WO2021083705A1 - Elektrische gasströmungsheizung und fahrzeug - Google Patents

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Toni Zipfel
Maximilian KUHNERT
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Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh
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    • F01N3/2026—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means directly electrifying the catalyst substrate, i.e. heating the electrically conductive catalyst substrate by joule effect
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    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to an electric gas flow heater and a vehicle with an electric gas flow heater.
  • Gas flow heaters are usually arranged in a gas flow and serve to heat the gas flowing through the gas flow heater.
  • An exemplary application for such gas flow heating is the heating of air in hair dryers.
  • Electric gas flow heaters are also used in the automotive sector. They are referred to here as exhaust gas heaters, for example.
  • exhaust gas purification devices such as, for example, catalytic converters, particle filters or the like, for exhaust gas purification.
  • the exhaust gas or the exhaust gas cleaning device In order to ensure a catalytically supported conversion of the pollutants, the exhaust gas or the exhaust gas cleaning device must have a predetermined minimum temperature. Such a minimum temperature has not yet been reached, in particular after a cold start or restart of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas cleaning device itself is therefore usually heated electrically in order to reach or maintain the predetermined minimum temperature.
  • Separate exhaust gas heaters can also be provided, which have a heating grid that heats up under the flow of current. These exhaust gas heaters are then usually arranged in the exhaust gas flow direction upstream of a catalytic converter or a particle filter in an exhaust duct of a vehicle and heat them up Exhaust gas flowing in the exhaust gas duct before it flows through the exhaust gas cleaning device.
  • the heating grids of conventional gas flow heaters are usually produced by subtractive processes such as shear cutting, machining or etching.
  • subtractive processes such as shear cutting, machining or etching.
  • a lot of material remains as unused process residues. Accordingly, a lot of material must be used relative to the amount of material in the end product, which makes it expensive to manufacture.
  • the above-mentioned methods are imprecise, which can lead to an uneven current flow in the finished heating grid, which consequently leads to uneven heating.
  • the object of the invention is to create an electric gas flow heater which is easy to manufacture with little or no waste and which ensures uniform heating of the gas.
  • an electric gas flow heater with a grid-like, axially gas-flowable heater forming an electric resistance heater, which has radially successive layers of ribbon-like material, the layers, in an axial view of the heater, being curved in a wave-like manner and valleys and peaks exhibit.
  • the layers that lie between the radially outermost and the radially innermost layers are attached with their peaks and valleys to their immediately radially adjacent layers, so that through-flow openings are formed between the layers.
  • This means that the valleys are attached to a layer that is adjacent on this radial side and, like valleys, are attached to their radial outer side and thus to the oppositely adjacent layer.
  • the valleys and peaks extend the entire width of the band.
  • the wavelengths of the layers increase radially outwards.
  • the peaks or valleys of one layer rest in a region of the valleys or peaks of the adjacent layer (s).
  • the outermost and innermost layers naturally have only one adjoining layer to which they are attached with their valleys or peaks and are aligned there with peaks or valleys.
  • the material in tape form can be produced very easily and the production loss of material can be significantly reduced or avoided.
  • the band or bands, viewed in the gas flow direction can be made axially longer to any desired extent.
  • the band or bands, viewed in the direction of gas flow can also be made thinner than is possible in the prior art.
  • the band or bands can be bent sinusoidally very easily.
  • each valley and each peak of a layer lie on a radial straight line on which a valley or a peak of the radially inwardly and radially outwardly adjoining layer lies.
  • each layer is formed by its own, separate band.
  • the separate bands can very easily be inserted into a separate support structure of the electric gas flow heater.
  • the individual layers are arranged concentrically. In this way, a uniform layer structure can be formed, as a result of which uniform heating of the gas can be achieved by the electrical gas flow heater.
  • the layers are formed by superimposed belt sections of a continuous and endlessly wound belt, which “jumps” to a next level or layer by bending the belt after each full revolution. So only one band has to be installed for a grille.
  • the tape-like material can be wound in one manufacturing step. This simplifies and drastically shortens the production of the radiator.
  • the layers can be connected to one another by means of an electrically conductive fastening, for example soldering, welding or gluing. At the same time, this can increase the stability of the radiator.
  • the connection of the layers is conductive, because only in this way a uniform flow of current and consequently uniform heating can be guaranteed.
  • the radially outermost layer can be surrounded by an end ring to which it is attached.
  • the closing ring can also be used to fasten the electric gas flow heater in the gas duct.
  • the closing ring can be a pinion with internal teeth.
  • the number of teeth corresponds to the number of waves in the band of the last layer so that the teeth are connected to the tips of the last layer of the band.
  • a prefabricated disc or ring can be provided in the center, around which the layers extend and to which the innermost layer is attached. This can increase the stability of the radiator.
  • the attachment of the innermost layer to the disk or the ring can serve as a starting point from which the spiral winding of one band for the manufacture of the heater takes place.
  • the disk is a pinion with external toothing, the number of teeth of which corresponds to the number of corrugations of the belt of the first layer.
  • the teeth are connected to the valleys of the first layer of the ligament.
  • the radiator, the closing ring and the disc or the ring in the center form a structural unit.
