本发明涉及一种用于加热在机动车的废气系统中的催化器的方法以及一种带有布置在废气系统中的催化器的机动车。
背景技术：
废气法规的连续的加重对车辆制造商提出了较高的要求，其通过相应的用于减少发动机原始排放的措施且通过相应的废气后处理来解决。为了可有效地在发动机后转化未可完全避免的原始排放，在内燃机的废气装置中构建有以贵金属覆层的催化器。为了该催化器可转化有害物质，需要废气和催化器的最小的温度水平。为了将催化器在内燃机的冷起动后尽可能快地带到运行温度上，使用发动机加热措施如在方向“后”上调节点火角或在同时带入二次空气的情形中内燃机的低化学当量比的运行。为了快速地且有针对性地加热催化器，可能的是，电加热催化器。由此，已经可明显地减少在冷起动阶段中的排放。
此外，随着引入针对汽油发动机的法规级别EU6，规定了针对颗粒数量的极限值，其在许多情况中使得汽油颗粒过滤器的使用成为必要。在行驶运行中，这样的汽油颗粒过滤器以炭黑来加载。为了废气背压不过强地提高，该汽油颗粒过滤器必须连续地或周期性地再生。为了执行在汽油颗粒过滤器中保留的炭黑与氧气的热氧化，需要有在汽油发动机的废气装置中与同时存在的氧气相关的足够高的温度水平。因为现代的汽油发动机正常来说在不带有氧气过量的情形下以化学当量比的燃烧空气比例(λ=1)来运行，额外于此的措施是必要的。对此作为措施考虑例如通过点火角调节的温度提高、汽油发动机的时间上的稀薄调节、将二次空气吹入到废气装置中或这些措施的组合。优选地，迄今使用在方向“后”上的点火角调节结合汽油发动机的稀薄调节，因为该方法在没有附加的构件的情形下够用且在汽油发动机的大多数运行点中可提供足够的氧气量。
从文件DE 10 2010 014 332 A1已知用于带有由内燃机和电动机构成的混合驱动器的机动车的废气装置的热管理的方法。在此，借助于可电加热的催化器和空气吹入，催化器首先被电预热，且然后通过结合空气吹入到废气通道中和内燃机的加浓调节而被化学加热。在这样的方法中然而不利的是分隔电加热的催化器和另外的催化器，其应被加热且应决定性地呈现有害物质的转化。
从文件DE 10 2011 018 293 A1中已知带有内燃机和电动机的混合动力车辆，其中，在内燃机的废气装置中布置有可电加热的催化器和第二催化器。在此，可电加热的催化器尤其在内燃机的起动阶段中使用，以便转换有害的废气组分，直到三元催化器已经达到其起燃温度且本身实现废气组分的有效的转化。
从文件WO 95/05531 A1已知带有废气装置的内燃机，在该废气装置中在内燃机的出口下游首先布置有可电加热的催化器且在可电加热的催化器下游布置有另一三元催化器。在此，可电加热的催化器尤其用作起动催化器。为了弥补在内燃机的冷起动中通常的加浓以用于在内燃机的冷燃烧室中的燃烧混合物的改善的点火能力，在可电加热的催化器上游将二次空气吹入到废气通道中，以便支持可电加热的催化器的加热且使得改善的废气后处理成为可能。
技术实现要素：
此时，本发明的任务在于，进一步改善在内燃机的冷起动阶段中的排放且尤其在催化器的加热阶段中进一步减少排放。
根据本发明，该任务通过一种用于加热在内燃机的废气装置中的可电加热的催化器的方法来解决，其中，可电加热的催化器具有电加热元件和催化作用的表面，且其中，该电加热元件可经由控制器来操控，该方法包括如下步骤：
- 在起动内燃机前，电加热可电加热的催化器，
- 在加热可电加热的催化器期间和在起动内燃机前将新鲜空气带入到可电加热的催化器中，其中，一旦超过温度阈值，可电加热的催化器的氧气存储器以氧气填充，
- 起动内燃机，
- 通过由内燃机的发动机内部的措施的电加热以及同时加热靠近发动机的催化器，来加热可电加热的催化器，其中
