DE102019215617A1 - Verfahren zur emissionsbasierten Trajektorienplanung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur emissionsbasierten Trajektorienplanung (10) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. In Abhängigkeit von vergangenen Emissionen und/oder aktuellen Emissionen (21) und/oder prädizierten Emissionen (22) des Verbrennungsmotors werden Maßnahmen (60) in mindestens einem Koordinator des Kraftfahrzeugs eingeleitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur emissionsbasierten Trajektorienplanung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • In der Motorsteuergerätesoftware von Benzinverbrennungsmotoren gibt es Softwarepakete, die einen Teil des Systems modellieren, das den Verbrennungsmotor und seine Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfasst. Beispielsweise erfolgt eine Modellierung eines Katalysators oder eines Partikelfilters. Weiterhin weist die Software Koordinatoren auf. Die verschiedenen Pakete kommunizieren untereinander und verschicken dabei Anforderungen und Status an andere Pakete. Derzeit wird über eine Applikation sichergestellt, dass die verschiedenen Anforderungen mit Prioritäten hinterlegt sind und dadurch ein bestimmter Ablauf sichergestellt ist. Bei der Applikation wird außerdem eine Strategie festgelegt, welche im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors nicht mehr geändert wird. Diese Strategie betrifft die Priorisierung der Anforderungen abhängig vom Systemzustand und damit gleichzeitig die ausgestoßenen Emissionen.
  • Eine Momentenregelung für die Umsetzung eines Fahrerwunschmoments erfolgt ohne Betrachtung der Emissionen. Neben einer Regelung auf aktuelle Emissionen in Bezug auf die Einhaltung von gesetzlichen Grenzwerten, erfolgt auch keine Berücksichtigung eines Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs das durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In dem Verfahren zur emissionsbasierten Trajektorienplanung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Benzinmotor, werden Maßnahmen in mindestens einem Koordinator des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von vergangenen Emissionen und/oder aktuellen Emissionen und/oder prädizierten Emissionen des Verbrennungsmotors eingeleitet. Dabei können keine, eine oder mehrere Maßnahmen eingeleitet werden. Prädizierte Emissionen können insbesondere dadurch erhalten werden, dass das Fahrverhalten der Vergangenheit berücksichtigt wird, um eine Prädiktion des Verhaltens für die Zukunft vornehmen zu können. Auch die zukünftige Fahrstrecke, wenn diese beispielsweise aufgrund von Navigationsdaten vorhanden ist, kann bei der Prädiktion berücksichtigt werden.
  • Dabei kann der Verbrennungsmotor alleiniges Antriebsaggregat für das Kraftfahrzeug sein oder auch in einem Hybridkonzept, z.B. im Zusammenspiel mit einem Elektromotor, Verwendung finden.
  • Das Verfahren ermöglicht es für jede mögliche Fahrweise (real driving) sicherzustellen, dass Emissionszielwerte eingehalten werden. Anders als die herkömmliche Auswahl der Betriebsstrategie, welche die Ansteuerung eines oder mehrerer Steller des Verbrennungsmotors definiert, bei denen Maßnahmen dauerhaft durch Applikation an eine bestimmte Situation geknüpft sind, wie beispielsweise an einen Motorstart oder ein Motorwarmlauf, ermöglicht das Verfahren eine intelligente Emissionsbewertung. Dadurch ist es möglich, ein System zu konzipieren, das robust gegenüber allen Fahrsituationen ist. Dabei muss keine Systemapplikation auf ein Worst-Case-Szenario geschehen, wodurch bei einem Standardszenario oft unnötig hohe Kohlenstoffdioxidemissionen erzeugt würden. Die Systemstrategie bezüglich Emissionen kann in dem Verfahren zentral festgelegt werden und somit einer Behörde im Rahmen einer Zertifizierung gut aufgezeigt werden.
