DE102017219408A1

DE102017219408A1 - Verfahren zur Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017219408A1
Application number: DE102017219408.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Michael Ruff; Andreas Fritsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US20190128163A1; FR3073004A1; US10787944B2; KR20190049487A; KR102558723B1; CN109723528A; CN109723528B; FR3073004B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zu Beginn wird ein Prädiktionshorizonts (PH) gewählt (100), dann ein Stickoxid-Grenzwerts (m_{NOx_max}) festgesetzt (101). Es erfolgt ein Minimieren (102) einer Kostenfunktion (K), welche die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission umfasst, wobei der Stickoxid-Grenzwert (m_{NOx_max}) eingehalten wird. Anschließend werden Stellglieder des Verbrennungsmotors auf einen beim Minimieren (102) der Kostenfunktion (K) ermittelten Sollwert (S) eingestellt (105). Schließlich werden die Verfahrensschritte wiederholt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Es ist heutzutage gefordert mehrere unterschiedliche Typen von Schadstoff-Emissionen eines Verbrennungsmotors - vor allem Partikel, Stickoxide (NOx) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) - gleichzeitig zu verringern. Die Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors hängt stark von der verbrannten Kraftstoffmenge ab, sodass diese - auch hinsichtlich Ressourceneinsparung und Kostenersparnis - reduziert werden soll. Maßnahmen, die eine Steigerung der Verbrennungseffizienz und damit eine Reduktion der Kohlenstoffdioxid-Emission bewirken, verursachen im Allgemeinen eine Erhöhung der motorischen Stickoxid-Emission und umgekehrt. In Kraftfahrzeugen werden Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt, um die Schadstoff-Emission von Verbrennungsmotoren zu verringern. Stickoxide werden im Falle von dieselmotorischen Antrieben meist über das SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) oder mit Hilfe von NOx-Speicherkatalysatoren (NSC) reduziert. Die Stickoxid-Reduktionseffizienz, d.h. die reduzierbare Stickoxid-Masse bezogen auf die dafür aufzubringende zusätzliche Kohlenstoffdioxid-Masse, hängt in hohem Maße von spezifischen Randbedingungen, wie der aktuellen Verkehrssituation und dem individuellen Fahrverhalten des Fahrers, ab.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Sollwerte für die Stellglieder von Verbrennungsmotoren mittels zweidimensionaler Kennfelder als Funktion einer Last und/oder einer Drehzahl des Verbrennungsmotors erzeugt werden. Auf diese Weise werden die Emissionen eines Verbrennungsmotors implizit gesteuert. Weitere Parameter wie z. B. Umweltbedingungen, Temperatur des Verbrennungsmotors, Temperatur des/der Katalysators/en und/oder weitere Systemzustände werden gegebenenfalls berücksichtigt. Außerdem können Korrekturfunktionen im transienten Motorbetrieb vorgesehen sein. Zusammengefasst sind die Kennfelder auf den jeweiligen Verbrennungsmotor objektiviert angepasst.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren betrifft einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem verbunden ist. Das Abgasnachbehandlungssystem ist eingerichtet die Schadstoffemission des Verbrennungsmotors zu verringern und umfasst insbesondere einen SCR-Katalysator und/oder einen Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC).
