DE102008063449A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und mit einem heizbaren Katalysator, der mit Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt wird. Um die Reinigungswirkung des Katalysators, insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine nach einem Stillstand, zu verbessern, wird die Brennkraftmaschine in einer Katalysator-Kaltphase (6, 7, 16, 17), in welcher der Katalysator eine gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und beheizt wird, durch die Elektromaschine angetrieben, um einen Heizmediumstrom zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator zu fördern, bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und mit einem heizbaren Katalysator, der mit Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt wird.
  • Aus dem US-Patent US 5,327,991 und der japanischen Zusammenfassung JP 10089053 A ist ein Hybridfahrzeug mit einem Katalysator bekannt, der vorgeheizt wird, bevor der Verbrennungsmotor gestartet wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Reinigungswirkung des Katalysators, insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine nach einem Stillstand, zu verbessern.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und mit einem heizbaren Katalysator, der mit Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt wird, dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine in einer Katalysator-Kaltphase, in welcher der Katalysator eine gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und beheizt wird, durch die Elektromaschine angetrieben wird, um einen Heizmediumstrom zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator zu fördern, bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird. Bei der Elektromaschine handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Maschine, die einen Elektromotor umfasst. Die elektrische Maschine kann alternativ oder zusätzlich einen Generator umfassen, wie er zum Beispiel verwendet wird, um einen Stopp-Start-Betrieb eines Hybridfahrzeugs zu ermöglichen. Wesentlich ist, dass die Brennkraftmaschine in der Katalysator-Kaltphase zwar durch die Elektromaschine angetrieben wird, aber in der Brennkraftmaschine keine Verbrennung stattfindet. Der Heizmediumstrom wird zunächst durch den Brennraum der angetriebenen Brennkraftmaschine und dann durch den Katalysator gefördert. Dadurch kann der beheizte Katalysator schneller auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden und beim anschließenden Starten der Verbrennung in der Brennkraftmaschine sofort seine volle Reinigungswirkung entfalten. Durch das Durchströmen des beheizten Katalysators mit dem Heizmediumstrom wird die Wärme in dem beheizten Katalysator schneller und besser verteilt.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmediumstrom in der Katalysator-Kaltphase mit Hilfe einer Heizeinrichtung aufgeheizt wird, bevor er dem Katalysator oder einem zu heizenden Katalysatorbereich zugeführt wird. Die Heizeinrichtung kann dem Katalysator vorgeschaltet oder in den Katalysator integriert sein. Bei der Heizeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Heizeinrichtung, wie eine Heizscheibe.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmediumstrom Luft enthält, die in der Katalysator-Kaltphase zunächst durch die Brennkraftmaschine angesaugt und dann zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator gefördert wird. Bei dem Heizmediumstrom handelt es sich vorzugsweise um Luft, die durch die angetriebene Brennkraftmaschine angesaugt wird. In der Katalysator-Kaltphase wird gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung kein Brennstoff eingespritzt, das heißt, es findet keine Verbrennung statt. Die Brennkraftmaschine wird in der Katalysator-Kaltphase vorzugsweise nur mit Luft, sozusagen als Luftpumpe oder Kompressor, betrieben.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in mindestens einer Standphase eines mit dem Hybridantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird. In der Standphase steht das Kraftfahrzeug, das heißt, es bewegt sich nicht. Das Antreiben der Brennkraftmaschine in der Standphase liefert den Vorteil, dass die für den Antrieb des Kraftfahrzeugs von der Elektromaschine bereitgestellte Antriebsenergie nicht benötigt wird. Sobald das Kraftfahrzeug mit Hilfe der Elektromaschine in Bewegung versetzt wird, kann das Antreiben der Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine unterbrochen werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine vor einer Elektromaschinen-Fahrphase durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird. Sobald die Antriebsleistung der Elektromaschine für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird, wird