DE102004035341A1

DE102004035341A1 - Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102004035341A1
Application number: DE102004035341A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr. Pott; Michael Dr. Zillmer; Matthias Holz; Marc Hladun
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: US7316108B2; DE102004035341B4; US20060016175A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (20), insbesondere Ottomotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf, wenigstens einem im Zylinderkopf ausgebildeten Austritt für Abgas, einer Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, einer Fremdzündung zum Zünden des direkt eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum, wenigstens einer E-Maschine und einer dem Brennraum nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage mit wenigstens einem Katalysator in wenigstens einem Abgasstrang. Hierbei ist der motornächste Katalysator (70) eines jeden Abgasstranges (60) derart in der Abgasreinigungsanlage (50) angeordnet, dass eine Länge eines Abgasrohres (60) zwischen dem Austritt für Abgas im Zylinderkopf und einer dem Zylinderkopf zugewandten Stirnfläche dieses motornächsten Katalysators(70) wenigstens 500 mm oder mehr beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf, wenigstens einem im Zylinderkopf ausgebildeten Austritt für Abgas, einer Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, einer Fremdzündung zum Zünden des direkt eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum, wenigstens einer E-Maschine und einer dem Brennraum nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage mit wenigstens einem Katalysator in wenigstens einem Abgasstrang, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Hybridfahrzeugen werden zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Bei parallelen Hybridkonzepten bietet sich grundsätzlich die Möglichkeit, in den verschiedenen Betriebszuständen eines Kraftfahrzeuges jeweils die Antriebsquelle zu verwenden, die im gegebenen Drehzahl-Last-Bereich den besseren Wirkungsgrad aufweist. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine (z.B. Startergenerator), weshalb Hybridfahrzeuge heute überwiegend mit einer solchen Kombination ausgestattet werden. Die Anbindung der E-Maschine an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. So kann diese über eine Kupplung bzw. direkt mit der Kurbelwelle des Motors verbunden oder über einen Riementrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein.

Der Betrieb mit der E-Maschine kann beispielsweise in Bereichen mit nur geringen Lastanforderungen erfolgen, in denen ein Verbrennungsmotor nur geringe Wirkungsgrade aufweist, während höhere Lastanforderungen genutzt werden, um durch den Verbrennungsmotor mit dann relativ gutem Wirkungsgrad durch zusätzlichen generatorischen Betrieb der E-Maschine die elektrischen Energiespeicher (aus denen die E-Maschine im motorischen Betrieb gespeist wird) wieder zu laden. Darüber hinaus kann die Momentenabgabe von Verbrennungsmotor und E-Maschine auch parallel erfolgen bspw. um das maximale Drehmoment zu steigern.

Des weiteren bietet eine direkt angekoppelte, leistungsstarke E-Maschine den Vorteil einer stufenlosen Einstellung des Momentes (positiv wie negativ) im gesamten Betriebsbereich mit sehr hoher Dynamik, woraus sich weitere Vorteile in Kombination, mit einem Verbrennungsmotor ergeben. So kann damit auch der Start des Verbrennungsmotors in sehr kurzer Zeit und mit hohem Komfort erfolgen, was neben dem Kaltstart insbesondere auch Vorteile für einen Start-Stopp-Betrieb bedeutet. Zudem bieten angekoppelte E-Maschinen auch die Möglichkeit Bremsenergie in elektrische Energiespeicher wie Batterien oder Kondensatorspeicher zu rekuperieren.

Um einen möglichst guten Gesamtwirkungsgrad für das Hybridfahrzeug zu erreichen, bietet sich der Einsatz eines möglichst verbrauchsarmen Verbrennungsmotors an. Hierfür kommen neben Dieselmotoren prinzipiell auch direkteinspritzende Ottomotoren in Betracht, die schon im Homogenbetrieb aufgrund der höheren Verdichtung und der höheren AGR-Verträglichkeit bessere Wirkungsgrade als konventionelle, Saugrohr einspritzende Ottomotoren erreichen. Ist der DI-Ottomotor magerlauf-fähig ausgeführt, so lässt sich durch Nutzung des Schichtbetriebes sowie des homogen-mageren Betriebes der größtmögliche Verbrauchsvorteil erzielen.

Bei DI-Ottomotoren steht aufgrund der direkten Kraftstoffeinbringung weniger Zeit für die innere Gemischbildung zur Verfügung, was auch bei homogenem Betrieb im Vergleich zur äußeren Gemischbildung zu einer geringeren Gemischbildungsgüte führt. Zudem kann die direkte Einspritzung des Kraftstoffes zu einer verstärkten Brennraumwandbenetzung führen, wodurch insbesondere nach einem Kaltstart höhere (HC-)Rohemissionen auftreten können. Aus diesem Grund sind auch die Startemissionen ggü. konventionellen Ottmotoren erhöht. Bei geschichtetmagerem Betrieb entstehen durch die inhomogene Gemischbildung typischerweise nochmals erhöhte HC-Rohemissionen.

