DE102016122304A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators sowie Kraftfahrzeug mit einem Katalysator - Google Patents

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Lars Schlüter
Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor. Um den Katalysator vor einem Start des Verbrennungsmotors aufzuheizen, ist vorgesehen, dass der Katalysator bereits vor dem Motorstart des Verbrennungsmotors elektrisch aufgeheizt wird und bereits mit dem Motorstart eine effiziente Abgasnachbehandlung ermöglich. Dabei erfolgt nach einer elektrischen Vorheizphase nach dem Motorstart eine weitere Aufheizung des Katalysators durch eine kombinierte elektrische und chemische Aufheizung durch die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffkomponenten auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators.Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgassystem, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges sowie ein Kraftfahrzeug mit einem im Abgassystem angeordneten Katalysator.
  • Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Um die nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umsetzen zu können, werden in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit Edelmetall beschichtete Katalysatoren verbaut. Damit diese Katalysatoren die Schadstoffe umsetzen können, ist ein minimales Temperaturniveau des Abgases und des Katalysators notwendig. Um den Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, werden motorische Heizmaßnahmen wie eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ oder ein unterstöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors unter gleichzeitiger Einbringung von Sekundärluft genutzt. Um noch mehr Wärmeenergie gezielt in die Abgasanlage einzubringen, ist es möglich, den Katalysator elektrisch zu beheizen. Dadurch können die Emissionen bereits in der Heizphase des Katalysators deutlich reduziert werden.
  • Ferner wird mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
  • Aus der DE10 2010 014 332 A1 ist ein Verfahren zum Thermomanagement der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor bekannt. Dabei wird mithilfe eines elektrisch beheizbaren Katalysators und einer Lufteinblasung der Katalysator zunächst elektrisch vorgeheizt und dann durch eine Kombination von Lufteinblasung in den Abgaskanal und Fettverstellung des Verbrennungsmotors chemisch geheizt. Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist jedoch die Trennung von elektrisch beheiztem Katalysator und einem weiteren Katalysator, der beheizt werden soll und maßgeblich den Umsatz der Schadstoffe darstellen soll. Darüber hinaus ist bei dem bekannten Verfahren eine Sekundärluftversorgung des Abgaskanals notwendig, um die erforderliche Luft vor dem Katalysator einzublasen.
  • Aus der US 2009 / 0293450 A1 ist ein Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem der Katalysator bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors durch eine elektrische Heizung auf eine erste Temperatur aufgeheizt wird, und nach Erreichen dieser ersten Temperatur durch eine Fettverstellung des Verbrennungsgemischs und gleichzeitige Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal auf eine Light-Off-Temperatur des Katalysators weiter aufgeheizt wird, wobei die elektrische Heizung des Katalysators deaktiviert wird, wenn die Light-Off-Temperatur des Katalysators erreicht ist. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass das Verfahren ein Sekundärluftsystem benötigt, und somit nur an Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor und mit Sekundärluftsystem durchgeführt werden kann.
  • Aus der US 2008 / 0282673 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb aus Verbrennungsmotor und Elektromotor bekannt. Dabei wird von einem Motorsteuergerät vor einem Start des Verbrennungsmotors die Temperatur des Katalysators ermittelt und im Falle eines Unterschreitens einer kritischen Temperatur, insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, der Katalysator elektrisch beheizt und ein Start des Verbrennungsmotors verzögert, bis der Katalysator auf eine definierte Temperatur aufgeheizt ist. Dabei kann nach einem ersten elektrische Aufheizen parallel eine Aufheizung des Katalysators durch die elektrische Heizung und innermotorische Maßnahmen, beispielsweise eine Zündwinkelverstellung in Richtung „spät“ erfolgen, um den Katalysator weiter aufzuheizen oder die Temperatur des Katalysators nach Abschalten der elektrischen Heizung oberhalb der definierten Temperatur für eine effiziente Abgasnachbehandlung zu halten. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass sich der Verbrennungsmotor erst mit einer Verzögerung starten lässt und das Fahrzeug in den ersten Sekunden bis zur wirksamen Erwärmung des Katalysators über die elektrische Heizung nur über den Elektromotor des Hybridantriebs betrieben werden kann oder bei einem direkten Start des Verbrennungsmotors noch nicht über einen effizienten, betriebswarmen Katalysator verfügt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet und ein schnelles Aufheizen des Katalysators auf eine Betriebstemperatur zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator ein elektrisches Heizelement und eine katalytisch wirksame Oberfläche, insbesondere eine katalytisch wirksame Beschichtung, aufweist, und wobei das elektrische Heizelement über ein Steuergerät ansteuerbar ist, welches folgende Schritte umfasst:
    • - elektrisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators vor einem Start des Verbrennungsmotors,
    • - paralleles Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators durch elektrisches Aufheizen sowie zeitgleich durch innermotorische Maßnahmen des Verbrennungsmotors, wobei unverbrannte oder teilverbrannte Kraftstoffbestandteile auf der katalytischen wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators exotherm umgesetzt werden,
    • - Abschalten des elektrischen Heizelements und weiteres Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators durch innermotorische Maßnahmen, wobei der zur exothermen Umsetzung der unverbrannten und/oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile notwendige Sauerstoff über die Brennräume des Verbrennungsmotors in das Abgassystem gefördert wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist das Aufheizen eines Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors auf eine Temperatur, bei der bereits eine signifikante Konvertierung von Schadstoffen durch den Katalysator erfolgt, möglich, wobei das Abgassystem kein Sekundärluftzufuhr benötigt und somit vergleichsweise einfach und kostengünstig ausgestaltet werden kann. Dabei erreicht der Katalysator bereits vor dem Motorstart durch das elektrische Beheizen eine Temperatur, bei dem die katalytisch wirksame Oberfläche eine chemische Reaktion der unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile fördert. Durch die Kombination von elektrischem Beheizen und chemischem Beheizen des Katalysators durch innermotorische Maßnahmen ist es möglich, die Wärme direkt im Katalysator zu erzeugen. Somit kann eine Durchwärmung des gesamten Abgassystems stromaufwärts des Katalysators, beispielsweise einer Turbine eines Abgasturboladers, reduziert werden, wodurch die Aufheizung des Katalysators zusätzlich beschleunigt wird. Dadurch kann eine Light-off-Temperatur des Katalysators schneller erreicht werden und die Heizphase des Katalysators verkürzt werden. Dabei können der Kraftstoffmehrverbrauch durch die verkürzte chemische Heizphase reduziert und die Kaltstartemissionen vermindert werden. Unter einer chemischen Heizphase des Katalysators ist in diesem Zusammenhang eine Maßnahme zu verstehen, bei der aufgrund einer exothermen chemischen Reaktion, insbesondere der Umsetzung von unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffkomponenten mit Sauerstoff auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators, Wärme erzeugt wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die innermotorischen Maßnahmen eine Brennraum-individuelle Lambdaverstellung umfassen, wobei eine erste Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und eine zweite Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Eine Brennraum-individuelle Lambdaverstellung ermöglicht es, zeitgleich unverbrannte beziehungsweise teilverbrannte Kraftstoffbestandteile sowie Sauerstoff in den Abgaskanal zu fördern. Durch den bereits elektrisch vorgeheizten Katalysator können die unverbrannten beziehungsweise teilverbrannten Kraftstoffbestandteile dann exotherm auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators umgesetzt werden, wodurch eine schnelle Aufheizung des Katalysators auf eine Light-off-Temperatur möglich ist. Die Light-off-Temperatur ist dabei die Temperatur, bei der der Katalysator 50% der in den Katalysator eintretenden Abgasbestandteile konvertiert. Dabei erfolgt die Umsetzung der unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile direkt auf der Oberfläche des Katalysators, sodass andere Komponenten des Abgassystems zeitlich versetzt erwärmt werden. Somit ist es im Vergleich zu einer Verstellung einer Zündwinkelverstellung in Richtung spät zumindest nicht unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors notwendig, die Bauteile im Abgassystem stromaufwärts des Katalysators sofort mit zu erwärmen. Diese Bauteile können zeitlich versetzt erwärmt werden, um die vollständige Reinigungsleistung des Abgasnachbehandlungssystems zu erreichen. Ferner wird kein Sekundärluftsystem benötigt, sodass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind. Somit ist eine kostengünstige und sehr effiziente Möglichkeit zur Aufheizung des elektrisch beheizbaren Katalysators gegeben.