DE102019119867A1

DE102019119867A1 - Verfahren zum Beheizen eines Automobilkatalysators umfassend mehrere Heizstufen

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Publication number: DE102019119867A1
Application number: DE102019119867.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Frederik Klöck; Sergej Jakovlev; Johannes Bunkus; Tim Voeltz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs umfassend mehrere Heizstufen zum Beheizen eines Katalysators. Ferner betrifft die Erfindung einen Automobilantrieb, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens. Durch die Erfindung kann der Katalysator bevorzugt CO2-neutral beheizt werden, ohne dass das das Bordnetz und/oder das Energiespeichersystem über Gebühr belastet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs umfassend mehrere Heizstufen zum Beheizen eines Katalysators. Ferner betrifft die Erfindung einen Automobilantrieb, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens. Durch die Erfindung kann der Katalysator bevorzugt CO₂-neutral beheizt werden, ohne dass das Bordnetz und/oder das Energiespeichersystem über Gebühr belastet wird.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dieselmotoren sind beispielsweise zur Sicherung minimaler Schadstoffemissionen, zum Beispiel von Stickoxiden NO_x, auf eine entsprechende Abgasnachbehandlung angewiesen.
Eine wesentliche Möglichkeit zur Abgasnachbehandlung, das heißt zur Entfernung von unerwünschten chemischen Stoffen aus Abgasen, stellt ein Katalysator dar. Die am Katalysator durchgeführte Reduktion, die zum Entfernen der unerwünschten chemischen Stoffe aus den Abgasen führt, ist temperaturabhängig. Eine wirksame katalytische Reduktion der Abgase erfordert somit eine möglichst genau eingestellte Temperatur am Katalysator. Insbesondere sollte die Katalysatortemperatur nicht zu stark absinken, da dies eine starke Verminderung der am Katalysator stattfindenden Reduktion bedingt.
Für eine effiziente Abgasnachbehandlung müssen daher Maßnahmen ergriffen werden, um das Abgastemperaturniveau nicht zu weit absinken zu lassen. Hierbei lässt sich zwischen innermotorischen Maßnahmen und außermotorischen Maßnahmen unterscheiden. Aus dem Stand der Technik bekannte außermotorische Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur stellen zum Beispiel die Sekundärlufteinblasung, die Bereitstellung elektrisch beheizter Katalysatoren sowie HC-Dosierung in das Abgas dar. Ein wichtiges Beispiel für eine innermotorische Maßnahme ist die späte Nacheinspritzung von Kraftstoff. Durch die späte Nacheinspritzung verbrennt der Kraftstoff nicht im Zylinder, sondern reagiert erst später exotherm auf dem Oxidationskatalysator mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff.
DE 10 2008 063 449 A1 offenbart ein Verfahren, um die Reinigungswirkung des Katalysators, insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine nach einem Stillstand, zu verbessern. Dazu wird die Brennkraftmaschine in einer Katalysator-Kaltphase, in welcher der Katalysator eine gewünschte Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und beheizt wird, durch die Elektromaschine angetrieben, um einen Heizmediumstrom zu Heizzwecken durch den beheizten Katalysator zu fördern, bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird.
Im Falle von Hybridfahrzeugen ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Katalysatortemperatur durch ein Heizmittel anzuheben.
Moderne Automobile verfügen über zahlreiche Funktionen, die viel elektrische Energie benötigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, gewinnen Automobile mit einem Mittelvolt (Mildhybrid) System zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf ein System hingewiesen, welches das Betreiben des Automobils mit einem 48-V-Bordnetz ermöglicht. Durch das 48-V-Bordnetz können die zahlreichen elektrisch betriebenen Funktionen in modernen Automobilen mit Energie versorgt werden, wobei gleichzeitig den immer strenger werdenden Abgasnormen Rechnung getragen wird.
