Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantrieb

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, be ^¬ stehend aus einer Verbrennungskraftmaschine und einer Elekt- romaschine, die beide auf einen gemeinsamen Antriebsstrang einwirken.

Bei Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine können Betriebs ^¬ arten auftreten, bei denen neben der Umsetzung des Fahrerwunsches weitere Kriterien, insbesondere hinsichtlich der Einhaltung der Abgasqualität und der Abgastemperatur zu berücksichtigen sind. Dabei kann es zu instationären Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine kommen, insbesondere zu Schwankungen des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Drehmomentes, was im Hinblick auf den Fahrkomfort zu vermeiden ist.

Abgasnachbehandlungsanlagen moderner, zumindest teilweise mit Luftüberschuss betriebener Verbrennungskraftmaschinen weisen u.a. einen NOx-Speicherkatalysator (NOx-Adsorber, NOx-trap, NOx-Falle) auf, der in Betriebsphasen der Verbrennungskraft- maschine mit magerem Luft-/Kraftstoffgemisch die Stickoxide adsorbiert. Da die Aufnahmekapazität eines solchen

NOx-Speicherkatalysators begrenzt ist, wird er in einer Phase, in welcher die Verbrennungskraftmaschine mit fettem

Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben wird, regeneriert. Hierbei wird die Verbrennungskraftmaschine oft nahe an ihrer Be ^¬ triebsgrenze betrieben. Änderungen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise Lastsprünge, bedingt durch den Fahrerwunsch, können zu Abbruch und damit unvollständigen Regenerationszyklen, sowie durch Änderung des Drehmomentes zur Beeinträchtigungen des Fahrverhaltens, ins ^¬ besondere des Fahrkomforts führen. Solche Probleme können auch bei dem Einleiten und Durchführen der Entschwefelung von Komponenten der Abgasnachbehandlungsanlage oder bei der Einstellung einer erhöhten Abgasrückführrate zur Senkung der Temperatur im Brennraum der Verbrennungskraftma- schine auftreten.

Anforderungen an die Abgasqualität und Abgastemperatur, die zur Darstellung der genannten Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine erforderlich sind, werden durch gezielte Anpassung der Verbrennungskraftmaschinenparameter in Abhängigkeit der angeforderten Motorlast eingeregelt.

Zukünftige Abgasgesetzgebungen, deren Fahrzyklen verschärfte Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Vorhersehbarkeit haben, wie WLTC (Worldwide harmonized Light vehicle Test Cycle) , RDE (Real Driving Emmision) etc. werden die Komplexität einer robusten Darstellung von Betriebsarten mit speziellen Anforderungen an das Abgas weiter erhöhen. Desweiteren sind Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge bekannt und werden zunehmend eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit der Kraftfahrzeuge sowie den Fahrkomfort und deren Effizienz durch Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen. Dabei werden bei einem Hybridantrieb eine Verbrennungskraftmaschine und zumindest eine Elektromaschine derart kombiniert, dass dadurch sowohl die typspezifischen Eigenschaften einer Verbrennungskraftmaschine, als auch die einer Elektromaschine für den Antrieb des Fahrzeugs ausgenutzt werden können. Dazu kann die Elekt ^¬ romaschine je nach Ausgestaltung des Hybridantriebsstrangs auf verschiedene Weise in dem Kraftfahrzeug angeordnet werden. Unter dem Begriff Elektromaschine ist im Rahmen der Erfindung sowohl ein Elektromotor, als auch eine, insbesondere integrierte Kombination eines Elektromotors mit einem elektrischen Generator zu verstehen, z.B. in Form eines Riemenstartergenerators.

Es ist bekannt, einen solchen Hybridantriebsstrang auch zur Beeinflussung von Abgasnachbehandlungsstrategien einzusetzen. Die DE 10 2004 058 231 AI zeigt eine Steuerung einer Brennkraftmaschine in einem Hybridfahrzeug, das eine Drehmoment ^¬ differenz verringert, die im Zusammenhang mit einer Änderung eines Verbrennungsluft/Kraftstoff-Verhältnisses auf den fetten Zustand in einer Fett-Steuerung auftritt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Schätzen des erzeugten oder aufgenommenen

