-
Technischer Hintergrund
-
Neben dem herkömmlichen Betrieb eines Kraftfahrzeugs müssen zeitweilig diverse Sonderfunktionen ausgeführt werden. Die Sonderfunktionen berücksichtigen die Diagnose von Sensoren, Aktoren und Teilsystemen des Motorsystems und sollen eine kontinuierliche Funktionsfähigkeit von Bauteilen gewährleisten. Diese Sonderfunktionen umfassen beispielsweise eine Katalysator-Regenerationsfunktion, eine Partikelfilter-Reinigungsfunktion oder eine Funktion zur Diagnose und/oder Adaption eines Drosselklappenstellers und dergleichen. Gemäß Vorgabe sollen die Sonderfunktionen innerhalb vorgegebener Zeiträume, regelmäßig, periodisch oder zu vorbestimmten Zeitpunkten ausgeführt werden.
-
Da die Sonderfunktionen häufig konkurrierend sind, d.h. nicht gleichzeitig ausgeführt werden können, wird für diese eine Prioritätsfolge vorgegeben, so dass bei gleichzeitiger Anforderung nach Ausführung einer Sonderfunktion die gemäß der Prioritätsreihenfolge höher priorisierte Sonderfunktion zur Ausführung ausgewählt. Da verschiedene Sonderfunktionen besondere Betriebsbedingungen benötigen, können diese nur bei bestimmten Fahrzuständen oder gesondert eingenommenen Betriebspunkten des Motorsystems ausgeführt werden.
-
Da gesondert eingenommene Betriebspunkte jedoch häufig die Effizienz des Betriebs des Motorsystems beeinträchtigen, ist es wünschenswert während des laufenden Betriebs des Motorsystems auf einen Zeitpunkt zu warten, zu dem ein für die anstehende Sonderfunktion günstiger Betriebspunkt des Motorsystems vorliegt. Jedoch ist damit nicht gewährleistet, ob der für diese Ausführung der Sonderfunktion benötigte Betriebszustand ausreichend lange vorliegt, um eine begonnene Ausführung der Sonderfunktion erfolgreich zu beenden.
-
Da Sonderfunktionen die Effizienz des Motorsystems, insbesondere bezüglich Energieverbrauch, Schadstoffausstoß und dergleichen, verringern können, beeinträchtigen häufige Abbrüche bei der Ausführung der Sonderfunktionen die Leistungsfähigkeit des Motorsystems erheblich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems vorgesehen, wobei das Motorsystem eine Anzahl von Komponenten aufweist, die mithilfe von mehreren Sonderfunktionen überwacht und/oder adaptiert und oder regeneriert werden, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen von Kostenfunktionen, die einen Verlauf eines Kostenwerts basierend auf einem Betriebsparameter des Motorsystems angeben, für die mehreren Sonderfunktionen;
- - Bereitstellen eines prädizierten zeitlichen Verlaufs des Betriebsparameters über eine am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke;
- - Kombinieren der Kostenfunktion mit dem prädizierten zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters, um einen zeitlichen Kostenverlauf für jede der mehreren Sonderfunktionen zu erhalten;
- - Erstellen einer Ablaufplanung basierend auf den zeitlichen Kostenverläufen für jede der Sonderfunktionen;
- - Ausführen der Sonderfunktionen gemäß der erstellten Ablaufplanung.
-
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, für jede der Sonderfunktionen eine generische Kostenfunktion anstelle einer Ausführungspriorität bereitzustellen. Die generische Kostenfunktion kann dabei vorgegeben oder die Summe von einzelnen Teilkostenfunktionen sein. Die generische Kostenfunktion definiert einen Verlauf eines Kostenwerts über einer Auswahl von für die Sonderfunktion als charakterisierend identifizierten Betriebsparametern, wie z.B. einer Motorlast, oder einem Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Sonden) und ist so gewählt, dass die Kostenwerte für alle berücksichtigten Sonderfunktionen vergleichbar sind.
-
Desweiteren wird durch Analyse einer wahrscheinlich zu befahrenden Fahrstrecke und dem sich daraus ergebenden Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsverlauf in Verbindung mit einem für die Systemfunktion implementiertem Zustandsmodell der zeitliche Verlauf des als Evaluierungsvariable definierten Betriebsparameters z.B. des Lastverlaufs oder des Speicherfüllstands eines Katalysators des Kraftfahrzeugs, prädiziert. Weitere Evaluierungsvariablen können für das Abgassystem die Rußmasse im Partikelfilter, der berechnete NOx-Umsatz die Regeneration (HC Beladung), der Ladezustand (SOC) der Batterie, die Temperatur eines Elektroantriebs und dergleichen sein.
