EP4463619A1 - Verfahren und steuergerät zum betreiben eines dieselkraftfahrzeugs zur emissionsreduzierung und kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und steuergerät zum betreiben eines dieselkraftfahrzeugs zur emissionsreduzierung und kraftfahrzeug

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EP4463619A1
EP4463619A1 EP22822613.0A EP22822613A EP4463619A1 EP 4463619 A1 EP4463619 A1 EP 4463619A1 EP 22822613 A EP22822613 A EP 22822613A EP 4463619 A1 EP4463619 A1 EP 4463619A1
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EP
European Patent Office
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heating element
motor vehicle
energy balance
catalytic converter
heat
Prior art date
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Pending
Application number
EP22822613.0A
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English (en)
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Inventor
Josef Blumenschein
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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    • F01N9/005—Electrical control of exhaust gas treating apparatus using models instead of sensors to determine operating characteristics of exhaust systems, e.g. calculating catalyst temperature instead of measuring it directly
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    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method and a control unit for operating a motor vehicle to reduce emissions.
  • the invention further relates to a correspondingly equipped motor vehicle.
  • DE 102017219408 A1 describes a method for optimizing nitrogen oxide emissions and carbon dioxide emissions from an internal combustion engine. With the method there, a simultaneous optimization of these emissions from a combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system is to be achieved Motor vehicle can be achieved. For this purpose, a prediction horizon is selected and a nitrogen oxide limit is set. A cost function, which includes the nitrogen oxide emission and the carbon dioxide emission, is then minimized, the nitrogen oxide limit value being observed. Finally, actuators of the internal combustion engine are adjusted to a desired value determined when minimizing the cost function.
  • Waste heat generated during operation of a motor vehicle can also be used to increase efficiency.
  • DE 102009 057 095 A1 describes a waste heat-loaded heat utilization device downstream of an internal combustion engine supplying the waste heat or the exhaust gas.
  • the heat utilization device consists of several components, which convey and compress a liquid, vaporous or gaseous resource and then expand it in a single closed or partially open resource flow system.
  • the object of the present invention is to enable improved control of a motor vehicle with an internal combustion engine in order to reduce emissions.
  • the method according to the invention is used and can therefore be used to operate a motor vehicle which has a diesel engine and an exhaust gas duct or exhaust system emanating therefrom for guiding an exhaust gas stream from the diesel engine.
  • An electric heating element and a catalytic converter are arranged in the exhaust duct.
  • the catalytic converter can in particular be a diesel oxidation catalytic converter (DOC).
  • DOC diesel oxidation catalytic converter
  • the heating element can be arranged in front of the catalytic converter, in particular viewed in the flow direction of the exhaust gas flow, ie in front of the engine on the engine side.
  • the heating element can, for example, be arranged free-standing in the exhaust gas duct or during operation in an exhaust gas flow guided therein or on the engine side on the catalytic converter, ie it can be attached to the catalytic converter or integrated into it. This allows the invention Methods for reducing emissions or optimizing emissions during operation of the motor vehicle are applied.
  • an amount of heat given off by the heating element to the exhaust gas flow and/or to the catalytic converter or introduced therein is automatically simulated using a predefined energy balance model, i.e. for respective Conditions or operating conditions of the motor vehicle, in particular the heating element and / or the diesel engine determined.
  • the energy balance model models the heating element as an energy balance or by means of an energy balance at least between the electrical energy or power supplied to the heating element and the heat emitted by the heating element via thermal radiation and convection. Heat emitted by the heating element through thermal conduction can also be modeled or taken into account in the energy balance model or in the energy balance. In this way, for example, a surface temperature of the heating element can be modeled or simulated.
  • the modeling or simulation can take place in particular in comparison to a corresponding operation of the motor vehicle without the heating element or without its operation.
  • the energy balance model can then be used to simulate a difference in the amount of heat present or introduced in the exhaust gas stream and/or in the catalytic converter and/or one or more corresponding temperatures caused by the heating element or its operation.
  • the model-based simulation or several different such simulations can be carried out, for example, in order to determine an operating variant or an operating scheme of the heating element and/or the diesel engine based on it, with which a predetermined target temperature range of the catalytic converter, in particular in the catalytic converter and/or a further downstream one in the direction of flow catalyst, can be achieved.
  • the additional catalytic converter can be, for example, an SCR catalytic converter, which can be arranged downstream of the DOC catalytic converter. Heat generated for heating up the DOC catalyst can then be supplied to this further catalyst.
  • Different operating variants or operating schemes of the heating element can be simulated using the energy balance model. For example, several different electrical power levels supplied to the heating element, different operating times, different switch-on and switch-off times or points in time for the heating element or its electrical supply and/or the like can be simulated, particularly in real time.
  • At least one parameter to be optimized can be specified, such as a heating-up time of the catalyst to be minimized to reach the target temperature range, an efficiency to be maximized for reaching the target temperature range, a quantity of total emissions to be minimized or a specific type of emissions and/or the like more.
  • An input supplied or provided to the energy balance model for carrying out the simulation can also include temperature data from one or more temperature sensors, for example, as corresponding measured temperature values.
  • Such temperature sensors can be arranged, for example, in or on the exhaust duct, in front of and/or behind the heating element and/or the catalytic converter, but also at other points in the motor vehicle.
  • actual temperatures of the exhaust gas flow, the exhaust gas duct and/or the like may be known more than respective input data or input variables for the energy balance model, i.e. be available and thus used by this for the respective simulation or calculation. In this way, the simulation or calculation can be carried out particularly precisely and other effects can be taken into account or simulated, which are explained in more detail elsewhere.
  • an operating strategy for the motor vehicle in particular for the heating element and/or the diesel engine of the motor vehicle, is defined based on a corresponding simulation result, i.e. an output of the energy balance model and/or possibly based on data derived therefrom by further processing .
  • Such an operating strategy can, for example, define, indicate or include an operating variant or an operating scheme for the heating element, an engine controller or engine operating modes of the diesel engine and/or the like.
  • the operating strategy is defined in order to reach the specified target temperature range of the catalytic converter, set it or maintain it after it has been reached.
  • the operating strategy can be carried out, for example, by adapting or selecting one or more parameter values according to the simulation result or the data derived therefrom or also the specification with regard to the parameter to be optimized.
  • different operating strategies can be predefined or stored, from which the most suitable one can be selected. Equally, for example, permissible value ranges and value combinations or a characteristic map or the like can be specified in order ultimately to define the parameter values for the operating strategy.
  • Such specifications can also be stored or modeled as boundary conditions in the energy balance model or in another predefined model, which can, for example, further process a respective simulation result, ie the output of the energy balance model. It can thus be ensured that the operating strategy is safe and suitable for the respective motor vehicle.
  • the motor vehicle in particular the heating element and/or the diesel engine, is operated according to the specified operating strategy.
  • the method according to the invention can be repeated continuously or regularly during operation of the motor vehicle, or it can be carried out or run through in a predetermined cycle.
  • the operating strategy for the motor vehicle can thus be correspondingly adapted or updated continuously or regularly.
  • the present invention enables a more precise modeling and simulation of the actually from the heating element to the Exhaust gas flow and / or the catalyst released energy or amount of heat.
  • an effective value or net value of the heat actually introduced via the heating element into the exhaust gas flow and/or the catalytic converter is determined by taking into account or modeling the energy balance.
  • the present invention is based on the realization that the electrical energy supplied to the heating element is not necessarily passed on completely in the form of heat to the exhaust gas flow and/or the catalytic converter and that this can be modeled, i.e.
  • the present invention ultimately enables a more accurate determination or prediction of the thermal behavior of the exhaust system, in particular the temperature in the catalytic converter or catalytic converters, which is of importance for emission reduction.
