DE102016211487A1

DE102016211487A1 - Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung während des Betriebs eines autonom fahrenden Fahrzeuges sowie Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage und Fahrzeug mit Steuerungseinrichtung

Info

Publication number: DE102016211487A1
Application number: DE102016211487.5A
Authority: DE
Inventors: Frederik De Smet; Matthew Schneider; Dirk Römer; Felix Göbel
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Der Gegenstand der Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung während des Betriebs eines autonom fahrenden Fahrzeugs. Das Verfahren nutzt die Ansteuerung eines Antriebsstrang und eines Verbrennungsmotors sowie die Freiheitsgrade eines autonom fahrenden Fahrzeugs, so dass sich für den Betrieb der Abgasnachbehandlungseinrichtung günstige Temperaturen ergeben. Die Erfindung umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung ausgebildet zur Durchführen des Verfahrens und ein Fahrzeug welches eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung während des Betriebs eines autonom fahrenden Fahrzeuges sowie eine Steuerungseinrichtung und ein autonom fahrendes Fahrzeug.
Technischer Hintergrund
Verbrennungsmotoren erzeugen beim Betrieb häufig erhebliche Mengen von Schadstoffen (HC, CO, NO_x, Partikel). Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Diesel- und Otto-Motoren liegen die Schadstoff-Mengen im Abgas in der Regel über den zulässigen Grenzwerten, so dass eine Abgasnachbehandlung notwendig ist.
Bei vielen Verbrennungsmotoren wird die Abgasnachbehandlung durch einen Dreiwegekatalysator realisiert. Hier erfolgt eine Reduktion von Stickoxiden (NO_x) durch die im Abgas enthaltenen nicht-oxidierten Bestandteile, nämlich durch Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC). Bei stöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis ermöglicht dies eine günstige und effektive Abgasreinigung. Allerdings benötigen Drei-Wege-Katalysatoren eine Mindesttemperatur der katalytisch beschichteten Oberflächen bevor die zur Abgasreinigung notwendigen Reaktionen stattfinden können. Dieser auch „light-off“-Temperatur t_{LO_3W} genannte Schwellwert liegt üblicherweise bei etwa 200°C.
Insbesondere bei Diesel- und Otto-Magermotoren steht dieses Verfahren jedoch nicht zur Verfügung, da durch den hohen Sauerstoffanteil im Abgas die Reduzierung von NOx nicht bzw. kaum erfolgt. Bei Magermotoren wird daher gemäß einem verbreiteten Verfahren ein NOx-Speicherkatalysator (auch Lean NOx Trap, LNT) eingesetzt, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide aufnimmt und speichert.
Das NOx-Speichervermögen eines NOx-Speicherkatalysators ist allerdings begrenzt, daher erfolgt von Zeit zu Zeit erfolgt eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Dafür wird ein Kraftstoffüberschuss in dem durch den NOx-Speicherkatalysator geleiteten Abgas erzeugt. Dazu wird der Verbrennungsmotor „fett“ (Luftkraftstoff-Verhältnis λ < 1) betrieben. Handelsübliche NOx-Speicherkatalysatoren können NOx aufnehmen und speichern wenn ihre Temperatur oberhalb von t_{LO_LNT} = 200°C bis 250°C liegt. Oberhalb einer Temperatur von ca. t_{schad_LNT} = 550°C bis 600°C geben NOx-Speicherkatalysatoren das eingelagerte NOx wieder ab und ihre Beschichtung wird geschädigt.
Eine Alternative für die NOx-Reduzierung bei Diesel- und Otto-Magermotoren stellt ein SCR-Katalysator (von selektive katalytische Reaktion, auch engl. Selective catalytic reaction) dar. Hier wird dem Abgas ein Reduktionsmittel oder ein Vorprodukt eines Reduktionsmittels zugegeben. In handelsüblichen Ausführungen ist dies meist Harnstofflösung, die im Abgas zu Ammoniak reagiert. Unter Einfluss der katalytischen Wirkung des SCR-Katalysators reagiert der Harnstoff mit dem im Abgas enthaltenen NOx und wandelt dieses in ungefährlichen Stickstoff N₂ und Kohlendioxid CO₂ um. Handelsübliche SCR-Katalysatoren haben eine light-off-Temperatur t_{LO_SCR} von etwa 180°C.
