DE102023112703A1 - Method for emission-optimized control of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors (10) in einem Kraftfahrzeug (100). Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Ermitteln eines emissionsoptimalen, maximalen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (10),
- Ermitteln einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (100),
- Normieren eines emissionskomponentenabhängigen Targets auf die ermittelte Fahrgeschwindigkeit,
- Begrenzen des Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (10) auf einen maximale Betriebsparameter, an dem das geschwindigkeitsabhängige emissionskomponentenabhängige Target erreicht wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Motorsteuergerät (60), einen Verbrennungsmotor (10) sowie ein Kraftfahrzeug (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
The invention relates to a method for emission-optimized control of an internal combustion engine (10) in a motor vehicle (100). The method comprises the following steps:
- Determining an emission-optimal, maximum operating parameter of the internal combustion engine (10),
- determining a driving speed of the motor vehicle (100),
- Normalizing an emission component-dependent target to the determined driving speed,
- Limiting the operating parameter of the internal combustion engine (10) to a maximum operating parameter at which the speed-dependent emission component-dependent target is reached.
The invention further relates to an engine control unit (60), an internal combustion engine (10) and a motor vehicle (100) for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Motorsteuergerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for emission-optimized control of an internal combustion engine in a motor vehicle and to a motor vehicle with an internal combustion engine and an engine control unit for carrying out such a method according to the preamble of the independent patent claims.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren sowie einen Partikelfilter. Um die Abgasemissionen eines Ottomotors zu überwachen, sind in der Abgasanlage Abgassensoren angeordnet, welche im Rahmen einer On-Board-Diagnose die Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten überwachen.Current and future increasingly stricter exhaust gas legislation places high demands on the raw emissions of combustion engines and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. The demands for further reductions in consumption and the further tightening of exhaust gas standards with regard to permissible emissions represent a challenge for engine developers. In gasoline engines, exhaust gas purification is carried out in the usual way via a three-way catalyst, as well as further catalysts upstream and downstream of the three-way catalyst and a particle filter. In order to monitor the exhaust emissions of a gasoline engine, exhaust gas sensors are installed in the exhaust system, which monitor the functionality of the exhaust gas aftertreatment components as part of an on-board diagnosis.
Zur Erfüllung der EU6-Abgasnorm bei Ottomotoren haben sich Abgasnachbehandlungssysteme verbreitet, welche einen oder mehrere Drei-Wege-Katalysatoren sowie einen Partikelfilter umfassen. Ein Drei-Wege-Katalysator ist ein Fahrzeugkatalysator für die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren, bei der Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), molekularem Stickstoff (N2) und Wasserdampf (H2O) umgewandelt werden. Aus der gleichzeitigen Umwandlung dieser drei Luftschadstoffe leitet sich der Name des Katalysators ab. Dabei ist bekannt, dass im motorwarmen Betrieb die limitierten Schadstoffkomponenten bei einem von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage abweichenden Betrieb emittiert werden, beispielsweise bei dynamischen Lastwechseln oder nach einer Schubabschaltung.In order to meet the EU6 emissions standard for gasoline engines, exhaust aftertreatment systems have become widespread, which include one or more three-way catalysts and a particle filter. A three-way catalyst is a vehicle catalyst for the exhaust aftertreatment of internal combustion engines, in which carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and unburned hydrocarbons (HC) are converted to carbon dioxide (CO 2 ), molecular nitrogen (N 2 ) and water vapor (H 2 O). The name of the catalyst is derived from the simultaneous conversion of these three air pollutants. It is known that when the engine is warm, the limited pollutant components are emitted when the operation deviates from a stoichiometric combustion air ratio in the exhaust system, for example during dynamic load changes or after overrun cut-off.
Die zukünftige Abgasgesetzgebung Euro 7 fordert durch das On-Board-Monitoring (OBM) eine distanzbasierte und kumulierte Erfassung der einzelnen Emissionen. Diese distanzbasierten Emissionen werden in der Regel in mg/km angegeben. Hierfür ist eine permanente Bestimmung der Emissionen notwendig, welche sensor- oder modellbasiert erfolgen kann. Ferner könnte mit Einführung der Abgasgesetzgebung Euro 7 zusätzlich zu den bereits limitierten Abgaskomponenten wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) auch die Menge an Ammoniak (NH3) gesetzlich limitiert werden.The future Euro 7 emissions legislation requires distance-based and cumulative recording of individual emissions through on-board monitoring (OBM). These distance-based emissions are usually given in mg/km. This requires permanent determination of emissions, which can be done using sensors or models. Furthermore, with the introduction of the Euro 7 emissions legislation, the amount of ammonia (NH3) could also be legally limited in addition to the already limited exhaust components such as unburned hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx).
