DE102017213213B4

DE102017213213B4 - Verfahren zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems, Abgaswärmemanagementsystem, Kraftfahrzeug sowie Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102017213213B4
Application number: DE102017213213.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zenner; Martin Wirth; Lars Kaufmann; Mehmet Toeremis; Daniel Benjamin Kok
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: US20190040782A1; CN109322732A; US11002172B2; DE102017213213A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems mit einem im Abgasstrang (2) eines Verbrennungsmotors (1) angeordneten Katalysator (3), einer den Katalysator (3) umschließenden Ummantelung (4) zur Ausbildung eines Hohlraums (5) zwischen Katalysator (3) und Ummantelung (4), einem Sammelbehälter (6) zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums, im Folgenden als PCM (7) bezeichnet, mindestens zwei fluiden Verbindungen (8) zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6) und einer Pumpeinrichtung (9) zum Aktivieren und Deaktivieren eines PCM-Kreislaufs zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6) mittels der fluiden Verbindungen (8), aufweisend:- Bestimmen eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1),- Bestimmen der Katalysatortemperatur,- Bestimmen der PCM-Temperatur,- Aktivieren des PCM-Kreislaufs oder Beibehalten des aktivierten Zustands, falls die PCM-Temperatur oberhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt unda) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem eingeschalteten Betriebszustand befindet oderb) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur unterhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators (3) liegt, und- Deaktivieren des PCM-Kreislaufs oder Beibehalten des deaktivierten Zustands, fallsa) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur oberhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators (3) liegt oderb) die PCM-Temperatur unterhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems, ein Abgaswärmemanagementsystem, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgaswärmemanagementsystem sowie ein Computerprogrammprodukt.
Hybridelektrokraftfahrzeuge, z. B. sog. Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeuge (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle), weisen eine wiederaufladbare Batterie auf und können üblicherweise in mindestens zwei verschiedenen Modi betrieben werden.
Solange der Ladezustand der Batterie ausreichend hoch ist, kann das Hybridelektrokraftfahrzeug in einem den Batterieladezustand verringerndem Modus betrieben werden, beispielsweise in einem ausschließlich elektrischen Fahrbetrieb, d. h. unter ausschließlicher Nutzung des elektrischen Antriebsstrangs mit Batterie, Elektromotor, Leistungselektronik etc., oder in einem Elektrofahrbetrieb mit zeitweisem Hybridfahrbetrieb, wobei im Hybridfahrbetrieb sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor das Fahrzeug antreiben und der Hybridfahrbetrieb beispielsweise genutzt wird, sobald der Leistungsbedarf die Maximalleistung des Elektromotors übersteigt.
Fällt der Ladezustand der Batterie unter einen vorgegebenen Grenzwert, kann das Hybridelektrokraftfahrzeug in einem den Batterieladezustand erhaltenden Modus betrieben werden, beispielsweise, indem das Fahrzeug in schneller Abfolge abwechselnd in einem Elektrofahrbetrieb und einem Hybridfahrbetrieb betrieben wird.
Insbesondere beim Betreiben des Hybridelektrokraftfahrzeugs in einem den Batterieladezustand verringerndem Modus mit zeitweisem Hybridfahrbetrieb können Abgasgrenzwerte oft nicht eingehalten werden, da der im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Katalysator während der Perioden mit Elektrofahrbetrieb abkühlt oder eine bestimmte Temperatur nicht erreicht wird. Eine zu niedrige Temperatur des Katalysators führt zu einer zu geringen katalytischen Aktivität und im Ergebnis zu einer zu geringen katalytischen Umsetzungsgeschwindigkeit der im Katalysator zu behandelnden Schadstoffe. Von einer ausreichenden katalytischen Aktivität kann erst bei Erreichen der sog. light-off-Temperatur, d. h. derjenigen Temperatur, bei der eine Umsetzungsrate von 50 % erreicht wird, ausgegangen werden.
Üblicherweise liegt die light-off-Temperatur in einem Temperaturbereich von 250 °C bis 300 °C, wie aus 1 ersichtlich ist. Wird diese Temperatur nicht erreicht, ist die Katalysatoraktivität sehr gering und die Umsetzungsrate für die Luftschadstoffe gering. Dies führt dazu, dass große Mengen an Kohlenstoffmonoxid, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen an die Umgebung abgegeben werden.
Ein weiteres Problem stellt die Verringerung des Ladezustands der Batterie durch Verwendung der gespeicherten elektrischen Energie zum Beheizen des Fahrzeugs, z. B. des Fahrzeuginnenraums, mittels PTC(Positive Temperature Coefficient thermistor)-Zuheizern oder Wärmepumpen während des Elektrofahrbetriebs dar. Die der Batterie entnommene elektrische Energie verringert die Reichweite des Fahrzeugs im Elektrofahrbetrieb.
Zur Behebung des erstgenannten Problems schlägt die EP 0 596 854 A1 die Anordnung eines Latentwärmespeichers im Inneren des Katalysators oder einen mittels eines Latentwärmespeichers mantelförmig umschlossenen Katalysator vor. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass die Energieaufnahme und -abgabe des Latentwärmespeichers nicht gesteuert oder geregelt werden kann und die Wärmeenergie auch nicht zum Beheizen des Fahrzeugs genutzt werden kann.
Aus der US 5 477 676 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abgaswärmemanagement bekannt, bei denen je nach Bedarf Wärme an den Katalysator abgegeben oder von diesem aufgenommen werden kann. Dazu verfügt die Vorrichtung über eine veränderbare, steuerbare Isolierung, die eingeschaltet werden kann, wenn dem Katalysator keine Abgase zugeführt werden oder wenn die Katalysatortemperatur unterhalb einer optimalen Arbeitstemperatur liegt, und die abgeschaltet werden kann, wenn die Katalysatortemperatur über eine optimale Arbeitstemperatur steigt.
Der Katalysator wird gemäß US 5 477 676 A von einer Ummantelung umschlossen. In dem Hohlraum zwischen Katalysator und Ummantelung kann je nach Bedarf ein Medium zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie (Wärmespeichermedium), beispielsweise ein Latentwärmespeichermedium (PCM, phase change material), eingebracht werden und in einem Sammelbehälter gesammelt werden. Eine Steuervorrichtung kann vorgesehen sein, um die Isolierung z. B. temperaturabhängig an- oder auszuschalten. Das Wärmespeichermedium kann außerdem genutzt werden, um Wärme vom Katalysator an den Fahrzeuginnenraum zu übertragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur verbesserten Steuerung und Regelung eines Abgaswärmemanagementsystems anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche enthalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.
Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems mit einem im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, einer den Katalysator umschließenden Ummantelung zur Ausbildung eines Hohlraums zwischen Katalysator und Ummantelung, einem Sammelbehälter zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums, im Folgenden als PCM bezeichnet, mindestens zwei fluiden Verbindungen zwischen dem Hohlraum und dem Sammelbehälter und einer Pumpeinrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren eines PCM-Kreislaufs zwischen Hohlraum und Sammelbehälter mittels der fluiden Verbindungen angegeben.
Beispielsweise kann die Pumpeinrichtung in der fluiden Verbindung angeordnet sein. Die fluiden Verbindungen können z. B. als Schläuche oder Rohrleitungen ausgebildet sein oder werden.
