DE102017101181A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators sowie Hybridfahrzeug mit einem solchen Vier-Wege-Katalysator - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators sowie Hybridfahrzeug mit einem solchen Vier-Wege-Katalysator Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, bei der im Abgaskanal des Verbrennungsmotors ein elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist. Ferner ist im Abgaskanal stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators eine Sekundärluftvorrichtung angeordnet, mit welcher der zur Oxidation der im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel notwendige Sauerstoff bereit gestellt werden kann.
Es ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator in einem Abgaskanal eines Hybridfahrzeuges angeordnet ist, wobei die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und insbesondere bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors erfolgen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator, sowie ein Hybridfahrzeug mit einem elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • 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. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird 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. Ferner wird angestrebt, die Katalysatoren im Abgaskanal des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, um möglichst schnell eine hohe Konvertierungsrate für schädliche Abgaskomponenten zu erreichen.
  • Aus der DE 10 2013 114 999A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Hybridfahrzeuges bekannt, bei dem ein stromaufwärts des Partikelfilters angeordneter Katalysator im Abgaskanal zur Regeneration elektrisch beheizt wird und die Wärme des elektrisch beheizten Katalysators über den Abgasstrom auf den Partikelfilter übertragen wird, um diesen auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
  • Aus der US 2004 022 6287 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters im Abgaskanal eines Dieselmotors bekannt, welcher bei jedem Start/Stopp des Motors regeneriert wird. Dazu wird der Partikelfilter bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors, elektrisch auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt und über eine Luftquelle Frischluft in den Abgaskanal eingeblasen, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.
  • Aus der US 2007 027 7515 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizten Partikelfilters bekannt, bei dem eine Regeneration nur dann stattfindet, wenn die Batterie des Kraftfahrzeuges eine hinreichende Restspannung aufweist.
  • Aus der US 2012 011 7946 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Dieselmotors bekannt, wobei der Partikelfilter bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt wird und anschließend Luft in den Abgaskanal eingeblasen wird, um den zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel notwendigen Sauerstoff zur Verfügung zu stellen. Dabei weist der Partikelfilter eine Oxidativ-wirksame Beschichtung auf, um die Regenerationstemperatur abzusenken.
  • Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass diese ausschließlich eine Regeneration bei stehendem Verbrennungsmotor vorsehen und mindestens einen zusätzlichen Katalysator benötigen, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in unschädliche Abgaskomponenten zu konvertieren.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Vier-Wege-Katalysator in einem Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, welcher sowohl im aktiven Betrieb des Verbrennungsmotors als auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors regeneriert werden kann und somit eine maximal energieeffiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal gelöst, wobei in dem Abgaskanal ein Vier-Wege-Katalysator zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und zur Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgas des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und wobei der Vier-Wege-Katalysator durch ein elektrisches Heizelement beheizbar ist und an dem Abgaskanal eine Sekundärluftvorrichtung angeordnet ist, mit welcher stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingebracht werden kann. Als Vier-Wege-Katalysator ist ein Partikelfilter zu verstehen, welcher eine katalytische wirksame Dreiwegebeschichtung aufweist.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüche aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor ein fremdgezündeter, insbesondere ein mittels Zündkerzen fremdgezündeter, Verbrennungsmotor nach dem Otto-Prinzip ist. Prinzipbedingt entstehen bei der Verbrennung in einem Ottomotor weniger Rußpartikel als bei einem Dieselmotor. Dennoch kann es zur Einhaltung von immer strenger werdenden Abgasgesetzgebungen notwendig sein, auch bei einem Ottomotor die Rußpartikel aus dem Abgaskanal zu entfernen. Dabei kann die Sekundärlufteinblasung in einer Kaltstartphase, bei der der Verbrennungsmotor mit einem fetten Kraftstoffgemisch betrieben wird, genutzt werden, um den Vier-Wege-Katalysator durch die Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten schneller auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Schließt sich an eine solche