WO2017004647A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine during a defined cycle, wherein the engine raw emissions of the internal combustion engine via at least one emission control parameters are adjustable and wherein the cycle at least one observation window is associated with a start and end point.
  • the cycle may be any driving cycle or legal cycle.
  • WHTC World Harmonized Transient Cycle
  • the emission standard EURO 6 for commercial vehicles stipulates that vehicles can be checked for compliance with statutory regulations not only in the specified test cycle but also during the entire period of use in real driving conditions.
  • vehicles in use in the so-called PEMS cycle (Portable Emission Measurement System) are examined on standardized routes on so-called RDE (Real Driving Emissions).
  • RDE Real Driving Emissions
  • the standard engine calibration for the legal cycle must also cover these requirements for RDE.
  • whole emission calibration datasets are switched between the extremes for best consumption with higher emissions and higher consumption with lowest emissions over several stages operating point-dependent. In conventional strategies, therefore, a pure switchover between characteristic maps of different conditions usually takes place, which is based primarily on the current engine operating point and the temperatures of exhaust aftertreatment devices.
  • the disadvantage is that the operation with the lowest emissions in many operating points depending on the emission considered can bring a higher fuel consumption. Good fuel consumption and thus low CO 2 emissions result, for example, in higher NO x values, since, for example, reduced exhaust gas recirculation is used, with the consumption values increasing if the recirculated exhaust gas quantity is increased to reduce NO x .
  • the object of the invention is to allow compliance with strict exhaust laws in real driving while low fuel and resource consumption. According to the invention, this is achieved by defining within a first observation window of the cycle with a first starting point and a first endpoint at the time of the first endpoint at least one partial observation window having a partial window starting point before the first endpoint and a partial windowing endpoint coinciding with the first endpoint Emission quantity of the partial observation window before reaching the second end point of a second observation window whose second starting point is before the first endpoint, a predictive and quantitative estimate of at least one considered emission quantity for the second observation window is performed and the estimated emission amount for the second observation window with a defined maximum Emission level is compared, and wherein upon reaching or exceeding the maximum emission amount at least one emission control parameter of Brennkraftmas Chine is adaptively changed so that the amount of emission considered is lowered.
  • estimated emission levels can be estimated with e.g. At least one control parameter and / or a calibration variable or an emission control parameter of the internal combustion engine or of the exhaust aftertreatment system is adaptively changed so that the fuel or operating fuel consumption is kept as low as possible when falling below or exceeding the maximum emission amount subject to the condition that the quantity of emission under consideration lies within the target range.
  • the emissions considered may be NO x emissions, for example.
  • the observation and partial observation windows are defined as periods with start and end times. The end times depend on the achievement of the given window values, e.g. Cumulative power. For example, a window starts with a value of zero for the overall performance, and the endpoint is defined as the value of the cumulative total power. Also other values, eg distance kilometers, fuel consumption or the like can be used as determination values for the size of the partial observation windows.
  • the cycle may be a regulatory compliance test cycle, but other cycles relevant to general operation, such as operating time or ignition number cycles, may be used in the method of the present invention.
  • the invention makes it possible, before the completion of a second observation window based on the result of the partial observation window, to make an estimate as to whether required emission values are achieved, and the exhaust gas recirculation adjustment or dosing quantity as well as other influencing variables. This also allows for operation optimized within the applicable limits during normal operation and, in particular, in dynamic operation. Emission control parameters in the sense of the invention are therefore z. Exhaust gas recirculation rate of an (internal or external) exhaust gas recirculation system, metered amount of an exhaust gas aftertreatment system ("EAS”), throttle position or others.
  • EAS exhaust gas aftertreatment system
  • the selected emission control parameters of the internal combustion engine are adaptively changed so that a cumulative value for the engine at the endpoint of the observed second observation window Quantity of considered emission is below a defined limit.
  • the control parameter is, for example, the exhaust gas recirculation rate of an internal or external exhaust gas recirculation system or the metered amount of the existing exhaust gas aftertreatment system.
  • the emission control parameter is at least one of the following group: exhaust gas recirculation rate of an internal or external exhaust gas recirculation system, metering quantity of reducing agent or fuel, injection quantity of reducing agent or fuel, air mass, injection timing, rail pressure of an injection system, metering for an existing exhaust aftertreatment system.
  • the estimation of the amount of the considered emission as a function of at least one current operating parameter of the internal combustion engine from the group engine power, engine speed, torque, engine load, exhaust gas mass flow and concentration of the considered emission value in the tail pipe of the exhaust pipe and the exhaust gas temperature.
  • - based on the current operating parameters - after reaching at least a defined minimum temperature of the internal combustion engine or the exhaust aftertreatment device or after a defined time window at least a first Observation window, preferably at defined time intervals, several observation windows and / or partial observation window, and in each case the associated amount of the considered cumulated specific emissions within the observation window are calculated.
  • the sub-observation window being smaller than the associated first observation window.
  • the beginning of the partial observation window corresponds to the beginning of the second observation window and at the same time the end of the partial observation window corresponds to the end of the first observation window.
  • the partial window end point of the partial observation window corresponds to the first end point of the first observation window.
  • the height Aw 2 of the partial observation window is freely calculable and is, for example, 50 percent of the height Ewi of the first observation window.
  • At least one emission control parameter is changed, if necessary, so that at the end of the future main observation window or second observation window, a value for the cumulative emissions which is below the legal requirements can be achieved lies.
  • the validity of the observation windows is continuously checked by checking one or more of the values power level, window length, window work, amount of specific emissions, average window power. In case of anomaly, the validity of this window is negated and the calculations continue for new observation windows and / or partial observation windows. Valid and invalid windows are recorded statistically. In other words, the number of abnormal (ie negated) and non-abnormal (that is, non-negated) observation windows are conveniently recorded statistically.
