DE19940802A1 - Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators - Google Patents

Abstract

Die Heizvorrichtung (8) eines elektrisch beheizbaren Katalysators wird über einen DC/DC-Wandler (4) mit elektrischer Energie versorgt, wobei die zeitliche Energieabgabe des DC/DC-Wandlers (4) von einem Steuergerät (7) in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Heizkennlinie erfolgt. Anstelle eines DC/Dc-Wandlers (4) kann auch ledigleich ein steuerbarer Schalter (6) verwendet werden, falls die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung zum Beheizen des Katalysators (8) heruntergesetzt werden muss.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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.

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.

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.

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.

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 10-15 mm 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 12 V angelegt, wodurch die Heizwirkung hervorgerufen wird. Der Innenwiderstand des E-Katalysators liegt z. B. in der Größenordnung von 0,1 Ω.

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.

In den Druckschriften DE-C2-44 21 066, JP-A-0 42 76111 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.

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. 45 die Aktivierungstemperatur von ca. 250°C erreicht haben sollen.

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.

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.

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 36 V oder 42 V 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.

Die Ansteuerung der Energieversorgungseinheit durch die Steuereinrichtung kann in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Heizkennlinie erfolgen, welche die der Heizvorrichtung des zu beheizenden Katalysators in Abhängigkeit von der Zeit die zuzuführende elektrische Energiemenge festlegt.

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. 8-9 kW zuzuführen und anschließend die elektrische Heizleistung drastisch zu verringern, so dass die Heizleistung nach zwei Sekunden nurmehr ca. 1-2 kW beträgt und nach fünf bis sechs Sekunden auf 0 KW abgesunken ist.

Bei der Ansteuerung der Energieversorgungseinheit kann es sich um eine reine Steuerung ('Open Loop Control') oder auch um eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis ('Closed Loop Control') handeln, wobei im zweiten Fall beispielsweise der Istwert der Abgaszusammensetzung oder Schadstoffkonzentration des von dem zu beheizenden Katalysator abgegebenen Abgasstroms überwacht und ausgewertet werden kann.

Durch die zeitliche Steuerung der Energieabgabe der Energieversorgungseinheit 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. 36 V oder 42 V) betrieben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein Katalysatorsystem bestehend aus einem elektrisch beheizbaren Katalysator, einem Stützkatalysator und einem Dreiwege- Katalysator, und

Fig. 3 zeigt einen angestrebten Verlauf der zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators benötigten Leistung.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum elektrischen Beheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators (E-Katalysators) gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.

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 12 V, 36 V oder 42 V bereitstellt. Von der Fahrzeugbatterie 3 wird dem E-Katalysator 8 elektrische Energie über einen DC/DC-Wandler 4 zugeführt. Des weiteren ist in Fig. 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.

Der E-Katalysator kann beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet sein, wobei in Fig. 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.

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 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 insbesondere in Übereinstimmung mit einer dem jeweiligen E-Katalysatortyp entsprechenden Heizkennlinie erfolgen kann. 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.

Die Flexibilität der in Fig. 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 Fig. 1 gezeigten Anordnung betrieben werden können.

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 Fig. 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 steuerbaren Schalters 6 die Energieabgabe an den E- Katalysator 8 einzustellen.

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.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine von der Steuereinheit 7 zu verwendende Heizkennlinie erläutert werden.

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.

Wird davon ausgegangen, dass das zu erwärmende Metallblech des E- Katalysators ca. 50 g wiegt, wird für eine schlagartige Erwärmung auf 300°C eine Energie von ca. 7 kWs benötigt. Wird des weiteren davon ausgegangen, dass der Abgasmassenstrom zeitlich konstant zusammengesetzt ist, ergibt sich für eine Zeitdauer von 10 s nach Einschalten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs der in der folgenden Tabelle dargestellte beispielhafte Leistungsbedarf:

In Fig. 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.

Der Darstellung von Fig. 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. 8-9 kW, gemäß der obigen Tabelle insbesondere mit 8,59 kW, beheizt, wobei bereits anschließend die Heizleistung stetig derart verringert werden kann, dass sie nach zwei Sekunden lediglich 1-2 kW und nach ca. sechs Sekunden 0 kW beträgt. D. h. bereits nach sechs Sekunden kann von der Steuereinheit 7 der Schalter 6 geöffnet werden. Die in Fig. 3 gezeigte und durch die obige Tabelle repräsentierte Heizkennlinie gewährleistet somit eine rasche Erwärmung des E-Katalysators 8 ohne unnötigen Energieverbrauch.

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 DG/DC-Wandlers 4 wird ohne Berücksichtigung möglicher Istwerte bestimmter Betriebsparameter ausschließlich in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Heizkennlinie eingestellt.

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 Fig. 2 gezeigten Gesamtkatalysatoranordnung abgegebenen Abgasstroms erfasst und der Steuereinheit 7 mitteilt. Insbesondere ist in diesem Fall die Verwendung einer 'schnellen' Lambdasonde 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 anstelle der zuvor beschriebenen reinen Steuerung oder auch in Kombination mit dieser eingesetzt werden, um z. B. die infolge einer vorgegebenen Heizkennlinie vorgenommenen Einstellungen des DC/DC Wandlers 4 nachzuregeln.

Claims (8)

1. Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators, mit einer Energieversorgungseinheit (3, 4), um einer Heizvorrichtung (8) des Kata­ lysators elektrische Energie zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (7) vorgesehen ist, um durch Ansteuerung der Energieversorgungseinheit (3, 4) die Energieabgabe der Energieversor­ gungseinheit (3, 4) an die Heizvorrichtung (8) des Katalysators in Abhän­ gigkeit von der Zeit zu steuern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ener­ gieversorgungseinheit einen von einer Versorgungsspannungsquelle (3) betriebenen DC/DC Wandler (4) umfasst, dessen Energieabgabe an die Heizvorrichtung (8) durch die Steuereinrichtung (7) steuerbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ener­ gieversorgungseinheit einen mit einer Versorgungsspannungsquelle (3) verbundenen steuerbaren Schalter (6) umfasst, dessen Ein- und Aus­ schaltphasen von der Steuereinrichtung (7) zur Steuerung der Energie­ abgabe an die Heizvorrichtung (8) steuerbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ener­ gieversorgungseinheit einen Spannungsregler umfasst, dessen an die Heizvorrichtung (8) angelegte Ausgangsspannung durch die Steuerein­ richtung (7) steuerbar ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) die Energieabgabe der Energieversorgungseinheit (3, 4) in Übereinstimmung mit einer bestimm­ ten, dem zu beheizenden Katalysator (8) zugeordneten zeitabhängigen Heizkennlinie steuert.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steu­ ereinrichtung (7) ein Kennlinienspeicher (5) zugeordnet ist, in dem für verschiedene Katalysatortypen entsprechende Kennliniendaten betref­ fend die den unterschiedlichen Katalysatortypen zugeordneten Heizkenn­ linien gespeichert sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensormittel (11) zum Überwachen eines bestimmten Betriebsparameters des zu beheizenden Katalysators (8) vorgesehen sind, und dass die Steuereinrichtung (7) abhängig von einem von den Sensormitteln (11) gelieferten Istwert des Betriebsparameters die Energieabgabe der Energieversorgungseinheit (3, 4) an die Heizvorrich­ tung (8) des zu beheizenden Katalysators derart einstellt, dass der über­ wachte Betriebsparameter einen vorgebbaren Sollwert erreicht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von den Sensormitteln (11) als Betriebsparameter die Abgaszusammensetzung des von dem zu beheizenden Katalysator (8) abgegebenen Abgasstroms überwacht wird.