- 内燃机以低化学当量比的燃烧空气比例来运行，从而未燃烧的或部分燃烧的燃料组成部分在可电加热的催化器的催化作用的表面上与存入在可电加热的催化器的氧气存储器中的氧气被放热地转化，
- 当可电加热的催化器的氧气存储器已经达到最小允许的填充度时，以化学当量比的燃烧空气比例运行内燃机。
通过根据本发明的方法，将在内燃机的废气系统中的催化器加热到如下温度上(在该温度中有害物质的显著的转换已经通过催化器实现)是可能的。在此，催化器在发动机起动前已经通过电加热达到如下温度，在其中催化作用的表面促进未燃烧的或部分燃烧的燃料组成部分的化学反应。通过由发动机内部的措施的电加热和化学加热催化器的组合可能的是，热量有针对性地使用用于完全地整个加热催化器。尤其，通过装入在可电加热的催化器的氧气存储器中的氧气与低化学当量比的燃烧空气比例的共同作用，在发动机起动时未燃烧的碳氢化合物的放热的转化在可电加热的催化器的催化作用的表面上发生。通过上面描述的措施，催化器的起燃温度可更快地达到，且催化器的加热阶段缩短。在此，燃料额外消耗可通过缩短的化学加热阶段减小，且冷起动排放减少。就此而言，在催化器的化学加热阶段下，可理解如下措施，在其中由于放热的化学反应，尤其未燃烧的或部分燃烧的燃料组分与氧气在可电加热的催化器的催化作用的表面上的转化，生成热量。
通过在从属权利要求中列举的特征，在独立权利要求中说明的用于加热可电加热的催化器的方法的有利的改善方案和改进方案是可能的。
在本发明的一种优选的设计方案中设置成，富氧的新鲜空气到可电加热的催化器中的带入随着内燃机的起动而停止。由此，此外，内燃机的λ调节是可能的。
按照一种根据本发明的用于加热可电加热的催化器的方法的改善方案设置成，该方法通过起动信号起动，其使得时间上短暂跟随该起动信号的内燃机的起动可能出现。在冷起动内燃机前，通常有驾驶员上车到机动车中以及驾驶员系上安全带。通过由门接触开关的起动信号、用于无钥闭合系统(无钥匙启动系统)或中央锁闭装置的发送器的接收器，或安全带接触开关，可使用在机动车处已经存在的传感器，以便时间上在起动内燃机前已经开始电加热。在此，门接触开关和用于闭合系统的信号的接收器特别优选，因为在此在开启或释放门和起动内燃机之间的时间间隔相对长，且由此在该时间间隔中有效加热可电加热的催化器是可行的。
在此特别优选的是，起动信号通过开启或闭合门接触开关、用于识别座位占据的传感器或安全带锁传感器来触发。在此，优选地，使用带有机电式部件的传感器，其可特别简单且功能可靠地实施。
备选地或附加地有利地设置成，起动信号通过用于无钥闭合系统的接收器、GPS接收器或混合驱动器的发动机控制器的信号来触发。在此可评估电信号，而不需要附加的传感器。尤其，在混合动力车辆的情形中设置成，当充电状态下降到限定的阈值下且为了车辆的目的到达内燃机的接通可能被采纳时，车辆电池的充电状态(充电状态，State of charge，SOC)触发该方法的起动。
根据本发明，机动车带有内燃机，该内燃机以其出口与废气装置相连接，其中，在废气装置中在出口下游布置有靠近发动机的第一三元催化器或靠近发动机的四元催化器且在第一三元催化器或四元催化器下游布置有可电加热的催化器，且其中，机动车具有控制器，其设立用于当可机读的程序代码在控制器上实施时执行根据本发明的方法。根据本发明的机动车通过以下方式出众，其在冷起动内燃机或在较长的运行中断后新起动内燃机期间具有特别低的尾气管排放，且出现的有害的废气组分自起动内燃机起直接可转换成无害的组分。靠近发动机的布置就此而言可理解为自内燃机的出口的小于60cm、优选地小于40cm的三元催化器的布置。
