DE102018217174B4

DE102018217174B4 - Elektrisch beheizter Abgaskatalysator und Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizten Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE102018217174B4
Application number: DE102018217174.2A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2038-10-09
Also published as: DE102018217174A1; WO2020074292A1

Abstract

Elektrisch beheizter Abgaskatalysator (35) in einem Abgasstrang (25) einer Verbrennungskraftmaschine (10), aufweisend:- einen Gesamtkatalysebereich (42) zur katalytischen Behandlung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (10),- zwei innerhalb des Gesamtkatalysebereiches (42) angeordnete elektrische Heizelemente (40,41), welche in einem vorbestimmten Abstand in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander platziert sind, so dass der Gesamtkatalysebereich (42) in drei in Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgende Katalysebereiche (37, 38, 39) aufgeteilt ist,- ein erstes Heizelement (40) das in dem Gesamtkatalysebereich (42) derart angeordnet ist, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des ersten Heizelementes (40) ein erster Katalysebereich (37) gebildet ist, der 5-15 % des Gesamtkatalysebereiches (42) beträgt,- ein zweites Heizelement (41), das in dem Gesamtkatalysebereich (42) derart angeordnet ist, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des zweiten Heizelementes (41) ein Katalysebereich (37,38) gebildet ist, der 60-80% des Gesamtkatalysebereiches (42) beträgt,- einen dritten Katalysebereich (39), der in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromabwärts des zweiten Heizelementes (41) gebildet ist, wobei der erste katalytische Bereich (37) und der zweite katalytische Bereich (38) das erste elektrische Heizelement (40) kontaktieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten Abgaskatalysator und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizten Abgaskatalysators.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften machen es bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen zum einen erforderlich, die Rohemissionen, hervorgerufen durch die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern, so weit wie möglich zu senken. Zum anderen sind in Verbrennungskraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff - Gemisches in den Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln.
Hierzu dienen u.a. Abgaskatalysatoren, in denen eine chemische Umwandlung von Verbrennungsschadstoffen durch Oxidation bzw. Reduktion des jeweiligen Schadstoffes durchgeführt wird. Dazu weisen die Abgaskatalysatoren aktive Katalysebereiche auf, in denen die chemische Umwandlung- Katalyse- stattfindet.
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.
Es ist also notwendig, den Abgaskatalysator schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Hierzu können einerseits verbrennungstechnische Maßnahmen durchgeführt werden, das heißt Maßnahmen, bei denen die Verbrennungskraftmaschine derart betrieben wird, sodass die Abwärme der Brennkraftmaschine zum schnellen Aufheizen des Abgaskatalysators genutzt werden kann. Dies führt jedoch zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
Andererseits ist es auch möglich, einen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator einzusetzen. Derartige Abgaskatalysator weisen eine eigene elektrische Heizeinrichtung auf, welche den Abgaskatalysator auf die gewünschte Betriebstemperatur bringt. Ein Vorteil eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators besteht darin, dass der Abgaskatalysator in einer sogenannten Katalysator-Kaltphase auch ohne Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
Ein elektrisch beheizbarer Abgaskatalysator (EHC = electrical heated catalyst, E-KAT), wobei die elektrische Heizeinrichtung beispielsweise in Form von einer oder mehreren elektrischen Heizscheiben realisiert ist, stellt dabei ein besonders wirksames Sub-System dar. So ermöglicht es der elektrisch beheizte Abgaskatalysator gegenüber alternativen Maßnahmen zur Aufheizung desselben, die katalytische Oberfläche unmittelbar, das heißt vor Ort aufzuheizen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, kurzfristig Wärme in den Abgaskatalysator einzutragen. Der Aufbau solcher elektrisch beheizbaren Abgaskatalysatoren sind beispielsweise in den Druckschriften DE 199 43 846 A1 und DE 44 34 673 A1 beschrieben.
