Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine wenigstens einem Katalysator zugeführt wird, welcher in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In Abhängigkeit von einer Emission wenigstens eines in dem Abgas enthaltenen Schadstoffs in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs wird eine von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung mittels einer Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs eingestellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.

Die DE 102019203798 A1 beschreibt eine emissionsbasierte Steuerung einer Brennkraftmaschine. Hierbei wird die Leistung der Brennkraftmaschine herabgesetzt, um Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine unter einem Schwellenwert zu halten. Die Leistung der Brennkraftmaschine wird auch dann herabgesetzt, wenn die Temperatur eines in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators außerhalb eines bestimmten Temperaturfensters liegt.

Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass aufgrund des Herabsetzens der Leistung der Brennkraftmaschine nicht die volle Leistung der Brennkraftmaschine zum Antreiben des die Brennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht.

Des Weiteren kann aufgrund der derzeit in Europa gültigen Emissionsgesetzgebung und unter Randbedingungen, welche die im tatsächlichen Fährbetrieb auftretenden Emissionen (RDE, Real Driving Emissions) eines Kraftfahrzeugs berücksichtigen, die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs begrenzt beziehungsweise herabgesetzt werden. Dies gilt insbesondere, wenn nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder Kraftfahrzeugs die Brennkraftmaschine unter Volllast betrieben wird, ohne dass ein in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordneter Katalysator in einem Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ausreichend aufgeheizt wird. Wenn demgegenüber während des Kaltstarts die Verbrennungskraftmaschine in einem ausreichenden Ausmaß im Leerlauf betrieben wird, dann kann während dieser Leerlaufphase die Abgasanlage und insbesondere der wenigstens eine in der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordnete Katalysator aufgeheizt werden, insbesondere durch eine Erhöhung einer Drehmomentreserve im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine.

Wird nach dem Aufheizen des wenigstens einen Katalysators vom Fahrer anschließend Last von der Verbrennungskraftmaschine abgerufen, so können die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine bei hohen Abgasmassenströmen vergleichsweise zuverlässig mittels des wenigstens einen Katalysators konvertiert werden. Fehlt jedoch ein ausreichender Leerlaufanteil, so fehlt auch Zeit zum Heizen des wenigstens einen Katalysators. Wenn der Katalysator noch nicht seine volle Konvertierungsfähigkeit erreicht hat, dann kann der Katalysator bei Volllast und somit maximalem Abgasmassenstrom die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine nicht vollständig konvertieren. Es kann dann zu einem so genannten Überfahren des Katalysators kommen, also zu einem Durchbrechen von Emissionen, so dass diese Emissionen in Form von nicht konvertierten Schadstoffen in die Umgebung des Kraftfahrzeugs gelangen.

Insbesondere um bei einem extremen Fahrmanöver wie etwa einem Starten der Verbrennungskraftmaschine und einem daran anschließenden Betreiben der Verbrennungskraftmaschine unter Volllast Emissionsgrenzwerte einzuhalten, kann daher vorgesehen sein, bei einer Volllastbeschleunigung des Kraftfahrzeugs nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine ohne zum Zwecke des Heizens des Katalysators ausreichendem Leerlaufanteil die Leistung der Verbrennungskraftmaschine zu begrenzen. Dies kann durch eine Deckelung des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine sowie der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden. Einer derartigen Strategie des Begrenzens der von der

Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Leistung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass derartige extreme Fahrmanöver im Rahmen der die Emissionen im tatsächlichen Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs betreffenden Gesetzgebung, also der RDE- Gesetzgebung, durchaus möglich und daher zu berücksichtigen sind.

Eine solche Begrenzung der Leistung der Verbrennungskraftmaschine unter Berücksichtigung der Emission von Schadstoffen in die Umgebung des Kraftfahrzeugs führt jedoch zu einem Verlust an Fahrkomfort für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen und ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildetes Kraftfahrzeug anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird Abgas der Verbrennungskraftmaschine wenigstens einem Katalysator zugeführt, welcher in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In Abhängigkeit von einer Emission wenigstens eines in dem Abgas enthaltenen Schadstoffs in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs wird eine von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung mittels einer Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs eingestellt. Bei dem Verfahren wird eine Größe eines ein Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkenden Volumenanteils des wenigstens einen Katalysators ermittelt. Die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung wird abhängig von der jeweiligen Größe des Volumenanteils eingestellt. Dementsprechend wird bei dem Einstellen der von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren oder abgebbaren Leistung berücksichtigt, wie groß der Volumenanteil des Katalysators ist, welcher bereits angesprungen ist, so dass dieser Volumenanteil das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkt.

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bereits dann, wenn ein Volumenanteil geringer Größe dazu in der Lage ist, den wenigstens einen Schadstoff zu konvertieren, die in die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegebenen Emissionen verringert werden, indem das Abgas den wenigstens einen Katalysator und somit auch den bereits angesprungenen Volumenanteil durchströmt. Weil die Größe dieses Volumenanteils beim Einstellen der von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Leistung berücksichtigt wird, kann bereits sehr frühzeitig eine vergleichsweise große Leistung der Verbrennungskraftmaschine freigegeben werden.

