DE102008028448A1 - Regeneration eines Motorabgaspartikelfilters in einem Hybridfahrzeug - Google Patents

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Deepak Westland Aswani
Mathew Alan Plymouth Boesch
Ihab S. Warren Soliman
Andrew John Royal Oak Silveri
Fazal Urrahman Canton Syed
Mark Steven Canton Yamazaki
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Abstract

Zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Antriebsstrang (10), welcher einen Motor (12), einen Filter (18) zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas des Motors und eine antreibbar an den Motor (12) gekoppelte Elektromaschine (14) aufweist, ist ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur des Filters (18) mit folgenden Schritten vorgesehen: Betreiben des Motors (12) dahingehend, dass eine positive Kurbelwellenleistung zum Antrieb des Fahrzeugs erzeugt wird Erhöhen der Temperatur des Motorabgases durch Betreiben der Elektromaschine (14) dahingehend, dass die Motorlast verstärkt wird und Regenerieren des Partikelfilters (18) durch Leiten von Motorabgas mit der erhöhten Temperatur durch den Partikelfilter (18).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Nachbehandlungsanordnung mit einem Partikelfilter zur Behandlung von Abgas aus einem Motor in einem Hybridfahrzeug.
  • Hybridelektrische Fahrzeuge (HEV, hybrid electric vehicles), nachfolgend als "Hybridfahrzeuge" bezeichnet, weisen einen Antriebsstrang zur Übertragung von Drehmoment aus mehreren Kraftquellen an die Radlast an den Fahrzeugantriebsrädern auf. Eine der Kraftquellen ist ein Verbrennungsmotor, wie beispielsweise ein Dieselmotor, der über eine mit einem Dieselpartikelfilter – nachfolgend DPF genannt – ausgerüstete Motorabgasnachbehandlungsanordnung verfügt. Als hybridelektrische Konfiguration ist jede beliebige Konfiguration geeignet, die eine (als Elektromotor und Generator wirkende) Elektromaschine aufweist, deren Ausgangsdrehmoment direkt oder indirekt an das Ausgangsdrehmoment des Motors gekoppelt ist.
  • Der Filter bzw. DPF entfernt mittels physikalischer Filtration unerwünschte Partikel aus dem Dieselabgas. Da bekannt ist, dass Dieselpartikel Asthma, Lungenkrebs und Herz-Kreislauf-Probleme verursachen können, werden Dieselpartikel aus Dieselmotorabgasen als Schadstoffe eingestuft. Filter bzw. DPF werden gewöhnlich aus keramischen Wabenkörper-Monolithen hergestellt. Zur Verbesserung der Ablagerung von Partikeln sind die in einem derartigen Substrat vorgesehenen Kanäle gewöhnlich an gegenüberliegenden Enden verschlossen, so dass die Abgase gezwungen sind, an den die Kanäle begrenzenden Wänden entlang zu strömen.
  • Als Filtrationsmedium werden manchmal andere Materialien verwendet, wie z. B. gesinterte Metallplatten, Schaummetallstrukturen, Fasermatten usw.
  • Filter bzw. DPF haben eine begrenzte Kapazität und müssen daher zwecks Entfernung des abgelagerten Partikelmaterials von Zeit zu Zeit durch Regeneration gereinigt werden. Ein zu voller Filter bzw. DPF kann andernfalls zu übermäßigem Abgasrückdruck, einer verringerten Motoreffizienz und Motorleistung oder zu einer Beschädigung des Filters bzw. DPF selbst führen.
  • Für einen Antriebsstrang, der einen Motor sowie einen Filter zum Beseitigen von Partikeln aus dem Motorabgas und eine antreibbar an den Motor gekuppelte Elektromaschine aufweist, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur des Filters zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfasst:
    Betreiben des Motors dahingehend, dass positive Kurbelwellenleistung zum Antreiben des Fahrzeugs erzeugt wird; Erhöhen der Temperatur des Motorabgases durch Betreiben der Elektromaschine dahingehend, dass die Motorlast vergrößert wird, und Regenerieren des Partikelfilters durch Leiten von Motorabgas mit der erhöhten Temperatur durch den Partikelfilter.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für eine Regeneration des Partikelfilters – abgesehen von den zum Übertragen von Leistung an die Räder erforderlichen Einrichtungen – keine spezifischen weiteren Einrichtungen benötigt. Auch wird der Motorbetriebspunkt nicht in einer Weise beschränkt, dass dieser infolge Vorhandenseins einer Zweiwege-Energiespeichervorrichtung, nämlich einer elektrischen Speicherbatterie, stets genau entsprechend dem jeweiligen Wunsch des Fahrers nach Leistung angepasst werden müsste. Eine Erhöhung der Abgastemperatur kann vielmehr dadurch bewirkt werden, dass die Drehmomentanforderung an den Motor so eingestellt wird, dass diese höher ist als das zur Erzeugung des Nennraddrehmoments erforderliche Motordrehmoment.