  • the at least one band which forms the layers or a layer, in addition to the valleys and peaks, has local indentations and bulges whose amplitude is smaller, in particular by a factor of 4, than the amplitude between adjacent valleys and peaks and / or extend over only part of the width of the belt.
  • the surface of the at least one band is increased, as a result of which a higher heat transfer between the band and the gas and thus more efficient heating of the gas is made possible.
  • These indentations and bulges are only small, local deviations from the originally flat band shape.
  • the radial thickness and / or an axial height seen in the flow direction is preferably the same within a layer. In this way, a uniform flow of current can be achieved within one layer and consequently uniform heating through the one layer.
  • the layers have the same or different radial thicknesses and / or the same or different axial heights in the direction of flow.
  • a uniform flow of current can be achieved over all layers and thus in the entire radiator, and thus uniform heating of the gas by the radiator can be achieved.
  • some layers can be specifically designed with a lesser or greater thickness compared to the other layers, as a result of which less or greater heating can be achieved in these areas.
  • purely constructive areas can be prefabricated in which different heating requirements are to be achieved, so that no electronic control is necessary in these areas.
  • the electric gas flow heater is preferably positioned, in particular, directly upstream of a gas cleaning device, for example a catalytic converter or a particle filter.
  • the gas is heated immediately upstream of the gas cleaning device, in which a certain minimum temperature must prevail for optimal and efficient conversion of the pollutants in the gas or for cleaning the gas.
  • the electric gas flow heater and the gas cleaning device touch one another. In this way, the path that the gas has to cover between the electric gas flow heater and the gas cleaning device is minimized, as a result of which the heat loss of the gas in the gas duct is significantly reduced.
  • the electric gas flow heater can be attached upstream of the gas cleaning device.
  • the heat loss of the gas in the gas duct can be reduced by the minimal distance to be covered between the electric gas flow heater and the gas cleaning device can be reduced.
  • an additional fastening of the electric gas flow heater in the gas duct can be saved.
  • the object is achieved by a vehicle with an internal combustion engine and an electric gas flow heater of the type mentioned above, by means of which the exhaust gas of the vehicle is heated. After a cold start or restart of the internal combustion engine, the exhaust gas can quickly be heated to the minimum temperature to ensure catalytically assisted conversion of the pollutants, thus significantly reducing pollutant emissions during the cold start.
  • Figure 1 is a schematic longitudinal section of a vehicle with an exhaust duct, an electrical gas flow heater according to the invention and an exhaust gas cleaning device,
  • FIG. 2 shows a plan view of the electrical gas flow heater according to the invention according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic detailed view of the electrical gas flow heater according to the invention according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematic, simplified plan view of a first embodiment of the electrical gas flow heater according to the invention according to FIG. 2, and FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic, simplified plan view of a second embodiment of the electrical gas flow heater according to the invention according to FIG. 2.
  • the electric gas flow heater can be used for various purposes in which a gas is to be heated.
  • a vehicle 10 can be seen with an internal combustion engine 12 and an exhaust line, in which a cleaning unit 14 is housed.
  • the cleaning unit 14 is defined by an outer housing 16 and has an exhaust gas cleaning device 18 and an exhaust gas heater 20.
  • the exhaust gas purification device 18 is, for example, a catalytic converter.
  • the exhaust gas heater 20 is arranged in the exhaust gas flow direction 22 at a distance from and upstream of the exhaust gas cleaning device 18.
  • the exhaust gas heater 20 can, however, also rest against the exhaust gas purification device 18 so that they touch each other and accordingly there is no distance between the exhaust gas heater 20 and the exhaust gas purification device 18. In other words, the exhaust gas heater 20 can be positioned directly upstream of the exhaust gas cleaning device 18.
  • the exhaust gas heater 20 and the exhaust gas cleaning device 18 are each fastened to the outer housing 16 and form a preassembled unit with it.
  • the exhaust gas heater 20 can also be attached directly to the exhaust gas purification device 18, for example in a separate, additional housing of the exhaust gas purification device 18.
  • the exhaust gas heater 20 is shown with a view in the exhaust gas flow direction 22.
  • the exhaust gas heater 20 comprises a fleece body 24, a radially inner disk or a radially inner ring 26 and a radially outer end ring 28.
  • the meat body 24 has at least one band-like material or band B, which is designed as a type of elongated and electrically conductive sheet metal.
  • the band B is an elongated metal sheet, for example a stainless steel sheet.
  • the band B is arranged with its longitudinal edge in the circumferential direction around the ring 26 and the width of the band B is aligned in the exhaust gas flow direction 22.
  • the width was previously also referred to as the axial height. In FIG. 2, therefore, only one side surface of a longitudinal edge of the band B is visible, this side surface being defined by a length of the longitudinal edge and a band thickness or band thickness.
  • the strip thickness can be the same or different over the entire strip.
  • the heating element 24 is arranged between the two rings 26, 28 in several layers S1 to S6, only a few layers being shown here in order to simplify the drawing.
  • the radially innermost, first layer S1 is attached to the radially inner ring 26 and the radially outermost, last layer S6 is attached to the radially outer ring 28, in particular in an electrically conductive manner, for example by soldering, welding or gluing.
  • each layer S1 -S6 can be formed by its own separate band B1 to B6 (see FIG. 4) or by a single, continuous band B1 (see FIG. 5).