Ein emissionskritischer Betriebszustand eines Verbrennungsmotors kann insbesondere dann auftreten, wenn nach einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors mit Schubabschaltung die Sauerstoffspeicher der Katalysatoren maximal beladen sind und eine Reduktion von Schadstoffen, insbesondere eine Reduktion von Stickoxiden durch ein fehlendes Reduktionsmittel, insbesondere durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors, nicht möglich ist. Ferner kommt bei Kraftfahrzeugen mit einem hybriden Antriebsstrang noch hinzu, dass nicht nur die Anzahl der Schubphasen durch den Antrieb durch den Elektromotor steigt, sondern zusätzlich die Abgasnachbehandlungskomponenten bei einem rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs unter ihre Light-Off-Temperatur auskühlen können und somit eine Konvertierung der Schadstoffemissionen eingeschränkt ist.An emissions-critical operating state of an internal combustion engine can occur in particular when, after an operating phase of the internal combustion engine with overrun cut-off, the oxygen storage of the catalysts is at maximum load and a reduction of pollutants, in particular a reduction of nitrogen oxides, is not possible due to a lack of reducing agent, in particular due to unburned hydrocarbons in the exhaust gas flow of the internal combustion engine. In addition, in motor vehicles with a hybrid drive train, not only does the number of overrun phases increase due to the drive by the electric motor, but in addition the exhaust gas aftertreatment components can cool down below their light-off temperature when the motor vehicle is driven purely electrically, thus limiting the conversion of pollutant emissions.
Eine Möglichkeit einen solchen Betriebszustand mit einer maximalen Beladung des Sauerstoffspeichers der Abgasnachbehandlungskomponente zu verhindern, ist ein Nullnocken, welcher das Öffnen und Schließen der Ventile während einer Schubphase des Verbrennungsmotors verhindert und somit den Sauerstoffeintrag in die Abgasanlage während einer Schubphase minimiert. Eine solche Lösung ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand bei der Ausgestaltung der Nockenwelle und/oder der Ansteuerung der Ventile verbunden und führt zu einer Erhöhung der Kosten für den Verbrennungsmotor.One way to prevent such an operating state with a maximum loading of the oxygen storage of the exhaust aftertreatment component is a zero cam, which prevents the opening and closing of the valves during an overrun phase of the combustion engine and thus minimizes the oxygen input into the exhaust system during an overrun phase. However, such a solution involves additional effort in the design of the camshaft and/or the control of the valves and leads to an increase in the costs for the combustion engine.
Aus der
Die
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Emissionen eines Verbrennungsmotors zu minimieren und insbesondere emissionskritische Betriebssituationen zu vermeiden oder zu verkürzen.The invention is based on the object of minimizing the emissions of an internal combustion engine and, in particular, avoiding or shortening emission-critical operating situations.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug gelöst. Das Verfahren umfasst mindestens folgende Schritte:
- - Ermitteln eines emissionsoptimalen, maximalen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors,
- - Ermitteln einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
- - Normieren eines emissionskomponentenabhängigen Targets auf die ermittelte Fahrgeschwindigkeit,
- - Begrenzen des Betriebsparameters des Verbrennungsmotors auf einen maximalen Betriebsparameter, an dem das geschwindigkeitsabhängige emissionskomponentenabhängige Target erreicht wird.
- - Determination of an emission-optimal, maximum operating parameter of the combustion engine,
- - Determining a driving speed of the motor vehicle,
- - Normalizing an emission component-dependent target to the determined driving speed,
- - Limiting the operating parameter of the internal combustion engine to a maximum operating parameter at which the speed-dependent emission component-dependent target is achieved.
Unter einem Verbrennungsmotor ist in diesem Zusammenhang eine Wärmekraftmaschine zu verstehen, welche chemische Energie durch Verbrennung in mechanische Energie umwandelt. Ein solcher Verbrennungsmotors kann insbesondere als Hubkolbenmotor oder Rotationskolbenmotor ausgeführt sein. Unter einem emissionskomponentenabhängigen Target ist in diesem Zusammenhang ein Grenzwert zu verstehen, wie viel einer bestimmten limitierten Emissionskomponente pro zurückgelegte Wegstrecke des Kraftfahrzeugs emittiert werden darf.In this context, an internal combustion engine is a heat engine that converts chemical energy into mechanical energy through combustion. Such an internal combustion engine can be designed as a reciprocating piston engine or a rotary piston engine. In this context, an emission component-dependent target is a limit value that determines how much of a certain limited emission component may be emitted per distance traveled by the motor vehicle.