  • This in turn enables correspondingly optimized control or correspondingly optimized operation of the motor vehicle in order to achieve emission reduction or emission optimization in a particularly effective and efficient manner.
  • the present invention can thus enable more efficient and/or lower-emission operation of the motor vehicle, possibly with reduced energy use to heat up the catalytic converter and/or reduced thermal wear.
  • At least a first model part or model term, which describes or models the heat emission via thermal radiation, and a second model part or model term of the energy balance model, which describes or models the heat emission via convection, are weighted with individual weighting factors in the energy balance model .
  • a third part of the model or model thermal can also be described or modeled in the energy balance model, which describes or models the heat emission via thermal conduction and can also be weighted with an individual weighting factor.
  • the weighting factors can thus be predefined and stored in the energy balance model, in particular specifically for or tailored to the respective motor vehicle, a model variant of the motor vehicle or a model variant of the exhaust system of the motor vehicle or the like. If the exhaust system has or enables a changeable geometry or a variable exhaust routing or the like, for example different adjustable flow paths or the like, the weighting factors can also be dynamically adapted or set accordingly. To specify or set the weighting factors, for example, it can be determined once, for example during the manufacture of the motor vehicle, whether or to what extent in the respective application, for example in the respective motor vehicle or the respective exhaust system, the heat output from the heating element to the Catalyst is dominated by the thermal radiation term or the convection term or the thermal conduction term.
  • the thermal radiation term can dominate, for example, when the heating element is arranged on the engine or upstream side immediately in front of the catalytic converter, so that there is a direct line of sight to the catalytic converter over the entire surface of the heating element.
  • the convection term can dominate, for example, if a bend or curvature of the exhaust gas duct is arranged between the heating element and the catalytic converter. Heat radiated from the heating element would then possibly hit an inner wall of the exhaust gas duct and not directly the catalytic converter and can then possibly contribute to heating of the catalytic converter via heat conduction depending on the respective geometry.
  • the thermal behavior can also be influenced by the flow properties of the exhaust system or by flow conditions in the exhaust system.
  • the prevailing flow conditions can be dynamic or variable. For example, different flow conditions can prevail in different operating modes or operating states. Correspondingly different weighting factors or a dynamic adjustment of the weighting factors can then be used.
  • the energy balance model is used to simulate a time course of the amount of heat given off by the heating element to the exhaust gas flow and/or to the catalytic converter over a predetermined period of time.
  • developments or changes in the heat output and/or one or more corresponding temperatures over a specified operating time or operating time of the motor vehicle be simulated across. In particular, this can be carried out in each simulation run. In this way, knowledge about dynamic developments and not just about a static state can be gained or effects or effects of dynamic developments can be recognized or taken into account. In this way, an even better, more efficient or more precise control of the motor vehicle can ultimately be made possible with regard to reducing emissions as efficiently and effectively as possible.
  • any power or energy or amount of heat emitted by the exhaust gas to the heating element is also modeled in the energy balance model as part of the energy balance and simulated using the energy balance model. This means that it can be taken into account that, for example before or at the beginning of starting up the heating element, it can extract heat from the exhaust gas flow due to its heat capacity, ie can absorb heat from the exhaust gas flow. This heat then does not, or not directly, contribute to the heating of the catalytic converter.
  • the amount of heat introduced into the catalytic converter or a time profile of this heat input can be modeled or simulated more precisely .
  • this allows a more precise determination or prediction of the temperature actually present in the catalytic converter and a correspondingly more precise, more effective or more efficient control of the motor vehicle with regard to overall efficiency and/or emission reduction.
  • a portion of the electrical energy supplied to the heating element that causes a temperature change in the heating element is also modeled in the energy balance model as part of the energy balance, which is then simulated using the energy balance model.
  • This proportion can be modeled or simulated, for example, based on a thermal mass and/or specific heat capacity of the heating element—possibly stored as a parameter value in the energy balance model. It can thus be taken into account that this proportion of the supplied energy or a corresponding amount of heat is then initially not passed on directly to the exhaust gas flow via the heating element. For example, it may be slowed down or delayed Delivery of the corresponding energy or amount of heat come through the heating element.
  • this energy or amount of heat can remain stored in the heating element until the motor vehicle is switched off.
  • the corresponding energy or heat stored in the heating element does not contribute to the heating of the exhaust gas flow or the catalytic converter during operation of the motor vehicle.
  • the configuration of the present invention proposed here means that ultimately the amount of heat actually introduced into the catalytic converter or a time profile of this amount of heat introduced can be more precisely determined or estimated. This can enable a more accurate estimation of the temperature of the catalytic converter as well as ultimately a correspondingly improved control of the motor vehicle, for example with regard to efficiency and/or effectiveness of the emission reduction.
  • a heat emission from the heating element via heat conduction is also modeled in the energy balance model as part of the energy balance, which is then correspondingly simulated by means of the energy balance model. Since the heating element has to be held or fastened in some form, this results in a corresponding heat conduction path, via which heat can flow away from the heating element, ie can be dissipated. For example, heat can be dissipated from the heating element to the catalytic converter and/or out of the exhaust system of the motor vehicle, for example to a frame, a body or ultimately an area surrounding the motor vehicle.
  • Such heat conduction or heat dissipation can take place in each case through at least one corresponding material connection, that is to say a corresponding heat conduction path. In the present case, this can be taken into account in the energy balance model, ie it can be modeled. By taking into account the amount of energy or heat flowing away from the heating element or flowing to the heating element as a result of heat conduction, the amount of heat actually introduced into the catalytic converter and thus its temperature can be determined or estimated even more precisely. This ultimately also enables a correspondingly more precise and optimized control of the motor vehicle, for example with regard to the efficiency and/or effectiveness of the emission reduction.
  • corresponding material or component parameters of components of the motor vehicle that are in direct or indirect mechanical contact with the heating element can be stored as parameter values in the energy balance model.
  • a heat release from the heating element after switching off the electrical supply, i.e. the electrical power supply to the heating element is also modeled in the energy balance model as part of the energy balance, which is then correspondingly simulated using the energy balance model. It can thus be taken into account that the heating element can continue to emit heat even after the electrical power supply has been switched off. This post-heating or after-heating effect can influence the temperature or the temperature profile of the catalytic converter.
  • the temperature inside the catalytic converter is simulated using the energy balance model or based on the simulation result.
  • the temperature in the catalytic converter can then be modeled and simulated, for example by means of a corresponding predefined temperature model for the catalytic converter.
  • the simulation result ie the output of the energy balance model, can then be supplied or made available to this temperature model as input, ie as input data.
  • the operating strategy for the motor vehicle is defined based on the temperature simulated for the interior of the catalytic converter.
  • the temperature within the catalyst can be of particular importance for emission reduction, but as explained elsewhere is not readily practicably directly measurable.
  • the emission reduction can be particularly precisely, particularly efficiently and/or particularly effectively by a correspondingly adapted or regulated control of the motor vehicle be carried out or achieved.
  • the temperature within the catalyst for example, its thermal mass, heat capacity, abstraction behavior, flow resistance and/or the like can be modeled or specified as model parameters.
  • a further aspect of the present invention is a control device for a motor vehicle.
  • the control unit according to the invention has an input interface for acquiring input data, a processor device, for example a microchip, microprocessor or microcontroller or the like, a computer-readable data memory connected thereto and an output interface for outputting control signals.
  • the input data recorded via the input interface can be processed and corresponding control signals can be generated by means of the processor device and the data memory. The latter can then be output via the output interface.
  • the input interface and the output interface can be individual or separate interfaces or can be integrated or combined in a bidirectional data interface.
  • the control device according to the invention can also include additional and/or distributed hardware components.
  • the control unit according to the invention is set up for automatically executing the method according to the invention, in particular during operation of the respective motor vehicle equipped with the control unit.