Diesel- und Otto-Magermotoren werden üblicherweise mit einem Oxidationskatalysator verbaut, um HC und CO-Emissionen zu minimieren. Im Oxidationskatalysator reagieren HC und CO mit dem Restsauerstoff O₂ im Abgas zu ungefährlichem CO₂ und Wasser H₂O. Die „light-off“-Temperatur t_{LO_Oxi} von handelsüblichen Oxidationskatalysatoren liegt üblicherweise bei 200°C.
Insbesondere Dieselmotoren und direkt einspritzende Ottomotoren erzeugen bei der Verbrennung Partikel. Partikel bestehen zum Großteil aus Ruß, also unverbranntem Kohlenstoff. Um die Partikelemissionen unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte zu halten, werden in Fahrzeugen häufig Partikelfilter (DPF) aus poröser Keramik verbaut. Das Abgas wird durch den Partikelfilter geleitet und die Partikel lagern sich im Filter an.
Ab einem bestimmten Partikel-Beladungsgrad erzeugt der Partikelfilter einen unzulässig hohen Abgasgegendruck und muss regeneriert werden. Dazu wird der Partikelfilter auf eine Temperatur oberhalb eines Schwellwerts t_{DPF_reg} erhitzt, ab dem die eingelagerten Partikel mit dem Restsauerstoff im Abgas reagieren und verbrennen. Bei handelsüblichen katalytisch beschichteten Partikelfiltern liegt diese Temperatur t_{DPF_reg} bei etwa 600°C.
Zum Erreichen möglichst niedriger Abgasemissionen sollte eine Abgasnachbehandlugnseinrichtung, die einen oder mehrere 3-Wege-, NOx-Speicher-, SCR- und Oxidationskatalysatoren umfasst oberhalb ihrer jeweiligen light-off-Temperatur betrieben werden. Insbesondere direkt nach einem Start des Verbrennungsmotors liegen die Temperaturen allerdings deutlich unterhalb der light-off-Temperaturen. Das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors bestimmt die Temperatur und den Volumenstrom des durch die Abgasnachbehandlung strömenden Abgases. Es hat daher großen Einfluss auf die Zeitdauer zwischen einem Start des Verbrennungsmotors und dem Erreichen der light-off-Temperatur einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Ein NOx-Speicherkatalysator sollte nicht oberhalb der Temperatur t_{schad_LNT}, ab der er Schaden nimmt, betrieben werden. Dementsprechend sollten Betriebsprofile des Verbrennungsmotors vermieden werden, die solche Temperaturen erzeugen. Ansonsten wird der NOx-Speicherkatalysator beschädigt und es kommt zu erhöhtem Schadstoffausstoß des Fahrzeuges oder finanzieller Belastung des Fahrzeugnutzers durch Reparaturbedarf.
Eine Regeneration eines Partikelfilters findet idealerweise in einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors statt, in welchem dieser wirkungsgradoptimal betrieben die notwendige Temperatur des Abgases zum Erreichen der Regenerationstemperatur des Partikelfilters erzeugt. In anderen Betriebsbereichen muss der Verbrennungsmotor beispielsweise mit spätem Verbrennungsschwerpunkt betrieben werden, um die Abgastemperatur so anzuheben, dass die Regenerationstemperatur des Partikelfilters erreicht wird. Dies erhöht den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs.