Das Abgaswärmemanagementsystem ermöglicht die Temperierung des Katalysators, beispielsweise ein Erwärmen des Katalysators, falls sich seine Temperatur unterhalb der light-off-Temperatur befindet oder ein Kühlen des Katalysators, falls sich seine Temperatur oberhalb einer maximalen Betriebstemperatur befindet. Dazu wird Wärme zwischen dem Katalysator und dem im Hohlraum zwischen Katalysator und Ummantelung befindlichen PCM übertragen. Vorteilhaft kann die Kontaktfläche zwischen Katalysator möglichst groß ausgebildet sein, um eine schnelle Wärmeübertragung zu ermöglichen.
Das PCM kann eine hohe Wärmekapazität aufweisen, um möglichst viel Wärmeenergie bei geringem Gewicht speichern zu können. Bevorzugt kann eine Phasenübergangstemperatur des PCM für den Übergang von einer festen in eine flüssige Phase in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 600 °C unter Atmosphärendruck liegen. Dies entspricht den üblicherweise im Abgasstrang vorherrschenden Abgastemperaturen und damit auch einer üblichen Abgastemperatur.
Weiter bevorzugt sollte diese Phasenübergangstemperatur im genannten Temperaturbereich so tief wie möglich liegen, beispielsweise unterhalb der light-off-Temperatur des Katalysators liegen. Die Phasenübergangstemperatur kann z. B. 100 °C oder niedriger sein.
Beispielsweise kann das PCM auf eine Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur erwärmt bzw. auf eine Temperatur unterhalb der Phasenübergangstemperatur abgekühlt werden, so dass eine der Schmelz- bzw. Erstarrungsenthalpie entsprechende Wärmeenergie gespeichert bzw. abgegeben werden kann. Dies hat den Vorteil, dass trotz einer verhältnismäßig geringen Temperaturänderung viel Wärmeenergie gespeichert werden kann.
Die obere Grenze des Temperaturbereichs von 600 °C ergibt sich, da einige Fahrzeuge, insbesondere Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeuge, mit einem Saugmotor als Verbrennungsmotor ausgestattet sind, der in einem Atkinson-Kreisprozess betrieben werden kann. Dies stellt für Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeuge ein besonders kraftstoffsparendes Betriebsverfahren dar.
Derartige in einem Atkinson-Kreisprozess betriebene Saugmotoren weisen üblicherweise maximale Abgastemperaturen von 500 °C bis 600 °C am Katalysatoreingang auf. Dementsprechend ist es vorteilhaft, falls das PCM bis zu Temperaturen von 600 °C flüssig und chemisch stabil ist. Aus thermodynamischen Gründen kann die Temperatur des PCM 600 °C nicht übersteigen, da die Abgastemperatur ebenfalls maximal 600 °C betragen kann. Daher benötigt der PCM-Kreislauf des Abgasmanagementsystems keine Wärmesenke, wodurch das Abgasmanagementsystem einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann.
Vorzugsweise kann im PCM-Kreislauf Atmosphärendruck herrschen. Dadurch sind keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen hinsichtlich eines erhöhten oder erniedrigten Drucks nötig, was Kosten minimiert und die Wartung sowie Instandhaltung vereinfacht.
Vorzugsweise kann das PCM keine oder lediglich eine geringe thermische Ausdehnung aufweisen, so dass diese unberücksichtigt bleiben kann und das Verfahren dadurch vereinfacht werden kann.
Vorzugsweise kann ein nicht giftiges, nicht korrosives und/oder inertes Medium verwendet werden. Inert bedeutet, dass das PCM während des Gebrauchs keiner oder allenfalls einer die Funktion nicht beeinträchtigenden Veränderung unterliegt.
Vorzugsweise können alle Bestandteile des Systems, die mit dem PCM in Kontakt kommen, resistent gegenüber möglichen korrosiven Angriffen des PCM ausgebildet sein.
Als PCM können beispielsweise Salze oder Salzmischungen eingesetzt werden, z. B. eine Salzmischung aus Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Calciumnitrat. Eine solche Salzmischung kann unter Atmosphärendruck eine Schmelztemperatur als Phasenübergangstemperatur im Bereich zwischen 125 und 175 °C, z. B. 150 °C, aufweisen, im flüssigen Zustand auf Temperaturen von bis zu 600 °C erwärmt werden, d. h. die Wärmekapazität ist hoch, und weist eine geringe Wärmeausdehnung auf.
Die Aufnahme von Wärmeenergie durch das PCM kann erfolgen, indem Wärmeenergie vom Katalysator an den Teil des PCM übertragen wird, der sich im Hohlraum im Kontakt mit dem Katalysator befindet. Durch Aktivieren des PCM-Kreislaufs kann die Wärmeübertragung effizienter gestaltet werden, da das PCM dadurch am Katalysator vorbeiströmt.
Optional kann zum Erwärmen des PCM ein zusätzlicher Wärmeüberträger zur Wärmeübertragung zwischen Abgas des Verbrennungsmotors und dem PCM vorgesehen sein.
Weiter optional kann zum Erwärmen des PCM ein elektrisches Heizelement vorgesehen sein, beispielsweise zur induktiven Erwärmung (Induktionsheizelement) oder zur Widerstandserwärmung (Widerstandsheizelement). Das elektrische Heizelement kann im PCM-Sammelbehälter angeordnet sein und das PCM im Sammelbehälter erwärmen.
Beispielsweise kann das PCM mittels des elektrischen Heizelements erwärmt werden, um das PCM in einen flüssigen Zustand zu überführen oder in einem flüssigen Zustand zu halten. Das elektrische Erwärmen kann z. B. erfolgen, falls eine Batterie eines das Abgasmanagementsystem aufweisenden Fahrzeugs an einer Steckdose geladen wird, d. h. elektrische Energie von außen zugeführt wird.
Vorzugsweise kann das Abgaswärmemanagementsystem so aufgebaut sein oder werden, dass die Wärmeübertragung zwischen Katalysator und Pumpeinrichtung maximiert ist, um bei kalten Bedingungen, z. B. falls die Temperatur des PCM unterhalb der Phasenübergangstemperatur liegt, ein Schmelzen des in der Pumpeinrichtung befindlichen PCM zu ermöglichen. Dadurch kann der PCM-Kreislauf schnell aktiviert werden.
Vorzugsweise kann das Abgaswärmemanagementsystem so aufgebaut sein oder werden, dass die fluiden Verbindungen zwischen Hohlraum und Sammelbehälter möglichst kurz ausgebildet sind, damit bei kalten Bedingungen, z. B. falls die Temperatur des PCM unterhalb der Phasenübergangstemperatur liegt, das PCM in den fluiden Verbindungen möglichst schnell geschmolzen werden kann. Dadurch kann der PCM-Kreislauf schnell aktiviert werden.
Vorzugsweise können die fluiden Verbindungen wärmeleitend ausgebildet sein oder werden, so dass bei kalten Bedingungen, z. B. falls die Temperatur des PCM unterhalb der Phasenübergangstemperatur liegt, das PCM in den fluiden Verbindungen möglichst schnell geschmolzen werden kann. Dadurch kann der der PCM-Kreislauf schnell aktiviert werden.
Vorzugsweise kann der Katalysator gegenüber dem Abgasstrang stromauf- und stromabwärts des Katalysators thermisch isoliert sein oder werden, so dass Wärmeenergieverluste minimiert werden können, falls sich der Verbrennungsmotor in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet.
Vorzugsweise kann der Sammelbehälter wärmeisoliert sein oder werden, um Wärmeenergieverluste des PCM im Sammelbehälter möglichst gering zu halten. Beispielsweise kann das PCM im Sammelbehälter für eine möglichst lange Zeitspanne, z. B. für eine Dauer von mehreren Tagen, in einem flüssigen Zustand gehalten werden.