Automobile, die mit einem 48-V-Bordnetz ausgerüstet sind, versorgen das Heizmittel, welches dazu dient, die Katalysatortemperatur auf den für eine ausreichende Reduktion des Abgases notwendigen Temperaturbereich anzuheben, mit elektrischer Energie.
Allerdings führt die Inanspruchnahme des 48-V-Systems zu Problemen, da das 48-V-System durch das Heizmittel stark belastet wird. Insbesondere die periodische beziehungsweise dauerhafte Ansteuerung einer Heizscheibe belastet die 48-V-Batterie durch hohen und dauerhaften Strombedarf. Diese Belastung des 48-V-Systems kann dazu führen, dass das 48-V-System nicht mehr für andere Funktionen im Fahrzeug zur Verfügung steht. Insbesondere Funktionen aus dem 48-V-System wie Hybridfunktionen, zum Beispiel Rekuperation und/oder Boost, werden hierdurch eingeschränkt und sind für den Fahrzeugführer nicht mehr in vollem Umfang nutzbar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Betriebsstrategie für die Beheizung des Katalysators bereitzustellen, die die vorstehend genannten Probleme aus dem Stand der Technik adressiert.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, eine ganzheitliche Betriebsstrategie bereitzustellen, die verlässlich zu hohe als auch zu niedrige Katalysatortemperaturen vermeidet und die damit verbundene Luftbelastung durch unvollständig nachbehandelte Abgase vermeidet. Gleichzeitig wird eine zu hohe Belastung des Bordstromnetzes vermieden und damit sichergestellt, dass die elektrisch betriebenen Automobilfunktionen konstant nutzbar sind.
Das Heizmittel ist elektrisch beheizbar. Insbesondere wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Insbesondere kann das Heizmittel eine Heizscheibe und/oder eine Heizmatte und/oder ein elektrisch beheizter Katalysator sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren beschrieben zum Betreiben eines Automobilantriebes umfassend eine Brennkraftmaschine, eine Elektromaschine und einen Katalysator sowie ein Heizmittel sowie eine Steuervorrichtung, wobei die Elektromaschine mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

(1) Aktivieren einer ersten Heizstufe durch die Steuervorrichtung zum Beheizen des Katalysators durch das Heizmittel, wobei das Aktivieren der ersten Heizstufe erfolgt, sofern eine oder mehrere erste Bedingungen vorliegen
(2) Aktivieren einer zweiten Heizstufe durch die Steuervorrichtung zum Beheizen des Katalysators durch das Heizmittel, wobei das Aktivieren der wenigstens einen zweiten Heizstufe erfolgt, sofern eine oder mehrere zweite Bedingungen vorliegen, wobei die ersten Bedingungen und die zweiten Bedingungen unterschiedlich sind.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass, sofern im Zusammenhang von einer ersten Heizstufe, einer zweiten Heizstufe und einer dritten Heizstufe und so weiter die Rede ist, die Heizstufen unterschiedlich ausgebildet sind.
Durch die Aktivierung der Heizstufen bei unterschiedlichen Bedingungen kann gemäß der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Betriebsstrategie effizient und ökologisch der Katalysator auf der erforderlichen Temperatur gehalten werden. Ist beispielsweise die Ist-Temperatur des Katalysators bereits ausreichend hoch, kann es ausreichend sein, dass nur die erste Heizstufe aktiviert ist, welche insbesondere Energie aus der Bremsrekuperation beziehungsweise den elektrischen Schub verwertet. Eine zweite Heizstufe oder gar eine dritte Heizstufe, welche einen befeuerten Schub erfordert, wäre in diesem Falle nicht zweckmäßig im Sinne einer optimalen Fahreffizienz und einer optimalen Schadstoffreduzierung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur am Katalysator im Sinne einer Ist-Temperatur T_Ist regelmäßig überwacht. Abhängig von der Art des Katalysators weist dieser eine bevorzugte Betriebstemperatur auf. Hierzu wird insbesondere ein Temperaturbereich definiert, in welchem der Katalysator optimal beziehungsweise zumindest ausreichend dahingehend betrieben werden kann, dass eine den Abgasnormen entsprechende Reinigung des Abgases erfolgen kann. Demnach wird eine Minimum-Katalysatortemperatur T_Kat,min und eine Maximum-Katalysatortemperatur T_Kat,max festgelegt, die den erforderlichen Temperaturbereich der Katalysatortemperatur beschreiben.
