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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges,
das als Komponenten ein Antriebsmittel, eine Abgasanlage für Abgase
des Antriebsmittels mit wenigstens einer Heizvorrichtung sowie wenigstens
einen Energiewandler aufweist. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung
im Automobilbau.
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Es
ist als bekannt anzusehen, das von einem Motor eines Kraftfahrzeuges
erzeugte Abgas mit einer Heizvorrichtung in Kontakt zu bringen,
um die Temperatur des Abgases zu beeinflussen. Darüber hinaus
ist auch als bekannt anzusehen, dass solche Heizeinrichtungen beispielsweise
gerade nach einem Kalt- oder Neustart eines Motors bzw. einer Abgasanlage
dazu verwendet werden, die Abgase bzw. die Abgasreinigungskomponenten,
die gegebenenfalls mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen
sind, schnell auf die Reaktionstemperatur zu bringen, insbesondere
auf eine Temperatur, bei der eine Interaktion des Katalysators mit
den Schadstoffen des Abgases stattfindet.
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Als
Heizeinrichtungen sind insbesondere solche bereits vorgeschlagen
worden, die in Folge einer Ohmschen Widerstandserwärmung erhitzt
werden. Der zu gewünschten
Zeitpunkten mit Strom durchflossene elektrische Leiter erhitzt sich
aufgrund seines Widerstandes und kann somit das darauf positionierte
katalytisch aktive Material und/oder das kontaktierte Abgas erwärmen. Die
Ausgestaltungen solcher Heizeinrichtungen sind mannigfaltig, insbesondere
sind Draht-Gitter-Konstruktionen,
Wabenkörper,
Plattenkonstruktionen und ähnliche
Apparate bereits beschrieben worden.
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Im
Hinblick auf den Betrieb solcher Heizeinrichtungen ist ebenfalls
als bekannt anzusehen, dass diese vor bzw. mit Motorstart oder ggf.
kurz nach Motorstart zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens für einen
begrenzten Zeitraum aktiviert wurden, wobei insbesondere berücksichtigt
wurde, dass eine elektrische Überlastung
der Batterie des Fahrzeuges vermieden wird. Darüber hinaus ist auch bekannt,
solche Heizeinrichtungen in Kombination mit Partikelfiltern einzusetzen,
um hier im Bedarfsfall (z. B. eine drohende Verstopfung des Partikelfilters)
eine thermische Regeneration der eingefangenen Partikel zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck ist bekannt, die Heizeinrichtung dann zu aktivieren,
wenn ein vorgegebener Betriebszeitraum verstrichen ist und/oder
die Partikelbeladung im Filter eine vorgegebene Größe erreicht
hat.
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Die
bekannten Einsatzwecke und/oder Einsatzstrategien führten jedoch
nur teilweise zu den gewünschten
Ergebnissen. Insbesondere musste festgestellt werden, dass der Einsatz
der Heizeinrichtung teilweise einen unerwünscht hohen Energiebedarf zur
Folge hat und die Aktivierungszyklen teilweise sehr große Zeiträume einnahmen.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug
auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu
lösen.
Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, das einen energiesparend
und effektiv Einsatz solcher Heizeinrichtungen in Abgasanlagen mobiler
Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einsatzgebiete
der Erfindung werden in den abhängig
formulierten Patentansprüchen
angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln
aufgeführten
Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander
kombiniert werden können,
und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Erfindung
wird nachfolgend gerade im Zusammenhang mit der Beschreibung und
den Figuren weiter spezifiziert, so dass auch hier besonders bevorzugte
Ausführungsvarianten
angegeben sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, das als Komponenten ein Antriebsmittel,
eine Abgasanlage für
Abgase des Antriebsmittels mit wenigstens einer Heizvorrichtung sowie
wenigstens einen Energiewandler aufweist, umfassend zumindest die
folgenden Schritte:
- (a) Erfassen einer Möglichkeit
zur Energierückgewinnung,
- (b) Aktivieren des wenigstens einen Energiewandlers,
- (c) Zuführen
der von dem wenigstens einen Energiewandler rückgewonnenen Energie zu der
Heizvorrichtung,
- (d) Betreiben der Heizvorrichtung zur Aufheizung des Abgases
mit der rückgewonnenen
Energie, und
- (e) Erfassen eines Endes des Möglichkeit zur Energierückgewinnung,
wonach der Energiewandler deaktiviert und die Bereitstellung der
rückgewonnenen
Energie beendet wird
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Damit
betrifft das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere die Regelung einer mit dem Abgas eines Kraftfahrzeugmotors
in Kontakt stehenden Heizvorrichtung, so dass ein gewünschter
Zielparameter der Abgasanlage bzw. eine Komponente darin sicher
erreicht wird.
