DE2719252A1 - Heizvorrichtung fuer einen katalysator - Google Patents

Heizvorrichtung fuer einen katalysator

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DE2719252A1 DE19772719252 DE2719252A DE2719252A1 DE 2719252 A1 DE2719252 A1 DE 2719252A1 DE 19772719252 DE19772719252 DE 19772719252 DE 2719252 A DE2719252 A DE 2719252A DE 2719252 A1 DE2719252 A1 DE 2719252A1
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Junichi Saiki
Syouzi Watanabe
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Description

Heizvorrichtung für sinsn Katalysator
Die Erfindung bezieht sich auf sine Heizvorrichtung für dsn Katalysator des Abgaskonverters eines Bit einem katalytiachen AbgasreinigungssystsB ausgerüsteten Verbrennungsaotors·
Als Verfahren zub Herabsetzen der Sohadsteffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors sind solche bekanntgeworden, die ait einem katalytisohen Konverter arbeiten, der einen oxidierenden, einen reduzierenden oder einen Dreivegekatalysator enthält. Die Effektivität eines Katalysators dieses Typs bein Abgasreinigen ist extrea herabgesetzt, wenn die Teaperatur des Katalysators verhältnismäßig niedrig ist* Venn deazufolge ein kalter Motor gestartet wird, dann tritt ein relativ hoher Anteil von Schadstoffen in den an die Atmosphäre abgegebenen Abgasen auf, der sich erst verringert, wenn der Katalysator eine vorgegebene Temperatur von etwa 200 bis 300° C erreicht. Auch ist ein relativ hoher Anteil von Schadstoffen in den Zylindern des Motors erzeugt, wenn dieser bei noch nicht vollständiger Erwärmung ia Leerlauf betrieben wird· Xn diesea Betriebszustand ist bei kaltea Katalysator der Anteil von Schadstoffen in den an die Atmosphäre abgegebenen Abgasen extrea hoch·
Es gibt auoh Betrlebezustände, in welohen der Katalysator eine relativ hohe Temperatur aufweist, während der Motor relativ kalt ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Motor nach kurzem Lauf zunächst außer Betrieb und kurz danaoh wieder in Betrieb gesetzt wird« Auch in diesem Fall wird ein hoher Anteil von Schadstoffen in den Zylindern des Meters erzeugt· Da in dieses Fall Jedoch die Effektivität des Abgasreinigungs-
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systems relativ hoch ist, bleibt der Anteil der an die Umgebung abgegebenen Schadstoffe relativ niedrig· Ia Falle, daß die Motortemperatur relativ hoch iat und die Temperatur des Katalysators relativ niedrig ist, vie es der Fall iat, wenn der Motor nach sehr langem Lauf außer Betrieb und nach einer längeren Pause wieder in Betrieb gesetzt wird, in denen sich der Konverter abgekühlt hat, was schneller vor sich geht als beim Motorblock, ist die Effektivität des Abgasreinigungssystems relativ niedrig· In diesem Fall wird jedoch nur ein relativ geringer Anteil von Schadstoffen in den Zylindern des Motors erzeugt, so daß auch der Anteil der Schadstoffe in den an die Atmosphäre abgegebenen Abgasen relativ niedrig ist·
Aus der vorangegangenen Erläuterung geht hervor, daß bezüglich des Schadstoffanteils in den Abgasen der Betriebszustand am ungünstigsten ist, bei dem sowohl der Motor als auch der Abgaskonverter relativ kühl sind·
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses zuvor angesprochene Problem zu lösen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Heizvorrichtung der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist· Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung und ihre Funktionsweise sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Aueführungebeispiele näher erläutert werden· Es zeigtt
Fig· 1 eine schematisohe Übersichtsdarstellung eines mit einem katalytiaohen Abgasreinigungssystem ausgerüsteten Verbrennungsmotors unter Einschluß der Erfindung;
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Pig· 2 ein Schaltbild einer AusfUhrungsform der Erfindung;
Pig· 3 ein Schaltbild einer alternativen Ausführungeform der Erfindung, und
Pig· k graphische Darstellungen der Ausgangssignale einzelner Elemente des Schaltkreises nach Fig· 3·
