DE10042361A1 - System zum Betreiben eines Heizkatalysators in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Ein System dient zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgasstrang eines mit einer Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Batterie und wenigstens einem Hochleistungskondensator. Die Ladung des Hochleistungskondensators aus der Batterie und die Rückführung von in dem Hochleistungskondensator gespeicherter elektrischer Energie in die Batterie erfolgt in Abhängigkeit des Ladezustands des Hochleistungskondensators, in Abhängigkeit der Temperatur des elektrisch heizbaren Katalysators und in Abhängigkeit wenigstens einer einen bevorstehenden Start ankündigenden Kenngröße. Die in dem Hochleistungskondensator gespeicherte elektrische Energie wird zur Beheizung des Katalysators und später gegebenenfalls zum Start/Stop-Anlasserbetrieb genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Heizkatalysators in einem Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei solchen mit gro­ ßen Motorhubräumen, die Katalysatoren im Abgasstrang der Kraftfahrzeuge vor und kurz nach dem Start des Kraftfahrzeugs zumindest annähernd auf deren Betriebs­ temperatur vorzuheizen, um eine sofortige Reinigung der durch die Brennkraftmaschine erzeugten Abgase zu erreichen und damit Schadstoffemissionen zu senken.

Manche Konzepte bedienen sich dazu einer Vorheizung durch eine Verbrennung von Kraftstoff im Bereich des Katalysators oder, nach dem Start der Brennkraftma­ schine, durch eine Nachverbrennung der in dem Abgas noch enthaltenen brennbaren Reststoffe im Bereich un­ mittelbar vor oder im Katalysator.

Ein anderes bekanntes Konzept sieht vor, die Katalysa­ toren über elektrische Energie vorzuheizen. Dazu weist der Bereich des Katalysators elektrische Wider­ standsheizelemente auf, welche mit einem hohen Strom beschickt werden, um durch die entstehende Abwärme die Katalysatorstrukturen, welche mit den elektrischen Heizelementen in wärmeleitendem Kontakt stehen, direkt vorzuheizen.

Die elektrische Vorheizung dieser sogenannten Heizka­ talysatoren weist den Nachteil auf, daß hier eine er­ hebliche Menge an Energie aus der Batterie des Kraft­ fahrzeugs benötigt wird, um den Katalysator vorzuhei­ zen. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die Ener­ gie bzw. elektrische Leistung bei einem sehr hohen Strom aus der Batterie gezogen wird, so daß mit dem Zusammenbrechen des kompletten Bordnetzes, also einem Spannungabfall in demselben, des mit dem elektrischen Heizkatalysator ausgestatteten Kraftfahrzeugs zu rech­ nen ist. Außerdem weisen Batterien bei derartig hohen Strömen schlechte Wirkungsgrade auf, so daß es hier zu weiteren Energieverlusten in dem Gesamtsystem des Kraftfahrzeugs kommt.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind außerdem sogenannte Superkodensatoren oder Supercaps bekannt. Diese Hochleistungskondensatoren weisen bei ver­ gleichsweise kleinem Bauraum eine sehr hohe Leistung auf, welche prinzipbedingt mit einem geringen Verlust beim Laden und Entladen des Kondensators in diesem zwischengespeichert und aus diesem entnommen werden kann.

Allerdings weisen diese Supercaps den Nachteil auf, daß sie sehr teuer sind, so daß zur Bereitstellung einer entsprechenden Kapazität in dem Supercap ver­ gleichsweise hohe Kosten anfallen.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein System zum Be­ treiben eines Heizkatalysators in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchem das Energiemanagement im Ge­ samtsystem Kraftfahrzeug optimiert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Betrieb des Hochleistungs­ kondensators bzw. Supercaps, welcher damit Bestandteil eines Energiemanagements wird, läßt sich der Supercap, welcher überwiegend zum Betrieb des Heizkatalysators eingesetzt wird, in seiner Dimensionierung so knapp bemessen, daß er seine Aufgabe gerade noch zu erfüllen vermag. Damit wird der Supercap an das Minimum der erforderlichen Kapazität herangeführt, wodurch ent­ sprechende Kosten eingespart werden können.

Der Erfindungsgedanke geht davon aus, daß der Supercap bei abgestelltem Kraftfahrzeug leer ist bzw. entleert wurde, indem die Energie in die Batterie rückgefördert wurde. Diese Vorgehensweise ist jedoch für die Funkti­ onsweise der Erfindung nicht zwingend notwendig.

