DE10010013A1 - Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine - Google Patents

Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine

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Abstract

Ein Fahrzeug, beispielsweise ein dieselmotorischer Gabelstapler, weist eine Brennkraftmaschine und mindestens eine elektrische Maschine (2; 4) auf, die generatorisch betreibbar ist. Im generatorischen Betriebszustand der elektrischen Maschine (2; 4) ist von dieser erzeugte elektrische Energie in eine Heizvorrichtung (6) einspeisbar. Erfindungsgemäß ist die Heizvorrichtung (6) zur Aufheizung des Abgasstromes (7) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen und stromauf eines regenerierbaren Partikelfilters (8) und/oder eines Abgaskatalysators (11) angeordnet. Die Heizvorrichtung (6) ist bevorzugt in ein den Partikelfilter (8) enthaltendes Auspuffelement (10) integriert, als Widerstandsheizung ausgebildet und direkt im Abgasstrom (7) angeordnet. Der Partikelfilter (8) kann eine die Starttemperatur des Regenerationsvorganges herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweisen. Ebenso ist es möglich, daß der Partikelfilter (8) eine die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweist und/oder dem Partikelfilter (8) ein oder mehrere, die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende Abgaskatalysatoren (11) nachgeschaltet sind. Die elektrische Maschine (2; 4) ist vorzugsweise als Fahrmotor (4) ausgebildet, der zwecks Aufnahme von Bremsenergie im Bremszustand des Fahrzeugs als Generator betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine, die generatorisch betreibbar ist, wobei im generatorischen Betriebszustand der elektrischen Maschine von dieser erzeugte elektrische Energie in eine Heizvorrichtung einspeisbar ist.
Derartige Fahrzeuge werden beispielsweise als Dieselgabelstapler mit elektrischem Getriebe ausgeführt. Dabei erzeugt ein mit der Brennkraftmaschine gekoppelter Generator den Fahrstrom, der mittels einer Leistungselektronik einem oder mehreren Fahrmotoren zugeführt wird.
Es ist bekannt, solche Fahrzeuge generatorisch zu bremsen, indem der bzw. die Fahr­ motoren als Generatoren betrieben werden. Dabei wird die Bremsenergie des Fahr­ zeugs in elektrische Energie umgesetzt und dem in diesem Betriebszustand als Motor arbeitenden Generator zugeführt. Ein hierbei auf einen Rotor des Generators aufge­ brachtes Drehmoment stützt sich auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ab, wo­ durch sich deren Drehzahl erhöht. Dies führt zu einer erhöhten Lärmerzeugung und zu verstärkter mechanischer Abnutzung.
Um die Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine im Bremszustand zu begrenzen oder zu verhindern, ist es aus der US PS 5,291,960 bekannt, die während des Bremsens erzeugte elektrische Energie eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb bei gefüllter Batterie mittels eines Heizwiderstandes in Wärmeenergie umzusetzen und nutz­ bringend zu verwerten, indem sie an das Kühlwasser der Brennkraftmaschine und an einen Wärmespeicher abgegeben wird. Zu diesem Zweck ist eine Vergrößerung des Kühlsystems der Brennkraftmaschine und der Kühlluftmenge erforderlich. Damit gehen auch Geräuschprobleme einher.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem Wärmeenergie, die von der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb elektrisch erzeugt wird, mit geringem Aufwand nutzbringend verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizvorrichtung zur Aufheizung des Abgasstromes der Brennkraftmaschine vorgesehen und stromauf eines regenerierbaren Partikelfilters und/oder eines Abgaskatalysators angeordnet ist.
Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, die im generatorischen Betriebszustand des Elektromotors erzeugte elektrische Energie nach Umwandlung in Wärmeenergie in den Abgasstrom abzuführen, wo sie zu einer wesentlichen Verbes­ serung der Abgasemissionen beiträgt, wie nachfolgend erläutert wird:
Ein Partikelfilter hat die Aufgabe, Partikel, insbesondere Rußpartikel sowie daran an­ gehaftete unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Schwefelverbindungen aus dem Ab­ gasstrom der Brennkraftmaschine herauszufiltern und vor dem Austritt in die Umge­ bung zurückzuhalten.