  • Das Emissionsverhalten des Fahrzeugs wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht negativ beeinflusst, da eine Nacheinspritzung entfällt; die Kraftstoffverbrennung erfolgt somit größtenteils während des Verbrennungstakts. Überdies kommt es nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Systemeffizienz, da der zusätzlich in den Motor eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt und ein Teil dieser zusätzlichen Energie von der Elektromaschine aufgenommen und zum Aufladen einer Elektrohybridbatterie genutzt werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs;
  • 2 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs;
  • 3 ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs; und
  • 4 ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs.
  • 1 zeigt einen Hybridfahrzeugantriebsstrang 10 mit einem Motor 12, wie beispielsweise einem Dieselmotor, und einer Elektromaschine 14, vorzugsweise einem Anlasser-Generator. Die Elektromaschine 14 ist sowohl in der Lage, den Motor anzulassen, als auch elektrische Energie zu erzeugen. Eine elektrisch an die Elektromaschine 14 angeschlossene elektrische Speicherbatterie 16 speichert von der Elektromaschine erzeugte Energie und liefert Energie für ein Anlassen des Motors an die Elektromaschine.
  • Ein Partikelfilter 18 weist einen Einlass 20 auf, der mit einem Abgaskrümmer 22 des Motors 12 verbunden ist, sowie einen Auslass 24, durch den Abgas aus dem Motor aus dem Filter 18 heraus und in die Atmosphäre austritt. Wenn der Antriebsstrang 10 einen Dieselmotor aufweist, handelt es sich bei dem Partikelfilter 18 um einen als DPF bezeichneten Dieselpartikelfilter.
  • Der Eingang 28 der Elektromaschine 14 ist über eine Kupplung 30 antreibbar an die mit 26 bezeichnete Motorkurbelwelle angeschlossen. Der mit 32 bezeichnete Ausgang der Elektromaschine 14 ist über eine Antriebswelle 34 und Achsen 36, 38 antreibbar mit einer Fahrbetriebseinrichtung gekuppelt, und zwar derart, dass eine Übertragung von Drehmoment an Räder 40, 42 erfolgt, auf denen das Fahrzeug rollt. Eine weitere Elektromaschine 44, wie beispielsweise ein Elektromotor, ist antreibbar an den Ausgang 32 der Elektromaschine 14 und an die Antriebswelle 34 gekuppelt.
  • Wenigstens eine der Elektromaschinen 14, 44 ist zur Erzeugung eines auf den Motor 12 wirkenden negativen Drehmoments vorgesehen, das dem von dem Motor 12 erzeugten und zum Antreiben der Räder 40, 42 verwendeten Ausgangsdrehmoment entgegenwirkt. Aufgrund einer von den Elektromaschinen 14, 44 erzeugten negativen Drehmomentbelastung muss der Motor 12 zur Bereitstellung des vom Fahrzeugführer angeforderten Raddrehmoments eine größere Menge bzw. einen größeren Betrag an Drehmoment erzeugen, als erforderlich wäre, um das angeforderte Raddrehmoment zu erzeugen. Die von den Elektromaschinen 14, 44 erzeugte, zusätzlich zu der Straßenlast auf den Motor 12 wirkende Last bewirkt eine Erhöhung der Temperatur des durch den Abgaskrümmer 22 und den Filter 18 strömenden Abgases.
  • Wenn der Antriebsstrang zum Aufheizen und zur Regenerierung des Filters 18 betrieben und die Elektromaschine 14 als elektrischer Generator zur Erhöhung der Last auf dem Motor 12 betrieben wird, wird ein Teil der Energie, die dazu verwendet wird, durch das heißere Abgas eine Erhöhung der Temperatur des Filters 18 zu bewirken, rückgewonnen und in Form von durch den Generator der Elektromaschine 14 erzeugter elektrischer Energie in der Batterie 16 gespeichert, wodurch der Ladezustand der Batterie erhöht wird.
  • Nach einer Regenerierung des Filters 18 wird die seitens der Elektromaschine 14 auf den Motor 12 einwirkende Last eliminiert oder unter das nominell angeforderte Drehmoment oder das zur Erzeugung des verlangten Raddrehmoments erforderliche Drehmoment reduziert. Die Reduktion der Motorlast führt zu einem Absinken der Abgastemperatur, wodurch der Filter 18 abkühlen kann.
