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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Beheizen eines Abgaskatalysators einer Verbrennungskraftmaschine.
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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.
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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.
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Die nötige Betriebstemperatur liegt zumeist in einem kraftstoff- und beschichtungsabhängigen Bereich beginnend bei circa 300 °C bis circa 600 °C. Da die Katalyse, die in dem Katalysebereich durchgeführt wird, für eine effektive Abgasnachbehandlung in der Regel eine bestimmte Mindesttemperatur, auch Light-Off-Temperatur oder Anspringtemperatur genannt, benötigt, ist es unter den zu erwartenden weiteren Senkungen der erlaubten Schadstoffemissionsgrenzwerte unter realen Fahrbedingungen, den sogenannten „Real Driving Emissions“ erforderlich, ein möglichst schnelles Aufheizen eines möglichst großen Katalysatorvolumens, zumindest bis zur Light-Off-Temperatur, zu gewährleisten .
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Es ist also notwendig, den Abgaskatalysator möglichst schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen. Hierzu können einerseits verbrennungstechnische Maßnahmen durchgeführt werden, das heißt Maßnahmen, bei denen die Verbrennungskraftmaschine derart betrieben wird, sodass die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zum schnellen Aufheizen des Abgaskatalysators genutzt werden kann. Dies führt jedoch in der Regel zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und kann den Zeitraum nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, in dem der Katalysator noch nicht arbeitet und erhöhte Schadstoffmengen emittiert werden, lediglich verkürzen, nicht aber beseitigen.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist es auch bereits bekannt, elektrisch beheizbare Abgaskatalysatoren einzusetzen. Derartige Abgaskatalysatoren weisen eine eigene elektrische Heizeinrichtung auf, die beispielsweise aus dem elektrischen Bordnetz eines mit der Verbrennungskraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs gespeist wird und welche den Abgaskatalysator auf die gewünschte Betriebstemperatur aufheizen kann. Ein Vorteil eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators besteht darin, dass der Abgaskatalysator in einer sogenannten Katalysator-Kaltphase auch ohne Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, also beispielsweise vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine, auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Damit werden die Schadstoffe bereits ab dem Startzeitpunkt der Verbrennungskraftmaschine konvertiert. Für einen optimalen Betrieb eines Abgaskatalysators muss das gesamte Volumen des Katalysatorsubstrates, also die gesamte katalytisch wirksame Oberfläche auf Betriebstemperatur, zumindest jedoch auf die Light-Off-Temperatur gebracht werden. Dabei ist für die Konvertierung der NOx-Emissionen ist ein größeres Katalysatorvolumen erforderlich als für die Konvertierung der Schadstoffe CO und HC.
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Bei einem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator (EHC = Electrical Heated Catalyst oder E-KAT), ist die elektrische Heizeinrichtung beispielsweise in Form von einer oder mehreren elektrischen, vom Gas/Abgas durchströmbaren Heizscheiben realisiert, die elektrische Leistung in Heizleitung umsetzen und die in unmittelbarer Nähe zu einem selbst unbeheizten Katalysatorsubstrat angeordnet sind.
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Da eine elektrische Heizscheibe ein vergleichsweise geringes Volumen aufweist und die innere Oberfläche der Heizscheibe selbst auch eine katalytische Beschichtung aufweist, wird diese katalytische Oberfläche unmittelbar, das heißt vor Ort und sehr schnell aufgeheizt.
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Die vergleichsweise geringe aktive katalytische Oberfläche der Heizscheibe kann ggf. zumindest in einem durch niedrige Last gekennzeichneten Startbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ausreichen um die Schadstoffe in dieser Phase auf ein zulässiges Maß zu reduzieren, es gilt jedoch auch das restliche Katalysatorsubstrat möglichst schnell und möglichst vollständig auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Dies erfolgt während der Aufheizphase, vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine nahezu ausschließlich durch Wärmestrahlung, die nur eine limitierte Wärmeübertragung ermöglicht. Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine wird das Aufheizen des restlichen Katalysatorsubstrats durch die in der Heizscheibe startende exotherme Umwandlungsreaktion der Abgase unterstützt.
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Aus Dokument
DE 10 2019 219 906 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs angeordneten Katalysators bekannt, bei dem stromaufwärts des Katalysators Sekundärluft in den Abgastrakt einspeisbar ist. Bei laufender Verbrennungskraftmaschine kann durch ein Anfetten des Verbrennungsgemischs und somit auch des Abgases und der zusätzlichen Einspeisung von Sekundärluft, derart, dass die stromab des aufzuheizenden Katalysators vorliegende Luftzahl A um die stöchiometrische Luftzahl oszilliert, eine exotherme Reaktion des angefetteten Abgases im Katalysator erfolgen, was zur schnellen Aufheizung des Katalysatorsubstrates beiträgt.
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Im Hinblick auf immer häufiger auftretenden Start-Stopp-Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen und häufig unverzügliche Lasterhöhung nach dem Start ist es jedoch wünschenswert bereits vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine ein möglichst großes Volumen des Katalysatorsubstrates auf Betriebstemperatur, zumindest jedoch über die Light-Off-Temperatur zu bringen, um eine vollständige Umwandlung der Schadstoffe im Abgas zu gewährleisten. Eine bloße Erhöhung der Heizleistung ist dazu nicht zielführend, da dies schnell zur Überhitzung und somit zur Schädigung der Heizscheibe führen kann.
