HEIZEINRICHTUNG ZUM BEHEIZEN EINES GASSTROMS

Abstract

 Eine Heizeinrichtung (100) zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine, umfasst ein elektrisch leitfähiges Heizelement (102) und eine Trägereinrichtung (104) mit zumindest einem elektrisch isolierenden Trägerelement (106) für das elektrisch leitfähige Heizelement. Die Heizeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) als dreidimensionale Struktur (TPMS) ausgebildet ist, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise aus dreifach periodischen Minimalflächen, wie z.B. Gyroid (302) oder Black-Diamond-Struktur (BDS) gebildet ist. Weiterhin kann die Heizeinrichtung (100) aus zwei Heizsegmenten oder zwei Teilkörpern nacheinander oder parallel angeordnet bestehen, die in elektrischer Reihen- oder Parallelschaltung getrennt elektrisch angesteuert werden können.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine.

[0002] Zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen werden u.a. Katalysatoren eingesetzt. Katalysatoren wandeln Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide in unschädliche Stoffe um und dienen so zur Reinigung der von einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Benzin- oder Dieselmotors, durch Verbrennung eines Kraftstoffes erzeugten Abgase. Die Konvertierungs- oder Umwandlungsrate der Schadstoffe in nicht schädliche Stoffe ist bei den eingesetzten Katalysatoren temperaturabhängig. Schadstoffemissionen werden erst nach einem Erreichen einer Mindesttemperatur in nicht schädliche Stoffe umgewandelt. Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen ist es daher erforderlich, die Zeitspanne bis zum Erreichen der Mindesttemperatur zu verkürzen. Hierzu werden insbesondere mit Blick auf zukünftige Abgasnormen (EU7) u.a. aktive Heizmaßnahmen eingesetzt. Zu den aktiven Heizmaßnahmen zählt beispielsweise ein elektrisch betriebenes Heizsystem (E-Heizer). Ein Heizeffekt der elektrischen Heizsysteme beruht auf dem Stromwärmegesetz ("Ohmic-Heating"), also der Bestromung einer metallischen Heizmatrix.

[0003] Bekannte Heizelementstrukturen sind aufgrund von Herstellungsprozessen sowie thermomechanischer und strukturdynamischer Belange in ihrer geometrischen Ausführung, das heißt in deren Volumen, Masse, Oberfläche und Struktur, beschränkt.

[0004] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Verbesserung der thermodynamischen und strukturdynamischen Eigenschaften gegenüber bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik erzielt und somit ein schnelleres Erreichen der Mindesttemperatur beispielsweise eines Katalysators oder einer Reinigungseinheit anderer Bauart erreicht werden kann.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0006] Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung zum Beheizen eines Gasstroms, insbesondere eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine, umfasst ein elektrisch leitfähiges Heizelement und eine Trägereinrichtung mit zumindest einem elektrisch isolierenden Trägerelement für das elektrisch leitfähige Heizelement. Die Heizeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Heizelement als dreidimensionale Struktur ausgebildet ist, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise aus dreifach periodischen Minimalflächen gebildet ist.

[0007] Die Brennkraftmaschine kann als ein Verbrennungsmotor, beispielsweise als Ottomotor oder Dieselmotor, ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann auch andere Brennverfahren umsetzen, beispielsweise ein Miller-Brennverfahren, oder andere Brennstoffe verwenden, beispielsweise synthetische Brennstoffe oder Wasserstoffe. Bei einem Betrieb solch einer Maschine entstehen Schadstoffe. Die Schadstoffkonzentrationen können stark von den Betriebsbedingungen abhängen, beispielsweise von der Art des Kraftstoffs, der Konzentration des Kraftstoffs im verwendeten Kraftstoff-Luft-Gemisch, der Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs, der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors.

[0008] Die durch die Verbrennung eines Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgase bilden einen Gasstrom, insbesondere einen Abgasstrom. Die Abgase werden über eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage durch eine Abgasbehandlungseinrichtung nach außen geleitet, d.h. an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben. Die Abgasbehandlungseinrichtung kann einen Katalysator umfassen, wobei der Gasstrom durch eine katalytische Reaktion in dem Katalysator gereinigt wird, wenn der Gasstrom durch den Katalysator strömt. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine weisen die Abgase noch eine vergleichsweise geringe Temperatur auf. Der Katalysator, bzw. eine Katalysatoreinheit, durch den das Abgas strömt ist ebenfalls vergleichsweise kühl, so dass eine Schwellentemperatur oder Mindesttemperatur bei der eine effiziente Reinigung des Abgases stattfinden kann oftmals noch nicht erreicht wird. Dies hat zur Folge, dass die Abgase nicht vollständig gereinigt werden. Erst mit einer zunehmenden Erwärmung der Abgase und der damit einhergehenden Erwärmung des Katalysators kommt das System in einen Temperaturbereich, in dem die gewünschten katalytischen Reaktionen effizient ablaufen.

[0009] Eine Maßnahme zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer entsprechenden Abgasanlage kann darin bestehen, vor dem Katalysator bzw. vor die Abgasbehandlungseinheit eine Heizeinrichtung vorzusehen, mittels derer das anströmende Abgas erwärmt wird. Die Heizeinrichtung kann ein Heizelement umfassen, das dem Abgasstrom zusätzlich Wärme zuführt, um das System möglichst schnell in einen Temperaturbereich zu bringen, in der eine effiziente Abgasnachbehandlung erfolgen kann. Es sind jedoch auch weitere Einsatzgebiete der Heizeinrichtung möglich. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung zur Vorwärmung von Verbrennungsluft in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine oder ganz allgemein zur Erwärmung eines beliebigen Gasstroms eingesetzt werden. Das Heizelement kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Metall ausgebildet sein, sodass das Heizelement ebenfalls elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Zusätzlich kann die Heizeinrichtung eine Trägereinrichtung umfassen, die das Heizelement trägt. Die Trägereinrichtung kann das Heizelement beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasbehandlungseinheit halten. Das zumindest eine Trägerelement der Trägereinrichtung kann ringartig ausgestaltet sein oder eine Grundgeometrie eines Kreissegments aufweisen. Beispielsweise ist das zumindest eine Trägerelement ein Ring oder ein Ringabschnitt, der auf eine der Stirnseiten des Heizelements aufgebracht wird, falls dieser eine kreisförmige Kontur aufweist. Das Trägerelement ist komplementär zu der Grundgeometrie des Heizelements ausgestaltet. Im Gegensatz zu dem elektrisch leitfähigen Heizelement ist das zumindest eine Trägerelement aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem temperaturfesten Kunststoff und/oder aus Keramik, gebildet.

