DE102019115209A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs, Steuerung, Antriebsanordnung und Hybridfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Antriebsanordnung (7), die aufweist: einen Verbrennungsmotor (2) mit einer Abgasrückführung (11), eine Elektromaschine (3) und eine Antriebsbatterie (4) wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Dynamikanforderung zum Übergang von einem ersten Lastniveau (M1) zu einem zweiten Lastniveau (M2); Bereitstellen eines ersten Antriebsmoments über den Verbrennungsmotor (2) und Bereitstellen eines zweiten Antriebsmoment über die Elektromaschine (3); Reduzieren eines über den Verbrennungsmotor (2) realisierbaren Drehmomentgradienten (Ṁmax) auf einen reduzierten Drehmomentgradienten (Ṁopt; Ṁ1; Ṁ2; Ṁ3) des ersten Antriebsmoments derart, dass eine IST-Abgasrückführungsrate während des Übergangs vom ersten zum zweiten Lastniveau nahe einer SOLL-Abgasrückführungsrate bleibt und Ausgleichen des reduzierten Drehmomentgradienten (Ṁopt; Ṁ1; Ṁ2; Ṁ3) des ersten Antriebsmoments durch das zweite Antriebsmoment derart, dass ein über das erste und zweite Antriebsmoment realisierter Drehmomentgradient dem über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten (Ṁmax) entspricht, so dass der Übergang vom ersten Lastniveau (M1) zum zweiten Lastniveau (M2) hinsichtlich einer NOx-Emission optimierbar ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Steuerung (10), einen Hybridantrieb und ein Fahrzeug (1)