In Pig· 1 sind ein Motorblock 1, ein katalytischer Konverter 2 und ein die Katalysatorheizung steuernder Kreis 3 dargestellt· Ein auf die Temperatur des Motorkühlmittels, beispielsweise Kühlwasser, ansprechender Schalter k ist am Motorblock 1 befestigt· Außerdem sind im katalytischen Konverter 2 ein Heiz· element 5 und ein die Temperatur des Katalysators kühlender Detektor 6 angeordnet. Der Thermoschalter kf das Heizelement 5 und der Temperaturfühler 6 sind über Verbindungsleitungen 7» 8 und 9 Bit dem Steuerkreis 3 verbunden. Über den Zündschalter 10 ist der Steuerkreis 3 mit einer Batterie 11 verbunden.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild des Steuerkreises 3 für die Heizvorrichtung in dem Abgaskonverter» Der Thermosohalter k ist beispielsweise ein Vaohs enthaltendes Ventil, wie es in Kühlwassersystemen bei Kraftfahrzeugen üblich ist, und wird in den Einschaltzustand versetzt, wenn die Temperatur des Motorkühlmittels unterhalb eines vorgegebenen Wertes, z.B. zwischen 60 und 80° C, liegt. Das Heizelement 5 für den Katalysator besteht aus einem Chromnickeldraht oder einer Glühkerze» Diese Glühkerze ist in den Katalysator eingesetzt und heizt das um sie herum angeordnete Katalysatormaterial auf. Der Temperaturfühler 6 am Katalysator besteht beispielsweise au« einem Thermistor, der in die Katalysatorschicht eingesetzt ist· Der Heizsteuerkreis 3 umfaßt zwei Relais 12 und 13» einen Komparator \k und einen Verstärker 15* Einer der Eingänge des Kompa-
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rators 14 ist mit dam Verbindungspunkt a eines au· den Widerständen 16 und 17 bestehenden Spannungsteiler· verbunden, von denen der Widerstand 17 über den Zündschalter IO Bit der Batterie 11 verbunden ist. Der andere Eingang de· Komparator· 14 ist mit dem Verbindungepunkt b eine· au· dem Thermistor 6 und einem Widerstand 18 bestehenden Spannungsteiler· verbunden, von dem der Wideretand 18 über den Zündschalter 10 mit der Batterie 11 verbunden ist· Der Thermoschalter k ist über die Erregerspule 20 des Relais 12 mit dem Zündschalter 10 und über diesen mit der Batterie 11 verbunden·
Wenn der Zündschalter 10 eingeschaltet ist, dann wird die Spannung am Punkt a auf einem konstanten Wert gehalten· Auch erscheint am Verbindungepunkt b eine Spannung, die aus dem Widerstandsverhältnis des Widerstands 18 und des Thermisters 6 resultiert. Es ist bekannt, daß der Widerstandewert eine· Thermistors fällt, wenn dessen Temperatur ansteigt· Die Spannung am Verbindungepunkt b nimmt daher mit steigender Temperatur des Katalysators ab* Die Spannung am Verbindungspunkt a ist auf einen Wert eingestellt, der genauso hoch ist wie der am Verbindungspunkt b, wenn die Temperatur des Katalysators beispielsweise 300* C beträgt« Wenn die Temperatur de· Katalysators relativ niedrig ist, dann ist der Widerstand des Thermistors 6 relativ hooh und die Spannung am Verbindungspunkt b ist über den Wert der Spannung am Verbindungepunkt a angehoben« Al· Folge davon wird der Komparator 14 in seinen Einschaltsustand versetzt und es wird die Srregerepule 19 des Relais 13 mit Strom versorgt, woduroh die··· in den Einsohalt-KUstand versetzt wird· Wenn andererseits die Temperatur des Kühlmittel· de· Motor· relativ niedrig ist, dann ist der Thermoschalter k in den Einsehaltzustand versetzt« Als Felge davon wird die Erregerspule 20 des Relais 12 mit Strom versorgt und dieses in den Einschaltzustand versetzt« Wenn beide Relais
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und 13 eich in Binsοhaltzuetand befinden, dann wird dem Heizelement 5 de· Katalysators Stroe zugeführt und der Katalysator aufgeheizt. Die Aufheizung des Katalysators duroh das Heizelement erfolgt solange, bis die Temperatur des Kühlmittels des Motors oder die Temperatur des Katalysators auf ein Niveau angehoben ist, da* eines der Relais 12 oder 13 in den Ausschaltzustand versetzt wird·
Fig. 3 zeigt ein alternatives AusfUhrungsbeispiel des Steuerkreises der Erfindung. Bei diesem Aueführungsbeispiel ist zwisohen das Heizelement 5 und das Relais 13 zusätzlich zum Heizeteuerkreis 3 ein die Wärmekapazität steuernder Kreis 21 eingeschaltet. Dieser die Wärmekapazität steuernde Kreis 21 besteht aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 22, der an den Verbindungspunkt b zwisohen dem Widerstand 18 und dem Thermistor 6 angeschlossen ist, einem bistabilen Multivibrator 23, der an den Ausgang des Spannungsgesteuerten Oszillators 22 angeschlossen ist, einem Frequenzteiler Zk, der an den Ausgang des bistabilen Multivibrators 23 angeschlossen ist, einem menestabilen Multivibrator 25, der an den Ausgang des Frequenzteilers 2k angeschlossen ist, und einem Thyristor 26, der zwisohen das Heizelement 5 und das Relais 13 eingeschaltet ist. Die Steuerelektrode des Thyristors 26 ist mit dem Ausgang des monostabilen Multivibrators 25 verbunden. Naoh Wunsoh kann als spannungs gesteuerter Oszillator 22 ein Operationsverstärker, beispielsweise vom Typ 715t eingesetzt werden.