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Bei
dem Antriebsmittel kann es sich neben bekannten Diesel- oder Benzinmotoren
auch um jeden anderen, vergleichbaren, Antrieb handeln, der letztendlich
ein mit Schadstoff belastetes Abgas erzeugt bzw. ein Abgas, das
einer Temperaturbehandlung unterzogen werden soll. Dazu zählen auch
Hybridantriebe oder auf alternativen Energieträgern basierende Antriebsmittel,
die Abgase emittieren. Die „Abgasanlage” ist regelmäßig mit
einem Strang (oder mehreren Strängen)
gebildet, insbesondere nach Art einer rohrförmigen Leitung. In dieser,
das Abgas in einer bevorzugten Strömungsrichtung führenden,
Abgasanlage ist nun mindestens eine Heizvorrichtung vorgesehen,
die insbesondere den inneren Querschnitt der Abgasanlage zumindest
teilweise überspannt.
Dabei bildet die Heizvorrichtung bevorzugt Durchlässe, Kanäle oder
dergleichen, durch die das Abgas hindurch strömt, wobei eine große Kontaktfläche realisiert
ist. Die Heizvorrichtung kann zusätzlich zu ihrer Heizfunktion
weitere Funktionen aufweisen, beispielsweise eine katalytische Umwandlung,
Speicherung, oder Umlenkung von Abgasbestandteilen.
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Gemäß Schritt
(a) wird zunächst
eine Möglichkeit
zur Energierückgewinnung
erfasst. Dies geschieht beispielsweise, in dem wenigstens ein Fahr- und/oder
Betriebszustand des Kraftfahrzeuges (bevorzugt fortlaufend) mittels
einer Steuerungseinrichtung überwacht
wird. Bei vorbestimmten Zuständen, bei
denen es möglich
ist Energie rückzugewinnen, wird
dann ein entsprechendes Signal erzeugt, welches angibt, dass die
Möglichkeit
zur Energierückgewinnung
besteht. Im Rahmen der Erfindung können hierbei wahlweise aktuelle,
d. h. momentane, Zustände
zur Bestimmung der Möglichkeit
zur Energierückgewinnung
herangezogen werden. Es ist aber durchaus auch möglich zukünftige, zu erwartende, Zustände bei
der Erfassung von Möglichkeiten
zur Energierückgewinnung
heranzuziehen. Dies kann beispielsweise mittels einer GPS-Navigationseinrichtung
geschehen. Wird dabei beispielsweise erkannt, dass sich ein Fahrzeug
an einer längeren
Gefällestrecke befindet
und die Fahrtrichtung zudem in Richtung der Talfahrt weist, so ist
zu erwarten, dass sich das Fahrzeug in näherer Zukunft überwiegend
im Brems- bzw. Leerlaufzustand befinden wird und somit eine Energierückgewinnung
möglich
sein wird. Neben einem solchen ganz besonders vorteilhaften Fahrzustand, welcher
eine hervorragende Möglichkeit
zur Energierückgewinnung
darstellt, können
aber auch in zahlreichen anderen Zuständen bzw. Situa tionen Energierückgewinnungen
vorgenommen werden. Dies sind beispielsweise Bremsvorgänge aus
hohen Geschwindigkeiten oder auch kürzere Gefällestrecken.
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Im
nachfolgenden Schritt (b) des Verfahrens wird dann wenigstens ein
Energiewandler aktiviert. Wird infolge des Schrittes (a) ein Signal
ausgegeben, welches die Möglichkeit
zur Energierückgewinnung anzeigt,
so aktiviert der Schritt (b) infolge des Signals den Energiewandler.
Der Energiewandler gewinnt dann vorzugsweise kinetische Energie,
welche im Fahrzeug gespeichert bzw. erzeugt wird, zurück und wandelt
diese in eine andere Energieform (bevorzugt Elektrizität) um – Rekuperation.
Neben der Umwandlung von kinetischer Energie ist es hierbei auch
denkbar, potentielle Energie des Kraftfahrzeuges umzuwandeln. Dies
könnte
beispielsweise durch Höhenveränderungen
im Rahmen der Fahrwerkskinematik geschehen, wo Federwege zur Energierückgewinnung
genutzt werden können.
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Als
Energiewandler kommen beispielsweise Stromgeneratoren in Betracht.
