht. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die elektrisch leitfähige Schicht, beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers, in axialer Richtung nur über maximal 10%, 15%, 25% oder bis zu 50% des Grundkörpers erstreckt. Eine derart begrenzte elektrisch leitfähige Schicht beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers kann den Vorteil haben, dass insbesondere ein Eingangsbereich des Grundkörpers schnell und effizient auf die benötigte Mindesttemperatur gebracht werden kann, um das einströmende Abgas zu reinigen. Das im Eingangsbereich erhitzte Gas erwärmt dann effizient stromabwärtige Bereiche des Grundkörpers.In some embodiments, the electrically conductive layer can extend substantially over an entire axial length in the axial direction of the base body. The entire axial length of the base body can describe a spatial extension of the base body in the axial direction of an axis of symmetry of the base body, starting at the current input-side end face of the base body up to the current output-side end face of the base body. The term "substantially" refers here to the fact that the electrically conductive layer can be formed, for example, up to or close to the current input-side end face and up to or close to the current output-side end face of the base body, i.e. the at least one electrically conductive layer (and thus the at least one electrode) can be formed in such a way that the at least one electrically conductive layer does not quite reach the edges, i.e. the current input-side end face and the current output-side end face, of the base body in sections. However, it is also possible for the electrically conductive layer, starting at the front face of the base body on the power input side, to extend in the axial direction over a maximum of 10%, 15%, 25% or up to 50% of the base body. Such a limited electrically conductive layer starting at the front face of the base body on the power input side can have the advantage that an inlet area of the base body in particular can be quickly and efficiently brought to the required minimum temperature in order to clean the incoming exhaust gas. The gas heated in the inlet area then efficiently heats downstream areas of the base body.
Bei einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr erste Elektroden und/oder zwei oder mehr zweite Elektroden vorgesehen sein. Eine effektivere und gezieltere Bestromung des Grundkörpers und damit auch eine Erwärmung des Grundkörpers, kann durch eine Vielzahl von ersten und zweiten Elektroden erreicht werden. Dabei können die zwei oder mehr erste Elektroden jeweils ein gleiches elektrisches Potential (positives Potential: Plus-Pol oder negatives Potential: Minus-Pol) aufweisen. Die zwei oder mehr zweite Elektroden können ein elektrisches Potential aufweisen, das dem elektrischen Potential der zwei oder mehr ersten Elektroden entgegengesetzt ist. Falls beispielsweise die zwei oder mehr erste Elektroden ein positives Potential aufweisen, können die zwei oder mehr zweite Elektroden ein negatives Potential aufweisen, und umgekehrt. Zwischen jeweils einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode kann sich eine Potentialdifferenz (Spannung) aufbauen, wenn die erste Elektrode ein anderes Potential aufweist als die zweite Elektrode. Die zumindest zwei oder mehr erste Elektroden und die zumindest zwei oder mehr zweite Elektroden können an der Umfangsfläche des Grundkörpers beabstandet voneinander angeordnet sein.In some embodiments, two or more first electrodes and/or two or more second electrodes can be provided. A more effective and targeted supply of current to the base body and thus also heating of the base body can be achieved by a plurality of first and second electrodes. The two or more first electrodes can each have the same electrical potential (positive potential: plus pole or negative potential: minus pole). The two or more second electrodes can have an electrical potential that is opposite to the electrical potential of the two or more first electrodes. If, for example, the two or more first electrodes have a positive potential, the two or more second electrodes can have a negative potential, and vice versa. A potential difference (voltage) can build up between a first electrode and a second electrode if the first electrode has a different potential than the second electrode. The at least two or more first electrodes and the at least two or more second electrodes can be arranged at a distance from one another on the peripheral surface of the base body.
Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest eine erste Elektrode an einer Umfangsfläche des Grundkörpers angeordnet sein, insbesondere wobei die zumindest eine erste Elektrode in Umfangsrichtung geschlossen sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine zweite Elektrode an der Umfangsfläche des Grundkörpers angeordnet sein, insbesondere wobei die zumindest eine zweite Elektrode in Umfangsrichtung geschlossen sein kann. Die zumindest eine erste Elektrode kann im Bereich der stromeingangsseitigen Stirnfläche an der Umfangsfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Die zumindest eine zweite Elektrode kann im Bereich der stromausgangsseitigen Stirnfläche an der Umfangsfläche des Grundkörpers angeordnet sein.In some embodiments, at least one first electrode can be arranged on a peripheral surface of the base body, in particular wherein the at least one first electrode can be closed in the peripheral direction. Alternatively or additionally, at least one second electrode can be arranged on the peripheral surface of the base body, in particular wherein the at least one second electrode can be closed in the peripheral direction. The at least one first electrode can be arranged in the region of the current input-side end face on the peripheral surface of the base body. The at least one second electrode can be arranged in the region of the current output-side end face on the peripheral surface of the base body.
Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest eine erste Elektrode an einer Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet sein und/oder zumindest eine zweite Elektrode an einer Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Die zumindest eine erste Elektrode kann an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Die zumindest eine zweite Elektrode kann an der stromausgangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Bei einer Anordnung einer Elektrode an einer Stirnfläche des Grundkörpers ist zu berücksichtigen, dass eine hinreichend große Durchströmung eines Gasstroms durch den Grundkörper möglich ist.In some embodiments, at least one first electrode can be arranged on an end face of the base body and/or at least one second electrode can be arranged on an end face of the base body. The at least one first electrode can be arranged on the end face of the base body on the current input side. The at least one second electrode can be arranged on the end face of the base body on the current output side. When arranging an electrode on an end face of the base body, it must be taken into account that a sufficiently large flow of a gas stream through the base body is possible.
Bei einigen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Kontaktelement ein Blechbauteil sein, das zumindest abschnittsweise gekrümmt oder eben ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Blechbauteil eine zumindest abschnittsweise Form des Grundkörpers und/oder eine zumindest abschnittsweise Form eines Gehäuses, in dem der Grundkörper angeordnet ist, aufweisen. Dadurch kann eine einfache Montage der elektrisch beheizbaren Einheit in dem Gehäuse ermöglicht werden. Das Blechbauteil kann ferner derart ausgestaltet sein, dass eine Kontaktierung für eine Bestromung des Kontaktelements möglich ist, insbesondere kann das Kontaktelement oder das Blechteil eine Aussparung für eine Hülse aufweisen.In some embodiments, the electrically conductive contact element can be a sheet metal component that is curved or flat at least in sections. In particular, the sheet metal component can have at least a section-wise shape of the base body and/or at least a section-wise shape of a housing in which the base body is arranged. This can enable simple assembly of the electrically heatable unit in the housing. The sheet metal component can also be designed in such a way that contacting is possible for energizing the contact element; in particular, the contact element or the sheet metal part can have a recess for a sleeve.
Bei einigen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Kontaktelement aus einem temperaturstabilen und/oder korrosionsbeständigen Material, insbesondere aus Edelstahl, gefertigt sein. Das Kontaktelement kann hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Durch eine temperaturstabile oder hitzebeständige Ausführung des Kontaktelements kann auch bei den hohen Temperaturen eine zuverlässige Funktionsweise, beispielsweise Kontaktierung von außen zur Bestromung der elektrisch beheizbaren Einheit, des Kontaktelements sichergestellt werden. Zudem kann die Ausgestaltung des Kontaktelements mit einem korrosionsbeständigen Material einer Verschlechterung der Kontaktfähigkeit durch Oxidation entgegenwirken.In some embodiments, the electrically conductive contact element may consist of a tem temperature-stable and/or corrosion-resistant material, particularly stainless steel. The contact element can be exposed to high temperatures. A temperature-stable or heat-resistant design of the contact element can ensure reliable functionality even at high temperatures, for example contact from the outside to supply power to the electrically heated unit. In addition, designing the contact element with a corrosion-resistant material can counteract a deterioration in contact capability due to oxidation.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur eine unregelmäßige Struktur aufweisen, insbesondere kann die Verbindungsstruktur ein Drahtgestrick umfassen. Das Drahtgestrick kann eine Mehrzahl von Drähten umfassen. Die Drähte können eine spiralförmige, eine gewickelte, eine geflochtene oder eine ungerichtete, beispielsweise eine chaotische Struktur aufweisen. Die unregelmäßig Struktur der elektrisch leitfähigen Verbindungsstruktur kann auch aus einem flexiblen Metallschaum ausgebildet sein. Die unregelmäßige Struktur der Verbindungsstruktur erstreckt sich von der elektrisch leitenden Schicht oder von einer ersten Kontaktfixierung bis zu dem Kontaktelement oder bis zu einer zweiten Kontaktfixierung, sodass sich durch die Verbindungsstruktur eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement ausbildet.In some embodiments, the electrically conductive, flexible connection structure can have an irregular structure, in particular the connection structure can comprise a wire mesh. The wire mesh can comprise a plurality of wires. The wires can have a spiral, a wound, a braided or an undirected, for example a chaotic structure. The irregular structure of the electrically conductive connection structure can also be formed from a flexible metal foam. The irregular structure of the connection structure extends from the electrically conductive layer or from a first contact fixation to the contact element or to a second contact fixation, so that an electrically conductive connection is formed between the electrically conductive layer and the contact element through the connection structure.