DE102015201905A1 - Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs Download PDF

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Johannes ZELLER
Michael BACHNER
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Abstract

Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer E-Maschine oder einem alternativen Hilfsaggregat, dadurch gekennzeichnet, dass in der transienten Übergangsphase über einen durch einen Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase definierten Zeitraum ein Korrektureingriff durch eine Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors und simultan hierzu eine Drehmomentsubstitution durch ein durch die E-Maschine beziehungsweise das alternative Hilfsaggregat aufgebrachtes transientes Drehmoment vorgenommen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
  • Stand der Technik
  • Um die verschärften Grenzwerte für Schadstoff-Emission zu erfüllen, werden bei heutigen Motoren eine Vielzahl von Maßnahmen eingesetzt, um insbesondere die Partikel- und Stickoxid-Emissionen zu reduzieren.
  • Eine wesentliche Maßnahme ist die Abgasrückführung (AGR), welche ein heutiges Mittel zur Verhinderung von Stickoxid-Emissionen darstellt. Durch die Abgasrückführung wird der Sauerstoffgehalt im Zylinder gesenkt und als Folge davon stellt sich eine Senkung der Temperatur im Brennraum ein. Problematisch ist der Anstieg der Partikel mit zunehmender Abgasrückführung. Der Hauptgrund für die höheren Partikel-Emissionen liegt in der Begrenzung des für die Rußoxidation ebenfalls erforderlichen Sauerstoffs. Der durch die Abgasrückführung reduzierte Sauerstoffgehalt wirkt sich also stets vermindernd auf die Stickoxidemission und erhöhend auf die Partikel-Emission aus. Daraus entsteht ein Zielkonflikt insbesondere beim Dieselmotor zwischen Ruß- und Stickoxid-Emissionen.
  • Aufgrund der bisherigen gesetzlichen Vorgaben für den Abgastestzyklus bestanden für Personenkraftwagen nur geringe Anforderungen an die Reduzierung der Schadstoff-Emissionen im dynamischen Betrieb. Im Nutzkraftwagensektor wurde der dynamische Betrieb durch einen stationären Test völlig ausgeblendet.
  • Die zunehmenden Anforderungen an moderne Dieselmotoren sind vor allem durch die stetige Verschärfung der Grenzwerte für Schadstoff-Emissionen und durch die Einführung neuer Testzyklen geprägt. Diese Zyklen werden im Rahmen der Zertifizierung zur Ermittlung realistischer Kraftstoffverbrauchs- und Emissionswerte zukünftig auch den realen Fahrbetrieb berücksichtigen, was im Fahrprofil einen deutlichen Zuwachs an Dynamik mit sich bringt.
  • Der dynamische Fahrbetrieb und damit verbunden das transiente Übergangsverhalten wird vor diesem Hintergrund wesentlich in den Fokus weiterer Entwicklungs- und Optimierungsbemühungen rücken.
  • Die Berücksichtigung von dynamischen Vorgängen erfordert insbesondere die Berücksichtigung von Lastsprüngen beziehungsweise schnellen Lasterhöhungen, wie sie im realen Fahrbetrieb und in zukünftigen Testzyklen häufig vorkommen. Lastsprünge beziehungsweise schnelle Lasterhöhungen führen aufgrund der Trägheit des Luftsystems bei einem Dieselmotor zu einem verzögerten Aufbau des Ladedrucks. Ursache für diese Trägheit sind unter anderem das Trägheitsmoment des Turboladers und das Totvolumen zwischen dem Verdichter und den Einlassventilen des Motors. Das Einspritzsystem, das die Lastanforderung des Fahrers umsetzt, weist eine deutlich kürzere Reaktionszeit auf als das Luftsystem des Motors. Eine kurzfristige und abrupte Erhöhung der Last, zum Beispiel eine Erhöhung des Fahrerwunschmoments, beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang, führt daher systembedingt zu einem verzögerten Drehmomentaufbau, was sich in einem trägen Ansprechverhalten des Dieselmotors widerspiegelt. Diese Trägheit ist eine Folge des beschriebenen Verhaltens des Luftsystems bedingt durch Totzeiten in den Gaslaufleitungen und durch die Massenträgheit des Verdichters und führt zu einem verzögerten Ladedruckaufbau in einer verringerten Zylinderfüllung. Dieses Verhalten zeigt nun bei der Luftmassenregelung emissionsrelevante Auswirkungen, da in Abhängigkeit des transienten Fahrzustandes eine Reduzierung der AGR-Rate einen massiven Anstieg der NOx-Emissionen zur Folge hat. Aber auch der Betrieb bei einem geringen Luftverhältnis entlang der Rauchgrenze führt nicht nur zu einer Erhöhung der Ruß-Emissionen, sondern auch zu einer Begrenzung des Fahrerwunschmomentes zu Lasten der Fahrbarkeit. Zusammenfassend ist also festzustellen, dass sich schnelle Lastwechsel in einem verzögerten Drehmomentaufbau auf Kosten der Fahrbarkeit und in kurzzeitig stark erhöhten Emissionsspitzen äußern. Dies spiegelt das Spannungsfeld zwischen Fahrleistung und Abgasemission wider.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer E-Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Emissions- und Fahrverhaltens transienter Fahrzustände durch eine zielgerichtete Lastaufteilung zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine oder alternativem Hilfsaggregat mittels eines transienten Korrektureingriffs und entschärft somit den beschriebenen Zielkonflikt zwischen Abgasemissionen und Fahrbahrkeit.