Betriebsphase eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysators an, so kann dieser in einer darauffolgenden elektrischen Heizphase mit weniger elektrischer Energie auf die Regenerationstemperatur aufgeheizt werden. Des Weiteren kann durch das elektrische Heizelement eine Heizphase des Vier-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verkürzt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass im Abgaskanal stromabwärts des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators ein weiterer Katalysator, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, angeordnet ist. Reicht die Konvertierungsleistung des Vier-Wege-Katalysators nicht aus, um die schädlichen Abgasbestandteile des Abgases des Verbrennungsmotors in unschädliche Abgaskomponenten umzuwandeln, kann diese Konvertierungsleistung durch den zweiten Katalysator gesteigert werden. Durch einen zweiten Katalysator stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators können auch diese Nebenprodukte in unschädliche Abgaskomponenten konvertiert werden, sodass die Endrohr-Emissionen weiter sinken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Filtersubstrat des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators direkt beheizbar ist. Durch eine direkte Beheizung des Filtersubstrats geht wenig Energie ungenutzt über Konvektion oder Konduktion verloren, sodass eine besonders schnelle und effiziente Aufheizung des Vier-Wege-Katalysators möglich ist.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal motornah als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist. Unter einer motornahen Anordnung ist dabei eine Anordnung von weniger als 80 cm, vorzugsweise weniger als 50 cm, Abgaslauflänge nach einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Durch die motornahe Anordnung des Vier-Wege-Katalysators ist bei einem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors unter entsprechender Last eine passive Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich, sodass die Abgastemperatur ausreicht, um eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysator ohne zusätzliche Heizmaßnahmen durchzuführen. Dadurch wird die Anforderung einer elektrisch beheizten Regeneration des Vier-Wege-Katalysators seltener notwendig, wodurch nochmal Energie eingespart werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement einen elektrischen Heizwiderstand oder eine Mikrowellenheizung aufweist. Insbesondere kann auch das Filtersubstrat des Vier-Wege-Katalysators direkt elektrisch angesteuert werden und aufgrund seines Leitungswiderstands zu einer direkten elektrischen Beheizung des Vier-Wege-Katalysators genutzt werden. Dadurch ist eine direkte Aufheizung des Filtersubstrates des Vier-Wege-Katalysators möglich. Alternativ kann das Filtersubstrat mittels einer Mikrowellenheizung aufgeheizt werden, wobei der Mikrowellengenerator keinen direkten Kontakt mit dem Filtersubstrat benötigt und somit in einem Bereich der Abgasanlage angeordnet werden kann, in dem er den Strömungsquerschnitt des Abgaskanals nicht versperrt und somit den Strömungswiderstand und den Gegendruck in der Abgasanlage nicht erhöht.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator eine Sensorik zur Ermittlung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators vorgesehen ist. Durch eine Sensorik kann der Beladungszustand des Vier-Wege-Katalysators gemessen werden. Dabei kann durch eine geeignete Sensorik nicht nur der Beladungszustand, sondern auch die Beladungsverteilung ermittelt werden. Somit können zusätzliche Informationen zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators gewonnen werden, wodurch die Temperatur des Vier-Wege-Katalysators an die entsprechende Beladungssituation angepasst werden kann, um eine möglichst effiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators zu erreichen.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Sensorik einen Differenzdruckmesser oder einen Radiowellensensor aufweist. Durch eine Differenzdruckmessung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein Druckanstieg durch die im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel ermittelt werden. Über einen Radiowellensensor kann alternativ der Beladungszustand des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators ermittelt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors die bei der motorischen Verbrennung auftretenden Rußpartikel in dem Vier-Wege-Katalysator zurückgehalten werden, wobei der Vier-Wege-Katalysator durch ein elektrisches Heizelement auf eine Regenerationstemperatur zur Oxidation des im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußes beheizbar ist, und wobei über eine Sekundärluftvorrichtung zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingebracht wird. Erfindungsgemäß wird dabei ein Verfahren zur Regeneration des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators vorgeschlagen, bei dem die Regeneration mithilfe eines direkt beheizten Vier-Wege-Katalysators in Verbindung mit einer Sekundärluftversorgung sichergestellt wird. Dabei kann ein Sekundärluftsystem genutzt werden, welches ansonsten zur Aufheizung des Vier-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors dient, wodurch die Anzahl der zusätzlichen Bauteile im Abgaskanal reduziert werden kann. Zudem kann die elektrische Heizung des Vier-Wege-Katalysators genutzt werden, um den Vier-Wege-Katalysator bereits vor einem Kaltstart auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen oder nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors das Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators zu unterstützen. Vier-Wege-Katalysatoren in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben eine begrenzte Filterkapazität, sodass sie einen intermittierenden Abbrand der in dem Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel benötigen, um eine Überladung des Vier-Wege-Katalysators zu vermeiden und einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors durch einen Anstieg des Abgasgegendrucks entgegenzuwirken. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine besonders energieeffiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich, insbesondere bei einem Hybridfahrzeug mit einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor und einem Elektromotor.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors eingeleitet wird. Prinzipiell kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei laufendem Verbrennungsmotor durchgeführt werden. Eine Regeneration des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors hat jedoch den Vorteil, dass nur ein geringer Luftmassenstrom aufgeheizt werden muss und somit weniger Energie zum Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators aufgewendet werden muss. Dadurch kann die Heizleistung vergleichsweise klein gehalten werden.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators unmittelbar nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors eingeleitet wird. Dabei wird das Verfahren maximal 60 Sekunden, vorzugsweise maximal 20 Sekunden, besonders bevorzugt maximal 5 Sekunden nach einem Stopp des Verbrennungsmotors eingeleitet, um die Restwärme im Abgaskanal nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors zu nutzen und den Vier-Wege-Katalysator von einer Ausgangstemperatur aufzuheizen, welche deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch kann die zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators benötigte elektrische Energie nochmals reduziert werden, wodurch der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator schneller seine zur Oxidation des darin zurückgehaltenen Rußes notwendige Regenerationstemperatur erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, das das elektrische Heizelement des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators aus einer Hochvoltbatterie eines Hybridfahrzeuges gespeist wird. Unter einer Hochvoltbatterie ist eine Batterie mit einer Nennspannung von mindestens 120 Volt zu verstehen, wie sie beispielsweise als Stromspeicher in einem Hybridfahrzeug eingesetzt wird. Eine Hochvoltbatterie kann aufgrund ihrer Spannung bei gleicher Stromstärke eine wesentlich schnellere Aufheizung des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators bewirken, sodass die Leitungsverluste minimiert werden können und die zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators notwendige Temperatur nach einem (im Vergleich zu einer Niederspannungsbatterie) kurzen Zeitintervall erreicht wird.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regeneration des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators eingeleitet wird, wenn ein Beladungsmodell zur Modellierung des Beladungszustands des Vier-Wege-Katalysators einen Beladungszustand ermittelt, welcher eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysators notwendig macht. Wird die Beladung des Vier-Wege-Katalysators durch ein Beladungsmodell errechnet, so kann auf zusätzliche Sensoren im Abgaskanal verzichtet werden, wodurch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kostengünstiger ausgeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, welcher aus einer Hochvoltbatterie gespeist wird, und mit einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, in dessen Abgaskanal eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Dabei kann das Hybridfahrzeug sowohl als Vollhybrid als auch als Plug-In-Hybrid ausgebildet sein. Da es gerade bei einem Hybridfahrzeug, bei dem der Verbrennungsmotor in vielen Fahrzuständen nicht zugeschaltet ist, schwierig ist, die zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators notwendigen Abgastemperaturen zu erreichen, ist das vorgeschlagene Verfahren insbesondere zur Regeneration eines Vier-Wege-Katalysators in einem Abgaskanal eines solchen Hybridfahrzeuges angedacht. Dabei kann die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators sowohl bei Stillstand des Kraftfahrzeuges als auch in einem rein elektrischen Betriebszustand des Kraftfahrzeuges erfolgen. Alternativ kann das vorgeschlagene Verfahren auch in einem Betriebszustand erfolgen, in dem der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeuges mit einer niedrigen Last betrieben wird, in der die Abgastemperatur ohne ein elektrisches Beheizen des Vier-Wege-Katalysators nicht zum Erreichen der Regenerationstemperatur des Vier-Wege-Katalysators ausreicht.
