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DE10333210A1 - Hybridfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

Hybridfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs Download PDF

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DE10333210A1
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torque
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Ekkehard Dr. Pott
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (20) und einem Elektromotor (10), die jeweils ein Drehmoment abgeben können, insbesondere, um zumindest ein Fahrzeugrad anzutreiben. DOLLAR A Dem Verbrennungsmotor (20) ist eine Abgasanlage (50) mit einem Katalysatorsystem (60, 70) zugeordnet, dessen Konversionsaktivität von vorgegebenen Aktivitätsparametern abhängig ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in einem vorgegebenen Zeitintervall T_Kat der Wert der Konversionsaktivität ermittelt. Zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes der Konversionsaktivität des Katalysatorsystems (60, 70) wird, falls der Wert der Konversionsaktivität unter dem besagten Schwellwert liegt, die Drehmomentabgabe des Elektromotors (10) vorzugsweise bedarfsabhängig erhöht und die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors (20) vermindert. Hierzu ist eine Einrichtung (90a) zur Steuerung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors (20) und des Elektromotors (10) vorgesehen. DOLLAR A Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Fahrzeuge mit Parallelhybridantrieben verfügen über einen Verbrennungsmotor sowie zumindest einen Elektromotor, der über denselben oder einen anderen Antriebsstrang des Verbrennungsmotors zumindest ein Fahrzeugrad antreibt. Soweit der Elektromotor auch als Generator betrieben werden kann, ist in nahezu jedem Punkt des Fahrzeugbetriebskennfeldes dadurch eine motorische Unterstützung oder generatorische Zusatzbelastung durch den Elektromotor und eine gewisse Entkoppelung vom Verbrennungsmotorbetrieb möglich.
  • Damit geht eine Änderung der Abgasqualität einher, insbesondere hinsichtlich des Abgasmassenstroms, der Abgastemperatur sowie der Schadstoffzusammensetzung. Eine derartige Änderung der Abgasqualität hat Auswirkungen auf die Funktion und Effizienz eines dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Katalysatorsystems. Aus der EP 1 182 074 A2 ist bekannt, bei einer Katalysatortemperatur unterhalb einer charakteristischen Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur) durch generatorischen Betrieb des Elektromotors die Last des Verbrennungsmotors zu erhöhen und damit eine erhöhte Abgastemperatur und ein schnelleres Anspringen des Katalysatorsystems nach einem Kaltstart zu erreichen. Ferner wird vorgeschlagen, bei betriebswarmem Motor bzw. betriebswarmen Katalysatorsystem durch motorischen Betrieb des Elektromotors eine Entlastung des Verbrennungsmotors herbeizuführen.
  • Diese Betriebsweise ist sehr einseitig auf eine Verkürzung der Light-Off-Phase ausgelegt, da nicht berücksichtigt wird, dass mit der Last des Verbrennungsmotors auch die Rohemissionen, insbesondere die Rohemissionen an Kohlenwasserstoffen, deutlich ansteigen. Die Verminderung von Schadstoffemissionen, insbesondere an Kohlenwasserstoffen, durch eine Verkürzung der Light-Oft-Phase des Katalysatorsystems kann daher durch einen Anstieg der Rohemissionen überkompensiert werden und unter Umständen insgesamt zu erhöhten Gesamtemissionen stromab des Katalysatorsystems (Tail-Pipe-Emissionen) führen.
  • Aus der DE 100 41 535 A1 ist ferner ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem bei nicht aktiviertem Katalysator ein Generator elektrische Energie erzeugt und damit die Last der Verbrennungsmaschine erhöht. Damit wird die Temperatur der Maschine, die Temperatur des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases oder die Temperatur des Kühlwassers der Verbrennungskraftmaschine für eine beschleunigte Aktivierung des Katalysators erhöht.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Hybridfahrzeuges sowie eines Verfahrens zum Betrieb eines Hybridfahrzeuges, bei dem durch eine optimierte Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und des Elektromotors eine Konversionsaktivität eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Katalysatorsystems zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes beeinflusst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Steuerung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und des Elektromotors vorgesehen, mittels der der Wert der Konversionsaktivität des Katalysatorsystems ermittelt und in Abhängigkeit von diesem Wert für ein vorgegebenes Zeitintervall T_Kat die Drehmomentabgabe des Elektromotors erhöht und die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors gegenüber einem Betrieb des Hybridfahrzeugs ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor vermindert wird. Vorzugsweise erfolgt diese Steuerung bedarfsabhängig in Hinblick auf eine Drehmomentvorgabe.