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einer Antriebsanordnung, die aufweist: einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, eine Elektromaschine und eine Antriebsbatterie. Die Erfindung betrifft weiter eine Steuerung, eine Antriebsanordnung und ein Hybridfahrzeug, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein solches Verfahren auszuführen.
• Vor dem Hintergrund zukünftiger gesetzlicher Regelungen zu den Emissionsgrenzwerten bei Kraftfahrzeugen wird es neben der Abgasnachbehandlung immer wichtiger, auch die Abgasrohemissionen zu verringern. Dies gilt insbesondere auch für die NO_x-Grenzwerte, die bei Fahrzeugen mit einem Dieselmotor trotz hocheffizienter Systeme zur Abgasnachbehandlung (ANB) nur mit vergleichsweise hohem Aufwand weiter zu minimieren sind.
• Dieses Problem besteht auch bei den immer weiter verbreiteten Hybridfahrzeugen, die ebenfalls zunehmend mit einer dieselmotorischen Verbrennungskraftmaschine ausgestattet werden und zusätzlich einen elektrischen Antrieb aufweisen, um so zusätzliches Potential hinsichtlich der Optimierung des Kraftstoff-/ Energieverbrauchs und der Emissionen bieten.
• Unter Hybridfahrzeug bzw. Hybridantrieb sollen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung alle hybriden Fahrzeugantriebsstrukturen verstanden werden, bei denen ein Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Elektromotoren kombiniert wird. Insbesondere sollen die drei Grundarchitekturen umfasst sein, die unter den Begriffen „serieller Hybrid“, „Parallel-Hybrid“ und „leistungsverzweigter Hybrid“ bekannt sind. Auch Kombinationen uns Varianten dieser Konzepte, wie z. B. „seriell-Paralleler-Hybrid“, „Plug-In-Hybrid“ und andere, sollen umfasst sein.
• Die Hauptvorteile solcher Hybridfahrzeuge liegen darin, dass mit solchen Antriebskonzepten der Kraftstoffverbrauch und damit der CO₂-Ausstoß zusätzlich gesenkt werden kann. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, dass der Verbrennungsmotor in einem engeren Drehzahlfenster mit geringerer Variation der Leistungsanforderung betrieben werden kann und in den besonders verbrauchsintensiven Beschleunigungsphasen durch Einsatz eines zusätzlichen elektrischen Antriebs entlastet werden kann.
• Ein weiterer Vorteil der Hybridantriebe bzw. der Hybridfahrzeuge liegt darin, dass über den elektrischen Motor bzw. eine elektrische Maschine ein zweiter Energiewandler kurzzeitig ein zusätzliches Antriebsmoment bereitstellen kann und damit zusätzliche Beschleunigungswirkung liefern kann - sogenannter Boostbetrieb. So kann eine hohe Systemleistung realisiert werden, ohne dass hochleistungsfähige und damit in der Regel auch verbrauchs- und emissionsintensive Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden müssen.
• Die zusätzliche elektrische Maschine kann auch generatorisch wirken und beim Bremsen Energie rekuperieren und in die Antriebsbatterie einspeisen, was den größten Reduktionseffekt bei der CO₂-Reduktion ausmacht.
• Daneben besteht ein weiterer wichtiger Bestandteil der Antriebsstrategien von Hybridfahrzeugen darin, während der Fahrt die Antriebsbatterie, welche den elektrischen Antrieb (in der Regel eine Elektromaschine) antreibt, aufzuladen. Dabei wird ein Teil des über den Verbrennungsmotor bereitgestellten Motormoments - eine Ladekomponente - zum Antrieb der Elektromaschine genutzt, die dann - wie beim Rekuperieren - generatorisch arbeitet und einen entsprechenden Ladestrom erzeugt, der die Antriebsbatterie aufladen kann.
• Der Boostbetrieb wird bei einem Fahrzeug üblicherweise dann eingeleitet, wenn ein angefordertes Moment (Fahrerwunschmoment) größer ist als ein Volllastmoment bzw. ein Maximalmoment des Verbrennungsmotors. Das Fahrerwunschmoment wird dabei in der Regel auf der Basis einer Fahrpedalstellung bestimmt. Überschreitet das Fahrerwunschmoment das Volllastmoment bzw. das Maximalmoment des Verbrennungsmotors, so wird der Elektromotor aktiviert und derart angesteuert, dass er ein zusätzliches Motormoment abgibt, welches zusammen mit dem Motormoment des Verbrennungsmotors auf den Antriebsstrang wirkt. Das Antriebsmoment entspricht dann der Summe aus den beiden Motormomenten. Damit kann zum einen ein hohes Beschleunigungsvermögen realisiert werden und zum anderen können Lastbereiche beim Verbrennungsmotor vermieden werden, in denen durch die verhältnismäßig heiße Verbrennung viel Stickoxid gebildet wird.
• Ein anderer Boostbetrieb kann dann eingeleitet werden, wenn während des Beschleunigens hohe Drehmomentgradienten des Verbrennungsmotors auftreten können - also in Phasen mit einer hohen Dynamikanforderung (schnelle Steigerung des Fahrerwunschmoments). Da bei Verbrennungsmotoren eine gasseitige Trägheit vorliegt, sind die Abgasrückführungsraten bei einer hohen Dynamikanforderung reduziert. Dadurch werden die NO_x-Rohemissionen erhöht. Boostfunktionen zur Erhöhung des Maximalmoments bzw. zur Verringerung eines Drehmomentgradienten sind beispielsweise in der DE 10 2017 100 878 beschrieben. Bei dem dort offenbarten Ansatz wird die Begrenzung des Drehmomentgradienten mittels der Differenz zwischen einem Fahrerwunschmoment und einem Antriebsmoment ermittelt, die mit einem Grenzwunschmoment (Drehmomentschwelle) verglichen wird, das kalibrierbar ist.
