DE102016219544B4

DE102016219544B4 - Verfahren zur Diagnose einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines NOx-Speicher-Katalysators eines autonom fahrenden Fahrzeugs in Verbindung mit Niederdruck-Abgasrückführung sowie Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016219544B4
Application number: DE102016219544.1A
Authority: DE
Inventors: Frederik De Smet; Matthew Schneider; Dirk Römer; Jan Harmsen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: DE102016219544A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines NOx-Speicher-Katalysators (1) eines autonom fahrenden Fahrzeuges (2), mit einem Verbrennungsmotor (3) und einer Abgasrückführeinrichtung (8), aufweisend folgende Schritte:- A: Ermitteln zumindest eines Beladungsindikators, der die Beladung des NOx-Speicherkatalysators (1) mit NOx repräsentiert;- A': Prüfen eines Diagnosebedarfs des NOx-Speicher-Katalysators (1),- A'': Prüfen eines Überschreitens eines Schwellwerts des in A ermittelten zumindest einen Beladungsindikators,- B: Festlegen eines SOLL-Wertfensters für zumindest einen Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1),- C: Ermitteln eines Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8), in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators (1) das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators (1) durchläuft;- D: Ermitteln eines Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs (2), in welchem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben werden;- E: Durchfahren des in (D) ermittelten Fahrprofils und Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs eines zumindest einen Regenerationsindikators des NOx-Speicher-Katalysators (1); entweder- F: Bewerten des Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators (1) basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Regenerationsindikators während der Durchführung von (E) und basierend auf dem in (A) ermittelten Beladungsindikator; oder- F': Ermitteln des Verlaufs mindestens eines Effektivitätsindikators des NOx-Speicher-Katalysators (1) während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs (2); und- F'': Bewerten des Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators (1) basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Effektivitätsindikators während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs (2); und wobei das in (D) ermittelte Fahrprofil die Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) und die aktivierte Gangstufe eines Übersetzungsgetriebes (4) umfasst,das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) ein n-dimensionaler Parameterraum ist, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) sich ohne Unterbrechung bis zum Erreichen einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators (1) in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt,der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem als Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) ein Fahrprofil eingestellt wird, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten MDund Drehzahlen des Verbrennungsmotors (2) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen,der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem das autonom fahrende Fahrzeug (2) einen Abstand zu einem im Straßenverkehr voraus fahrenden Fahrzeug als variablen Parameter verwendet, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten MDund Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen,dadurch gekennzeichnet, dassdas Fahrzeug (2) temporär dichter auf ein vorausfahrendes Fahrzeug auffahren kann, um durch die kurzzeitig erhöhte Geschwindigkeit mehr kinetische Energie für eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (1) zur Verfügung zu haben, und sich während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (1) zurückfallen lassen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines NOx-Speicher-Katalysators während des Betriebs eines autonom fahrenden Fahrzeugs.
Verbrennungsmotoren erzeugen im Betrieb häufig Stickoxide (NO_x). Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Diesel- und Otto-Motoren liegen die Stickoxid-Mengen im Rohabgas in der Regel über den zulässigen Grenzwerten, so dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der NO_x-Emissionen notwendig ist. Bei vielen Motoren erfolgt die Reduktion der Stickoxide durch die im Abgas enthaltenen nicht-oxidierten Bestandteile, nämlich durch Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), mit Hilfe eines Dreiwegekatalysators. Insbesondere bei Diesel- und Otto-Magermotoren steht dieses Verfahren jedoch nicht zur Verfügung, da durch den hohen Sauerstoffanteil im Abgas die Reduzierung von NO_x nicht bzw. kaum erfolgt. Vor allem bei mager betriebenen Ottomotoren, aber auch bei Dieselmotoren wird daher gemäß einem verbreiteten Verfahren ein NOx-Speicher-Katalysators (auch „LNT“ von englisch „Lean NOx Trap“) eingesetzt, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide anlagert. Wenn das Aufnahmevermögen des NOx-Speicher-Katalysators erschöpft ist, wird dieser üblicherweise durch „fetten“ Betrieb (Betrieb mit Kraftstoffüberschuss, λ<1) des Verbrennungsmotors regeneriert.
Die Funktionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators nimmt mit zunehmender Betriebsdauer ab, was unter anderem auf eine Kontamination des NOx-Speicherkatalysators mit dem im Abgas enthaltenen Schwefel zurückzuführen ist, sowie auf thermische Alterung in Folge hoher Temperaturen, wie sie beispielweise bei einer regelmäßig vorzunehmenden Entschwefelung auftreten. Mit zunehmender Alterung nimmt insbesondere die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators ab. Es ist daher notwendig und auch vom Gesetzgeber vorgeschrieben, die Funktionsfähigkeit eines im Abgassystem vorgesehenen NOx-Speicherkatalysators zu überwachen.
Eine übliche Methode zur Diagnose von NOx-Speicherkatalysatoren basiert auf der Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators mittels einer handelsüblichen Lambdasonde während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Bei definierten Motorbetriebsparametern (unter anderem Drehzahl n, Last M_D, Luft-Kraftstoff-Verhältnis A) kann die von einem bekannten Motor durch das Abgas zum NOx-Speicherkatalysator geleitete Menge an CO und HC durch einfache Rechenmodelle bestimmt werden. Auch ist bekannt welche Mengen NOx mit einer bestimmten Menge CO und HC im Rahmen einer Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators umgesetzt werden können.
Um eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators einzuleiten, wird der Verbrennungsmotor auf den Betriebsmodus mit λ<1 umgeschaltet. Eine stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnete Lambda-Sonde detektiert dies im Rahmen der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases von Verbrennungsmotor zu Messstelle und der eigenen Dynamik ohne Zeitverzug. Eine stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnete Lambda-Sonde nimmt die „Anfettung“ des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A zu Beginn der Regeneration allerdings nicht wahr. Erst wenn das im NOx-Speicherkatalysator angelagerte NOx größtenteils umgesetzt wird, „sieht“ eine stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnete Lambdasonde die „Anfettung“.
Durch Integrieren der dem NOx-Speicherkatalysator vor einer stromabwärtigen Wahrnehmung der Anfettung zugeführten Menge an CO und HC kann die im NOx-Speicherkatalysator umgesetzte Menge NOx errechnet werden. Unter Berücksichtigung anderer Betriebsparameter wie der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators kann so seine NOx-Speicherfähigkeit zum Zeitpunkt der Regeneration bestimmt werden. Insbesondere im Vergleich mit der NOx-Speicherfähigkeit zu früheren Zeitpunkten erlaubt dies eine Aussage über den Alterungs- oder Schädigungszustand.
Diese Methode zur Beurteilung des Zustands von NOx-Speicherkatalysatoren unterliegt allerdings einigen Einschränkungen. Sie liefert nur dann zuverlässige Resultate wenn die Regeneration unter stabilen und bestimmten Randbedingungen stattfindet. Beispielsweise wird die Genauigkeit der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A beeinträchtigt, wenn starke Last- und/oder Drehzahlgradienten auftreten. Solche Gradienten treten beispielsweise bei abrupten Beschleunigungsvorgängen auf.
Eine weitere bekannte Maßnahme zur Reduktion der Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren besteht in der Abgasrückführung. Abgasrückführungssysteme sind üblicherweise so ausgeführt, dass sie zumindest einen Teil des Abgases von einer Motorauslasspassage zu einer Motoransaugpassage umleiten können. Mittels Abgasrückführung können bei Motoren mit einer Drosseleinrichtung Motorpumparbeiten sowie NOx-Emissionen reduziert werden. So bedingt die Abgasrückführung bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors, dass die Drossel für die gleiche Motorlast in einem größeren Ausmaß geöffnet wird. Durch Reduzieren der Drosselung des Motors können Pumpverluste reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Mit der Abgasrückführung kann die lokale Flammenfronttemperatur reduziert werden, was eine während der Verbrennung generierte NOx-Menge reduziert.
Durch entsprechende Anordnung von durch eine Steuerungseinrichtung ansteuerbaren Ventilen ist der Anteil des zurückgeführten Abgases an der dem Motor zugeführten Ladung üblicherweise variabel. Im Laufe der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ist der realisierte maximale Anteil des zurückgeführten Abgases an der dem Motor zugeführten Ladung immer weiter gestiegen. In handelsüblichen Systemen zum Beispiel für Dieselmotoren sind Anteile von 0% bis ca. 60% rückgeführtes Abgas je nach Betriebspunkt des Verbrennungsmotors üblich. In Sonderausführungen sind bis 100% Anteil des zurückgeführten Abgases an der dem Motor zugeführten Ladung möglich. Der Anteil des zurückgeführten Abgases an der dem Motor zugeführten Ladung wird auch als Abgasrückführrate bezeichnet.