Dabei ergibt sich allerdings das Problem, dass das katalytische Volumen beim Start der Verbrennungskraftmaschine vergleichsweise gering ist, da der Wärmetransport nur durch Wärmeleitung und freie Konvektion erfolgt. Befindet sich die Heizscheibe, das heißt die Wärmequelle als solche, in Strömungsrichtung an der Stirn- oder Außenseite des Abgaskatalysators, geht beispielsweise bei einem Vorheizen, das heißt einem Heizvorgang vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine ein großer Teil der generierten Wärme in der dem Abgaskatalysator abgewandten Richtung verloren. Befindet sich eine Heizscheibe am Austritt des Abgaskatalysators, kann diese bei erzwungener Konvektion in Strömungsrichtung (zum Beispiel die Verbrennungskraftmaschine ist in Betrieb) nicht zur Aufheizung eines Katalysatorvolumens genutzt werden. Hinzu kommt, dass die Wärmequellen für den temporären Aufheizvorgang von Teilen des Abgasnachbehandlungssystems genutzt werden sollten, um die absolute Zahl im Hinblick auf die Komplexität des Systems zu minimieren. So kann es beispielsweise erforderlich sein, die Abgastemperatur soweit zu erhöhen, dass ein stromabwärts des Abgaskatalysators positionierter Partikelfilter regeneriert oder ein NOx-Nachbehandlungssystems aktiviert werden kann.
Im Hinblick auf eine schnelle Bereitschaft und ausreichende Intensität der lokalen Wärmequellen bzw. der Wärmeerzeugung ergeben sich für den realen Fahrbetrieb zusätzliche Anforderungen. Des Weiteren muss ein Emissionsschlupf unter allen Aspekten vermieden werden, da die Gesetzgebung bei der Bewertung des Emissionsverhaltens eines Kraftfahrzeugs mehr und mehr den Kurzstreckenbetrieb im Fokus hat.
Prinzipiell haben alle lokalen Temperaturerhöhungen in dem Abgasnachbehandlungssystem, die auf der Zusammensetzung des Abgases basieren, den Nachteil, dass sie mit einer Konvertierungsverschlechterung unterhalb von 100% einhergehen. Externe Wärmequellen können diesen Nachteil bei entsprechendem Design und der dazu passenden Strategie weitgehend vermeiden. Nachteilig bei der üblichen Verwendung von lediglich einer einzigen Heizscheibe im Stirnbereich des Abgaskatalysators ist, dass eine notwendige Gastemperaturerhöhung am Ende des Abgaskatalysators, das heißt an der Austrittsseite des Abgases immer eine Erhöhung der Temperatur des gesamten vorderen Bereichs des Abgaskatalysators durch diese einzige Heizscheibe erforderlich macht. Dabei kann in der Abhängigkeit der Heizleistung dieser Heizscheibe unter Realfahrbedingungen der Fall auftreten, dass die abgegebene Wärme nicht ausreichend ist, um die Abgastemperatur nach dem Abgaskatalysator für die Aufheizung des folgenden Teils des Abgasnachbehandlungssystems zu erreichen. Gleichfalls sind die Wärmeverluste deutlich größer. Positioniert man eine einzelne Heizscheibe weiter stromabwärts im Katalysator, bleibt bei geringen Abgastemperaturen der vordere Teil des Abgaskatalysators zu großen Teilen über längere Zeit katalytisch inaktiv.
Üblicherweise befindet sich eine einzelne Heizscheibe in Strömungsrichtung an der Stirnseite des Abgaskatalysators. Die Zahl der Wärmequellen, also der Heizscheiben kann auch größer sein. So wird in der Veröffentlichung „Innovative Catalyst Substrate Components for Future Passenger Car Diesel Aftertreatment Systems“ [Rolf Brück, Peter Hirth, Francois Jajat, Continental Emitec GmbH, Lohmar, Germany]; 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2017, ein Dreiheizscheiben-Kat schematisch dargestellt, der die theoretischen Positionierungsmöglichkeiten der Heizscheiben in einem Abgaskatalysators ausweist.
In der DE 10 2016 213 612 B3 ist ein elektrisch beheizter Abgaskatalysator für ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei der Abgaskatalysator folgendes aufweist: einen aktiven Katalysebereich zum Reduzieren und/oder Oxidieren wenigstens eines in der Brennkraftmaschine erzeugten, den aktiven Katalysebereich entlang einer Strömungsrichtung durchströmenden Abgases; eine Heizeinrichtung zum Heizen des Katalysebereichs, wobei die Heizeinrichtung ein erstes Heizelement und ein von dem ersten Heizelement getrennt angeordnetes zweites Heizelement aufweist, wobei das erste Heizelement in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysebereich und das zweite Heizelement in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Katalysebereich angeordnet ist. Das erste Heizelement ist somit unmittelbar an der Stirnseite des Abgaskatalysators, also am Gaseintritt, das zweite Heizelement unmittelbar am gegenüberliegenden Ende des Abgaskatalysators, also am Gasaustritt angeordnet. Ferner ist eine Steuereinrichtung vorgesehen zum Ansteuern der Heizeinrichtung derart, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine nur das erste Heizelement zum Heizen des Katalysebereichs angesteuert wird, und dass bei einem Stillstand der Brennkraftmaschine nur das zweite Heizelement zum Heizen des Katalysebereichs angesteuert wird.