Diese können
die Drehbewegungen der Räder
(insbesondere die Bremsenergie) oder der Antriebselemente des Fahrzeuges
in elektrischen Strom umsetzen. Alternativ können bei Hybridfahrzeugen aber
auch deren Elektromotoren, welche in einem Antriebszustand zum Antrieb
des Fahrzeuges dienen, im Schubbetrieb als Generatoren zur Erzeugung
von elektrischem Strom genutzt werden. Andere Formen von Energiewandlern
können
Kompressoren sein, die Drehbewegungen beispielsweise der Antriebselemente
in Druckpotentiale von Druckluftspeichern umwandeln, die später mittelbar
oder unmittelbar weiter verwendet werden.
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In
Schritt (c) wird dann die von dem wenigstens einen Energiewandler
rückgewonnene
Energie der Heizvorrichtung zugeführt. Dies geschieht im einfachsten
Fall über
Leitungsmittel, wie beispielsweise in Form von elektrischen Leitungen,
wenn die rückgewonnenen
Energie in Form elektrischer Ströme
vorliegt. Gleichwohl kann Schritt (c) auch mehrstufig ausgeführt sein,
wobei z. B. zunächst
ein Energiespeicher mit der rückgewonnenen
Energie versorgt wird und zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht die
Heizvorrichtung beliefert wird. Das Aufladen des Energiespeichers
kann auch gleichzeitig bzw. parallel zur Zuführung der rückgewonnenen Energie hin zur
Heizvorrichtung erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht im Weiteren vor, im Schritt (d) die Heizvorrichtung zum Aufheizen
des Abgases mit der rückgewonnenen
Energie zu betreiben. Die Heizvorrichtung kann dabei unmittelbar
oder mittelbar auf das aufzuheizende Abgas einwirken. Bei einer
unmittelbar wirkenden Heizung sind beispielsweise Heizspiralen vorgesehen, welche
direkt im Abgasstrom angeordnet sind und dort vom Abgas umströmt werden.
Werden sie dazu etwa durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht, so
wird die bereitgestellte Energie von der Heizvorrichtung an das
umströmende
Abgas abgegeben und dieses dadurch aufgeheizt. Das so aufgeheizte
Abgas kann dann schneller die zur vollständigen Abgasreinigung erforderlichen
Temperaturen erreichen. Beim Betrieb einer unmittelbaren Heizvorrichtung kann
diese beispielsweise auf den Wabenkörper oder andere Komponenten
der Abgasanlage einwirken. Dies bedeutet die Abgasanlage oder deren Komponenten
werden durch die Heizvorrichtung aufgeheizt und heizen ihrerseits
dann wieder das durch die Abgasanlage durchströmende Abgas auf. Hierdurch
ergibt sich die unmittelbare Wirkweise der Heizvorrichtung.
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Je
nach Einsatzform und Fahrzeug kann die rückgewonnene Energie andere
Energiequellen ganz oder teilweise ersetzen oder diese ergänzen. Während beispielsweise
bisher übliche
Heizvorrichtungen mit elektrischen Strömen betrieben werden, welche
durch Generatoren und Fahrzeugbatterien bereitgestellt werden, führen diese
häufig
zu hohen Belastungen der elektrischen Systeme. Zudem ergibt sich
aus der Verwendung von 12 oder 24 Voltsystemen auch eine erhebliche
Beschränkung
im Hinblick auf die maximal mögliche
Leistungsabgabe solcher Systeme. Ausgehend von diesem Stand der
Technik kann mittels der vorliegenden Erfindung nun wahlweise die
aus den bisher üblichen
Energiequellen stammende Heizenergie durch die rückgewonnene Energie ganz oder
teilweise ersetzt werden. Dies führt
zu einer besonders starken Entlastung der elektrischen Anlagen.
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Ist
bei anderen Einwendungsfällen
eine besonders hohe Heizleistung gewünscht, beispielsweise bei geforderter
möglichst
vollständiger
Abgasnachbehandlung, so kann die rückgewonnene Energie auch zusätzlich zu
dem bisherigen Heizenergiequellen zur Aufheizung des Abgases verwendet
werden, wodurch deutlich höhere
Heizleistungen als bisher möglich
werden. Darüber
hinaus wird nun sichergestellt, dass bei Fahrsituationen, die grundsätzlich zur
Abkühlung
der Abgasanlage führen,
weil keine ausreichende Menge heißen Abgases erzeugt wird, direkt
ein Heizen der „kühleren" Abgase erfolgt und damit
die Aktivität
bzw. Effektivität
der Abgasreinigungskomponenten der Abgasanlage aufrecht erhalten
wird (insbesondere bei Dieselmotoren).