  • a corresponding operating or computer program can be stored in the data memory, which implements or encodes the method steps, measures or sequences of the method according to the invention or corresponding control instructions.
  • This operating or computer program can then be executable by means of the processor device in order to execute the responsive program or to cause it to be executed.
  • the input data can be or include, for example, the electrical power supplied to the heating element, one or more measured temperatures, one or more operating parameters or operating states of the motor vehicle, in particular the engine of the motor vehicle, and/or the like.
  • the control signals generated as an output by the control unit can, for example, be designed directly or indirectly to control or activate the heating element, the engine of the motor vehicle, a possibly existing engine control unit of the motor vehicle and/or the like, i.e. serve.
  • the control device according to the invention can therefore Executing the method steps, measures or processes described in connection with the method according to the invention must be set up, ie used or deployed.
  • control device can be designed, for example, as a dedicated emission control device.
  • control unit according to the invention can be set up to carry out one or more additional tasks or functions.
  • control unit according to the invention can be the engine control unit or combined with it or integrated into it.
  • Another aspect of the present invention is a motor vehicle that has a diesel engine, an exhaust gas duct or exhaust system leading away from it, in which a catalytic converter, in particular a DOC, and an electric heating element are arranged on the engine side of this, and a control device according to the invention.
  • the motor vehicle according to the invention can therefore also be set up to automatically carry out the method according to the invention.
  • the motor vehicle according to the invention can in particular be or correspond to the motor vehicle mentioned in connection with the method according to the invention and/or in connection with the control unit according to the invention.
  • the drawing shows a schematic overview of a motor vehicle that is set up for low-emission operation.
  • FIG. 1 shows a sectional schematic representation of a motor vehicle 10 with an internal combustion engine, which is designed as a diesel engine 12 in the present case.
  • the diesel engine 12 or an operation or an operating mode of the diesel engine 12 can be controlled here by means of an engine control unit 14 .
  • the diesel engine 12 is followed by an exhaust system 16 for discharging an exhaust gas stream and for exhaust gas aftertreatment at.
  • the exhaust system 16 comprises a catalytic converter 18 arranged in the exhaust gas duct, in particular a DOC, and an electrical heating element 20 arranged upstream of it, i.e. on the engine side of the catalytic converter 18 in the exhaust gas duct.
  • Some indicated temperature sensors 22 are also provided here.
  • one of these temperature sensors 22 is arranged in the exhaust duct upstream in front of the heating element 20 and another of the temperature sensors 22 behind, i.e. downstream of the catalytic converter 18, i.e. on a side of the catalytic converter 18 in the exhaust duct which faces away from the diesel engine 12.
  • Further temperature sensors 22 can also be provided and/or the temperature sensors 22 can be arranged at other points.
  • motor vehicle 10 has an appropriately equipped emission control device 24 for controlling or optimizing the exhaust gas aftertreatment for reducing emissions by means of catalytic converter 18 .
  • This includes an input interface 26, a processor 28, a computer-readable data memory 30 connected thereto and an output interface 32.
  • the emissions control unit 24 can, via the input interface 26, for example, receive current operating, status or measurement data from the heating element 20, the temperature sensors 22 and the diesel engine 12 or the engine control unit 14 received.
  • Correspondingly received data or signals that is to say acquired via the input interface 26 , can be processed by means of the processor 28 and the data memory 30 .
  • a predefined energy balance model 34 and a temperature model 36 are stored in the data memory 30 .
  • Results or corresponding control signals resulting from the processing of the data can then be output via the output interface 32, for example to the heating element 20 and/or the diesel engine 12 or the engine control unit 14.
  • the emissions control unit 24 and the engine control unit 14 can be combined with one another .
  • emissions control device 24 and engine control device 14 can be parts of a combined control device, not shown here, or can represent different hardware and/or software modules or hardware and/or software components of such a combined control device.
  • the input interface 26 and/or the output interface 32 can then be or include, for example, program or software interfaces or data transfer functions or the like.
  • part of the electrical power supplied is necessary for heating the heating element 20 itself and, if necessary, another part of the power supplied can be conducted out of the exhaust system 16 via thermal radiation and/or thermal conduction and then in particular not or only to a limited extent or indirectly for heating the Catalyst 18 contribute.
  • the heating element 20 After the heating element 20 has been switched off or the electrical power has been supplied to the heating element 20, it can also continue to give off heat to the exhaust gas flow due to its thermal mass.
  • the energy balance model 34 calculates the electric heating element 20 or its thermal effect on the exhaust gas flow and/or the catalytic converter 18 as an energy balance of the electrical energy supplied to the heating element 20, the energy emitted via convection to the exhaust gas flow or transmitted from the exhaust gas flow to the heating element 20 Energy, the energy emitted or absorbed by the heating element 20 via thermal radiation, the energy required to change the temperature of the heating element 20 and energy absorbed or derived from the heating element 20 via thermal conduction are modeled. For different applications or requirements, to simplify the modeling or the corresponding implementation, for example, some subordinate terms of this and/or other terms or contributions may not be implemented or switched off or deactivated, ie remain unconsidered. This can depend, for example, on the respectively available storage and/or computing capacity of emissions control device 24 and/or on the number and arrangement of temperature sensors 22, ie the availability of corresponding measurement or temperature data.
  • the energy balance model 34 is executed or used during operation of the motor vehicle 10 in order to simulate the effective heat output of the heating element 20, ie its effect or effect on a thermal behavior or a thermal state of the exhaust system 16, in particular the catalytic converter 18.
  • a surface temperature of heating element 20, the amount of heat introduced by it into the exhaust gas flow and/or into the catalytic converter and/or the like can be simulated, i.e. calculated or estimated as a simulation result or output of energy balance model 34.
  • an operating strategy for motor vehicle 10 for reducing emissions can then be defined, for example also by emission control unit 24.
  • the respective current or expected during or after application of a specific operating strategy in the temperature prevailing in the catalytic converter 18 is simulated, that is to say determined or estimated.
  • the energy balance model 34 and the temperature model 36 can also be combined with one another, that is to say combined in a single model, which is indicated here by a dashed line.
  • the operating strategy defined in this way based on corresponding model values or simulation results of the energy balance model 34 and/or the temperature model 36 can then be used, for example, to control the electrical power supply to the heating element 20 and/or the operating mode or the operating mode of the diesel engine 12, for example by the emission control device 24, engine control unit 14, and/or one or more devices of motor vehicle 10 that are not shown in detail here.
  • the energy balance model 34 or also the temperature model 36 can be generated, for example, using a conventional software system for creating technical-physical models. It has been shown that temperatures actually measured in the exhaust system can be well represented or simulated with a corresponding model.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät (24) zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10) sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug (10). Gemäß dem Verfahren wird im Betrieb des Kraftfahrzeugs (10) mittels eines Energiebilanzmodells (34) eine von einem Heizelement (20) an einen Abgasstrom und/oder einen Katalysator (18) abgegebene Wärmemenge simuliert. Das Energiebilanzmodell (34) modelliert dabei das Heizelement (20) als Energiebilanz zumindest zwischen der dem Heizelement (20) zugeführten elektrischen Energie und der über Wärmestrahlung und Konvektion von diesem abgegebenen Wärmemenge. Weiter wird in dem Verfahren basierend auf einem entsprechenden Simulationsergebnis eine Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug (10) festgelegt, um einen vorgegebenen Zieltemperaturbereich des Katalysators (18) zu erreichen. Das Kraftfahrzeug (10) wird dann gemäß der festgelegten Betriebsstrategie betrieben.

Description

Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines Dieselkraftfahrzeugs zur Emissionsreduzierung und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs zur Emissionsreduzierung. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug.