Die Aktivierung der verschiedenen Heizstufen wird an das Vorliegen bestimmter Bedingungen geknüpft.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Bedingungen zur Aktivierung der ersten Heizstufe mit R1 bezeichnet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Bedingungen zur Aktivierung der zweiten Heizstufe mit R2 bezeichnet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Bedingungen zur Aktivierung der dritten Heizstufe mit R3 bezeichnet.
Die Aktivierung der verschiedenen Heizstufen wird an das Vorliegen bestimmter Bedingungen geknüpft.
Eine Bedingung für die Aktivierung also auch für die Deaktivierung der Heizstufen kann unter anderem die Ist-Temperatur T_Ist des Katalysators sein. Für jede der Heizstufen wird eine initiale Temperatur T_Ini festgelegt. T_Ini,1 beschreibt die Initial-Temperatur der ersten Heizstufe. T_Ini,2 beschreibt die Initial-Temperatur der zweiten Heizstufe. T_Ini,3 beschreibt die Initial-Temperatur der dritten Heizstufe. Liegt die Ist-Temperatur des Katalysators unterhalb der initialen Temperatur, ist eine Bedingung erfüllt, um die Heizstufe zu aktivieren.
Für jede der Heizstufen wird eine Endtemperatur T_End festgelegt. T_End,1 beschreibt die End-Temperatur der ersten Heizstufe. T_End,2 beschreibt die End-Temperatur der zweiten Heizstufe.
T_End,3 beschreibt die End-Temperatur der dritten Heizstufe. Liegt die Ist-Temperatur des Katalysators oberhalb der End-Temperatur, ist eine Bedingung erfüllt, um die entsprechende Heizstufe zu deaktivieren.
Durch die Definition unterschiedlicher End-Temperaturen beziehungsweise Initial-Temperaturen für die verschiedenen Heizstufen ist es möglich, dass die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Heizstufen sequenziell erfolgt.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform wird die erste Heizstufe vor der zweiten Heizstufe aktiviert. Gemäß einer noch spezielleren Ausführungsform wird die zweite Heizstufe vor der dritten Heizstufe aktiviert.
Dementsprechend wird gemäß einer speziellen Ausführungsform die dritte Heizstufe vor der zweiten Heizstufe deaktiviert. Gemäß einer noch spezielleren Ausführungsform wird die zweite Heizstufe vor der ersten Heizstufe deaktiviert.
Durch die sequentielle Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Heizstufen kann gemäß der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Betriebsstrategie der Katalysator effizient und ökologisch auf der erforderlichen Temperatur gehalten werden. Ist beispielsweise die Ist-Temperatur des Katalysators bereits ausreichend hoch, kann es ausreichend sein, dass nur die erste Heizstufe aktiviert ist, welche insbesondere Energie aus der Bremsrekuperation beziehungsweise dem elektrischen Schub verwertet. Eine zweite Heizstufe oder gar eine dritte Heizstufe, welche einen befeuerten Schub erfordert, wäre in diesem Falle nicht zweckmäßig im Sinne einer optimalen Fahreffizienz und einer optimalen Schadstoffreduzierung.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine der Heizstufen auf Wunsch des Fahrers aktiviert werden oder deaktiviert werden. Gemäß einer spezielleren Ausführungsform kann die zweite und/oder die dritte Heizstufe auf Wunsch des Fahrers aktiviert werden oder deaktiviert werden. Insbesondere im Falle der zweiten Heizstufe kann auf Wunsch des Fahrers die Beheizung ausschließlich durch das 48-V-Netz betrieben werden. Hierbei kann eine Voraussetzung für die Aktivierbarkeit der zweiten Heizstufe ein Mindestladestand der 48-V-Batterie sein, wobei bevorzugt eine Voraussetzung für die Aktivierbarkeit der zweiten Heizstufe eine vollständig geladene 48-V-Batterie ist.
