排气加热布置结构的制作方法

1.本发明涉及一种用于内燃机的排气设备的排气加热布置结构。


背景技术：

2.对车辆中的内燃机的尽可能小的有害物质排放的越来越重要的要求需要特别的措施，所述措施尤其是在内燃机的起动阶段中可以减少有害物质排放。尤其是如下措施属于这样的措施，所述措施用于，将在排气设备中设置的排气处理单元、例如催化器或颗粒过滤器尽可能快速置于运行温度中，从而所述催化器或颗粒过滤器在起动阶段中还相对低的排气温度情况下已经能实施催化反应。
3.由de 10 2019 101 679a1已知排气加热单元，所述排气加热单元可以在排气流中在排气处理单元的上游设置。排气加热单元具有外罩加热元件，所述外罩加热元件包括例如由金属材料构造的外罩和在外罩的内部以绝缘材料嵌入地接纳的热导体。通过施加电压到热导体的连接端上，所述热导体被激励并且在此通过外罩将热量向外放出。在外罩的外侧上，设置螺旋状旋绕包围外罩的传热元件的形式的传热面成形部。该传热元件增大表面，通过所述表面，在激励热导体时，热量可以释放到环流这样的排气加热单元的排气上。
4.de 10 2019 107 384a1公开一种排气加热元件，其中为了增大可供放热的表面，设置包括波纹状旋绕的传热元件的传热面成形部。所述传热元件具有多个相继基本上彼此平行设置的并且通过波纹状的结构的相应的弯曲区段相互连接的传热元件区段，所述传热元件区段由外罩加热元件贯穿并且与外罩加热元件的外罩处于传热接触中。以这样的排气加热元件构造的加热单元可以这样结构化，使得排气加热元件围绕纵向中心轴线螺旋状旋绕地之间保持在轴向在其两侧设置的支架结构之间，从而基本上在包含这样的加热单元的排气导向壳体的整个横截面上，可以产生在其中流动的排气与加热单元的热的相互作用。


技术实现要素：

5.本发明的任务是，提供一种排气加热布置结构，其在紧凑的构造中实现热量到环流其的排气上的有效的传输。
6.按照本发明，该任务通过一种排气加热布置结构解决，所述排气加热布置结构具有加热单元，所述加热单元包括外罩加热元件，所述外罩加热元件包括外罩和至少一个在外罩中延伸的并且由绝缘材料包围的热导体，其中，加热单元螺旋状围绕纵向中心轴线旋绕，其中，加热单元的径向内部的旋绕端部区域相对于加热单元的径向外部的旋绕端部区域沿纵向中心轴线的方向错开。
7.通过按照本发明构造的排气加热布置结构的加热单元螺旋状旋绕地不是基本上处于与纵向中心轴线正交的平面中地设置，而是轴向延展，增大可供传热的外罩加热元件关于由排气流经的横截面积的长度，这又带来向环流这样的加热单元的排气中的改善的热量输入。
8.为了可以还进一步增大可供传热的表面，提出，加热单元具有支承在外罩上的传
热面成形部。
9.因为在按照本发明的排气加热布置结构的运行中，热量非常快速地在外罩或传热面成形部的表面的区域中提供，即使环流加热单元的排气的温度还相对低，所以当加热单元在外罩的区域中或/和在传热面成形部的区域中具有以催化有效的材料构造的外表面时，可以已经在内燃机或配置的排气设备的起动时的非常早的时刻实现在排气中包含的有害物质含量的有效的减少。
10.为了在利用可供使用的体积的情况下的最大可能的传热面，可以例如如下设置，传热面成形部具有至少一个螺旋旋绕状包围外罩加热元件的传热元件，或/和传热面成形部具有多个沿外罩加热元件的纵向方向相继设置的盘状的传热元件，或/和传热面成形部具有至少一个沿外罩加热元件波纹状延伸的、在相应的传热元件区段中由外罩加热元件贯穿的传热元件，或/和传热面成形部具有基本上圆的、优选圆形的外环周轮廓。
11.加热单元可以设置在沿纵向中心轴线的方向纵长延伸的排气导向壳体中，其中，为了与排气流特别有效的相互作用提出，加热单元的径向内部的旋绕端部区域相对于加热单元的径向外部的旋绕端部区域关于在排气导向壳体中的排气主流动方向在上游设置。