  • 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. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
    • 1 ein schematisiertes Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, bei dem im Abgaskanal ein elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist,
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb und einem im Abgaskanal angeordneten elektrisch beheizbaren Vier- Wege-Katalysator,
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors,
    • 4 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal, in dem eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist, und
    • 5 eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgaskanal eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Hybridantrieb 2. Der Hybridantrieb 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Elektromotor 40, welche über einen Antriebsstrang 56 beide mit einem gemeinsamen Getriebe 42 in Wirkverbindung treten können. Der Verbrennungsmotor 10 ist einlassseitig mit einer Luftversorgung 60 verbunden. Dabei weist die Luftversorgung 60 in Strömungsrichtung von Frischluft einen Luftfilter 62, stromabwärts des Luftfilters 62 einen Luftmassenmesser 68, weiter stromabwärts einen Verdichter 66 eines Turboladers 24 und eine Drosselklappe 64 auf. Der Verbrennungsmotor 10 ist auslassseitig mit einem Abgaskanal 12 verbunden, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases eine Turbine 58 angeordnet ist, welche über eine Welle mit dem Verdichter 66 des Turboladers 24 verbunden ist. Stromabwärts der Turbine 58 ist als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente 14 ein Vier-Wege-Katalysator 16 angeordnet. Das Getriebe 42 ist über eine erste Kupplung 44 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über eine zweite Kupplung 46 mit dem Elektromotor 40 verbindbar. Dabei können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 entweder jeweils einzeln oder zusammen das Kraftfahrzeug 1 antreiben. Dazu ist der Verbrennungsmotor 10 über das Getriebe 42 mit einer ersten Antriebsachse 72 des Kraftfahrzeuges 1 und der Elektromotor 40 mit einer zweiten Antriebsachse 74 des Kraftfahrzeuges 1 verbunden. Der Elektromotor 40 ist mit einer Hochvoltbatterie 30 verbunden, welche den Elektromotor 40 mit Strom versorgt. Der Elektromotor 40 und der Verbrennungsmotor 10 sind über Signalleitungen 70, 76 mit einem Steuergerät 28 des Hybridantriebs 2 verbunden, welches die Leistungsanforderungen des Fahrers an die beiden Antriebsmotoren 10, 40 weitergibt. Im Abgaskanal 12 ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 und stromauf des Vier-Wege-Katalysators 16 eine Sekundärluftvorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12 angeordnet. Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 kann ein weiterer Katalysator 22, insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 32, angeordnet sein, um eine weitere Abgasreinigung zu ermöglichen. Alternativ kann der Hybridantrieb 2 auch mit einem Saugmotor ausgeführt sein, wobei in diesem Fall der Turbolader 24 mit dem Verdichter 66 und der Turbine 58 entfällt.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 mit Hybridantrieb 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 sind dabei vorzugsweise quer zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges 1 in einem Motorraum im Vorderwagen des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet. Alternativ können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 auch längs zur Fahrtrichtung angeordnet sein. Zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 42 ist eine erste Kupplung 44 angeordnet, über welche der Verbrennungsmotor 10 mit dem Getriebe 42 mechanisch verbunden werden kann. Diese erste Kupplung 44 kann sowohl als einfache Schaltkupplung als auch als, vorzugsweise automatisierte, Doppelkupplung ausgebildet sein. Zwischen dem Getriebe 42 und dem Elektromotor 40 ist eine weitere Kupplung 46 vorgesehen, welche eine Ankopplung beziehungsweise Abkopplung des Elektromotors 40 ermöglicht.
  • Im Fahrzeugheck sind ein Tank für den Verbrennungsmotor 10 und eine Hochvoltbatterie 30 für den Elektromotor 40 angeordnet, um eine gleichmäßige Gewichtsverteilung zwischen der ersten Antriebsachse 72, vorzugsweise der Vorderachse des Kraftfahrzeuges 1 und der zweiten Achse, vorzugsweise der Hinterachse, zu erzielen. Alternativ können der Tank und/oder die Hochvoltbatterie 30 auch an anderen Positionen des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet werden.
  • Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Luftversorgung 60 auf, in welcher in Strömungsrichtung der Frischluft ein Luftfilter 62 und stromabwärts des Luftfilters 62 ein Luftmassenmesser 68 angeordnet sind. Alternativ kann der Luftmassenmesser 68, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, auch in den Luftfilter 62 integriert sein. Stromabwärts des Luftmassenmessers 68 ist eine Drosselklappe 64 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 gesteuert werden kann. Ferner kann in einer vereinfachten Ausführungsform der Luftmassenmesser 68 auch entfallen.