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Im
Schritt (e) der Erfindung wird schließlich das Ende der Möglichkeit
zur Energierückgewinnung erfasst,
wonach der Energiewandler deaktiviert und die Bereitstellung der
rückgewonnenen
Energie beendet wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein Fahrzeug
nicht in einem Zustand gebremst oder ihm in sonstiger Weise Energie
entnommen wird, wenn diese Energie vorrangig für andere Zwecke benötigt wird.
Beispielsweise sei hier ein Beschleunigungsvorgang erwähnt, bei
dem die zur Verfügung
stehende Leistung bzw. Energiemenge möglichst vollständig zur
Beschleunigung des Fahrzeuges eingesetzt werden soll. In einem solchen
Fahrzustand wäre
es nicht wünschenswert
und teilweise sogar sicherheitsrelevant, wenn die zur Verfügung stehende
Antriebsleistung teilweise im Rahmen der Energierückgewinnung
umgewandelt würde.
In dem Schritt (e) wird somit die Energierückgewinnung beendet und das Fahrzeug
gleichsam in einen Wartezustand versetzt, in dem es verbleibt, bis
sich eine erneute Möglichkeit zur
Energierückgewinnung
einstellt.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung, wenn das vorstehend beschriebene Verfahren wenigstens
bei einer Teillast des Antriebsmittels oder unterhalb einer Abgasmindesttemperatur
ausgeführt
wird. Eine mögliche
Grenze für
ein Teillastbereich liegt dabei bei 80%. Das bedeutet, dass nur
wenn die Antriebsmittel des Kraftfahrzeuges mit einer Last von 80%
oder weniger betrieben werden, eine Energierückgewinnung durchgeführt werden
soll. Andere Lastgrenzen können
beispielsweise bei 60% oder 30% definiert werden, wodurch sichergestellt
wird, dass keine Energierückgewinnung
vorgenommen wird, wenn der Motor bzw. das Antriebsmittel mit einer
Leistung betrieben wird, die oberhalb dieser Teillastgrenzen liegen.
Grundsätzlich
können
die Lastgrenzen auch an eine durchschnittliche und/oder aktuelle
Abgastemperatur gebunden sein, so dass etwa auch bei tieferen Temperaturen
trotz hoher Teillastbereichen (z. B. 80%) bereits zugeheizt wird.
Umgekehrt kann bei hohen Abgastemperaturen eine Zuheizung entfallen,
auch wenn die Teillast sehr klein ist und beispielspielsweise unter
30% liegt. Diese zur Steuerung der Zuheizung verwendete Temperatur
stellt dann eine vorgegebene Abgasmindesttemperatur (z. B. 400°C, oder 300°C oder auch
200°C) dar,
bei der noch eine ausreichende Wirksamkeit und Abgasnachbehandlung durch
die Abgasreinigungseinrichtung sichergestellt ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Schritte (a) bis (e)
von einer mit den Komponenten verbundenen Steuerungseinrichtung
ausgeführt werden.
Unter einer Steuerungseinrichtung wird hierbei eine Einrichtung
verstanden, welche in der Lage ist, verschiedene Parametersignale
und/oder Messwerte eines Fahrzeuges zu erfassen, diese entsprechend
vorgegebenen Bedingungen, Situationen, Zustände und/oder Gesetzmäßigkeiten
analysiert und entsprechende Steuerungsbefehle ausgibt. Eine solche
Steuerungseinrichtung kann physikalisch auf einem Gerät oder auch
im Fahrzeug verteilt auf eine Vielzahl von so genannten Steuergeräten ausgeführt sein.
Insbesondere sei dabei auch darauf hingewiesen, dass Steue rungsprogramme
auf solchen Steuerungseinrichtungen abgearbeitet werden, in denen die
Verfahrensschritte in programmtechnischer Form hinterlegt sind.
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Steuerungseinrichtungen
finden sich in nahezu allen modernen Fahrzeugen und können durch entsprechende
Anpassung von Steuerungsprogrammen in einfacher Form auch zur Ausführung des
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung hergerichtet und verwendet werden. Solche Steuerungseinrichtungen
sind besonders leistungsfähig
und können
nahezu in Echtzeit eine Vielzahl von Parameter überwachen und bei der Entscheidungsfindung berücksichtigen.
Insbesondere sei auf eine Verbindung auch von Steuerungseinrichtungen
mit Navigationseinrichtungen hingewiesen, die im Rahmen der vorliegenden
Erfindung in vorteilhafter Weise möglich ist.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, durch die Steuerungseinrichtung fortlaufend zumindest
eine Energieaufnahmefähigkeit
oder eine Energieabgabefähigkeit
wenigstens eines Energiespeichers oder eines Verbraucher zu überwachen.