12.包括朝上游方向设置的径向内部的旋绕端部区域的这样的结构特别在如下情况中对于紧凑的设计是有利的，即，排气导向壳体具有沿排气主流动方向径向扩展的壳体区域，并且加热单元至少局部地设置在径向扩展的壳体区域中。
13.在加热单元下游可以这时也设置由通过加热单元加热的排气流在起动阶段中加热的排气处理单元、优选催化器单元或/和颗粒过滤器单元。
14.为了用于排气流与加热单元的有效的相互作用可以利用在排气导向壳体的内部主导的流动情况，提出，在至少一个、优选每个环周区域中，径向扩展的壳体区域相对于纵向中心轴线的张角小于与纵向中心轴线和加热单元的至少两个、优选所有旋绕区段在外罩加热元件的中心的区域中在所述至少一个环周区域中相交的加热单元定位线相对于纵向中心轴线的加热单元定位角。
15.在此可以优选进一步设置为，排气处理单元具有朝上游方向定向的并且相对于纵向中心轴线以排气处理单元定位角倾斜的流入侧，并且在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元定位角小于排气处理单元定位角。
16.不仅在排气流与在排气导向壳体中设置的加热单元的热的相互作用方面，而且在紧凑的结构方式方面特别有利的是，加热单元定位角小于或等于张角和排气处理单元定位角的总和的一半。
17.到排气流上的热量的非常有效的传输可以由此实现，即，在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元的至少两个、优选所有彼此直接相邻的旋绕区段彼此径向重叠，或/和在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元的至少两个、优选所有彼此直接相邻的旋绕区段彼此轴向重叠。可以因此尽量避免排气流基本上与加热单元没有热的相互作用的横截面区域。
18.为了尽管如此避免排气流的过于强烈的节流，进一步提出，在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元的至少两个、优选所有彼此直接相邻的旋绕区段沿与纵向中心轴线和加热单元的至少两个、优选所有旋绕区段在外罩加热元件的中心的区域中在所述至少一个环周区域中相交的加热单元定位线的方向彼此不重叠，优选彼此具有距离。
19.加热单元与排气流的相互作用也在中央的区域中、亦即在纵向中心轴线的区域中可以由此实现，即，径向内部的旋绕端部区域与纵向中心轴线相交。
20.在尤其是关于到包括沿排气流方向径向扩展的壳体区段的排气导向壳体中集成的特别简单地可实现的构造中提出，在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元的至少一部分旋绕区段、优选所有旋绕区段以外罩加热元件的中心处于与纵向中心轴线相交的、直线延伸的加热单元定位线上。因此实现加热单元的基本上锥状的结构。
21.在一种备选的设计型式中，在至少一个、优选每个环周区域中，加热单元的至少一部分旋绕区段、优选所有旋绕区段可以以外罩加热元件的中心处于与纵向中心轴线相交的、例如弓状弯曲的加热单元定位线上。
22.为了可以将加热单元稳定地安放在排气设备或排气设备的排气导向壳体中，进一步提出，在加热单元的至少一个、优选两个轴向的侧上，设置轴向支承加热单元的支架结构。
23.本发明此外涉及一种用于内燃机的排气设备，所述排气设备具有至少一个按照上述权利要求之一所述的排气加热布置结构。
附图说明
24.接着参考附图详细说明本发明。其中：
25.图1示出相对于排气处理单元在上游的排气加热布置结构的加热单元的透视图；
26.图2示出具有图1的加热单元和排气处理单元的排气处理装置的纵剖面视图；
27.图3示出部分纵剖面视图，其在原理式的图中示出图2的排气处理装置的构造；