  • Vorzugsweise werden die Maßnahmen in einem Fahrzeugkoordinator und/oder in einem Motorkoordinator und/oder in einem Abgaskoordinator und/oder einem Unterkoordinator eingeleitet und dort Steller angesteuert, um so einerseits ein Fahrerwunschmoment realisieren zu können und andererseits alle erforderlichen Maßnahmen zur Zielerreichung der Emissionen umsetzen zu können. Die genannten Koordinatoren können dabei Teil eines zentralen Koordinators sein, aus weiteren Teilkoordinatoren bestehen oder der zentrale Koordinator für die Trajektorienplanung kann ebenfalls direkt mit den Subsystemen kommunizieren.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die vergangenen Emissionen, insbesondere über Integratoren mit geeigneten Rücksetzbedingungen oder einen gleitenden Mittelwert bezogen auf eine Strecken- oder Zeiteinheit, und/oder die aktuellen Emissionen und/oder die prädizierten Emissionen jeweils mit einem Schwellenwert für jeden Emissionstyp verglichen werden. Dies ermöglicht ein Beobachten des Verlaufs der einzelnen Emissionen, wobei der Schwellenwert einen Zielwert für die jeweilige Emission darstellt. Emissionstypen können beispielsweise Kohlenstoffdioxidemissionen, Rußemissionen und Wärmeemissionen umfassen.
  • Bevorzugt wird für jeden Emissionstyp eine Priorität in Abhängigkeit von einem Abstand seiner Emission zum jeweiligen Schwellenwert berechnet. Durch die Priorität kann quantifiziert werden, wie wichtig es in der aktuellen Situation ist Emissionen des jeweiligen Emissionstyps zu verringern. Die Priorität kann beispielsweise auf einer Skala von 0 - 100 festgelegt werden, wobei eine Priorität von 100 für eine Emission vergeben würde, die sich nahe am Schwellenwert befinden während eine Priorität von 0 für Emissionen vergeben würde, die weit von ihrem jeweiligen Schwellenwert entfernt sind. Ergibt die Ermittlung aufgrund der der jeweiligen vergangenen Emission und/oder der jeweiligen aktuellen Emissionen und/oder der Prädiktion der jeweiligen Emissionen, dass eine Überschreitung des Schwellenwertes droht, so kann für den jeweiligen Emissionstyp auch eine Priorität von über 100, beispielsweise eine Priorität von bis zu 255, vergeben werden.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass in dem Koordinator den verschiedenen durchführbaren Maßnahmen jeweils ein Kostenfaktor für jede durch die Maßnahme erhöhte Emission und ein Nutzenfaktor für jede durch die Maßnahme gesenkte Emission zugewiesen werden. Kosten- und Nutzenfaktor können sich dabei dynamisch unter Berücksichtigung des Systemzustandes verändern, z.B. abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors oder der Temperatur des Katalysators. Des Weiteren kann für die Ermittlung von Kostenfaktor und Nutzenfaktor der jeweiligen Maßnahme eine Prädiktion des Systemzustandes über Modelle, z.B. Verbrennungsmodell und Abgasmodell, gemacht werden um den Einfluss der jeweiligen Maßnahme auf die verschiedenen Emissionen zu ermitteln. Maßnahmen sind dabei verschiedene mögliche Systemeingriffe zur Verringerung von spezifischen Emissionen. Üblicherweise führt eine Maßnahme, die zur Verringerung der Emissionen mindestens eines Emissionstyps führt, gleichzeitig zur Erhöhung der Emissionen mindestens eines anderen Emissionstyps. Dadurch wird jeder Maßnahme in der Regel mindestens ein Kostenfaktor und mindestens ein Nutzenfaktor zugewiesen.