In der DE 10 2010 033 315 A1 sind Strahlungserwärmungssysteme und -verfahren für Katalysatoren von Abgasnachbehandlungssystemen beschrieben. Ein Abgasbehandlungssystem umfasst M Drei-Wege-Katalysatoren und N elektrisch beheizte Katalysatoren (EHCs). Die M Drei-Wege-Katalysatoren sind derart angeordnet, dass sie Abgas aufnehmen, das von einer Maschine eines Hybridfahrzeugs ausgegeben wird. M ist eine ganze Zahl größer als Eins. Die N EHCs sind derart angeordnet, dass sie das Abgas aufnehmen und Strahlungswärme für die M Drei-Wege-Katalysatoren bereitstellen, wenn die N EHCs mit Leistung beaufschlagt werden. N ist eine ganze Zahl größer als Eins.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator bereitzustellen, der besonders effizient betrieben werden kann und ein verbessertes Konvertierungsverhalten auch bei Realfahrbedingungen sicherstellt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abgaskatalysators anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator gemäß dem Anspruch 1 und das Verfahren gemäß den Ansprüchen 5, 10 und 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein elektrisch beheizbarer Abgaskatalysator geschaffen, der einen Gesamtkatalysebereich zur katalytischen Behandlung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine aufweist, wobei zwei innerhalb des Gesamtkatalysebereiches angeordnete elektrische Heizelemente vorhanden sind, welche in einem vorbestimmten Abstand in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander platziert sind, so dass der Gesamtkatalysebereich in drei in Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgende Katalysebereiche aufgeteilt ist. Ein erstes Heizelement ist innerhalb des Gesamtkatalysebereiches derart angeordnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des ersten Heizelementes ein erster Katalysebereich gebildet ist, der 5-15 % des Gesamtkatalysebereiches beträgt. Ein zweites Heizelement ist in dem Gesamtkatalysebereich derart angeordnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des zweiten Heizelementes ein Katalysebereich gebildet ist, der 60-80% des Gesamtkatalysebereiches beträgt. Ein dritter Katalysebereich ist in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromabwärts des zweiten Heizelementes gebildet, wobei der erste katalytische Bereich und der zweite katalytische Bereich das erste elektrische Heizelement kontaktieren.
Durch die angegebene Positionierung der beiden Heizquellen des extern beheizbaren Abgaskatalysators, so dass beide Heizelemente von aktiven Katalysebereichen eingefasst sind, wird ein sehr gutes Konvertierungsverhalten nicht nur auf dem Prüfstand, sondern auch im realen Fahrbetreib auf der Straße erreicht und das bei geringer Komplexität des Abgasnachbehandlungssystems. Außerdem wird dadurch eine sehr rasche Aufheizung des Abgaskatalysators erreicht.
Der Vorteil liegt bei der Anzahl der gewählten Heizquellen in Bezug auf die üblicherweise verwendeten elektrischen Energiequellen, der Gesamtgröße eines Abgaskatalysators eines Fahrzeugs und der Auslegung des elektrischen Bordnetzes unter Berücksichtigung einer mit Zunahme der Anzahl der Heizelemente steigenden Komplexität des Gesamtsystems.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator nach dem ersten Aspekt vorgeschlagen, welche verschiedene Heizstrategien für diesen Abgaskatalysator aufzeigen. Diese korrelieren mit der Wärmeabgabe der Verbrennungskraftmaschine derart, dass der Abgasmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine für den Wärmetransport und als verfügbarer Wärmeeintrag in das Abgasnachbehandlungssystem genutzt wird. Der Erfindung liegt die Annahme zugrunde, dass dieser Wärmebeitrag der Verbrennungskraftmaschine derart ist, dass dieser unter den aktuellen Randbedingungen minimal und somit CO2-Ausstoß optimal ist.