Ein autonom fahrendes Fahrzeug kann sich definitionsgemäß ohne Eingriffe eines Fahrers in seiner Umgebung bewegen. Ein Fahrer bzw. Passagier des Fahrzeugs gibt ein Ziel der Fahrt vor und muss danach keine weiteren Handlungen vollziehen. Das autonom fahrende Fahrzeug legt eine Route vom momentanen Standort zum Zielort fest und fährt diese selbständig ab. Das heißt das autonom fahrende Fahrzeug wählt selbständig seine Geschwindigkeit und Fahrtrichtung und reagiert auf Verkehrsereignisse. Dazu bedienen sich autonom fahrende Fahrzeuge verschiedener Sensoren, Kommunikationsmittel und Steuerungseinrichtungen.
Beispielsweise können von einem autonom fahrenden Fahrzeug GPS-Daten genutzt werden, um eine momentane Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs festzustellen. Beispielsweise über ein Mobilfunknetz können einem autonom fahrenden Fahrzeug lokale Straßenkarten oder Daten zur aktuellen Verkehrslage elektronisch bereitgestellt werden. Auch kann ein autonom fahrendes Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen, die mit entsprechenden Einrichtungen ausgerüstet sind, kommunizieren, um Verkehrsereignisse frühzeitig zu erkennen und Fahrprofile zu koordinieren.
Autonom fahrende Fahrzeuge nehmen ihre Umgebung üblicherweise durch verschiedene Sensoren wahr, die beispielsweise auf sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung oder Radarstrahlung basieren können. Mittels entsprechender elektronischer Datenverarbeitungseinrichtungen und Steuerungseinrichtungen werden die verfügbaren Informationen verarbeitet und die entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs wie beispielsweise Lenkung, Bremsen, Verbrennungsmotor und Antriebsstrang angesteuert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungsanlage anzugeben, welches in einem autonom fahrenden Fahrzeug betreibbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Steuerungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens und ein Fahrzeug welches eine solche Steuereinrichtung umfasst zur Verfügung zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die oben gestellten Aufgaben werden durch ein Verfahren sowie durch eine Steuerungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 bis 13 sowie ein Fahrzeug welches eine solche Steuerungseinrichtung umfasst, gelöst.
Die Erfindung umfasst dazu ein Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines autonom fahrenden Fahrzeuges während des Betreibens des autonom fahrenden Fahrzeuges. Das autonom fahrende Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und eine Steuerungseinrichtung.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

A: Prüfen eines Bedarfs zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Prüfung des Bedarfs zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann dabei durch den Vergleich einer IST-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem SOLL-Wertfenster verglichen wird.
B: Wenn Bedarf zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung festgestellt wird, Festlegen eines SOLL-Wertfensters für zumindest einen Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Der zumindest eine Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann zumindest einen Parameter von Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Abgasvolumenstrom
durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung, Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung und Temperatur T_A des Abgases, welches durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung strömt, umfassen. Diese Parameter haben besonders großen Einfluss auf die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
C: Ermitteln eines Betriebsprofils des Verbrennungsmotors, in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung durchläuft.

Das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors kann eine momentane Last (M_D), ein momentanes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ), einen momentanen Verbrennungsschwerpunkt (COHR, von Englisch „center of heat release“) und eine momentane Drehzahl (n) umfassen. Diese Parameter beeinflussen die Temperatur und den Volumenstrom des Abgases besonders stark.

D: Ermitteln eines vom Fahrzeug zu durchfahrenden Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs, in welchem der Verbrennungsmotor innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben wird. Das Fahrprofil kann dabei insbesondere die Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges und die Einstellungen eines Antriebsstrangs umfassen.
E: Durchfahren des in (D) ermittelten Fahrprofils.

Das in Verfahrensschritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Betriebsprofil des Verbrennungsmotors kann ein n-dimensionaler Parameterraum sein. Dieser enthält dann ausschließlich Parametersätze, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt.
