CN118128624A - 用于将排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元，所述支撑单元包括：沿纵向轴线(L)的方向延伸的且围绕所述纵向轴线(L)的支撑套筒(24)；支撑销(26)，所述支撑销具有在所述支撑套筒(24)中延伸的套筒连接区域(28)和突出于所述支撑套筒(24)的排气加热器连接区域(30)，其中，所述支撑销(26)至少在其套筒连接区域(28)的区域中或/和所述支撑套筒(24)在围绕所述支撑销(26)的套筒连接区域(28)的内表面(46)上涂覆有绝缘材料(40)，并且所述套筒连接区域(28)通过力锁合而保持在所述支撑套筒(24)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元、一种由至少一个这样的支撑单元构造的排气加热器和一种用于制造这样的支撑单元的方法。本发明还涉及一种由这样的排气加热器构造的排气设备。
背景技术
由DE102020123376A1已知一种用于内燃发动机的排气设备的排气加热器，在该排气加热器中，基本上盘状地构造的且具有大致曲折状的结构的加热导体支承在支承结构上的多个固定点上。支承结构在加热导体的上游和下游分别包括一个支承部分。两个支承部分在其之间容纳加热导体并且在径向外部包围该加热导体。在固定点处，由陶瓷材料构成的绝缘元件定位在每个支承部分与加热导体之间。通过各支承部分、绝缘元件和穿过加热导体的螺栓来实现固定的束缚保持。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将其排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元，借助该支撑单元，在结构简单的设计方案中实现加热导体在支承结构上的稳定的电绝缘支撑。
根据本发明，所述目的通过一种用于将排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元来实现，所述支撑单元包括：沿纵向轴线的方向延伸的并围绕所述纵向轴线的支撑套筒；支撑销，所述支撑销具有在所述支撑套筒中延伸的套筒连接区域和突出于所述支撑套筒的排气加热器连接区域；所述支撑销至少在其套筒连接区域的区域中或/和所述支撑套筒在围绕所述支撑销的套筒连接区域的内表面上涂覆有绝缘材料，并且所述套筒连接区域通过力锁合保持在所述支撑套筒中。
因为在根据本发明构造的支撑单元中产生加热导体和支承结构之间的连接的两个构件(即支撑套筒和支撑销)的束缚保持仅通过力锁合并且由此在不使用附加构件的情况下固定地且通过绝缘材料电绝缘地彼此保持，所以实现抵抗机械负荷、热负荷和化学负荷的简单结构。
对于一种简单且也可成本低廉地制造的设计方案，所述支撑销可以至少在其套筒连接区域中构造有基本上柱体形的外周轮廓，使得特别是也可以将支撑套筒作为基本上柱体形的且因此可简单制造的构件提供。
在一种备选设计方案中，所述支撑销可以至少在其套筒连接区域中优选沿远离所述排气加热器连接区域的方向优选锥形渐缩地构造，这便于这两个构件轴向插入到彼此中。
特别是在支撑销的这种渐缩结构中，所述力锁合可以通过将所述套筒连接区域轴向压入到所述支撑套筒中以简单的方式提供。
备选或附加于这种轴向压入，所述支撑套筒与所述支撑销之间的稳定的力锁合可以通过在将所述套筒连接区域插入到所述支撑套筒之前对所述支撑套筒或/和所述支撑销进行热处理来提供。
为此例如可以轨道：在将所述套筒连接区域插入到所述支撑套筒之前加热所述支撑套筒或/和冷却所述支撑销。
一方面为了通过绝缘材料实现足够强的电绝缘也防止相对大的电流，另一方面为了不损害由力锁合提供的结构强度，所述绝缘材料可以具有0.01mm至0.1mm范围内的层厚度。借助具有绝缘材料的这种薄涂层，同时也实现整个支撑单元的非常低的热质量。
如果绝缘材料以陶瓷材料构造，则实现非常好的电绝缘，同时绝缘材料的耐热性和耐化学性同样非常好。
为了尽可能有效地屏蔽绝缘材料免受特别是通过穿流排气设备的排气引起的外部作用，提出：所述绝缘材料在所述支撑套筒的至少一个轴向端部上不轴向突出于所述支撑套筒。
