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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Katalysators.
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Katalysatoren sind insbesondere in Fahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine dafür vorgesehen, eine Abgasnachbehandlung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine durchzuführen, um so Schadstoffemissionen in einem Abgas der Brennkraftmaschine zu reduzieren. In dem Katalysator wird dabei eine katalytische Behandlung bzw. chemische Umwandlung von Verbrennungsschadstoffen durch Oxidation bzw. Reduktion des jeweiligen Schadstoffes durchgeführt. Dazu weist der Katalysator in der Regel einen Katalysebereich auf, in dem die chemische Umwandlung - Katalyse - stattfindet.
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Die nötige Betriebstemperatur liegt zumeist in einem kraftstoff- und beschichtungsabhängigen Bereich beginnend mit minimal circa 250 °C, da die Katalyse, die in dem Katalysebereich durchgeführt wird, für eine effektive Abgasnachbehandlung eine bestimmte Mindesttemperatur, auch light-off Temperatur genannt, benötigt.
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Um strenger werdende Abgasgesetzgebungen zu erfüllen ist es notwendig, den Katalysator schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Hierzu können einerseits verbrennerische Maßnahmen durchgeführt werden, das heißt Maßnahmen durchgeführt werden, bei denen die Brennkraftmaschine betrieben wird, sodass die Abwärme der Brennkraftmaschine zum Aufheizen des Katalysators genutzt werden kann. Dies führt jedoch zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
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Andererseits ist es auch möglich, einen elektrisch beheizbaren Katalysator einzusetzen. Derartige Katalysatoren weisen eine eigene elektrische Heizeinrichtung auf, welche elektrisch betrieben wird und den Katalysator auf die gewünschte Betriebstemperatur bringt. Ein Vorteil eines elektrisch beheizbaren Katalysators besteht darin, dass der Katalysator in einer sogenannten Katalysator-Kaltphase auch ohne Betrieb der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Dies spart Kraftstoff. Ein Nachteil bei derartigen Katalysatoren ist allerdings, dass aufgrund der nicht betriebenen Brennkraftmaschine die lokal an der Heizeinrichtung erzeugte Wärme nur unzureichend in den Katalysator transportiert wird und es zu einem starken Temperaturgefälle über den Katalysator, insbesondere über der Heizeinrichtung, kommt. Dadurch kann es zur Überhitzung und sogar zur Zerstörung der Heizeinrichtung bzw. des Katalysators kommen.
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In der
DE 40 35 971 A1 ist eine beheizbare Katalysatoranordnung für die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren, insbesondere Ottomotoren bekannt, mit mindestens einem ersten Teilkatalysator, mindestens einem zweiten Teilkatalysator und einer elektrischen Heizeinrichtung, wobei die Heizeinrichtung zwischen dem ersten Teilkatalysator und dem zweiten Teilkatalysator angeordnet ist. Diese Heizeinrichtung kann zwischen keramischen oder metallischen Teilkatalysatoren eingesetzt werden, wobei die Heizeinrichtung vorzugsweise selbst ein metallischer, direkt elektrisch beheizbarer Wabenkörper mit einer Zellenzahl bis 50 bis 200 cpi ist. Die Katalysatoranordnung dient dazu, die Schadstoffemission der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors über eine lange Lebensdauer gleichbleibend gut zu reduzieren.
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Die
DE 23 33 092 A1 zeigt eine Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einem in einer abgasführenden Leitung eingeschalteten Katalysator. Es ist eine nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine zuschaltbare Heizvorrichtung vorgesehen, die zumindest einen Teilbereich des Katalysators auf einer das frühzeitige Anspringen der katalytischen Umwandlungsreaktion sicherstellenden Temperatur hält. Die Heizvorrichtung, die insbesondere als eine elektrische Heizvorrichtung ausgestaltet ist, kann nach einer vorbestimmten Zeit abgeschaltet werden.