Insbesondere kann ein solcher n-dimensionaler Parameterraum ausschließlich Parametersätze enthalten, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors beschreiben, in dem der mindestens eine Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung sich ohne Unterbrechung bis zum Erreichen einer Schwellwerttemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt. Bei Ausführung eines solchen Betriebsprofils erreicht die Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders schnell den Schwellwert des mindestens einen Betriebsparameters.
Wenn das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors ein n-dimensionaler Parameterraum wie oben beschrieben ist, kann das in Verfahrensschritt (D) ermittelte, vom autonom fahrenden Fahrzeug zu durchfahrenden Fahrprofil ein Fahrprofil sein, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors innerhalb eines aus Kombinationen der Einstellungen des Antriebsstrangs des Fahrzeuges und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors gelegenen Parameterraums liegen. Die Anwendung dieser Vorschrift unterstützt die Festlegung eines Fahrprofils, in dem der Verbrennungsmotor in dem für ihn in Verfahrensschritt (C) festgelegten Betriebsprofil betrieben wird.
Die Festlegung eines Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs, in dem der Verbrennungsmotor in dem für ihn in Verfahrensschritt (C) festgelegten Betriebsprofil betrieben wird, kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch unterstützt werden, in dem elektronisch bereitgestellte Information berücksichtigt werden.
Insbesondere können solche Informationen die Verkehrslage auf möglichen Fahrstrecken des autonom fahrenden Fahrzeugs betreffen. Die Informationen können unter anderem von anderen Fahrzeugen übermittelt oder mit diesen ausgetauscht werden. Es können aber auch Informationen berücksichtigt werden, die mit Lichtzeichenanlagen, umgangssprachlich Ampel ausgetauscht werden.
Die verschiedenen Möglichkeiten zur Berücksichtigung elektronisch bereitgestellter Informationen unterstützen die Ermittlung eines im das autonom fahrende Fahrzeug umgebenden Verkehr realisierbaren Fahrprofils, in welchem der Verbrennungsmotor in dem für ihn in Verfahrensschritt (C) festgelegten Betriebsprofil betrieben wird.
Die elektronisch bereitgestellten Informationen zur Ermittlung des Betriebsprofils (C) können also zumindest von einem Verkehrsleitsystem übermittelte Informationen umfassen, bspw. Informationen über die Fahrstrecke und/oder Informationen über die Verkehrslage. Die vom Verkehrsleitsystem übermittelten Informationen können dabei über Lichtzeicheneinlagen an das Fahrzeug übermittelt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zur Ermittlung des Betriebsprofils (C) zumindest Informationen heranzuziehen, welche mit weiteren autonom fahrenden Fahrzeugen ausgetauscht wurden.
Die Offenbarung umfasst auch eine Steuerungseinrichtung für den Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs einschließlich der Ansteuerung eines Verbrennungsmotors, der Ansteuerung eines Antriebsstrangs, und der Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung während des Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeuges, die dadurch gekennzeichnet ist, die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeprägt ist.
Dazu ist die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung mit entsprechenden Ein- und Ausgängen für Sensoren und Aktoren sowie elektronischen Schaltungen und Datenträgern ausgerüstet. Die Steuerungseinrichtung kann auch in mehrere Steuerungseinrichtungen aufgeteilt sein, wie beispielsweise eine Verbrennungsmotorsteuerungseinrichtung und eine Antriebsstrangeinrichtung. Sie kann aber auch andere Steuerungseinrichtungen umfassen.
Die Offenbarung umfasst weiterhin ein autonom fahrendes Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, einen Antriebsstrangs und eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgend angeführten detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
1 stark schematisiert ein erfindungsgemäßes autonom fahrendes Fahrzeug; und
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt ein erfindungsgemäßes autonom fahrendes Fahrzeug 2 in einer stark schematisierten Darstellung. Ein solches Fahrzeug 2 umfasst mindestens einen Verbrennungsmotor 3, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 und eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10. In diesem Beispiel umfasst das autonom fahrende Fahrzeug auch einen Antriebsstrang 4. Das autonom fahrende Fahrzeug 2 kann sich ohne direkten Eingriff eines Fahrers durch seine Umgebung, beispielsweise den Straßenverkehr, zu einem vorgegebenen Reiseziel bewegen.