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn sich stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors in einem Abgaskanal des Abgassystems ein stöchiometrisches Abgas einstellt, wobei die unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile des Abgases mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff auf der katalytisch wirksamen Beschichtung des elektrisch heizbaren Katalysators exotherm umgesetzt werden. Durch ein stöchiometrisches Abgas in der Heizphase können die Endrohremissionen schon während des chemischen Heizens, das heißt des Heizens durch exotherme chemische Reaktionen auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators, stark reduziert werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor in einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Katalysators mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, und Kraftstoff stromaufwärts des elektrischen beheizbaren Katalysators in den Abgaskanal des Abgassystems eingebracht wird. Insbesondere bei mit Luftüberschuss betriebenen Verbrennungsmotoren, beispielsweise Dieselmotoren oder im Magerbetrieb arbeitenden Ottomotoren, kann alternativ der Sauerstoff zur exothermen Reaktion über den Luftüberschuss des Verbrennungsgemischs bereitgestellt werden. Dabei kann der Kraftstoff entweder durch eine späte (zum Beispiel deutlich nach dem oberen Totpunkt des Kolbens) Einspritzung von Kraftstoff in zumindest einen der Brennräume des Verbrennungsmotors oder durch eine direkte Eindosierung von Kraftstoff in den Abgaskanal erfolgen.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass sämtliche Brennräume des Verbrennungsmotors während einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Katalysators periodisch abwechselnd mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wobei beim überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors ein Sauerstoffspeicher des elektrisch beheizbaren Katalysators mit Sauerstoff gefüllt wird, und beim unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors die unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile exotherm mit dem im elektrisch beheizbaren Katalysator gespeicherten Sauerstoff reagieren. Auf diese Art ist ebenfalls eine exotherme Umsetzung von unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffkomponenten auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators möglich, um den Katalysator ausgehend von der durch das elektrische Beheizen erreichten Temperatur weiter zu erwärmen.
  • In einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das elektrische Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators durch einen Türkontaktschalter, einen Empfänger für ein schlüsselloses Schließsystem, ein Empfänger für eine Zentralverriegelung oder einen Gurtschlosskontakt gestartet wird. Vor einem Kaltstart des Verbrennungsmotors stehen in der Regel der Einstieg des Fahrers in das Kraftfahrzeug sowie ein Anschnallen des Fahrers. Durch einen Türkontaktschalter, einen Empfänger für einen Sender eines schlüsselloses Schließsystems (Keyless-Go-System) oder einer Zentralverriegelung, oder einen Gurtkontaktschalter können bereits am Kraftfahrzeug vorhandene Sensoren genutzt werden, um bereits zeitlich vor einem Start des Verbrennungsmotors mit der elektrischen Beheizung zu beginnen. Dabei sind ein Türkontaktschalter und der Empfänger für das Signal eines Schließsystems besonders bevorzugt, da hierbei das Zeitintervall zwischen Öffnen beziehungsweise Freigabe der Tür und dem Starten des Verbrennungsmotors vergleichsweise lang ist und somit eine effektive Aufheizung des elektrisch beheizbaren Katalysators in diesem Zeitintervall möglich ist.
  • Bei einem autonom oder teilautonom betriebenen Fahrzeug kann das elektrische Heizen auch durch Anforderung eines Fahrbefehls eingeleitet werden, wobei der Verbrennungsmotor erst dann startet, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator eine erste Schwellentemperatur erreicht hat.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die innermotorischen Heizmaßnahmen eingeleitet werden, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator durch das elektrische Aufheizen eine erste Grenztemperatur erreicht hat. Um eine möglichst effiziente Aufheizung des elektrisch beheizbaren Katalysators zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die innermotorischen Maßnahmen zum chemischen Aufheizen des Katalysators erst dann eingeleitet werden, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator durch das elektrische Aufheizen eine erste Grenztemperatur erreicht hat. Werden die innermotorischen Maßnahmen eingeleitet, bevor der Katalysator diese erste Schwellentemperatur erreicht hat, so kann dies zu einer Abkühlung des Katalysators durch unverbrannten Kraftstoff und damit verbundenen erhöhten Emissionen führen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor nach Erreichen einer zweiten Schwellentemperatur mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und die Heizmaßnahmen beendet werden. Hat der elektrisch beheizbare Katalysator eine zweite Schwellentemperatur, welche vorzugsweise oberhalb der Light-Off-Temperatur des Katalysators liegt, erreicht, so wird die chemische, innermotorische Heizmaßnahme des Verbrennungsmotors eingestellt und der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb, vorzugsweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Dadurch werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors sowie der Kraftstoffverbrauch reduziert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt wird, wenn die Batterie des Elektroantriebs soweit entladen ist, dass der Hybridantrieb in absehbarer Zeit, insbesondere innerhalb der nächsten Minute, auf einen Antrieb durch den Verbrennungsmotor umschaltet.