DE102018127550A1

DE102018127550A1 - Verfahren zum betreiben eines hybridfahrzeuges

Info

Publication number: DE102018127550A1
Application number: DE102018127550.1A
Authority: DE
Inventors: Joschka Schaub; Raphael Dewor
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2018-12-20
Also published as: DE102017126091A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges (100), mit den Schritten eines Erfassens (S101) eines Ladezustandes einer Speichereinrichtung (101) für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges (100); eines Ermittelns (S102), ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors (103) bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes; und eines Aufheizens (S103) eines Katalysators (105) für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem Motorstart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges und ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor.
Die Druckschrift WO 2008/117484 A1 betrifft einen Katalysator-Aufwärmbetrieb einer internen Verbrennungsmaschine und einen Betrieb der internen Verbrennungsmaschine zum Laden eines Akkumulators, um eine Restkapazität des Akkumulators sicherzustellen, während eine Emissions-Verschlechterung verhindert wird.
Die Druckschrift WO 2015/092510 A2 betrifft ein Hybridfahrzeug, ein Steuergerät für das Hybridfahrzeug, das eine interne Verbrennungsmaschine mit einem variablen Ventilbetätigungsgerät zum Ändern der Betriebscharakteristik eines Einlassventils umfasst.
Es ist die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schadstoffausstoß und Emissionen eines Hybridfahrzeuges zu verringern.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges gelöst, mit den Schritten eines Erfassens eines Ladezustandes einer Speichereinrichtung für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges; eines Ermittelns, Prädizierens oder Vorhersagens, ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes; und eines Aufheizens eines Katalysators für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem, prädizierten oder vorhergesagtem Motorstart. Durch das Verfahren kann sichergestellt werden, dass der Katalysator bereits beim Start des Verbrennungsmotors eine Betriebstemperatur aufweist und Schadstoffe effizient aus dem Abgasstrom beseitigt werden können.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Ladezustand der Speichereinrichtung über einen vorgegebenen Zeitraum linear vorausextrapoliert. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Start des Verbrennungsmotors auf einfache Weise vorausberechnet werden kann.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Katalysator aufgeheizt, wenn der vorausextrapolierte Ladezustand einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass exakt festgelegt wird, wann Katalysator aufgeheizt wird.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Katalysator aufgeheizt, wenn einer Fahrzeugtür des Fahrzeugs geöffnet wird. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeuges der Katalysator Schadstoffe effizient aus dem Abgasstrom beseitigen kann.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Katalysator elektrisch aufgeheizt. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Katalysator auf schnelle Weise aufgeheizt werden kann.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Katalysator in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand vor dem ermittelten Start des Verbrennungsmotors aufgeheizt. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Katalysator ausreichend Zeit hat, die Betriebstemperatur zu erreichen.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Ermitteln des Motorstarts zusätzlich auf Basis elektronischer Informationen über eine Fahrroute des Hybridfahrzeugs durchgeführt. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Start des Verbrennungsmotors mit einer höheren Genauigkeit vorhergesagt werden kann.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Ermitteln des Motorstarts zusätzlich auf Basis elektronischer Informationen über eine Temperatur der Speichereinrichtung durchgeführt. Dadurch wird ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der Start des Verbrennungsmotors mit einer höheren Genauigkeit vorhergesagt werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor zum Antreiben des Hybridfahrzeugs gelöst, mit einer elektrischen Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ladezustandes einer Speichereinrichtung für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges; einer Vorhersageeinrichtung zum Ermitteln, ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes; und einer Heizeinrichtung zum Aufheizen eines Katalysators für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem Motorstart. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erreicht.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Hybridfahrzeuges ist die Vorhersageeinrichtung ausgebildet, den Ladezustand der Speichereinrichtung über einen vorgegebenen Zeitraum linear voraus zu extrapolieren. Dadurch wird ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der Start des Verbrennungsmotors auf einfache Weise vorausberechnet werden kann.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Hybridfahrzeuges ist die Vorhersageeinrichtung ausgebildet, den Katalysator in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand vor dem ermittelten Start des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Dadurch wird ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der Katalysator ausreichend Zeit hat, die Betriebstemperatur zu erreichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Hybridfahrzeuges;
2 einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustandes; und
3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hybridfahrzeuges 100. Das Hybridfahrzeug 100 ist ein Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor 107 und einem Verbrennungsmotor 103 angetrieben wird. Das Hybridfahrzeug 100 bezieht die Energie aus einer Speichereinrichtung 101 für elektrische Energie und aus einem Betriebskraftstofftank 109. Die Speichereinrichtung 101 ist beispielsweise eine Hochvoltbatterie, die die elektrische Energie an den Elektromotor 107 abgibt und rekuperierte Energie beim Bremsen des Hybridfahrzeugs 100 speichert.