  • Die Anwendung der Kostenfaktoren, der Nutzenfaktoren und der Prioritäten erfolgt in dem Verfahren vorzugsweise dadurch, dass für jede mögliche Maßnahme pro Emissionstyps dessen Emissionen durch diese Maßnahme verändert würden, im Falle von erhöhten Emissionen der Kostenfaktor mit der Priorität multipliziert wird, um einen Kostenwert zu erhalten und im Falle von gesenkten Emissionen der Nutzenfaktor mit der Priorität multipliziert wird, um einen Nutzenwert zu erhalten. Das Ergebnis aus der Summe aller Nutzenwerte der Maßnahme subtrahiert um die Summe aller Kostenwerte dieser Maßnahme, wird als Entscheidungsgrundlage des Koordinators für die Trajektorienplanung benutzt.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Maßnahmen vor ihrer Einleitung darauf geprüft werden, ob sie mit einer vorliegenden höher Prioren Anforderung, z.B. Komponentenschutz, eines Paketes vereinbar sind oder ob andere Einschränkungen die Auswahl der Maßnahmen eingrenzen. Pakete zur Modellierung von Teilen des Systems können Anforderungen an dessen Betrieb wie beispielsweise eine Partikelfilterregeneration, ein Beheizen eines Katalysators oder ein Beheizen eines Brennraums des Verbrennungsmotors anfordern. Maßnahmen, welche diese Anforderungen behindern oder unmöglich machen, werden auf diese Weise unterbunden.
  • Im zentralen Koordinator wird unter Berücksichtigung der Kosten-/Nutzenwerte sowie der verfügbaren Maßnahmen eine Trajektorienplanung für die Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors aufgesetzt um bezogen auf alle Emissionstypen des Verbrennungsmotors, u.a. Kohlenstoffdioxidemissionen, Stickstoffoxidemissionen und Rußemissionen, diesen optimal zu betreiben. Durch die Auswahl einer bestimmten Betriebsstrategie erfolgt die Ansteuerung der Steller des Verbrennungsmotors, z.B. Einspritzung und Zündung, in einer vorgegebenen Weise.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglich die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine emissionsbasierte Trajektorienplanung für einen Verbrennungsmotor vorzunehmen.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt ein schematisches Systemschaubild eines Kraftfahrzeugs für dessen Verbrennungsmotor mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Trajektorienplanung vorgenommen werden kann.
    • 2 zeigt schematisch eine Trajektorienplanung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 3 zeigt schematisch eine Maßnahmenermittlung in einer Trajektorienplanung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • Ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug weist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine zentrale emissionsoptimierte Trajektorienplanung 10 für seinen Verbrennungsmotor auf. In 1 ist mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt wie hierbei Anforderungen vorgenommen werden, mit gestrichelten Pfeilen dargestellt wie Statusmeldungen übertragen werden und mit gepunkteten Pfeilen dargestellt wie eine Strategie für umzusetzende Maßnahmen übermittelt wird. Der Trajektorienplanung 10 werden aktuelle Emissionen 21 des Verbrennungsmotors zugeführt. Diese umfassen Gasemissionen wie beispielsweise Kohlenstoffdioxidemissionen und Stickstoffoxidemissionen, Partikelemissionen, wie beispielsweise Rußpartikelemissionen, und Wärmeemissionen. Auch Werte, welche einen Rückschluss auf Emissionen zulassen, wie beispielsweise ein Lambdawert, können hierbei übertragen werden. Weiterhin werden der Trajektorienplanung 10 prädizierte Daten 22 zugeführt, welche eine Prädiktion der Emissionen ermöglichen. Diese Prädiktion erfolgt beispielsweise unter Berücksichtigung eines früheren Fahrverhaltens und einer Fortschreibung dieses Fahrverhaltens in die Zukunft. Weiterhin können Streckendaten aus einem Navigationssystem berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise aufgrund des so erhaltenden Fahrprofils ermittelt wird, dass in Kürze ausreichend Wärme für eine Partikelfilterregeneration in einen Partikelfilter des Kraftfahrzeugs eingetragen wurde, so kann die Prädiktion ergeben, dass für eine geplante Partikelfilterregeneration kein weiteres Aufheizen des Partikelfilters erforderlich sein wird und dies in den prädizierten Emissionen berücksichtigen. Die bisher ausgestoßenen Emissionen werden ebenfalls berücksichtigt und in der Trajektorienplanung 10 als interner Zustand gespeichert. Dies kann über Integration der Emissionen über Zeit oder der gefahrenen Strecke mit geeigneten Rücksetzbedingungen oder der Nutzung eines gleitenden Durchschnittswertes der Emissionen aus der Vergangenheit geschehen. Schließlich werden der Trajektorienplanung Schwellenwerte 23 aller Emissionen zur Verfügung gestellt, die als Zielwerte für die Optimierung fungieren und nicht überschritten werden sollen.