[0010] Die Oberfläche der dreidimensionalen Struktur des Heizelements weist Charakteristiken auf, die mathematisch als Minimalflächen beschrieben werden können. Eine Minimalfläche beschreibt dabei eine Fläche im dreidimensionalen Raum, die zu einer festgelegten Randkurve lokal einen minimalen Flächeninhalt aufweist. Minimalflächen zeichnen sich dadurch aus, dass es sich um im Wesentlichen spannungsfreie Flächen handelt. Beispielhaft kann eine Minimalfläche durch einen geschlossenen Draht oder Drahtring konstruiert werden, indem man den Drahtring durch eine Seifenlauge zieht. Die dadurch entstehende Fläche aus Seifenlauge, die von dem Drahtring berandet ist, weist einen minimalen Flächeninhalt auf und stellt eine Minimalfläche dar. Wiederholen sich diese Minimalflächen in alle Raumrichtungen, entstehen dreifach periodische Minimalflächen (engl.: triply periodic minimal surface, TPMS).

[0011] Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Heizelement eine im Wesentlichen kreisrunde Grundgeometrie aufweisen. Die Grundgeometrie des Heizelements kann die Geometrie einer Fläche des Heizelements beschreiben, auf die ein Gasstrom beim Eintritt in die Heizeinrichtung trifft. Das Heizelement kann eine beliebig geeignete Grundgeometrie aufweisen. Die Grundgeometrie kann an eine Geometrie einer nachgelagerten Abgasbehandlungseinheit, beispielsweise ein Katalysator, angepasst sein. Als vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn das Heizelement und der Katalysator eine gleiche oder eine im Wesentlichen gleiche Grundgeometrie aufweisen. Im Wesentlichen kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass geringfügige Abweichungen möglich sind. Beispielsweise muss eine im Wesentlichen kreisrunde Grundgeometrie nicht exakt kreisrund ausgebildet sein. Eine leicht oval förmige Grundgeometrie kann demnach immer noch als eine im Wesentlichen kreisrunde Grundgeometrie bezeichnet werden.

[0012] Nach einer Ausführungsform kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Das Heizelement ist als dreidimensionale Struktur ausgebildet, die eine Grundgeometrie aufweist. Ausgehend von der zweidimensionalen Grundgeometrie erstreckt sich das Heizelement in eine dritte Raumrichtung. Die Dicke des Heizelements kann durch die Erstreckung in die dritte Raumrichtung beschrieben werden. Das Heizelement weist eine gleichmäßige Dicke auf, wenn die Erstreckung des Heizelements in die dritte Raumrichtung über den ganzen Bereich der Grundgeometrie konstant gleich groß ist. Eine gleichmäßige Dicke des Heizelements kann Vorteile bezüglich der Erwärmung des Heizelements bieten, indem alle Bereiche des Heizelements gleichmäßig durch Bestromung des Heizelements nach dem Stromwärmegesetz erwärmt werden können.

[0013] Nach einer anderen Ausführungsform kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements zumindest abschnittsweise eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Dicke des Heizelements kann über den Bereich der Grundgeometrie des Heizelements variieren, d.h. die Dicke des Heizelements muss nicht konstant gleich groß sein. Das Heizelement kann in einigen Abschnitten oder Bereichen eine andere Dicke aufweisen als in anderen Abschnitten oder Bereichen. Dadurch können einzelne Abschnitte oder Bereiche des Heizelements stärker oder schwächer erwärmt werden. Beispielsweise können Bereiche in der Mitte des Heizelements eine größere Dicke aufweisen als Randbereiche des Heizelements, wodurch sich die Bereiche in der Mitte des Heizelements bei Bestromung des Heizelements weniger stark erwärmen würden als die Randbereiche mit einer kleineren Dicke. Bei Bereichen des Heizelements mit unterschiedlicher Dicke handelt es sich vereinfacht dargestellt um eine Reihenschaltung von Einzelwiderständen. Nach der Gesetzmäßigkeit einer elektrischen Reihenschaltung ist die Stromstärke in allen Einzelwiderständen gleich groß, wohingegen die Gesamtspannung die Summe der einzelnen Spannungen ist, welche an den Einzelwiderständen abfällt. Nach der Formel P=I²*R, wobei P die Leistung, I die Stromstärke und R den Widerstand bezeichnet, führt ein Bereich mit kleinerem Querschnitt zu einem größeren Einzelwiderstand, an dem somit eine größere Leistung abfällt als in einem Bereich mit größerem Querschnitt und somit kleinerem Widerstand.

[0014] Nach einer weiteren Ausführungsform kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements aus einem temperaturfesten Material ausgebildet sein. Bei dem Material oder einem Werkstoff, aus dem das elektrisch leitfähige Heizelement bzw. die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Heizelements ausgebildet ist, kann es sich um ein temperaturbeständiges bzw. hitzebeständiges und/oder korrosionsbeständiges Material, insbesondere ein metallisches Material, oder um eine temperaturbeständige bzw. hitzebeständige und/oder korrosionsbeständige Legierung handeln. Beim Erhitzen eines solchen Materials oder einer solchen Legierung kann sich eine dicke, stabile Oxidschicht bilden, die die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Heizelements schützt. Die Festigkeit kann dabei über einen breiten Temperaturbereich erhalten bleiben, wodurch solche Materialien insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind.

[0015] Nach noch einer Ausführungsform kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements eine Vielzahl von Gyroid-Zellen und/oder eine Vielzahl von Schwarz-Diamond Zellen aufweisen. Sowohl eine Gyroid-Zelle als auch eine Schwarz-Diamond Zelle bildet eine Minimalfläche. Eine Zelle kann eine kleinste Einheit der Minimalfläche darstellen. Durch eine Aneinanderreihung der Vielzahl von Gyroid- und/oder Schwarz-Diamond Zellen, also einer Wiederholung der durch die Gyroid-Zelle oder durch die Schwarz-Diamond Zelle gebildeten Minimalfläche, kann eine dreidimensionale Struktur ausgebildet werden, deren Oberfläche aus Minimalflächen gebildet ist. Des Weiteren kann die Vielzahl aneinandergereihter Zellen im Raum eine unterschiedliche Wandstärke bzw. Wanddicke, insbesondere zwischen 0,05 mm und 3 mm, unterschiedliche Zellgrößen und/oder unterschiedliche Zelltypen aufweisen. Die Zellgröße beschreibt dabei eine räumliche Erstreckung in drei Dimensionen einer Zelle. Eine Zelle kann sich zwischen 0,5 mm und 10 mm in jede der drei Raumdimensionen erstrecken, insbesondere unabhängig voneinander. Neben einer würfelförmigen Ausgestaltung der Zelle, beispielsweise durch eine gleichmäßige Erstreckung in alle drei Raumdimensionen, kann eine Zelle auch quaderförmig ausgebildet sein. Neben den bereits beschriebenen Zelltypen einer Gyroid- und/oder einer Schwarz-Diamond Zelle kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements auch, alternativ oder zusätzlich, eine Vielzahl von Schwarz-Primitive (Schwarz P) Zellen, Schwarz-Hexagonal (Schwarz H) Zellen, Schwarz crossed layers of parallels (Schwarz CLP) Zellen, Fischer-Koch S Zellen, Fischer-Koch CY Zellen, Schoen I-WP Zellen, Neovius Zellen oder eine Kombination daraus aufweisen. Grundsätzlich sind alle bekannten Minimalflächen als dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements geeignet.