Beim Aufheizen auf Basis freier Konvektion ist das durch die beiden parallel aktivierten Heizelemente aufgeheizte Volumen (Katalysebereiche) maximal. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Heizelemente in nahezu maximaler Art und Weise von angrenzenden Katalysatorteilen eingefasst sind. Beim Aufheizen auf Basis erzwungener Konvektion vergrößert sich das aufgeheizte Volumen über der Zeitachse gegenüber einem Abgaskatalysator mit einem einzigen Heizelement deutlich.
Der gleiche durch den Abgaskatalysator strömende Gasmassenstrom transportiert an zwei unterschiedlichen Orten die Wärme in Teile des Abgaskatalysators, welche noch nicht die Schwellentemperatur erreicht haben. Dabei ist von Vorteil, dass bei einem vorzeitigen vollständigen Aufheizen des stromabwärts liegenden Katalysatorsvolumens, die zweite Wärmequelle zeitlich vor der ersten deaktiviert werden kann. Bei einem Nachheizen aufgrund eines kalten Abgasmassenstroms oder langen Motorstillstandzeiten genügt ist, das bezüglich der Strömungsrichtung vordere Heizelement erneut zu aktivieren. So kann nicht nur besonders rasch ein aufgrund des Temperaturniveaus inaktives Katalysatorvolumen aktiviert werden, sondern dies erfolgt mit geringerem elektrischen Energieaufwand, da dieser zielgerichtet in der Abhängigkeit des Abgasmassenstroms und dessen Wärmebeitrags erfolgen kann. Dabei sind die gemäß der Erfindung vorgenommenen Aufteilungen so wie die Position der Heizelemente für die auftretenden Fälle eines ganzheitlichen Temperaturmanagements gegenüber anderen Varianten klar vorteilhaft in Bezug auf die dafür einzusetzende elektrische Energie.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators bzw. des Ansteuerverfahrens für einen solchen Abgaskatalysator werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels bezugnehmend auf die Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10, eine mit der Verbrennungskraftmaschine 10 antriebsmäßig verbundene Elektromaschine 43, einem Ansaugtrakt 15 mit einer darin angeordneten elektrischen Maschine 44, insbesondere in Form eines elektrisch angetriebenen Verdichters, einem Motorblock 20 mit mehreren, nicht näher bezeichneten Zylindern und einen Abgasstrang 25, in dem eine Abgasnachbehandlungsanlage 30 angeordnet ist.
Die Abgasnachbehandlungsanlage 30 weist u.a. einen erfindungsgemäßen Abgaskatalysator 35 auf. Stromabwärts des Abgaskatalysators 35 sind optional noch weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 50 vorgesehen, von denen nur eine gezeigt ist. Als mögliche Abgasnachbehandlungskomponenten seien an dieser Stelle ein Dreiwegekatalysator, ein SCR-Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion, Dieselpartikelfilter, SCR-beschichtete Dieselpartikelfilter, Ottopartikelfilter, NOx-Katalysator (lean NOx trap) genannt.
Der Abgaskatalysator 35 ist als ein elektrisch beheizbarer Katalysator ausgebildet und umfasst ein Mantelrohr 36, das einen physikalisch katalytischen Gesamtbereich 42 einschließt. In dem katalytischen Gesamtbereich 42 ist eine Heizeinrichtung, bestehend aus zwei voneinander getrennten Heizelementen 40,41 angeordnet, welche in einem vorbestimmten Abstand in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander platziert sind, so dass sich drei aufeinanderfolgende Katalysebereiche 37, 38, 39 ergeben.
Dabei ist ein erstes Heizelement 40 in dem katalytischen Gesamtbereich 42 derart angeordnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des ersten Heizelementes ein erster Katalysebereich 37 gebildet ist, der 5-15 % des katalytischen Gesamtbereiches 42 beträgt.
Ein zweites Heizelement 41 ist in dem katalytischen Gesamtbereich 42 derart angeordnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des zweiten Heizelementes 41 ein Katalysebereich 37,38 gebildet ist, der 60-80% des katalytischen Gesamtbereiches 42 beträgt. Stromabwärts des zweiten Heizelementes 41 befindet sich ein dritter Katalysebereich 39.
Die genaue Position ergibt sich aus der Wärmekapazität des stromabwärts befindlichen Katlysatorvolumens, der stromabwärts folgenden Strecke und dem Teil des Abgasnachbehandlungssystems, das durch die Wärme des Abgases aktiviert werden soll. Hierbei werden die, durch die als unterste Grenze festgelegten, zu berücksichtigenden Außentemperaturen und der minimale bzw. maximale denkbare Abgasmassenstrom und seine Emissionsbeschaffenheit einbezogen.