• Damit lassen sich zwar Drehmomentgradienten eines Verbrennungsmotors begrenzen und letztlich findet auch eine Reduktion von Emissionen statt. Eine gezielte Berücksichtigung der Abgasrückführungsraten, die für die Stickoxid (NO_x)-Emissionen verantwortlich sind, bleibt bei diesem Ansatz jedoch unberücksichtigt.
• Es besteht also die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs bereitzustellen, bei der die NO_x-Emissionen in einem Dynamikbetriebszustand eines Verbrennungsmotors besser zu handhaben sind.
• Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1, die Steuerung gemäß Anspruch 8, die Antriebsanordnung gemäß Anspruch 9 und ein Hybridfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst.
• Das Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs betrifft eine Antriebsordnung, die aufweist: einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, eine Elektromaschine und eine Antriebsbatterie.
• Das Verfahren umfasst dabei das Erfassen einer Dynamikanforderung zum Übergang von einem ersten Lastniveau zu einem zweiten Lastniveau; das Bereitstellen eines ersten Antriebsmoments über den Verbrennungsmotor und Bereitstellen eines zweiten Antriebsmoments über die Elektromaschine; Reduzieren eines über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten auf einen reduzierten Drehmomentgradienten des ersten Antriebsmoments derart, dass eine IST-Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) während des Übergangs vom ersten zum zweiten Lastniveau nahe einer SOLL-Abgasrückführungsrate bleibt und Ausgleichen des reduzierten Drehmomentgradienten des ersten Antriebsmoments durch das zweite Antriebsmoment derart, dass ein über das erste und zweite Antriebsmoment realisierter Drehmomentgradient dem über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten entspricht, so dass der Übergang vom ersten Lastniveau zum zweiten Lastniveau hinsichtlich einer NOx-Emission optimierbar ist.
• Der Ansatz beruht darauf, dass bei einer Dynamikanforderung, die mit einer Erhöhung des Lastniveaus eines Verbrennungsmotors verbunden ist, ein Drehmomentgradient realisiert wird, mit dem der Übergang von einem ersten Lastniveau zu einem zweiten Lastniveau erfolgt. Je schneller dieser Übergang erfolgt, also je nachdem wie steil der zu realisierende Drehmomentgradient ist, entsteht bei einem Verbrennungsmotor, insbesondere bei einem Dieselmotor eine durch den Drehmoment- bzw. Lastgradienten bedingte Erhöhung der NO_x-Rohemission - bedingt durch eine reduzierte AGR-Rate. Diese gradientenbedingte Erhöhung der NO_x-Rohemission kann dadurch reduziert werden, dass der Drehmomentgradient beim Übergang vom ersten Lastniveau auf das zweite Lastniveau des Verbrennungsmotors abgesenkt wird. Damit wird auch die Drehmoment- oder Lastmomentgradienten-bedingte Erhöhung der NO_x-Rohemission reduziert.
• Bei einem steilen Last- oder Drehmomentanstieg (hoher Lastmomentgradient) beruht die Erhöhung auf der gasseitigen Trägheit des Verbrennungsmotors, die dadurch bewirkt wird, dass bei einer hohen Dynamikanforderung die zugeführte Verbrennungsluft sprunghaft erhöht wird und damit die Abgasrückführungsrate zunächst reduziert ist. Diese zunächst reduzierte AGR-Rate muss dann beim Übergang von einem tieferen Lastniveau zu einem höheren Lastniveau durch eine anschließende Erhöhung der AGR-Rate auf den applizierten Wert ausgeglichen werden. So kann die Abweichung (Regeldifferenz) zur applizierten AGR-Rate minimal (stufenweise oder - bei kleiner Stufung - quasikontinuierlich) gehalten werden.
• Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, dass die Abgasrückführungsrate und damit auch die NO_x-Rohemission vom Drehmomentgradienten bzw. Lastgradienten in der Weise abhängt, dass die aus der Fahranforderung resultierende Erhöhung der Zylinderfüllung mit Frischluft zunächst die AGR-Rate reduziert, die je nach gasseitiger Trägheit nachgeführt wird. Erfindungsgemäß wird ein niedrigerer Drehmomentgradient realisiert, so dass keine drehmomentgradientenabhängige Reduzierung der Abgasrückführungsrate stattfindet. Das heißt in anderen Worten, dass durch die Einstellung des Drehmoment- bzw. des Lastgradienten die IST-AGR-Rate, also eine realisierte AGR-Rate, nahe bzw. gleich der SOLL-AGR-Rate, also einer applizierten AGR-Rate (lastabhängig) bleibt.
• Gleichzeitig wird der Gradientenverlust durch das über die Elektromaschine zusätzlich bereitgestellte Antriebsmoment ausgeglichen. Das heißt, der Dynamikverlust des Verbrennungsmotors wird durch das Zusatzmoment der Elektromaschine ausgeglichen. Auf diese Weise wird eine fahrerwunschentsprechende Dynamikanforderung vollständig umgesetzt, ohne die realisierte Abgasrückführungsrate unter eine applizierte Abgasrückführungsrate zu reduzieren und damit auch ohne die damit zusammenhängende (gradientenabhängige) NO_x-Emission zu erhöhen.
• Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung werden Lasten bzw. Antriebsmomente hubraumbereinigt als effektiver Mitteldruck pme angegeben werden. Die Begriffe Last, Moment und effektiver Mitteldruck sowie die daraus abgeleiteten Größen Drehmoment-, Mitteldruck- und Lastgradient haben im Zusammenhang mit dieser Offenbarung die jeweils die gleiche Bedeutung und sind weitgehend synonym zu verstehen.
• Der effektive Mitteldruck pme ergibt sich aus der Gleichung $$p_{me}=M_d\cdot \frac{2\pi }{V_H\cdot i}$$