  • the band B1 or bands B1 -B6 each have a wave shape that defines valleys 30 and peaks 32.
  • a radial thickness D and an axial height, viewed in the direction of flow, are essentially the same.
  • all layers S1-S6 have essentially the same radial thicknesses and / or axial heights compared to one another.
  • the layers S1 -S6 can have different radial thicknesses and / or axial heights compared to one another.
  • the bandwidth measured in the axial direction is always constant over all slices S1-S2.
  • the band B1 or the bands B1 -B6 can have smaller indentations 36 and opposite bulges 38 to increase the surface area of the band B1 or the bands B1-B6, which are preferably embossed in the band B1 or in the bands B1 -B6 before the bending Valleys and peaks are generated.
  • indentations 36 and bulges 38 optionally present in addition to the valleys 30 and peaks 32, have an amplitude that is much smaller, in particular smaller by a factor of 4, than the amplitude between adjacent valleys 30 and peaks 32, and / or extend over only one Part of the width of band B1 or bands B1-B6.
  • the indentations 36 and bulges 38 do not form any valleys 30 and peaks 32.
  • the layers S are attached to one another in an electrically conductive manner with their valleys 30 and peaks 32.
  • the first layer S1 is attached to the ring 26 exclusively with its valleys 30 and the last layer S6 is attached exclusively to the end ring 28 with its tips 32, in particular electrically.
  • the valleys 30 in the region of the peaks 32 on the peaks 32 of the radially inner layer S and the peaks 32 in the region of the valleys 30 on the valleys 30 of the radially outer layer S are electrically connected.
  • the fastening in particular electrically conductive, takes place for example by soldering, welding or gluing.
  • each valley 30 / each peak 32 lies on a radial straight line G, on which a peak 32 / a valley 30 is radially inward and a valley 30 / a peak 32 is located radially outside adjoining layer S lies.
  • the troughs 30 / peaks 32 of a layer S can lie slightly offset from the peaks 32 / troughs 30 of the adjacent layers S on the peaks 32 / troughs 30 of the adjacent layers S.
  • throughflow openings 34 through which the exhaust gas can flow are formed between the layers S1-S6.
  • current is applied to the belt B1 or the belts B1-B6 of the heating element 24.
  • the current can be distributed uniformly over the entire radiator via the connection points along the straight line G between the radially innermost layer S1 and the inner ring 26, between the radially outermost layer S6 and the end ring 28 and between the individual layers S1-S6.
  • the ring 26 and the closing ring 28 also consist of an electrically conductive material.
  • the band B1 or the bands B1-B6 heat up, as a result of which the exhaust gas flowing through the through-flow openings 34 is also heated.
  • the heating element 24 accordingly forms an electrical resistance heater.
  • the individual layers S1 -S6 are each formed by a single, separate band B1 to B6. Consequently, here the number of layers S1 -S6 corresponds to the number of tapes B1 -B6.
  • the bands B1-B6 are arranged concentrically to one another. The features previously described with reference to FIGS. 2 and 3 are also present here.
  • the individual layers S1-S6 are formed by a single, continuous band B1.
  • the band B1 extends here from the radially inner ring 26 in ring-like layers radially outward to the end ring 28.
  • the layers S1 -S6 are formed by superimposed band sections of the wound band B1, the band B1 after rotation by 360 ° "jumps" through an angled 40 to the next layer.
  • two bends 40 are provided with reference numerals.
  • the fastening points of the valleys 30 and peaks 32 of two radially adjacent layers S lie on the straight line G.
  • the radius and circumference of a layer S increases as the radial distance from the radially inner ring 26 increases, and the radial layer thickness, or thickness D for short, remains constant.
  • the wavelength of a band B1, B1-B6 increases with increasing radial distance from the radially inner ring 26.
  • the valleys 30 / peaks 32 of a layer S can bear slightly offset from the peaks 32 / valleys 30 of the adjacent layers S on the peaks 32 / valleys 30 of the adjacent layers S.
  • the number of valleys 30 and peaks 32 of adjacent layers S need not be exactly the same.

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Abstract

Eine elektrische Gasströmungsheizung (20) hat einen gitterartigen, axial von Abgas durchströmbaren, eine elektrische Widerstandsheizung bildenden Heizkörper (24), der radial aufeinanderfolgende Schichten (S1-S6) aus bandartigem Material (B1; B1-B6) aufweist, wobei die Schichten (S1-S6), in axialer Ansicht des Heizkörpers (24), wellenförmig gebogen sind und Täler (30) und Spitzen (32) aufweisen, wobei die Schichten (S1-S6), die zwischen der radial äußersten und der radial innersten Schicht (S6, S1) liegen, mit ihren Spitzen (32) und Tälern (30) an der jeweils radial angrenzenden Schicht (S) befestigt sind, sodass zwischen den Schichten (S1-S6) Durchströmöffnungen (34) gebildet sind, wobei die Wellenlängen der Schichten (S1-S6) radial nach außen zunehmen.

Description

Elektrische Gasströmungsheizung und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Gasströmungsheizung sowie ein Fahrzeug mit einer elektrischen Gasströmungsheizung.