  • Der Elektromotor 40 und der Verbrennungsmotor 10 sind über einen gemeinsamen Antriebsstrang 56 miteinander verbindbar, wobei die Verbindung durch die Kupplungen 44 und 46 hergestellt beziehungsweise unterbunden werden kann. Durch das Schließen nur einer der Kupplungen 44 oder 46 kann das Kraftfahrzeug 1 wahlweise ausschließlich elektrisch durch den Elektromotor 40 oder ausschließlich mit Verbrennungsmotor 10 betrieben werden. Sind beide Kupplungen 44 und 46 geschlossen, so kann ein Boost-Betrieb mit beiden Antriebsaggregaten 10, 40, eine Rekuperation, also ein Aufladen der Hochvoltbatterie 30 des Elektromotors 40, oder ein elektrischer Bremsbetrieb durchgeführt werden. Das Getriebe 42 ist mit einem Differenzial verbunden, welches über Antriebswellen die Räder der ersten Antriebsachse 72, insbesondere der Vorderachse, antreibt.
  • Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem ein Vier-Wege-Katalysator 16 angeordnet ist. Stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 ist am Abgaskanal 12 eine Sekundärluftvorrichtung 18 angeordnet. Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 kann im Abgaskanal 12 ein Drei-Wege-Katalysator 32 angeordnet sein, um eine zusätzliche Abgasreinigung zu ermöglichen und bei der Oxidation des im Vier-Wege-Katalysators 16 zurückgehaltenen Rußes die auftretenden Emissionen konvertieren zu können. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und des Elektromotors 40 ist ein Steuergerät 28 vorgesehen, welches über erste Signalleitungen 70 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über zweite Signalleitungen 76 mit dem Elektromotor 40 verbunden ist.
  • Im Normalbetrieb wird das Kraftfahrzeug 1 in einem Hybridmodus betrieben, in dem das Fahrerwunschmoment nach einem bestimmten Antriebsmotor 10, 40 durch das Steuergerät 28 an den Verbrennungsmotor 10, den Elektromotor 40 oder beide Motoren 10, 40 weitergegeben wird. Die im Steuergerät 28 abgelegte Betriebsstrategie des Hybridantriebs 2 gibt vor, auf welche Art und Weise der Fahrerwunsch erfüllt wird. Dabei kann das Antriebsmoment entweder vollständig durch den Elektromotor 40 bereitgestellt werden, durch eine Aufteilung zwischen Elektromotor 40 und Verbrennungsmotor 10 erfolgen oder vollständig durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgen. Im Hybridbetrieb ist es zudem möglich, dass der Verbrennungsmotor 10 mehr Drehmoment erzeugt, als zum Antrieb des Kraftfahrzeuges notwendig ist, wobei das zusätzliche Drehmoment durch die Ankupplung des Elektromotors 40 über die Kupplung 46 genutzt wird, um die Hochvoltbatterie 30 des Elektromotors 40 zu laden.
  • Während der Verbrennungsmotor 10 aktiv ist, wird das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Vier-Wege-Katalysator 16 im Abgaskanal 12 geleitet. Während des Hybridbetriebs wird der Vier-Wege-Katalysator 16 mit Rußpartikeln beladen, bis ein maximal zulässiger Beladungszustand des Vier-Wege-Katalysators 16 erreicht ist.
  • In 3 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 im Abgaskanal 12 eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei ist der zeitliche Verlauf der Temperatur T des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 sowie eines Massenstrom mSL der in den Abgaskanal 12 eingeblasenen Sekundärluft dargestellt. Dabei wird der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator 16 in einer ersten Phase von einem Zeitpunkt I von einer Umgebungstemperatur TUmg auf eine Regenerationstemperatur Treg aufgeheizt, bei der eine Oxidation der im Vier-Wege-Katalysator 16 zurückgehaltenen Rußpartikel möglich ist. Sobald der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator 16 zu einem Zeitpunkt II, II' die Regenerationstemperatur Treg erreicht hat, wird die Einblasung der Sekundärluft gestartet, während der Vier-Wege-Katalysator 16 weiterhin beheizt wird. Durch die Einblasung der Sekundärluft wird der zur Oxidation der Rußpartikel notwendige Sauerstoff zur Verfügung gestellt, um eine effiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16 zu ermöglichen. Ist der Vier-Wege-Katalysator 16 zu einem Zeitpunkt III vollständig regeneriert, wird die elektrische Heizung 20 des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 sowie die Sekundärluftvorrichtung 18 deaktiviert. Alternativ kann der Vier-Wege-Katalysator 16 auch, insbesondere nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10, von einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur TUmg, insbesondere von einer Temperatur oberhalb einer Schwellentemperatur Ts auf die Regenerationstemperatur Treg aufgeheizt werden.