[0016] Nach einer weiteren Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Heizelement von dem Gasstrom durchströmbar sein. Der Gasstrom dringt dabei auf einer Seite, einer Einlassseite des Heizelements, in die dreidimensionale Struktur des Heizelements ein, durchdringt das Heizelement in Strömungsrichtung des Gasstroms und tritt auf einer anderen Seite, einer Auslassseite des Heizelements, wieder vollständig aus dem Heizelement aus. Innerhalb des Heizelements kann der Gasstrom in seiner Strömungsrichtung abgelenkt werden. Die Ablenkung oder eine Verwirbelung des Gasstroms können durch eine Ausgestaltung der dreidimensionalen Struktur des Heizelements hervorgerufen werden.

[0017] Nach noch einer Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Heizelement zumindest zwei Heizsegmente aufweisen, die abschnittsweise durch einen Spalt voneinander getrennt sind, der insbesondere einseitig offen ist. Die Heizsegmente sind aus einer dreidimensionale Struktur ausgebildet, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise aus dreifach periodischen Minimalflächen gebildet ist. Die Heizsegmente sind dabei selbst bevorzugt von dem Gasstrom durchströmbar. Der Gasstrom kann sowohl durch den zumindest einen Spalt, als auch durch die Heizsegmente selbst strömen. Das heißt, nicht der gesamte Gasstrom strömt bei Betrieb durch den zumindest einen Spalt, sondern auch durch die Heizsegmente. Zu diesem Zweck können die Heizsegmente Kanäle aufweisen, deren Wandungen einen effizienten Übertrag von Wärme von dem leitfähigen Material des Heizelements auf das Gas ermöglichen.

[0018] Nach einer weiteren Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Heizelement zumindest zwei Teilkörper umfassen, die derart angeordnet sind, dass die zumindest zwei Teilkörper nacheinander oder parallel von dem Gasstrom durchströmbar sind. Die zumindest zwei Teilkörper können eine identische Grundgeometrie aufweisen, beispielsweise eine im Wesentlichen kreisrunde Grundgeometrie. Jeder der zumindest zwei Teilkörper weist eine dreidimensionale Struktur auf, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise aus dreifach periodischen Minimalflächen gebildet ist. Die zumindest zwei Teilkörper sind aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet und jeweils mit Elektroden elektrisch leitend verbunden, sodass bei einer Bestromung mittels einer Steuereinrichtung eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gebildet werden kann, um jeden der zumindest zwei Teilkörper zu erwärmen.

[0019] Vorteilhaft kann eine nacheinander gelagerte Anordnung der zumindest zwei Teilkörper sein. Dabei können die zumindest zwei Teilkörper in einer axialen Richtung, die im Wesentlichen einer Strömungsrichtung des Gasstroms entspricht, angeordnet sein, sodass der Gasstrom zunächst den ersten Teilkörper durchströmt bevor der Gasstrom in den zweiten Teilkörper eintritt und diesen durchströmt. Eine Außenkontur des ersten Teilkörpers und eine Außenkontur des zweiten Teilkörpers können identisch sein und sich vollständig überdecken. Durch eine derartige Anordnung der zumindest zwei Teilkörper kann die Strömungsrichtung des durch die zumindest zwei Teilkörper strömenden Gasstroms beeinflusst werden, um beispielsweise gezielte Verwirbelungen des Gasstroms zu erzeugen die vorteilhaft für die Erwärmung eines nachgelagert angeordneten Katalysators sein können.

[0020] Die zumindest zwei Teilkörper können auch parallel angeordnet sein. Bei einer derartigen Anordnung kann ein Teil des Gasstroms durch einen ersten Teilkörper und ein anderer Teil des Gasstroms durch einen zweiten Teilkörper strömen. Die parallel angeordnete Teilkörper können in einer gleichen Ebene angeordnet oder parallel, räumlich versetzt angeordnet sein.

[0021] Bei einer derartigen Ausführungsform können die zumindest zwei Teilkörper des elektrisch leitfähigen Heizelements getrennt voneinander mittels einer Steuereinrichtung elektrisch ansteuerbar sein. Die zumindest zwei Teilkörper können derart elektrisch ansteuerbar sein, dass jeder Teilkörper für sich ein eigenes Heizelement ausbildet. Dadurch kann eine unterschiedliche Erwärmung der zumindest zwei Teilkörper ermöglicht werden.

[0022] Bei einer derartigen Ausführungsform können die zumindest zwei Teilkörper des elektrisch leitfähigen Heizelements mittels einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung elektrisch verbunden sein. Werden die zumindest zwei elektrisch leitfähigen Teilkörper in Reihe elektrisch verbunden, so ist ein elektrischer Ausgang des ersten Teilkörpers direkt mit einem elektrischen Eingang des zweiten Teilkörpers elektrisch verbunden. Es bildet sich ein einziger Strompfad, der zunächst durch den ersten Teilkörper und dann durch den zweiten Teilkörper führt. Durch eine solche Reihenschaltung von zumindest zwei Teilkörpern kann ein elektrischer Widerstand des Heizelements und somit eine Heizleistung für das Heizelement eingestellt werden.

[0023] Sind die zumindest zwei Teilkörper elektrisch parallelgeschaltet, so sind jeweils die elektrischen Eingänge der zumindest zwei Teilkörper und jeweils die elektrischen Ausgänge der zumindest zwei Teilkörper miteinander elektrisch verbunden. Es bilden sich zumindest zwei Strompfade, wobei der erste Strompfad durch den ersten Teilkörper und der zweite Strompfad durch den zweiten Teilkörper führt. Der Strompfad teilt sich folglich auf.

[0024] Nach einer weiteren Ausführungsform kann das zumindest eine Trägerelement zumindest abschnittsweise einen Randbereich des elektrisch leitfähigen Heizelements abdecken. Das zumindest eine Trägerelement kann formschlüssig mit dem Heizelement verbunden sein. Beispielsweise kann die Trägereinrichtung ein erstes Trägerelement und ein zweites Trägerelement umfassen, die jeweils zumindest einen Teil des Umfangs des Heizelements umgeben und/oder die jeweils zumindest einen Teil eines Randbereichs zumindest einer Stirnseite des Heizelements abdecken. Es ist beispielsweise möglich, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement jeweils ringförmig sind und jeweils einen äußeren Randbereich der beiden Stirnseiten abdecken. Trägerelemente gleicher oder unterschiedlicher Bauweise oder Dimensionierung können kombiniert werden, um eine für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Trägereinrichtung zu bilden. Kosteneinsparungen hinsichtlich Herstellung und Montage ergeben sich, wenn das erste und das zweite Trägerelement Gleichteile sind.

