DE4435213A1 - Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen eines Hybridfahrzeuges.

Mit dem steigenden Bewußtsein für Umweltprobleme entstand die Forde­ rung nach einer Reduzierung der Schadstoffemission bei Abgasen von Verbrennungsmotoren. Zur Reduzierung der Schadstoffemission bei Kraftfahrzeugen ist es bekannt, Katalysatoren zu verwenden, die Kom­ ponenten des Abgases katalytisch umsetzen. Solche Katalysatoren weisen einen Katalysator-Trägerkörper auf, der aus einer Keramik oder einem Metall bestehen kann. Der Katalysator-Trägerkörper weist eine Vielzahl von Kanälen auf, durch die das Abgas des Verbrennungsmotors hindurch­ strömt.

Problematisch bei solchen Katalysatoren ist, daß zur Reduktion der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids der Katalysator eine be­ stimmte Arbeitstemperatur, die zwischen 300 und 400°C liegt, erreicht haben muß. Diese Temperatur ist beim Kaltstart eines Motors nicht zwingend gegeben. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden Katalysato­ ren zu verwenden, die elektrisch beheizbar sind. Sofern hier von Kataly­ satoren gesprochen wird, so umfaßt dieser Begriff Vorrichtungen zur katalytischen Umsetzung, die aus einem Katalysator-Trägerkörper oder aus mehreren hintereinander angeordneten Katalysator-Trägerkörpern bestehen.

Die katalytische Umsetzung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasser­ stoffe bedarf der Anwesenheit von Sauerstoff. Um ausreichend Sauerstoff für die exotherme Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmon­ oxids bereitzustellen, ist es bekannt, Sekundärluft in das Abgassystem vor dem Katalysator einzuleiten. Eine Übersicht über beheizbare Katalysato­ ren ist dem Artikel von P. Langen et al "Heating Catalytic Converter Competing Technologies to Meet LEV Emission Standards" SAE Paper Series 940 470, entnehmbar.

Der Einsatz von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen ist eine mögliche Losung, die lokale Abgasemission drastisch zu reduzieren. Einen Zwi­ schenschritt stellen sogenannte Hybridfahrzeuge dar, die die bei rein elektrischen Fahrzeugen noch teilweise nicht gelösten Probleme zufrie­ denstellend überbrücken.

Bei den Hybridfahrzeugen unterscheidet man zwischen sogenannten seriellen Hybridfahrzeugen und den parallelen Hybridfahrzeugen.

Unter parallelen Hybridfahrzeugen versteht man Kraftfahrzeuge, die alternativ mittels eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors angetrieben werden können. Die beiden Antriebsarten stehen parallel zur Verfügung.

Im Gegensatz zu den parallelen Hybridfahrzeugen wird bei seriellen Hybridfahrzeugen die vorhandene Verbrennungskraftmaschine nicht zum Antrieb sondern zur Erzeugung elektrischer Energie für den elektrischen Antrieb bzw. Speicher eingesetzt. Die Verbrennungskraftmaschine bei seriellen Hybridfahrzeugen kommt folglich nur dann zum Einsatz, wenn der Vorrat an elektrischer Energie des Kraftfahrzeuges einen kritischen Wert unterschreitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schadstoff­ emission von Hybridfahrzeugen, insbesondere von seriellen Hybridfahr­ zeugen, so gering wie möglich zu halten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen eines Hybridfahrzeuges, insbesondere eines seriellen Hybridfahr­ zeuges umfaßt einen wenigstens teilweise beheizbaren Katalysator-Träger­ körper und eine Gaszuführeinrichtung, die ein Gas vor dem beheizbaren Katalysator-Trägerkörper in das Abgassystem einleitet.

