Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1 .

Eine Heizvorrichtung in Abgassystemen wird zur schnellen Aufwärmung der Abgasnachbehandlungskomponenten verwendet. Bekannt sind Anwendungen im Abgasvollstrom, in der Abgasrückführung in der der SCR Technologie zur Hydrolyse von Harnstoff-Wasser-Lösungen zu Ammoniak. Übliche Bauformen sind elektrische Heizleiter, die aus dünnen Blechstreifen bestehen und zur besseren Wärmeübertragung kleine Kanäle bilden.

Strömt nunmehr das Abgas über den Heizleiter, so wird aufgrund von Konvektion das an dem Heizleiter vorbeiströmende Abgas erwärmt. Dieses erwärmte Abgas gibt sodann seine Wärme an den in Abgasströmungsrichtung nachfolgenden Katalysator ebenfalls aufgrund von Konvektion ab, so dass der Katalysator schneller auf Betriebstemperatur ist. Eine solche Ausgestaltungsvariante ist beispielsweise aus der DE 10 2015 111 689 B3 bekannt. Hier ist jedoch auch gleichsam der Heizleiter selbst in eine mineralische poröse Struktur eingebettet, so dass sich ein erhöhter Fertigungsaufwand ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zusatzheizung für einen Katalysator bereitzustellen, die zunächst entkoppelt von dem Katalysator angeordnet ist, hohen thermischen und mechanischen Anforderungen in der Fahrzeugabgasanlage entspricht sowie insbesondere für einen Kaltstartvorgang ein besonders schnelles Aufheizen bereitstellt.

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Heizvorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die elektrische Heizvorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges weist hierzu ein außen umlaufendes Gehäuse auf. Dabei handelt es sich insbesondere um ein rundes Gehäuse. In dem Gehäuse selbst ist ein Heizleiter angeordnet, wobei der Heizleiter durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom erwärmbar ist und einen Katalysator erwärmt. Der Katalysator ist ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist der Katalysator in Abgasströmungsrichtung, dem Heizleiter nachfolgend angeordnet.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Heizleiter selbst als Heizscheibe ausgebildet ist. Dies erfolgt dergestalt, dass der Heizleiterflächenmäßig, insbesondere bezogen auf die Querschnittsfläche, einen großen Teil des nachfolgenden Katalysators abdeckt. Hierdurch wird erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass die über den Heizleiter erzeugte und abgegebene Wärmeenergie in Form von Strahlungswärme auf den benachbart angeordneten Katalysator übergeht. Somit wird erfindungsgemäße erreicht, dass überhaupt nicht erst ein Abgasstrom vorhanden sein muss, um die Wärme an den Katalysatoren zu übertragen, sondern bereits ein Großteil der Aufheizleistung aufgrund von Wärmestrahlung erfolgt. Somit kann bereits im Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine, also noch bevor überhaupt ein Abgasstrom fließt, der Katalysator aufgeheizt werden. Bei Einsetzen des Abgasstromes weist der Katalysator dann bereits eine entsprechende Vorwärmung auf und kann die Abgasemission somit bereits senken, wodurch der Emissionsausstoß im Kaltstartverhalten signifikant nochmals verbessert wird.

Damit eine Abgasströmung, auch durch den Heizleiter, möglich ist, ist die Heizscheibe bevorzugt selbst wiederum perforiert ausgebildet. Mithin weist die Heizscheibe Löcher, Ausnehmungen oder sonstige Perforierungen auf, damit ein Abgasstrom durch die Heizscheibe hindurchfließen kann.

Die Heizscheibe ist durch den Heizleiter selbst ausgebildet. Hierzu ist der Heizleiter insbesondere mäanderförmig bzw. spiralförmig aufgewickelt, so dass bei Draufsicht auf eine Querschnittsansicht durch die Heizvorrichtung bzw. Draufsicht auf die Querspantfläche der Heizscheibe selbst sich eine Spirale ergibt. Dieser Mäander bzw. Spirale weist in seiner Querschnittsfläche bzw. seiner äußeren Abmessung eine Bedeckung des nachfolgenden Katalysators von mehr als 40 %, insbesondere mehr als 45 %, bevorzugt mehr als 50 %, ganz besonders bevorzugt mehr als 60 %, insbesondere mehr als 70 % und ganz besonders bevorzugt mehr als 80 %, und insbesondere mehr als 90 % auf.