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Jener Teil des Abgaskatalysators, der unterhalb der Light-Off-Temperatur liegt, trägt nicht zur Konvertierung bei. Es ist daher Ziel einer effizienten und schnellen Aufheizung eines Abgaskatalysators den Bereich, der unterhalb der Light-Off-Temperatur liegt, so klein wie möglich zu halten. Weiters soll die Heizeinrichtung, in der Regel die Heizscheibe sehr schnell auf die Light-Off-Temperatur gebracht werden, um sofort beim Start der Verbrennungskraftmaschine eine Konvertierung der Abgasbestandteile zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufheizen und eine Vorrichtung für einen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, dessen Kaltstartverhalten verbessert ist, so dass dieser besonders schnell effizient betrieben werden kann und ein verbessertes Konvertierungsverhalten insbesondere in der Startphase der Verbrennungskraftmaschine aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufheizen eines, in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten, eine elektrische Heizeinrichtung aufweisenden Abgaskatalysators. Dabei ist mit Hilfe einer Luftfördereinrichtung ein Sekundär-Luftmassenstrom in den Abgastrakt an einer Stelle stromaufwärts des Abgaskatalysators zuführbar, und die elektrische Heizeinrichtung wird zeitlich vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine mit einer vorgegebenen Heizleistung aktiviert. In einem der Heizeirichtung nahegelegenen Bereich im Abgaskatalysator wird die Katalysatortemperatur überwacht und in einem Zeitraum nach dem Aktivieren der Heizeinrichtung, bis die Katalysatortemperatur einen vorbestimmten ersten Schwellenwert erreicht hat, wird kein Sekundär-Luftmassenstrom oder ein Sekundär-Luftmassenstrom mit einer ersten Fördermenge in den Abgastrakt zugeführt und nachdem die Katalysatortemperatur den vorbestimmten ersten Schwellenwert erreicht hat wird der Sekundär-Luftmassenstrom mit einer zweiten Fördermenge in den Abgastrakt zugeführt, die größer ist als die erste Fördermenge.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich ein optimaler Einsatz der elektrischen Energie, um den elektrisch beheizten Abgaskatalysator (EHC) bereits vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine soweit aufzuheizen, dass bereits beim Start der Verbrennungskraftmaschine eine hohe Umwandlungsrate der Schadstoffe sichergestellt ist. Dabei kann gegenüber herkömmlichen Verfahren ein vergleichsweise großes aktives Katalysatorvolumen in kurzer Zeit (Katalysebereich) realisiert werden.
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Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit die Heizeinrichtung bereits von Beginn an und vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine mit erhöhter Heizleistung betreiben zu können, ohne eine Überhitzung und somit eine thermische Schädigung des katalytischen Substrats zu riskieren. Dies wird dadurch erreicht, dass bis zum Erreichen des ersten vorbestimmten Schwellenwertes der Katalysatortemperatur, der beispielsweise im Bereich der Light-Off-Temperatur festgelegt ist, kein oder nur eine kleiner Sekundär-Luftmassenstrom zugeführt wird um ein möglichst schnelles erreichen dieses Schwellenwertes zu gewährleisten. Hierbei wird der der Heizeinrichtung nahegelegene Bereiche des Abgaskatalysators durch Radiation und bei Vorliegen eines Sekundär-Luftmassenstroms mit einer ersten, vergleichsweise niedrigen Fördermenge auch durch Konvektion effektiv mitbeheizt.
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Um bei weiterhin anliegender hoher Heizleistung ein Überschießen der Temperatur der elektrischen Heizeinrichtung zu verhindern, wird bei Erreichen des vorbestimmten ersten Schwellenwertes der Katalysatortemperatur, der jedenfalls mit einem Sicherheitsabstand niedriger als die maximal zulässige Katalysatortemperatur vorbestimmt ist, die Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms auf einen gegenüber der ersten Fördermenge deutlich erhöhten Wert angehoben. Dies erhöht den konvektiven Wärmetransport von der Heizeirichtung zum restlichen Substratvolumen des Abgaskatalysators bei bereits erhöhter Temperatur und somit einen schnellen Wärmeeintrag in das Katalysatorsubstrat.
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Durch den Sekundär-Luftmassenstrom wird die Wärmekopplung zwischen Heizeinrichtung und Katalysatorsubstrat und somit auch die Messung der Katalysatortemperatur im Bereich nahe der Heizeinrichtung verbessert. Die Vorgabe der Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms ist, neben der elektrischen Heizleistung, für die Größe des aktivierten Katalysatorvolumens (Katalysebereich) zum Zeitpunkt des Starts der Verbrennungskraftmaschine ausschlaggebend.