[0025] Nach noch einer Ausführungsform kann das zumindest eine Trägerelement zumindest zwei Öffnungen aufweisen, durch die das elektrisch leitfähige Heizelement elektrisch kontaktierbar ist. Zum Zwecke einer Versorgung des Heizelements mit elektrischer Energie kann das zumindest eine Trägerelement eine erste und eine zweite Öffnung aufweisen, durch die das Heizelement elektrisch kontaktierbar ist. Entsprechende Anschlüsse oder Elektroden sind mit einer Steuereinrichtung zum Betrieb der Heizeinrichtung verbunden. Bei Ausführungsformen mit mehreren Trägerelementen kann jedes der Trägerelemente (Teil-)Öffnungen aufweisen. Die (Teil-)Öffnungen können ausgebildet sein, um die Anschlüsse oder Elektroden zu halten.

[0026] Nach einer weiteren Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Heizelement mit zumindest zwei Elektroden elektrisch verbunden sein, wobei zwischen den zumindest zwei Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz mittels einer Steuereinrichtung ausbildbar ist. Durch das Anlegen einer äußeren Spannung an den zumindest zwei Elektroden baut sich eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf, so dass ein elektrischer Strom fließt. Das elektrisch leitfähige Heizelement stellt dabei einen elektrischen Widerstand dar, der zu einer Erwärmung des Heizelements führt. Mit Hilfe der Steuereinrichtung kann der Stromfluss zwischen den Elektroden und somit die Erwärmung des Heizelements gesteuert werden. Je größer dieser Stromfluss ist, desto größer ist die Erwärmung des elektrisch leitfähigen Heizelements bzw. desto schneller kann sich eine Katalysatoreinheit erwärmen, die nachgelagert zu dem Heizelement angeordnet ist.

[0027] Bei einer derartigen Ausführungsform können die zumindest zwei Elektroden isolierend gegen das zumindest eine Trägerelement angeordnet sein. Das zumindest eine Trägerelement ist aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet, wobei das zumindest eine Trägerelement in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Metall gebildet sein. Die zumindest zwei Elektroden erstrecken sich sowohl durch das Gehäuse, als auch durch das zumindest eine Trägerelement, um das Heizelement zu bestromen bzw. mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Elektroden sind zudem mit der Steuereinrichtung verbunden, mit der ein Stromfluss und damit die Bestromung des Heizelements gesteuert werden kann. Um den Stromfluss von der Steuereinrichtung zu den Elektroden und durch das Heizelement zu ermöglichen, sind die zumindest zwei Elektroden sowohl gegen das Gehäuse, als auch gegen das zumindest eine Trägerelement isolierend angeordnet.

[0028] Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasbehandlungseinrichtung mit einem Einlass und einem Auslass und mit zumindest einer Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung eines Abgasstroms, insbesondere mit einer Katalysatoreinheit, wobei eine Heizeinrichtung gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zwischen dem Einlass und der Abgasbehandlungseinheit angeordnet ist, insbesondere unmittelbar in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasbehandlungseinheit. Die Abgasbehandlungseinrichtung kann ein einstückiges Gehäusebauteil aufweisen, das die Abgasbehandlungseinheit und die Heizeinrichtung aufnimmt. Alternativ bildet der Gehäuseabschnitt der Heizeinrichtung einen Teil eines Gehäuses der Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere wobei ein Einlass der Abgasbehandlungseinrichtung mit einem Bauteil des Gehäuseabschnitts verbunden ist.

[0029] Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasbehandlungseinrichtung gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.

[0030] Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer vorstehend beschriebenen Abgasanlage verbunden ist.

[0031] Die Erfindung wird nachfolgend rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1

zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Heizeinrichtung,

Fig. 2A

zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Heizelements,

Fig. 2B

zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements,

Fig. 3A

zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Heizelements mit dreifach periodischen Minimalflächen,

Fig. 3B

zeigt eine perspektivische Darstellung einer Gyroid-Zelle,

Fig. 3C

zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements mit dreifach periodischen Minimalflächen,

Fig. 3D

zeigt eine perspektivische Darstellung einer Schwarz-Diamond Zelle,

Fig. 4A

zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements,

Fig. 4B

zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements mit zwei Teilkörpern, als Reihenschaltung ausgebildet,

Fig. 4C

zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements mit zwei Teilkörpern, als Parallelschaltung ausgebildet,

Fig. 5

zeigt eine perspektivische Darstellung einer Abgasbehandlungseinrichtung.

[0032] Heizelemente im Automotive-Sektor können aus explizit (konstruktiv) erzeugten Geometrien oder aus stochastischen Schaumstrukturen bestehen. Ein Herstellprozess solcher Heizelemente kann dabei auf einer Füge- und Montagetechnik von Blechen, Schäumen oder einem 3D-Druck basieren.

[0033] Die Effektivität eines Heizelements, zum Beispiel einer Heizscheibe, kann davon abhängen, wie viel Energie in Form von Wärme auf ein nachgelagertes Substrat, beispielsweise ein Katalysatorsubstrat, übertragen werden kann. Entscheidend für die Wärmeübertragung von dem Heizelement auf das Substrat kann die Oberfläche des Heizelements und die Strömungssituation innerhalb einer Struktur des Heizelements sein.

[0034] Fahrprofile und somit Betriebszeiten und/oder Betriebsanforderungen an ein Heizelement können hochdynamisch sein. Eine geringe thermische Masse, große wärmeübertragende Oberflächen und eine Erzeugung von hoch turbulenten Strömungsformen sollten von einem Heizelement zur Erfüllung eines dynamischen Anforderungsprofils bestmöglich abgebildet sein. Aufgrund von geometrieseitigen Einschränkungen können jedoch bekannte Heizelemente nicht alle gewünschten Eigenschaften abbilden.

[0035] Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung stellt eine Optimierung und Weiterentwicklung von bekannten elektrischen Heizsystemen dar. Insbesondere führt die hierin beschriebene Heizeinrichtung zu einer Optimierung eines Heizelements bzw. einer Heizscheibe oder einer Heizmatrix, also einem Kernstück eines elektrischen Heizsystems. Diese Optimierung kann mittels einer mathematisch impliziten Geometrieformulierung einer Oberfläche des Heizelements erreicht werden.

