Das Folgende ist eine allgemeine Beschreibung der vier Hauptelemente der integrierten Wärme- und Abgasmanagementeinheit 10, wie sie in 1 schematisch im Diagramm dargestellt sind. Zunächst enthält die Managementeinheit 10 ein Gehäuse 25, das eine Kammer 26 definiert und einen Einlaß 28 aufweist, durch den Motorabgas von der Motorabgasleitung 16 strömt. Ein Sensor 30 für die Einlaßtemperatur ist dem Einlaß 28 benachbart montiert, um die Temperatur des Motorabgases abzufühlen, während es in die Managementeinheit 10 eintritt. Zweitens ist ein Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung dem Gehäuse 25 benachbart, um zusätzliche Wärme an den durch die Kammer 26 strömenden Abgasstrom zu liefern. Drittens enthält die Managementeinheit 10 einen katalytischen Wandler 34, der der Kammer 26 benachbart ist und mit dieser in stromabwärtiger Stromverbindung steht, um Motorabgas zu katalysieren. Der katalytische Wandler 34 enthält einen Sensor 36 für die Katalysatortemperatur. Viertens ist eine ringförmige Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme dem katalytischen Wandler 34 radial benachbart, steht mit diesem in stromabwärtiger Stromverbindung und weist einen stromabwärtigen Abgasauslaß 40, wo Gas die Managementeinheit 10 verläßt, und einen dem Abgasauslaß benachbarten Sensor 42 für die Abgastemperatur auf.

Insbesondere erzeugt das dem Gehäuse 25 benachbarte Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung zusätzliche Wärme direkt in den Abgasstrom, der durch die Kammer 26 strömt. Das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung enthält eine Brennkammer 44 mit einem Lufteinlaß 46, ein Kraftstoffeinspritzventil 48 und eine Zündvorrichtung 50, um eine Verbrennung einzuleiten. Ein Luftgebläse 52 bläst Luft in den Lufteinlaß 46. Ein Rückschlagventil 54 zwischen dem Gebläse 52 und dem Lufteinlaß 46 verhindert einen Rückstrom von Abgas in die Frischluftzufuhr. Ein nicht dargestellter Sauerstoffsensor kann durch Einstellen der Gebläsedrehzahl eine Luftstromrate voreinstellen. Eine nicht dargestellte Kraftstoffpumpe pumpt Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle 56 zum Kraftstoffeinspritzventil 48. Ein nicht dargestellter Flammensensor kann in der Brennkammer 44 untergebracht sein, um zu bestätigen, daß in die Brennkammer eingespritzter Kraftstoff vollständig verbrannt wird. Wenn das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung arbeitet, kann es eine Flamme direkt in die Kammer 26 erzeugen, wodurch der Abgasstrom erhitzt wird, während er in den katalytischen Wandler 34 eintritt.

Der katalytische Wandler 34 besteht aus einer gerippten Matrix 58 mit einem daran angebrachten Katalysator. Der Katalysator wirkt dahingehend, das dort durchströmende Abgas zu katalysieren oder zu oxidieren, aber nur bei Temperaturen oberhalb der Anspringtemperatur, welche von dem speziellen Katalysator abhängt.

Die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme besteht aus einem Wärmetauscherkern 60, der dem katalytischen Wandler 34 benachbart ist und mit diesem in stromabwärtiger Stromverbindung steht. Sie enthält auch einen ringförmigen Vakuumbehälter 62, der sowohl den katalytischen Wandler 34 als auch den Wärmetauscherkern 60 eng umgibt. Ein Hydridpellet 64 ist innerhalb des Behälters 62 angeordnet und mit einer elektrischen Quelle 66 verdrahtet, die dahingehend arbeitet, das Pellet elektrisch zu erwärmen, was bewirkt, daß es Wasserstoffgas in den Behälter freisetzt. Ein ringförmiger Wassermantel 68 mit einem Kühlmitteleinlaß 70 und einem Kühlmittelauslaß 72 zum Umwälzen von Flüssigkeit durch den Wassermantel ist konzentrisch mit dem Behälter 62 angeordnet und umgibt ihn. Das hohe Wärmeübertragungsvermögen von Wasserstoffgas erleichtert die Übertragung thermischer Energie des Abgases auf die Flüssigkeit im Wassermantel 68. Beim Kühlmittelauslaß 72 befindet sich ein Sensor 74 für die Kühlmitteltemperatur, um die Temperatur der Flüssigkeit zu überwachen, die zu Wärme benötigenden Bereichen 24 des Fahrzeugs umgewälzt werden soll.

Die durch den Wassermantel 68 der Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme strömende Flüssigkeit kann ein Kühlmittel höherer Temperatur sein, als es herkömmlicherweise in Motorfahrzeugen verwendet wird. In solch einem Fall erfordert die Managementeinheit 10 eine spezifische Schaltung 75 für den Kühlmittelstrom mit einem Kühlmittelreservoir 76 und einer Kühlmittelpumpe 78, um das Kühlmittel mit höherer Temperatur durch die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme und zu Wärme benötigenden Bereichen 24 im Fahrzeug zyklisch umzuwälzen. Falls ein gewöhnliches Kühlmittel für sowohl den Motor als auch die Managementeinheit verwendet wird, können dann alternativ dazu ein spezifischer Strompfad und ein spezifisches Reservoir unnötig sein, obgleich noch eine separate Kühlmittelpumpe 78 benötigt wird.

