DE102014200077A1

DE102014200077A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems für ein Elektrohybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102014200077A1
Application number: DE201410200077
Authority: DE
Inventors: Leonhard Bartsch; Yasser Mohammed Sayed Yacoub; Matthew Schneider
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-07-17
Also published as: CN103921787A; CN103921787B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems (12) für ein Elektrohybridfahrzeug (10), wobei das Hybrid-Antriebssystem (12) einen Verbrennungsmotor (18), vorzugsweise einen Dieselmotor, und einen oder mehrere Elektromotoren (20) zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs (10) aufweist, wobei die Elektromotoren (20) im Antriebsbetrieb Leistung zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs (10) abgeben und im Generatorbetrieb Leistung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aufnehmen können, die in einem Akkumulator gespeichert wird. Zur Verkürzung der Aufwärmphase einer Abgasnachbehandlungseinheit (34) wird der Verbrennungsmotor (18) während der Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit (34) derart angesteuert, dass der Verbrennungsmotor mehr als die vom Hybrid-Antriebssystem (12) angeforderte Leistung abgibt, wobei die über die angeforderte Leistung hinaus zusätzlich abgegebene Leistung vom Elektromotor aufgenommen wird. Die Bereitstellung der zusätzlich abgegebenen Leistung erfolgt dabei zusätzlich abhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (18) und wird dahingehend selektiv gesteuert, dass die Bereitstellung der zusätzlichen Leistung bei Motorbetriebszuständen vorgenommen oder verstärkt vorgenommen, bei denen durch die zusätzliche Leistung eine besonders starke Verkürzung der Aufwärmphase erreicht werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems für ein Elektrohybridfahrzeug, insbesondere eines Diesel-Elektrohybridfahrzeuges, wobei das Hybrid-Antriebssystem einen Verbrennungsmotor und einen oder mehrere Elektromotoren zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs umfasst und die Elektromotoren im Antriebsbetrieb Leistung zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs abgeben und im Generatorbetrieb Leistung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aufnehmen können. Weiterhin umfasst das Hybrid-Antriebssystem einen Akkumulator zum Speichern der vom Elektromotor bereitgestellten elektrischen Energie, eine Steuerungseinheit zum Steuern des Hybrid-Antriebssystems, die eine Ermittlungseinrichtung zum Bestimmen des Betriebszustands des Elektrohybridfahrzeugs umfasst, sowie eine Abgasnachbehandlungseinheit zum Behandeln der vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgase, die nach einer Aufwärmphase ihre Betriebstemperatur erreicht, bei welcher sich die maximalen Umsatzraten einstellen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Computerprogramm auf einer Steuerungseinheit läuft.
Im Zuge der Bemühungen, den Ausstoß von CO₂ und anderen Schadstoffen zu reduzieren, die von Verbrennungsmotoren insbesondere von Fahrzeugen erzeugt werden, rücken Hybridelektrofahrzeuge zunehmend in den Fokus der automobilen Forschung und Entwicklung. Bei Hybridelektrofahrzeugen handelt es sich um Fahrzeuge, die mindestens von einem Elektromotor und in der Regel einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Der Verbrennungsmotor kann einerseits nur zum Antreiben eines Generators verwendet werden, der elektrische Energie bereitstellt, die in einem Akkumulator gespeichert wird, aus dem der Elektromotor gespeist wird. Hierbei hat der Verbrennungsmotor keine Verbindung zur Antriebswelle und dient daher nicht zum direkten Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs. Andererseits kann der Verbrennungsmotor zusammen mit dem Elektromotor die Antriebswelle antreiben. Je nach Leistung des Elektromotors wird das letztere Antriebskonzept auch Mild- oder Vollhybrid genannt.
Bei den Mild- oder Vollhybriden, auf die sich die Erfindung bezieht, übernimmt je nach Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs der Verbrennungsmotor oder der Elektromotor die überwiegende Leistungsabgabe. Bei innerstädtischem Stop-and-Go-Betrieb wird die Leistung hauptsächlich oder vollständig vom Elektromotor bereitgestellt, da seine Leistungsabgabe weitgehend drehzahlunabhängig ist, was bei häufigen Beschleunigungsvorgängen vorteilhaft ist. Zudem kann das Überschreiten von kritischen Schadstoffkonzentrationen im innerstädtischen Bereich vermieden oder zumindest verzögert werden. Bei gleichmäßigem Betrieb mit hoher Leistungsanforderung, wie es bei Landstraßen und Autobahnen der Fall ist, wo das Elektrohybridfahrzeug mit deutlich höheren Geschwindigkeiten als im innerstädtischen Bereich gefahren wird, stellt der Verbrennungsmotor die überwiegende Leistung zur Verfügung, da er üblicherweise deutlich leistungsstärker als der Elektromotor ist und eine größere Reichweite bietet.
