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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Um die nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umsetzen zu können, werden in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit Edelmetall beschichtete Katalysatoren verbaut. Damit diese Katalysatoren die Schadstoffe umsetzen können, ist ein minimales Temperaturniveau des Abgases und des Katalysators notwendig. Um den Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, werden motorische Heizmaßnahmen wie eine Verstellung des Zündwinkels oder der Kraftstoffeinspritzung in Richtung „spät“ oder ein unterstöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors unter gleichzeitiger Einbringung von Sekundärluft genutzt. Um noch mehr Wärmeenergie gezielt in die Abgasanlage einzubringen, ist es möglich, den Katalysator elektrisch zu beheizen oder an der Abgasanlage einen zuschaltbaren Abgasbrenner zu installieren, um heißes Abgas in die Abgasanlage einzuleiten und die in der Abgasanlage angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten unabhängig vom Verbrennungsmotor zu erwärmen. Dadurch können die Emissionen bereits in der Heizphase des Katalysators deutlich reduziert werden.
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Ferner wird mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
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Bei Dieselmotoren sind zur Erhöhung der Abgastemperatur eine späte Nacheinspritzung und/oder eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts in Richtung spät bekannt, wobei der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors abnimmt und mehr Energie in die Abgasanlage eingetragen wird. Gleichzeitig können durch eine Verschiebung der Haupteinspritzung in Richtung „spät“ die Rohemissionen an Stickoxiden reduziert werden.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist jedoch, dass innermotorische Heizmaßnahmen erst nach einem Start des Verbrennungsmotors wirksam werden. Zudem können diese innermotorischen Heizmaßnahmen zu einem Kraftstoffeintrag in das Motoröl führen, wodurch sich der Verschleiß erhöht oder die Ölwechselintervalle verkürzt werden müssen.
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Aus der
DE10 2010 014 332 A1 ist ein Verfahren zum Thermomanagement der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor bekannt. Dabei wird mithilfe eines elektrisch beheizbaren Katalysators und einer Lufteinblasung der Katalysator zunächst elektrisch vorgeheizt und dann durch eine Kombination von Lufteinblasung in den Abgaskanal und Fettverstellung des Verbrennungsmotors chemisch geheizt. Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist jedoch die Trennung von elektrisch beheiztem Katalysator und einem weiteren Katalysator, der beheizt werden soll und maßgeblich den Umsatz der Schadstoffe darstellen soll. Darüber hinaus ist bei dem bekannten Verfahren eine Sekundärluftversorgung des Abgaskanals notwendig, um die erforderliche Luft vor dem Katalysator einzublasen.
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Aus der
DE 10 2010 027 220 A1 ist ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gedreht wird und zumindest einem Brennraum des Verbrennungsmotors Frischluft und Kraftstoff zugeführt wird. Dabei wird die Frischluft verdichtet und in einem Kreislauf zirkulierend umgepumpt, um die Frischluft anzuwärmen und somit die Verbrennung beim Start des Verbrennungsmotors zu optimieren.
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Die
DE 10 2010 035 480 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage ein elektrisch beheizbaren Katalysator angeordnet ist. Dabei wird der elektrisch beheizbare Katalysator durch ein vor dem Start des Verbrennungsmotors liegendes Ereignis, beispielsweise die Entriegelung der Türen, aktiviert.