  • Wenn die Trajektorienplanung 10 ermittelt hat, welche Maßnahmen für einen emissionsoptimalen Betrieb des Verbrennungsmotors eingeleitet werden sollen, werden diese an Koordinatoren des Kraftfahrzeugs weitergegeben. Diese umfassen einen Fahrzeugkoordinator 31, einen Motorkoordinator 32 für den Verbrennungsmotor und einen Abgaskoordinator 33. Der Abgaskoordinator 33 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel Subkoordinatoren, nämlich einen Lambdakoordinator 331, einen Temperaturmanagement 332, einen Katalysatorkoordinator 333 und einen Partikelfilterkoordinator 334.
  • Details der Funktion der Trajektorienplanung 10 sind in 2 dargestellt. Zunächst erfolgt eine Bewertung 11 der vergangenen Emissionen und aktuellen Emissionen 21 und der prädizierten Emission 22 unter Berücksichtigung der Schwellenwerte 23. Hierzu wird jedem Emissionstyp, dessen Emissionen den jeweiligen Schwellenwert nicht überschreiten und voraussichtlich auch nicht überschreiten werden, eine Priorität im Bereich von 0 bis 100 zugewiesen, wobei die Priorität umso niedriger ist je weiter die Emission von ihrem Schwellenwert entfernt ist. Wenn eine Überschreitung des Schwellenwertes droht oder bereits erfolgt ist, so wird dem betreffenden Emissionstyp eine Priorität von mehr als 100 zugewiesen, die umso höher ist je stärker der Schwellenwert überschritten wird. Dadurch kann die Priorität z.B. einen Wert von bis zu 255 annehmen. Je höher die Priorität ist, desto wichtiger ist es Maßnahmen zu ergreifen, um die Emissionen des jeweiligen Emissionstyps zu verringern.
  • Einem Strategiemodul 12 der Trajektorienplanung 10 werden Anforderungen 40 von Paketen des Kraftfahrzeugs zugeführt. Dies umfasst beispielsweise Anforderungen bezüglich Partikelfilterregeneration, Partikelfilterbeladung, Katalysatorheizen und Brennraumheizen. Weiterhin werden dem Strategiemodul 12 Bereitschaften 50 von Elementen des Kraftfahrzeugs zugeführt, die beispielsweise sein Abgassystem, seinen Verbrennungsmotor, eine Start-Stopp-Funktion, eine Segelfunktion, ein ESP und die Möglichkeit zum Gangwechsel beinhalten. Das Strategiemodul 12 entscheidet welche Maßnahmen 60 durch die Koordinatoren 31, 32, 33 eingeleitet werden sollen.
  • In 3 wird die Funktion des Strategiemoduls 12 näher erläutert. Auf der Grundlage der Fahrzeugbereitschaften 50 erfolgt eine Bewertung 121, welche Maßnahmen im aktuellen Zustand des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden können. Dann erfolgt eine Entscheidung 122 für eine oder mehrere der Maßnahmen 60 anhand der Prioritäten P. Für jede Maßnahme 60 ist pro durch diese Maßnahme beeinflusste Emission ein Kostenfaktor Kf hinterlegt, wenn die Emission durch die Maßnahme 60 erhöht wird und ein Nutzenfaktor Nf hinterlegt, wenn die Emission durch die Maßnahme gesenkt wird. Indem für jede Emission mit einem Kostenfaktor Kf der Kostenfaktor Kf mit der Priorität P der Emission multipliziert wird, wird ein Kostenwert K für diese Emission erhalten. Indem für jede Emission, die einen Nutzenfaktor Nf aufweist, der Nutzenfaktor Nf mit der Priorität P für die jeweilige Emission multipliziert wird, wird für diese Emission ein Nutzenwert N erhalten. Das Ergebnis aus der Summe der Nutzenwerte N einer Maßnahme 60 subtrahiert um die Summe ihrer Kostenwerte K, wird als Entscheidungsgrundlage 122 genutzt, diese Maßnahme 60 umzusetzen. Dies wird in Tabelle 1 beispielhaft für ein Verbot eines Fuel-Cut-Off für eine gewisse Zeitdauer als Maßnahme 60 dargestellt. Tabelle 1
    Emission P Kf Nf K N
    CO2 50 20 0 1000
    Ruß 20 0 40 800
  • Im aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs wurde für die Emission Kohlenstoffdioxid (CO2) eine Priorität P von 50 ermittelt. Für die Emission Ruß wurde eine Priorität P von 20 ermittelt. Für die Maßnahme „Verbot Fuel-Cut-Off“, welche zu einer Verringerung von Rußpartikelemissionen unter Erhöhung der CO2-Emissionen führt, wurde für den Kohlenstoffdioxid ein Kostenfaktor Kf von 20 und für den Ruß ein Nutzenfaktor Nf von 40 ermittelt. Durch die Durchführung der oben beschriebenen Multiplikationen ergibt sich ein Kostenwert K von 1000 für Kohlenstoffdioxid und ein Nutzenwert N von 800 für Ruß. Deshalb wird im vorliegenden Betriebszustand entschieden diese Maßnahme nicht umzusetzen, da ihre Kosten höher wären als ihr Nutzen.