Bevorzugt ist die Elektromaschine ein Startergenerator, der die Funktionen von Anlasser und Lichtmaschine in einer einzigen elektrischen Maschine, auch Elektromaschine genannt, vereint.
Er kann damit sowohl den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs beschleunigen (Startbetrieb), als auch bei laufendem Motor elektrischen Strom erzeugen (Generatorbetrieb). Startergeneratoren werden derzeit überwiegend bei Mildhybridfahrzeugen mit einem 48-Volt-Bordnetz verwendet.
Moderne leistungsstarke Startergeneratoren können in Hybridelektrokraftfahrzeugen Energie sparen, indem sie beim Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie zurückspeisen und diese Energie später verwenden, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen, wenn besonders viel Energie benötigt wird, beispielsweise beim Beschleunigen. Auch die elektrischen Antriebsmaschinen von vielen Hybriden mit einer höheren Spannungslage (beispielsweise von Plug-in-Hybriden) können das Starten des Verbrennungsmotors übernehmen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck Heizstufe als separate Strategie beziehungsweise Maßnahme zum Beheizen des Katalysators durch das Heizmittel zu verstehen, wobei die Heizstufe zum einen durch ihre Indizierungsbedingungen, das heißt die Bedingungen, bei welchen die Heizstufe aktiviert wird, als auch die Bedingungen, bei welchen die Heizstufe deaktiviert wird, charakterisiert ist. Zum anderen ist eine Heizstufe im Sinne der vorliegenden Erfindung dadurch charakterisiert, dass bestimmt ist, wie die Heizenergie zur Verfügung gestellt wird. So kann die Heizstufe dadurch charakterisiert sein, dass die Energie durch einen befeuerten Schub bereitgestellt wird, welche als elektrische Energie an das Heizmittel geliefert wird und durch das Heizmittel in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators umgewandelt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass bei der ersten Heizstufe Bremsenergie und/oder elektrische Schubenergie durch das Heizmittel in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators umgewandelt wird. Die Batterie kann in den vorgenannten Fällen als Energiepuffer und/oder Energiezwischenspeicher dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei das Heizmittel eine Heizscheibe ist.
Mittels der Heizscheibe kann vorteilhaft elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt werden und zur Beheizung des Katalysators beitragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei dieses wenigstens eine oder mehrere erste Bedingungen der ersten Heizstufe umfasst

(1) eine aktive Bremsrekuperation; und/oder
(2) einen aktiven elektrischen Schub.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei dieses als wenigstens eine oder mehrere erste Bedingungen der ersten Heizstufe umfasst, dass die Ist-Temperatur T_Ist des Katalysators unterhalb einer Initial-Temperatur der ersten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei dieses als wenigstens eine oder mehrere zweite Bedingungen der zweiten Heizstufe umfasst, dass die Ist-Temperatur des Katalysators unterhalb einer Initial-Temperatur der zweiten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei bei der ersten Heizstufe Bremsenergie und/oder elektrische Schubenergie durch das Heizmittel in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators umgewandelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die Initial-Temperatur der zweiten Heizstufe oberhalb der Initial-Temperatur der ersten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die End-Temperatur der zweiten Heizstufe unterhalb der End-Temperatur der ersten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: Aktivieren einer dritten Heizstufe durch die Steuervorrichtung zum Erhitzen des Katalysators durch das Heizmittel, wobei das Aktivieren der dritten Heizstufe erfolgt, sofern eine oder mehrere dritte Bedingungen vorliegen, wobei die dritten Bedingungen sich von den zweiten Bedingungen und den ersten Bedingungen unterscheiden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei dieses als wenigstens eine oder mehrere dritte Bedingungen der dritten Heizstufe umfasst: Die Ist-Temperatur des Katalysators liegt unterhalb einer Initial-Temperatur der dritten Heizstufe und Vorliegen von befeuertem Schub.