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur eine regelmäßige Struktur aufweisen, insbesondere kann die Struktur eine Mehrzahl von diskreten Verbindungselementen, die bevorzugt in radialer Richtung vorgespannt sind aufweisen. Jedes der diskreten Verbindungselemente kann eine gerade, abgewinkelte, oder eine gerichtete Struktur aufweisen. Die Mehrzahl von diskreten Verbindungselementen der Verbindungsstruktur kann einzelne gebogene Blechelemente umfassen, die jeweils zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Kontaktelement eingeklemmt sind. Die Blechelemente können aus dem Kontaktelement zumindest abschnittsweise ausgestanzt sein und in Richtung der elektrisch leitenden Schicht gebogen sein. Jede der diskreten Verbindungselemente weist eine Länge auf, die größer als der Abstand zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Kontaktelement ist. Zudem erstreckt sich jedes der diskreten Verbindungselemente von der elektrisch leitenden Schicht oder von einer ersten Kontaktfixierung bis zu dem Kontaktelement oder bis zu einer zweiten Kontaktfixierung, sodass sich durch jedes der diskreten Verbindungselemente eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Kontaktelement ausbildet.In alternative embodiments, the electrically conductive, flexible connection structure can have a regular structure, in particular the structure can have a plurality of discrete connection elements, which are preferably prestressed in the radial direction. Each of the discrete connection elements can have a straight, angled or directional structure. The plurality of discrete connection elements of the connection structure can comprise individual bent sheet metal elements, each of which is clamped between the electrically conductive layer and the contact element. The sheet metal elements can be punched out of the contact element at least in sections and bent in the direction of the electrically conductive layer. Each of the discrete connection elements has a length that is greater than the distance between the electrically conductive layer and the contact element. In addition, each of the discrete connection elements extends from the electrically conductive layer or from a first contact fixation to the contact element or to a second contact fixation, so that an electrically conductive connection is formed between the electrically conductive layer and the contact element through each of the discrete connection elements.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch beheizbare Einheit ferner eine Hülse mit einem Innengewinde umfassen, wobei die Hülse mit dem Kontaktelement elektrisch leitfähig verbunden ist und sich in Richtung des Grundkörpers erstreckt. Die Hülse kann auf das Kontaktelement der elektrisch beheizbare Einheit aufgeschweißt sein. Die Hülse kann zu einer Kontaktierung des Kontaktelements, insbesondere zur Aufnahme eines elektrisch leitfähigen Pins über das Innengewinde der Hülse ausgebildet sein. Eine Bestromung der elektrisch beheizbaren Einheit ist somit über die Hülse möglich.In some embodiments, the electrically heatable unit can further comprise a sleeve with an internal thread, wherein the sleeve is connected to the contact element in an electrically conductive manner and extends in the direction of the base body. The sleeve can be welded onto the contact element of the electrically heatable unit. The sleeve can be designed to contact the contact element, in particular to receive an electrically conductive pin via the internal thread of the sleeve. Power can thus be supplied to the electrically heatable unit via the sleeve.
Bei einer derartigen Ausführungsform kann ein Ende der Hülse im Wesentlichen bündig mit dem Kontaktelement abschließen. Der Ausdruck „bündig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein leichter Überhang der Hülse über das Kontaktelement hinaus möglich ist. Der Überhang über das Kontaktelement hinaus ist kleiner als ein Abstand des Gehäuses zu dem Kontaktelement im verbauten Zustand der elektrisch beheizbaren Einheit. Dadurch kann ein Einbringen der elektrisch beheizbaren Einheit in das Gehäuse ermöglicht werden, ohne dass die Hülse das Gehäuse berührt. Eine Beschädigung des Gehäuses oder der Hülse kann somit vermieden werden.In such an embodiment, one end of the sleeve can be essentially flush with the contact element. The term "flush" in this context means that a slight overhang of the sleeve beyond the contact element is possible. The overhang beyond the contact element is smaller than the distance between the housing and the contact element when the electrically heatable unit is installed. This makes it possible to insert the electrically heatable unit into the housing without the sleeve touching the housing. Damage to the housing or the sleeve can thus be avoided.