Unter einem Betriebsparameter sind in diesem Zusammenhand insbesondere, aber nicht abschließend ein Drehmoment, eine Leistung, eine Drehzahl, eine dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführte Frischluftmenge oder eine Einspritzmenge an Kraftstoff zu verstehen.In this context, an operating parameter is understood to mean, in particular but not exclusively, a torque, a power, a speed, a quantity of fresh air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine or a quantity of fuel injected.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebssituationen des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in Abhängigkeit des eingelegten Gangs, der Beladung des Kraftfahrzeugs, der Aerodynamik verschlechternder An- und Aufbauten, einem Hängerbetrieb oder ähnlichem jeweils sicherzustellen, dass die streckenbezogenen Grenzwerte für die Abgasemissionen eingehalten werden.The method according to the invention makes it possible to ensure that the route-related limit values for exhaust emissions are complied with depending on different operating situations of the motor vehicle, for example depending on the gear engaged, the load of the motor vehicle, attachments and superstructures that impair the aerodynamics, trailer operation or the like.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug möglich.The features listed in the dependent claims enable advantageous further developments and improvements of the method specified in the independent claim for emission-optimized control of an internal combustion engine in a motor vehicle.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ein Drehmoment, eine Leistung oder eine Drehzahl des Verbrennungsmotors ist. Die Regelung auf ein Drehmoment, eine Leistung oder eine Drehzahl ist besonders einfach und effizient, um ein Emissionstarget für die streckenbezogenen Emissionen des Verbrennungsmotors einzuhalten.In a preferred embodiment of the invention, the operating parameter of the internal combustion engine is a torque, a power or a speed of the internal combustion engine. The control to a torque, a power or a speed is particularly simple and efficient in order to comply with an emissions target for the distance-related emissions of the internal combustion engine.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für jede limitierte Abgaskomponente ein Emissionstarget festgelegt und für jede limitierte Abgaskomponente ein dazugehöriges maximales Drehmoment ermittelt wird, wobei das kleinste maximale Drehmoment ausgewählt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Kraftfahrzeug selbst unter ungünstigen Randbedingungen stets die gültigen streckenbezogenen Emissionsgrenzwerte einhält.In a preferred embodiment of the invention, an emission target is defined for each limited exhaust gas component and an associated maximum torque is determined for each limited exhaust gas component, with the smallest maximum torque being selected. This ensures that the motor vehicle always complies with the valid route-related emission limits even under unfavorable boundary conditions.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass kontinuierlich eine Konvertierungsfähigkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten ermittelt wird und in Abhängigkeit der ermittelten Konvertierungsfähigkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten das emissionskomponentenabhängige maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors ermittelt wird. Unter einer Abgasnachbehandlungskomponente sind in diesem Zusammenhang Katalysator und Filter, welche zumindest eine limitierte Abgaskomponente zumindest temporär zurückhalten, zu verstehen. Unter einer Abgasnachbehandlungskomponente ist daher insbesondere, jedoch nicht abschließend, ein Drei-Wege-Katalysator, ein Vier-Wege-Katalysator, ein Partikelfilter, ein NOx-Speicherkatalysator, ein Ammoniak-Sperrkatalysator, ein Oxidationskatalysator oder ein Katalysator zu selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu verstehen. Durch die Ermittlung der Konvertierungsfähigkeit kann berechnet werden, ob bei der aktuellen Fahrgeschwindigkeit und den im aktuellen Betriebspunkt entstehenden Rohemissionen eine hinreichende Konvertierung der limitierten Schadstoffe möglich ist.In an advantageous embodiment of the method, it is provided that a conversion capability of the exhaust gas aftertreatment components is continuously determined and, depending on the determined conversion capability of the exhaust gas aftertreatment components, the maximum torque of the internal combustion engine, which is dependent on the emission component, is determined. In this context, an exhaust gas aftertreatment component is to be understood as a catalyst and filter, which at least temporarily retain at least one limited exhaust gas component. An exhaust gas aftertreatment component is therefore to be understood as, in particular but not exclusively, a three-way catalyst, a four-way catalyst, a particle filter, a NOx storage catalyst, an ammonia barrier catalyst, an oxidation catalyst or a catalyst for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. By determining the conversion capability, it can be calculated whether sufficient conversion of the limited pollutants is possible at the current driving speed and the raw emissions generated at the current operating point.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass für jede Abgasnachbehandlungskomponente ein eigenes Konvertierungsmodell gebildet wird. Dadurch ist eine exakte Berechnung der Endrohremissionen möglich. Insbesondere kann durch ein solches Modell bestimmt werden, wie viel Rohemissionen an dem aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors zulässig sind, um ein Emissionstarget für das Kraftfahrzeug zu erreichen.A further improvement to the method provides for a separate conversion model to be created for each exhaust aftertreatment component. This makes it possible to calculate the tailpipe emissions precisely. In particular, such a model can be used to determine how much raw emissions are permissible at the current operating point of the combustion engine in order to achieve an emissions target for the vehicle.