为了避免蠕变电流，所述绝缘材料可以至少在所述支撑套筒的面向所述排气加热器连接区域的轴向端部上轴向突出于所述支撑套筒。
当所述支撑销和所述支撑套筒由金属材料构成时，辅助支持耐热的、耐机械的和耐化学的结构并且同时提供将支撑销和支撑套筒材料锁合地、例如通过焊接接合到加热导体或者说支承结构上的可能性。
本发明还涉及一种用于制造根据本发明的支撑单元的方法，为了将所述支撑套筒与所述支撑销力锁合地连接，在将所述套筒连接区域插入到所述支撑套筒之前，加热所述支撑套筒或/和冷却所述支撑销。因此，本发明利用如下效果，即，通过加热支撑套筒，支撑套筒首先膨胀并且在随后冷却时固定地包握已经插入到该支撑套筒中的支撑销或者说以其内表面固定地压靠到支撑销的外表面上以产生稳定的摩擦锁合。对应情况可以通过如下方式实现，即，将支撑销在插入到支撑套筒中之前冷却，使得该支撑销收缩并且在随后加热中又出现膨胀时以其外表面压到支撑套筒的内表面上以产生固定的摩擦锁合。
在此特别有利的是：将所述支撑套筒加热到高于在所述排气加热器上最大程度出现的上限温度的温度或/和将所述支撑销冷却到低于在所述排气加热器上最大程度出现的下限温度的温度。上限温度是在集成到排气设备中的排气加热器中特别是在其运行中通常不会达到或超过的温度。同样，下限温度是在集成到排气设备中的排气加热器中例如在非常低的环境温度下通常不会低于的温度。由此可以确保：在通过外部影响将这种排气加热器集成到排气设备中之后不产生对支撑单元的这种冷却或加热，这可能导致：又将由热调节引起的力锁合的或摩擦锁合的连接消除。
本发明还涉及一种用于内燃发动机的排气设备的排气加热器，所述排气加热器包括支承结构和至少一个加热导体，所述至少一个加热导体借助于至少一个根据本发明构成的支撑单元支承在支承结构上。
为了稳定的结构，所述至少一个支撑单元可以优选以其支撑套筒材料锁合地、优选通过焊接固定在所述支承结构上并且优选以其支撑销材料锁合地、优选通过焊接固定在所述至少一个加热导体上。
本发明还涉及一种具有至少一个根据本发明构造的排气加热器的排气设备。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。附图中：
图1示出用于内燃机的排气设备的排气加热器的一部分；
图2沿图1中的视向II示出图1的排气加热器；
图3示出连接加热导体和排气加热器的支承结构的支撑单元的纵剖视图；
图4示出支撑单元的一种备选设计型式的对应于图1的视图；
图5示出具有排气加热器的排气设备的原理图。
具体实施方式
在下面参照图1至图4详细描述用于将加热导体支撑在排气加热器的支承结构上的支撑单元的结构之前，首先参照图5解释包含这种排气加热器的排气设备10的基本结构。
排气设备10包括例如管状构造的排气引导元件12，在该排气引导元件中，排气A沿排气主流动方向流动。设置在排气引导部件12中的排气加热器14包括例如构造为板材成形件或板材冲压件的板状的支承结构16，该支承结构在其外周区域中例如通过材料锁合、例如焊接接合到排气引导部件12的内表面上。在支承结构12上，例如通过从例如具有曲折状地或螺旋状地卷绕的结构的扁平材料分离而构成的加热导体18通过多个支撑单元20固定地支承。通过将电压施加在加热导体18的连接端上，将加热导体流动穿过该加热导体的电流加热到例如几百摄氏度的温度。可以将在加热导体18中生成的热量在穿流在其中构造的穿流开口21的排气A的区域中传递到该加热导体上并且也传递到支承结构16上。在排气加热器14的区域中加热的排气A进一步朝一般以22标记的排气处理单元流动。找个排气处理单元流动例如可以构造为催化器如例如氧化催化器、SCR催化器等或者构造为颗粒过滤器。
通过加热例如在相对低的外部温度下或在内燃机的工作运行开始时具有相对低温的排气A来产生如下可能性，即，使位于排气加热器14下游的排气处理单元22快速置于对于该排气处理单元必需的运行温度或者说可靠地保持在这样的运行温度。特别是也可以内燃机投入运行之前在排气加热器14上加热通过排气引导部件12导向的另一种气体、例如空气，然后在内燃机投入运行之前已经将传递到该气体上的热量用于对排气处理单元22的热调节。