Zur Vermeidung oder Reduzierung unerwünschter Emissionen von mittels einer Verbrennungskraftmaschine betriebenen Kraftfahrzeugen gibt es bereits verschiedene Lösungsansätze. So werden beispielsweise in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen verbreitet Katalysatoren eingesetzt. Diese entfalten ihre optimale Wirkung typischerweise jedoch nur in einem bestimmten Temperaturbereich, sodass sie nach dem Starten des jeweiligen Kraftfahrzeugs zunächst aufgeheizt werden müssen, andererseits jedoch auch nicht überhitzen dürfen. Problematisch ist dabei, dass in einem Katalysator nicht ohne Weiteres ein Temperatursensor angeordnet werden kann. Zudem können bisherige Ansätze zur Modellierung des thermischen Verhaltens in Abgasanlagen oder Abgassträngen von Kraftfahrzeugen nicht immer eine optimale Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit bieten. Dementsprechend besteht hier weiterhin Potenzial und Bedarf für Verbesserungen.
In der DE 102017219408 A1 ist als ein Ansatz ein Verfahren zur Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors beschrieben. Mit dem dortigen Verfahren soll eine simultane Optimierung dieser Emissionen eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs erreicht werden. Dazu wird ein Prädiktionshorizont gewählt und ein Stickoxid-Grenzwert festgesetzt. Es wird dann eine Kostenfunktion, welche die Stickoxid- Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission umfasst, minimiert, wobei der Stickoxid- Grenzwert eingehalten wird. Schließlich werden Stellglieder des Verbrennungsmotors auf einen beim Minimieren der Kostenfunktion ermittelten Sollwert eingestellt.
Ebenso kann zur Effizienzsteigerung im Betrieb eines Kraftfahrzeugs anfallende Abwärme, beispielsweise eines Abgases genutzt werden. Dazu beschreibt die DE 102009 057 095 A1 eine Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung hinter einem die Abwärme bzw. das Abgas liefernden Verbrennungsmotor. Die Wärmenutzungsvorrichtung besteht dabei aus mehreren Komponenten, welche ein flüssig, dampfförmig oder gasförmig vorliegendes Betriebsmittel fördern und komprimieren und nachfolgend entspannen in einem einzigen geschlossenen oder teiloffenen Betriebsmittelflusssystem.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Steuerung eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine zum Verringern von Emissionen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Figur offenbart.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient, kann also angewendet werden zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, das einen Dieselmotor und eine von diesem ausgehende Abgasführung bzw. Abgasanlage zum Führen eines Abgasstroms von dem Dieselmotor aufweist. In der Abgasführung sind dabei ein elektrisches Heizelement und ein Katalysator angeordnet. Bei dem Katalysator kann es sich insbesondere um einen Dieseloxidationskatalysator (DOC, englisch: diesel oxidation catalytic converter) handeln. Das Heizelement kann insbesondere in Strömungsrichtung des Abgasstroms betrachtet vor, also motorseitig vor dem Katalysator angeordnet sein. Das Heizelement kann beispielweise freistehend in der Abgasführung bzw. im Betrieb in einem darin geführten Abgasstrom oder motorseitig an dem Katalysator angeordnet, also etwa an den Katalysator angebaut oder in diesen integriert sein. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Emissionsreduzierung oder Emissionsoptimierung im Betrieb des Kraftfahrzeugs angewendet werden.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Betrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ab einem Zündung-ein-Signal, automatisch mittels eines vorgegebenen Energiebilanzmodells eine von dem Heizelement an den Abgasstrom und/oder an den Katalysator abgegebene bzw. darin eingebrachte Wärmemenge simuliert, also für jeweilige Bedingungen oder Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Heizelements und/oder des Dieselmotors, bestimmt. Das Energiebilanzmodell modelliert das Heizelement als Energiebilanz oder mittels einer Energiebilanz zumindest zwischen der dem Heizelement zugeführten elektrischen Energie bzw. Leistung und der via Wärmestrahlung und Konvektion von dem Heizelement abgegebenen Wärme. Ebenso kann in dem Energiebilanzmodell bzw. in der Energiebilanz durch Wärmeleitung von dem Heizelement abgegebene Wärme modelliert bzw. berücksichtigt sein. Damit kann beispielsweise eine Oberflächentemperatur des Heizelements modelliert sein bzw. simuliert werden.
Die Modellierung bzw. Simulation kann insbesondere im Vergleich zu einem entsprechenden Betrieb des Kraftfahrzeugs ohne das Heizelement bzw. ohne dessen Betrieb erfolgen. Es kann dann also durch das Energiebilanzmodell ein durch das Heizelement bzw. dessen Betrieb verursachter Unterschied der im Abgasstrom und/oder im Katalysator vorhandenen bzw. darin eingebrachten Wärmemenge und/oder einer oder mehrerer korrespondierender Temperaturen simuliert werden.
Die modellbasierte Simulation oder mehrere unterschiedliche solche Simulationen können beispielsweise durchgeführt werden, um darauf basierend eine Betriebsvariante oder ein Betriebsschema des Heizelements und/oder des Dieselmotors zu ermitteln, womit ein vorgegebener Zieltemperaturbereich des Katalysators, insbesondere in dem Katalysator und/oder einem in Strömungsrichtung darauffolgenden weiteren Katalysator, erreicht werden kann. Bei dem weiteren Katalysator kann es sich beispielsweise um einen SCR- Katalysator handeln, der stromabwärts vom DOC-Katalysator angeordnet sein kann. Diesem weiteren Katalysator kann dann für das Aufheizen des DOC- Katalysators erzeugte Wärme zugeführt werden. Dabei können mittels des Energiebilanzmodells unterschiedliche Betriebsvarianten oder Betriebsschemata des Heizelements simuliert werden. So können beispielsweise mehrere unterschiedliche dem Heizelement zugeführte elektrische Leistungen, unterschiedliche Betriebsdauern, unterschiedliche Einschalt- und Ausschaltzeiten oder -Zeitpunkte für das Heizelement bzw. dessen elektrische Versorgung und/oder dergleichen mehr, insbesondere in Echtzeit, simuliert werden.
Es kann beispielsweise wenigstens ein zu optimierender Parameter vorgegeben sein, wie etwa eine zu minimierende Aufheizzeit des Katalysators zum Erreichen des Zieltemperaturbereichs, eine zu maximierende Effizienz für das Erreichen des Zieltemperaturbereichs, eine zu minimieren Menge von Gesamtemissionen oder einer bestimmten Art von Emissionen und/oder dergleichen mehr.