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In der
DE 10 2017 113 712 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator an unmittelbar stromabwärts des Oxidationskatalysators oder NOx-Speicherkatalysators ein elektrisch beheizbarer Katalysator und weiter stromabwärts ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung oder ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dem Oxidationskatalysator oder dem NOx-Speicherkatalysator ist ein Startkatalysator vorgeschaltet, welcher in der Abgasanlage von dem Oxidationskatalysator oder dem NOx-Speicherkatalysator beabstandet ist, um eine konduktive Wärmeübertragung zwischen dem Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator und dem Startkatalysator zu minimieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen elektrisch beheizbaren Katalysator ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Katalysator besonders effizient betrieben werden kann und ein weniger starkes Temperaturgefälle beim Aufheizen des Katalysators aufweist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein elektrisch beheizbarer Katalysator zur katalytischen Behandlung eines Abgases ist in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet. Der Katalysator umfasst einen ersten Katalysebereich zur katalytischen Behandlung des Abgases und einen von dem ersten Katalysebereich separaten zweiten Katalysebereich zur katalytischen Behandlung des Abgases, wobei der zweite Katalysebereich mit einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Katalysebereich stromabwärts, das heißt in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts, des ersten Katalysebereichs angeordnet ist. Der erste und der zweite Katalysebereich sind zumeist als Wabenkörper aus einer Keramik oder aus Metall gebildet, der mit einem sogenannten Washcoat beschichtet ist, an dem die katalytische Behandlung bzw. Umwandlung des Abgases stattfindet.
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Der Katalysator umfasst ferner eine von dem Abgas durchströmbare elektrische Heizeinrichtung, die stromabwärts des ersten Katalysebereichs und stromaufwärts des zweiten Katalysebereichs angeordnet und zum zumindest teilweisen Heizen bzw. Aufheizen des ersten Katalysebereichs und des zweiten Katalysebereichs ausgebildet ist. Die elektrische Heizeinrichtung ist also in Abgas-Strömungsrichtung nach dem ersten Katalysebereich und vor dem zweiten Katalysebereich, mit anderen Worten zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysebereich angeordnet. Dadurch, dass sich die elektrische Heizeinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysebereich befindet, kann die Wärmeenergie der Heizeinrichtung gleichmäßig auf den ersten und zweiten Katalysebereich übertragen werden, wodurch ein Temperaturgefälle über den Katalysator verringert werden kann.
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Zudem ist es mit einem derartigen Katalysator möglich, ein Gasvolumen, das sich im Katalysator befindet und durch die Heizeinrichtung aufgeheizt wird, durch ein geeignetes Verfahren, das später beschrieben wird, sowohl in den zweiten Katalysebereich als auch in den ersten Katalysebereich zu bewegen. Durch das Bewegen des aufgeheizten Gasvolumens sowohl in den ersten als auch in den zweiten Katalysebereich wird ein konvektiver Wärmetransport zwischen der Heizeinrichtung und dem ersten bzw. zweiten Katalysebereich erzeugt, der das Temperaturgefälle weiter senken kann. Zudem kann bei gleichem Wärmeeintrag das katalytisch aktive Volumen, das heißt der Anteil des ersten und zweiten Katalysebereichs, der die Betriebstemperatur erreicht hat, erhöht werden.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Katalysators ist es somit möglich, auch in einer Katalysator-Kaltphase, in der die Brennkraftmaschine nicht betrieben wird, den Katalysator schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen und gleichzeitig Temperaturspitzen im Katalysator zu minimieren.
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Der erste Katalysebereich und der zweite Katalysebereich weisen in Strömungsrichtung des Abgases eine gleiche Länge auf. Mit anderen Worten ist die Heizeinrichtung in Längserstreckungsrichtung des Katalysators, welche parallel zur Abgas-Strömungsrichtung ist, symmetrisch angeordnet. Dadurch können der erste Katalysebereich und der zweite Katalysebereich nahezu gleichmäßig auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden, sodass das Temperaturgefälle über den Katalysator weiter verringert werden kann.