Damit der Partikelfilter bei voller Beladung nicht ausgetauscht werden muß, werden die zurückgehaltenen Partikel nach einer bestimmten Beladungszeit verbrannt. Dazu muß eine bestimmte Temperatur überschritten werden, beispielsweise 600°C. Ist der Parti­ kelfilter katalytisch beschichtet oder werden katalytisch wirkende Kraftstoffzusätze ver­ wendet, so genügt beispielsweise eine Temperatur von 330°C. Die Partikel werden durch die Verbrennung im wesentlichen zu CO2 und H2O verbrannt. Das Verbrennen der Partikel in einem Partikelfilter wird auch als Regeneration bezeichnet.
Die Verbrennung der Partikel erfolgt bei dauerhaft hohen Abgastemperaturen selbst­ tätig. Bei Fahrzeugen, bei denen aufgrund häufig wechselnder Belastung der Brennkraftmaschine die mittlere Abgastemperatur niedrig ist (beispielsweise meist unter 200°C bei Gabelstaplern), stellt sich jedoch kein automatisches Abbrennen der Partikel ein.
Aus diesem Grund wird in einem solchen Fahrzeug in periodischen Zeitabständen (z. B. nach 8 Stunden Einsatzzeit des Partikelfilters) durch Energieeinbringung in den Partikelfilter mittels einer elektrischen Heizwendel und Zufuhr von Luft über eine Luft­ pumpe ein Regenerationsvorgang (Fremdregeneration) gestartet, der je nach Größe des Partikelfilters zwischen 15 Minuten und 8 Stunden andauert. Während dieser Zeit steht das Fahrzeug nicht zur Verfügung.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des gattungsgemäßen Fahrzeugs gelingt es, das mittlere Temperaturniveau im Abgasstrom der Brennkraftmaschine soweit anzuheben, daß der Regenerationsvorgang des Partikelfilters automatisch ablaufen kann. Es stellt sich daher eine Selbstregeneration ein.
Die für den Betreiber von gattungsgemäßen Fahrzeugen lästigen Ausfallzeiten für eine Fremdregeneration entfallen durch die Erfindung. Anfällige Ausrüstungsteile, wie Luft­ pumpen etc., werden nicht benötigt. Auch auf eine Erweiterung des Kühlsystems kann verzichtet werden.
Bei Fahrzeugen die alternativ (d. h., dann, wenn keine Partikel in nennenswerter Menge im Abgas enthalten sind) oder zusätzlich einen Abgaskatalysator enthalten, um die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabzusetzen, wird in analoger Weise durch das Aufheizen des Abgasstromes das Anspringen des Abgaskatalysators und der an­ dauernde Betrieb ermöglicht.
Dadurch gelingt es, die Menge an gasförmigen Schadstoffen im Abgasstrom, wie CO und CH deutlich zu verringern. Die Umsetzung dieser Schadstoffe in größerem Umfang (z. B. < 60%) erfordert eine bestimmte Mindestabgastemperatur (z. B. < 260°C), die durch die erfindungsgemäße Verwendung und Anordnung der Heizvorrichtung leicht erzielt werden kann.
Um die Selbstregeneration des Partikelfilters bei geringstmöglichen Abgastempera­ turen zu starten, ist eine Ausgestaltung der Erfindung günstig, bei der der Partikelfilter eine die Starttemperatur des Regenerationsvorganges herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweist. Alternativ dazu oder zusätzlich können Kraftstoffzusätze zum Einsatz kommen, die dieselbe Wirkung erzielen. Die Selbstregeneration des Partikel­ filters durch Abbrennen der Partikel nach einer bestimmten Beladung erfolgt in Kombi­ nation mit der Verwendung von Kraftstoffzusätzen und/oder mit einer katalytischen Be­ schichtung bereits bei 330°C.