die erfindungsgemäße Aufheizung des Katalysators unterbrochen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer oder einer weiteren Standphase nach einer beziehungsweise der Elektromaschinen-Fahrphase durch die Elektromaschine angetrieben wird. Sobald die Antriebsenergie der Elektromaschine nicht mehr für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird, kann der erfindungsgemäße Aufheizvorgang des Katalysators fortgesetzt werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer beziehungsweise der Elektromaschinen-Fahrphase durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird. Wenn nicht die volle Antriebsenergie der Elektromaschine für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird, kann ein Teil der Antriebsenergie zum Antreiben der Brennkraftmaschine verwendet werden, um den Katalysator aufzuheizen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer Rekuperationsphase durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird. In der Rekuperationsphase kann die umgewandelte Antriebsenergie der Elektromaschine besonders effektiv zum Beheizen des Katalysators eingesetzt werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten der Zündung der Brennkraftmaschine nicht die Verbrennung der Brennkraftmaschine gestartet wird, sondern die Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine angetrieben wird, ohne dass Brennstoff eingespritzt wird. Vorzugsweise wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine erst dann gestartet, wenn der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. Zu diesem Zweck kann die Temperatur des Katalysators überwacht werden. Es ist aber auch möglich, den Katalysator über eine vorgegebene Zeitspanne aufzuheizen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung der Brennkraftmaschine erst dann gestartet wird, wenn der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. In diesem Zusammenhang kann es sinnvoll sein, die Luftmasse, die Umgebungstemperatur beziehungsweise die Temperatur im Brennraum der Brennkraftmaschine zu überwachen. Über eine entsprechende Steuereinrichtung kann die Verbrennung der Brennkraftmaschine nach einer Startfreigabe gestartet werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
  • Die 1 bis 3 zeigen rein beispielhaft verschiedene Strategien, wie ein Hybridfahrzeug gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einer angekoppelten Elektromaschine, also ein Hybridfahrzeug, oder ein Fahrzeug mit Start-Stopp-Automatik. Der Brennkraftmaschine ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator zugeordnet, der als Abgaskatalysator ausgeführt ist. Dem abgasseitigen Katalysator ist eine elektrische Heizscheibe vorgeschaltet.
  • Über die elektrische Heizscheibe kann der Katalysator nach einer längeren Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs aufgeheizt werden. Allerdings dauert der Aufheizvorgang relativ lange. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einer so genannten Katalysator-Kaltphase, in welcher der Katalysator eine gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine angetrieben, während der Katalysator gleichzeitig beheizt wird. Dabei wird die Brennkraftmaschine nicht mit Kraftstoff versorgt, es findet also keine Verbrennung statt.
  • Indem die Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine angetrieben beziehungsweise gedreht wird, wirkt die Brennkraftmaschine als Kompressor und versorgt den abgasseitig der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysator mit einem Heizmediumstrom, vorzugsweise mit einem Luftstrom, der durch die Heizscheibe aufgeheizt wird. Dadurch kann der Katalysator deutlich schneller auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden als nur mit einer elektrischen Heizeinrichtung, wie der Heizscheibe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise vor dem erstmaligen Start der Brennkraftmaschine nach einer längeren Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs angewendet, um den kalten Katalysator schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Dadurch wird erreicht, dass der Katalysator beim Starten des Brennvorgangs der Brennkraftmaschine direkt seine optimale Reinigungswirkung entfaltet.
  • In den 1 bis 3 sind jeweils in einem kartesischen Koordinatendiagramm mit einer X-Achse 1 und einer Y-Achse 2 verschiedene Strategien dargestellt, wie ein Hybridantrieb beziehungsweise ein Hybridfahrzeug mit einem Hybridantrieb gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Auf der X-Achse 1 ist die Zeit, zum Beispiel in Sekunden, aufgetragen. Auf der Y-Achse 2 ist die Geschwindigkeit des Hybridfahrzeugs, zum Beispiel in Kilometer pro Stunde, aufgetragen.