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Der erste Katalysebereich und der zweite Katalysebereich kontaktieren die elektrische Heizeinrichtung, wobei der Kontakt die Funktion der Heizeinrichtung nicht beeinträchtigt. Dadurch wird die über die Heizeinrichtung eingebrachte Wärmeenergie auch direkt über die Wärmeleitung zwischen der Heizeinrichtung und dem ersten und zweiten Katalysebereich in den ersten und zweiten Katalysebereich eingebracht.
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Die elektrische Heizeinrichtung weist eine elektrisch beheizbare Heizscheibe auf. Indem die Heizeinrichtung als Heizscheibe ausgebildet ist kann die Wärmenergie nahezu auf die gesamte Stirnfläche des ersten und zweiten Katalysebereichs übertragen werden, sodass der erste und zweite Katalysebereich schnell und effizient aufgeheizt werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufheizen eines derartigen elektrisch beheizbaren Katalysators vorgeschlagen. Das Verfahren dient insbesondere zum Aufheizen des Katalysators in einer Katalysator-Kaltphase, das heißt in einer Phase, in der eine gewünschte Betriebstemperatur des Katalysators, beispielsweise die light-off Temperatur des Katalysators, noch nicht erreicht ist und die Brennkraftmaschine noch nicht gestartet ist. Der Katalysator ist dabei in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt (Schritt a)) das Ansteuern der elektrischen Heizeinrichtung derart, dass die Heizeinrichtung ein die Heizeinrichtung umgebendes erstes Gasvolumen des Abgasstrangs bis zu einer vorbestimmten Temperatur aufheizt. Die vorbestimmte Temperatur kann beispielsweise von der Temperatur der Heizeinrichtung abgeleitet werden oder über ein Modell bestimmt werden. Das Verfahren umfasst in einem zweiten Schritt (Schritt b)) das Bewegen des aufgeheizten ersten Gasvolumens zu dem ersten Katalysebereich, um den ersten Katalysebereich aufzuheizen, wobei sich durch das Bewegen des ersten Gasvolumens zu dem ersten Katalysebereich ein dem ersten Gasvolumen nachfolgendes zweites Gasvolumen des Abgasstrangs zu der Heizeinrichtung bewegt. Das Nachfolgen des zweiten Gasvolumens passiert automatisch, denn das zweite Gasvolumen ist beispielsweise das sich in Strömungsrichtung vor bzw. hinter dem ersten Gasvolumen befindliche Gasvolumen im Katalysator. Das Verfahren umfasst in einem dritten Schritt (Schritt c)) das Ansteuern der elektrischen Heizeinrichtung derart, dass die Heizeinrichtung dass die Heizeinrichtung umgebende zweite Gasvolumen bis zu einer vorbestimmten Temperatur aufheizt. Das Verfahren umfasst schließlich in einem vierten Schritt (Schritt d)) das Bewegen des aufgeheizten zweiten Gasvolumens zu dem zweiten Katalysebereich, um den zweiten Katalysebereich aufzuheizen.