  • Von der Elektromaschine 14 und der weiteren Elektromaschine 44 erzeugtes negatives Drehmoment wird über eine Kupplung 30 auf den Motor 12 übertragen. Von dem Motor 12, der Elektromaschine 14 und der weiteren Elektromaschine 44 erzeugtes positives Drehmoment wird über eine Welle 34 auf die Räder 40, 42 übertragen.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines Antriebsstrangs, bei dem der Eingang 28 der Elektromaschine 14 antreibbar an die Motorkurbelwelle 26 gekuppelt und der Ausgang 32 antreibbar an ein Lastschaltgetriebe 50 gekuppelt ist, dessen Ausgang an die weitere Elektromaschine 44 gekuppelt ist.
  • Von der Elektromaschine 14 erzeugtes negatives Drehmoment wird direkt auf den Motor 12 übertragen, und von der Elektromaschine 44 erzeugtes negatives Drehmoment wird über ein Getriebe 50 auf den Motor 12 übertragen. Vom Motor 12, der Elektromaschine 14 und der weiteren Elektromaschine 44 erzeugtes positives Drehmoment wird über die Antriebswelle auf die Räder 40, 42 übertragen.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Antriebsstrangs, bei der der Eingang 28 der Elektromaschine 14 antreibbar an einen Ausgang 52 des Getriebes 50 gekoppelt ist, während der Ausgang 32 der Elektromaschine 14 antreibbar an die weitere Elektromaschine 44 und die Motorkurbelwelle 26 antreibbar an den Eingang des Getriebes 50 gekoppelt ist. Die Antriebswelle 34 verbindet den Ausgang der weiteren Elektromaschine 44 mit den Rädern 40, 42.
  • Von der Elektromaschine 14 und der weiteren Elektromaschine 44 erzeugtes negatives Drehmoment wird über das Getriebe 50 an den Motor 12 übertragen. Von dem Motor 12 erzeugtes positives Drehmoment wird über das Getriebe 50 an die Elektromaschine 14 übertragen, deren positives Ausgangsdrehmoment mit dem des Motors und der weiteren Elektromaschine 44 zusammengeführt und über die Antriebswelle 34 auf die Räder 40, 42 übertragen wird.
  • 4 zeigt eine Antriebsstrangausführungsform, bei der die Motorkurbelwelle 26 antreibbar an den Eingang des Getriebes 50 gekoppelt ist, während der Ausgang 52 des Getriebes antreibbar an eine Vorrichtung 54, wie z. B. einen Differentialmechanismus, gekoppelt ist, welcher Leistung an die Räder 40, 42 überträgt, wobei der Ausgang 32 der Elektromaschine 14 über die Vorrichtung 54 antreibbar an die Räder 40, 42 gekoppelt ist.
  • Von der Elektromaschine 14 erzeugtes negatives Drehmoment wird über das Getriebe 50 auf den Motor 12 übertragen. Von dem Motor 12 erzeugtes positives Drehmoment wird über das Getriebe 50 auf die Räder 40, 42 übertragen, und von der Elektromaschine 14 erzeugtes positives Drehmoment wird über die Vorrichtung 54 auf die Räder 40, 42 übertragen.
  • Positives Drehmoment ist Drehmoment, das in der Richtung vom Motor 12 weg auf die Räder 40, 42 übertragen wird. Negatives Drehmoment ist Drehmoment, das in der Richtung zum Motor 12 hin von den Rädern 40, 42 oder von einer der Elektromaschinen 14, 44 übertragen wird.
  • Bei jeder der Ausführungsformen kann vom Motor 12 erzeugtes Drehmoment von dem Getriebe 40 verstärkt werden. Mittels des Getriebes 40 können vorzugsweise mehrere Übersetzungsverhältnisse bewirkt werden, wobei es sich bei dem Getriebe um ein Automatikgetriebe, das Stufenwechsel im Betriebsübersetzungsverhältnis bewirkt, um ein stufenloses Getriebe, mittels dessen ein Bereich kontinuierlich veränderbarer Übersetzungsverhältnisse bewirkt werden kann, um ein Lastschaltgetriebe ohne Drehmomentwandler, das Stufenwechsel im Betriebsübersetzungsverhältnis bewirkt, oder um ein Handschaltgetriebe handeln kann
  • Für eine Regeneration des Filters 18 benötigt der Antriebsstrang 10 abgesehen von den Einrichtungen, die zum Übertragen von Leistung von den Kraftquellen, d. h. dem Motor 12, der Elektromaschine 14 und ggf. der weiteren Elektromaschine 44, auf die Räder erforderlich ist, keine besonderen spezifischen weiteren Einrichtungen.