Zusätzlich zu dem elektrischen Antriebsstrang, der den Elektromotor 107 und die Speichereinrichtung 101 umfasst, weist das Hybridfahrzeug 100 einen Verbrennungsmotor 103 auf. Der Verbrennungsmotor 103 verbrennt den Kraftstoff aus dem Betriebskraftstofftank 109 und ist beispielsweise durch einen Otto- oder Dieselmotor gebildet. Der Verbrennungsmotor 103 wird dann verwendet, wenn die gespeicherte Energie in der Speichereinrichtung 101 niedrig ist und für einen Fahrbetrieb nicht mehr ausreicht. Durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 103 kann sowohl Antriebsenergie zum Antreiben des Hybridfahrzeugs 100 als auch elektrische Energie zum Laden der Speichereinrichtung 101 gewonnen werden.
Der Kaltstart des Verbrennungsmotors 103 erzeugt sowohl bei Ottoals auch Dieselmotoren erhöhte Konzentrationen an Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC). Zudem muss nach einem Kaltstart die dem Verbrennungsmotor 103 nachgeschaltete Abgasnachbehandlung zunächst auf Betriebstemperatur gebracht werden, bevor diese die im Abgas enthaltenen Schadstoffe wirksam konvertieren kann. Das Emissionsergebnis eines Kaltstartzyklus hängt daher entscheidend von der Aufheizphase des Katalysators 105 als Abgasnachbehandlungssystem ab.
Die Verbrennungsabgase des Verbrennungsmotors 103 werden durch einen Katalysator 105 gereinigt und an die Umgebung abgegeben. Der Katalysator 105 dient der Abgasnachbehandlung. Durch den Katalysator 105 können die Schadstoffemissionen im Abgas reduziert werden. Der Katalysator 105 erreicht seinen optimalen Wirkungs- oder Reinigungsgrad bei der jeweiligen Betriebstemperatur. Unterhalb der Betriebstemperatur ist der Wirkungs- oder Reinigungsgrad geringer. Der Katalysator 105 ist beispielsweise ein Oxidationskatalysator zum Entfernen von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen aus dem Abgas durch Oxidation mit dem Restsauerstoff oder ein Katalysator für eine selektive katalytische Reaktion (SCR-Katalysator).
Durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator 105 kann die Dauer der Aufheizphase deutlich gemindert werden. Da die Beheizung des Katalysators 105 unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors 103 möglich ist, kann das Aufheizen des Katalysators 105 zeitlich vor dem Start des Verbrennungsmotors 103 erfolgen, so dass sich neue Möglichkeiten zur Emissionsminderung ergeben.
Um den Katalysator 105 bei dem Start des Verbrennungsmotors 103 bei einem optimalen Wirkungsgrad betreiben zu können, ist dieser daher mit einer Heizscheibe 111 als Heizeinrichtung ausgerüstet. Die Heizscheibe 111 wird elektrisch betrieben und kann den Katalysator 105 in kurzer Zeit auf die Betriebstemperatur bringen. Zu diesem Zweck ist die steuerbare Heizscheibe 111 mit einer Spannungsversorgung verbunden. Dadurch erreicht der Katalysator 105 seinen optimalen Betriebspunkt, auch ohne zuvor von dem heißen Abgas des Verbrennungsmotors 103 aufgewärmt worden zu sein.
Zur Steuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators 105 kann ein prädiktives Verfahren in Abhängigkeit des Ladezustandes der Speichereinrichtung 101 verwendet werden. Die Speichereinrichtung 101 umfasst eine elektrische Erfassungseinrichtung 113, die den Ladzustand der Speichereinrichtung 101 elektronisch erfassen kann. Die Erfassungseinrichtung 113 ist beispielsweise durch eine elektronische Schaltung gebildet, die mit der Speichereinrichtung 101 gekoppelt ist. Der Ladezustand der Speichereinrichtung 101 kann in Prozentangaben erfolgen.
