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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum elektrischen Beheizen
eines Katalysators nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Katalysatoren
werden in der Abgasleitung von Kraftfahrzeugen zur Abgasreinigung
verwendet. Hierzu sind Dreiwege-Reduktions-
und Oxidationskatalysatoren bekannt. Die im Abgas enthaltenen Schadstoffe
können
jedoch von dem Katalysator nur dann konvertiert werden, wenn die
Temperatur des Katalysators eine bestimmte Mindesttemperatur in
der Größenordnung
von ca. 250°C
erreicht hat. Liegt die Temperatur des Katalysators unterhalb dieser
Aktivierungstemperatur, arbeitet der Katalysator nicht.
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Nach
dem Starten erwärmt
sich der Katalysator allmählich
durch das Abgas des Motors und erreicht nach einer gewissen Zeit
die erforderliche Aktivierungstemperatur. Wenn jedoch die Motortemperatur,
wie z.B. beim Kaltstart, niedrig ist, kann bis zum Erreichen der
Aktivierungstemperatur eine relativ lange Zeitspanne vergehen. Darüber hinaus
wird ein gewisser Teil der Abgastemperatur durch die Wand der Abgasleitung
absorbiert.
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Aus
diesem Grunde wurde vorgeschlagen, in Kraftfahrzeugen neben einem
Unterbodenkatalysator, der in der Regel im Fahrzeugbereich unterhalb
der Feststellbremse zwischen dem Fahrer- und dem Beifahrersitz angeordnet
ist, einen motornahen Katalysator vorzusehen, welchem somit heißere Abgasluft
zugeführt werden
kann, die zu einer schnelleren Aufheizung und demzufolge einer schnelleren
Konvertierwirkung führt.
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Immer
strengere Abgasvorschriften erfordern jedoch eine noch schnellere
Konvertierung und somit eine noch schnellere Aufheizung des Katalysators,
um eine zuverlässige
Reinigung der Abgasluft zu gewährleisten.
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Aus
diesem Grund ist zudem die Verwendung von elektrisch beheizbaren
Katalysatoren bekannt. Der nachfolgend der Einfachheit halber als
E-Katalysator bezeichnete elektrisch beheizbare Katalysator ist
in der Regel scheibenförmig
mit einer Dicke von 10-15mm ausgebildet und vor dem motornahen Katalysator
angeordnet. Im Inneren ist der E-Katalysator, wie beispielsweise
in der
DE 196 40 577
A1 beschrieben ist, durch ein spiralenförmig gewickeltes flaches Metallblech
gebildet, in dessen Zwischenraum ein gewelltes Metallblech angeordnet
ist. An die Enden des flachen Metallblechs wird eine Versorgungsspannung
von beispielsweise 12V angelegt, wodurch die Heizwirkung hervorgerufen
wird. Der Innenwiderstand des E-Katalysators liegt z.B. in der Größenordnung
von 0,1Ω.
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Die
Energieversorgung des E-Katalysators erfolgt bekanntermaßen über eine
Batterie, welche zum Beheizen an die Heizvorrichtung des E-Katalysators
angelegt wird. Durch die Verwendung eines derartigen E-Katalysators
kann eine schnellere Aufheizung und somit ein deutlich verbessertes
Konvertierungsverhalten erzielt werden.
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In
den Druckschriften
DE-C2-44
21 066 ,
JP-A-0
42 76 111 und
EP-A-0
533 037 wird vorgeschlagen, die Heizvorrichtung des elektrisch
beheizbaren Katalysators (E-Katalysators) über einen Kondensator mit Energie
zu versorgen. Der Kondensator kann durch einen Leistungsschalter
von der Heizvorrichtung getrennt und über einen mit der Fahrzeugbatterie
verbundenen DC/DC-Wandler aufgeladen werden. Hat der Kondensator
eine ausreichend hohe Ladespannung erreicht, wird der Schalter geschlossen,
und der Kondensator entlädt
sich über
die Heizvorrichtung des E-Katalysators, wodurch diese erwärmt wird.
Durch die Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher für die Heizvorrichtung
des E-Katalysators kann die Ansprechzeit des E-Katalysators nochmals
verkürzt und
somit eine schnellere Konvertierung durch den E-Katalysator erzielt werden.
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Bei
der Entwicklung von neueren Katalysatoren müssen diese derart ausgelegt
werden, daß sie
die augenblicklich geforderten Grenzwerte für den Schadstoffgehalt der
katalysierten Abgasluft deutlich unterschreiten, damit der Katalysator
die Grenzwerte auch noch nach einer durch die Betriebszeit hervorgerufenen Alterung
einhalten kann. Derzeit wird insbesondere an der Entwicklung von
elektrisch beheizbaren Katalysatoren gearbeitet, welche nach ca.