Bei dem Begriff Abgaskatalysator kann es sich gleichfalls um eine Kaskade von einzelnen Bricks handeln, sofern der Abstand zwischen diesen kleiner weniger Millimeter oder Null ist und sich lediglich daraus ergibt, dass die Heizelemente bzw. die einzelnen Bricks in Dauerbetrieb keinen vorzeitigen Verschleiß bzw. Deaktivierung erfahren.
Die drei Katalysebereiche 37,38,39 dienen dazu, das im Abgasstrang 25 vorhandene Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 katalytisch zu behandeln bzw. zu oxidieren oder zu reduzieren, damit das Abgas weitestgehend schadstofffrei in die Umgebung ausgeleitet werden kann.
Die Heizeinrichtungen 40,41 sind bevorzugt als Heizscheiben ausgebildet und können den Innenraum des Mantelrohrs 36 nahezu vollständig ausfüllen, sodass beim Erwärmen der Heizscheiben eine große Wärmeenergie zur Erwärmung der drei Katalysebereiche 37,38,39 zur Verfügung steht. Die Fixierung der Heizeinrichtungen 40,41 erfolgt beispielsweise an jeweils einem sogenannten Stützkatalysatorvolumen.
Besteht bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 10 zu Beginn des Fahrzyklus (Kaltstart) keine Möglichkeit der Realisierung einer erzwungenen Konvektion, sodass lediglich die freie Konvektion zu einer Vergrößerung des möglichen katalytischen Bereiches führt, werden die Heizelemente 40,41 derart fixiert, dass neben dieser Form des Wärmetransports die Wärmeleitung möglichst intensiviert wird. Dabei spielt die Einbauposition des Abgaskatalysators im Fahrzeug eine Rolle (vorzugsweise steht dessen Achse senkrecht zur Längsachse des Fahrzeuges), die Beschaffenheit und Form des Trägermaterials und der Realisierbarkeit des minimalen Abstands zwischen dem jeweiligen Heizelement und dem jeweils angrenzenden Katalysatorvolumens.
Es ist eine elektronische Steuereinrichtung (ECU) 60 vorgesehen, die steuerungsmäßig mit den beiden Heizeinrichtungen 40, 41 und mit nicht gezeigten Sensoren und Aktoren der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden ist und die Heizeinrichtungen 40, 41 abhängig von den Signalen dieser Sensoren unabhängig voneinander aktiv ansteuern kann. Die elektronische Steuerungseinrichtung 60 kann als separate Katalysator-Heizungsteuerungseinrichtung konzipiert sein oder in ein Motorsteuergerät für die Verbrennungskraftmaschine 10 integriert sein. Werden die Heizeinrichtungen 40,41 mit Energie beaufschlagt, erwärmen sich diese und übertragen ihre Wärmeenergie auf die drei Katalysebereiche 37,38,39. Das Heizelement 40 erwärmt die daran angrenzenden Katalysebereiche 37 und 38, das Heizelement 41 erwärmt die daran angrenzenden Katalysebereiche 38 und 39.
Bei der Strategie der Aktivierung, d.h. der elektrischen Ansteuerung der beiden Heizelemente 40,41 können zwei grundsätzliche Fälle unterschieden werden.
Zum einen können beide Heizelemente 40,41 gleichzeitig mit Energie versorgt werden, was zu einer Aufheizung des gesamten physikalisch verfügbaren katalytischen Gesamtbereiches des Abgaskatalysators 35 in kürzester Zeit führt.
Durch ein Vorheizen der beiden Heizelemente 40,41 bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 10 ergibt sich eine optimale Nutzung der freien Konvektion und Wärmeleitung des Katalysatorvolumens stromaufwärts des jeweiligen Heizelements. Sofern die Auslegung des Systems es möglich macht, eine Konvektion zu erzwingen, beispielsweise unter Einsatz einer elektrisch angetriebenen Maschine, welche einen Luftmassenstrom in den Abgasstrang liefert, oder durch Schleppen der Verbrennungskraftmaschine in eine ihrer beiden möglichen Drehrichtungen, kann die Konvektion und Wärmeleitung auch richtungsabhängig genutzt werden. Somit kann das vollständige Katalysatorvolumen, d.h. der katalytisch aktive Gesamtbereich 42 aufgeheizt werden. Dabei werden die Heizelemente 40,41 jeweils nur solange aktiviert, bis das jeweils für sie durch die Gasbewegung unmittelbar aufheizbare Volumen katalytisch aktiv ist.