Dies bedeutet, dass die Heizscheibe eine Querschnittsfläche in den vorgenannten Prozentbereichen, insbesondere einen Großteil der Querschnittsfläche durch das des Katalysators in Abgasstörungsrichtung bedeckt. Damit jedoch der Gegendruck im Abgasstrom nicht erhöht wird, ist die Heizscheibe bzw. sind die einzeln aufgewickelten Leiterbahnen des Heizleiters selbst perforiert ausgebildet. Die vorgenannten Prozentangaben zur Querschnittsfläche beziehen sich somit auf die äußeren Abmessungen nicht die Perforation. Die Perforierungen bzw. Ausnehmungen in dem Heizleiter selber müssten von dieser Querschnittsfläche theoretisch abgezogen werden. In Bezug auf den erfinderischen Effekt, wonach eine große Fläche des nachfolgenden Katalysators derart bedeckt wird, dass die von der Heizscheibe abgegebene Strahlungswärme auf den nachfolgenden Katalysator möglichst großflächig und damit auch homogen abgegeben wird, ist jedoch die Querschnittsfläche der Bedeckung wichtig. Die Perforation bzw. Ausnehmungen können davon abgezogen werden, da die Perforation umgebenden Randbereiche des Heizleiters sich aufgrund elektrischer Energie erwärmen und dann insbesondere Strahlungswärme an den Katalysator abgeben.

Damit insbesondere der erfindungsgemäße Effekt der Heizscheibe als Strahlungswärmequelle ausgebildet ist, ist in Axialrichtung bzw. Abgasströmungsrichtung der Heizleiter relativ gesehen flach ausgebildet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im Falle eines gewundenen Heizleiters die Breite des Heizleiters selber, quer zur Abgasströmungsrichtung, mindestens zweimal, bevorzugt dreimal, insbesondere fünfmal so groß ist, im Vergleich zur in Abgasströmungsrichtung gemessenen Tiefe des Heizleiters. Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß ein erfindungsgemäßes Merkmal erreicht durch ein Breite-zu- Tiefen-Verhältnis von 4 : 1 bis 60 : 1. Es haben sich im Rahmen der Erfindung ganz besonders von 10 : 1 bis 25 : 1 . Es haben sich überraschender Weise eine Breite von 10 bis 25 mm, bevorzugt 15 bis 20 mm, bei der jeweiligen Windung des Heizleiters herausgestellt, die Breite wird gemessen in Radialrichtung bzw. quer zur Abströmungsrichtung. Als Tiefe hat sich besonders bevorzugt eine Tiefe, gemessen in Axialrichtung bzw. in Abgasströmungsrichtung ein Absolutmaß von 1 bis 2 mm gezeigt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist die Heizscheibe als gewundener Heizleiter ausgebildet. Der Strang des Heizleiters selbst ist als im Querschnitt gebogenes Lamellenblech ausgebildet. Die einzelnen gewundenen Stränge überlappen sich in Radialrichtung. Aufgrund der Tatsache, dass der einzelne jeweilige Strang im Querschnitt wellenförmig gebogen ist, ergibt sich trotz radialer Überlappung ein axialer Durchlass. Hierdurch wird erreicht, dass eine größt mögliche Fläche als Querspannfläche bedeckt ist, so dass gerade bei abgegebener Strahlung der nachgelagerte Katalysator größtmöglich bedeckt ist. Gleichzeitig jedoch wird es ermöglicht, dass Abgas auch durch die Heizscheibe selbst strömt, ohne dass der Strang des Heizleiters in sich perforiert ist. Die Heizscheibe bzw. der gewundene Heizleiter zur Ausbildung der Heizscheibe ist selbst aus einem Drahtgeflecht, einem Streckmetall oder einem perforierten Blech hergestellt. Insbesondere ist der Heizleiter perforiert ausgebildet. Erfindungsgemäß ist somit der Heizleiter eine Scheibe bzw. einen scheibenförmigen Körper ausbildend, aufgewickelt.