  • the data are read out within an observation window until a desired cumulative work has been achieved.
  • the results of the readout process are: Window validity, Window emissions, Window length, Cumulative work and Cumulative emissions.
  • the regulation of the internal combustion engine and the exhaust aftertreatment device to comply with legal regulations with respect to the RDE (Real Driving Emissions) is carried out permanently and in real time on the basis of a calculation of the current emission levels z. In g / kWh, without - as in a conventional emissions integrator - the entire emissions history must be considered. This calculation is done by means of window evaluation, where length, validity, and time vary. Thus, a much more precise control than previously possible and the allowable emission range can be better utilized.
  • a cycle evaluation is carried out during the test drive and all emission-relevant values are determined, and a statistical evaluation of the calculated windows is carried out (see, for example, FIG. 3). This eliminates the hitherto customary subsequent and tedious calculation of the cycle results, since these are already available at the end of the test run.
  • the input values measured at higher temporal resolution are accumulated NO x mass (in [g]) and the cumulated power or energy (in [kWs]) are calculated every second and stored in a buffer.
  • main and sub-observation windows and the associated accumulated NO x mass emissions are calculated every second, yielding as a result the specific NO x in (in [g / kWh ]) for the respective window.
  • the validity of the windows, the level of performance, the window length, the window work, the specific NO x emissions and the average window performance is permanently compared for validation with required configurable limits and conditions. Only if all of these limits and conditions are met or fulfilled is the calculated emission window also valid and used for verification. The total number of non-compliant test windows must not exceed a given percentage of the total windows to ensure that the test passes.
  • the window results are evaluated statistically as a basis for assessment and additional reference variable in real time.
  • the specific NOx of the valid windows are then normalized and an adjustable (eg 90%) emissions value determined.
  • ISC In Service Confirmity
  • the maximum BS NO x break specific: NO x emissions in g NO x per kWh
  • 90% BS NO x the number of windows
  • the maximum window power as well as a window frequency distribution on the various emission areas.
  • this information but primarily the specific NOx, is used as a reference variable. You can choose between main window, subwindow or a weighted averaging between these two calculation results.
  • the control switches over the operating modes between the emission and operating optimized calibrations based on a hysteresis in order to achieve the best possible consumption result and nevertheless to comply with all emission limit values.
  • the control can reduce the consumption of resources while maintaining the allowable emissions. Since, according to a variant, this regulation uses an NO x sensor in the exhaust end pipe downstream of the exhaust gas aftertreatment device, the aging of the exhaust gas aftertreatment device can also be compensated by increased use of the engine operating modes with lower emissions and thus the possible duration of use of the overall system can be extended.
  • At least one operating parameter and / or operating mode of the internal combustion engine and / or the exhaust aftertreatment device is changed so that at the end of the second observation window, the considered cumulative emissions below a defined threshold for the specific Emissions are.
  • the results of the calculation of the observation windows and / or the partial observation windows and the calculated Neten accumulated specific emissions of a statistical evaluation are provided.
  • a weighting of these emission values is advantageously carried out as a function of the cumulated specific emissions of the observation and / or partial observation windows, these are statistically recorded and fed to the respective controlled variable as an additional reference variable.
  • Fig. 1 and Fig. 2 exemplary performance and emission characteristics of a
  • Fig. 3 cumulative measurements in a histogram.
  • test cycle represents one of several possible embodiments with regard to applicable cycles.
  • the method is equally applicable to commercial vehicles and passenger cars.
  • each first observation window Fl defining at least one moving along the time axis first observation window Fl within the between the beginning and the end of the entire test cycle, or other driving mode, each first observation window Fl a specific width ⁇ t i and Has height ⁇ wi, wherein the width ⁇ the duration of the driving profile part (start to end point) within the first observation window corresponds.
  • the first observation window ⁇ Fl has a first starting point and a first endpoint AI Bl.
  • the height ⁇ wi substantially corresponds to the cumulative work and ⁇ ⁇ the kumu ⁇ profiled emission increase within the duration of the driving profile part.
  • each first observation window Fl variable or result variable based on a function of at least one externally calculated groE ⁇ SSE the width ⁇ and / or height ⁇ be determined each first observation window Fl variable or result variable.
  • These window characteristics ⁇ , ⁇ can be set or predetermined by means of calibration and can alternatively also be changed dynamically.
  • the externally calculated variables can be for example a cumulative capacity, cumulative emissions and / or a kumu ⁇ profiled fuel and / or resource consumption. If the width t ⁇ i vari- In dependence on this, the height ⁇ wi of the first observation window also varies. Conversely, if the height ⁇ wi varies, so does the time width ⁇ t i of the first observation window changes.
  • the first observation window Fl is further - in a timely manner at the time tact with the observation window Fl - a part of the observation window F2 determined (with partial window start point A2 and pane endpoint B2), wherein the first observation window Fl and the part observation window can F2 have the same end point and the same height AEW 2 (100%).
  • the height Aw 2 and thus the duration of the partial observation window F 2 is usually chosen to be substantially lower and can be calibrated from approximately 0% to 50% - in this case approximately 33% - of the first observation window F 1 (FIG. 2).
  • parallel running observation and partial observation windows initiated in quick succession are used.
  • the cumulative emissions are estimated based on the partial observation window F2 and compared with a permissible limit value. If it turns out that the increase in emissions (predicted ⁇ ⁇ 3 ) is greater or too far below this limit, an emission control parameter intervenes in the control of the internal combustion engine, for example the metered quantity, and the emission control parameters are changed so that the Quantity of considered emissions - eg NOx emissions - can be lowered or increased (controlled ⁇ 3 ). This ensures compliance with the legal limit values for the observation window (FIG. 2) and optimizes the consumption of resources.