Bei dem Verbrennungsmotor 3 kann es sich um handelsübliche Diesel oder Otto-Motoren handeln. Diese können mit verschiedenen Brenn- und Gemischaufbereitungsverfahren ausgebildet sein und mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden. Für die vorliegende Erfindung von besonderer Relevanz sind Verbrennungsmotoren 3, die mit Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffverbindungen betrieben werden. Solche Verbrennungsmotoren 3 stoßen ein Abgas 5 aus, welches HC, CO und NOx enthält. Beispiele dafür sind handelsübliche PKW-Diesel- und Ottomotoren. Für das dargestellte Beispiel wird von einem Dieselmotor ausgegangen.
Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 handelt es sich in der beispielhaften Ausführung um einen SCR-Katalysator. Es kann sich aber auch um einen 3-Wege-Katalysator, einen Oxidationskatalysator, einen NOx-Speicherkatalysator, einen Partikelfilter oder eine Kombination davon handeln. Die Art der Abgasnachbehandlungseinrichtung bestimmt im Wesentlichen nur die numerischen Schwellwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens, nicht aber sein Prinzip.
Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1, ausgeführt als SCR-Katalysatoren, werden beispielweise in Verbindung mit Verbrennungsmotoren 3 in Form von handelsüblichen Dieselmotoren in Fahrzeugen 2 verbaut. Sie sind im Abgasstrang stromabwärts des Verbrennungsmotors 3 angeordnet und werden dementsprechend von dem Abgas 5, welches vom Verbrennungsmotor 3 ausgestoßen wird, durchströmt. Somit ist die Temperatur des Abgases 5 der Haupteinfluss auf die Temperatur T der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1. SCR-Katalysatoren können auch in andere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, zum Beispiel Partikelfilter, integriert sein.
SCR-Katalysatoren konvertieren NOx oberhalb einer light-off-Temperatur T_{LO_SCR} von etwa 180°C. Dementsprechend sollte die als SCR-Katalysator ausgebildete Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 während des Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 eine Temperatur von mindestens 180°C haben, um einen vorteilhaft geringen Schadstoffausstoß des Fahrzeugs 2 zu ermöglichen.
Bei dem autonom fahrenden Fahrzeug 2 kann es sich um einen üblichen PKW oder LKW handeln. Aber auch eine Ausbildung als Wasserfahrzeug (Boot oder Schiff) oder als Motorrad wäre denkbar.
Der Antriebsstrang 4 umfasst üblicherweise eine Anordnung aus Komponenten zur Energiewandlung und optional auch -Speicherung. Handelsübliche Ausbildungen umfassen zum Beispiel Übersetzungsgetriebe, die in der Kraftübertragung zwischen Verbrennungsmotor 3 und den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs 2 angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10 ist hinsichtlich ihrer Eingänge und Ausgänge und einer Steuerelektronik derart ausgebildet, dass sie Verbrennungsmotor 3 und Antriebsstrang 4 ansteuern kann und die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 möglich ist. Die Steuereinrichtung 10 kann auch mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungseinrichtungen kommunizieren, um zum Beispiel einen momentanen Kraftstoffverbrauch anzuzeigen oder einen Kraftstoffvorrat abzufragen.
Die Steuerungseinrichtung 10 kann auch in eine andere Steuereinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeugs 2, zum Beispiel ein Motorsteuergerät, integriert sein oder diese umfassen. Die Steuerungseinrichtung 10 kann außerdem eine Anzahl von Informationen über die vom Fahrzeug 2 zu durchfahrende Wegstrecke verarbeiten und zur Auswahl von Fahrprofilen verwenden.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperatursteuerung eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 eines autonom fahrenden Fahrzeuges 2.