Daneben umfasst das Hybridfahrzeug 100 eine elektronische Vorhersageeinrichtung 115 zum Ermitteln, ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors 103 bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes. Der Ladezustand wird von der Erfassungseinrichtung 113 an die Vorhersageeinrichtung 115 übermittelt. Die Vorhersageeinrichtung 115 überwacht den Ladezustand kontinuierlich und extrapoliert, den Zeitpunkt wann der Ladezustand unter einen festgelegten Schwellwert sinkt. In einem festgelegten zeitlichen Abstand, bevor dieser Zeitpunkt erreicht wird, wird der Katalysator 105 elektrisch aufgeheizt. Zum Ermitteln des Motorstarts können daneben weitere Informationen berücksichtigt werden, wie beispielsweise Umgebungsinformationen, Karteninformationen, Stauinformationen oder Informationen über eine Fahrroute des Hybridfahrzeugs. Diese Informationen können den Zeitpunkt verschieben, zu dem der Katalysator 105 aufgeheizt wird.
Weist die Fahrroute des Hybridfahrzeuges 100 beispielsweise eine Steigung auf, so sinkt der Ladzustand der Speichereinrichtung 101 schneller als bei gerader Strecke. In diesem Fall kann der Katalysator 105 zu einem früheren Zeitpunkt elektrisch aufgeheizt werden. Weist die Fahrroute des Hybridfahrzeuges 100 beispielsweise demgegenüber ein Gefälle auf, so sinkt der Ladzustand der Speichereinrichtung 101 langsamer als bei gerader Strecke. In diesem Fall kann der Katalysator 105 zu einem späteren Zeitpunkt elektrisch aufgeheizt werden. In ähnlicher Weise können Umgebungsinformationen, Karteninformationen, Stauinformationen dazu verwendet werden, um das Aufheizen des Katalysators 105 zu steuern.
Die Vorhersageeinrichtung 115 kann durch ein Softwaremodul oder eine elektronische Schaltung zum Auswerten des Ladezustandes gebildet sein. Die Vorhersageeinrichtung 115 kann einen Prozessor zum Verarbeiten der übermittelten Ladezustände und anderer Daten und einen elektronischen Speicher zum Speichern der Ladezustände und anderer Daten umfassen.
2 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustandes der Speichereinrichtung 101 in Abhängigkeit der Zeit. Während des elektrischen Fahrbetriebes des Hybridfahrzeugs 100 wird bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 103 der Ladezustand (SOC - State of Charge) der Speichereinrichtung 101 überwacht und die Beheizung des Katalysators 105 prädiktiv ausgelöst.
Aus dem Verlauf des Ladezustandes kann vorhergesagt werden, wann die Energie der Speichereinrichtung 101 voraussichtlich unter einen vorgegebenen Schwellwert sinkt, wie beispielsweise 10%. Dies kann dadurch geschehen, dass der Ladezustand linear in die Zukunft extrapoliert wird. Ist dies der Fall, wird der Verbrennungsmotors 103 zugeschaltet. Bereits vor dem Erreichen des Schwellwertes wird der Katalysator 105 aufgeheizt, so dass dieser beim Start des Verbrennungsmotors 103 die Betriebstemperatur aufweist.
Eine softwarebasierte Regelung ermittelt anhand der zukünftigen Lastanforderung und der Reichweitenabschätzung, wann ein Start des Verbrennungsmotors 103 erfolgt und wann die elektrische Heizung des Katalysators 105 gestartet werden muss. Dadurch kann die Heizscheibe 111 des Katalysators 105 durch die prädiktive Regelung schon bei Start des Verbrennungsmotors 103 mit betriebswarmer Temperatur arbeiten und dadurch die abgasinduzierte Aufheizphase des Katalysators 105 reduzieren.
In einer anderen Ausführung sieht das Verfahren bei einem parkenden Hybridfahrzeug 100 mit einem niedrigen Ladezustand vor, dass mit dem Öffnen einer Fahrzeugtür die Heizscheibe des Katalysators 105 vorgeheizt wird. Dadurch wird die Aufheizphase des Abgasnachbehandlungssystems nach dem Motorstart reduziert.