Sollen sowohl Partikel als auch gasförmige Schadstoffe aus dem Abgas entfernt werden, so ist es vorteilhaft, wenn der Partikelfilter eine die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweist und/oder dem Parti­ kelfilter ein oder mehrere, die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende Ab­ gaskatalysatoren nachgeschaltet sind.
Sofern die Heizvorrichtung in ein den Partikelfilter und/oder den Abgaskatalysator enthaltendes Auspuffelement integriert ist, wird insbesondere der Montageaufwand minimiert. Die Heizvorrichtung kann aber auch an anderer Stelle des Abgassystems angeordnet werden. Entscheidend dabei ist, daß am Eingang des Partikelfilters bzw. des Abgaskatalysators ausreichend hohe Temperaturen erreicht werden.
Besonders günstig ist es, wenn die Heizvorrichtung als Widerstandsheizung aus­ gebildet und direkt im Abgasstrom angeordnet ist. Dadurch erfolgt eine direkte und daher verlustarme Aufheizung des Abgasstromes. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Abgasstrom indirekt aufzuheizen, beispielsweise dadurch, daß das Auspuffelement oder ein zu dem Auspuffelement führendes Auspuffrohr von außen aufgeheizt wird.
Zweckmäßigerweise weist zur Aufrechterhaltung einer höheren Abgastemperatur das Auspuffelement ein wärmeisoliertes Gehäuse auf.
Zwar ist es im Prinzip möglich, jede generatorisch betreibbare, elektrische Maschine im Fahrzeug zur erfindungsgemäßen Einwirkung auf die Abgastemperatur heranzuziehen, besonders günstig ist es jedoch, wenn die elektrische Maschine als Fahrmotor ausge­ bildet ist, der zwecks Aufnahme von Bremsenergie im Bremszustand des Fahrzeugs als Generator betreibbar ist. Hierbei wird die normalerweise ungenutzte Energie der trägen, sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegenden Fahrzeugmasse in elektrische Energie und danach in Wärmeenergie umgewandelt. Dabei werden einer­ seits die Brennkraftmaschine und die Fahrzeugbremsen geschont, andererseits wird die Bremsenergie nutzbringend verwertet.
Sofern die Heizvorrichtung zwischen den Fahrmotor und einen mit der Brennkraft­ maschine gekoppelten elektrischen Generator geschaltet ist, wobei die Heizvorrichtung auch durch elektrische Energie des Generators beheizbar ist, kann eine Aufheizung des Abgasstromes auch in Betriebszuständen erfolgen werden, in denen der Fahr­ motor nicht generatorisch arbeitet. Dadurch kann bei immer noch zu geringem Tempe­ raturniveau des Abgasstroms oder zur rascheren Erreichung der Selbstregeneration (z. B. in Betriebszuständen, in denen das erfindungsgemäße Fahrzeug nur wenig bewegt und damit nur wenig abgebremst wird) der Abgasstrom gezielt aufgeheizt werden.
Zweckmäßigerweise ist die Heizvorrichtung durch eine Regeleinrichtung regelbar, an die mindestens ein die Abgastemperatur erfassender Temperatursensor angeschlos­ sen ist. Auf diese Weise kann stets eine für den Regenerationsvorgang bzw. den Betrieb des Abgaskatalysators ausreichende Abgastemperatur erzielt werden, un­ abhängig davon, ob gerade gebremst wird oder nicht.
Die Erfindung kann in allen denkbaren Fahrzeugarten zum Einsatz kommen. Insbe­ sondere große und schwere Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die im Normal­ fall nur eine geringe Abgastemperatur erreicht, sind für die Anwendung der Erfindung prädestiniert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Fahrzeugs als Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichts-Gabelstapler ausgebildet ist und die Brennkraftmaschine als Dieselmotor.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schema­ tischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dieses hat einen Gabelstapler zum Gegenstand, dessen Antriebsstrang wie folgt aufgebaut ist:
Eine Brennkraftmaschine 1, die vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführt ist, treibt einen im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Drehstrombauweise ausgebildeten Generator 2. Dieser steht unter Zwischenschaltung eines Umrichters 3, der ein Steuerungs- und ein Leistungsteil enthält, mit einem ebenfalls in Drehstrombauweise ausgebildeten Fahrmotor 4 in elektrischer Verbindung. Der Fahrmotor 4 ist mit einem Treibrad 5 gekoppelt.