Als Hinweis auf einen sehr bald bevorstehenden Start wird beim Betreten des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer eine entsprechende Kenngröße initiiert. Die Kenngröße kann in einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung beispielsweise ein Signal sein, welches durch ein Entriegeln zumindest einer der Türen des Kraftfahrzeuges ausgelöst wird. Dann wird der Supercap von der Bordbatterie vorgeladen.

Dieses Vorladen erfolgt jedoch nur ein oder zwei Mal je nach Aktivierung der entsprechenden Kenngröße, um eine zu starke Entladung der Batterie zu vermeiden. Nach dem zweiten Öffnen der Tür, falls das Kraftfahr­ zeug dann immer noch nicht gestartet ist, erfolgt eine letzte Vorladung des Supercaps erst beim Betätigen des Zündschlüssels.

Je nach Bordnetz und Katalysatorausführung kann dabei bereits gleichzeitig der Katalysator mit einer schwa­ chen Leistung aus der Batterie vorgeheizt werden. Die restliche Aufheizung bis zur Reaktionstemperatur ge­ schieht dann bei Bestätigung des Zündschlüssels über die Entladung des Superkondensators, dessen Leistung sehr hoch ist, der aber vorrichtungsgemäß in seiner Kapazität klein gehalten werden kann. Sobald die Brennkraftmaschine läuft, kann diese Heizleistung zu­ sätzlich über die elektrische Leistung der Lichtma­ schine erfolgen, sofern diese einen ausreichenden Lei­ stungsüberschuß erzeugt. Damit wird der erhöhte Lei­ stungsbedarf aufgrund der Durchströmung unterstützt.

Da die Aufheizung des Katalysators und die Aufladung des Supercaps von den entsprechenden Parametern abhän­ gig gemacht wird, kann bei heißem Katalysator weniger vorgeheizt und weniger Ladung in den Supercap geladen werden. Ebenso kann, beispielsweise bei warmem Kühl­ wasser, gegebenenfalls weniger Ladung in den Supercap gegeben werden. Bei fast leerer Batterie kann ein Notstartprogramm erfolgen. Hier wird mit einer verminder­ ten Kat-Vorheizung gearbeitet.

Der Heizkatalysator ist insbesondere bei Kraftfahrzeu­ gen mit großen Motorhubräumen eine sehr gute Möglich­ keit, zukünftige Abgasgesetze zu bestehen, ohne in der Startphase unnötig viel Kraftstoff zu verbrauchen, da eine Startanfettung mit einer Nachverbrennung unnötig ist oder in geringerem Maße durchgeführt wird; denn die Nachverbrennung erzeugt zunächst schlechte Abgase. Wird zur Beheizung des Katalysators zusätzlich ein in seiner Kapazität entsprechend den Anforderungen mini­ mierter Supercap eingesetzt, so kann der ansonsten beim Betrieb des Heizkatalysators bei konventionellen Systemen deutlich erhöhte Kraftstoffverbrauch im Kalt­ lauf spürbar gesenkt werden. Dennoch wird bei dem Sy­ stem gemäß der Erfindung von der ersten Startsekunde an sauberes Abgas aus dem Katalysator entlassen.

Weitere besonders vorteilhafte Anwendungen erschließen sich beim Einsatz in einem Start/Stop-System, also einem Kraftfahrzeug mit einem System, bei dem in Stillstandsphasen, wie beispielsweise rote Ampelphasen und dergleichen, die Brennkraftmaschine selbsttätig abgeschaltet und beim Wiederanfahren selbsttätig wie­ der eingeschaltet wird. Bei derartigen Kraftfahrzeugen könnte beim Bremsen erzeugte Energie in dem Supercap zwischengespeichert werden, um dann zum Heizen des Katalysators oder gegebenenfalls auch für andere An­ wendungen, wie beispielsweise das zeitgleiche Anfahren des Kraftfahrzeugs und das Starten der Brennkraftma­ schine über eine Elektromaschine, wiederverwendet zu werden.

Da der Kondensator prinzipbedingt einen weitaus besse­ ren Speicherwirkungsgrad, also weitaus geringere Lei­ stungsverluste beim Aufladen und Wiederentladen auf­ weist, als derzeit übliche Batteriesysteme, ergibt sich ein erheblicher Vorteil aus energetischer Sicht.

Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, daß, wie be­ reits oben erwähnt, durch den Supercap Leistung für Anwendungen, welche einen sehr hohen Strom benötigen, bereitgestellt werden kann, so daß es zu keinen Span­ nungseinbrüchen im Bordnetz des Kraftfahrzeugs kommt, wenn diese "Hochstrom-Verbraucher" eingeschaltet wer­ den (z. B. Anlasser).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungs­ beispiel.

Die einzige beigefügte Figur zeigt ein System zum Be­ treiben eines elektrisch heizbaren Katalysators in einem Kraftfahrzeug in einer prinzipmäßigen Darstel­ lung.

Darin ist ein prinzipmäßig angedeutetes Kraftfahrzeug 1 mit einer Fahrertür 2a und einer Beifahrertür 2b zu erkennen. Außerdem ist eine prinzipmäßig angedeuteter Brennkraftmaschine 3, ein Starter/Generator 4 und ein Getriebe 5 dargestellt. An die Brennkraftmaschine 3 schließt sich ein Abgaskrümmer 6 und ein Abgassystem 7 an, welches einen Heizkatalysator 8 aufweist. Dieser Heizkatalysator 8 wird über elektrische Heizelemente beheizt, welche hier nicht explizit dargestellt sind. Von bzw. zu dem Starter/Generator 4 gelangt elektrische Leistung über einen beispielsweise bidirektional ausgebildeten Wechselrichter 9 in das Bordnetz 10 des Kraftfahrzeugs 1. Bestandteil dieses Bordnetzes 10 sind unter anderem eine Batterie 11, ein optionaler bidirektionaler DC/DC-Wandler 12, ein Hochleistungs­ kondensator bzw. Supercap 13 sowie weitere, nicht ex­ plizit dargestellte, allgemein übliche elektrische Verbraucher, wie z. B. Hilfsaggregate, Bordcomputer, Radioanlage, Hupe, Gebläse, heizbare Spiegel und Scheiben oder dergleichen.

Zur Verschaltung der einzelnen Bereiche, also zum Zu­ schalten der Batterie 11, Abschalten des Supercaps 13 und dergleichen, sind mehrere Schaltschütze 14, 15, 16 bzw. Schalthalbleiter in dem Bordnetz 10 vorgesehen. Diese werden über ein Steuergerät 17 gesteuert bzw. betätigt, welches weitere, nicht dargestellte Elemente in dem Kraftfahrzeug 1 überwacht bzw. ansteuert.

In der prinzipmäßigen Darstellung des Kraftfahrzeugs 1 ist ein Türkontakt 18 im Bereich der Fahrertür 2a des Kraftfahrzeugs 1 erkennbar, welcher ebenfalls eine Verbindung mit dem Steuergerät 17 aufweist. Dieser Türkontakt 18 ist dabei eine symbolisch beispielhafte Darstellung für eine Möglichkeit zur Erzeugung einer Kenngröße, welche mit einem Entriegeln bzw. Öffnen der Fahrertür 2a zusammenhängt. Alternativ dazu könnte das Steuergerät 17 beispielsweise auch durch eine Fernbe­ dienung einer Zentralverriegelung oder dergleichen einen Impuls erhalten, welcher es darüber informiert, daß ein Entriegeln oder ein Öffnen des Kraftfahrzeugs 1 erfolgt ist, so daß mit großer Wahrscheinlichkeit ein Starten des Kraftfahrzeugs 1 in einem absehbaren Zeitraum bevorsteht.

Zudem ist das Steuergerät 17 über einen prinzipmäßig angedeuteten Sensor 19 mit dem Heizkatalysator 8 ver­ bunden, so daß hier Informationen über die Temperatur des Heizkatalysators 8 zur Verfügung stehen. Eine wei­ tere Leitung führt von dem Steuergerät 17 zu dem Su­ percap 13, so daß über eine Sensorik 20 Kenngrößen, wie beispielsweise der Ladezustand des Supercaps 13, erfaßt und dem Steuergerät 17 zugänglich gemacht wer­ den können.