Gasströmungsheizungen sind üblicherweise in einem Gasstrom angeordnet und dienen dazu, das durch die Gasströmungsheizung strömende Gas zu erwärmen.
Eine beispielhafte Anwendung für derartige Gasströmungsheizungen ist die Erwärmung von Luft in Haartrocknern.
Auch werden elektrische Gasströmungsheizungen im Automobilbereich eingesetzt. Sie werden hier beispielsweise als Abgasheizungen bezeichnet.
Um die Schadstoffemission von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren zu begrenzen, ist es bekannt, Abgasreinigungseinrichtungen, wie beispielsweise Katalysatoren, Partikelfilter oder dergleichen, zur Abgasreinigung einzusetzen.
Um eine katalytisch unterstützte Umwandlung der Schadstoffe zu gewährleisten, muss das Abgas oder die Abgasreinigungseinrichtung eine vorgegebene Mindesttemperatur aufweisen. Insbesondere nach einem Kaltstart oder Neustart des Verbrennungsmotors ist eine solche Mindesttemperatur noch nicht erreicht.
Üblicherweise wird daher die Abgasreinigungseinrichtung selbst elektrisch geheizt, um die vorgegebene Mindesttemperatur zu erreichen oder aufrecht zu erhalten.
Es können auch separate Abgasheizungen vorgesehen sein, die ein Heizgitter aufweisen, das sich unter Stromfluss erwärmt. Diese Abgasheizungen sind dann in der Regel in Abgasströmungsrichtung vor einem Katalysator oder einem Partikelfilter in einem Abgaskanal eines Fahrzeugs angeordnet und erwärmen ein im Abgaskanal strömendes Abgas, bevor es durch die Abgasreinigungseinrichtung strömt.
Die Heizgitter üblicher Gasströmungsheizungen werden in der Regel durch subtraktive Verfahren, wie beispielsweise Scherschneiden, Zerspanen oder Ätzen, hergestellt. Dabei bleibt allerdings viel Material als ungenutzte Verfahrensrückstände zurück. Dementsprechend muss viel Material relativ zur Materialmenge des Endprodukts verwendet werden, was die Herstellung kostenaufwendig macht. Zudem sind die oben genannten Verfahren ungenau, wodurch es beim fertigen Heizgitter zu ungleichmäßigem Stromfluss kommen kann, was folglich zu ungleichmäßiger Erwärmung führt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine ohne oder nur mit geringem Verschnitt und leicht herstellbare elektrische Gasströmungsheizung zu schaffen, die eine gleichmäßige Erwärmung des Gases gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Gasströmungsheizung gelöst mit einem gitterartigen, axial von Gas durchströmbaren, eine elektrische Widerstandsheizung bildenden Heizkörper, der radial aufeinanderfolgende Schichten aus bandartigem Material aufweist, wobei die Schichten, in axialer Ansicht des Heizkörpers, wellenförmig gebogen sind und Täler und Spitzen aufweisen. Die Schichten, die zwischen der radial äußersten und der radial innersten Schicht liegen, sind mit ihren Spitzen und Tälern an ihren unmittelbar radial angrenzenden Schichten befestigt, sodass zwischen den Schichten Durchströmöffnungen gebildet sind. Das heißt, die Täler sind an einer auf dieser radialen Seite angrenzenden Schicht und wie Täler an ihrer radialen Außenseite und damit an der entgegengesetzt angrenzenden Schicht befestigt. Die Täler und Spitzen erstrecken sich über die gesamte Breite des Bandes. Dabei nehmen die Wellenlängen der Schichten radial nach außen zu. Durch die Zunahme der Wellenlängen der radial versetzten Schichten ist es möglich, die Spitzen oder Täler einer Schicht in einem Bereich der Täler bzw. Spitzen der benachbarten Schicht(en) anliegen zu lassen. So können ein einheitliches Muster des Heizkörpers und folglich ein einheitlicher Stromfluss und eine einheitliche Erwärmung erzielt werden. Die äußerste und innerste Schicht haben natürlich nur eine angrenzende Schicht, an der sie mit ihren Tälern bzw. Spitzen angebracht und dort mit Spitzen bzw. Tälern ausgerichtet sind. Das Material in Bandform kann sehr leicht hergestellt werden und dabei der Herstellungsverlust an Material deutlich verringert oder vermieden werden. Zudem kann oder können das Band bzw. die Bänder, gesehen in Gasströmungsrichtung, in beliebigem Ausmaß axial länger hergestellt werden. Auch kann oder können das Band bzw. die Bänder, gesehenen in Gasströmungsrichtung, dünner hergestellt werden, als es im Stand der Technik möglich ist. Zudem können das Band oder die Bänder sehr leicht sinusförmig gebogen werden.
Gemäß einem Aspekt liegen jedes Tal und jede Spitze einer Schicht auf einer radialen Geraden, auf der ein Tal oder eine Spitze der radial innen und radial außen angrenzenden Schicht liegt. So kann ein im Wesentlichen symmetrisches Muster des Heizkörpers gebildet werden und folglich die Einheitlichkeit des Stromflusses und der Erwärmung weiter erhöht werden.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass jede Schicht durch ein eigenes, separates Band gebildet ist. Die separaten Bänder können sehr leicht in eine separate Trägerstruktur der elektrischen Gasströmungsheizung eingesetzt werden.