Wird das Fahrzeug nicht mit Volllast betrieben, kann der Elektromotor als Generator zum Laden des Akkumulators von der nicht zum Antrieb benötigten Leistung, die vom Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, angetrieben werden.
Verbrauchsvorteile gegenüber herkömmlichen Antriebskonzepten, die ausschließlich Verbrennungsmotoren aufweisen, ergeben sich dadurch, dass Hybridelektrofahrzeuge für die jeweils vorliegende Betriebsweise den geeigneteren Motor zur hauptsächlichen Leistungsabgabe nutzen können. Weiterhin bietet das Hybridelektrofahrzeug die Möglichkeit der Speicherung von momentan nicht benötigter Leistung im Akkumulator. Da bei Hybridelektrofahrzeugen zwei Motoren unterschiedlicher Bauart zur Verfügung stehen, kann der Verbrennungsmotor im Vergleich zu herkömmlichen Antriebskonzepten kleiner ausgelegt werden ("Down Sizing"), so dass der Verbrauch weiter gesenkt werden kann. Hierdurch können die immer strenger werdenden Umweltschutzauflagen wie die LEV der USA oder die EU6 oder EU7 der Europäischen Union einfacher erfüllt werden.
Ein bekanntes Problem von Abgabehandlungsanordnungen für Verbrennungsmotoren stellt die Aufwärmphase dar. Die vom Verbrennungsmotor produzierten Abgase wie HC und CO können während der Aufwärmphase von der Abgasnachbehandlungseinheit nicht oder nur teilweise in unschädliche Gase umgewandelt werden, da diese noch nicht ihre maximale Umsatzrate erreicht hat. Die Umsatzrate gibt an, welche Menge pro Zeiteinheit eines bestimmten Abgases, von der Abgasnachbehandlungseinheit in ein anderes Abgas umgewandelt werden kann, beispielsweise CO in CO₂. Die maximale Umsatzrate liefert die Abgasnachbehandlungseinheit bei ihrer Betriebstemperatur.
Bei Hybridfahrzeugen wird dieses Problem dadurch verschärft, dass der Verbrennungsmotor aufgrund des zusätzlich vorhandenen Elektromotors häufig intermittierend und bei geringeren Drehzahl-/Lastbereichen betrieben wird als bei einem rein verbrennungsmotorbetriebenen Fahrzeug.
Zur Verkürzung der Aufwärmphase ist als Gegenmaßnahme bekannt, Heizvorrichtungen zum Aufwärmen der Zuluft und/oder ein Überschuss von Edelmetallen am Katalysator vorzusehen. Dies erhöht jedoch den Verbrauch und/oder die Kosten für die Abgasnachbehandlung, Letzteres insbesondere vor dem Hintergrund der allgemein steigenden Rohstoffpreise für Edelmetalle.
Eine weitere Möglichkeit, die Abgasnachbehandlungseinheit schneller auf ihre Betriebstemperatur zu bringen, besteht darin, mehr Leistung vom Verbrennungsmotor abzunehmen, als dies für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlich ist, beispielsweise dadurch, dass der Elektromotor mehr Leistung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aufnimmt.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 100 41 535 A1 bekannt, bei dem in Abhängigkeit der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit entsprechende Temperaturgrenzwerte geprüft und bei Unterschreiten der aktuelle Motorbetriebszustand durch entsprechenden generatorischen Betrieb des Elektromotors in Betriebspunkte verlagert wird, die in einer entsprechenden Temperaturänderung resultieren, wodurch die Abgasnachbehandlungseinheit wieder über einen Temperaturgrenzwert aufgeheizt wird. Die Verlagerung des Betriebszustands in günstige Betriebspunkte, die zur Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinheit führen, geschieht hier jedoch temperaturbezogen, weshalb eine Aufheizung auch unter sehr ungünstigen Bedingungen erfolgen kann, bei denen die zusätzliche Motorlast das Anspringverhalten der Abgasnachbehandlungseinheit nicht signifikant verbessert. In diesem Falle steht einem Mehrverbrauch des Dieselmotors kein bzw. nur ein geringer Nutzen für die Abgasnachbehandlung gegenüber.
Die DE 100 16 123 A1 beschreibt ein Verfahren zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinheit eines Verbrennungsmotors, bei welcher die Zeit, die für das Erreichen der Betriebstemperatur erreicht wird, dadurch verringert wird, dass ein Kurbelwellen-Starter-Generator dann als Generator verwendet wird, wenn die Abgasnachbehandlungseinheit noch nicht die Betriebstemperatur erreicht hat. Hierdurch wird dem Verbrennungsmotor eine höhere Leistung abgenommen, wodurch die Temperatur der Abgase steigt. Als Parameter, ob der Kurbelwellen-Starter-Generator als Generator betrieben wird, dient einzig die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit. Weitere Parameter werden nicht berücksichtigt.