Immer wenn nun über die entsprechende Kenngröße ein bald zu erwartender Heizbedarf an dem Heizkatalysator 8 signalisiert wird, wird die Aufladung des Supercaps 13 durch das Steuergerät 17 veranlasst, so daß wenn die elektrische Energie während des Startens der Brennkraftmaschine 3 zur Beheizung des Katalysators 8 benötigt wird, die hohe Leistung bei einem hohen Strom aus dem Supercap 13 entnommen werden kann. Ein Einbre­ chen der Spannung des Bordnetzes 10 durch den schlag­ artigen hohen Leistungsbedarf kann so vermieden wer­ den.

Der Heizbedarf des Heizkatalysators 8 wird von einem Rechner ermittelt und als Heizleistung gesteuert. Die­ ser berücksichtigt die elektrische Heizleistung, die zum Hochheizen auf Reaktionstemperatur benötigt wird, sowie die konvektive Heizleistung aufgrund des mehr oder weniger kalten Abgasstroms und dessen Heizenthal­ pie, sofern die Katalysator-Starttemperatur erreicht wurde.

In der Hochheizphase nutzt der Rechner die Möglich­ keit, innerhalb der zulässigen/sinnvollen Temperaturbandbreite der Heizeinrichtung, mit den Ziel der Ab­ gasverbesserung, kurzfristig die obere Grenze anzufah­ ren. Bei Erreichen der Katalysator-Starttemperatur schaltet das Heizprogramm dann auf Energiesparbetrieb um. So kann über die Schütze 14, 15, 16 (alternativ Halbleiterschalter) die Zwischenpufferung in der Bat­ terie 11 umgangen werden.

Dies bedeutet, daß der Heizstrom direkt dem Generator 4 entnommen und z. B. durch Taktung in der mittleren Leistung geregelt wird. Hierbei kann die Steuerung des Wechselrichters 9 dafür sorgen, daß das Bordnetz 10 (auch bei zugeschalteter Batterie 11) mit einer weit­ gehend störungsfreien konstanten Bordspannung versorgt wird, indem gegebenenfalls auch der Supercap 13 mit zugeschaltet wird, sofern dieser nicht gerade für wei­ tere Sonderaufgaben benötigt wird, oder daß die Ener­ gie jeweils kurzzeitig im Supercap 13 zwischengespei­ chert wird, da dieser einen geringeren Innenwiderstand hat als die Batterie 11 und damit weniger Verluste erzeugt.

Die jeweiligen optimalen Schaltungsarten hängen auch noch von dem momentanen Betriebspunkt des Generators 4 ab. Der Rechner kennt die Wirkungsgradkennfelder der elektrischen Komponenten 4, 9, 11, 13, . . . und wählt jeweils die Betriebsart aus, die ein Minimum an Ge­ samtverlusten erzeugt.

Als Sonderaufgabe für den Supercap 13 kann je nach Aggregateauslegung und je nach Temperaturbedingungen der Anlaßvorgang der Brennkraftmaschine 3 angesehen werden. Dieser kann auf die nachfolgend aufgeführten Arten erfolgen:

• - zusammen mit Batterie 11 und Supercap 13 z. B. immer beim Erststart bei kalter Brennkraftmaschine 3,
• - im Start/Stop-Betrieb bei bereits warmem Motor kann der Wiederstart der Brennkraftmaschine 3 allein aus dem Supercap 13 erfolgen; dadurch wird ein Einbruch der Bordnetzspannung vermieden; dieses Konzept er­ möglicht es mit nur einer Bordbatterie 11 auszukom­ men. Gegebenenfalls kann auch eine teilweise Nach­ heizung des Heizkatalysators 8 erfolgen, welche ihre Leistung beim Start ebenfalls aus dem Supercap 13 und danach aus dem Starter/Generator 4 bzw. einer Lichtmaschine bezieht.
• - beim Erststart und normalen Außentemperaturen bzw. bei halbwarmer Maschine kann die Brennkraftmaschine 3 allein aus der Batterie 11 gestartet werden; der Heizkatalysator 8 wird dann zunächst nur aus dem Su­ percap 13 gespeist, da dies energetisch günstiger ist, weil der Supercap 13 dann im getakteten Ein/Aus-Betrieb geheizt werden kann, wobei die Bat­ teriespannung problemlos unterschreitbar ist.

