DE102017130695A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug sowie Hybridfahrzeug mit einem Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) bei einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor (60) und einem Verbrennungsmotor (10). Dabei wird das Kraftfahrzeug zunächst alleinig durch den Elektromotor (60) angetrieben, während in der Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (34) auf seine Light-Off-Temperatur (T) aufgeheizt wird. Dazu wird ein elektrisches Heizelement (36) in der Abgasanlage (22) stromaufwärts einer katalytisch wirksamen Struktur (38) aufgeheizt und ein Sekundärluftstrom ausgebildet, welcher die Wärme des elektrischen Heizelements (36) konvektiv auf die katalytisch wirksame Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators (34) überträgt. Hat die katalytisch wirksame Struktur (38) des Drei-Wege-Katalysators (34) ihre Light-Off-Temperatur (T) erreicht, wird der Verbrennungsmotor (10) zugeschaltet, sodass ab dem Start des Verbrennungsmotors (10) eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe des Verbrennungsmotors (10) möglich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor sowie ein Hybridfahrzeug mit einem Abgasnachbehandlungssystem.
  • 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. Dabei werden typischerweise Heizwiderstände verwendet, welche in Gasflussrichtung vor dem eigentlichen Katalysator in das Abgasanlage angeordnet sind. Bei einem Aufheizen des Katalysators besteht die Notwendigkeit, die katalytisch wirksame Beschichtung möglichst großflächig anzuwärmen, damit ein großer Oberflächenanteil zur Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe zur Verfügung steht.
  • Typischerweise ist bei einem Hybridfahrzeug der Verbrennungsmotor nach dem Herstellen der Fahrbereitschaft deaktiviert, sodass die elektrische Antriebsmaschine zunächst alleinig für den Antrieb sorgt. Wenn die elektrische Energiequelle zur Neige geht, muss in der Regel der Verbrennungsmotor gestartet werden. Um die gasförmigen Emissionen möglichst gut zu konvertieren, muss auch hierbei der Katalysator möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen. Aufgrund des sich im rein elektrischen Fahrbetrieb nicht drehenden Verbrennungsmotors gibt es während der elektrischen Fahrt keinen Trägermassenstrom, der eine durch ein elektrisches Heizelement in den Abgaskanal eingebrachte Wärmemenge zu der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators transportieren kann. Sofern die Wärme des Heizelements nicht abgeführt werden kann, kann es zudem zu einem Überhitzen und einer thermischen Schädigung des elektrischen Heizelements kommen.
  • Aus der DE 10 2016 014 254 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Hybridfahrzeuges mit einem Dieselmotor und einem elektrischen Antriebsmotor bekannt, wobei in der Abgasanlage des Dieselmotors ein elektrisches Heizelement und stromabwärts des elektrischen Heizelements ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass zum Aufheizen des Partikelfilters der Elektromotor den Verbrennungsmotor schleppt und Luft in die Abgasanlage fördert. Dabei wird die Luft von dem elektrischen Heizelement stromaufwärts des Partikelfilters erwärmt und konvektiv auf den Partikelfilter übertragen, sodass die SCR-Beschichtung des Partikelfilters eine zur Konvertierung der Stickoxide notwendige Temperatur erreicht.
  • Aus der DE 10 2011 101 676 A1 ist eine Katalysatorerwärmungsvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Hybridfahrzeuges bekannt, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen elektrisch beheizbaren Katalysator umfasst, wobei zum Aufheizen des Katalysators ein elektrisches Heizelement bestromt und gleichzeitig Sekundärluft in den Abgaskanal stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators eingeblasen wird, um den elektrisch beheizbaren Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen, bevor der Verbrennungsmotor zugeschaltet wird.