[0036] Mit implizit erzeugten Strukturen kann eine Reduzierung der thermischen Masse des Heizelements bei gleichzeitiger Erhöhung einer wärmeübertragenden Oberfläche erreicht und/oder eine Erhöhung von turbulenten Strömungen im wärmeübertragenden Bereich des Heizelements verbessert werden.

[0037] Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 100. Die Heizeinrichtung 100 umfasst ein elektrisch leitfähiges Heizelement 102 und eine Trägereinrichtung 104.

[0038] Das elektrisch leitfähige Heizelement 102 ist in dieser Ausführungsform als Heizscheibe ausgebildet, wobei die Heizscheibe bezüglich einer Strömungsachse A eine kreisförmige Grundgeometrie aufweist. Grundsätzlich ist sowohl die Grundgeometrie, beziehungsweise eine Außenkontur, des Heizelements 102, als auch eine axiale Dicke des Heizelements 102 frei wählbar und können an die jeweils vorliegenden Anforderungen angepasst werden.

[0039] Die Trägereinrichtung 104 trägt oder hält das elektrisch leitfähige Heizelement 102. Die Trägereinrichtung 104 ist entsprechend dieser Ausführungsform des Heizelements 102 auch kreisförmig ausgebildet. Die Trägereinrichtung 104 ist grundsätzlich an die Geometrie der Außenkontur des Heizelements 102 angepasst und umfasst zumindest ein Trägerelement 106. Das Trägerelement 106 ist elektrisch isolierend zwischen einem Gehäuseteil 103 und dem Heizelement 102 auf einer Stirnseite des Heizelements 102 angeordnet. Die Ausführungsform der Heizeinrichtung 100 in Fig. 1 weist zwei separate Trägerelemente 106, 108 auf, die aus Kreissegmenten gebildet, an die Geometrie der Außenkontur der Heizscheibe angepasst und jeweils auf einer Stirnseite des Heizelements 102 elektrisch isolierend zwischen dem Heizelement 102 und dem Gehäuseteil 103 angeordnet sind. Die Trägerelemente 106, 108 werden im Wesentlichen von dem Gehäuseteil 103 überdeckt. Außerdem umgeben die Trägerelemente 106, 108 das Heizelement 102 fast vollständig in Umfangsrichtung. Lediglich im Bereich der Anschlüsse, die als Elektroden 110 ausgebildet sind, sind Lücken vorgesehen. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das zumindest eine Trägerelement 106, 108 einen Randbereich des elektrisch leitfähigen Heizelements 102 zumindest abschnittsweise abdecken.

[0040] Durch eine fast vollständige Umfassung des Heizelements 102 durch die Trägerelemente 106, 108, wobei lediglich im Bereich der Elektroden 110 Lücken vorgesehen sind, wird das elektrisch leifähige Heizelement 102 auch in radialer Richtung bezüglich der Strömungsachse A isoliert. Um eine gute elektrische Isolierung zu erzielen, sind die Trägerelemente 106, 108 aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet, beispielsweise aus Korund, Glaskeramik, Glimmer und/oder einem anderen keramischen Werkstoff.

[0041] Im Bereich der Elektroden 110 weist zumindest eines der Trägerelemente 106, 108 oder beide Trägerelemente 106, 108 Öffnungen auf, durch die das elektrisch leitfähige Heizelement 102 mittels der Elektroden 110 elektrisch kontaktierbar ist. Die Elektroden 110 sind durch die Öffnungen durchführbar und elektrisch isolierend gegen die Trägerelemente 106, 108 angeordnet. Ferner sind die Elektroden 110 mit dem Heizelement 102 elektrisch leitend verbunden. Das Heizelement 102 ist mittels einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) über die Elektroden 110 elektrisch ansteuerbar und bestrombar. Durch das Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden 110 bildet sich ein Stromfluss zwischen den zwei Elektroden 110, wodurch sich das Heizelement 102 aufgrund seines elektrischen Widerstands erwärmt (Widerstandsheizung). Eine Bestrombarkeit des Heizelements 102 mit aus dreifach periodischen Minimalflächen gebildeter Oberfläche ist grundsätzlich möglich.

[0042] Das Heizelement 102 ist als dreidimensionale Struktur derart ausgebildet, dass das Heizelement 102 bzw. die dreidimensionale Struktur des Heizelements 102 von einem Gasstrom 112, insbesondere von einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, durchströmbar ist. Der Gasstrom 112 tritt auf einer Einlassseite 114 in das Heizelement 102 ein, durchströmt die dreidimensionale Struktur des Heizelements 102 im Wesentlichen in einer Strömungsrichtung parallel zu der Strömungsachse A und tritt auf einer Auslassseite 116 wieder aus dem Heizelement 102 aus. Der Gasstrom 112 ist in Fig. 1 schematisch durch zwei Pfeile angedeutet.

[0043] Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Heizelements 102, wobei das Heizelement 102 eine kreisförmige Grundgeometrie aufweist. Das Heizelement 102 ist zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und/oder ist mit einem solchen zumindest teilweise beschichtet. Das Heizelement 102 weist parallel verlaufende Spalte 204 auf, die einzelne Heizsegmente 202 abschnittsweise voneinander trennen. Die Spalte 204 sind alternierend einseitig offen. In Fig. 2A sind die seitlichen Öffnungen der Spalte 204 abwechselnd an einem rechten Rand 206 und an einem linken Rand 208 bezüglich einer Symmetrieachse B des Heizelements 102 dargestellt. Bildlich gesprochen wird hierdurch eine mäanderförmige oder schlangenlinienförmige Struktur des Heizelements 102 erzeugt. Die Heizsegmente 202 stellen keinen undurchdringlichen Strömungswiderstand dar, sondern weisen eine Vielzahl feiner Kanäle (nicht gezeigt) auf, durch die der Gasstrom 112 (siehe Fig. 1) strömen kann. Der Gasstrom 112 kann zudem durch die Spalte 204 des Heizelements 102 strömen. Durch eine geeignete Kontaktierung mittels zumindest zweier Elektroden (siehe Fig. 1) kann ein Stromfluss durch die mäanderförmige Struktur des Heizelements 102 erfolgen, und das Heizelement 102 kann sich erwärmen.

[0044] Fig. 2B zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements 102. Alternativ zu der in Fig. 2A gezeigten Ausführungsform eines Heizelements 102 mit mäanderförmiger Struktur kann das Heizelement 102 auch eine dreidimensionalen Struktur aufweisen, die zumindest abschnittsweise eine Vielzahl feiner Kanäle 210 aufweist durch die der Gasstrom 112 strömen kann. In Fig. 2B sind die Kanäle 210 schematisch stark vergrößert dargestellt. Die Grundgeometrie des Heizelements 102 bzw. der Heizmatrix in diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls (wie in der Ausführungsform aus Fig. 2A) kreisförmig ausgebildet. Die Form der Grundgeometrie des Heizelements 102 kann jedoch beliebig ausgestaltet sein. Die in Fig. 2B dargestellte alternative Ausführungsform des Heizelements 102 kann durch eine geeignete Kontaktierung, beispielsweise durch zwei oder mehr voneinander beabstandeter großflächiger Elektroden auf einer Außenfläche des Heizelements 102, und Bestromung erwärmt werden.