  • the control device provided for this purpose switches the corresponding operating modes (eg emission-optimized or consumption-optimized) and / or the exhaust-gas aftertreatment device as required.
  • the control device switches the corresponding operating modes (eg emission-optimized or consumption-optimized) and / or the exhaust-gas aftertreatment device as required.
  • the control device switches the corresponding operating modes (eg emission-optimized or consumption-optimized) and / or the exhaust-gas aftertreatment device as required.
  • at least one operating parameter and / or operating mode of the internal combustion engine and / or the exhaust gas aftertreatment device is changed so that at the end of the second time window the considered cumulative emissions are below a defined limit value for the specific emissions.
  • Both observation or sub-observation windows F2 continue to move along the time axis t in discrete time steps, as indicated by the arrow tAct is indicated, wherein the step size At s is variably calibrated.
  • the step size Et s can be one second.
  • Both the widths ⁇ , ⁇ ⁇ 2 , ⁇ ⁇ 3 and the heights ⁇ , ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ ⁇ 3 of the windows F1 , F2, F3 can constantly change.
  • Fig. 2 for example, two consecutively calculated observation Fl and F2 part observation window are shown, wherein the end points of two consecutive observation windows Fl s are offset by the step width At.
  • the validity of this window is negated and the calculations for new observation Fl, F3 and part observation window F2 continue.
  • Valid and invalid windows are statistically recorded or summed.
  • Fig. 3 shows by way of example a histogram with accumulated valid or invalid windows in different emission areas.
  • the solution according to the invention allows a movement during the cycle or within the optimal or legally prescribed limits in the optimum range X.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine während eines beliebigen Fahrbetriebs und insbesondere eines definierten gesetzlichen Zyklus, wobei die Brennkraftmaschine zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit verstellbarem Wirkungsgrad (z. B. durch Verändern des Reduktionsmittels) oder eine Abgasrückführeinrichtung oder alternative Stellgrößen für die Veränderung der Motorrohemissionen aufweist, wobei dem aktiven Profil zumindest ein Beobachtungsfenster zugeordnet wird. Um strenge Abgasvorschriften insbesondere im realen Fahrbetrieb einhalten zu können und gleichzeitig einen geringen Kraftstoffverbrauch zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass innerhalb eines Fahrprofiles oder Testzyklus mindestens ein Hauptbeobachtungsfensters des Fahrprofils und ein Teilbeobachtungsfenster (F2) mit einem Start- und einem Endpunkt definiert wird, wobei während des Teilbeobachtungsfensters (F2) noch vor dem Erreichen des Endpunktes eines weiteren Hauptbeobachtungsfensters F3 eine prädiktive und quantitative Abschätzung zumindest einer betrachteten Emission (E) für das Hauptbeobachtungsfenster F3 durchgeführt wird und die abgeschätzte Emissionsmenge mit einer definierten maximalen Emissionsmenge verglichen wird, und wobei bei zu starker Abweichung der maximalen Emissionsmenge zumindest ein Steuerungsparameter der Brennkraftmaschine oder der Abgasnachbehandlung, adaptiv so verändert wird, dass die Menge der betrachteten Emission (E) den vorgegebenen Zielwert möglichst nahe kommt und der Betriebsmittelverbrauch optimiert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine während eines definierten Zyklus, wobei die Motorrohemissionen der Brennkraftmaschine über zumindest einen Emissions-Steuerungsparameter verstellbar sind und wobei dem Zyklus zumindest ein Beobachtungsfenster mit einem Start- und Endpunkt zugeordnet wird. Bei dem Zyklus kann es sich um einen beliebigen Fahrbetriebszyklus oder definierten gesetzlichen Zyklus handeln.
Üblicherweise werden die Motoremissionen für eine Stelle stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung so eingestellt, dass die gesetzlichen Emissionen in einem spezifizierten Testzyklus - zum Beispiel WHTC (WHTC= World Har- monized Transient Cycle) bei EURO 6 für Nutzfahrzeuge - eingehalten werden. Die Abgasnorm EURO 6 für Nutzfahrzeuge sieht vor, dass Fahrzeuge nicht nur im spezifizierten Testzyklus, sondern im gesamten Verwendungszeitraum im realen Fahrbetrieb auf Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften überprüft werden können bzw. diese einhalten. Dabei werden in Verwendung befindliche Fahrzeuge im sogenannten PEMS-Zyklus (Portable Emission Measurement System) auf standardisierten Routen auf sogenannte RDE (Real Driving Emissions) untersucht. Die Standard-Motorkalibrierung für den gesetzlichen Zyklus muss auch diese Anforderungen für RDE abdecken. Dabei werden üblicherweise ganze Datensätze der Emissions-Kalibrierung zwischen den Extremen für besten Verbrauch mit höheren Emissionen und höherer Verbrauch mit niedrigsten Emissionen über mehrere Stufen betriebspunktabhängig umgeschaltet. Üblicherweise findet bei bisherigen Strategien also eine reine Umschaltung zwischen Kennfeldern unterschiedlicher Bedatungen statt, die hauptsächlich auf dem aktuellen Motorbetriebspunkt und den Temperaturen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen basiert.