4s die Aktivierungstemperatur von ca. 250°C erreicht haben sollen.
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In
der Motortechnischen Zeitschrift 56 (1995) 9, S. 488 bis 498, wird
eine Anordnung zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators
dargestellt, bei der die Katalysatortemperatur überwacht und auf die gewünschte Temperatur
geregelt wird.
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Eine ähnliche
Anordnung wird auch in der
DE
198 04 098 A1 beschrieben. Auch hier wir die Temperatur
des Katalysators gemessen und auf einen gewünschten Sollwert geregelt.
Bei einem derartigen Verfahren ist in jedem Fall ein Regelkreis
mit Sensoren zum schnellen Aufheizen des Katalysators nötig, was
einen Hardware- und Schaltungsaufwand bedeutet. Zudem kann der anfängliche
Wert der Energieabgabe weit unter dem tatsächlich benötigten Wert liegen, was zu
einer Verzögerung
des Aufheizvorgangs führen
kann, bis der Regelkreis die Energieabgabe auf den tatsächlich benötigten Wert
bringt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Anordnung zum Beheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators
vorzuschlagen, welche einerseits mit einfachen Mitteln sowie billig aufgebaut
werden kann und andererseits ein möglichst rasches Erreichen der
Aktivierungstemperatur des Katalysators gewährleistet, um eine hochqualitative
Abgasreinigung sicherzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Die Unteransprüche
definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
eine Steuereinrichtung vorzusehen, welche durch Ansteuerung der
Energieversorgungseinheit der Heizanordnung den zeitlichen Verlauf
der Energieabgabe an die Heizvorrichtung des zu beheizenden Katalysators
steuert. Die Energieversorgungseinheit kann dabei insbesondere die
Fahrzeugbatterie sowie einen damit verbundenen und von einer Steuereinrichtung
ansteuerbaren DC/DC-Wandler umfassen. Die Verwendung eines steuerbaren
DC/DC-Wandlers ist insbesondere bei Anbindung an Bordnetzen vorteilhaft,
die mit einer relativ hohen Spannung, beispielsweise 36V oder 42V
betrieben werden, so daß mit
Hilfe des DC/DC-Wandlers die zum Betreiben der Heizvorrichtung benötigte Spannung durch
Heruntersetzen der Bordnetzspannung erhalten wird, da in diesem
Fall der DC/DC-Wandler im Vergleich zum Fall des Heraufsetzens der
Batterie- oder Bordnetzspannung einfacher und kostengünstiger
ausgestaltet werden kann. In diesen Fällen kann als nochmals kostengünstigere
Variante anstelle eines DC/DC-Wandlers auch lediglich ein einfacher
elektronisch steuerbarer Schalter, insbesondere ein verlustarmer
Halbleiterschalter, verwendet werden, der von der Steuereinrichtung
zum Takten der Leistungsabgabe an die Heizvorrichtung entsprechend
angesteuert wird.
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Die
Ansteuerung der Energieversrogungseinheit durch die Steuereinrichtung
erfolgt in Übereinstimmung
mit einer vorgegebenen Heizkennlinie, welche die der Heizvorrichtung
des zu beheizenden Katalysators in Abhängigkeit von der Zeit die zuzuführende elektrische
Energiemenge festlegt.
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Dabei
kann die Heizkennlinie insbesondere derart sein, daß bereits
innerhalb der ersten Sekunde der Großteil der Gesamt-Heizenergie abgegeben
wird. Hierzu wird gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
vorgeschlagen, während
der. ersten Sekunde der Heizvorrichtung des Katalysators eine Leistung
von ca. 8-9kW zuzuführen
und anschließend
die elektrische Heizleistung drastisch zu verringern, so daß die Heizleistung
nach zwei Sekunden nurmehr ca. 1-2kW beträgt und nach fünf bis sechs
Sekunden auf 0KW abgesunken ist.
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Durch
die zeitliche Steuerung der Energieabgabe der Energieverorgungseinheit
kann mit einfachen und billigen Mitteln ein rasches Erreichen der
Aktivierungstemperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators erzielt
und somit eine schnelle Konvertierung und hochqualitative Abgasreinigung
gewährleistet
werden. Dies gilt insbesondere für
Bordnetze, die mit relativ hohen Spannungen (z.B. 36V oder 42V)
betrieben werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
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1 zeigt den Aufbau einer
Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 zeigt ein Katalysatorsystem
bestehend aus einem elektrisch beheizbaren Katalysator, einem Stützkatalysator
und einem Dreiwege-Katalysator, und
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3 zeigt einen angestrebten
Verlauf der zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators benötigten Leistung.