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Mit Hilfe des Luftmassenstromes, der in den Abgaskatalysator eingeleitet wird, kann der Teil des Abgaskatalysators, welcher zum Zeitpunkt des Starts der Verbrennungskraftmaschine über der Anspringtemperatur, typischerweise 300°C, liegt, gegenüber bekannten Heizstrategien erweitert werden. Jener Teil des Abgaskatalysators, der unterhalb dieser Temperatur liegt, trägt nicht zur Konvertierung bei. Es ist daher Ziel einer effizienten und schnellen Aufheizung eines Abgaskatalysators den Bereich, der unterhalb der Anspringtemperatur liegt, so klein wie möglich zu halten. Weiters soll die Heizeinrichtung, in der Regel die Heizscheibe sehr schnell auf die Anspringtemperatur gebracht werden, um sofort beim Start der Verbrennungskraftmaschine eine Konvertierung der Abgasbestandteile zu ermöglichen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass, sobald die Katalysatortemperatur einen oberen Grenzwert erreicht, die Heizleistung der Heizeinrichtung so weit verringert und im Folgenden derart geregelt wird, dass eine vorgegebene Arbeitstemperatur des Abgaskatalysators, die größer ist als der vorbestimmte erste Schwellenwert der Katalysatortemperatur und kleiner als der obere Grenzwert, nicht unterschritten wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Energieverbrauch der Heizeinrichtung auf das erforderliche Maß beschränkt wird und keine wertvolle Energie, beispielsweise aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verschwendet wird.
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In Weiterbildung des vorgenannten Verfahrens, wird bei Vorliegen einer Katalysatortemperatur größer gleich der Arbeitstemperatur und nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine, die Fördermenge des in den Abgastrakt zugeführten Sekundär-Luftmassenstromes, in Abhängigkeit von einem stromabwärts des Abgaskatalysators im Abgastrakt angeordneten Regelsensors, so geregelt, dass eine stromab des Abgaskatalysators vorliegende Luftzahl, λ, sich dem stöchiometrischen Wert 1 annähert. Als Regelsensor kann dabei beispielsweise ein Stickoxidsensor, ein Lambdasensor oder ein Ammoniaksensor dienen, der stromabwärts des Katalysators angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Sauerstoff-Überschuss im Abgas vermieden, der sich nachteilig auf die NOx-Emissionen auswirken könnte. Weiterhin besteht dadurch die Möglichkeit den Abgaskatalysator während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine in Verbindung mit einer Variation der Kraftstoffzugabe auf Arbeitstemperatur zu halten, ohne elektrische Energie aus dem Bordnetz abziehen zu müssen.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als erster Schwellenwert für die Katalysatortemperatur die Anspringtemperatur bzw. die Light-Off-Temperatur des Abgaskatalysators vorbestimmt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Heizeinrichtung, die ja auch eine katalytische Beschichtung aufweist und die der Heizeinrichtung nahegelegenen Bereiche des Katalysatorsubstrates schnell zumindest die Light-Off-Temperatur erreichen, bevor die Verbrennungskraftmaschine gestartet wird.
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In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms in Abhängigkeit von der beim Aktivieren der Heizeinrichtung vorliegenden Katalysatortemperatur eingestellt. Dies wirkt sich vor allem vorteilhaft aus, wenn die Verbrennungskraftmaschine im „Start-Stop-Betrieb“ also mit häufigen Zwischenstopphasen durch phasenweisen Segelbetrieb, vollelektrischen Betrieb oder Ampelstops des Kraftfahrzeugs betrieben wird. In diesen Fällen startet die elektrische Aufheizung häufig auf einem bereits höheren Niveau als bei einem Kaltstart. Zur Beschleunigung der Aufheizung kann hier gegebenenfalls mit einer höheren ersten Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms gearbeitet werden als beim Kaltstart.
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In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Abhängigkeit von der Leistung der elektrischen Heizeinrichtung die erste Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms mit einen Wert zwischen 0,2 kg/h bis 5 kg/h vorgegeben werden und die zweite Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms kann mit einem Wert zwischen 10 kg/h bis 40 kg/h vorgegeben werden. Dabei kann bei höherer Nennleistung der Heizeinrichtung und gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Volumen des Katalysatorsubstrats prinzipiell auch jeweils eine größere erste und zweite Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Optimierung des Aufheizverfahrens in Bezug auf die konstruktiven und leistungstechnischen Randbedingungen des jeweiligen Anwendungsfalls.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Luftfördereinrichtung eine elektrisch antreibbare Luftfördereinrichtung verwendet wird, die bezüglich ihrer Förderleistung elektronisch steuerbar oder regelbar ist. Dies ermöglicht einen ökonomischen und punktgenauen Einsatz und eine gesteuerte oder geregelte Fördermenge des Sekundär-Luftmassenstroms.
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Dies trifft insbesondere zu, wenn, gemäß einer weiteren Ausführung, mittels elektronisch regelbarer Förderleistung der elektrisch antreibbaren Luftfördereinrichtung und/oder einem elektronisch ansteuerbaren Luftventil (71) die Fördermenge des in den Abgastrakt zugeführten Sekundär-Luftmassenstroms variiert werden kann.
