DE4326384A1 - Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die zum Erwärmen eines Katalysators mit einer elektrischen Heizvorrichtung versehen ist.

Das Abgas eines Automobil-Verbrennungsmotors enthält Kohlenwasserstoffe (HC) und diese werden am stärksten in einem begrenzten Bereich des Motorlaufs ausgestoßen, nämlich dann, wenn der Motor nach dem Anlassen noch für eine Zeitdauer von einigen Minuten kalt ist. Die Verminderung des Volumens der Kohlenwasserstoffe, die während dieser Zeitdauer des Kaltlaufes ausgestoßen werden, ist jedoch besonders wichtig und die Ingenieure haben hart daran gearbeitet, den Motoraufbau zu verbessern oder um besondere Einrichtungen bei der Brennstoff-Steuerung zu schaffen. Wenn man jedoch das Volumen der Kohlenwasserstoffe im Abgas auf den Wert von nahezu Null zurückführen will, dann muß ein Katalysator verwendet werden.

Es ist jedoch eine Tatsache, daß der Katalysator seine reinigende Wirkung nur dann ausüben kann, wenn er über ein bestimmtes Niveau hinaus aufgeheizt worden ist; aus diesem Grunde ist der Katalysator nicht in der Lage, unmittelbar nach dem Starten des Motors eine vollständige Reinigung von den Kohlenwasserstoffen durchzuführen. Das übliche Verfahren, um dieses Problem zu lösen, besteht darin, nach dem Starten des Motors den Katalysator mit einer elektrischen Heizvorrichtung solange aufzuheizen, bis er eine solche Temperatur erreicht hat, bei der er seine Wirkung entfalten kann.

Eine bekannte Abgasreinigungsvorrichtung, bei der der Katalysator mit einer elektrischen Heizvorrichtung aufgeheizt wird, wird nun im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 beschrieben. Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der bekannten Abgasreinigungsvorrichtung und Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Steuerung der Heizvorrichtung darstellt, die bei der bekannten Abgasreinigungsvorrichtung durchgeführt werden muß. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Verbrennungsmotor für ein Auto, 2 ist eine Abgasleitung von dem Verbrennungsmotor 1, wobei in der Abgasleitung 2 ein Katalysator 3 eingebaut ist.

Um den Katalysator 3 herum ist eine elektrische Heizvorrichtung 4 so angeordnet, daß sie den Katalysator dann auf die Reinigungstemperatur aufheizt, wenn an die Heizvorrichtung 4 elektrischer Strom angelegt wird. Mit 5 und 6 sind Batterien zum Zuführen von Strom zur Heizvorrichtung 4 bezeichnet und jede dieser Batterien ist von bekannter Bauart mit einer theoretischen Spannung von 12 Volt.

Die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Lichtmaschine zum Aufladen der Batterien 5 und 6 und diese Lichtmaschine ist eine bekannte Bauart, die dann Strom erzeugt, wenn sie durch den Motor 1 angetrieben wird. Bei 8 ist ein Schaltschloß dargestellt und 9 ist ein Zeitschalter, der ein noch zu beschreibendes Relais 10 für eine bestimmte Zeitdauer nach dem Einschalten des Schaltschlosses 8 betätigt. Der Zeitschalter 9 und das Relais 10 bilden gemeinsam eine Steuereinheit.

Das Relais 10 ist so konstruiert, daß es durch wahlweises Öffnen oder Schließen der Kontakte 10a bis 10d in Tätigkeit tritt. Wenn es durch den Zeitschalter 9 angeschaltet wird, dann schließen sich die Kontakte 10c und 10d, wohingegen die Kontakte 10a und 10b offen sind. In Fig. 3 ist das Relais 10 abgeschaltet dargestellt.

Durch das wahlweise Öffnen und Schließen der Kontakte 10a bis 10d sind die Batterien 5 und 6 entweder parallel oder in Serie miteinander verbunden. Ein Serien-Schaltkreis ist mit der Heizvorrichtung 4 verbunden. Wenn das Relais 10 sich in seinem abgeschalteten Zustand befindet, dann sind die Kontakte 10a und 10b geschlossen und die beiden Batterien sind parallel miteinander verbunden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Schaltung werden die Batterien 5 und 6 durch eine Lichtmaschine 7 aufgeladen.

Anhand der Fig. 4 wird nun die Wirkungsweise der bekannten Abgas-Reinigungsvorrichtung beschrieben. Fig. 4(a) zeigt den zeitlichen Ablauf des Ein- und Ausschaltens des Schaltschlosses 8; Fig. 4(b) zeigt den zeitlichen Ablauf des Ein- und Abschaltens des Zeitschalters 9; Fig. 4(c) zeigt den zeitlichen Ablauf des Ein- und Ausschaltens der Heizvorrichtung 4; und Fig. 4(d) zeigt die Veränderung der Temperatur des Katalysators 3.