  • Durch die Verminderung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors kann für das vorgegebene Zeitintervall eine Rohemission, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, vermindert werden, während gleichzeitig die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems günstig zur Erreichung des vorgegebenen Konversionsschwellwertes beeinflusst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen optimierten Einsatz der Drehmomentabgabe von Verbrennungsmotor und Elektromotor in Hinblick auf die Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Ermittlung einer Abgasemission stromab des Katalysatorsystems erfolgt und die Erhöhung bzw. Verminderung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors bzw. des Elektromotors derart erfolgt, dass ein vorgegebener Emissionsgrenzwert stromab des Katalysatorsystems unterschritten wird. Dies zielt auf eine Überwindung der einseitigen Auslegung der Betriebsweise eines Hybridfahrzeugs sowie auf eine Verkürzung einer Light-Off-Phase und berücksichtigt das Wechselverhältnis von Rohemission und Konversionsaktivität bei der Begrenzung der tatsächlich in die Umwelt abgegebenen Abgasemissionen.
  • Besonders zweckmäßig ist eine Erhöhung der Katalysatortemperatur durch eine Verlegung des Zündwinkels nach spät. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Wirkungsgradverschlechterung des Verbrennungsmotors, insbesondere aufgrund einer Verlegung des Zündwinkels nach spät, durch Betrieb mit einer höheren Luftfüllung erfolgen. Hiermit kann der Abgasmassenstrom gleichzeitig mit einer Erhöhung der Katalysatortemperatur vergrößert werden.
  • Um eine merkliche Entlastung eines typischen Verbrennungsmotors zu erreichen, wird es bevorzugt, wenn der Elektromotor eine maximale Leistung von zumindest 2 KW, vorzugsweise 3,5, besonders bevorzugt 5 KW, jeweils pro Tonne Fahrzeugleergewicht bereitstellt, vorzugsweise in einem Drehzahlbereich von 700-1.500, optimal 1.000/min bis 1.500/min.
  • Besonders hohe Abgasreinigungsleistungen lassen sich mit einem Katalysator erreichen, welcher zumindest einen motornahen Vorkatalysator und zumindest einen stromab des Vorkatalysators angeordneten Hauptkatalysator umfasst. Erfindungsgemäß wird insbesondere die Konversionsaktivität des Vorkatalysators schnell und effektiv erhöht.
    •
  • Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Die Zeichnungen zeigen in
  • 1 einen Hybridantrieb mit Steuersystem für ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug
  • 2 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit für einen Kaltstart nach dem Stand der Technik ohne elektrische Unterstützung
  • 3 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit für einen Kaltstart gemäß dem Stand der Technik mit zusätzlicher elektrischer Generatorlast
  • 4 einen zeitlichen Verlauf von Motormomenten und Fahrgeschwindigkeit gemäß der Erfindung
  • 5 einen zeitlichen Verlauf der kumulierten Kohlenwasserstoffemissionen nach einem motornahen Vorkatalysator bei verschiedenen Kaltstartbetriebsweisen.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Hybridantrieb 1 für ein ansonsten nicht dargestelltes Hybridfahrzeug. Ein Elektromotor 10 und ein Verbrennungsmotor 20 sind mit einem Getriebe 30 gekoppelt, das mit zumindest einem – in der 1 nicht dargestellten – Fahrzeugrad gekoppelt ist. Bevorzugt ist eine Anordnung des Elektromotors 10 zwischen einem Kurbelwellenausgang des Verbrennungsmotors 20 und einem Getriebeeingang. Der Elektromotor 10 ist mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer aufladbaren Batterie oder dergleichen, elektrisch gekoppelt. Dem Verbrennungsmotor 20 ist eine Abgasanlage 50 mit einem motornahen Vorkatalysator 60 und einem stromab angeordneten Hauptkatalysator 70 zugeordnet. Ein Motorsteuergerät 90 empfängt von Steuersensoren 80, beispielsweise dem Fahrpedalmodul oder einem Antiblockiersystem, Steuersignale sowie von Sensoren 100 Werte von Betriebsparametern des Hybridfahrzeugs, insbesondere des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20, der Abgasanlage 50 sowie weiterer Fahrzeugkomponenten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbrennungsmotor 20 ein magerlauffähiger direkt einspritzender Otto-Motor. Besonders bevorzugt ist ein schichtladefähiger direkt einspritzender Otto-Motor, da damit