DE19933654A1 - Arrangement for electrical heating of catalyzer has condenser circuit designed so that in open state of switching device, condenser circuit is charged up at 15-50 volts - Google Patents
Arrangement for electrical heating of catalyzer has condenser circuit designed so that in open state of switching device, condenser circuit is charged up at 15-50 voltsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to an arrangement for electrically heating a Catalyst according to the preamble of claim 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 Mindest temperatur in der Größenordnung von ca. 250°C erreicht hat. Liegt die Temperatur des Katalysators unterhalb dieser Aktivierungstemperatur, arbeitet der Katalysator nicht.Catalysts are used in the exhaust pipe of motor vehicles for exhaust gas purification used. For this, three-way reduction and oxidation catalysts are known. The pollutants contained in the exhaust gas can only then from the catalyst be converted when the temperature of the catalyst reaches a certain minimum temperature of around 250 ° C. Is the temperature of the catalyst below this activation temperature, the catalyst is working Not.
Nach dem Starten erwärmt sich der Katalysator allmählich durch das Abgas des Motors und erreicht nach einer gewissen Zeit die erforderliche Aktivierungs temperatur. 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.After starting, the catalytic converter gradually heats up due to the exhaust gas from the Motors and reaches the required activation after a certain time temperature. However, if the engine temperature, such as. B. cold start is low, can take a relatively long time to reach the activation temperature pass away. In addition, a certain part of the exhaust gas temperature is caused by the Wall of the exhaust pipe absorbed.
Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, in Kraftfahrzeugen neben einem Unter bodenkatalysator, der in der Regel im Fahrzeugbereich unterhalb der Feststellbremse zwischen dem Fahrer- und dem Beifahrersitz angeordnet ist, einen motornahen Kata lysator vorzusehen, welchem somit heißere Abgasluft zugeführt werden kann, die zu einer schnelleren Aufheizung und demzufolge einer schnelleren Konvertierwirkung führt.For this reason, it has been proposed to use a sub in motor vehicles floor catalytic converter, which is usually in the vehicle area below the parking brake is arranged between the driver and the front passenger seat, a close-coupled kata Provide analyzer, which can thus be supplied with hotter exhaust gas, the faster heating and consequently a faster conversion effect leads.
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. However, increasingly stringent emissions regulations require even faster ones Conversion and thus an even faster heating of the catalyst to a to ensure reliable cleaning of the exhaust air.
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.For this reason, the use of electrically heated Catalysts known. The following for the sake of simplicity as an e-catalyst designated electrically heated catalyst is usually disc-shaped a thickness of 10-15 mm and in front of the catalytic converter near the engine arranged. Inside is the e-catalyst, such as in the DE 196 40 577 A1 is described by a spiral wound flat Formed sheet metal, a corrugated sheet metal arranged in the space between is. At the ends of the flat metal sheet, a supply voltage of for example 12 V, which causes the heating effect. The Internal resistance of the e-catalyst is z. B. in the order of 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.As is known, the energy supply of the e-catalyst takes place via a Battery which is applied to the heating device of the e-catalytic converter for heating becomes. By using such an e-catalyst, a faster Heating and thus a significantly improved conversion behavior achieved become.
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. Dieser Wert ist nur mit sehr leistungsstarken Batterien zu erreichen. Eine weitere Verbesserung der Ansprechzeit ist unter Verwendung von Batterien nicht mit vertretbarem Aufwand möglich.When developing newer catalysts, they have to be designed in this way be that they meet the currently required limit values for the pollutant content of the catalyzed exhaust air significantly below, so that the catalytic converter Limit values even after aging caused by the operating time can adhere to. Currently, the development of electrical in particular heated catalysts worked, which after about 45 the activation temperature of approx. 250 ° C. This value is only very powerful To reach batteries. Another improvement in response time is below The use of batteries is not possible with reasonable effort.