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, und einem Abgassystem, in dem zumindest ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei das Kraftfahrzeug, vorzugsweise der Verbrennungsmotor ein Steuergerät aufweist, welches eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stromquelle zum Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators, vorzugsweise eines elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators, ein 48V-Bordnetz des Kraftfahrzeuges oder eine Batterie zum Antrieb eines elektrischen Antriebsmotors eines Hybridfahrzeuges ist. Während ein Aufheizen eines elektrischen Katalysators mit einem 12V-Bordnetz aufgrund der geringen Spannung vergleichsweise schwierig und zeitaufwendig ist, kann ein Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators mit einem 48V-Bordnetz vergleichsweise einfach und schnell erfolgen. Alternativ kann bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor auch die Batterie für den Elektromotor als Spannungsquelle zum Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators genutzt werden.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
    • 2 eine weitere Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
    • 3 den Temperaturverlauf bei einem konventionellen Aufheizen eines Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors,
    • 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators im Abgassystem eines Verbrennungsmotors,
    • 5 den Temperaturverlauf im Katalysator bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators,
    • 6 einen weiteren Temperaturverlauf im Abgaskanal bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators an drei Messpunkten im Abgaskanal,
    • 7 eine alternative Ausführungsform eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
    • 8 eine weitere, alternative Ausführungsform eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
    • 9 eine weitere, alternative Ausführungsform eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
    • 10 eine weitere, alternative Ausführungsform eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges, und
    • 11 eine weitere, alternative Ausführungsform eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 mit einem Verbrennungsmotor 10 und einem Abgassystem 20. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 ist vorzugsweise als Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 10 und einem Elektromotor 56, besonders bevorzugt mit einem durch Zündkerzen 14 fremdgezündeten Ottomotor, ausgebildet. Der Verbrennungsmotor 10 weist mindestens einen Brennraum 12, vorzugsweise wie in 1 dargestellt vier Brennräume 12 auf, welche über einen gemeinsamen Auslass 52 mit einem Abgaskanal 22 des Abgassystems 20 verbunden sind. Das Abgassystem 20 weist in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 22 des Abgassystems eine Turbine 24 eines Abgasturboladers auf. Stromabwärts der Turbine 24 ist im Abgaskanal 22 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 mit einem elektrischen Heizelement 28 und einer katalytisch wirksamen Oberfläche 50, vorzugsweise mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung, angeordnet. Der elektrisch beheizbare Katalysator 26 ist vorzugsweise als elektrisch leitender Drei-Wege-Katalysator 30 ausgebildet, wobei der Katalysator 26 selbst bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung als Heizwiderstand und somit als elektrisches Heizelement 28 wirkt. Stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ist im Abgaskanal 22 ein weiterer Katalysator 32, vorzugsweise ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 34, angeordnet. Das elektrische Heizelement 28 des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ist über ein Steuergerät 42, vorzugsweise über das Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 10 oder ein Leistungssteuergerät des Hybridfahrzeuges, ansteuerbar. Der elektrische Antriebsmotor 56 des Hybridfahrzeuges wird über eine Batterie 54 mit Spannung versorgt, welche auch zur Aufheizung des elektrischen Heizelements 28 genutzt werden kann. Die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 lassen sich in eine erste Gruppe von Brennräumen 16 und eine zweite Gruppe von Brennräumen 18 aufteilen, wobei beide Gruppen 16, 18 vorzugsweise gleich viele Brennräume 12 aufweisen. Bei dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor 10 weisen beide Gruppen 16, 18 jeweils zwei Brennräume 12 auf. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet, kann aber auch als Rotationskolbenmotor ausgebildet sein. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgebildet, kann aber alternativ auch als Saugmotor ausgebildet sein.