in unteren Last-Drehzahlbereichen beträchtliche Einsparungen am Kraftstoffverbrauch gegenüber einem konventionellen Otto-Motor zu erreichen sind. Insbesondere bei diesen Ausbildungsformen der Erfindung ist es zweckmäßig, das Katalysatorsystem derart auszubilden, dass der Vorkatalysator 60 ein 3-Wegekatalysator und der Hauptkatalysator 70 ein NOx-Speicherkatalysator ist. Der Vorkatalysator 60 dient vorzugsweise zur Reinigung eines stöchiometrischen Abgases, zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) bei magerem Abgas und zur Verbesserung der Abgasreinigung bei einem Kaltstart. Insbesondere um eine schnelle Aufheizung des Vorkatalysators zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Vorkatalysator 60 in einem Abstand von weniger als 500 mm, optional weniger als 400 mm, besonders bevorzugt weniger als 300 mm mittlerer Abgaslauflänge der Zylinderkopfflansch in der Abgasanlage 50 angeordnet ist. Der NOx-Speicherkatalysator 70 ist vorzugsweise zur Speicherung von Stickoxiden (NOx) bei magerem Abgas ausgelegt. In Abhängigkeit von der Beladung mit NOx und unter Umständen noch weiteren Randbedingungen ist eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen bis fetten Abgas erforderlich.
  • Die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems bzw. seiner Komponenten Vorkatalysator 60 und NOx-Speicherkatalysator 70 ist von Aktivitätsparametern, insbesondere der Katalysatortemperatur, abhängig. Die Konvertierungsrate überschreitet erst ab einer minimalen Temperatur, der sogenannten Light-Off-Temperatur, eine Grenze von 50 %. Im allgemeinen ist die Light-Off-Temperatur eines Katalysators für verschiedene Schadstoffkomponenten wie HC oder NOx unterschiedlich.
  • Weitere Aktivitätsparameter des Katalysatorsystems sind Werte eines Abgasmassenstroms, die Rohemission von Abgaskomponenten sowie die Beladung mit NOx und/oder Schwefeloxiden (SOx). Die Werte dieser Aktivitätsparameter werden in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, ggf. unter Verwendung eines Modells des Katalysatorsystems unter Zuhilfenahme von Signalen der Sensoren 100, ermittelt und in dem Steuergeräte 90 ausgewertet.
  • Das Steuergerät 90 beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform einen oder mehrere Mikroprozessoren, Datenspeicher und Schnittstellen sowie eine Einrichtung 90a mittels der in Abhängigkeit von den Steuersignalen der Sensoren 80 das Gesamtdrehmoment bestimmt wird, welches vom Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 geliefert und zumindest teilweise dem Getriebe 30 zur Verfügung gestellt wird. Die Kopplung zwischen dem Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 ermöglicht sowohl eine negative als auch eine positive Drehmomentübertragung zwischen diesen beiden Komponenten.
  • Die im Einzelnen in 1 nicht genauer dargestellten Sensoren 100 umfassen Sensoren zur Messung oder Ermittlung von Betriebsparametern, vorzugsweise der Speichereinrichtung 40, des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20 und der Abgasanlage 50. Insbesondere können Lambda-Sonden in der Abgasanlage 50 stromaufwärts des Vorkatalysators 60, stromabwärts des Vorkatalysators 60, stromaufwärts des Hauptkatalysators 70 oder stromabwärts des Hauptkatalysators 70 angeordnet sein. Ferner können an verschiedenen Stellen der Abgasanlagen NOx-, SOx- oder Kohlenwasserstoffsensoren angeordnet sein. Zur Messung der Temperatur des Abgases oder des Katalysatorsystems können an verschiedenen Einbauorten Temperatursensoren vorgesehen sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ab, die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und des Elektromotors zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwertes und die Konversionsaktivität des Katalysatorsystems 60, 70 zu optimieren. Eine derartige Optimierung ist bevorzugt in einem Zeitintervall Temp_K nach einem Kaltstart des Fahrzeugs vorgesehen, kann jedoch, falls erforderlich, auch in anderen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 20 erfolgen. Nach einem Kaltstart liegt die Temperatur des Katalysatorsystems zunächst unterhalb der Light-Off-Temperatur. Die Konversionsaktivität liegt in diesem Fall unterhalb eines Light-Off-Wertes von 50 % oder 80 % und muss daher für einen umweltgerechten Betrieb des Verbrennungsmotors 20 erhöht werden.