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Das erste oder zweite Gasvolumen kann beispielsweise ein Luftvolumen sein, das sich im Abgasstrang befindet. Durch das Aufheizen des ersten und zweiten Gasvolumens und das anschließende Bewegen des ersten und zweiten Gasvolumens in den ersten bzw. zweiten Katalysebereich, können der erste und zweite Katalysebereich abwechselnd aufgeheizt werden. Dadurch kann bei gleichem Wärmeeintrag in die Heizeinrichtung das katalytisch aktive Volumen, das heißt der Anteil des ersten und zweiten Katalysebereichs, der die Betriebstemperatur erreicht hat, erhöht werden. Dadurch wird ein Verfahren geschaffen, mit dem ein Katalysator nicht nur schnell und mit geringem Temperaturgefälle aufgeheizt werden kann, sondern auch ein möglichst großes Volumen des Katalysators innerhalb einer vorbestimmten Zeit auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Schritte a) bis d) so lange wiederholt durchgeführt, bis der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. Dabei kann die Betriebstemperatur entweder aus der Temperatur der Heizeinrichtung selbst abgeleitet werden oder anhand eines Modells, das die in die Heizeinrichtung eingebrachte Wärmeenergie, den Wärmetransport von der Heizeinrichtung auf das erste und das zweite Gasvolumen, sowie den Wärmetransport von dem ersten und zweiten Gasvolumen zu dem ersten und zweiten Katalysebereich berücksichtigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Brennkraftmaschine antriebsmäßig mit einer Elektromaschine gekoppelt und wird die Elektromaschine derart angesteuert, dass die Elektromaschine abwechselnd in einer ersten Drehrichtung dreht, um das erste Gasvolumen zu dem ersten Katalysebereich zu bewegen, und in einer zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung dreht, um das zweite Gasvolumen in den zweiten Katalysebereich zu bewegen.
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Mit anderen Worten kann das Bewegen des ersten und zweiten Gasvolumens in den ersten bzw. zweiten Katalysebereich durch eine Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine erfolgen, die die Brennkraftmaschine elektrisch schleppt. Dies ist deswegen möglich, da die Elektromaschine antriebsmäßig beispielsweise mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, sodass eine Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine auch zu einer Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle führt. Dadurch dreht die Kurbelwelle beispielsweise in eine erste Richtung, in der bei geeigneter Stellung der Drosselklappe Frischluft vom Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine geschoben werden kann, wodurch ein Gasvolumen an frischer Luft von der Heizeinrichtung in den zweiten Katalysebereich bewegt werden kann. Bei der Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine bzw. der Kurbelwelle dreht sich die Kurbelwelle in eine zur ersten Richtung entgegensetzte zweite Richtung, wodurch sich eine Ventilstellung der Einlass- und Auslassventile umkehrt und der Abgastrakt der Brennkraftmaschine zum Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine wird. Dadurch kann die Brennkraftmaschine Luft aus dem Abgastrakt ansaugen, wodurch es möglich wird, ein Gasvolumen von der Heizeinrichtung in den ersten Katalysebereich zu saugen bzw. zu bewegen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Brennkraftmaschine auch einen voll variablen Ventiltrieb aufweisen, bei der eine Stellung der Einlass- und Auslassventile unabhängig von einer Drehrichtung der Kurbelwelle ist. Dadurch kann bei entsprechender Stellung der Einlass- und Auslassventile auch ohne Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine ein Gasvolumen von der Heizeinrichtung in den ersten Katalysebereich oder den zweiten Katalysebereich bewegt werden.
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Im Folgenden sollen nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erklärt werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das eine Brennkraftmaschine und einen Katalysator in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine aufweist;
- 2 eine schematische Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen eines Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in einer Katalysator-Kaltphase; und
- 3 bis 8 eine Detailansicht des Katalysators zur näheren Erklärung des Verfahrens.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 zeigt, das eine Brennkraftmaschine 12, eine mit der Brennkraftmaschine antriebsmäßig beispielsweise über eine Kurbelwelle verbundene Elektromaschine 14 und einen Abgasstrang 16 der Brennkraftmaschine 12 zeigt.
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Im Abgasstrang 16 ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator 18 angeordnet. Der elektrisch beheizbare Katalysator umfasst ein Mantelrohr 20, in dem sich ein erster Katalysebereich 22 und ein vom ersten Katalysebereich unter einem vorbestimmten Abstand beabstandeter zweiter Katalysebereich 24 befindet. Der erste Katalysebereich 22 und der zweite Katalysebereich 24 sind dabei in Strömungsrichtung eines Abgases 17 des Abgasstrangs 16 hintereinander angeordnet. Das heißt der zweite Katalysebereich 24 ist stromabwärts des ersten Katalysebereichs 22 bzw. in Strömungsrichtung des Abgases 17 hinter dem ersten Katalysebereich 22 angeordnet.