  • In 2 ist eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgassystem 20 auf. In dem Abgassystem 20 sind in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 mit einem elektrischen Heizelement 28 sowie stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ein zweiter Katalysator 32, welcher als Drei-Wege-Katalysator 34 ausgebildet ist, angeordnet. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Mehrzahl von Sensoren 44, 46, 48 auf, welche ein Signal an ein Steuergerät 42 des Kraftfahrzeuges 1 senden. So sind in 2 ein Türkontaktschalter 44, ein Empfänger für ein schlüsselloses Schließsystem des Kraftfahrzeuges 46 und ein Gurtschlosssensor 48 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch noch weitere Sensoren, beispielsweise ein Empfänger für den Sender einer Zentralverriegelung, oder ein Sensor 58 zur Erkennung einer Sitzbelegung eines Sitzes, vorgesehen sein.
  • Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 lässt sich wie in 4 dargestellt folgendermaßen beschreiben: Zu einem Zeitpunkt O erhält der Verbrennungsmotor 10 ein Signal, dass ein Motorstart S des Verbrennungsmotors 10 bevorsteht. In einer ersten Phase I wird der elektrisch beheizbare Katalysator 26 durch das elektrisch Heizelement 28 auf eine erste Schwellentemperatur T4 aufgeheizt. Dabei erfolgt das Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 in dieser ersten Phase ausschließlich durch ein elektrisches Beheizen IV des Katalysators 26. Dabei wird das elektrische Beheizen IV durch ein Signal eines der Sensoren 44, 46, 48, 58, insbesondere durch den Türkontaktschalter 44, aktiviert, sodass ein Beheizen des Katalysators 26 bereits deutlich vor dem Motorstart S des Verbrennungsmotors 10 erfolgen kann. Alternativ erfolgt das elektrische Vorheizen in einer Phase, in der das Hybridfahrzeug ausschließlich durch den elektrischen Antriebsmotor 56 angetrieben wird und keine Momentenabgabe durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgt. Nach dem Motorstart S des Verbrennungsmotors 10 erfolgt in einer zweiten Phase II ein Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 auf eine zweite Schwellentemperatur T5 , welche vorzugsweise eine Betriebstemperatur des Katalysators 26 ist und oberhalb einer Light-Off-Temperatur des Katalysators 26 liegt. In dieser zweiten Phase II erfolgt zunächst ein paralleles Beheizen VI durch ein elektrisches Heizen IV und ein chemisches Heizen V des Katalysators 26, um ein Auskühlen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 direkt nach dem Motorstart S des Verbrennungsmotors 10 zu vermeiden. Dadurch werden unverbrannte oder teilverbrannte Abgasbestandteile zusammen mit der erforderlichen Luft dem vorgeheizten elektrisch heizbaren Katalysator 26 zugeführt. Dabei können unverbrannte Abgasbestandteile, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und teilverbrannte Abgasbestandteile, insbesondere Kohlenstoffmonoxid CO zusammen mit dem Sauerstoff an der vorgeheizten katalytisch aktiven Oberfläche 50 des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 exotherm reagieren. Hierdurch stellt sich eine Kombination aus chemischem und elektrischem Heizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ein. Dabei werden zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 eine erste Gruppe 16 von Brennräumen 12 des mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE16 > 1 und eine zweite Gruppe 18 von Brennräumen 12 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE18 < 1 betrieben. In einer dritten Phase III wird der Verbrennungsmotor 10 dann in allen Brennräumen 12 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben und die Heizmaßnahmen IV, V deaktiviert. Dabei ist das Luftverhältnis λE des Verbrennungsmotors 10 bei einem erfindungsgemäßen Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 in 6 dargestellt.
  • Bei einer konventionellen Katalysatorheizstrategie, beispielsweise durch Verstellung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors 10 in Richtung „spät“ oder durch Sekundärlufteinblasung in den Abgaskanal 22 wird die notwendige Wärme stromauf der Turbine 24 des Turboladers direkt am Auslass 52 des Verbrennungsmotors 10 erzeugt und dem Abgaskanal 22 zugeführt. Dabei wird die Wärme dem Abgas auf der Wegstrecke bis zum Katalysator 26 durch zwei Mechanismen entzogen. Zum einen werden die kalten Bauteile stromaufwärts des Katalysators 26 in Abhängigkeit ihrer Wärmekapazität erwärmt. Zum anderen wird die erzeugte Wärme über die Oberflächen dieser Bauteile an die Umgebung abgegeben. Dies führt zu Wärmeverlusten bis zu dem zu erwärmenden Katalysator 26 und somit zu einem zeitlichen und energetischen Nachteil. Mit dem vorgeschlagenen kombinierten Verfahren kann mithilfe des elektrischen Heizelements 28 das chemische Aufheizen V des Katalysators 26 direkt auf der katalytisch wirksamen Oberfläche 50 des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 erfolgen.