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In einer anderen Ausführung kann, alternativ zu einer elektrisch betriebenen Luftfördereinrichtung, die unbefeuerte Verbrennungskraftmaschine selbst als Luftfördereinrichtung verwendet werden, die mittels einer elektrischen Maschine geschleppt wird. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass eine Hubkolbenmaschine mittels Fremdantrieb, hier beispielsweise ein mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelter, ohnehin vorhandener Startergenerator oder Anlasser, auch als Kompressor, also als Pumpe betrieben werden kann. Dies hat zwar den Nachteil, dass hier ein erhöhter Aufwand an elektrischer Energie zu erwarten ist, da die gesamte Verbrennungskraftmaschine geschleppt werden muss, hat andererseits den Vorteil, dass kein zusätzliches Aggregat und kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufheizen eines in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, der eine elektrische Heizeinrichtung und einen in einem der Heizeinrichtung nahegelegenen Bereich des Abgaskatalysators angeordneten Temperatursensor aufweist, wobei die Vorrichtung eine Luftfördereinrichtung aufweist mit deren Hilfe ein Sekundär-Luftmassenstrom in den Abgastrakt an einer Stelle stromaufwärts des Abgaskatalysators zuführbar ist und eine elektronische Steuerungseinrichtung aufweist, die zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wie vorausgehend beschrieben, ausgebildet und eingerichtet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich, in Analogie zum erfindungsgemäßen Verfahren, ein optimaler Einsatz der elektrischen Energie, um den elektrisch beheizten Abgaskatalysator (EHC) bereits vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine soweit aufzuheizen, dass bereits beim Start der Verbrennungskraftmaschine eine hohe Umwandlungsrate der Schadstoffe sichergestellt ist. Dabei kann ein vergleichsweise großes Katalysatorvolumen bzw. der Katalysebereich 39 in kurzer Zeit aktiviert werden.
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Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen oder nur alternativ anwendbar sind, einzeln oder in Kombination die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche ergänzen und diese weiterbilden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung für einen solchen elektrisch beheizten Abgaskatalysator werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels bezugnehmend auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsanlage,
- 2 ein Diagramm von verschiedenen Betriebsparametern bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10, eine mit der Verbrennungskraftmaschine 10 antriebsmäßig verbundene Elektromaschine 50, einem Ansaugtrakt 15, einen Motorblock 20 mit mehreren, nicht näher bezeichneten Zylindern und einen Abgasstrang 25, in dem eine Abgasnachbehandlungsanlage 30 angeordnet ist, bzw. der sich durch die Abgasnachbehandlungsanlage 30 hindurch erstreckt. Der Verbrennungskraftmaschine 10 wird über den Ansaugtrakt 15 ein Ansaugluft-Massenstrom ALM, der auch als Primärluft-Massenstrom bezeichnet werden kann und beispielsweise über eine Kraftstoff-Einspritzanlage (hier nicht dargestellt) Kraftstoff zugeführt. In den einzelnen Zylindern wird der Kraftstoff mit dem Ansaugluft-Massenstrom ALM verbrannt und als Abgas-Massenstrom AGM von der Verbrennungskraftmaschine 10 in den Abgasstrang 25 ausgestoßen.
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Die Abgasnachbehandlungsanlage 30 weist u.a. einen Abgaskatalysator 35 auf. Bezogen auf den Abgas-Massenstrom AGM stromabwärts des Abgaskatalysators 35 sind optional noch weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 40 im Abgasstrang 25 vorgesehen, von denen beispielhaft nur eine gezeigt ist. Als mögliche Abgasnachbehandlungskomponenten 40 seien an dieser Stelle ein Dreiwegekatalysator, ein SCR-Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion, Dieselpartikelfilter, SCR-beschichtete Dieselpartikelfilter, Ottopartikelfilter, NOx-Katalysator (LNT lean NOx trap) genannt.
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Der Abgaskatalysator 35 ist als ein elektrisch beheizbarer Katalysator ausgebildet und umfasst ein Mantelrohr 36, das einen Katalysebereich 39 einschließt, der ein Katalysatorsubstrat aufweist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen, ist stromaufwärts, also vor dem Katalysebereich 39 eine elektrische Heizeinrichtung 37 angeordnet.
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Der Katalysebereich 39 dient 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.
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Die Heizeinrichtung 37 ist bevorzugt als Heizscheibe ausgebildet und kann sich vollständig oder nahezu vollständig über den Durchmesser des Innenraums des Mantelrohrs 36, also über die gesamte oder über nahezu die gesamte Stirnfläche des Katalysatorsubstrats erstrecken, sodass beim Erwärmen der Heizscheibe eine große Wärmeenergie zur Erwärmung des Katalysebereichs 39 bzw. des Katalysatorsubstrats zur Verfügung gestellt und auf das Katalysatorsubstrat übertragen werden kann. Zur Fixierung der Heizeinrichtung 37 kann, wie hier gezeigt, beispielsweise stromaufwärts der Heizeirichtung 37 ein sogenannter Stützkatalysator 38 vorgesehen sein, der die Heizeinrichtung 37 bzw. die Heizscheibe stützt oder trägt.
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In dem Katalysebereich 39 ist nahe der Heizeinrichtung 37 ein Temperatursensor 45 angeordnet, welcher die Temperatur in dem Katalysebereich 39 nahe der Heizeinrichtung 37 im Betrieb fortlaufend erfasst und somit Auskunft geben kann über die Temperatur des Katalysatorsubstrates an dieser Stelle oder in Verbindung mit Modellberechnungen zum Wärmeeintrag und der Temperaturverteilung zumindest angenähert die Temperaturverteilung im Katalysatorsubstrat bestimmen lässt.
