用于加热气流的加热装置和废气处理装置及系统和车辆的制作方法

本发明涉及用于加热气流、特别是内燃机的废气流的加热装置。

背景技术：

1、除了其他方面之外，催化转化器还用于车辆中的废气后处理。催化转化器将诸如氮氧化物等的污染物转化为无害物质，并且因此用来净化由内燃机（例如汽油或柴油发动机）通过燃料燃烧而产生的废气。对于所使用的催化转化器而言，污染物转变成无害物质的转化或转换率与温度有关。仅在达到最低温度之后，污染物排放物才转化为无害物质。因此，为了减少污染物排放，有必要缩短直到达到最低温度为止的时间段。为此，尤其是考虑到未来的排放标准（eu7），除了其他方面之外，还使用主动加热措施。例如，主动加热措施包括电操作加热系统（电加热装置）。电加热系统的加热效果基于焦耳定律（欧姆加热），即金属加热基体的通电。

2、由于制造工艺以及热机械和结构动力学问题，已知的加热元件结构在其几何设计方面，即在其体积、质量、表面和结构方面，受到限制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供以下设备：与现有技术中的已知设备相比，利用该设备可以实现热力学和结构动力学性质的改进，并且因此可以实现例如催化转化器或不同设计的清洁单元的最低温度的更快获得。

2、该目的通过具有以下特征的加热装置来满足。

3、根据本发明的一种用于加热气流、特别是内燃机的废气流的加热装置包括导电加热元件和载体装置，该载体装置具有用于导电加热元件的至少一个电绝缘载体元件。加热装置的特征在于，导电加热元件形成为三维结构，该三维结构的表面至少部分地由三周期极小表面形成。

4、内燃机可以被配置为燃烧式发动机，例如汽油发动机或柴油发动机。内燃机也可以使用其它燃烧过程，例如米勒（miller）燃烧过程，或者使用其它燃料，例如合成燃料或氢。在这样的机器的操作期间产生污染物。污染物浓度会高度依赖于工作条件，例如依赖于燃料的类型、所使用的燃料-空气混合物中的燃料浓度、燃料-空气混合物的量、内燃机的转速和/或内燃机的工作温度。

5、通过燃料在内燃机中的燃烧产生的废气形成气流，特别是废气流。废气经由连接至内燃机的废气系统通过废气处理装置被引导到外部，即，废气被输出到车辆的环境空气。废气处理装置可以包括催化转化器，其中，当气流流过催化转化器时，通过催化转化器中的催化反应使气流得到净化。当内燃机冷起动时，废气仍然具有相对低的温度。废气流过的催化转化器或催化转换器单元同样相对冷，使得通常还没有达到可以进行废气的高效净化的阈值温度或最低温度。这导致废气没有被完全净化。只有通过对废气的递增加热以及对催化转化器的相关联加热，系统才进入高效地发生期望的催化反应的温度范围。

6、一种用于改进对应的废气系统的冷启动行为的措施可以包括：在催化转换器或废气处理单元之前设置加热装置，通过该加热装置对持续流动的废气进行加热。加热装置可以包括加热元件，该加热元件将额外的热量供应给废气流，以使系统尽快进入可以进行高效废气后处理的温度范围。然而，加热装置的其它使用领域也是可能的。例如，加热装置可以用于预加热内燃机的进气道中的燃烧空气，或者更一般地，用于加热任何期望的气流。加热元件可以由导电材料、特别是金属形成，使得加热元件同样是导电的。加热装置可以附加地包括承载加热元件的载体装置。载体装置可以将加热元件例如沿废气的流动方向保持在废气处理单元之前。载体装置的至少一个载体元件可以是环状设计的或者可以具有圆弧段的基础几何形状。例如，在加热元件具有圆形轮廓的情况下，至少一个载体元件是应用于加热元件的端面之一的环或环段。载体元件被设计成与加热元件的基础几何形状互补。与导电加热元件相对照，至少一个载体元件由电绝缘材料、例如由耐热塑料和/或陶瓷材料形成。

7、加热元件的三维结构的表面具有可以在数学上被描述为极小表面的特征。在这方面，极小表面描述了三维空间中的在限定的边界曲线的局域内具有最小表面积的表面。极小表面的特征在于它们是基本上无应力的表面。例如，可以凭借闭合金属线或金属线环通过拉动金属线环穿过肥皂泡沫来设计极小表面。以金属线环为边界的肥皂泡的所得面积具有最小的表面积并且表示极小表面。如果这些极小表面在所有空间方向上重复，则产生三周期极小表面（triply periodic minimal surface，tpms）。

8、根据一个实施例，导电加热元件可以具有基本上圆形的基础几何形状。加热元件的基础几何形状可以描述在进入加热装置时受气流冲击的加热元件的表面的几何形状。加热元件可以具有任何合适的基础几何形状。基础几何形状可以适应于布置在下游的废气处理单元例如催化转化器的几何形状。下面的情况可以证明是有利的：加热元件和催化转化器具有相同或基本相同的基础几何形状。在该上下文中，“基本上”可以意味着微小的偏差是可行的。例如，基本上圆形的基础几何形状无需是精确的圆形。因此，稍微椭圆形的基础几何形状仍然可以被描述为基本上圆形的基础几何形状。

