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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Abgasstromes einer Abgasquelle, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgasstrom innerhalb einer Abgasleitung strömbar ist und die Vorrichtung zur Erwärmung innerhalb dieser Abgasleitung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung eine Heizscheibe aufweist, welche durch einen aus einer Mehrzahl von Folien gebildeten Wabenkörper gebildet ist, wobei zumindest eine Anzahl erster Folien metallisch ist und zumindest abschnittsweise strukturiert ist, wobei die Folien zu einem Lagenstapel aufeinandergestapelt sind und um zumindest eine Drehachse zu dem Wabenkörper aufgewickelt sind, wobei die durch den Wabenkörper gebildete Heizscheibe zumindest einen definierten elektrischen Leitungspfad entlang der ersten Folien ausbildet, der mittels zumindest einer elektrischen Kontaktierung elektrisch kontaktierbar ist.
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Stand der Technik
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Zur Beheizung von Abgasströmen in Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen werden heutzutage elektrische Zuheizer eingesetzt, um die Abgastemperatur möglichst schnell auf einen vorgegebenen Mindestwert zu erhöhen. Das Erreichen einer systemabhängigen Mindesttemperatur ist notwendig, um das korrekte Funktionieren der zur Abgasnachbehandlung vorgesehenen Katalysatoren zu gewährleisten. Je nach Aufbau findet die vollständige chemische Umwandlung des Abgases am Katalysator erst ab einer sogenannten Light-Off Temperatur statt. Diese Light-Off Temperatur muss insbesondere nach einem Kaltstart besonders schnell erreicht werden, um sicherzustellen, dass eine den gesetzlichen Vorschriften zur Abgasnachbehandlung genügende Umwandlung des Abgases stattfindet.
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Eine im Stand der Technik bekannte Bauform solcher elektrischen Zuheizer ist eine aus einem Wabenkörper gebildete Heizscheibe. Die Heizscheibe ist bevorzugt aus einem Lagenstapel gebildet, welcher zu einem Wabenkörper aufgewickelt ist. Um einen eindeutigen Strompfad zu erzeugen, sind die einzelnen Lagen der Heizscheibe mittels Luftspalten zueinander beabstandet. Diese Luftspalte sind regelmäßig einige Millimeter breit, um auch im Betrieb ein ungewolltes Berühren der Lagen zu verhindern.
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass das Herstellen und Erzeugen dieser Luftspalte insbesondere bei Wabenkörpern größeren Durchmessers sehr komplex und aufwändig ist. Weiterhin stellen die Luftspalte eine Art Strömungsbypass für das Abgas dar. Daher strömt immer ein gewisser Anteil des Abgases an der beheizten Struktur der Heizscheibe vorbei, wodurch die Aufheizung nicht optimal ist. Außerdem ist die Umwandlung des Abgases an der als Katalysator wirkenden Heizscheibe selbst reduziert.
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Weiterhin nachteilig an den in der Heizscheibe ausgebildeten Luftspalten ist die Tatsache, dass dadurch die Heizscheibe weniger Stabilität aufweist und somit insbesondere anfällig für Eigenschwingungen ist, welche zu einem Berühren der Lagen oder zur Zerstörung der Heizscheibe führen können. Um dem vorzubeugen wird eine Vielzahl von Stützstiften verwendet, um die Heizscheibe gegenüber einer Stützstruktur, beispielsweise einem vorgelagerten oder nachgelagerten Katalysator abzustützen. Diese Stützstifte erhöhen die Systemkosten wesentlich und sind eine zusätzliche Fehlerquelle. Weiterhin können über die Stützstifte Schwingungen von der Stützstruktur auf die Heizscheibe übertragen werden, wodurch diese beschädigt werden kann oder ein Kurzschluss erzeugt werden kann.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Heizscheibe zur Beheizung eines Abgasstromes zu schaffen, welche keine offenen Luftspalte aufweist und somit die bekannten Schwachstellen bisher bekannter Heizscheiben eliminiert. Insbesondere soll eine Kostenreduktion bei der Herstellung erreicht werden, die Eigenfrequenz der Heizscheibe soll erhöht werden, die Abgasumwandlung durch das Fehlen des Strömungsbypasses soll verbessert werden und die Fertigung soll vereinfacht werden.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Heizscheibe wird durch eine Heizscheibe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Abgasstromes einer Abgasquelle, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgasstrom innerhalb einer Abgasleitung strömbar ist und die Vorrichtung zur Erwärmung innerhalb dieser Abgasleitung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung eine Heizscheibe aufweist, welche durch einen aus einer Mehrzahl von Folien gebildeten Wabenkörper gebildet ist, wobei zumindest eine Anzahl erster Folien metallisch ist und zumindest abschnittsweise strukturiert ist, wobei die Folien zu einem Lagenstapel aufeinandergestapelt sind und um zumindest eine Drehachse zu dem Wabenkörper aufgewickelt sind, wobei die durch den Wabenkörper gebildete Heizscheibe zumindest einen definierten elektrischen Leitungspfad entlang der ersten Folien ausbildet, der mittels zumindest einer elektrischen Kontaktierung elektrisch kontaktierbar ist, wobei zumindest eine der Folien durch eine Multilayerfolie gebildet ist, wobei die Multilayerfolie abwechselnd metallische und keramische Schichten aufweist.