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Im Bereich des Abgasstranges 25 zwischen dem Motorblock 20 und dem Abgaskatalysator 35, also im Abgasmassenstrom AGM stromaufwärts des Abgaskatalysators 35, ist eine Einleitstelle für den Sekundärluft-Massenstrom SLM vorgesehen. Der Sekundärluft-Massenstrom SLM wird mittels einer elektronisch ansteuerbaren, in der Regel auch elektrisch angetriebenen Luftfördereinrichtung 70, und eine Luftzuführdüse 72 in den Abgastrakt 25 eingebracht. Zum zusätzlichen Freigeben und Absperren, bzw. zum Dosieren des Sekundärluft-Massenstroms SLM dient ein stromabwärts der Luftfördereinrichtung 70 angeordnetes, elektronisch ansteuerbares Luftventil 71.
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Weiterhin ist bezogen auf den Abgas-Massenstrom AGM stromabwärts des Abgaskatalysators 35 ein Regelsensor 47 im Abgasstrang 25 angeordnet. Als Regelsensor 47 kann dabei vorzugsweise ein Lambdasensor, beispielsweise aber auch ein Stickoxidsensor, oder ein Ammoniaksensor dienen, der stromabwärts des Abgaskatalysators 35 angeordnet ist. Auf Basis der Messwerte des Regelsensor 47 kann der Sekundärluft-Massenstrom so geregelt werden, dass eine stromab des Abgaskatalysators (35) vorliegende Luftzahl, λ, sich dem stöchiometrischen Wert 1 annähert.
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Die mit der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelte elektrische Maschine 50 ist beispielsweise ein Startergenerator oder ein im Rahmen einer hybriden Antriebslösung eingesetzter elektromotorischer Hilfsantrieb. Dieser kann im Falle einer unbefeuerten Verbrennungskraftmaschine 10, also vor deren Start, dafür eingesetzt werden, die Verbrennungskraftmaschine 10 zu schleppen und gegebenenfalls als Luftfördereinrichtung 70 zu betreiben, um einen Sekundärluft-Massenstrom SLM über den Ansaugtrakt 15 anzusaugen und in den Abgastrakt 25 zu spülen.
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Des Weiteren ist eine elektronische Steuereinrichtung (ECU) 60 vorgesehen, die Eingangssignale ES empfangen und Ausgangssignale AS in Abhängigkeit von den Eingangssignale ES und einem in der Steuereinrichtung 60 abgelegten Arbeitsprogramm ausgeben kann. Eingangssignale ES werden beispielsweise, wie hier mit gestrichelten Pfeilen dargestellt, von dem Temperatursensor 45 und dem Regelsensor 47 geliefert. Ausgangssignale AS, wie hier mit gepunkteten Pfeilen dargestellt, werden dagegen an die elektrische Maschine 50, die Luftfördereinrichtung 70, das Luftventil 71 und nicht zuletzt an die elektrische Heizeinrichtung 37 zu deren Ansteuerung bzw. Regelung ausgegeben. Darüber hinaus können weitere, nicht dargestellte Aktoren und Sensoren, beispielsweise zur Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 und weiterer Komponenten der Abgasanlage, wie zum Beispiel einer Abgasrückführung, vorgesehen sein. So kann zumindest die Heizeinrichtung 37 sowie die Luftfördereinrichtung 70 sowie ggf. das Luftventil 71 abhängig von den Signalen des Temperatursensors 45 aktiv von der Steuerungseinrichtung 60 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert werden. Die elektronische Steuerungseinrichtung 60 kann als separate Katalysator-Heizungs-Steuerungseinrichtung konzipiert sein oder in ein Motorsteuergerät für die Verbrennungskraftmaschine 10 integriert sein.
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Wird die Heizeinrichtung 37 mit Energie beaufschlagt, erwärmt sich diese und überträgt ihre Wärmeenergie auf den Katalysebereich 39 des Abgaskatalysators 35. Erfindungsgemäß wird die elektrische Heizeinrichtung 37 zeitlich vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer vorgegebenen Heizleistung HL aktiviert. Gleichzeitig wird die Katalysatortemperatur KT in einem der Heizeinrichtung 37 nahegelegenen Bereich des Abgaskatalysators 35 mittels des Temperatursensors 45 überwacht.
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Die Bestimmung des Temperaturanstiegs im gesamten Katalysebereich 39 kann beispielsweise mittels einer Modellbildung erfolgen, wobei als Eingangsgrößen eines solchen Modells beispielsweise die Messwerte des Temperatursensors 45 sowie die thermische Masse des Katalysebereichs 39 bzw. des Katalysatorsubstrats und die Energie für die Verdampfung des Wassers, welche in der Beschichtung des Katalysatorsubstrats gespeichert ist herangezogen werden kann. Dann wird in einem Zeitraum nach dem Aktivieren der Heizeinrichtung 37, bis die Katalysatortemperatur KT einen vorbestimmten ersten Schwellenwert SW1 erreicht hat, kein Sekundär-Luftmassenstrom SLM oder ein Sekundär-Luftmassenstrom SLM mit einer ersten Fördermenge in den Abgastrakt 25 zugeführt.
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Ein in dem Zeitraum bis zum Erreichen des ersten Schwellenwert SW1 zugeführter Sekundärluft-Massenstrom SLM mit im Verhältnis kleiner Fördermenge, beispielsweise zwischen 0,2 kg/h bis 5 kg/h kann dem Wärmeübergang auf das Katalysatorsubstrat und einer zuverlässigen Temperaturmessung mittels des Temperatursensors 45 im Abgaskatalysator 35 förderlich sein, ohne einen schnellen Temperaturanstieg in der Heizeirichtung 37 selbst und in deren Umgebung im Katalysatorsubstrat maßgeblich zu verlangsamen.