Insbesondere sind die einzelnen Schichten konzentrisch angeordnet. So kann eine einheitliche Schichtstruktur gebildet werden, wodurch eine einheitliche Erwärmung des Gases durch die elektrische Gasströmungsheizung erzielt werden kann.
Alternativ sind die Schichten durch übereinanderliegende Bandabschnitte eines, insbesondere durchgehenden und endlos gewickelten Bandes gebildet, das nach jedem vollen Umlauf auf eine nächste Ebene oder Schicht durch eine Abwinkelung des Bandes „springt“. So muss nur ein Band für ein Gitter verbaut werden. Zudem kann die Wicklung des bandartigen Materials in einem Herstellungsschritt erfolgen. Dies erleichtert und verkürzt die Herstellung des Heizkörpers drastisch.
Zur Erzeugung eines stabilen Heizgitters können die Schichten durch eine stromleitende Befestigung, beispielsweise Löten, Schweißen oder Kleben, miteinander verbunden sein. Gleichzeitig kann dadurch die Stabilität des Heizkörpers erhöht werden. Die Verbindung der Schichten ist stromleitend, da nur so ein einheitlicher Stromfluss und folglich eine einheitliche Erwärmung gewährleistet werden kann.
Zur weiteren Erhöhung der Stabilität des Heizkörpers kann die radial äußerste Schicht von einem Abschlussring umgeben sein, an welchem sie befestigt ist. Der Abschlussring kann zusätzlich zur Befestigung der elektrischen Gasströmungsheizung im Gaskanal dienen.
Beispielsweise ist der Abschlussring ein Ritzel mit einer Innenverzahnung sein. Die Anzahl der Zähne entspricht der Anzahl an Wellen des Bandes der letzten Schicht, sodass die Zähne mit den Spitzen der letzten Schicht des Bandes verbunden sind.
Im Zentrum kann eine vorgefertigte Scheibe oder ein vorgefertigter Ring vorgesehen sein, um die bzw. den herum sich die Schichten erstrecken und an der bzw. dem die innerste Schicht befestigt ist. Dadurch kann die Stabilität des Heizkörpers erhöht werden. Die Befestigung der innersten Schicht an der Scheibe oder dem Ring kann als Ausgangspunkt dienen, von dem aus die spiralförmige Wicklung des einen Bandes zur Herstellung des Heizkörpers erfolgt.
Beispielsweise ist die Scheibe ein Ritzel mit Außenverzahnung, deren Anzahl an Zähnen der Anzahl an Wellen des Bandes der ersten Schicht entspricht. Die Zähne sind mit den Tälern der ersten Schicht des Bandes verbunden.
Insbesondere bilden der Heizkörper, der Abschlussring und die Scheibe oder der Ring im Zentrum eine bauliche Einheit.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das zumindest eine Band, welches die Schichten oder eine Schicht bildet, zusätzlich zu den Tälern und Spitzen lokale Einbuchtungen und Ausbuchtungen hat, deren Amplitude kleiner, insbesondere um den Faktor 4 kleiner als die Amplitude zwischen benachbarten Tälern und Spitzen ist und/oder sich nur über einen Teil der Breite des Bandes erstrecken. So wird die Oberfläche des zumindest einen Bandes erhöht, wodurch ein höherer Wärmetransfer zwischen dem Band und dem Gas und so eine effizientere Erwärmung des Gases ermöglicht wird. Diese Ein- und Ausbuchtungen sind nur kleine, lokale Abweichungen von der ursprünglich ebenen Bandform. Bevorzugt ist innerhalb einer Schicht die radiale Dicke und/oder eine in Strömungsrichtung gesehene axiale Höhe gleich. So kann ein einheitlicher Stromfluss innerhalb einer Schicht und folglich eine einheitliche Erwärmung durch die eine Schicht erzielt werden.
Insbesondere besitzen die Schichten im Vergleich zueinander gleiche oder unterschiedliche radiale Dicken und/oder gleiche oder unterschiedliche in Strömungsrichtung axiale Höhen. Bei gleichen radialen Dicken und/oder axialen Höhen kann ein einheitlicher Stromfluss über alle Schichten und somit im gesamten Heizkörper erreicht und so eine einheitliche Erwärmung des Gases durch den Heizkörper erzielt werden. Bei unterschiedlichen radialen Dicken und/oder axialen Höhen können gezielt manche Schichten mit geringerer oder höherer Dicke im Vergleich zu den anderen Schichten ausgebildet sein, wodurch in diesen Bereichen eine geringere oder höhere Erwärmung erreicht werden kann. In anderen Worten ausgedrückt können rein konstruktiv Bereiche vorgefertigt werden, in denen unterschiedliche Erwärmungsanforderungen erzielt werden sollen, wodurch in diesen Bereichen keine elektronische Steuerung notwendig ist.