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Die Folien des Wabenkörpers können bevorzugt vollständig glatt, teilweise strukturiert oder vollständig strukturiert sein. Insbesondere die strukturierten Abschnitte können Wellungen unterschiedlicher Amplitude und Wellfrequenz aufweisen. So können gewellte Folien mit einer hohen Wellhöhe, sogenannten Makrostrukturierungen, verwendet werden, und gewellte Folien mit im Vergleich geringeren Wellhöhen, sogenannten Mikrostrukturierungen.
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Das Aufeinanderstapeln von glatten beziehungsweise mikrostrukturierten Folien und makrostrukturierten Folien erzeugt ein Wabenmuster, wobei Strömungskanäle zwischen den jeweils zueinander benachbarten Folien ausgebildet werden. Durch das Aufwickeln des Lagenstapels wird ein Wabenkörper erzeugt, welcher zwei im Wesentlichen glatte Stirnseiten aufweist, wobei die Strömungskanäle von einer zur andren Stirnseite verlaufen und entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmt werden können.
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Die einzelnen Folien des Wabenkörpers werden bevorzugt nach dem Aufwickeln und gegebenenfalls nach dem Einsetzen in einen Mantel dauerhaltbar miteinander verbunden, beispielsweise durch Löten. Hierzu wird über geeignete Verfahren ein Lotmaterial aufgebracht, welches in einem Lötofen aufgeschmolzen wird und so eine dauerhaltbare Verbindung erzeugt wird.
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Eine Multilayerfolie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet ist. Im erfindungsgemäßen Fall weist die Multilayerfolie bevorzugt fünf Schichten auf. Zentral ist eine metallische Schicht, beispielweise eine Metallfolie oder ein Gewebe, angeordnet. Diese ist beidseitig mit einer keramischen Schicht beaufschlagt. Die keramische Schicht dient der elektrischen Isolation der zueinander benachbart angeordneten metallischen Schichten.
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Auf die keramischen Schichten folgen beidseitig metallische Schichten. Diese bilden dann die nach außen sichtbaren Außenflächen der Multilayerfolie. Die metallische Außenschicht ist besonders vorteilhaft, da hierüber eine Anbindung an benachbarte Folien des Wabenkörpers erreicht werden kann. Die Multilayerfolie kann auf einfache Weise über denselben Arbeitsschritt wie die übrigen Folien mit den rein metallischen Folien verbunden werden.
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Die zentrale metallische Lage gibt der Multilayerfolie die nötige Stabilität, wobei die Multilayerfolie bevorzugt noch so flexibel gestaltet ist, dass sehr kleine Biegeradien, bevorzugt ca. 1 mm, dargestellt werden können. Die keramischen Schichten stellen die elektrische Isolation sicher, so dass eine ungewollte elektrische Leitung über die Multilayerfolie hinweg wirksam verhindert ist.
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Die äußeren metallischen Schichten stellen die Kontaktschichten dar, über welche die Multilayerfolie an die übrigen Folien angebunden werden kann.
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Die Multilayerfolie kann im einfachsten Fall aus nur drei Schichten gebildet sein, wobei eine zentrale keramische Schicht vorgesehen ist und sich jeweils eine metallische Schicht daran anschließt. Alternative Ausgestaltungen können beispielsweise auch sieben oder neun Schichten aufweisen, solange das Grundkonzept mindestens einer keramischen Schicht im Zentrum und jeweils einer metallischen Schicht als Außenlagen gewahrt wird.
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Der Lagenstapel bestehend aus den metallischen Folien und der Multilayerfolie kann auf einfache Weise zu einem Wabenköper aufgewickelt werden. Durch die Multilayerfolie ist sichergestellt, dass der Wabenkörper zueinander elektrisch isolierte Lagen aufweist, die einen von einer Einleitungsstelle hin zu einer Ausleitungsstelle verlaufenden Strompfad bilden. Der sonst übliche Luftspalt in der Heizscheibe entfällt und ist aufgrund der Verwendung der Multilayerfolie nicht mehr notwendig.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Multilayerfolie fünf Einzelschichten aufweist, wobei die Multilayerfolie einen metallischen Kern aufweist, welcher beidseitig mit einer keramischen Schicht belegt ist, wobei sich an die keramische Schicht eine weitere metallische Schicht anschließt.