Optional können im Sammelbehälter Wärmeüberträger, d. h. Einrichtungen zur Wärmeübertragung, angeordnet sein oder werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, Wärme vom PCM auf ein anderes Medium, z. B. ein Motorkühlmittel, Motoröl oder Luft zur Belüftung des Fahrzeuginnenraums oder ein anderes flüssiges oder gasförmiges Medium, übertragen zu können. Hierdurch kann im Fall einer zu starken Erwärmung des PCM Wärmeenergie abgegeben werden. Beispielsweise kann ursprünglich im Abgas enthaltene Wärmeenergie zur Erwärmung des Verbrennungsmotors oder der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft genutzt werden.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die im Folgenden näher erläuterten Merkmale auf, die in der Reihenfolge der Erläuterung, jedoch je nach Bedarf auch in einer abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäß werden folgende Größen bestimmt: der Betriebszustand des Verbrennungsmotors, d. h. ob dieser ein oder ausgeschaltet ist, die Katalysatortemperatur sowie die PCM-Temperatur, z. B. die PCM-Temperatur in der Pumpeinrichtung oder alternativ im Sammelbehälter. Eine Temperaturbestimmung in der Pumpeinrichtung hat den Vorteil, dass ein Einschalten der Pumpe vermieden werden kann, während das PCM in fester Phase vorliegt.
In Abhängigkeit dieser Größen wird der PCM-Kreislauf aktiviert oder deaktiviert. Aktivieren schließt dabei ein Beibehalten des aktivierten Zustands ein, sofern die für ein Aktivieren maßgeblichen Bedingungen, wie im Folgenden erläutert, erfüllt sind. Deaktivieren schließt dabei ein Beibehalten des deaktivierten Zustands ein, sofern die für ein Deaktivieren maßgeblichen Bedingungen, wie im Folgenden erläutert, erfüllt sind.
Der PCM-Kreislauf wird aktiviert, z. B. indem die Pumpeinrichtung eingeschaltet wird, falls die PCM-Temperatur oberhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt, also z. B. ein als PCM geeignetes Salz sich in einem flüssigen Zustand befindet, und darüber hinaus sich der Verbrennungsmotor in einem eingeschalteten Betriebszustand befindet (1. Aktivierungsalternative) oder sich der Verbrennungsmotor in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur unterhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators liegt (2. Aktivierungsalternative).
Der PCM-Kreislauf wird deaktiviert, falls sich der Verbrennungsmotor in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur oberhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators liegt (1. Deaktivierungsalternative) oder die PCM-Temperatur unterhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt, also z. B. ein als PCM geeignetes Salz sich in einem festen Zustand befindet (2. Deaktivierungsalternative).
Diese Steuerungsstrategie für die Pumpeinrichtung und damit für den PCM-Kreislauf basiert auf folgenden Überlegungen. Während eines Elektrofahrbetriebs besteht keine Notwendigkeit, die Pumpeinrichtung und damit den PCM-Kreislauf zu aktivieren, solange die Katalysatortemperatur über der light-off-Temperatur des Katalysators liegt. Sinkt die Katalysatortemperatur hingegen auf eine Temperatur unterhalb der light-off-Temperatur, so wird der PCM-Kreislauf aktiviert, um im PCM gespeicherte Wärmeenergie an den Katalysator übertragen zu können und so dessen Temperatur wieder zu erhöhen, beizubehalten oder zumindest eine langsamere Abkühlung zu erreichen. Optional kann dieses Aktivieren gemäß 2. Aktivierungsalternative nur dann erfolgen, falls ein Einschalten des Verbrennungsmotors zu erwarten ist, wie untenstehend beschrieben.
Befindet sich der Verbrennungsmotor in einem eingeschalteten Zustand, kann das PCM Wärmeenergie aufnehmen und für die nächste Verwendung speichern. Ein übermäßiges Erwärmen des Katalysators kann dadurch vermieden werden.
Befindet sich das PCM unterhalb einer Phasenübergangstemperatur, z. B. einer Phasenübergangstemperatur vom flüssigen in den festen Zustand, ergeben sich keine Vorteile aus einem Aktivieren des PCM-Kreislaufs, da das PCM im festen Zustand nicht gepumpt werden kann. Dies ist unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors. In diesem Fall kann das PCM durch Wärmeleitung vom Katalysator auf eine Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Die Wärmeleitung kann unterstützt werden, indem die fluiden Verbindungen aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Metall, ausgebildet sind oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin das Festlegen einer Grenztemperatur für das PCM aufweist. Der PCM-Kreislauf wird nur dann aktiviert, falls die PCM-Temperatur unterhalb der Grenztemperatur liegt. Als Grenztemperatur kann beispielsweise eine ideale Speichertemperatur festgelegt werden. Wird diese erreicht oder überschritten, kann der PCM-Kreislauf deaktiviert werden, um Energie einzusparen, da ab Erreichen der idealen Speichertemperatur kaum mehr Wärmeenergie durch das PCM aufgenommen werden kann. Als ideale Speichertemperatur kann eine maximale Katalysatortemperatur angesehen werden, d. h. eine maximale Betriebstemperatur des Katalysators, bei der er es zu keiner temperaturbedingten Katalysatorschädigung kommt.
Optional kann ein Sicherheitspuffer vorgesehen sein, d. h. ein Temperaturpuffer, der sich an die maximale Betriebstemperatur des Katalysators in Richtung geringerer Temperaturen anschließt. Beispielsweise kann also die Grenztemperatur zwischen 20 K und 80 K niedriger, z. B. 50 K niedriger, als eine maximale Betriebstemperatur des Katalysators festgelegt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, dass der PCM-Kreislauf bei einem im ausgeschalteten Betriebszustand befindlichen Katalysator gemäß 2. Aktivierungsalternative nur aktiviert wird, falls eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist.
Dadurch kann ein unnützes Aktivieren des PCM-Kreislaufs und z. B. Erwärmen des Katalysators vermieden werden, wenn dies nicht nötig ist, weil der Verbrennungsmotor auf absehbare Zeit sich nicht in einem eingeschalteten Betriebszustand befinden wird.
Das Erwarten einer Änderung des Betriebszustands kann anhand verschiedener Kriterien festgelegt und mittels verschiedener Verfahrensschritte ermittelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren daher ein Bestimmen eines Leistungsbedarfs und ein Bestimmen einer elektrischen Leistungsfähigkeit aufweisen. Eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einen eingeschalteten Betriebszustand ist zu erwarten, falls der Leistungsbedarf die elektrische Leistungsfähigkeit übersteigt.
Der Leistungsbedarf kann die elektrische Leistungsfähigkeit beispielsweise übersteigen, falls der Ladezustand der Batterie zu gering ist, d. h. keine elektrische Leistung mehr zur Verfügung steht, oder falls eine ungewöhnlich hohe Leistung benötigt wird, z. B. um einen ansteigenden Fahrweg absolvieren zu können, die durch die zur Verfügung stehende Leistungsfähigkeit nicht abgedeckt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin das Festlegen einer Zeitspanne Δt aufweisen. Eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einen eingeschalteten Betriebszustand ist dann zu erwarten, falls der Leistungsbedarf die elektrische Leistungsfähigkeit innerhalb der Zeitspanne Δt übersteigt. Die Zeitspanne Δt kann beispielsweise als Konstante vorgegeben und festgelegt werden.