Bei Einsetzen der Drehbewegung der Verbrennungskraftmaschine 10 werden beide Heizelemente 40,41 bis zum Übergang eines ON/OFF gesteuerten Heizbetriebes zur Erhaltung des Temperaturniveaus an dem jeweiligen Heizelement 40, 41 (begrenzt auf die maximale Höhe, bei der eine vorzeitig relevante Alterung oder gar Zerstörung sicher vermieden werden kann) angesteuert. Der ON/OFF-Betrieb richtet sich an der Höhe der lokal erreichten Katalysatortemperaturen und des Abgasmassenstroms aus. Jeweilige Deaktivierung der Heizelemente 40,41 bei erreichtem aufheizbaren maximalen Katalysatorvolumens stromabwärts.
Zum anderen kann aufgrund der beschriebenen Platzierung der beiden Heizelemente 40,41 innerhalb des Abgaskatalysators 35 diese zur Erhöhung der Temperatur des Abgases zur Aktivierung einer stromabwärts des Abgaskatalysators liegenden Komponente der Abgasnachbehandlungsanlage genutzt werden. Hierzu wird ausschließlich das zweite Heizelement 41 stromabwärts des ersten Heizelementes 40 aktiviert, d.h. mit Energie beaufschlagt, bis die Abgastemperatur nach dem Abgaskatalysator 35 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Es erfolgt ein ON/OFF-Betrieb bei Heizfunktion des zweiten Heizelementes 41 zur Aufrechterhaltung der Abgastemperatur bis die stromabwärtsliegende Komponente des Abgaskatalysators ausreichendes Temperaturniveau erreicht hat. Gegebenenfalls erfolgt eine Fortsetzung des ON/OFF-Heizelementbetriebs bis ein temporärer Prozess im stromabwärtsliegenden Teil der Abgasnachbehandlungsanlage abgeschlossen ist, beispielsweise die Regeneration eines Partikelfilters beendet ist.
In einer besonderen Ausführung der angegebenen Fälle können aktuelle Informationen wie zum Beispiel Kraftstoffqualität individuelle Fahrzeugeigenschaften (Fahrzeughalter, Fahrhistorie, Komponentenzustand, etc.), Umgebungsparameter wie Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit, Verkehrsdichte, Baustellen, A-priori-Kenntnisse, zum Beispiel ein bekanntes Streckenprofil, gegebenenfalls individuelle Fahrinformationen wie Fahrertypus, auf auch künstlicher Intelligenz basierende Systeminformationen zur Anpassung aller oben aufgeführten Temperaturschwellenwerte, Heizdauern und Sollwerte verwendet werden.
In einer besonderen Ausführungsform der Ansteuerstrategie kann die Aktivierung der Heizelemente 40,41 vor der Erreichung des maximal aufheizbaren katalytisch aktiven Bereiches unterbrochen werden, um den stark verzögerten Aufheiz- bzw. Temperaturausgleichsvorgang zu nutzen und um elektrische Energie einzusparen.
In einer weiteren Ausführung der Ansteuerstrategie der Heizelemente 40,41 wird der Aufheiz- bzw. Temperaturausgleichsvorgang durch Modelle prädiziert und somit die gezielte Anpassung des Heizvorgangs an die Raumgeschwindigkeit des Katalysators vorgenommen.
Sollte der ideale Heizvorgang aufgrund des Raumgeschwindigkeitsverlaufs mit den beiden Heizelementen 40,41 nicht realisierbar sein, erfolgt die Ansteuerstrategie gemäß der angegebenen Gütekriterien so optimal wie möglich. In den Fällen, in denen eine Aktivierung der Heizelemente 40,41 gemäß der Erfindung erfolgen soll, ist jedoch grundsätzlich zu prüfen, ob dies im Rahmen der noch verfügbaren Energiemenge des Energiespeichers möglich ist.