  • Aus der EP 1 197 642 A2 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Hybridfahrzeug bekannt. Dabei wird die Temperatur des Abgases dadurch angehoben, dass die Last des Verbrennungsmotors angehoben wird, indem der Verbrennungsmotor zusätzlich zum Antrieb des Kraftfahrzeuges die Batterie des Elektromotors des Hybridfahrzeuges auflädt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Hybridfahrzeug mit Ottomotor und einem Elektromotor eine möglichst schnelle und effiziente Aufheizung des Drei-Wege-Katalysators zu ermöglichen und zum Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bei einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor gelöst, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Betreiben des Kraftfahrzeuges im Hybridbetrieb, wobei das Kraftfahrzeug ausschließlich durch den Elektromotor angetrieben wird,
    • - elektrisches Aufheizen eines elektrischen Heizelements im Abgaskanal stromaufwärts einer katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators,
    • - Einleiten von Sekundärluft in den Abgaskanal stromaufwärts des elektrischen Heizelements, um einen Trägermassenstrom auszubilden, welcher eine konvektive Wärmeübertragung von dem elektrischen Heizelement auf die katalytisch wirksame Struktur des elektrisch beheizbaren Katalysators ermöglicht,
    • - Zuschalten des Verbrennungsmotors, wenn die katalytisch wirksame Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat.
  • Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, die katalytisch wirksame Struktur des Drei-Wege-Katalysators bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors soweit aufzuheizen, dass ab dem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung von schädlichen Abgasbestandteilen des Verbrennungsmotors möglich ist. Ferner wird durch den Trägermassenstrom ein schnelleres Aufheizen der katalytisch wirksamen Struktur erreicht und die Gefahr einer thermischen Schädigung des elektrischen Heizelements verringert, da der Trägermassenstrom auf das elektrische Heizelement als Kühlluftstrom wirkt. Somit können bei einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb also die Emissionen nicht nur im rein elektrischen Betrieb, sondern auch bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, verringert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass stromabwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators mindestens eine weitere Komponente zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator, ein Vier-Wege-Katalysator, ein Ottopartikelfilter oder ein HC-Adsorber angeordnet ist.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Hybridfahrzeuges möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sekundärluft durch eine Sekundärluftpumpe in den Abgaskanal stromaufwärts des elektrischen Heizelements eingebracht wird. Dadurch ist eine besonders genaue Steuerung oder Regelung des Trägermassenstroms zum Erwärmen der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators möglich. Zudem kann die Sekundärluftpumpe bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor den notwendigen Sauerstoff zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators liefern. Dadurch kann der Massenstrom durch den Vier-Wege-Katalysator bei der Regeneration reduziert werden, wodurch eine effiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich ist und ein schnelles Auskühlen des Partikelfilters während der Regeneration vermieden wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor geschleppt wird, wobei der Verbrennungsmotor im Schleppbetrieb Frischluft in die Abgasanlage fördert. Unter einem Schleppbetrieb des Verbrennungsmotors ist in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand zu verstehen, an dem der Elektromotor ein Drehmoment zum Drehen des Verbrennungsmotors aufbringen muss. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von größer 100 U/min, vorzugsweise von mindestens 600 U/min gedreht und die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors vollständig ausgeblendet. Da der Verbrennungsmotor während der Heizphase der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators durch den Elektromotor geschleppt wird, dient der Verbrennungsmotor während der Regeneration dazu, die für den Trägermassenstrom notwendige Luft in den Abgaskanal zu fördern. Zudem kann bei einer solchen Lösung eine Sekundärluftpumpe zur Bereitstellung eines Trägermassenstroms entfallen.