Moderne handelsübliche Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, sind mit einem oder mehreren Abgasturboladern ausgestattet. Bei einer Abgasturboladeranordnung wird das vom Verbrennungsmotor produzierte Abgas durch eine Turbine geleitet. Dem Abgas wird in der Turbine durch Expansion Enthalpie entzogen. Üblicherweise ist ein Verdichter durch eine Welle mit der Turbine verbunden. Die dem Abgas entzogene Enthalpie treibt so den Verdichter an. Der Verdichter verdichtet die dem Verbrennungsmotor zuzuführende Ladung bevor diese in den Verbrennungsmotor geleitet wird.
Je nach Anordnung der Vorrichtung zur Abgasrückführung relativ zur Abgasturboladeranordnung spricht man von einer Niederdruck- oder einer Hochdruck-Abgasrückführung. Erfolgt die Entnahme des zurückzuführenden Abgases stromaufwärts der Abgasturboladerturbine, spricht man von Hochdruck-Abgasrückführung. Erfolgt die Entnahme des zurückzuführenden Abgases stromabwärts der Abgasturboladerturbine, spricht man von Niederdruck-Abgasrückführung.
Der Betriebszustand eines Verbrennungsmotors bestimmt unter anderem den Abgasvolumenstrom V̇_A, die Abgastemperatur T_A und das Luft-Kraftstoffverhältnis λ des durch einen NOx-Speicherkatalysator strömenden Abgases. Diese Parameter, insbesondere das Luft-Kraftstoffverhältnis A, haben Einfluss auf die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Für eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysator wird der Verbrennungsmotor mit Kraftstoffüberschuss (λ <1) betrieben, was ein „fettes“ Abgas mit hohem CO und HC-Gehalt erzeugt. Dabei wird das im NOx-Speicher-Katalysator angelagerte NOx mit im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO in ungefährliches Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O und Stickstoff N₂ umgewandelt.
Generell erzeugt ein fetter Betrieb eines Verbrennungsmotors einen erhöhten Kraftstoffverbrauch gegenüber einem regulären Betrieb. Daher werden möglichst kurze, seltene und effiziente Regenerationen des NOx-Speicherkatalysators angestrebt.
Ein „fetter“ Betrieb des Verbrennungsmotors bei sehr hohen Drehzahlen und Lasten zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators ist ungünstig. Solche Betriebszustände resultieren in sehr hohen Abgasvolumenströmen und damit Strömungsgeschwindigkeiten im NOx-Speicherkatalysator. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und damit kurzen Verweilzeiten im NOx-Speicherkatalysator kann eine unvollständige Umsetzung der HC und CO mit dem angelagerten NOx auftreten. Die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erfordert dann einen längeren fetten Motorbetrieb. Üblicherweise wird daher eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei niedrigen Abgasvolumenströmen und damit niedriger Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors angestrebt.
Es sind Verfahren zur Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren bekannt, welche Abgasrückführungseinrichtungen nutzen, um die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators unter vorteilhaft günstigen Bedingungen durchzuführen. Diese Verfahren basieren auf der Idee, eine Ladung mit sehr fettem Luft-Kraftstoffgemisch zu erzeugen und möglichst große Anteile dieser Ladung durch Anwendung einer hohen Abgasrückführrate mehrfach durch den NOx-Speicherkatalysator zu leiten. Besonders effektiv lassen sich solche Verfahren mit einer Abgasrückführrate von 100% durchführen. Dies erfordert dementsprechend ein Fahrzeug mit Abgasrückführeinrichtungen, die es ermöglichen, die Ladung des Verbrennungsmotors vollständig aus zurückgeführtem Abgas zu bilden.
Solche Verfahren zur Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren unter Nutzung einer hoher Abgasrückführrate unterliegen allerdings Einschränkungen. Ein Betrieb eines Verbrennungsmotors unter Abgabe von mechanischer Leistung bei 100% Abgasrückführrate ist nur extrem kurzzeitig möglich, bis der in der Ladung vorhandene freie Sauerstoff O₂ zur Verbrennung aufgebraucht ist. Dies ist bei niedrigem Luft-Kraftstoffverhältnis, wie zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators notwendig, theoretisch nach einem Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors und damit bei Fahrzeugmotoren im Betrieb nach einem Bruchteil einer Sekunde der Fall.
Dementsprechend ist in der Praxis eine Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch unter Nutzung von hohen Abgasrückführraten nur im Schubbetrieb möglich. Schubbetrieb heißt, der Verbrennungsmotor wird durch äußere mechanische Energiezufuhr angetrieben. Ein solcher Schubbetrieb tritt beispielsweise auf, wenn bei einem gewöhnlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor der Fahrer während der Fahrt den Fuß komplett von Fahrpedal nimmt und nicht eine eventuell vorhandene Kupplung betätigt. Das Fahrzeug verzögert dann durch die Bremswirkung des Verbrennungsmotors, der Verbrennungsmotor wird durch die kinetische Energie der Bewegung des Fahrzeugs angetrieben.
Nachteilig für die Durchführung solcher Prozesse zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch unter Nutzung von hohen Abgasrückführraten ist die im Vorhinein unbekannte Dauer einer solchen Phase des Schubbetriebs. Die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators dauert üblicherweise 5-10 Sekunden. Wird während des Betriebs eines Fahrzeugs von einer Steuerungseinrichtung des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung sowohl ein Schubbetrieb als auch ein Regenerationsbedarf des NOx-Speicherkatalysators festgestellt, kann diese einen Regenerationsbetrieb einleiten.
Zum Einleiten des Regenerationsbetriebs wird eine Ladung mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch erzeugt und die Ladung des Verbrennungsmotors durch Ansteuerung der Abgasrückführeinrichtung vollständig aus rückgeführtem Abgas gebildet. Die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators beginnt. Wird nun aber vor Beendigung einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators vom Fahrer der Schubbetrieb beendet, weil zum Beispiel das Fahrzeug beschleunigt werden soll, muss die Regeneration mit vollständig zurückgeführtem Abgas abgebrochen werden. Die unter Einsatz von Kraftstoff erzeugte fette Ladung „geht verloren“ und damit steigt der Kraftstoffverbrauch.
Die DE 102011101079 A1 zeigt ein Verfahren zur Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren von Dieselmotoren mit Niederdruck-AGR. Insbesondere bezieht sich die DE 102011101079 A1 auf die Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren während besonderer Fahrsituationen des Fahrzeugs.
Aus der WO 2008142342 A2 ist ein Verfahren zur Überwachung einer Wirksamkeit eines NOx speichernden katalytischen Konverters, der in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Bestimmung der Menge der verwendeten Reduktoren, die Bestimmung der Menge des im katalytischen Konverter gespeicherten NOx, die Einrichtung eines Diagnoseberichts über den Betriebszustand des Konverters basierend auf der Menge der verwendeten Reduktoren und der Menge des im Konverter gespeicherten NOx.
Die DE 19823921 A1 zeigt ein Verfahren zur Überprüfung des Wirkungsgrades eines NOx-Speicherkatalysators. Um den Wirkungsgrad eines NOx-Speicherkatalysators, der im Abgastrakt einer mit magerem Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine angeordnet ist, zu überprüfen, wird bei der DE 19823921 A1 die aktuelle Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators bestimmt und bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestkapazität ein fehlerhafter NOx-Speicherkatalysator diagnostiziert.
Aus der JP 2011-170555 A ist eine Steuerungseinrichtung zur Fahrzeugkolonnenfahrt bekannt. Ein nachfolgendes Fahrzeug vergleicht die Beschleunigungs-/Verzögerungsinformationen eines unmittelbar vorausfahrenden Fahrzeugs, die mittels autonomer sensorischer Informationen erhalten werden, mit zwei per Funk erhaltener Beschleunigungs-/Verzögerungsinformationen Werten, sodass das nachfolgende Fahrzeug feststellen kann, dass die Beschleunigungs-/Verzögerungsinformationen zu dem unmittelbar vorausfahrendem Fahrzeug gehören. Zudem stellt das folgende Fahrzeug durch das Entdeckungsergebnis eines Pfeils fest, dass das folgende Fahrzeug das letzte einer Fahrzeugkolonne ist. Diese Information wird an das vorausfahrende Fahrzeug per Funk übermittelt, welches damit das zweitletzte Fahrzeug der Kolonne ist. Das zweitletzte Fahrzeug sendet diese Information an das vor diesem fahrend Fahrzeug und so weiter, bis das erste Fahrzeug erreicht ist und die Anzahl der Fahrzeuge der Kolonne feststeht. Das erste Fahrzeug ermittelt dann die Reihenfolge der folgenden Fahrzeuge.