Alternativ kann die Zeitspanne Δt als Variable in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren, wie z. B. Katalysatortemperatur, Umgebungstemperatur, PCM-Temperatur, Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der damit einhergehenden Konvektionskühlung des Katalysators etc. festgelegt werden.
Die Zeitspanne Δt kann gemäß weiterer Ausführungsvarianten der light-off-Zeitspanne des Katalysators entsprechend, d. h. derjenigen Zeitspanne, die zum Erreichen der light-off-Temperatur benötigt wird, festgelegt werden. Die light-off-Zeitspanne kann dabei abhängig sein von aktuellen Bedingungen, wie z. B. der Katalysatortemperatur, der Umgebungstemperatur, der PCM-Temperatur, der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen Katalysator und PCM, die durch Einstellungen der Pumpeinrichtungen, wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst werden kann, etc. Die Zeitspanne Δt kann z. B. mittels rechnergestützter Entwicklung (CAE models) erhalten werden, die eine Ableitung der light-off-Zeitspanne als Funktion der genannten Einflussfaktoren ermöglichen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Leistungsbedarf aus einer Pedalposition des Fahrpedals bestimmt werden. Mit anderen Worten kann aus einer Stellung des Fahrpedals auf den Leistungsbedarf geschlossen werden. Mit zunehmendem Durchdrücken des Fahrpedals nimmt der Leistungsbedarf zu. Beispielsweise kann der Leistungsbedarf linear abhängig von der Pedalposition sein.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Leistungsbedarf anhand von Fahrwegbedingungen eines zu absolvierenden Fahrwegs bestimmt wird. Beispielsweise kann das Höhenprofil eines zu absolvierenden Fahrwegs berücksichtigt werden. Bei steigendem Fahrweg (Höhenzunahme) nimmt der Leistungsbedarf zu, während er bei fallendem Fahrweg (Höhenabnahme) abnimmt. Das Höhenprofil kann beispielsweise durch Eingabe des Fahrtziels in ein Navigationssystem, z. B. ein globales Satellitennavigationssystems wie NAVSTAR GPS, GLONASS, Galileo oder Beidou, erhalten werden, indem das Navigationssystem den Fahrweg berechnet und das zugehörige Höhenprofil zur Bestimmung des Leistungsbedarfs ausgibt. Weitere Fahrwegbedingungen, anhand derer der Leistungsbedarf bestimmt werden kann, sind beispielsweise die Beschaffenheit des Fahrweguntergrunds, das Verkehrsaufkommen, Kurven, Geschwindigkeitsbegrenzungen, Wetterbedingungen wie Wind, Niederschlag, etc.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren die Vorausberechnung der elektrischen Leistungsfähigkeit und des Leistungsbedarfs zum Zeitpunkt t_e , der als aktueller Zeitpunkt t_a plus eine Zeitspanne Δt definiert ist, also t_e = t_a + Δt, aufweisen. Sollte - entsprechend der vorausberechneten Werte - zum Zeitpunkt t_e der Leistungsbedarf die elektrische Leistungsfähigkeit überschreiten, wird entsprechend des Verfahrens eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einen eingeschalteten Betriebszustand zum Zeitpunkt t_e erwartet, und daher ist sofort - also im aktuellen Zeitpunkt t_a der PCM-Kreislauf zu aktivieren, indem die Pumpeinrichtung eingeschaltet wird. In Hinblick auf die Definition und Bedeutung der Zeitspanne Δt und die Festlegung der Zeitspanne Δt entsprechend einer light-off-Zeitspanne des Katalysators wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie durch das PCM, d. h. die Wärmeübertragung zwischen Katalysator und PCM, effektiv gesteuert werden. Hierdurch kann die Emission von Luftschadstoffen verringert werden, indem die Katalysatortemperatur für einen längeren Zeitraum in einem optimalen Bereich gehalten werden kann. Beispielsweise können Zeitspannen, in denen sich der Verbrennungsmotor eines Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeugs in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet, z. B. während eines elektrischen Fahrbetriebs, und die mit einer unerwünschten Abkühlung des Katalysators einhergehen, überbrückt werden, indem die Katalysatortemperatur mittels des PCM beeinflusst wird.
Darüber hinaus kann die im PCM gespeicherte Wärmeenergie für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden, so dass eine Verringerung des Ladezustands der Batterie, die ansonsten zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums verwendet werden würde, vermieden werden kann. Dadurch kann die Reichweite des Fahrzeugs in einem elektrischen Fahrbetrieb verlängert werden.
Weiterhin kann die im PCM gespeicherte Wärmeenergie für die Erwärmung des Motoröls genutzt werden. Dies kann die Reibung im Inneren des Verbrennungsmotors verringern und zu einer längeren Lebensdauer des Verbrennungsmotors beitragen.
Weiterhin kann die im PCM gespeicherte Wärmeenergie für die Erwärmung der Batterie genutzt werden. Dies kann die zur Verfügung stehende Batterieleistung bei niedrigen Außentemperaturen erhöhen.
Ein erfindungsgemäßes Abgaswärmemanagementsystem weist auf: einen im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, eine den Katalysator umschließende Ummantelung zur Ausbildung eines Hohlraums zwischen dem Katalysator und der Ummantelung, einen Sammelbehälter zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums, im Folgenden als PCM bezeichnet, mindestens zwei fluide Verbindungen zwischen dem Hohlraum und dem Sammelbehälter, eine Pumpeinrichtung, z. B. in der fluiden Verbindung angeordnet, zum Aktivieren und Deaktivieren eines PCM-Kreislaufs zwischen Hohlraum und Sammelbehälter mittels der fluiden Verbindungen, einen Sensor zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors, einen Temperatursensor zur Bestimmung der Katalysatortemperatur, einen Temperatursensor zur Bestimmung der PCM-Temperatur und eine Steuereinheit ausgebildet zur Steuerung der Pumpeinrichtung in Abhängigkeit des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, der Katalysatortemperatur und der PCM- Temperatur.
Das erfindungsgemäße Abgaswärmemanagementsystem ist beispielsweise zur Ausführung des oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Abgaswärmemanagementsystems. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Abgaswärmemanagementsystems entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Abgaswärmemanagementsystem weiterhin Mittel aufweisen, die bewirken, dass der PCM-Kreislauf bei einem im ausgeschalteten Betriebszustand befindlichen Katalysator nur aktiviert wird, falls eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Abgaswärmemanagementsystem gemäß der vorstehenden Beschreibung auf.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Kraftfahrzeug als Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeug (PHEV) ausgebildet sein. Da PHEV neben einem elektrischen Antrieb auch über einen Verbrennungsmotor zum zumeist kurzzeitigen Antreiben des Fahrzeugs in bestimmten Fahrsituationen mit hohem Leistungsbedarf verfügen, hierbei aber die light-off-Temperatur des Katalysators nach dem Stand der Technik oft nicht erreicht wird, ist ein erfindungsgemäßes Abgaswärmemanagementsystem besonders gut geeignet, um unerwünschte Emissionen zu verringern.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bewirken, dass ein erfindungsgemäßes Abgaswärmemanagementsystem ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Unter einem Computerprogrammprodukt ist dabei ein auf einem geeigneten Medium gespeicherter und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode zu verstehen. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Umsetzungsrate von der Katalysatortemperatur für verschiedene Luftschadstoffe;
2 schematische Darstellung eines Abgaswärmemanagementsystems mit optionalem elektrischem Heizelement zur Erwärmung des PCM im Sammelbehälter;
3 schematische Darstellung eines Abgaswärmemanagementsystems mit Wärmeüberträgern zur Wärmeübertragung zwischen dem PCM im Sammelbehälter und einem dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstrom;
4 schematische Darstellung eines Abgaswärmemanagementsystems mit Wärmeüberträger zur Wärmeübertragung zwischen dem PCM im Sammelbehälter und einem Temperiermittelkreislauf zur Temperierung der Batterie;
5 schematische Darstellung eines Abgaswärmemanagementsystems mit Wärmeüberträger zur Wärmeübertragung zwischen dem PCM im Sammelbehälter und einem Motorkühlkreislauf;
6 Ablaufschema eines Verfahrens zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems;
7 Ablaufschema für Verfahrensschritte zur Beurteilung, ob ein Starten des Verbrennungsmotors zu erwarten ist;
8 Darstellung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Zeit für Verfahrensschritte gemäß 7;
9 Ablaufschema für alternative Verfahrensschritte zur Beurteilung, ob ein Starten des Verbrennungsmotors zu erwarten ist;
10 Darstellung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Zeit für Verfahrensschritte gemäß 9;
11 Übersicht charakteristischer Temperaturen;
12 schematischer Verlauf der Katalysatortemperatur während des Elektrofahrbetriebs;
13 schematische Darstellung der Signaleingänge und Signalausgänge der Steuereinheit eines Abgaswärmemanagementsystems.