  
• Dabei entspricht M_d dem Drehmoment des Motors, i den Arbeitsspielen pro Umdrehung (0,5 für Viertakt, 1 für Zweitakt) und V_H dem Gesamt-Hubvolumen des Motors. Drehmoment M_d und effektiver Mitteldruck können also analog dargestellt und verstanden werden.
• Dieser Ansatz beruht weiter auf dem Prinzip, dass insbesondere bei Dieselmotoren - aber auch bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung, über die Abgasrückführung die emittierten Stickoxide (NO_x) wirksam reduziert werden können.
• Unabhängig davon, ob eine Hochdruckabgasrückführung oder eine Niederdruckabgasrückführung realisiert ist, gelingt die NO_x-Verringerung durch eine Absenkung der Spitzentemperatur im Zylinder, die dadurch bewirkt wird, dass das rückgeführte Abgas zum einen die Verbrennungsgeschwindigkeit reduziert und zum anderen das Abgas aufgrund seiner nun höheren Wärmekapazität (im Wesentlichen durch den CO₂-Anteil) bei gleicher zugeführter Energie nicht so heiß wird wie das Abgas ohne Abgasrückführung und so die NO_x-Bildung gehemmt wird.
• Es wird zwischen Hochdruck- und Niederdruckrückführung unterschieden. Bei der Hochdruckabgasrückführung ist die Abgasentnahmestelle strömungsmäßig vor dem Turbolader angeordnet und führt das (gegebenenfalls gekühlte) Abgas zurück in die Frischluftzufuhr.
• Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das Abgas erst nach der Turbine durch den Abgasrückführungskühler geführt und vor dem Turboladerverdichter mit der angesaugten Frischluft vermischt. Bei diesem Verfahren ist das rückgeführte Abgas bereits von Dieselpartikeln befreit und der Abgasrückführungskühler verschmutzt weniger, so dass die Leistung über die Lebensdauer nahezu konstant bleibt.
• Bei einer Ausführung des Verfahrens ist der Verbrennungsmotor als Dieselmotor ausgebildet. Hier ist dieses Verfahren besonders wirksam und notwendig, da die NO_x-Emissionen insbesondere bei Dieselmotoren durch den beim Diesel-Brennverfahren auftretenden Luftüberschuss im Brennraum erhöht sind.
• Das Prinzip ist aber auch bei Ottomotoren wirksam.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Ladekomponente über eine Lastpunkterhöhung realisiert. Diese Strategie bietet sich insbesondere in den Teillastbereichen an, in denen hohe Anteile von Abgas zurückgeführt werden und so die Stickoxidemissionen positiv beeinflusst werden können. Dadurch wird trotz einer Lastpunkterhöhung nur eine minimal mögliche Stickoxidemission erreicht.
• Der reduzierte Drehmomentgradient kann in einer Weiterbildung des Verfahrens in Abhängigkeit vom ersten Lastniveau bestimmt werden. Damit ist es möglich, den reduzierten Drehmoment- bzw. Lastgradienten in Abhängigkeit vom Ausgangslastniveau zu wählen. Damit kann berücksichtigt werden, dass die Reduktion des Drehmomentgradienten - und damit der Einfluss auf die Abgasrückführungsrate - umso stärker ist, je niedriger das Ausgangslastmoment ist.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der reduzierte Drehmomentgradient bei einem niedrigeren ersten Lastniveau (Ausgangslastniveau) stärker reduziert als bei einem höheren ersten Lastniveau. Das bedeutet, bei einer Dynamikanforderung, die von einem niedrigeren ersten Lastniveau aus erfolgt, wird der Drehmomentgradient stärker reduziert als bei einer Dynamikanforderung, die von einem höheren ersten Lastniveau aus erfolgt. Durch diese Differenzierung ist es möglich, den reduzierten Drehmomentgradienten auf einfache Weise vorherzubestimmen und zweistufig festzulegen.
• Dabei gibt es Verfahren, bei denen der Drehmomentgradient bei einem ersten Lastniveau, das einem effektiven Mitteldruck pme von 5 bar unterschreitet, auf einen Mitteldruckgradienten zwischen 4 und 7 bar/s, bevorzugt auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 2 und 4 bar/s, und noch bevorzugter auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 1 und 2 bar/s beschränkt wird. Die Beschränkung des effektiven Mitteldruckgradienten stellt eine Stabilisierung der AGR-Raten und damit eine Reduktion der NO_x-Rohemissionen sicher.
• So eine Stufung erlaubt es beispielsweise, den Gradienten auch im Zusammenhang mit einem Ladezustand einer Antriebsbatterie zu koppeln, da diese das zum Ausgleich der Reduktion erforderliche Zusatzmoment über den Elektromotor zur Verfügung stellt. Damit ist es möglich, in vergleichsweise einfachen Stufungen eine optimale Kombination aus einer Reduktion der Stickstoffrohemissionen und der verfügbaren Energie in der Antriebsbatterie herzustellen.
• Es gibt Verfahren, bei denen das erste Lastniveau einem effektivem Mitteldruck von 5 bar oder mehr entspricht, über einen weniger reduzierten Drehmomentgradienten angehoben wird. Dabei werden effektive Mitteldruckgradienten zwischen 7 und 10 bar/s, bevorzugt solche zwischen 4 und 7 bar/s, und noch bevorzugter solche zwischen 2 und 4 bar/s verwendet. Bei höheren Ausgangslastniveaus ist es so möglich, eine wirksame Reduktion der NO_x-Rohemissionen zu erreichen und den gewünschten Drehmomentgradienten zum schnellen Erreichen des angestrebten Lastniveaus über ein geringeres Zusatzmoment der Elektromotor zu realisieren. Auch hier werden wieder die gegenläufigen Ziele, hohe Reduktion der NO_x-Rohemissionen und geringe Belastung der Antriebsbatterie ausgewogen miteinander gekoppelt. Dies gilt insbesondere unterhalb einer Drehzahl von beispielsweise 2000 min^-1.
• Bei höheren Drehzahlen, beispielsweise über 2500 min^-1 kann folgende Stufung gelten:
• Der Drehmoment-/Mitteldruckgradient wird bei einem ersten Lastniveau, das einem effektiven Mitteldruck pme von 5 bar unterschreitet, auf einen Mitteldruckgradienten zwischen 7 und 10 bar/s, bevorzugt auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 4 und 7 bar/s, und noch bevorzugter auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 2 und 4 bar/s beschränkt.
• Der Drehmoment-/Mitteldruckgradient wird bei einem ersten Lastniveau, das einem effektiven Mitteldruck pme von 5 bar überschreitet, entweder gar nicht, bevorzugt auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 10 und 13 bar/s, und noch bevorzugter auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 7 und 10 bar/s beschränkt.
• Es gibt auch Verfahren, bei denen in Drehzahlbereichen zwischen 2000 und 2500 min^-1 die Werte für den Drehmoment-Mitteldruckgradienten interpoliert werden. Damit ist eine noch flexiblere und genauere Bestimmung der Lastgradienten möglich.
• Es gibt Verfahren, bei denen die Einstellung des Drehmomentgradienten besonders einfach über ein Kennfeld, einen Algorithmus und/oder unter Berücksichtigung einer der folgenden Betriebsgrößen erfolgt: erstes Lastniveau (M₁ , p_me1 ), zweites Lastniveau (M₂ , p_me2 ); Drehzahl (n). Damit ist einen differenzierte, aber einfach zu handhabende und applizierbare Einstellung des Drehmomentgradienten möglich, bei dem die maßgeblichen Betriebsgrößen berücksichtigt werden. Dadurch lässt sich das Verfahren noch weiter differenzieren.