Nachteilig ist, dass der Betrieb mit niedrigsten Emissionen in vielen Betriebspunkten je nach betrachteter Emission einen höheren Kraftstoffverbrauch mit sich bringen kann. Gute Verbrauchswerte beim Treibstoff und damit niedrige C02-Emissionen ergeben beispielsweise höhere NOx-Werte, da beispielsweise mit reduzierter Abgasrückführung gefahren wird, wobei sich die Verbrauchswerte erhöhen, wenn zur NOx-Reduzierung die rückgeführte Abgasmenge erhöht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Einhaltung von strengen Abgasgesetzen im realen Fahrbetrieb bei gleichzeitig geringem Kraftstoff- bzw. Betriebsmittelverbrauch zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass innerhalb eines ersten Beobachtungsfensters des Zyklus mit einem ersten Startpunkt und einem ersten Endpunkt zum Zeitpunkt des ersten Endpunkts zumindest ein Teilbeobachtungsfenster mit einem vor dem ersten Endpunkt liegenden Teilfensterstartpunkt und mit dem ersten Endpunkt zusammenfallenden Teilfensterendpunkt definiert wird, wobei anhand einer Emissionsmenge des Teilbeobachtungsfensters noch vor dem Erreichen des zweiten Endpunktes eines zweiten Beobachtungsfensters, dessen zweiter Startpunkt vor dem ersten Endpunkt liegt, eine prädiktive und quantitative Abschätzung zumindest einer betrachteten Emissionsmenge für das zweite Beobachtungsfenster durchgeführt wird und die abgeschätzte Emissionsmenge für das zweite Beobachtungsfenster mit einer definierten maximalen Emissionsmenge verglichen wird, und wobei bei Erreichen oder Überschreiten der maximalen Emissionsmenge zumindest ein Emissions-Steuerungsparameter der Brennkraftmaschine adaptiv so verändert wird, dass die Menge der betrachteten Emission gesenkt wird.
Damit können abgeschätzte Emissionsmengen mit z.B. gesetzlich definierten maximalen Emissionsmenge verglichen werden, wobei bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Emissionsmenge zumindest ein Steuerungsparameter und/oder eine Kalibriergröße bzw. ein Emissions-Steuerungsparameter der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems adaptiv so verändert wird, dass der Kraftstoff- bzw. Betriebsmittelverbrauch möglichst niedrig gehalten wird unter der Randbedingung, dass die Menge der betrachteten Emission im Zielbereich liegt.
Die in Betracht gezogenen Emissionen können beispielsweise NOx-Emissionen sein. Die Beobachtungs- und Teilbeobachtungsfenster sind als Zeitraum mit Start- und Endzeitpunkten definiert. Die Endzeitpunkte hängen vom Erreichen der vorgegebenen Fensterwerte, z. B. kumulierter Leistung, ab. Ein Fenster beginnt also z.B. mit einem Wert Null für die Gesamtleistung und der Endpunkt ist als Wert für die kumulierte Gesamtleistung definiert. Auch andere Werte, z.B. zurückgelegte Kilometer, Treibstoffverb rauch o.ä. können als Bestimmungswerte für die Größe der Teilbeobachtungsfenster herangezogen werden.
Bei dem Zyklus kann es sich beispielsweise um einen Testzyklus für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften handeln, aber auch andere für den allgemeinen Betrieb relevante Zyklen wie Betriebsdauer- oder Zündzahlzyklen können für das erfindungsgemäße Verfahren herangezogen werden.
Die Erfindung erlaubt, noch vor Abschluss eines zweiten Beobachtungsfensters basierend auf dem Ergebnis des Teilbeobachtungsfensters eine Abschätzung vorzunehmen, ob geforderte Emissionswerte erreicht werden, und die Abgasrück- führrate oder Dosiermenge sowie anderen Einflussgrößen nachzustellen sind. Das lässt auch während des Normbetriebs und insbesondere im dynamischen Betrieb einen innerhalb der geltenden Grenzen optimierten Betrieb zu. Emissions-Steuer- ungsparameter im Sinne der Erfindung sind also z. B. Abgasrückführrate eines (internen oder externen) Abgasrückführungssystems, Dosiermenge eines Abgasnachbehandlungssystems ("Engine Aftertreatment System", EAS), Drosselklappenstellung oder andere.
Um trotz Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte den Kraftstoffverbrauch gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die gewählten Emissions-Steu- erungsparameter der Brennkraftmaschine (z.B. also auch des EAS) adaptiv so verändert werden, dass am Endpunkt des betrachteten zweiten Beobachtungsfensters ein kumulierter Wert für die Menge der betrachteten Emission unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt. In einer Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Steuerungsparameter beispielsweise um die Abgasrückführrate eines internen oder externen Abgasrückführsystems oder die Dosiermenge des vorhandenen Abgasnachbehandlungssystems.
In einer Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Emissions-Steuerungs- parameter um zumindest einen der folgenden Gruppe : Abgasrückführrate eines internen oder externen Abgasrückführsystems, Dosiermenge von Reduktionsmittel oder Treibstoff, Einspritzmenge von Reduktionsmittel oder Treibstoff, Luftmasse, Einspritztiming, Raildruck eines Einspritzsystems, Dosierung für ein vorhandenes Abgasnachbehandlungssystem.
Vorzugsweise erfolgt die Abschätzung der Menge der betrachteten Emission in Abhängigkeit zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Brennkraftmaschine aus der Gruppe Motorleistung, Motordrehzahl, Drehmoment, Motorlast, Abgasmassenstrom und Konzentration des betrachteten Emissionswertes im Endrohr der Abgasleitung und der Abgastemperatur.