Die DE 102008013779 A1 zeigt ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Bei dem Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere eines Partikelfilters, einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine, mit von einer Steuereinrichtung gesteuerten Regenerationszyklen, werden der Steuereinrichtung die Fahrstrecke betreffende Informationsdaten zugeführt und die Regenerationszyklen werden unter Berücksichtigung der Informationsdaten gesteuert. Dabei werden die Fahrstrecke betreffenden Informationsdaten aus Mustern gewonnen, die durch wenigstens einen die Fahrzeugumgebung erfassenden Bildsensor und wenigstens eine dessen Ausgangssignale verarbeitende Bildverarbeitungseinrichtung bestimmt werden.
Die DE 102006005505 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration einer in einem Abgasstrang einer zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsanlage, die in periodischen Abständen von wenigstens einer eingelagerten Abgaskomponente regeneriert wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei dem Verfahren erfolgt eine Berechnung einer Fahrtroute aufgrund einer Eingabe durch eine Bedienperson. Eine erforderliche Regeneration der Abgasreinigungsanlage beeinflusst die Berechnung der Fahrtroute. Das soll neben einem Schutz der Abgasreinigungsanlage vor unzulässig hohen Temperaturen einen Schutz vor einer Schadstoffbelastung der Luft auf bestimmten Fahrtstrecken und darüber hinaus eine energieeffiziente Regeneration der Abgasreinigungsanlage ermöglichen.
Die DE 102008041348 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung einer Fahrroute für ein Fahrzeug, wobei ausgehend von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt unter Berücksichtigung einer digitalen Straßenkarte eine nach einem vorgegebenen Parameter optimale Fahrroute berechnet wird. Für die Berechnung der Fahrroute wird ein Zustand eines Partikelfilters eines Abgassystems, insbesondere ein Beladungszustand berücksichtigt und es wird eine Fahrroute gewählt, die vorteilhafter für den Zustand des Partikelfilters ist.
Die US 20100313551 A1 zeigt ein Verfahren und ein System zur Regeneration einer in einem Verbrennungsmotorsystem angeordneten Abgasreinigungseinheit, das ein Setzen einer vordefinierten Mindestdrehzahl des Motors umfasst, sodass der Abgasmassenstrom einen vordefinierten Massenstromwert während einer Regeneration übersteigt.
Ein autonom fahrendes Fahrzeug kann sich definitionsgemäß ohne Eingriffe eines Fahrers in seiner Umgebung bewegen. Ein Fahrer bzw. Passagier des Fahrzeugs gibt ein Ziel der Fahrt vor und muss danach keine weiteren Handlungen vollziehen. Das autonom fahrende Fahrzeug legt eine Route vom momentanen Standort zum Zielort fest und fährt diese selbständig ab. Das heißt das autonom fahrende Fahrzeug wählt selbständig seine Geschwindigkeit und Fahrtrichtung und reagiert auf Verkehrsereignisse. Dazu bedienen sich autonom fahrende Fahrzeuge verschiedener Sensoren, Kommunikationsmittel und Steuerungseinrichtungen.
Beispielsweise können von einem autonom fahrenden Fahrzeug GPS-Daten genutzt werden, um eine momentane Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs festzustellen. Beispielsweise über ein Mobilfunknetz können einem autonom fahrenden Fahrzeug lokale Straßenkarten oder Daten zur aktuellen Verkehrslage elektronisch bereitgestellt werden. Auch kann ein autonom fahrendes Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen, die mit entsprechenden Einrichtungen ausgerüstet sind, kommunizieren, um Verkehrsereignisse frühzeitig zu erkennen und Fahrprofile zu koordinieren.
Autonom fahrende Fahrzeuge nehmen ihre Umgebung üblicherweise durch verschiedene Sensoren wahr, die beispielsweise auf sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung oder Radarstrahlung basieren können. Mittels entsprechender elektronischer Datenverarbeitungseinrichtungen und Steuerungseinrichtungen werden die verfügbaren Informationen verarbeitet und die entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs wie beispielsweise Lenkung, Bremsen, Verbrennungsmotor und Übersetzungsgetriebe angesteuert.
Beispielsweise zeigt die US 20130211656 A1 einen autonom fahrenden Apparat, der eine Autonomes-Fahren-Kontext-Datenverarbeitungseinheit, eine Simulatoreinheit, eine Abschnittsbestimmungseinheit, eine Wegplanungseinheit und eine Kontextbestimmungshauptsteuereinheit umfasst. Die Autonomes-Fahren-Kontext-Datenverarbeitungseinheit sammelt Autonomes-Fahren-Kontext-Daten. Die Simulatoreinheit simuliert autonomes Fahren basierend auf den gesammelten Autonomes-Fahren-Kontext-Daten. Die Abschnittsbestimmungseinheit bestimmt einen zuverlässigen Abschnitt oder einen unzuverlässigen Abschnitt basierend auf Resultaten der Simulation. Die Wegplanungseinheit sucht nach zumindest einem globalen Weg zu einem eingestellten Ziel basierend auf Resultaten der Bestimmung und sucht den zumindest einen globalen Weg für einen lokalen Weg entlang dem autonomes fahren möglich ist. Die Kontextbestimmungshauptsteuereinheit steuert das autonome Fahren des Fahrzeugs entlang des lokalen Wegs.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Diagnose einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines insbesondere mager betriebenen Verbrennungsmotors anzugeben, welches in einem autonom fahrenden Fahrzeug mit einer Abgasrückführungseinrichtung betreibbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Steuerungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens und ein Fahrzeug, welches eine solche Steuereinrichtung umfasst, zur Verfügung zu stellen.
Die oben gestellten Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 16 sowie durch eine Steuerungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 17 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 18, welches eine solche Steuerungseinrichtung umfasst, gelöst.
Offenbart wird ein Verfahren zur Diagnose eines NOx-Speicher-Katalysators eines autonom fahrenden Fahrzeuges. Das autonom fahrende Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und eine Abgasrückführeinrichtung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

A: Ermitteln zumindest eines Beladungsindikators, der die Beladung des NOx-Speicherkatalysators mit NOx repräsentiert; dies kann zum Beispiel eine rechnerisch ermittelte NOx-Beladung des NOx-Speicherkatalysators sein.
A': Prüfen eines Diagnosebedarfs des NOx-Speicher-Katalysators; Es wird geprüft, ob ein Diagnosebedarf für den NOx-Speicherkatalysator vorliegt. Wenn ein Diagnosebedarf festgestellt wird, folgt ein Verfahrensschritt A''. Wenn kein Diagnosebedarf festgestellt wird, kann A' zu A zurückleiten.
A'': Prüfen eines Überschreitens eines Schwellwerts des in A ermittelten zumindest einen Beladungsindikators; Im Verfahrensschritt A'' wird geprüft, ob der in A ermittelte mindestens eine Beladungsindikator des NOx-Speicher-Katalysators einen Schwellwert überschritten hat. Wenn der Schwellwert überschritten wurde, wird vom Verfahrensschritt A'' zu Verfahrensschritt B weitergeleitet, ansonsten kann zu Verfahrensschritt A zurückgeleitet werden. Dies ist vorteilhaft, da eine Diagnose im Rahmen einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators dann durchgeführt werden sollte wenn die erwartete NOx-Speicherfähigkeit nahezu erschöpft ist.
B: Festlegen eines SOLL-Wertfensters für zumindest einen Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators. Beispielsweise kann für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis A des Abgases stromaufwärts des NOx-Speicher-Katalysators und für einen Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysators ein SOLL-Wertfenster festgelegt werden. Aber auch für die Temperatur (T) des NOx-Speicher-Katalysators oder die Temperatur T_A des Abgases, welches durch den NOx-Speicher-Katalysators strömt, kann ein Sollwert-Fenster festgelegt werden.

Durch die Festlegung dieser SOLL-Wertfenster wird eine Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators in einem vorteilhaften Betriebsbereich sichergestellt. Dies begünstigt eine reproduzierbare, vollständige und effektive Regeneration.