  • In 1 ist anhand einer Kennlinie 4 ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren an einem Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einer Elektromaschine und einem heizbaren Katalysator angewendet werden kann. Durch eine horizontale Linie 6 ist angedeutet, dass die Heizung des Katalysators nach einer längeren Stillstandszeit des Hybridfahrzeugs aktiv ist.
  • Durch eine weitere, gestrichelte horizontale Linie 7 ist angedeutet, dass die Brennkraftmaschine in dem dargestellten Zeitraum durch die Elektromaschine angetrieben wird beziehungsweise von dieser geschleppt wird. Durch eine ansteigende Linie 11 ist angedeutet, dass das Hybridfahrzeug mit Hilfe der Elektromaschine in Bewegung versetzt wird. Durch eine weitere horizontale Linie 12 ist angedeutet, dass das Fahrzeug relativ langsam fährt, wobei es durch die Elektromaschine angetrieben wird. Durch eine abfallende Linie 13 ist angedeutet, dass die Fahrt mit der Elektromaschine bis zum Stillstand verlangsamt wird.
  • Durch eine weitere horizontale Linie 16 ist angedeutet, dass der Katalysator im Stillstand des Hybridfahrzeugs wieder beheizt wird. Durch eine weitere, gestrichelte horizontale Linie 17 ist angedeutet, dass die Brennkraftmaschine in diesem Zeitraum wieder durch die Elektromaschine angetrieben wird beziehungsweise von dieser geschleppt wird. Durch das gleichzeitige Antreiben der Brennkraftmaschine und Aufheizen des Katalysators im Stillstand des Hybridfahrzeugs kann der Katalysator besonders schnell und effektiv aufgeheizt werden, bevor der Brennvorgang in der Brennkraftmaschine gestartet wird.
  • Durch eine ansteigende Linie 21 ist angedeutet, dass der Brennvorgang der Brennkraftmaschine gestartet wird, um das Hybridfahrzeug auf eine erhöhte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Sobald diese erhöhte Geschwindigkeit erreicht ist, kann der Brennvorgang in der Brennkraftmaschine, zum Beispiel an einem Zeitpunkt 25, wieder unterbrochen und die Fahrt mit der Elektromaschine fortgesetzt werden, wie durch eine weitere horizontale Linie 22 angedeutet ist.
  • Durch eine weitere abfallende Linie 23 ist angedeutet, dass die Fahrt mit der Elektromaschine bis zum Stillstand verlangsamt wird. Durch eine weitere horizontale Linie 27 ist angedeutet, dass sich das Hybridfahrzeug im Stillstand befindet, ohne dass die Heizung des Katalysators aktiv ist und ohne dass die Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine angetrieben ist.
  • Durch eine weitere ansteigende Linie 28 ist angedeutet, dass das Hybridfahrzeug bis zu einem Zeitpunkt 29 mit der Elektromaschine und danach mit der Brennkraftmaschine beschleunigt wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Katalysator in zwei Standphasen 6, 16 aufgeheizt, wobei die Brennkraftmaschine gleichzeitig durch die Elektromaschine angetrieben wird, wie durch die gestrichelten Linien 7, 17 angedeutet ist.
  • In den 2 und 3 sind ähnliche Koordinatendiagramme wie in 1 dargestellt. Zur Bezeichnung der Koordinatenachsen sowie gleicher Phasen werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den dargestellten Ausführungsbeispielen eingegangen.
  • Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist anhand einer Kennlinie 44 ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs angewendet werden kann. Durch eine horizontale Linie 46 ist angedeutet, dass die Elektromaschine nach einem längeren Stillstand aktiv ist. Durch eine ansteigende Linie 47 ist angedeutet, dass das Hybridfahrzeug mit Hilfe der Elektromaschine beschleunigt wird. Durch eine weitere horizontale Linie 48 ist angedeutet, dass das Hybridfahrzeug, angetrieben durch die Elektromaschine, relativ langsam fährt.