Bei einer derartigen Ausführungsform kann sich ein Ende der Hülse in eine Grundkörperbohrung des Grundkörpers erstrecken, wobei die Grundkörperbohrung einen größeren Durchmesser aufweist als ein Durchmesser der Hülse. Die Grundkörperbohrung ist vor einer Montage der Heizeinrichtung auf den Grundkörper anzubringen. Die Grundkörperbohrung ist derart ausgebildet, um ein Ende der Hülse aufzunehmen, ohne dass sich das Ende der Hülse und der Grundkörper berühren. Bei einer Bestromung der elektrisch beheizbaren Einheit über einen Pin der in der Hülse angeordnet ist, kann somit kein direkter Stromfluss zwischen der Hülse und dem Grundkörper erfolgen. Der Stromfluss erfolgt über die Heizeinrichtung, eine punktuelle Stromeinleitung durch die Grundkörperbohrung wird dadurch vermieden. Ein Untermaß der Hülse gegenüber der Grundkörperbohrung des Grundkörpers kann auch einer Beschädigung des Grundkörpers bei einer Wärmeausdehnung durch Bestromung der (Metall-)Hülse entgegenwirken.In such an embodiment, one end of the sleeve can extend into a base body bore of the base body, the base body bore having a larger diameter than a diameter of the sleeve. The base body bore must be made before the heating device is mounted on the base body. The base body bore is designed to accommodate one end of the sleeve without the end of the sleeve and the base body touching. When the electrically heatable unit is energized via a pin arranged in the sleeve, no direct current can flow between the sleeve and the base body. The current flows via the heating device, thus avoiding a point-by-point current introduction through the base body bore. An undersize sleeve compared to the base body bore of the base body can also counteract damage to the base body in the event of thermal expansion caused by energization of the (metal) sleeve.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch beheizbare Einheit ferner einen Pin umfassen, der mit dem Kontaktelement elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei sich der Pin in Richtung von dem Grundkörper weg erstreckt. Der Pin kann aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Ein Ende das Pins kann das Kontaktelement der elektrisch beheizbaren Einheit elektrisch leitend kontaktieren. Insbesondere kann der Pin auf das Kontaktelement aufgeschweißt sein oder der Pin kann in die Hülse eingeschraubt sein und somit elektrisch leitend mit dem Kontaktelement verbunden sein. Ein anderes Ende des Pins kann mit einer Steuereinheit verbindbar sein, wobei mittels der Steuereinheit eine Bestromung der elektrisch beheizbaren Einheit erfolgen kann. Durch die Bestromung wird eine Potentialdifferenz zwischen den zumindest zwei Elektroden der elektrisch beheizbaren Einheit erzeugt. Die Potentialdifferenz kann bedarfsgerecht gesteuert werden.In some embodiments, the electrically heatable unit may further comprise a pin that is electrically conductively connected to the contact element, wherein the pin extends in a direction away from the base body. The pin may be formed from an electrically conductive material. One end of the pin may contact the contact element the electrically heatable unit in an electrically conductive manner. In particular, the pin can be welded onto the contact element or the pin can be screwed into the sleeve and thus be connected to the contact element in an electrically conductive manner. Another end of the pin can be connected to a control unit, whereby the control unit can be used to supply current to the electrically heatable unit. The current supply generates a potential difference between the at least two electrodes of the electrically heatable unit. The potential difference can be controlled as required.
Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrisch beheizbare Einheit in einem Gehäuse geklemmt sein. Das Gehäuse kann aus einem Metall, beispielsweise Edelstahl ausgebildet sein. Das Gehäuse kann einen Einlass und einen Auslass aufweisen. Durch den Einlass kann ein Gasstrom, insbesondere eine Abgasstrom einer Brennkraftmaschine strömen. Der in das Gehäuse einströmende Gasstrom kann im Inneren des Gehäuses durch die elektrisch beheizbare Einheit strömen und durch den Auslass des Gehäuses wieder aus dem Gehäuse austreten. Die elektrisch beheizbare Einheit kann mittels zumindest einer Lagermatte in das Gehäuse geklemmt sein.In some embodiments, the electrically heatable unit can be clamped in a housing. The housing can be made of a metal, for example stainless steel. The housing can have an inlet and an outlet. A gas flow, in particular an exhaust gas flow from an internal combustion engine, can flow through the inlet. The gas flow flowing into the housing can flow through the electrically heatable unit inside the housing and exit the housing again through the outlet of the housing. The electrically heatable unit can be clamped in the housing by means of at least one bearing mat.
Bei einer derartigen Ausführungsform kann zumindest eine Lagermatte zwischen dem Gehäuse und dem Grundkörper, insbesondere zwischen dem Gehäuse und dem Kontaktelement, angeordnet sein. Die zumindest eine Lagermatte kann aus einem elektrisch isolierenden, temperaturbeständigen Material, beispielsweise Hochtemperaturwolle ausgebildet sein. Die Lagermatte kann den Grundkörper der elektrisch beheizbaren Einheit zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgeben. Die elektrisch beheizbare Einheit kann mittels der Lagermatte in dem Gehäuse fixiert und gegen das Gehäuse isoliert werden.In such an embodiment, at least one bearing mat can be arranged between the housing and the base body, in particular between the housing and the contact element. The at least one bearing mat can be made of an electrically insulating, temperature-resistant material, for example high-temperature wool. The bearing mat can surround the base body of the electrically heatable unit at least in sections, in particular completely. The electrically heatable unit can be fixed in the housing by means of the bearing mat and insulated from the housing.