Eine zentrale Steuereinheit 80 steuert die Wärme- und Abgasmanagementeinheit 10. Sie kann Eingangsmessungen von Sensoren 30 und 42 für Abgastemperaturen am Einlaß und Auslaß, dem Sensor 36 für Katalysatortemperatur des katalytischen Wandlers, dem Sensor 74 für die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang und einen nicht dargestellten Motorlaufstatus empfangen. Die Steuereinheit 80 kann auch Signale von der Steuerung zur Erwärmung des Fahrgastraumes und anderen Temperatursensoren für Bereiche im Fahrzeug empfangen, die gesteuert werden, um Wärme von der Managementeinheit 10 aufzunehmen. Die Steuereinheit 80 steuert den Betrieb des Heizgerätes 32 mit Kraftstoffeinspritzung, was den Befehl für den Lauf der Kraftstoffpumpe, die Steuerung der Gebläsedrehzahl, den Arbeitszyklus des Kraftstoffeinspritzventils, die Stellung des Rückschlagventils und die Steuerung der Zündvorrichtung einschließt. Die Steuereinheit 80 steuert auch die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme einschließlich, wenn die elektrische Quelle 77 Leistung an das Hydridpellet 64 abgibt und wenn die Kühlmittelpumpe 78 Flüssigkeit durch den Wasserqmantel 68 pumpt.

Der Systembetrieb und das Verfahren zum Steuern der integrierten Wärme- und Abgasmanagementeinheit 10 werden nun mit zusätzlichem Verweis auf 2 bezüglich eines Verbrennungsmotors 14 als der einzigen Quelle für Antriebsenergie beschrieben. Wenn der Motor 14 zu Anfang nach einer längeren Abkühlung in einer kalten Umgebung gestartet wird, ist das Ziel, das Anspringen des Katalysators zu beschleunigen und Wärme an Wärme benötigende Bereiche 24 des Fahrzeuges zu liefern. Die Steuereinheit 80 empfängt zuerst in Block 110 eine Eingabe vom Sensor 36 für die Katalysatortemperatur des katalytischen Wandlers 34 und vergleicht in Block 112 die Katalysatortemperatur mit der Anspringtemperatur. Falls die Steuereinheit 80 Daten empfängt, daß der Katalysator 58 unterhalb der Anspringtemperatur liegt, startet in Block 114 dann die Steuereinheit einen Betrieb des Heizgerätes 32 mit Kraftstoffeinspritzung. Das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung wird aktiviert, indem der Kraftstoffpumpe zu laufen befohlen wird, dem Kraftstoffeinspritzventil 48 befohlen wird, die Gebläsedrehzahl initiiert und eingestellt und die Zündvorrichtung 50 gezündet wird, um eine Verbrennung in der Brennkammer 44 zu zünden. Das erzeugte heiße Verbrennungsgas strömt direkt in den benachbarten katalytischen Wandler 34, wodurch die Katalysatortemperatur erhöht wird, um das Anspringen des Katalysators zu beschleunigen. Das Abgas der Brennkammer strömt dann durch den Wärmetauscherkern 60 und aus dem Abgasauslaß 40 zusammen mit dem Motorabgas, das im katalytischen Wandler 34 oxidiert worden ist.

Falls der Katalysator 58 die Anspringtemperatur erreicht hat, empfängt dann die Steuereinheit 80 im Block 116 eine Eingabe von verschiedenen Punkten im Fahrzeug, welche Wärme von der Managementeinheit 10 aufnehmen können, und überwacht im Block 118, ob irgendeiner dieser Bereiche Wärme benötigt. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 80 überwachen, ob der Fahrgast eine höhere Temperatur im Fahrgastraum ausgewählt hat, ob die Temperatur des Motoröls und die Kühlmitteltemperatur unterhalb gewünschter Betriebstemperaturen liegen oder ob die Temperatur der Traktionsbatterie unterhalb der Betriebstemperatur liegt. Falls es solche Wärme benötigenden Bereiche 24 gibt, empfängt die Steuereinheit 80 eine Eingabe von dem Sensor 30 für die Abgastemperatur am Einlaß in Block 120 und prüft in Block 122, ob das Motorabgas ausreichend warm ist, um den Bedarf der Wärme benötigenden Bereiche zu erfüllen.