Ein dem Energiebilanzmodell zur Durchführung der Simulation zugeführter oder bereitgestellter Input, also entsprechende Eingangsdaten können beispielsweise auch Temperaturdaten von einem oder mehreren Temperatursensoren, als entsprechende gemessene Temperaturwerte umfassen. Solche Temperatursensoren können, beispielsweise in oder an der Abgasführung, vor und/oder hinter dem Heizelement und/oder dem Katalysator, aber ebenso an anderen Stellen des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Damit können also gegebenenfalls beispielsweise tatsächliche Temperaturen des Abgasstroms, der Abgasführung und/oder dergleichen mehr als jeweilige Eingangsdaten oder Eingangsgrößen für das Energiebilanzmodell bekannt, also verfügbarsein somit von diesem für die jeweilige Simulation bzw. Berechnung verwendet werden. Damit können gegebenenfalls die Simulation bzw. Berechnung besonders genau durchgeführt und weitere Effekte berücksichtigt bzw. simuliert werden, die an anderer Stelle näher erläutert sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird basierend auf einem entsprechenden Simulationsergebnis, also einem Output des Energiebilanzmodells und/oder gegebenenfalls basierend auf daraus durch Weiterverarbeitung abgeleiteten Daten, eine Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug, insbesondere für das Heizelement und/oder den Dieselmotor des Kraftfahrzeugs, festgelegt. Eine solche Betriebsstrategie kann beispielsweise eine Betriebsvariante oder ein Betriebsschema für das Heizelement, eine Motorsteuerung bzw. Motorbetriebsarten des Dieselmotors und/oder dergleichen mehr definieren, angeben oder umfassen. Die Betriebsstrategie wird dabei festgelegt, um den vorgegebenen Zieltemperaturbereich des Katalysators zu erreichen, einzustellen oder nach dessen Erreichen zu halten. Dabei kann die Betriebsstrategie beispielsweise durch Anpassen oder Auswahlen eines oder mehrerer Parameterwerte gemäß des Simulationsergebnisses oder der daraus abgeleiteten Daten oder auch der Vorgabe bezüglich des zu optimierende Parameters erfolgen. Beispielsweise können verschiedene Betriebsstrategien vordefiniert oder hinterlegt sein, aus denen die jeweils am besten passende ausgewählt werden kann. Ebenso können beispielsweise zulässige Wertebereiche und Wertekombinationen oder ein Kennfeld oder dergleichen vorgegeben sein, um letztlich die Parameterwerte für die Betriebsstrategie festzulegen. Derartige Vorgaben können ebenso als Randbedingungen in dem Energiebilanzmodell oder einem weiteren vorgegebenen Modell, das beispielsweise ein jeweiliges Simulationsergebnis, also den Output des Energiebilanzmodells weiterverarbeiten kann, hinterlegt bzw. modelliert sein. Damit kann sichergestellt werden, dass die Betriebsstrategie sicher und für das jeweilige Kraftfahrzeug geeignet ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kraftfahrzeug, insbesondere das Heizelement und/oder der Dieselmotor, gemäß der festgelegten Betriebsstrategie betrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann während des Betriebs des Kraftfahrzeugs kontinuierlich oder regelmäßig wiederholt oder in einer vorgegebenen Taktung durchgeführt oder durchlaufen werden. Somit kann also die Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug entsprechend kontinuierlich oder regelmäßig angepasst oder aktualisiert werden.
Beispielsweise im Gegensatz zu bisherigen Lösungsansätzen, bei denen eine jeweilige gesamte einem Heizelement zugeführte elektrische Momentanleistung als Ersatzgröße oder Proxy-Variable für das Aufheizen des Abgasstroms oder des Katalysators verwendet wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine genauere Modellierung und Simulation der tatsächlich von dem Heizelement an den Abgasstrom und/oder den Katalysator abgegebenen Energie bzw. Wärmemenge. So wird in der vorliegenden Erfindung durch die Berücksichtigung bzw. Modellierung der Energiebilanz ein effektiver Wert oder Nettowert der tatsächlich über das Heizelement in den Abgasstrom und/oder den Katalysator eingebrachten Wärme bestimmt. Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die dem Heizelement zugeführte elektrische Energie nicht notwendigerweise vollständig in Form von Wärme an den Abgasstrom und/oder den Katalysator weitergegeben wird und dies durch eine entsprechende Energiebilanz modelliert, also abgebildet oder erfasst werden kann. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung letztlich eine genauere Bestimmung oder Vorhersage des thermischen Verhaltens der Abgasanlage, insbesondere der Temperatur in dem Katalysator oder in den Katalysatoren, die für die Emissionsreduzierung von Bedeutung ist. Damit wird wiederum eine entsprechend optimierte Steuerung bzw. ein entsprechend optimierter Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht, um eine Emissionsverringerung oder Emissionsoptimierung auf besonders effektive und effiziente Weise zu erreichen. Letztlich kann durch die vorliegende Erfindung also ein effizienterer und/oder emissionsärmerer Betrieb des Kraftfahrzeugs, gegebenenfalls mit reduziertem Energieeinsatz zum Aufheizen des Katalysators und/oder reduziertem thermischen Verschleiß, ermöglicht werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in dem Energiebilanzmodell zumindest ein erster Modellteil oder Modellterm, der die Wärmeabgabe über Wärmestrahlung beschreibt bzw. modelliert, und ein zweiter Modellteil oder Modellterm des Energiebilanzmodells, der die Wärmeabgabe über Konvektion beschreibt oder modelliert, mit individuellen Gewichtungsfaktoren gewichtet. Ebenso kann in dem Energiebilanzmodell ein dritter Modellteil oder Modelltherm beschrieben oder modelliert sein, der die Wärmeabgabe über Wärmeleitung beschreibt bzw. modelliert und ebenfalls mit einem individuellen Gewichtungsfaktor gewichtet sein kann. Diese individuellen Gewichtungsfaktoren sind dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Geometrie der Anordnung des Heizelements relativ zu dem Katalysator bestimmt bzw. vorgegeben. Die Gewichtungsfaktoren können also beispielsweise fest vorgegeben und in dem Energiebilanzmodell hinterlegt sein, insbesondere spezifisch für oder abgestimmt auf das jeweilige Kraftfahrzeug, eine Modellvariante des Kraftfahrzeugs oder eine Modellvariante der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs oder dergleichen. Falls die Abgasanlage eine veränderbare Geometrie oder eine variable Abgasführung oder dergleichen, beispielsweise unterschiedliche einstellbare Strömungspfade oder dergleichen, aufweist oder ermöglicht, können die Gewichtungsfaktoren ebenso automatisch dynamisch entsprechend angepasst oder eingestellt werden. Zum Vorgegeben oder Einstellen der Gewichtungsfaktoren kann beispielsweise einmalig, etwa im Rahmen einer Herstellung des Kraftfahrzeugs, bestimmt werden, ob bzw. in welchem Maße in dem jeweiligen Anwendungsfall, also etwa in dem jeweiligen Kraftfahrzeug oder der jeweiligen Abgasanlage, die Wärmeabgabe von dem Heizelement an den Katalysator durch der Wärmestrahlungsterm oder den Konvektionsterm oder den Wärmeleitungsterm dominiert ist. Der Wärmestrahlungsterm kann bei beispielsweise dann dominieren, wenn das Heizelement motor- oder zustromseitig unmittelbar vor dem Katalysator angeordnet ist, sodass über die gesamte Fläche des Heizelements eine direkte Sichtverbindung zu dem Katalysator gegeben ist. Hingegen kann der Konvektionsterm beispielsweise dominieren, wenn zwischen dem Heizelement und dem Katalysator eine Biegung oder Krümmung der Abgasführung angeordnet ist. Von dem Heizelement abgestrahlte Wärme würde dann gegebenenfalls auf eine Innenwandung der Abgasführung und nicht direkt auf den Katalysator treffen und kann dann gegebenenfalls abhängig von der jeweiligen Geometrie über Wärmeleitung zur Erwärmung des Katalysators beitragen. Das thermische Verhalten kann ebenso durch Strömungseigenschaften der Abgasführung bzw. durch Strömungsverhältnisse in der in der Abgasanlage beeinflusst sein. Zum Bestimmen der Gewichtungsfaktoren kann dies dementsprechend ebenso berücksichtigt werden. Die vorherrschenden Strömungsverhältnisse können dynamisch oder variabel sein. Beispielsweise können in unterschiedlichen Betriebsarten oder Betriebszuständen unterschiedliche Strömungsverhältnisse vorherrschen. Es können dann entsprechend unterschiedliche Gewichtungsfaktoren oder eine dynamische Anpassung der Gewichtungsfaktoren verwendet werden.