In den Druckschriften DE-C2-44 21 066, JP-A-0 42 76111 und EP-A-0 533 037 wird daher 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.In the publications DE-C2-44 21 066, JP-A-0 42 76111 and EP-A-0 533 037 therefore proposed the heater of the electrically heatable catalyst (E-catalyst) to supply energy via a capacitor. The condenser can be separated from the heating device by a circuit breaker and via a DC / DC converter connected to the vehicle battery. Did he Capacitor reaches a sufficiently high charging voltage, the switch will closed and the capacitor discharges through the heater of the E- Catalyst, whereby it is heated.
Durch die Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher für die Heizvorrich tung des E-Katalysators kann die Ansprechzeit des E-Katalysators nochmals verkürzt und somit eine schnellere Konvertierung durch den E-Katalysator erzielt werden.By using a capacitor as an energy store for the heating device device of the e-catalyst can shorten the response time of the e-catalyst again and thus a faster conversion can be achieved by the e-catalyst.
Als Leistungsschalter ist dabei die Verwendung eines MOS-Feldeffekttransistors bekannt. MOS-Feldeffekttransistoren besitzen jedoch den Nachteil, daß sie einen relativ hohen Innenwiderstand (ca. 5 mΩ) aufweisen und zudem sehr teuer sind.The use of a MOS field-effect transistor is used as the circuit breaker known. However, MOS field effect transistors have the disadvantage that they have one have relatively high internal resistance (approx. 5 mΩ) and are also very expensive.
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.The present invention has for its object an improved arrangement propose to heat an electrically heated catalyst, which on the one hand, it can be built up easily and cheaply, and on the other hand reaching the activation temperature of the catalyst as quickly as possible guaranteed to ensure high quality exhaust gas cleaning.
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.This object is achieved according to the present invention by an arrangement with solved the features of claim 1. The subclaims define preferred ones and advantageous embodiments of the present invention.
Auch erfindungsgemäß wird ein Kondensator oder eine Kondensatorschaltung als Energiespeicher zum Beheizen der Heizvorrichtung des elektrisch beheizbaren Kata lysators (E-Katalysators) verwendet. Die Kondensatorschaltung wird über einen steuerbaren Schalter wahlweise mit der Heizvorrichtung verbunden oder von dieser getrennt.According to the invention, a capacitor or a capacitor circuit is also used as Energy storage for heating the heating device of the electrically heated Kata lysators (e-catalyst) used. The capacitor circuit is connected via a controllable switch either connected to or from the heater Cut.
Die Kondensatorschaltung ist dabei derart zu dimensionieren, daß sie bei geöffnetem Schalter auf eine Nennspannung von 15 V-50 V aufgeladen wird und bei geschlossenem Schalter innerhalb der ersten 3 s mindestens 75% der zuvor gespeicherten Energie an den E-Katalysator abgibt.The capacitor circuit is to be dimensioned such that it is open Switch is charged to a nominal voltage of 15 V-50 V and at closed switch within the first 3 s at least 75% of the previous releases stored energy to the e-catalyst.
Als Schaltelement wird vorzugsweise ein Relais verwendet. A relay is preferably used as the switching element.
Ein Relais besitzt den Vorteil, daß seine Anschaffungskosten relativ gering sind und es zudem einen sehr niedrigen Innenwiderstand (in der Größenordnung um 0,5 Ω) aufweist. Relais weisen jedoch grundsätzlich den Nachteil auf, daß zwar ein Schließen des Relais bei hohen Spannungen möglich ist, während ein Öffnen des Relais bereits bei Spannungen ab ca. 18 V zur Erzeugung eines Lichtbogens führt, was ein schnelles Abbrennen der Kontaktstellen des Relais und somit einen schnellen Verschleiß zur Folge hat.A relay has the advantage that its purchase costs are relatively low and it also has a very low internal resistance (in the order of 0.5 Ω) having. However, relays generally have the disadvantage that a Closing the relay at high voltages is possible while opening the Relay already leads to the generation of an arc at voltages above approx. 18 V, what a quick burn of the contact points of the relay and thus one rapid wear.