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Nachdem die Katalysatortemperatur KT den vorbestimmten ersten Schwellenwert SW1 erreicht hat, der beispielsweise auf dem Niveau der Anspringtemperatur des Katalysebereichs 39, beispielsweise im Bereich von 300°C liegt, wird der Sekundär-Luftmassenstrom SLM mit einer zweiten, signifikant gegenüber der erste Fördermenge erhöhten Fördermenge, in einer Größenordnung zwischen 10-40kg/h, in den Abgastrakt 25 zugeführt. Damit erfolgt eine verstärkte Wärmeübertragung auf den Katalysebereich 39, also das Katalysatorsubstrat, und dessen weitere beschleunigte Temperaturerhöhung des Abgaskatalysators insgesamt sowie eine schnelle Vergrößerung des auf Anspringtemperatur bzw. Light-Off-Temperatur gebrachten Volumens des Katalysatorsubstrates, stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung 37. Der Temperaturanstieg im Abgaskatalysator erfolgt durch diese Vorgehensweise wesentlich schneller, als wenn der Sekundärluft-Massenstrom von Beginn an mit großer Fördermenge eingeleitet wird, da die elektrische Energie am Beginn vorrangig zur Aufheizung der elektrischen Heizeinrichtung selbst verwendet wird, die so sehr schnell die Anspringtemperatur erreicht, da keine übermäßige Kühlung durch Wärmeabfuhr erfolgt. Eine verstärkte Wärmeübertragung durch die erhöhte Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM erflogt dann erst auf höherem Temperturniveau, was den Wärmeübergang beschleunigt.
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In der 2 ist die erfindungsgemäße Heizstrategie für den Abgaskatalysator anhand von drei zeitlich übereinstimmenden Diagrammen mit den zeitlichen Verläufen der relevanten Betriebsgrößen Heizleistung HL, Katalysatortemperatur KT und Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM dargestellt.
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Das oben angeordnete Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Leistung für die elektrische Heizeinrichtung 37 des Abgaskatalysators 35, das in der Mitte angeordnete Diagramm zeigt den Verlauf der Katalysatortemperatur in einem der Heizeinrichtung 37 nahegelegenen Bereich des Abgaskatalysators 35 und das unten angeordnete Diagramm zeigt den Verlauf der Fördermenge des Sekundärluft-Massenstrom SLM.
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Entsprechend dem Verfahren zum Aufheizen eines, in einem Abgasstrang 25 einer Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten, eine elektrische Heizeinrichtung 37 aufweisenden Abgaskatalysators 35, wobei mit Hilfe einer Luftfördereinrichtung 70 ein Sekundär-Luftmassenstrom SLM in den Abgastrakt 25 an einer Stelle stromaufwärts des Abgaskatalysators 35 zuführbar ist, wird die Katalysatortemperatur KT in einem der Heizeinrichtung 37 nahegelegenen Bereich des Abgaskatalysators 35 überwacht und die elektrische Heizeinrichtung 37 wird zeitlich vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer vorgegebenen Heizleistung HL aktiviert.
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In den in 2 dargestellten Diagrammen ist der Zeitraum dargestellt, der dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 unmittelbar vorausgeht. Zum Zeitpunkt t1 wird die Heizeirichtung 37 mit der vorgegebenen Heizleistung HL, hier beispielsweise 4 kW aktiviert. Dieser Zeitpunkt kennzeichnet somit den Beginn des Verfahrensablaufs. Diesem Zeitpunkt vorausgehend ist die Heizeinrichtung 37 deaktiviert und die im oberen Diagramm dargestellte Heizleistung HL verharrt auf dem Wert 0. Ebenso ist bis zu dem Zeitpunkt t1 die Luftfördereinrichtung 70 deaktiviert und die Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms verharrt auf dem Wert 0. Die im mittleren Diagramm dargestellte Katalysatortemperatur wird bereits dem Zeitpunkt t1 vorausgehend überwacht oder spätestens zum Zeitpunkt t1 erfasst und liegt im Falle eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine 10 auf dem Niveau der Umgebungstemperatur, wie hier dargestellt. Die Katalysatortemperatur KT kann zum Zeitpunkt t1 jedoch auch auf einem höheren Niveau liegen, wenn die Verbrennungskraftmaschine 10 zeitnah vorausgehend bereits in Betrieb war und nicht vollständig abgekühlt ist.
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Der Zeitpunkt t1 kann durch ein Ereignis getriggert werden, das für einen bevorstehenden Start der Verbrennungskraftmaschine 10 indikativ ist. Ein entsprechendes Ereignis, das für einen möglichen Start der Verbrennungskraftmaschine herangezogen werden kann, ist beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Kraftfahrzeug beispielsweise das Öffnen der Fahrertür, eine Öffnungsbetätigung der Türverriegelung, ein Belegungssignal des Fahrersitzes oder dergleichen Vorbereitungsmaßnahmen. Die Verarbeitung der entsprechenden Signale und die Ansteuerung der entsprechenden Funktionen beispielsweise der Heizeinrichtung 37 und der Luftfördereinrichtung 70 erfolgt mittels der elektronischen Steuerungseinrichtung 60.