Bevorzugt ist die elektrische Gasströmungsheizung, insbesondere unmittelbar stromaufwärts einer Gasreinigungseinrichtung, beispielsweise eines Katalysators oder eines Partikelfilters positioniert. So erfolgt die Erwärmung des Gases unmittelbar vor der Gasreinigungseinrichtung, in der eine bestimmte Mindesttemperatur für eine optimale und effiziente Umwandlung der Schadstoffe im Gas oder für eine Reinigung des Gases herrschen muss. Durch die Positionierung der elektrischen Gasströmungsheizung unmittelbar vor der Gasreinigungseinrichtung kann das Gas sehr schnell auf die Mindesttemperatur erwärmt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die elektrische Gasströmungsheizung und die Gasreinigungseinrichtung berühren. So wird der Weg, den das Gas zwischen der elektrischen Gasströmungsheizung und der Gasreinigungseinrichtung zurücklegen muss, minimiert, wodurch der Wärmeverlust des Gases im Gaskanal deutlich reduziert wird.
Optional kann die elektrische Gasströmungsheizung stromaufwärts an der Gasreinigungseinrichtung angebracht sein. Auch so kann der Wärmeverlust des Gases im Gaskanal durch minimal zurückzulegenden Weg zwischen der elektrischen Gasströmungsheizung und der Gasreinigungseinrichtung reduziert werden. Des Weiteren kann so eine zusätzliche Befestigung der elektrischen Gasströmungsheizung im Gaskanal eingespart werden.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Gasströmungsheizung der zuvor genannten Art gelöst, durch die das Abgas des Fahrzeugs erwärmt wird. So kann nach einem Kaltstart oder Neustart des Verbrennungsmotors das Abgas schnell auf die Mindesttemperatur zur Gewährleistung einer katalytisch unterstützten Umwandlung der Schadstoffe erwärmt werden und so der Schadstoffausstoß während des Kaltstarts deutlich verringert werden.
Die beschriebenen Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen elektrischen Gasströmungsheizung gelten gleichermaßen für das Fahrzeug und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt eines Fahrzeugs mit einem Abgaskanal, einer erfindungsgemäßen elektrischen Gasströmungsheizung und einer Abgasreinigungseinrichtung,
Figur 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße elektrische Gasströmungsheizung gemäß Figur 1 ,
Figur 3 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Gasströmungsheizung gemäß Figur 2,
Figur 4 eine schematische, vereinfachte Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Gasströmungsheizung gemäß Figur 2, und
Figur 5 eine schematische, vereinfachte Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Gasströmungsheizung gemäß Figur 2. Wie zuvor bereits erläutert wurde, kann die elektrische Gasströmungsheizung für verschiedene Zwecke genutzt werden, bei denen ein Gas erwärmt werden soll.
Im Folgenden wird lediglich die Verwendung der elektrischen Gasströmungsheizung als Abgasheizung in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs zur Erwärmung eines Abgases des Fahrzeugs genauer beschrieben.
In Figur 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 12 und einem Abgasstrang zu sehen, in dem eine Reinigungseinheit 14 untergebracht ist. Die Reinigungseinheit 14 ist durch ein Außengehäuse 16 definiert und weist eine Abgasreinigungseinrichtung 18 und eine Abgasheizung 20 auf.
Die Abgasreinigungseinrichtung 18 ist beispielsweise ein Katalysator.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Abgasheizung 20 in Abgasströmungsrichtung 22 beabstandet von und stromaufwärts der Abgas reinigungseinrichtung 18 angeordnet.
Die Abgasheizung 20 kann jedoch auch an der Abgasreinigungseinrichtung 18 anliegen, sodass sie sich berühren und dementsprechend kein Abstand zwischen der Abgasheizung 20 und der Abgasreinigungseinrichtung 18 vorhanden ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Abgasheizung 20 unmittelbar stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung 18 positioniert sein.
Die Abgasheizung 20 und die Abgasreinigungseinrichtung 18 sind in der hier gezeigten Ausführungsform jeweils am Außengehäuse 16 befestigt und bilden mit diesem eine vormontierte Einheit.
Alternativ kann die Abgasheizung 20 auch direkt an der Abgasreinigungs einrichtung 18, beispielsweise in einem eigenen, zusätzlichen Gehäuse der Abgasreinigungseinrichtung 18, angebracht sein.
In Figur 2 ist die Abgasheizung 20 mit Blick in Abgasströmungsrichtung 22 gezeigt. Die Abgasheizung 20 umfasst einen Fleizkörper 24, eine radial innere Scheibe oder einen radial inneren Ring 26 und einen radial äußeren Abschlussring 28.
Der Fleizkörper 24 hat zumindest ein bandartiges Material oder Band B, das als eine Art längliches und elektrisch leitendes Blech ausgebildet ist. Insbesondere ist das Band B ein längliches Metallblech, beispielsweise ein Edelstahlblech.
Das Band B ist mit seinem Längsrand in Umfangsrichtung um den Ring 26 angeordnet und die Breite des Bandes B ist in Abgasströmungsrichtung 22 ausgerichtet. Die Breite wurde zuvor auch als axiale Höhe bezeichnet. In Figur 2 ist demnach lediglich eine Seitenfläche eines Längsrandes des Bandes B sichtbar, wobei diese Seitenfläche durch eine Länge des Längsrandes und eine Banddicke oder Bandstärke definiert ist.
Die Banddicke kann über das gesamte Band gleich oder unterschiedlich sein.