Der Katalysator-Trägerkörper wird vor der Inbetriebnahme des Verbren­ nungsmotors elektrisch beheizt. Um den gesamten Katalysator gleichmä­ ßig zu erhitzen, wird ein Gas, vorzugsweise Umgebungsluft, in das Ab­ gassystem ein- und zu dem Katalysator geleitet. Das in das Abgassystem eingeleitete Gas durch strömt den beheizbaren Teil des Katalysator-Träger­ körpers und nimmt dort Wärme auf und gibt diese an kühlere Teile des Katalysators ab. Hierdurch wird eine rasche und gleichmäßige Aufheizung des gesamten Katalysators auf eine Betriebstemperatur erzielt. Bei einem seriellen Hybridfahrzeug steht im allgemeinen genug elektrische Energie aus einem Energiespeicher (Batterie) für die längere Beheizung eines Katalysators zur Verfügung und eine Verzögerung der Zuschaltung des Verbrennungsmotors zum Nachladen der Batterie von 0,5 bis 5 Minuten ist unkritisch. Von Vorteil ist es, wenn die aus dem Katalysator-Träger­ körper ausströmende Luft zurückgeführt wird. Hierzu ist eine Leitung vorgesehen, die das Abgassystem hinter dem Katalysator-Trägerkörper mit der Gaszuführeinrichtung verbindet.

Die Gaseinleitung sollte möglichst nahe an dem beheizbaren Katalysator- Trägerkörper erfolgen, um Wärmeverluste möglichst gering zu halten.

Die Vorrichtung kann auch dazu genutzt werden, wie dies bereits be­ kannt ist, beim Betrieb des Verbrennungsmotors Luft dem Katalysator- Trägerkörper zuzuführen, wozu in der Leitung ein Luftansaugstutzen vorgesehen ist. Um zu verhindern, daß über die Leitung das Abgas hinter dem Katalysator wieder im Kreis geführt wird, ist ein entsprechen­ des Dreiwegeventil vorgesehen.

Die Gaszuführeinrichtung ist vorzugsweise ein Gebläse, welches elektrisch betrieben wird.

Das Gebläse arbeitet vorzugsweise zweistufig. Während des Heizvorgangs wird in dem Katalysator-Trägerkörper relativ wenig Luft umgewälzt, so daß sich die Luft schnell aufheizt.

Der Verbrennungsmotor treibt eine Lichtmaschine an, die zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen ist. Die elektrische Energie wird in einem Speicher gespeichert. Um den Aufheizvorgang des Katalysators auf seine Arbeitstemperatur zu beschleunigen, wird vorgeschlagen, nachdem der Katalysator in seinem vorderen Bereich durch die elektrischen Behei­ zung auf Arbeitstemperatur aufgeheizt ist, den Verbrennungsmotor zu starten und diesen im Leerlauf zu betreiben. Hierdurch wird dem Kataly­ sator-Trägerkörper eine relativ geringe Menge heißer Abgase hinzuge­ führt. Der bereits vorgeheizte Katalysator-Trägerabschnitt setzt die im Abgas enthaltenen Schadstoffe um. Durch die exotherme Reaktion wird zusätzliche Wärme zur Verfügung gestellt, die den Katalysator weiter aufheizt. Der Gasbetrieb des Verbrennungsmotors, d. h. der Betrieb, bei dem der Verbrennungsmotor mit der Lichtmaschine gekoppelt ist, sollte vorzugsweise dann erfolgen, wenn der gesamte Katalysator auf der Ar­ beitstemperatur sich befindet. Während des Leerlaufbetriebes kann die umgewälzte Gasmenge durch das Gebläse gesteigert werden. Hierdurch wird eine weitere Beschleunigung des Erwärmungsvorgangs des Katalysa­ tor-Trägerkörpers erreicht.

Ausführungsbeispiele, vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungsmög­ lichkeiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben, ohne daß die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt ist. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematisch er Darstellung,

Fig. 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Da üblicherweise beheizbare Katalysatoren 1 nur ein geringes Volumen aufweisen, wäre die Umsatzrate des vorgeheizten Katalysatorteils 1 für strenge Abgasgesetze zu gering. Es wird daher eine möglichst gleichmäßi­ ge Aufheizung des gesamten Katalysators (Heiz- und Hauptkatalysator 2) angestrebt. Die einen Heizkatalysator 1 und einen Hauptkatalysator 2 aufweisende Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen eines Hybridfahrzeuges weist dazu eine Gaszuführeinrichtung 3 auf, die ein Gas G vor dem beheizbaren Katalysator-Trägerkörper 1 in das Abgassy­ stem 4 einleitet.

