DE102004029849B4 - Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeuges, welches eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen magerlauffähigen Ottomotor, wenigstens eine E-Maschine und wenigstens einen Katalysator in einer Abgasanlage aufweist, wobei die E-Maschine wahlweise generatorisch betrieben wird, um durch eine entsprechende Änderung der Betriebsart und/oder des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine den wenigstens einen Katalysator auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur des Katalysators aufzuheizen oder eine Katalysatortemperatur auf oder über dieser Aktivierungstemperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass während des generatorischen Betriebs der E-Maschine ein generatorisches Moment und damit der sich so ergebende Betriebspunkt und/oder die sich so ergebende Betriebsart der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem vorher ermittelten Alterungszustand des Katalysators eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer aktuellen Katalysatortemperatur eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einem zuvor ermittelten Ladezustand wenigstens eines elektrischen Energiespeichers des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeuges, welches eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen magerlauffähigen Ottomotor, mindestens eine E-Maschine und wenigstens einen Katalysator in einer Abgasanlage aufweist, wobei der Startergenerator wahlweise generatorisch betrieben wird, um durch eine entsprechende Änderung der Betriebsart und/oder des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine den wenigstens einen Katalysator auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur des Katalysators aufzuheizen oder eine Katalysatortemperatur auf oder über dieser Aktivierungstemperatur zu halten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bekannte zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme umfassen häufig und insbesondere bei magerlauffähigen Ottomotoren mindestens einen motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und mindestens einen weiter stromab angeordneten, größeren Hauptkatalysator. Die Katalysatorkomponenten können dabei als Oxidationskatalysatoren zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung von Stickoxiden NOx oder als 3-Wege-Katalysatoren, welche die genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig fördern. Im Falle magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen kann der Hauptkatalysator zusätzlich mit einer NOx-Speicherkomponente ausgestattet sein, der in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit einem sauerstoffreichen Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ > 1 beaufschlagt wird, Stickoxide NOx einspeichert, um diese in fetten Betriebsintervallen mit λ < 1 wieder freizusetzen und zu reduzieren.
  • Fahrzeuge mit magerlauffähigen oder direkteinspritzenden, schichtladefähigen Ottomotoren können im unteren Lastbereich in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Dabei stellt der Schichtbetrieb im allgemeinen die verbrauchsgünstigste Betriebsart dar. Um das maximale Potential dieser Betriebsart auszunutzen wird eine möglichst häufige Nutzung des Schichtbetriebes angestrebt.
  • Die Abgastemperatur von Verbrennungsmotoren nimmt üblicherweise mit sinkender Last und (in geringerem Maße) mit sinkender Drehzahl ab. Bei länger andauerndem Schwachlastbetrieb (z. B. Dauer-Leerlauf, Stop-and-go-Verkehr, Stadtfahrt) wird somit ein zumindest erster Katalysator teilweise so stark ausgekühlt, dass er seine bestmögliche Konvertierungsleistung nicht mehr erreicht. Bei sehr lang andauerndem Schwachlastbetrieb kühlt nachfolgend auch ein stromab angeordneter Hauptkatalysator aus. Insbesondere der Schichtbetrieb stellt mit seinen relativ niedrigen Abgastemperaturen im Vergleich zum stöchiometrischen Motorbetrieb bei λ = 1 besonders hohe Ansprüche an die Abgasnachbehandlung. Insbesondere bei gealterten Abgasreinigungssystemen führt der Alterungseinfluss zu einer Verschiebung der Anspringtemperatur in Richtung höherer Temperaturen und somit zu einer entsprechend schlechteren Light-Off-Charakteristik der Katalysatoren.
  • Im Stand der Technik ist bekannt, bei Unterschreiten von Abgas- und/oder Katalysatortemperaturschwellen Abgastemperatur bzw. Katalysatortemperatur steigernde Maßnahmen zu ergreifen. Weiterhin können abhängig von einem Energieaustrag aus einem Katalysator entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Hierbei wird ein für den entsprechenden Katalysator, basierend auf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator und einer definierten Light-Off-Temperatur, notwendiger Wärmestrom ermittelt und ergibt kumuliert den Energieaustrag aus dem Katalysator. Bei Überschreiten vorgebbarer Schwellwerte für den Energieaustrag können Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur steigernde Maßnahmen ergriffen werden. Diese Bestimmung ist sowohl für einen motornahen Vorkatalysator möglich, als auch für einen weiter stromab angeordneten Hauptkatalysator.