Wenn für den Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysator ein SOLL-Wertfenster festgelegt wird, kann dieses von einem oberen Schwellwert für den Abgasvolumenstrom (V̇_A) begrenzt sein. Damit wird sichergestellt, dass die Verweilzeiten des fetten Abgases im NOx-Speicher-Katalysator ausreichend lang sind, um eine vorteilhaft vollständige Umsetzung des CO und HC im Abgas zu ermöglichen. Dies unterstützt eine zuverlässige Ermittlung der Menge des im NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration umgesetzten NOx.
C: Ermitteln eines Betriebsprofils des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung, in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators durchläuft.
Beispielsweise kann das Betriebsprofils des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung Kombinationen einer momentanen Last (M_D), eines momentanen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ), einer momentanen Drehzahl (n) und einer Abgasrückführrate (AGR%) umfassen. Dies sind ein Satz von Parametern, die für die Betriebsparameter des NOx-Speicherkatalysators besonders großen Einfluss haben.
Insbesondere kann das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung ein Betriebsprofil sein, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ<1) ist. Dies ist förderlich für eine Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators.
Auch kann das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung ein Betriebsprofil ist, in welchem dem Verbrennungsmotor zurückgeführtes Abgas zugeführt wird (AGR%>0). Dies ist wie oben beschrieben besonders vorteilhaft für eine im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch effiziente Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators.
D: Ermitteln eines Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs, in welchem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben werden. Das Fahrprofil umfasst eine Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges und die aktivierte Gangstufe eines Übersetzungsgetriebes des autonom fahrenden Fahrzeuges. Wenn das Übersetzungsgetriebe ein stufenloses CVT-Getriebe ist, dann bezeichnet die Gangstufe eine gewählte Übersetzung aus dem Übersetzungsbereich des CVT-Getriebes.
Dadurch, dass ein Fahrprofil ermittelt wird, in welchem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben werden, liegen während des Fahrprofils günstige Bedingungen für eine effiziente und vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators vor.
E: Durchfahren des in (D) ermittelten Fahrprofils und Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs eines zumindest einen Regenerationsindikators des NOx-Speicher-Katalysators. Wenn das ermittelte Fahrprofil durchfahren wird, wird eine vollständige und effiziente Regeneration des NOx-Speicherkatalysators unterstützt. Der Regenerationsindikator ist eine Größe, die den Regenerationsgrad des NOx-Speicherkatalysators repräsentiert. Sie kann beispielsweise einen Sauerstoffgehalt stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators umfassen. Sie kann aber auch einen Ammoniak (NH₃)- Gehalt stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators umfassen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung ein n-dimensionaler Parameterraum sein, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt.
F: Bewerten des Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Regenerationsindikators während der Durchführung von Verfahrensschritt (E) und basierend auf dem in (A) ermittelten Beladungsindikator. Dies bedeutet einen Vergleich einer ermittelten im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Menge NOx mit einer in während der Regeneration umgesetzten Menge an NOx. Der Regenerationsindikator kann beispielsweise ein Sauerstoffgehalt im Abgas stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators sein. Er kann aber auch ein Ammoniakgehalt im Abgas stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators sein.
Beispielsweise kann das Betriebsprofils des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung Kombinationen einer momentanen Last (M_D), eines momentanen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ), einer momentanen Drehzahl (n) und einer Abgasrückführrate (AGR%) umfassen, welche in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A des Abgases stromaufwärts des NOx-Speicher-Katalysators und einem Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysators resultieren, die im in Verfahrensschritt (B) festgelegten SOLL-Wertfenster liegen. So wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung so betrieben werden, dass für die Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators günstige Bedingungen vorherrschen.
Das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung ein n-dimensionaler Parameterraum, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators ohne Unterbrechung bis zum Erreichen einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt. So wird eine unvollständige Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators vermieden, was vorteilhaft für den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs ist und die Zuverlässigkeit der Ermittlung der im NOx-Speicherkatalysator während der Regenration umgesetzten Menge an NOx erhöht.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeuges ein Fahrprofil festgelegt, in dem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden. In einem solchen Fahrprofil ist die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators vorteilhaft effektiv durchführbar.
Um dies zu erreichen, nehmen die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges nur Werte an, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Fahrzeuges und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung gelegenen Parameterraums liegen. Die Verwendung dieser Vorschrift erleichtert die Ermittlung eines Fahrprofils, in dem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung während des Fahrprofils in dem für sie bestimmten Betriebsprofil betrieben werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Abstand zwischen dem autonom fahrende Fahrzeug und einem im Straßenverkehr voraus fahrenden Fahrzeug als variablen Parameter verwendet, um ein Fahrprofil festzulegen. Auch in einem solchen Fahrprofil nehmen die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges nur Werte an, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Fahrzeuges und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors und der Abgasrückführeinrichtung gelegenen Parameterraums liegen.
Die Nutzung des Abstands zwischen dem autonom fahrende Fahrzeug und einem im Straßenverkehr voraus fahrenden Fahrzeug als variablen Parameter unterstützt die Ermittlung eines Fahrprofils, in dem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung während des Fahrprofils in dem für sie bestimmten Betriebsprofil betrieben werden.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebildet sein, dass elektronisch bereitgestellte Information berücksichtigt werden, um ein Fahrprofil einzustellen. Solche Informationen können die Verkehrslage auf möglichen Fahrstrecken des autonom fahrenden Fahrzeugs betreffen. Die Nutzung dieser Informationen unterstützt die Ermittlung eines Fahrprofils, in dem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung während des Fahrprofils in dem für sie bestimmten Betriebsprofil betrieben werden.
In einer weiteren Ausprägung kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebildet sein, dass mit anderen autonom fahrenden Fahrzeugen ausgetauschte Information verwendet werden, um ein Fahrprofil einzustellen. So können zum einen Informationen, die anderen Fahrzeugen zeitlich früher zur Verfügung stehen als dem den Prozess ausführenden autonom fahrenden Fahrzeug, bei der Festlegung des Fahrprofils berücksichtigt werden.
Auch können von anderen Fahrzeugen festgelegte Fahrprofile zur Festlegung eines eigenen Fahrprofils verwendet werden. Verschiedene autonom fahrende Fahrzeuge können sich so untereinander koordinieren, um beispielsweise vorteilhaft kraftstoffsparende Fahrprofile festzulegen. Insgesamt unterstützt die Berücksichtigung des Austauschs von Informationen zwischen autonom fahrenden Fahrzeugen die Ermittlung eines Fahrprofils, in dem der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung während des Fahrprofils in dem für sie bestimmten Betriebsprofil betrieben werden.
Der erfindungsgemäße Prozess kann auch so ausgebildet sein, dass Informationen mit Lichtzeichenanlagen (umgangssprachlich Verkehrsampeln) ausgetauscht werden. Beispielsweise können Informationen über bevorstehende Ampelphasen vorteilhaft dazu verwendet werden, Fahrprofile festzulegen, in denen der Verbrennungsmotor und die Abgasrückführeinrichtung während des Fahrprofils in dem für sie bestimmten Betriebsprofil betrieben werden.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren können anstatt des Verfahrensschritts F auch eine Anzahl Verfahrensschritte F' und F'' ausgeführt werden. In Verfahrensschritt F' wird während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs, also nach der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, der Verlauf von mindestens einem Effektivitätsindikators des NOx-Speicher-Katalysators ermittelt. Dies kann beispielsweise ein NOx-Gehalt stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators sein. Dieser kann beispielsweise durch einen NOx-Sensor direkt gemessen werden.
In Verfahrensschritt F'' wird der Schädigungszustand des NOx-Speicher-Katalysators bewertet. Dazu wird der Verlauf des mindestens einen Effektivitätsindikators während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs ausgewertet und so der Schädigungszustand des NOx-Speicherkatalysators ermittelt. Dies geschieht beispielsweise durch den Vergleich einer IST- NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators mit einem Schwellwert für die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators.
Durch die in den Verfahrensschritten A bis E durchgeführte Regeneration wird sichergestellt, dass im NOx-Speicherkatalysator zum Ende des Verfahrensschritts E kein NOx mehr angelagert ist. Ab diesem Zeitpunkt kann durch Modellrechnungen die während des Verfahrensschritts F' vom Verbrennungsmotor in den NOx-Speicherkatalysator geleitete Menge NOx integrativ ermittelt werden.
Die Ermittlung der NOx-Menge kann basierend auf einer stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators gemessenen NOx-Konzentration im Abgas und dem Abgasvolumenstrom erfolgen. Sie kann aber auch rein rechnerisch, beispielsweise unter Verwendung eines Kennfelds zum NOx-Ausstoß des Verbrennungsmotors ermittelt werden.