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die Initial-Temperatur der dritten Heizstufe oberhalb der Initial-Temperatur der ersten Heizstufe liegt. Weiter wird insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die Initial-Temperatur der dritten Heizstufe oberhalb der Initial-Temperatur der zweiten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die End-Temperatur der dritten Heizstufe unterhalb der End-Temperatur der ersten Heizstufe liegt. Weiter wird insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei die End-Temperatur der dritten Heizstufe unterhalb der End-Temperatur der zweiten Heizstufe liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs beschrieben, wobei bei der dritten Heizstufe Energie durch den befeuerten Schub bereitgestellt wird, welche als elektrische Energie an das Heizmittel geliefert wird und durch das Heizmittel in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators umgewandelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Automobilantrieb beschrieben umfassend eine Brennkraftmaschine, eine Elektromaschine und einen Katalysator sowie ein Heizmittel und eine Steuervorrichtung, wobei die Elektromaschine mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und wobei der Automobilantrieb ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 Schematische Darstellung eines Automobilantriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 Schematische Darstellung der sequentiellen Aktivierung von Heizstufen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment ohne Heizstufe,
4 Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment bei erster Heizstufe, und
5 Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment bei dritter Heizstufe.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Automobilantriebs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Automobilantrieb 1 umfasst einen Katalysator 4, ein Heizmittel 5, eine Brennkraftmaschine 6 und eine Elektromaschine 7. Das Heizmittel 5 dient zur Beheizung des Katalysators 4 wie durch den entsprechenden Pfeil in 1 angedeutet. Durch die Elektromaschine wird Energie, die durch die Brennkraftmaschine 6 erzeugt wird, in elektrische Energie umgewandelt beziehungsweise elektrische Energie kann in mechanische Energie umgewandelt werden und so zum Antrieb des Automobils genutzt werden, wie durch den Pfeil in 1 angedeutet. Hiernach sind Brennkraftmaschine 6 und Elektromaschine 7 miteinander koppelbar. Durch die Steuervorrichtung 3 kann eine Beheizung des Katalysators 4 durch das Heizmittel 5 im Rahmen verschiedener Heizstufen durchgeführt werden. Dabei definiert jede Heizstufe eine von bestimmten Einstiegsbedingungen abhängige Strategie zur Beheizung des Katalysators. Die hierzu notwendige elektrische Energie wird in der Regel durch die Elektromaschine 7 bereitgestellt, die wiederum motorische Energie der Brennkraftmaschine 6 in elektrische Energie umwandelt. Dabei wird durch die Elektromaschine elektrische Energie bereitgestellt, die wiederum durch das Heizmittel 5, welches bevorzugt eine Heizscheibe darstellt, in Wärmeenergie umgewandelt wird. Eine nicht gezeigte Batterie kann dabei als Energiepuffer beziehungsweise Energiespeicher zwischenzeitlich genutzt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der sequentiellen Aktivierung von Heizstufen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Vor dem Start des Automobils gleicht die Katalysatortemperatur im Wesentlichen der Umgebungstemperatur. Damit ist die Katalysatortemperatur deutlich unter der notwendigen Betriebstemperatur des Katalysators. Um ein Betreiben des Automobils unterhalb der notwendigen Betriebstemperatur des Katalysators zu vermeiden, findet noch vor Motorstart eine Vorheizstufe 200 statt. Hierbei wird elektrische Energie an der Heizscheibe zu Wärmeenergie umgewandelt. Damit steigt die Katalysatortemperatur noch vor Motorstart an und kann damit gewährleisten, dass eine ausreichende Temperatur am Katalysator bei Fahrbeginn vorliegt.