Durch die hier vorgesehenen individuellen Gewichtungsfaktoren können entsprechende individuelle Eigenschaften besonders einfach und flexibel modelliert und das Energiebilanzmodell so besonders einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird mittels des Energiebilanzmodells ein zeitlicher Verlauf der von dem Heizelement an den Abgasstrom und/oder an den Katalysator abgegebenen Wärmemenge über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg simuliert. Mit anderen Worten können also Entwicklungen oder Veränderungen der Wärmeabgabe und/oder einer oder mehrerer korrespondierender Temperaturen über eine vorgegebene Betriebszeit oder Betriebsdauer des Kraftfahrzeugs hinweg simuliert werden. Dies kann insbesondere in jedem Simulationsdurchlauf durchgeführt werden. Auf diese Weise können Erkenntnisse über dynamische Entwicklungen und nicht nur über einen statischen Zustand gewonnen bzw. Effekte oder Auswirkungen dynamischer Entwicklungen erkannt bzw. berücksichtigt werden. Damit kann letztlich eine noch bessere, effizientere oder genauere Steuerung des Kraftfahrzeugs hinsichtlich einer möglichst effizienten und effektiven Emissionsreduzierung ermöglicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in dem Energiebilanzmodell als Teil der Energiebilanz auch eine gegebenenfalls von dem Abgas an das Heizelement abgegebene Leistung oder Energie bzw. Wärmemenge modelliert und mittels des Energiebilanzmodells simuliert. Dadurch kann also berücksichtigt werden, dass, beispielsweise vor oder zu Beginn einer Inbetriebnahme des Heizelements, dieses aufgrund seiner Wärmekapazität dem Abgasstrom Wärme entziehen, also Wärme aus dem Abgasstrom aufnehmen kann. Diese Wärme trägt dann also nicht oder nicht unmittelbar zum Aufheizen des Katalysators bei. Durch die Berücksichtigung dieses Effekts, der insbesondere von der Wärmekapazität des Heizelements und einer Differenz zwischen einer Oberflächentemperatur des Heizelements und einer Temperatur des Abgasstroms abhängig sein kann, kann die in den Katalysator eingetragene Wärmemenge bzw. ein zeitlicher Verlauf dieses Wärmeeintrags genauer modelliert bzw. simuliert werden. Damit kann letztlich eine genauere Bestimmung oder Vorhersage der tatsächlich in dem Katalysator gegebene Temperatur sowie eine entsprechend genauere, effektivere oder effizientere Steuerung des Kraftfahrzeugs hinsichtlich einer Gesamteffizienz und/oder der Emissionsreduzierung ermöglicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Energiebilanzmodell als Teil der Energiebilanz auch ein eine Temperaturveränderung des Heizelements bewirkender Anteil der dem Heizelement zugeführten elektrischen Energie modelliert, der dann also mittels des Energiebilanzmodells simuliert wird. Dieser Anteil kann beispielsweise anhand einer - gegebenenfalls in dem Energiebilanzmodell als Parameterwert hinterlegten - thermischen Masse und/oder spezifischen Wärmekapazität des Heizelements modelliert sein bzw. simuliert werden. Damit kann berücksichtigt werden, dass dieser Anteil der zugeführten Energie bzw. eine entsprechende Wärmemenge dann zunächst nicht direkt über das Heizelement an den Abgasstrom weitergegeben wird. Beispielsweise kann es zu einer verlangsamten oder zeitverzögerten Abgabe der entsprechenden Energie bzw. Wärmemenge durch das Heizelement kommen. Ebenso kann zumindest ein Teil dieser Energie bzw. Wärmemenge bis über ein Abschalten des Kraftfahrzeugs hinaus in dem Heizelement gespeichert bleiben. Die entsprechende in dem Heizelement gespeicherte Energie bzw. Wärme trägt dann also während des Betriebs des Kraftfahrzeugs nicht zum Aufheizen des Abgasstroms oder des Katalysators bei. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann also letztlich die tatsächlich in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge bzw. ein zeitlicher Verlauf dieser eingebrachten Wärmemenge genauer bestimmt oder abgeschätzt werden. Dies kann eine genauere Abschätzung der Temperatur des Katalysators ebenso wie letztlich eine entsprechend verbesserte Steuerung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise hinsichtlich einer Effizienz und/oder einer Effektivität der Emissionsreduzierung, ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Energiebilanzmodell als Teil der Energiebilanz auch eine Wärmeabgabe von dem Heizelement via Wärmeleitung modelliert, die dann entsprechend mittels des Energiebilanzmodells simuliert wird. Da das Heizelement in irgendeiner Form gehalten oder befestigt sein muss, ergibt sich damit ein entsprechender Wärmeleitungspfad, über den Wärme von dem Heizelement abfließen, also abgeleitet werden kann. So kann beispielsweise Wärme aus dem Heizelement an den Katalysator und/oder aus der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs heraus, etwa an einen Rahmen, eine Karosserie oder letztlich eine Umgebung des Kraftfahrzeugs, abgeleitet werden. Eine solche Wärmeleitung oder Wärmeableitung kann jeweils durch wenigstens eine entsprechende Materialverbindung, also einen entsprechenden Wärmeleitungspfad erfolgen. Dies kann vorliegend in dem Energiebilanzmodell berücksichtigt werden, also modelliert sein. Durch Berücksichtigung des gegebenenfalls durch Wärmeleitung von dem Heizelement abfließenden oder dem Heizelement zufließenden Energie- oder Wärmeanteils kann gegebenenfalls die tatsächlich in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge und somit dessen Temperatur noch genauer bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Damit wird letztlich auch eine entsprechend genauere und, etwa hinsichtlich der Effizienz und/oder Effektivität der Emissionsreduzierung, optimierte Steuerung des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Um die Wärmeleitung dieserart zu berücksichtigen, können beispielsweise entsprechende Material- oder Bauteilparameter von mit dem Heizelement direkt oder indirekt in mechanischem Kontakt stehenden Bauteilen des Kraftfahrzeugs als Parameterwerte in dem Energiebilanzmodell hinterlegt sein. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Energiebilanzmodell als Teil der Energiebilanz auch eine Wärmeabgabe von dem Heizelement nach einem Abschalten der elektrischen Versorgung, also der elektrischen Leistungszufuhr zu dem Heizelement modelliert, die dann entsprechend mittels des Energiebilanzmodells simuliert wird. Damit kann also berücksichtigt werden, dass das Heizelement auch nach dem Abschalten der elektrischen Leistungszufuhr weiter Wärme abgeben kann. Dieser Nachwärme- oder Nach heizeff ekt kann die Temperatur bzw. den Temperaturverlauf des Katalysators beeinflussen. In bisherigen Modellen, die beispielsweise lediglich die dem Heizelement zugeführte elektrische Momentanleistung als Ersatzgröße oder Proxy-Variable für das Aufheizen des Abgasstroms oder des Katalysators verwenden, würde nach dem Abschalten der elektrischen Leistungszufuhr zu dem Heizelement keine weitere Aufheizung oder eine im Gegensatz zur Realität beschleunigte Abkühlung des Katalysators angenommen werden. Diese Problematik wird durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umgangen bzw. gelöst. Damit kann die tatsächlich in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge bzw. dessen Temperatur noch genauer ermittelt oder abgeschätzt werden. Dies ermöglicht letztlich eine weiter verbesserte bzw. genauere Steuerung des Kraftfahrzeugs, etwa hinsichtlich der Effizienz und/oder Effektivität der Emissionsreduzierung.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird mittels des Energiebilanzmodells oder basierend auf dem Simulationsergebnis die Temperatur innerhalb des Katalysators simuliert. In letzterem Fall kann die Temperatur in dem Katalysator dann, beispielsweise mittels eines entsprechenden vorgegebenen Temperaturmodells für den Katalysator, modelliert sein und simuliert werden. Diesem Temperaturmodell kann dann das Simulationsergebnis, also der Output des Energiebilanzmodells als Input, also als Eingangsdaten zugeführt oder bereitgestellt werden. Weiter ist hier vorgesehen, dass die Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug basierend auf der für das Innere des Katalysators simulierten Temperatur festgelegt wird. Die Temperatur innerhalb des Katalysators kann für die Emissionsreduzierung von besonderer Bedeutung sein, ist aber wie an anderer Stelle erläutert nicht ohne Weiteres praktikabel direkt messbar. Durch das dedizierte Simulieren der Temperatur innerhalb des Katalysators kann diese besonders genau ermittelt und darauf basierend letztlich die Emissionsreduzierung besonders genau, besonders effizient und/oder besonders effektiv durch eine entsprechend angepasste oder geregelte Steuerung des Kraftfahrzeugs durchgeführt bzw. erreicht werden. Zum Modellieren bzw. Simulieren der Temperatur innerhalb des Katalysators kann beispielsweise dessen thermische Masse, Wärmekapazität, Abstrahtverhalten, Strömungswiderstand und/oder dergleichen mehr modelliert bzw. als Modellparameter vorgegeben sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Steuergerät weist eine Eingangsschnittstelle zum Erfassen von Eingangsdaten, eine Prozessoreinrichtung, also beispielsweise einen Mikrochip, Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder dergleichen, einen damit verbundenen computerlesbaren Datenspeicher und eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben von Steuersignalen auf. Mittels der Prozessoreinrichtung und des Datenspeichers können die über die Eingangsschnittstelle erfassten Eingangsdaten verarbeitet und korrespondierende Steuersignale erzeugt werden. Letztere können dann über die Ausgangsschnittstelle ausgegeben werden. Die Eingangsschnittstelle und die Ausgangsschnittstelle können individuelle oder separate Schnittstellen oder in einer bidirektionalen Datenschnittstelle integriert oder kombiniert sein. Ebenso kann das erfindungsgemäße Steuergerät weitere und/oder verteilte Hardwarekomponenten umfassen. Das erfindungsgemäße Steuergerät ist zum, insbesondere während eines Betriebs des jeweiligen, mit dem Steuergerät ausgestatteten Kraftfahrzeugs automatischen, Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu kann beispielsweise in dem Datenspeicher ein entsprechendes Betriebs- oder Computerprogramm gespeichert sein, das die Verfahrensschritte, Maßnahmen oder Abläufe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. entsprechende Steueranweisungen implementiert oder codiert.