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Öffnungswinkel α der Drosselklappe im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors variiert wird, um den Trägermassenstrom zu regeln. Durch ein weites Öffnen der Drosselklappe kann der Trägermassenstrom vergrößert werden, wobei mehr Wärme von dem elektrischen Heizelement abgeführt wird. Bei einem Schließen der Drosselklappe wird die Luftzufuhr reduziert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Trägermassenstroms im Abgaskanal abnimmt. Somit kann der Trägermassenstrom auf einen optimalen konvektiven Wärmetransport eingeregelt werden. Ferner kann verhindert werden, dass das elektrische Heizelement durch eine thermische Überbeanspruchung durchbrennt. Somit kann gegenüber einem ungesteuerten Trägermassenstrom eine deutlich schnellere und effektivere Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur erreicht werden, wodurch die Schleppphase des Elektromotors kürzer gehalten werden kann. Da während der Schleppphase auch eine mechanische durch den Verbrennungsmotor angetriebene Ölpumpe aktiviert ist, wird der Verbrennungsmotor in dieser Schleppphase hinreichend geschmiert, um einen erhöhten Verschleiß zu vermeiden. Ferner können sich durch den Schleppbetrieb vorteilhafte Effekte beim Öldruck und beim Kraftstoffdruck ergeben, sodass bei einem nachfolgenden Start des Verbrennungsmotors günstige Betriebsbedingungen für einen extrem kontrollierten und „sanften“ Startvorgang des Verbrennungsmotors vorliegen. Durch ein Schließen der Drosselklappe zum Ende der Heizphase wird ein Unterdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erzeugt, um einen Neustart des Verbrennungsmotors bei geringer Leistungsabgabe zu ermöglichen. Dadurch ist ein besonders sanftes Ankoppeln des Verbrennungsmotors möglich, wodurch der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges erhöht wird.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Öffnungszeiten der Ventile des Verbrennungsmotors verändert werden, um den Trägermassenstrom zu regulieren. Durch einen Nockenwellenversteller können die Öffnungszeiten der Ventile des Verbrennungsmotors angepasst werden, dadurch kann die dem Abgaskanal zugeführt Luftmenge angepasst werden. Insbesondere kann eine Ventilüberschneidung, also ein zeitgleiches Öffnen von Einlassventilen und Auslassventilen des Verbrennungsmotors dazu genutzt werden, um die dem Abgaskanal zugeführt Luftmenge bei gleicher Drehzahl zu erhöhen oder Pulsationen zu vermeiden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Alternative wird vorgeschlagen, dass in der Abgasanlage eine Abgasklappe vorgesehen ist, wobei über die Stellung der Abgasklappe der Trägermassenstrom reguliert wird. Durch die Stellung der Abgasklappe kann der Abgasgegendruck im Abgaskanal verändert werden. Dies kann zusätzlich zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führen, was das Aufheizen der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysator begünstigt.
  • Ferner ist alternativ oder zusätzlich mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor eine Trennkupplung angeordnet ist, wobei die Trennkupplung einen Schlupf aufweisen kann, welcher ermöglicht, dass sich der Verbrennungsmotor mit einer gegenüber einer mit dem Elektromotor verbundenen Getriebeeingangswelle reduzierten Drehzahl dreht. Dadurch kann der Trägerstrom reduziert werden, sodass ein Auskühlen des Abgaskanals aufgrund eines zu hohen Frischluftdurchsatzes minimiert wird. Durch die Kombination von zwei oder mehreren der vorstehend genannten Maßnahmen ist eine verbesserte Regelung des Trägermassenstroms möglich. So kann beispielsweise eine Vorsteuerung der Luftmenge des Trägermassenstroms über die Drehzahl des Verbrennungsmotors erfolgen, während die Feinsteuerung über das Öffnen und Schließen der Drosselklappe und/oder der Abgasklappe erfolgt.
  • Bei einem Verbrennungsmotor mit Aktorik zur Zylinderabschaltung kann diese Aktorik genutzt werden, um im Schleppbetrieb den Trägermassenstrom zu reduzieren, in dem nicht alle Zylinder des Verbrennungsmotors genutzt werden, um Frischluft in den Abgaskanal zu pumpen, sondern die „Pumpleistung“ des geschleppten Verbrennungsmotors reduziert, insbesondere halbiert wird.
  • Ferner können zur Steuerung oder Regelung des Trägermassenstroms weitere Parameter wie der Umgebungsluftdruck oder die Stellung einer gegebenenfalls vorhandenen Tumbleklappe genutzt werden.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Hybridantrieb mindestens ein Steuergerät umfasst, mit welchem ein für eine maximal effiziente Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators notwendiger Trägermassenstrom berechnet wird. Dabei ist vorzugsweise neben dem Steuergerät für den Verbrennungsmotor ein weiteres Steuergerät vorgesehen, welches das Zusammenspiel von Verbrennungsmotor und Elektromotor steuert. Alternativ können die Funktionen auch in einem gemeinsamen Steuergerät realisiert sein. Dabei ist in mindestens einem der Steuergeräte ein Regelalgorithmus oder ein Kennfeld für das Aufheizen der katalytisch wirksamen Struktur des Drei-Wege-Katalysators abgelegt, um ein bestmögliches Heizergebnis zu erzielen und eine Überhitzung des elektrischen Heizelements, insbesondere einer der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators unmittelbar vorgeschalteten Heizscheibe, zu vermeiden.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass durch mindestens ein Steuergerät ein unmittelbar bevorstehendes Zuschalten des Verbrennungsmotors erkannt wird und das erfindungsgemäße Verfahren eingeleitet wird, wenn ein solches Zuschalten des Verbrennungsmotors bevorsteht. Dies kann insbesondere durch eine Überwachung des Ladezustands (State of Charge, SOC) der Batterie des Elektromotors erfolgen.
  • Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Verbrennungsmotor ausgeführt ist, wobei der bereitgestellte Trägermassenstrom stromaufwärts der Turbine eingeleitet wird, wobei der Trägermassenstrom durch eine Stellung eines Waste-Gate-Ventils oder einer verstellbaren Leitgeometrie der Turbine des Abgasturboladers geregelt wird. Insbesondere bei einer Einbringung von Sekundärluft durch eine Sekundärluftpumpe besteht durch ein Verstellen der Leitgeometrie und/oder über das Waste-Gate-Ventil eine weitere Möglichkeit, den Trägermassenstrom durch das elektrische Heizelement zu regeln.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Einbringen des Trägermassenstroms momentenneutral für das vortriebswirksame Antriebsdrehmoment des Kraftfahrzeuges erfolgt, das heißt, wenn der Elektromotor während der Heizphase genau so viel zusätzliches Drehmoment bereitstellt, wie zum Schleppen des Verbrennungsmotors notwendig ist. Dadurch kann die Heizphase besonders komfortabel und quasi unbemerkt für den Fahrer des Kraftfahrzeuges ausgeführt werden. Dabei findet vorzugsweise eine vollständige Kompensation desjenigen Schleppmomentes statt, welches durch die Reibleistung des unbefeuerten Verbrennungsmotors in den Antriebstrang eingebracht wird.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor vorgeschlagen, mit dem ein solches Verfahren durchgeführt werden kann. Über ein solches Steuergerät kann auf einfache Art und Weise die Leistungsverteilung zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor gesteuert werden und somit die Voraussetzungen zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen werden.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, umfassend einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, wobei in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet ist. Dabei weist das Kraftfahrzeug mindestens ein Steuergerät zur Steuerung des Verbrennungsmotors und des Elektromotors auf, wobei der Elektromotor den Verbrennungsmotor vor dem Start des Verbrennungsmotors schleppt und der Verbrennungsmotor zur Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators Frischluft in die Abgasanlage fördert. Bei einem solchen Kraftfahrzeug ist eine besonders schnelle und effiziente Aufheizung des Drei-Wege-Katalysator möglich, sodass die Emissionen des Verbrennungsmotors bereits ab dem Start des Verbrennungsmotors effizient konvertiert werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass stromabwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators eine weitere Komponente zur Abgasnachbehandlung in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Die weiteren Komponenten können insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator, ein HC-Adsorber, ein Vier-Wege-Katalysator oder ein unbeschichteter Partikelfilter sein. Bei einem Vier-Wege-Katalysator oder einem unbeschichteten Partikelfilter kann das Verfahren genutzt werden, um den zur Regeneration des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators notwendigen Sauerstoff zu liefern, indem die Regeneration in einer Phase stattfindet, in der der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor geschleppt wird.
  • 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 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstrangs eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus Verbrennungsmotor und Elektromotor;
    • 2 einen Verbrennungsmotor und die mit dem Verbrennungsmotor verbundene Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus Verbrennungsmotor und Elektromotor.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebstrangs eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb. Der Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Elektromotor 60, welche über einen gemeinsamen Antriebsstrang beide mit einem Getriebe 70 in Wirkverbindung treten können. Dabei ist zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Elektromotor 60 eine Trennkupplung 20 vorgesehen, mit welcher der Elektromotor 60 von dem Verbrennungsmotor 10 entkoppelt werden kann. Der Elektromotor 60 ist über eine entsprechende elektrische Verbindung mit der Hauptbatterie 62 des Hybridfahrzeuges verbunden. Der Elektromotor 60 ist ferner über eine Getriebeeingangswelle 66 mit einem Getriebe 70 des Hybridfahrzeuges verbunden. Das Getriebe 70 überträgt ein Antriebsmoment auf mindestens ein Antriebsrad 80 des Hybridfahrzeuges. Dem Verbrennungsmotor 10 ist ein Motorsteuergerät 52 zugeordnet, welches über eine Signalleitung 54 das Motorsteuergerät 52 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbindet. Das Hybridfahrzeug weist ferner ein Hauptsteuergerät 56 auf, welches über Signalleitungen 58 mit dem Motorsteuergerät 52 und dem Elektromotor 60 verbunden ist und die Koordination von Elektromotor 60 und Verbrennungsmotor 10 steuert.