Die US 2012/0090301 A1 beschreibt ein System, welches einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfasst, die auf eine gemeinsame Abtriebswelle wirken. Eine Steuerungseinheit steuert den Elektromotor so, dass er dann als Generator betrieben wird, wenn die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors zu niedrig ist. Auch hier werden keine weiteren Parameter berücksichtigt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems für ein Elektrohybridfahrzeug anzugeben, mit welchem die vom Fahrzeug ausgestoßenen schädlichen Abgase wie HC und CO durch Verkürzen der Aufwärmphase gesenkt werden, wobei der Kraftstoffmehrverbrauch minimiert ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Hybrid-Antriebssystem bzw. ein Computerprogramm zum Betreiben desselben nach Anspruch 8 bzw. 9.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems für ein Elektrohybridfahrzeug die Bereitstellung der zusätzlich abgegebenen Leistung zusätzlich abhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors, welche dahingehend selektiv gesteuert wird, dass die Bereitstellung der zusätzlichen Leistung bei Motorbetriebszuständen vorgenommen wird, bei denen durch die zusätzliche Leistung eine besonders starke Verkürzung der Aufwärmphase erreicht werden kann, wobei die zusätzlich abgegebene Leistung selektiv während Beschleunigungsvorgängen des Elektrohybridfahrzeugs abgegeben wird.
Kern der Erfindung ist es, den Verbrennungsmotor nur dann so anzusteuern, dass er mehr als die angeforderte Leistung abgibt, wenn die Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit besonders stark verkürzt werden kann.
Durch die höhere Leistungsabnahme wird bewirkt, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird und die Abgase mehr Enthalpie enthalten, so dass die Aufwärmphase mit den oben genannten Effekten verkürzt wird. Die Temperaturänderung der Abgasnachbehandlungseinheit ist ein mehrdimensionales Problem.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die zusätzlich abgegebene Leistung nur zu bestimmten Betriebszuständen des Elektrohybridfahrzeugs bereitgestellt wird, wozu das Hybrid-Antriebssystem die Ermittlungseinrichtung zum Bestimmen des Betriebszustands des Elektrohybridfahrzeuges umfasst. Es kann Betriebszustände geben, bei denen die Verkürzung der Aufwärmphase nur mit einem nicht zu rechtfertigenden Mehrverbrauch erreichbar ist. Anders herum kann es Betriebszustände geben, bei denen eine erhöhte Leistungsbereitstellung besonders effektiv ist. Die Steuerungseinheit berücksichtigt den Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs, um den Verbrennungsmotor gerade dann anzusteuern, wenn er die Aufwärmphase besonders effektiv verkürzen kann. Der Betriebszustand des Hybrid-Antriebssystems bzw. des Verbrennungsmotors kann mit einer Vielzahl von Parametern beschreiben, beispielsweise mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Man ist bestrebt, sämtliche Informationen, die im Elektrohybridfahrzeug ohnehin erfasst werden, bei der Bestimmung des Betriebszustands zu berücksichtigen. Hierzu dient die Ermittlungseinrichtung.
Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass sich die Aufwärmphase bereits dadurch effektiv verringern lässt, dass die Abgasnachbehandlungseinheit an einigen wenigen Stellen möglichst rasch auf ihre Betriebstemperatur gebracht wird. Die von der Abgasnachbehandlungseinheit katalysierten Reaktionen sind überwiegend exotherm, so dass die bei der Reaktion freiwerdende Wärme zum Aufwärmen der übrigen Bereiche der Abgasnachbehandlungseinheit beiträgt, wodurch die Aufwärmphase verkürzt wird. Insbesondere können Charakteristika des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden, so dass dieser so angesteuert werden kann, dass dieser Effekt verstärkt wird und es zu einer raschen Aufwärmung der Abgasnachbehandlungseinheit kommt.
