Dokumentenidentifikation |
DE10111787B4 15.12.2005 |
Titel |
Integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit |
Anmelder |
General Motors Corp., Detroit, Mich., US |
Erfinder |
Claypole, George M., Fenton, Mich., US; Major, Gregory Alan, Beverly Hills, Mich., US; Dasgupta, Arindam, Detroit, Mich., US |
Vertreter |
Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München |
DE-Anmeldedatum |
12.03.2001 |
DE-Aktenzeichen |
10111787 |
Offenlegungstag |
27.09.2001 |
Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
15.12.2005 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
15.12.2005 |
IPC-Hauptklasse |
F02G 5/02
|
IPC-Nebenklasse |
F01N 3/20
F01N 9/00
|
Beschreibung[de] |
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Wärme-
und Abgasmanagementeinheit für ein Fahrzeug.
Hohe Kraftstoffeffizienz und niedrige Motoremissionen sind Schlüsselprioritäten
bei der Konstruktion eines Fahrzeugmotors. Maßnahmen, die dies ermöglichen, umfassen
ein schnelles Erwärmen des Motors auf den effizienten Betriebstemperaturbereich
und des Abgaskatalysators bzw. des katalytischen Wandlers auf die Anspringtemperatur,
so daß unerwünschte Abgase katalysiert werden, statt sie aus dem Fahrzeug als Emissionen
entweichen zu lassen. Gängige Rückgewinnungssysteme für Abwärme von Abgasen können
die Abwärme des Motors aufnehmen und zum Motor zurückleiten oder zu einem stromabwärtigen
katalytischen Wandler übertragen.
Aus den Druckschriften DE
195 37 798 A1, DE 195 37 799 A1
und DE 195 37 800 A1 ist jeweils
eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Katalysator und einen
Brenner aufweist, dessen Abwärme dem Katalysator über ein Rohr zuführbar ist, um
den Katalysator aufzuheizen. Stromabwärts von dem Katalysator ist ein Abgaswärmetauscher
vorgesehen, um Luft zu erwärmen, die anschließend einem Wärmetauscher für Kühlwasser
der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
Da Hybridfahrzeuge und hocheffiziente Verbrennungsmotoren auf dem
Markt verbreiteter werden, besteht ein Bedarf an einer neuen Heizquelle, um im Fahrzeug
genutzte Restwärme des Motors zu ergänzen. Zum Beispiel wird überschüssige Motorwärme
heute genutzt, um über einen Heizgerätkern den Fahrgastraum zu erwärmen. Bei einem
hocheffizienten Verbrennungsmotor kann eine nicht ausreichende Zufuhr von vom Motor
erzeugter Restwärme vorliegen. Desgleichen kann, wenn ein Hybridfahrzeug in einem
Bereich mit niedrigem Leistungsbedarf wie z.B. im Leerlauf oder Stadtbetrieb fährt,
der Verbrennungsmotor ausgeschaltet werden und daher keine Restwärme erzeugen, um
die thermischen Anforderungen des Fahrzeuges zu erfüllen. Um thermische Anforderungen
zu erfüllen, kann das Hybridfahrzeug den Verbrennungsmotor weiterlaufen lassen,
um Wärme zu erzeugen, wenn der Motor Idealerweise ausgeschaltet sein sollte. Hybridfahrzeuge
können auch ein zusätzliches Wärmepumpensystem zum Heizen der Kabine verwenden,
wenn der Motor ausgeschaltet ist, was Elektrizität direkt vom Batteriepaket abzieht.
Beide Optionen stellen einen teuren Energieaufwand dar.
Da Hybridfahrzeuge typischerweise kleinere Motoren verwenden, die
weniger Wärme erzeugen und man gewöhnlich nicht im Leerlauf laufen läßt, kann die
Aufwärmzeit für den Motor im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen länger sein.
Ein Zusatzheizsystem kann verwendet werden, um das Aufwärmen des Motors zu beschleunigen,
was somit zu einer verbesserten Effizienz bzw. Wirtschaftlichkeit und verbesserten
Emissionen beiträgt. Hybridfahrzeuge sind auch angewiesen auf Hochspannungsbatterien,
um einen Teil der Antriebsenergie zu liefern, und diese Batterien erfordern für
einen effizienten Betrieb eine schnelle Erwärmung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Wärme-
und Abgasmanagementeinheit zu schaffen, welche sowohl in Hybridfahrzeugen als auch
in rein motorbetriebenen Fahrzeugen einsetzbar ist, welche Zusatzwärme für die Effizienz
des Antriebsaggregats, Emissionen und die Kundenzufriedenheit liefert und welche
eine einfache und kompakte Bauweise aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung dient für eine integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit,
die ein mit Kraftstoff befeuertes Heizgerätsystem bzw. Heizgerätsystem mit Kraftstoffeinspritzung,
einen katalytischen Wandler und eine Einheit zur Rückgewinnung von Abwärme der Abgase
einschließt, und ein Verfahren zum zentralen Steuern der Einheit, um den gesamten
Bedarf des Fahrzeugs an thermischer Energie effizient zu befriedigen.