Durch das Verfahren können Emissionen ohne zusätzlichen Hardwarebedarf weiter gesenkt werden und auch zukünftige Abgasnormen eingehalten werden. Da beim Betrieb des Hybridfahrzeuges die Anzahl an Kaltstarts während einer Fahrt größer als eins sein kann, die Reduktion der Emissionen beim Kaltstart des Verbrennungsmotors 103 umso bedeutender.
3 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Betreiben des Hybridfahrzeuges 100. In einem ersten Schritt S101 wird der Ladezustand der Speichereinrichtung 101 für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges 100 erfasst. Anschließend wird in Schritt S102 auf Basis des Ladezustandes ermittelt, ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors 103 bevorsteht. In Schritt S103 wird der Katalysator 105 für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem Motorstart aufgeheizt. Das Ermitteln kann beispielsweise erfolgen, indem der zeitliche Verlauf des Ladezustandes überwacht wird und mithilfe eines Extrapolationsverfahrens zeitlich linear in die Zukunft extrapoliert wird.
Dadurch kann der Zeitpunkt ermittelt werden, an dem der Ladezustand einen vorgegeben Schwellwert unterschreitet und der Verbrennungsmotor 103 gestartet wird. In einem festgelegten Abstand vor diesem Zeitpunkt wird der Katalysator 105 auf die Betriebstemperatur vorgeheizt.
Das Ermitteln kann auch dadurch erfolgen, dass eine Türöffnung einer Fahrertür des Hybridfahrzeuges 100 erfasst wird. Zu diesem Zweck kann das Hybridfahrzeug 100 einen Sensor umfassen, der die Türöffnung der Fahrertür elektronisch erfasst und an die Vorhersageeinrichtung 115 übermittelt. Ist der Ladezustand der Speichereinrichtung 101 unter einem Schwellwert, steht ein Start des Verbrennungsmotors 103 bevor und der Katalysator 105 wird für den Verbrennungsmotor 103 aufgeheizt. Dadurch kann das Hybridfahrzeug 100 unmittelbar bei Fahrantritt mit aufgewärmtem Katalysator 105 betrieben werden.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: Hybridfahrzeug
101: Speichereinrichtung
103: Verbrennungsmotor
105: Katalysator
107: Elektromotor
109: Betriebskraftstofftank
111: Heizscheibe/Heizeinrichtung
113: Erfassungseinrichtung
115: Vorhersageeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/117484 A1 [0002]
WO 2015/092510 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges (100), mit den Schritten: - Erfassen (S101) eines Ladezustandes einer Speichereinrichtung (101) für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges (100); - Ermitteln (S102), ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors (103) bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes; und - Aufheizen (S103) eines Katalysators (105) für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem Motorstart.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ladezustand der Speichereinrichtung (101) über einen vorgegebenen Zeitraum (Δt) linear vorausextrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Katalysator (105) aufgeheizt wird, wenn der vorausextrapolierte Ladezustand einen vorgegeben Schwellwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Katalysator (105) elektrisch aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Katalysator (105) in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand vor dem ermittelten Start des Verbrennungsmotors (103) aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Motorstarts zusätzlich auf Basis elektronischer Informationen über eine Fahrroute des Hybridfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Motorstarts zusätzlich auf Basis elektronischer Informationen über eine Temperatur der Speichereinrichtung (101) durchgeführt wird.
Hybridfahrzeug (100) mit einem Verbrennungsmotor (103) und einem Elektromotor zum Antreiben des Hybridfahrzeugs (100), mit: - einer elektrischen Erfassungseinrichtung (113) zum Erfassen eines Ladezustandes einer Speichereinrichtung (101) für elektrische Energie zum Antreiben des Hybridfahrzeuges (100); - einer Vorhersageeinrichtung (115) zum Ermitteln, ob ein Motorstart eines Verbrennungsmotors (103) bevorsteht, auf Basis des Ladezustandes; und - einer Heizeinrichtung (111) zum Aufheizen eines Katalysators (105) für den Verbrennungsmotor bei ermitteltem Motorstart.
Hybridfahrzeug (100) nach Anspruch 8, wobei die Vorhersageeinrichtung (115) ausgebildet ist, den Ladezustand der Speichereinrichtung (101) über einen vorgegebenen Zeitraum (Δt) linear voraus zu extrapolieren.
Hybridfahrzeug (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vorhersageeinrichtung (115) ausgebildet ist, den Katalysator (105) in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand vor dem ermittelten Start des Verbrennungsmotors (103) aufzuheizen.