Die überschüssige, für den Antrieb des Elektrohybridfahrzeugs nicht benötigte Leistung wird beispielsweise zum Antrieb des Elektromotors verwendet, der elektrische Energie bereitstellt, die im Akkumulator gespeichert wird. Zwar erhöhen sich kurzfristig der Verbrauch und beispielsweise die HC- und CO-Rohemissionen geringfügig, jedoch wird dieser Mehrverbrauch über den gesamten Fahrzyklus durch eine entsprechend stärkere Nutzung des Elektromotors zu einem gewissen Teil wieder ausgeglichen, so dass sich in einer Gesamtbetrachtung eine positive Schadstoffbilanz bei sehr geringem Mehrverbrauch ergibt, da die die HC- und CO-Emissionen über den gesamten Fahrzyklus sinken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Steuerungseinheit den Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung der Temperatur der vom Motor erzeugten Abgase an, wozu das Hybrid-Antriebssystem oder die Ermittlungseinrichtung eine Abgastemperaturmesseinrichtung umfasst. Insbesondere bei höheren Abgastemperaturen, wie sie z. B. bei Beschleunigungsvorgängen temporär vorliegen, kann eine Erhöhung der Temperatur der Abgase um 10 bis 15°C, die aus einer erhöhten Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors folgt, bereits ausreichen, um die Abgasnachbehandlungseinheit in einigen wenigen Abschnitten schnell auf ihre Betriebstemperatur zu bringen. Wie bereits eingangs erwähnt, können die in diesen Abschnitten vermehrt ablaufenden exothermen Reaktionen die Erwärmung der übrigen Abschnitte der Abgasnachbehandlungseinheit unterstützen. Insofern kann eine Erhöhung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors in Phasen höherer Abgastemperatur (z.B. Beschleunigungsphasen), welche zu einer Erhöhung der Abgastemperatur um 10 bis 15°C führt, bereits ausreichen, um die Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit deutlich zu verkürzen, ohne dass durch den Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors beispielsweise die HC- und CO-Emissionen wesentlich erhöht werden.
Vorzugsweise steuert die Steuerungseinheit den Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung der Temperatur der vom Motor erzeugten Abgase und der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit an. Da die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit vom Volumenstrom und von der Temperatur des Abgases bestimmt wird, kann sie auch indirekt unter Verwendung einer Messeinheit bestimmt werden, die den Volumenstrom und die Temperatur des Abgases bestimmt. Unter Verwendung eines thermodynamischen Modells kann die Steuereinheit die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit ermitteln. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, neben den absoluten Temperaturen auch die Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen und der Abgasnachbehandlungseinheit zu bestimmen. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor noch genauer angesteuert werden, wodurch der Verbrennungsmotor so angesteuert werden kann, dass er nicht mehr als die zur Verkürzung der Aufwärmphase notwendige Leistung zusätzlich bereitstellt. Die zusätzlich vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung variiert also je nach Betriebszustand. Die Verkürzung der Aufwärmphase wird somit mit einem Minimum an zusätzlicher Leistung und damit einhergehenden Mehrverbrauch erreicht.
Letzteres kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die zusätzlich abgegebene Leistung während des Beschleunigungsvorgangs des Elektrohybridfahrzeugs abgegeben wird. Es hat sich herausgestellt, dass die Bereitstellung einer zusätzlichen Leistung beim Beschleunigungsvorgang die Aufwärmphase besonders effektiv verkürzt, wobei der Kraftstoffmehrverbrauch minimiert werden kann. Beispielsweise kann die zusätzliche Leistung begrenzt auf eine vorgegebene Anzahl von Beschleunigungsvorgängen seit Beginn der Aufwärmphase bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Steuerungseinheit den Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung der Drehzahl des Verbrennungsmotors an, wozu das Hybrid-Antriebssystem oder die Ermittlungseinrichtung eine Drehzahlmesseinrichtung umfasst. Die Steuerungseinheit kann einen Algorithmus beinhalten, der Drehzahl und die Leistungsabgabe bzw. die Motorlast abbildet. Hieraus kann ermittelt werden, bei welcher Drehzahl bzw. Leistungsabgabe die zusätzliche Leistungsbereitstellung dazu führt, dass das Abgas möglichst viel Enthalpie enthält, um die Aufwärmzeit der Abgasnachbehandlungseinheit spürbar zu verkürzen.