In Figur 3 ist ein Ausschnitt der Abgasheizung 20 im Detail vereinfacht gezeigt.
Der Heizkörper 24 ist zwischen den beiden Ringen 26, 28 in mehreren Schichten S1 bis S6 angeordnet, wobei hier nur wenige Schichten dargestellt sind, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Die radial innerste, erste Schicht S1 ist dabei am radial inneren Ring 26 und die radial äußerste, letzte Schicht S6 ist am radial äußeren Ring 28, insbesondere stromleitend, befestigt, beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben.
Hierbei kann jede Schicht S1 -S6 durch ein eigenes separates Band B1 bis B6 (siehe Figur 4) oder durch ein einzelnes, durchgängiges Band B1 (siehe Figur 5) gebildet sein.
Das Band B1 oder die Bänder B1 -B6 haben jeweils eine Wellenform, durch die Täler 30 und Spitzen 32 gebildet sind.
Innerhalb einer Schicht S1-S6 ist eine radiale Dicke D und eine, in Strömungsrichtung gesehen, axiale Höhe im Wesentlichen gleich.
Insbesondere weisen alle Schichten S1-S6 im Vergleich zueinander im Wesentlichen gleiche radiale Dicken und/oder axiale Höhen auf.
Alternativ können die Schichten S1 -S6 im Vergleich zueinander unterschiedliche radiale Dicken und/oder axiale Höhen aufweisen.
Ferner ist die Bandbreite in axialer Richtung gemessen über alle Schichten S1 - S2 stets konstant. Das Band B1 oder die Bänder B1 -B6 können zur Erhöhung der Oberfläche des Bandes B1 oder der Bänder B1-B6 kleinere Einbuchtungen 36 und entgegengesetzte Ausbuchtungen 38 aufweisen, die vorzugsweise durch Einprägungen in Band B1 oder in den Bändern B1 -B6 vor dem Biegen der Täler und Spitzen erzeugt werden.
Diese optional zusätzlich zu den Tälern 30 und Spitzen 32 vorhandenen Einbuchtungen 36 und Ausbuchtungen 38 haben eine Amplitude, die viel kleiner, insbesondere um den Faktor 4 kleiner als die Amplitude zwischen benachbarten Tälern 30 und Spitzen 32 ist, und/oder erstrecken sich nur über einen Teil der Breite des Bandes B1 oder der Bänder B1-B6.
Dementsprechend bilden die Einbuchtungen 36 und Ausbuchtungen 38 keine Täler 30 und Spitzen 32 aus.
Die jeweils radial aneinander angrenzenden Schichten S sind mit ihren Tälern 30 und Spitzen 32 stromleitend aneinander befestigt.
Die erste Schicht S1 ist ausschließlich mit ihren Tälern 30 am Ring 26 und die letzte Schicht S6 ausschließlich mit ihren Spitzen 32 am Abschlussring 28 befestigt, insbesondere stromleitend. Für die übrigen Schichten S2 bis S5 gilt, dass die Täler 30 im Bereich der Spitzen 32 an den Spitzen 32 der radial innenliegenden Schicht S und die Spitzen 32 im Bereich der Täler 30 an den Tälern 30 der radial außenliegenden Schicht S stromleitend befestigt sind.
Die, insbesondere stromleitende, Befestigung erfolgt beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben.
Die radial benachbarten Schichten S sind in der gezeigten Ausführungsform so aneinander befestigt, dass jedes Tal 30/jede Spitze 32 auf einer radialen Geraden G liegt, auf der eine Spitze 32/ein Tal 30 der radial innen und ein Tal 30/eine Spitze 32 der radial außen angrenzenden Schicht S liegt.
In einer anderen Ausführungsform können die Täler 30/Spitzen 32 einer Schicht S leicht versetzt zu den Spitzen 32/Tälern 30 der angrenzenden Schichten S an den Spitzen 32/Tälern 30 der angrenzenden Schichten S anliegen.
Zwischen den Schichten S1-S6 sind durch die oben beschriebene Anordnung Durchströmöffnungen 34 gebildet, durch die das Abgas hindurchströmen kann. Zur Erwärmung des durch die Durchströmöffnungen 34 strömenden Abgases, wird Strom an das Band B1 oder die Bänder B1 -B6 des Heizkörpers 24 angelegt.
Über die Verbindungsstellen längs der Geraden G zwischen der radial innersten Schicht S1 und dem inneren Ring 26, zwischen der radial äußersten Schicht S6 und dem Abschlussring 28 und zwischen den einzelnen Schichten S1 - S6 kann der Strom einheitlich über den gesamten Heizkörper verteilt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ring 26 und der Abschlussring 28 auch aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.
Bei Stromfluss erwärmen sich das Band B1 oder die Bänder B1-B6, wodurch sich auch das durch die Durchströmöffnungen 34 strömende Abgas erwärmt.
Der Heizkörper 24 bildet demnach eine elektrische Widerstandsheizung.
In den Figuren 4 und 5 sind eine erste und eine zweite Ausführungsform des Heizkörpers 24 dargestellt. Aus Gründen der Übersicht sind in diesen Figuren nicht alle radialen Geraden G eingezeichnet.
