DE102004063181A1 - Verfahren zur Emissionsminderung bei einem Kfz durch Beeinflussung der Generatorleistung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung von Abgaseigenschaften eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (11), bei dem mit Hilfe eines Emissions-Management-Systems, das ein Steuergerät (1) mit einem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) und wenigstens eine Stelleinrichtung (3-5) umfasst, die Abgaszusammensetzung und/oder die Abgastemperatur beeinflusst wird. Die Abgaswerte können optimiert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, wenn die Generatorleistung im Rahmen einer Emissions-Management-Maßnahme vom Emissions-Managementsystem erhöht oder gesenkt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung von Abgaseigenschaften eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Moderne Fahrzeuge enthalten i.d.R. ein Emissions-Minderungssystem, das dazu dient, die Emissionen, vor allem Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) im Abgas des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Die Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen werden dabei üblicherweise in "motorische Maßnahmen" und "nachmotorische Maßnahmen" bzw. „Nachbehandlungsmaßnahmen" unterschieden.
  • Zu den motorischen Maßnahmen gehören beispielsweise eine lastabhängige Gemischeinstellung, die Gemischaufbereitung, die Abgasrückführung (AGR) oder die Beeinflussung der Einspritzung, etc..
  • Zu den nachmotorischen Maßnahmen gehören insbesondere die allgemein bekannten Abgaskatalysatoren, Abgas-Partikelfilter (DPF), insbesondere für Dieselfahrzeuge, sowie eine thermische Nachverbrennung der Abgase.
  • Abgaskatalysator
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Katalysatortypen, wie z.B. TWO, NSC, SOR, DOC bekannt. Bei einem Speicherkatalysator NSC (Stickstoff Speicherkatalysator) ist es notwendig, den Katalysator in regelmäßigen Abständen zu regenerieren, um eine ordnungsgemäße Funktion des Katalysators zu gewährleisten. Bei der Regenerationsprozedur wird das Gemisch üblicherweise magerer eingestellt und dadurch die NOx-Emissionen reduziert, es wird aber mehr Kraftstoff verbraucht und die CO- und HC-Emissionen steigen an. Eine Katalysator-Regeneration dauert typischerweise weniger als 5 Sekunden.
  • Abgas-Partikelfilter
  • Durch einen Partikelfilter DPF werden die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel durch spezielle Filterstrukturen mechanisch aufgefangen. Um die ordentliche Funktion des Partikelfilters dauerhaft zu gewährleisten, muß der Filter regelmäßig regeneriert werden. Dabei wird eine Regenerationstemperatur eingestellt, die mehrere 100K über der im Normalbetrieb herrschenden Abgastemperatur liegt. Eine DPF-Regenerationsphase dauert etwa 5 bis 10 Minuten.
  • Zur Durchführung der verschiedenen Emissionsminderungs-Maßnahmen bzw. zur Regeneration von Katalysatoren oder Partikelfiltern, umfassen moderne Fahrzeuge ein Emissions-Minderungssystem, das im wesentlichen aus einem Steuergerät mit einem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) und einer Reihe von Sensoren besteht. Im Rahmen der Emissionsminderung wirkt der EMA auf eine Reihe von Stelleinrichtungen, wie z.B. Einspritzung, Drosselklappe, ein Abgasrückführungs-Ventil, etc. ein. Alle Maßnahmen, die zum Zwecke der Emissionsminderung getroffen werden, sind normalerweise nicht drehmomentenneutral, d.h., sie verändern das Drehmoment und damit die Leistung des Verbrennungsmotors. Dies ist nicht erwünscht, da die so erzeugten Leistungsänderungen den Fahrbetrieb stören.
  • Zur Vermeidung von Drehmomentänderungen werden daher vom Emissions-Minderungssystem geeignete Ausgleichsmaßnahmen durchgeführt. Durch die verschiedenen Ausgleichsmaßnahmen bleibt zwar das Drehmoment im wesentlichen konstant, aber der Kraftstoffverbrauch erhöht sich und der Wirkungsgrad des Motors sinkt entsprechend.