通过在从属权利要求中实施的特征，根据本发明的机动车的另外的改善方案和有利的改进方案是可行的。
在本发明的另一优选的设计方案中设置成，在第一三元催化器或四元催化器下游且在可电加热的催化器上游布置有二次空气系统的引入部位，经由其新鲜空气在可电加热的催化器上游可带入到废气装置的废气通道中。通过经由二次空气系统将二次空气带入到机动车的废气通道中，该二次空气不必通过内燃机的牵引运行来提供。因为内燃机在牵引运行中不具有或仅具有不充分的润滑，这样的牵引运行否则导致提高的磨损，其可通过二次空气系统避免。此外相比操控相对简单的和轻便的二次空气泵，拖曳内燃机用于带入二次空气在能量上明显更不适宜。
根据本发明的另一有利的改进方案设置成，可电加热的催化器具有电加热盘片，其前接于可电加热的催化器的核心体。通过电加热盘片可电加热成本适宜的三元催化器，且仅允许核心体的轻微的改变。这以如下为先决条件，存在从加热盘片至可电加热的催化器的核心体的足够的热传递。该热传递可通过吹入的二次空气和与其相连接的在废气通道中的流动来支持。由此，对于废气装置的附加的部件的成本可保持成较低。
备选地有利地设置成，可电加热的催化器包括导电的和可直接加热的催化作用的核心体。通过可直接加热的核心体，不需要从加热元件到催化器上的附加的热传递，从而这在没有在废气通道中的气体流动的情形下也是可行的，且实现可电加热的催化器的完全的和均匀的加热。
在本发明的一种优选的实施方式中设置成，机动车是带有内燃机和电驱动发动机的混合动力车辆。因为刚好在混合动力车辆中存在常见的如下运行状态(在其中内燃机处于停止状态且其与废气装置的冷却装置和布置在其中的催化器相连接)，根据本发明的方法对于在混合动力车辆中的排放减少是特别有帮助的。
在自动或部分自动运行的车辆中，电加热可电加热的催化器也可通过行驶指令的要求来引入，其中，当可电加热的催化器已经达到第一阈值温度时，内燃机那么才起动。
本发明的不同的在该申请中提到的实施方式是，如果在个别情况中未另外地实施，则可彼此有利地相组合。
附图说明
本发明随后在实施例中根据附图来阐释。相同的构件或带有相同功能的构件在此在相应的图纸中以相同的参考符号来标记。其中：
图1示出了根据本发明的机动车的驱动系统的一种优选的实施变型方案，
图2示出了根据本发明的实施为混合动力车辆的机动车的传动链的示意图，
图3示出了用于根据本发明的机动车的内燃机的示意图，该内燃机的出口连接有废气装置，利用其可执行根据本发明的方法，
图4示出了废气装置的一种备选的实施例的示意图，该废气装置与内燃机的出口相连接且利用该废气装置可执行根据本发明的方法，
图5示出了用于执行用于加热在内燃机的废气装置中的可电加热的催化器的根据本发明的方法的方法图。
参考符号列表
1 机动车
2 混合动力车辆
10 内燃机
12 燃烧室
14 火花塞
16 第一组燃烧室
18 第二组燃烧室
20 废气装置
22 废气通道
24 涡轮
26 第一三元催化器
28 四元催化器
30 可电加热的催化器
32 加热元件
34 可加热的核心体
36 二次空气泵
38 二次空气阀
40 引入部位
42 控制器
44 门接触开关
46 用于无钥闭合系统的接收器
48 安全带锁传感器
50 GPS接收器
52 涡轮增压器
54 电驱动发动机
56 电池
58 用于识别座位占据的传感器
60 催化表面
62 加热盘片
64 二次空气系统
66 出口
68 第一离合器
70 变速器
72 第二离合器
T 温度
TU 环境温度
Tmin 在三元催化器前的温度
T1 第一阈值温度
T2 第二阈值温度