In den im Folgenden erläuterten Beispielen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beispiele bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Aus 1 ist die Abhängigkeit der Umsetzungsrate für Stickoxide und Kohlenwasserstoffe (Kurve A) und Kohlenstoffmonoxid (Kurve B) von der Katalysatortemperatur ersichtlich. Erst bei einer Temperatur von ca. 250 °C bis 300 °C wird die light-off-Temperatur erreicht, d. h. beträgt die Umsetzungsrate 50 %. Für eine effektive katalytische Abgasbehandlung sollte die Katalysatortemperatur daher oberhalb dieser light-off-Temperatur liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Abgaswärmemanagementsystem ermöglichen es, dies für einen möglichst langen Zeitraum zu gewährleisten und so die Emission von Luftschadstoffen zu verringern.
2 zeigt schematisch ein Abgasmanagementsystem, das z. B zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden kann. Das Abgaswärmemanagementsystem weist einen Verbrennungsmotor 1 mit einem sich daran anschließenden Abgasstrang 2 auf. Im Ausführungsbeispiel verfügt der Verbrennungsmotor 1 über vier Zylinder. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern beschränkt. Der Verbrennungsmotor 1 kann daher auch zwei, drei, sechs, acht oder eine beliebige andere Anzahl an Zylindern aufweisen. Der Verbrennungsmotor 1 kann z. B. als Benzin- oder Dieselmotor mit Fremd- oder Selbstzündung ausgebildet sein. Der Verbrennungsmotor verfügt über einen Sensor zur Bestimmung seines Betriebszustands (nicht dargestellt).
Im Abgasstrang 2 ist ein Katalysator 3 angeordnet. Dieser dient der Behandlung von Luftschadstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors 1, z. B. zur Behandlung von Stickoxiden, Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenwasserstoffen. Den Katalysator 3 umschließt eine Ummantelung 4, so dass sich ein Hohlraum 5 zwischen Katalysator 3 und Ummantelung 4 ausgebildet ist.
Das Abgaswärmemanagementsystem verfügt weiterhin über einen Sammelbehälter 6 zur Aufnahme eines PCM 7. Als PCM 7 wird im Ausführungsbeispiel eine Mischung aus Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Calciumnitrat eingesetzt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf ein bestimmtes PCM 7 beschränkt.
Zwischen Sammelbehälter 6 und Hohlraum 5 sind zwei fluide Verbindungen 8 vorgesehen, die als Schlauch- oder Rohrverbindungen ausgebildet sein können, so dass ein Kreislauf für das PCM 7 zwischen dem Hohlraum 5 und dem Sammelbehälter 6 mittels der fluiden Verbindungen 8 ausgebildet werden kann.
Eine Pumpeinrichtung 9 ist vorgesehen, um den PCM-Kreislauf aktivieren und deaktivieren zu können. Die Pumpeinrichtung 9 ist in einer der beiden fluiden Verbindungen 8 angeordnet.
Weiterhin sind zwei Temperatursensoren 10a und 10b vorgesehen. Der Temperatursensor 10a dient zur Bestimmung der Katalysatortemperatur, während der Temperatursensor 10b zur Bestimmung der PCM-Temperatur ausgebildet ist. Der Temperatursensor 10b zur Bestimmung der PCM-Temperatur ist in der fluiden Verbindung 8 benachbart zur Pumpeinrichtung 9 angeordnet.
Darüber hinaus verfügt das Abgaswärmemanagementsystem über eine Steuereinheit 19, die ausgebildet ist zur Steuerung der Pumpeinrichtung 9, also z. B. zum Ein- und Ausschalten der Pumpeinrichtung 9, in Abhängigkeit des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 1, der Katalysatortemperatur und der PCM-Temperatur. Entsprechend sind signaltechnische Wirkverbindungen zwischen der Steuereinheit 19, dem Verbrennungsmotor 1, den Temperatursensoren 10a und 10b sowie der Pumpeinrichtung ausgebildet. Mittels der Steuereinrichtung 19 kann mit anderen Worten der PCM-Kreislauf gesteuert, d. h. aktiviert oder deaktiviert werden.
Optional kann im Sammelbehälter 6 ein elektrisches Heizelement 11, z. B. ein induktives Heizelement oder ein Widerstandsheizelement, angeordnet sein, um das PCM 7 im Sammelbehälter 6 erwärmen zu können.
Weiter optional kann das Abgaswärmemanagementsystem über Mittel verfügen, die bewirken, dass der PCM-Kreislauf bei einem im ausgeschalteten Betriebszustand befindlichen Katalysator 3 nur aktiviert wird, falls eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 1 in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist (nicht dargestellt). Derartige Mittel können beispielsweise als Verarbeitungseinheit ausgebildet sein. Z. B. kann die Steuereinheit in diesem Fall als kombinierte Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet sein.
Das Abgaswärmemanagementsystem des Ausführungsbeispiels kann in einem Kraftfahrzeug, z. B. einem Plug-in Hybridelektrofahrzeug angeordnet sein.
Das Abgaswärmemanagementsystem kann in einem eingeschalteten Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 Wärmeenergie aus den Abgasen im Abgasstrang 2 über den Katalysator 3 und die Wärmeaustauschfläche 12 an das PCM 7 übertragen. Befindet sich der Verbrennungsmotor 1 in einem ausgeschalteten Betriebszustand, d. h. droht eine Abkühlung des Katalysators 3, kann durch Aktivieren des PCM-Kreislaufs mittels der Pumpeinrichtung 9 warmes PCM 7 in den Hohlraum 5 geleitet und an der Wärmeaustauschfläche 12 vorbei geleitet werden, so dass Wärmeenergie vom PCM 7 an den Katalysator 3 übertragen werden kann.
3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Abgaswärmemanagementsystems. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsvariante gemäß 2 dahingehend, dass im Sammelbehälter 6 ein Wärmeüberträger 13a vorgesehen ist, der der Wärmeübertragung zwischen dem PCM 7 im Sammelbehälter 6 und einem Temperiermittelkreislauf 14 dient, der mittels einer weiteren Pumpeinrichtung 9 aktiviert wird. Dieser Temperiermittelkreislauf 14 ist thermisch mit einem weiteren Wärmeüberträger 13b gekoppelt, der der Wärmeübertragung zwischen dem Wasser des Temperiermittelkreislaufs 14 und einem Luftstrom zur Belüftung des Fahrzeugsinnenraums dient. Dazu wird dem Wärmeüberträger 13b Zuluft 15 aus der Umgebung zugeführt, die nach dem Passieren des Wärmeüberträgers 13b als Fahrzeuginnenraumluft 16 dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird. Als Temperiermittel kann beispielsweise Wasser genutzt werden.
