DE102017208635B4

DE102017208635B4 - Abgassteuerung für ein Hybridfahrzeug mit Partikelfilter

Info

Publication number: DE102017208635B4
Application number: DE102017208635.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hemminger; Stefan Tschackert; Florian Zink
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2037-05-23
Also published as: DE102017208635A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines einen Partikelfilter (32) umfassenden Abgasnachbehandlungssystems (30) eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor (11) und einem elektrischen Antriebssystem (12), bei dem zur Adaption eines Differenzdruckfaktors (120) an eine aktuelle Rußbeladung (110) des Partikelfilters (32) dem Verbrennungsmotor (11) durch das elektrische Antriebssystem (12) eine Lastdynamik (103,104) aufgeprägt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgassteuervorrichtung, die in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, welches einen Partikelfilter im Abgasstrang aufweist, eingesetzt wird, und auf ein Verfahren zum Betrieb der Abgassteuervorrichtu ng.
Partikelfilter werden zur Reduzierung der Partikelemission von mit Benzin oder Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren eingesetzt. Auch Hybridfahrzeuge, welche im Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine E-Maschine kombinieren, können mit einem Partikelfilter ausgestattet sein, um Partikel aus dem Abgas des Verbrennungsmotors zu entfernen.
Das Abgas des Verbrennungsmotors wird durch den Partikelfilter geleitet, der die in dem Abgas befindlichen Feststoffpartikel abscheidet und in einem aus einer porösen Keramik hergestellten Filterelement zurückhält. Durch die in dem Filterelement abgelagerten Rußpartikel setzt sich der Partikelfilter mit der Zeit zu, was sich in einer Erhöhung des Strömungswiderstands und damit des Abgasgegendrucks bemerkbar macht. Dies wirkt sich negativ auf die Leistung des Verbrennungsmotors und den Kraftstoffverbrauch aus. Daher ist es erforderlich, den Partikelfilter von Zeit zu Zeit zu reinigen. Zur Ermittlung des Zeitpunkts, an dem eine Reinigung des Partikelfilters erforderlich wird, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden.
So offenbart die DE 10 2013 008 426 A1 ein Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines Partikelfilters eines Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit von einer in den Partikelfilter eingetragenen Rußmenge, die auf der Grundlage eines mathematischen Modells ermittelt wird. Die Ermittlung der eingetragenen Rußmenge umfasst eine Erfassung und Berücksichtigung solcher rußemissions-relevanter Ereignisse, die in einem standardisierten Fahrzyklus einen vorbestimmten Mindestanteil an einer insgesamt von der Brennkraftmaschine emittierten Rußemission verursachen.
Ob die Beladung so weit fortgeschritten ist, dass eine Reinigung des Partikelfilters notwendig ist, kann auch aus dem Differenzdruck der Abgase vor und nach dem Partikelfilter abgeleitet werden.
Die DE 10 2005 018 575 A1 offenbart eine Abgassteuervorrichtung und ein Abgassteuerverfahren für ein Hybridfahrzeug mit einem Partikelfilter im Abgasstrang. Um den Beladungszustand des Partikelfilters genau erfassen zu können, werden bei einer Messung des Differenzdrucks über den Partikelfilter der Lastpunkt des Verbrennungsmotors und die durch den Partikelfilter strömende Abgasmenge möglichst konstant gehalten. Während der Messung erforderliche Anpassungen der Antriebsleistung werden durch den elektrischen Antrieb vorgenommen.
Auch ein Defekt des Partikelfilters kann mit Hilfe des Differenzdrucks erkannt werden.
In der DE 10 2004 017 521 A1 wird ein Verfahren zur Drucksensordiagnose vorgestellt. Es wird die Steuerung der Regeneration eines Dieselpartikelfilters eines Abgassystems basierend auf einem Differenzdrucksensor beschrieben. Der Abbau des Sensors wird auf verschiedene Arten detektiert. Die Standardoperation wird dann ausgeführt, wenn ein verschlechterter Sensor erkannt wird.
Aus DE 10 2011 003 588 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktion eines Partikelfilters in einem Abgasstrang eines Hybridfahrzeugs bekannt, bei dem durch zusätzliches Öffnen der Drosselklappe Schwankungen in einem Abgasstrom erzeugt werden und der entstehende Differenzdruck über den Partikelfilter gemessen wird. Unterschreitet der Differenzdruck einen vorgegebenen Mindestwert, lässt dies auf einen defekten Partikelfilter schließen.