Bei einer alternativen Ausführungsform können zwei oder mehr Lagermatten zwischen dem Gehäuse und dem Grundkörper angeordnet sein, wobei zumindest eine Lagermatte zwischen dem Gehäuse und dem Kontaktelement angeordnet sein kann. Dabei kann eine erste Lagermatte die hierin beschriebene Heizeinrichtung aufnehmen, sodass die zumindest zwei Elektroden der Heizeinrichtung durch die erste Lagermatte fixiert werden. Die erste Lagermatte kann zur Aufnahme der zumindest zwei Elektroden der Heizeinrichtung Aussparungen aufweisen. Die erste Lagermatte kann den Grundkörper der elektrisch beheizbaren Einheit zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgeben und bündig mit einer zu dem Gehäuse hingewandten Außenfläche des Kontaktelements abschließen. Der Ausdruck „bündig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die zu dem Gehäuse hingewandten Außenfläche des Kontaktelements für eine Kontaktierung zugänglich ist und nicht von der ersten Lagermatte überdeckt wird. Die zweite Lagermatte kann auf der ersten Lagermatte insbesondere eben aufliegen. Um die Kontaktierung des Kontaktelements über die dem Gehäuse zugewandten Außenfläche des Kontaktelements zu ermöglichen, kann die zweite Lagermatte eine Aussparung aufweisen. Die Aussparung der zweiten Lagermatte kann kleiner sein als die Aussparung der ersten Lagermatte. Die zweite Lagermatte überdeckt einen Teil der zu dem Gehäuse hingewandten Außenfläche des Kontaktelements und fixiert und isoliert somit das Kontaktelement gegen das Gehäuse.In an alternative embodiment, two or more bearing mats can be arranged between the housing and the base body, wherein at least one bearing mat can be arranged between the housing and the contact element. A first bearing mat can accommodate the heating device described here, so that the at least two electrodes of the heating device are fixed by the first bearing mat. The first bearing mat can have recesses to accommodate the at least two electrodes of the heating device. The first bearing mat can surround the base body of the electrically heatable unit at least in sections, in particular completely, and can be flush with an outer surface of the contact element facing the housing. The term "flush" in this context means that the outer surface of the contact element facing the housing is accessible for contacting and is not covered by the first bearing mat. The second bearing mat can in particular lie flat on the first bearing mat. In order to enable contacting of the contact element via the outer surface of the contact element facing the housing, the second bearing mat can have a recess. The recess in the second bearing mat can be smaller than the recess in the first bearing mat. The second bearing mat covers part of the outer surface of the contact element facing the housing and thus fixes and insulates the contact element against the housing.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage, die eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer elektrisch beheizbare Einheit gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aufweist.The present invention further relates to an exhaust system having an exhaust aftertreatment device with an electrically heatable unit according to at least one of the embodiments described above.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Abgasanlage der vorstehend beschriebenen Art verbunden ist.The invention also relates to a vehicle with an internal combustion engine connected to an exhaust system of the type described above.
Die Erfindung wird nachfolgend rein beispielhaft anhand von Ausführungsformen, die in der Abgastechnik zum Einsatz gelangen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit einer Heizeinrichtung, -
1 B zeigt einen Ausschnitt der elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit in schematischer Schnittdarstellung gemäß1A , -
2 zeigt einen weiteren Ausschnitt der elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit in schematischer Schnittdarstellung, -
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit einer Heizeinrichtung in einem Gehäuse, -
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit einer Heizeinrichtung, -
5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit zwei Lagermatten, -
6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit gemäß3 mit einer Kontaktierung über eine Hülse, und -
7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit gemäß3 mit einer Kontaktierung über einen aufgeschweißten Pin.
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1A shows a perspective view of an embodiment of an electrically heatable cleaning unit with a heating device, -
1 B shows a section of the electrically heated cleaning unit in a schematic sectional view according to1A , -
2 shows another section of the electrically heated cleaning unit in a schematic sectional view, -
3 shows a schematic sectional view of an embodiment of an electrically heatable cleaning unit with a heating device in a housing, -
4 shows a schematic sectional view of another embodiment of an electrically heatable cleaning unit with a heating device, -
5 shows a perspective view of an embodiment of an electrically heated cleaning unit with two bearing mats, -
6 shows a schematic sectional view of an embodiment of an electrically heatable cleaning unit according to3 with contact via a sleeve, and -
7 shows a schematic sectional view of another embodiment of an electrically heatable cleaning unit according to3 with contact via a welded pin.