-
Anschließend kann ein zeitlicher Kostenverlauf des Kostenwerts durch Kombination der genererischen Kostenfunktion mit dem zeitlichen Verlauf des Betriebsparameters bestimmt werden. Der zeitliche Kostenverlauf gibt über einen vorgegebenen zeitlichen Horizont den Verlauf von Kosten für die Ausführung der betreffenden Sonderfunktion an.
-
Weiterhin können Gelegenheitsperioden in Form eines weiteren zeitlichen Kostenverlaufs angegeben werden, in denen die Ausführung der Sonderfunktion bevorzugt durchgeführt werden soll. Diese Gelegenheitsperioden weisen dann Zeitabschnitte negativer Kostenanteile auf. Dadurch werden innerhalb der Gelegenheitsperioden die Kostenwerte innerhalb des zeitlichen Kostenverlaufs reduziert.
-
Anhand des zeitlichen Kostenverlaufs können dann für jede Sonderfunktion mögliche Startzeitpunkte bestimmt werden. Anhand der Startzeitpunkte für die einzelnen Sonderfunktionen und den jeweils zugeordneten Kostenwerten wird entsprechend eines Zeitplanschema eine zeitlicher Ablaufplan für die Sonderfunktionen erstellt.
-
Das obige Verfahren ermöglicht anhand der zeitlichen Kostenverläufe der Sonderfunktionen deren effiziente Ausführung und die Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Abbrüchen bei der Ausführung der Sonderfunktionen.
-
Weiterhin kann der Betriebsparameter eine Motorlast oder eine Motordrehzahl umfassen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Ablaufplanung umfasst, dass aus jedem der Kostenverläufe der mehreren Sonderfunktionen ein oder mehrere mögliche Startzeitpunkte mit einem entsprechend zugeordneten Kostenwert ermittelt werden und die Ablaufplanung abhängig von dem einen oder den mehreren möglichen Startzeitpunkten mit entsprechend zugeordneten Kostenwerten durchgeführt wird.
-
Weiterhin können lokale Minima der Kostenverläufe als mögliche Startzeitpunkte ausgewählt werden, wobei insbesondere ein Startzeitpunkt des zeitlichen Kostenverlaufs als möglicher Startzeitpunkt für jede der Sonderfunktionen ausgewählt wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform können zeitliche Kostenverläufe von Gelegenheitsperioden für eine oder mehrere der Sonderfunktionen vorgegeben werden, wobei die zeitlichen Kostenverläufe der Gelegenheitsperioden negative Kostenwerte während mindestens einer Gelegenheitsperiode vorgeben, wobei die zeitliche Kostenfunktion für die betreffenden Sonderfunktionen mit den jeweiligen zeitlichen Kostenverläufen der Gelegenheitsperioden beaufschlagt werden bzw. die Kostenfunktionen addiert werden.
-
Insbesondere können als mögliche Startzeitpunkte für die jeweilige Sonderfunktion der Beginn der mindestens einen Gelegenheitsperiode berücksichtigt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass gemäß der Ablaufplanung für jede der Sonderfunktionen ein Startzeitpunkt aus den betreffenden möglichen Startzeitpunkten ausgewählt wird, dem der niedrigste Kostenwert aus den den möglichen Startzeitpunkten zugeordneten Kostenwerten der betreffenden Sonderfunktion zugeordnet ist.
-
Weiterhin kann jeder der Sonderfunktionen eine Ausführungsdauer zugeordnet werden, wobei bei einer zeitlichen Überlappung der Sonderfunktionen einer der sich überlappenden Sonderfunktionen ausgewählt wird, um deren Startzeitpunkt zu verschieben, bis keine Überlappung mehr vorliegt.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit diversen Komponenten,
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Durchführung einer Bestimmung einer Reihenfolge für die Ausführung von Sonderfunktionen;
- 3 ein Diagramm einer beispielhaften lastabhängigen Kostenfunktion für eine Partikelregenerierung eines Dieselmotors;
- 4 ein Diagramm für einen prädizierten zeitlichen Verlauf einer Motorlast;
- 5 ein Diagramm für einen zeitlichen Kostenverlauf;
- 6 ein Diagramm für den Kostenverlauf während Gelegenheitsperioden;
- 7 ein resultierender Kostenverlauf als Grundlage zur Bestimmung von möglichen Startzeitpunkten zur Ausführung der betreffenden Sonderfunktion; und
- 8 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Ablaufplanung.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
In 1 ist ein beispielhaftes Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 als Antriebsmotor gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor 2 in Form eines Dieselmotors ausgebildet, dieser kann jedoch auch als Ottomotor oder Elektromotor ausgebildet sein.