28.图4示出图2的排气加热布置结构的加热单元的三个在环周区域中彼此直接相邻定位的旋绕区段的详细视图；
29.图5示出对应于图4的示图，其形象地说明备选的设计；
30.图6示出直线延伸地设置的加热单元的侧视图，包括外罩加热元件和包围所述加热单元的外罩的传热面成形部；
31.图7示出用于内燃机的包含图2的排气加热布置结构的排气设备的原理式的图。
具体实施方式
32.图1以透视图示出在图2中示出的排气加热布置结构14的具有排气处理单元10以及加热单元12的结构组合件。排气加热布置结构14此外具有排气导向壳体16，所述排气导向壳体包括接纳排气处理单元10的、基本上圆柱形的壳体区域18和沿排气主流动方向a在上游连接到基本上圆柱形的壳体区域18上的、沿排气主流动方向a关于纵向中心轴线l径向扩展的壳体区域20。例如可以作为催化器单元构造的排气处理单元10可以具有以催化有效的材料涂敷的催化剂组件22，所述催化剂组件在中间支承纤维垫24或类似物的情况下保持在排气导向壳体16的基本上圆柱形的壳体区域18中。
33.加热单元12处于排气处理单元10的流入侧26上地相对于排气处理单元在上游设置并且具有基本上纵长延伸的外罩加热元件28。外罩加热元件28利用通常以金属材料构造的外罩30和至少一个在外罩30中延伸的热导体32构造。为了实现在热导体32和外罩30之间的电绝缘，热导体32在外罩30中嵌入例如粉末状的电绝缘的材料中。在两个处于排气导向
壳体16外的连接端部区域34、36中，外罩加热元件28可以连接到电源37上(参见图7)，从而通过施加电压到两个连接端部区域34、36上，对热导体32并且通过该热导体对外罩30加热。
34.在外罩加热元件28的未集成到电流中的外罩30的外环周上，连接地总体以38表示的传热面成形部。所述传热面成形部38用于增大提供用于释放热量到环流加热单元12的排气的表面。由这样的传热面成形部38包围的外罩加热元件28的示例在图6中示出。传热面成形部在示出的设计示例中具有螺纹状旋绕的并且沿外罩加热元件28的外罩30沿其纵向方向延伸的传热元件40。利用其螺纹状旋绕的结构，例如同样由金属材料构造的传热元件40提供螺旋线状地沿外罩加热元件28的纵向方向延伸的两个传热面42、44。传热元件40形成通过轮廓线k径向向外关于热导体32被包围界定的、优选圆形的外环周轮廓。
35.要指出，传热面成形部38也可以另一种结构构造。这样所述传热面成形部可以例如具有多个沿外罩加热元件28的纵向方向相继设置的、盘状的例如具有圆形的外环周轮廓的传热面成形部，所述传热面成形部例如在中央区域中由外罩加热元件贯穿。在另一种备选的设计中，传热面成形部38可具有波纹(蜿蜒曲折)状盘绕的传热元件，所述传热元件具有多个在外罩加热元件的直线的延伸中基本上彼此平行设置的传热元件区段。所述传热元件区段可以例如在相应的将相邻的传热元件区段相互连接的弯曲区段之间在中央区域中由外罩加热元件28贯穿。
36.外罩加热元件28与传热面成形部38的连接可以例如由此建立，即，传热面成形部38以形状记忆材料制造。例如在传热面成形部的中央的区域中要由外罩加热元件28贯穿的开口可以通过冷成形这样提供，使得其具有比外罩加热元件28稍微更大的直径。在外罩加热元件28推入到这样的开口中之后，可以通过加热利用形状记忆材料构造的传热面成形部38，使其再次收缩，从而实现对于外罩加热元件的高的夹紧力并且因此实现固定的和持久的连接，而没有必须产生例如材料锁合的连接的必要性。
37.图1和2明显示出，加热单元连同外罩加热元件28和包围其的传热面成形部38螺旋状旋绕地围绕纵向中心轴线l地设置，从而沿由传热面成形部38包围的外罩加热元件28的旋绕的结构，相对于纵向中心轴线l的径向距离增加。加热单元12进一步这样构造，使得在螺旋状旋绕的结构中，径向内部的旋绕端部区域46沿纵向中心轴线l的方向与径向外部的旋绕端部区域48轴向错开。在此在图2中可看出，轴向的错位这样选择，使得径向内部的旋绕端部区域46关于径向外部的旋绕端部区域48朝上游方向、亦即相反于排气主流动方向a错开并且因此相对于排气处理单元10的流入侧26以更大的距离定位。