Das Abgassystem 4 ist mit einem Verbrennungsmotor 5 verbunden. Bei dem Gas G kann es sich um Umgebungsluft handeln.

Die Zuführung des Gases sollte möglichst nahe am beheizbaren Katalysa­ tor-Trägerkörper erfolgen. Es kann zweckmäßig sein, in dem Strömungs­ weg des Gases Leitorgane anzuordnen, die die Gasströmung zum beheiz­ baren Katalysator-Trägerkörper hinlenken.

In der Fig. 2 ist eine modifizierte Vorrichtung zur katalytischen Umset­ zung von Abgasen dargestellt. Die Vorrichtung weist einen beheizbaren Katalysator-Trägerkörper 1 und einen hinter dem Katalystator-Trägerkör­ per 1 zweiten angeordneten Katalysator-Trägerkörper 2 auf. Die Gaszu­ führeinrichtung 3 ist mit dem hinter dem Katalysator-Trägerkörper 2 liegenden Teil des Abgassystems 4 über eine Leitung 6 verbunden. Bei der Gaszuführeinrichtung kann es sich um ein elektrisch angetriebenes Gebläse handeln. Das Gebläse saugt über die Leitung 6 aus dem Ab­ gassystem 4 ein Gas an und leitet es vor dem Katalysator in das Ab­ gassystem 4 wieder ein. Der Heizkatalysator 1 kann gleichzeitig mit der Gaszuführeinrichtung betrieben werden. Vorteilhafterweise wird die Gaszufuhreinrichtung 3 eine gewisse Zeit, nachdem der Heizvorgang ausgelöst wurde, in Betrieb gesetzt, so daß das sich im Katalysator erwärmte Gas über die Gaszuführeinrichtung 3 dem Katalysator zugeführt wird. Das den Hauptkatalysator 2 durchströmende warme Gas erwärmt den Hauptkatalysator 2 gleichmäßig. Die Ansaugöffnung der Leitung 6 sollte hierzu möglichst nahe am Gasaustritt des Katalysators 2 liegen.

Zweckmäßigerweise ist dem Hauptkatalysator 2 ein Temperaturmeßfühler angeordnet, der den Start des Motors nur dann freigibt, wenn der Hauptkatalysator 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen eines Hybrid­ fahrzeuges mit einem wenigstens teilweise beheizbaren Katalysator- Trägerkörper (1) und einer Gaszufuhreinrichtung (3), die ein Gas (G) vor dem Katalysator-Trägerkörper (1) in das Abgassystem (4) einleitet und zu dem Katalysator-Trägerkörper leitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhreinrichtung (3) über eine Leitung (6) mit dem hinter dem Katalysator-Trägerkörper (1) liegenden Teil des Abgassystems (4) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung ein Luftansaugstutzen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung ein Dreiwegeventil angeordnet ist, das mit dem Luftansaug­ stutzen verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung (3) ein Gebläse ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse elektrisch betrieben wird.

7. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur katalytischen Umset­ zung eines Abgases aus einem Verbrennungsmotor mit einem wenig­ stens teilweise beheizbaren Katalysator-Trägerkörper und einer Gas­ zuführeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Trä­ gerkörper wenigstens vor dem Start des Verbrennungsmotors beheizt, und während des Heizvorgangs ein Gas dem Katalysator-Trägerkör­ per zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des Heizvorganges in Abhängigkeit von den Energiereserven eines Elektroantriebes eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiz­ vorgang 0,5 bis 5 Minuten, vorzugsweise eine Minute, vor dem Start des Verbrennungsmotors eingeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem der Verbrennungs­ motor mit einer Lichtmaschine koppelbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verbrennungsmotor (5) im Leerlauf betrieben wird bis der ganze Katalysator-Trägerkörper seine Arbeitstemperatur erreicht hat, und daß nach Erreichen der Arbeitstemperatur der Verbren­ nungsmotor der Lichtmaschine gekoppelt wird.