Vorzugsweise steuert die Steuerungseinheit den Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Elektrohybridfahrzeugs an, wozu das Diesel-Hybrid-Antriebssystem oder die Ermittlungseinrichtung eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung umfasst. Die Berücksichtigung der Geschwindigkeit hilft dabei, den momentanen Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs besser erfassen zu können. Je nach momentaner Geschwindigkeit des Elektrohybridfahrzeugs kann die Bereitstellung einer zusätzlichen Leistung mehr oder weniger sinnvoll sein. Insofern eröffnet die Berücksichtigung der Geschwindigkeit bei der Ansteuerung des Dieselmotors ebenfalls die Möglichkeit, die Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit besonders effektiv zu verkürzen, so dass die oben genannten Vorteile mit möglichst wenig Mehrverbrauch erreicht werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinheit den Dieselmotor unter Berücksichtigung der Öl- und/oder der Kühlmitteltemperatur des Dieselmotors ansteuert, wozu das Hybrid-Antriebssystem oder die Ermittlungseinrichtung eine Messeinrichtung zum Ermitteln der Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur umfasst. Die Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur sagen etwas darüber aus, ob sich der Verbrennungsmotor selbst in der Aufwärmphase befindet. In dieser Aufwärmphase erzeugt der Verbrennungsmotor besonders viele schädliche Abgase wie HC und CO, die von der Abgasnachbehandlungseinheit nur dann in unschädliche Verbindungen umgewandelt werden können, wenn letztere selbst die Betriebstemperatur erreicht hat. In vielen Fällen befindet sich aber die Abgasnachbehandlungseinheit gerade dann in der Aufwärmphase, wenn sich auch der Verbrennungsmotor in der Aufwärmphase befindet. Insofern wird das erfindungsgemäße Ziel der Reduzierung der schädlichen Abgase zumindest auch teilweise dadurch erreicht, wenn der Verbrennungsmotor so angesteuert wird, dass seine Aufwärmphase verkürzt wird. Da aber eine verkürzte Auswärmphase des Verbrennungsmotors auch zu einer verkürzten Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit führt, steht die Berücksichtigung der Öl- und/oder der Kühlmitteltemperatur Maßnahmen nicht im Widerspruch zum erfindungsgemäßen Ziel, die Dauer der Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit zu verkürzen. Weiterhin kann es zur Verkürzung der Dauer der Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit sinnvoll sein, den Verbrennungsmotor abhängig davon anzusteuern, ob er sich selbst in der Aufwärmphase befindet oder die Betriebstemperatur erreicht hat. Insbesondere die Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur kann maßgeblich dafür sein, ob es sinnvoll ist, den Verbrennungsmotor so anzusteuern, dass er zusätzliche Leistung bereitstellt oder nicht. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann es sinnvoll sein, den Verbrennungsmotor zunächst so zu betreiben, dass er möglichst wenig Leistung bereitstellt, um die Schadstoffemission und den Verbrauch nicht unnötig zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die selektive Bereitstellung der zusätzlichen Leistung abhängig von einer Kostenfunktion, die abhängig von den Motorbetriebsparametern die zu erwartende Verkürzung der Aufwärmphase der Abgasbehandlungsanordnung mit dem zu erwartenden Kraftstoffmehrverbrauch näherungsweise in Beziehung setzt. Unter Einsatz dieser Kostenfunktion kann dann abhängig von den jeweiligen Motorbetriebsbedingungen entscheiden werden, wann eine zusätzliche Leistung bereitgestellt wird und wann nicht, um das Aufwärmen der Abgasbehandlungsanordnung in einer vorgegebenen Maximalaufwärmzeit zu erreichen. Je näher man der vorgegebenen Maximalaufwärmzeit kommt und desto niedriger die tatsächliche Temperatur der Abgasbehandlungsanordnung ist, desto größere Kraftstoffnachteile werden bei der Bereitstellung der zusätzlichen Leistung in Kauf genommen.
Eine derartige Kostenfunktion kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Steuerungseinheit die Bereitstellung der zusätzlichen Leistung unter Berücksichtigung der von einem Navigationssystem generierten Daten der von dem Fahrzeug zurückzulegenden Fahrstrecke ansteuert. Der zu erwartende Streckenverlauf kann somit bei der Ansteuerung des Verbrennungsmotors prädiktiv berücksichtigt werden. Durch eine Analyse des zu erwartenden Streckenverlaufs können insbesondere zu erwartende Beschleunigungsvorgänge aufgrund der Aufhebung einer Verringerung einer Geschwindigkeitsbegrenzung oder von Steigungen oder aufgrund von Abbiegevorgängen mit anschließender Beschleunigung vorhergesagt werden. Ferner kann die zu erwartende Größenordnung der Beschleunigungsvorgänge ebenfalls vorhergesagt werden, wenngleich selbstverständlich aufgrund der aktuellen Verkehrslage auch Abweichungen möglich sind. Anhand dieses zu erwartenden Beschleunigungsprofils und der Kostenfunktion, die den Kraftstoffmehrverbrauch durch eine künstliche Lasterhöhung angibt, kann abgewogen werden, ab welchen Motordrehzahl/Lastbedingungen eine künstliche Lasterhöhung konkret vorgenommen werden soll. Sagt das Navigationssystem beispielsweise eine kurz bevorstehende Autobahnfahrt oder eine größere Steigung voraus, so kann es sinnvoll sein, die Schwelle für die Aufbringung einer zusätzlichen Last so anzuheben, dass damit bis zum Auftreten der optimalen Lastbedingungen gewartet wird.