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Darüber hinaus offenbart die
DE 10 2016 122 304 A1 ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor. Um den Katalysator vor einem Start des Verbrennungsmotors aufzuheizen, ist vorgesehen, dass der Katalysator bereits vor dem Motorstart des Verbrennungsmotors elektrisch aufgeheizt wird und bereits mit dem Motorstart eine effiziente Abgasnachbehandlung ermöglich. Dabei erfolgt nach einer elektrischen Vorheizphase nach dem Motorstart eine weitere Aufheizung des Katalysators durch eine kombinierte elektrische und chemische Aufheizung durch die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffkomponenten auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, welches das Aufheizen des Katalysators bereits vor einem Motorstart des Verbrennungsmotors ermöglicht und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei der Verbrennungsmotor mittels eines elektrisch antreibbaren Abgasturboladers aufladbar ist, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator ein elektrisches Heizelement und eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweist, und wobei das elektrische Heizelement über ein Steuergerät ansteuerbar ist, welches folgende Schritte umfasst:
- - elektrisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators vor einem Start des Verbrennungsmotors, wobei
- - der elektrisch antreibbare Abgasturbolader angetrieben wird und durch den Verdichter des elektrisch antreibbaren Abgasturboladers ein Trägerluftstrom erzeugt wird, wobei
- - ein Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors mit der Abgasanlage fluidisch verbunden wird, sodass der von dem Verdichter erzeugte Trägerluftstrom in die Abgasanlage gefördert wird, sodass die durch das elektrische Heizelement erzeugte Wärme von dem Heizelement abgeführt und konvektiv auf die katalytisch wirksame Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators übertragen wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist das Aufheizen eines Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors auf eine Temperatur, bei der bereits eine signifikante Konvertierung von Schadstoffen durch den Katalysator erfolgt, möglich, wobei das Abgassystem kein Sekundärluftzufuhr oder externen Abgasbrenner benötigt und somit vergleichsweise einfach und kostengünstig ausgestaltet werden kann. Dabei erreicht der Katalysator bereits vor dem Motorstart durch das elektrische Beheizen eine Temperatur, bei dem die katalytisch wirksame Oberfläche eine chemische Reaktion der unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteile fördert. Somit können die Emissionen bereits ab dem Start des Verbrennungsmotors signifikant reduziert und durch den Katalysator konvertiert werden. Zudem kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, da auf innermotorische Heizmaßnahmen verzichtet werden kann oder diese zumindest deutlich kürzer ausfallen können.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine fluidische Verbindung zwischen dem Ansaugtrakt und der Abgasanlage erfolgt, indem ein Abgasrückführungsventil einer Hochruck-Abgasrückführung geöffnet wird, wodurch ein Bypass zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors geöffnet wird. Durch ein Öffnen des Abgasrückführungsventils in der Hochdruck-Abgasrückführung kann auf einfache Art und Weise ein Bypass zu den Brennräumen ausgebildet werden, sodass die verdichtete Frischluft aus dem Ansaugtrakt in die Abgasanlage einströmen kann. Somit kann der elektrisch angetriebene Verdichter des Abgasturboladers einen Trägerluftstrom zur konvektiven Wärmeübertragung ausbilden.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass eine fluidische Verbindung zwischen dem Ansaugtrakt und der Abgasanlage durch ein gleichzeitiges Öffnen der Einlass- und Auslassventile an zumindest einem Brennraum des Verbrennungsmotors hergestellt wird. Bei einem Verbrennungsmotor mit Ventilüberschneidung oder voll variablem Ventiltrieb ist es alternativ möglich, einen Strömungspfad durch einen Brennraum des Verbrennungsmotors zu öffnen, um den Ansaugtrakt mit der Abgasanlage zu verbinden. Auf diese Art kann vor dem Start des Verbrennungsmotors ebenfalls einfach und ohne zusätzliche Komponenten eine fluidische Verbindung zwischen dem Ansaugtrakt und der Abgasanlage hergestellt werden, um einen konvektiven Wärmetransport von dem elektrischen Heizelement auf die katalytisch wirksame Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage eine Abgasklappe geschlossen wird, sodass der Trägerluftstrom durch eine Niederdruck-Abgasrückführung wieder in den Ansaugtrakt stromaufwärts des Verdichters zurückgeführt wird und zirkuliert. Durch ein Schließen einer Abgasklappe und eine Zirkulation über die Niederdruck-Abgasrückführung kann verhindert werden, dass der Trägerluftstrom durch den Abgaskanal in die Umwelt gelangt und somit ein Großteil der erzeugten Wärme für den Aufheizprozess verloren geht.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das elektrische Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators durch einen Türkontaktschalter, einen Empfänger für ein schlüsselloses Schließsystem, ein Empfänger für eine Zentralverriegelung oder einen Gurtschlosskontakt gestartet wird. Vor einem Kaltstart des Verbrennungsmotors stehen in der Regel der Einstieg des Fahrers in das Kraftfahrzeug sowie ein Anschnallen des Fahrers. Durch einen Türkontaktschalter, einen Empfänger für einen Sender eines schlüsselloses Schließsystems (Keyless-Go-System) oder einer Zentralverriegelung, oder einen Gurtkontaktschalter können bereits am Kraftfahrzeug vorhandene Sensoren genutzt werden, um bereits zeitlich vor einem Start des Verbrennungsmotors mit der elektrischen Beheizung zu beginnen. Dabei sind ein Türkontaktschalter und der Empfänger für das Signal eines Schließsystems besonders bevorzugt, da hierbei das Zeitintervall zwischen Öffnen beziehungsweise Freigabe der Tür und dem Starten des Verbrennungsmotors vergleichsweise lang ist und somit eine effektive Aufheizung des elektrisch beheizbaren Katalysators in diesem Zeitintervall möglich ist.