  • Der Kern der Erfindung ist die kurzzeitige Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors während eines durch einen Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase definierten Zeitraums und simultan hierzu eine Drehmomentsubstitution durch ein durch die E-Maschine beziehungsweise durch das alternative Hilfsaggregat aufgebrachtes transientes Drehmoment. Die kurzzeitige Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors führt zu einer Emissionsreduzierung. Das Drehmoment, beispielsweise ein Fahrerwunsch-Drehmoment, wird dabei in vollem Umfang aufrecht erhalten.
  • Diese Art des Korrektureingriffs kann also, anders ausgedrückt, durch einen Dynamikindikator, der einen transienten Fahrzustand detektiert, ausgelöst werden. Die Detektion eines transienten Fahrzustands ist Gegenstand der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem anmelderinternen Aktenzeichen R. 355 398, deren Inhalt in vorliegende Anmeldung vollumfänglich einbezogen wird. Demnach wird der Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase aus einer relativen Ladedruck-/Saugrohrdruckabweichung einer Ladedruck- oder Saugrohrdruckregelung des Verbrennungsmotors bestimmt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Dynamikindikator aus einer relativen Ladedruck-/Saugrohrdruckregelabweichung und einer die aktuelle Motordrehzahl charakterisierenden Größe, insbesondere durch eine zweidimensionale Kennfeldinterpolation aus einem Ladedruck-/Saugrohrdruckabweichung-Motordrehzahl-Kennfeld, ermittelt wird.
  • Dabei ist vorgesehen, dass als relative Ladedruck-/Saugrohrdruckregelabweichung eine Abweichung eines Sollwerts von einem Istwert der Ladedruck-/Saugrohrdruckregelung bezogen auf den aktuellen Sollwert verwendet wird.
  • Der Dynamikindikator ist vorzugsweise eine dimensionslose Größe, insbesondere im Wertebereich zwischen 0 und 1.
  • Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das transiente Drehmoment bestimmt wird aus einem Produkt eines Transient-Korrektur-Faktors (TKF) und dem maximal zur Verfügung stehenden Drehmoment der E-Maschine beziehungsweise des alternativen Hilfsaggregats.
  • Der Transient-Korrektur-Faktor berechnet sich dabei vorteilhafterweise als Produkt aus einer einen Grad des Korrektureingriffs charakterisierenden Größe und einem Indikator zur Bestimmung einer transienten Übergangsphase.
  • Die den Grad des Korrektureingriffs charakterisierende Größe wird vorzugsweise aus einem empirisch bestimmten Kennfeld entnommen, dessen Eingangsgrößen eine die Drehzahl charakterisierende Größe und eine die Last des Verbrennungsmotors charakterisierende Größe sind. In diesem Kennfeld wird der Grad des Korrektureingriffs Betriebspunkt-spezifisch unter Berücksichtigung der Volllastkennlinie der E-Maschine gewichtet.