  • Da die Temperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 idealerweise bereits zum Motorstart S oberhalb der ersten Schwellentemperatur T4 liegt, sind hier geringe Abgasemissionen zu erwarten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein signifikanter Schadstoffumsatz zeitlich deutlich früher erfolgen, da bei einem konventionellen Verfahren der Katalysator beim Motorstart S des Verbrennungsmotors 10 Umgebungstemperatur hat.
  • In 3 ist der Temperaturverlauf bei einem konventionellen Aufheizen eines Katalysator 26, beispielsweise des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 bei abgeschaltetem elektrischem Heizelement 28, im Abgaskanal 22 eines Verbrennungsmotors 10 an drei Messpunkten T1 , T2 und T3 dargestellt. Dabei befindet sich der erste Messpunkt T1 stromaufwärts der Turbine 24 des Abgasturboladers, der zweite Messpunkt T2 stromaufwärts des Katalysators 26 und der dritte Messpunkt im Katalysator 26.
  • In 5 ist der Temperaturverlauf an den gleichen drei Messpunkten T1 , T2 und T3 bei einem erfindungsgemäßen Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 dargestellt.
  • Die 7 bis 11 zeigen alternative Ausführungsformen des in 1 dargestellten Kraftfahrzeuges 1. Dabei sind bei im Wesentlichen gleichem Aufbau nur jeweils der Verbrennungsmotor 10 und das Abgassystem 20 des Verbrennungsmotors 10 dargestellt.
  • Bei dem in 7 dargestellten Abgassystem ist bei ansonsten gleichem Aufbau wie in 1 dargestellt der elektrisch beheizbare Katalysator 26 stromabwärts des zweiten Katalysators 32 angeordnet. Da der zweite Katalysator 32 bei Motorstart S noch kalt ist, strömen die unverbrannten oder teilverbrannten Abgasbestandteile weitestgehend ohne chemische Reaktion durch den zweiten Katalysator und werden erst auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des vorgeheizten Katalysators 26 exotherm umgesetzt.
  • Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform ist bei ansonsten gleichem Aufbau wie in 1 dargestellt im Abgassystem 20 stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 32 zusätzlich ein Partikelfilter 36 angeordnet. Alternativ kann ein zusätzlicher Partikelfilter 36 auch wie in 9 dargestellt stromabwärts des zweiten Katalysators 32 angeordnet sein. Alternativ kann auch die Funktionalität des zweiten Drei-Wege-Katalysators 34 und des Partikelfilters 36 in einem Bauteil zusammengefasst werden und als zweiter Katalysator 32 wie in 10 dargestellt ein Vier-Wege-Katalysator 38 im Abgaskanal 22 stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 angeordnet sein.
  • In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Abgassystems 20 eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 dargestellt. Dabei strömt das Abgas des Verbrennungsmotors 10 zunächst durch einen zweiten Katalysator 32, insbesondere einen zweiten Drei-Wege-Katalysator 34, dann durch einen dritten Katalysator 60 und abschließend durch den elektrisch beheizbaren Katalysator 26, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator 26 als elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator 40 ausgebildet ist. Dabei kann das elektrische Heizelement 28 nicht nur genutzt werden, um den elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator 40 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen, sondern auch, um den elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator 40 bei einem zum Abbrand des im elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 40 zurückgehaltenen Rußes zu unterstützen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Zündkerze
    16
    erste Gruppe von Brennräumen
    18
    zweite Gruppe von Brennräumen
    20
    Abgassystem
    22
    Abgaskanal
    24
    Turbine
    26
    elektrisch beheizbarer Katalysator
    28
    elektrisches Heizelement
    30
    elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator
    32
    zweiter Katalysator
    34
    zweiter Drei-Wege-Katalysator
    36
    Partikelfilter
    38
    Vier-Wege-Katalysator
    40
    elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator
    42
    Steuergerät
    44
    Türkontaktschalter
    46
    Empfänger
    48
    Gurtschlosssensor
    50
    katalytisch wirksame Oberfläche
    52
    Auslass
    54
    Batterie
    56
    elektrischer Antriebsmotor
    58
    Sensor zur Erkennung der Sitzplatzbelegung
    60
    dritter Drei-Wege-Katalysator
    T
    Temperatur
    T1
    Temperatur vor Turbine
    T2
    Temperatur vor Drei-Wege-Katalysator
    T3
    Temperatur im Drei-Wege-Katalysator
    T4
    erste Schwellentemperatur
    T5
    zweite Schwellentemperatur
    S
    Start des Verbrennungsmotors
    t
    Zeit
    λA
    Abgasluftverhältnis
    λE
    Verbrennungsluftverhältnis
    λE16
    Verbrennungsluftverhältnis der ersten Gruppe von Brennräumen
    λE18
    Verbrennungsluftverhältnis der zweiten Gruppe von Brennräumen