Insbesondere kann frühzeitig mehr Leistung bereitgestellt werden als dies bei einem Verfahren der Fall ist, bei welchem beispielsweise nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne oder erst bei einem Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des Katalysators eine Leistungsbegrenzung der Verbrennungskraftmaschine aufgehoben wird. Folglich ist das Verfahren insbesondere im Hinblick auf ein sehr frühzeitiges Freigeben einer nicht begrenzten oder zumindest weniger stark begrenzten Leistung der Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft.

Der Volumenanteil des wenigstens einen Katalysators, welcher das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkt, kann auch als aktiver oder angesprungener Volumenanteil des wenigstens einen Katalysators bezeichnet werden. Denn insbesondere dann, wenn dieser Volumenanteil beziehungsweise ein entsprechendes Teilvolumen eines Gesamtvolumens des wenigstens einen Katalysators eine Anspringtemperatur oder Light-off-Temperatur erreicht hat, wird mittels des wenigstens einen Katalysators ein deutliches Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs erreicht. Mit anderen Worten ist der angesprungene Volumenanteil ausreichend aufgeheizt, um eine bestimmte Mindest-Konvertierungsrate für den wenigstens einen Schadstoff zu erreichen.

Der entsprechende, angesprungene Volumenanteil des wenigstens einen Katalysators kann insbesondere dann als das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkend angesehen oder bezeichnet werden, wenn die Konvertierungsrate des Volumenanteils beispielsweise etwa 50 Prozent beträgt, sodass zumindest etwa 50 Prozent des in dem Abgas enthaltenen wenigstens einen Schadstoffs mittels des Katalysators konvertiert werden.

Dem Verfahren liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass eine Degradation oder Begrenzung der Leistung der Verbrennungskraftmaschine, welche eine maximale Drehzahl und ein maximales Drehmoment etwa nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine fest vorgibt, hart bedatet und somit nicht flexibel ist. Eine derartige Begrenzung berücksichtigt also nicht eine aktuelle Konvertierungsfähigkeit des wenigstens einen Katalysators oder einer entsprechenden

Abgasnachbehandlungseinrichtung des Kraftfahrzeugs. Folglich ist bei einem derartigen, unflexiblen Verfahren während der gesamten Beschleunigung des Kraftfahrzeugs mit unter Volllast betriebener Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart die Leistung der Verbrennungskraftmaschine fix gedeckelt.

Der Nutzer insbesondere in Form des Fahrers des Kraftfahrzeugs kann bei einem solchen Verfahren daher nicht auf Leistung der Verbrennungskraftmaschine in Betriebsbereichen zurückgreifen, in welchen die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators eigentlich das Bereitstellen einer höheren Leistung der Verbrennungskraftmaschine erlauben würde. Diese Nachteile können mittels des Verfahrens beseitigt werden, bei welchem für das Einstellen der von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Leistung die Größe des bereits angesprungen Volumenanteils des Katalysators berücksichtigt wird.

Des Weiteren birgt ein festes, unflexibles Vorgeben der Leistungsbegrenzung der Verbrennungskraftmaschine für eine vorgegebene Zeitspanne oder bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des wenigstens einen Katalysators die Gefahr in sich, dass die Leistungsbegrenzung zu gering ausfällt, um unter sämtlichen Randbedingungen die Emissionsgrenzwerte einzuhalten, welche insbesondere unter Berücksichtigung der im tatsächlichen Fährbetrieb auftretenden Emissionen (RDE) möglich sind. Dies ist insbesondere im Hinblick auf zunehmend schärfere Grenzwerte beziehungsweise höhere Emissionsanforderungen an Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und im Hinblick auf die Randbedingungen problematisch, wie sie für derzeit diskutierte und in Zukunft möglicherweise anzuwendende, Emissionen betreffende Regelungen in der Europäischen Union einschlägig sind.

Das Verfahren, bei welchem die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung abhängig von der jeweiligen Größe des Volumenanteils eingestellt wird, ist sowohl dann vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug als ausschließlich verbrennungsmotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet ist, als auch dann, wenn das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug, insbesondere als Plug-in-Hybridfahrzeug (Steckdosen-Hybridfahrzeug), ausgebildet ist. Bei dem als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeug wird die Verbrennungskraftmaschine zum Unterstützen eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs und/oder zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs verwendet.

Eine Degradation oder Begrenzung der von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren oder abgebbaren Leistung für eine fest vorgegebene Zeitspanne ist auch in Fällen ungünstig, in welchen bei dem als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeug die Verbrennungskraftmaschine vorübergehend zugestartet wird. Ein derartiger Zustart kann beispielsweise dann erfolgen, wenn der elektrische Antrieb des Hybridfahrzeugs eine verbrennungsmotorische Unterstützung benötigt. Bei einem solchen Zustart kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungskraftmaschine unmittelbar nach dem Starten mit der angeforderten Last betrieben wird, um die unterstützende Antriebsleistung bereitzustellen. Des Weiteren kann bei dem Hybridfahrzeug eine Anhebung des Lastpunkts der Verbrennungskraftmaschine angefordert werden, um den elektrischen Energiespeicher des Hybridfahrzeugs zu laden. Derartige Betriebsweisen der Verbrennungskraftmaschine des Hybridfahrzeugs führen demnach zu einem vergleichsweise hohen Leistungsabruf unmittelbar nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine.