Es versteht sich von selbst, daß der Generator 2 mehrere Elektromotoren antreiben kann, auch solche, die nicht als Fahrmotor verwendet werden, sondern beispielsweise eine hydraulische Pumpe für eine Hubhydraulik antreiben.
Die mechanische Leistung der Brennkraftmaschine 1 wird als Produkt aus Drehmo­ ment und Drehzahl an den Generator 2 und nach Umwandlung in elektrische Leistung an den Fahrmotor 4 weitergeben. Die in den Fahrmotor 4 eingespeiste elektrische Leistung wird wieder in mechanische Leistung umgewandelt, wobei je nach Steuerung im Umrichter 3 verschiedenste Kombinationen aus Drehmoment und Drehzahl ein­ gestellt werden können.
Im Bremszustand fließt die Energie in umgekehrter Richtung. Das Treibrad 5 wird von der trägen Masse des Fahrzeugs angetrieben und erzeugt mechanische Leistung, die auf den Fahrmotor 4 übertragen wird. Dieser arbeitet nun generatorisch, d. h. der Fahr­ motor 4 erzeugt elektrische Leistung und speist diese in den Generator 2 ein. Der Rotor des Generators 2, der mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt ist, überträgt die vom angetriebenen Generator 2 wieder in mechanische Leistung umgewandelte elektrische Leistung auf die Brennkraftmaschine 1, deren Drehzahl sich daraufhin erhöht.
Dieser Betriebszustand kommt bei einem Gabelstapler sehr häufig vor. Um die Brenn­ kraftmaschine 1 und die Fahrzeugbremsen zu schonen und die Lärmbelästigung ge­ ring zu halten, wird im Bremszustand zumindest ein Teil der vom Elektromotor erzeug­ ten elektrischen Leistung in einer Heizvorrichtung in Wärme umgewandelt. Die Heiz­ vorrichtung dient dabei als Bremswiderstand. Bei bekannten Fahrzeugen des Standes der Technik wird mit der Heizvorrichtung der Flüssigkeitskreislauf der Brennkraft­ maschine aufgeheizt.
Erfindungsgemäß ist eine Heizvorrichtung 6 zur Aufheizung eines Abgasstromes 7 der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen und stromauf eines Partikelfilters 8 und/oder eines Abgaskatalysators 11 angeordnet Die Heizvorrichtung 6 ist als Widerstandsheizung ausgebildet, die den Abgasstrom direkt aufheizt und sich zu diesem Zweck im vorliegenden Ausführungsbeispiel inner­ halb eines vorzugsweise temperaturisolierten Gehäuses 9 eines den Partikelfilter 8 und den Abgaskatalysator enthaltenden Auspuffelements 10 befindet (zwischen einer eingangsseitigen Öffnung 9a und dem Partikelfilter 8).
Die von dem im Bremszustand generatorisch arbeitenden Fahrmotor 4 gespeiste Heizvorrichtung 6 erhöht die Temperatur des Abgasstromes, die in der eingangs­ seitigen Öffnung 9a beispielsweise zunächst nur einen Wert von 170°C aufweist. Wird im Partikelfilter 8 durch Aufheizen des Abgasstromes 7 eine Temperatur von < 330°C erreicht und ist der Partikelfilter 8 mit einer die Starttemperatur des Regenerations­ vorganges herabsetzenden, katalytischen Beschichtung versehen und/oder wurden dem Kraftstoff katalytisch wirkende Zusätze beigegeben, so werden ab einer be­ stimmten Beladungsmenge die Partikel, insbesondere Rußpartikel, die im Partikelfilter 8 zurückgehalten wurden, verbrannt.