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Konvertierungsmodelle der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten derart miteinander verknüpft werden, dass Emissionsdurchbrüche stromabwärts der letzten aktiven Abgasnachbehandlungskomponente vorhergesagt werden können. Unter der letzten aktiven Abgasnachbehandlungskomponente ist die in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage des Verbrennungsmotors letzte Abgaskomponente zu verstehen, welche ihre zur Konvertierung oder temporären Speicherung der Schadstoffe notwendige Betriebstemperatur, insbesondere eine Light-Off-Temperatur eines Katalysators, erreicht hat. Durch eine Verknüpfung können nicht nur die Rohemissionen des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden, sondern auch Sekundäremissionen, insbesondere Ammoniak, welcher erst auf einer katalytisch wirksamen Fläche einer Abgasnachbehandlungskomponente entsteht und durch eine weitere stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungskomponente wieder aus dem Abgasstrom entfernt werden kann. Dadurch entsteht ein komplexeres, aber nochmals bezüglich der Genauigkeit der Vorhersage verbessertes Modell zur Prädikation von emissionskritischen Betriebssituationen des Verbrennungsmotors, sodass die Steuerung des Verbrennungsmotors in Hinblick auf ein emissionsoptimales Drehmoment weiter verbessert werden kann.It is particularly preferred if the conversion models of the individual exhaust gas aftertreatment components are linked to one another in such a way that emission breakthroughs downstream of the last active exhaust gas aftertreatment component can be predicted. The last active exhaust gas aftertreatment component is to be understood as the last exhaust gas component in the flow direction of an exhaust gas flow through the exhaust system of the internal combustion engine, which has reached its operating temperature required for the conversion or temporary storage of the pollutants, in particular a light-off temperature of a catalyst. By linking, not only the raw emissions of the internal combustion engine can be taken into account, but also secondary emissions, in particular ammonia, which only arises on a catalytically effective surface of an exhaust gas aftertreatment component and can be removed from the exhaust gas flow again by another exhaust gas aftertreatment component arranged downstream. This creates a more complex model for predicting emission-critical operating situations of the combustion engine, but one that is even more accurate, so that the control of the combustion engine can be further improved with regard to an emission-optimized torque.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als Teil eines hybriden Antriebsstrangs mit einem elektrischen Antriebsmotor verbunden ist, wobei das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors absolut, in Höhe eines maximal durch den elektrischen Antriebsmotor kompensierbaren Drehmoments oder kontinuierlich zwischen diesen beiden Möglichkeiten begrenzt wird. Unter einem hybriden Antriebsstrang ist in diesem Zusammenhang ein Antriebsstrang zu verstehen, welcher einen Verbrennungsmotor und mindestens einen elektrischen Antriebsmotor umfasst.In an advantageous embodiment of the method, the internal combustion engine is connected to an electric drive motor as part of a hybrid drive train, wherein the maximum torque of the internal combustion engine is limited absolutely, to the level of a maximum torque that can be compensated by the electric drive motor, or continuously between these two possibilities. In this context, a hybrid drive train is understood to mean a drive train that includes an internal combustion engine and at least one electric drive motor.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor bei Erkennen eines emissionskritischen Betriebszustands mit einem definierten, emissionsoptimierten Drehmoment betrieben wird und eine Leistungsanpassung durch den elektrischen Antriebsmotor des hybriden Antriebsstrangs erfolgt. Die Leistungsanpassung kann dabei in beide Richtungen erfolgen, das heißt der elektrische Antriebsmotor kann sowohl zusätzliche Leistung und zusätzliches Drehmoment zur Verfügung stellen als auch durch den Verbrennungsmotor geschleppt werden und im Generatorbetrieb arbeiten, um die Leistung und das Drehmoment zu reduzieren. Da die Leistungsanpassung des elektrischen Antriebsmotors besonders einfach und schnell ansteuerbar ist, kann der Verbrennungsmotor hier an einem im Wesentlichen konstanten, emissionsoptimalen Betriebspunkt betrieben werden.A further improvement to the method provides that the combustion engine is operated with a defined, emission-optimized torque when an emission-critical operating state is detected and that the power is adjusted by the electric drive motor of the hybrid drive train. The power adjustment can take place in both directions, i.e. the electric drive motor can provide additional power and torque as well as be towed by the combustion engine and work in generator mode to reduce the power and torque. Since the power adjustment of the electric drive motor can be controlled particularly easily and quickly, the combustion engine can be operated at an essentially constant, emission-optimized operating point.