Die integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit enthält ein Gehäuse,
das eine Kammer definiert und einen Einlaß aufweist, durch welchen Motorabgas strömt.
Ein Heizgerät mit Kraftstoffeinspritzung ist dem Gehäuse unmittelbar benachbart
und ergänzt die Wärme im durch die Kammer strömenden Motorabgas, wenn dies erforderlich
ist. Der erhitzte Abgasstrom strömt durch einen katalytischen Wandler, der in stromabwärtiger
Stromverbindung mit der Kammer steht, um das Motorabgas und die Emissionen des Heizgeräts
mit Kraftstoffeinspritzung, die durch ihn strömen, zu katalysieren. Die integrierte
Wärme- und Abgasmanagementeinheit enthält ferner eine Einheit zur Rückgewinnung
von Abgaswärme, die den katalytischen Wandler sowohl umgibt als auch mit diesem
in stromabwärtiger Stromverbindung steht, um zur Übertragung zu Wärme benötigenden
Bereichen des Fahrzeugs Abgaswärme mit Flüssigkeitswärme auszutauschen.
Die integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit liefert thermische
Energie, um für eine verbesserte Schmierung unter Kaltstartbedingungen
das Erwärmen des Motors durch Erhitzen von Motoröl zu verbessern, um die Haltbarkeit
des Motors zu verbessern. Sie arbeitet, um Emissionen unter Kaltstartbedingungen
zu reduzieren, indem ein Anspringen des Katalysators als Ergebnis einer schnellen
Erwärmung durch das Heizgerät mit Kraftstoffeinspritzung und einer Isolierung des
katalytischen Wandlers durch die Einheit zur Rückgewinnung von Abgaswärme zu beschleunigen.
Die Einheit kann für einen erhöhten Komfort des Kunden auch das Erwärmen der Fahrgastzelle
verbessern.
Außerdem ermöglicht die Einheit für Hybridfahrzeuge die Heizung des
Fahrgastraums, während der Motor ausgeschaltet ist, ohne eine signifikanteren Aufwand
an Energie zu betreiben, Wärme wird auch bereitgestellt, um die Hybridtraktionsbatterie
schnell auf ihre effiziente Betriebstemperatur zu erwärmen.
Wenn erforderlich, verbrennt das Heizgerät mit Kraftstoffeinspritzung
Kraftstoff, um dem Abgasstrom des Motors zusätzliche thermische Energie zur Erwärmung
des katalytischen Wandler hinzuzufügen oder bei Bedarf mit einem flüssigen Medium
austauschen und an zusätzliche Wärme benötigende Bereiche des Fahrzeuges abgeben
können. Das System zur Rückgewinnung von Abgaswärme kapselt ferner den katalytischen
Wandler zum Isolieren des katalytischen Wandlers mit einem Vakuum ein.
Die integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit schafft eine effiziente
Massen- und Kapseleinheit, indem der Bedarf an Schläuchen, Rohrleitungen und Trägern
bzw. Befestigungsschellen beseitigt wird, die entfernt gelegene eingekapselte einzelne
Wärmequellen verbinden.
1 ist ein schematisches Diagramm einer
integrierten Wärme- und Abgasmanagementeinheit der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens
zum Steuern der Einheit von 1, wie sie in einem Fahrzeug
mit einem Verbrennungsmotor als einziger Leistungsquelle verwendet wird; und
3 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens
zum Steuern der Einheit von 1, wie sie in einem Fahrzeug
mit einem Verbrennungsmotor als einer Verbundleistungsquelle wie in einem Hybridfahrzeug
verwendet wird.
Ein Verbrennungsmotor 14, egal ob als einzige Quelle oder
Verbundquelle eines Fahrzeugantriebs, erzeugt Abgas, welches durch eine Abgasleitung
16 ausgestoßen wird. Das Abgas ist ein Materialeintrag in eine integrierte
Wärme- und Abgasmanagementeinheit, die als Ganzes mit 10 bezeichnet ist.
Zusätzliche Wärme, die durch die Managementeinheit 10 erzeugt oder aufgenommen
wird, kann zu Fahrzeugbereichen übertragen werden, die zusätzliche Wärme benötigen.
Diese Schlüsselbereiche werden zusammenfassend als "Wärme benötigende Bereiche"
24 bezeichnet. Solche Wärme benötigenden Bereiche 24 können einschließen:
durch den Motor 14 umgewälztes Motorkühlmittel, um es während eines Kaltstarts
zu erwärmen; Motoröl, um während eines Kaltstarts des Motors die Schmierung zu erhöhen;
einen Heizgerätkern für den Fahrgastraum; und ein Traktionsbatteriepaket für ein
Hybridfahrzeug, um einige Schlüsselbereiche zu nennen, Die erzeugte oder aufgenommene
zusätzliche Wärmeenergie verbessert die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs, die Emissionen
und den Komfort der Passaqiere.