在图1至图3中详细示出在排气加热器14中使用的这种支撑单元20的一种实施方式。支撑单元20包括沿纵向轴线L的方向纵向伸长的支撑套筒24。在所示实施例中，支撑套筒24具有柱体形的、例如圆形的横截面几何形状、特别是内部横截面几何形状并且优选以金属材料构造。
在支撑套筒24中容纳有具有其套筒连接区域28的支撑销26。利用突出于支撑套筒24的排气加热器连接区域30，支撑销26在所示设计示例中固定在加热导体18上。
支撑套筒24在位于背向排气加热器连接区域30的轴向端部32与面向排气加热器连接区域30的轴向端部42之间的区段的区域中(在该区域中，支撑套筒26穿过在图2中示出的板状支承结构16中的所配设的开口44)固定在支承结构14上。支撑销26在加热导体18上的固定和支撑套筒24在支承结构14上的固定都可以通过相应的焊接部34、36进行。为此，可以使用各种焊接方法如例如激光焊接、MAG焊接、TIG焊接等。以这种方式和方法，确保抵抗机械负荷和热负荷的并且也抵抗穿流排气加热器14的排气的、支撑单元20与加热导体18以及支承结构14的耐化学连接。
为了使加热导体18相对于同样以金属材料构造的支承结构14电绝缘，例如支撑销26在其套筒连接区域28中的外表面38上设有具有绝缘材料40的涂层。绝缘材料40可以优选由陶瓷材料构成，并且例如以涂漆或镀膜的形式施加，其具有0.01mm至0.1mm的范围内的层厚度。
绝缘材料40在支撑套筒24的背向排气加热器连接区域30的轴向端部32上和在支撑套筒24的面向排气加热器连接区域42的轴向端部上都不突出于支撑套筒，而优选与支撑套筒齐平。在支撑套筒24的这两个轴向端部32、42上，绝缘材料40由此仅以非常小的环形端向外部露出并且由此可以仅在这个区域中与环流支撑单元20的排气接触。这附加地保护绝缘材料40免受外部影响、特别是化学侵蚀性排气A。
备选或附加于支撑销26涂覆有绝缘材料40，也可以将这种绝缘材料例如以涂漆的形式或通过镀膜等施加在支撑套筒24的内表面46上。
为了实现支撑套筒24与支撑销26之间的稳定连接，而不必为此使用附加的导致材料锁合或形状锁合的器件，在支撑单元20中，支撑销26仅通过力锁合、即摩擦锁合保持在支撑套筒24中。在图1中示出的设计方案中(在该设计方案中，支撑套筒具有基本上柱体形的内表面26并且支撑销26具有基本上柱体形的外表面38)，这种力锁合可以通过在将支撑套筒24或/和支撑销26插入到彼此中之前对这两个构件进行热处理来实现。例如可以加热支撑套筒24，使得该支撑套筒膨胀并且可以将支撑销26首先基本上与已经设置在套筒连接区域28上的具有绝缘材料40的涂层无显著摩擦接触地插入到支撑套筒24中。在随后冷却时，支撑套筒24收缩并以其内表面26固定地且在整个表面上基本均匀地压到支撑销26的外表面38或在其上设置的绝缘材料40上。由此，可靠地避免特别是绝缘材料40的局部过载。为了确保即使在排气设备10或者说排气加热器14的运行中以及在此出现的对支撑单元20的加热时也不消除这个力锁合连接，将支撑套筒24在这个热处理时优选加热到高于排气加热器14或其加热导体18可以在排气设备10的运行中最大程度达到的温度。
在附加的或备选的要进行的热处理时，可以在将支撑销26插入到支撑套筒24中之前冷却支撑销26、优选冷却到低于排气加热器14和在其上设置的支撑单元20最大程度承受的温度。由此，在这里可将范围从-30℃至-40℃的非常低的环境温度视为低于极限温度。在这样冷却支撑销26之后可以将该支撑销连同已经在其上设置的具有绝缘材料40的涂层以期望的程度插入到支撑套筒24中并且随后又加热到环境温度，使得通过然后出现的支撑销26的膨胀将该支撑销连同在其外表面38上设置的绝缘材料40的涂层固定地且均匀地压到支撑套筒24的内表面46上。
为了在将支撑套筒24与支撑销26连接时借助这种热处理确保在建立所述连接之后即使考虑到在车辆中出现的对这种支撑单元20的热负荷也保持支撑套筒24与支撑销26的稳定的束缚保持，优选支撑套筒24以其内部尺寸并且支撑销26以其外部尺寸如此彼此匹配，使得仅在该热处理之后、即在加热支撑套筒24或/和冷却支撑销26之后才能将支撑销26以尽可能小的径向运动间隙插入到支撑套筒24中。