In Verfahrensschritt A wird der Bedarf zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 geprüft. Dies kann beispielsweise durch einen Vergleich einer IST-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 mit einem SOLL-Wertfenster für die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 erfolgen.
In der beispielhaft dargestellten Ausführung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 als SCR-Katalysator wird geprüft, ob die IST-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 unterhalb T_{LO_SCR} = 180°C liegt. Wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 unter 180°C liegt, wird eine Bedarf zur Temperaturregelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 festgestellt.
Die IST-Temperatur T_AN der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 kann durch eine direkte Messung, beispielsweise durch einen in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 angeordneten Temperatursensor ermittelt werden. Sie kann aber auch durch Rechenmodelle, beispielsweise basierend auf Temperaturen und Massenströmen des Abgases 5, ermittelt werden.
Wenn in dem Verfahrensschritt A ein Bedarf zur Temperaturregelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 festgestellt, wurde, wird in einem Verfahrensschritt B ein SOLL-Wertfenster für zumindest einen Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 festgelegt. Im dargestellten Beispiel sind die Betriebsparameter Volumenstrom
und Temperatur (T_A) des Abgases 5 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1.
Das SOLL-Wertfenster der Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 wird so festgelegt, dass die Betriebsparameter sich in einem Bereich bewegen, der ein vorteilhaft schnelles Annähern und Erreichen der IST-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 an den SOLL-Wertbereich der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 sicherstellt. Im dargestellten Beispiel wird das SOLL-Wertfenster für Volumenstrom
und Temperatur (T_A) des Abgases 5 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 so festgelegt, dass ein vorteilhaft schnelles Erhöhen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 auf über 180°C erreicht wird.
Dies kann beispielsweise durch Einführen einer Hilfsgröße W_T, welche den Wärmetransport vom Abgas 5 in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 abbildet, unterstützt werden. W_T kann beispielsweise folgendermaßen definiert sein:
Die Größe von W_T beschreibt die Effektivität eines Satzes von Betriebsparametern der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zum Erreichen des in diesem Fall relevanten Schwellwerts der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1. Parametersätze mit negativem W_T liegen im dargestellten Beispiel logischerweise außerhalb des SOLL-Wertfensters für Volumenstrom
und Temperatur (T_A) des Abgases 5, da sie Wärme aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 abführen und so nicht zum Erreichen der Mindesttemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 beitragen.
Für W_T kann ein numerischer Schwellwert W_{T_min} eingeführt werden, wobei im dargestellten Beispiel Betriebsparametersätze mit einem W_T > W_{T_min} Parametersätze sind, welche die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 vorteilhaft schnell auf die Schwellwerttemperatur T_{LO_SCR} = 180°C aufwärmen. So kann beispielsweise das SOLL-Wertfenster für die Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 definiert werden.
In Verfahrensschritt C wird dann ein Betriebsprofils des Verbrennungsmotors 3 ermittelt, in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 durchläuft. In dem hier dargestellten Beispiel wird das Betriebsprofil des Verbrennungsmotor so gewählt, dass nur Betriebspunkte enthalten sind, welche in Kombinationen aus Volumenstrom
und Temperatur (T_A) des Abgases 5 resultieren, deren W_T > W_{T_min} liegt.
Das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors 3 umfasst im vorliegenden Beispiel Betriebspunkte mit den Parametern momentane Last (M_D), ein momentanes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ), einen momentanen Verbrennungsschwerpunkt (COHR) und eine momentane Drehzahl (n). Diese Parameter beeinflussen hauptsächlich die Temperatur T_A und den Volumenstrom
des Abgases 5.
Das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors 3 setzt sich dann aus einer Abfolge von Betriebspunkten, welche die Vorgabe W_T > W_{T_min} erfüllen zusammen. Die zeitliche Länge des Betriebsprofils ist so gewählt, dass am Ende des Betriebsprofils des Verbrennungsmotors 3 die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 oberhalb der Schwellwerttemperatur T_{LO_SCR} = 180°C liegt. Beispielsweise durch Rechenmodelle kann die zeitliche Dauer des Betriebsprofils des Verbrennungsmotors 3 dieser Vorschrift angepasst werden.