[0045] Die Grundgeometrie und insbesondere eine Oberfläche der Grundgeometrie des Heizelements 102 kann durch beliebige dreifach periodische Minimalflächen (engl.: triply periodic minimal surface, TPMS) beschrieben werden. Beispielsweise kann die dreidimensionale Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements 102 eine Vielzahl von Gyroid-Zellen und/oder eine Vielzahl von Schwarz-Diamond Zellen aufweisen, wie nachfolgend anhand von Fig. 3A bis 3D beschrieben wird. Die dreidimensionale Struktur des Heizelements 102, gebildet aus dreifach periodischen Minimalflächen, kann Vorteile gegenüber bekannten Strukturen von Heizelementen 102 aufweisen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Heizelement 102 vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich Verformung und Energieabsorption aufweisen. Zudem können Dichte, Oberfläche und Steifigkeit der dreidimensionalen Struktur des Heizelements 102 je nach Anwendungsfall geeignet bestimmt werden. Eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung sowie ein effizienter Materialeinsatz und damit Kostenpotenziale und/oder eine hohe Durchlässigkeit, beispielsweise eines Gasstroms 112, im Vergleich zu bekannten Oberflächenstrukturen von Heizelementen 102 können durch die Ausgestaltung der Oberfläche der dreidimensionalen Struktur des Heizelements 102 aus dreifach periodischen Minimalflächen ebenfalls möglich sein.

[0046] Fig. 3A und 3C zeigen perspektivische Darstellungen von Ausführungsformen des Heizelements 102 mit dreifach periodischen Minimalflächen. Dreifach periodische Minimalflächen sind aus der Natur bekannte Flächengebilde (beispielsweise Seifenhäute). Minimalflächen weisen in jedem Punkt eine mittlere Krümmung von 0 auf. Ferner können Minimalflächen implizit formuliert werden. Es existieren diverse Formulierungen für TPMS-Strukturen. Die nachfolgend beschriebenen TPMS-Strukturen repräsentieren lediglich einen Teil von geeigneten TPMS-Strukturen und sind als Beispiele zu verstehen.

[0047] Die TPMS-Struktur des elektrisch leitfähigen Heizelements 102 ist aus einem elektrisch leitfähigen und thermisch beständigen Werkstoff, beispielsweise aus einem temperaturfesten Material, insbesondere aus einem metallischen Material ausgebildet. Die Oberfläche, oder zumindest Abschnitte davon, des Heizelements 102 kann aus einer beliebig geeigneten oder einer beliebig geeigneten Kombination von dreifach periodischen Minimalfläche gebildet sein. Eine Gyriod-Zelle 302 (siehe Fig. 3B) stellt beispielsweise eine geeignete TPMS-Struktur dar.

[0048] Die dreidimensionale Struktur des Heizelements 102 aus Fig. 3A ist aus einer Vielzahl von Gyroid-Zellen 302 gebildet. Eine perspektivische Darstellung einer einzelnen Gyroid-Zelle 302 ist in Fig. 3B gezeigt. Die Gyroid-Zelle 302 weist eine dreidimensionale Struktur 304 mit einer Wandstärke 310 auf, die einen Raum in zwei entgegengesetzt kongruente Labyrinthe von Kanälen 210 trennt. Das Heizelement 102 weist eine mäanderförmiger Struktur (siehe Fig. 2A) auf, kann aber auch jede beliebig andere geeignete Struktur aufweisen, beispielsweise eine kreisrunde Struktur ohne Spalte 204 wie in Fig. 2B dargestellt. Die Oberfläche der dreidimensionalen Struktur 304 des Heizelements 102 weist ein Vielzahl von dreifach periodischen Minimalflächen auf. Die aus einer Vielzahl von Gyroid-Zellen 302 gebildete dreidimensionale Struktur 304 kann, zumindest abschnittsweise, eine gleichmäßige Dicke oder eine unterschiedliche Dicke aufweisen.

[0049] Allgemein können TPMS-Strukturen aus einer Addition von Winkelfunktionen beschrieben werden. Die Gyroid-Zelle 302 kann beispielsweise durch folgende implizite Gleichung approximiert werden:

[0050] Besonders vorteilhaft ist die Gyroid-Zelle 302, da sie mittels 3D-Druck relativ einfach fertigbar ist. Die Ausgestaltung der Kanäle 210 der Gyroid-Zelle 302 kann zudem die Strömungsrichtung eines die Zelle durchströmenden Gasstroms 112 beeinflussen und beispielsweise zu Turbulenzen des Gasstroms 112 führen, was sich positiv auf die Wärmeübertragung von dem Heizelement 102 auf den Gasstrom 112 und/oder von dem Gasstrom 112 auf eine dem Heizelement 102 nachgelagert angeordnete Abgasbehandlungseinheit auswirken kann.

[0051] Fig. 3C zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements 102 mit dreifach periodischen Minimalflächen. Die dreifach periodischen Minimalflächen werden in dieser Ausführungsform durch eine Vielzahl von Schwarz-Diamond Zellen 306 gebildet. Eine perspektivische Darstellung einer Schwarz-Diamond Zelle 306 ist in Fig. 3D dargestellt. Die Schwarz-Diamond Zelle 306 weist eine dreidimensionale Struktur 308 mit Wandstärke 310 auf, die zwei ineinander verschlungene kongruente Labyrinthe von Kanälen 210 umfasst von denen jedes die Form einer aufgeblasenen röhrenförmigen Version einer Diamantstruktur hat. Das Heizelement 102 umfasst Heizsegmente 202 und Spalte 204, die eine mäanderförmige Grundgeometrie des Heizelements 102 ausbilden. Auch bei dem Heizelement 102, dessen dreidimensionale Struktur 308 aus Schwarz-Diamond Zellen 306 gebildet ist, sind andere geeignete Grundgeometrien möglich. Die aus einer Vielzahl von Schwarz-Diamond Zellen 306 gebildete dreidimensionale Struktur 308 kann, zumindest abschnittsweise, eine gleichmäßige Dicke oder eine unterschiedliche Dicke aufweisen.

[0052] Die Schwarz-Diamond Zelle 306 kann beispielsweise durch folgende Winkelfunktion beschrieben werden:

[0053] Schwarz-Diamond Zellen 306 zeichnen sich durch eine relativ große Oberfläche im Vergleich zu anderen Minimalflächen bei gleichem Volumen aus. Dies kann die Erwärmung eines Gasstroms 112, der durch ein Heizelement 102 strömt, dessen Struktur aus Schwarz-Diamond Zellen 306 ausgebildet ist, begünstigen.