• Mit Hilfe einer Steuerung eines Hybridantriebs, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, ist es besonders einfach möglich, Hybridantriebe bzw. Hybridfahrzeuge so zu steuern, dass sie auch bei Dynamikanforderungen mit geringstmöglichen NO_x-Roh-Emissionen einen komfortablen Momentengradienten darzustellen, der sich aus einem reduzierten Verbrennungsmotorgradienten und einem zusätzlichen Elektromaschinenmoment zusammensetzt.
• Ein Hybridantrieb mit einer solchen Steuerung - die gegebenenfalls auch nachrüstbar ist - erlaubt eine emissionsoptimierte Ansteuerung des Verbrennungsmotors in Betriebsphasen mit einer hohen Dynamikanforderung, ohne dass die dem Fahrerwunsch entsprechenden Fahrleistungen beeinträchtigt werden. Das Gleiche gilt für ein Fahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb.
• Eine Steuerung, die insbesondere als Motorsteuergerät für eine solche Antriebsanordnung ausgebildet sein kann, und die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, ermöglicht es, in einfacher Weise das Verfahren in Hybridfahrzeugen zu realisieren.
• Es ist gegebenenfalls sogar möglich, das Verfahren in vorhandenen Hybridfahrzeugen bzw. in deren Steuerungen bzw. Motorsteuergeräten nachträglich zu applizieren. So kann eine Einstellung der Ladekomponente nachträglich verbessert werden.
  Das Gleiche gilt für eine Antriebsanordnung mit einer entsprechenden Steuerung bzw. ein Hybridfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Hybridabtrieb
• 2 eine schematische Darstellung einer Abgasrückführung;
• 3a ein schematisches Last-Zeit-Diagramm, bei dem ein Lastsprung von einem ersten Lastniveau auf ein zweites Lastniveau über die Zeit aufgetragen ist;
• 3b eine schematische Darstellung des NO_x-Massenstromverlaufs über die Zeit, wobei jeder der dargestellten Massenströme einem bestimmten Drehmomentverlauf aus der 3a entspricht und
• 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Hybridfahrzeug 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der zusammen mit einer Elektromaschine 3 und einer Antriebsbatterie 4, einer Antriebswelle 5 und zwei Antriebsrädern 6 eine Antriebsanordnung 7 bildet. Der Verbrennungsmotor 2 ist über eine Kupplung 8 mit der Antriebswelle 5 gekoppelt, die ebenfalls über die Elektromaschine 3 angetrieben wird und ein Getriebe 9 umfasst.
• Die Elektromaschine 3 kann sowohl als Generator als auch als Motor arbeiten. Das Zusammenwirken der Komponenten der Antriebsanordnung 7 wird über ein Steuergerät 10 eingestellt, das sowohl Elemente zur Motorsteuerung zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 umfasst, als auch zur Ansteuerung der Elektromaschine 3 und zur Ladezustandsüberwachung der Antriebsbatterie 4 umfasst. Dazu ist die Steuerung 10 mit verschiedenen nicht dargestellten Signal- und Versorgungsleitungen mit den entsprechenden Komponenten gekoppelt. Das Steuergerät 10 dient auch dazu, das Zusammenwirken zwischen Verbrennungsmotor 2 und den elektrischen Antriebskomponenten, nämlich der Elektromaschine 3, der Antriebsbatterie 4 und weiterer zur Steuerung erforderlicher Elektronikbauteile einzustellen. Dazu realisiert das Steuergerät 10 Regel- und/oder Steuerprozesse, erfasst und verarbeitet Sensordaten, führt Algorithmen aus und nutzt Kennfelder.
• Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einer Abgasrückführung (AGR) 11 versehen, die in 2 dargestellt ist. Beim Verbrennungsmotor 2 handelt es sich hier um einen Dieselmotor mit einer Turboladereinrichtung 12. Dabei wird eintretende angesaugte Frischluft verdichtet und durch einen Frischluftkühler 13 geführt und dann in die Verbrennungskammern der einzelnen Zylinder geführt, wo der Dieselkraftstoff eingespritzt wird und der Verbrennungsprozess stattfindet. Das austretende Abgas treibt die Turbine des Turboladers 12 an und tritt durch eine Abgasleitung 14 aus. Die Abgasleitung 14 ist über die Abgasrückführung 11 mit der Frischluftzufuhr 13 verbunden. Die Abgasrückführung 11 umfasst dabei einen Abgaskühler 15 und ein Stellventil 16, welches die rückgeführte Abgasmenge reguliert. Das Stellventil 16 wird dabei über das Steuergerät 10 betätigt, das gleichzeitig auch die anderen Antriebskomponenten ansteuert.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der 3a und 3b erläutert. 3a zeigt dabei mehrere Lastverläufe (Momentenverläufe M bzw. hubraumneutral Verläufe des effektiven Mitteldrucks p_me ), die über die Zeit t aufgetragen sind. Darunter, in der 3b, sind die zugehörigen Emissionsverläufe aufgetragen (hier NO_x-Rohemissionen ṁ_NOx). Es bestehen nun folgende Zusammenhänge zwischen Lastverläufen ̇Ṁ bzw. pme und den NO_x-Rohemissionsverläufen ṁ_NOx. Verläuft beispielsweise die Laststeigerung ausgehend an einem Startzeitpunkk t₀ von einer Ausgangslast M₁ auf eine Soll-Last M₂ entlang der dünnen schwarzen Kurve M._max , so verläuft die zugehörige NO_x-Rohemission entlang der Kurve ṁ_max in der 3b. Diese zeigt eine ausgeprägte Spitze, die deutlich über dem stationären Massestrom ṁ_M2 liegt, der auftritt, wenn der Verbrennungsmotor bei einer Last M₂ betrieben wird. Der Verlauf von Mmax ist sehr steil und entspricht dem maximal möglichen Momentengradienten/Lastgradienten des Verbrennungsmotors.
• Wie dieser Effekt völlig neutralisiert werden kann, zeigt der Momentenverlauf in 3a, der durch die dicke schwarze Linie dargestellt ist, und bei dem der Momentgradient Ṁ_opt dargestellt ist. In der zugehörigen Verlaufskurve zum NO_x-Rohemissionsverlauf ṁ_opt zeigt sich, dass kein überschießender Massenstromverlauf zu erkennen ist. Das heißt, bei einem Lastverlauf entlang der Kurve Mopt ist der NO_x-Rohemissionsausstoß auf das technisch mögliche Minimum beschränkt, das mit einem Verbrennungsmotor einer bestimmten Bauart zu erreichen ist.
• Um im Fahrbetrieb den Dynamikverlust auszugleichen, der durch den herabgesetzten Momentengradienten des Verbrennungsmotors Mopt verursacht ist, wird die Elektromaschine aktiviert und kann ein entsprechendes Zusatzmoment zur Verfügung stellen, so dass letztlich mit dem gleichen Momentengradienten Ṁ_max, der dann als Systemmoment zur Verfügung steht, den Lastsprung von M₁ auf M₂ zu realisieren.
• Die in grauer Darstellung gezeichneten Zwischenverläufe Ṁ₁, Ṁ₂ und Ṁ₃ entsprechen den in 3b dargestellten NO_x-Massenströmen ṁ̇₁, ṁ₂ und ṁ₃.
• Ein weiterer Zusammenhang, der zu beachten ist, ergibt sich daraus, dass hier das untere erste Lastniveau M₁ unter einem Lastniveau M_GR liegt und zur Vermeidung des überschießenden NO_x-Massenstroms eine relativ starke Absenkung des Momenten-/Lastgradienten erfordert. Liegt das erste untere Lastniveau M₁ oberhalb dieser Grenzlast M_GR , so ist eine deutlich niedrigere Gradientenverringerung erforderlich.
• Die nachfolgende Tabelle 1 gibt Beispiele für diesen Zusammenhang auf der Grundlage einer Grenzlast von pme bei 5 bar (z.B. M bei 60 Nm) bei einer Motordrehzahl <=2000min^-1. Tabelle 1 für eine Motordrehzahl von ≤ 2000 min^-1