Um eine rasche und möglichst genaue Abschätzung der Menge der betrachteten Emissionen zu ermöglichen ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass - basierend auf den aktuellen Betriebsparametern - nach Erreichen zumindest einer definierten minimalen Temperatur der Brennkraftmaschine oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder nach Ablauf eines definierten Zeitfensters zumindest ein erstes Beobachtungsfenster, vorzugsweise in definierten Zeitabständen mehrere Beobachtungsfenster und/oder Teilbeobachtungsfenster, und jeweils die zugehörige Menge der betrachteten kumulierten spezifischen Emissionen innerhalb der Beobachtungsfenster berechnet werden. Parallel dazu kann gemäß einer Variante der Erfindung - basierend auf dem aktuellen Betriebsparameter - nach Erreichen zumindest einer definierten minimalen Temperatur der Brennkraftmaschine oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder nach Ablauf eines definierten Zeitfensters zumindest ein Teilbeobachtungsfenster innerhalb des Beobachtungsfensters und jeweils die zugehörige Menge der betrachteten kumulierenden spezifischen Emissionen innerhalb des Teilbeobachtungsfensters berechnet werden, wobei das Teilbeobachtungsfensters kleiner als das zugehörige erste Beobachtungsfenster ist. Vorzugsweise entspricht der Beginn des Teilbeobachtungsfensters dem Beginn des zweiten Beobachtungsfensters und gleichzeitig das Ende des Teilbeobachtungsfensters dem Ende des ersten Beobachtungsfensters. In einer Variante entspricht der Teilfensterendpunkt des Teilbeobachtungsfensters dem ersten Endpunkt des ersten Beobachtungsfensters. Die Höhe Äw2 des Teilbeobachtungsfensters ist frei kalkulierbar und beträgt beispielsweise 50 Prozent der Höhe Äwi des ersten Beobachtungsfensters.
In Abhängigkeit des Ergebnisses der Abschätzung der Emissionen am Ende des Teilbeobachtungsfensters wird - wenn notwendig - zumindest ein Emissions- Steuerungsparameter so verändert, dass am Ende des zukünftigen Hauptbeobachtungsfensters bzw. zweiten Beobachtungsfensters ein Wert für die kumulierten Emissionen erreicht werden kann, welche unterhalb der gesetzlichen Vorgaben liegt.
Bevor eine Änderung der Steuerungsparameter tatsächlich durchgeführt wird, wird günstigerweise kontinuierlich die Gültigkeit der Beobachtungsfenster durch Kontrolle eines oder mehrerer der Werte Leistungsniveau, Fensterlänge, Fensterarbeit, Menge an spezifischen Emissionen, durchschnittliche Fensterleistung geprüft. Im Falle einer Anomalität wird die Gültigkeit dieses Fensters negiert und die Berechnungen für neue Beobachtungsfenster und/oder Teilbeobachtungsfenster weitergeführt. Gültige sowie nicht gültige Fenster werden hierbei statistisch erfasst. Mit anderen Worten werden günstigerweise die Zahl der anormalen (also der negierten) und nicht anormalen (also der nicht-negierten) Beobachtungsfenster statistisch erfasst.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden innerhalb eines Beobachtungsfensters die Daten solange ausgelesen, bis eine gewünschte kumulierte Arbeit erreicht ist. Die Resultate des Auslesevorganges sind : Fenster Gültigkeit, Fenster Emissionen, Fensterlänge, kumulierte Arbeit und kumulierte Emissionen.
Die Regelung der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Einhaltung gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf die RDE (Real Driving Emissions) erfolgt dauerhaft und in Echtzeit auf der Basis einer Berechnung des aktuellen Emissionslevels z. B. in g/kWh, ohne dass - wie bei einem herkömmlichen Emissions-Integrator - die gesamte Emissionshistorie betrachtet werden muss. Diese Berechnung erfolgt mittels Fensterauswertung, wobei Länge, Gültigkeit, und Zeitpunkt variieren. Somit ist eine wesentlich exaktere Regelung als bisher möglich und der erlaubte Emissionsbereich kann besser ausgenützt werden. Zusätzlich wird bereits während der Testfahrt eine Zyklusauswertung durchgeführt und werden sämtliche emissionsrelevanten Werte bestimmt, sowie wird eine statistische Auswertung der berechneten Fenster durchgeführt (siehe z.B. Fig. 3). Dadurch kann die bisher übliche nachträgliche und langwierige Berechnung der Zyklusergebnisse entfallen, da diese am Ende des Testlaufs bereits zur Verfügung stehen.
Basierend auf der aktuellen Motordrehzahl, dem Drehmoment, der NOx - Konzentration im Abgasendrohr (stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung) und der Abgastemperatur werden nach Berücksichtigung des Sensorverzugs und einer Mittelung der zeitlich höher aufgelöst (zum Beispiel mit einer zeitlichen Auflösung von 10ms) gemessenen Eingangswerte die kumulierte NOx-Masse (in [g]) sowie die kumulierte Leistung bzw. Energie (in [kWs]) sekündlich errechnet und in einem Zwischenspeicher abgelegt. Basierend auf diesen Daten werden nach Erreichen einer gewissen Motor- bzw. Abgastemperatur oder nach Ablauf eines Zeitfensters, sekündlich Haupt- und Teilbeobachtungsfenster und die zugehörigen kumulierten NOx-Massenemissionen berechnet, wodurch man als Ergebnis die spezifischen NOx in (in [g/kWh]) für das jeweilige Fenster erhält. Im Gegensatz zu Emissionen bei Personen kraftfahrzeugen werden bei Nutzfahrzeugen die Emissionen nicht in g/km, sondern in g/kWh angegeben. Sowohl die Fensterlänge, als auch der Startzeitpunkt dieser Fenster ändert sich dynamisch, da immer eine konstante integrale Fensterleistung, Kilometeranzahl, Arbeit oder dgl. in Abhängigkeit der variablen Motorleistung, basierend auf Drehzahl und Lastverlauf in Echtzeit berechnet wird. Parallel wird dieselbe Berechnung für einen frei parame- trierbaren (z.B. 50%) Bruchteil dieser Fensterlänge zusätzlich durchgeführt, um bereits vor Ablauf der gesamten Fensterlaufzeit das Ergebnis mit hoher Wahrscheinlichkeit vorausberechnen zu können und nötigenfalls den Betriebsmodus zu wechseln. Dadurch werden die in dem Fenster kumulierten Emissionen unter dem vorgegeben Grenzwert gehalten, wobei in den meisten Fällen sowohl Reaktionsmittel (Harnstoff) für einen SCR-Katalysator als auch Kraftstoff gespart werden können. Diese Fensterergebnisse gehen sekündlich als Führungsgröße für die Emissionsreserve in die Emissionsregelung ein, welche dann den jeweilig benötigten Betriebsmodus für Motor und Abgasnachbehandlung aktiviert.