Nach Fahrbeginn wird zusätzlich zu der Vorstufe 200 eine erste Heizstufe aktiviert. Die erste Heizstufe 211 wandelt die bei der Bremsrekuperation gewonnene Energie an der Heizscheibe in Wärmeenergie zur Beheizung des Katalysators um. Damit kommt es beim Transfer sowie beim elektrischen Schub zu einem Beheizen des Katalysators.
Zusätzlich zu der Vorstufe 200 und der ersten Heizstufe 201 wird bei Vorliegen bestimmter Bedingungen eine zweite Heizstufe 222 aktiviert. Es kommt zur Umwandlung motorischer Energie in Heizenergie durch die Heizscheibe am Katalysator. Die zweite Heizstufe 222 wird sequenziell nach der ersten Heizstufe 211 aktiviert.
Zusätzlich zu der Vorstufe 200, der ersten Heizstufe 201 und der zweiten Heizstufe 222 wird bei Vorliegen bestimmter Bedingungen eine dritte Heizstufe 233 aktiviert. Bei der dritten Heizstufe 233 wird elektrische Energie durch einen befeuerten motorischen Schub bereitgestellt. Diese Energie wird an einer Heizscheibe in Wärmeenergie umgewandelt, und dient zur weiteren Aufheizung des Katalysators.
Wie in 2 dargestellt, findet die Aktivierung der ersten Heizstufe 211, der zweiten Heizstufe 222 und der dritten Heizstufe 233 bevorzugt sequenziell statt. So wird die zweite Heizstufe 222 erst nach Vorliegen der ersten Heizstufe 211 aktiviert und die dritte Heizstufe 233 wird erst nach Vorliegen der zweiten Heizstufe 222 aktiviert.
Entsprechend werden die Heizstufen deaktiviert. Im Zustand, bei welchem alle drei Heizstufen aktiviert sind, findet eine sequenzielle Deaktivierung der Heizstufen statt. Zunächst wird die dritte Heizstufe 233 deaktiviert. Hierauf folgt eine Deaktivierung der zweiten Heizstufe 222 und erst zuletzt wird die erste Heizstufe 211 deaktiviert. Diese sequenzielle Aktivierung zur Deaktivierung der Heizstufen trägt dem Erfordernis Rechnung, dass eine Beheizung des Katalysators bedarfsgerecht erfolgt und möglichst CO₂-neutral ist. Die Deaktivierung der Heizstufen ist in 2 nicht dargestellt.
3 zeigt ein Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment ohne Heizstufe.
Die Merkmale in 3 sind mit Bezugszeichen versehen. Bezugszeichen 8 kennzeichnet das maximale Rekuperationsmoment. Bezugszeichen 10 kennzeichnet den Bereich mit negativem Temperaturgradient bei unbefeuertem Schubmoment und aktiver Bremsrekuperation oder elektrischem Schubmoment. Bezugszeichen 12 kennzeichnet die Grenze des unbefeuerten Schubmoments. Bezugszeichen 20 kennzeichnet den Bereich mit negativem Temperaturgradienten bei befeuertem Schubmoment. Bezugszeichen 22 kennzeichnet die Momentengrenze des katalytischen Temperaturgradienten. Bezugszeichen 30 kennzeichnet den Bereich mit positivem katalytischen Temperaturgradienten. Bezugszeichen 32 kennzeichnet das maximale Moment der Brennkraftmaschine.
Im Bereich 30 hoher Drehmomente liegt ein positiver Temperaturgradient vor. Der Temperaturgradient ist positiv. Mit der Zeit wird die Temperatur des Katalysators also steigen. Dieser Bereich 30 mit einem positiven Temperaturgradienten wird nach oben hin durch das maximale Moment der Brennkraftmaschine 32 und nach unten hin durch die Momentengrenze des katalytischen Temperaturgradienten 22 begrenzt. In diesem Bereich 30 mit einem positiven Temperaturgradienten findet eine ausreichende Beheizung des Katalysators statt, ohne dass zusätzliche Heizstufen aktiviert werden. Erfindungsgemäß ist damit bevorzugt, dass im Bereich 30 sämtliche Heizstufen für den Katalysator deaktiviert sind.