9、根据一个实施例，导电加热元件的三维结构可以具有均匀的厚度。加热元件形成为具有基础几何形状的三维结构。从二维基础几何形状出发，加热元件沿第三空间方向延伸。加热元件的厚度可以通过在第三空间方向上的幅度来描述。如果加热元件在第三空间方向上的幅度在基础几何形状的整个范围内始终相同，则加热元件具有均匀厚度。加热元件的均匀厚度可以提供加热元件的加热方面的优势，原因在于通过给加热元件通电，根据焦耳定律，加热元件的所有区域都可以被加热。

10、根据另一实施例，导电加热元件的三维结构可以至少部分地具有不同厚度。加热元件的厚度可以在加热元件的基础几何形状的范围内变化，即加热元件的厚度不必总是相同。加热元件在一些部分或区域中可以具有与在其他部分或区域中的厚度不同的厚度。因此，加热元件的个别部分或区域可以被更强或更弱地加热。例如，与加热元件的边缘区域相比，加热元件的中心区域可以具有更大的厚度，由此，在加热元件通电期间，与具有较小厚度的边缘区域相比，加热元件的中心区域将升温较少。简而言之，加热元件的具有不同厚度的区域是单体电阻的串联连接。根据电串联连接的法则，所有单体电阻中的电流强度都是相同的，而总电压是在各单体电阻处降低的单体电压之和。根据公式p =i²*r，其中，p是功率，i是电流强度，以及r是电阻，具有较小截面的区域产生较大的单体电阻，因此，与在具有较大截面并且因此具有较小电阻的区域中相比，在该较大的单体电阻产生了较大的功率。

11、根据另一实施例，导电加热元件的三维结构可以由耐热材料形成。形成导电加热元件或导电加热元件的表面的材料可以是耐温或耐热和/或耐腐蚀材料、特别是金属材料，或者是耐温或耐热和/或耐腐蚀合金。当这样的材料或这样的合金被加热时，可以形成厚且稳定的氧化物层，该氧化物层保护导电加热元件的表面。在这方面，可以在宽的温度范围内保持强度，从而这样的材料特别适合于高温应用。

12、根据又一实施例，导电加热元件的三维结构可以具有多个螺旋二十四面体（gyroid）单元和/或多个施瓦茨金刚石（schwarz diamond）单元。gyroid单元和schwarzdiamond单元均形成极小表面。单元可以表示极小表面的最小单位。通过将多个gyroid单元和/或schwarz diamond单元布置成行，即重复由gyroid单元或schwarz diamond单元形成的极小表面，可以形成其表面由极小表面形成的三维结构。此外，布置成行的多个单元可以具有空间中的不同壁厚、特别是在0.05mm与3 mm之间的壁厚，不同单元大小和/或不同单元类型。在这方面，单元大小描述了单元在三个维度上的空间幅度。单元可以在三个空间维度中的每个空间维度上在0.5 mm与10 mm之间延伸、特别是彼此独立地延伸。除了单元的立方体形状设计（例如，通过在所有三个空间维度上的相同幅度）之外，单元还可以是长方体形的。除了先前描述的gyroid单元和/或schwarz diamond单元的单元类型之外，导电加热元件的三维结构还可以替选地或附加地具有多个施瓦茨本原（schwarzprimitive，schwarzp）单元，施瓦茨六边形（schwarz hexagonal，schwarz h）单元，施瓦茨平行交叉层（schwarzcrossed layers of parallels，schwarz clp）单元，费舍尔-科赫s（fischer-koch s）单元，费舍尔-科赫cy（fischer-koch cy）单元，舍恩i-wp（schoeni-wp）单元，尼奥维乌斯（neovius）单元，或其组合。所有已知的极小表面通常适合作为导电加热元件的三维结构。

13、根据另一实施例，气流可以流过导电加热元件。在这方面，气流在加热元件的一侧即入口侧进入加热元件的三维结构，沿气流的流动方向穿透加热元件，并且再在加热元件的另一侧即出口侧完全离开加热元件。在加热元件内，气流可以在其流动方向上偏转。气流的偏转或漩涡可以由加热元件的三维结构的设计引起。

14、根据又一实施例，导电加热元件可以具有至少两个加热段，这些加热段彼此通过间隙部分地分开，间隙特别地在一侧处开放。加热段由其表面至少部分地由三周期极小表面形成的三维结构形成。在这方面，加热段本身可以优选地可由气流流过。气流可以流过至少一个间隙和加热段本身二者。换言之，整个气流在操作期间不仅流过至少一个间隙，而且流过加热段。为此，加热段可以具有以下通道：该通道的壁实现了热量从加热元件的传导材料向气体的高效传递。