    •
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effektivität eines Emissions-Managementsystems zu verbessern und dabei insbesondere die energetische Bilanz von Emissions-Management-Maßnahmen zu verbessern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, den Betrieb des Fahrzeuggenerators als einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Rahmen der Maßnahmen zur Emissionsminderung zu nutzen. Der Fahrzeuggenerator wird vom Verbrennungsmotor angetrieben und benötigt je nach abgegebener Generatorleistung ein mehr oder weniger starkes Drehmoment vom Verbrennungsmotor. Durch Veränderung der Generatorleistung kann somit der Generator-Drehmomentsbedarf verändert und dadurch eine Änderung des Motor-Drehmoments aufgrund von Emissions-Minderungs-Maßnahmen ausgeglichen werden. Darüber hinaus kann durch eine Veränderung der Generatorleistung bzw. die Rückwirkung auf den Verbrennungsmotor auch die chemische Zusammensetzung des Abgasstroms oder die Abgastemperatur (im folgenden Abgaseigenschaften) beeinflusst werden. Die Einbindung des Fahrzeuggenerators in das Emissions-Management hat ferner den Vorteil, dass insbesondere bei solchen Emissions-Management-Maßnahmen, bei denen das Motor-Drehmoment steigt, diese zusätzliche motorische Leistung durch entsprechende Erhöhung der Generatorleistung in elektrische Leistung gewandelt werden kann. Die im Kraftstoff gespeicherte Energie geht somit nicht verloren, sondern wird in elektrische Energie umgewandelt und z.B. in einer Batterie gespeichert.
  • Die erfindungsgemäße Einbindung des Fahrzeuggenerators in das Emissions-Managementsystem ermöglicht eine Vielzahl von Applikationen, von denen einige im Folgenden aufgeführt werden:
    Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird in einem Regenerationsprozess für einen Speicherkatalysator (NSC) die Generatorleistung erhöht. Bei einer Speicherkatalysator-Regeneration wird üblicherweise die Einspritzmenge der Haupteinspritzung über mehrere Sekunden erhöht, wobei die Luftzahl (lamda) sinkt. Dies bedeutet jedoch gleichzeitig einen Kraftstoffmehrverbrauch und eine Steigerung des Motor-Drehmoments. Durch eine entsprechende Erhöhung der Generatorleistung kann dieses Motor-Drehmoment teilweise kompensiert werden. Die dadurch erzeugte zusätzliche elektrische Energie kann z.B. in einer Batterie oder einem anderen elektrischen Speicher gespeichert werden. Die elektrische Energie kann danach z.B. in einer nachfolgenden Magerphase des Verbrennungsmotors zum Betrieb elektrischer Verbraucher genutzt und die Generatorleistung entsprechend reduziert werden. Dadurch kann in der folgenden Magerphase Kraftstoff eingespart werden.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Generatorleistung in einem Regenerationsprozess für einen Abgas-Partikelfilter erhöht. Partikelfilter werden unter anderem durch eine angelagerte Späteinspritzung regeneriert, wodurch die Abgastemperatur steigt und die eingelagerte Rußmasse verbrannt wird. Durch die zusätzliche Späteinspritzung steigt auch der Kraftstoffverbrauch während der Partikelfilter-Regeneration für eine Dauer von etwa 5 bis 10 Minuten. Das zusätzliche Motor-Drehmoment kann wiederum durch Einstellung einer höheren Generatorleistung kompensiert werden. Die dadurch gewonnene elektrische Energie wird vorzugsweise wiederum gespeichert.
  • Die Generatorleistung kann z.B. durch direkte Ansteuerung eines Generatorreglers oder durch Ansteuerung eines Energie-Managementsystems variiert werden, das dann verschiedene Maßnahmen einleiten kann, die die Generatorleistung beeinflussen, wie z.B. das Zu- oder Abschalten von Verbrauchern. Das Emissions-Management-System weist zu diesem Zweck vorzugsweise eine Schnittstelle zu einem Energie-Managementsystem auf.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Generatorleistung in einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs reduziert und die AGR-Rate (AGR: Abgasrückführung) entsprechend erhöht. Im stationären Fahrbetrieb eines Fahrzeugs wird üblicherweise eine hohe AGR-Rate eingestellt, um damit die NOx-Emissionen zu reduzieren. In Beschleunigungsphasen muß dagegen die AGR-Rate gesenkt werden, damit genügend Sauerstoff für eine zusätzliche Kraftstoffverbrennung zur Verfügung steht. Wenn in einer solchen Beschleunigungsphase die Belastung des Verbrennungsmotors durch den Fahrzeuggenerator reduziert wird, kann gleichzeitig eine vergleichsweise höhere AGR-Rate gefahren und dadurch NOx-Emissionen reduziert werden.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird die Generatorleistung in einer Kaltstartphase oder in Phasen mit geringer Abgastemperatur, wie z.B. längeren Schubphasen, erhöht, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Bei zu geringer Abgastemperatur sinkt der Wirkungsgrad eines Abgas-Katalysators. Durch die zusätzliche Belastung des Verbrennungsmotors durch den Fahrzeuggenerator wird mehr Kraftstoff verbraucht und das Abgas erwärmt sich schneller. Dadurch verkürzt sich die Kaltstartphase oder Phasen mit geringer Abgastemperatur.
  • Gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung wird die Generatorleistung in der Kaltstartphase erhöht, um die HC- und CO-Emissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren. In der Kaltstartphase ist die Motortemperatur geringer als im Normalbetrieb, wodurch die HC- und CO-Emissionen des Verbrennungsmotors ansteigen. Wird in der Kaltstartphase die Generatorleistung und damit die Drehmomentsanforderung an den Verbrennungsmotor erhöht, kann die Kaltstartphase entsprechend verkürzt werden.
  • Ein Emissions-Managementsystem, mit dem die vorstehend beschriebenen Verfahren durchgeführt werden können, umfasst ein Steuergerät mit einem Emission-Management-Algorithmus und wenigstens einer mit dem Steuergerät verbundenen Stelleinrichtung, mittels der die chemische Abgaszusammensetzung und/oder Abgastemperatur beeinflusst werden kann. In diesem System ist ferner ein Generator mit einem Generatorregler eingebunden, der vom Steuergerät gesteuert werden kann, so dass die Generatorleistung im Rahmen eines Emissions-Managements erhöht oder gesenkt werden kann.
  • Vor einer Veränderung der Generatorleistung kommuniziert das Emissions-Managementsystem vorzugsweise mit einem Energie-Managementsystem, das zur Verwaltung der elektrischen Leistung in einem elektrischen Netz dient. Dadurch können die Anforderungen des Emissions-Managementsystems mit dem Energie-Managementsystem abgestimmt werden. Somit ist es z.B. möglich, dass das Energie-Managementsystem eine Anforderung zur Erhöhung der Generatorleistung ablehnt, wenn der Generator voll ausgelastet ist, oder eine bereits vollständig geladene Batterie vorliegt.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Blockdarstellung eines Emissions-Managementsystems, das mit einem Energie-Managementsystem in Verbindung steht; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Kfz-Bordnetzes mit einem Emissions-Managementsystem und einem Energie-Managementsystem.
  • 1 zeigt ein Emissions-Managementsystem (linke Seite), das mit einem Energie-Managementsystem (rechte Seite) in Verbindung steht. Das Emissions-Managementsystem umfasst ein Steuergerät 1 mit einem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) der als Software im Steuergerät 1 hinterlegt ist. Das Steuergerät 1 ist mit verschiedenen Stellgliedern, hier beispielhaft der Drosselklappe 2, der Einspritzung 4 und einem Abgasrückführungs-System 5 verbunden. Die einzelnen Subsysteme 3–5 können im Rahmen von motorischen oder nachmotorischen Maßnahmen zur Emissionsminderung oder Regeneration angesteuert und dadurch die Emissionswerte optimiert werden.
  • Das Emissions-Managementsystem 1, 3, 4, 5 ist beispielsweise in der Lage, die Drosselklappe 3 zu betätigen, die Einspritzmenge oder den Einspritzzeitpunkt zu verändern oder die Abgasrückführungs-Rate zu beeinflussen, um die chemische Abgaszusammensetzung oder die Abgastemperatur zu verändern. Die Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und den Emissionswerten sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
  • Das Steuergerät 1 ist ferner über eine Steuerleitung 10 mit einem Fahrzeuggenerator 7 bzw. dessen Generatorregler 13 verbunden. Dadurch ist das Emissions-Managementsystem 1, 3, 4, 5 in der Lage, auch den Generator 7 als zusätzlichen Freiheitsgrad in das Emissionsmanagement mit einzubeziehen. Es ergeben sich dadurch eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Generator 7 im Rahmen eines Emissionsmanagement-Prozesses zu nutzen.
  • Der Generator kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine höhere Motorleistung bzw. ein höheres Motordrehmoment zu kompensieren, das durch die Ausführung von Emissions-Management-Maßnahmen entstehen würde. Dabei wird gleichzeitig die im Kraftstoff enthaltene Energie teilweise in elektrische Energie gewandelt. Wenn die elektrische Energie gespeichert oder genutzt wird, kann dadurch im zeitlichen Mittel Kraftstoff eingespart werden. Außerdem kann der Generator 7 bzw. die Rückwirkung des Generators auf den Verbrennungsmotor dazu genutzt werden, die Voraussetzungen dafür zu schaffen, die Emissionswerte weiter zu verbessern.