Drehmoments und des aufnehmbaren Drehmoments des Mo ^¬ tor-Generators und Schätzen des erhöhten Drehmoments der Brennkraftmaschine aufgrund dessen, dass das Luft-Kraftstoff- Verhältnis auf den fetten Zustand versetzt wird, Beurteilen auf der Grundlage der geschätzten Drehmomente, ob das erhöhte Drehmoment nicht vollständig durch den Motor-Generator auf ^¬ genommen werden kann, und Durchführen einer Steuerung in diesem Fall zur Verringerung des von der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoments entsprechend dem Überschuss bei Durchführung der Fett-Steuerung .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridabtrieb bereitzustellen, bei dem bzw. bei der auch bei Auftreten von instationären Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine die Einflüsse auf die Fahrbarkeit und den Komfort minimiert sind. Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, bestehend aus einer Verbrennungskraft ^¬ maschine und einer Elektromaschine, die beide auf einen ge ^¬ meinsamen Hybrid-Antriebsstrang einwirken und die Verbrennungskraftmaschine zum Betreiben von Komponenten einer Ab- gasnachbehandlungsanlage zumindest zeitweise in einer Phase mit einem fetten Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben oder zur Senkung der Abgastemperatur mit einer Abgasrückführung betrieben wird. Beim Auftreten einer erhöhten Lastanforderung für die Ver- brennungskraftmaschine während der Phase des Betriebes mit einem fetten Luft-/Kraftstoffgemisch oder in der Phase des Betriebes mit Abgasrückführung wird das Drehmoment der Verbrennungs ^¬ kraftmaschine konstant gehalten und das aufgrund der erhöhten Lastanforderung benötigte zusätzliche Drehmoment ausschließlich von der Elektromaschine aufgebracht.

Dadurch ergeben sich stabilere Betriebzustände in den genannten Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine und eine Erhöhung der Freiheitsgrade zur Erreichen von Abgassollwerten wie das Einstellen eines gewünschten Lambdawertes oder der Abgastemperatur .

Da die Elektromaschine bei Auftreten von zusätzlichen Last- anforderungen das hierzu nötige Drehmoment liefert, kommt die Verbrennungskraftmaschine nicht an ihre Lastgrenze und Maßnahmen zum Betrieb von Komponenten der Abgasnachbehandlung, wie die Regenerationen oder Entschwefelung eines NOx-Speicher- katalysators brauchen nicht abgebrochen werden. Weiterhin können die Regenerationszeiten verkürzt werden, es ergeben sich eine geringere Ölverdünnung und eine Verringerung des Kraftstoff ^¬ bedarfes .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung werden durch entsprechendes Ansteuern des Hybrid-Antriebsstrangs alle möglichen Betriebssituationen der Verbrennungskraftmaschine, welche plötzliche Drehmomentänderungen aufgrund von Last ^¬ sprüngen hervorrufen, besonders zuverlässig bewältigt. Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weitere Vorteile der Erfindung ergeben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht von Komponenten eines mit einem Hybrid-Antriebsstrang ausgestatteten Kraft- fahrzeugs und

Figuren 2A bis 2E zeitliche Verläufe verschiedener Parameter bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Die Figur 1 zeigt stark schematisiert eine typische Konfiguration eines Hybrid-Antriebsstranges 1 für ein Kraftfahrzeug 2. Der Hybridantriebsstrang 1 weist eine Verbrennungskraftmaschine 3 herkömmlicher Bauart (Dieselmotor, Ottomotor, gasbetriebener Motor oder Flexfuel-Motor) und eine Elektromaschine 4 auf. Die Elektromaschine 4 kann insbesondere als integrierter Star ^¬ tergenerator ausgeführt sein.