Die zuvor beschriebenen Probleme, welche mit dem Einsatz eines Relais verbunden sind, fallen jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ins Gewicht, da die vorliegende Erfindung auf den bereits zuvor beschriebenen Einsatz einer Kondensatorschaltung als Energiespeicher für die Heizvorrichtung beruht. Dies bedeutet, daß das Relais erst dann geöffnet wird, wenn sich die Kondensatorschaltung bereits bis zu einem gewissen Grad entladen hat, so daß ein Öffnen des Relais bei hohen Spannungen verhindert wird. Andererseits wird das Relais bei Anliegen einer relativ hohen Ladespannung der Kondensatorschaltung zum Beheizen des E-Katalysators geschlossen, was jedoch - wie bereits zuvor erläutert worden ist - im Gegensatz zum Öffnungsfall unproblematisch ist.The previously described problems associated with the use of a relay are, however, are not significant in the context of the present invention, since the present invention on the use of a previously described Capacitor circuit based as an energy store for the heating device. This means that the relay is only opened when the Capacitor circuit has already discharged to a certain extent, so that a Opening the relay at high voltages is prevented. On the other hand, it will Relay when a relatively high charging voltage of the capacitor circuit is present closed to heat the e-catalyst, but what - as before has been explained - in contrast to the opening case is unproblematic.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäß eine Anordnung zum Beheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators geschaffen, welche billig und mit einfachen Mitteln herstellbar ist und zudem durch die Verwendung einer Kondensatorschaltung als Energiespeicher für die Heizvorrichtung des elektrisch beheizbaren Katalysators ein sehr rasches Erreichen der Aktivierungstemperatur des Katalysators und somit eine schnelle Konvertierung und hochqualitative Abgasreinigung gewährleistet.In this way, an arrangement for heating a electrically heated catalyst created, which is cheap and simple Means can be produced and also by using a capacitor circuit as an energy store for the heating device of the electrically heated catalyst a very fast reaching the activation temperature of the catalyst and thus ensures a quick conversion and high quality exhaust gas cleaning.
Vorteilhafterweise wird der augenblickliche Ladezustand der Kondensatorschaltung überwacht, um bei Feststellen einer Überladung den Ladevorgang deaktivieren zu können. Ist die Kondensatorschaltung aus mehreren (in Reihe geschalteten) Kondensatorzellen aufgebaut, wird jede einzelne dieser Kondensatorzeilen überwacht und gegebenenfalls bei Feststellen einer Überladung überbrückt.The current state of charge of the capacitor circuit is advantageous monitored to deactivate the charging process when an overload is detected can. Is the capacitor circuit made up of several (connected in series) Capacitor cells built up, each one of these capacitor rows monitored and bridged if an overload is detected.
Durch Messungen hat sich herausgestellt, daß es für die Beheizung des Katalysators und den Verlauf der Konvertierung besonders vorteilhaft ist, wenn die Kondensatorschaltung bei geöffnetem Relais derart aufgeladen wird, daß bei Schließen des Relais eine Energieabgabe in der Größenordnung zwischen 10 kWs und 30 kWs möglich ist. Eine Heizenergie von vorzugsweise ca. 15 kWs kann beispielsweise erzielt werden, wenn die Kondensatorschaltung, welche eine Gesamtkapazität von ca. 19F besitzt, im geöffneten Zustand des Relais auf eine Nennspannung von ca. 40 V aufgeladen wird.Measurements have shown that it is used to heat the catalyst and the course of the conversion is particularly advantageous if the Capacitor circuit is charged with the relay open so that at Closing the relay delivers an energy in the order of 10 kWs and 30 kWs is possible. A heating energy of preferably about 15 kWs can can be achieved, for example, if the capacitor circuit, which is a Has a total capacity of approx. 19F when the relay is open Nominal voltage of approx. 40 V is charged.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.The invention is described below with reference to the drawing preferred embodiment described.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 1 shows the construction of an arrangement for the electrical heating of a catalyst according to a preferred embodiment of the present invention,
Fig. 2 zeigt ein Katalysatorsystem bestehend aus einem elektrisch beheizbaren Katalysator, einem Stützkatalysator und einem Dreiwege-Katalysator, Fig. 2 shows a catalyst system consisting of an electrically heated catalyst, a support catalyst and a three-way catalyst,
Fig. 3 zeigt den Verlauf der idealerweise zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators benötigten Leistung, um die vorteilhafte Wirkung eines Kondensators als Energiespeicher zum Beheizen des Katalysators zu erläutern, und Fig. 3 shows the course of the ideally required for heating the electrically heated catalyst performance to the advantageous effect to explain a capacitor as an energy storage for heating the catalyst, and
Fig. 4 zeigt die Konvertierungsraten und HC-Emissionen an verschiedenen in Fig. 2 gezeigten Meßpunkten bei Anwendung der vorliegenden Erfindung. FIG. 4 shows the conversion rates and HC emissions at various measuring points shown in FIG. 2 using the present invention.