  • Mit diesen bekannten Verfahren wird zwar eine Emissionssicherheit gewährleistet, da durch entsprechende Wahl der Temperaturschwellen ein Auskühlender Katalysatoren verhindert wird. Jedoch muss bei Unterschreiten einer Temperaturschwelle üblicherweise zur Gewährleistung der Emissionssicherheit auf den Schichtbetrieb zugunsten des „heißeren” aber auch Kraftstoffverbrauch erhöhenden Homogenbetrieb verzichtet werden, obwohl üblicherweise die Auskühlung einer kleinen Teilzone eines Katalysators unter eine Temperaturschwelle toleriert werden kann. Weiterhin kann ein Hauptkatalysator, welcher sich mit seinem Temperaturniveau oberhalb einer vorgebbaren Light-Off-Temperatur befindet, zumindest teilweise einen Konvertierungsverlust zumindest eines vorgeschalteten ausgekühlten Vorkatalysators kompensieren und besondere Temperatur steigernde Maßnahmen sind nicht erforderlich.
  • Grundsätzlich ziehen aber alle Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur steigernde Maßnahmen einen Verbrauchsnachteil nach sich, da der optimale Motorbetriebspunkt zur Erreichung höherer Abgas- und/oder Katalysatortemperaturen verlassen werden muss. Wird bei einem Hybridfahrzeug mindestens eine zusätzliche E-Maschine verbaut, ergeben sich weitere Möglichkeiten, das Temperaturniveau positiv zu beeinflussen. Durch die Möglichkeit der E-Maschine sowohl generatorische als auch motorische Momente darzustellen, lässt sich der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors insbesondere auch im Schwachlastbereich beeinflussen.
  • Es ist aus der DE 100 41 535 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur entsprechende Temperaturgrenzwerte geprüft und bei Unterschreiten dieser durch entsprechenden generatorischen Betrieb der E-Maschine der aktuelle Motorbetriebszustand in Betriebspunkte verlagert, welche in einer entsprechenden Temperaturänderung resultieren und somit den Katalysator über eine Grenztemperatur wieder aufheizen.
  • Aus der DE 40 24 210 A1 ist ein Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator bekannt, wobei eine Konvertierungsrate des Katalysators bestimmt wird und in Abhängigkeit von dieser Konvertierungsrate Ausgangswerte von Regelparametern, wie sie für die Regelung einer Brennkraftmaschine mit neuem Katalysator gelten, in vorgegebener Weise modifiziert werden. Hierdurch wird ein Alterungszustand des Katalysators berücksichtigt.
  • Mit zunehmender Katalysatoralterung wird jedoch das nutzbare Schichtbetriebsfenster immer kleiner und die zu erreichende Temperatur zur Freigabe des verbrauchsgünstigen Schichtbetriebes wandert zu höheren Temperaturen. Die notwendige Betriebspunktverlagerung zu höheren Abgastemperaturen und somit wieder möglichem mageren Motorbetrieb, insbesondere bei niedrigen Lasten (Leerlauf) durch einen generatorischen Betrieb der E-Maschine, ist dann aufgrund des maximal zur Verfügung stehenden Energiespeichers und somit des maximal möglichen zusätzlichen generatorischen Momentes nicht möglich so dass hier der Schichtbetrieb zugunsten des stöchiometrischen Betriebes unterdrückt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine maximal mögliche Konvertierungsleistung eines in einem Abgaskanal einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators möglichst über seine gesamte Lebensdauer aufrecht zu erhalten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass während des generatorischen Betriebs des Startergenerators ein generatorisches Moment und damit der sich so ergebende Betriebspunkt bzw. die sich so ergebende Betriebsart der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem vorher ermittelten Alterungszustand des Katalysators eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer aktuellen Katalysatortemperatur eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einem zuvor ermittelten Ladezustand wenigstens eines elektrischen Energiespeichers des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine Verbesserung des Konvertierungsverhaltens von Katalysatoren sowie eine Verbrauchsminderung insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine durch alterungsabhängige Betriebsarten- bzw. Betriebspunktwahl erzielt wird.
  • Beispielsweise ist der Katalysator ein Vorkatalysator, ein Hauptkatalysator und/oder ein NOx-Speicherkatalysator.
  • In bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung wird das generatorische Moment des Startergenerators in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, einer aktuellen Last der Brennkraftmaschine, einer aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine, einem aktuellen Bordnetzstrom eines elektrischen Bordnetzes des Hybrid-Kraftfahrzeuges und/oder einer zuvor ermittelten optimalen Ladespannung und/oder einem zuvor ermittelten Ladestrom wenigstens eines elektrischen Energiespeichers des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt.