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Sowohl der erste Katalysebereich 22 als auch der zweite Katalysebereich 24 dienen dazu, das im Abgasstrang 16 vorhandene Abgas 17 der Brennkraftmaschine 12 katalytisch zu behandeln bzw. zu oxidieren oder zu reduzieren, damit das Abgas 17 weitestgehend schadstofffrei in die Umgebung 26 ausgeleitet werden kann. Der erste und zweite Katalysebereich 22, 24 können daher auch als aktive Katalysebereiche bezeichnet werden.
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Damit die katalytische Behandlung des Abgases 17 in dem ersten Katalysebereich 22 und dem zweiten Katalysebereich 24 stattfinden kann, ist es nötig, dass der erste und zweite Katalysebereich 22, 24 sich jeweils auf bzw. oberhalb einer gewissen Betriebstemperatur, die auch als light-off Temperatur bekannt ist, befinden. Um diese Betriebstemperatur zu erreichen weist der Katalysator 18 eine elektrische Heizeinrichtung 28 auf, die den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 aktiv aufheizen kann.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist die Heizeinrichtung 28 stromabwärts des ersten Katalysebereichs 22 und stromaufwärts des zweiten Katalysebereichs 24, also zwischen dem ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 angeordnet. Die Heizeinrichtung 28 ist dabei derart ausgestaltet, dass das Abgas 17 durch die Heizeinrichtung 28 hindurchströmen kann, sodass das Abgas 17 zunächst den ersten Katalysebereich 22, dann die Heizeinrichtung 28 und dann den zweiten Katalysebereich 24 durchströmt.
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Wird die Heizeinrichtung 28 mit Energie beaufschlagt, erwärmt sich die Heizeinrichtung 28 und überträgt seine Wärmeenergie auf den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24. Der erste Katalysebereich 22 und der zweite Katalysebereich 24 haben in Abgas-Strömungsrichtung eine gleiche Länge 23. Mit anderen Worten ist die Heizeinrichtung 28 in Längserstreckungsrichtung des Katalysators 18, das heißt in Abgas-Strömungsrichtung, symmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysebereich 22, 24 angeordnet. Durch die symmetrische Anordnung kann die Wärme gleichmäßig auf den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 übertragen werden. Wie ferner in 1 zu erkennen ist, kontaktiert die Heizeinrichtung 28 ferner den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24. Dadurch kann die Heizeinrichtung 28 die Wärmeenergie mittels Wärmeleitung insbesondere auf die Stirnseiten des den ersten und zweiten Katalysebereichs 22, 24 übertragen.
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Die Heizeinrichtung 28 kann als Heizscheibe ausgebildet sein. Diese Heizscheibe kann den Innenraum des Mantelrohrs 20 nahezu vollständig ausfüllen, sodass beim Erwärmen der Heizscheibe eine große Wärmeenergie zur Erwärmung des ersten und zweiten Katalysebereichs 22, 24 zur Verfügung steht.
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In dem Fahrzeug 10 ist weiter eine Steuereinrichtung 30 vorgesehen, die steuerungsmäßig mit der Heizscheibe 28, der Brennkraftmaschine 12 und der Elektromaschine 14 verbunden ist, was durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Dabei kann die Steuereinrichtung 30 beispielsweise eine Temperatur der Heizeinrichtung 28 auslesen und einen Betrieb der Elektromaschine 14 bzw. der Brennkraftmaschine 12 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur ändern.
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Soll nun der Katalysator 18 ausgehend von einer Katalysator-Kaltphase, in welcher der erste und zweite Katalysebereich 22, 24 die gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben und gleichzeitig die Brennkraftmaschine 12 stillsteht bzw. nicht betrieben wird, aufgeheizt werden, wird die Heizeinrichtung 28 mit Energie beaufschlagt. Dadurch kommt es zur lokalen Erwärmung der Heizeinrichtung 28, sodass die Wärmeenergie beispielsweise über Wärmeleitung an den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 übertragen wird.