Bevor auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung näher eingegangen wird, sollen zunächst unter Bezugnahme auf die Darstellungen von Fig. 2 bis Fig. 4 die durch die Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher erzielbaren Vorteile näher erläutert werden.Before discussing in the manner shown in Fig. 1 assembly 2 are first with reference to the illustrations of FIG. To FIG. 4, the achievable by the use of a capacitor as an energy storage advantages will be explained in more detail.
Wie bereits eingangs erwähnt worden ist, wird eine möglichst rasche Erwärmung des elektrisch beheizbaren Katalysators (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.As has already been mentioned at the beginning, the heating of the electrically heated catalyst (e-catalyst) sought. An optimal one The solution would consist in the first second after commissioning the To guide the catalyst into the catalyst, which power to heat on the one hand the metal sheets of the e-catalytic converter and on the other hand the (at one Cold start) relatively cold exhaust gas from 20 ° C to 300 ° C is required. In the Subsequent seconds would then only have that energy or power are supplied, which for heating the exhaust gas mass flow from its current temperature to 300 ° C is required. Does the exhaust gas temperature have values reached above 300 ° C, the external heating can possibly be switched off.
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:
If it is assumed that the metal plate of the e-catalyst to be heated weighs approx. 50 g, an energy of approx. 7 kWs is required for a sudden heating to 300 ° C. If it is further assumed that the exhaust gas mass flow has a constant temporal composition, the exemplary power requirement shown in the following table results for a period of 10 s after switching on the internal combustion engine of the motor vehicle:
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) in Form der Kurve (a) aufgetragen. Zum Vergleich ist in Fig. 3 auch die Kennlinie (b) der von einem Kondensator mit einer Nennspannung von 40 V und einer Kapazität von 19F abgebbaren Leistung aufgetragen, wenn davon ausgegangen wird, daß sich dieser über einen dem Innenwiderstand eines üblichen E-Katalysators entsprechenden Widerstand von 0,1 Ω entlädt.In Fig. 3 the variation of the sum and for heating the exhaust air (fourth column of the table) was applied (fifth column of the table) from the (third column of the table) for heating the E-catalyst in the form of the curve (a). For comparison, the characteristic curve (b) of the power that can be output by a capacitor with a nominal voltage of 40 V and a capacity of 19 F is also plotted in FIG. 3 if it is assumed that this corresponds to the internal resistance of a conventional e-catalytic converter 0.1 Ω resistor discharges.
Der Darstellung von Fig. 3 kann entnommen werden, daß der theoretisch berechnete Leistungsbedarf recht gut durch die Entladefunktion eines entsprechend dimensionierten Kondensators angenähert werden kann. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist der Kondensator insbesondere derart dimensioniert, daß von ihm bei einer Nennladung von 40 V eine Energie von ca. 15 kWs abgegeben werden kann, wobei sich die von dem Kondensator abgegebene Energie mit Fortschreiten des Entladevorgangs gemäß der in Fig. 3 gezeigten Entladefunktion verringert und schließlich (bei ca. 9 s) den Wert 0 kWs erreicht hat. Dabei werden mindestens 75% der von dem Kondensator gespeicherten Energie innerhalb der ersten drei Sekunden abgegeben, so daß eine möglichst rasche Erwärmung des E-Katalysators gewährleistet ist.It can be seen from the illustration in FIG. 3 that the theoretically calculated power requirement can be approximated quite well by the discharge function of an appropriately dimensioned capacitor. In the example shown in FIG. 3, the capacitor is dimensioned in particular in such a way that an energy of approximately 15 kW can be emitted by it with a nominal charge of 40 V, the energy emitted by the capacitor changing as the discharge process progresses in accordance with FIG Fig. 3 reduced discharge function and finally (at about 9 s) has reached the value 0 kWs. At least 75% of the energy stored by the capacitor is released within the first three seconds, so that the e-catalyst is heated as quickly as possible.