  • Um auch bei vollem oder fast vollem elektrischen Energiespeicher einen Eingriff mittels des Startergenerators durchführen zu können, wird während des generatorischen Betriebs des Startergenerators und bei vollem oder fast vollem elektrischen Energiespeicher des Hybrid-Kraftfahrzeuges ein Wirkungsgrad des Startergenerators gezielt verschlechtert.
  • Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert.
  • Bei einer Kombination eines Verbrennungsmotors (insbesondere eines magerlauffähigen Ottomotors) mit einer E-Maschine, welche auch als Startergenerator bezeichnet wird, ist es vorgesehen, dass im Bereich niedriger Motorlasten (Leerlauf) mit niedrigen Abgas- und/oder Katalysatortemperaturen durch Aufbringen eines entsprechenden generatorischen Momentes den Betriebspunkt des Motors zu höheren Mitteldrücken zu verlagern und somit eine Erhöhung der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur eines motornah angeordneten Katalysators zu erreichen bzw. das Auskühlen desselben möglichst zu vermeiden. Weiterhin wird in Abhängigkeit des Alterungszustandes der verbrauchsgünstige Schichtbetrieb durch den Verbrauch erhöhenden aber „heißeren” Homogenbetrieb ersetzt. Da in dieser Phase ein Vorkatalysator nahezu 100% der Konvertierungsleistung erbringen kann, ist das Auskühlen eines nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators unterhalb seiner Light-Off-Temperatur tolerierbar. Die in einer nachfolgenden Beschleunigung notwendige Schadstoffkonvertierung wird dann komplett durch den Vorkatalysator übernommen bis der nachgeschaltete Hauptkatalysator seine Light-Off-Temperatur wieder überschritten hat.
  • Insbesondere in solchen Betriebsphasen, in denen ein Abstellen im Rahmen einer Start-Stopp-Strategie des Verbrennungsmotors nicht zugelassen werden kann, z. B. bei eingeschalteter Klimaanlage oder geringen Ladezuständen der Energiespeicher, ist es jedoch möglich die Leerlaufdrehzahl des Motors möglichst weit abzusenken. Hierdurch wird einerseits der Mehrverbrauch durch den Homogenbetrieb im Leerlauf teilweise kompensiert und andererseits der Wärmeaustrag aus dem Abgassystem reduziert.
  • Die während dieser Phase generatorisch gewonnene elektrische Energie wird entweder in einer Batterie oder in einem Kondensatorspeicher zwischengespeichert, bevor diese Energie entweder über das fahrzeugeigene Bordnetz bzw. einen nachfolgenden Beschleunigungsvorgang (Boostbetrieb) etc. wieder ausgegeben wird. Insbesondere der Kondensatorspeicher erlaubt eine hohe Zyklenzahl und ist nicht, wie die Batterie, an eine bestimmte Spannungsgrenze (außer max. Spannungsgrenze) während des generatorischen Betriebs gebunden. Hierdurch können insbesondere bei entleertem Energiespeicher kurzfristig hohe generatorische Momente gefahren werden. Bei parallelem Einsatz einer Batterie und eines Kondensatorspeichers können die Vorteile beider Energiespeicher kombiniert werden, so das der Großteil der zyklischen Energieein- und Ausspeichervorgänge über den Kondensatorspeicher abgewickelt wird und nur in den konstanten, mit geringeren Momenten betriebenen, generatorischen Phasen die Batterie geladen wird.
  • Für den Fall geladener Energiespeicher (SOC~100%) ist das maximal einstellbare Generatormoment analog eines konventionellen Systems ohne Energiespeichermanagement durch die aktuelle Bordnetzbelastung bestimmt. Eine entsprechende Anhebung des generatorischen Momentes und somit des Betriebspunktes des Motors zu höheren Mitteldrücken, um somit eine Erhöhung der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur zu erreichen, ist nicht möglich. In solchen Ausnahmefällen kann aber weiterhin auf bereits bekannte Verfahren wie z. B. Zündzeitpunktverspätung bei homogenem Motorbetrieb zurückgegriffen werden.