  Ausgangslast	Gradient
  pme1; M1
  pme	sinnvoll	besser	optimal
  M
  < 5 bar	4 - 7 bar/s	2 - 4 bar/s	1 - 2 bar/s
  < 60 Nm	60 - 100Nm/s	30-60 Nm/s	15 - 30Nm/s
  > 5 bar	7 - 1 0bar/s	4 - 7 bar/s	2 - 4 bar/s
  > 60 Nm	100 - 150 Nm/s	60 - 100 Nm/s	30 - 60 Nm/s

• Die nachfolgende Tabelle 2 gibt Beispiele für diesen Zusammenhang auf der Grundlage einer Grenzlast von pme bei 5 bar (z.B. M bei 60 Nm) bei einer Motordrehzahl >=2500min^-1. Tabelle 2 für eine Motordrehzahl von ≥ 2500 min^-1

  Ausgangslast	Gradient
  pme1; M1
  pme	sinnvoll	besser	optimal
  M
  < 5 bar	7 - 10bar/s	4 - 7 bar/s	2 - 4 bar/s
  < 60 Nm	100-150 Nm/s	60 - 100 Nm/s	30 - 60 Nm/s
  > 5 bar	Ohne	10 - 13bar/s	7 - 10bar/s
  > 60 Nm	Beschränkung	150 - 200 Nm/s	100 - 150 Nm/s