38.利用加热单元12的基本上锥状的结构，实现在用于内燃机52的加热单元12或借此构造的且在图7中以原理式的图示出的排气设备50的运行中的不同的优点。一方面可看出，加热单元12以其轴向伸展的、螺旋状的结构这样定位，使得其至少局部地在径向扩展的并且例如同样以锥状的或圆锥状的结构构造的壳体区域20中定位。因此确保紧凑的结构型式，其中，例如通过排气引导管54沿排气主流动方向a流入的排气限定地朝排气处理单元10的径向进一步伸展的流入侧26方向在环流加热单元12的情况下引导。因此也确保加热单元12与朝排气处理单元10引导的排气流的接着还要详细的解释的热的相互作用。在此可以为了可供使用的结构空间的有效的利用例如也设置为，加热单元12的螺旋状的结构的也具有径向外部的旋绕端部区域48的最后的旋绕区段基本上完全定位在排气导向壳体16的基本上圆柱形的壳体区域18中，从而也在排气处理单元10的径向最外面的区域中，可以确保加
热单元12与相对于排气处理单元10在上游的排气流的热的相互作用。
39.进一步，加热单元12的螺旋状旋绕的轴向伸展的结构导致，由传热面成形部38包围的外罩加热元件28的提供的总长度相比于基本上在一个平面中、亦即不轴向伸展的螺旋状的结构可以显著增大。由此外罩30和传热面成形部38的用于传热到排气上可供使用的表面增大，这有助于对要流动到排气处理单元10上的排气流的更有效的加热。
40.参考图3至5，接着解释按照本发明构造的排气加热布置结构14的结构上的设计方面。
41.图3在包含纵向中心轴线l的构成排气加热布置结构14或加热单元12的环周区域的平面中示出加热单元12的三个彼此相邻的旋绕区段56、58、60，其中，在图3中在上面并且相对于纵向中心轴线l以最远的距离定位的旋绕区段60提供径向外部的旋绕端部区域48并且在下面并且因此相对于纵向中心轴线l处于最近地示出的旋绕区段56提供径向内部的旋绕端部区域46。在每个所述旋绕区段56、58、60中，外罩加热元件28的例如通过热导体32或其中点定义的中心z处于加热单元定位线h上，所述加热单元定位线关于纵向中心轴线l和因此还有排气主流动方向a以加热单元定位角b直线地从径向内部向径向外部延伸。加热单元12的以这种方式设置的旋绕区段56、58、60在两个轴向在其两侧设置的支架结构62、64之间保持或轴向支承。为了能够实现排气的穿过，这些支架结构62、64可以栅格状或十字状地构成并且在其径向外部的区域中固定在排气导向壳体16上。
42.加热单元定位线h的通过加热单元定位角b表示的基本上也代表加热单元12的锥状的结构的锥角的倾斜也在考虑加热单元12的旋绕螺距的情况下这样选择，使得在一个或每个环周区域中围绕纵向中心轴线l彼此相邻的旋绕区段56、58、60沿径向的方向和轴向方向重叠。在此重叠分别关于加热单元12的旋绕区段的通过轮廓线k代表的外环周轮廓考察，所述外环周轮廓在示出的设计示例中通过传热面成形部38的外环周轮廓定义并且在示出的设计示例中因此具有基本上分别圆形的外环周轮廓。因此产生在彼此直接相邻的旋绕区段56、58、60之间的径向的重叠ur，并且产生彼此直接相邻的旋绕区段56、58、60的轴向的重叠ua。此外旋绕区段56、58、60这样定位，使得在一个或每个环周区域中，处于加热单元定位线h上的中心z沿加热单元定位线h的方向彼此具有这样的距离，使得各个旋绕区段56、58、60彼此不重叠，有利地彼此具有距离b。