  • Erfindungsgemäß wird das einzustellende generatorische Moment und somit der sich ergebene Betriebspunkt des Motors in Abhängigkeit von einem vorher ermittelten Alterungszustand des Vorkatalysators und/oder vom aktuellen Betriebspunkt (Last/Drehzahl) des Motors und/oder der aktuellen Katalysatortemperatur, sowie von einem vorher ermittelten Ladezustand der Energiespeicher und/oder aktuellen Bordnetzstrom und/oder der optimalen Ladespannung/Ladestrom der Energiespeicher eingestellt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, das insbesondere bei gealterten Abgasreinigungssystemen durch eine Anhebung der Motorlast im Leerlauf bzw. leerlaufnahen Motorbetriebsbereich durch ein zusätzliches generatorisches Moment die Konvertierungsfähigkeit insbesondere eines motornahen Vorkatalysators auf einem konstant hohen Niveau bzw. oberhalb der Light-Off-Temperatur gehalten wird und somit maximale Emissionssicherheit gewährleistet ist. Hierbei wird insbesondere das Auskühlen eines nachgeschalteten Hauptkatalysators insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators unterhalb seiner Light-Off-Temperatur toleriert.
  • Der Vorkatalysator (alternativ auch Vorkatalysator und Hauptkatalysator) übernimmt gerade im Light-Off den bestimmenden Anteil bzgl. Schadstoffkonvertierung gegenüber einem weiter stromabwärts befindlichen Hauptkatalysator. Es wird mit zunehmender Alterung und demzufolge Verschiebung der Light-Off-Temperatur zu höheren Temperaturen insbesondere nach einer Start-Stopp-Phase ein höheres Generatormoment für die Betriebspunktverlagerung angesetzt, als bei einem ”eingelaufenen” Katalysator mit entsprechend niederer Light-Off-Temperatur. Zusätzlich kann diese Alterungsabhängigkeit durch den Alterungszustand des Hauptkatalysators beeinflusst werden. Bei einem ”frischen” Vorkatalysator kann sogar die Auskühlung des Hauptkatalysators unterhalb seiner Light-Off-Temperatur toleriert werden.
  • Gerade bei gealterten Katalysatoren, welche einen erhöhten Generatorbetrieb zur Darstellung der entsprechenden Motorlast bzw. Katalysatortemperatur benötigen, besteht bei vollem Energiespeicher ein Problem. Zur Lösung dieses Problems ist eine erzwungene Wirkungsgradverschlechterung der E-Maschine vorgesehen. Hierbei wird bei gegebener generatorischer Belastung des Verbrennungsmotors durch eine Wirkungsgradverschlechterung der E-Maschine (beispielsweise durch Eingriff in die E-Maschinenregelung), auch bei vollem bzw. sich füllendem Energiespeicher (jedoch deutlich langsamer als bei optimalem Wirkungsgrad der E-Maschine), die erwünschte Betriebspunktverlagerung erzielt, ohne auf andere Wirkungsgrad verschlechternde Maßnahmen (Zündwinkeleingriffe) zurückgreifen zu müssen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeuges, welches eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen magerlauffähigen Ottomotor, wenigstens eine E-Maschine und wenigstens einen Katalysator in einer Abgasanlage aufweist, wobei die E-Maschine wahlweise generatorisch betrieben wird, um durch eine entsprechende Änderung der Betriebsart und/oder des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine den wenigstens einen Katalysator auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur des Katalysators aufzuheizen oder eine Katalysatortemperatur auf oder über dieser Aktivierungstemperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass während des generatorischen Betriebs der E-Maschine ein generatorisches Moment und damit der sich so ergebende Betriebspunkt und/oder die sich so ergebende Betriebsart der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem vorher ermittelten Alterungszustand des Katalysators eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer aktuellen Katalysatortemperatur eingestellt wird, wobei das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einem zuvor ermittelten Ladezustand wenigstens eines elektrischen Energiespeichers des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Vorkatalysator, ein Hauptkatalysator und/oder ein NOx-Speicherkatalysator ist.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einem aktuellen Bordnetzstrom eines elektrischen Bordnetzes des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generatorische Moment der E-Maschine in Abhängigkeit von einer zuvor ermittelten optimalen Ladespannung und/oder einem zuvor ermittelten Ladestrom wenigstens eines elektrischen Energiespeichers des Hybrid-Kraftfahrzeuges eingestellt wird.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des generatorischen Betriebs der E-Maschine und bei vollem oder fast vollem elektrischen Energiespeicher des Hybrid-Kraftfahrzeuges ein Wirkungsgrad der E-Maschine gezielt verschlechtert wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher einen Kondensatorspeicher und/oder eine Batterie umfasst.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine ein Startergenerator ist.
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