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der emissionskritische Betriebszustand ein Ausräumen eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators, insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators oder eines Vier-Wege-Katalysators, in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ist. Während des Ausräumens des Sauerstoffspeichers des Katalysators wird der Verbrennungsmotor mit einem leicht unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, um den Sauerstoffspeicher zu leeren. Durch den vollständig beladenen Sauerstoffspeicher steht jedoch kurzzeitig kein Reduktionsmittel zur Verfügung, um die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Daher stellt ein Ausräumen des Sauerstoffspeichers eines Katalysators einen emissionskritischen Betriebszustand dar.It is particularly preferred if the emission-critical operating state is the emptying of an oxygen storage of a catalyst, in particular a three-way catalyst or a four-way catalyst, in the exhaust system of the internal combustion engine. While the oxygen storage of the catalyst is being emptyed, the internal combustion engine is operated with a slightly substoichiometric combustion air ratio in order to empty the oxygen storage. By fully However, in a constantly loaded oxygen storage tank, there is no reducing agent available for a short time to reduce the nitrogen oxide emissions of the combustion engine. Therefore, emptying the oxygen storage tank of a catalyst represents an emissions-critical operating condition.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente durch eine in der Abgasanlage stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente angeordnete Lambdasonde erkannt wird. Eine stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente angeordnete Lambdasonde ermöglicht mit hinreichender Genauigkeit eine Aussage über die Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente. Somit kann diese Sauerstoffbeladung auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermittelt werden. Dadurch kann der Prozess zur Ausräumung des Sauerstoffspeichers der Abgasnachbehandlungskomponente weiter verbessert werden.In a further advantageous embodiment of the method, the oxygen load of the exhaust gas aftertreatment component is detected by a lambda probe arranged in the exhaust system downstream of the exhaust gas aftertreatment component. A lambda probe arranged downstream of the exhaust gas aftertreatment component enables a statement to be made with sufficient accuracy about the oxygen load of the exhaust gas aftertreatment component. This oxygen load can thus be determined in a simple and cost-effective manner. This allows the process for clearing the oxygen storage of the exhaust gas aftertreatment component to be further improved.
Alternativ kann der emissionskritische Betriebszustand auch eine Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors sein. Eine Regeneration des Partikelfilters wird oftmals durch innermotorische Heizmaßnahmen begleitet, welche in der Regel zu einem Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors führen. Daher kann eine Regeneration des Partikelfilters ebenfalls einen emissionskritischen Betriebszustand darstellen, bei welchem es vorteilhaft ist, das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors in Hinblick auf die Emissionstargets zu begrenzen.Alternatively, the emission-critical operating state can also be a regeneration of a particle filter in the exhaust system of the combustion engine. A regeneration of the particle filter is often accompanied by internal engine heating measures, which usually lead to an increase in the raw emissions of the combustion engine. Therefore, a regeneration of the particle filter can also represent an emission-critical operating state in which it is advantageous to limit the maximum torque of the combustion engine with regard to the emission targets.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das maximale Drehmoment durch die Summe des emissionsoptimierten Drehmoments des Verbrennungsmotors und des maximalen Drehmoments des elektrischen Antriebsmotors begrenzt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Emissionstargets durch eine zu emissionsträchtige Anforderung an den Verbrennungsmotor verletzt werden. Gerade durch das in der Regel relativ hohe maximale Drehmoment des elektrischen Antriebsmotors ist es möglich, den Großteil der Fahrerwünsche abzubilden, ohne dass es zu einem kritischen Anstieg der Emissionen kommt.In an advantageous embodiment of the method, the maximum torque is limited by the sum of the emission-optimized torque of the combustion engine and the maximum torque of the electric drive motor. This can prevent the emission targets from being violated by a requirement for the combustion engine that is too high in emissions. It is precisely the generally relatively high maximum torque of the electric drive motor that makes it possible to reflect the majority of the driver's wishes without a critical increase in emissions.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Drehmomenten und/oder Leistungsanforderung durch den Fahrer, welche oberhalb der Summe des emissionsoptimierten Drehmoments des Verbrennungsmotors und des maximalen Drehmoments des elektrischen Antriebsmotors liegt, zeitverzögert umgesetzt wird. Durch eine zeitverzögerte Umsetzung können kurzfristige Emissionspeaks vermieden werden, welche nur unzureichend durch die Abgasnachbehandlungskomponenten konvertiert werden können. Ferner kann das Konvertierungsverhalten, insbesondere durch eine Anpassung der Sauerstoffbeladung in dem Zeitraum der Zeitverzögerung verbessert werden, sodass der Drehmoment und/oder Leistungswunsch anschließend abgebildet werden kann, ohne die Emissionstargets des Verbrennungsmotors zu verletzen.It is particularly preferred if a torque and/or power requirement by the driver, which is above the sum of the emission-optimized torque of the combustion engine and the maximum torque of the electric drive motor, is implemented with a time delay. A time-delayed implementation can avoid short-term emission peaks that can only be inadequately converted by the exhaust gas aftertreatment components. Furthermore, the conversion behavior can be improved, in particular by adjusting the oxygen loading in the time delay period, so that the torque and/or power requirement can then be mapped without violating the emission targets of the combustion engine.