Aufgrund dieser Zusammenhänge ist für direkteinspritzende Ottomotoren eine aufwändigere Abgasnachbehandlungseinrichtung erforderlich, so dass Katalysatorsysteme für diese Motoren im heutigen Stand der Technik immer mindestens einen motornahen Katalysator und häufig, insbesondere bei Magerkonzepten, einen zusätzlichen Unterboden-Katalysator je Abgasstrang aufweisen. Wird der Di-Ottomotor mager betrieben, erfordert der Luftüberschussbetrieb neben dem Einsatz eines Dreiwege-Vorkatalysators sowie eines Dreiwege-Unterbodenkatalysators den zusätzlichen Einsatz einer Abgasreinigungsvorrichtung für Stickoxide, wobei die DeNOx-Funktion in den meisten Serienanwendungen von einem NOx-Speicherkatalysator übernommen wird, der in den Unterboden-Katalysator (Hauptkatalysator) integriert ist (i. d. R. weist die Beschichtung des Unterboden-Katalysators neben den Dreiwegeeigenschaften auch die Funktion zur Einspeicherung und Regeneration von Stickoxiden auf).

Die Hybridtechnik ist infolge des zusätzlichen Einsatzes von E-Maschine, Leistungselektronik, Energiespeicher, Hybridsteuerung, etc. mit erhöhten Kosten verbunden. Ein direkteinspritzender Ottomotor bewirkt ggü. einem konventionellen Ottomotor aufgrund der Verwendung einer Hochdruckeinspritzung, ggf. einer schaltbaren Ladungsbewegungsklappe sowie weiterer Änderungen ebenfalls erhöhte Kosten. Insbesondere zieht auch die aufwändigere Abgasnachbehandlungseinrichtung bestehend aus mindestens einem motornahen und häufig einem zusätzlichen Unterboden-Katalysator pro Abgasstrang weitere Zusatzkosten nach sich, weshalb heute für abgasharte Märkte (EUIII, LEV oder schärfer) kein serienmäßiges Hybridfahrzeug mit direkteinspritzendem Ottomotor ausgeführt ist, um die Gesamtkosten des Hybridfahrzeuges nicht übermäßig zu steigern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hybridfahrzeug der o.g. Art bzgl. Kosten und Abgasemissionen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hybridfahrzeug der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einem Hybridfahrzeug der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der motornächste Katalysator eines jeden Abgasstranges derart in der Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, dass eine Länge eines Abgasrohres zwischen dem Austritt für Abgas im Zylinderkopf und einer dem Zylinderkopf zugewandten Stirnfläche dieses motornächsten Katalysators wenigstens 500 mm oder mehr beträgt.

Dies hat den Vorteil, dass es in überraschender Weise möglich ist, auch mit einer derartigen Brennkraftmaschine gesetzliche Vorschriften für Abgasgrenzwerte einzuhalten. Bisher war man nämlich der Ansicht, dass bei direkt einspritzenden Ottomotoren diese Grenzwerte nur mit einem motornahen Katalysator einzuhalten sind, welcher eine ausreichende Konversion von Schadstoffen während einer Aufwärmphase übernimmt, in der ein Katalysator in Unterbodenposition noch zu kalt ist, d.h. noch nicht seine Light-Off-Temperatur erreicht bzw. überschritten hat. Der motornächste Katalysator kann zudem in Bezug auf Bauteilschutz und Beschichtung kostengünstiger ausgeführt werden.

Beispielsweise umfasst die Abgasreinigungsanlage wenigstens einen Vorkataylsator und wenigstens einen Hauptkatalysator in einem Abgasstrang, wobei der Vorkatalysator der motornächste Katalysators ist.

Dadurch, dass die Abgasreinigungsanlage lediglich einen Katalysator pro Abgasstrang aufweist, ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, Kosten der Abgasreinigungsanlage stark zu senken.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Einrichtung zur Steuerung der Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine und der E-Maschine vorgesehen, mittels der zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwerts der Konversionsaktivität eines Katalysatorsystems der Abgasreinigungsanlage für zumindest eine Abgaskomponente in einem vorgegebenen Zeitintervall T_kat den Wert der Konversionsaktivität ermittelt und falls dieser Wert unter dem besagten Schwellwert liegt, die Drehmomentabgabe der E-Maschine, vorzugsweise bedarfsabhängig, erhöht und die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine gegenüber einem Betrieb des Hybridfahrzeugs ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor vermindert wird. Durch die Verminderung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors kann für das vorgegebene Zeitintervall eine Rohemission, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, vermindert werden, während gleichzeitig die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems günstig zur Erreichung des vorgegebenen Konversionsschwellwertes beeinflusst wird. Dies erlaubt einen optimierten Einsatz der Drehmomentabgabe von Verbrennungsmotor und Elektromotor in Hinblick auf die Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes.