Die genannten Komponenten der Ermittlungseinrichtung, beispielsweise die Drehzahl- und Geschwindigkeitsmesseinrichtung, die Messeinrichtung zum Ermitteln der Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur und das Navigationssystem dienen dazu, den Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs und/oder des Verbrennungsmotors so genau wie möglich zu beschreiben, um den Verbrennungsmotor so anzusteuern, dass er zum optimalen Zeitpunkt die optimale zusätzliche Leistung abgibt, um die Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit so weit wie möglich zu verkürzen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Elektrohybridfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystem, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist, anhand einer Prinzipskizze;
2 ein schematisches Diagramm, das die Entwicklung der Abgastemperatur am Katalysator bei verschiedenen Lastszenarien illustriert;
3 ein schematisches Diagramm, in dem die kumulative Abgasenthalpie bei verschiedenen Lastszenarien verglichen wird, und
4 ein schematisches Diagramm des kumulativen CO-Gehalts ebenfalls bei verschiedenen Lastszenarien.
Das Aufwärm- bzw. Anspringverhalten eines Katalysators ist von vielen Faktoren abhängig. Generell spielen jedoch nichtlineare Zusammenhänge eine Rolle, insbesondere aufgrund der fundamentalen Arrhenius-Gleichung
wonach die chemische Reaktionsrate exponentiell von der Reaktionstemperatur T abhängt. E_a bezeichnet die Aktivierungsenergie.
Grundsätzlich kann zur Steigerung der Reaktionsrate und damit zur Verkürzung der Anspringphase die Aktivierungsenergie verringert werden, was im Allgemeinen einen höheren Einsatz von kostenintensiven Edelmetallen erfordert, oder es kann die Temperatur erhöht werden.
Die Temperaturentwicklung in einem Katalysator bei einem Kaltstart ist wiederum von vielen Faktoren abhängig. Zum einen selbstverständlich von der in dem den Katalysator durchströmenden Abgas enthaltenen Enthalpie, die direkt von der Abgastemperatur abhängt. Die Temperatur des Katalysators hängt weiterhin von der Wärmetransferrate ab, die von der Transferrate zwischen Abgas und Katalysatormaterial und Substrat sowie der thermischen Trägheit des Katalysators abhängt; ferner ist diese Größe von den Strömungsbedingungen abhängig.
Es hat sich herausgestellt, dass bei einer nur relativ geringfügigen Temperaturänderung (z.B. eine Erhöhung der temporär erreichten Abgasspitzentemperaturen um 10 K) bei ansonsten konstanten Bedingungen, insbesondere praktisch ungeändertem Enthalpiefluss, durch die geringfügigen Temperaturänderungen lokal Reaktionen im Katalysator initiiert werden können, entsprechend dem arrheniusartigen Verhalten der dortigen Reaktionen. Diese Reaktionen können die Aufwärmzeit signifikant verkürzen.
Dies wird nachfolgend anhand der schematischen Darstellungen in den 2 bis 4 erläutert, die die zeitliche Entwicklung verschiedener, für die Abgasbehandlung relevanter Parameter aus Rollprüfstands-Messreihen zeigen, wobei das Fahrzeug einem typischen Testzyklus mit periodischen Beschleunigungen unterzogen wird (in diesem Falle dem sog. NEDC-Zyklus).
Dabei sind jeweils zwei unterschiedliche Lastszenarien dargestellt, die über unterschiedliche Vorgaben an den Fahrwiderstand ("Coast Down") versuchstechnisch realisiert werden. Ein hoher Fahrwiderstand macht stärkere Beschleunigungen im Testzyklus erforderlich.
Dementsprechend ist in 2 ersichtlich, dass die Abgastemperatur stromaufwärts des Katalysators bei hohem Fahrwiderstand vor allem in den Spitzen (Beschleunigungsvorgängen entsprechend) deutlich höhere Werte erreicht als bei niedrigem Fahrwiderstand. Dagegen unterscheiden sich die Temperaturen zwischen niedrigem und hohem Fahrwiderstand bei den übrigen Motorbetriebszuständen (u.a. Leerlauf) weniger stark.
Aus 3 ist anhand einer zeitabhängigen Darstellung der kumulativen Abgasenthalpie bzw. des Wärmeflusses ersichtlich, dass der verhältnismäßig überschaubare Temperaturunterschied zwischen hohem und niedrigem Fahrwiderstand auf der Zeitachse einen Unterschied im Anspringverhalten von ca. 50 s ausmacht, was bereits einen signifikanten Unterschied darstellt.
In 4 ist schließlich die kumulierte CO-Menge im Zuführgas vor dem Katalysator (gestrichelte Grafen) und hinter dem Katalysator dargestellt. Dabei ist im hohen Lastfall der kumulierte Schadstoffgehalt hinter dem Katalysator erheblich geringer, da, wie ersichtlich, der Katalysator erheblich früher anspringt.
Daraus kann man entnehmen, dass eine Temperaturerhöhung sich bei den höheren Lastfällen besonders positiv auswirkt.