  • Im Folgenden werden zunächst anhand der 2 und 3 bereits aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensweisen bei einem Kaltstart beschrieben.
  • In 2 ist der zeitliche Verlauf eines Motormoments M eines konventionellen Verbrennungsmotors bei einem Kaltstartvorgang dargestellt. Das Moment M umfasst insbesondere die für Motorstart, Reibung, Betrieb von Nebenaggregaten und Vortrieb erforderlichen Momente. F bezeichnet die Fahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit.
  • Bei dem gezeigten Startvorgang beginnt nach einer Leerlaufphase ab dem Zeitpunkt T_A ein Anfahrvorgang mit einer Beschleunigung und einem entsprechenden Anstieg des Moments M. Der Verbrennungsmotor hat so nach relativ kurzer Zeit nach dem Start eine maximal realisierbare Momentreserve M_Max, die an sich zur Katalysatorbeheizung genutzt werden kann. Nach einer Standfahrphase wird die Fahrgeschwindigkeit zum Zeitpunkt T_S wieder auf Null reduziert. Dementsprechend sinkt die Motorlast.
  • Bei dem in 2 dargestellten Kaltstartvorgang liegt die Temperatur des Katalysatorsystems zunächst unter der Light-Off-Temperatur, so dass beträchtliche Teile der Rohemission des Verbrennungsmotors an die Umwelt abgegeben werden. Erst mit Aufheizung des Motors bzw. des Abgases kommt es auch zu einer Erwärmung des Katalysatorsystems, soweit nicht eine separate Katalysatorheizung vorgesehen ist.
  • Die in 3 genauer dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Betriebsweise beim Kaltstart zielt darauf ab, die jeweils aktuell vorhandene Momentreserve für eine Beheizung des Katalysatorsystems nutzbar zu machen. In 3 ist für dieselbe Fahrkurve F wie in 2 ein Kaltstarvorgang mit zusätzlicher elektrischer Generatorlast dargestellt, wobei angenommen ist, dass die Katalysatortemperatur unterhalb einer Light-Off-Temperatur liegt. Im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten T_A und T_B wird zur Erzielung besonders kurzer Katalysatorheizzeiten die üblicherweise Füllung des noch kalten Motors bis an die Grenzen eines stabilen Motorlaufs erhöht. Das Lastmoment des Verbrennungsmotors wird also bis an die maximal realisierbare Momentreserve geführt. Allerdings steigen üblicherweise mit der Motorlast des Verbrennungsmotors auch die Rohemissionen, insbesondere für Kohlenwasserstoffe, deutlich an. Die durch die Verkürzung der Light-Oft-Phase reduzierten Emissionen können daher durch einen Anstieg der Rohemissionen überkompensiert werden und zu einer insgesamt erhöhten Tail-Pipe-Emission führen.
  • Wird wie in der EP 1 182 074 der Zündwinkel nach spät verstellt, kann damit die Temperatur des Abgases erhöht werden. Erfolgt allerdings eine weitere Lastanforderung, beispielsweise durch einen Anfahrvorgang, so wird die Luftfüllung des Verbrennungsmotors nicht zurückgenommen. Vielmehr wird der Zündwinkel so weit in Richtung früh verschoben, dass die geforderte Last durch die damit einhergehende Wirkungsgradverbesserung erbracht werden kann. Dieser Energieanteil steht dann nicht zur Beheizung des Katalysatorsystems zur Verfügung. Daher kann – wenn die Last des Verbrennungsmotors durch generatorischen Betrieb des Elektromotors noch weiter angehoben wird – die zur Katalysatorheizung zur Verfügung stehende Leistung gesenkt werden.