  • Weiterhin erfolgt im Strategiemodul 12 eine Entscheidung 123 für jede Maßnahme 60, ob sie auf der Grundlage vorliegender Anforderungen 40 und Einschränkungen von anderen Softwarepaketen durchführbar ist. Nur wenn eine Prüfung 124 ergibt, dass die Entscheidung 123 bezüglich einer Maßnahme positiv ist sowie die Entscheidungsgrundlage 122 bezüglich einer Maßnahme ergibt, dass diese für die Erreichung der Emissionsziele optimal ist, wird diese anschließend umgesetzt. Auf diese Weise können die Emissionen des Verbrennungsmotors mittels der Trajektorienplanung 10 optimal eingestellt werden. Die Prüfung 124 kann ergeben, dass im derzeitigen Zustand keine, eine oder mehrere Maßnahmen 60 gleichzeitig umgesetzt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur emissionsbasierten Trajektorienplanung (10) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von vergangenen Emissionen und/oder aktuellen Emissionen (21) und/oder prädizierten Emissionen (22) des Verbrennungsmotors Maßnahmen (60) eingeleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen (60) in einem Fahrzeugkoordinator (31) und/oder in einem Motorkoordinator (32) und/oder einem Abgaskoordinator (33) und/oder einem Unterkoordinator (331 - 334) eingeleitet werden und dort Steller angesteuert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vergangenen Emissionen und/oder aktuellen Emissionen (21) und/oder prädizierten Emissionen (22) jeweils mit einem Schwellenwert (23) für jeden Emissionstyp verglichen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Emissionstyp eine Priorität (P) in Abhängigkeit von einem Abstand seiner Emission zum jeweiligen Schwellenwert (23) berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die im Koordinator (31, 32, 33) durchführbaren Maßnahmen (60) jeweils ein Kostenfaktor für jede durch die Maßnahme erhöhte Emission und ein Nutzenfaktor für jede durch die Maßnahme gesenkte Emission ermittelt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kostenfaktor und der Nutzenfaktor über Modelle anhand eines aktuellen und/oder prädizierten Systemzustandes unter Berücksichtigung des Einflusses der jeweiligen Maßnahme dynamisch ermittelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kostenfaktor mit der Priorität (P) der erhöhten Emission multipliziert wird, um einen Kostenwert zu erhalten, jeder Nutzenfaktor mit der Priorität (P) der gesenkten Emission multipliziert wird, um einen Nutzenwert zu erhalten, und die Summe aller Nutzenwerte der Maßnahme (60) subtrahiert um die Summe aller Kostenwerte der Maßnahme (60) Entscheidungsgrundlage für die Einleitung der Maßnahme (60) ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen (60) vor ihrer Einleitung darauf geprüft werden (124), ob sie mit einer vorliegenden Anforderung (40) eines Pakets vereinbar sind.
  9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
  11. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eine Trajektorienplanung (10) für einen Verbrennungsmotor vorzunehmen.
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