Dies vorausgeschickt soll nachfolgend anhand von 1 der prinzipielle Aufbau eines Elektrohybridfahrzeugs 10, welches ein erfindungsgemäßes Hybrid-Antriebssystem 12 aufweist, erläutert werden. Das Elektrohybridfahrzeug 10 weist eine angetriebene Vorderachse 14 und eine nicht angetriebene Hinterachse 16 auf, die jeweils zwei Räder 17 _V, 17 _H umfassen. Die Vorderachse 14 wird vom Hybrid-Antriebssystem 12 angetrieben, das einen Dieselmotor 18 und einen Elektromotor 20 aufweist. Der Elektromotor 20 und der Dieselmotor 18 wirken auf eine Welle 22, die das vom Dieselmotor 18 und vom Elektromotor 20 bereitgestellte Drehmoment über ein Getriebe 24 auf die Vorderachse 14 überträgt. Zwischen dem Getriebe 24 und dem Dieselmotor 18 ist in der Welle 22 eine Kupplung 26 angeordnet.
Der Elektromotor 20 kann auf zwei verschiedene Weisen betrieben werden: Im Antriebsbetrieb stellt er Leistung zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs 10 bereit und wird somit als eigentlicher Motor verwendet, während er im Generatorbetrieb Leistung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aufnimmt und als Generator betrieben wird. Im Generatorbetrieb wird kinetische Energie, die sich aus der Geschwindigkeit und Masse des Elektrohybridfahrzeugs 10 ergibt oder vom Dieselmotor 18 bereitgestellt wird, in den als Generator betriebenen Elektromotor 20 geleitet, der sie in elektrische Energie umwandelt. Die im Generatorbetrieb bereitgestellte elektrische Energie wird in einem Akkumulator 28 gespeichert.
Eine Steuerungseinheit 30, die über elektrische Leitungen 31 mit dem Elektromotor 20 und dem Akkumulator 28 verbunden ist, steuert das Zusammenwirken des Elektromotors 20 und des Dieselmotors 18.
Die vom Dieselmotor 18 erzeugten Abgase werden über einen Abgasstrang 32 an die Umgebung abgegeben. Hierbei werden schädliche Abgase wie HC und CO in einer Abgasnachbehandlungseinheit 34 zu unschädlichen Abgasen umgewandelt. Die Abgastemperatur kann mittels einer Abgastemperaturmesseinrichtung 36 bestimmt werden, die im Abgasstrang 32 angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Hybrid-Antriebssystem 12 eine Messeinrichtung 38 zum Ermitteln der Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur des Dieselmotors 18.
Um den Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs 10 bestimmen zu können, weist das Hybrid-Antriebssystem 12 eine Ermittlungseinheit 48 auf, die eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung 40, eine Beschleunigungsmesseinrichtung 42 sowie eine Drehzahlmesseinrichtung 44 umfasst. Die Drehzahlmesseinrichtung 44 misst die Drehzahl des Dieselmotors 18.
Weiterhin umfasst das Elektrohybridfahrzeug 10 ein Navigationssystem 46, um positions- und fahrstreckenbezogene Daten zu ermitteln.
Sämtliche Daten, die von den verschiedenen Messeinrichtungen und vom Navigationssystem 46 ermittelt werden, werden über nicht dargestellte (Bus-)Leitungen an die Ermittlungseinheit 48 übermittelt, die hieraus den Betriebszustand des Elektrohybridfahrzeugs 10 definiert und an die Steuereinheit 20 weiterleitet. Anhand des Betriebszustands steuert die Steuerungseinheit 20 den Dieselmotor 18 so an, dass die Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit 34 möglichst kurz gehalten wird, was dadurch geschieht, dass der Dieselmotor 18 mehr Leistung abgibt als für den Antrieb des Elektrohybridfahrzeugs 10 benötigt wird. Ferner sind Mittel 47 zum Bestimmen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit 34 sowie ein Abgassensor 50 vorgesehen, der stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinheit 34 im Abgasstrang 32 angeordnet ist und die Zusammensetzung des Abgases bestimmt.
Aufgrund der Sensorsignale kann die Steuerungseinheit 30 bestimmen, ob sich die Abgasnachbehandlungseinheit 34 noch in der Aufwärmphase befindet oder nicht.