In Fig. 2 ist der Aufbau eines motornahen Katalysators bestehend aus einem über einen Kondensator beheizten E-Katalysator 8, einem Stützkatalysator 9 und einem Dreiwege-Katalysator 10 dargestellt. Dem E-Katalysator 8 wird über die Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs in Pfeilrichtung der Abgasstrom zugeführt, wobei an den in Fig. 2 gezeigten Meßpunkten M1, M2 und M3, d. h. am Eingang des E- Katalysators 8, am Ausgang des E-Katalysators 8 und am Ausgang des Stützkatalysators 9, Temperatur- und Schadstoffmessungen vorgenommen worden sind und davon ausgegangen wird, daß der E-Katalysator 8 durch die von einem aufgeladenen Kondensator mit einer Kapazität von 19F und einer Nennspannung von 40 V abgegebene Energie beheizt wird. Im vollständig aufgeladenen Zustand des Kondensators wird dem E-Katalysator 8 von dem Kondensator eine Energie von ca. 15 kWs zugeführt. FIG. 2 shows the construction of a catalytic converter close to the engine, consisting of an e-catalytic converter 8 heated via a condenser, a support catalytic converter 9 and a three-way catalytic converter 10 . The exhaust gas flow is fed to the e-catalytic converter 8 via the exhaust pipe of a motor vehicle in the direction of the arrow, at the measuring points M1, M2 and M3 shown in FIG. 2, ie at the input of the e-catalytic converter 8 , at the outlet of the e-catalytic converter 8 and at Output of the support catalyst 9 , temperature and pollutant measurements have been made and it is assumed that the e-catalyst 8 is heated by the energy emitted by a charged capacitor with a capacity of 19F and a nominal voltage of 40V. In the fully charged state of the capacitor, the capacitor 8 is supplied with an energy of approximately 15 kWs by the capacitor.
In Fig. 4A ist der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur an den in Fig. 2 gezeigten Meßpunkten dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß die Abgastemperatur am Ausgang des E-Katalysators 8 (Kurve (b)) schnell ansteigt und nach ca. 2 s wieder leicht abfällt, jedoch weiterhin oberhalb von 300°C bleibt. Die Kurve (a) entspricht der Abgastemperatur an dem in Fig. 2 gezeigten Meßpunkt M1, während die Kurve (c) der Abgastemperatur an dem Meßpunkt M3 zugeordnet ist. FIG. 4A shows the course of the exhaust gas temperature over time at the measuring points shown in FIG. 2, wherein it can be seen that the exhaust gas temperature at the outlet of the e-catalyst 8 (curve (b)) rises quickly and slightly again after approx. 2 s drops, but remains above 300 ° C. Curve (a) corresponds to the exhaust gas temperature at measuring point M1 shown in FIG. 2, while curve (c) is assigned to the exhaust gas temperature at measuring point M3.
Der Verlauf der Kurve (b) kann in Abhängigkeit von den gewählten Ladeparametern variiert werden. Bei Erhöhung der Nennladung des Kondensators erfolgt ein steilerer Ansteig, während bei Erhöhung der Kapazität des Kondensators die Maximaltemperatur länger gehalten werden kann.The course of curve (b) can be dependent on the selected charging parameters can be varied. When the nominal charge of the capacitor is increased, it gets steeper Rise, while increasing the capacitance of the capacitor Maximum temperature can be kept longer.