In der ersten Ausführungsform sind die einzelnen Schichten S1 -S6 jeweils durch ein einzelnes, separates Band B1 bis B6 gebildet. Folglich entspricht hier die Anzahl der Schichten S1 -S6 der Anzahl der Bänder B1 -B6.
Die Bänder B1-B6 sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet. Die bisher in Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschriebenen Merkmale sind auch hier vorhanden.
Dagegen sind in der zweiten Ausführungsform die einzelnen Schichten S1-S6 durch ein einziges, durchgehendes Band B1 gebildet.
Das Band B1 erstreckt sich hierbei vom radial inneren Ring 26 ausgehend in ringartigen Schichten radial nach außen zum Abschlussring 28. In anderen Worten ausgedrückt, sind die Schichten S1 -S6 durch übereinanderliegende Bandabschnitte des gewickelten Bandes B1 gebildet, wobei das Band B1 nach Umlauf um 360° durch eine Abwinkelung 40 zur nächsten Schicht „springt“. In Figur 5 sind zwei Abwinkelungen 40 mit Bezugszeichen versehen. In beiden Ausführungsformen liegen auf den Geraden G jeweils die Befestigungspunkte der Täler 30 und Spitzen 32 zweier radial benachbarter Schichten S.
Dazu ist es notwendig, dass die Anzahl der Täler 30 und Spitzen 32 benachbarter Schichten S exakt gleich ist. Insbesondere ist die Anzahl der Täler 30 und Spitzen 32 aller Schichten S1-S6 exakt gleich.
Der Radius und Umfang einer Schicht S wird mit zunehmenden radialen Abstand vom radial inneren Ring 26 größer, die radiale Schichtdicke, kurz Dicke D bleibt konstant. Zur Sicherstellung der gleichen Anzahl an Tälern 30 und Spitzen 32 aller und so auch benachbarter Schichten S nimmt die Wellenlänge eines Bandes B1 , B1- B6 mit zunehmenden radialen Abstand vom radial inneren Ring 26 zu.
Alternativ können in anderen Ausführungsformen die Täler 30/Spitzen 32 einer Schicht S leicht versetzt zu den Spitzen 32/Tälern 30 der angrenzenden Schichten S an den Spitzen 32/Tälern 30 der angrenzenden Schichten S anliegen. Hierbei muss die Anzahl der Täler 30 und Spitzen 32 benachbarter Schichten S nicht exakt gleich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Gasströmungsheizung, mit einem gitterartigen, axial von Gas durchströmbaren, eine elektrische Widerstandsheizung bildenden Heizkörper (24), der radial aufeinanderfolgende Schichten (S1-S6) aus bandartigem Material (B1 ; B1 -B6) aufweist, wobei die Schichten (S1-S6), in axialer Ansicht des Heizkörpers (24), wellenförmig gebogen sind und Täler (30) und Spitzen (32) aufweisen, wobei die Schichten (S1-S6), die zwischen der radial äußersten und der radial innersten Schicht (S6, S1) liegen, mit ihren Spitzen (32) und Tälern (30) an ihren radial angrenzenden Schichten (S) befestigt sind, sodass zwischen den Schichten (S1 - S6) Durchströmöffnungen (34) gebildet sind, wobei die Wellenlängen der Schichten (S1-S6) radial nach außen zunehmen.
2. Elektrische Gasströmungsheizung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Tal (30) und jede Spitze (32) einer Schicht (S) auf einer radialen Geraden (G) liegt, auf der ein Tal (30) oder eine Spitze (32) der radial innen und radial außen angrenzenden Schicht (S) liegt.
3. Elektrische Gasströmungsheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (S1-S6) durch ein eigenes Band (B1-B6) gebildet ist.
4. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (S1-S6) durch übereinanderliegende Bandabschnitte eines gewickelten Bandes (B1) gebildet sind.
5. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (S1 -S6) durch eine stromleitende Befestigung miteinander verbunden sind.
6. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußerste Schicht (S6) von einem Abschlussring (28) umgeben ist, an welchem sie befestigt ist.
7. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum eine vorgefertigte Scheibe oder ein vorgefertigter Ring (26) vorgesehen ist, um die bzw. den herum sich die Schichten (S1 -S6) erstrecken und an der bzw. dem die innerste Schicht (S1) befestigt ist.
8. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Band (B1 ; B1 -B6), welches die Schichten (S1 -S6) oder eine Schicht (S1 -S6) bildet, zusätzlich zu den Tälern (30) und Spitzen (32) Einbuchtungen (36) und Ausbuchtungen (38) hat, deren Amplitude kleiner, insbesondere um den Faktor 4 kleiner als die Amplitude zwischen benachbarten Tälern (30) und Spitzen (32) ist und/oder sich nur über einen Teil der Breite des Bandes (B1 ; B1 -B6) erstrecken.
9. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Schicht (S1-S6) ihre radiale Dicke gleich ist.
10. Elektrische Gasströmungsheizung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (S1-S6) im Vergleich zueinander gleiche radiale Dicken besitzen.
11. Elektrische Gasströmungsheizung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie stromaufwärts einer Abgasreinigungseinrichtung (18) positioniert ist und mit dieser eine Einheit bildet.
12. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer elektrischen Gasströmungsheizung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch die das Abgas des Fahrzeugs erwärmt wird.
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