Der Grundkörper 102 ist von einem Gasstrom, insbesondere von einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine durchströmbar. Der Grundkörper 102 wird von dem Gasstrom in Strömungsrichtung 130 des Gasstroms durchströmt, wobei der Gasstrom an der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 des Grundkörpers 102 in den Grundkörper 102, insbesondere in die dünnen Kanäle der Wabenstruktur 103, einströmt. Der Gasstrom wird dabei in Strömungsrichtung 130 durch die Wabenstruktur 103 des Grundkörpers 102 geleitet, bis der Gasstrom an der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 des Grundkörpers 102 wieder austritt. Die Kanäle der Wabenstruktur 103 des Grundkörpers 102 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 130 des Gasstroms. Der Grundkörper 102 ist bevorzugt dreh- oder rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse A ausgestaltet. Die Symmetrieachse A entspricht in der dargestellten Ausführungsform der Längsachse des Grundkörpers 102.The
Die Heizeinrichtung der elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 umfasst in dieser Ausführungsform eine erste Elektrode 106 und eine zweite Elektrode 108, die voneinander beabstandet an der Umfangsfläche 104 des Grundkörpers 102 angeordnet sind. Die Heizeinrichtung kann in anderen Ausführungsformen auch mehr als eine erste Elektrode 106 und/oder mehr als eine zweite Elektrode 108 umfassen. Die Elektroden 106, 108 sind mit der Umfangsfläche 104 des Grundkörpers 102 elektrisch leitfähig verbunden. Durch Anlegen beispielsweise eines negativen elektrischen Potentials (Minus-Pol) an der ersten Elektrode 106 und eines positiven elektrischen Potentials (Plus-Pol) an der zweiten Elektrode 108 wird ein Spannungsfeld zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 erzeugt. Es ist auch möglich, die erste Elektrode 106 mit einem positiven elektrischen Potential und die zweite Elektrode 108 mit einem negativen elektrischen Potential zu beaufschlagen. Durch die unterschiedliche Polung der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 bildet sich eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108. Die Ausbildung der Potentialdifferenz kann durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt), welche der Heizeinrichtung zugeordnet ist, bedarfsgerecht gesteuert werden. Bei Anliegen einer Spannung fließt ein elektrischer Strom zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108. Der elektrische Strom bewirkt dabei, dass sich Bereiche zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108, aufgrund eines elektrischen Widerstands des elektrisch leitfähigen Grundkörpers 102, thermisch erwärmen und somit der Grundkörper 102 beheizt wird.In this embodiment, the heating device of the electrically
Zumindest eine der Elektroden 106, 108, insbesondere beide Elektroden 106, 108 umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht 114, ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 116 und eine elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur 118. Die elektrisch leitfähige Schicht 114 ist an einer Außenfläche des Grundkörpers 102 angeordnet oder auf diese aufgebracht. Ferner ist die elektrisch leitfähige Schicht 114 elektrisch leitend mit dem Grundkörper 102 verbunden. Die elektrisch leitfähige Schicht 114 kann sich beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 in axialer Richtung der Symmetrieachse A über 10%, 15%, 25%, 50% der axialen Länge des Grundkörpers 102 oder über die gesamte axiale Länge des Grundkörpers 102 erstrecken und eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweisen.At least one of the
Die Verbindungsstruktur 118 und das Kontaktelement 116 der Elektroden 106, 108 weisen im Wesentlichen dieselbe axiale Erstreckung auf wie die elektrisch leitfähige Schicht 114. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die elektrisch leitfähige Schicht 114 und/oder das Kontaktelement 116 eine geringfügig, im Bereich von einigen Zentimetern, größere axiale Erstreckung aufweisen können als die Verbindungsstruktur 118.The
Das elektrisch leitfähige Kontaktelement 116 ist in radialer Richtung von dem Grundkörper 102 weg beabstandet von der elektrisch leitfähigen Schicht 114 angeordnet. Das Kontaktelement 116 kann zumindest abschnittsweise gekrümmt als Blechbauteil ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann das Kontaktelement 116 auch zumindest abschnittsweise eben ausgebildet sein. Ein Abstand zwischen dem Kontaktelement 116 und der elektrisch leitfähigen Schicht 114 kann gleich groß ausgebildet sein, d.h. das Kontaktelement 116 kann parallel versetzt zu der elektrisch leitfähigen Schicht 114 angeordnet sein.The electrically