Hierbei kann vorgesehen werden, dass die Energieabgabefähigkeit
und/oder die Energieaufnahmefähigkeit der
Energiespeicher und/oder Verbraucher mit einer Steuerungseinrichtung überwacht
wird. Solche Verbraucher sind beispielsweise die vorstehend genannte
Heizvorrichtung oder aber auch andere Energieverbraucher wie etwa
Steuergeräte,
Elektroantriebe von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen oder auch
die von Energiespeichern, wie beispielsweise Akkumulatoren oder
Kondensatoren.
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Hierbei
sind vor allem besonders leistungsfähige Kondensatoren bekannt,
die in Fahrzeugen zur kurzzeitigen Zwischenspeicherung großer Energiemengen
dienen. Ganz bevorzugt ist der Einsatz von Doppelschicht-Kondensatoren,
auch elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (englisch: electrochemical
double layer capacitor – EDLC)
oder Superkondensatoren genannt. Doppelschicht- Kondensatoren bestehen aus zwei Elektroden,
die mit einem Elektrolyten benetzt werden. Beim Anlegen einer Spannung,
die kleiner ist als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten, sammeln
sich an beiden Elektroden Ionen umgekehrter Polarisation. Sie bilden eine
Zone von unbeweglichen Ladungsträgern,
deren Schichtdicke nur wenige Moleküllagen beträgt. Solche Doppelschicht-Kondensatoren weisen
gegenüber
Akkumulatoren sehr hohe spezifische Leistungsdichte (Watt/kg) auf,
die durch den Innenwiderstand bestimmt wird. Solche hohen Leistungsdichten begünstigen
Anwendungen zur Pufferung von Verbrauchern, die kurzzeitig einen
hohen Strom benötigen
oder abgeben (Im hier angeführten
Automobilbereich kann eine entsprechende Elektromotorische Bremse
bei Elektro-, Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen mit Gyroantrieb Einsatz
finden, weil diese ausreichend große Antriebsmotoren und Energiespeicher besitzen.).
Diese Kondensatoren können
im Gegensatz zu bisher bekannten Akkumulatoren elektrische Energie
sehr schnell und in großer
Menge zwischenspeichern. Sie sind damit insbesondere zur kurzzeitigen
und raschen Zwischenspeicherung der rückgewonnenen Energie geeignet.
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Insofern
ist es vorteilhaft, die Energiespeicherfähigkeit und Energieabgabefähigkeit
solcher Energiespeicher zu überwachen,
um die rückgewonnene
Energie, die durch den Energiewandler bereitgestellt wird, dort
vorübergehend
zwischenzuspeichern. Hierbei ist anzumerken, dass im Falle einer Zwischenspeicherung
der rückgewonnene
Energie in einem Zwischenspeicher der Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine zeitliche Verzögerung
zwischen der Deaktivierung des Energiewandlers und der Beendung
der Bereitstellung der rückgewonnenen
Energie vorsehen kann. In der verbleibenden Zeit nach der Deaktivierung
des Energiewandlers kann die Bereitstellung der rückgewonnenen
Energie nämlich
mittels der zuvor gefüllten
Energiespeicher geschehen, welche die zwischengespeicherte Energie
noch für
eine bestimmte Zeitdauer an die Heizvorrichtung abgeben. Hierdurch
kann auch nach einem Ende der Rückgewinnung
eine Nachhei zung mit der zwischengespeicherten Energie erfolgen. Dies
ist insbesondere in Leerlaufphasen sinnvoll, die sich beispielsweise
direkt oder mit zeitlicher Verzögerung
an Phasen der Energierückgewinnung
anschließen.
Eine Leerlaufphase kann beispielsweise eine Wartezeit vor einer
Ampelanlage bilden. Zudem kann es in bestimmten Fällen sinnvoll
sein, die rückgewonnene
Energie aufzuteilen und an eine Mehrzahl von Verbrauchern oder Speichern
weiterzuleiten. So kann insbesondere bei Fahrzeugen mit Elektroantrieben
bei der Energierückgewinnung
eine sehr hohe Leistungsabgabe auftreten. Das heißt in sehr
kurzer Zeit wird eine große
Energiemenge erzeugt, die zu verbrauchen oder zu speichern sind.
Solche Energiemengen können
beispielsweise durch eine Steuerungseinrichtung überwacht und verteilt werden. Hierbei
ist es dann beispielsweise sinnvoll einen Teil der Energie in einer
Heizeinrichtung zu verbrauchen und einen anderen Teil in einer Speichereinrichtung zu
speichern, wobei beide Schritte in Abhängigkeit von der aufzunehmenden
Energiemenge parallel oder nacheinander ausführbar sind.