λE 燃烧空气比例
λAnE 在可电加热的催化器下游的废气空气比例
O 起动催化器的电加热
S 起动内燃机
I 第一阶段
II 第二阶段
III 第三阶段
IV 第四阶段
V 电加热催化器
VI 化学加热催化器
VII 平行地电加热和化学加热催化器
VIII 运行内燃机
IX 二次空气活动/在牵引运行中的内燃机
OSC 氧气存储能力
OSCmin 氧气存储器的最小填充
OSCmax 氧气存储器的最大存储容量
OSCStart 开始方法时的示例性填充度
t 时间。
具体实施方式
图1示出了带有内燃机10和废气装置20的根据本发明的机动车1的第一实施例。根据本发明的机动车1优选地构造为混合动力车辆2，其带有内燃机10和电动机56、特别优选地带有通过火花塞14外部点火的汽油发动机。内燃机10具有至少一个燃烧室12，优选地如在图1中呈现的具有四个燃烧室12，其经由共同的出口66与废气系统20的废气通道22相连接。废气系统20在废气穿过废气系统的废气通道22的流动方向上具有废气涡轮增压器52的涡轮24。在涡轮24下游，在废气通道22中布置有靠近发动机的三元催化器26或靠近发动机的四元催化器28。在三元催化器26或四元催化器28下游，在机动车的底部位置中布置有可电加热的催化器30。可电加热的催化器30构造为可电加热的三元催化器，其带有在废气穿过废气通道22的流动方向上前置于负载型催化器(Stützkatalysator)(三元催化器)的加热元件32、尤其加热盘片62。备选地，可电加热的催化器30也可具有导电且和可直接加热的核心体34。在此，可电加热的核心体34在施加电压的情形中作为加热电阻且因此作为电加热元件32作用。可电加热的催化器30的电加热元件32可经由控制器42、优选地经由内燃机10的发动机控制器或混合动力车辆2的功率控制器来操控。混合动力车辆2的电驱动发动机54经由电池56供给以电压，其也可用于加热电加热元件32。内燃机10的燃烧室12可如图2中呈现的那样划分成第一组燃烧室16和第二组燃烧室18，其中，两个组16,18优选地具有相同多的燃烧室12。在图2中呈现的内燃机10的情形中，两个组16,18分别具有两个燃烧室12。内燃机10优选地构造为往复式活塞发动机，但是也可构造为旋转活塞发动机。内燃机10优选地构造为借助于废气涡轮增压器52加载的内燃机10，但是也可备选地构造为自吸式发动机。机动车1具有门接触开关44、用于无钥闭合系统46的接收器、尤其用于无线电操作或无钥匙启动系统的接收器、安全带锁传感器48、GPS接收器50和/或用于识别座位占据的传感器58。电驱动发动机54不仅可驱动与内燃机10相同的驱动轴，备选地电驱动发动机54还可独立于内燃机10驱动机动车的相应其他的驱动轴。机动车1还可实施为带有传统的驱动器的机动车1，该驱动器仅具有内燃机10。
在图2中呈现了带有内燃机10和电驱动发动机54的混合动力车辆2的传动链。在此，内燃机10经由第一离合器68且电驱动发动机54经由第二离合器72与混合动力车辆2的变速器70相连接。内燃机10具有多个燃烧室12，在其处分别布置有火花塞14。内燃机10以其出口66与废气装置20相连接，在其中在内燃机10的废气穿过废气装置的流动方向上布置有靠近发动机的第一三元催化器26且在第一三元催化器26下游在混合动力车辆2的底部位置中布置有可电加热的三元催化器30。可电加热的三元催化器30具有加热元件32、优选地如图2中呈现的为加热盘片62，其在可电加热的催化器30的核心体34上游布置。核心体34和加热盘片具有催化活性的覆层60，利用其在内燃机10的废气中的有害物质可转换成无害的废气组分。在第一三元催化器26下游且在可电加热的三元催化器30上游设置有在废气通道22处的二次空气系统64，其包括二次空气泵36、二次空气阀38和引入部位40、尤其喷嘴。通过喷嘴，可附加地影响二次空气到废气通道22中的离开方向(或排出方向，即Austrittsrichtung)和离开速度，以便实现可电加热的催化器30的改善的流入。代替靠近发动机的三元催化器26，带有三元催化作用的覆层的颗粒过滤器、所谓的四元催化器28还可布置在废气装置20中。