Die Betriebsweise des die Wärmekapazität steuernden Kreises 21 seil nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. k erläutert werden« Die Kurve A zeigt die Spannung am Verbindungspunkt b an, wenn die Katalysatortemperatur relativ niedrig ist« Hierbei ist die Spannung an jenem Punkt b relativ hoch. Die Kurve A* zeigt die
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Spannung an diesem Punkt an, wenn die Katalysatortemperatur relativ hoch ist, d.h. die Spannung an Punkt b ist velativ niedrig. Die Kurven B und B1 zeigen die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators 22 an· Der Fachmann weiß, daß ein spannung«gesteuerter Oszillator 22 ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz proportional der Größe der Eingangsspannung ist. Das Signal, das in Kurve B dargestellt ist, hat daher eine höhere Frequenz als die Spannung gemäß der Kurve B1. Die Kurven C und C zeigen die Auegangsspannungen des bistabilen Multivibrators 23· Die Kurven D und D* zeigen die Ausgangs spannungen des Frequenzteilers 2k» Der Frequenzteiler 2k erzeugt jedesmal einen einzelnen Impuls, wenn die Anzahl der ihm zugeführten Impulse des bistabilen Multivibrators 23 einen vorgegebenen Vert erreicht· Das Intervall zvischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ist bei D kleiner als bei D1. Mit E und E1 sind die Ausgangssignale des monostabilen Multivibrators 25 dargestellt· Diese Auegangssignale sind Impulse, die in beiden Fällen gleiche Länge aufweisen. Es wird jedesmal dann ein Ausgangsimpuls erzeugt, wenn dem monostabilen Multivibrator ein Impuls vom Frequenzteiler 2k zugeführt wird· Der Thyristor 26 wird in den Einschaltzustand versetzt, wenn er von der Anstiegsflanke eines Ausgangsimpulses des monostabilen Multivibrators 25 getriggert wird· Andererseits wird der Thyristor 26 in den Ausschaltzustand versetzt, wenn er von der Abfallflanke des Auegangsimpulses des monostabilen Multivibrators 25 getriggert wird· Der Thyristor 26 ist daher für eine Zeitdauer im Einsohaltzustand, wie sie in Figo k mit F und F* dargestellt ist. Wenn sich der Thyristor 26 im Einschaltzustand befindet, dann wird dem Katalysator-Heizelement 5 Strom zugeführt· Diese Stromzuführung erfolgt während der von den Kurven F und F* angegebenen Zeitintervalle·
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Venn die Temperatur des Katalysators relativ niedrig 1st, dann 1st die Zeltdauer, während der das Heizelement 5 für den Katalysator eingeschaltet 1st, langer als In dem Fall, in dem die Temperatur des Katalysators relativ hoch ist«
Der Katalysator wird daher schneller aufgeheizt, wenn seine Temperatur relativ niedrig ist als im Falle, in dem seine Temperatur bereits einen beachtlich hohen Wert erreicht hat· Man kann hierdurch eine sehr schnelle Aufheizung erreichen, ohne daß eine Überhitzung befürchtet werden muß.