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Wie
bereits zuvor erwähnt,
ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise vorgesehen,
das Verfahren nach Schritt (b) mittels wenigstens eines Elektromotors
oder Generators auszuführen.
Solche Elektromotoren und/oder Generatoren finden in modernen Fahrzeugen,
beispielsweise mit Hybridantrieb oder mit reinem Elektroantrieb,
bereits Anwendung und können
zur Erzeugung von elektrischen Strömen und damit als Energiewandler
genutzt werden. Aber auch bei bisher ausschließlich von Verbrennungskraftmaschinen
getriebenen Fahrzeugen können
solche Elektromotoren oder Generatoren zusätzlich als Antriebs- oder als
Energiewandler im Fahrzeug angeordnet werden.
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Darüber hinaus
wird bevorzugterweise im Rahmen des vorliegenden Verfahrens zur
Durchführung
des Schrittes (d) als Heizvorrichtung wenigstens ein elektrisch
beheizbarer Wabenkörper
eingesetzt. Ein solcher elektrisch beheizbarer Wabenkörper kann
wahlweise keramisch oder metallisch oder aus einer Kombination beider
Werkstoffarten ausgebildet sein. Derartige heizbare Wabenkörper sind
zudem in der Technik bereits in einer Vielzahl von Ausgestaltungen
bekannt und haben sich darüber
hinaus auch bewährt.
Bevorzugt sind dabei Wabenkörper,
die mit zumindest teilweise strukturierten Blechlagen aufgebaut
sind, die elektrisch voneinander isolierte, gewundene Strompfade
bilden, die sich über
den Querschnitt des Wabenkörpers
erstrecken.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn während
des Schrittes (d) ein Abgasmassenstrom zumindest teilweise rückgeführt wird.
Hierdurch kann der relativ kalte und aufzuheizende Abgasmassenstrom erheblich
in seiner Masse reduziert werden, indem dieser zumindest teilweise
wieder zurück
in den Verbrennungsmotor gleitet wird. Durch die Reduzierung des
aufzuheizenden Abgasmassenstroms kann der verbleibende nicht rückgeführte Abgasmassenstrom dann
auf eine höhere
Temperatur aufgeheizt werden oder es kann die zur Aufheizung erforderliche
Heizleistung ohne Temperaturabsenkung entsprechend verringert werden.
Alternativ kann auch beides der Fall sein. Insbesondere eine Reduzierung
der Heizleistung entlastet das elektrische System des Fahrzeuges
und ermöglicht
eine verlängerte
Heizzeit mit der rückgewonnenen
Energie.
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Besonders
vorteilhaft findet die Erfindung Einsatz in einem Kraftfahrzeug,
umfassend wenigstens ein Antriebsmittel und eine Abgasanlage mit
wenigstens einer regelbaren und mit Abgas in Kontakt bringbaren
Heizvorrichtung, bei dem zumindest die mit einer Steuerungseinrichtung
verbundene Heizvorrichtung zur Durchführung des hier erfindungsgemäß beschriebenen
Verfahrens eingerichtet ist.
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Die
Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der Figuren
näher erläutert. Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Aus führungsvarianten
der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Es zeigen schematisch:
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1:
eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2:
eine Draufsicht auf das Fahrzeug nach 1;
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3:
eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Kraftfahrzeuges;
und
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4:
eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Kraftfahrzeuges.
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In 1 ist
ein Kraftfahrzeug 1 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 besteht aus verschiedenen Komponenten,
zu denen unter anderem ein Antriebsmittel 2, eine Abgasanlage 3 sowie
eine Heizvorrichtung 4 gehören. Das Antriebsmittel 2 ist
als Verbrennungsmotor 5 ausgebildet, der ein Abgas 6 produziert
und durch die Abgasanlage 3 hin zu einem Katalysator 7 fördert, von
wo es behandelt durch einen hinteren Teil der Abgasanlage 3 zu
einer Fahrzeugrückseite 8 geleitet
wird, an der es ins Freie austritt. Der Katalysator 7 umfasst
neben der Heizvorrichtung 4 noch einen (wenigstens einen
weiteren) Wabenkörper 9,
der metallisch oder keramisch ausgebildet und mit verschiedenen
katalytisch aktiven, adsorbierenden oder weiteren Beschichtungen
versehen sein kann. In dem Wabenkörper 9 wird das bisher
unvollständig „gereinigte" Abgas 6 bei
entsprechenden Temperaturen behandelt. Zur Erreichung der für die Umwandlung
günstigen
bzw. erforderlichen Temperaturen ist die Heizvorrichtung 4 stromaufwärts des Wabenkörpers 9 angeordnet.