In dem durch die elektrisch leitfähige Schicht 114 und dem Kontaktelement 116 begrenzten Zwischenraum ist die elektrisch leitfähige, flexible Verbindungsstruktur 118 angeordnet. Die Verbindungsstruktur 118 kontaktiert sowohl die Schicht 114 als auch das Kontaktelement 116, d.h. die Verbindungsstruktur 118 ist sowohl mit der elektrisch leitfähigen Schicht 114 als auch mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement 116 elektrisch leitfähig verbunden. Die Verbindungsstruktur 118 kann als unregelmäßige Struktur, beispielsweise als Drahtgestrick, oder als regelmäßige Struktur mit einer Mehrzahl von diskreten Verbindungselementen, die in radialer Richtung vorgespannt sind, ausgebildet sein.The electrically conductive,
Die elektrisch leitfähige Schicht 114 kann aus einer Metallschicht gefertigt sein, beispielsweise aus galvanisch abgeschiedenem Nickel. Die Schicht 114 kann den Grundkörper 102, beispielsweise ein elektrisch leitendes Substrat, vor Oxidation schützen und gleichzeitig eine Kontaktfläche für zumindest eine erste Kontaktfixierung 120 bilden. Die elektrisch leitfähige Schicht 114 weist eine Schichtdicke auf, die die Wärmeausdehnung des Grundkörpers 102 nicht behindert. Beispielsweise kann die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht 114 zwischen 10 µm und 100 µm liegen, insbesondere zwischen 30 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm (z.B. 50 µm +/- 5 µm). Die erste Kontaktfixierung 120 und/oder die zweite Kontaktfixierung 121 können zumindest abschnittsweise als Lotschicht ausgebildet sein und/oder Lotpunkte umfassen (siehe
Das Drahtgestrick 124 kann eine ausgleichende Komponente zwischen einer Keramik des Grundkörpers 102 eines Katalysators und dem Kontaktelement 116 darstellen. Die Verbindungsstruktur 118 oder das Drahtgestrick 124 kann für einen Ausgleich von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen sorgen und einen Toleranzausgleich zwischen einer unebenen Keramikoberfläche des Grundkörpers 102 und dem Kontaktelement 116 schaffen. Ferner kann die Verbindungsstruktur 118 für eine mechanische Entkoppelung zwischen dem Kontaktelement 116 und dem Grundkörper 102 sorgen, so dass beispielsweise Kräfte auf das Kontaktelement 116 (z.B. über einen Anschluss-Pin) nicht direkt auf die Keramik des Grundkörpers 102 übertragen werden. Anstelle des in
Die an der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 des Grundkörpers 102 angeordnete erste Elektrode 106 kann durch Stützringe 132 gegen ein Gehäuse 126 (nicht dargestellt) fixiert und elektrisch isoliert werden. Die Stützringe 132 sind aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet, um eine Bestromung des Gehäuses 126 zu vermeiden.The
Die zweite Elektrode 108 kann an der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 des Grundkörpers 102 angeordnet sein, beispielsweise zentriert um die Symmetrieachse A des Grundkörpers 102. Die zweite Elektrode 108 kann wie hierin beschrieben eine Verbindungsstruktur 118 und ein Kontaktelement 116 umfassen. Die Verbindungsstruktur 118 kann als Drahtgestrick 124 gebildet sein, das mittig auf der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 des Grundkörpers aufgelötet ist. Das Kontaktelement 116 kann als Halteblech ausgebildet sein, das beispielsweise kreuz- oder sternförmig auf das Drahtgestrick 124 geklemmt ist. Das Halteblech 136 kann umlaufend an dem stromausgangsseitig angeordneten Stützring 132 geklemmt sein. Alternativ kann das Kontaktelement 116 bzw. das Halteblech 136 auch direkt auf die Verbindungsstruktur 118, ausgebildet als Drahtgestrick 124, angelötet werden. Eine Kontaktierung bzw. eine Bestromung der zweiten Elektrode 108 kann über eine Anschlusskontaktierung 134, die mittels des Halteblechs 136 gehalten wird erfolgen. Die Anschlusskontaktierung 134 kann als auf das Kontaktelement 116 bzw. auf das Halteblech 134 aufgeschweißter Pin oder aufgeschweißte Mutter ausgebildet sein, wie hierin beschrieben.The
Durch eine derartige Anordnung der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 kann bei einer Bestromung der Elektroden 106, 108 eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 im Wesentlichen durch den gesamten Grundkörper 102 ausgebildet werden und somit der Grundkörper 102 erwärmt bzw. aufgeheizt werden. Die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 können nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Der Grundkörper 102 ist durch zumindest eine Lagermatte 128 in dem Gehäuse 126 fixiert. Zusätzlich zu der zumindest einen Lagermatte 128 kann der Grundkörper 102 über Stützringe 132 in dem Gehäuse 126 gelagert sein.By arranging the
Ein elektrischer Anschluss der Elektroden 106, 108 über eine Aussparung 138 in der zweiten Lagermatte 129 und einer Aussparung in dem Gehäuse 126 kann auf verschiedene Weisen erfolgen.