因为即使在支撑单元20与加热导体18或者说支承结构14例如通过焊接连接时也不将支撑单元20以这种程度加热，使得由在此出现的热量引起的形状变化、特别是支撑套筒24的形状变化而出现对力锁合的显著损害，所以也没有在制造焊接部34时可能出现在支撑销26与支撑套筒24之间的导致未经限定的连接状态的相对运动的风险。即使对于支撑套筒24和支撑销26可以使用具有相对于彼此不同的热膨胀系数的不同材料、特别是金属材料的情况，在这样的由热处理引起的连接中也不会损害支撑单元20的结构强度。
这种支撑单元20的一种备选设计型式在图2中示出。在这种设计型式中，支撑销26特别是在其套筒连接区域28中构造有沿远离排气加热器连接区域30的方向优选锥形渐缩的横截面几何形状。对应地，支撑套筒24构造有沿从轴向端部42到轴向端部32的方向减小的横截面。这例如可以通过如下方式提供，即，将套筒状插入件48插入到原则上构造有柱体形的横截面几何形状的支撑套筒24中，所述插入件在其外周表面50上具有匹配于支撑套筒24的内部横截面几何形状的结构并且在其内侧上具有匹配于支撑销26的例如锥形的横截面几何形状或锥形地渐缩的结构的对应地沿轴向方向渐缩的内表面56。这个插入件48例如也可以以金属材料构造。在一种备选设计型式中，沿轴向方向锥形渐缩的内部横截面几何形状可以直接在支撑套筒24的内表面46上提供。在另一个备选设计型式中，也可以如此提供锥形渐缩结构，使得支撑销26的朝未由支撑套筒24包围的排气加热器连接区域30的方向的横截面减小。
在图2中示出的设计形式中，绝缘材料40也可以例如通过施加漆涂层或通过镀膜等被施加到支撑销26的外表面38上。在图2中可以看出：在支撑套筒24的轴向端部42上，绝缘材料40轴向突出并且一直伸入到未由支撑套筒24包围的例如构造有基本上柱体形的外周结构的排气加热器连接区域30的区域中。由此，可以实现也对排气加热器连接区域30与支撑套筒24的轴向端部42之间的蠕变电流的可靠防护。为了也在支撑套筒24的轴向端部32上(在该轴向端部上在所示实施例中支撑销26以其套筒连接区域28基本上与支撑套筒24齐平)避免在支撑销26与支承结构14之间出现蠕变电流，支撑销26也可以在轴向端部32的区域中轴向突出于支撑套筒24并且在其突出于支撑套筒24的区段上涂覆有绝缘材料40。应注意的是：这种结构当然也可以在图1中示出的设计方式中实现。-
为了将至少在其套筒连接区域28中渐缩构造的支撑销26与支撑套筒24固定地连接，在轴向插入到支撑套筒24中时，可以将支撑销26轴向压入到该支撑套筒中，使得形成导致自锁的摩擦锁合或力锁合。在此，在支撑销26上、特别是在其围绕套筒连接区域28的具有绝缘材料40的涂层中也形成均匀的表面压力。备选地或附加地，在支撑单元20的这个设计型式中也可以通过上面参照图1的设计方式描述的对支撑套筒24或/和支撑销26的热处理来实现力锁合。
借助根据本发明的支撑单元的结构，在具有少量构件的结构简单的设计方案中实现将排气加热器的加热导体机械稳定地且耐热影响和化学影响地接合到支承结构上。同时，确保加热导体与支承结构之间的可靠电绝缘，以匹配于电绝缘所需的相应结构尺寸和电流的方式可以选择具有绝缘材料的涂层的材料或/和层厚度。同时，这种由电绝缘材料构成的涂层特别是当它由相对差的热导体(例如陶瓷材料)构造时有助于对加热导体的热绝缘，使得在其中生成的热量基本上不传递到支承结构上、而主要传递到环流加热导体的气体或者说排气上。因为以涂层的形式施加的绝缘材料通过包围支撑销的支撑套筒基本上完全屏蔽化学侵蚀性排气，所以不存在如下风险，即，由于这种化学影响，可能由于热负荷支持地，绝缘材料在排气加热器的使用寿命内损坏并且在支撑套筒与容纳在其中的支撑销之间存在短路的风险。这也有助于：通过在支撑套筒与支撑销之间生成的力锁合，绝缘材料承受基本上恒定的、在其表面上均匀分布的压紧力。由此，同样可靠地避免腐蚀性介质渗透到支撑销与支撑套筒之间的间隙中，绝缘材料基本上设置在该间隙中。
Claims (16)