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Dadurch dass sich jedoch die Brennkraftmaschine 12 nicht dreht bzw. stillsteht, wird beim Erwärmen der Heizeinrichtung 28 die lokal an der Heizeinrichtung 28 freigegebene Wärme nicht vollständig in den ersten und zweiten Katalysatorbereich 22, 24 transportiert. Dadurch kann es zu einem starken Temperaturgefälle über den Katalysator 18, d. h. in Strömungsrichtung des Abgases 17 bzw. in Längserstreckungsrichtung des Katalysators kommen. Dieses starke Temperaturgefälle kann zur Überhitzung und schließlich zur Zerstörung der Heizeinrichtung 28 führen. Zudem wird lediglich nur der Stirnbereich des ersten und zweiten Katalysatorbereichs 22, 24, der der Heizeinrichtung 28 zugewandt ist, aufgeheizt.
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Um nun den Katalysator 18 schneller, effizienter und mit einem weniger starken Temperaturgefälle zu erwärmen, kann die Steuereinrichtung 30 einen Betrieb der Elektromaschine 14 derart steuern, dass ein Gasvolumen 32, das sich im Bereich der Heizeinrichtung 28 befindet, stromabwärts und stromaufwärts bewegt wird (angedeutet durch den Doppelpfeil).
Durch das Bewegen des Gasvolumens 32 stromabwärts und stromaufwärts der Heizeinrichtung 28 kann das von der Heizeinrichtung 28 aufgeheizte Gasvolumen in den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 bewegt werden und so den ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 mittels konvektiver Wärmeübertragung effizienter und mit einem geringeren Temperaturgefälle aufheizen.
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Dabei erfolgt die Bewegung des Gasvolumens 32 stromabwärts der Heizeinrichtung 28, das heißt zum zweiten Katalysebereich 24, beispielsweise dadurch, dass die Steuereinrichtung 30 die Elektromaschine 14 derart steuert, dass sie im Uhrzeigersinn dreht. Dadurch dreht die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 12 ebenfalls im Uhrzeigersinn. Bei offener Drosselklappe kann nun Luft aus dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 12 angesaugt und in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine 12 geschoben werden. Die in dem Katalysator 18 vorhandene Frischluft kann anschließend von der Heizeinrichtung 28 aufgeheizt werden, sodass das von der Heizeinrichtung 28 aufgeheizte Gas- bzw. Frischluftvolumen 32 durch Weiterdrehen der Brennkraftmaschine 12 in den zweiten Katalysebereich 24 geschoben werden kann. Dort kann das aufgeheizte Gasvolumen 32 den zweiten Katalysebereich 24 aufheizen.
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Die Bewegung des Gasvolumens 32 stromaufwärts der Heizeinrichtung 28, das heißt zum ersten Katalysebereich 22, erfolgt analog. Beispielsweise steuert die Steuereinrichtung 30 die Elektromaschine 14 derart, dass sie gegen den Uhrzeigersinn dreht. Durch diese Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine 14 kommt es zur Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 12, sodass die Ventilstellung der Einlass- und Auslassventile ebenfalls umgekehrt wird. Dadurch wird der Abgastrakt der Brennkraftmaschine 12 zum Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 12. Die Brennkraftmaschine 12 kann daher das im Katalysator 18 vorhandene Gas ansaugen und das Gasvolumen 32 beispielsweise zum ersten Katalysebereich 22 bewegen. Dort kann das aufgeheizte Gasvolumen 32 den ersten Katalysebereich 22 aufheizen.
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Dabei ist unerheblich ob die Elektromaschine 14 zuerst im Uhrzeigersinne oder gegen der Uhrzeigersinn dreht. Allein die Tatsache, dass die Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine 14 zu einer Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle und damit zu einem Strömungsrichtungsumkehr im Abgasstrang führt, reicht aus, um das Gasvolumen 32 stromabwärts oder stromaufwärts zu bewegen.