Gleichzeitig werden die Gültigkeit der Fenster, das Leistungsniveau, die Fensterlänge, die Fensterarbeit, die spezifischen NOx-Emissionen und die durchschnittli- che Fensterleistung permanent zur Validierung mit geforderten parametrierbaren Grenzen und Bedingungen verglichen. Nur wenn sämtliche dieser Grenzen und Bedingungen eingehalten bzw. erfüllt sind, ist auch das berechnete Emissionsfenster gültig und wird zur Überprüfung herangezogen. Dabei darf die Gesamtzahl der nicht konformen Testfenster einen vorgegebenen Anteil an den Gesamtfenstern nicht überschreiten, um ein Bestehen des Tests zu gewährleisten.
Parallel zur Berechnung der Haupt- und Teilfenster, werden die Fensterergebnisse als Beurteilungsgrundlage und zusätzliche Führungsgröße in Echtzeit statistisch ausgewertet.
Die spezifischen NOx der gültigen Fenster werden daraufhin normalisiert und ein einstellbarer (z. B. 90%) - Emissionswert bestimmt. Das Resultat dieser statistischen Auswertung sind ein ISC Conformity Faktor (ISC= In Service Confirmity), die maximalen BS NOx ("break specific" : NOx-Emissionen in g NOx pro kWh), die 90% BS NOx, die Fensteranzahl, die maximale Fensterleistung, sowie eine Fenster-Häufigkeitsverteilung auf die diversen Emissionsbereiche. In der entsprechenden Regeleinrichtung gehen diese Informationen, primär aber die spezifischen NOx, als Führungsgröße ein. Hierbei kann zwischen Hauptfenster, Teilfenster oder einer gewichteten Mittelung zwischen diesen beiden Berechnungsresultaten gewählt werden. Danach schaltet die Regelung basierend auf einer Hysterese die Betriebsmodi zwischen den Emissions- und betriebsmitteloptimierten Kalibrierungen um, um ein möglichst gutes Verbrauchsergebnis zu erzielen und dennoch sämtliche Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Durch die Nutzung dieser Ergebnisse als Führungsgröße kann die Regelung den Betriebsmittelverbrauch reduzieren und gleichzeitig die erlaubten Emissionen einhalten. Da diese Regelung gemäß einer Variante einen NOx-Sensor im Abgasendrohr stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung verwendet, kann auch die Alterung der Abgasnachbehandlungseinrichtung durch vermehrte Verwendung der Motorbetriebsmodi mit niedrigeren Emissionen kompensiert und somit die mögliche Einsatzdauer des Gesamtsystems verlängert werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird in Abhängigkeit der kumulierten spezifischen Emissionen innerhalb des zweiten Teilbeobachtungsfensters zumindest ein Betriebsparameter und/oder Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und/ oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung so verändert, dass am Ende des zweiten Beobachtungsfensters die betrachteten kumulierten Emissionen unterhalb eines definierten Grenzwertes für die spezifischen Emissionen liegen.
In einer weiteren Variante der Erfindung werden die Ergebnisse der Berechnung der Beobachtungsfenster und/oder der Teilbeobachtungsfenster und der berech- neten kumulierten spezifischen Emissionen einer statistischen Auswertung zugeführt.
Günstigerweise wird in Abhängigkeit der kumulierten spezifischen Emissionen der Beobachtungs- und/oder Teilbeobachtungsfenster eine Gewichtung dieser Emissionswerte vorgenommen, diese werden statistisch erfasst und der jeweiligen Regelgröße als zusätzliche Führungsgröße zugeführt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert. In diesen zei¬ gen:
Fig. 1 und Fig. 2 beispielhaft Leistungs- und Emissionsverläufe eines
Nutzfahrzeuges während eines Testzyklus unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 3 kumulierte Messwerte in einem Histogramm.
Der Testzyklus stellt dabei eines von mehreren möglichen Ausführungsbeispielen hinsichtlich anwendbarer Zyklen dar. Das Verfahren ist für NFZ sowie PKW gleichermaßen anwendbar.
Dabei ist jeweils eine Quantität Y einer betrachteten Emission E, beispielsweise NOx, der Brennkraftmaschine des Nutzfahrzeugs kumulativ über der Zeit t währ¬ end eines Testzyklus aufgetragen.
Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, wird innerhalb des zwischen dem Beginn und dem Ende des gesamten Testzyklus oder anderem Fahrbetriebs zumindest ein entlang der Zeitachse bewegtes erstes Beobachtungsfenster Fl definiert, wobei jedes erste Beobachtungsfenster Fl eine spezifische Breite Äti und Höhe Äwi aufweist, wobei die Breite Δη der Dauer des Fahrprofilteiles (Start- bis Endpunkt) innerhalb des ersten Beobachtungsfensters entspricht. Das erste Beobachtungs¬ fenster Fl hat einen ersten Startpunkt AI und einen ersten Endpunkt Bl. Die Höhe Äwi entspricht im Wesentlichen der kumulierten Arbeit und Δ Ι dem kumu¬ lierten Emissionszuwachs innerhalb der Dauer des Fahrprofilteiles.