Wenn gemäß Fig. 4(a) das Schaltschloß 8 angeschaltet wird, dann wird gemäß Fig. 4(b) gleichzeitig der Zeitschalter 9 betätigt, der das Relais 10 einschaltet. Wenn dies eintritt, dann werden die Kontakte 10a und 10b geöffnet, wohingegen die Kontakte 10c und 10d geschlossen werden. Aus diesem Grunde fließt ein elektrischer Strom auf dem folgenden Weg: Von der Batterie 5 über den Kontakt 10c zur Batterie 6, weiter über den Kontakt 10d zur Heizvorrichtung 4 und zurück zur Batterie 5. Wie dies in Fig. 4(c) dargestellt ist, wird durch die Serienschaltung der Batterien 5 und 6 eine Spannung von 12 V × 2 = 24 V an der Heizvorrichtung 4 angelegt.

Der Grund dafür, daß an die Heizvorrichtung 4 24 V angelegt werden, ist der folgende: Es wird eine Leistung zwischen 5 und 6 kW benötigt und wenn die Leitungsspannung 12 V beträgt, dann ist der fließende Strom so groß, daß es nicht nur notwendig ist, eine Batterie für einen hohen Strom vorzusehen, sondern die Kapazität des Kabelbaumes und des Relais 10 muß ebenfalls erhöht werden.

Wenn das Einleiten des Stromes in die Heizvorrichtung 4 begonnen wird, dann steigt die Temperatur des Katalysators 3 gemäß Fig. 4(d) und erreicht in 30 bis 40 Sekunden den Wert von 300 bis 400°C. Durch die elektrische Aufheizung kann der Katalysator 3 auf diese Weise aktiviert werden und selbst in einem frühen Stadium des Motorlaufes, die unmittelbar nach dem Anlassen liegt, kann die Wirksamkeit der Reinigung in genügender Weise soweit erhöht werden, daß der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen vermindert wird.

Nach dem Ablauf einer bestimmten Zeit, die in Fig. 4(c) mit T₁ bezeichnet worden ist, schaltet der Zeitschalter 9 das Relais 10 ab. In diesem Fall wird die Serienschaltung, die mit der Heizvorrichtung 4 verbunden ist, geöffnet, um die Einleitung des elektrischen Stromes in die Heizvorrichtung 5 abzuschalten. Die Zeit, während der das Relais 10 durch den Zeitschalter 9 gehalten wird, wird durch solche Faktoren bestimmt, wie der Stromverbrauch der Heizvorrichtung 4 und die Kapazität des Katalysators 3; üblicherweise ist sie jedoch auf etwa 30 Sekunden eingestellt.

Wenn das Relais 10 abgeschaltet wird, dann sind die Batterien 5 und 6 parallel miteinander verbunden. Nachdem die Betätigung des Zeitschalters 9 geendet hat, werden die Batterien auf diese Weise durch die Lichtmaschine 7 aufgeladen.

Bei der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung nach dem Stande der Technik besteht ein Problem insofern, als dort für die Betätigungsperson keine Möglichkeit besteht, zu erkennen, ob an der Heizvorrichtung 4 ein elektrischer Strom in ordnungsgemäßer Weise angelegt ist, so daß es manchmal eintritt, daß die Heizvorrichtung in Tätigkeit gesetzt wird, obwohl ihr nur unzureichend Strom zugeführt wird. Beispielsweise ist der Fall in Betracht zu ziehen, daß das Relais nicht ordnungsgemäß arbeitet, so daß die parallel geschalteten Batterien 5 und 6 nicht in Serie oder umgekehrt geschaltet werden können oder es könnte der Fall in Frage kommen, daß die in Serie geschalteten Batterien 5 und 6 nicht voll aufgeladen werden können. In diesen Fällen wird die Heizvorrichtung 4 nur ungenügend mit Strom versorgt und kann den Katalysator 3 nicht vollständig aufheizen, so daß es unmöglich ist, das Volumen der Kohlenwasserstoffemission zu vermindern.

Wenn der Heizvorrichtung 4 Strom zugeleitet wird, während die in Serie geschalteten Batterien nicht vollständig aufgeladen sind, werden beide Batterien überlastet. Wenn der Motor 1 angehalten wird, bevor die Batterien durch die Lichtmaschine 7 voll aufgeladen sind, dann ist der nicht dargestellte Startermotor, mit anderen Worten, nicht in der Lage, den Motor wieder anzulassen.

Die Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontrolleinheit zum Zuleiten einer Gleichstromspannung zur Heizvorrichtung mit einer Alarmvorrichtung ausgerüstet ist, die dann einen Alarm auslöst, wenn die der Heizvorrichtung zugeleitete Spannung unzulässig niedrig ist.