In einer besonderen Ausführung können die oben angegebenen Schwellenwerte und Sollwerte in Abhängigkeit der verfügbaren Energiemenge des Energiespeichers, welcher die Heizeinrichtungen 40,41 mit Energie versorgt, bzw. durch die Vorgaben eines umfassenden Energiemanagements herauf- bzw. herabgesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
15: Ansaugtrakt
20: Motorblock
25: Abgasstrang
30: Abgasnachbehandlungsanlage
35: elektrisch beheizter Abgaskatalysator
36: Mantelrohr
37: erster Katalysabereich
38: zweiter Katalysebereich
39: dritter Katalysebereich
40: erstes Heizelement
41: zweites Heizelement
42: Gesamtkatalysebereich
43: Elektromaschine
44: elektrische Maschine im Ansaugtrakt,
50: Abgasnachbehandlungskomponente
60: elektronische Steuerungseinrichtung

Claims

Elektrisch beheizter Abgaskatalysator (35) in einem Abgasstrang (25) einer Verbrennungskraftmaschine (10), aufweisend: - einen Gesamtkatalysebereich (42) zur katalytischen Behandlung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (10), - zwei innerhalb des Gesamtkatalysebereiches (42) angeordnete elektrische Heizelemente (40,41), welche in einem vorbestimmten Abstand in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander platziert sind, so dass der Gesamtkatalysebereich (42) in drei in Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgende Katalysebereiche (37, 38, 39) aufgeteilt ist, - ein erstes Heizelement (40) das in dem Gesamtkatalysebereich (42) derart angeordnet ist, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des ersten Heizelementes (40) ein erster Katalysebereich (37) gebildet ist, der 5-15 % des Gesamtkatalysebereiches (42) beträgt, - ein zweites Heizelement (41), das in dem Gesamtkatalysebereich (42) derart angeordnet ist, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des zweiten Heizelementes (41) ein Katalysebereich (37,38) gebildet ist, der 60-80% des Gesamtkatalysebereiches (42) beträgt, - einen dritten Katalysebereich (39), der in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromabwärts des zweiten Heizelementes (41) gebildet ist, wobei der erste katalytische Bereich (37) und der zweite katalytische Bereich (38) das erste elektrische Heizelement (40) kontaktieren.
Abgaskatalysator nach Anspruch 1, wobei der zweite katalytische Bereich (38) und der dritte katalytische Bereich (39) das zweite elektrische Heizelement (42) kontaktieren.
Abgaskatalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Heizelemente (40,41) als Heizscheiben ausgebildet sind.
Abgaskatalysator nach Anspruch 3, wobei der Abgaskatalysator (35) ein Mantelrohr (36) aufweist und die Heizscheiben den Innenraum des Mantelrohrs (36) in radialer Richtung nahezu vollständig ausfüllen und die Fixierung der Heizscheiben mittels Stützstiften an jeweils einem Stützkatalysatorvolumen erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizten Abgaskatalysators (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zeitlich vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine (10) mindestens eines der beiden Heizelemente (40,41) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine erzwungene Konvektion mittels eines Luftmassenstromes durch das mindestens eine Heizelement (40,41) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erzwungene Konvektion durch Aktivieren einer im Ansaugtrakt (15) angeordneten elektrisch angetriebenen Maschine (44) erfolgt, welche einen Luftmassenstrom erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erzwungene Konvektion mittels der Verbrennungskraftmaschine (10) erfolgt, welche von einer Elektromaschine (42) geschleppt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine richtungsabhängige erzwungene Konvektion erzeugt wird, indem die Verbrennungskraftmaschine (10) abwechselnd in einer ersten Drehrichtung gedreht wird und anschließend in einer zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung gedreht wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizten Abgaskatalysators (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einsetzender Drehbewegung der Verbrennungskraftmaschine (10) beide Heizelemente (40,41) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Aktivierung der beiden Heizelemente (40,41) andauert, bis zu einem ON/OFF gesteuerten Heizbetrieb zur Erhaltung eines vorbestimmten Temperaturniveaus an dem jeweiligen Heizelement (40,41).
Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizten Abgaskatalysators (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bis zum Erreichen eines vorbestimmten Schwellenwertes für die Abgastemperatur stromabwärts des Abgaskatalysators (35) ausschließlich das zweite Heizelement (42) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach Erreichen des Schwellenwertes das zweite Heizelement (41) in einem ON/OFF gesteuerten Heizbetrieb zur Aufrechterhaltung der Abgastemperatur betrieben wird, bis der stromabwärts liegende Teil des Abgaskatalysators (35) ein ausreichendes Temperaturniveau erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der ON/OFF gesteuerte Heizbetrieb solange aufrechterhalten wird, bis ein temporärer Prozess für eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (50) stromabwärts des Abgaskatalysators (35) abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der temporäre Prozess eine Regeneration eines Partikelfilters ist.