Zweckmäßigerweise beträgt die Länge des Abgasrohres zwischen Austritt für Abgas und der Stirnfläche des motornächsten Katalysators wenigstens 700 mm bis 2.000 mm, insbesondere 900 mm, 1200mm oder 1500mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine im Drehzahl-Mitteldruckbereich 1000-3000/min und 0-3bar in zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 75% oder zumindest 90% dieses Bereichs magerlauffähig, vorzugsweise schichtladefähig.

Zweckmäßigerweise ist die Brennkraftmaschine im Drehzahl-Mitteldruckbereich Leerlaufdrehzahl bis 1500/min und 0-2bar in zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 35% oder zumindest 50% dieses Bereichs magerlauffähig, vorzugsweise schichtladefähig.

Zweckmäßigerweise ist die Brennkraftmaschine ein freisaugender Motor.

Zweckmäßigerweise weist die Brennkraftmaschine eine Abgasturboaufladung und/oder eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Ladeluftverdichtervorrichtung auf.

Beispielsweise ist der zumindest eine Katalysator pro Abgasstrang ein NOx-Speicherkatalysator.

Zweckmäßigerweise ist das Volumen aller Katalysatoren kleiner als 1,3 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 1,1 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 0,9 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 0,7 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen oder kleiner als 0,5 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen.

Zweckmäßigerweise ist die Gesamt-Edelmetallbeladung aller Katalysatoren kleiner als 3,3 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 3,0 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 2,7 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 2,4 g pro dm³ Motorhubvolumen, oder kleiner als 2,0 g pro dm³ Motorhubvolumen.

Vorzugsweise ist im Drehzahl-Lastbereich von 80% der Nenndrehzahl bis 120% der Nenndrehzahl bzw. Abregeldrehzahl des Motors, je nachdem, welcher Wert früher erreicht wird, und >80% des bei Nennleistung vorliegenden Mitteldrucks in >30%, >50%, >70%, >80% oder >90% dieses Bereichs eine Kraftstoff Luft-Gemisch-Sollvorgabe für die Brennkraftmaschine stöchiometrisch.

Zweckmäßigerweise weist die E-Maschine im motorischen Betrieb eine maximale mechanische Leistungsabgabe von zumindest 2 kW, 3 kW, 4 kW, 6 kW oder 9 kW pro 1.000kg Fahrzeugleergewicht bei maximaler Spannung eines elektrischen Energiespeichers auf.

Vorzugsweise weist die E-Maschine im generatorischen Betrieb eine maximale elektrische Leistungsabgabe von zumindest 2 kW, 3 kW, 4 kW, 6 kW oder 9 kW pro 1.000kg Fahrzeugleergewicht bei maximaler Ladespannung eines elektrischen Energiespeichers auf.

Die E-Maschine ist beispielsweise als Kurbelwellenstartergenerator zwischen Brennkraftmaschine und einem nachgeschalteten Kennungswandler, insbesondere Getriebe, angeordnet.