[0054] Fig. 4A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements 102. Das elektrisch leitende Heizelement 102 ist mit einer ersten Elektrode 406 und einer zweiten Elektrode 408 elektrisch verbunden. Sowohl die erste Elektrode 406, also auch die zweite Elektrode 408 ist über eine elektrische Leitung 402 mit einer Steuereinrichtung 404 elektrisch verbunden. Mittels der Steuereinrichtung 404 kann eine elektrische Spannung an die erste Elektrode 406 und an die zweite Elektrode 408 derart angelegt werden, dass sich zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408 eine Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) bildet. Beispielsweise wird die erste Elektrode 406 mit einem positiven Spannungspotential und die zweite Elektrode 408 mit einem negativen Spannungspotential beaufschlagt, oder umgekehrt. Das zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408 angeordnete elektrisch leitfähige Heizelement 102 weist einen elektrischen Widerstand auf. Durch das Anlegen zweier unterschiedlicher Spannungspotenziale an der ersten Elektrode 406 und an der zweiten Elektrode 408 entsteht ein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408, hierdurch erwärmt sich das Heizelement 102 aufgrund des elektrischen Widerstands des Heizelements 102 nach dem Stromwärmegesetz (Ohmic-Heating).

[0055] Fig. 4B zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements 102 mit zwei Teilkörpern 410, wobei die elektrische Ansteuerung als Reihenschaltung ausgebildet ist. Entsprechend der Ausführungsform in Fig. 4A ist das elektrisch leitende Heizelement 102 mit einer ersten Elektrode 406 und einer zweiten Elektrode 408 elektrisch leitend verbunden. Sowohl die erste Elektrode 406, also auch die zweite Elektrode 408 ist über eine elektrische Leitung 402 mit einer Steuereinrichtung 404 elektrisch verbunden. Mittels der Steuereinrichtung 404 kann eine elektrische Spannung an die erste Elektrode 406 und an die zweite Elektrode 408 derart angelegt werden, dass sich zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408 eine Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) bildet. Beispielsweise wird die erste Elektrode 406 mit einem positiven Spannungspotential und die zweite Elektrode 408 mit einem negativen Spannungspotential beaufschlagt, oder umgekehrt. Das zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408 angeordnete elektrisch leitfähige Heizelement 102 umfasst zwei elektrisch leitfähige Teilkörper 410 die miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind.

[0056] Die zwei Teilkörper 410 können - räumlich gesehen - in Richtung der Strömungsachse A (siehe Fig. 1) beabstandet voneinander, also nacheinander, oder in Richtung der Symmetrieachse B beabstandet voneinander, also über- oder untereinander, angeordnet sein, sodass die zwei Teilkörper 410 von einem Gasstrom 112 durchströmbar sind. Die zwei Teilkörper 410 sind elektrisch in Reihe geschaltet (Reihenschaltung), sodass sich der elektrische Widerstand der jeweiligen Teilkörper 410 zu einem Gesamt-Widerstand des Heizelements 102 addiert. Durch das Anlegen zweier unterschiedlicher Spannungspotenziale an der ersten Elektrode 406 und an der zweiten Elektrode 408 entsteht ein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 406 und der zweiten Elektrode 408, hierdurch erwärmt sich jeder Teilkörper 410 aufgrund der elektrischen Widerständen der Teilkörper 410 und dadurch erwärmt sich auch das Heizelement 102 nach dem Stromwärmegesetz (Ohmic-Heating). Es ist auch möglich, die - zumindest - zwei Teilkörper 410 des Heizelements 102 getrennt voneinander mittels einer Steuereinrichtung 404 elektrisch anzusteuern.

[0057] Fig. 4C zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung des Heizelements 102 mit zwei Teilkörpern 410, wobei die elektrische Ansteuerung als Parallelschaltung ausgebildet ist. Entsprechend der Ausführungsform in Fig. 4B ist das Heizelement 102 aus zwei elektrisch leitfähigen Teilkörpern 410 ausgebildet. Die Teilköper 410 können - räumlich gesehen - in Richtung der Strömungsachse A (siehe Fig. 1) beabstandet voneinander, also nacheinander, oder in Richtung der Symmetrieachse B beabstandet voneinander, also über- oder untereinander, angeordnet sein, sodass die zwei Teilkörper 410 von einem Gasstrom 112 durchströmbar sind. Die zwei Teilkörper 410 sind elektrisch parallelgeschaltet (Parallelschaltung).

[0058] Jeder der zwei Teilkörper 410 ist mit einer ersten Elektrode 406 und einer zweiten Elektrode 408 elektrisch leitend verbunden. Das Heizelement 102 umfasst somit vier Elektroden 406, 408, für jeden Teilkörper 410 jeweils zwei erste Elektroden 406 und zwei zweite Elektroden 408. Sowohl die jeweils erste Elektrode 406, also auch die jeweils zweite Elektrode 408 ist über eine elektrische Leitung 402 mit einer Steuereinrichtung 404 elektrisch verbunden. Mittels der Steuereinrichtung 404 kann eine elektrische Spannung an die jeweils erste Elektrode 406 und an die jeweils zweite Elektrode 408 derart angelegt werden, dass sich zwischen der jeweils ersten Elektrode 406 eines Teilkörpers 410 und der jeweils zweiten Elektrode 408 eines Teilkörpers 410 eine Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) bildet, woraus ein Stromfluss zwischen der jeweils ersten Elektrode 406 und der jeweils zweiten Elektrode 408 resultiert. Beispielsweise wird die jeweils erste Elektrode 406 mit einem positiven Spannungspotential und die jeweils zweite Elektrode 408 mit einem negativen Spannungspotential beaufschlagt, oder umgekehrt. Durch das Anlegen zweier unterschiedlicher Spannungspotentiale an der jeweils ersten Elektrode 406 und der jeweils zweiten Elektrode 408 entsteht ein Stromfluss zwischen der jeweils ersten Elektrode 406 und der jeweils zweiten Elektrode 408, hierdurch erwärmt sich jeder Teilkörper 410 aufgrund der elektrischen Widerstände der Teilkörper 410 und dadurch erwärmt sich auch das Heizelement 102 nach dem Stromwärmegesetz (Ohmic-Heating). Es ist auch möglich, die - zumindest - zwei Teilkörper 410 des Heizelements 102 getrennt voneinander mittels einer Steuereinrichtung 404 elektrisch anzusteuern.

[0059] Die aus dreifach periodischen Minimalflächen, zumindest abschnittsweise, gebildete Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Heizelements 102 kann nach den Kriterien Oberfläche, Widerstand, Gegendruck und Festigkeit noch weiter optimiert werden. Dabei kann ein Potential der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 100 mittels Messtechnik für Temperatur - Thermografie und Thermoelemente - und Messtechnik für Druck ermittelt werden.