Falls die Temperatur des Motorabgases am Einlaß ausreichend warm ist, treibt die Steuereinheit 80 im Block 124 die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme an bzw. speist sie, um die Wärme im Abgasstrom aufzunehmen. Dies ist verbunden mit einem Einschalten der Kühlmittelpumpe 78, um Flüssigkeit durch den Wassermantel 68 des Wärmetauscherkerns 60 zirkulieren zu lassen, und der elektrischen Quelle 66, um das Hydridpellet 64 elektrisch zu erwärmen, welches Wasserstoffgas in den Behälter 62 freisetzt. Vom Wasserstoffgas wird Wärme effizient auf die Flüssigkeit im Wassermantel 68 übertragen, wo die erhitzte Flüssigkeit dann genutzt werden kann, um Wärme benötigende Bereiche 24 des Fahrzeuges zu erwärmen. Die erhitzte Flüssigkeit kann z.B. durch den Heizgerätkern geführt werden, wo Luft über ihn und die erhitzte Luft in die Fahrgastkabine geblasen wird. Die erhitzte Flüssigkeit kann zum Motor zurückgeführt werden, um den Motor 14 auf seine optimale Betriebstemperatur zu erwärmen. Die erhitzte Flüssigkeit kann durch eine Traktionsbatterie des Hybridfahrzeuges gepumpt werden, um die Batterietemperatur auf ihre optimale Betriebstemperatur anzuheben.

Falls die Abgastemperatur am Einlaß unterhalb der erforderlichen Temperatur liegt, um den Bedarf der Wärme benötigenden Bereiche 24 zu erfüllen, treibt dann im Block 126 die Steuereinheit 80 das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung an, um dem Abgasstrom Wärme hinzuzufügen. Die Steuereinheit 80 treibt danach im Block 128, wie oben beschrieben wurde, die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme an, um die vom Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung erzeugte Wärme aufzunehmen und sie an die Wärme benötigenden Bereichen 24 zu verteilen.

Man beachte, daß, selbst wenn es Wärme benötigende Bereiche 24 des Fahrzeuges gibt, der Katalysator 58 aber die Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, ein Betrieb der Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme verzögert wird, so daß aus dem den Katalysator erwärmenden Abgasstrom keine Wärme abgezogen wird.

Der Systembetrieb und das Verfahren zum Steuern der integrierten Wärme- und Abgasmanagementeinheit 10 werden nun mit zusätzlichem Verweis auf 3 bezüglich eines Verbrennungsmotors 14 als Verbundleistungsquelle wie in einem Hybridfahrzeug beschrieben. In diesem Fall empfängt die Steuereinheit 80 zuerst eine Eingabe des Motorlaufstatus in Block 130 und bestimmt in Block 132, ob der Motor 14 läuft. Falls der Motor 14 läuft, ahmt das Verfahren zum Steuern der Wärme- und Abgasmanagementeinheit 10 das oben beschriebene Verfahren nach, bei dem der Motor die einzige Leistungsquelle ist, und gleiche Schritte sind ebenso numeriert (d.h. Blöcke 110–128).

Falls der Motor 10 ausgeschaltet ist, muß dann die Katalysatortemperatur nicht geprüft werden, und diese Schritte werden umgangen. Die Steuereinheit 80 empfängt danach in Block 134 ein Eingabe von verschiedenen Punkten im Fahrzeug und prüft im Block 136, ob es Wärme benötigende Bereiche 24 gibt. Falls dies der Fall ist, treibt die Steuereinheit 80 das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung und die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme in Block 138 an, um Wärme zu erzeugen und zu diesem Bereich des Fahrzeugs zu übertragen.

Durch Integrieren der Wärme- und Abgasfunktionen in eine Einheit können Fahrzeugemissionen reduziert werden. Wenn der Katalysator eines katalytischen Wandlers unterhalb einer bestimmten Temperatur liegt, springt der Katalysator nicht an, was Auspuffemissionen erhöht. Bei dieser Managementeinheit 10 wird, falls der Katalysator 58 unter der Anspringtemperatur liegt, das Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung schnell aktiviert und Wärme der Brennkammer zum benachbarten katalytischen Wandler 34 übertragen. Dies fördert eine Oxidation im katalytischen Wandler 34, um zur Reduzierung von Fahrzeugemissionen geeignet zu arbeiten. Außerdem können die Emissionen vom Heizgerät 32 mit Kraftstoffeinspritzung gleichzeitig mit dem Motorabgas im katalytischen Wandler 34 katalysiert werden.

Ferner isoliert die Einheit 38 zur Rückgewinnung von Abgaswärme den katalytischen Wandler 34, um eine höhere Temperatur für ein schnelles Anspringen aufrechtzuerhalten. Die Isolierung erfolgt, wenn elektrische Energie zum Hydridpellet 64 unterbrochen wird, was die Reabsorption von Wasserstoff durch das Pellet gestattet und ein Vakuum erzeugt, um dadurch die Katalysatormatrix 58 zu isolieren.

Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zu Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken präsentiert. Sie soll nicht als erschöpfend betrachtet werden; noch ist sie dazu gedacht, die Erfindung auf die offenbarte präzise Form zu begrenzen. Der Fachmann erkennt, daß die offenbarte Ausführungsform im Lichte der obigen Lehren modifiziert werden kann. Die Ausführungsform wurde so gewählt, um eine Veranschaulichung der Grundlagen der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu liefern, um dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen zu nutzen, wie sie für den bestimmten, in Betracht gezogenen Gebrauch geeignet sind. Daher ist die vorhergehende Beschreibung statt beschränkend als beispielhaft zu betrachten, und der wahre Umfang der Erfindung ist der in folgenden Ansprüchen beschriebene.