Wenn durch den Verlauf des Effektivitätsindikators festgestellt wird, dass die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators erschöpft ist, ist die zu diesem Zeitpunkt in NOx-Speicherkatalysator angelagerte Menge NOx dessen IST- NOx-Speicherfähigkeit. Diese kann mit einer SOLL-NOx-Speicherfähigkeit verglichen werden. Unterschreitet die IST- NOx-Speicherfähigkeit einen Schwellwert, kann eine unzulässige Schädigung des NOx-Speicherkatalysators festgestellt werden.
Teil der Offenbarung ist auch eine Steuerungseinrichtung zum Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs, die zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung kann dazu unter anderem den Verbrennungsmotor, das Übersetzungsgetriebe, und die Abgasrückführeinrichtung sowie Bremse und Lenkung des autonom fahrenden Fahrzeugs ansteuern sowie Betriebsparameter ermitteln.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein autonom fahrendes Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, einen NOx-Speicher-Katalysator, ein Übersetzungsgetriebe, und eine Abgasrückführeinrichtung, welches auch eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgend angeführten detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

1 ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Fahrzeug; und
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren

1 zeigt beispielhaft und stark schematisch dargestellt ein erfindungsgemäßes autonom fahrendes Fahrzeug 2, welches ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Ein solches autonom fahrendes Fahrzeug 2 umfasst mindestens einen NOx-Speicher-Katalysator 1, einen Verbrennungsmotor 3, eine Abgasrückführeinrichtung 8, ein Übersetzungsgetriebe 4 und eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10. In dieser beispielhaften Ausführung umfasst das autonom fahrende Fahrzeug 2 auch eine Turbine 7, und einen Verdichter 9.
Bei dem Verbrennungsmotor 3 kann es sich um einen handelsüblichen Diesel- oder Otto-Motor handeln. Dieser kann mit verschiedenen Verbrennungs- und Gemischaufbereitungsverfahren ausgebildet sein und mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden. Für die vorliegende Erfindung von besonderer Relevanz sind Verbrennungsmotoren 3, die zumindest zeitweise im Magerbetrieb (mit Luftüberschuss) und mit Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffverbindungen betrieben werden. Solche Verbrennungsmotoren 3 stoßen ein Abgas 5 aus, welches NOx enthält. Beispiele dafür sind handelsübliche PKW- und LKW-Dieselmotoren.
NOx-Speicher-Katalysatoren 1 werden beispielweise in Verbindung mit handelsüblichen mager betriebenen Verbrennungsmotoren 3 in Fahrzeugen verbaut. Sie sind im Abgasstrang stromabwärts des Verbrennungsmotors 3 angeordnet und werden dementsprechend von dem Abgas 5, welches von dem Verbrennungsmotor 3 ausgestoßen wird, durchströmt. NOx-Speicher-Katalysatoren 1 können auch in andere Komponenten zur Abgasnachbehandlung, zum Beispiel Partikelfilter, integriert sein.
Zwischen Verbrennungsmotor 3 und NOx-Speicherkatalysator 1 ist die Turbine 7 im Abgas 5 angeordnet. Sie entzieht dem Abgas 5 durch Expansion eine Enthalpie und stellt die entzogene Enthalpie als eine mechanische Turbo-Lader-Energie bereit. Mit der mechanischen Turbo-Lader-Energie wird der durch eine Welle mit der Turbine 7 verbundene Verdichter 9 angetrieben. Der Verdichter 9 verdichtet eine dem Verbrennungsmotor 3 zugeführte Ladung 12.
Diese Anordnung von Turbine 7 und Verdichter 9 entspricht einem handelsüblichen Abgasturbolader, wie er insbesondere zur Standardausrüstung von modernen Dieselmotoren gehört. Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich auch in Fahrzeugen ohne Abgasturbolader anwendbar.
Zwischen Verdichter 9 und Verbrennungsmotor 3 können noch weitere Komponenten wie zum Beispiel Wärmetauscher, Ladeluftkühler oder Drosselklappen angeordnet sein. Dies hat aber keine direkte Relevanz für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Abgasrückführeinrichtung 8 ist so ausgebildet, dass sie veränderliche Anteile des Abgases 5 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 1 umleiten kann und diese stromaufwärts des Verdichters 9 in die dem Verbrennungsmotor 3 zugeführte Ladung 12 einleiten kann. So kann die dem Verbrennungsmotor 3 zugeführte Ladung 12 aus veränderlichen Anteilen einer Frischluft 11 und des Abgases 5 zusammengesetzt werden. Für den erfindungsgemäßen Prozess von besonderer Relevanz sind Abgasrückführeinrichtungen 8, die es erlauben die dem Verbrennungsmotor 3 zugeführte Ladung 12 vollständig aus Abgas 5 bestehen zu lassen, was einer Abgasrückführrate (AGR%) von 100% entspricht.
Die Abgasrückführeinrichtung 8 ist in dem in 1 exemplarisch dargestellten Beispiel als Niederdruckabgasrückführung ausgebildet. Auch andere Ausführungen sind möglich, solange die Entnahme des zurückzuführenden Anteils des Abgases 5 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 1 erfolgt und hohe Abgasrückführraten, idealerweise 100%, möglich sind. Die Abgasrückführeinrichtung 8 kann eines oder mehrere Ventile sowie einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen. Die genaue konstruktive Ausführung ist für den erfindungsgemäßen Prozess allerdings nicht relevant.
Eine mechanische Energie 6 wird vom Verbrennungsmotor 3 erzeugt und an das Übersetzungsgetriebe 4 geleitet. Das Übersetzungsgetriebe setzt die vom Verbrennungsmotor 3 erzeugte mechanische Energie auf ein wählbares Drehzahlniveau um und leitet sie an die Antriebsräder des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 weiter. Das Übersetzungsgetriebe kann dabei beispielsweise als typisches Automatikgetriebe mit Planetenradsätzen, als automatisiertes Schaltgetriebe oder auch als CVT-Getriebe ausgebildet sein.
Zwischen Verbrennungsmotor 3 und Übersetzungsgetriebe 4 kann beispielsweise eine Kupplung oder ein Drehmomentenwandler angeordnet sein. Für die vorliegende Erfindung ist die genaue Ausbildung irrelevant, solange verschiedene mechanische Übersetzungen bereitgestellt werden und das Übersetzungsgetriebe 4 durch die Steuerungseinrichtung 10 angesteuert werden kann.
Bei dem autonom fahrenden Fahrzeug 2 kann es sich um einen PKW oder LKW handeln. Aber auch eine Ausbildung als Wasserfahrzeug (Boot oder Schiff) oder als Motorrad wäre theoretisch denkbar.
2 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren. In einem Schritt A wird zunächst ein Beladungsindikator ermittelt, der die Beladung des NOx-Speicherkatalysators 1 mit NOx repräsentiert. Im dargestellten Beispiel ist dies eine errechnete NOx-Beladung. Diese kann beispielsweise integrativ aus dem für relevante Betriebsbedingungen bekannten NOx-Ausstoß des Verbrennungsmotors ermittelt werden.
In einem Verfahrensschritt A' wird geprüft ob ein Diagnosebedarf für den NOx-Speicherkatalysator 1 vorliegt. Solch ein Diagnosebedarf kann aus einer vordefinierten Häufigkeit bedingt sein, insbesondere aus gesetzlichen Vorgaben für die Häufigkeit von Diagnosezyklen. Er kann sich beispielsweise aber auch aus anderen Diagnosefunktionen des Fahrzeugs 2 ergeben, wenn Anhaltspunkte von Unregelmäßigkeiten im Betrieb des Fahrzeugs 2 vorliegen, beispielsweise eine Leistungsminderung oder ein ungewünschter Lauf des Verbrennungsmotors 3. Der Diagnosebedarf ist unabhängig von der Beladung des NOx-Speicherkatalysators.
Wird ein Diagnosebedarf festgestellt, wird, zu einem Verfahrensschritt A'' weitergleitet. Wird kein Diagnosebedarf festgestellt, wird zu Verfahrensschritt A zurückgekehrt.
In Verfahrensschritt A'' wird der Wert des mindestens einen in A ermittelten Beladungsindikators des NOx-Speicher-Katalysators 1 mit einem Schwellwert verglichen. Ist dieser Schwellwert überschritten, wird ein Regenerationsbedarf festgestellt und zu einem Verfahrensschritt B übergeleitet. Wird kein Regenerationsbedarf festgestellt, wird zu dem Verfahrensschritt A zurückgekehrt.