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Unmittelbar nach dem Aktivieren der Heizeinrichtung 37 beginnt die Katalysatortemperatur KT schnell zu steigen, bis sie, zum Ende des ersten Zeitraums nach dem Aktivieren der Heizeinrichtung 37, zum Zeitpunkt t2 den vorbestimmten ersten Schwellenwert SW1 erreicht, der in diesem Beispiel bei 300°C liegt. Dies entspricht in etwa der Aktivierungstemperatur bzw. der Light-Off-Temperatur des Katalysatorbereichs 39. Je nach Art bzw. Ausführung des zu beheizenden Katalysators kann der erste Schwellenwert SW1 auch höher oder niedriger vorbestimmt werden.
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Ebenfalls zum Zeitpunkt t1 wird die Luftfördereinrichtung 70 ggf. in Verbindung mit dem Luftventil 71 derart aktiviert, dass ein Sekundär-Luftmassenstrom SLM mit einer ersten Fördermenge, in diesem Beispiel 2 kg/h, in den Abgastrakt 25 zugeführt wird. Dies bewirkt vorteilhaft einen zusätzlichen konvektiven Wärmetransport von der Heizeinrichtung 37 in den restlichen Katalysebereich 39 hinein, ohne die Heizeinrichtung 37 zu stark zu kühlen. Je nach der zur Verfügung stehenden Leistung der Heizeinrichtung 37 und/oder dem Startwert der Katalysatortemperatur KT zum Zeitpunkt t1 und gegebenenfalls abhängig von der Gesamtkonfiguration des Abgaskatalysators 35, kann die erste Fördermenge vorzugsweise mit einem Wert zwischen 0 (also kein Sekundärluft-Massenstrom) und 5kg/h oder auch bis zu 10 kg/h vorgegeben werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit die erste Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM in Abhängigkeit vom Gradienten des Temperaturanstiegs der Katalysatortemperatur KT innerhalb des ersten Zeitraums (t1 bis t2) zu regeln, um einen gleichmäßigen Anstieg der Katalysatortemperatur KT zu gewährleisten.
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Nachdem die Katalysatortemperatur KT zum Zeitpunkt t2 den vorbestimmten ersten Schwellenwert SW1 erreicht hat, wird durch entsprechende elektronische Ansteuerung der Luftfördereinrichtung 70 ggf. in Kombination mit dem Luftventil 71 mittels der elektronischen Steuerungseinheit 60, der Sekundär-Luftmassenstrom SLM mit einer zweiten Fördermenge in den Abgastrakt 25 zugeführt, die größer ist als die erste Fördermenge, hier beispielsweise 10 kg/h. Dies ist durch den sprunghaften Anstieg der Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms zum Zeitpunkt t2 im Diagramm dargestellt. Je nach der zur Verfügung stehenden Leistung der Heizeinrichtung 37 und gegebenenfalls abhängig von der Gesamtkonfiguration des Abgaskatalysators 35 kann die zweite Fördermenge vorzugsweise mit einem Wert zwischen 10 und 40 kg/h oder auch bis zu 60 kg/h vorgegeben werden. Es besteht auch hier die Möglichkeit die erste Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM in Abhängigkeit vom Gradienten des Temperaturanstiegs der Katalysatortemperatur KT innerhalb des zweiten Zeitraums (t2 bis t3) zu regeln, um einen gleichmäßigen Anstieg der Katalysatortemperatur KT zu gewährleisten.
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Die entsprechende Steuerung oder Regelung des Sekundärluft-Massenstromes wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass die Luftfördereinrichtung 70 und/oder gegebenenfalls auch das Luftventil 71 elektrisch antreibbar und bezüglich ihrer Förderleistung elektronisch steuerbar oder regelbar ist/sind.
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Unter Beibehaltung der konstanten Heizleistung HL nach der Erhöhung des Sekundärluft-Massenstroms SLM zum Zeitpunkt t2 steigt, gemäß dem gezeigten Beispiel, die Katalysatortemperatur KT weiter kontinuierlich an. Aufgrund des erhöhten Wärmtransports durch den erhöhten Sekundärluft-Massenstrom SLM in den Katalysebereich 39 hinein steigt die Katalysatortemperatur KT jedoch ab dem Zeitpunkt t2 mit niedrigerem Gradienten als zuvor, bis der vorgegebene obere Grenzwert OGW der Katalysatortemperatur zum Zeitpunkt t3 erreicht ist. Dadurch erfolgt eine schnelle Vergrößerung des auf die Anspringtemperatur aufgeheizten und somit katalytisch aktiven Volumens des Katalytischen Bereichs bzw. des Katalysatorsubstrats. Die Höhe des Vorgabewertes des oberen Grenzwertes OGW der Katalysatortemperatur hängt von der Konstruktion und Beschichtung, also von der Art und der Bauart des Abgaskatalysators 35 ab und beträgt in diesem Beispiel 600°C.