Die über die für den Antrieb des Elektrofahrzeugs 10 hinaus abgegebene Leistung wird vom Elektromotor 20 in elektrische Energie umgewandelt und im Akkumulator 28 gespeichert. Für den Fall, dass der Akkumulator 28 bereits vollständig aufgeladen sein sollte, kann ein Pufferakkumulator 52 vorgesehen sein, der in diesem Fall geladen wird. Die Kapazität des Pufferakkumulators 52 kann deutlich geringer sein als die des eigentlichen Akkumulators 28. Alternativ kann die Steuerungseinheit 30 den Akkumulator 28 so laden, dass immer noch eine bestimmte freie Kapazität verbleibt, die in diesen Fällen genutzt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Elektrohybridfahrzeug
12: Hybrid-Antriebssytem
14: Vorderachse
16: Hinterachse
17_V, 17_H: Räder
18: Dieselmotor
20: Elektromotor
22: Welle
24: Getriebe
26: Kupplung
28: Akkumulator
30: Steuerungseinheit
31: elektrische Leitung
32: Abgasstrang
34: Abgasbehandlungseinheit
36: Abgastemperaturmesseinrichtung
38: Messeinrichtung
40: Geschwindigkeitsmesseinrichtung
42: Beschleunigungsmesseinrichtung
44: Drehzahlmesseinrichtung
46: Navigationssystem
47: Mittel
48: Ermittlungseinrichtung
50: Abgassensor
52: Pufferakkumulator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10041535 A1 [0011]
DE 10016123 A1 [0012]
US 2012/0090301 A1 [0013]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Hybrid-Antriebssystems (12) für ein Elektrohybridfahrzeug (10), wobei das Hybrid-Antriebssystem (12) umfasst – einen Verbrennungsmotor (18), vorzugsweise einen Dieselmotor, und einen oder mehrere Elektromotoren (20) zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs (10), wobei die Elektromotoren (20) im Antriebsbetrieb Leistung zum Antreiben des Elektrohybridfahrzeugs (10) abgeben und im Generatorbetrieb Leistung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aufnehmen und können, die in einem Akkumulator (28) gespeichert werden kann, – eine Steuerungseinheit (30) zum Steuern des Hybrid-Antriebssystems (12), wobei die Steuerungseinheit (30) eine Ermittlungseinrichtung (48) zum Bestimmen des Betriebszustands des Elektrohybridfahrzeugs (10) umfasst, und – eine Abgasnachbehandlungseinheit (34) zum Behandeln der vom Verbrennungsmotor (18) erzeugten Abgase, die nach einer Aufwärmphase ihre Betriebstemperatur erreicht, bei welcher sich die maximalen Umsatzraten einstellen, mit dem Schritt des – Ansteuerns des Verbrennungsmotors (18) während der Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungseinheit (34) mittels der Steuerungseinheit (30) derart, dass der Verbrennungsmotor zur Unterstützung des Aufwärmvorgangs mehr als die vom Hybrid-Antriebssystem (12) angeforderte Leistung abgibt, wobei diese Leistung im Wesentlichen von dem wenigstens einen Elektromotor (20) aufgenommen wird, wobei – die Bereitstellung der zusätzlich abgegebenen Leistung wenigstens abhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (18) dahingehend selektiv gesteuert wird, dass die Bereitstellung der zusätzlichen Leistung bei Motorbetriebszuständen vorgenommen wird, bei denen durch die zusätzliche Leistung eine besonders starke Verkürzung der Aufwärmphase erreicht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich abgegebene Leistung selektiv während Beschleunigungsvorgängen des Elektrohybridfahrzeugs (10) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich abgegebene Leistung begrenzt auf eine vorgegebene Anzahl von Beschleunigungsvorgängen seit Beginn der Aufwärmphase abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (30) den Verbrennungsmotor (18) hinsichtlich der selektiven Abgabe der zusätzlichen Leistung unter Berücksichtigung der Temperatur der vom Verbrennungsmotor (18) erzeugten Abgase und/oder der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit (34) ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (30) den Verbrennungsmotor (18) hinsichtlich der selektiven Abgabe der zusätzlichen Leistung unter Berücksichtigung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (18) und/oder der Geschwindigkeit des Elektrohybridfahrzeugs (10) ansteuert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (30) den Verbrennungsmotor (18) hinsichtlich der selektiven Abgabe der zusätzlichen Leistung unter Berücksichtigung der Ölund/oder der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors (18) ansteuert, wozu eine Messeinrichtung (38) zum Ermitteln der Öl- und/oder Kühlmitteltemperatur vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Bereitstellung der zusätzlichen Leistung abhängig von einer Kostenfunktion erfolgt, die abhängig von den Motorbetriebsparametern die zu erwartende Verkürzung der Aufwärmphase der Abgasbehandlungsanordnung mit dem zu erwartenden Kraftstoffmehrverbrauch näherungsweise in Beziehung setzt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (30) den Verbrennungsmotor (18) unter Berücksichtigung der von einem Navigationssystem (46) generierten Daten der vom Elektrohybridfahrzeug (10) zurückzulegenden Fahrstrecke ansteuert.
Hybrid-Antriebssystem (12) für ein Elektrohybridfahrzeug (10), dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhegenden Ansprüche ausgebildet ist.
Computerprogramm zum Betreiben eines Hybrid-Antriebssystems (12) für ein Elektrohybridfahrzeug (10), wobei das Computerprogramm Programmmittel zum Veranlassen einer Steuerungseinheit (30) umfasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.