-
Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 3 zugeführt. Verbrennungsabgase werden aus Zylindern des Verbrennungsmotors 2 über ein Abgasabführungssystem 4 abgeführt.
-
Es kann eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung 5 vorgesehen sein, die eine Turbine 51 und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter 52 aufweist. Die Turbine 51 ist im Abgasabführungssystem 4 angeordnet, um vorhandene Abgasenthalpie in mechanische Energie umzuwandeln und zum Antreiben des Kompressors 52 zu verwenden. Der Kompressor 52 ist zum Ansaugen von Frischluft für das Luftzuführungssystem 3 vorgesehen.
-
Weiterhin ist im Abgasabführungssystem 4 ein Partikelfilter 6 vorgesehen, um Verbrennungsabgaspartikel aus dem Verbrennungsabgas herauszufiltern.
-
Das Motorsystem 1 kann neben den erwähnten weitere Komponenten enthalten, die zum Betrieb des Verbrennungsmotors 2 benötigt werden.
-
Das Motorsystem 1 wird mithilfe einer Steuereinheit 10 betrieben. Die Steuereinheit 10 gibt basierend auf Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors 2, wie beispielsweise Drehzahl, Luftfüllung in den Zylindern, Temperatur der zugeführten Frischluft, Motortemperatur, Last und basierend auf einer Solllastvorgabe V, die beispielsweise ein Solldrehmoment des Verbrennungsmotors angeben kann, Stellgrößen für Stellgeber für den Betrieb des Verbrennungsmotors 2 vor. Mithilfe der Stellgeber können die Luftzufuhr, die Kraftstoffmenge, der Ladedruck und andere für den Betrieb eines Verbrennungsmotors 2 benötigte Parameter gesteuert bzw. geregelt werden.
-
Gemäß gesetzlicher Vorgaben müssen Komponenten des Motorsystems 1 in regelmäßigen Abständen regeneriert und/oder adaptiert und/oder überwacht werden, wofür in regelmäßigen Abständen Sonderfunktionen während des Betriebs des Motorsystems 1 ausgeführt werden müssen. Beispielsweise ist es notwendig, den Partikelfilter 6 in regelmäßigen Zeitabständen zu regenerieren, um abgelagerte Partikel abzubrennen. Dafür ist eine Motorbetriebsart notwendig, bei der die Temperatur des Verbrennungsabgases erhöht wird, um die Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Für die Diagnose und Adaption von Bauteilen und Steuerungsfunktionen sind bestimmte Motorbetriebsarten erforderlich. Beispielsweise ist für die Diagnose und Adaption eines Drosselklappenstellers eine Betriebsart bei niedriger Last notwendig. Weitere Sonderfunktionen können beispielsweise umfassen:
- - OxiCat Entschwefelung zur Beseitigung von Schwefelvergiftungen des Katalysators;
- - NSC Regeneration zur Wiederherstellung der NOx Speicherfähigkeit
- - NSC Regeneration zur Wiederherstellung der NOx Speicherfähigkeit mit angepassten Bedingungen für OnBoardDiagnose
- - NSC Entschwefelung zur Beseitigung von Schwefelvergiftungen des Katalysators
- - Diesel-Partikelfilter Regeneration
- - SCR Beseitigung von Vergiftungen des Katalysators durch Kohlenwasserstoffe
- - SCR Entschwefelung zur Beseitigung von Schwefelvergiftungen des Katalysators
-
Die folgenden Sonderfunktionen erfordern nicht unbedingt eine besondere Motorbetriebsart aber ggf. Anpassungen der Betriebsart der vorgelagerten Komponenten (z.B. AGR Rate).
- - SCR Adaptation von Systemabweichungen
- - SCR aktive OnBoardDiagnose
- - SCR passive OnBoardDiagnose mit angepassten Bedingungen zur erfolgreichen Durchführung
- - SCR Füllstandsabbau in Vorbereitung auf einen Temperaturanstieg
- - NOx Sensor OnBoardDiagnose
-
Es ist wünschenswert, dass zur Ausführung einer Sonderfunktion Zeiträume während des Motorbetriebs verwendet werden, in denen das Motorsystem 1 ohnehin in einer Betriebsart betrieben wird, die für das Durchführen der Sonderfunktionen geeignet ist.