  • In 2 ist ein Verbrennungsmotor 10 eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 ist als Ottomotor ausgeführt und weist mehrere Brennräume 14 auf, an welchen jeweils mindestens eine Zündkerze 16 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 12 mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 22 verbunden. Die Abgasanlage 22 umfasst einen Abgaskanal 32, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases die Turbine 30 eines Abgasturboladers 28, stromabwärts der Turbine 30 ein elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator 34 und weiter stromabwärts ein Vier-Wege-Katalysator 40 angeordnet sind. Ferner ist in dem Abgaskanal 32 stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 40 eine Abgasklappe 42 vorgesehen, mit welcher der Abgaskanal 32 zumindest teilweise verschlossen werden kann.
  • Der elektrisch beheizbare Drei-Wege-Katalysator 34 umfasst ein Gehäuse, in welchem ein elektrisches Heizelement 36, insbesondere eine Heizscheibe, und stromabwärts des elektrischen Heizelements 36 eine katalytisch wirksame Struktur 38 des Drei-Wege-Katalysators 34 angeordnet sind. Alternativ kann das elektrische Heizelement 36 auch stromaufwärts des Katalysatorgehäuses des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 im Abgaskanal 32 angeordnet sein. Stromabwärts der Turbine 30 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 ist im Abgaskanal 32 eine erste Lambdasonde 44 angeordnet, welche vorzugsweise als Breitband-Lambdasonde ausgebildet ist. Stromabwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 40 ist eine zweite Lambdasonde 46 angeordnet, welche vorzugsweise als Sprungsonde ausgebildet ist. Stromaufwärts und stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 40 ist jeweils ein Temperatursensor 48, 50 vorgesehen. Die Lambdasonden 44, 46 und die Temperatursensoren 48, 50 sind jeweils über Signalleitungen 54 mit dem Motorsteuergerät 52 verbunden. Ferner kann an der Abgasanlage 22 eine Sekundärluftpumpe 24 vorgesehen sein, mit welcher Sekundärluft stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des elektrischen Heizelements 36, vorzugsweise stromaufwärts der Turbine 30 des Abgasturboladers 28 in den Abgaskanal 32 eingeblasen werden kann. Dazu ist die Sekundärluftpumpe 24 über eine Sekundärluftleitung 26 mit dem Abgaskanal 32 verbunden. Ferner kann in der Sekundärluftleitung 26 ein nicht dargestelltes Sekundärluftventil angeordnet sein, über welches die Sekundärluftmenge gesteuert werden kann.
  • Im Normalbetrieb wird das Kraftfahrzeug in einem Hybridmodus betrieben, in dem das Fahrerwunschmoment nach einem bestimmten Antriebsmotor 10, 60 durch die Steuergeräte 52, 56 an den Verbrennungsmotor 10, den Elektromotor 60 oder beide Motoren 10, 60 weitergegeben wird. Die im Steuergerät 56 abgelegte Betriebsstrategie des Hybridantriebs gibt vor, auf welche Art und Weise der Fahrerwunsch erfüllt wird. Dabei kann das Antriebsmoment entweder vollständig durch den Elektromotor 60 bereitgestellt werden, durch eine Aufteilung zwischen Elektromotor 60 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 60 über die Kupplung 20 genutzt wird, um die Batterie 62 des Elektromotors 60 zu laden.
  • Während der Verbrennungsmotor 10 aktiv ist, müssen die im Abgas des Verbrennungsmotors 10 enthaltenen Schadstoffe konvertiert oder zurückgehalten werden. Dazu wird das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysator 34 und den Vier-Wege-Katalysator 40 geleitet. Während des Hybridbetriebs wird der Vier-Wege-Katalysator 40 mit Rußpartikeln beladen, bis ein maximal zulässiger Beladungszustand des Vier-Wege-Katalysators 40 erreicht ist und dieser regeneriert werden muss.