Im Falle kleinerer Drehmomente findet ein Wechsel des Vorzeichens des Temperaturgradienten statt. Diese Grenze ist in der 3 mit Bezugszeichen 22 gekennzeichnet und wird als Momentengrenze des katalytischen Temperaturgradienten bezeichnet. Im Folgenden werden in den 4 und 5 Auswirkungen der ersten sowie der dritten Heizstufe auf den Temperaturgradienten untersucht.
4 zeigt ein Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment bei erster Heizstufe.
Im Bereich 11, der nach oben hin durch die Grenze des unbefeuerten Schubmoments 12 und nach unten durch das maximale Rekuperationsmoment 8 begrenzt wird, wird der Katalysator nicht hinreichend durch warme Motorgase erhitzt. Der Temperaturgradient, also die Ableitung der Temperatur nach der Zeit, ist damit negativ. Mit der Zeit wird die Temperatur des Katalysators also sinken. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur des Katalysators weiter unterhalb der notwendigen Betriebstemperatur sinkt. Dies hat zur Folge, dass der Katalysator nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet, wobei die entstehenden Motorabgase nicht ausreichend gereinigt werden.
Dem wirkt nun die erste Heizstufe entgegen, indem Bremsenergie zunächst in elektrische Energie und danach wiederum in Wärmeenergie durch die Heizscheibe umgewandelt wird. Dies hat zur Folge, dass der Temperaturgradient im Bereich 11 nun positiv ist und selbst beim Bremsen beziehungsweise beim elektrischen Schub ein Beheizen des Katalysators stattfindet. Hierdurch wird nicht nur vermieden, dass der Katalysator abkühlt, sondern ferner wird der Katalysator, sofern dieser noch nicht oder nicht mehr auf die gewünschte Temperatur eingestellt ist, wieder aufgeheizt.
5 zeigt das Diagramm der Temperaturgradienten in Abhängigkeit von Umdrehungszahl und Drehmoment bei aktivierter dritter Heizstufe. Die Merkmale der Bereiche 10 und 30 entsprechen denen gemäß 3. Bezugszeichen 8 kennzeichnet demnach das maximale Rekuperationsmoment. Bezugszeichen 10 kennzeichnet den Bereich mit negativem Temperaturgradient bei unbefeuertem Schubmoment und aktiver Bremsrekuperation oder elektrischem Schubmoment. Bezugszeichen 12 kennzeichnet die Grenze des unbefeuerten Schubmoments.
Da die dritte Heizstufe aktiviert ist, wird Motorenergie in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird dann durch das Heizmittel in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators umgewandelt. Dabei kann die Autobatterie als Puffer beziehungsweise Energiespeicher zwischenzeitlich genutzt werden. 5 zeigt, dass durch Umwandlung der Schubenergie in Wärmeenergie am Katalysator ein Auskühlen des Katalysators im Bereich 20 vermieden werden kann. Im Bereich 20 des in 5 gezeigten Diagramms liegt nun teilweise ein positiver Temperaturgradient vor, das heißt, der Katalysator wird weiter erwärmt, wodurch einem Abkühlen des Katalysators entgegengewirkt wird beziehungsweise der Katalysator auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden kann. Die dritte Heizstufe führt vornehmlich bei geringeren Umdrehungszahlen im Bereich von 1000 bis 3000 Umdrehungen/min zu einer Temperaturerhöhung am Katalysator durch positiven Temperaturgradienten. Dieser Bereich eines positiven Temperaturgradient durch die dritte Heizstufe ist mit 40 bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Automobilantrieb
3: Steuervorrichtung
4: Katalysator
5: Heizmittel
6: Brennkraftmaschine
7: Elektromaschine
8: maximales Rekuperationsmoment
10: Bereich negativer Temperaturgradient bei unbefeuertem Schubmoment
11: Bereich mit unbefeuertem Schub und Rekuperation
12: Grenze unbefeuertes Schubmoment
20: Bereich negativer Temperaturgradient bei befeuertem Schubmoment
22: Momentengrenze des katalytischen Temperaturgradienten