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor das Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators gestartet wird, wenn die Batterie des elektrischen Antriebsmotors eines Hybridantriebs soweit entladen ist, dass ein Umschalten auf den Verbrennungsmotor bevorsteht. Dadurch kann bei einem Hybridfahrzeug während eines rein elektrischen Fahrbetriebs der elektrisch beheizbare Katalysator aufgeheizt werden, sodass mit Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor erst dann gestartet wird, wenn der beheizbare Katalysator eine Schwellentemperatur erreicht hat. Dadurch kann verhindert werden, dass in der Betriebsphase des Verbrennungsmotors die Schadstoffe im Abgasstrom unkonvertiert in die Umwelt gelangen, weil der Katalysator noch zu kalt ist, um eine effiziente Konvertierung zu gewährleisten. Durch eine solche Verzögerung können die Kaltstartemissionen signifikant verringert werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Schwellentemperatur eine Light-Off-Temperatur der katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators ist. Erreicht die katalytisch wirksame Oberfläche bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors ihre Light-Off-Temperatur, so können ab dem Motorstart die bei der Verbrennung auftretenden Emissionen effizient in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden.
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In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Ansaugtrakt stromabwärts eines Luftfilters und stromaufwärts einer Einmündung einer Niederdruck-Abgasrückführungsleitung in den Ansaugkanal ein Absperrelement angeordnet ist, wobei das Absperrelement bei der Durchführung des Verfahrens zumindest teilweise geschlossen wird. Dadurch wird verhindert, dass kalte Frischluft nachströmt, wodurch der über die Niederdruck-Abgasrückführung zirkulierende Trägerluftstrom abgekühlt wird. Zudem kann der Trägerluftstrom insgesamt limitiert werden, um das zirkulierende Luftvolumen des Trägerluftstroms zu begrenzen.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Absperrelement eine Drosselklappe ist. Durch eine Drosselklappe kann auf einfache Art und Weise eine Drosselung des Luftstroms im Ansaugtrakt erfolgen. Ferner kann bei Motorstillstand verhindert werden, dass über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführte Luft über den Luftfilter wieder in die Umgebung entweicht.
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Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt, welcher mit einem Einlass des Verbrennungsmotors verbunden ist und mit einer Abgasanlage, welche mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbunden ist, vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage zumindest ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Bei einem solchen Verbrennungsmotor können die Kaltstartemissionen signifikant verringert werden.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Bei einem Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Sensorik kann auf einfache Art und Weise ein zeitnaher Start des Verbrennungsmotors erkannt werden. Somit können die Heizmaßnahmen zum Aufheizen des Katalysators auf einfache Art und Weise vor dem Start des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, sodass der Katalysator bereits bei einem Start des Verbrennungsmotors zu einer effizienten Konvertierung der Schadstoffe im Abgas beitragen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stromquelle zum Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators ein 48V-Bordnetz des Kraftfahrzeuges oder eine Batterie zum Antrieb eines elektrischen Antriebsmotors eines Hybridfahrzeuges ist. Während ein Aufheizen eines elektrischen Katalysators mit einem 12V-Bordnetz aufgrund der geringen Spannung vergleichsweise schwierig und zeitaufwendig ist, kann ein Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators mit einem 48V-Bordnetz vergleichsweise einfach und schnell erfolgen. Alternativ kann bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor auch die Batterie für den Elektromotor als Spannungsquelle zum Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug einen Frontmotor aufweist, wobei ein Abgaskanal der Abgasanlage entlang des Unterbodens des Kraftfahrzeuges verläuft. Dadurch kann eine Anordnung einer oder mehrerer Katalysatoren in einer Unterbodenposition des Kraftfahrzeuges erfolgen, wodurch Bauraumprobleme mit Motorraum gelöst werden können. Zudem ist des durch des elektrische Beheizen des Katalysators möglich, trotz der Abwärmeverluste über die Wände des Abgaskanals in einer motorfernen Position zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors die Light-Off-Temperatur des jeweiligen Katalysators zu erreichen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators;
- 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ;
- 3 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors; und
- 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist als ein direkteinspritzender Verbrennungsmotor, insbesondere als direkteinspritzender Dieselmotor, ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Ansaugtrakt 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung 70 mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 72, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Ansaugtrakt 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Der Ansaugtrakt 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22 und stromabwärts des Luftfilters 22 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 36 angeordnet sind. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 66 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 in den Ansaugkanal 28 mündet.