Die wenigstens eine E-Maschine ist vorzugsweise ein Startergenerator.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 einen Hybridantrieb mit Steuersystem für ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug,
2 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit für einen Kaltstart nach dem Stand der Technik ohne elektrische Unterstützung,
3 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit für einen Kaltstart gemäß dem Stand der Technik mit zusätzlicher elektrischer Generatorlast
4 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit gemäß der Erfindung und
5 einen zeitlichen Verlauf der kumulierten Kohlenwasserstoffemissionen nach einem Katalysator bei verschiedenen Kaltstartbetriebsweisen.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Hybridantrieb 1 für ein ansonsten nicht dargestelltes Hybridfahrzeug. Ein Elektromotor 10 und ein Verbrennungsmotor 20 sind mit einem Getriebe 30 gekoppelt, das mit zumindest einem – in der 1 nicht dargestellten – Fahrzeugrad gekoppelt ist. Bevorzugt ist eine Anordnung des Elektromotors 10 zwischen einem Kurbelwellenausgang des Verbrennungsmotors 20 und einem Getriebeeingang. Der Elektromotor 10 ist mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer aufladbaren Batterie oder dergleichen, elektrisch gekoppelt. Dem Verbrennungsmotor 20 ist eine Abgasanlage 50 mit einem einzigen Katalysator 70 im Abgasstrang 60 zugeordnet. Ein Motorsteuergerät 90 empfängt von Steuersensoren 30, beispielsweise dem Fahrpedalmodul oder einem Antiblockiersystem, Steuersignale sowie von Sensoren 100 Werte von Betriebsparametern des Hybridfahrzeugs, insbesondere des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20, der Abgasanlage 50 sowie weiterer Fahrzeugkomponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbrennungsmotor 20 ein magerlauffähiger direkt einspritzender Otto-Motor. Besonders bevorzugt ist ein schichtladefähiger direkt einspritzender Otto-Motor, da damit in unteren Last-Drehzahlbereichen beträchtliche Einsparungen am Kraftstoffverbrauch gegenüber einem konventionellen Otto-Motor zu erreichen sind. Insbesondere bei diesen Ausbildungsformen der Erfindung ist es zweckmäßig, das Katalysatorsystem derart auszubilden, dass der Katalysator 70 ein NOx-Speicherkatalysator ist.
Der NOx-Speicherkatalysator 70 ist vorzugsweise zur Speicherung von Stickoxiden (NOx) bei magerem Abgas ausgelegt. In Abhängigkeit von der Beladung mit NOx und unter Umständen noch weiteren Randbedingungen ist eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen bis fetten Abgas erforderlich.
Die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems bzw. seiner Komponenten (NOx-Speicherkatalysator 70) ist von Aktivitätsparametern, insbesondere der Katalysatortemperatur, abhängig. Die Konvertierungsrate überschreitet erst ab einer minimalen Temperatur, der so genannten Light-Off-Temperatur, eine Grenze von 50 %. Im allgemeinen ist die Light-Off-Temperatur eines Katalysators für verschiedene Schadstoffkomponenten wie HC oder NOx unterschiedlich.
Weitere Aktivitätsparameter des Katalysatorsystems sind Werte eines Abgasmassenstroms, die Rohemission von Abgaskomponenten sowie die Beladung mit NOx und/oder Schwefeloxiden (SOx). Die Werte dieser Aktivitätsparameter werden in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, ggf. unter Verwendung eines Modells des Katalysatorsystems unter Zuhilfenahme von Signalen der Sensoren 100, ermittelt und in dem Steuergerät 90 ausgewertet.
Das Steuergerät 90 beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform einen oder mehrere Mikroprozessoren, Datenspeicher und Schnittstellen sowie eine Einrichtung 90a mittels der in Abhängigkeit von den Steuersignalen der Sensoren 80 das Gesamtdrehmoment bestimmt wird, welches vom Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 geliefert und zumindest teilweise dem Getriebe 30 zur Verfügung gestellt wird. Alternativ kann die Bestimmung der Drehmomente auch basierend auf den Steuersignalen der Sensoren 80 und einem Rechenmodell erfolgen. Die Kopplung zwischen dem Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 ermöglicht sowohl eine negative als auch eine positive Drehmomentübertragung zwischen diesen beiden Komponenten.
Die im Einzelnen in 1 nicht genauer dargestellten Sensoren 100 umfassen Sensoren zur Messung oder Ermittlung von Betriebsparametern, vorzugsweise der Speichereinrichtung 40, des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20 und der Abgasanlage 50. Insbesondere können Lambda-Sonden in der Abgasanlage 50 stromaufwärts des Katalysators 70 oder stromabwärts des Katalysators 70 angeordnet sein. Ferner können an verschiedenen Stellen der Abgasanlagen NOx-, SOx- oder Kohlenwasserstoffsensoren angeordnet sein. Zur Messung der Temperatur des Abgases oder des Katalysatorsystems können an verschiedenen Einbauorten Temperatursensoren vorgesehen sein.