Der Differenzdruck über den Partikelfilter wird üblicherweise mit zwei Drucksensoren bestimmt, wobei sich je ein Sensor vor dem Partikelfilter, d.h. stromaufwärts, und ein Sensor nach dem Partikelfilter, d.h. stromabwärts befinden. Der Differenzdruck wird nicht nur durch die Rußbeladung des Partikelfilters, sondern auch durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst.
Aus dem Verhältnis der Messwerte der beiden Sensoren und ihrem Ansprechverhalten auf Lastdynamik kann ein Adaptionsfaktor bestimmt werden, der im folgenden Differenzdruckfaktor genannt wird. Dieser Faktor ermöglicht eine genauere Aussage über den Beladungszustand des Partikelfilters als der absolute Gegendruck, da Umgebungseinflüsse nicht mehr berücksichtigt werden müssen.
Mit steigender Rußbeladung des Partikelfilters steigt im Abgassystem der Gegendruck. Der Differenzdruckfaktor muss daher von Zeit zu Zeit an die aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters angepasst werden. Für die Anpassung des Differenzdruckfaktors, die auch als Anlernen bezeichnet werden kann, ist es erforderlich, Daten bei Lastwechseln des Verbrennungsmotors zu erheben. Die Lastdynamik wird in der Regel durch den Fahrer erzeugt, wenn dieser beschleunigt oder verzögert. Das Anlernen des Differenzdruckfaktors geschieht abhängig vom Fahrprofil und kann mitunter lange dauern. Besonders hilfreich für eine schnelle Adaption des Differenzdruckfaktors ist ein Fahrprofil, welches häufige Lastwechsel des Motors zur Folge hat, z.B. Stadtverkehr oder Stau.
Bei Hybridfahrzeugen, welche im Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor mit einer E-Maschine kombinieren, treten oft Fahrsituationen auf, in denen der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Besonders im Stadtverkehr oder bei Stau wird das Hybridfahrzeug im Wesentlichen nur über den Elektromotor angetrieben, ein dynamischer Betrieb des Verbrennungsmotors tritt lediglich in Ausnahmefällen auf. Dadurch wird das Anlernen des Differenzdruckfaktors verzögert und ein schnelles Adaptieren an die aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters ist kaum möglich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren zur Abgassteuerung eines Hybridfahrzeugs mit einem Partikelfilter im Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung zu stellen, welches eine schnelle Adaption des Differenzdruckfaktors an den aktuellen Beladungszustand des Partikelfilters ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand in der Bereitstellung eines Abgassteuerungssystems zur Ausführung des Verfahrens.
Die Lösung der Aufgabe beruht darauf, bei Adaptionsbedarf des Differenzdruckfaktors eine Anlernphase vorzusehen, in der das elektrische Antriebssystem aktiv auf den Verbrennungsmotor Einfluss nimmt. Durch abwechselndes Be- und Entlasten des Verbrennungsmotors wird ein schnelles Anlernen des Differenzdruckfaktors erreicht. Die Be- und Entlastung des Verbrennungsmotors wird so durchgeführt, dass stets ein dem Fahrerwunsch entsprechendes Antriebsmoment gewährleistet werden kann. Die Amplitude und Periodendauer der Eingriffe sowie die Form der Belastungskurve sind so gestaltet, dass die Eingriffe keine Beeinträchtigung des Fahrkomforts zur Folge haben. Ist ein vorgegebenes Stabilitätskriterium des Differenzdruckfaktors erfüllt, kann die Anlernphase verlassen werden.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines einen Partikelfilter umfassenden Abgassystems eines Hybridfahrzeugs, bei dem zur Adaption eines Differenzdruckfaktors an eine aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters dem Verbrennungsmotor durch das elektrische Antriebssystem eine Lastdynamik aufgeprägt wird.