43.在考虑在排气导向壳体16中的流动引导的情况下，加热单元定位角b关于纵向中心轴线l这样选择，使得所述加热单元定位角大于排气导向壳体12的径向扩展的壳体区域20的张角a。进一步地，加热单元定位角b这样选择，使得其小于排气处理单元10的流入侧26的排气处理单元定位角c。在此在基本上平的流入侧26中，排气处理单元定位角c可以是90
°
。
44.证实为有利的是，加热单元定位角b大致在中央处于排气处理单元定位角c和径向扩展的壳体区域20的张角a之间或较小，从而加热单元定位角b小于或等于排气处理单元定位角c和径向扩展的壳体区域20的张角a的总和的一半。要指出，关于该角度在与基本上旋转对称的设计偏离的结构中分别关于周向方向可以考虑平均的角度或考虑在定义的区域中沿纵向中心轴线l的方向和沿周向彼此可比较(相当)的角度。
45.利用这样的锥状的结构确保，随着相对于纵向中心轴线l的增加的距离具有与排气主流动方向a逐步偏离并且逐步径向向外取向的流动方向的排气流这样流入加热单元
12，使得实现排气和加热单元12之间的尽可能有效的热的相互作用。在此重要的是，随着径向向外逐步与排气主流动方向a偏离的排气流或其关于彼此重叠的旋绕区段56、58、60的定位的流动方向s，产生有效的重叠u
eff
，所述重叠显著大于径向的重叠ur或也大于轴向的重叠ua。因此，在每个由排气环流的旋绕区段中，确保排气流与不仅外罩加热元件28而且传热面成形部38的在相应的旋绕区段或相应的环周区域中定位的表面区域的有效的热的相互作用。尽管如此，通过在各个旋绕区段之间存在的距离d确保，对于穿过加热单元12的排气流不出现过量的流动阻塞或过度大的流动阻力。也通过距离d基于彼此直接相邻的旋绕区段56、58、60的相互的接触的避免实现这样构造的加热单元12的良好的耐久性。然而尽量避免排气流基本上不出现与任何的旋绕区段没有热的相互作用的区域。
46.在此要指出，有效的重叠u
eff
基本上通过加热单元定位角b确定。该角度越小，则加热单元12的锥状的结构越尖并且加热单元定位线h和在与纵向中心轴线l进一步径向远离的区域中的排气流的流动方向s之间的角度越小。尽可能小的距离d也有助于大的有效的重叠u
eff
。
47.加热单元12的不同的变型在图5的示图中可看出。在图5中可看出，径向内部的旋绕端部区域并且还有提供径向内部的旋绕端部区域46的旋绕区段56进一步径向在内地定位，从而其例如在外罩加热元件28的中心z的区域中与纵向中心轴线l相交。这确保，也在中央区域中不存在如下横截面，在所述横截面中，排气没有与加热单元12的热的相互作用地可流过。
48.图5进一步形象地说明，再次关于环周区域，在相应的旋绕区段56、58中的外罩加热元件28的中心z不是必须必然处于直线延伸的加热单元定位线h上，而是例如也可以处于弯曲的、优选弓形弯曲的加热单元定位线h
‘
上，所述加热单元定位线如在图5中示出的关于排气流可以凸起地成拱形亦或也可以凹地成拱形。要强调，当然中心z在这样弯曲的加热单元定位线h
‘
上的定位在考虑多于两个旋绕区段时在加热单元12的整体结构中模拟(形成)，因为通过两个旋绕区段当然总是可以拉出直线延伸的线。
49.利用各个旋绕区段56、58的中心在弯曲的加热单元定位线h
‘
上的这样的定位，整个加热单元12的通过传热面成形部38的外环周轮廓或轮廓线k分别定义的包封面也分别再次关于环周区域处于对应凸形或凹形伸延的线上。这样的线h
‘
的在先关于图3和4解释的定位可以例如在径向内部的区域中、亦即在这样的加热单元定位线h
‘
与纵向中心轴线l相交的地方考察，然而也可以借助这样的弯曲的加热单元定位线h
‘
的平均的定位角考察。
50.此外要指出，出于对称原因，优选在整个环周上沿纵向中心轴线l分别可以设置基本上相同的结构、亦即加热单元定位线h或h
‘
的大致相同的走向。