Nur wenn ein solcher Regenerationsbedarf festgestellt wird, ist eine Regeneration vorteilhaft, da ansonsten unnötiger Kraftstoffverbrauch verursacht wird. Eine Diagnose des NOx-Speicherkatalysators 1 sollte dementsprechend nur erfolgen, wenn ohnehin eine Regeneration notwendig wäre. Auch ist eine Diagnose vorteilhaft zuverlässig durchzuführen, wenn eine Regeneration mit einem vollständig beladenen NOx-Speicherkatalysator 1 beginnt.
In dem Schritt B wird ein SOLL-Wertfenster für zumindest einen Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators 1 festgelegt. Beispielsweise könnte ein SOLL-Wertfenster für einen Abgas-Volumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysator 1 von 100 Kubikmeter / Stunde bis 180 Kubikmeter / Stunde, für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis A von 0,85 bis 0,9 und eine Temperatur des Abgases 5 von 300°Celsius bis 400°Celsius festgelegt werden.
Bei der Festlegung der SOLL-Wertfenster werden unter anderem die konstruktiven Gegebenheiten sowie die chemischen Eigenschaften des NOx-Speicherkatalysators 1 beachtet. Wenn diese bekannt und berücksichtigt sind, lassen sich SOLL-Wertfenster für die Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators 1 festlegen, die eine effiziente und vollständige Regeneration begünstigen.
Beispielsweise kann bei bekannter Geometrie des NOx-Speicher-Katalysators 1 ein Abgasvolumenstrom-Schwellwert bestimmt werden, oberhalb dessen die Umsetzung der HC und CO-Anteile des Abgases 5 auf Grund zu kurzer Verweilzeit im NOx-Speicher-Katalysator 1 unvorteilhaft unvollständig wird. Damit ist beispielsweise eine obere Grenze des SOLL-Wertfensters für den Abgasvolumenstrom V̇_A definiert.
Eine möglichst vollständige Umsetzung der HC und CO-Anteile des Abgases 5 unterstützt eine genaue Berechnung der im NOx-Speicherkatalysator 1 während der Regeneration umgesetzten Menge an NOx. Daraus ergibt sich eine vorteilhaft zuverlässige Beurteilung des Schädigungszustands des NOx-Speicherkatalysators 1.
Eine untere Grenze des SOLL-Wertfensters für den Abgasvolumenstrom V̇_A kann beispielsweise aus strömungstechnischen Gegebenheiten innerhalb des NOx-Speicher-Katalysators 1 resultieren. Unterhalb eines Schwellwerts des Abgasvolumenstroms V̇_A könnten manche Bereiche des NOx-Speicher-Katalysators 1 nicht ausreichend durchströmt werden. Auch könnte sich unterhalb eines Schwellwerts des Abgasvolumenstroms V̇_A eine impraktikabel lange Regenerationszeit von zum Beispiel mehr als 10 Sekunden ergeben. Auch könnte durch eine unzulässig lange Regenerationszeit die Temperatur im NOx-Speicher-Katalysator 1 so weit absinken, dass für die zur Regeneration notwendigen chemischen Reaktionen keine ausreichende Aktivierungsenergie mehr zur Verfügung steht.
In einem Schritt C wird ein Betriebsprofil für den Verbrennungsmotor 3 und die Abgasrückführeinrichtung 8 festgelegt, welches in Betriebsparametern für den NOx-Speicher-Katalysator 1 resultiert, die innerhalb der in Verfahrensschritt B festgelegten SOLL-Wertfenster liegen. Der Parameter Luft-Kraftstoff-Verhältnis A kann beispielsweise direkt aus dem festgelegten SOLL-Wertbereich für die Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators 1 für das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors 3 übernommen werden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren auf einer möglichst effektiven Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 basiert, sind vor allem Betriebsprofile für den Verbrennungsmotor 3 und die Abgasrückführeinrichtung 8 relevant, die eine hohe Abgasrückführrate AGR%, möglichst 100%, und ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch A aufweisen. Ein Betriebsprofil für den Verbrennungsmotor 3 und die Abgasrückführeinrichtung 8 kann also beispielsweise die Parameter AGR%=100% und Luft-Kraftstoffgemisch A = 0,9 umfassen.
Wenn die Ladung 12 des Verbrennungsmotors 3 vollständig aus zurückgeführtem Abgas besteht (AGR%=100%), kann der Verbrennungsmotor 3 keine mechanische Energie abgeben. Die Last M_D muss daher negativ sein, der Verbrennungsmotors 3 muss also von einem äußeren Drehmoment bewegt werden. Das Drehmoment kann aus der Bewegungsenergie, oder potentiellen Energie bei Bergabfahrt, des Fahrzeugs 2 erzeugt werden. Das Moment muss groß genug sein, die Reibung und die Ladungswechselarbeit des Verbrennungsmotors 3 zu überwinden.
Der Wert des Parameters Last M_D hängt daher neben der konstruktiven Ausführung des Verbrennungsmotors 3 unter anderem von dessen Drehzahl und der konstruktiven Ausführung und Einstellung aller Ladungswechselorgane ab. Die Ladungswechselorgane umfassen die Abgasrückführeinrichtung 8, Verdichter 9 und Turbine 7 und alle Verbindungsleitungen. Im Beispiel liegt der Parameterbereich zwischen -10Nm und -20Nm.
Wenn AGR%=100% festgesetzt ist, ergeben sich für den Parameter Drehzahl n des Verbrennungsmotors 3 obere und untere Schwellwerte hauptsächlich aus den Grenzen des SOLL-Wertfensters für den Abgasvolumenstrom V̇_A. Andere Einflüsse auf den Abgasvolumenstrom V̇_A umfassen die Einstellung einer eventuell vorhandenen Drosselklappe oder eines variablen Ventiltriebs. Beispielsweise könnte der Bereich für den Parameter Drehzahl n des Verbrennungsmotors 3 zwischen 1000 1/min und 2500 1/min liegen.
Da die Last des Verbrennungsmotors 3 negativ ist und daher aus der kinetischen oder potentiellen Energie des Fahrzeugs 2 bereitgestellt wird, ist eine konstante oder steigende Drehzahl während des Regenerationsbetriebs nur bei Bergabfahrt oder starkem Rückenwind für das Fahrzeug 2 möglich. Dies wird bei der Festlegung des Motorbetriebsprofils beachtet.
Abschließend für Verfahrensschritt C ist ein oder mehrere plausible Betriebsprofile für den Verbrennungsmotor 3 und die Abgasrückführeinrichtung 8 festzulegen, welche in einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 resultieren. Vollständige Regeneration heißt, dass alles im NOx-Speicherkatalysator 1 angelagerte NOx umgesetzt wird. Denkbar wäre zum Beispiel ein linear abfallender Drehzahlverlauf von 2500 1/min nach 1500 1/min über eine Zeit von 10 Sekunden bei AGR%=100% und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ=0,9.
In Schritt D der beispielhaften Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 festgelegt, in welchem der Verbrennungsmotor 3 und die Abgasrückführeinrichtung 8 in dem in Verfahrensschritt C festgelegten Betriebsprofil betrieben wird.
Die auf das Fahrzeug 2 wirkende Beschleunigung umfasst die Komponenten der Fahrwiderstände inklusive Resultierende einer eventuellen Hangabtriebskraft oder Windgeschwindigkeit sowie die durch das Übersetzungsgetriebe 4 übersetzte Last M_D des Verbrennungsmotors 3. Im dargestellten Beispiel wird das Fahrprofil umfassend Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2 und Einstellung des Übersetzungsgetriebes 4 so festgelegt, dass die resultierende Beschleunigung die Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 bei den in Verfahrensschritt C vorgegebenen Parametern für Verbrennungsmotor 3 und Abgasrückführeinrichtung 8 innerhalb von 10 Sekunden von 2500 1/min nach 1500 1/min fallen lässt. Eine solche Festlegung basiert auf bekannten Fahrwiderständen und Fahrstrecke des Fahrzeugs 2.
Zur Ermittlung eines solchen Fahrprofils wird der Abstand des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 zu einem vorausfahrenden Fahrzeug als variabler Parameter genutzt. Dabei fährt das autonom fahrende Fahrzeug 2 temporär dichter auf ein vorausfahrendes Fahrzeug auf, um durch die kurzzeitig erhöhte Geschwindigkeit mehr kinetische Energie für eine Regeneration zur Verfügung zu haben. Während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 1 lässt es sich dann auf einen größeren Abstand zurückfallen.