-
Die Steuereinheit 10 weist eine Prognoseeinheit 11 auf oder ist mit einer solchen verbunden. Die Prognoseeinheit 11 ermittelt eine am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke (MPP:_most probable path) oder gibt diese vor. Dies kann basierend auf bereitgestellten Kartendaten, die den Verlauf der Fahrstrecke einschließlich der vorherrschenden Topologie beschreiben.
-
Aus der am wahrscheinlichsten zu befahrenen Fahrstrecke wird unter Berücksichtigung einer Durchschnittsgeschwindigkeit von einzelnen Streckenabschnitten der Fahrstrecke, der Streckentopologie, des Verkehrsaufkommens, der Wetterbedingungen und dergleichen ein zeitlicher Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf über einen zeitlichen Horizont bestimmt, aus dem sich ein zeitlicher Verlauf eines Betriebsparameters bestimmen lässt. Als Betriebsparameter wird vorteilhaft die Motorlast gewählt, so dass ein prädizierter Lastverlauf vorgegeben wird. Jedoch können auch andere Betriebsparameter wie Motordrehzahl sowie in Teilsystemen daraus abgeleitete Statusparameter wie z.B. ein Speicherfüllstand eines Katalysators oder dergleichen vorgegeben werden.
-
Es ist nun vorgesehen, in der Steuereinheit 10 ein Verfahren auszuführen, wie es anhand des Flussdiagramms der 2 näher erläutert wird.
-
In Schritt S1 werden die verschiedenen Sonderfunktionen des Motorsystems 1 definiert und bereitgestellt.
-
In Schritt S2 werden für jede der Sonderfunktionen eine Kostenfunktion bereitgestellt, die technischen Aspekte berücksichtigt, wie beispielsweise Kraftstoffverbrauch, Effizienz, Schadstoffausstoß und dergleichen. Die Kostenfunktion wird in der Regel manuell vorgegeben oder ergibt sich aus einer Gewichtung der verschiedenen obigen technischen Aspekte abhängig von der Motorlast L. In der Regel können die für die Ausführung der Sonderfunktion benötigten Betriebsbereiche durch die Motorlast definiert werden. Jedoch kann die Kostenfunktion auch basierend auf einem anderen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 2, wie z.B. einer Drehzahl oder dergleichen, angegeben werden. Beispielsweise ist eine Kostenfunktion qualitativ in der 3 lastabhängig dargestellt. Man erkennt, dass die Durchführung der betreffenden Sonderfunktion für einen mittleren Lastbereich bevorzugt ist, da dort niedrige Kosten K vorliegen, während die Kosten K in Richtung niedriger und hoher Lastbereiche ansteigen bzw. höher sind.
-
In Schritt S3 wird nun ein zeitlicher Verlauf des Betriebsparameters, z.B. der Motorlast L, für das Befahren einer am wahrscheinlichsten zu befahrenen Fahrstrecke innerhalb eines vordefinierten zeitlichen Horizonts, wie beispielsweise zwischen 15 und 45 min, zwischen 30 und 60 min oder dergleichen prädiziert. Die Prädiktion erfolgt mit Hilfe einer vorgegebenen am wahrscheinlichsten zu befahrenden Fahrstrecke und basierend auf Kartendaten, die streckenabschnittsabhängig Durchschnittsgeschwindigkeiten, Höchstgeschwindigkeiten, Kurvigkeit sowie Steigungen und Gefälle der am wahrscheinlichsten zu befahrenden Fahrstrecke definieren.
-
Es ergibt sich daraus ein prädizierter zeitlicher Verlauf der Motorlast (oder eines sonstigen Betriebsparameters). Als Beispiel ist ein solcher prädizierter zeitlicher Verlauf der Motorlast in 4 dargestellt.
-
Aus der Kombination der lastabhängigen Kostenfunktion und des zeitlichen Verlaufs der prädizierten Motorlast L kann in Schritt S4 ein zeitlicher Kostenverlauf, wie in 5 dargestellt ist, bestimmt werden. Somit erhält man für jede der Sonderfunktionen einen zeitlichen Kostenverlauf über den zeitlichen Horizont, der entsprechend den prädizierten zeitlichen Verlauf eines Kostenwerts für die betreffende Sonderfunktion angibt.
-
In Schritt S5 können nun für eine oder mehrere der Sonderfunktionen Gelegenheitsperioden definiert sein, die mögliche bevorzugte Zeiträume für das Ausführen der Sonderfunktion darstellen. Die Gelegenheitsperioden werden vorgegeben, indem ein entsprechender zeitlicher Kostenverlauf für die Gelegenheitsperioden vorgegeben werden, wobei den Gelegenheitsperioden negative Kostenwerte zugeordnet sind. Beispielsweise zeigt 6 eine solchen Verlauf der Teilkostenfunktion für die Gelegenheitsperioden und deren Beaufschlagung zur zeitlichen Gesamtkostenfunktion.