Der Hybridantriebsstrang 1 weist ferner eine erste Kupplung 5 auf, die als formschlüssige Kupplung, beispielsweise als Klauenkupplung ausgebildet ist. Die erste Kupplung 5 ist ei ^¬ nerseits mit einer Kurbelwelle 6 der Verbrennungskraftmaschine

3 und anderseits mit einer Welle der Elektromaschine 4 verbunden, so dass bedarfsabhängig diese Verbindung geschlossen oder getrennt werden kann. Darüber hinaus weist der Hybridan- triebsstrang 1 eine zweite Kupplung 7 auf, die ebenfalls als formschlüssige Kupplung, beispielsweise als Klauenkupplung ausgebildet ist. Die zweite Kupplung 7 ist einerseits mit einer Getriebeeingangswelle 8 eines Getriebes 9 und anderseits mit der Welle der Elektromaschine 4 verbunden, so dass bedarfsabhängig diese Verbindung geschlossen oder getrennt werden kann. Das Getriebe 9 ist beispielsweise als ein Automatikgetriebe oder Schaltgetriebe ausgebildet. Eine Getriebeausausgangswelle 10 des Getriebes 9 ist mechanisch mit einem Differentialgetriebe 11 einer Antriebsachse 12 des Kraftfahrzeuges 2 verbunden.

Durch eine solche Anordnung ist ein Hybridantrieb für das Kraftfahrzeug 2 mit einer „Inline" angeordneten Elektromaschine

4 geschaffen, d.h. die Verbrennungskraftmaschine 3 und die Elektromaschine 4 sind linear hintereinander angeordnet, so dass das Kraftfahrzeug 2 sowohl mittels der Verbrennungskraftmaschine 3 oder der Elektromaschine 4 oder durch beide Antriebsquellen angetrieben werden kann.

Zur Steuerung bzw. Regelung der Elektromaschine 4 ist eine Bordnetzelektronik 14 und eine Hybridbatterie 15 vorgesehen. In bevorzugter Weise ist die Hybridbatterie als 48-Volt-Hybrid- batterie ausgebildet, die Aspekte der Erfindung sind aber prinzipiell nicht auf eine nominale Spannung von 48 Volt be ^¬ schränkt. Beispielsweise ist es auch denkbar, dass die Nomi ^¬ nalspannung lediglich 42 Volt beträgt, oder auch mehr als 48 Volt . Ferner ist in dem Kraftfahrzeug 2 bevorzugt noch ein her ^¬ kömmliches 12-Volt-Bordnetz mit einer 12-Volt-Fahrzeugbatterie angeordnet, mit der verschiedene elektrische Verbraucher versorgt werden.

Mit der 48-Volt-Bordnetzspannung kann im Vergleich zu der herkömmlichen 12-Volt-Bordnetzspannung eine höhere Leis- tungsfähigkeit sowie ein relativ hohes Drehmoment der elekt ^¬ rischen Maschine 4 erreicht werden. Ferner ergeben sich durch die erhöhte Bordnetzspannung geringere elektrische Verluste und ein höherer Wirkungsgrad, wobei insbesondere während des Start ^¬ vorgangs keine zusätzliche Belastung des herkömmlichen

12-Volt-Bordnetzes erfolgt. Ferner ist das Hybridantriebssystem dazu angepasst, eine Rekuperation von Energie, oder einen Wechsel aus einer normalen Fahrsituation in einen Rekuperationsmodus oder umgekehrt automatisch durchzuführen. Die Verbrennungskraftmaschine 3 weist einen Ansaugtrakt 16 und einen Abgastrakt 17 auf. Über den Ansaugtrakt 16 wird die zur Verbrennung des Kraftstoffes nötige Luft zugeführt. Zur Ein ^¬ stellung des Luftmassenstromes ist im Ansaugtrakt 16 ein Drosselorgan 18 vorgesehen, das bevorzugt als eine elektro- motorisch ansteuerbare Drosselklappe (E-GAS) ausgebildet ist und dessen Öffnungsquerschnitt neben der Betätigung des Fahrers (Fahrerwunsch) abhängig vom Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 3 über Signale einer, die Verbrennungs- kraftmaschine 3 steuernden und regelnden elektronischen

Steuerungseinrichtung 21 einstellbar ist. Stromaufwärts des Drosselorgans 18 ist in dem Ansaugtrakt 16 ein Lastsensor 19 in Form eines Luftmassenmessers oder eines Saugrohrdrucksensors vorgesehen und die jeweils ein entsprechendes Lastsignal L liefern. Zur Nachbehandlung der aufgrund der Verbrennung in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 3 entstehenden Abgase ist im Abgastrakt 17 eine Abgasnachbehandlungsanlage 20 verbaut. Die Abgasnachbehandlungsanlage 20 kann insbesondere einen NO _x -Speicherkatalysator und/oder einen Rußpartikelfilter enthalten .

In Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 20 ist eine Lambdasonde 22 vorge- sehen, welche einen Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal λ (Lambda) charakteristisch ist für das Luft/KraftstoffVerhältnis in den Zylindern der Verbrennungs ^¬ kraftmaschine 3. Der elektronischen Steuerungseinrichtung 21 sind verschiedene Sensoren zugeordnet, die Messgrößen erfassen und die Messwerte der Messgröße ermitteln. Die Steuerungsvorrichtung 21 steuert abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen die Stellglieder, die der Verbrennungskraftmaschine 3 zugeordnet sind, und denen jeweils entsprechende Stellantriebe zugeordnet sind, durch das Erzeugen von Stellsignalen für die Stellantriebe an.

Die Sensoren sind beispielsweise der Lastsensor 19, die

Lambdasonde 22 und ein Pedalstellungsgeber 23, welcher die Stellung eines Fahrpedals 24 erfasst. Signale von weiteren Sensoren, die zur Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschine 3 und deren Nebenaggregate nötig sind, wie beispielsweise Temperatursensoren für die Ansaugluft und für das Kühlmittel, ein Kurbelwinkelsensor etc. sind in der Figur 1 nicht explizit gargestellt, sondern allgemein mit dem Bezugszeichen ES gekennzeichnet . Die Stellglieder, welche die Steuerungseinrichtung 21 mittels Stellsignalen ansteuert, sind beispielsweise das Drosselorgan 18, Gaseinlass- und Gasauslassventile, Kraftstoffeinspritz- ventile, Zündkerzen etc. Solche Stellsignale für weitere Stellglieder der Verbrennungskraftmaschine 3 und deren

Nebenaggregate sind in der Figur allgemein mit dem Bezugszeichen ES gekennzeichnet.

Die Steuerungseinrichtung 21 ist zum Austausch von Daten mit der Bordnetzelektronik 14 der Elektromaschine 4 gekoppelt, bei ^¬ spielsweise über einen CAN-Bus .

Die elektronische Steuerungseinrichtung 21 kann auch als Motorsteuergerät bezeichnet werden. Solche Steuerungseinrich- tungen 21, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten, sind an sich bekannt, sodass im Folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird. Die Steuerungseinrichtung 21 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit 25 (Prozessor), die mit einem Programmspeicher 26 und einem Wertespeicher 27 (Datenspeicher) gekoppelt ist. In dem Programmspeicher und dem Wertespeicher sind Programme bzw. Werte gespeichert, die für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 nötig sind. Unter anderem ist in dem Programmspeicher softwaremäßig eine Funktion zum Steuern des Hybrid-Antriebs- stranges 1 implementiert, wie es nachfolgend anhand der Be ^¬ schreibung der Figuren 2A bis 2E erläutert wird. Zum Zeitpunkt tO erfolgt eine Anforderung zu einem speziellen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3. Dabei handelt es sich insbesondere um Maßnahmen, um das Abgas der Verbrennungs ^¬ kraftmaschine 3 in irgendeiner Weise zu beeinflussen. Eine derartige Maßnahme stellt beispielsweise die Regenerationsphase eines NOx-Speicherkatalysators , das Freibrennen eines

Rußpartikelfilters oder das Öffnen eines Abgasrückführventils dar, so dass Abgas in den Ansaugtrakt gelangen und sich dort mit der angesaugten Frischluft vermischen kann. In Fig. 2A ist eine solche Anforderung in Form eines

Triggersignals TRIGG dargestellt, das zum Zeitpunkt tO von einem logischen Wert 0 auf einen logischen Wert 1 springt. Zur Umsetzung der genannten Maßnahmen wird die Luftzahl λ zum Zeitpunkt tO von einem bis zum Zeitpunkt tO vorliegenden Lambda-Istwert X_IST in Richtung auf einen vorgegebenen

Lambda-Sollwert X_SOLL eingeregelt. Dies erfolgt mittels einer herkömmlichen, bekannten Lambda-Regelungseinrichtung . Im Falle einer angeforderten Regeneration des NOx- Speicherkatalysators ist der Sollwert X_SOLL < 1, das Luft-/Kraftstoffgemisch wird also angefettet. Der gewünschte Sollwert X_SOLL wird zeitlich etwas verzögert nach Anforderung zum Zeitpunkt tO erreicht (Fig. 2B) .