Das Verfahren sieht vor, eine Stickoxid-Emission und eine Kohlenstoffdioxid-Emission des Verbrennungsmotors simultan zu optimieren. Bei dieser simultanen Optimierung werden die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission in Abhängigkeit voneinander so weit wie möglich verringert, wobei ein modellprädiktives Regelungskonzept verwendet wird. Für das Verfahren werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Zu Beginn wird ein Prädiktionshorizont gewählt. Der Prädiktionshorizont ist ein Zeitfenster, welches zum aktuellen Zeitpunkt beginnt und bis zu einem endlichen Zeitpunkt in der Zukunft reicht. Innerhalb des Prädiktionshorizonts können Informationen über zukünftige Werte und/oder Einflussgrößen, wie z. B. die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission und/oder weitere Schadstoff-Emissionen, die Temperatur des Verbrennungsmotors, die Temperatur des Abgases und/oder die Temperatur(en) des/der Katalysators/en, ein oder mehrere Abgasmasseströme, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs usw., gewonnen werden. Die Daten können aus verschiedenen Verfahren und Werkzeugen präzidiert werden, wie z. B. aus einem oder mehreren der Folgenden:

- Eine Prädiktion auf Basis von Navigationsdaten;
- eine Prädiktion auf Basis von Sensordaten zur Erfassung der Fahrzeugumgebung, wie z. B. Kameras, Ultraschall, Radar, Lidar usw.;
- eine Prädiktion auf Basis von Kommunikation zwischen dem Kraftfahrzeug und der Umgebung und/oder weiteren Fahrzeugen;
- eine Prädiktion auf Basis aktueller und/oder vergangener Messwerte und/oder Modellwerte, wie z. B. statistische Verfahren zur (Online-) Datenauswertung.

Der Prädiktionshorizont kann gemäß einem Aspekt auf einer vorgebbaren Zeitdauer basieren. Das heißt, für den zeitbasierten Prädiktionshorizont kann eine feste Zeitdauer für das Zeitfenster vorgegeben werden. Demzufolge bleibt die Zeitdauer für den Prädiktionshorizont während der Fahrt immer gleich. Gemäß eines weiteren Aspekts kann der Prädiktionshorizont auf einer vorgebbaren Länge einer Strecke, von der angenommen wird, dass das Kraftfahrzeug diese zurücklegt, basieren. Um die Strecke zu ermitteln, können die obengenannten Verfahren und Werkzeuge zur Prädiktion der Daten verwendet werden, allen voran die Navigationsdaten und/oder gespeicherte Daten über bevorzugte Strecken. Für den streckenbasierten Prädiktionshorizont kann die Länge der Strecke mittels der Durchschnittsgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder mittels einer über die Strecke zu erwartenden Geschwindigkeit in eine Zeitdauer umgerechnet werden. Die zu erwartende Geschwindigkeit kann ebenfalls über die vorstehend genannten Daten ermittelt werden. Darüber hinaus können zudem Daten über eine Geschwindigkeitsbegrenzung und/oder über den Verkehr auf dieser Strecke miteinfließen. Demzufolge ändert sich die Zeitdauer des Prädiktionshorizonts in Abhängigkeit von den vorstehend genannten Daten. Vorzugsweise werden mehrere Prädiktionshorizonte ermittelt, insbesondere sowohl zeitbasierte als auch streckenbasierte Prädiktionshorizonte. Werden mehrere Prädiktionshorizonte ermittelt, wird vorzugsweise derjenige gewählt, der am weitesten in der Zukunft endet.
Zusätzlich wird ein Stickoxid-Grenzwert festgesetzt. Der Stickoxid-Grenzwert orientiert sich vorteilhafterweise an gesetzlichen Vorgaben und liegt beispielsweise in Europa bei 80 mg/km. Dieser Stickoxid-Grenzwert gilt als Randbedingung für die Optimierung und darf bei dieser nicht überschritten werden. Weiterhin kann der Stickoxid-Grenzwert in einer dynamischen Form vorliegen, um beispielsweise in Städten besonders niedrige Stickoxid-Emissionen zu gewährleisten, während bei Überland- und Autobahnfahrten, durch höhere Stickoxid-Grenzwerte, mehr Spielraum für die Minimierung von Kohlenstoffdioxid zugelassen wird.