-
In Schritt S6 wird für jede der Sonderfunktionen der zeitliche Kostenverlauf mit dem entsprechenden zeitlichen Kostenverlauf für die Gelegenheitsperioden beaufschlagt, insbesondere addiert. In 7 sind entsprechend die zeitlichen Kostenverläufe für zwei Sonderfunktionen S1, S2 dargestellt, wobei beide zeitlichen Kostenverläufe Gelegenheitsperioden berücksichtigen.
-
In Schritt S7 werden für jede der Sonderfunktionen S1, S2 lokale Minima der zeitlichen Kostenverläufe außerhalb der Gelegenheitsperioden und die Startzeitpunkte der Gelegenheitsperioden ermittelt, wie es beispielsweise für die zwei beispielhaften Kostenverläufe der 7 dargestellt ist. Somit ergibt sich für jede Sonderfunktion S1, S2 eine Reihe von möglichen Startzeitpunkten der entsprechenden Sonderfunktion und entsprechenden Kostenwerten.
-
Es gilt für:
- Sonderfunktion S1: die möglichen Startzeitpunkte T11, T12, T13 mit S1(T11), S1(T12), S1(T13) als entsprechende Kostenwerte.
- Sonderfunktion S2: die möglichen Startzeitpunkte T21, T22, T23 mit S2(T21), S2(T22), S2(T23) als entsprechende Kostenwerte.
-
In Schritt S8 wird nun jeder der Sonderfunktionen einer der Startzeitpunkte zugeordnet und entsprechend der Ablaufplanung während des Abfahrens der Fahrstrecke aktiviert.
-
In 8 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Ablaufplanung dargestellt.
-
Dazu wird in Schritt S81 zunächst jeder Sonderfunktion derjenige der zuvor bestimmten Startzeitpunkte zugeordnet, der die geringsten zugeordneten Kosten aufweist. Den Sonderfunktionen ist weiterhin eine jeweilige Ausführungsdauer zugeordnet.
-
In Schritt S82 wird überprüft, ob sich zwei der Sonderfunktionen zeitlich überlappen. Wenn eine zeitliche Überlappung von Sonderfunktionen festgestellt (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S83 fortgesetzt, andernfalls ist die Ablaufplanung beendet.
-
In Schritt S83 wird beiden sich überlappenden Sonderfunktionen jeweils zunächst ein neuer möglicher Startzeitpunkt hinzugefügt, der dem Endzeitpunkt der jeweils anderen Sonderfunktion entspricht.
-
In Schritt S84 wird für jede der sich überlappenden Sonderfunktionen die Kostendifferenz des aktuell ermittelten Startzeitpunktes zum nächsten der, den Kosten nach in aufsteigender Reihenfolge sortierten Startzeitpunkte, nicht zu einer neuerlichen Überlappung führenden Startzeitpunkt errechnet.
-
Derjenigen Sonderfunktion mit dem geringsten absoluten Kostenanstieg (unabhängig vom Gesamtkostenniveau), welche als Folge einer Verschiebung die geringsten Mehrkosten verursacht, wird in S85 der neue, freie Startzeitpunkt zugeordnet und der aktuelle entfernt, wodurch keine Überlappung mehr besteht.
-
Wenn eine der sich überlappenden Sonderfunktionen keinen weiteren Startpunkt besitz, wird die Funktion mit alternativ nutzbaren Startpunkten verschoben.
-
Wenn beide Sonderfunktionen über keinen weiteren möglichen Starzeitpunkt verfügen wird die Funktion mit den höheren Kosten bei fallendem Kostengradienten in den darauffolgenden Betrachtungshorizont zur anschließenden Einplanung übernommen.
-
Anschließend wird zu Schritt S82 zurückgesprungen.
-
Die Ablaufplanung wird so lange durchgeführt, bis keine der Sonderfunktionen einander überlappen.
-
Sonderfunktionen, für die innerhalb eines zeitlichen Horizonts kein Startzeitpunkt gefunden werden konnte, können automatisch in einem nächsten zeitlichen Horizont, der auf den vorgegebenen zeitlichen Horizont folgt, terminiert werden, da der Start des entsprechenden zeitlichen Horizonts ein möglicher Startzeitpunkt darstellt.