Die Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung zum Zuführen einer Gleichstromspannung zur Heizvorrichtung mit einer Anti-Überlastungsvorrichtung ausgerüstet ist, die die Stromzufuhr zur Heizvorrichtung dann abschaltet, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist.

Bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Fahrer immer dann informiert, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist.

Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Stromverbrauch durch die Batterien dann unterdrückt, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 stellt schematisch die Anordnung einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung dar;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zum Vergleichen der an der Heizvorrichtung angelegten Spannung mit einer Schwellenwertspannung;

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung einer bekannten Abgas-Reinigungsvorrichtung; und

Fig. 4 ist eine Darstellung, die den Zeitablauf der Steuerung der Heizvorrichtung darstellt, wie sie bei der bekannten Abgas-Reinigungsvorrichtung verläuft.

Ausführungsform 1

Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung einer Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zum Vergleichen der an der Heizvorrichtung angelegten Spannung mit einer Schwellenwertspannung. In Fig. 1 sind diejenigen Teile, die mit denen, die in Fig. 3 dargestellt sind, identisch oder äquivalent sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und sie werden nicht mehr im einzelnen beschrieben. In Fig. 1 ist mit 11 ein Spannungsmeßgerät bezeichnet, das die an der elektrischen Heizvorrichtung 4 angelegte Spannung mißt. Das Meßgerät 11 ist mit dem Gleichstrom-Schaltkreis zum Zuleiten des Stromes zur Heizvorrichtung 4 parallelgeschaltet; das Meßgerät ist ferner mit einer Warnlampe 12 verbunden und über eine Steuerleitung 13 mit dem Zeitschalter 9. Das Meßgerät 11 mißt während des Einleitens des elektrischen Stromes in die Heizvorrichtung 4 die Spannung zwischen der positiven und negativen Elektrode dieser Heizvorrichtung. Wenn die gemessene Spannung geringer ist als ein vorbestimmter Wert, dann veranlaßt das Spannungs-Meßgerät 11 die Warnlampe 12 dazu, aufzuleuchten; gleichzeitig schaltet das Meßgerät den Zeitschalter 9 und damit die Einleitung des elektrischen Stromes in die Heizvorrichtung 4 ab.

Es wird empfohlen, daß der Zeitablauf, in dem das Spannungsmeßgerät 11 die Warnlampe 12 aufleuchten läßt oder den Zeitschalter 9 abschaltet, so ist, daß die Spannung zwischen der positiven und der negativen Elektrode der Heizvorrichtung 4 so ist, wie sie durch das Symbol V₁ in Fig. 2 dargestellt ist; sie ist nämlich höher als die theoretische Spannung einer Batterieeinheit, aber niedriger als die doppelte, theoretische Spannung. Aus diesem Grunde ist die Spannung V₁ die Schwellenwertspannung, die in der vorliegenden Erfindung benutzt wird.

Bei der zur Diskussion stehenden Ausführungsform ist die Warnlampe 12 in der Fahrerkabine angeordnet. Mit anderen Worten bilden das Spannungsmeßgerät 11 und die Warnlampe 12 gemeinsam eine Alarmvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung; wenn die an der Heizvorrichtung 4 angelegte Spannung geringer ist als V₁, dann wird der Fahrer über diese Tatsache mit Hilfe der Warnlampe 12 informiert.

Andererseits bilden das Spannungsmeßgerät 11 und der Zeitschalter 12 gemeinsam eine Anti-Überlastungsvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Es sollte hier festgehalten werden, daß dann, wenn eine niedrige Spannung einmal durch das Spannungsmeßgerät 11 gemessen worden ist, die Heizvorrichtung 4 von der Stromquelle solange getrennt bleibt, wie dazu notwendig ist, um einen Nachlauf (hunting) zu verhindern oder solange, bis der Motor anhält. Wenn die an der Heizvorrichtung 4 angelegte Spannung niedriger ist als die Spannung V₁, dann wird auf diese Weise ein Stromverbrauch durch die Batterien 5 und 6 unterdrückt.

Ausführungsform 2

Bei der Ausführungsform 1 ist die Schwellenwertspannung V₁, die die Warnlampe 12 aufleuchten läßt, so ausgelegt, daß sie gleich groß ist wie die Schwellenwertspannung V₁ zum Abschalten des Zeitschalters 9. Dies ist jedoch nicht der einzige Fall, der bei der vorliegenden Erfindung eintreten kann und zum Erzielen desselben Ergebnisses könnten auch zwei verschiedene Schwellenwertspannungen angewendet werden. Bei einer typischen Anordnung gemäß dieser Abwandlung leuchtet die Warnlampe 12 zunächst dann auf, wenn die Spannung, die den Batterien 5 und 6 zugeleitet wird, unzulässig niedrig wird und danach kann die Heizvorrichtung 4 abgeschaltet werden.