Dieses Verfahren bietet grundsätzlich eine messtechnische Erfassung der Rußbeladung des Partikelfilters, und dient damit als Plausibilisierung des berechneten Modellwerts der Rußbeladung. Die sensorische Erfassung soll als Rückfallebene dienen, um Unschärfen in der modellierten Berechnung abzusichern.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines einen Partikelfilter umfassenden Abgassystems eines Hybridfahrzeugs eine Anlernphase zur Adaption eines Differenzdruckfaktors an eine aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters, in welcher Anlernphase die Abgasdrücke stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters gemessen werden, während die Leistungsabgabe des Elektromotors und des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs periodisch variiert werden, wobei die Summe der von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor erzeugten Antriebsmomente immer der Antriebsmomentanforderung durch den Fahrer entspricht; und worin mit den gemessenen Drücken ein Differenzdruckfaktor ermittelt wird.
In der Anlernphase nimmt das elektrische Antriebssystem aktiv auf den Verbrennungsmotor Einfluss. Durch abwechselndes Be- und Entlasten des Verbrennungsmotors wird ein schnelles Anlernen des Differenzdruckfaktors erreicht. Die Be- und Entlastung des Verbrennungsmotors wird so durchgeführt, dass stets ein dem Fahrerwunsch entsprechendes Antriebsmoment gewährleistet werden kann. Die Amplitude und Periodendauer der Eingriffe sowie die Form der Belastungskurve sind so gewählt, dass die Eingriffe keine Beeinträchtigung des Fahrkomforts zur Folge haben.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anlernphase eingeleitet, wenn ein vorgegebener Grenzwert der Beladung des Partikelfilters (aus der modellierten Erfassung) erreicht wird. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anlernphase eingeleitet, wenn eine Diskrepanz zwischen Modell und Sensorwerten auftritt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anlernphase beendet, wenn der Differenzdruckfaktor ein vorgegebenes Stabilitätskriterium erfüllt. Dazu wird der Gradient des Lernwertes gebildet. Der Lernwert gilt als stabil, wenn sein Gradient über die Zeit ausreichend klein wird. Die Sprungantwort eines völlig unadaptierten Systems auf eine plötzliche Änderung des Gegendrucks durch Rußbeladung folgt in erster Linie einem PT1-Verhalten.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Partikelfilter ein Partikelfilter für Ottomotoren (OPF). In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Partikelfilter ein Partikelfilter für Dieselmotoren.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassteuerungssystem für ein Hybridfahrzeug mit einem einen Partikelfilter umfassenden Abgasnachbehandlungssystem.
In einer Ausführungsform umfasst ein Abgassteuerungssystem für ein Hybridfahrzeug mindestens zwei Drucksensoren, die einen Abgasdruck auf einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite eines Partikelfilters erfassen; eine Einheit, die einen Differenzdruckfaktor aus unter dynamischen Lastbedingungen des Verbrennungsmotors stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters erfassten Abgasdrücken errechnet; und eine Steuerungseinheit, die einen Elektromotor steuert, um eine schwankende Ausgangsleistung durch den Verbrennungsmotor zu erzeugen, wenn der Differenzdruckfaktor an eine geänderte Rußbeladung des Partikelfilters angepasst werden soll.
Das Abgassteuerungssystem umfasst einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, die gemeinsam ein Antriebsmoment für das Hybridfahrzeug erzeugen. Das Abgassteuerungssystem umfasst ferner eine Steuerungseinheit, die dafür eingerichtet ist, bei einer gegebenen Antriebsmomentanforderung durch den Fahrer des Hybridfahrzeugs die Leistungsabgabe des Elektromotors und des Verbrennungsmotors periodisch zu variieren, wobei die Summe der von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor erzeugten Antriebsmomente immer der Antriebsmomentanforderung durch den Fahrer entspricht. Diese Steuerungseinheit wird aktiv, wenn der Differenzdruckfaktor an eine geänderte Rußbeladung des Partikelfilters adaptiert werden soll.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgassteuerungssystems ist der Verbrennungsmotor ein Ottomotor und der Partikelfilter ist ein Partikelfilter für Ottomotoren (OPF). In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgassteuerungssystems ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor und der Partikelfilter ist ein Partikelfilter für Dieselmotoren.