15、根据又一实施例，导电加热元件可以包括至少两个部件体，该至少两个部件体被布置成使得至少两个部件体可以由气流相继或并行流过。至少两个部件体可以具有相同的基础几何形状，例如基本圆形的基础几何形状。至少两个部件体中的每一个均具有其表面至少部分地由三周期极小表面形成的三维结构。至少两个部件体由导电材料形成，并且各自导电地连接至电极，使得在通电时可以通过控制装置在电极之间形成电势差，以加热至少两个部件体中的每一个。

16、至少两个部件体的相继受支承布置可以是有利的。在这方面，至少两个部件体可以沿基本对应于气流的流动方向的轴向方向布置，使得在气流进入并且流过第二部件体之前气流首先流过第一部件体。第一部件体的外轮廓和第二部件体的外轮廓可以相同并且可以完全重叠。由于至少两个部件体的这样的布置，可以影响流过至少两个部件体的气流的流动方向，以便例如产生气流的定向漩涡（targeted swirl），该定向旋涡对于下游布置的催化转化器的加热会是有利的。

17、至少两个部件体也可以并联布置。在这样的布置中，气流中的一部分可以流过第一部件体，而气流中的另一部分则可以流过第二部件体。并联布置的部件体可以布置在同一平面上，或者可以以空间偏移的方式平行布置。

18、在这样的实施例中，通过控制装置可以对导电加热元件的至少两个部件体彼此分开地进行电控制。至少两个部件体可以被电控制，使得每个部件体形成其自己的加热元件。因此，可以使得对至少两个部件体的不同加热是可行的。

19、在这样的实施例中，导电加热元件的至少两个部件体可以通过串联连接或并联连接来电连接。如果至少两个导电部件体串联电连接，则第一部件体的电输出直接电连接至第二部件体的电输入。形成了单一电流路径，该电流路径首先通过第一部件体并且然后通过第二部件体。由于至少两个部件体的这样的串联连接，可以设置加热元件的电阻并且因此可以设置加热元件的加热功率。

20、如果至少两个部件体并联电连接，则至少两个部件体的各自电输入和至少两个部件体的相应电输出彼此电连接。形成了至少两条电流路径，其中，第一电流路径通过第一部件体，并且第二电流路径通过第二部件体。因此，电流路径分开。

21、根据另一实施例，至少一个载体元件可以至少部分地覆盖导电加热元件的边缘区域。至少一个载体元件可以以形状配合的方式连接至加热元件。例如，载体装置可以包括第一载体元件和第二载体元件，第一载体元件和第二载体元件各自包围加热元件的外围的至少一部分和/或各自覆盖加热元件的至少一个端面的边缘区域的至少一部分。例如，可行的是：第一载体元件和第二载体元件均为环形的，并且各自覆盖两个端面的外边缘区域。可以将相同或不同设计的或者相同或不同尺寸的载体元件进行组合，以形成适合于相应应用的载体装置。当第一载体元件和第二载体元件是相同部件时，产生制造和组装方面的成本节省。

22、根据又一实施例，至少一个载体元件可以具有至少两个开口，导电加热元件可以通过该至少两个开口被电接触。为了向加热元件提供电能，至少一个载体元件可以具有第一开口和第二开口，加热元件可以通过该第一开口和第二开口被电接触。对应的连接器或电极连接至用于操作加热装置的控制装置。在具有多个载体元件的实施例中，载体元件中的每一个均可以具有（部分）开口。（部分）开口可以被配置成支撑连接器或电极。

23、根据另一实施例，导电加热元件可以电连接到至少两个电极，其中，可以通过控制装置在至少两个电极之间形成电势差。通过将外部电压施加到至少两个电极，在电极之间建立电势差，使得电流流动。在这方面，导电加热元件表示导致加热元件发热的电阻。电极之间的电流以及因此加热元件的发热可以通过控制装置来控制。该电流越大，则导电加热元件的发热越大，或者加热元件下游布置的催化转化器单元可以升温越快。

24、在这样的实施例中，至少两个电极可以针对至少一个载体元件以绝缘方式进行布置。至少一个载体元件由电绝缘材料形成，其中，至少一个载体元件布置在壳体中。例如，壳体可以由金属形成。至少两个电极延伸穿过壳体和至少一个载体元件二者，以使加热元件通电或为其提供电能。电极还连接至控制装置，通过该控制装置可以控制加热元件的电流并且因此控制加热元件的通电。为了允许从控制装置到电极并且通过加热元件的电流流动，至少两个电极针对壳体和至少一个载体元件以绝缘方式进行布置。

25、本发明还涉及一种废气处理装置，其包括入口和出口以及用于处理废气流的至少一个废气处理单元、特别是催化转化器单元，其中，根据上述实施例中的至少之一的加热装置布置在入口与废气处理单元之间，特别是直接沿废气的流动方向布置在废气处理单元之前。废气处理装置可以具有单件式壳体组件，该单件式壳体组件容纳废气处理单元和加热装置。替选地，加热装置的壳体部分形成废气处理装置的壳体的一部分，特别是其中，废气处理装置的入口连接至壳体部分的组件。

26、本发明还涉及一种用于内燃机的废气系统，其包括根据上述实施例中的至少之一的废气处理装置。

27、本发明还涉及一种包括内燃机的车辆，该内燃机连接至上述废气系统。