  • Mithilfe dieser Funktion der Transient-Korrektur führt dann im Falle eines Lastsprungs, beispielsweise für eine Beschleunigungsphase, eine direkte und zielgerichtete Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors zu geringeren Sollwertanforderungen beispielweise der Luftmasse, was bei einer Luftmengenregelung höhere AGR-Raten (Abgasrückführ-Raten) zulässt und damit zu geringeren Stickoxid-Emissionen führt. In Abhängigkeit von der Höhe der Drehmomentsubstitution kann relativ einfach eine zielgerichtete Stickoxidreduktion erfolgen, ohne dabei aufwendige Anpassungen der Grundapplikation des Verbrennungsmotors vornehmen zu müssen. Auch eine daraus resultierende geringere Sollwertanforderung der Einspritzmenge hat, abhängig von dem Ausgangs- und Zielbetriebszustand des Verbrennungsmotors, den Vorteil, nur eine kurzzeitige bis kleine Drehmomentbegrenzung ("Rauchbegrenzung") zu verursachen, wodurch nicht nur Drehmomentreserven vorgehalten werden können und höhere Fahrleistungen möglich sind, sondern auch eine geringe Anzahl an Partikeln emittiert werden.
  • Ein vorgegebenes Fahrerwunschmoment wird gebildet aus der Summe des durch die E-Maschine beziehungsweise das alternative Hilfsaggregat aufgebrachten transienten Drehmoments und einem durch den Verbrennungsmotor während der Lastpunktabsenkung aufgebrachten Drehmoments.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, in der transienten Übergangsphase über einen durch den Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase definierten Zeitraum einen Korrektureingriff durch eine Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors und simultan hierzu eine Drehmomentsubstitution durch ein durch die E-Maschine beziehungsweise das alternative Hilfsaggregat aufgebrachtes transientes Drehmoment vorzunehmen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auf der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer E-Maschine, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt und
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches die Berechnung der Transient-Korrektur gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, das über einen Verbrennungsmotor 10 und eine E-Maschine 20 verfügt, die beide von einem elektronischen Steuergerät 30 ansteuerbar sind. Sowohl der Verbrennungsmotor 10 als auch die E-Maschine 20 wirken über einen nicht dargestellten Antriebsstrang auf die Antriebsräder 5, im gezeichneten Fall als Vorderradantrieb. Rein prinzipiell ist auch ein Antrieb der Hinterräder 7 oder beider Räder (Allradantrieb) denkbar. Dem Steuergerät 30 werden Fahrerwunschsignale 40 zugeführt, beispielsweise ein Fahrerwunschdrehmoment.
  • Um nun das Emissions- und Fahrverhalten transienter Fahrzustände zu verbessern, sieht die Erfindung eine zielgerichtete Lastaufteilung zwischen Verbrennungsmotor 10 und E-Maschine 20 oder einem alternativen Hilfsaggregat mittels eines transienten Korrektureingriffs vor, wodurch der eingangs beschriebene Zielkonflikt zwischen den Abgasemissionen und der Fahrbarkeit entschärft wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend in Verbindung mit 2 erläutert. Zur Berechnung des Korrektureingriffs ist eine Beschreibung des aktuellen Betriebspunktes erforderlich. Diese Beschreibung des aktuellen Betriebspunktes erfolgt beispielsweise durch die Drehzahl und die Last als Eingangsgrößen. Die Drehzahl 220 und die Last 230 werden einem Kennfeld (KF) 240 zugeführt. Das Kennfeld 240 wird nach einem Grad des Korrektureingriffes zwischen 0 (kein Eingriff) und 1 (maximaler Eingriff) parametriert. Die Ausgangsgröße des Kennfelds 240 wird mit einem transienten Indikator 260, dessen Wertebereich ebenfalls zwischen 0 und 1 liegt, multipliziert, Schritt 245, wodurch sich als Resultat ein Transient-Korrektur-Faktor (TKF), Schritt 250, ergibt.