Bei der modellprädiktiven Regelung wird eine Kostenfunktion minimiert. Die Kostenfunktion umfasst die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission des Verbrennungsmotors als Kostenfaktoren. Die Gewichtung zwischen der rohmotorischen Stickoxid-Emission und der Kohlenstoffdioxid-Emission wird über einen Gewichtungsfaktor ausgedrückt und die Gewichtung kann durch den Gewichtungsfaktor verändert werden. Gemäß eines Aspekts fließt der Gewichtungsfaktor in die Kostenfunktion ein. Gemäß eines weiteren Aspekts fließt ein Korrekturfaktor zur Anpassung einer Regenerationsstrategie für einen Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC) in die Kostenfunktion ein. Mittels des Korrekturfaktors wird die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators, die, nachdem Stickoxide in diesen eingespeichert wurden, zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt werden muss und dann zu einem Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Emission führt, angepasst. Vorzugsweise gehen die vorhergegangenen Regenerationen des Stickoxid-Speicherkatalysators, insbesondere in Form eines Mittelwerts, mit in die Kostenfunktion ein. Gemäß noch eines weiteren Aspekts fließt ein Indikator zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen für die Katalysatoren in die Kostenfunktion ein. Hiermit wird die Temperatur der Katalysatoren in einer Aufheizphase geändert. Hierfür können einerseits Maßnahmen zur Steigerung der Abgastemperatur bzw. der Abgasenthalpie des Verbrennungsmotors und/oder eine exothermisch über das Abgassystem umgesetzte Kraftstoffmasse und andererseits ein elektrisches Heizelement gesteuert werden. Die Temperatur der Katalysatoren beeinflusst deren Effizienz, sodass die Stickoxid-Emission eingestellt werden kann.
Ein Modell der zu regelnden Strecke wird verwendet, um die Wirkung einer Variation des Gewichtungsfaktors zwischen der Stickoxid-Emission und der Kohlenstoffdioxid-Emission und/oder einer Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Speicherkatalysators und/oder der Durchführung von Aufheizmaßnahmen für die Katalysatoren bezüglich einer zu erwartenden Emission unter Berücksichtigung zukünftig erwarteter Fahrzustände am Ende des Prädiktionshorizonts abzuschätzen. Als Modelleingänge zur Berechnung der erwarteten Emission können beispielsweise der Abgasmassestrom, die Effizienz des/der Katalysators/en und/oder die Temperatur des Verbrennungsmotors, die Temperatur des Abgases und/oder die Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems, d.h. insbesondere die Temperatur(en) des/der Katalysators/en, einfließen. Dabei können verschiedene Modelltypen, wie beispielsweise datenbasierte Modelle, das heißt z. B. Kennfelder, Neuronale Netze usw., physikalische Modelle und/oder phänomenologische Modelle, verwendet werden.
In einem weiteren Schritt wird die Kostenfunktion in Abhängigkeit vom Gewichtungsfaktor und/oder dem Korrekturfaktor zur Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Katalysators und/oder dem Indikator zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen der Katalysatoren minimiert. Hierbei ist insbesondere die Kohlenstoffdioxid-Emission die zu minimierende Größe, während die Stickoxid-Emission der Restriktion durch den Stickoxid-Grenzwert genügen muss. Eine Gesamt-Stickoxid-Emission, d.h. die insgesamt ausgestoßene Stickoxid-Masse darf den Stickoxid-Grenzwert nicht übersteigen. Im Detail besteht die Gesamt-Stickoxid-Emission aus einer bis zu diesem Zeitpunkt ausgestoßenen Stickoxid-Emission, die beispielsweise durch fortlaufende Integration der Messwerte eines NOx-Sensors am Auslass eines Abgasstrangs des Verbrennungsmotors oder durch Integration von Modellwerten berechnet werden kann, und aus der erwarteten zusätzlichen Stickoxid-Emission, die aus dem Modell der modellprädiktiven Regelung abgeschätzt wird. Gemäß einem Aspekt kann der Stickoxid-Grenzwert in Form eines Strafterms in der Kostenfunktion berücksichtigt werden. Wenn der Stickoxid-Grenzwert nicht überschritten wird, nimmt der Strafterm einen ersten Wert, insbesondere Null, an. Wird der Stickoxid-Grenzwert überschritten, so nimmt der Strafterm einen zweiten Wert an, der größer als der erste Wert ist. Bevorzugt wird der zweite Wert derart groß gewählt, dass er bei der entsprechenden Kostenfunktion die anderen Größen deutlich übersteigt, weswegen die entsprechende Kostenfunktion einen so großen Wert annimmt, dass die entsprechende Regelstrategie, die eine Grenzwertverletzung bewirkt, für die Minimierung sicher ausscheidet.