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An
den Rädern 10 sind
jeweils Energiewandler 11 angeordnet, die über Leitungsmittel 12 mit
der Heizvorrichtung 4 verbunden sind. Weiterhin sind die Energiewandler 11 über Steuerleitungen 13 mit
einer Steuerungseinrichtung 14 verbunden.
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In 2 ist
das Kraftfahrzeug 1 aus 1 in einer
Draufsicht dargestellt. Dort ist wiederum die Steuerungseinrichtung 14 erkennbar,
die über
Steuerleitungen 13 mit jedem der vier Energiewandler 11 und
zusätzlich
mit dem Verbrennungsmotor 5 verbunden ist. Die Steuerleitungen 13 dienen
dabei wahlweise zum Senden von Steuerbefehlen oder zur Abfrage von
Messwerten und Parametern. Der Begriff Steuerleitung ist damit auch
im Sinne einer Signalübertragungsleitung
zu verstehen. In 2 ist zudem deutlich erkennbar,
dass an jedem der Räder 10 ein
Energiewandler 11 angeordnet ist. Die in jedem der Energiewandler 11 rückgewonnene
elektrische Energie wird über
die Leitungsmittel 12 direkt in die Heizvorrichtung 4 eingeleitet.
Bei der gezeigten Ausführungsform
erfolgt die Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
indem die Steuerungseinrichtung 14 zunächst das Vorliegen der Möglichkeit
zur Energierückgewinnung
erkennt und anschließend über die
Steuerleitungen 13 Signale an die Energiewandler 11 abgibt,
um diese zu aktivieren. Nach der Aktivierung der Energiewandler 11,
wird durch diese die Bewegungsenergie der sich drehenden Räder rückgewonnen
und über
die Leitungsmittel 12 in Form eines elektrischen Stromes
zur Heizvorrichtung 4 weitergeleitet, wo sie entsprechend
den dargestellten Pfeilen eingeleitet und zur Aufheizung des Abgases 6 in
Wärme umgewandelt
wird. Die Energieumwandler 11 sind bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
als mitlaufende Generatoren ausgebildet, die fortlaufend an die
Räder 10 angekoppelt
sind. Sie können
dabei beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie im inaktivierten
Zustand nahezu widerstandslos mit den Rädern mitdrehen und diese nicht
abbremsen. Erst im Zeitpunkt ihrer Aktivierung kann ein geringer
Erregerstrom auf die Generatoren aufgelegt werden, wodurch diese
als Generatoren aktiviert werden und mit der Erzeugung von elektrischer
Energie beginnen. Bei einer anderen Ausführungsform ist es durchaus
auch möglich,
die Generatoren fortwährend
mitlaufen zu lassen, und nur im Falle einer Aktivierung den Leitungskontakt
zu der Heizvorrichtung 4 herzustellen und damit einen Verbraucherkreis
zu schließen.
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Somit
kann beispielsweise eine einfache Steuerung wahlweise durch der
Zuschaltung des Verbrauchers in Form der Heizvorrichtung 4 oder durch
Anlegen eines Erregerstroms an die Generatoren erfolgen.
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In 3 ist
nun eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt,
bei dem das Antriebsmittel 2 wiederum als Verbrennungsmotor 5 ausgelegt
ist. Zusätzlich
ist an einer Vorderachse 15 des Kraftfahrzeuges 1 als
Energiewandler 11 ein Elektromotor 16 angeordnet.
Der Aufbau des Katalysators 7 entspricht dem des zuvor
im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen
Katalysators 7. Bei dieser Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung
wiederum über
eine Steuerleitung 13 mit dem Verbrennungsmotor 5 verbunden
und kann so Messwerte und Parameter von diesem erfassen. Zusätzlich ist
die Steuerungseinrichtung 14 über Leitungsmittel 12 sowohl
mit dem Elektromotor 16 als auch mit der Heizvorrichtung 14 verbunden.
Wird nun durch die Steuerungseinrichtung 14 eine Möglichkeit zur
Energierückgewinnung
erfasst, so aktiviert sie den Elektromotor 16 als Energiewandler 11,
so dass dieser über
das Leitungsmittel 12 Energie in Form eines elektrischen
Stromes bereitstellt, der durch die Steuerungseinrichtung 14 an
die Heizvorrichtung 4 weitergeleitet wird und dort zur
Aufheizung des durch die Abgasanlage 3 durchströmenden Abgases 6 genutzt
wird. Das gezeigte Fahrzeug entspricht dabei im Wesentlichen einem
so genannten Hybrid-Fahrzeug, bei dem die Antriebsenergie zunächst in
einem Verbrennungsmotor erzeugt und teilweise direkt von diesem
auf die Räder 10 übertragen
wird. In anderen Fahrzuständen
wird die durch den Verbrennungsmotor 5 erzeugte Energie
zwischengespeichert und anschließend über den Elektromotor 16 an
die Räder 10 übertragen.