  • In 4 ist der zeitliche Verlauf eines Moments M sowie eine Fahrgeschwindigkeit F bei einem Kaltstartbetrieb gemäß der Erfindung dargestellt. Es wird dabei angenommen, dass das Katalysatorsystem eine Temperatur unter einer Light-Off- Temperatur aufweist und daher seine Konversionsaktivität unterhalb eines Konversionsschwellwertes liegt. Nach dem Start des Verbrennungsmotors gibt dieser zunächst ein Leerlaufdrehmoment M_L ab, welches insbesondere zur Durchführung des Motorstarts, Überwindung von Reibung, Versorgung von Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt wird M_L so gewählt, dass ein akzeptabler Wert an Rohemissionen in dem betreffenden Punkt des Betriebskennfeldes nicht überschritten wird.
  • Zum Zeitpunkt T_A erfolgt eine Drehmomentanforderung, um einen Anfahrvorgang durchzuführen. Zum Zeitpunkt T_B ist der Anfahrvorgang beendet und es erfolgt eine Konstantfahrt mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt T_S. In dem Zeitintervall T_A bis T_B ist erfindungsgemäß eine elektromotorische Unterstützung des Verbrennungsmotors 20 durch den Elektromotor 10 vorgesehen. In dem besagten Zeitintervall wird daher nur ein Teil der insgesamt erforderlichen Drehmomentabgabe für den Anfahrvorgang vom Verbrennungsmotor 20 zur Verfügung gestellt, während der übrige erforderliche Aufwand an Drehmoment von dem Elektromotor 10 geleistet wird. Voraussetzung hierfür ist, dass durch die elektrische Speichereinrichtung 40 zur Verfügung stehende elektrische Leistung dies erlaubt. Zum Zeitpunkt T_S zeigt die Fahrkurve F eine Verminderung der Fahrgeschwindigkeit, die zu einem Übergang zu einem Leerlauf zu einem späteren Zeitpunkt führt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird die Momentabgabe des Verbrennungsmotors 20 wieder auf den Wert M_L zurückgeführt.
  • Erfindungsgemäß kann eine derartige Optimierung der Momentabgabe des Elektromotors 10 und des Verbrennungsmotors 20 innerhalb eines Zeitintervalls T_Kat erfolgen, welches erforderlich ist, um das Katalysatorsystem in einen Zustand zu bringen, in dem der Konversionsschwellwert erreicht oder überschritten worden ist. Üblicherweise ist dieser Zustand durch eine oberhalb der Light-Off-Temperatur für Kohlenwasserstoff liegende Katalysatortemperatur charakterisiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Momentabgabe des Verbrennungsmotors 20 während des Zeitintervalls T_Kat auf den Wert M_L beschränkt, so dass jede zusätzliche hierüber hinausgehende Momentanforderung von dem Elektromotor 10 bedient wird. Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass innerhalb von T_Kat eine Drehmomentanforderung zu mindestens 60 %, vorzugsweise zu mindestens 80 %, ideal zu mindestens 90 % vom Elektromotor 10 bedient wird.
  • Innerhalb des Zeitintervalls T_Kat wird erfindungsgemäß zur Erhöhung einer Abgastemperatur der Verbrennungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors 20 gezielt verschlechtert. Eine derartige Wirkungsgradverschlechterung wird zu einer Erhöhung der Abgastemperatur genutzt. Eine mögliche Methode zur Wirkungsgradverschlechterung ist eine Verlegung des Zündwinkels nach spät. Damit gelangt ein höherer Anteil der im Brennraum umgesetzten Kraftstoffenergie ins Abgas. Ein Teil der Wirkungsgradminderung des Motors kann durch einen Betrieb mit höherer Füllung kompensiert werden, indem der Motor mit einem vergrößerten Luftmassenstrom betrieben wird. Damit wird ein höherer Abgasmassenstrom erzeugt, der die Beheizung des Katalysators weiter beschleunigt.