Das erfindungsgemäße Abgassteuerungssystem kann eine Reinigungseinheit umfassen, die durch Oxidation den im Partikelfilter abgelagerten Ruß entfernt, wenn der Differenzdruckfaktor einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Im neutralen Zustand ist der Differenzdruckfaktor eins, unter Einfluss der Rußbeladung steigt dieser auf Werte größer eins. Dadurch können je nach Abgasnachbehandlungssystem Grenzen definiert werden, ab denen eine Regeneration des Partikelfilters oder Schutzmaßnahmen notwendig sind.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs und des Abgasstrangs eines Hybridfahrzeuges;
2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Parameter in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 ist eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs und des Abgasstrangs eines Hybridfahrzeuges. Antriebsstrang 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 11 und ein elektrisches Antriebssystem bzw. eine E-Maschine 12, die von einer Batterie 13 gespeist wird. Zwischen Verbrennungskraftmaschine 11 und E-Maschine 12 ist eine Trennkupplung 14 angeordnet. Das von Verbrennungskraftmaschine 11 und E-Maschine 12 gemeinsam erzeugte Antriebsmoment 25 wird auf ein Getriebe und letztlich auf die Straße übertragen.
Ein Abgasturbolader 20 ist mit dem Verbrennungsmotor 11 verbunden. Der Verdichter 21 des Abgasturboladers 20 erhält Luft über die Luftzuleitung 24 vom Luftfilter und führt diese über Druckrohr 23, Drosselklappe 15 und Saugrohr 16 der Verbrennungskraftmaschine 11 zu.
Der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 11 wird über die Turbine 22 des Abgasturboladers 20 in das Abgasnachbehandlungssystem 30 geleitet. Das Abgasnachbehandlungssystem 30 enthält einen Oxidationskatalysator 31 und einen Partikelfilter 32. Dabei sind mindestens zwei Ausführungen i) und ii) möglich. In Ausführung i) befindet sich der Oxidationskatalysator 31 stromaufwärts von Partikelfilter 32. In Ausführung ii) befindet sich der Oxidationskatalysator 31 stromabwärts von Partikelfilter 32.
Drucksensoren messen den Abgasdruck vor (P1) und nach (P2) dem Partikelfilter 32, d.h. stromaufwärts (P1) und stromabwärts (P2) des Partikelfilters 32.
In einer Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor 11 ein Ottomotor und das Abgasnachbehandlungssystem 30 enthält einen Partikelfilter für Ottomotoren (OPF). Das Abgassteuerungssystem überwacht bzw. bewertet die Beladung des Partikelfilters mit Ruß anhand von zwei Drucksensoren (die Signale P1 und P2).
In 2 ist das aktive Eingreifen der E-Maschine 12 in den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 11 dargestellt. Bei steigender Rußbeladung 110 im hybridischen Fahrbetrieb (Phase 1) steigt die Beladung des Partikelfilters 32. Ab einer definierten Beladungsschwelle 101 wechselt das Hybridfahrzeug in das aktive Anlernen (Phase 2) des Differenzdruckfaktors 120. Phase 2 zeichnet sich dadurch aus, dass die E-Maschine 12 aktiv auf den Verbrennungsmotor bzw. die Verbrennungskraftmaschine 11 Einfluss nimmt und durch abwechselndes Belasten 104 und Entlasten 103 ein schnelles Anlernen des Differenzdruckfaktors 120 erreicht wird. Die Belastung 104 und Entlastung 103 erfolgt so, dass der Fahrerwunsch stets gewährleistet werden kann. Die Amplitude und Periodendauer der Eingriffe 103,104 sowie die Form der Belastungskurve 130 sind so gewählt, dass sie keine Beeinträchtigung des Fahrkomforts zur Folge haben. Im hybridischen Betrieb (Phase 1, Phase 3) entspricht das Moment des Verbrennungsmotors 11 dem Fahrerwunsch, in entlasteten Phasen 103 ist der Quotient von Verbrennungsmotormoment und Fahrerwunsch kleiner 1, in belasteten Phasen 104 dagegen größer 1. Bei Erreichen 102 eines vorgegebenen Stabilitätskriteriums des Differenzdruckfaktors 120 wird der Adaptionsbetrieb (Phase 2) verlassen und das Fahrzeug wechselt zurück in den hybridischen Fahrbetrieb (Phase 3).