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Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist als elektrisch antreibbarer Abgasturbolader 36, 38 ausgeführt und weist einen Elektromotor 38 auf, über welchen die Welle des Abgasturboladers 36 unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 angetrieben werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein elektrisch beheizbarer Katalysator 48, insbesondere ein Oxidationskatalysator 46 oder ein NOx-Speicherkatalysator 58 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators 58 ist ein Partikelfilter 50 mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators 58 und stromaufwärts des Partikelfilters 50 mit der SCR-Beschichtung ist ein Dosierelement 52 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal 42 vorgesehen. Stromabwärts des Partikelfilters 50 mit der SCR-Beschichtung zweigt an einer Verzweigung 56 eine Abgasrückführungsleitung 66 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 aus dem Abgaskanal 42 ab.
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Die Niederdruck-Abgasrückführung 60 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 66 ein Abgasrückführungsventil 64, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 66 steuerbar ist. In dem Abgaskanal 42 kann eine Abgastemperatur TEG durch einen Temperatursensor erfasst werden oder durch das Motorsteuergerät 80 berechnet werden.
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Der Elektromotor 38 zum Antrieb des Abgasturboladers 36 und der elektrisch beheizbare Katalysator 48 sind über elektrische Leitungen 76, 78 mit einer Batterie 74 verbunden und werden durch diese Batterie 74 mit elektrischem Strom versorgt.
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In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, wird im Folgenden auf die Unterschiede eingegangen.
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Der Ansaugtrakt 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines elektrisch antreibbaren Abgasturboladers 36, 38, und stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 66 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 in den Ansaugkanal 28 mündet.
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Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der elektrisch antreibbare Abgasturbolader 36, 38 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein mittels eines Heizelements 48 beheizbarer Oxidationskatalysator 46 oder ein NOx-Speicherkatalysator 58 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators 58 ist ein Partikelfilter 50 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators 58 und stromaufwärts des Partikelfilters 50 ist ein Dosierelement 52 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal 42 vorgesehen. Stromabwärts des Partikelfilters 50 mit der SCR-Beschichtung zweigt an einer Verzweigung 56 eine Abgasrückführungsleitung 66 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 aus dem Abgaskanal 42 ab. Stromabwärts der Verzweigung 56 ist eine Abgasklappe 54 vorgesehen, mit welcher der Abgaskanal 42 versperrt werden kann, um die Abgasrückführung in die Niederdruck-Abgasrückführung 60 zu unterstützen. Das Dosierelement 52 ist über eine nicht dargestellte Reduktionsmittelleitung mit einem Reduktionsmittelbehälter verbunden, in welchem das Reduktionsmittel bevorratet ist. In der Abgasanlage 40 ist ferner ein Abgassensor 68, insbesondere ein NOx-Sensor, vorgesehen, um die Schadstoffkonzentration im Abgaskanal 42 zu erfassen.