In Verfahrensschritt D wird ein Fahrprofil festgelegt, das vom autonom fahrenden Fahrzeugs 2 zu durchfahren ist. Das Fahrprofil ist ein Fahrprofil, in welchem der Verbrennungsmotor 3 innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben wird. Das Fahrprofil kann dabei insbesondere die Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges und die Einstellungen eines Antriebsstrangs, zum Beispiel Gangstufen, umfassen.
Um das Fahrprofil zu ermitteln, kann es aus Fahrzuständen des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 zusammengesetzt werden, deren Fahrwiderstände in Zusammenwirkung mit den Einstellungen des Antriebsstrangs 4 nur Lasten M_D und Drehzahlen n vom Verbrennungsmotor 3 abfordern, welche Betriebspunkten entsprechen, die im in Verfahrensschritt C ermittelten Betriebsprofil des Verbrennungsmotors 3 enthalten sind. Diese Vorschrift erleichtert die Ermittlung eines Fahrprofils, welches den Verbrennungsmotor 3 innerhalb des in Verfahrensschritt C festgelegten Betriebsprofils betreibt.
Um die Ermittlung eines solchen Fahrprofils zu unterstützen, können neben elektronisch bereitgestellte Informationen über die geographischen Gegebenheiten der
Wegstrecke des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 mit Steigungen, Gefällen und möglichen Geschwindigkeiten auch weitere Informationen verwendet werden. Es können beispielsweise elektronische bereitgestellte Informationen über die Verkehrslage verwendet werden um eine Durchführbarkeit des Fahrprofils sicherzustellen.
Es können auch Informationen mit anderen Fahrzeugen ausgetauscht werden. Wenn es sich um autonom fahrende Fahrzeuge handelt, können beispielswiese Fahrprofile anderer autonom fahrender Fahrzeuge berücksichtigt und Fahrprofile zwischen Fahrzeugen synchronisiert werden. Es können auch Informationen mit Lichtzeichenanlagen (Verkehrsampeln) ausgetauscht werden. Beispielsweise können so anstehende Rot- oder Grünphasen einer Ampel berücksichtigt werden.
Insgesamt kann so ein Fahrprofil festgelegt werden, welches eine Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 unterstützt und in einem das autonom fahrende Fahrzeug 2 umgebenden Verkehr durchführbar ist.
In Verfahrensschritt E durchfährt das autonom fahrende Fahrzeug 2 das in Verfahrensschritt D ermittelte Fahrprofil. Durch das Durchfahren des Fahrprofils wird die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 im dargestellten Beispiel in vorteilhaft kurzer Zeit auf eine Temperatur oberhalb von T_{LO_SCR} = 180°C erhöht.
Die Offenbarung umfasst auch eine Steuerungseinrichtung 10 für den Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs 2 einschließlich der Ansteuerung eines Verbrennungsmotors 3, der Ansteuerung eines Antriebsstrangs 4, und der Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 während des Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeuges 2. Die Steuerungseinrichtung 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeprägt ist.
Dazu ist die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10 mit entsprechenden Ein- und Ausgängen für Sensoren und Aktoren sowie elektronischen Schaltungen und Datenträgern ausgerüstet. Die Steuerungseinrichtung kann auch in mehrere Steuerungseinrichtungen aufgeteilt sein, wie beispielsweise eine Verbrennungsmotorsteuerungseinrichtung und eine Antriebsstrangeinrichtung. Sie kann aber auch andere Steuerungseinrichtungen umfassen.
Die Offenbarung umfasst weiterhin ein autonom fahrendes Fahrzeug 2, umfassend einen Verbrennungsmotor 3, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, einen Antriebsstrangs 4 und eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10.