Diese Heizscheibe ist bevorzugt an dem in Abgasströmungsrichtung auf die Heizscheibe folgenden Katalysator selbst abgestützt. Die Abstützung erfolgt insbesondere elektrisch isoliert. Die Abstützung kann jedoch thermisch leitend erfolgen. Somit kann zusätzlich zu der Wärmestrahlung noch Wärmeleitung von der Heizscheibe an den Katalysator erfolgen.

Auch kann der Heizscheibe in Abgasströmungsrichtung ein Stützkatalysator vorgelagert sein. Insbesondere wird der Stützkatalysator ebenfalls durch die Wärmestrahlung gerade im Kaltstartverhalten vorerwärmt, was sich weiterhin positiv auf eine Reduktion von Emissionen gerade im Kaltstartverhalten auswirkt. Die initiale Abgasströmung beim Kaltstarten trifft somit zunächst auf den bereits durch Wärmestrahlung vorerwärmten Stützkatalysator, wodurch bereits Schadstoffe auch im Stützkatalysator umgewandelt werden können. Insbesondere dient jedoch dann für den weiteren Betrieb der Stützkatalysator zur Kompensation von Schwingungen und/oder thermischen Ausdehnungen, mithin der Langlebigkeit der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung.

Auch können zwei oder mehr Heizscheiben mechanisch angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sein. Die Heizleistung kann hierdurch verbessert werden.

Auch ist es möglich, die Heizscheibe zwischen zwei Katalysatoren anzuordnen. Das zwischen bezieht sich auf die Abgasströmungsrichtung. Es kann ein jeweiliger Spalt verbleiben, so dass die Heizscheibe nicht unmittelbar anliegt. Insbesondere kann somit die Strahlungswärme bei Aktivierung der Heizscheibe an den vorgelagerten, aber auch nachgelagerten jeweiligen Katalysator weitergegeben werden.

Strömt dann das Abgas, wird über die Strahlungswärme noch auch der vorgelagerte Katalysator geheizt. Mittels Konvektion über Überstreichen des Abgases der Heizscheibe an dem nachgelagerten Katalysator abgegeben wird. Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Anordnung einer elektrischen

Heizvorrichtung,

Figur 2 eine Längsschnittansicht;

Figur 3 eine Draufsicht,

Figuren 4 und 5 eine Heizscheibe in Form eines gewundenen Heizleiters mit radialer Überdeckung.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung einer elektrischen Heizvorrichtung 1 . Hierzu ist ein Katalysator 2 mit einer in Abgasströmungsrichtung A vorgelagerten Heizscheibe 3 in einem Gehäuse, insbesondere rundem Gehäuse 4 angeordnet. An der Gehäuse 4 können elektrische Anschlüsse 5 vorhanden sein, so dass die im Gehäuse 4 angeordnete Heizscheibe 3 mit Strom beaufschlagbar ist.

Figur 2 zeigt eine Längsschnittansicht. In dem Gehäuse 4 ist der Katalysator 2 in Abgasströmungsrichtung A der Heizscheibe 3 nachgelagert. Die Heizscheibe 3 selbst ist scheibenförmig durch einen mäanderförmig oder spiralförmig gewundenen Heizleiter ausgebildet.