Es ist vorgesehen, die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und des Elektromotors zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes und die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems 70 zu optimieren. Eine derartige Optimierung ist bevorzugt in einem Zeitintervall Temp_K nach einem Kaltstart des Fahrzeugs vorgesehen, kann jedoch, falls erforderlich, auch in anderen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 20 erfolgen. Nach einem Kaltstart liegt die Temperatur des Katalysatorsystems zunächst unterhalb der Light-Off-Temperatur. Die Konversionsaktivität liegt in diesem Fall unterhalb eines Light-Off-Wertes von 50% oder 80% und muss daher für einen umweltgerechten Betrieb des Verbrennungsmotors 20 erhöht werden. Für eine ausreichende Schadstoffminderung werden ggf. noch höhere Konversionsaktivitäten benötigt, die typischerweise >80%, >90% oder >95% betragen können.
Im Folgenden werden zunächst anhand der 2 und 3 bereits aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensweisen bei einem Kaltstart beschrieben.
In 2 ist der zeitliche Verlauf eines Motormoments M eines konventionellen Verbrennungsmotors bei einem Kaltstartvorgang dargestellt. Das Moment M umfasst insbesondere die für Motorstart, Reibung, Betrieb von Nebenaggregaten und Vortrieb erforderlichen Momente. F bezeichnet die Fahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit.
Bei dem gezeigten Startvorgang beginnt nach einer Leerlaufphase ab dem Zeitpunkt T_A ein Anfahrvorgang mit einer Beschleunigung und einem entsprechenden Anstieg des Moments M. Der Verbrennungsmotor hat so nach relativ kurzer Zeit nach dem Start eine maximal realisierbare Momentreserve M_Max, die an sich zur Katalysatorbeheizung genutzt werden kann. Nach einer Standfahrphase wird die Fahrgeschwindigkeit zum Zeitpunkt T_S wieder auf Null reduziert. Dementsprechend sinkt die Motorlast.
Bei dem in 2 dargestellten Kaltstartvorgang liegt die Temperatur des Katalysatorsystems zunächst unter der Light-Off-Temperatur, so dass beträchtliche Teile der Rohemission des Verbrennungsmotors an die Umwelt abgegeben werden. Erst mit Aufheizung des Motors bzw. des Abgases kommt es auch zu einer Erwärmung des Katalysatorsystems, soweit nicht eine separate Katalysatorheizung vorgesehen ist.
Die in 3 genauer dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Betriebsweise beim Kaltstart zielt darauf ab, die jeweils aktuell vorhandene Momentreserve für eine Beheizung des Katalysatorsystems nutzbar zu machen. In 3 ist für dieselbe Fahrkurve F wie in 2 ein Kaltstartvorgang mit zusätzlicher elektrischer Generatorlast dargestellt, wobei angenommen ist, dass die Katalysatortemperatur unterhalb einer Light-Off-Temperatur liegt. Im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten T_A und T_B wird zur Erzielung besonders kurzer Katalysatorheizzeiten die übliche Füllung des noch kalten Motors bis an die Grenzen eines stabilen Motorlaufs erhöht. Das Lastmoment des Verbrennungsmotors wird also bis an die maximal realisierbare Momentreserve geführt. Allerdings steigen üblicherweise mit der Motorlast des Verbrennungsmotors auch die Rohemissionen, insbesondere für Kohlenwasserstoffe, deutlich an. Die durch die Verkürzung der Light-Off-Phase reduzierten Emissionen können daher durch einen Anstieg der Rohemissionen überkompensiert werden und zu einer insgesamt erhöhten Tail-Pipe-Emission führen.
Wird, wie in der EP 1 182 074 , der Zündwinkel nach spät verstellt, kann damit die Temperatur des Abgases erhöht werden. Erfolgt allerdings eine weitere Lastanforderung, beispielsweise durch einen Anfahrvorgang, so wird die Luftfüllung des Verbrennungsmotors nicht zurückgenommen. Vielmehr wird der Zündwinkel so weit in Richtung früh verschoben, dass die geforderte Last durch die damit einhergehende Wirkungsgradverbesserung erbracht werden kann. Dieser Energieanteil steht dann nicht zur Beheizung des Katalysatorsystems zur Verfügung. Daher kann – wenn die Last des Verbrennungsmotors durch generatorischen Betrieb des Elektromotors noch weiter angehoben wird – die zur Katalysatorheizung zur Verfügung stehende Leistung gesenkt werden.
In 4 ist der zeitliche Verlauf eines Moments M sowie eine Fahrgeschwindigkeit F bei einem Kaltstartbetrieb gemäß der Erfindung dargestellt. Es wird dabei angenommen, dass das Katalysatorsystem eine Temperatur unter einer Light-Off-Temperatur aufweist und daher seine Konversionsaktivität unterhalb eines Konversionsschwellwertes liegt. Nach dem Start des Verbrennungsmotors gibt dieser zunächst ein Leerlaufdrehmoment M_L ab, welches insbesondere zur Durchführung des Motorstarts, Überwindung von Reibung, Versorgung von Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt wird M_L so gewählt, dass ein akzeptabler Wert an Rohemissionen in dem betreffenden Punkt des Betriebskennfeldes nicht überschritten wird.