    O
    Start des elektrischen Heizens des Katalysators
    I
    erste Phase
    II
    zweite Phase
    III
    dritte Phase
    IV
    elektrisches Heizen des Katalysators
    V
    chemisches Heizen des Katalysators
    VI
    paralleles elektrisches und chemisches Heizen des Katalysators
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010014332 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators (26) in einem Abgassystem (20) eines Verbrennungsmotors (10), wobei der elektrisch beheizbare Katalysator (26) ein elektrisches Heizelement (28) und eine katalytisch wirksame Oberfläche (50) aufweist, und wobei das elektrische Heizelement (28) über ein Steuergerät (42) ansteuerbar ist, umfassend folgende Schritte: - elektrisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) vor einem Start des Verbrennungsmotors (10), - paralleles Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) durch elektrisches Aufheizen sowie zeitgleich durch innermotorische Maßnahmen des Verbrennungsmotors (10), wobei unverbrannte oder teilverbrannte Kraftstoffbestandteile auf der katalytisch wirksamen Oberfläche (50) des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) exotherm umgesetzt werden, - Abschalten des elektrischen Heizelements (28) und weiteres Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) durch innermotorische Maßnahmen, wobei der zur exothermen Umsetzung der unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile notwendige Sauerstoff über die Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) in das Abgassystem (20) gefördert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innermotorischen Maßnahmen eine Brennraum-individuelle Lambdaverstellung umfassen, wobei eine erste Gruppe (16) von Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE > 1) und eine zweite Gruppe (18) von Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) betrieben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromabwärts eines Auslasses (52) des Verbrennungsmotors (10) in einem Abgaskanal (22) ein stöchiometrisches Abgas (λA = 1) einstellt, wobei die unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile des Abgases mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff auf der katalytisch wirksamen Oberfläche (50) des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) exotherm umgesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) in einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis (λE > 1) betrieben wird, und Kraftstoff stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) in den Abgaskanal (22) des Abgassystems (20) eingebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) während einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) periodisch abwechselnd mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE > 1) und einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) betrieben werden, wobei beim überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors (10) ein Sauerstoffspeicher (OSC) des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mit Sauerstoff gefüllt wird, und beim unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors (10) die unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile exotherm mit dem im elektrisch beheizbaren Katalysator (26) gespeicherten Sauerstoff reagieren.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) durch einen Türkontaktschalter (44), einen Empfänger (46) für ein Signal eines schlüssellosen Schließsystems oder einer Zentralverriegelung, oder einen Gurtschlosskontakt (48) gestartet wird, oder wenn die Batterie (54) des elektrischen Antriebsmotors (56) eines Hybridantriebs soweit entladen ist, dass eine Umschalten auf den Verbrennungsmotor (10) bevorsteht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dass die innermotorischen Heizmaßnahmen eingeleitet werden, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator (26) durch das elektrische Aufheizen eine erste Grenztemperatur (T4) erreicht hat.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach Erreichen einer zweiten Schwellentemperatur (T5) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE = 1) betrieben wird und die Heizmaßnahmen beendet werden.
  9. Kraftfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (10) und einem Abgassystem (20), in dem zumindest ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (42), welches eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle zur Beheizung des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators (26) ein 48V-Bordnetz des Kraftfahrzeuges (1) oder eine Batterie (54) zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors (56) des Kraftfahrzeuges (1) ist.
DE102016122304.2A 2016-11-21 2016-11-21 Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators sowie Kraftfahrzeug mit einem Katalysator Withdrawn DE102016122304A1 (de)

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