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.
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Anspruch[de] |
- Integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit (10) für ein
Fahrzeug, aufweisend:
ein Gehäuse (25), das eine Kammer (26) definiert und einen Einlaß
(28) aufweist, durch den Motorabgas strömt, ein dem Gehäuse (25)
unmittelbar benachbartes Heizgerät (32) mit Kraftstoffeinspritzung, das
betrieben werden kann, um durch die Kammer (26) strömendes Motorabgas zu
erhitzen, einen katalytischen Wandler (34), der der Kammer (26)
unmittelbar benachbart ist und mit dieser in stromabwärtiger Stromverbindung steht,
um das durch diesen strömende Motorabgas zu katalysieren, und eine Einheit (38)
zur Rückgewinnung von Abgaswärme, die den katalytischen Wandler (34) sowohl
umgibt als auch mit diesem in stromabwärtiger Stromverbindung steht, um zur Übertragung
zu Wärme benötigenden Bereichen des Fahrzeuges Abgaswärme mit Flüssigkeitswärme
auszutauschen.
- Integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit (10) nach Anspruch
1, worin die Einheit (38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme ferner einen
Wärmetauscherkern (60) aufweist, der dem katalytischen Wandler (34)
benachbart ist und mit diesem in stromabwärtiger Stromverbindung steht, einen ringförmigen
Vakuumbehälter (62), der sowohl den katalytischen Wandler (34)
als auch den Wärmetauscherkern (60) eng umgibt, und einen Wassermantel
(68), der mit dem Behälter (62) konzentrisch ist und diesen eng
umgibt, um bei Betrieb der Einheit (38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme
Flüssigkeit durch diesen zirkulieren zu lassen, um Wärme vom Abgas auf die Flüssigkeit
zu übertragen.
- Integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit (10) nach Anspruch
2, worin die Einheit (38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme ferner ein Hydridpellet
(64) aufweist, das innerhalb des Behälters (62) angeordnet ist
und zur Freisetzung von Wasserstoffgas in den Behälter (62) wegen der Eigenschaft
einer hohen Wärmeübertragung erhitzt werden kann und angesteuert werden kann, um
eine Reabsorption des Wasserstoffs durch das Pellet (64) zu gestatten,
was ein Vakuum erzeugt, um dadurch den Katalysator zu isolieren, wenn die Leistungszufuhr
zu der Einheit (38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme abgeschaltet wird.
- Integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit (10) nach Anspruch
1, ferner aufweisend eine Steuereinheit (80), um den Betrieb der Managementeinheit
zu steuern, wodurch das Heizgerät (32) mit Kraftstoffeinspritzung gespeist
wird, falls die Katalysatortemperatur geringer als eine Anspringtemperatur des Katalysators
für eine effiziente Behandlung von Fahrzeugemissionen ist, und die Einheit (38)
zur Rückgewinnung von Abgaswärme nur gespeist wird, falls die Katalysatortemperatur
bei oder oberhalb der Anspringtemperatur liegt und es im Fahrzeug Wärme benötigende
Bereiche gibt.
- Wärme- und Abgasmanagementverfahren, aufweisend die Schritte:
Überwachen einer Katalysatortemperatur eines katalytischen Wandlers (34);
Vergleichen der Katalysatortemperatur mit einer Anspringtemperatur;
Aktivieren eines Heizgerätes (32) mit Kraftstoffeinspritzung, falls die
Katalysatortemperatur unterhalb der Anspringtemperatur liegt, um den katalytischen
Wandler (34) zu erhitzen;
Überwachen, ob Wärme benötigende Bereiche eines Fahrzeuges vorhanden sind, falls
die Katalysatortemperatur höher als die oder gleich der Anspringtemperatur ist;
Überwachen der Abgastemperatur am Einlaß (28), falls Wärme benötigende
Bereiche des Fahrzeuges vorhanden sind;
Vergleichen der Abgastemperatur am Einlaß (28) mit einer Temperatur, die
für Wärme benötigende Bereiche des Fahrzeuges benötigt wird;
Aktivieren des Heizgerätes (32) mit Kraftstoffeinspritzung und der Einheit
(38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme, falls die Abgastemperatur am Einlaß
(28) geringer als die Temperatur ist, die für Wärme benötigende Bereiche
des Fahrzeuges benötigt wird; und
Antreiben der Einheit (38) zur Rückgewinnung von Abgaswärme, falls die
Abgastemperatur am Einlaß (28) höher als die oder gleich der Temperatur
ist, die für Wärme benötigende Bereiche des Fahrzeuges benötigt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen
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Patent Zeichnungen (PDF)
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