Um die Ermittlung eines solchen Fahrprofils zu unterstützen, können neben elektronisch bereitgestellten Informationen über die geographischen Gegebenheiten der Wegstrecke des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 mit Steigungen, Gefällen und möglichen Geschwindigkeiten auch weitere Informationen verwendet werden. Es können beispielsweise elektronisch bereitgestellte Informationen über die Verkehrslage verwendet werden um eine Durchführbarkeit des Fahrprofils sicherzustellen.
Es können auch Informationen mit anderen Fahrzeugen ausgetauscht werden. Wenn es sich um autonom fahrende Fahrzeuge handelt, können beispielswiese Fahrprofile anderer autonom fahrender Fahrzeuge berücksichtigt und Fahrprofile zwischen Fahrzeugen synchronisiert werden. Es können auch Informationen mit Lichtzeichenanlagen (sogenannte Verkehrsampeln) ausgetauscht werden. Beispielsweise können so anstehende Rot- oder Grünphasen einer Ampel berücksichtigt werden.
Insgesamt kann so ein Fahrprofil festgelegt werden, welches eine vollständige und ununterbrochene Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 1 unter reproduzierbaren Bedingungen unterstützt.
In dem Schritt E des erfindungsgemäßen Verfahrens durchfährt das autonom fahrende Fahrzeug 2 das ermittelte Fahrprofil. Während des Durchfahrens des Fahrprofils wird der zeitliche Verlauf zumindest eines Regenerationsindikators des NOx-Speicher-Katalysators 1 ermittelt. Der mindestens eine Regenerationsindikator kann zum Beispiel eine Sauerstoffkonzentration stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 umfassen. Er kann aber auch eine Ammoniak(NH₃)- Konzentration stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 umfassen. Aus dem Verlauf jeder der beiden genannten Regenerationsindikatoren kann ein Erreichen einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 ermittelt werden.
In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass als Regenerationsindikator die O₂-Konzentration im Abgas stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 verwendet wird. Diese kann mit einer handelsüblichen Lambdasonde ermittelt werden. Solange im NOx-Speicher-Katalysator 1 noch gespeichertes NOx mit dem im Abgas 5 enthaltenen CO und HC umgesetzt wird, ist die O₂-Konzentration im Abgas stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 ähnlich hoch wie im nicht-Regenerationsbetrieb mit stöchiometrischem (λ=1) oder überstöchiometrischen (λ>1) Betrieb des Verbrennungsmotors 3. Eine stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysator 1 im Abgas 5 angeordnete Lambdasonde „sieht“ den fetten (λ<1) Betrieb noch nicht.
Wenn das im NOx-Speicher-Katalysator 1 angelagerte NOx allerdings größtenteils mit den CO und HC aus dem „fetten“ Abgas 5 umgesetzt ist, reduziert sich die O₂-Konzentration im Abgas stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1. Eine dort angeordnete Lambdasonde „sieht“ dann das vom Verbrennungsmotor 3 produzierte „fette“ Abgas 5 auch stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1. Wenn ein Mindestwert für die O₂-Konzentration im Abgas stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 unterschritten ist, wird das Regenerieren des NOx-Speicher-Katalysators 1 als beendet erkannt. Es wird dann das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende besondere Fahrprofil beendet und das autonom fahrende Fahrzeug 2 geht in seinen gewöhnlichen Fahrbetrieb über. Daraufhin wird ein Verfahrensschritt F ausgeführt.
In dem Schritt F des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators 1 basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Regenerationsindikators während der Durchführung von Verfahrensschritt E und basierend auf dem in Verfahrensschritt A ermittelten Beladungsindikator bewertet. Anhand von Rechenmodellen kann die während der Durchführung von Verfahrensschritt E durch den NOx-Speicher-Katalysator 1 geleitete im Abgas 5 enthaltene Menge an CO und HC bestimmt werden. Aus dieser Menge kann die im NOx-Speicher-Katalysator 1 während der Regeneration mit Hilfe von CO und HC insgesamt umgesetzte Menge an NOx bestimmt werden. Diese Menge entspricht der tatsächlich insgesamt vor der Regeneration im NOx-Speicher-Katalysator 1 angelagerten Menge an NOx.
Diese tatsächlich im NOx-Speicher-Katalysator 1 angelagerte Menge von NOx kann mit Hilfe des in Prozessschritt A ermittelten Beladungsindikators beurteilt werden.
War zum Beispiel der in Prozessschritt A ermittelte Beladungsindikator eine berechnete angelagerte NOx-Menge, kann die tatsächlich im NOx-Speicher-Katalysator 1 angelagerte Menge von NOx dazu in Relation gesetzt werden.
War die tatsächlich im NOx-Speicher-Katalysator 1 angelagerte Menge von NOx um einen Schwellwert kleiner als die berechnete angelagerte NOx-Menge, kann der NOx-Speicher-Katalysator 1 als beschädigt beurteilt werden. Liegt die Differenz zwischen tatsächlicher und berechneter Menge an NOx dagegen unter einem Schwellwert, kann der NOx-Speicher-Katalysator 1 als funktionsfähig beurteilt werden.
Wenn der in Prozessschritt A verwendete Beladungsindikator beispielsweise ein NOx-Gehalt im Abgas 5 stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 war, kann eine im NOx-Speicher-Katalysator 1 eingelagerte erwartete Menge an NOx als SOLL-NOx-Speicherfähigkeit vorgegeben werden. Auch diese Menge kann mit der tatsächlich umgesetzten Menge vergleichen werden.
Wenn der in Prozessschritt E verwendete Regenerationsindikator beispielsweise eine Ammoniak(NH₃)- Konzentration im Abgas 5 stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 ist, kann auch aus deren Verlauf eine im NOx-Speicher-Katalysator 1 tatsächlich eingelagerte Menge an NOx berechnet werden. Wenn die Ammoniakkonzentration im Abgas 5 stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators 1 einen Schwellwert überschreitet, kann von einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 ausgegangen werden. Die tatsächlich eingelagerte Menge an NOx kann mit der erwarteten im NOx-Speicher-Katalysators 1 eingelagerten Menge an NOx verglichen werden.
Wenn ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer Variante mit Prozessschritten F' und F'' ausgebildet ist, dienen die Prozessschritte A bis E zur Sicherstellung einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 zum Beginn des Prozessschritts F'. Die Ermittlung einer tatsächlich vom NOx-Speicher-Katalysator 1 speicherbaren Menge an NOx erfolgt dann in dem Prozessschritt F' durch Ermitteln des Verlaufs eines Effektivitätsfaktors, der eine vollständige Beladung des NOx-Speicher-Katalysators 1 mit NOx anzeigt.
Durch Integrative Erfassung, beispielsweise durch ein Rechenmodell kann die während des Verfahrensschritts F' vom Verbrennungsmotor 3 bis zum Erreichen einer vollständigen Beladung in den im NOx-Speicherkatalysator 1 geleitete Menge NOx ermittelt werden. Diese Menge entspricht der IST-NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 1.
In Verfahrensschritt F'' kann dann die IST-NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 1 mit einer SOLL-NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 1 verglichen werden. Wenn die IST-NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 1 die SOLL-NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 1 unterschreitet, kann der NOx-Speicherkatalysators 1 als beschädigt beurteilt werden.
Die Ermittlung des Regenerationsindikators kann beispielsweise durch Sensoren für Sauerstoff-Gehalt oder Ammoniak-Gehalt im Abgas 5 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 1 erfolgen. Sie kann aber bei genau bekanntem Verhalten der Abgasrückführeinrichtung 8 auch durch entsprechende Sensoren in der Ladung 12 stromaufwärts des Verbrennungsmotors 3 ermittelt werden.
Wenn das Verhalten der Abgasrückführeinrichtung 8 bekannt ist, kann die Abgasrückführrate AGR% beispielsweise durch Modellrechnungen ermittelt werden. Ist die Abgasrückführrate AGR% bekannt, kann unter der Annahme konstanter Zusammensetzung der Frischluft 11 der Sauerstoff-Gehalt oder Ammoniak-Gehalt im Abgas 5 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 1 aus den entsprechenden Gehalten in der Ladung 12 errechnet werden.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10 ist ausgebildet ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Diagnose eines NOx-Speicherkatalysators 1 zu überwachen und durchzuführen. Dazu umfasst die Steuerungseinrichtung 10 elektronische Schaltkreise, Datenträger und Ein- und Ausgangsschnittstellen. Die Steuerungseinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, den Verbrennungsmotor 3, die Abgasrückführeinrichtung 8, das Übersetzungsgetriebe 4 und Lenkung und Bremse des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 anzusteuern. Die Steuerungseinrichtung 10 kann auch mit anderen Steuerungseinrichtungen des autonom fahrenden Fahrzeugs 2 kommunizieren, in diese integriert sein oder diese umfassen.