Zum Zeitpunkt T_A erfolgt eine Drehmomentanforderung, um einen Anfahrvorgang durchzuführen. Zum Zeitpunkt T_B ist der Anfahrvorgang beendet und es erfolgt eine Konstantfahrt mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt T_S. In dem Zeitintervall T_A bis T_B ist eine elektromotorische Unterstützung des Verbrennungsmotors 20 durch den Elektromotor 10 vorgesehen. In dem besagten Zeitintervall wird daher nur ein Teil der insgesamt erforderlichen Drehmomentabgabe für den Anfahrvorgang vom Verbrennungsmotor 20 zur Verfügung gestellt, während der übrige erforderliche Aufwand an Drehmoment von dem Elektromotor 10 geleistet wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die durch die elektrische Speichereinrichtung 40 zur Verfügung stehende elektrische Leistung dies erlaubt. Zum Zeitpunkt T_S zeigt die Fahrkurve F eine Verminderung der Fahrgeschwindigkeit, die zu einem Übergang zu einem Leerlauf zu einem späteren Zeitpunkt führt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird die Momentabgabe des Verbrennungsmotors 20 wieder auf den Wert M_L zurückgeführt.
Vorzugsweise erfolgt eine derartige Optimierung der Momentabgabe des Elektromotors 10 und des Verbrennungsmotors 20 innerhalb eines Zeitintervalls T_kat, welches erforderlich ist, um das Katalysatorsystem in einen Zustand zu bringen, in dem der Konversionsschwellwert erreicht oder überschritten worden ist. Üblicherweise ist dieser Zustand durch eine oberhalb der Light-Off-Temperatur für Kohlenwasserstoff liegende Katalysatortemperatur charakterisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Momentabgabe des Verbrennungsmotors 20 während des Zeitintervalls T_kat auf den Wert M_L beschränkt, so dass jede zusätzliche hierüber hinausgehende Momentanforderung von dem Elektromotor 10 bedient wird. Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass innerhalb von T_kat eine Drehmomentanforderung zu mindestens 60%, vorzugsweise zu mindestens 80%, ideal zu mindestens 90% vom Elektromotor 10 bedient wird.
Innerhalb des Zeitintervalls T_kat wird zweckmäßigerweise zur Erhöhung einer Abgastemperatur der Verbrennungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors 20 gezielt verschlechtert. Eine derartige Wirkungsgradverschlechterung wird zu einer Erhöhung der Abgastemperatur genutzt. Eine mögliche Methode zur Wirkungsgradverschlechterung ist eine Verlegung des Zündwinkels nach spät. Damit gelangt ein höherer Anteil der im Brennraum umgesetzten Kraftstoffenergie ins Abgas. Ein Teil der Wirkungsgradminderung des Motors kann durch einen Betrieb mit höherer Füllung kompensiert werden, indem der Motor mit einem vergrößerten Luftmassenstrom betrieben wird. Damit wird ein höherer Abgasmassenstrom erzeugt, der die Beheizung des Katalysators weiter beschleunigt.
Wie an sich bekannt ist, treten bei einer Verlegung des Zündwinkels nach spät aufgrund der erhöhten Abgastemperatur niedrigere Kohlenwasserstoffkonzentrationen stromauf des Katalysatorsystems auf. Es ergibt sich daher neben einem höheren Energieeintrag in die Abgasanlage und das Katalysatorsystem demnach der Vorteil von niedrigeren Rohemissionen.
Durch den höheren Energieeintrag in die Abgasanlage wird eine schnellere Durchwärmung zumindest eines insbesondere motornahen Teils des Katalysatorsystems ermöglicht. Damit kann die Beheizung des Katalysatorsystems vermindert werden. Bevorzugt ist eine Minderung des für die Beheizung des Katalysatorsystems erzeugten zusätzlichen chemisch-thermischen Energieeintrags in die Abgasanlage. Zusätzlich oder alternativ kann das Zeitintervall T_kat mehr als 10%, vorzugsweise 25%, besonders bevorzugt 40% gegenüber einer konventionellen Beheizung des Katalysatorsystems reduziert werden.
Da in den meisten Staaten der Erde die Reinigungswirkung der Abgasanlage durch gesetzliche Vorschriften für Abgasemissions-Grenzwerte vorgegeben sind, ist das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug vorzugsweise so ausgelegt, dass die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte erreicht oder unterschritten werden. In den EU-Ländern wird von dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ein Geschwindigkeitsprofil vorgegeben, das einem typischen Stadt- und Überlandverkehrsaufkommen entsprechen soll. Die erwähnte Auslegung erfolgt derart, dass im NEFZ die Emissionen bei erfindungsgemäßer elektrischer Unterstützung das Niveau in einem konventionellen Betriebsmodus eines gleichen Verbrennungsmotors bzw. Hybridfahrzeugs zumindest nicht übersteigen.
In 5 ist der zeitliche Verlauf von kumulierten Kohlenwasserstoffemissionen stromab des Katalysators schematisch dargestellt. Dargestellt wird jeweils ein Kaltstartvorgang mit der gleichen mit F bezeichneten Fahrkurve. Die mit A bezeichnete Emissionskurve bezeichnet ein konventionelles Katalysator-Heizverfahren wie es in 2 dargestellt wurde. Kurve B bezeichnet ein Katalysatorheizverfahren, bei dem ein negatives Drehmoment in der Kaltstartphase angewendet wird, während die Kurve C einen Betrieb nach dem zuletzt beschriebenen Verfahren bezeichnet. Der auf jeder der Kurven A bis C von oben gesetzte Pfeil bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem eine 80%ige HC-Konvertierungsrate am Vorkatalysator überschritten ist.
Wie die Darstellung in 5 zeigt, ermöglicht die oben zuletzt beschriebene Betriebsweise eine niedrigere kumulierte Kohlenwasserstoffemission sowie ein früheres Erreichen einer 80%-Kohlenwasserstoff-Konvertierungsrate am Katalysator.