Dieses Betriebs- oder Computerprogramm kann dann mittels der Prozessoreinrichtung ausführbar sein, um das ansprechende Programm auszuführen oder dessen Ausführung zu bewirken. Die Eingangsdaten können beispielsweise die dem Heizelement zugeführte elektrische Leistung, eine oder mehrere gemessene Temperaturen, einen oder mehrere Betriebsparameter oder Betriebszustände des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Motors des Kraftfahrzeugs, und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Die als Output von dem Steuergerät erzeugten Steuersignale können beispielsweise direkt oder indirekt zur Steuerung oder Ansteuerung des Heizelements, des Motors des Kraftfahrzeugs, eines eventuell vorhandenen Motorsteuergeräts des Kraftfahrzeugs und/oder dergleichen mehr ausgestaltet sein, also dienen. Das erfindungsgemäße Steuergerät kann also zum Ausführen der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte, Maßnahmen oder Abläufe eingerichtet sein, also verwendet oder eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Steuergerät kann beispielsweise als dediziertes Emissionssteuergerät ausgestaltet sein. Ebenso kann das erfindungsgemäße Steuergerät zur Durchführung einer oder mehrerer weiterer Aufgaben oder Funktionen eingerichtet sein. Beispielsweise kann es bei dem erfindungsgemäßen Steuergerät um das Motorsteuergerät handeln oder mit diesem kombiniert oder in dieses integriert sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das einen Dieselmotor, eine von diesem wegführende Abgasführung bzw. Abgasanlage, in der ein Katalysator, insbesondere ein der DOC, und motorseitig von diesem ein elektrisches Heizelement angeordnet sind, und ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann also ebenfalls zum automatischen Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät genannte Kraftfahrzeug sein oder diesem entsprechen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftfahrzeugs, das für einen emissionsarmen Betrieb eingerichtet ist.
Fig. 1 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Verbrennungskraftmaschine, die vorliegend als Dieselmotor 12 ausgestaltet ist. Der Dieselmotor 12 bzw. ein Betrieb oder eine Betriebsart des Dieselmotors 12 kann hier mittels eines Motorsteuergeräts 14 gesteuert werden. An den Dieselmotor 12 schließt sich eine Abgasanlage 16 zum Abführen eines Abgasstroms und zur Abgasnachbehandlung an. Dazu umfasst die Abgasanlage 16 einen in der Abgasführung angeordneten Katalysator 18, insbesondere einen DOC, und ein diesem vorgeschaltetes, also motorseitig des Katalysators 18 in der Abgasführung angeordnetes elektrisches Heizelement 20. Weiter sind hier einige angedeutete Temperatursensoren 22 vorgesehen. Beispielhaft ist hier eine dieser Temperatursensor 22 in der Abgasführung stromaufwärts vor dem Heizelement 20 und ein weiterer der Temperatursensoren 22 hinter, also stromabwärts von dem Katalysator 18, das heißt auf einer von dem Dieselmotor 12 abgewandten Seite des Katalysators 18 in der Abgasführung angeordnet. Ebenso können weitere Temperatursensoren 22 vorgesehen und/oder die Temperatursensoren 22 an anderen Stellen angeordnet sein.
Zur Steuerung bzw. Optimierung der Abgasnachbehandlung zur Emissionsreduzierung mittels des Katalysators 18 weist das Kraftfahrzeug 10 vorliegend ein entsprechend eingerichtetes Emissionssteuergerät 24 auf. Dieses umfasst eine Eingangsschnittstelle 26, einen Prozessor 28, einen damit verbundenen computerlesbaren Datenspeicher 30 und eine Ausgangsschnittstelle 32. Das Emissionssteuergerät 24 kann über die Eingangsschnittstelle 26 beispielsweise aktuelle Betriebs-, Zustands- oder Messdaten von dem Heizelement 20, den Temperatursensoren 22 und dem Dieselmotor 12 bzw. dem Motorsteuergerät 14 empfangen. Entsprechende empfangene, also über die Eingangsschnittstelle 26 erfasste Daten oder Signale können mittels des Prozessors 28 und des Datenspeichers 30 verarbeitet werden. Dazu sind vorliegend in dem Datenspeicher 30 ein vorgegebenes Energiebilanzmodell 34 und ein Temperaturmodell 36 gespeichert. Sich dabei aus der Verarbeitung der Daten ergebende Ergebnisse bzw. entsprechende Steuersignale können dann über die Ausgangsschnittstelle 32 ausgegeben werden, beispielsweise an das Heizelement 20 und/oder den Dieselmotor 12 bzw. das Motorsteuergerät 14. Das Emissionssteuergerät 24 und das Motorsteuergerät 14 können miteinander kombiniert sein. Beispielsweise können das Emissionssteuergerät 24 und das Motorsteuergerät 14 Teile eines hier nicht dargestellten kombinierten Steuergeräts sein bzw. unterschiedliche Hardware- und/oder Softwaremodule oder Hardware- und/oder Softwarekomponenten eines solchen kombinierten Steuergeräts repräsentieren. Die Eingangsschnittstelle 26 und/oder die Ausgangsschnittstelle 32 können dann beispielsweise Programm- oder Softwareschnittstellen oder Datenübergabefunktionen oder dergleichen sein oder umfassen. Wenn das elektrische Heizelement 20 aktiviert wird, wird nicht die gesamte diesem zugeführte elektrische Leistung an den in der Abgasanlage 16 geführten Abgasstrom bzw. den Katalysator 18 abgegeben. Beispielweise ist ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung für eine Erwärmung des Heizelements 20 selbst notwendig und es kann gegebenenfalls ein weiterer Teil der zugeführten Leistung über Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung aus der Abgasanlage 16 herausgeführt werden und dann insbesondere nicht oder nur bedingt oder indirekt zur Aufheizung des Katalysators 18 beitragen. Nach dem Ausschalten des Heizelements 20 bzw. der elektrischen Leistungszufuhr des Heizelements 20 kann dieses zudem aufgrund seiner thermischen Masse weiterhin Wärme an den Abgasstrom abgeben.