Basierend auf und in Abhängigkeit von zumindest einer extern berechneten Grö¬ ße werden die Breite Δη und/oder Höhe Δννι jedes ersten Beobachtungsfensters Fl variabel bestimmt bzw. ergeben sich variabel. Diese Fenstercharakteristika Δη, Δννι sind mittels Kalibrierung einstell- bzw. vorgebbar und können alternativ auch dynamisch verändert werden. Die extern berechneten Größen können beispielsweise eine kumulierte Leistung, kumulierte Emissionen und/oder ein kumu¬ lierter Kraftstoff- und/oder Betriebsmittelverbrauch sein. Wird die Breite Äti vari- iert, so variiert in Abhängigkeit dazu ebenfalls die Höhe Äwi des ersten Beobachtungsfensters. Wird umgekehrt die die Höhe Äwi variiert, so ändert sich auch die zeitliche Breite Äti des ersten Beobachtungsfensters.
Innerhalb des ersten Beobachtungsfensters Fl wird weiters - zeitnah zum Zeitpunkt tAct mit dem Beobachtungsfenster Fl - ein Teilbeobachtungsfenster F2 (mit Teilfensterstartpunkt A2 und Teilfensterendpunkt B2) bestimmt, wobei das erste Beobachtungsfenster Fl und das Teilbeobachtungsfenster F2 den gleichen Endzeitpunkt und die gleiche Höhe Äw2 aufweisen können (100%). Die Höhe Äw2 und somit die Dauer des Teilbeobachtungsfenster F2 ist allerdings üblicherweise wesentlich geringer gewählt und beträgt kalibrierbar etwa 0% bis 50 % - hier etwa 33% - des ersten Beobachtungsfensters Fl (Fig. 2). In nicht dargestellten Varianten kommen parallel laufende, kurz hintereinander initiierte Beobachtungsund Teilbeobachtungsfenster zum Einsatz.
Für die Höhe Äw3 eines zweiten, folgenden Beobachtungsfensters F3 (mit zweitem Startpunk A3 und zweitem Endpunkt B3) werden basierend auf dem Teilbeobachtungsfenster F2 die kumulativen Emissionen abgeschätzt und mit einem zulässigen Grenzwert verglichen. Stellt sich heraus, dass der Zuwachs an Emissionen (predicted ΔΝ3) größer oder zu weit unterhalb dieses Grenzwertes ist, so wird über einen Emissions-Steuerungsparameter in die Regelung der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Dosiermenge eingegriffen und die Emissions-Steuerungsparameter so geändert, dass die Menge der betrachteten Emissionen - beispielsweise NOx-Emissionen - gesenkt bzw. angehoben werden (controlled ΔΝ3) . Dadurch kann ein Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte für das Beobachtungsfenster gewährleistet (Fig. 2) und der Betriebsmittelverbrauch optimiert werden. Somit wird basierend auf dem Zwischenergebnis der Abschätzung der kumulativen Emissionen für das Teilbeobachtungsfenster F2 frühzeitig und vorab geregelt, um in Folge daraus im zweiten Beobachtungsfenster F3 die vorgegebenen Zielwerte in jedem Fall nicht zu überschreiten und den Betriebsmittelverbrauch minimal zu halten. Die hierfür vorgesehene Regelungseinrichtung schaltet hierzu die entsprechenden Betriebsmodi (z.B. emissionsoptimiert oder verbrauchsoptimiert) und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Bedarf um. In Abhängigkeit der kumulierten spezifischen Emissionen E innerhalb des Teilbeobachtungsfensters F2 wird also zumindest ein Betriebsparameter und/oder Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung so verändert, dass am Ende des zweiten Zeitfensters die betrachteten kumulierten Emissionen unterhalb eines definierten Grenzwertes für die spezifischen Emissionen liegen.
Beide Beobachtungs- Fl bzw. Teilbeobachtungsfenster F2 bewegen sich ständig entlang der Zeitachse t in diskreten Zeitschritten weiter, wie durch den Pfeil tAct angedeutet ist, wobei die Schrittweite Ats variabel kalibrierbar ist. Beispielsweise kann die Schrittweite Äts eine Sekunde betragen . Dabei können sich sowohl die Breiten Δη, Δι2, Δι3 als auch die Höhen Δννι, ΔΝΙ, Δνν2, ΔΝ2, Δνν3, ΔΝ3 der Fenster Fl, F2, F3 ständig ändern . In Fig . 2 sind beispielsweise zwei hintereinander berechnete Beobachtungs- Fl und Teilbeobachtungsfenster F2 dargestellt, wobei die Endzeitpunkte zweier aufeinanderfolgender Beobachtungsfenster Fl um die Schrittweite Ats versetzt sind .