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Im Folgenden sei nun anhand der 2 bis 8 näher auf ein Verfahren zum Aufheizen des Katalysators 18 eingegangen. Die einzelnen Schritte des Verfahrens sind in den 3 bis 8 dargestellt. Der Ablaufplan ist in 2 schematisch dargestellt.
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Wie bereits erwähnt wurde, wird zunächst ein erstes Gasvolumen 32 des Abgasstrangs 16 mittels der Heizeinrichtung 28 auf eine vorbestimmte Temperatur T aufgeheizt (3). Diese Gasvolumen 32 kann beispielsweise das im Abgasstrang 16 oder Katalysator 18 vorhandene Gas sein. Die vorbestimmte Temperatur T kann dabei im Bereich der gewünschten Betriebstemperatur des Katalysators 18 sein. Die Steuereinrichtung 30 ermittelt die vorbestimmte Temperatur T des ersten Gasvolumens 32 beispielweise anhand der Temperatur der Heizeinrichtung 28.
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Wenn die Steuereinrichtung 30 ermittelt hat, dass die Temperatur des ersten Gasvolumens 32 die vorbestimmte Temperatur T erreicht hat, steuert die Steuereinrichtung 30 die Elektromaschine 14 derart (4), dass sich die Elektromaschine 14 in eine erste Drehrichtung dreht (zum Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn). Durch das Drehen der Elektromaschine 14 in der ersten Drehrichtung entsteht eine Sogwirkung im Abgasstrang 16, sodass das aufgeheizte erste Gasvolumen (angedeutet durch die gestrichelte Box 32') von der Heizeinrichtung 28 zu dem ersten Katalysebereich 22 bewegt wird. Das aufgeheizte erste Gasvolumen 32 kann nun den ersten Katalysebereich 22 aufheizen.
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Durch die Bewegung des ersten Gasvolumens 32 zum ersten Katalysebereich 22 ist nun die Heizeinrichtung 28 von einem dem ersten Gasvolumen 32 nachfolgenden zweiten Gasvolumen 34 umgeben (5). Die Steuereinrichtung 30 steuert die Heizeinrichtung 28 wiederum derart, dass das zweite Gasvolumen 34 bis zu einer vorbestimmten Temperatur T, die dieselbe vorbestimmte Temperatur wie beim ersten Gasvolumen 32 sein kann, aufheizt.
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Wenn die Steuereinrichtung 30 ermittelt hat, dass die Temperatur des zweiten Gasvolumens 34 die vorbestimmte Temperatur T erreicht hat, steuert die Steuereinrichtung 30 die Elektromaschine 14 nun derart (6), dass sich die Elektromaschine 14 in eine zur erste Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung dreht (zum Beispiel im Uhrzeigersinn) . Durch das Drehen der Elektromaschine 14 in der zweiten Drehrichtung entsteht eine Schubwirkung im Abgasstrang 16, sodass das aufgeheizte zweite Gasvolumen 34 von der Heizeinrichtung 28 zu dem zweiten Katalysebereich 24 bewegt wird. Das aufgeheizte zweite Gasvolumen 34 kann nun den zweiten Katalysebereich 24 aufheizen.
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Beim Bewegen des zweiten Gasvolumens 34 zum zweiten Katalysebereich 24 wird jedoch gleichzeitig auch das im ersten Katalysebereich 22 befindliche erste Gasvolumen (angedeutet durch die gestrichelte Box 32') vom ersten Katalysebereich 22 zur Heizeinrichtung 28 bewegt.
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Da das erste Gasvolumen 32 jedoch zumindest teilweise bereits seine Wärmeenergie an den ersten Katalysebereich 22 abgegeben hat, ist eine Temperatur des ersten Gasvolumens 32 nunmehr unterhalb der vorbestimmten Temperatur T. Die Steuereinrichtung 30 wird daher die Heizeinrichtung 28 derart ansteuern, dass die Heizeinrichtung 28 das erste Gasvolumen 32 wiederum auf die vorbestimmte Temperatur T aufheizt (7).