• Ab einer Drehzahl von 4000 min^-1 ist keine Beschränkung des Gradienten zwingend erforderlich. Zwischen den Drehzahlen 2000 min^-1 und 2500 min^-1 kann linear interpoliert werden.
• Damit lässt sich das Verfahren in sehr einfach ermittelbare und leicht staffelbaren Bereichen anwenden. Die Bereiche „sinnvoll“, „besser“ und „optimal“ könne beispielsweise für unterschiedliche SOC (State of Charge) Zustände angewendet werden.
• 4 gibt schematisch die Verfahrensschritte an, nämlich:
1. A Erfassen einer Dynamikanforderung zum Übergang von einem ersten Lastniveau zu einem zweiten Lastniveau;
2. B Bereitstellen eines ersten Antriebsmoments über den Verbrennungsmotor und Bereitstellen eines zweiten Antriebsmoments über die Elektromaschine;
3. C Reduzieren eines über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten auf einen reduzierten Drehmomentgradienten des ersten Antriebsmoments derart, dass eine Abgasrückführungsrate während des Übergangs vom ersten zum zweiten Lastniveau konstant bleibt und
4. D Ausgleichen des reduzierten Drehmomentgradienten des ersten Antriebsmoments durch das zweite Antriebsmoment derart das ein über das erste und zweite Antriebsmoment realisierter Drehmomentgradient dem über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten entspricht, so dass der Übergang vom ersten Lastniveau zum zweiten Lastniveau hinsichtlich einer NOX-Emission optimierbar ist.
• Weitere Variationen und Ausführungen ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.
• Bezugszeichenliste

1

Hybridfahrzeug

2

Verbrennungsmotor

3

Elektromaschine

4

Antriebsbatterie

5

Antriebswelle

6

Antriebsräder

7

Antriebsanordnung

8

Kupplung

9

Getriebe

10

Steuergerät/Steuerung

11

AGR (Abgasrückführung)