Bei ei nem solchen Hybrid-Fahrzeug kann die vorliegende Erfindung,
wie zuvor gezeigt, ebenfalls in vorteilhafter Weise angewandt werden.
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In 4 ist
nun eine Draufsicht auf eine weitere mögliche Ausführungsform eines Kraftfahrzeuges 1 dargestellt,
welches zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Auch hierbei ist das Antriebsmittel 2 wiederum
als Verbrennungsmotor 5 ausgeführt. Sowohl an der Vorderachse 15 als
auch an einer Hinterachse 17 befindet sich jeweils ein
Elektromotor 16. Beide Elektromotoren 16 sind als
Energieumwandler 11 nutzbar. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten
Ausführungsform,
kann die Steuerungseinrichtung 14 damit im Falle der Energierückgewinnung
elektrische Energie von zwei Antriebsachsen 15, 17 erhalten.
Darüber
hinaus verfügt dieses
Ausführungsbeispiel
aber auch noch über
einen Energiespeicher 18, der mit mehreren so genannten
Superkondensatoren ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung 14 kann
damit besonders gut an komplexe Fahrzustände und Fahrzeugzustände, insbesondere
Zustände
des elektrischen Systems, angepasst werden. So ist es beispielsweise
möglich, die
von den Elektromotoren 16 bereitgestellte elektrische Energie,
welche im Falle der Energierückgewinnung
anfällt,
wahlweise in die Heizvorrichtung 4 oder zur Zwischenspeicherung
in den Energiespeicher 18 einzuleiten. Wird der Zustand
der Energierückgewinnung
dann beendet, und von den Energiewandlern 11 keine weitere
elektrische Energie mehr bereitgestellt, so kann die in den Superkondensatoren
gespeicherte Energie des Zwischenspeichers 18 wahlweise
zum Antrieb der Elektromotoren 16 oder zur Aufheizung der
Heizvorrichtung 4 verwendet werden. Bei einer Aufheizung
der Heizvorrichtung 4 ist es dann möglich bei einem sich beispielsweise
anschließenden
Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors 5 anfallende Abgase
ohne zeitliche Verzögerung
bei hohen Temperaturen besonders wirksam zu reinigen. Die Abgasanlage 3 und
insbesondere der Katalysator 7 kann so mittels der im Energiespeicher 18 zwischengespeicherten
Energie bzw. der durch die Energiewandler 11 bereitgestellten
Energie unmittelbar bei einem erneuten Anfall von Abgasen wieder
seine volle Wirkung entfalten und muss nicht erst zunächst aufgeheizt
werden, wozu ansonsten zusätzliche
externe Heizenergie oder ein längerer
Zeitraum mit heißen
Abgasen erforderlich wäre,
in dem dann aber nur eine teilweise oder schlechte Abgasreinigung
erreicht wird. Dabei wird, wie mit den beiden Leitungsmitteln 12 angedeutet,
die rückgewonnenen
Energie parallel den Energiespeichern 18 und der Heizvorrichtung 4 zugeführt.
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Im Übrigen ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
bzw. Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Im Rahmen der Erfindung ist es durchaus möglich, die dargestellten Anordnungen
von Energiewandlern, Steuerungseinrichtungen und Heizvorrichtungen
innerhalb der Abgasanlage in zahlreichen Varianten auszubilden ohne
den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann beispielsweise anstelle
der einen Heizvorrichtung eine Vielzahl von Heizvorrichtungen zur
Anwendung kommen. Darüber
hinaus können,
wie auch bereits angedeutet, unterschiedliche Anzahlen von Energieumwandlern 11 und
Energiespeichern 18, sowie unterschiedlichte Arten von
Verbrauchern, durch die Steuerungseinrichtung 14 Berücksichtigung
finden.
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Antriebsmittel
- 3
- Abgasanlage
- 4
- Heizvorrichtung
- 5
- Verbrennungsmotor
- 6
- Abgas
- 7
- Katalysator
- 8
- Fahrzeugrückseite
- 9
- Wabenkörper
- 10
- Rad
- 11
- Energiewandler
- 12
- Leitungsmittel
- 13
- Steuerleitung
- 14
- Steuerungseinrichtung
- 15
- Vorderachse
- 16
- Elektromotor
- 17
- Hinterachse
- 18
- Energiespeicher