51.利用按照本发明构造的排气加热布置结构14确保，尤其是在内燃机52的起动阶段中将要流动到排气处理单元10上的排气有效加热并且该热量然后也输入到排气处理单元或其催化有效的材料中，所述排气加热布置结构具有在排气处理单元10上游的以螺旋状并且轴向伸展地旋绕的结构构造的加热单元12。因此可以显著缩短如下持续时间，在所述持续时间中，在内燃机52的运行的起动阶段中，排气处理单元10不足够热以实施在那里要实现的催化反应。
52.在此，排气加热布置结构14或加热单元12的效率可以进一步由此改善，即，碳氢化合物、亦即例如也是在内燃机52中使用的燃料喷射到加热单元12上。例如这可以利用相对
于加热单元12在上游定位的并且在图3中示出的注射器68进行。在加热单元12的加热运行中入射到其上的碳氢化合物基于在那里主导的温度转化，由此释放附加的反应热量，所述反应热量通过排气流可以传输给在下游定位的排气处理单元10。尤其是当内燃机52是柴油内燃机并且排气处理单元10具有scr催化器或/和柴油颗粒过滤器时，可以借此使这些系统区域非常快速地置于运行温度。该效果也可以由此实现，即，内燃机52这样运行，使得通过定义的点火角调节，燃料的一部分在其中不烧掉，而是未燃烧地喷出并且因此随着排气流传输到加热单元12。
53.为了尤其是在内燃机52的运行的起动阶段中可以实现有害物质排放的进一步减少，加热单元12可以在外罩30的外表面的区域中或/和在传热面成形部38上提供有包括催化有效的材料70的表面。因为在激励外罩加热元件28时，该催化有效的材料70可以非常快速地加热并且因此置于用于实施催化的反应需要的温度，所以以这种方式已经在排气处理单元10上游实现催化的转化和因此排气中的有害物质含量的减少。
54.如果排气处理单元10在作为汽油机构成的内燃机52中具有三元催化器，则所述催化有效的材料可以通过例如以铂或/和钯或/和铑的涂层提供。如果内燃机52是柴油机并且与此对应地排气处理单元是柴油氧化催化器，则催化有效的材料可以例如通过以铂或/和钯的涂层提供。当在作为柴油机构造的内燃机52中设定作为nox存储催化剂的使用时，也可以设置对应的涂层，其中，作为存储器构件例如可以设置包含钡的化合物。
55.如果排气处理单元10具有scr催化器配置于构造为柴油机的内燃机52，则催化有效的材料可以是水解催化器，所述水解催化器实现尿素/水溶液的在scr催化器上游要实施的制备。例如可以为此设置涂层，所述涂层以二氧化钛、二氧化锆或/和氧化铝构造。在与具有scr催化器的排气处理单元10的共同作用中，催化有效的材料70可以例如也以fe沸石、cu沸石或钒氧化物(例如五氧化钒)构造。尤其是在包括这样的氧化物的涂层中也可能，设置催化有效的材料作为混合氧化物涂层。
56.这样的涂层可以例如如下施加，即，在外罩30或/和传热面成形部38的要涂敷的表面上，首先涂敷包括相对高的al份额的所谓的水洗涂层(中间层washcoat)，例如包括大约5％的al份额的fecr合金1.4767，其中，要涂敷的表面也可以经受热处理。利用该水洗涂层，实现多孔的氧化物陶瓷的涂层，所述涂层基于其多孔的结构提供大的内部的表面，然后包括催化有效的材料70的涂层例如可以通过浸渍涂敷到所述内部的表面上。
57.在先前详细说明的加热单元12中，对彼此分别相邻的旋绕区段的结构或定位分别关于传热面成形部38的外环周轮廓进行解释。这尤其是也涉及彼此直接相邻的旋绕区段56、58、60的轴向和径向重叠的结构。尤其是包括传热面成形部38的这样的结构特别有利于提供用于传输热量到排气流上的尽可能大的表面。尽管如此要指出，加热单元12的包括轴向和径向重叠的旋绕区段的螺旋状缠绕的并且轴向伸展的结构原则上也可以在如下情况中实现，即，所述结构仅具有外罩加热元件28，然而不具有在外罩30上设置的传热面成形部。彼此直接相邻的旋绕区段的轴向和径向重叠的关系然后可分别关于外罩30的外环周轮廓形成。