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Fünf Schichten sind vorteilhaft, da somit eine zentrale metallische Schicht zur Erzeugung der Stabilität der Multilayerfolie vorgesehen ist. Beidseitig zwei keramische Schichten zur elektrischen Isolation und wiederum beidseitig zwei metallische Schichten zur Anbindung der Multilayerfolie an die restlichen Folien des Lagenstapels.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Multilayerfolie glatt ausgebildet ist und zwischen zwei zueinander benachbarten zumindest teilweise strukturierten ersten Folien angeordnet ist. Die Multilayerfolie kann als eine glatte Folie fungieren und insbesondre zwischen zwei zumindest teilweise strukturierten Folien angeordnet werden. Auch ist es vorsehbar, dass einseitig eine makrostrukturierte Folie angeordnet ist und auf der andren Seite eine mikrostrukturierte Folie angeordnet ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Multilayerfolie zumindest teilweise strukturiert ausgebildet ist, insbesondere gewellt ist, und zwischen zwei glatten ersten Folien angeordnet ist. Die Multilayerfolie weist technische Eigenschaften auf, die es auch erlauben sie zu wellen und eine Mikrostruktur oder eine Makrostruktur einzuformen. Die Multilayerfolie kann somit anstelle jeder anderen verwendeten Folie im Lagenstapel angeordnet werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Lagenstapel zwei Multilayerfolien aufweist, welche zueinander durch zumindest eine erste metallische Folie beabstandet sind.
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Eine Mehrzahl an Multilayerfolien ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Isolationswirkung verdoppelt werden kann. Die beiden Multilayerfolien können beispielsweise durch eine strukturierte Folie zueinander beabstandet im Lagenstapel angeordnet sein. Auch ist es vorsehbar durch die Verwendung mehrere Multilayerfolien mehrere voneinander unabhängige elektrische Leiterpfade zu erzeugen.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Multilayerfolie an ihren die Außenseiten bildenden metallischen Schichten mit den direkt benachbarten ersten Folien im Wabenkörper dauerhaltbar verbunden ist. Insbesondere ist die dauerhaltbare Verbindung über ein Lötverfahren zu erzeugen, da dadurch die Verbindung der metallischen Folien untereinander und der Multilayerfolie mit den metallischen Folien in einem Arbeitsgang erzeugt werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zusätzlich einen durch einen Wabenkörper gebildeten Stützkatalysator aufweist, gegenüber welchem die Heizscheibe abgestützt ist, wobei der Stützkatalysator durch das Aufeinanderstapeln und Aufwickeln mehrerer Folien gebildet ist, wobei der Stützkatalysator zumindest eine Multilayerfolie aufweist, welche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung über eine der Stirnseiten des Stützkatalysators hinausragt.
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Um die Heizscheibe vorteilhaft in der Abgasleitung zu positionieren und insbesondere eine elektrische Kontaktierung anderer Elemente zu verhindern, kann die Heizscheibe bevorzugt elektrisch isoliert gegenüber einer Stützstruktur, wie beispielsweise einem anderen Wabenkörper, abgestützt werden.
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Erfindungsgemäß kann hierfür der als Stützkatalysator dienende Wabenkörper zumindest eine Multilayerfolie aufweisen, die jedoch im Gegensatz zu den restlichen metallischen Folien eine längere Erstreckung entlang der Hauptdurchströmungsrichtung des Wabenkörper aufweist und somit über die die Strömungskanäle begrenzenden Stirnfläche zumindest auf einer Seite übersteht.
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Diese überstehende Multilayerfolie ist dann bevorzugt Teil des Lagenstapels, der die Heizscheibe bildet. Sofern der Stützkatalysator und die Heizscheibe einen identischen oder zumindest sehr ähnlichen Aufbau aufweisen, insbesondere hinsichtlich Lagenanzahl und Wicklungsart, können beide Wabenkörper in einem gemeinsamen Arbeitsgang aufgewickelt und anschließend verlötet werden.