Die Minimierung der Kostenfunktion kann mit Hilfe eines an sich bekannten Algorithmus, insbesondere unter Verwendung des Bellman'schen Optimalitätsprinzips, erfolgen. Hierfür kann vorzugsweise einer oder mehrere der folgenden Algorithmen verwendet werden:

- Policy Iteration; und/oder
- Value Iteration; und/oder
- Dynamic Programming; und/oder
- einem Rollout-Algorithmus.

Alternativ kann die Minimierung der Kostenfunktion mit Hilfe eines Schießverfahrens erfolgen.
Als Resultat werden bei der modellprädiktiven Regelung die zu fahrende Strecke, die Fahrsituation und der individuelle Fahrerstil berücksichtigt. Somit können der Verbrennungsmotor und das Abgasnachbehandlungssystem zielorientiert und bedarfsgerecht gesteuert werden und zudem frühzeitig auf diese Bedingungen eingestellt werden, wodurch die Schadstoff-Emissionen verringert werden.
Aus der Minimierung der Kostenfunktion wird auf eine optimale Regelstrategie für den aktuellen Zeitpunkt geschlossen. Diese enthält den optimalen Gewichtungsfaktor und/oder den optimalen Korrekturfaktor zur Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Katalysators und/oder den optimalen Indikator zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen der Katalysatoren bei dem die Kohlenstoffdioxid-Emission am niedrigsten ist und der Stickoxid-Grenzwert eingehalten wird. Schließlich werden Stellglieder des Verbrennungsmotors auf bei der Minimierung der Kostenfunktion ermittelte Sollwerte gemäß der optimalen Regelstrategie eingestellt. Folglich werden mit Hilfe der modellprädiktiven Regelung die zukünftig zu erwartende Katalysatoreffektivität und die zu erwartende Schadstoff-Emission bei der Sollwertbildung für die Stellglieder berücksichtigt.
Optional kann vorgesehen sein, alle obengenannten Verfahrensschritte oder nur einzelne Verfahrensschritte auf Basis des neuen Systemzustands in einem nächsten Zeitschritt zu wiederholen, um die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission zu optimieren. Darüber hinaus können die Sollwerte für die Stellglieder zusätzlich korrigiert werden, um ein gewünschtes Systemverhalten unter bestimmten Randbedingungen zu erzielen.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, eine Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission durchzuführen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematisch Darstellung eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems, das mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert werden kann.
2 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen einer Stickoxid - Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4a bis 4c zeigen jeweils zwei Prädiktionshorizonte auf einem Zeitstrahl.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 zeigt schematisch für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug einen Abgasstrang 1, der mit einem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor erzeugt Abgas, das durch den Abgasstrang 1 abgeführt wird. Des Weiteren stellt die 1 ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem 10 dar, welches im Abgasstrang 1 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das Abgas im Abgasstrang 1 zu behandeln. Hierzu umfasst das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem 10 einen Stickoxid-Speicherkatalysator 11, der Stickoxide (NOx) speichert, einen SCR-Katalysator 12, der die Stickoxide im Abgas reduziert, und einen Diesel-Oxidationskatalysator 13. Hierbei ist anzumerken, dass in anderen Ausführungsbeispielen das Abgasnachbehandlungssystem 10 auch weniger Katalysatoren umfassen kann und die Reihenfolge der Katalysatoren 11, 12, 13 variieren kann. Die genauen Funktionsweisen dieser Komponenten soll hier nicht detailliert beschrieben werden, um sich nicht vom Hauptaugenmerk dieser Erfindung zu entfernen. Das Abgas strömt aus dem Verbrennungsmotor 2 durch das Abgasstrang 1 in das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem 10, wo der Stickoxidanteil durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 11 und den SCR-Katalysator 12 verringert wird, und verlässt dann das Abgasnachbehandlungssystem 10 über den Abgasstrang 1.