Die Kontaktierung der Elektrode 106 bzw. des Kontaktelements 116 kann über eine in das Kontaktelement 116 eingeschweißte Hülse 140 erfolgen. Die Hülse 140 ist mit dem Kontaktelement 116 der Elektrode 106 elektrisch leitfähig verbunden. Ein Ende der Hülse 140 schließt im Wesentlichen bündig mit dem Kontaktelement 116 ab. Wie in
Um einem Verrutschen der flexiblen Verbindungsstruktur 118 und/oder des Kontaktelements 116 während des Cannings entgegenzuwirken sind zudem fest verbundene, stabil ausgeführte Elemente, beispielsweise die hierin beschriebenen Kontaktfixierungen 120, 121 der elektrisch beheizbaren Einheit 100 vorteilhaft. Insbesondere kann die hierein beschriebene Verbindung der Verbindungsstruktur 118 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 114 und dem Kontaktelement 116 mittels einer ersten Kontaktfixierung 120 und einer zweiten Kontaktfixierung 121 vorteilhaft sein (nicht dargestellt), um in dem Canning-Prozess einem Verschieben des Kontaktelements 116 entgegenzuwirken. Dadurch kann ein vollautomatisiertes Canning ermöglicht werden.In order to counteract slipping of the
Nach dem Canning kann über oder durch die Aussparung 138 ein Pin 144 in die Hülse 140 eingebracht werden. Die Hülse 140 kann beispielsweise ein Innengewinde aufweisen in das der Pin 144 eingeschraubt werden kann. Der Pin 144 kann zur Isolation gegen das Gehäuse 126 eine Buchse 146 aufweisen. Die Buchse 146 kann aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sein. Die Buchse 146 kann alternativ auch aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein und auf dem Pin 144 aufgeschrumpft sein. In dieser Ausführungsform ist der Pin 144 in einem Bereich, in dem der Pin 144 von der Buchse 146 umhüllt wird, keramisch beschichtet, sodass der Pin 144 und die Buchse 146 elektrisch isolierend miteinander verbunden sind. Die Buchse 146 ist von dem Kontaktelement 116 beabstandet angeordnet. Die Buchse 146 kann anschließend an das Canning an dem Gehäuse 126 gasdicht angebracht werden, beispielsweise durch Anschwei-ßen. Der Pin 144 kann mit einer Steuereinheit (nicht dargestellt) elektrisch verbindbar sein. Durch die Steuereinheit kann die Ausbildung einer Potentialdifferenz zwischen zumindest zwei Elektroden 106, 108 bedarfsgerecht gesteuert werden.After canning, a
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- elektrisch beheizbare Reinigungseinheitelectrically heated cleaning unit
- 102102
- GrundkörperBase body
- 103103
- WabenstrukturHoneycomb structure
- 104104
- UmfangsflächeCircumferential area
- 106106
- Elektrodeelectrode
- 108108
- Elektrodeelectrode
- 110110
- stromeingangsseitige Stirnflächecurrent input side face
- 112112
- stromausgangseitige Stirnflächecurrent output side face
- 114114
- Schichtlayer
- 116116
- KontaktelementContact element
- 118118
- VerbindungsstrukturConnection structure
- 120120
- KontaktfixierungContact fixation
- 121121
- KontaktfixierungContact fixation
- 122122
- LotpunktePlumb points
- 124124
- DrahtgestrickWire mesh
- 126126
- GehäuseHousing
- 128128
- LagermatteStorage mat
- 129129
- LagermatteStorage mat
- 130130
- StrömungsrichtungFlow direction
- 132132
- StützringSupport ring
- 134134
- AnschlusskontaktierungConnection contact
- 136136
- HalteblechRetaining plate
- 138138
- AussparungRecess
- 140140
- HülseSleeve
- 142142
- GrundkörperbohrungBase body bore
- 144144
- PinPin code
- 146146
- BuchseRifle
- 148148
- HutblechHat plate
- AA
- SymmetrieachseAxis of symmetry
- EE
- SchnittebeneCutting plane
Claims (21)
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