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor mit einer Speichereinheit und einer Recheneinheit, sowie einem in der Speichereinheit abgelegten Computerprogrammcode, wobei das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, ein in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn der Computerprogrammcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird. Ein solches Motorsteuergerät ermöglicht es, einen Verbrennungsmotor und ein Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors derart zu steuern, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann, um die Emissionen des Verbrennungsmotors zu minimieren.A further aspect of the invention relates to an engine control unit for an internal combustion engine with a memory unit and a computing unit, as well as a computer program code stored in the memory unit, wherein the engine control unit is set up to carry out a method described in the previous sections when the computer program code is executed by the computing unit. Such an engine control unit makes it possible to control an internal combustion engine and an exhaust aftertreatment system of the internal combustion engine in such a way that a method according to the invention for emission-optimized control of an internal combustion engine can be carried out in order to minimize the emissions of the internal combustion engine.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei an dem Brennraum ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und eine Zündkerze zur Zündung eines brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor ist mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden, in welcher mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator und/oder ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor ist zudem mit einem im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Motorsteuergerät verbunden. Bei einem solchen Verbrennungsmotor können die Emissionen, insbesondere die streckenbezogenen, limitierten Abgaskomponenten, durch einen emissionsoptimierten Betrieb und eine bestmögliche Abgasnachbehandlung minimiert werden.A further aspect of the invention relates to an internal combustion engine with at least one combustion chamber, wherein a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber and a spark plug for igniting a combustible fuel-air mixture are arranged on the combustion chamber. The internal combustion engine is connected by its outlet to an exhaust system in which at least one exhaust gas aftertreatment component, in particular a three-way catalyst and/or a four-way catalyst, is arranged. The internal combustion engine is also connected to an engine control unit described in the previous section. In such an internal combustion engine, the emissions, in particular the route-related, limited exhaust gas components, can be minimized by emission-optimized operation and the best possible exhaust gas aftertreatment.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug mit einem hybriden Antriebsstrang, welcher einen elektrischen Antriebsmotor und einen in dem vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Verbrennungsmotor umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit hybridem Antriebsstrang mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Verbrennungsmotor eine Verringerung der Emissionen, da emissionskritische Betriebspunkte vermieden oder zumindest verkürzt werden können und somit die Endrohremissionen des Kraftfahrzeugs abgesenkt werden können.A further aspect of the invention relates to a motor vehicle with a hybrid drive train, which comprises an electric drive motor and an internal combustion engine as described in the previous section. The method according to the invention enables a reduction in emissions, particularly in motor vehicles with a hybrid drive train with an electric drive motor and an internal combustion engine, since emission-critical operating points can be avoided or at least shortened and thus the tailpipe emissions of the motor vehicle can be reduced.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der hybride Antriebsstrang als Plug-In-Hybrid ausgeführt ist. Da bei Plug-In-Hybriden durch eine vergleichsweise große Batterie im Vergleich zu anderen Hybridsystemen besonders häufig ein Betriebszustand gewählt wird, bei welchem der elektrische Antriebsmotor als alleinige Antriebsquelle dient, können Plug-In-Hybride besonders kritisch in Hinblick auf die Verfügbarkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten sein, da diese im elektrische Fahrbetrieb auskühlen und/oder die Sauerstoffspeicher der Abgasnachbehandlungskomponenten in einem rein elektrischen Fahrbetrieb beladen werden. Daher ist es gerade bei solchen Plug-in Hybriden hilfreich, die Emissionen durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors zu verringern.It is particularly preferred if the hybrid drive train is designed as a plug-in hybrid. Since in plug-in hybrids, due to a comparatively large battery, an operating state is particularly often selected in which the electric drive motor serves as the sole drive source compared to other hybrid systems, plug-in hybrids can be particularly critical with regard to the availability of the exhaust gas aftertreatment components, since these cool down in electric driving mode and/or the oxygen storage of the exhaust gas aftertreatment components is charged in purely electric driving mode. Therefore, it is particularly helpful in such plug-in hybrids to reduce emissions by means of a method according to the invention for emission-optimized control of an internal combustion engine.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in individual cases.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor sowie einem Abgasnachbehandlungssystem; -
2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur emissionsoptimierten Steuerung eines Verbrennungsmotors.