Darüber hinaus sind zwei Stickoxid-Sensoren 30 und 31 im Abgasstrang 1 angeordnet. Ein erster Stickoxid-Sensor 30 ist zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Abgasnachbehandlungssystem 10 angeordnet und ist eingerichtet, eine Stickoxid-Rohemission des Verbrennungsmotors 2 zu messen. Ein zweiter Stickoxid-Sensor 31 ist stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 10 angeordnet und misst dort einen Stickoxid-Wert des behandelten Abgases. Die beiden Stickoxid-Sensoren 30 und 31 sind mit einem Steuergerät 3 verbunden und liefern diesem Informationen über den NOx-Gehalt des Abgases. Außerdem ist das Steuergerät 3 eingerichtet, das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem 10 und den Verbrennungsmotor 2 zu steuern.
2 zeigt ein Diagramm, in dem eine Stickoxid-Rohemission (NOx) gegen eine Kohlenstoffdioxid-Emission (CO₂) aufgetragen ist. Eine Verbesserung der einen Emission bedingt immer eine Änderung der jeweils anderen Emission. Im Diagramm ist eine Pareto-Front 50 der Stickoxid-Emission und der Kohlenstoffdioxid-Emission gezeigt, welche die optimalen Zustände für beide Emissionen darstellt. Erfindungsgemäß ist ein Gewichtungsfaktor Ψ vorgesehen, mittels dem die Gewichtung zwischen der Stickoxid-Emission und der Kohlenstoffdioxid-Emission verändert wird. Bei der Änderung der Gewichtung durch den Gewichtungsfaktor Ψ ist darauf zu achten, dass die Pareto-Front 50 nicht verlassen wird, um sicherzustellen, dass ein optimaler Zustand erreicht wird. Der Gewichtungsfaktor Ψ kann beliebige Werte zwischen Null und Eins annehmen. In 2 sind beispielhaft einzelne optimale Zustände auf der Pareto-Front 50 mit den Gewichtungsfaktoren Ψ = 0, Ψ = 0,25, Ψ = 0,5, Ψ = 0,75 und Ψ = 1 hervorgehoben.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt wird ein Prädiktionshorizont PH gewählt 100. Der Prädiktionshorizont PH stellt ein Zeitfenster dar, innerhalb dessen Informationen über zukünftige Werte und/oder Einflussgrößen, wie z. B. die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission und/oder weitere Schadstoff-Emissionen, die Temperatur des Verbrennungsmotors 2, die Temperatur des Abgases und/oder die Temperaturen der Katalysatoren 11, 12, 13, ein Abgasmassestrom ṁ, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs usw., gewonnen werden können. Für eine detaillierte Beschreibung der Wahl 100 des Prädiktionshorizonts PH wird auf die 4 verwiesen. In einem weiteren Schritt wird ein Stickoxid-Grenzwert m_{NOx_max} anhand von gesetzlichen Grenzwerten für die Stickoxid-Emission während des Prädiktionshorizonts PH festgesetzt 101. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Stickoxid-Grenzwert m_{NOx_max} bei 80 mg/km.
Für den aktuellen Prädiktionshorizont PH erfolgt eine Minimierung 102 einer Kostenfunktion K in Abhängigkeit eines Emissions-Gewichtungsfaktors (Ψ), eines Korrekturfaktors f_NSC für die Anpassung einer Regenerationsstrategie des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 und eines Indikators I_T zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen für die Katalysatoren 11, 12, 13. Um die Wirkung der verschiedenen Maßnahmen abzuschätzen, werden einzelne, mehrere oder gegebenenfalls alle der nachfolgend erläuterten Modelle 200 - 208 der zu regelnden Strecke verwendet:

- Ein Modell 200 für die Kohlenstoffdioxid-Emission, welches in Form von Kennfeldern abhängig von einer Last und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 sowie dem Gewichtungsfaktoren Ψ abgelegt ist;
- ein Modell 201 für die Stickoxid-Emission, welches in Form von Kennfeldern abhängig von der Last und der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 sowie dem Gewichtungsfaktoren Ψ abgelegt ist;
- ein sauerstoffbasiertes Modell 202 für die Stickoxid-Emission, welches phänomenologisch erhalten wird (alternativ zum Modell 201);
- ein Modell 203 für den Abgasmassestrom ṁ, welches in Form von Kennfeldern abhängig von einer Last und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 sowie dem Gewichtungsfaktoren Ψ abgelegt ist;
- ein Turbolader-Modell 204, welches aus einer Energiebilanz ermittelt wird;
- ein Modell 205 für die Abgastemperatur, welches phänomenologisch die Temperatur am Ausgang des Verbrennungsmotors 2 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, der Temperatur des Luft-/Kraftstoff-Gemisches am Eingang des Verbrennungsmotors 2, der Temperatur des Verbrennungsmotors 2, dem Abgasmassestrom ṁ sowie dem Gewichtungsfaktoren Ψ ermittelt.