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In 1 ist eine Anordnung zum
elektrischen Beheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators (E-Katalysators)
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Als
Energieversorgungseinheit zum Beheizen des mit dem Bezugszeichen 8 versehenen
E-Katalysators bzw, dessen Heizvorrichtung dient die Fahrzeugbatterie 3 des
entsprechenden Kraftfahrzeugs, welche beispielsweise eine Spannung
von 12V, 36V oder 42V bereitstellt. Von der Fahrzeugbatterie 3 wird
dem E-Katalysator 8 elektrische Energie über einen
DC/DC-Wandler 4 zugeführt.
Des weiteren ist in 1 ein
Generator 2 dargestellt, welcher als Energieversorgung
für das
Bordnetz 1 des Kraftfahrzeugs bzw. der daran angeschlossenen
Verbraucher sowie zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 3 dient.
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Der
E-Katalysator kann beispielsweise wie in 2 gezeigt angeordnet sein, wobei in 2 der Aufbau eines motornahen
Katalysators bestehend aus dem E-Katalysator 8, einem Stützkatalysator 9 und
einem Dreiwege-Katalysator 10 dargestellt ist. Dem E-Katalysator
wird über
die Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs in Pfeilrichtung der Abgasstrom
zugeführt.
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Der
DC/DC-Wandler 4 wird von einer Steuereinheit 7 angesteuert,
die auch integraler Bestandteil des DC/DC-Wandlers 4 sein kann. Die Steuereinheit 7 kann
durch Ein- und und Ausschalten des DC/DC-Wandlers 4 den
Heizvorgang gezielt starten oder unterbrechen. Die Ansteuerung des
DC/DC-Wandlers 4 durch die Steuereinheit 7 erfolgt
andererseits derart, daß die
zeitliche Heizenergieabgabe des DC/DC-Wandlers 4 an den E-Katalysator 8 gezielt
eingestellt wird, wobei dies in Übereinstimmung
mit einer dem jeweiligen E-Katalysatortyp entsprechenden Heizkennlinie
erfolgt. Durch die Heizkennlinie wird der Steuereinheit 7 vorgegeben,
wie der DC/DC-Wandler 4 in Abhängigkeit von der Zeit anzusteuern
ist, um den angestrebten zeitlichen Verlauf der Energieabgabe zu
realisieren.
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Die
Flexibilität
der in 1 gezeigten Anordnung
wird erhöht,
wenn der Steuereinheit 7 ein Kennlinienspeicher 5 zugeordnet
wird, in dem für
unterschiedliche zu betreibende E-Katalysatortypen die jeweils optimalen
Heizkennlinien gespeichert sind, so daß ohne Änderung der Hardware verschiedene
E-Katalysatortypen mit der in 1 gezeigten
Anordnung betrieben werden können.
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Ist
die von der Fahrzeugbatterie 3 bereitgestellte Versorgungsspannung
größer als
die zum Beheizen des E-Katalysators 8 benötigte Spannung,
kann anstelle des DC/DC-Wandlers 4 auch
lediglich ein in 1 gestrichelt
dargestellter elektronisch steuerbarer Schalter 6, insbesondere
ein verlustarmer Halbleiterschalter, zum Takten der Energieabgabe
an den E-Katalysator 8 verwendet werden. Auch in diesem
Fall erfolgt die Ansteuerung über
die Steuereinheit 7, welche den Schalter 6 insbesondere
in Übereinstimmung
mit einer bestimmten Heizkennlinie gezielt ein- und ausschaltet,
um somit über
das Tastverhältnis
zwischen den Einschalt- und Ausschaltphasen des steurbaren Schalters 6 die
Energieabgabe an den E-Katalysator 8 einzustellen.
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Gemäß einem
weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel
ist zur zeitabhängigen
Einstellung der Energieabgabe an den E-Katalysator 8 die
Verwendung eines Spannungsreglers mit einstellbarer Ausgangsspannung
vorgesehen, der den DC/DC- Wandler 4 bzw.
den Schalter 6 ersetzt und in Abhängigkeit von der Steuereinheit 7 die
an den E-Katalysator 8 angelegte Heizspannung einstellt.
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Nachfolgend
soll unter Bezugnahme auf 3 ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
für eine
von der Steuereinheit 7 zu verwendende Heizkennlinie erläutert werden.