  • In 3 ist ein Ablaufschema zur Betriebsstrategie des Hybridantriebs dargestellt. Dabei ist in dem in 3 dargestellten Diagramm die Temperatur T der katalytisch wirksamen Struktur 38 des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 über die Zeit t dargestellt. In einer ersten Phase I wird das Kraftfahrzeug in einem Hybridbetrieb I betrieben, bei dem der Antrieb allein durch den Elektromotor 60 erfolgt. Wird durch das Steuergerät 56 erkannt, dass ein baldiges Zuschalten des Verbrennungsmotors 10 bevorsteht, was insbesondere durch einen niedrigen Ladezustand der Batterie 62 erfolgt, wird in einer Phase II das elektrische Heizelement 36 bestromt und ein Trägermassenstrom ausgebildet, mit welchem die am elektrischen Heizelement 36 erzeugte Hitze konvektiv auf die katalytisch wirksame Struktur 38 des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 übertragen wird. Dazu wird der Verbrennungsmotor 10 durch den Elektromotor 60 geschleppt, sodass der Verbrennungsmotor 10 Frischluft in den Abgaskanal 32 des Verbrennungsmotors 10 fördert. Diese Frischluft dient als Trägermassenstrom, um eine konvektive Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur 38 des Drei-Wege-Katalysators 34 zu ermöglichen und eine Überhitzung des elektrischen Heizelements 36 zu vermeiden. Dabei kann der Trägermassenstrom durch die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10, die Stellung einer Drosselklappe im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10, einen Aktuator zur Zylinderabschaltung, eine Nockenwellenverstellung und eine damit verbundene Änderung der Ventilöffnungszeiten, durch eine Tumbleklappensteuerung, eine Abgasklappensteuerung beeinflusst werden. Anhand von diesen und weiteren Parametern wie beispielsweise dem Umgebungsluftdruck pU kann der Trägermassenstrom modelliert werden, sodass der Trägermassenstrom auf eine bestmögliche Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur 38 geregelt werden kann. Dabei wird bei der Berechnung des idealen Trägermassenstroms auch die Wärmekapazität der Turbine 30 sowie der Abgasnachbehandlungskomponenten 34, 40 berücksichtigt.
  • Hat die katalytisch wirksame Struktur 38 des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 ihre Light-Off-Temperatur TLO erreicht, wird in einer dritten Phase III der Verbrennungsmotor 10 zugeschaltet, wobei ab dem Start S des Verbrennungsmotors 10 eine effiziente Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe durch die katalytisch wirksame Struktur 38 möglich ist. Dabei erfolgt in der dritten Phase III ein paralleles Aufheizen der katalytischen Struktur 38 durch das elektrische Heizelement 36 sowie durch die exotherme Reaktion bei der Konvertierung der Schadstoffe. Dabei wird mit dem Start des Verbrennungsmotors 10 die Sekundärlufteinblasung eingestellt, da ab dem Start des Verbrennungsmotors 10 der Abgasmassenstrom als Trägermassenstrom dient und eine zusätzliche Einbringung von Sekundärluft nicht notwendig ist. Alternativ kann die Sekundärlufteinblasung jedoch auch noch aktiv bleiben, insbesondere dann, wenn der Verbrennungsmotor 10 in der Kaltstartphase mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe mit dem zusätzlichen Sauerstoff der Sekundärlufteinblasung exotherm auf der katalytisch wirksamen Struktur 38 des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 umgesetzt werden.