  • Wie an sich bekannt ist, treten bei einer Verlegung des Zündwinkels nach spät aufgrund der erhöhten Abgastemperatur niedrigere Kohlenwasserstoffkonzentrationen stromauf des Katalysatorsystems auf. Das erfindungsgemäße Verfahren hat daher neben einem höheren Energieeintrag in die Abgasanlage und das Katalysatorsystem demnach den Vorteil von niedrigeren Rohemissionen.
  • Durch den höheren Energieeintrag in die Abgasanlage wird eine schnellere Durchwärmung zumindest eines insbesondere motornahen Teils des Katalysatorsystems ermöglicht. Damit kann die Beheizung des Katalysatorsystems vermindert werden. Bevorzugt ist erfindungsgemäß eine Minderung des für die Beheizung des Katalysatorsystems erzeugten zusätzlichen chemisch-thermischen Energieeintrags in die Abgasanlage. Zusätzlich oder alternativ kann das Zeitintervall T_Kat mehr als 10 %, vorzugsweise 25 %, besonders bevorzugt 40 % gegenüber einer konventionellen Beheizung des Katalysatorsystems reduziert werden.
  • Da in den meisten Staaten der Erde die Reinigungswirkung der Abgasanlage durch gesetzliche Vorschriften für Abgasemissions-Grenzwerte vorgegeben sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug vorzugsweise so ausgelegt, dass die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte erreicht oder unterschritten werden. In den EU-Ländern wird von dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ein Geschwindigkeitsprofil vorgegeben, das einem typischen Stadt- und Überlandverkehrsaufkommen entsprechen soll. Die erwähnte Auslegung erfolgt daher derart, dass im NEFZ die Emissionen bei erfindungsgemäßer elektrischer Unterstützung das Niveau in einem konventionellen Betriebsmodus eines gleichen Verbrennungsmotors bzw. Hybridfahrzeugs zumindest nicht übersteigen.
  • In 5 ist der zeitliche Verlauf von kumulierten Kohlenwasserstoffemissionen stromab eines Vorkatalysators schematisch dargestellt. Dargestellt wird jeweils ein Kaltstartvorgang mit der gleichen mit F bezeichneten Fahrkurve. Die mit A bezeichnete Emissionskurve bezeichnet ein konventionelles Katalysator-Heizverfahren wie es in 2 dargestellt wurde. Kurve B bezeichnet ein Katalysatorheizverfahren, bei dem ein negatives Drehmoment in der Kaltstartphase angewendet wird, während die Kurve C einen Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bezeichnet. Der auf jeder der Kurven A bis C von oben gesetzte Pfeil bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem eine 80 %ige HC-Konvertierungsrate am Vorkatalysator überschritten ist.
  • Wie die Darstellung in 5 zeigt, ermöglicht die erfindungsgemäße Betriebsweise eine niedrigere kumulierte Kohlenwasserstoffemission sowie ein früheres Erreichen einer 80 %-Kohlenwasserstoff-Konvertierungsrate am Vorkatalysator.
  • Da die Erfindung das Erreichen eines Light-Off-Wertes des Katalysatorsystems oder zumindest eines seiner Komponenten erleichtert, kann der Edelmetallgehalt der in einem derartigen Hybridfahrzeug eingesetzten Katalysatoren reduziert werden. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge mit direkt einspritzendem und/oder schichtladefähigem Otto-Motor. Im Stand der Technik werden bei direkt einspritzenden und/oder schichtladefähigen Otto-Motoren wie im NEFZ mit thermisch-ungeschädigten Katalysatorsystemen, die bei einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 Sekunden eine Kohlenwasserstoffemission von 0,07 g/km und eine NOx-Emission von > 0,05 g/km erreichen, Katalysatoren mit einem Edelmetallgehalt von < 110 g/km/ft3 (3,95 g/dm3) oder sogar < 130 g/ft3 (4,76 g/dm3) eingesetzt. Das Katalysatorsystem besteht in diesem Fall aus einem motornahen Vorkatalysator und zumindest einem stromab angeordneten NOx-Speicherkatalysator mit einer gespeicherten Schwefelmasse von > 0,2 Gramm/pro Liter Katalysatorvolumen.