Fehlt es am Vorhandensein dieser katalytisch wirkenden Mittel, so muß eine Abgas­ temperatur von mehr als 600°C erzielt werden, was eine dementsprechende Heiz­ leistung der Heizvorrichtung 6 und damit eine dementsprechende Zufuhr von elektri­ scher Energie voraussetzt.
Die Aufheizung des Abgasstromes 7 ermöglicht neben der Regeneration des Partikel­ filters 8 den Betrieb des stromab des Partikelfilters 8 im Auspuffelement 10 angeordne­ ten Abgaskatalysators 11, mit dessen Hilfe der Abgasstrom 7 von gasförmigen Schad­ stoffen gereinigt wird. Die Umsetzung dieser Schadstoffe in nennenswerten Umfang (z. B. < 60%) erfolgt bei Temperaturen des Abgasstromes z. B. < 260°C.
Die Heizvorrichtung 6 wird durch eine mit dem Umrichter 3 verbundene Regeleinrich­ tung 12 geregelt, an die ein Temperatursensor 13 angeschlossen ist, der die Abgas­ temperatur im Bereich der Heizvorrichtung 6 erfaßt. Auf diese Weise kann die Heiz­ vorrichtung 6 so lange nachgeregelt werden bis eine für das Starten des Regene­ rationsvorganges im Partikelfilter 8 und damit auch der Umsetzung von gasförmigen Schadstoffen im Abgaskatalysator 11 ausreichende Temperatur erreicht ist.
Sofern in bestimmten Betriebszuständen zu wenig Bremsenergie anfällt, um die Ab­ gastemperatur auf die geschilderte Weise in ausreichendem Umfang anzuheben, kann die Heizvorrichtung 6 auch durch elektrische Energie gespeist werden, die vom Gene­ rator 2 erzeugt wird. Dadurch wird stets eine für die Regeneration des Partikelfilters 8 und den Betrieb des Abgaskatalysators 11 ausreichende Abgastemperatur erzielt, un­ abhängig davon, ob gerade gebremst wird oder nicht. Das Speisen der Heizvorrichtung 6 durch den Generator 2 kann auch zum Vorheizen des Auspuffelements 10 und der Auspuffanlage genutzt werden.

Claims (10)

1. Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine, die generatorisch betreibbar ist, wobei im generatorischen Betriebs­ zustand der elektrischen Maschine von dieser erzeugte elektrische Energie in eine Heizvorrichtung einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung (6) zur Aufheizung des Abgasstromes (7) der Brennkraftmaschine (1) vor­ gesehen und stromauf eines regenerierbaren Partikelfilters (8) und/oder eines Abgaskatalysators (11) angeordnet ist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (8) eine die Starttemperatur des Regenerationsvorganges herabsetzende, kataly­ tische Beschichtung aufweist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikel­ filter (8) eine die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweist und/oder dem Partikelfilter (8) ein oder mehrere, die Menge an gasförmigen Schadstoffen herabsetzende Abgaskatalysatoren (11) nach­ geschaltet sind.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (6) in ein den Partikelfilter (8) und/oder den Abgaskatalysator (11) enthaltendes Auspuffelement (10) integriert ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (6) als Widerstandsheizung ausgebildet und direkt im Abgasstrom (7) angeordnet ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auspuff­ element (10) ein wärmeisoliertes Gehäuse (9) aufweist.
7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine als Fahrmotor (4) ausgebildet ist, der zwecks Aufnahme von Bremsenergie im Bremszustand als Generator betreibbar ist.
8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (6) zwischen den Fahrmotor (4) und einen mit der Brennkraftmaschine (1) ge­ koppelten elektrischen Generator (2) geschaltet ist, wobei die Heizvorrichtung (6) auch durch elektrische Energie des Generators (2) beheizbar ist.
9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Heizvorrichtung (6) durch eine Regeleinrichtung (12) regelbar ist, an die min­ destens ein die Abgastemperatur erfassender Temperatursensor (13) ange­ schlossen ist.
10. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug als Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichts-Gabelstapler aus­ gebildet ist und die Brennkraftmaschine (1) als Dieselmotor.
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