  • In 4 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente 14 ein elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator 16 angeordnet ist. Stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 ist eine Sekundärluftvorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12 angeordnet. Die vorgeschlagene Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 ermöglicht eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16 auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 10, sofern ein ausreichender Ladezustand der Hochvoltbatterie 30 vorliegt oder während des Ladevorgangs der Hochvoltbatterie 30. Hierzu ist der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator 16 derart ausgeführt, dass das Filtersubstrat 48 direkt beheizt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines elektrischen Heizwiderstandes 52 oder mit einer Mikrowellenheizung 54 erfolgen. Dies bewirkt eine direkte Aufheizung des Filtersubstrats 48 ohne einen Trägerstrom, welcher zusätzlich den Abgaskanal 12 und darin stromaufwärts des Partikelfilters 16 angeordnete Bauteile 58 erwärmt. Für eine Rußoxidation wird neben einer hinreichenden Regenerationstemperatur Treg ein Sauerstoffmassenstrom durch den Vier-Wege-Katalysator 16 benötigt. Dieser kann vorzugsweise mithilfe der Sekundärluftvorrichtung 18, insbesondere mittels einer Sekundärluftpumpe, in den Vier-Wege-Katalysator 16 eingebracht werden. Die Zuführung der Sekundärluft erfolgt stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16, vorzugsweise unmittelbar nach dem Auslass des Verbrennungsmotors 10. Die direkte Aufheizung des Filtersubstrats 48 und die Entkopplung der Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16 von einem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors 10 ergeben energetische Vorteile, da nur ein geringer Luftmassenstrom, der dem Abgaskanal 12 durch die Sekundärluftvorrichtung 18 zugeführt wird, aufgeheizt werden muss und nicht der gesamte Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10. Dies begrenzt die erforderliche elektrische Heizleistung der elektrischen Heizung 20 am elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator 16.
  • In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der beheizbare Vier-Wege-Katalysator 16 als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente 14 im Abgaskanal 12 angeordnet. Diese Konfiguration ergibt zusätzlich den Vorteil, dass bei einem Hochlastpunkt des Verbrennungsmotors 10 an dem Vier-Wege-Katalysator 16 eine Abgastemperatur erreicht wird, welche eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16 ohne zusätzliche Heizmaßnahmen ermöglicht. Durch eine solche passive Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16 muss eine aktive Regeneration über das elektrische Heizelement 20 und die Sekundärluftvorrichtung 18 seltener durchgeführt werden, wodurch die Energieeffizienz des Verbrennungsmotors 10 steigt. Die Einbringung der Sekundärluft erfolgt vorzugsweise direkt an den Auslassventilen des Verbrennungsmotors 10. Dadurch kann die Sekundärluftvorrichtung 18 auch zum Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators 16 vor oder unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 genutzt werden.
  • Die Funktion des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 wird über die On-Board-Diagnose des Verbrennungsmotors 10 überwacht. Die Regeneration des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 wird vorzugsweise dann ausgelöst, wenn ein im Steuergerät 28 hinterlegtes Beladungsmodell oder eine geeignete Sensorik 26, insbesondere ein Differenzdrucksensor 34 oder ein Radiowellensensor 36, eine maximal zulässige Beladung des Vier-Wege-Katalysators 16 erkennt. Die Regeneration kann dann noch im aktuellen Fahrbetrieb, insbesondere bei rein elektrischer Fahrt des Hybridfahrzeuges 2 oder nach Abstellen des Kraftfahrzeuges 1 durchgeführt werden, da kein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10 benötigt wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer vollständigen Entkopplung des Regenerationsvorgangs des Vier-Wege-Katalysators 16 von dem Betrieb des Verbrennungsmotors 10. Besonders bevorzugt wird die Regeneration eingeleitet, wenn der Vier-Wege-Katalysator 16 durch einen aktuellen oder vorhergehenden Betrieb des Verbrennungsmotor 10 bereits aufgeheizt ist. Durch diese Steuerung kann die Regeneration energieoptimal ablaufen. Das Ende der Regeneration kann ebenfalls mittels eines in dem Steuergerät 28 abgelegten Beladungsmodells oder mithilfe der Sensorik 26, 34, 36 gesteuert werden. Dazu wird die aktuelle Rußbeladung des Vier-Wege-Katalysators 16 mit einem Zielwert abgeglichen.