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Wie
bereits eingangs erwähnt
worden ist, wird eine möglichst
rasche Erwärmung
des E-Katalysators angestrebt. Eine optimale Lösung würde darin bestehen, bereits
in der ersten Sekunde nach Inbetriebnahme des Katalysators diejenige
Leistung in den Katalysator zu leiten, welche zum Erwärmen einerseits
der Metallbleche des E-Katalysators und andererseits des (bei einem
Kaltstart) relativ kalten Abgases von 20°C auf 300°C erforderlich ist. In den nachfolgenden
Sekunden müßte dann
nurmehr diejenige Energie oder Leistung zugeführt werden, welche zur Erwärmung des
Abgasmassenstroms von seiner aktuellen Temperatur auf 300°C erforderlich
ist. Hat die Abgastemperatur Werte oberhalb von 300°C erreicht,
kann die externe Beheizung gegebenenfalls abgeschaltet werden.
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Wird
davon ausgegangen, daß das
zu erwärmende
Metallblech des E-Katalysators ca. 50g wiegt, wird für eine schlagartige
Erwärmung
auf 300°C
eine Energie von ca. 7kWs benötigt.
Wird des weiteren davon ausgegangen, daß der Abgasmassenstrom zeitlich
konstant zusammengesetzt ist, ergibt sich für eine Zeitdauer von 10s nach
Einschalten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs der in der
folgenden Tabelle dargestellte beispielhafte Leistungsbedarf:
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In 3 ist der zeitliche Verlauf
der Summe (fünfte
Spalte der Tabelle) aus der zum Erwärmen des E-Katalysators (dritte
Tabellenspalte) und der zum Erwärmen
der Abgasluft (vierte Tabellenspalte) erforderlichen Heizleistung
aufgetragen.
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Der
Darstellung von 3 kann
entnommen werden, daß innerhalb
der ersten zwei Sekunden der deutlich überwiegende Teil der Heizenergie
abgegeben wird. Insbesondere wird der E-Katalysator zu Beginn mit einer relativ
hohen Heizleistung von ca. 8-9kW, gemäß der obigen Tabelle insbesondere
mit 8,59kW, beheizt, wobei bereits anschließend die Heizleistung stetig
derart verringert werden kann, daß sie nach zwei Sekunden lediglich
1-2kW und nach ca. sechs Sekunden 0kW beträgt. D.h. bereits nach sechs
Sekunden kann von der Steuereinheit 7 der Schalter 6 geöffnet werden.
Die in 3 gezeigte und
durch die obige Tabelle repräsentierte
Heizkennlinie gewährleistet
somit eine rasche Erwärmung
des E-Katalysators 8 ohne unnötigen Energieverbrauch.
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Bei
der Ansteuerung des DC/DC-Wandlers durch die Steuereinheit 7 kann
es sich um eine Steuerung im eigentlichen Sinne handeln, d.h. die
Energieabgabe des DC/DC-Wandlers 4 wird
ohne Berücksichtigung möglicher
Istwerte bestimmter Betriebsparameter ausschließlich in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Heizkennlinie
eingestellt.
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Ebenso
ist jedoch auch die Ausgestaltung in Form einer Regelschleife denkbar.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Abgassensor 11,
z.B. in Form einer Lambdasonde, vorgesehen sein, der die Schadstoffkonzentration
des von dem E-Katalysator 8 oder der in 2 gezeigten Gesamtkatalysatoranordnung
abgegebenen Abgasstroms erfaßt
und der Steuereinheit 7 mitteilt. Insbesondere ist in diesem
Fall die Verwendung einer 'schnellen' Lamdasonde vorteilhaft,
welche innerhalb kürzester
Zeit betriebsbereit ist und korrekte Werte liefert. Die Steuereinheit 7 übernimmt
in diesem Fall die Funktion eines Reglers und vergleicht den ihr zugeführten Istwert
der Schadstoffkonzentration mit einem vorgebbaren Sollwert, um davon
abhängig
ein Stellsignal für
den DC/DC-Wandler 4 zur Einstellung der Heizenergieabgabe
zu erzeugen. Zusätzlich
oder alternativ kann beispielsweise auch die Temperatur des E-Katalysators 8 erfaßt und ausgewertet
werden. Diese Regelung kann in Kombination mit der zuvor beschriebenen
Steuerung eingesetzt werden, um z.B. die infolge einer vorgegebenen
Heizkennlinie vorgenommenen Einstellungen des DC/DC-Wandlers 4 nachzuregeln.