  • Durch eine abfallende Linie 49 ist angedeutet, dass die Fahrt des Hybridfahrzeugs in einer so genannten Rekuperationsphase verlangsamt wird. Beim Rekuperieren wird negative Beschleunigungsenergie in der Elektromaschine, insbesondere in einem Generator, in elektrische Energie umgewandelt. Durch eine gestrichelte Linie 51 ist angedeutet, dass die Brennkraftmaschine in der Rekuperationsphase durch die Elektromaschine angetrieben ist. Durch eine weitere abfallende Linie 52 ist angedeutet, dass die Heizung des Katalysators aktiv ist. Durch eine weitere gestrichelte horizontale Linie 55 ist angedeutet, dass die Heizung des Katalysators auch im Stillstand des Hybridfahrzeugs aktiv bleibt. Durch eine weitere horizontale Linie 56 ist angedeutet, dass die Brennkraftmaschine auch im Stillstand des Hybridfahrzeugs durch die Elektromaschine angetrieben wird.
  • Durch die ansteigende Linie 21 ist, wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel, angedeutet, dass die Brennkraftmaschine gestartet wird, sobald der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Katalysator also während des Rekuperierens und in der zweiten Standphase gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgeheizt.
  • Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist anhand einer Kennlinie 64 ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs angewendet werden kann. Durch eine horizontale Linie 66, eine ansteigende Linie 67, eine weitere horizontale Linie 68 und eine abfallende Linie 69 ist angedeutet, dass das Hybridfahrzeug mit Hilfe der Elektromaschine aus dem Stillstand auf eine relativ geringe Geschwindigkeit beschleunigt und dann abgebremst wird.
  • Durch eine gestrichelte Linie 71 ist angedeutet, dass die Heizung des Katalysators in einer zweiten Standphase des Hybridfahrzeugs aktiv wird beziehungsweise ist. Durch eine weitere horizontale Linie 72 ist angedeutet, dass die Brennkraftmaschine in der zweiten Standphase durch die Elektromaschine angetrieben wird. Sobald der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, wird der Brennvorgang in der Brennkraftmaschine gestartet, wie durch die ansteigende Linie 21 angedeutet ist. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die erfindungsgemäße Aufheizung des Katalysators nur in der zweiten Standphase des Hybridfahrzeugs.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5327991 [0002]
    • - JP 10089053 A [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und mit einem heizbaren Katalysator, der mit Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer Katalysator-Kaltphase (6, 7, 16, 17; 51, 52, 55, 56; 71, 72), in welcher der Katalysator eine gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und beheizt wird, durch die Elektromaschine angetrieben wird, um einen Heizmediumstrom zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator zu fördern, bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmediumstrom in der Katalysator-Kaltphase (6, 7, 16, 17; 51, 52, 55, 56; 71, 72) mit Hilfe einer Heizeinrichtung aufgeheizt wird, bevor er den Katalysator oder einem zu heizenden Katalysatorbereich zugeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmediumstrom Luft enthält, die in der Katalysator-Kaltphase (6, 7, 16, 17; 51, 52, 55, 56; 71, 72) zunächst durch die Brennkraftmaschine angesaugt und dann zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator gefördert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in mindestens einer Standphase (6, 7, 16, 17; 55, 56; 71, 72) eines mit dem Hybridantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine vor einer Elektromaschinen-Fahrphase (11–13) durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer oder einer weiteren Standphase (16, 17; 55, 56; 71, 72) nach einer beziehungsweise der Elektromaschinen-Fahrphase (47–49; 11–13) durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer beziehungsweise der Elektromaschinen-Fahrphase durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer Rekuperationsphase (49, 51, 52) durch die Elektromaschine angetrieben wird, wobei der Katalysator gleichzeitig beheizt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Einschalten der Zündung der Brennkraftmaschine nicht die Verbrennung der Brennkraftmaschine gestartet wird, sondern die Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine angetrieben wird, ohne dass Brennstoff eingespritzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung der Brennkraftmaschine erst dann gestartet wird, wenn der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat.
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