在图3中呈现了带有废气装置20的内燃机10，内燃机10优选地具有四个燃烧室12，其可划分成第一组燃烧室16和第二组燃烧室18。内燃机10实施为借助于火花塞14外部点火的内燃机10。在废气装置20中靠近发动机布置有三元催化器26且在三元催化器26下游、尤其在机动车1的底部位置中布置有可电加热的三元催化器30。为了在内燃机10的起动S前填充可电加热的催化器30的氧气存储器(OSC)且在起动阶段中通过废气组分的放热的转化支持可电加热的三元催化器30的电加热，在废气装置20的废气通道22处设置有引入部位40，利用该引入部位二次空气可引入到废气通道22中且可电加热的催化器30的氧气存储器OSC可被填充。
在图4中呈现了用于机动车1的带有废气装置20的内燃机10的一种备选实施例。机动车1在此实施为混合动力车辆2，其中，电驱动发动机54可牵引在停止状态中的内燃机10，且以该方式和形式可将富氧的新鲜空气输送到废气通道22中。因此，在该实施例中在其余与相对图3相同的构造的情形下实施成可省略二次空气系统64。
在图5中呈现了用于加热在内燃机10的废气装置20中的可电加热的催化器30的根据本发明的方法的流程图。在第一方法步骤I中，自时间点0起，可电加热的催化器30在内燃机10的起动S前借助于二次空气被加热。在此，可电加热的催化器30的电加热通过起动信号起动，其可使得时间上短暂地跟随该起动信号的内燃机10的起动S可能出现。在此，起动信号可通过开启和闭合门接触开关44、用于识别座位占据的传感器58、安全带锁传感器48、GPS接收器50的GPS信号、用于无钥闭合系统46的接收器和/或控制器42的信号、优选地通过混合动力车辆2的控制器42、特别优选地通过低于电驱动发动机54的电池56的充电状态(充电状态=SOC)来触发。自确定的温度(II)起，通过带入到废气通道22中的二次空气填充可电加热的催化器30的氧气存储器(OSC)。在此，二次空气优选地通过二次空气系统64被带入到废气通道22中，但是在混合动力车辆2的情形中也可通过牵引内燃机10被带到废气通道22中。在此，可电加热的催化器30的氧气存储器OSC从起始水平OSCStart被填充直到其最大容量OSCmax。在第三方法步骤III中，当可电加热的催化器30已经达到第一阈值温度T1且可电加热的催化器的氧气存储器基本上完全填充时，二次空气带入IX停止且内燃机10起动。在此，内燃机10以低化学当量比的燃烧空气比例λE<1来驱动，其中，在废气通道22中的未燃烧的燃料组分与存入在可电加热的催化器30中的氧气放热地转化且因此电加热催化器V通过附加化学加热催化器VI来支持。在此，可电加热的催化器30的氧气存储器OSC被排空直到最小可允许的填充度OSCmin。在可电加热的催化器30下游，在此调节化学当量比的废气空气比例λAnE=1。在根据本发明的方法的跟随第三阶段的第四阶段中，内燃机10在达到可电加热的催化器30的第二阈值温度T2后在正常运行中以化学当量比的燃烧空气比例λE=1运行，由此经限制的有害物质组分通过第一三元催化器26和可电加热的三元催化器30转换成未限制的和无害的废气组分。