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Zum Schutz der Komponenten des Abgaskatalysators 35 vor thermischer Schädigung durch Überhitzung, wird bei Erreichen des oberen Grenzwertes OGW der Katalysatortemperatur KT die Heizleistung der Heizeinrichtung 37 so weit verringert und im Folgenden derart geregelt, dass eine vorgegebene Arbeitstemperatur AT des Abgaskatalysators 35 nicht unterschritten und der obere Grenzwert OGW nicht überschritten wird, wobei die Arbeitstemperatur KT größer ist als der vorbestimmte erste Schwellenwert SW1 und kleiner als der obere Grenzwert OGW. Die Arbeitstemperatur AT wird vorzugsweise so gewählt, dass der Katalysbereich 39 mit maximaler Effizienz arbeitet. Gleichzeitig wird die zweite Fördermenge des Sekundärluft-Massenstromes SLM auf dem eingestellten Niveau gehalten, um eine schnelle möglichst vollständige Durchheizung des Katalysebereichs 39 bis auf das Niveau der Arbeitstemperatur AT zu gewährleisten.
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Die Reduzierung bzw. Regelung der Heizleistung erfolgt beispielsweise mittels einer getakteten elektrischen Ansteuerung oder nach Art einer Pulsweiten-Modulation (PWM) der Heizeinrichtung, so dass die Arbeitstemperatur AT gehalten bzw. eingeregelt wird. Dies ist im oberen Diagramm ab dem Zeitpunkt t3 erkennbar. Die Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM wird auch über den Zeitpunkt t3 hinaus auf dem erhöhten Niveau beibehalten. Die Katalysatortemperatur KT wird daraus resultierend ab dem Zeitpunkt t3 auf die Arbeitstemperatur AT abgesenkt bzw. eingeregelt.
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Zum Zeitpunkt t4 wird beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine gestartet. Die Katalysatortemperatur KT ist zu diesem Zeitpunkt größer gleich der Arbeitstemperatur AT bzw. auf dem Niveau der Arbeitstemperatur. Unter diesen Bedingungen wird die Fördermenge des in den Abgastrakt 25 zugeführten Sekundär-Luftmassenstromes SLM, in Abhängigkeit von dem stromabwärts des Abgaskatalysators 35 im Abgastrakt 25 angeordneten Regelsensors 47, so geregelt, dass eine stromab des Abgaskatalysators 35 vorliegende Luftzahl, λ, sich dem stöchiometrischen Wert 1 annähert. Im Anschluss an den Zeitpunkt t4, also nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 wird der Abgaskatalysator, in an sich bekannter Weise mittels entsprechender Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine 10, durch den heißen Abgas-Massenstrom AGM auf dem Niveau der Arbeitstemperatur AT gehalten und die Heizleistung der Heizeinrichtung 37 kann weiter abgesenkt bzw. ganz deaktiviert werden, wie im oberen Diagramm der 2 dargestellt.
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Die Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms kann bei Verwendung einer separaten, elektrisch angetriebenen und elektronisch ansteuerbaren Luftfördereinrichtung 70 durch eine Drehzahlregelung derselben oder durch ein nachgeschaltetes kontinuierlich einstellbares Luftventil 71 erfolgen.
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In einer alternativen Ausführung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung kann der Luftmassenstrom statt durch eine separate Luftfördereinrichtung durch die unbefeuerte Verbrennungskraftmaschine 10 selbst erzeugt werden. Dabei wird die Verbrennungskraftmaschine 10 von einer elektrischen Maschine 50, beispielsweise einem Startergenerator oder einem elektrischen Hilfsantrieb, angetrieben, d.h. geschleppt und arbeitet dadurch quasi als Kolben-Kompressor. Wird die Verbrennungskraftmaschine 10 als Luftfördereinrichtung eingesetzt, so kann die Fördermenge des Sekundärluft-Massenstroms SLM beispielsweise durch Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine 50 eingestellt werden. In diesem Fall wird der Sekundärluft-Massenstrom SLM auf dem Pfad des Ansaugluft-Massenstromes ALM in den Abgasstrang 25 eingeleitet. Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 ist in diesem Fall eine parallele Einspeisung eines Sekundärluft-Massenstroms SLM zur Regelung der Luftzahl, λ, stromabwärts des Abgaskatalysators 35 nicht möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 15
- Ansaugtrakt
- 20
- Motorblock
- 25
- Abgasstrang
- 30
- Abgasnachbehandlungsanlage
- 35
- Abgaskatalysator
- 36
- Mantelrohr
- 37
- elektrische Heizeinrichtung, Heizscheibe
- 38
- Stützkatalysator
- 39
- Katalysebereich
- 40
- Abgasnachbehandlungskomponente
- 45
- Temperatursensor
- 47
- Regelsensor
- 50
- elektrische Maschine
- 60
- elektronische Steuerungseinrichtung (ECU)
- 70
- Luftfördereinrichtung
- 71
- Luftventil
- 72
- Luftzuführdüse
- ES
- Eingangssignale
- AS
- Ausgangssignale
- HL
- Heizleistung
- KT
- Katalysatortemperatur
- SW1
- erster Schwellenwert (der Katalysatortemperatur)
- OGW
- oberer Grenzwert
- AT
- Arbeitstemperatur
- ALM
- Ansaugluft-Massenstrom
- SLM
- Sekundärluft-Massenstrom
- AGM
- Abgas-Massenstrom
- t1 - t4
- Zeitpunkte 1 -4
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19943846 A1 [0009]
- DE 4434673 A1 [0009]
- DE 102019219906 A1 [0011]