- ein Modell 206 zur Berechnung der Temperatur der Katalysatoren 11, 12, 13 basierend auf einer Energiebilanz, wobei auch exotherme Reaktionen, beispielsweise ein Umsatz von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, abgebildet werden, in Abhängigkeit von der Abgastemperatur, dem Abgasmassestrom ṁ, der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, sowie einer Masse der Kohlenwasserstoffe im Abgas, wobei das Modell 205 in diesem Ausführungsbeispiel ein explizit formuliertes Modell, d.h. eine Lösung einer zugrundeliegenden Differentialgleichung, darstellt;
- ein Modell 207 einer Stickoxid-Konvertierungsrate für den Stickoxid-Speicherkatalysator 11;
- ein Modell 208 einer Stickoxid-Konvertierungsrate für den SCR-Katalysator 12.

In die Modelle 200 - 208 fließen Streckeninformationen 210 ein. Diese werden z. B. aus Navigationsdaten, Verkehrsinformationen und Kartendaten ermittelt. Die Modelle 200 - 208 durchlaufen im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Tiefpass-Filter 210 bevor sie bei der Minimierung 102 der Kostenfunktion K verwendet werden, sodass die beschriebenen Größen als statistische Erwartungswerte einfließen.
Die Kostenfunktion K wird über die folgende Formel 1 ausgedrückt: $K (u (t), t) = \int_{t = 0}^{P H} ({\dot{m}}_{C O_{2}} (u (t), t) + δ * {\dot{m}}_{N O x} (u (t), t) * η_{N S C} (u (t), t) + Θ (u (t), t)) d t$
Hierbei ist u(t) ein Steuerungsvektor des Verbrennungsmotors 2, der den Gewichtungsfaktor Ψ, den Korrekturfaktor f_NSC zur Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 und den Indikator I_T zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen für die Katalysatoren 11, 12, 13 als Funktion der Zeit t als Einträge aufweist. ṁ_CO
2 und ṁ_NOx stellen den Abgasmassestrom von Kohlenstoffdioxid beziehungsweise von Stickoxid des Verbrennungsmotors 2 dar. η_NSC gibt die Speichereffizienz des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 an. δ ist ein Faktor zur Bewertung einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 11, die, nachdem Stickoxide in diesen eingespeichert wurden, zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt werden muss und dann zu einem Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Emission führt. δ wird durch eine gleitende Mittelwertbildung aus vorhergegangenen Regenerationen des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 berechnet, indem die während der Regeneration aufzubringende Kohlenstoffdioxid-Emission ins Verhältnis zur konvertierten Stickoxid-Masse gesetzt wird. Θ stellt einen Strafterm dar, mittels dem der Stickoxid-Grenzwert m_{NOx_max} als Randbedingung in der Formel 1 berücksichtigt wird. Diese Randbedingung der Stickoxid-Restriktion kann durch folgende Formel 2 ausgedrückt werden: $\begin{matrix} \int_{t = 0}^{P H} ({\dot{m}}_{C O_{2}} (u (t), t) * (1 - η_{N S C} (u (t), t) * (1 - η_{S C R} (u (t), t)) d t \\ \leq m_{N O x_m a x} - m_{N O x_a c t} \end{matrix}$
η_SCR ist analog eine Effizienz des SCR-Katalysators 12. m_{NOx_act} gibt die aktuelle Stickoxid-Masse an und wird durch fortlaufende Integration der Messwerte des zweiten Stickoxid-Sensors 31 oder durch Integration von Modellwerten berechnet. Eine etwaige Verletzung der in Formel 2 angegebenen Randbedingung wird mittels einer Transferfunktion in den Strafterm Θ in Formel 1 überführt. Wenn die in Formel 2 angegebene Randbedingung erfüllt ist, wird der Strafterm Θ in Formel 1 beispielsweise zu Null gewählt. Wird die Formel 2 nicht erfüllt, so nimmt der Strafterm Θ in Formel 1 einen endlichen positiven Wert an, der derart groß ist, dass die entsprechende Regelstrategie bei der Minimierung 102 der Kostenfunktion K sicher ausgeschlossen wird. Beispielsweise kann der Strafterm Θ einen Wert annehmen der die anderen Werte aus Formel 1 um das zehnfache übersteigt.