Da die Erfindung das Erreichen eines Light-Off-Wertes des Katalysatorsystems oder zumindest eines seiner Komponenten erleichtert, kann der Edelmetallgehalt der in einem derartigen Hybridfahrzeug eingesetzten Katalysatoren reduziert werden. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge mit direkt einspritzendem und/oder schichtladefähigem Otto-Motor. Im Stand der Technik werden bei direkt einspritzenden und/oder schichtladefähigen Otto-Motoren wie im NEFZ mit thermisch-ungeschädigten Katalysatorsystemen, die bei einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 Sekunden eine Kohlenwasserstoffemission von < 0,07 g/km und eine NOx-Emission von < 0,05 g/km erreichen, Katalysatoren mit einem Edelmetallgehalt von > 100 g/ft³ (3,59 g/dm³) oder sogar > 130 g/ft³ (4,67 g/dm³) eingesetzt. Das Katalysatorsystem besteht in diesem Fall aus einem motornahen Vorkatalysator und zumindest einem stromab angeordneten NOx-Speicherkatalysator mit einer gespeicherten Schwefelmasse von < 0,2 Gramm/pro Liter Katalysatorvolumen.
Erfindungsgemäß wird der Edelmetallgehalt zumindest des ersten Katalysators auf ≤ 100 g/ft³ (3,59 g/dm³), insbesondere auf ≤ 80 g/ft³ (2,87 g/dm³) abgesenkt. Bevorzugt ist eine Absenkung auf ≤ 60 g/ft³ (2,16 g/dm³). Damit wird ermöglicht, dass auch nach Ofenalterung des zumindest einen Katalysators mit abgesenktem Edelmetallgehalt für vier Stunden bei 1.100 Grad Celsius in einer Atmosphäre von 2% O₂ und 10% H₂O und eines NOx-Speicherkatalysators mit abgesenktem Edelmetallgehalt für vier Stunden bei 850 Grad Celsius in einer Atmosphäre von 2% O₂ und 10% H₂O bei ansonsten gleichem Fahrzeug durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im NEFZ eine Kohlenwasserstoffemission von nicht mehr als 0,1 g/km und eine NOx-Emission von nicht mehr als 0,08 g/km erreicht wird.
Durch den Einsatz der Hybridtechnik bieten sich, wie zuvor erläutert, zusätzliche funktionale Möglichkeiten, um die Abgasschadstoffemissionen des Verbrennungsmotors weiter abzusenken. Durch Unterstützung des Katalysatorheizvorgangs durch eine E-Maschine kann man auch das Emissionsverhalten eines direkteinspritzenden Ottomotors deutlich verbessern, indem bei hohen Momentenanforderungen nach einem Kaltstartvorgang ein Teil des Gesamtmomentes durch die E-Maschine aufgebracht wird, um den Abgas- bzw. Schadstoffmassenstrom des Verbrennungsmotors bei noch nicht betriebswarmem Katalysatorsystem zu begrenzen. So ist durch die Katalysatorheizmaßnahmen ein motornaher Katalysator zwar i. d. R. schon nach sehr kurzer Zeit oberhalb seiner Light-Off-Temperatur aufgeheizt, jedoch benötigt ein Unterbodenkatalysator aufgrund der motorfernen Position und ggf. auch der thermischen Trägheit eines vorgeschalteten Vorkatalysators eine längere Zeitspanne bis auch hier eine ausreichende Erwärmung stattgefunden hat.
So könnte bspw. im NEFZ nach oben beschriebenem Verfahren im 1. Fahrhügel eine E-Maschinenunterstützung realisiert werden, wohingegen ab dem Beginn des 2. Fahrhügels auch ein Unterbodenkatalysator zumindest teilweise erwärmt ist, so dass nachfolgend eine ausreichende Gesamtkonvertierungsleistung auch ohne elektromotorische Unterstützung gewährleistet wäre.
Da auf die oben beschriebene Weise die Schadstoffemission des Verbrennungsmotors bis zur Erwärmung eines Unterbodenkatalysators ganz erheblich abgesenkt (bzw. begrenzt) werden kann, bietet sich in Kombination mit der Hybridtechnik ein neuer Weg zur Auslegung des Abgasreinigungssystems an. Hierbei wird beispielsweise auf einen Vorkatalysator ganz verzichtet und ggf. die Lage, Größe und/oder Edelmetallbeladung des Hauptkatalysators oder Stufenkatalysators im Unterbodenbereich angepasst. Der Entfall des Vorkatalysators bewirkt eine deutliche Vereinfachung des Abgasnachbehandlungssystems und eine Verringerung der Kosten. Damit ist auch die Ausführung eines Hybridfahrzeuges mit direkteinspritzendem Ottomotor denkbar.
Durch die motorferne Anordnung des Katalysators bietet sich zudem die Möglichkeit den Bauteileschutz neu auszulegen. Bedingt durch die höhere Wärmeabfuhr über die Abgasleitungen vor dem Katalysator und die daraus folgende Absenkung der Katalysatortemperatur ergibt sich Potenzial, um die Gemischanreicherung bei hohen Motorlasten und/oder hohen Motordrehzahlen zu reduzieren, was zu einer Absenkung des Kraftstoffverbrauches des Hybridkonzeptes beiträgt.
Erfindungsgemäß ist es daher bei einem Hybridfahrzeug beispielsweise gemäß 1 vorgesehen, dass der Katalysator 70 derart weit weg von der Brennkraftmaschine 20 angeordnet ist, dass der dazwischen liegende Abgasstrang 60 eine Länge von wenigstens 500 mm oder mehr aufweist.
Die Möglichkeit auf einen motornahen Katalysator zu verzichten wird beispielsweise dadurch eröffnet, dass die E-Maschine zur Unterstützung des Aufheizens des Katalysators oder als Quelle für Drehmoment in solchen Betriebssituationen verwendet wird, in denen die Brennkraftmaschine ein solches Drehmoment nur unter unzulässiger Überschreitung von Abgasgrenzwerten aufgrund des fehlenden motornahen Katalysators liefern könnte. Dies kann beispielsweise u.U. während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart der Fall sein.

10: Elektromotor
20: Verbrennungsmotor
30: Getriebe
40: Speichereinrichtung
50: Abgasanlage
60: Abgasstrang
70: Katalysator
80: Steuersensoren
90: Motorsteuergerät
90a: Einrichtung zur Steuerung der Drehmomentabgabe
100: Sensoren

Claims

Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (20), insbesondere Ottomotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf, wenigstens einem im Zylinderkopf ausgebildeten Austritt für Abgas, einer Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, einer Fremdzündung zum Zünden des direkt eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum, wenigstens einer E-Maschine und einer dem Brennraum nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage mit wenigstens einem Katalysator in wenigstens einem Abgasstrang, dadurch gekennzeichnet, dass der motornächste Katalysator (70) eines jeden Abgasstranges (60) derart in der Abgasreinigungsanlage (50) angeordnet ist, dass eine Länge eines Abgasrohres (60) zwischen dem Austritt für Abgas im Zylinderkopf und einer dem Zylinderkopf zugewandten Stirnfläche dieses motornächsten Katalysators (70) wenigstens 500 mm oder mehr beträgt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage wenigstens einen Vorkataylsator und wenigstens einen Hauptkatalysator in einem Abgasstrang umfasst, wobei der Vorkatalysator der motornächste Katalysators ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (50) genau einen Katalysator (70) pro Abgasstrang aufweist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (90a) zur Steuerung der Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine und der E-Maschine (10) vorgesehen ist, mittels der zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwerts der Konversionsaktivität eines Katalysatorsystems der Abgasreinigungsanlage für zumindest eine Abgaskomponente in einem vorgegebenen Zeitintervall T_kat den Wert der Konversionsaktivität ermittelt und falls dieser Wert unter dem besagten Schwellwert liegt, die Drehmomentabgabe der E-Maschine, vorzugsweise bedarfsabhängig, erhöht und die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine gegenüber einem Betrieb des Hybridfahrzeugs ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor vermindert wird.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Abgasrohres (60) zwischen Austritt für Abgas und der Stirnfläche des motornächsten Katalysators (70) wenigstens 700 mm bis 2.000 mm, insbesondere 900 mm, 1200mm oder 1500mm, beträgt.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (20) im Drehzahl-Mitteldruckbereich 1000-3000/min und 0-3bar in zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 75% oder zumindest 90% dieses Bereichs magerlauffähig, vorzugsweise schichtladefähig ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (20) im Drehzahl-Mitteldruckbereich Leerlaufdrehzahl bis 1500/min und 0-2bar in zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 35% oder zumindest 50% dieses Bereichs magerlauffähig, vorzugsweise schichtladefähig ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (20) ein freisaugender Motor ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (20) eine Abgasturboaufladung und/oder eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Ladeluftverdichtervorrichtung aufweist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator (70) pro Abgasstrang ein NOx-Speicherkatalysator ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen aller Katalysatoren kleiner als 1,3 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 1,1 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 0,9 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 0,7 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen oder kleiner als 0,5 dm³ pro dm³ Motorhubvolumen ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Edelmetallbeladung aller Katalysatoren kleiner als 3,3 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 3,0 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 2,7 g pro dm³ Motorhubvolumen, kleiner als 2,4 g pro dm³ Motorhubvolumen, oder kleiner als 2,0 g pro dm³ Motorhubvolumen ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehzahl-Lastbereich von 80% der Nenndrehzahl bis 120% der Nenndrehzahl bzw. Abregeldrehzahl des Motors, je nachdem, welcher Wert früher erreicht wird, und >80% des bei Nennleistung vorliegenden Mitteldrucks in >30%, >50%, >70%, >80% oder >90% dieses Bereichs eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Sollvorgabe für die Brennkraftmaschine stöchiometrisch ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine (10) im motorischen Betrieb eine maximale mechanische Leistungsabgabe von zumindest 2 kW, 3 kW, 4 kW, 6 kW oder 9 kW pro 1.000kg Fahrzeugleergewicht bei maximaler Spannung eines elektrischen Energiespeichers aufweist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine (10) im generatorischen Betrieb eine maximale elektrische Leistungsabgabe von zumindest 2 kW, 3 kW, 4 kW, 6 kW oder 9 kW pro 1.000kg Fahrzeugleergewicht bei maximaler Ladespannung eines elektrischen Energiespeichers aufweist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine (10) als Kurbelwellenstartergenerator zwischen Brennkraftmaschine und einem nachgeschalteten Kennungswandler, insbesondere Getriebe, angeordnet ist.
Hybridfahrzeug nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine E-Maschine (10) ein Startergenerator ist.