Grundlegend erfolgt dabei der Austausch von Energie zwischen dem Supercap 13 und der Batterie 11 und/oder der Elektromaschine, also dem Starter/Generator 4, bei einer deutlich geringeren Stromstärke, als die, die zum Heizen des Katalysators 8 oder zu andersartigen Anwendungen des Energieinhalts aus dem Supercap 13 aus diesem gezogen wird. Damit kann der Energietransfer zwischen der Batterie 11 und dem Supercap 13 aufgrund der geringeren Stromstärke bei geringeren Energiever­ lusten also einem besseren Gesamtwirkungsgrad erfolgen.

Der Supercap 13 kann dabei aus der Batterie 11 oder dem Starter/Generator 4 bald nach seiner Entleerung wieder nachgeladen werden, um Leistung für ein erneu­ tes Heizen des Katalysators 8, beispielsweise nach dem nächsten Start der Brennkraftmaschine 3, zur Verfügung stellen zu können. Sehr günstig ist es dabei, wenn dieses Nachladen in einer Bremsphase des Kraftfahr­ zeugs 1 über den Starter/Generator 4 erfolgt, welcher dabei die Bremsenergie des Kraftfahrzeugs 1 in elek­ trische Energie umwandelt und damit den Grundenergie­ bedarf des Kraftfahrzeugs 1 nicht erhöht.

Claims (12)

1. System zum Betreiben eines elektrisch heizbaren Katalysators in einem Abgasstrang eines mit einer Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Batterie und wenigstens einem Hochleistungskondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung des Hochleistungskondensators (13) aus der Batterie (11) und die Rückführung von in dem Hochleistungskondensator (13) gespeicherter elek­ trischer Energie in die Batterie (11) in Abhängig­ keit des Ladezustands des Hochleistungskondensa­ tors (13), in Abhängigkeit der Temperatur des elektrisch heizbaren Katalysators (8) und in Ab­ hängigkeit wenigstens einer einen bevorstehenden Start der Brennkraftmaschine (3) ankündigenden Kenngröße erfolgt, wobei die in dem Hochleistungs­ kondensator (13) gespeicherte elektrische Energie zur Beheizung des Katalysators (8) genutzt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße ein Signal ist, welches durch ein Entriegeln zumindest einer Tür (2a, 2b) des Kraftfahrzeugs (1) ausgelöst wird.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße ein Signal ist, welches durch ein Öffnen der Fahrertür (2a) des Kraftfahrzeugs (1) ausgelöst wird.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs (1) anfallende Bremsenergie über wenigstens eine Elektromaschine (Starter/Generator 4) in elektrische Energie umge­ wandelt und in den Hochleistungskondensator (13) eingeladen wird.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieaustausch zwischen Batterie (11) und Hochleistungskondensator (13) bei einer geringeren Stromstärke erfolgt als das Laden des Hochlei­ stungskondensators (13) durch die Elektromaschine (Starter/Generator 4).

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieaustausch zwischen Batterie (11) und Hochleistungskondensator (13) bei einer geringeren Stromstärke erfolgt, als die Entladung des Hochleistungskondensators (13) zum Beheizen des Katalysators (8).

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochleistungskondensator (13) nach dem elek­ trischen Beheizen des Katalysators (8) wieder auf­ geladen wird, und daß sein Energieinhalt für wei­ tere, eine hohe Stromstärke benötigende Verbrau­ cher in dem Kraftfahrzeug (1) nutzbar ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) aus der Batterie (11) mit schwachem Strom teilweise vorgeheizt wird, so daß die restliche Heizenergie, die beim Start der Brennkraftmaschine (3) eingespeist wird, gering ist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Start der Brennkraftmaschine (3) bei kalter Brennkraftmaschine (3) mit Energie aus der Batte­ rie (11) und dem Hochleistungskondensator (13) er­ folgt.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Start der Brennkraftmaschine (3) bei warmer Brennkraftmaschine (3) mit Energie aus dem Hochleistungskondensator (13) erfolgt, wobei die Nachheizung des Katalysators (8) vor und während des Starts mit Energie aus dem Hochleistungskon­ densator (13) erfolgt, und danach mit Energie von der Elektromaschine (Generator 4).

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Starttemperatur des Katalysators (8) die Stromstärke zum Beheizen zur Energie­ einsparung im mittleren Leistungsbereich gere­ gelt/gesteuert wird.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Regeln/Steuern der Stromstärken zum Beheizen des Katalysators (8) durch getaktetes Ein- und Ausschalten erfolgt.