Durch die Erfindung wird der Katalysator aufgeheizt, wenn seine Temperatur und die des Motors relativ niedrig sind· Daher wird der Anteil von Schadstoffen an den in die Umgebung abgegebenen Abgasen in einem weiten Betriebsbereich des
Motors ganz beachtlich herabgesetzt. Es sei betont, daß im katalytischen Konverter 2 auch mehrere Katalysator-Heizelemente 5 angeordnet sein können.
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L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. PATENTANWÄLTE
    D-S MÜNCHEN 32 · Wl DENM AYERSTRASSE 40 D-1 BERLIN-DAHLEM 33 ■ PODBIELSKIALLEE 08
    TOYOTA JIDOSHA K06Y0 berlin: dipl.-inq. r. müller-börner KABUSHIKI KAISHA
    MÜNCHEN: DIPL.-INQ. HANS-HEINRICH WEY
    Aichi-ken/Japan dipu-ing. ekkehard körner
    28 659 Ansprüche
    1· Heisvorrichtung für den Katalysator des Abgaskonverters eines mit einem katalytischen Abgasreinigungssystem ausgerüsteten Verbrennungsmotors, daduroh gekennzeichnet, daß am Katalysator ein elektrisches Heizelement (5) angeordnet ist, welches über einen elektrischen Steuerkreis (3) mit einer Stromquelle (11) verbunden ist, welcher Steuerkreis (3) in Abhängigkeit eines ersten Signals eines auf einen vorgegebenen Sohwellwert der Motortemperatur ansprechenden ersten Detektors (4) und eines zweiten, der Katalysatortemperatur entsprechenden Signals eines zweiten Detektors (6) eine elektrische Verbindung zwischen Stromquelle (ii) und Heizelement (5) immer dann herstellt, wenn die Motortemperatur und die Katalysatortemperatur unter vorbestimmten Werten liegen«
    2· Heizvorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (3) zwei Relais (12,13) enthält, deren Schaltkontakte hintereinander in die von der Stromquelle (11) zum Heizelement (5) führende Stromleitung geschaltet sind, daß für das zweite Signal ein Diskriminator (i4)
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    MÜNCHEN: TELEFON (ΟΘΘ) 235380 BERLIN: TELEFON (03O) 8312ΟΘ8
    KABEL: PROPINDUS- TELEX O5 24244 KABEL: PROPINDUS -TELEX 01 84O57
    0R161NAL INSPECTED
    vorgesehen ist, welcher ein Auegangesignal erzeugt, wenn die Temperatur des Katalysators einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, daß das eine Relais (12) von dea ersten Signal (von U) in den Einsehaltzustand versetzt wird, wenn die Motortemperatur unter einem vorgegebenen Wert liegt, und das andere Relais (13) in Abhängigkeit von dem Ausgangesignal des Diskriminators (14) in den Eins ο halt zu st and versetzt wird, wenn die Katalysator·· temperatur unter einem vorgegebenen Vert liegt.
    3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal ein Spannungssignal ist, dessen Höhe sich mit der Katalysatortemperatur ändert, und daß der Diskriminator (ik) ein Komparator ist, der das zweite Signal mit einer Referenzspannung vergleicht und an dessen Ausgang ein Verstärker (15) angeschlossen ist·
    k. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (3) einen die pro Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge steuernden Kreis (22-25) umfaßt, welcher in Abhängigkeit von der herrschenden Katalysatortemperatur die pro Zeiteinheit umgesetzte elektrische Leistung beeinflußt.
    5« Heizvorrichtung naoh Anspruch kt dadurch gekennzeichnet, daß der die zugeführte Wärmemenge steuernde Kreis einen spannungsgesteuerten Oszillator (22), der mit dem zweiten Detektor (6) verbunden ist, einen an seinen Ausgang angeschlossenen bistabilen Multivibrator (23)» einen mit dessen Ausgang verbundenen Frequenzteiler (2k) und einen an dessen Ausgang angeschlossenen monostabilen Multivibrator (25) umfaßt, dessen Ausgang an die Steuerelektrode
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    eines Thyristors (26) angeschaltet ist, der in Serie
    zwischen die Relais (12,13) und das Heizelement (5)
    geschaltet ist.
    6. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß das Heizelement (5) einen im Katalysator angeordneten Chromnickeldraht enthält·
    7« Heizvorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß das Heizelement (5) wenigstens eine in den Katalysator eingesetzte Glühkerze umfaßt·
    8. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, • daß der zweite Detektor (6) ein Thermistor ist, der in
    ! den Katalysator eingebettet ist.
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