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Wenn die Steuereinrichtung 30 ermittelt hat, dass die Temperatur des ersten Gasvolumens 32 die vorbestimmte Temperatur T erreicht hat, steuert die Steuereinrichtung 30 die Elektromaschine 14 derart (8), dass sich die Elektromaschine 14 wieder in die erste Drehrichtung dreht (zum Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn). Durch das Drehen der Elektromaschine 14 in der ersten Drehrichtung entsteht eine Sogwirkung im Abgasstrang 16, sodass das aufgeheizte erste Gasvolumen 32 von der Heizeinrichtung 28 zu dem ersten Katalysebereich 22 bewegt wird. Das aufgeheizte erste Gasvolumen 32 kann nun erneut den ersten Katalysebereich 22 aufheizen.
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Gleichzeitig wird das zweite Gasvolumen 34 vom zweiten Katalysebereich 24 (angedeutet durch die gestrichelte Box 34') zur Heizeinrichtung 28 bewegt (8). Da das zweite Gasvolumen 34 jedoch zumindest teilweise bereits seine Wärmeenergie an den zweiten Katalysebereich 24 abgegeben hat, ist eine Temperatur des zweiten Gasvolumens 34 ebenfalls unterhalb der vorbestimmten Temperatur T. Die Steuereinrichtung 30 wird daher die Heizeinrichtung 28 derart ansteuern, dass die Heizeinrichtung 28 das zweite Gasvolumen 34 wiederum auf die vorbestimmte Temperatur T aufheizt (5).
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Diese Schritte werden solange durchgeführt, bis die Steuereinrichtung 30 ermittelt, das der Katalysator 18, insbesondere der erste und zweite Katalysebereich 22, 24, die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat.
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Obwohl das Verfahren zum Steuern des Katalysators 18 in Zusammenhang mit den 2 bis 8 derart beschrieben wurde, dass ein erstes Gasvolumen zunächst in den ersten Katalysebereich 22 und anschließend ein zweites Gasvolumen in den zweiten Katalysebereich 24 bewegt wird, ist es selbstverständlich auch möglich, dass das erste Gasvolumen zunächst in den zweiten Katalysebereich 24 und anschließend ein zweites Gasvolumen in den ersten Katalysebereich 22 bewegt wird.
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Obwohl in Zusammenhang mit den 1 bis 8 der Katalysator 18 eine einzige Heizeinrichtung 28 zwischen dem ersten und zweiten Katalysebereich 22, 24 aufweist, ist es selbstverständlich auch möglich, dass der Katalysator 18 weitere zusätzliche Heizeinrichtungen aufweisen kann. Beispielsweise könnte eine erste zusätzliche Heizeinrichtung mittig im ersten Katalysebereichs 22 angeordnet sein und könnte eine zweite zusätzliche Heizeinrichtung mittig im zweiten Katalysebereichs 24 angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, bei einer Heizeinrichtung, welche nicht wie bislang an der Stirnseite des Katalysators sondern zwischen zwei benachbarten Katalysebereichen vorgesehen ist, ein von der Heizeinrichtung aufgeheiztes Gasvolumen durch Hin- und Herbewegen die Wärmeenergie der Heizeinrichtung mittels konvektivem Wärmetransport zu den angrenzenden Katalaysebereichen zu übertragen. Die vorliegende Erfindung beruht ferner auf der Idee, dass ein Hin- und Herbewegen des Gasvolumens ermöglicht wird durch Vorwärts- und Rückwärtsdrehen der Brennkraftmaschine. Die vorliegende Erfindung beruht ferner auf der Idee, dass das Vorwärts- und Rückwärtsdrehen der Brennkraftmaschine durch elektrisches Schleppen der Brennkraftmaschine und entsprechender Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine realisiert werden kann.