Fortlaufend wird die Gültigkeit der Fensters Fl, F2, F3 durch Kontrolle des Leistungsniveaus, der Fensterbreiten - bzw. höhen Δννι, Δνν2, Δνν3, Δη, At2, Δ« der Fensterarbeit (=abgegebene Arbeit innerhalb eines Teilbeobachtungsfensters), der Menge an spezifischen Emissionen und/oder der durchschnittlichen Fensterleistung (Mittelwert der Leistung innerhalb eines Teilbeobachtungsfensters) geprüft. Im Falle einer Anomalität wird die Gültigkeit dieses Fensters negiert und die Berechnungen für neue Beobachtungs- Fl, F3 und Teilbeobachtungsfenster F2 weitergeführt. Gültige sowie nicht gültige Fenster werden hierbei statistisch erfasst bzw. summiert. Fig . 3 zeigt beispielhaft ein Histogramm mit aufsummierten gültigen bzw. ungültigen Fenstern in verschiedenen Emissionsbereichen . Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt ein Bewegen während des Zyklus bzw. Fahrens innerhalb der optimalen bzw. gesetzlich vorgeschriebenen Grenzen im Optimalbereich X.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine während eines definierten Zyklus, wobei die Motorrohemissionen der Brennkraftmaschine über zumindest einen Emissions-Steuerungsparameter verstellbar und wobei dem Zyklus zumindest ein Beobachtungsfensters (Fl, F2, F3) mit einem Start- (AI, A2, A3) und Endpunkt (Bl, B2, B3) zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines ersten Beobachtungsfensters (Fl) des Zyklus mit einem ersten Startpunkt (AI) und einem ersten Endpunkt (Bl) zum Zeitpunkt des ersten Endpunkts (Bl) zumindest ein Teilbeobachtungsfenster (F2) mit einem vor dem ersten Endpunkt (Bl) liegenden Teil- fensterstartpunkt (A2) und mit dem ersten Endpunkt (A2) zusammenfallenden Teilfensterendpunkt (B2) definiert wird, wobei anhand einer Emissionsmenge (E) des Teilbeobachtungsfensters (F2) noch vor dem Erreichen des zweiten Endpunktes (B3) eines zweiten Beobachtungsfensters (F3), dessen zweiter Startpunkt (A3) vor dem ersten Endpunkt (Bl) liegt, eine prädiktive und quantitative Abschätzung zumindest einer betrachteten Emissionsmenge (E) für das zweite Beobachtungsfenster (F3) durchgeführt wird und die abgeschätzte Emissionsmenge für das zweite Beobachtungsfenster (F3) mit einer definierten maximalen Emissionsmenge verglichen wird, und wobei bei Erreichen oder Überschreiten der maximalen Emissionsmenge zumindest ein Emissions-Steuerungsparameter der Brennkraftmaschine adaptiv so verändert wird, dass die Menge der betrachteten Emission (E) gesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Steuerungsparameter der Brennkraftmaschine adaptiv so verändert wird, dass am Endpunkt des betrachteten zweiten Beobachtungsfensters (F3) ein kumulierter Wert (Y) für die Menge der betrachteten Emission (E) unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Emissions-Steuerungsparameter um zumindest einen der folgenden Gruppe handelt: Abgasrückführrate eines internen oder externen Abgas- rückführsystems, Dosiermenge von Reduktionsmittel oder Treibstoff, Einspritzmenge von Reduktionsmittel oder Treibstoff, Luftmasse, Einspritz- timing, Raildruck eines Einspritzsystems, Dosierung für ein vorhandenes Abgasnachbehandlungssystem handelt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung der Menge der betrachteten Emission (E) in Abhängigkeit zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Brennkraftmaschine aus der Gruppe Motorleistung, Motordrehzahl, Drehmoment, Motorlast, Abgasmassenstrom und Konzentration des betrachteten Emissionswertes im Endrohr der Abgasleitung und der Abgastemperatur erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem aktuellen Betriebsparameter nach Erreichen zumindest einer definierten minimalen Temperatur der Brennkraftmaschine oder einer Abgasnachbehandlungseinrichtung oder nach Ablauf eines definierten Zeitfensters zumindest ein erstes Beobachtungsfenster (Fl), vorzugsweise in definierten Zeitabständen mehrere Beobachtungsfenster (Fl, F3) und/oder Teilbeobachtungsfenster (F2), und jeweils die zugehörige Menge der betrachteten kumulierten spezifischen Emissionen (E) innerhalb der Beobachtungsfenster (Fl, F3) berechnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem aktuellen Betriebsparameter nach Erreichen zumindest einer definierten minimalen Temperatur der Brennkraftmaschine oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder nach Ablauf eines definierten Zeitfensters zumindest ein Teilbeobachtungsfenster (F2) innerhalb des ersten Beobachtungsfensters (Fl) und jeweils die zugehörige Menge der betrachteten kumulierenden spezifischen Emissionen (E) innerhalb des Teilbeobachtungsfensters (F2) berechnet wird, wobei das Teilbeobachtungsfensters (F2) kleiner ist als das erste Beobachtungsfenster (Fl) und wobei vorzugsweise der Teilfensterendpunkt (B2) des Teilbeobachtungsfensters (F2) dem ersten Endpunkt (Bl) des ersten Beobachtungsfensters (Fl) entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich die Gültigkeit der Beobachtungsfenster (Fl, F3) durch Kontrolle eines oder mehrerer der Werte Leistungsniveau, Fensterbreite (Äti), Fensterarbeit, Menge an spezifischen Emissionen (E), durchschnittliche Fensterleistung geprüft wird und im Falle einer Anomalität die Gültigkeit dieses Fensters negiert und die Berechnungen für neue Beobachtungsfenster und/oder Teilbeobachtungsfenster weitergeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der anormalen und nicht anormalen Beobachtungsfenster statistisch erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der kumulierten spezifischen Emissionen (E) innerhalb des Teilbeobachtungsfensters (F2) zumindest ein Betriebsparame- ter und/oder Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung so verändert wird, dass am Ende des zweiten Beobachtungsfensters (F3) die betrachteten kumulierten Emissionen unterhalb eines definierten Grenzwertes für die spezifischen Emissionen liegen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Berechnung der Beobachtungsfenster (Fl, F3) und/oder der Teilbeobachtungsfenster (F2) und der berechneten kumulierten spezifischen Emissionen (E) einer statistischen Auswertung zugeführt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der kumulierten spezifischen Emissionen (E) der Beobachtungs- (Fl, F3) und/oder Teilbeobachtungsfenster (F2) eine Gewichtung dieser Emissionswerte vorgenommen wird, diese statistisch erfasst und der jeweiligen Regelgröße als zusätzliche Führungsgröße zugeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Emissionen NOx- und/oder C02-Emissionen in Betracht gezogen werden.
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