  • Erfindungsgemäß wird der Edelmetallgehalt zumindest des oder der Vorkatalysatoren auf weniger als 100 g/ft3 (3,59 g/dm3), insbesondere auf ≥ 80 g/ft3 (2,87 g/dm3) abgesenkt. Bevorzugt ist eine Absenkung auf weniger als 60 g/ft3 (2,16 g/dm3). Damit wird ermöglicht, dass auch nach Ofenalterung des zumindest einen Vorkatalysators mit abgesenktem Edelmetallgehalt für vier Stunden bei 1.100 Grad Celsius in einer Atmosphäre von 2 % O2 und 10 % H2O und eines NOx-Speicherkatalysators mit abgesenktem Edelmetallgehalt für vier Stunden bei 850 Grad Celsius in einer Atmosphäre von 2 % O2 und 10 % H2O bei ansonsten gleichem Fahrzeug durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im NEFZ eine Kohlenwasserstoffemission von nicht mehr als 0,1 g/km und eine NOx-Emission von 0,08 g/km erreicht wird.
  • Der Elektromotor 20 weist eine maximale Leistung von zumindest 2 KW, vorzugsweise 3,5 KW, besonders bevorzugt 5 KW pro Tonne Fahrzeugleergewicht auf. Bevorzugt ist ein Drehzahlbereich von 700-1.500, ideal 1.000 1/min bis 1.500 1/min.
    • 1
    Hybridantrieb mit Steuersystem
    10
    Elektromotor
    20
    Verbrennungsmotor
    30
    Getriebe
    40
    Batterie
    50
    Abgasanlage
    60
    Vorkatalysator
    70
    Hauptkatalysator
    80
    Sensoren
    90
    Motorsteuergerät
    90a
    Einrichtung zur Steuerung der Drehmomentabgabe
    100
    Sensoren

Claims (21)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit – einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor, jeweils zur Abgabe eines Drehmoments, insbesondere um zumindest ein Fahrzeugrad antreiben zu können, – wobei dem Verbrennungsmotor eine Abgasanlage mit einem Katalysatorsystem für zumindest eine Abgaskomponente zugeordnet ist, dessen Konversionsaktivität von vorgegebenen Aktivitätsparametern abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwerts der Konversionsaktivität für zumindest eine Abgaskomponente in einem vorgegebenen Zeitintervall T_Kat der Wert der Konversionsaktivität ermittelt und falls dieser Wert unter dem besagten Schwellwert liegt, die Drehmomentabgabe des Elektromotors, vorzugsweise bedarfsabhängig, erhöht und die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors gegenüber einem Betrieb des Hybridfahrzeugs ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor vermindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung einer Abgasemission stromab des Katalysatorsystems erfolgt und die Erhöhung bzw. Verminderung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors bzw. des Elektromotors derart erfolgt, dass ein vorgegebener Emissionsgrenzwert stromab des Katalysatorsystems unterschritten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivitätsparameter zumindest eine Katalysatortemperatur oder einen Abgasmassenstrom umfassen.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass T_Kat sich an einen Kaltstart anschließt.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von T_Kat eine Drehmomentanforderung zu mind. 60 %, bevorzugt zu mind. 80 %, besonders bevorzugt zu mind. 90 %, vom Elektromotor bedient wird.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von T_Kat der Verbrennungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors zur Erhöhung einer Abgastemperatur und eines Abgasmassenstroms gezielt verschlechtert wird.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Katalysatortemperatur eine Verlegung des Zündwinkels nach spät erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur zumindest teilweisen Kompensation einer Wirkungsgradverschlechterung des Verbrennungsmotors, insbesondere aufgrund einer Verlegung des Zündwinkels nach spät, der Verbrennungsmotor mit einer höheren Luftfüllung betrieben wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Katalysatorbeheizung mit einem gegenüber einem Betrieb ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor verminderten um zumindest 10 %, 25 % oder bevorzugt 40 % chemisch-thermischen Energieeintrags in die Abgasanlage vorgesehen ist.
  10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Katalysatorbeheizung mit einem um zumindest 10 %, 25 % oder 40 % gegenüber einem Betrieb ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor zeitlich verminderten Wert vorgesehen ist.
  11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine maximale Leistung von zumindest 2 KW, vorzugsweise 3,5 KW, besonders bevorzugt 5 KW, jeweils pro Tonne Fahrzeugleergewicht bereitstellt, vorzugsweise in einem Drehzahlbereich von 700-1.55, ideal 1.000 1/min bis 1.500 1/min.