1.用于将排气加热器的加热导体支撑在支承结构上的支撑单元，所述支撑单元包括：沿纵向轴线(L)的方向延伸的且围绕所述纵向轴线(L)的支撑套筒(24)；支撑销(26)，所述支撑销具有在所述支撑套筒(24)中延伸的套筒连接区域(28)和突出于所述支撑套筒(24)的排气加热器连接区域(30)，其中，所述支撑销(26)至少在其套筒连接区域(28)的区域中或/和所述支撑套筒(24)在围绕所述支撑销(26)的套筒连接区域(28)的内表面(46)上涂覆有绝缘材料(40)，并且所述套筒连接区域(28)通过力锁合保持在所述支撑套筒(24)中。
2.根据权利要求1所述的支撑单元，其特征在于，所述支撑销(26)至少在其套筒连接区域(28)中构造有基本上柱体形的外周轮廓。
3.根据权利要求1所述的支撑单元，其特征在于，所述支撑销(26)至少在其套筒连接区域(28)中优选沿远离所述排气加热器连接区域(30)的方向优选锥形渐缩地构造。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述力锁合通过将所述套筒连接区域(28)轴向压入到所述支撑套筒(24)中来提供。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述力锁合通过在将所述套筒连接区域(28)插入到所述支撑套筒(24)中之前对所述支撑套筒(24)或/和所述支撑销(26)进行热处理来提供。
6.根据权利要求5所述的支撑单元，其特征在于，在将所述套筒连接区域(28)插入到所述支撑套筒(24)中之前，加热所述支撑套筒(24)或/和冷却所述支撑销(26)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述绝缘材料(40)具有0.01mm至0.1mm的范围内的层厚度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述绝缘材料(40)由陶瓷材料构成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述绝缘材料(40)在所述支撑套筒(24)的至少一个轴向端部(32，42)上不轴向突出于所述支撑套筒(24)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述绝缘材料(40)至少在所述支撑套筒(24)的面向所述排气加热器连接区域(30)的轴向端部(42)上轴向突出于所述支撑套筒(24)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的支撑单元，其特征在于，所述支撑销(26)和所述支撑套筒(24)由金属材料构成。
12.用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的支撑单元(20)的方法，其中，为了在将所述套筒连接区域(28)插入到所述支撑套筒(24)中之前将所述支撑套筒(24)与所述支撑销(26)力锁合地连接，加热所述支撑套筒(24)或/和冷却所述支撑销(26)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述支撑套筒(24)加热到高于在排气加热器(14)上最大程度出现的上限温度的温度，或/和将所述支撑销(26)冷却到低于在排气加热器(14)上最大程度出现的下限温度的温度。
14.用于内燃发动机的排气设备的排气加热器，所述排气加热器包括支承结构(14)和至少一个加热导体(18)，所述至少一个加热导体借助于至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的支撑单元(20)支承在所述支承结构(14)上。
15.根据权利要求14所述的排气加热器，其特征在于，所述至少一个支撑单元(20)优选以其支撑套筒(24)材料锁合地、优选通过焊接固定在所述支承结构(14)上并且优选以其支撑销(26)材料锁合地、优选通过焊接固定在所述至少一个加热导体(18)上。
16.用于内燃发动机的排气设备，所述排气设备包括至少一个根据权利要求14或15所述的排气加热器(14)。
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