Zum Zeitpunkt tl erfolgt eine Lastanforderung (Erhöhung der Last L) , gleichbedeutend mit einer Drehmomentanforderung an den Antriebsstrang der Verbrennungskraftmaschine 3, weil z.B. der Fahrer des Kraftfahrzeugs 2 auf das Fahrpedal 24 drückt (Fig. 2C) .

Wird die Verbrennungskraftmaschine 3 schon in der Nähe ihrer Lastgrenze betrieben, so kann sie das zusätzlich angeforderte Drehmoment nicht aufbringen, ohne das in diesem Falle die zum Zeitpunkt tO eingeleitete Regenerationsphase für den

NOx-Speicherkatalysator oder das Freibrennen des

Rußpartikelfilters wieder abzubrechen. Um dies zu vermeiden, wird nicht das Drehmoment MD_VKM der Verbrennungskraftmaschine 3 erhöht, sondern zum Zeitpunkt tl das Drehmoment MD_EM der Elektromaschine 4 erhöht, bis zum Zeitpunkt t2 der gewünschte Sollwert für das angeforderte Drehmoment erreicht ist (Fig. 2D) .

Zum Zeitpunkt t3 besteht keine Notwendigkeit mehr, das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 3 mittels zusätzlicher, spezieller Maßnahmen zu beeinflussen, sei es weil der NOx-Speicher- katalysator regeneriert oder das Rußpartikelfilter freigebrannt ist. Das Triggersignal TRIG springt deshalb zum Zeitpunkt t3 vom logischen Wert 1 auf den logischen Wert 0. Da zum Zeitpunkt t3 kein zusätzliches Drehmoment zur Beein ^¬ flussung des Abgases mehr aufgewendet werden muss, wird die Elektromaschine 4 derart angesteuert, dass sein an den Hyb- rid-Antriebsstrang 1 abgegebene Drehmoment MD_EM wieder auf den Ausgangswert reduziert wird, welcher vor der Lastanforderung vorherrschte (Zeitpunkt t4 in Fig. 2D) .

Die höhere Lastanforderung aufgrund des Fahrerwunsches zum Zeitpunkt tl besteht aber über den Zeitpunkt t3 hinaus (FIG. 2C) . Durch Wegfall des zusätzlich aufzubringenden Drehmoments zur Beeinflussung des Abgases kann nun diese erhöhte Last von der Verbrennungskraftmaschine 3 aufgebracht werden. Das Drehmoment MD_VKM der Verbrennungskraftmaschine wird in demselben Maße erhöht, wie das Drehmoment MD_EM der Elektromaschine 4 reduziert wird (Zeitspanne t4-t3, FIG. 2D und FIG. 2E) .

Zum Zeitpunkt t5 fällt die erhöhte Lastanforderung wieder weg (FIG. 2C) , beispielsweise, weil der Fahrer Gas weg nimmt und deshalb wird das Drehmoment MD_VKM ab diesem Zeitpunkt t5 wieder reduziert, so dass ein Wert erreicht wird, der zu dem Zeitpunkt tl vor der Lastanforderung vorherrschte (t6, FIG. 2E) .

Bezugs zeichenliste

1 Hybrid-Antriebsstrang

2 Kraftfahrzeug

3 Verbrennungskraftmaschine

4 Elektromaschine

5 erste Kupplung

6 Kurbelwelle

7 zweite Kupplung

8 Getriebeeingangswelle

9 Getriebe

10 Getriebeausgangswelle

11 Differentialgetriebe

12 Antriebsachse

14 Bordnetzelekronik

15 Hybridbatterie

16 Ansaugtrakt

17 Abgastrakt

18 Drosselorgan

19 Lastsensor

20 Abgasnachbehandlungsanlage

21 elektronische Steuerungseinrichtung

22 Lambdasonde

23 Pedalstellungsgeber

24 Fahrpedal

AS Ausgangssignale

ES Eingangssignale

L Lastsignal

λ Lambda

X_SOLL Lambda-Sollwert

X_IST Lambda-Istwert

MD_EM Drehmoment der Elektromaschine

MD_VKM Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine t Zeit

t0-t6 Zeitpunkte TRIG Triggersignal