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Die Multilayerfolie übernimmt damit die Abstützfunktion von Heizscheibe zu Stützkatalysator und gleichzeitig auch die elektrische Isolation des elektrischen Leitungspfades der Heizscheibe an sich und die elektrische Isolation der Heizscheibe von dem Stützkatalysator.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die über die Stirnfläche des Stützkatalysators hinausragende Multilayerfolie auch Teil des Lagenstapels des die Heizscheibe bildenden Wabenkörpers ist. Auf diese Weise sind Heizscheibe und Stützkatalysator fest miteinander verbunden und in geeigneter Weise elektrisch zueinander isoliert.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Heizscheibe mittels der über den Stützkatalysator hinausragenden Multilayerfolie gegenüber dem Stützkatalysator fixiert und beabstandet ist.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Multilayerfolie des Stützkatalysators fünf Schichten aufweist, wobei die mittlere Schicht eine metallische Lage ist, welche beidseitig jeweils eine keramische Schicht aufweist, wobei auf die keramischen Schichten jeweils eine metallische Schicht folgt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Multilayerfolie, wobei die Multilayerfolie einmal als glatte Folie und einmal als strukturierte Folie gezeigt ist,
- 2 eine Ansicht eines Lagenstapels mit zwei Multilayerfolien,
- 3 eine Ansicht eines Lagenstapels mit einer gewellten Multilayerfolie,
- 4 eine Ansicht eines Lagenstapels mit einer glatten Multilayerfolie, und
- 5 eine Schnittansicht durch eine Stützkatalysator mit entlang der Strömungsrichtung überstehenden Multilayerfolien, wobei beabstandet zum Stützkatalysator auch eine Heizscheibe dargestellt ist.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt im oberen Bereich eine Multilayerfolie 1, welche aus fünf Schichten gebildet ist. Die Multilayerfolie 1 ist im oberen Bereich der 1 glatt ausgebildet. Im unteren Bereich der 1 ist eine Multilayerfolie 2 gezeigt, welche strukturiert, insbesondere gewellt, ist.
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Beide Multilayerfolien 1, 2 weisen fünf Schichten auf, wobei bei die zentrale Schicht 3 metallisch ist und die beiden angrenzenden Schichten 4, 5 keramisch sind. Die jeweils äußeren Schichten 6, 7 sind wiederum metallisch ausgebildet.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Heizscheibe 8, wobei die Heizscheibe 8 aus mehreren metallischen Folien 9, 10 gebildet ist. Innerhalb der Heizscheibe sind zwei Multilayerfolien 1 angeordnet, wobei die äußeren Schichten 6, 7 der Multilayerfolie 1 mit den jeweils angrenzenden metallischen Folien 9, 10 in Kontakt stehen und dauerhaltbar miteinander verbunden sind.
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Die beiden Multilayerfolien 1 sind durch eine gewellte metallische Folie 9 zueinander beabstandet. Die in 2 gezeigte Heizscheibe ist aus grob strukturierten (makrostrukturierten) Folien 9 und fein strukturierten (mikrostrukturierten) Folien 10 aufgebaut.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine alternative Heizscheibe 11, wobei die Heizscheibe 11 ebenfalls aus makrostrukturierten Folien 9 und mikrostrukturierten Folien 10 gebildet ist. Die Heizscheibe 11 weist eine Multilayerfolie 2 auf, welche zwischen zwei mikrostrukturierten Folien 10 angeordnet ist.
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4 zeigt eine weitere alternative Heizscheibe 12, wobei die Heizscheibe 12 ebenfalls aus makrostrukturierten Folien 9 und mikrostrukturierten Folien 10 gebildet ist. Die Heizscheibe 12 weist eine Multilayerfolie 1 auf, welche zwischen zwei mikrostrukturierten Folien 10 angeordnet ist.
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Stützkatalysator 13, der aus einem aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist. Oberhalb des Stützkatalysators 13 ist eine Heizscheibe 14 abgebildet, welche ebenfalls aus einem aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist.
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Im linken Teil der 5 weist der Stützkatalysator 13 eine gewellte Multilayerfolie 15 auf, die über die obere Stirnseite des Stützkatalysators 13 hinaussteht. Im rechten Teil weist der Stützkatalysator 13 eine glatte Multilayerfolie 16 auf, die ebenfalls über die obere Stirnseite hinaussteht. Der in 5 gezeigte Stützkatalysator ist beispielhaft und die unterschiedlichen Multilayerfolien 15, 16 sollen verdeutlichen, dass sowohl glatte als auch gewellte Multilayerfolien möglich sind. In einer realen Ausführung wären der Stützkatalysator 13 und die über die Stirnseite hinausragenden Multilayerfolien über den gesamten Querschnitt hinweg einheitlich ausgebildet. Die zweigeteilte Ansicht der 5 dient zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 5 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Multilayerfolie glatt
- 2
- Multilayerfolie gewellt
- 3
- Zentrale Metallschicht
- 4
- keramische Schicht
- 5
- keramische Schicht
- 6
- Metallschicht
- 7
- Metallschicht
- 8
- Heizscheibe
- 9
- Makrostrukturierte Folie
- 10
- Mikrostrukturierte Folie
- 11
- Heizscheibe
- 12
- Heizscheibe
- 13
- Stützkatalysator
- 14
- Heizscheibe
- 15
- gewellte Multilayerfolie
- 16
- glatte Multilayerfolie