Ausführungsform 3

Bei der Ausführungsform 1 wird eine Warnlampe 12 als Teil der Alarmvorrichtung verwendet, die eines der wesentlichen Bauteile der Abgas-Reinigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist. Anstelle dieser optischen Vorrichtung kann auch eine hörbare Vorrichtung, wie zum Beispiel ein Summer, verwendet werden, um dem Fahrer einen Alarm mitzuteilen.

Wie dies in den vorhergehenden Seiten beschrieben worden ist, ist eine Abgas-Reinigungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit zum Anlegen einer Gleichstromspannung an die Heizvorrichtung mit einer Alarmvorrichtung ausgerüstet ist, die dann einen Alarm abgibt, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist. Auf diese Weise wird der Fahrer immer dann informiert, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist. Da die Vorrichtung in der Lage ist, den Fahrer von der Tatsache in Kenntnis zu setzen, daß die Wirksamkeit der Reinigung des Abgases (insbesondere der Kohlenwasserstoffe) aufgrund der unzureichenden Aufheizung des Katalysators abgesunken ist, kann er die notwendigen Maßnahmen einleiten, um den Fehler oder die Störungsquelle in dem Moment zu reparieren, indem die ungenügende Spannung auftritt.

Die Abgas-Reinigungsvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnete daß die Steuereinheit zum Anlegen der Gleichstromspannung an die Heizvorrichtung mit einer Anti-Überlastungsvorrichtung ausgerüstet ist, die die Stromzufuhr zur Heizvorrichtung dann abschaltet, wenn die an die Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist. Auf diese Weise wird der Stromverbrauch durch die Batterien dann unterdrückt, wenn die an die Heizvorrichtung angelegte Spannung unzulässig niedrig ist. Dies führt dazu, daß die Vorrichtung in der Lage ist, die Batterien wirkungsvoll davor zu bewahren, überlastet zu werden und es auf diese Weise zu ermöglichen, daß der Motor ohne ein Versagen wieder angelassen werden kann.

Claims (8)

1. Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit

• - einer Abgasleitung (2);
• - einer elektrischen Heizvorrichtung (4) zum Aufheizen des Katalysators (3) in der Abgasleitung (2); und
• - einer mit der Heizvorrichtung (4) verbundenen Steuereinheit (9, 10), die es zwei beim Nichtgebrauch der Heizvorrichtung (4) parallel geschalteten Batterien (5, 6) ermöglicht, dann in Serie umgeschaltet zu werden, wenn die Heizvorrichtung (4) im Gebrauch ist, wodurch die Batterien der Heizvorrichtung (4) eine Gleichstromspannung zuleiten und wobei die Steuereinrichtung (9, 10) mit einer Alarmvorrichtung (12) ausgerüstet ist, die dann einen Alarm abgibt, wenn die an die Heizvorrichtung (4) angelegte Spannung geringer ist als ein vorgeschriebenes Schwellenwert-Niveau.

2. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schwellenwert-Niveau höher liegt als die theoretische Spannung einer Batterie und niedriger als die doppelte, theoretische Spannung dieser einen Batterie.

3. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schwellenwert-Niveau höher liegt als 12 V und niedriger als 24 V.

4. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Alarmvorrichtung ein Summer ist.

5. Abgas-Reinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit

• - einer Abgasleitung (2);
• - einer elektrischen Heizvorrichtung (4) zum Aufheizen des Katalysators (3) in der Abgasleitung (2); und
• - einer mit der Heizvorrichtung (4) verbundenen Steuereinheit (9, 10), die es zwei beim Nichtgebrauch der Heizvorrichtung (4) parallel geschalteten Batterien (5, 6) ermöglicht, dann in Serie geschaltet zu werden, wenn die Heizvorrichtung (4) in Gebrauch ist, wodurch die Batterien der Heizvorrichtung (4) eine Gleichstromspannung zuleiten und wobei die Steuereinheit mit einer Anti-Überlastungsvorrichtung ausgerüstet ist, die die Stromzufuhr zur Heizvorrichtung dann abschaltet, wenn die an der Heizvorrichtung angelegte Spannung geringer ist als ein vorbestimmtes Schwellenwert-Niveau.

6. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Schwellenwert-Niveau höher liegt als die theoretische Spannung einer Batterie und niedriger als die doppelte theoretische Spannung dieser Batterie.

7. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Schwellenwert-Niveau höher liegt als 12 V und niedriger als 24 V.

8. Abgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Alarmvorrichtung ein Summer ist.