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Die Niederdruck-Abgasrückführung 60 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 66 einen Abgasrückführungskühler 62 und ein Abgasrückführungsventil 64, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 66 steuerbar ist. Stromabwärts der Verzweigung 56 und stromaufwärts des Abgasrückführungsventils 64 kann ferner ein Filter vorgesehen werden, um den Eintrag von Partikeln in die Niederdruck-Abgasrückführung 60 zu minimieren. Der Abgasrückführungskanal 66 mündet an der Einmündung 34 in die Ansaugleitung 28 des Ansaugtraktes 20.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht der Oxidationskatalysator 46 oder der NOx-Speicherkatalysator 58, sondern der Partikelfilter 50 mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Sickoxiden durch ein in den Partikelfilter 50 integriertes oder dem Partikelfilter 50 unmittelbar vorgeschaltetes elektrisches Heizelement 48 beheizbar.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Ansaugtrakt 20 stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts der Einmündung 34 ein Absperrelement 30, insbesondere eine Drosselklappe vorgesehen, um eine Zirkulation von über die Niederdruck-Abgasrückführung 60 zurückgeführtem Abgas zu unterstützen und das Nachströmen von Frischluft zu begrenzen.
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In 5 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 100 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 100 weist einen Verbrennungsmotor 10 auf, welcher mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden ist. In der Abgasanlage 40 sind in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 46, 50, 58 mit einem elektrischen Heizelement 48, insbesondere ein Oxidationskatalysator 46 oder ein NOx-Speicherkatalysator 58 sowie stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 46, 48 ein zweiter Katalysator 50, welcher als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist, angeordnet. Das Kraftfahrzeug 100 weist eine Mehrzahl von Sensoren 84, 88, 90, 92 auf, welche ein Signal an ein Steuergerät 80, 82 des Kraftfahrzeuges 100 senden. So sind in 5 ein Türkontaktschalter 84, ein Empfänger 88 für ein schlüsselloses Schließsystem 86 des Kraftfahrzeuges 100, ein Gurtschlosssensor 90 und ein Sensor 92 zur Erkennung der Sitzplatzbelegung dargestellt. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch noch weitere Sensoren, beispielsweise ein Empfänger für den Sender einer Zentralverriegelung, oder ein Bildverarbeitungssystem vorgesehen sein, welches den Innenraum des Kraftfahrzeuges 100 überwacht.
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Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 lässt sich folgendermaßen beschreiben. Der elektrisch beheizbare Katalysator 46, 50, 58 wird durch das elektrische Heizelement 48 bereits vor einem Start des Verbrennungsmotors 10 beheizt. Dabei wird das Verfahren durch ein Startsignal, welches einen zeitnahen Start des Verbrennungsmotors 10 erwarten lässt, eingeleitet. Dieses Startsignal kann insbesondere durch ein Schließsystem 86 des Kraftfahrzeuges, insbesondere durch ein Öffnen des Kraftfahrzeuges mittels einer Zentralverriegelung oder eines Funksignals eines schlüssellosen Schließsystems erfolgen. Alternativ kann das Verfahren vor dem Start des Verbrennungsmotors 10 durch einen Sensor zur Erkennung der Sitzplatzbelegung 92, einen Gurtschlosssensor 90 oder eine Kamera zur Überwachung des Innenraums, insbesondere einen auf den Fahrer gerichtete Kamera, eingeleitet werden. Um für ein schnelles Aufheizen des Katalysators 46, 50, 58 einen entsprechenden Trägerluftstrom auszubilden, welcher eine konvektive Wärmeübertragung vom elektrischen Heizelement 48 auf die katalytische wirksame Oberfläche des jeweiligen Katalysators 46, 50, 58 ermöglicht und um gleichzeitig eine Überhitzung des elektrischen Heizelements 48 zu vermeiden, wird der Abgasturbolader 36 durch den Elektromotor 38 angetrieben. Die Aktivierung des Elektromotors 38 erfolgt dabei idealerweise gleichzeitig mit der Aktivierung des elektrischen Heizelements 48. Um einen kontinuierlichen Trägerluftstrom zu gewährleisten, wird das Abgasrückführungsventil 72 der Hochdruck-Abgasrückführung 70 geöffnet, wodurch ein Bypass zu den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 entsteht und die von dem Verdichter 26 verdichtete Frischluft über die Hochdruck-Abgasrückführung 70 in den Abgaskanal 42 strömen kann. Bei den bevorzugten Ausführungsformen gemäß 2 bis 4 wird zusätzlich die Abgasklappe 54 geschlossen, um die über die Turbine 44 des Abgasturboladers 36 strömende Luftmasse über die Niederdruck-Abgasrückführung 60 wieder zurück in den Ansaugtrakt strömen zu lassen und somit eine Zirkulation des Trägerluftstroms zu ermöglichen. Durch die Zirkulation wird das Volumen des Trägerluftstroms begrenzt und die Verluste, insbesondere durch ein Ausströmen über den Abgaskanal 42, minimiert. Somit kann das Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 46, 50, 58 zusätzlich beschleunigt beziehungsweise die notwendige elektrische Heizleistung reduziert werden. Durch die Anordnung des elektrischen Heizelements 48 unmittelbar vor dem Katalysator 46, 50, 58 können die Wärmeverluste minimiert werden. Durch das Schließen der Drosselklappe 30 kann zusätzlich ein Nachströmen von (kalter) Frischluft vermieden werden, wodurch das Aufheizen des Katalysators 46, 50, 58 zusätzlich begünstigt wird.
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Der Start des Verbrennungsmotors 10 erfolgt erst dann, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator 46, 50, 58 eine Schwellentemperatur TS, vorzugsweise die Light-Off-Temperatur des jeweiligen Katalysators 46, 50, 58, erreicht hat. Somit kann ab dem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der bei der Verbrennung auftretenden Schadstoffe erfolgen, sodass die vom Kraftfahrzeug emittierten Schadstoffemissionen minimiert werden können.
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Ist das Kraftfahrzeug 100 als Hybridfahrzeug 98 mit einem Verbrennungsmotor 10 und einem elektrischen Antriebsmotor 94 ausgeführt, so kann das Verfahren auch eingeleitet werden, wenn das Hybridfahrzeug ausschließlich durch den elektrischen Antriebsmotor 94 angetrieben wird und keine Momentenabgabe durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgt. Ferner kann das Verfahren eingeleitet werden, wenn eine Batterie 96 zur Stromversorgung des elektrischen Antriebsmotors 94 einen Schwellenwert bezüglich des Ladezustands unterschreitet und aufgrund das Ladezustands der Batterie 96 mit einem zeitnahen Zuschalten des Verbrennungsmotors 10 zu rechnen ist. Das Kraftfahrzeug 100 ist dabei vorzugsweise als Kraftfahrzeug 100 mit Frontmotor ausgeführt, wobei ein Abgaskanal 42 des Abgasanlage entlang des Unterbodens des Kraftfahrzeuges verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Ansaugtrakt
- 22
- Luftfilter
- 24
- Luftmassenmesser
- 26
- Verdichter
- 28
- Ansaugkanal
- 30
- Drosselklappe
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- Einmündung
- 36
- Abgasturbolader
- 38
- Elektromotor
- 40
- Abgasanlage
- 42
- Abgaskanal
- 44
- Turbine
- 46
- Oxidationskatalysator
- 48
- elektrisches Heizelement
- 50
- Partikelfilter mit SCR-Beschichtung
- 52
- Dosierelement
- 54
- Abgasklappe
- 56
- Verzweigung
- 58
- NOx-Speicherkatalysator
- 60
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 62
- Abgasrückführungskühler
- 64
- Abgasrückführungsventil
- 66
- Abgasrückführungsleitung
- 68
- Abgassensor
- 70
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 72
- Abgasrückführungsventil
- 74
- Batterie
- 76
- erste elektrische Leitung
- 78
- zweite elektrische Leitung
- 80
- Motorsteuergerät
- 82
- Steuergerät
- 84
- Türkontaktschalter
- 86
- Türschloss
- 88
- Empfänger
- 90
- Gurtschlosssensor
- 92
- Sensor zur Erkennung der Sitzplatzbelegung
- 94
- elektrischer Antriebsmotor
- 96
- Batterie
- 98
- Hybridantrieb
- 100
- Kraftfahrzeug
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010014332 A1 [0006]
- DE 102010027220 A1 [0007]
- DE 102010035480 A1 [0008]
- DE 102016122304 A1 [0009]