Die Heizscheibe 3 erstreckt sich im Querschnitt über einen großen Flächenanteil des nachgelagerten Katalysators 2. Dies wird nochmals in Figur 3 ersichtlich. Die Heizscheibe 3 selbst ist aus einem perforierten Blechstreifen ausgebildet und spiralförmig bzw. mäanderförmig gewunden. Die Querschnittsfläche der äußeren Abmessungen des Blechstreifens decken mehr als 40, insbesondere mehr als 45, mehr als 50 und in diesem Fall mehr als 70 % der Querschnittsfläche des dahinterliegenden Katalysators 2 flächenmäßig ab. Zwischen seinen äußeren Abmessungen ist der Heizleiter der Heizscheibe 3 perforiert ausgebildet. Diese Perforation ist nicht von der prozentualen Angabe der flächenmäßigen Abdeckung abgezogen. Somit kann Abgas auch durch den perforierten Heizleiter 5 hindurchtreten. Gleichzeitig ist jedoch die dahinterliegende Fläche aufgrund der äußeren Abmessungen der Heizscheibe 3 abgedeckt, so dass die von der Heizscheibe 3 abgegebene Strahlungswärme einen großen Flächenanteil des dahinter befindlichen Katalysators abdeckt. Nicht näher dargestellt sind evtl. Abstützungen der Heizscheibe an dem Katalysator selber. Diese sind jedoch vorhanden, um zum einen eine mechanische Stabilität gegen das strömende Abgas zu erreichen, gleichzeitig auch thermische Ausdehnungen und/oder Schwingungen zu kompensieren.

Ferner ist im Vergleich von Figur 3 zu Figur 2 zu erkennen, dass die Breite 6 des Heizleiters der Heizscheibe 3, welche sich insbesondere quer zur Abgasströmungsrichtung A bemisst, mindestens zweimal, bevorzugt dreimal, besonders bevorzugt viermal größer ist, als die in Figur 2 gezeigte Tiefe 7 des Heizleiters, wobei sich die Tiefe 7 in Abgasströmungsrichtung A bemisst.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Heizvorrichtung 1 .

Figur 5 zeigt eine Längsschnittansicht entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 4 an der gleichen Heizvorrichtung 1.

Auch hier ist in einem Gehäuse 4 ein Katalysator 2 angeordnet. Der Katalysator 2 ist in Abgasströmungsrichtung A der Heizscheibe 3 nachgelagert. Die Heizscheibe 3 ist ein spiralförmig bzw. mäanderförmig gewundener Heizleiter 8, der jeweils über außerhalb des Gehäuses 4 liegende elektrische Anschlüsse 5, nicht näher dargestellt, mit einer Stromquelle verbunden wird.

In der Figur 5 ist in der Längsschnittansicht die jeweilige Windung des Heizleiters 8 im Querschnitt gezeigt. Dies sind einzelne Lamellen, die im eigenen Querschnitt einen S- schlagförmigen bzw. Z-förmigen bzw. wellenförmigen Verlauf aufweisen. Somit überdecken sich die einzelnen Windungen des Heizleiters 8 in Radialrichtung. In Axialrichtung kann dargestellt das Abgas durch die Überdeckung gemäß der Strichlinie in Abgasströmungsrichtung A durch die Heizscheibe 3 hindurchtreten. Dazu sind die einzelnen Windungen, die sich in Radialrichtung überlappen, in Axialrichtung voneinander beabstandet, so dass eine jeweilige Öffnung 9 zum Durchtritt des Abgases vorhanden ist. Auf diese Art und Weise wird im Querschnitt des Gehäuses 4 bzw. die Querspannfläche des Katalysators 2 größtmöglich von der Heizscheibe 3 überdeckt. Die abgestrahlte Wärme der Heizscheibe 3 bedeckt somit eine größtmögliche Fläche. Aufgrund des einzelnen Querschnitts einer jeder Windung des Heizleiters 8, welcher im Wesentlichen fest ist, ist ein guter Stromdurchfluss und damit Erwärmung des Heizleiters 8 zur Wärmeabgabe mittels Wärmestrahlung hergestellt. Die einzelnen Windungen können nicht näher dargestellt miteinander gekoppelt sein, beispielsweise gegeneinander abgestützt sein, so dass auch bei Auftreten einer Abgasströmung eine Verformung der einzelnen Windungen zueinander vermieden wird.

Bezuqszeichen:

1 - Heizvorrichtung

2 - Katalysator

3 - Heizscheibe

4 - Gehäuse

5 - elektrischer Anschluss

6 - Breite

7 - Tiefe

8 - Heizleiter

9 - Öffnung

A - Abgasströmungsrichtung