[0060] Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Abgasbehandlungseinrichtung 500 mit einem Einlass 506 und einem Auslass 508. Die Abgasbehandlungseinrichtung 500 umfasst eine Heizeinrichtung 100 und eine Katalysatoreinheit 502 (gestrichelt dargestellt). Die Heizeinrichtung 100 und die Katalysatoreinheit 502 sind in einem Gehäuse 504 gehalten, wobei die Katalysatoreinheit 502 in dem Gehäuse 504 durch zumindest eine Lagermatte (nicht gezeigt) zuverlässig fixiert wird. Die Heizeinrichtung 100 umfasst zwei Elektroden 110, die mit einem Heizelement 102 elektrisch leitend verbunden sind. Das Heizelement 102 kann nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Die Elektroden 110 sind elektrisch isolierend gegen das Gehäuse 504 angeordnet, wobei sich die Elektroden 110 durch das Gehäuse 504 erstrecken und das Heizelement 102 elektrisch leitend kontaktieren. An die Elektroden 110 kann eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen werden, um eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 110 auszubilden. Die Katalysatoreinheit 502 ist direkt im Anschluss in axialer Richtung einer Strömungsachse A an der Heizeinrichtung 100 angeordnet.

[0061] Ein in axialer Richtung der Strömungsachse A durch den Einlass 506 in das Gehäuse 504 einströmender Gasstrom 112, insbesondere ein Abgasstrom, wird durch die Heizeinrichtung 100 erhitzt, sodass die Katalysatoreinheit 502 möglichst schnell ihre Betriebstemperatur erreicht. Die Heizeinrichtung 100 ist zwischen dem Einlass 506 und der Katalysatoreinheit 502 angeordnet, insbesondere unmittelbar in Strömungsrichtung des Abgases entlang der Strömungsachse A vor der Katalysatoreinheit 502.

[0062] Um komplexe Flächengebilde mittels TPMS-Strukturen darstellen zu können, können die dreifach periodischen Minimalflächen des elektrisch leitfähigen Heizelements 102 durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt werden, insbesondere werden TPMS-Strukturen aufgrund ihrer komplexen Strukturen hauptsächlich mittels 3D-Druckverfahren hergestellt.

[0063] Der Einsatz von TPMS-Strukturen in Heizelementen 102 kann hinsichtlich regulatorischer Abgasnormen, beispielsweise EU7, Potentiale in den Bereichen thermisches Aufheizverhalten, Wärmeübertragung - Oberfläche - und Gewicht bieten.

Bezugszeichenliste

[0064] 

100

Heizeinrichtung

102

Heizelement

103

Gehäuseteil

104

Trägereinrichtung

106

Trägerelement

108

Trägerelement

110

Elektrode

112

Gasstrom

114

Einlassseite

116

Auslassseite

202

Heizsegment

204

Spalt

206

rechter Rand

208

linker Rand

210

Kanal

302

Gyroid-Zelle

304

dreidimensionale Struktur

306

Schwarz-Diamond Zelle

308

dreidimensionale Struktur

310

Wandstärke

402

elektrische Leitung

404

Steuereinrichtung

406

erste Elektrode

408

zweite Elektrode

410

Teilkörper

500

Abgasbehandlungseinrichtung

502

Katalysatoreinheit

504

Gehäuse

506

Einlass

508

Auslass

A

Strömungsachse

B

Symmetrieachse

Ansprüche

1. Heizeinrichtung (100) zum Beheizen eines Gasstroms (112), insbesondere eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine, umfassend

ein elektrisch leitfähiges Heizelement (102); und

eine Trägereinrichtung (104) mit zumindest einem elektrisch isolierenden Trägerelement (106) für das elektrisch leitfähige Heizelement (102),

dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) als dreidimensionale Struktur (304, 308) ausgebildet ist, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise aus dreifach periodischen Minimalflächen gebildet ist.

2. Heizeinrichtung (100) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) eine im Wesentlichen kreisrunde Grundgeometrie aufweist.

3. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreidimensionale Struktur (304, 308) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) eine gleichmäßige Dicke aufweist.

4. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreidimensionale Struktur (304, 308) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) zumindest abschnittsweise eine unterschiedliche Dicke aufweist.

5. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreidimensionale Struktur (304, 308) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) aus einem temperaturfesten Material ausgebildet ist.

6. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreidimensionale Struktur (304, 308) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) eine Vielzahl von Gyroid-Zellen (302) und/oder eine Vielzahl von Schwarz-Diamond Zellen (306) aufweist.

7. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) von dem Gasstrom (112) durchströmbar ist.

8. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) zumindest zwei Heizsegmente (202) aufweist, die abschnittsweise durch einen Spalt (204) voneinander getrennt sind, der insbesondere einseitig offen ist.

9. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) zumindest zwei Teilkörper (410) umfasst, die derart angeordnet sind, dass die zumindest zwei Teilkörper (410) nacheinander oder parallel von dem Gasstrom (112) durchströmbar sind, und/oder

dass die zumindest zwei Teilkörper (410) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) getrennt voneinander mittels einer Steuereinrichtung (404) elektrisch ansteuerbar sind.

10. Heizeinrichtung (100) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Teilkörper (410) des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) mittels einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung elektrisch verbunden sind.

11. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

dass das zumindest eine Trägerelement (106) zumindest abschnittsweise einen Randbereich des elektrisch leitfähigen Heizelements (102) abdeckt, und/oder

dass das zumindest eine Trägerelement (106) zumindest zwei Öffnungen aufweist, durch die das elektrisch leitfähige Heizelement (102) elektrisch kontaktierbar ist.

12. Heizeinrichtung (100) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

dass das elektrisch leitfähige Heizelement (102) mit zumindest zwei Elektroden (110) elektrisch verbunden ist, wobei zwischen den zumindest zwei Elektroden (110) eine elektrische Potentialdifferenz mittels einer Steuereinrichtung (404) ausbildbar ist, und/oder

dass die zumindest zwei Elektroden (110) isolierend gegen das zumindest eine Trägerelement (106) angeordnet sind.

13. Abgasbehandlungseinrichtung (500) mit einem Einlass (506) und einem Auslass (508) und mit zumindest einer Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung eines Abgasstroms, insbesondere mit einer Katalysatoreinheit (502), wobei eine Heizeinrichtung (100) gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche zwischen dem Einlass (506) und der Abgasbehandlungseinheit angeordnet ist, insbesondere unmittelbar in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasbehandlungseinheit.

14. Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasbehandlungseinrichtung (500) gemäß Anspruch 13.

15. Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Abgasanlage gemäß Anspruch 14 verbunden ist.

Zeichnung