  • Hat die katalytisch wirksame Struktur 38 des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators 34 ihre Betriebstemperatur erreicht, wird das elektrische Heizelement 36 in einer vierten Phase IV deaktiviert und der Drei-Wege-Katalysator 34 ausschließlich durch das Abgas des Verbrennungsmotors 10 und den auf seiner katalytisch wirksamen Struktur ablaufenden exothermen Prozess auf dieser Temperatur gehalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Einlass
    14
    Brennraum
    16
    Zündkerze
    18
    Auslass
    20
    Trennkupplung
    22
    Abgasanlage
    24
    Sekundärluftgebläse
    26
    Sekundärluftleitung
    28
    Abgasturbolader
    30
    Turbine
    32
    Abgaskanal
    34
    elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator
    36
    elektrisches Heizelement
    38
    katalytisch wirksame Struktur
    40
    Vier-Wege-Katalysator
    42
    Abgasklappe
    44
    erste Lambdasonde
    46
    zweite Lambdasonde
    48
    erster Temperatursensor
    50
    zweiter Temperatursensor
    52
    Motorsteuergerät
    54
    Signalleitung
    56
    Hybridsteuergerät
    58
    Signalleitung
    60
    Elektromotor
    62
    Batterie
    64
    Zylinderdeaktivierungsaktuator
    66
    Getriebeeingangswelle
    70
    Getriebe
    80
    Antriebsrad
    n
    Drehzahl des Verbrennungsmotors
    pU
    Umgebungsluftdruck
    t
    Zeit
    α
    Öffnungswinkel der Drosselklappe
    E
    Ende der elektrischen Heizphase
    S
    Start des Verbrennungsmotors
    T
    Temperatur
    TLO
    Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators
    I
    Hybridbetrieb
    II
    Heizphase des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators
    III
    paralleles elektrisches und chemisches Beheizen des Drei-Wege-Katalysators
    IV
    Normalbetrieb des Verbrennungsmotors
  • 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 102016014254 A1 [0004]
    • DE 102011101676 A1 [0005]
    • EP 1197642 A2 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) bei einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor (60) und einem Verbrennungsmotor (10), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (22) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (22) ein elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator (34) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Kraftfahrzeuges im Hybridbetrieb, wobei das Kraftfahrzeug ausschließlich durch den Elektromotor (60) angetrieben wird, - elektrisches Aufheizen eines elektrischen Heizelements (36) im Abgaskanal (32) stromaufwärts einer katalytisch wirksamen Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators (34), - Einleiten von Sekundärluft in den Abgaskanal (32) stromaufwärts des elektrischen Heizelements (36), um einen Trägermassenstrom auszubilden, welcher eine konvektive Wärmeübertragung von dem elektrischen Heizelement (36) auf die katalytisch wirksame Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Katalysators (34) ermöglicht, - Zuschalten des Verbrennungsmotors (10), wenn die katalytisch wirksame Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators (34) ihre Light-Off-Temperatur (TLO) erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft durch eine Sekundärluftpumpe in den Abgaskanal (32) eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) durch den Elektromotor (60) geschleppt wird, wobei der Verbrennungsmotor (10) im Schleppbetrieb Frischluft in die Abgasanlage (22) fördert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α einer Drosselklappe im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors (10) variiert wird, um den Trägermassenstrom zu regeln.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeiten der Ventile des Verbrennungsmotors (10) verändert werden, um den Trägermassenstrom zu regulieren.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (22) eine Abgasklappe (42) vorgesehen ist, wobei über die Stellung der Abgasklappe (42) der Trägermassenstrom reguliert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbrennungsmotor (10) und dem Elektromotor (60) eine Trennkupplung (20) vorgesehen ist, wobei die Trennkupplung (20) einen Schlupf zulässt, welcher ermöglicht, dass sich der Verbrennungsmotor (10) mit einer gegenüber einer mit dem Elektromotor (60) verbundenen Getriebeeingangswelle (66) reduzierten Drehzahl dreht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (52, 56) vorgesehen ist, mit welchem ein für eine maximal effiziente Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Drei-Weg-Katalysators (34) notwendiger Trägermassenstrom berechnet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) als mittels eines Abgasturboladers (28) aufgeladener Verbrennungsmotor (10) ausgeführt ist, wobei der Trägermassenstrom durch eine Stellung eines Waste-Gate-Ventils oder eine verstellbare Leitgeometrie der Turbine (30) des Abgasturboladers (28) geregelt wird.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, umfassend einen Elektromotor (60) und einen Verbrennungsmotor (10), wobei in einer Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (34) angeordnet ist, sowie mit mindestens einem Steuergerät (52, 56) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (10) und des Elektromotors (60), wobei der Elektromotor (60) den Verbrennungsmotor (10) vor einem Start des Verbrennungsmotors (10) schleppt und der Verbrennungsmotor (10) zur Aufheizung der katalytisch wirksamen Struktur (38) des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators (34) Frischluft in die Abgasanlage (22) fördert.
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