  • Das Steuergerät 1 ist außerdem über eine zweite Kommunikationsverbindung 9 mit dem Steuergerät 2 des Energie-Managementsystems verbunden. Das Energie-Managementsystem dient zur Verwaltung der im elektrischen Netz vorhandenen bzw. benötigten elektrischen Energie und umfasst im wesentlichen das Steuergerät 2, an dem mehrere Verbraucher 6, der Fahrzeuggenerator 7 und eine Batterie 8 angeschlossen sind. Die Verbindung 9 kann dazu genutzt werden, die Leistungsanforderungen des Emissions-Managementsystems 1, 3, 4, 5 mit dem Energie-Managementsystem 2, 6, 7, 8, das ebenfalls auf den Fahrzeuggenerator 7 zugreifen kann, zu koordinieren.
  • Die erfindungsgemäße Einbindung des Fahrzeuggenerators in das Emissions-Managementsystem ermöglicht eine Vielzahl von Applikationen, wie sie beispielhaft in der Beschreibungseinleitung aufgeführt sind.
  • Im Rahmen von Emissions-Management-Maßnahmen wird die Generatorleistung je nach Applikation vom Steuergerät 1 oder 2 erhöht oder gesenkt. Wahlweise kann das Energie-Managementsystem 2, 6, 7, 8 auf Anforderung des EMA auch selbst Maßnahmen einleiten, um die Generatorleistung zu erhöhen oder zu senken, wie z.B. das Ein- oder Ausschalten von Verbrauchern 6.
  • 2 zeigt ein Kfz-Bordnetz 14, in dem die Leitungen 9, 10 genauer eingezeichnet sind. Das EMS-Steuergerät 1 ist hier über einen CAN-Bus 9 mit dem EEM-Steuergerät 2 verbunden. Das EEM-Steuergerät 2 ist außerdem über einen CAN-Bus mit einem Schalter 12 verbunden, mit dem die Verbraucher 6b ein- und ausgeschaltet werden können.
  • Die Ansteuerung des Generators 7 bzw. des Generatorreglers 13 erfolgt hier über eine Bit-synchrone Schnittstelle (BSS) am EMS-Steuergerät 1.
  • Die Algorithmen EMA und EEM der beiden Steuergeräte 1,2 könnten alternativ auch in einem einzigen Steuergerät enthalten sein. Die Schnittstellen würden dann innerhalb des Steuergeräts liegen.
    • 1
    EMS-Steuergerät
    2
    EEM-Steuergerät
    3
    Drosselklappe
    4
    Einspritzung
    5
    Abgasrückführung
    6
    Verbraucher
    7
    Generator
    8
    Batterie
    9
    Kommunikationsleitung
    10
    Steuerleitung
    11
    Verbrennungsmotor
    12
    steuerbarer Schalter
    13
    Generatorregler
    14
    Bordnetz
    BSS
    Bit-synchrone Schnittstelle
    EMA
    Emissions-Management-Algorithmus
    EEM
    elektrisches Energie-Management
    CAN
    Bus

Claims (8)

  1. Verfahren zur Beeinflussung von Abgaseigenschaften eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (11), bei dem mit Hilfe eines Emissions-Management-Systems, das ein Steuergerät (1) mit einem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) und wenigstens ein Stellglied (3–5) umfasst, die Abgaszusammensetzung und/oder die Abgastemperatur durch eine vorgegebene Ansteuerung der Stellglieder (3–5) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorleistung im Rahmen einer Emissionsmanagement-Maßnahme erhöht oder gesenkt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Management-Algorithmus (EMA) die Generatorleistung in einem Regenerationsprozess für einen Speicherkatalysator (NSC) erhöht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Management-Algorithmus die Generatorleistung in einem Regenerationsprozess für einen Abgas-Partikelfilter erhöht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Management-Algorithmus die Generatorleistung in einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs reduziert und dadurch eine höherer Abgasrückführungsrate ermöglicht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Management-Algorithmus die Generatorleistung in einer Kaltstartphase oder in Phasen mit geringer Abgastemperatur erhöht, um die Abgastemperatur zu erhöhen bzw. die Warmlaufphase des Motors zu verkürzen.
  6. Vorrichtung zur Beeinflussung von Abgaseigenschaften eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (11), umfassend ein Steuergerät (1) mit einem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) und wenigstens einer mit dem Steuergerät (1) verbundenen Stelleinrichtung (3–5), mittels der die Abgaszusammensetzung und/oder Abgastemperatur beeinflusst werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) mit einem Generatorregler (13) verschaltet ist, so dass es die Generatorleistung im Rahmen eines Emissionsmanagements erhöhen oder senken kann.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikations-Schnittstelle (CAN) zwischen dem Emissions-Management-Algorithmus (EMA) und einem Energie-Management-Algorithmus (EEM) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) über eine Bitsynchrone Schnittstelle (BSS) mit dem Generatorregler (13) in Verbindung steht.
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