  • Der transiente Indikator 260 wird auf eine Weise bestimmt, wie es in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit dem anmelderinternen Aktenzeichen R. 355 398, auf die vorliegend Bezug genommen wird und deren Inhalt in vollem Umfang in dieser Anmeldung einbezogen wird, beschrieben ist. Der in Schritt 250 bestimmte Transient-Korrektur-Faktor ist demnach das Produkt aus einer quantitativen Beschreibung eines transienten Zustandes (0 bis 1) und einer quantitativen Bewertung der Höhe des Eingriffs der E-Maschine 20 beziehungsweise des Hilfsaggregats. Die Höhe des transienten Drehmomenteingriffs, also das in Schritt 280 bereitgestellte transiente Drehmoment, ist wiederum ein Produkt aus dem Transient-Korrektur-Faktor 250 und einem maximalen Drehmoment der E-Maschine 20 beziehungsweise des Hilfsaggregats 270, welches in Schritt 255 berechnet wird. Dabei wird von dem maximal in diesem Betriebspunkt zur Verfügung stehenden Drehmoment der E-Maschine 20 beziehungsweise des Hilfsaggregats in Schritt 270 ausgegangen. Um diesen Wert des berechneten transienten Drehmoments 280 wird das Fahrerwunschmoment 210 reduziert. Das heißt, das transiente Drehmoment 280 wird von dem Fahrerwunschmoment 210 in Schritt 285 subtrahiert, sodass das Fahrerwunschmoment 210 die Summe aus dem verbleibenden Drehmoment 290 des Verbrennungsmotors und dem Drehmoment 295 des Elektromotors 20 beziehungsweise des Hilfsaggregats darstellt. Der Kern der Erfindung liegt also darin, bei einem durch einen transienten Vorgang getriggerten Ereignis eine kurzzeitige Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors 10 in Verbindung mit einer Drehmomentsubstitution durch eine E-Maschine 20 beziehungsweise ein alternatives Hilfsaggregat zur Reduzierung der Abgase, vorwiegend der Stickoxide, durchzuführen, um so negative Auswirkungen auf die Fahrleistungen zu vermeiden.
  • Rein prinzipiell ist es auch möglich, einen geschlossenen Regelkreis zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine/Hilfsaggregat vorzusehen, indem Regelabweichungen zwischen Soll- und Ist-Moment des einen Aggregats durch eine angepasste Drehmomentaufteilung ausgeregelt werden.
  • Ebenso können zur besseren Quantifizierung der zu reduzierenden Stickoxid-Emissionen direkte Wirkgrößen wie Zylinderfüllung und Sauerstoffkonzentration, welche an der Emissionsentstehung beteiligt sind, als Eingangsgrößen zur Bestimmung des Transient-Korrektur-Faktors herangezogen werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen bei einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs (1) mit einem Verbrennungsmotor (10) und einer E-Maschine (20) oder einem alternativen Hilfsaggregat, dadurch gekennzeichnet, dass in der transienten Übergangsphase über einen durch einen Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase definierten Zeitraum ein Korrektureingriff durch eine Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors (10) und simultan hierzu eine Drehmomentsubstitution durch ein durch die E-Maschine (20) beziehungsweise das alternative Hilfsaggregat aufgebrachtes transientes Drehmoment vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase aus einer relativen Ladedruck-/Saugrohrdruckregelabweichung und einer die aktuelle Motordrehzahl charakterisierenden Größe, insbesondere durch eine zweidimensionale Kennfeldinterpolation aus einem Ladedruck-/Saugrohrdruckabweichung-Motordrehzahl-Kennfeld, ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als relative Ladedruck-/Saugrohrdruckregelabweichung eine Abweichung eines Sollwerts von einem Istwert der Ladedruck-/Saugrohrdruckregelung bezogen auf den aktuellen Sollwert verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase eine dimensionslose Größe, insbesondere im Wertebereich zwischen 0 und 1, ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transiente Drehmoment bestimmt wird aus einem Produkt eines Transient-Korrektur-Faktors (TKF) und dem maximal zur Verfügung stehenden Drehmoment der E-Maschine (20) beziehungsweise des alternativen Hilfsaggregats.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transient-Korrektur-Faktor (TKF) berechnet wird als Produkt aus einer einen Grad des Korrektureingriffs charakterisierenden Größe und dem Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Grad des Korrektureingriffs charakterisierende Größe aus einem empirisch bestimmten Kennfeld entnommen wird, dessen Eingangsgrößen eine die Drehzahl charakterisierende Größe und eine die Last des Verbrennungsmotors charakterisierende Größe sind.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass ein Fahrerwunschmoment gebildet wird aus der Summe des durch die E-Maschine (20) beziehungsweise das alternative Hilfsaggregat aufgebrachten transienten Drehmoments und einem durch den Verbrennungsmotor (10) während der Lastpunktabsenkung aufgebrachten Drehmoments.
  9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
  11. Elektronisches Steuergerät (30), welches eingerichtet ist, um an einer transienten Übergangsphase eines Fahrzeugs (1) über einen durch einen Dynamikindikator zur Bestimmung der transienten Übergangsphase definierten Zeitraum eine Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors (10) und simultan hierzu eine Drehmomentsubstitution durch ein durch eine E-Maschine (20) oder ein alternatives Hilfsaggregat ausgebautes Drehmoment zu bestimmen und vorzunehmen.
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