Bezugszeichenliste

1 Abgasnachbehandlungseinrichtung
2 autonom fahrendes Fahrzeug
3 Verbrennungsmotor
4 Antriebsstrang
5 Abgas
10 Steuerungseinrichtung für Verbrennungsmotor und Antriebsstrang
COHR Verbrennungsschwerpunkt (von engl.: center of heat release)
T_A Temperatur des Abgases = Abgastemperatur
T_AN Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung
Volumenstrom des Abgas = Abgasvolumenstrom
M_D Last
A, B, C Schritte des Verfahrens
n Drehzahl
λ Luft-Kraftstoffverhältnis

Claims

Verfahren zur Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eines autonom fahrenden Fahrzeuges (2) mit einem Verbrennungsmotor (3) und einer Steuerungseinrichtung (10) für den Verbrennungsmotor (3), während des Betreibens des autonom fahrenden Fahrzeuges (2), gekennzeichnet durch folgende Schritte: A: Prüfen eines Bedarfs zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1); B: Wenn Bedarf zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) festgestellt wird, Festlegen eines SOLL-Wertfensters für zumindest einen Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), C: Ermitteln eines Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3), in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) durchläuft; D: Ermitteln eines vom Fahrzeug (2) zu durchfahrenden Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs (2), in welchem der Verbrennungsmotor (3) innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben wird; E: Durchfahren des in (D) ermittelten Fahrprofils.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Prüfung des Bedarfs zur Temperatursteuerung der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eine IST-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) mit einem SOLL-Wertfenster verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zumindest eine Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) zumindest einen Parameter von Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), Abgasvolumenstrom
durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) und Temperatur T_A des Abgases (5), welches durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) strömt, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Parameter des Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) eine momentane Last (M_D), ein momentanes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ), einen momentanen Verbrennungsschwerpunkt (COHR) und eine momentane Drehzahl (n) umfassen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das in (D) ermittelte Fahrprofil die Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) und die Einstellungen eines Antriebsstrangs (4) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) ein n-dimensionaler Parameterraum ist, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) ein n-dimensionaler Parameterraum ist, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) beschreiben, in dem der mindestens eine Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) sich ohne Unterbrechung bis zum Erreichen einer Schwellwerttemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem der Verbrennungsmotor (3) in dem für ihn in Verfahrensschritt (C) festgelegten Betriebsprofil betrieben wird, indem als Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) ein Fahrprofil ermittelt wird, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (2) innerhalb eines aus Kombinationen der Einstellungen des Antriebsstrangs (4) des Fahrzeuges (2) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Verbrennungsmotor (3) in dem für ihn in Verfahrensschritt (C) festgelegten Betriebsprofil betrieben wird, indem elektronisch bereitgestellte Informationen berücksichtigt werden, um ein Fahrprofil für das Fahrzeug (2) zu ermitteln, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen der Einstellungen des Antriebsstrangs (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch bereitgestellten Informationen zur Ermittlung des Betriebsprofils (C) zumindest von einem Verkehrsleitsystem übermittelte Informationen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das die vom Verkehrsleitsystem übermittelten Informationen zumindest Informationen über die Fahrstrecke umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Verkehrsleitsystem übermittelten Informationen zumindest Informationen über die Verkehrslage umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Verkehrsleitsystem übermittelten Informationen über Lichtzeicheneinlagen an das Fahrzeug (2) übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch bereitgestellten Informationen zur Ermittlung des Betriebsprofils (C) zumindest Informationen, welche mit weiteren autonom fahrenden Fahrzeugen ausgetauscht wurden, umfassen. Steuerungseinrichtung (10) für den Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs (2) einschließlich der Ansteuerung eines Verbrennungsmotors (3), der Ansteuerung eines Antriebsstrangs (4), und der Temperatursteuerung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) während des Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeuges (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Autonom fahrendes Fahrzeug (2), umfassend einen Verbrennungsmotor (3), eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), einen Antriebsstrangs (4) dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerungseinrichtung (10) nach Anspruch 13 umfasst.