-
1 a preferred embodiment of a hybrid drive train of a motor vehicle with a spark-ignition internal combustion engine and an electric drive motor as well as an exhaust aftertreatment system; -
2 a further preferred embodiment of a spark-ignition internal combustion engine for carrying out a method according to the invention, and -
3 a flow chart for carrying out a method according to the invention for emission-optimized control of an internal combustion engine.
Der fremdgezündete Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt. Der fremdgezündete Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Ferner ist an jedem Brennraum 12 eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Die Zündkerze 16 kann als Hakenzündkerze oder als Vorkammerzündkerze ausgeführt sein. Der Brennraum 12 wird durch einen in
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstromes 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente 24, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator 30, angeordnet ist. Der Drei-Wege-Katalysator 30 kann ein elektrisches Heizelement zum Beheizen des Drei-Wege-Katalysators 30 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Drei-Wege-Katalysator 30 eine NOx-Speicherkomponente aufweisen. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist in der Abgasanlage 20 eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26, insbesondere ein Partikelfilter 32, angeordnet, welcher mittels eines in
Stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist ein Temperatursensor 54 zur Temperaturmessung des Abgasstromes 58 in der Abgasanlage 20 angeordnet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 kann ein zweiter Temperatursensor 54 zur Temperaturmessung des Abgasstromes 58 in der Abgasanlage 20 angeordnet sein. Ferner ist in der Abgasanlage 20 stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 eine erste Lambdasonde 44, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde 50, angeordnet. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 ist eine zweite Lambdasonde 46 angeordnet. Die zweite Lambdasonde 46 ist vorzugsweise als Sprungsonde 52 ausgeführt und dient dazu, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators 30 optimal zu nutzen und damit minimale Emissionen zu gewährleisten. Ferner kann diese zweite Lambdasonde 46 zur Diagnose und zur Bestimmung der Aktivität des Drei-Wege-Katalysators 30 genutzt werden. Ist die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26 als ein Partikelfilter 32 ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeführt, so kann die zweite Lambdasonde 46 alternativ auch stromabwärts des Partikelfilters 32 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 angeordnet sein. Optional kann stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 eine dritte Lambdasonde 48 angeordnet sein. Ferner kann die Abgasanlage 20 weitere Sensoren, insbesondere einen oder mehrere Abgassensoren 56 umfassen.Downstream of the
Dem Verbrennungsmotor 10 ist ein Motorsteuergerät 60 mit einer Speichereinheit 62 und einer Recheneinheit 64 zugeordnet. In der Speichereinheit 62 ist ein Computerprogrammcode 66 abgelegt, welcher bei Ausführung des Computerprogrammcodes 66 durch die Recheneinheit 64 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Prädikation von Abgasemissionen des Verbrennungsmotors 10 ausführt. Zudem ist eine Datenverbindung von dem Motorsteuergerät 60 an eine On-Board-Monitoring-Einheit 68 vorgesehen. Alternativ kann die On-Board-Monitoring-Einheit 68 auch in das Motorsteuergerät 60 integriert sein.The
In
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem sich in Strömungsrichtung eines Abgasstromes 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 22 eines Abgasturboladers 40, stromabwärts der Turbine 22 des Abgasturboladers 40 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 24, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet ist. Der Drei-Wege-Katalysator 30 kann ein elektrisches Heizelement zum Beheizen des Drei-Wege-Katalysators 30 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Drei-Wege-Katalysator 30 eine NOx-Speicherkomponente aufweisen. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist in der Abgasanlage 20 eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26, insbesondere ein Partikelfilter 32, angeordnet, welcher über einen in
Stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist ein Temperatursensor 54 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 58 in der Abgasanlage 20 angeordnet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 kann ein zweiter Temperatursensor 54 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 58 in der Abgasanlage 20 angeordnet sein. Ferner ist in der Abgasanlage 20 stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 eine erste Lambdasonde 44, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde 50, angeordnet. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 ist eine zweite Lambdasonde 46 angeordnet. Die zweite Lambdasonde 46 ist vorzugsweise als Sprungsonde 52 ausgeführt und dient dazu, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators 30 optimal zu nutzen und damit minimale Emissionen zu gewährleisten. Ferner kann diese zweite Lambdasonde 46 zur Diagnose und zur Bestimmung der Aktivität des Drei-Wege-Katalysators 30 genutzt werden. Ist die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26 als ein Partikelfilter 32 ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeführt, so kann die zweite Lambdasonde 46 alternativ auch stromabwärts des Partikelfilters 32 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 angeordnet sein. Optional kann stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 und stromaufwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 eine dritte Lambdasonde 48 angeordnet sein. Ferner kann die Abgasanlage 20 weitere Sensoren, insbesondere einen oder mehrere Abgassensoren 56 umfassen.Downstream of the
Dem Verbrennungsmotor 10 ist ein Motorsteuergerät 60 mit einer Speichereinheit 62 und einer Recheneinheit 64 zugeordnet. In der Speichereinheit 62 ist ein Computerprogrammcode 66 abgelegt, welcher bei Ausführung des Computerprogrammcodes 66 durch die Recheneinheit 64 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Prädikation von Abgasemissionen des Verbrennungsmotors 10 ausführt. Zudem ist eine Datenverbindung von dem Motorsteuergerät 60 an eine On-Board-Monitoring-Einheit 68 vorgesehen. Alternativ kann die On-Board-Monitoring-Einheit 68 auch in das Motorsteuergerät 60 integriert sein.The
In
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 1010
- fremdgezündeter Verbrennungsmotorspark-ignited combustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Zündkerzespark plug
- 1818
- Auslass outlet
- 2020
- Abgasanlageexhaust system
- 2222
- Turbineturbine
- 2424
- erste Abgasnachbehandlungskomponentefirst exhaust aftertreatment component
- 2626
- zweite Abgasnachbehandlungskomponentesecond exhaust aftertreatment component
- 2828
- dritte Abgasnachbehandlungskomponente third exhaust aftertreatment component
- 3030
- Drei-Wege-Katalysatorthree-way catalyst
- 3232
- Partikelfilterparticulate filter
- 3434
- Vier-Wege-Katalysatorfour-way catalyst
- 3636
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- 3838
- Ammoniak-Sperrkatalysator ammonia barrier catalyst
- 4040
- Abgasturboladerexhaust turbocharger
- 4242
- Abgaskanalexhaust duct
- 4444
- erste Lambdasondefirst lambda probe
- 4646
- zweite Lambdasondesecond lambda sensor
- 4848
- dritte Lambdasonde third lambda probe
- 5050
- Breitband-Lambdasondebroadband lambda sensor
- 5252
- Sprungsondejump probe
- 5454
- Temperatursensortemperature sensor
- 5656
- Abgassensorexhaust gas sensor
- 5858
- Abgasstromexhaust gas flow
- 6060
- Motorsteuergerätengine control unit
- 6262
- Speichereinheitstorage unit
- 6464
- Recheneinheitarithmetic unit
- 6666
- Computerprogrammcodecomputer program code
- 6868
- On-Board-Monitoring-Einheit On-board monitoring unit
- 7070
- hybrider Antriebsstranghybrid powertrain
- 7272
- Elektrischer AntriebsmotorElectric drive motor
- 7474
- angetriebene Achsedriven axle
- 7676
- Getriebetransmission
- 7878
- Antriebswelle drive shaft
- 8080
- Batteriebattery
- 8282
- elektrischer Anschlusselectrical connection
- 8484
- Plug-In-Hybrid plug-in hybrid
- 100100
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- <200><200>
- erster Verfahrensschrittfirst procedural step
- <210><210>
- zweiter Verfahrensschrittsecond procedural step
- <220><220>
- dritter Verfahrensschrittthird procedural step
- <230><230>
- vierter Verfahrensschrittfourth procedural step
- <240><240>
- fünfter Verfahrensschrittfifth procedural step
- <250><250>
- sechster Verfahrensschrittsixth procedural step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
DE 10 2016 224 135 A1 [0007]
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DE 10 2015 014 150 A1 [0008]
DE 10 2015 014 150 A1 [0008] -
DE 10 2021 110 738 A1 [0009]
DE 10 2021 110 738 A1 [0009]
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2023
- 2023-05-15 DE DE102023112703.9A patent/DE102023112703A1/en active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified |