DE102007010197A1 - Verfahren zum Beheizen eines Katalysators in einem Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Beheizen eines Katalysators (5) in einem Hybridfahrzeug (1), welches einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor (3) aufweist, wobei eine Last des Verbrennungsmotors (2) durch Ankoppeln des Elektromotors (3) zum Erzeugen eines erhöhten Abgaswärmestroms (20) erhöht wird.

Description

  • STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators in einem Hybridfahrzeug, sowie ein Hybridfahrzeug.
  • Seit einigen Jahren sind als verbrauchssparende und umweltschonendere Alternativen zu üblichen Brennkraftmaschinen Fahrzeuge mit sogenannten Hybridantrieben bekannt. Als Hybridantrieb bezeichnet man in der Regel die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder die Kombination verschiedener Energiequellen für eine jeweilige Antriebsform. Allgemein weist ein Hybridantrieb demnach zwei verschiedene Energiewandler und zwei verschiedene Energiespeicher auf. Bis auf wenige Ausnahmen handelt es sich dabei in der praktischen Umsetzung bei den Energiewandlern um einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor und bei den Energiespeichern um einen brennbaren Kraftstoff und eine Batterie.
  • Bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb können sowohl der Verbrennungsmotor wie auch der Elektromotor in einem jeweils günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Überschüssige Energie, beispielsweise beim Bremsen oder passiven Rollen, wird über einen Generator für die Batterieaufladung verwendet.
  • Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor in der Regel gemeinsam, sodass im Vergleich zu einem üblichen Verbrennungsmotor ein Kleinerer verwendet werden kann. Da ein Verbrennungsmotor insbesondere in einem höheren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment liefern kann, eignet sich insbesondere beim Anfahren eher der vorgehaltene Elektromotor, da dieser auch bei niedrigen Drehzahlen ein maximales Drehmoment zur Verfügung stellen kann. Bei bestimmten Fahrdynamiken erfolgt somit ein jeweiliges Zu- und Abschalten der beiden Motoren, um ein verbrauchsgünstigstes Fahren mit hohem Wirkungsgrad zu erzielen.
  • Um insgesamt ein besonders niedrigen Schadstoffausstoß zu erzielen, wird das Abgas des Verbrennungsmotors selbstverständlich einer katalytischen Umsetzung unterzogen, wobei beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und Stickoxide in Wasserdampf und Stickstoff umgesetzt werden. Bekannt sind sogenannte Drei-Wege-Katalysatoren mit einer Lambda-Regelung, in dem Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid oxidiert werden und Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden. Diese Vorgänge im Katalysator beginnen jedoch erst bei einer Betriebstemperatur des Katalysators, die bis zu 300–800°C liegen können, mit befriedigender Effizienz. Deshalb ist bereits bei herkömmlichen Fahrzeugen ohne Hybridantrieb, also ohne zusätzlichen Elektromotor, ein schnelles Erreichen dieser optimalen Temperatur für die Katalysatoreigenschaften notwendig. Konventionell kann dies durch eine Änderung des Zündwinkels in Richtung „spät" erfolgen oder es wird Sekundärluft in das Abgassystem eingeführt. Im letzteren Fall werden Anteile von unverbranntem Kraftstoff-Luftgemisch im Abgas mit zusätzlichem Luftsauerstoff verbrannt, wodurch eine erhöhte Temperatur im Abgasstrang entsteht.
  • Eine Warmlaufphase mit einem großen Zündwinkel nach oberem Totpunkt hat den Nachteil, dass der Verbrennungsmotor nur mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird. Herkömmlicherweise wird daher in der Warmlaufphase zum Erreichen einer Betriebstemperatur des Katalysators ein besonders hoher Anteil der Kraftstoffenergie nur in den Abgaswärmestrom umgesetzt. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen widerspricht diese Vorgehensweise den gewünschten hohen Wirkungsgraden und einer bestmöglichen Energieausnutzung. Da im Fahrbetrieb eines Hybridfahrzeuges oft auch der Verbrennungsmotor abgeschaltet sein kann, ergibt sich häufig die Notwendigkeit, eine Erwärmung des Katalysators herbeizuführen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Beheizen eines Katalysators in einem Hybridfahrzeug zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Hybridfahrzeug nach Anspruch 11 gelöst.
  • VORTEILE DER ERFINDUNG
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat die Vorteile, dass der Abgaswärmestrom nicht durch ineffizientes Verbrennen von Kraftstoff durch den Verbrennungsmotor mit thermodynamisch schlechten Wirkungsgrad erfolgt, sondern durch eine Erhöhung der Last, welche durch Ankopplung des Elektromotors entsteht. Somit steigt der Energiedurchsatz im Verbrennungsmotor an und ein Teil dieser Leistung wird zum Erwärmen der oder des Katalysators verwendet. Mit dem überschüssigen Drehmoment kann ferner die Batterie für den Elektroantrieb geladen werden, da der Elektromotor als Generator wirken kann.
  • Der Elektromotor weist vorzugsweise ein negatives Drehmoment auf, und er wird in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit des Hybridfahrzeugs und/oder der Katalysatortemperatur geregelt. Wird beispielsweise die notwendige Katalysatorbetriebstemperatur erreicht, kann die Bremslast des als Generator wirkenden Elektromotors herabgesetzt werden. Es ist auch von Vorteil, dass in dieser Aufheizphase des Katalysators durch den erhöhten Abgaswärmestrom der Ladezustand einer Batterie zur Energieversorgung des Elektromotors erhöht wird. Dies erfolgt durch den als Generator fungierenden Elektromotor. Trotzdem wird gemäß der Erfindung der Verbrennungsmotor mit Zündparametern für eine Zündung betrieben, die einen optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors induzieren. Es ist daher nicht notwendig, den Zündwinkel, wie dies konventionell erforderlich ist, herabzusetzen. Vorzugsweise wird der Zündwinkel zum Beispiel auf einen positiven Wert, insbesondere zwischen 18–22°C eingestellt. Im Gesamtbetrieb des Verbrennungsmotors kann der Zündwinkel somit im Wesentlichen in einem konstanten Bereich eingestellt werden, der beispielsweise zwischen 20–22°C liegt. Dies hat auch zur Folge, dass der Verbrennungsmotor im Wesentlichen ein konstantes positives Drehmoment an den Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs liefert. Die Last wird somit durch die Regelung des Elektromotors als Generator moduliert.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, die an einen Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs koppelbar sind. Eine Motorsteuerungseinrichtung ist vorgesehen und derart ausgeführt, dass ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators gemäß der Erfindung durchgeführt wird.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen sowie den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert:
  • Es zeigt dabei:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Katalysator-Heizfunktion; und
  • 2: Darstellungen und Zeitverläufe der während der Durchführung des Verfahrens auftretenden Kenngrößen im Hybridfahrzeug In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 zeigt schematisch ein Hybridfahrzeug 1, das einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3 aufweist. Diese sind beide an einen Antriebsstrang des Fahrzeugs koppelbar, der hier nicht näher beschrieben ist.
  • Ferner kann nach den bekannten Betriebssteuerungen für Hybridfahrzeuge jeweils der Elektromotor 3, Verbrennungsmotor 2 oder beide gemeinsam zusammengekoppelt werden. Dies ist hier beispielhaft über eine steuerbare Kupplung 4 dargestellt.
  • Der Elektromotor 3 wird von einer Batterie 7 über Leitungen 19a, 19b mit elektrischer Energie versorgt. Der Verbrennungsmotor führt seine Abgase und Verbrennungsprodukte über ein Abgasrohr 8 in den Katalysator 5, wo die Abgase nach bekannten katalytischen Verfahren umgesetzt werden und über den Auspuff 9 gereinigt ausgegeben werden. Wie bereits eingangs erwähnt, ist für eine effiziente katalytische Umsetzung eine Betriebstemperatur von in der Regel über 300°C des Katalysators 5 notwendig.
  • Das Hybridfahrzeug 1 ist mit einer Motorsteuerungseinrichtung 6 ausgestattet, die über Steuerleitungen 16, 17, 18 sowohl den Verbrennungsmotor 2 als auch den Elektromotor 3 und die Kopplung derer miteinander steuert. Um die Motoren 2, 3 effizient regeln und steuern zu können, werden der Motorsteuerungseinrichtung 6 daher über Messsensoren ermittelte Motordaten oder Parameter über Messleitungen 14, 15 übermittelt. Ferner sind Temperatursensoren 10, 11, 12 im Abgasrohr 8, Katalysator 5 und Auspuff 12 vorgesehen, die der Motorsteuerungseinrichtung 6 über weitere Messleitungen 13 die jeweiligen Temperaturen anzeigen.
  • Die Motorsteuerung 6 erhält beispielsweise Informationen über die Motordrehzahl, wobei ein entsprechendes Messsignal induktiv erfasst werden kann, und Informationen über die Kolbeneinstellungen im Verbrennungsmotor. Dies kann erreicht werden, indem ein auf der Kurbelwelle vorgesehener Zahnkranz geeignet markiert ist, sodass über einen Sensor erkannt werden kann, wann der jeweilige obere Totpunkt des Kolbens erreicht wird. Ferner wird zur Motorsteuerung die angesaugte Luftmenge ermittelt, was durch Durchfluss-Messsensoren oder Messungen des Auslenkwinkels der Luftklappe erfolgen kann. Ferner kann die Temperatur der Ansaugluft der Motorsteuerung 6 übergeben werden. Auch die Kühlwassertemperatur des Motors 2, die Höhe der aktuellen Batteriespannung sowie die Stellung der Drosselklappe zwischen Leerlauf und Vorlauf kann der Motorsteuerung 6 übergeben werden. Weiterhin ist es möglich, dass eine sogenannte Lambda-Sonde den Restsauerstoffgehalt im Abgas ermittelt und der Motorsteuerung übergibt. Aus diesen vielen Motorparametern gewinnt die beispielsweise als Mikroprozessor ausgestaltete Motorsteuerungseinrichtung 6 geeignete Parameter, um den Verbrennungsmotor 2 in einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Ferner überwacht die Motorsteuerung ebenso den Elektromotor und steuert das Zusammenspiel beider Antriebsmechanismen für den Hybridbetrieb.
  • Um bei niedrigen Temperaturen des Katalysators 5 nun eine besonders effiziente Beheizung des Katalysators zu erzielen, führt die Motorsteuerung 6 ein erfindungsgemäßes Verfahren durch, wobei über den Zeitraum, in dem der Katalysator 5 noch nicht seine notwendige Betriebstemperatur erreicht hat, die Last des Verbrennungsmotors 2 erhöht wird, indem der Elektromotor 3 als Generator angesteuert wird. Prinzipiell können dadurch die Motorparameter, wie insbesondere die Zündparameter und der Zündwinkel, in einem Bereich eingestellt werden, der einen bestmöglichen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 darstellt. Dadurch wird die Batterie 7 in dieser Aufheizphase für den Katalysator 5 aufgeladen. Dies hat den Vorteil, dass ein gleichmäßiges Drehmoment vom Verbrennungsmotor 2 erzeugt wird, während in Abhängigkeit beispielsweise von der Katalysator-, Abgas- oder Außentemperaturen der Elektromotor 3 ein negatives Drehmoment im Antriebsstrang hervorruft.
  • Insgesamt ergibt sich ein Wirkungsgrad-optimierter Betrieb des Fahrzeugs 1, bei dem die Temperatur des Abgasstroms 20 dennoch erhöht wird. Somit kann, obwohl eine erhöhte Temperatur des Abgasstromes erzielt wird, ein Kennlinienfeld für die Zündung des Verbrennungsmotors verwendet werden, das einem optimalen Betriebszustand entspricht. Die Motorsteuerungseinrichtung 6 steuert zur Motorsteuerung beispielsweise Einspritzventile, die Einstellung der Drosselklappen und insbesondere die Zündung.
  • In der 2 sind die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretenden Motordaten grafisch dargestellt. Die 2(D) stellt den zeitlichen Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit v(t) in [km/h] dar. Zu einem Zeitpunkt a startet das Fahrzeug und wird bis zum Zeitpunkt b auf eine Geschwindigkeit von ca. 20 km/h gebracht, fährt daraufhin bei konstanter Geschwindigkeit bis zum Zeitpunkt c und wird dann zum Zeitpunkt d wieder abgebremst. Um den Katalysator auf seine Betriebstemperatur zu bringen, ist insbesondere im Zeitraum zwischen a und b eine Beheizung des Katalysators notwendig.
  • Mit K sind in den 2(A), (B) und (C) Kurven des Ladezustands der Batterie KB, des Drehmoments KM eines Verbrennungsmotors K und der Zündwinkel Kα eines Verbrennungsmotors bei konventioneller Vorgehensweise bezeichnet. Man erkennt, dass in der 2(A) die Batterie einen konstanten Ladezustand während der Aufheizphase des Katalysators behält. Dieser liegt beispielhaft in der 2(A) bei etwa 54%. Um eine erhöhte Temperatur im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zu erzeugen, wird konventioneller Weise, wie es in der Kurve Kα der 2(C) dargestellt ist, der Zündwinkel α auf negative Werte herabgesetzt. Beim Stillstand des Fahrzeugs ist beispielsweise eine Zündwinkeleinstellung von –20° denkbar, die beim Beschleunigen des Fahrzeugs zwischen den Zeitpunkten a und b auf knapp oberhalb von 0° ansteigt. Beim Abbremsen des Fahrzeugs wird, um eine erhöhte Temperatur des Katalysators zu erzielen, der Zündwinkel ab dem Zeitpunkt c dann wieder auf negative Werte von um die –20° heruntergesetzt. Für das Motordrehmoment M, das in der 2(B) dargestellt ist, ergibt sich aus dieser herkömmlichen Vorgehensweise die mit KM bezeichnete Drehmomentkurve. Diese übliche Vorgehensweise hat den Nachteil, dass insbesondere durch den negativen oder sehr niedrigen Zündwinkel der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ungünstig ist. Gerade das erzeugte erhöhte Drehmoment KM wird nicht genutzt und geht verloren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise verbleibt das Drehmoment des Verbrennungsmotors wie es in der 2(B) als gestrichelte Kurve VM dargestellt ist, im Wesentlichen konstant und positiv. Dennoch wird dem Verbrennungsmotor eine erhöhte Last abverlangt, damit im Abgaswärmestrom die Temperatur ansteigt. Dies wird erreicht, indem der Elektromotor angekoppelt wird und mit einem negativen Drehmoment betrieben wird. Dies ist in der 2(B) durch die untere gestrichelte Linie EM angedeutet.
  • Um beim Beschleunigen des Hybridfahrzeugs zwischen den Zeitpunkten a und b die Drehmomentübertragung auf die Räder des Kraftfahrzeugs vorzunehmen, wird die zunächst bei –100 Nm vorliegende, durch den Elektromotor erzeugte Last herabgesetzt auf etwa –10 Nm. Somit ergibt sich eine Beschleunigung auf die in der 2(D) angegebenen Geschwindigkeiten.
  • Während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit zwischen den Zeitpunkten b und c verbleibt das negative Drehmoment des Elektromotors EM bei etwas niedrigerem Drehmoment von etwa –60 Nm.
  • Während des Abbremsens zwischen den Zeitpunkten c und d wird die durch das negative Drehmoment des Elektromotors EM erzeugte Last für den Verbrennungsmotor weiter erhöht, indem eine weitere Absenkung auf –120 Nm erfolgt.
  • Während dieser gesamten Beheizung des Katalysators über den damit erhöhten Abgaswärmestrom verbleibt das Drehmoment des Verbrennungsmotors VM konstant positiv. Im Idealfall ergibt sich durch Addition der Drehmomente des Elektromotors EM und des Verbrennungsmotors VM im erfindungsgemäßen Verfahren zum Beheizen des Katalysators eine Kurve, die den konventionellen Verlauf des Drehmomentes KM annähert.
  • Die durch den Verbrennungsmotor zusätzlich gelieferte Energie wird nicht ungebraucht abgeführt, sondern dient über die Funktion des Elektromotors als Generator zum Aufladen der Batterie. Dies ist in der 2(A) zu erkennen, die in der Kurve EB den Batterieladezustand B während des Betriebs des Hybridfahrzeugs darstellt. Durch die Aufnahme des Drehmoments durch den Elektromotor ergibt sich insbesondere für Zeiten vor dem Zeitpunkt a und Zeiten nach dem Zeitpunkt d eine konstante Beladung der Batterie. Der Anstieg des Batterieladezustands zwischen den Zeiten a und d hängt von der Einstellung des negativen Drehmoments durch die Elektromaschine bzw. den Elektromotor ab.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt insbesondere eine kontinuierliche optimale Einstellung Eα des Zündwinkels, wie es in der 2(C) dargestellt ist. Dieser bleibt weitestgehend konstant über 20° und führt zu einem hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. Gegenüber dem Stand der Technik, bei dem zum Erwärmen des Katalysators der Verbrennungsmotor durch Spätverstellung der Zündung in einem thermodynamisch besonders ungünstigen Betriebsverhalten gefahren wird, ergibt sich durch die Erfindung ein Betrieb in seinem thermodynamisch optimalen Zündwinkel.
  • Gemäß der Erfindung wird der Elektromotor als Last an dem Verbrennungsmotor betrieben, wodurch ein erhöhter Abgaswärmestrom zur Verfügung steht und der Katalysator aufgeheizt werden kann. Der Elektromotor zeigt somit ein Bremsmoment, wodurch der Energiedurchsatz ansteigt und ein Teil dieser Leistung zum Erwärmen des Katalysators verwendet wird, während weitere Energie zum Aufladen der Batterie für den Verbrennungsmotor verwendet wird. Gegenüber üblichen Verfahren ergibt sich eine bessere Energieeffizienz und Ausbeute.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Neben den beispielhaft angegebenen Eingangsgrößen für die Motorsteuerung sind weitere denkbar. Auch die Einstellung des günstigen Zündwinkels während des Aufheizens des Katalysators über die Abwärme im Abgasstrom sind weitere Parameter günstig einstellbar, um einen optimalen Wirkungsgrad für den Verbrennungsmotor zu erzielen. Auch die zeitlichen Angaben und in ihren Absolutwerten angegebenen Motorkennzahlen in der 2 sind lediglich beispielhaft zu verstehen und können abgewandelt werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Anpassung an beliebige Betriebstemperaturen für den Katalysator verändert werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Beheizen eines Katalysators (5) in einem Hybridfahrzeug (1), welches einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor (3) aufweist, wobei eine Last des Verbrennungsmotors (2) durch Ankoppeln des Elektromotors (3) zum Erzeugen eines erhöhten Abgaswärmestroms (20) erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Drehmoment (Ev) des Verbrennungsmotors (2) über den als Generator wirkenden Elektromotor (3) abgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Elektromotor (3) ein negatives Drehmoment (EM) aufweist und in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit (v) des Hybridfahrzeugs (1) und/oder der Katalysatortemperatur geregelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Ladezustand einer Batterie (7) zur Energieversorgung des Elektromotors (3) während des Beheizens des Katalysators (5) erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei nach Erreichen einer Katalysatorbetriebstemperatur die durch den als Generator wirkenden Elektromotor (3) Last des Verbrennungsmotors (2) herabgesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der Verbrennungsmotor (2) mit Zündparametern für eine Zündung betrieben wird, die einen optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors (2) induzieren.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei ein Zündwinkel (Eα) für eine Zündung des Verbrennungsmotors (2) mit einem für den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors (2) optimalen Bereich eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Zündwinkel (Eα) auf einen positiven Wert, insbesondere zwischen 18° und 22°, eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Zündwinkel (Eα) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (2) in einem im Wesentlichen konstanten Bereich eingestellt wird, welcher vorzugsweise im Bereich des otpimalen Zündwinkels liegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei von dem Verbrennungsmotor (2) ein im Wesentlichen konstantes positives Drehmoment (VM) an einen Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs (1) geliefert wird.
  11. Hybridfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Elektromotor (3), welche an einen Antriebsstrang des Hybridfahrzeug (1) koppelbar sind, und einer Motorsteuerungseinrichtung (6), welche derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators (5) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgeführt wird.
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