30: Bereich mit positivem katalytischen Temperaturgradient
32: maximales Moment der Brennkraftmaschine
40: Bereich positiver Temperaturgradient durch dritte Heizstufe
200: Vorheizstufe
211: erste Heizstufe
222: zweite Heizstufe
233: dritte Heizstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008063449 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) umfassend eine Brennkraftmaschine (6), eine Elektromaschine (7) und einen Katalysator (4) sowie ein Heizmittel (5) sowie eine Steuervorrichtung (3), wobei die Elektromaschine (7) mit der Brennkraftmaschine (6) koppelbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aktivieren einer ersten Heizstufe (211) durch die Steuervorrichtung (3) zum Beheizen des Katalysators (4) durch das Heizmittel (5), wobei das Aktivieren der ersten Heizstufe (211) erfolgt, sofern eine oder mehrere erste Bedingungen R1 vorliegen; Aktivieren einer zweiten Heizstufe (222) durch die Steuervorrichtung (3) zum Beheizen des Katalysators (4) durch das Heizmittel (5), wobei das Aktivieren der wenigstens einen zweiten Heizstufe (222) erfolgt, sofern eine oder mehrere zweite Bedingungen R2 vorliegen; wobei die ersten Bedingungen R1 und die zweiten Bedingungen R2 unterschiedlich sind.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (5) elektrisch beheizbar ist, insbesondere mittels einer Heizscheibe und/oder einer Heizmatte und/oder eines elektrisch beheizten Katalysators.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine oder mehreren ersten Bedingungen R1 der ersten Heizstufe (211) umfassen: eine aktive Bremsrekuperation; und/oder einen aktiven elektrischen Schub.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine oder mehreren ersten Bedingungen R1 der ersten Heizstufe (211) umfassen: Die Ist-Temperatur T_Ist des Katalysators liegt unterhalb einer Initial-Temperatur T_Ini,1 der ersten Heizstufe (211).
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine oder mehreren zweiten Bedingungen R2 der zweiten Heizstufe (222) umfassen: Die Ist-Temperatur T_Ist des Katalysators liegt unterhalb einer Initial-Temperatur T_Ini,2 der zweiten Heizstufe (222).
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der ersten Heizstufe (211) Bremsenergie und/oder elektrische Schubenergie durch das Heizmittel (5) in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators (4) umgewandelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: Aktivieren einer dritten Heizstufe (233) durch die Steuervorrichtung (3) zum Erhitzen des Katalysators (4) durch das Heizmittel (5), wobei das Aktivieren der dritten Heizstufe (233) erfolgt, sofern eine oder mehrere dritte Bedingungen R3 vorliegen, wobei die dritten Bedingungen R3 sich von den zweiten Bedingungen R2 und den ersten Bedingungen R1 unterscheiden.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine oder mehreren dritten Bedingungen R3 der dritten Heizstufe (233) umfassen: Die Ist-Temperatur T_Ist des Katalysators liegt unterhalb einer Initial-Temperatur T_Ini,3 der dritten Heizstufe (233); und Vorliegen von befeuertem Schub.
Verfahren zum Betreiben eines Automobilantriebs (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei bei der dritten Heizstufe (233) Energie durch den befeuerten Schub bereitgestellt wird, welche als elektrische Energie an das Heizmittel (4) geliefert wird und durch das Heizmittel (5) in Wärmeenergie zum Beheizen des Katalysators (4) umgewandelt wird.
Automobilantrieb umfassend eine Brennkraftmaschine (6), eine Elektromaschine (7) und einen Katalysator (4) sowie ein Heizmittel (5) sowie eine Steuervorrichtung (3), wobei die Elektromaschine (7) mit der Brennkraftmaschine (6) koppelbar ist, und wobei der Automobilantrieb ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.