Die Minimierung 102 der Kostenfunktion erfolgt mit Hilfe eines Schießverfahrens oder eines oder mehrerer der folgenden Algorithmen auf Basis des Bellman'schen Optimalitätsprinzips:

- Policy Iteration;
- Value Iteration;
- Dynamic Programming; und/oder
- einem Rollout-Algorithmus.

Die Minimierung 102 der Kostenfunktion K und die damit verbundene Ermittlung eines optimalen Steuerungsvektors ü(t), erfolgt gemäß Formel 3. Der optimale Steuerungsvektor ü(t) enthält als Einträge den optimalen Gewichtungsfaktor Ψ und den Korrekturfaktor f_NSC zur Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 und den Indikator I_T zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen für die Katalysatoren 11, 12, 13, die in Form spezieller Motorbetriebsmodi realisiert sind. $\hat{u} (t) = \underset{u \in U}{argmin} k (u (t), t)$
Im weiteren Verfahren werden aus dem optimalen Gewichtungsfaktor Ψ und dem Korrekturfaktor f_NSC zur Anpassung der Regenerationsstrategie des Stickoxid-Speicherkatalysators 11 und dem Indikator I_T zur Anforderung von Aufheizmaßnahmen der Katalysatoren 11, 12, 13 Sollwerte S für Stellglieder des Verbrennungsmotors 2 abgeleitet 103. Es erfolgt eine zusätzliche Korrektur 104 der Sollwerte S, um ein gewünschtes Systemverhalten unter vorgebbaren Randbedingungen zu erzielen. Schließlich werden die Stellglieder des Verbrennungsmotors 2 mittels der Sollwerte S eingestellt 105. Das Verfahren wird im Anschluss auf Basis des neuen Systemzustands beginnend mit der Wahl 100 des Prädiktionshorizonts PH wiederholt, um die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission zu optimieren.
In den 4a bis 4c wird anhand von Zeitdiagrammen die Wahl 100 zwischen einem ersten Prädiktionshorizonts PH1 und einem zweiten Prädiktionshorizonts PH1 für jeweils ein neues Wiederholen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Für den ersten Prädiktionshorizont PH1 wird eine feste Zeitdauer vorgegeben, d.h. er ist zeitbasiert. Der Zeitpunkt t_PH1a, t_PH1b, t_PH1c, an dem der erste Prädiktionshorizonts PH1 endet, ist in allen Teildiagrammen gleich weit vom Zeitpunkt t₁, t₂, t₃ entfernt, an dem die Prädiktionshorizonte PH1, PH2 gewählt werden. Demzufolge bleibt die Zeitdauer für den Prädiktionshorizont während der Fahrt immer gleich. Für den zweiten Prädiktionshorizont PH2 wird eine Länge einer zu fahrenden Strecke vorgegeben, d.h. er ist streckenbasiert. Um die Länge der Strecke zu ermitteln, können die Streckeninformationen 210, Navigationsdaten und/oder gespeicherte Daten über bevorzugte Strecken verwendet werden. Alternativ kann eine Streckenlänge appliziert werden. Der streckenbasierte Prädiktionshorizont PH2 wird mittels der Durchschnittsgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder mittels einer über die Strecke zu erwartenden Geschwindigkeit, die ebenfalls über die vorstehend genannten Daten ermittelt wird, in eine Zeitdauer umgerechnet. Dementsprechend bleibt sich der Zeitpunkt t_PH2a, t_PH2b, t_PH2c, an dem der zweite Prädiktionshorizonts PH2 endet, gleich und die Zeitdauer ist für jedes Teildiagramm verschieden, da die noch zurückzulegende Strecke kleiner wird. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, den Prädiktionshorizont PH1, PH2, der später endet, zu wählen. In den Fällen, die in den Teildiagrammen 4a und 4b dargestellt sind, wird daher der streckenbasierte zweite Prädiktionshorizont PH2 gewählt, da die Zeitpunkt t_PH2a, t_PH2b, an dem der zweite Prädiktionshorizonts PH2 endet, weiter in der Zukunft liegt als die Zeitpunkte t_PH1a, t_PH1b, an denen der erste Prädiktionshorizonts PH1 endet. Im Teildiagramm 4c ist der umgekehrte Fall dargestellt, bei dem der zeitbasierte erste Prädiktionshorizont PH1 gewählt wird, da der Zeitpunkt t_PH1c, an dem der erste Prädiktionshorizonts PH1 endet, nun weiter in der Zukunft liegt als der Zeitpunkt t_PH2c, an dem der zweite Prädiktionshorizont PH2 endet.