  12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zwischen einem Kurbelwellenausgang des Verbrennungsmotors und einem Getriebe-Eingang angeordnet ist.
  13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem zumindest einen motornahen Vorkatalysator und zumindest einen stromab des Vorkatalysators angeordneten Hauptkatalysator umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe Vorkatalysator in einem Abstand von weniger als 500 mm optional weniger als 400 mm, besonders bevorzugt, weniger als 300 mm mittlerer Abgaslauflänge vom Zylinderkopfflansch angeordnet ist.
  15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konversions-Schwellwert ein Light-Off-Wert für zumindest eine der Abgaskomponenten Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid oder Stickoxid des Vor- und Hauptkatalysators ist.
  16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein vorzugsweise magerlauffähiger direkt einspritzender Otto-Motor ist.
  17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein vorzugsweise magerlauffähiger direkt einspritzender schichtladefähiger Otto-Motor ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor im Neuen Europäischen Fahrzyklus mit thermisch ungeschädigtem Katalysatorsystem, welches zumindest einen motornahen Vorkatalysator und zumindest einen stromab angeordneten NOx-Speicherkatalysator aufweist, wobei zumindest einer der Katalysatoren ein Edelmetallgehalt von > 110 g/ft3 hat und in einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 sek. eine Kohlenwasserstoffemission von < 0,07 g/km und eine Stickoxydemission von < 0,05 g/km ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor erreicht und bei Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor und einem Edelmetallgehalt des Vorkatalysators von < 100 g/ft3 bevorzugt, < 80 g/ft3, besonders bevorzugt < 60 g/ft3, im Neuen Europäischen Fahrzyklus eine Kohlenwasserstoffemission von weniger als 0,1 g/km und eine Stickoxydemission von weniger 0,08 g/km erreicht.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator mit abgesenktem Edelmetallgehalt einer Ofenalterung für 4 Stunden bei 1100°C einer Atmosphäre von 2 % O2 und 10 % H2O und der NOx-Speicherkatalysator mit abgesenktem Edelmetallgehalt für 4 Stunden bei 850°C in einer Atmosphäre von 2 % O2 und 10 % H2O unterzogen wurde.
  20. Hybridfahrzeug mit – einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor, die jeweils ein Drehmoment abgeben können, insbesondere, um zumindest ein Fahrzeugrad anzutreiben, – wobei dem Verbrennungsmotor eine Abgasanlage mit einem Katalysatorsystem zugeordnet ist, dessen Konversionsaktivität von vorgegebenen Aktivitätsparametern abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Steuerung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und des Elektromotors vorgesehen ist, mittels der zur Erreichung eines vorgegebenen Konversionsschwellwerts der Konversionsaktivität des Katalysatorsystems für zumindest eine Abgaskomponente in einem vorgegebenen Zeitintervall T_Kat den Wert der Konversionsaktivität ermittelt und falls dieser Wert unter dem besagten Schwellwert liegt, die Drehmomentabgabe des Elektromotors, vorzugsweise bedarfsabhängig, erhöht und die Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors gegenüber einem Betrieb des Hybridfahrzeugs ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor vermindert wird.
  21. Hybridfahrzug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor im Neuen Europäischen Fahrzyklus mit thermisch ungeschädigtem Katalysatorsystem, welches zumindest einen motornahen Vorkatalysator und zumindest einen stromab angeordneten NOx-Speicherkatalysator aufweist, wobei zumindest einer der Katalysatoren einen Edelmetallgehalt von > 110 g/ft3 haben und in einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 sek. eine Kohlenwasserstoffemission von < 0,07 g/km und eine Stickoxydemission von < 0,05 g/km ohne Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor erreicht und bei Bereitstellung eines Drehmoments durch den Elektromotor und einem Edelmetallgehalt des Vorkatalysators von < 100 g/ft3, bevorzugt, < 80 g/ft3, besonders bevorzugt < 60 g/ft3 im Neuen Europäischen Fahrzyklus eine Kohlenwasserstoffemission von weniger als 0,1 g/km und eine Stickoxydemission von weniger 0,08 g/km erreicht.
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