  • Bei dem in dem Filter 18 bzw. PDF aufgenommenen Partikelmaterial handelt es sich überwiegend um Kohlenstoffpartikel mit einigen absorbierten Kohlenwasserstoffanteilen. Eine Regenerierung des Filters 18 erfolgt innerhalb des Filters mittels zwei chemischen Reaktionen. Die Kohlenstoffpartikel in dem Filter 18 sind an einer ersten Reaktion beteiligt: Verbrennung mit im Motorabgas enthaltenem Sauerstoff bei etwa 550°C (oder etwa 360°C bei Verwendung eines Dieselpartikelfilters mit Kraftstoffadditiv), wodurch Kohlendioxid als ein Verbrennungsprodukt entsteht. Geeignete Additive sind Eisen oder Strontium oder sowohl Eisen als auch Strontium, die dem Kraftstoff in geringen Mengen mit einer Konzentration von etwa 200 Gew.-ppm zugesetzt werden. Die Kohlenstoffpartikel in dem Filter 18 sind ggf. an einer zweiten Reaktion beteiligt: Verbrennung mit im Motorabgas enthaltenem Stickstoffdioxid bei etwa 230°C, wodurch als Verbrennungsprodukte Kohlendioxid and Stickoxid entstehen.
  • Die Recktanten für die erste Reaktion sind in dem Dieselabgas reichlich vorhanden und stellen daher bevorzugte Mittel zur Durchführung einer Regeneration des Filters 18 bzw. DPF dar. Die Temperatur des Regenerationsprozesses für die erste Reaktion sollte möglichst auf eine Solltemperatur von etwa 550°C bzw. 360°C bei Verwendung eines Filters 18 bzw. DPF mit Kraftstoffadditiv gesteuert werden. Falls die Temperatur des Filters 18 bzw. des DPF zu stark absinkt, kann es sein, dass der Regenerationsprozess vorzeitig endet, was aufgrund der gewöhnlich niedrigen Temperatur von Dieselabgasen die Zugabe einer erheblichen Menge an Heizenergie zu dem Filter 18 bzw. dem DPF erfordern würde, um den Prozess wieder in Gang zu bringen. Wenn die Temperatur des Filters 18 bzw. des DPF zu hoch ist, kann es zu einem unkontrollierten Verbrennen des Dieselpartikelmaterials kommen, wodurch die Temperatur schnell ansteigt und der Filter 18 bzw. DPF rasch beschädigt oder zerstört wird. Für eine effiziente, effektive und zerstörungsfreie Regeneration ist daher auf eine sorgfältige Temperaturkontrolle des Filters bzw. DPF zu achten.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Filters (18) in einem Antriebsstrang (10), der einen Motor (12), den Filter (18) zum Entfernen von Partikeln aus den Abgasen des Motors (12) sowie eine antreibbar an den Motor (12) gekoppelte Elektromaschine (14) aufweist, mit folgenden Schritten: (a) Betreiben des Motors (12) zum Erzeugen von positiver Kurbelwellenleistung für einen Antrieb des Fahrzeugs; (b) Betreiben der Elektromaschine (14) in einer Weise, dass die von dem Motor (12) für den Fahrzeugantrieb erzeugte Kurbelwellenleistung verstärkt und eine Erhöhung der Temperatur des Motorabgases auf einen Wert herbeigeführt wird, der größer ist als der Wert einer Referenztemperatur; und (c) Regenerieren des Partikelfilters (18) durch Leiten von Motorabgas mit der erhöhten Temperatur durch den Partikelfilter (18).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) zusätzlich folgende Schritte umfasst: Betreiben der Elektromaschine (14) als elektrischen Generator, und Speichern der von der Elektromaschine (14) erzeugten elektrischen Energie in einer elektrischen Speicherbatterie (16).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Verringern der Temperatur des Motorabgases durch Betreiben der Elektromaschine (14) in einer Weise, dass die Motorlast vermindert wird, und Leiten von Motorabgas mit der verringerten Temperatur durch den Partikelfilter (18).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Betreiben der Elektromaschine (14) derart, dass positives Drehmoment erzeugt wird; Übertragen des von der Elektromaschine (14) erzeugten positiven Drehmoments auf die Last, und Vermindern der Größe der von dem Motor (12) erzeugten positiven Kurbelwellenleistung.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Betreiben der Elektromaschine (14) als Elektromotor; und Verwenden von elektrischer Energie aus einer elektrischen Speicherbatterie (16) zum Antreiben der Elektromaschine (14); Übertragen des von der Elektromaschine (14) erzeugten positiven Drehmoments auf die Last.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt eines Verringerns der von dem Motor (12) erzeugten positiven Kurbelwellenleistung.
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