12

Turbolader

13

Frischluftkühler

14

Abgasführung

15

Abgaskühler

16

Stellventil

M

effektives Moment

p_me

effektiver Mitteldruck

t

Zeit

ṁ_NOx

NO_x-Roh-Emissionsverlauf (Massenstrom)

M₁, p_me1

erstes Lastniveau (Ausgangslast)

M₂, p_me2

zweites Lastniveau (Soll-Last)

M_GR

Grenzlastniveau

C

maximaler Last-/Momentengradient

Ṁ_opt

optimaler Momenten-/Lastgradient

Ṁ₁, Ṁ₂, Ṁ₃

Zwischenwerte des Last-/Momentengradienten

ṁ_M1

NO_x-Massenstrom beim ersten Lastniveau

ṁ_M2

NO_x-Massenstrom beim zweiten Lastniveau

ṁ_max

maximaler NO_x-Massenstrom

ṁ_opt

optimaler NO_x-Massenstrom

ṁ₁, ṁ₂, ṁ₃

Massenströme bei Zwischenmomentengradienten Ṁ₁, Ṁ₂, Ṁ₃

t₀

Startzeitpunkt zur Lastanhebung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102017100878 [0010]

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit einer Antriebsanordnung (7), die aufweist: einen Verbrennungsmotor (2) mit einer Abgasrückführung (11), eine Elektromaschine (3) und eine Antriebsbatterie (4) wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Dynamikanforderung zum Übergang von einem ersten Lastniveau (M₁, p_me1) zu einem zweiten Lastniveau (M₂; p_me2); Bereitstellen eines ersten Antriebsmoments über den Verbrennungsmotor (2) und Bereitstellen eines zweiten Antriebsmoments über die Elektromaschine (3); Reduzieren eines über den Verbrennungsmotor (2) realisierbaren Drehmomentgradienten (Ṁ_max) auf einen reduzierten Drehmomentgradienten (Ṁ_opt; Ṁ₁; Ṁ₂; Ṁ₃) des ersten Antriebsmoments derart, dass eine IST- Abgasrückführungsrate während des Übergangs vom ersten zum zweiten Lastniveau nahe einer SOLL-Abgasrückführungsrate bleibt und Ausgleichen des reduzierten Drehmomentgradienten (Ṁ_opt; Ṁ₁; Ṁ₂; Ṁ₃) des ersten Antriebsmoments durch das zweite Antriebsmoment derart das ein über das erste und zweite Antriebsmoment realisierter Drehmomentgradient dem über den Verbrennungsmotor realisierbaren Drehmomentgradienten (Ṁ_max) entspricht, sodass der Übergang vom ersten Lastniveau (M₁, p_me1) zum zweiten Lastniveau (M₂; p_me2) hinsichtlich einer NOX-Emission optimierbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (2) als Dieselmotor ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der reduzierte Drehmomentgradient (Ṁ_opt; Ṁ₁; Ṁ₂; Ṁ₃) in Abhängigkeit vom ersten Lastniveau (M₁, p_me1) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der reduzierte Drehmomentgradient (Ṁ_opt; Ṁ₁; Ṁ₂; Ṁ₃) bei einem niedrigeren ersten Lastniveau (M₁, p_me1) niedriger ist als bei einem höheren ersten Lastniveau (M₁, p_me1).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei einem ersten Lastniveau (M₁, p_me1), das einen effektiven Mitteldruck (p_me) von 5 bar unterschreitet, der Drehmomentgradient auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 4 und 7 bar/s, bevorzugt auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 2 und 4 bar/s und noch bevorzugter auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 1 und 2 bar/s beschränkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei einem ersten Lastniveau (M₁, p_me1), das einem effektiven Mitteldruck (p_me) von 5 bar oder mehr entspricht, der Drehmomentgradient auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 7 und 10 bar/s, bevorzugt auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 4 und 7 bar/s und noch bevorzugter auf einen effektiven Mitteldruckgradienten zwischen 2 und 4 bar/s beschränkt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstellung des Drehmomentgradienten über ein Kennfeld, einen Algorithmus und/oder unter Berücksichtigung einer der folgenden Betriebsgrößen erfolgt: erstes Lastniveau (M₁, p_me1), zweites Lastniveau (M₂, p_me2); Drehzahl (n),
8. Steuerung (10) eines Hybridantriebs, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Hybridantrieb mit einer Steuerung (10) nach Anspruch 8.
10. Fahrzeug (1) mit einem Hybridantrieb (10) nach Anspruch 9.

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