Die Steuerungseinrichtung 10 kann auch dazu ausgebildet sein, einen elektronischen Informationsaustausch vorzunehmen, beispielsweise über Mobilfunknetzwerke, mit anderen Fahrzeugen oder Lichtzeichenanlagen.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 2 umfasst eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 10 einen Verbrennungsmotor 3, eine Abgasrückführeinrichtung 8 und ein Übersetzungsgetriebe 4.
Durch den erfindungsgemäßen Prozess kann die Diagnose während der Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 1 durch Nutzung einer Abgasrückführeinrichtung 8 und der Freiheitsgrade eines autonom fahrenden Fahrzeugs 2 vorteilhaft zuverlässig und effektiv erfolgen, da sie immer unter vorteilhaften und reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt wird, welche bis zum Erreichen einer vollständigen Regeneration ununterbrochen vorliegen. Somit können der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß eines erfingsungemäßen autonom fahrenden Fahrzeugs 2 gegenüber einem Fahrzeug mit einem gewöhnlichen Diagnoseprozess für einen NOx-Speicherkatalysator 1 reduziert werden sowie Fehldiagnosen bezüglich des Zustands des NOx-Speicherkatalysators 1 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: NOx-Speicher-Katalysator
2: Autonom fahrendes Fahrzeug
3: Verbrennungsmotor
4: Übersetzungsgetriebe
5: Abgas
6: Energie
7: Turbine
8: Abgasrückführeinrichtung
9: Verdichter
10: Steuerungseinrichtung
11: Frischluft
12: Ladung
λ: Luft-Kraftstoff-Verhältnis
AGR%: Abgasrückführrate
MD: Last des Verbrennungsmotors
n: Drehzahl
T: Temperatur des NOx-Speicher-Katalysators
V̇A: Abgasvolumenstrom
TA: Abgastemperatur
A, A', A'', B, C, D, E, F, F', F'': Schritte des Verfahrens

Claims

Verfahren zur Überwachung eines NOx-Speicher-Katalysators (1) eines autonom fahrenden Fahrzeuges (2), mit einem Verbrennungsmotor (3) und einer Abgasrückführeinrichtung (8), aufweisend folgende Schritte: - A: Ermitteln zumindest eines Beladungsindikators, der die Beladung des NOx-Speicherkatalysators (1) mit NOx repräsentiert; - A': Prüfen eines Diagnosebedarfs des NOx-Speicher-Katalysators (1), - A'': Prüfen eines Überschreitens eines Schwellwerts des in A ermittelten zumindest einen Beladungsindikators, - B: Festlegen eines SOLL-Wertfensters für zumindest einen Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1), - C: Ermitteln eines Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8), in dem der IST-Wert des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators (1) das SOLL-Wertfenster des zumindest einen Betriebsparameters des NOx-Speicher-Katalysators (1) durchläuft; - D: Ermitteln eines Fahrprofils des autonom fahrenden Fahrzeugs (2), in welchem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) innerhalb des in (C) ermittelten Betriebsprofils betrieben werden; - E: Durchfahren des in (D) ermittelten Fahrprofils und Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs eines zumindest einen Regenerationsindikators des NOx-Speicher-Katalysators (1); entweder - F: Bewerten des Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators (1) basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Regenerationsindikators während der Durchführung von (E) und basierend auf dem in (A) ermittelten Beladungsindikator; oder - F': Ermitteln des Verlaufs mindestens eines Effektivitätsindikators des NOx-Speicher-Katalysators (1) während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs (2); und - F'': Bewerten des Schädigungszustands des NOx-Speicher-Katalysators (1) basierend auf dem Verlauf des mindestens einen Effektivitätsindikators während des weiteren Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeugs (2); und wobei das in (D) ermittelte Fahrprofil die Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) und die aktivierte Gangstufe eines Übersetzungsgetriebes (4) umfasst, das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) ein n-dimensionaler Parameterraum ist, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) sich ohne Unterbrechung bis zum Erreichen einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators (1) in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt, der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem als Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeuges (2) ein Fahrprofil eingestellt wird, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (2) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen, der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem das autonom fahrende Fahrzeug (2) einen Abstand zu einem im Straßenverkehr voraus fahrenden Fahrzeug als variablen Parameter verwendet, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (2) temporär dichter auf ein vorausfahrendes Fahrzeug auffahren kann, um durch die kurzzeitig erhöhte Geschwindigkeit mehr kinetische Energie für eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (1) zur Verfügung zu haben, und sich während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (1) zurückfallen lassen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zumindest eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) zumindest einen Parameter von Luft-Kraftstoff-Verhältnis A des Abgases stromaufwärts des NOx-Speicher-Katalysators (1), Temperatur (T) des NOx-Speicher-Katalysators (1), Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysator (1) und Temperatur T_A des Abgases (5), welches durch den NOx-Speicher-Katalysator (1) strömt, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Parameter des Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) eine momentane Last (M_D), ein momentanes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ), eine momentane Drehzahl (n) und eine Abgasrückführrate (AGR%) umfassen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) ein Betriebsprofil ist, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ<1) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) ein Betriebsprofil ist, in welchem dem Verbrennungsmotor (3) zurückgeführtes Abgas zugeführt wird (AGR%>0).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der zumindest eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) zumindest den Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysators (1) umfasst und das in Verfahrensschritt (C) festgelegte Sollwertfenster ein Sollwertfenster ist, das von einem oberen Schwellwert für den Abgasvolumenstrom (V̇_A) durch den NOx-Speicher-Katalysators (1) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Betriebsprofil des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) ein n-dimensionaler Parameterraum ist, welcher ausschließlich Parametersätze enthält, deren Anwendung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) beschreiben, in dem sich der mindestens eine Betriebsparameter des NOx-Speicher-Katalysators (1) in dem für diesen Betriebsparameter gewählten SOLL-Wertfenster bewegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem elektronisch bereitgestellte Information berücksichtigt werden, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem elektronisch bereitgestellte Information über die Verkehrslage auf möglichen Fahrstrecken verwendet werden, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem mit anderen autonom fahrenden Fahrzeugen ausgetauschte Information verwendet werden, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (3) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor (3) und die Abgasrückführeinrichtung (8) in dem für sie in Verfahrensschritt (C) gewählten Betriebsprofil betrieben werden, indem das autonom fahrende Fahrzeug elektronisch mit Lichtzeichenanlagen Informationen austauscht, um ein Fahrprofil einzustellen, in welchem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) und der Gradient der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2) nur Werte annehmen, deren resultierende Lasten M_D und Drehzahlen des Verbrennungsmotors (2) innerhalb eines aus Kombinationen einer aktivierten Gangstufe des Übersetzungsgetriebes (4) und dem n-dimensionalen Parameterraum des gewählten Betriebsprofils des Verbrennungsmotors (3) und der Abgasrückführeinrichtung (8) gelegenen Parameterraums liegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem nach Verfahrensschritt A' zu Verfahrensschritt A zurückleitet wird, wenn kein Diagnosebedarf festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem nach Verfahrensschritt A'' zu Verfahrensschritt A zurückgeleitet wird, wenn der zumindest eine Beladungsindikators des NOx-Speicher-Katalysators (1) den Schwellwert nicht überschritten hat.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der in Verfahrensschritt (E) und (F) verwendete Regenerationsindikator einen Sauerstoff-gehalt stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators (1) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der in Verfahrensschritt (E) und (F) verwendete Regenerationsindikator einen Ammoniak (NH₃)- Gehalt stromabwärts des NOx-Speicher-Katalysators (1) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches im nichtautonomen Betrieb des Fahrzeugs (2) durch herkömmliche Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (1) mittels fettem Betrieb des Verbrennungsmotors (3) ergänzt wird.
Steuerungseinrichtung (10) für den Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs (2) einschließlich der Ansteuerung eines Verbrennungsmotors (3), der Ansteuerung eines Übersetzungsgetriebes (4), der Ansteuerung der Abgasrückführeinrichtung (8) und der Regeneration eines NOx-Speicher-Katalysators (1) während des Betriebs des autonom fahrenden Fahrzeuges (2), dadurchgekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-16 ausgeprägt ist.
Autonom fahrendes Fahrzeug (2), umfassend einen Verbrennungsmotor (3), einen NOx-Speicher-Katalysator (1), ein Übersetzungsgetriebe (4) und eine Abgasrückführeinrichtung (8) dadurchgekennzeichnet, dass es mit einer Steuerungseinrichtung (10) nach Anspruch 17 ausgeprägt ist.