In Fig. 4B ist mit den Kurven (a)-(c)der Verlauf der HC-Emissionen an den in Fig. 2 gezeigten Meßpunkten M1-M3 sowie die daraus resultierende Konvertierungsrate (Kurve (d)) des E-Katalysators aufgetragen. Aus der Darstellung von Fig. 4B ist ersichtlich, daß die Konvertierung bereits nach ca. 0,5 s einsetzt. Die kumulative HC- Emission während der Meßdauer von 10 s beträgt lediglich ca. 0,023 g. Zum Vergleich ist ohne elektrische Beheizung erst eine Konvertierung nach ca. 6 s bei einer kumulativen HC-Emission von 0,065 g und bei Beheizung mit Hilfe einer Batterie mit vergleichbarer Leistungsabgabe erst nach ca. 1,5 s eine Konvertierung bei einer kumulativen HC-Emission von ca. 0,029 g erzielbar. Dieser Vergleich macht deutlich, daß durch den Einsatz eines Kondensators eine sehr effektive Katalysatorbeheizung bei niedriger Schadstoffemission erzielt werden kann. Weitere Vorteile des Einsatzes eines Kondensators im Vergleich zu einer Batteriebeheizung sind das geringe Gewicht und das geringe Bauvolumen sowie die hohe Lebensdauer. Des weiteren wird bei Verwendung eines Kondensators auch der Motor des jeweiligen Kraftfahrzeugs nicht belastet. . The course of the HC emissions (c) applied to the shown in Figure 2 measuring points M1-M3 and the resulting conversion rate (curve (d)) E catalyst - in Figure 4B with the curves (a).. It can be seen from the illustration in FIG. 4B that the conversion starts after about 0.5 s. The cumulative HC emission during the measurement period of 10 s is only approx. 0.023 g. For comparison, without electrical heating, a conversion after approx. 6 s with a cumulative HC emission of 0.065 g and with heating with the help of a battery with a comparable power output is only after about 1.5 s a conversion with a cumulative HC emission of 0.029 g achievable. This comparison makes it clear that very effective catalyst heating with low pollutant emissions can be achieved by using a condenser. Other advantages of using a capacitor compared to battery heating are the low weight and the small construction volume as well as the long service life. Furthermore, the motor of the respective motor vehicle is not loaded when a capacitor is used.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zum elektrischen Beheizen eines Katalysators gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Kondensatorschaltung 5 wird über einen DC/DC-Wandler 4 von der Fahrzeugbatterie 3 des entsprechenden Kraftfahrzeugs aufgeladen, wenn ein als steuerbarer Schalter verwendetes Relais 6 geöffnet ist. Dies wird von einer Steuereinheit 7 beispielsweise automatisch beim Stillstand des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs veranlaßt, da bei einem späteren Start des Verbrennungsmotors eine elektrische Beheizung des in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 8 versehenen E- Katalysators bzw. dessen Heizvorrichtung über die Ladeenergie der Kondensatorschaltung 5 möglich sein soll. 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.In Fig. 1 illustrates an arrangement for the electrical heating of a catalyst according to a preferred embodiment of the present invention. A capacitor circuit 5 is charged via a DC / DC converter 4 from the vehicle battery 3 of the corresponding motor vehicle when a relay 6 used as a controllable switch is open. This is automatically triggered by a control unit 7, for example, when the internal combustion engine of the motor vehicle is at a standstill, since when the internal combustion engine is started later, electrical heating of the e-catalyst provided with the reference numeral 8 in FIG. 1 or its heating device is possible via the charging energy of the capacitor circuit 5 should be. Furthermore, a generator 2 is shown in FIG. 1, which serves as an energy supply for the vehicle electrical system 1 or the consumers connected to it, and for charging the vehicle battery 3 .
Der DC/DC-Wandler 4 kann für eine Leistung von beispielsweise 100 W ausgelegt sein. Die Fahrzeugbatterie 3 liefert eine Spannung von z. B. 12 V. Mit diesen Daten ist eine Aufladung der Kondensatorschaltung bzw. Kondensatorbatterie 5 auf eine Nennspannung von 15 bis 50 V, vorzugsweise auf die bereits zuvor angenommenen 40 V, möglich. Die Kondensatorschaltung 5 könnte bevorzugt so dimensioniert werden, daß sie bei geöffnetem Schalter auf eine Nennspannung von 15 V-10 V aufgeladen wird und bei geschlossenem Schalter innerhalb der ersten 3 s mindestens 75% der zuvor gespeicherten Energie an den E-Katalysator abgibt (siehe Fig. 3).The DC / DC converter 4 can be designed for a power of 100 W, for example. The vehicle battery 3 delivers a voltage of z. B. 12 V. With this data, a charging of the capacitor circuit or capacitor battery 5 to a nominal voltage of 15 to 50 V, preferably to the previously assumed 40 V, is possible. The capacitor circuit 5 could preferably be dimensioned such that it is charged to a nominal voltage of 15 V-10 V when the switch is open and releases at least 75% of the previously stored energy to the e-catalyst within the first 3 s when the switch is closed (see FIG . 3).
Die Steuereinheit 7 überwacht das Starten oder Anlassen des Verbrennungsmotors. Unmittelbar nach dem Starten wird von der Steuereinheit 7 das Relais 6 geschlossen, so daß die Heizvorrichtung des E-Katalysators durch die von der zuvor aufgeladenen Kondensatorschaltung 5 abgegebene Energie beheizt werden kann. Das als Leistungsschalter dienende Relais 6 ist beispielsweise für einen kurzzeitigen Maximalstrom von ca. 350 A auszulegen. Während der Entladung der Kondensatorschaltung 5 fällt der über das Relais fließende Strom rasch ab, so daß das Relais bereits nach kurzer Zeit wieder spannungs- und stromlos geöffnet werden kann. Die Steuereinheit 7 überwacht vorteilhafterweise zu diesem Zweck den augenblicklichen Lade- bzw. Entladezustand der Kondensatorschaltung 5 und öffnet automatisch das Relais 6, wenn die augenblickliche Ladung der Kondensatorschaltung 5 einen bestimmten unteren Grenzwert erreicht hat. Anschließend steht die Kondensatorschaltung 5 wieder für einen neuen Ladevorgang zur Verfügung.The control unit 7 monitors the starting or starting of the internal combustion engine. Immediately after starting, the control unit 7 closes the relay 6 , so that the heating device of the e-catalytic converter can be heated by the energy emitted by the previously charged capacitor circuit 5 . The relay 6 serving as a circuit breaker is designed, for example, for a short-term maximum current of approximately 350 A. During the discharge of the capacitor circuit 5 , the current flowing through the relay drops rapidly, so that the relay can be opened again after a short time without voltage or current. For this purpose, the control unit 7 advantageously monitors the current charging or discharging state of the capacitor circuit 5 and automatically opens the relay 6 when the current charging of the capacitor circuit 5 has reached a certain lower limit value. The capacitor circuit 5 is then available again for a new charging process.
Gemäß Fig. 1 ist die Kondensatorschaltung durch mehrere Kondensatorzellen 5a-5d gebildet. Die Steuereinheit 7 überwacht den Ladezustand jeder einzelnen Kondensatorzelle, um ein Überladen zu vermeiden. Bei Überschreiten einer bestimmten Maximalspannung wird die entsprechende Kondensatorzelle mit Hilfe eines Transistors überbrückt, um den Ladestrom abzuleiten. Nach Beendigung des Ladevorgangs sollte der DC/DC-Wandler 4 und die Ladespannungsüberwachung der Steuereinheit 7 abgeschaltet werden.Referring to FIG. 1, the capacitor circuit is formed by a plurality of capacitor cells 5 a- 5 d. The control unit 7 monitors the state of charge of each individual capacitor cell in order to avoid overcharging. If a certain maximum voltage is exceeded, the corresponding capacitor cell is bridged with the aid of a transistor in order to derive the charging current. After the charging process has ended, the DC / DC converter 4 and the charging voltage monitoring of the control unit 7 should be switched off.
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