Dadurch kann im PCM 7 enthaltene Wärmeenergie zur Erwärmung der Fahrzeuginnenraumluft 16 genutzt werden, so dass der Anteil einer elektrischen Erwärmung der Fahrzeuginnenraumluft 16 verringert werden und die Reichweite des Fahrzeugs im Elektrofahrbetrieb erhöht werden kann.
4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Abgaswärmemanagementsystems. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsvariante gemäß 2 dahingehend, dass im Sammelbehälter 6 ein Wärmeüberträger 13a vorgesehen ist, der der Wärmeübertragung zwischen dem PCM 7 im Sammelbehälter 6 und einem Temperiermittelkreislauf 14 dient, der mittels einer weiteren Pumpeinrichtung 9 aktiviert wird. Mittels des Temperiermittelkreislaufs 14 kann die Batterie 17 temperiert, z. B. erwärmt werden, was insbesondere bei sehr kalten Außentemperaturen erforderlich sein kann. Bei der Batterie 17 kann es sich um eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie handeln, die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Als Temperiermittel kann beispielsweise Wasser genutzt werden.
Dadurch kann im PCM 7 enthaltene Wärmeenergie zur Erwärmung der Batterie 17 genutzt werden, so dass ein Absinken der Temperatur der Batterie 17 verlangsamt oder verhindert werden kann und eine Schädigung der Batterie 17 oder eine verminderte Leistungsfähigkeit der Batterie 17 aufgrund einer zu geringen Temperatur vermieden werden kann.
5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Abgaswärmemanagementsystems. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsvariante gemäß 2 dahingehend, dass im Sammelbehälter 6 ein Wärmeüberträger 13a vorgesehen ist, der der Wärmeübertragung zwischen dem PCM 7 im Sammelbehälter 6 und einem Motorkühlkreislauf 18 dient, der mittels einer weiteren Pumpeinrichtung 9 im Motorkühlkreislauf 18 aktiviert wird. Als Kühlmittel im Motorkühlkreislauf 18 kann beispielsweise Wasser genutzt werden. Der Motorkühlkreislauf 18 dient der Temperierung eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, eines Fahrzeugs, beispielsweise der Temperierung des Verbrennungsmotors 1 des Abgaswärmemanagementsystems. Temperierung schließt dabei ein Erwärmen und Kühlen ein.
Der Motorkühlkreislauf 18 ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem PCM 7 im Sammelbehälter 6 und dem mit dem Motorkühlkreislauf 18 temperierten Motor. Beispielsweise kann Wärmeenergie des PCM 7 zum Erwärmen des Motors genutzt werden, wodurch dessen optimale Betriebstemperatur schneller erreicht und Schadstoffemissionen verringert werden können. Zudem kann auch das PCM 7 im Sammelbehälter 6 mittels des Motorkühlkreislaufs 18 erwärmt werden, indem Wärme vom Motor zum PCM 7 übertragen wird. Ggf. kann dadurch auch eine elektrische Beheizung mittels des elektrischen Heizelements 11 entfallen. Das erwärmte PCM 7 kann dann seinerseits zur Erwärmung des Katalysators 3 genutzt werden.
6 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems, beispielsweise eines Abgaswärmemanagementsystems gemäß den 2 bis 5. Zunächst wird der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 bestimmt, d. h. es wird geprüft, ob sich der Verbrennungsmotor 1 in einem eingeschalteten Betriebszustand befindet.
Befindet sich der Verbrennungsmotor 1 in einem eingeschalteten Betriebszustand, so wird geprüft, ob die PCM-Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM 7 liegt. Im Ausführungsbeispiel wird als PCM 7 eine Salzmischung aus Natrium-, Kalium- und Calciumnitrat eingesetzt und als Phasenübergang wird der Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand betrachtet. Liegt also die PCM-Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur, befindet sich das PCM 7 in einem flüssigen Zustand. Liegt die PCM-Temperatur unterhalb der Phasenübergangstemperatur, befindet sich das PCM 7 in einem festen Zustand.
Liegt die PCM-Temperatur unterhalb der Phasenübergangstemperatur, wird der PCM-Kreislauf deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Liegt die PCM-Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur, wird geprüft, ob die PCM-Temperatur unterhalb einer Grenztemperatur liegt. Die Grenztemperatur wurde zuvor als eine ideale Speichertemperatur festgelegt, die 50 K niedriger als die maximale Betriebstemperatur des Katalysators 3 ist.
Liegt die PCM-Temperatur oberhalb der idealen Speichertemperatur, wird der PCM-Kreislauf deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Liegt die PCM-Temperatur unterhalb der idealen Speichertemperatur, wird der PCM-Kreislauf aktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 eingeschaltet wird.
Befindet sich der Verbrennungsmotor 1 in einem ausgeschalteten Betriebszustand, wird geprüft, ob die Katalysatortemperatur oberhalb der light-off-Temperatur des Katalysators 3 liegt. Liegt die Katalysatortemperatur oberhalb der light-off-Temperatur des Katalysators 3, wird der PCM-Kreislauf deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Liegt die Katalysatortemperatur unterhalb der der light-off-Temperatur, wird geprüft, ob ein Start des Verbrennungsmotors 3 erwartet wird.
Wird ein Start des Verbrennungsmotors 3 nicht erwartet, wird der PCM-Kreislauf deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Wird ein Start des Verbrennungsmotors 3 erwartet, so wird das Verfahren wie vorstehend beschrieben mit der Prüfung, ob die PCM-Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM 7 liegt, fortgesetzt.
Insofern in der vorstehenden Erläuterung des Verfahrens ein Aktivieren oder Deaktivieren des PCM-Kreislaufs genannt wird, ist darunter auch das Belassen des PCM-Kreislaufs in einem aktivierten bzw. deaktivierten Zustand zu verstehen, indem die Pumpeinrichtung 9 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet bleibt.
Wird gemäß Ablaufschema der 6 das Feld „Pumpeinrichtung ein“ bzw. „Pumpeinrichtung aus“ erreicht, so kann das Verfahren wieder von vorn mit der Prüfung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors beginnen. Insofern kann das Verfahren zur Steuerung des Abgaswärmemanagementsystems als Regelungsverfahren ausgebildet sein.
Ob ein Starten des Verbrennungsmotors 3 zu erwarten ist, kann beispielsweise mittels der Verfahrensschritte, die in 7 schematisch dargestellt sind, festgestellt werden.
Ausgegangen wird vom aktuellen Zeitpunkt t₀ . Zu diesem Zeitpunkt t₀ wird die elektrische Leistungsfähigkeit P_c0 bestimmt. Abhängig von Parametern wie dem Ladezustand der Batterie und der Batterietemperatur erfolgt anschließend eine Vorhersage der elektrischen Leistungsfähigkeit zu einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt, der sich als t₀+t_LA beschreiben lässt.
Unter t_LA ist dabei eine in die Zukunft gerichtete Zeitspanne zu verstehen. t_LA kann als Konstante vorgegeben werden oder in Abhängigkeit von Variablen wie der Katalysatortemperatur, der Umgebungstemperatur etc. festgelegt werden.