Bezugszeichenliste

1: Phase 1, hybridischer Betrieb
2: Phase 2, Anlernphase
3: Phase 3, hybridischer Betrieb
10: Antriebsstrang
11: Verbrennungskraftmaschine
12: E-Maschine
13: Batterie
14: Trennkupplung
15: Drosselklappe
16: Saugrohr
20: Abgasturbolader
21: Verdichter
22: Turbine
23: Druckrohr
24: Luftzuleitung vom Luftfilter
25: Momentübertragung auf Getriebe/Straße
30: Abgasnachbehandlungssystem
31: Oxidationskatalysator
32: Partikelfilter
101: Adaptionsbedarf
102: adaptiert
103: Entlasten
104: Belasten
110: Rußbeladung des Partikelfilters
120: Differenzdruckfaktor
130: Belastungskurve

Claims

Verfahren zur Steuerung eines einen Partikelfilter (32) umfassenden Abgasnachbehandlungssystems (30) eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor (11) und einem elektrischen Antriebssystem (12), bei dem zur Adaption eines Differenzdruckfaktors (120) an eine aktuelle Rußbeladung (110) des Partikelfilters (32) dem Verbrennungsmotor (11) durch das elektrische Antriebssystem (12) eine Lastdynamik (103,104) aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches eine Anlernphase (2) zur Adaption eines Differenzdruckfaktors an eine aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters (32) umfasst, in welcher Anlernphase Abgasdrücke (P1, P2) stromaufwärts (P1) und stromabwärts (P2) des Partikelfilters (32) gemessen werden, während die Leistungsabgabe des elektrischen Antriebssystems (12) und des Verbrennungsmotors (11) des Hybridfahrzeugs periodisch variiert werden, wobei die Summe der von dem elektrischen Antriebssystem (12) und dem Verbrennungsmotor (11) erzeugten Antriebsmomente immer der Antriebsmomentanforderung durch einen Fahrer entspricht; und worin mit den gemessenen Drücken (P1, P2) ein Differenzdruckfaktor ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Anlernphase (2) bei Erreichen (102) eines vorgegebenen Stabilitätskriteriums des Differenzdruckfaktors (120) beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Anlernphase (2) eingeleitet wird, wenn ein vorgegebener Grenzwert (101) der Beladung des Partikelfilters (32) erreicht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Partikelfilter (32) ein Partikelfilter (32) für einen Ottomotor (OPF) ist.
Abgassteuerungssystem für ein Hybridfahrzeug mit einem einen Partikelfilter (32) umfassenden Abgasnachbehandlungssystem (30), umfassend mindestens zwei Drucksensoren zur Erfassung eines Abgasdrucks auf einer stromaufwärtigen Seite (P1) und einer stromabwärtigen Seite (P2) des Partikelfilters; eine Einheit, die einen Differenzdruckfaktor (120) aus unter dynamischen Lastbedingungen (103,104) eines Verbrennungsmotors (11) des Hybridfahrzeugs stromaufwärts (P1) und stromabwärts (P2) des Partikelfilters (32) erfassten Abgasdrücken (P1,P2) errechnet; und eine Steuerungseinheit, die einen Elektromotor (12) des Hybridfahrzeugs steuert, um eine schwankende Ausgangsleistung durch den Verbrennungsmotor (11) zu erzeugen, wenn der Differenzdruckfaktor (120) an eine geänderte Rußbeladung des Partikelfilters (32) angepasst werden soll.
Abgassteuerungssystem nach Anspruch 6, umfassend den Verbrennungsmotor (11) und den Elektromotor (12), die gemeinsam ein Antriebsmoment für das Hybridfahrzeug erzeugen.
Abgassteuerungssystem nach Anspruch 6, worin der Verbrennungsmotor (11) ein Ottomotor ist.
Abgassteuerungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, das eine Steuerungseinheit umfasst, welche dafür eingerichtet ist, bei einer gegebenen Antriebsmomentanforderung durch einen Fahrer des Hybridfahrzeugs eine Leistungsabgabe des Elektromotors (12) und des Verbrennungsmotors (11) periodisch zu variieren, wobei die Summe der von dem Elektromotor (12) und dem Verbrennungsmotor (11) erzeugten Antriebsmomente immer der Antriebsmomentanforderung durch den Fahrer entspricht.
Abgassteuerungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, das eine Reinigungseinheit umfasst, welche durch Oxidation den im Partikelfilter (32) abgelagerten Ruß entfernt, wenn der Differenzdruckfaktor (120) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.