  • Wenn der motornahe Vier-Wege-Katalysator 16 für die gasförmige Konvertierung nicht ausreicht, kann es erforderlich sein, einen zweiten Katalysator 22 zu verbauen. Dieser zweite Katalysator 22, vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator 32, ist, wie in 5 dargestellt, stromabwärts des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators 16 im Abgaskanal 12 angeordnet.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Abgaskanal
    14
    Abgasnachbehandlungskomponente
    16
    Vier-Wege-Katalysator
    18
    Sekundärluftvorrichtung
    20
    elektrisches Heizelement
    22
    zweiter Katalysator
    24
    Turbolader
    26
    Sensorik
    28
    Steuergerät
    30
    Hochvoltbatterie
    32
    Drei-Wege-Katalysator
    34
    Differenzdrucksensor
    36
    Radiowellensensor
    40
    Elektromotor
    42
    Getriebe
    44
    erste Kupplung
    46
    zweite Kupplung
    48
    Filtersubstrat
    50
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    52
    elektrischer Heizwiderstand
    54
    Mikrowellenheizung
    56
    Antriebsstrang
    58
    Turbine
    60
    Luftversorgung
    62
    Luftfilter
    64
    Drosselklappe
    66
    Verdichter
    68
    Luftmassenmesser
    70
    Signalleitung
    72
    erste Antriebsachse
    74
    zweite Antriebsachse
  • 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 102013114999 A1 [0003]
    • US 20040226287 A1 [0004]
    • US 20070277515 A1 [0005]
    • US 20120117946 [0006]

Claims (14)

  1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Abgaskanal (12), wobei in dem Abgaskanal (12) ein Vier-Wege-Katalysator (16) zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und zur Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgas des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vier-Wege-Katalysator (16) durch ein elektrisches Heizelement (20) beheizbar ist und an dem Abgaskanal (12) eine Sekundärluftvorrichtung (18) angeordnet ist, mit welcher stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) Sekundärluft in den Abgaskanal (12) eingebracht werden kann.
  2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor (10) nach dem Otto-Prinzip ist.
  3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (12) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) ein weiterer Katalysator (22, 32) angeordnet ist.
  4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filtersubstrat (48) des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) direkt beheizbar ist.
  5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Vier-Wege-Katalysator (16) in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (12) als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente (14) angeordnet ist.
  6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (20) einen elektrischen Heizwiderstand (52) oder eine Mikrowellenheizung (54) aufweist.
  7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator (16) eine Sensorik (26) zur Ermittlung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) vorgesehen ist.
  8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Differenzdrucksensor (34) oder einen Radiowellensensor (36) aufweist.
  9. Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) im Abgaskanal (12) eines Verbrennungsmotors (10), wobei bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (10) die bei der motorischen Verbrennung auftretenden Rußparikel in dem Vier-Wege-Katalysator (16) zurückgehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Vier-Wege-Katalysator (16) durch ein elektrisches Heizelement (20) auf eine Regenerationstemperatur zur Oxidation des im Vier-Wege-Katalysator (16) zurückgehaltenen Rußes beheizbar ist, und wobei über eine Sekundärluftvorrichtung (18) zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators (16) stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) Sekundärluft in den Abgaskanal (12) eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors (10) durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unmittelbar nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors (10) eingeleitet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (20) des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) aus einer Hochvoltbatterie (30) eines Hybridfahrzeuges (2) gespeist wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysators (16) eingeleitet wird, wenn ein Beladungsmodell zur Modellierung des Beladungszustands des Vier-Wege-Katalysators (16) einen Beladungszustand ermittelt, welcher eine Regeneration des Vier-Wege-Katalysators (16) notwendig macht.
  14. Hybridfahrzeug (2) mit einem Elektromotor (40), welcher aus einer Hochvoltbatterie (30) gespeist wird, und mit einem Verbrennungsmotor (1), in dessen Abgaskanal (12) eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.
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