Die vorhergesagte elektrische Leistungsfähigkeit P_CLA kann als Funktion der in der Batterie gespeicherten Energie berechnet werden. Die in der Batterie gespeicherte Energie kann dabei berechnet werden, indem die Energie zum Zeitpunkt t_a und die Energie, die zwischen t_a bis t_e verbrauchte bzw. erzeugte wird, addiert werden. Die zwischen t_a und t_e verbrauchte bzw. erzeugte elektrische Energie kann dabei als Integral von P(t) über die Zeit von t_a bis t_e berechnet werden.
Außerdem wird der Leistungsbedarf P aus der Pedalposition des Fahrpedals bestimmt, wobei der Leistungsbedarf P proportional zur Pedalposition verläuft. Mittels des Leistungsbedarfs P kann der Leistungsbedarf pro Zeit als ΔP/Δt bestimmt werden. Der Leistungsbedarf bei t₀+t_LA ergibt sich damit zu $P_{LA} = P + \frac{Δ P}{Δ t} \cdot t_{LA}$
Durch einen Vergleich der vorhergesagten elektrischen Leistungsfähigkeit P_CLA mit dem Leistungsbedarf P_LA kann abgeschätzt werden, ob ein Starten des Verbrennungsmotors 1 zu erwarten ist. Gilt P_LA > P_CLA ist ein Starten des Verbrennungsmotors 1 zu erwarten und das Verfahren kann wie oben stehend zu 6 beschrieben mit dem Ermitteln, ob die PCM-Temperatur über der Phasenübergangstemperatur liegt, fortgesetzt werden. Gilt P_LA < P_CLA ist ein Starten des Verbrennungsmotors 1 nicht zu erwarten und der PCM-Kreislauf wird deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Das Verfahren kann dann wie zu 6 beschrieben fortgesetzt werden.
8 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Leistung von der Zeit für die Verfahrensschritte gemäß 6. Dargestellt sind der Verlauf des Leistungsbedarfs P bis zum aktuellen Zeitpunkt t₀ sowie der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistungsfähigkeit P_C . Es wird eine vom Zeitpunkt t₀ ausgehende Zeitspanne t_LA festgelegt, nach deren Ablauf der Leistungsbedarf P_LA mit der elektrischen Leistungsfähigkeit P_CLA verglichen wird. Der Leistungsbedarf P_LA wird anhand des Leistungsbedarfs P innerhalb einer vergangenen Zeitspanne Δt (ΔP/Δt) bestimmt. Die Zeitspanne Δt sollte nicht zu kurz gewählt werden, um unnötige Reaktionen aufgrund geringer Veränderungen der Pedalposition zu vermeiden.
Ob ein Starten des Verbrennungsmotors 3 zu erwarten ist, kann alternativ zur den Verfahrensschritten gemäß 7 beispielsweise mittels der Verfahrensschritte, die in 9 schematisch dargestellt sind, festgestellt werden.
Ausgegangen wird ebenfalls vom aktuellen Zeitpunkt t₀ . Zu diesem Zeitpunkt t₀ wird die elektrische Leistungsfähigkeit P_c0 bestimmt. Abhängig von Parametern wie dem Ladezustand der Batterie und der Batterietemperatur werden die aktuelle elektrische Leistungsfähigkeit P_C0 und der Verlauf der elektrischen Leistungsfähigkeit P_C für die Zukunft ermittelt.
Daneben wird anhand von Parametern wie der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem mittels GPS ermittelten Höhenprofil des zu absolvierenden Fahrwegs der Leistungsbedarf P ermittelt.
Anschließend wird der Zeitpunkt t_e ermittelt, zu dem der Leistungsbedarf P die elektrische Leistungsfähigkeit P_c übersteigt. Ist die Zeitspanne bis zum Erreichen von t_e geringer als eine Zeitspanne Δt, ist ein Starten des Verbrennungsmotors 1 zu erwarten und das Verfahren kann wie oben stehend zu 6 beschrieben mit dem Ermitteln, ob die PCM-Temperatur über der Phasenübergangstemperatur liegt, fortgesetzt werden. Ist die Zeitspanne bis zum Erreichen von t_e größer als eine Zeitspanne Δt, ist ein Starten des Verbrennungsmotors 1 nicht zu erwarten und der PCM-Kreislauf wird deaktiviert, indem die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet wird. Das Verfahren kann dann wie zu 6 beschrieben fortgesetzt werden. Die Zeitspanne Δt kann beispielsweise der light-off-Zeitspanne des Katalysators 3 entsprechen.
Verfügt ein Fahrzeug mit einem Abgasmanagementsystem über ein satellitengestütztes Navigationssystem, z. B. ein GPS-System, und gibt der Fahrer das Fahrziel ein, so kann das Abgasmanagementsystem die Fahrwegbedingungen des zu absolvierenden Fahrwegs ermitteln und den Leistungsbedarf zum Absolvieren dieses Fahrwegs bestimmen, z. B. unter der Annahme einer konstanten Geschwindigkeit. Diese Verfahrensschritte ermöglichen längere Vorhersagezeiträume als die zuvor zu 7 beschriebenen Verfahrensschritte.
10 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Leistung von der Zeit für die Verfahrensschritte gemäß 9. Dargestellt sind der Verlauf des Leistungsbedarfs P bis zum aktuellen Zeitpunkt t₀ , der vorhergesagte Leistungsbedarf in Abhängigkeit des Höhenprofils sowie des Geschwindigkeitsprofils - unter Berücksichtigung von Geschwindigkeitsbeschränkungen, Kurvenradien etc. - des zu absolvierenden Fahrwegs sowie der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistungsfähigkeit P_C . Ausgehend vom Zeitpunkt t_a wird fortlaufend die projizierte elektrische Leistungsfähigkeit und der projizierte Leistungsbedarf zum Zeitpunkt t_e = t_a + Δt berechnet. Sollten die Berechnungen zeigen, dass zum Zeitpunkt t_e der vorhergesagte Leistungsbedarf P die elektrische Leistungsfähigkeit P_C überschreitet, wird sofort der PCM-Kreislauf aktiviert, d. h. die Pumpeinrichtung 9 eingeschaltet - sofern auch andere Voraussetzungen erfüllt sind. Die Zeitspanne Δt kann beispielsweise der light-off-Zeitspanne des Katalysators 3 entsprechen.
11 zeigt eine Übersicht charakteristischer Temperaturen im Vergleich zur Temperaturabhängigkeit der Umsetzungsrate für Stickoxide und Kohlenwasserstoffe (Kurve A) und Kohlenstoffmonoxid (Kurve B). Die maximale Betriebstemperatur des Katalysators 3 entspricht der maximalen Abgastemperatur und liegt bei ca. 600 °C. Die ideale Speichertemperatur als Grenztemperatur für das PCM 7 sollte ca. 50 K niedriger liegen, also ca. 550 °C betragen. Die Phasenübergangstemperatur des PCM 7 liegt unterhalb von 200 °C, d. h. in einem Temperaturbereich, in dem die Umsetzungsrate der katalytischen Umsetzung sehr gering ist.