Durch das Energiebilanzmodell 34 wird das elektrische Heizelement 20 bzw. dessen thermischer Effekt auf den Abgasstrom und/oder den Katalysator 18 als Energiebilanz der dem Heizelement 20 zugeführten elektrischen Energie, der via Konvektion an den Abgasstrom abgegebenen bzw. von dem Abgasstrom an das Heizelement 20 übertragenen Energie, der von dem Heizelement 20 via Wärmestrahlung abgegebenen oder aufgenommenen Energie, der zur Temperaturänderung des Heizelements 20 notwendigen Energie und via Wärmeleitung von dem Heizelement 20 aufgenommener oder abgeleiteter Energie modelliert. Für unterschiedliche Anwendungsfälle oder Anforderungen können zur Vereinfachung der Modellierung bzw. der entsprechenden Implementierung dabei beispielsweise einige untergeordnete dieser und/oder weiterer Therme oder Beiträge nicht implementiert bzw. ausgeschaltet oder deaktiviert werden, also unberücksichtigt bleiben. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einer jeweils verfügbaren Speicher- und/oder Rechenkapazität des Emissionssteuergeräts 24 und/oder von der Anzahl und Anordnung der Temperatursensoren 22, also der Verfügbarkeit entsprechender Mess- bzw. Temperaturdaten.
Das Energiebilanzmodell 34 wird im Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 ausgeführt oder angewendet, um die effektive Heizleistung des Heizelements 20, also dessen Effekt oder Auswirkung auf ein thermisches Verhalten oder einen thermischen Zustand der Abgasanlage 16, insbesondere des Katalysators 18, zu simulieren. Dabei kann beispielsweise eine Oberflächentemperatur des Heizelements 20, die von diesem in den Abgasstrom und/oder in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge und/oder dergleichen mehr simuliert, also als Simulationsergebnis bzw. Output des Energiebilanzmodells 34 berechnet bzw. abgeschätzt werden. Basierend auf dem Simulationsergebnis kann dann eine Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug 10 zur Emissionsreduzierung festgelegt werden, beispielsweise ebenfalls durch das Emissionssteuergerät 24. Dazu kann basierend auf dem Simulationsergebnis beispielsweise mittels des vorgegebenen Temperaturmodells 36 die jeweils aktuell oder voraussichtlich bei bzw. nach Anwendung einer bestimmten Betriebsstrategie in dem Katalysator 18 herrschende Temperatur simuliert, also bestimmt oder abgeschätzt werden. Dabei können das Energiebilanzmodell 34 und das Temperaturmodell 36 ebenso miteinander kombiniert, also in einem einzigen Modell zusammengefasst sein, was hier durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Die so basierend auf entsprechenden Modellwerten bzw. Simulationsergebnissen des Energiebilanzmodells 34 und oder auch des Temperaturmodells 36 festgelegte Betriebsstrategie kann dann beispielsweise zum Steuern der elektrischen Leistungszufuhr an das Heizelement 20 und/oder des Betriebsmodus oder der Betriebsart des Dieselmotors 12 verwendet werden, beispielsweise durch das Emissionssteuergerät 24, das Motorsteuergerät 14 und/oder eine oder weitere hier nicht im Detail dargestellte Einrichtungen des Kraftfahrzeugs 10.
Das Energiebilanzmodell 34 oder auch das Temperaturmodell 36 können beispielsweise mittels eines herkömmlichen Softwaresystems zur Erstellung technisch-physikalischer Modelle erzeugt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit einem entsprechenden Modell tatsächlich im Abgasstrang gemessene Temperaturen gut abgebildet bzw. nachgebildet werden können.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Modellierung eines Wärmeaustausches einer elektrischen Heizeinrichtung bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, realisiert werden kann, um letztlich eine verbesserte Fahrzeugsteuerung zur Emissionsreduzierung und/oder Effizienzsteigerung zu erreichen. Bezugszeichenliste
10 Kraftfahrzeug
12 Dieselmotor
14 Motorsteuergerät
16 Abgasanlage
18 Katalysator
20 Heizelement
22 Temperatursensor
24 Emissionssteuergerät
26 Eingangsschnittstelle
28 Prozessor
30 Datenspeicher
32 Ausgangsschnittstelle
34 Energiebilanzmodell
36 Temperaturmodell

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10), das einen Dieselmotor (12), eine von diesem ausgehende Abgasführung (16) zum Führen eines Abgasstroms von dem Dieselmotor (12) mit einem darin angeordneten elektrischen Heizelement (20) und einen Katalysator (18) aufweist, wobei automatisch
- im Betrieb des Kraftfahrzeugs (10) mittels eines vorgegebenen Energiebilanzmodells (34), welches das Heizelement (20) als Energiebilanz zumindest zwischen der dem Heizelement (20) zugeführten elektrischen Energie und der über Wärmestrahlung und Konvektion von dem Heizelement (20) abgegebenen Wärmemenge modelliert, eine von dem Heizelement (20) an den Abgasstrom und/oder an den Katalysator (18) abgegebene Wärmemenge simuliert wird,
- basierend auf einem entsprechenden Simulationsergebnis eine Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug (10) festgelegt wird, um einen vorgegebenen Zieltemperaturbereich des Katalysators (18) zu erreichen, und
- das Kraftfahrzeug (10) gemäß der festgelegten Betriebsstrategie betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiebilanzmodell (34) ein erster Modellterm, der die Wärmeabgabe über Wärmestrahlung modelliert, und ein zweiter Modellterm, der die Wärmeabgabe über Konvektion modelliert, mit individuellen Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, die in Abhängigkeit der jeweiligen Anordnung des Heizelements (20) relativ zu dem Katalysator (18) bestimmt sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Energiebilanzmodells (34) ein zeitlicher Verlauf der von dem Heizelement (20) an den Abgasstrom und/oder an den Katalysator (18) abgegebenen Wärmemenge über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg simuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiebilanzmodell (34) als Teil der Energiebilanz auch eine gegebenenfalls von dem Abgas an das Heizelement (20) abgegebene Wärmemenge simuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiebilanzmodell (34) als Teil der Energiebilanz auch ein eine Temperaturveränderung des Heizelements (20) bewirkender Anteil der dem Heizelement (20) zugeführten elektrischen Energie simuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiebilanzmodell (34) als Teil der Energiebilanz auch eine Wärmeabgabe von dem Heizelement (20) über Wärmeleitung simuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiebilanzmodell (34) als Teil der Energiebilanz auch eine Wärmeabgabe von dem Heizelement (20) nach einem Abschalten der elektrischen Leistungszufuhr zu dem Heizelement (20) simuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Energiebilanzmodells (34) und/oder basierend auf dem Simulationsergebnis die Temperatur innerhalb des Katalysators (18) simuliert wird und die Betriebsstrategie für das Kraftfahrzeug (10) basierend auf dieser simulierten Temperatur festgelegt wird. Steuergerät (24) für ein Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine Eingangsschnittstelle (26) zum Erfassen von Eingangsdaten, eine Prozessoreinrichtung (28), einen damit verbundenen Datenspeicher (30) und eine Ausgangsschnittstelle (32) zum Ausgeben von Steuersignalen, wobei das Steuergerät (24) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. 19 Kraftfahrzeug (10), aufweisend einen Dieselmotor (12), eine von diesem wegführende Abgasführung (16), in der ein Katalysator (18) und motorseitig davon ein elektrisches Heizelement (20) angeordnet sind, und ein Steuergerät (24) nach Anspruch 9.
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