Claims

Verfahren zur simultanen Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (10) eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte: - Wählen (100) eines Prädiktionshorizonts (PH, PH1, PH2); - Festsetzen (101) eines Stickoxid-Grenzwerts (m_{NOx_max}); - Minimieren (102) einer Kostenfunktion (K), welche die Stickoxid-Emission und die Kohlenstoffdioxid-Emission umfasst, wobei der Stickoxid-Grenzwert (m_{NOx_max}) eingehalten wird; - Einstellen (105) von Stellgliedern des Verbrennungsmotors (2) auf einen beim Minimieren (102) der Kostenfunktion (K) ermittelten Sollwert (S).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Modelle (200 - 208) der zu regelnden Strecke bei der Minimierung (102) der Kostenfunktion (K) einfließen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewichtungsfaktor (Ψ) verwendet wird, um eine Gewichtung zwischen der Stickoxid-Rohemission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Minimierung (102) der Kostenfunktion (K) ein Gewichtungsfaktor (Ψ) ermittelt wird, der beim Einstellen (105) der Stellglieder des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Minimierung (102) der Kostenfunktion (K) ein Korrekturfaktor (f_NSC) zur Anpassung der Regenerationsstrategie eines Stickoxid-Speicherkatalysators (11)ermittelt wird, der beim Einstellen (105) der Stellglieder des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Minimierung (102) der Kostenfunktion (K) eine Aufheizstrategie für die Katalysatoren (11, 12, 13) ermittelt wird, die beim Einstellen (105) der Stellglieder des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung (102) der Kostenfunktion (K) mit Hilfe von Policy Iteration und/oder Value Iteration und/oder Dynamic Programming, und/oder einem Rollout-Algorithmus und/oder eines Schießverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verletzung des Stickoxid-Grenzwerts (m_{NOx_max}) in Form eines Strafterms (Θ) in der Kostenfunktion (K) berücksichtigt wird, der einen ersten Wert annimmt, wenn der Stickoxid-Grenzwert (m_{NOx_max}) nicht überschritten wird, und einen endlich großen zweiten Wert annimmt, wenn der Stickoxid-Grenzwert (m_{NOx_max}) überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktionshorizont (PH1) auf einer vorgebbaren Zeitdauer basiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prädiktionshorizont (PH2) auf einer vorgebbaren Länge einer Strecke basiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der streckenbasierte Prädiktionshorizont (PH2) mittels der Durchschnittsgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder mittels einer über die Strecke zu erwartenden Geschwindigkeit in eine Zeitdauer umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren Prädiktionshorizonten (PH1, PH2) derjenige gewählt wird, der am weitesten in der Zukunft endet.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (3), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eine Optimierung einer Stickoxid-Emission und einer Kohlenstoffdioxid-Emission durchzuführen.