12 zeigt den schematischen Verlauf der Katalysatortemperatur während des Elektrofahrbetriebs. Ist der PCM-Kreislauf deaktiviert, d. h. die Pumpeinrichtung 9 ausgeschaltet, sinkt die Temperatur des Katalysators 3 auf eine Temperatur unterhalb der light-off-Temperatur. Wird der PCM-Kreislauf mittels Einschalten der Pumpeinrichtung 9 aktiviert, z. B. falls ein Start des Verbrennungsmotors erwartet wird, steigt die Temperatur des Katalysators 3 wieder an, da Wärmeenergie vom PCM 7 auf den Katalysator 3 übertragen wird. Eine Verzögerung des Temperaturanstiegs resultiert aus dem Volumen des in den fluiden Verbindungen befindlichen vergleichsweise kalten PCM 7. Erst wenn das PCM 7 aus dem Sammelbehälter 6 den Katalysator erreicht, steigt die Temperatur des Katalysators 3. Die Zeitspanne, die bis zum Erreichen der light-off-Temperatur des Katalysators 3 benötigt wird, ist die light-off-Zeitspanne.
Anzumerken ist, dass die light-off-Zeitspanne üblicherweise nicht konstant ist und beispielsweise von Parametern wie der PCM-Temperatur, der Katalysatortemperatur, der Umgebungstemperatur und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängen kann.
13 zeigt eine schematische Darstellung der möglichen Signaleingänge und Signalausgänge der Steuereinheit 19 eines Abgaswärmemanagementsystems, wobei die Steuereinheit 19 als Teil der Motorsteuereinheit ausgebildet oder in die Motorsteuereinheit integriert sein kann.
Die Steuereinheit 19 empfängt Signale des GPS-Moduls hinsichtlich der Fahrwegbedingungen des zu absolvierenden Fahrwegs, z. B. Höhenprofil, Fahrwegoberfläche, Kurven etc. Weitere Signale, z. B. über die Batterietemperatur und des Ladezustands der Batterie, werden von der Batteriesteuereinheit empfangen. Zudem erhält die Steuereinheit 19 Signale hinsichtlich der Pedalposition, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der PCM-Temperatur und der Katalysatortemperatur. Nach Verarbeitung der erhaltenen Signale übermittelt die Steuereinheit 19 Signale an die Steuereinheit der Pumpeinrichtung 9 zum Aktivieren oder Deaktivieren des PCM-Kreislaufs.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Abgasstrang
3: Katalysator
4: Ummantelung
5: Hohlraum
6: Sammelbehälter
7: PCM
8: fluide Verbindung
9: Pumpeinrichtung
10: Temperatursensor
11: elektrisches Heizelement
12: Wärmeaustauschfläche
13: Wärmeüberträger
14: Temperiermittelkreislauf
15: Zuluft
16: Fahrzeuginnenraumluft
17: Batterie
18: Motorkühlkreislauf
19: Steuereinheit
P: Leistungsbedarf
P_c: elektrische Leistungsfähigkeit
Δt: Zeitspanne
t_a, t_e: Zeitpunkte

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Abgaswärmemanagementsystems mit einem im Abgasstrang (2) eines Verbrennungsmotors (1) angeordneten Katalysator (3), einer den Katalysator (3) umschließenden Ummantelung (4) zur Ausbildung eines Hohlraums (5) zwischen Katalysator (3) und Ummantelung (4), einem Sammelbehälter (6) zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums, im Folgenden als PCM (7) bezeichnet, mindestens zwei fluiden Verbindungen (8) zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6) und einer Pumpeinrichtung (9) zum Aktivieren und Deaktivieren eines PCM-Kreislaufs zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6) mittels der fluiden Verbindungen (8), aufweisend: - Bestimmen eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1), - Bestimmen der Katalysatortemperatur, - Bestimmen der PCM-Temperatur, - Aktivieren des PCM-Kreislaufs oder Beibehalten des aktivierten Zustands, falls die PCM-Temperatur oberhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt und a) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem eingeschalteten Betriebszustand befindet oder b) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur unterhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators (3) liegt, und - Deaktivieren des PCM-Kreislaufs oder Beibehalten des deaktivierten Zustands, falls a) sich der Verbrennungsmotor (1) in einem ausgeschalteten Betriebszustand befindet und die Katalysatortemperatur oberhalb einer light-off-Temperatur des Katalysators (3) liegt oder b) die PCM-Temperatur unterhalb einer Phasenübergangstemperatur des PCM liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: - Festlegen einer Grenztemperatur für das PCM, wobei der PCM-Kreislauf nur aktiviert wird, falls die PCM-Temperatur unterhalb der Grenztemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Grenztemperatur gleich oder niedriger, beispielsweise zwischen 20 und 80 K niedriger, als eine maximale Betriebstemperatur des Katalysators (3) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der PCM-Kreislauf bei einem im ausgeschalteten Betriebszustand befindlichen Katalysator (3) nur aktiviert wird, falls eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1) in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin aufweisend: - Bestimmen eines Leistungsbedarfs P, - Bestimmen einer elektrische Leistungsfähigkeit P_C, wobei eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1) in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist, falls der Leistungsbedarf P die elektrische Leistungsfähigkeit Pc übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend: - Festlegen einer Zeitspanne Δt, wobei eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1) in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist, falls der Leistungsbedarf P die elektrische Leistungsfähigkeit Pc innerhalb der Zeitspanne Δt übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ausgehend von einem gegenwärtigen Zeitpunkt t_a der Leistungsbedarf P und die elektrische Leistungsfähigkeit Pc zu einem Zeitpunkt t_e = t_a + Δt fortlaufend vorausberechnet und miteinander verglichen werden und bei einem Übersteigen der elektrischen Leistungsfähigkeit Pc durch den Leistungsbedarf P der PCM-Kreislauf zum gegenwärtigen Zeitpunkt t_a aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Zeitspanne Δt einer light-off-Zeitspanne des Katalysators (3) entsprechend festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Leistungsbedarf P aus einer Pedalposition des Fahrpedals bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Leistungsbedarf P anhand von Fahrwegbedingungen eines zu absolvierenden Fahrwegs bestimmt wird.
Abgaswärmemanagementsystem, aufweisend: - einen im Abgasstrang (2) eines Verbrennungsmotors (1) angeordneten Katalysator (3), - eine den Katalysator (3) umschließende Ummantelung (4) zur Ausbildung eines Hohlraums (5) zwischen dem Katalysator (3) und der Ummantelung (4), - einen Sammelbehälter (6) zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums, im Folgenden als PCM (7) bezeichnet, - mindestens zwei fluide Verbindungen (8) zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6), - eine Pumpeinrichtung (9) zum Aktivieren und Deaktivieren eines PCM-Kreislaufs zwischen dem Hohlraum (5) und dem Sammelbehälter (6) mittels der fluiden Verbindungen (8), - einen Sensor zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors, - einen Temperatursensor (10a) zur Bestimmung der Katalysatortemperatur, - einen Temperatursensor (10b) zur Bestimmung der PCM-Temperatur und - eine Steuereinheit (19) ausgebildet zur Steuerung der Pumpeinrichtung (9) in Abhängigkeit des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1), der Katalysatortemperatur und der PCM-Temperatur.
Abgaswärmemanagementsystem nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend: - Mittel, die bewirken, dass der PCM-Kreislauf bei einem im ausgeschalteten Betriebszustand befindlichen Katalysator (3) nur aktiviert wird, falls eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1) in einen eingeschalteten Betriebszustand zu erwarten ist.
Kraftfahrzeug mit einem Abgaswärmemanagementsystem nach Anspruch 11 oder 12.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, das als Plug-in Hybridelektrokraftfahrzeug ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Abgaswärmemanagementsystem des Anspruchs 11 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Abgaswärmemanagementsystem des Anspruchs 12 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 4 bis 10 ausführt.