Auch in derartigen Fällen ist es nachteilig, wenn die von der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellende Leistung nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine für einen gewissen, festen Zeitraum begrenzt wird, um Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Auch bei derartigen Verwendungen der Verbrennungskraftmaschine ist es daher vorteilhaft, wenn die Begrenzung der Leistung nicht fest vorgegeben beziehungsweise hart bedatet ist, sondern wenn sich die Leistungsfreigabe der Verbrennungskraftmaschine an dem realen Ist-Zustand des Katalysators orientiert. Dies ist bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren der Fall, weil die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung abhängig von der jeweiligen Größe des Volumenanteils eingestellt wird, welcher das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkt.

Das Verfahren ermöglicht somit eine zuverlässige Kontrolle der Emissionen des wenigstens einen in dem Abgas enthaltenen Schadstoffs und zwar bei allen möglichen Kombinationen eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine oder eines Zustartens der Verbrennungskraftmaschine bei Ausbildung des Kraftfahrzeugs als Hybridfahrzeug. Dies gilt auch für unterschiedlich lange Leerlaufanteile nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine und im Hinblick auf jeweilige Lastanforderungen an die Verbrennungskraftmaschine durch einen Nutzer oder Fahrer des Kraftfahrzeugs.

Es können somit sowohl recht frühzeitig vergleichsweise hohe Leistungen von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt und als auch Emissionsgrenzwerte gut und zuverlässig eingehalten werden.

Vorzugsweise wird zum Ermitteln der jeweiligen Größe des Volumenanteils, welcher das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkt, eine Temperatur des den wenigstens einen Katalysator durchströmenden Abgases berücksichtigt. Basierend auf der Temperatur des den wenigstens einen Katalysator durchströmenden Abgases kann sehr leicht auf eine Temperatur des Katalysators und insbesondere des bereits angesprungenen Volumenanteils des Katalysators rückgeschlossen werden. Folglich lässt sich so die jeweilige Größe des bereits angesprungenen Volumenanteils des wenigstens einen Katalysators besonders einfach ermitteln. Die Temperatur des wenigstens einen Katalysators oder des den wenigstens einen Katalysator durchströmenden Abgases kann mittels wenigstens eines Temperatursensors erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann anhand eines Modells der Abgastemperatur in Abhängigkeit vom jeweiligen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die Temperatur des den wenigstens einen Katalysator durchströmenden Abgases oder des Katalysators bestimmt werden, um diese Temperatur zum Ermitteln der jeweiligen Größe des Volumenanteils zu nutzen.

Vorzugsweise wird basierend auf einer auf die jeweilige Größe des Volumenanteils bezogenen Raumgeschwindigkeit des durch den wenigstens einen Katalysator strömenden Abgases eine aktuelle Konvertierungsfähigkeit des wenigstens einen Katalysators für den wenigstens einen Schadstoff ermittelt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die auf den bereits aktiven oder angesprungenen Volumenanteil des Katalysators bezogene Raumgeschwindigkeit eine Rolle dabei spielt, in welchem Ausmaß mittels des Katalysators der wenigstens eine Schadstoff konvertiert werden kann. Bei einem bestimmten Abgasdurchsatz durch den wenigstens einen Katalysator ist nämlich die auf die Größe des bereits angesprungenen Volumenanteils des Katalysators bezogene Raumgeschwindigkeit umso niedriger, je größer der Volumenanteil ist. Daher eignet sich die auf das bereits angesprungene beziehungsweise aktive Volumen des Katalysators bezogene Raumgeschwindigkeit in besonderem Maße dafür, die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators für den wenigstens einen Schadstoff zu bestimmen. Zudem ist diese Raumgeschwindigkeit in dem Kraftfahrzeug leicht erhältlich, etwa unter Heranziehung eines Raumgeschwindigkeitsmodells.

Vorzugsweise wird die aktuelle Konvertierungsfähigkeit des wenigstens einen Katalysators mit einer Soll-Konvertierungsfähigkeit für den wenigstens einen Schadstoff verglichen. Auf diese Weise kann sehr einfach und zuverlässig bestimmt werden, welche von der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellende Leistung eingestellt werden sollte, um eine gewünschte Konvertierung des wenigstens einen Schadstoffs zu erreichen.

Vorzugsweise wird als die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung eine geringere Leistung als die Maximalleistung der Verbrennungskraftmaschine eingestellt, wenn die aktuelle Konvertierungsfähigkeit geringer ist als die Soll- Konvertierungsfähigkeit. So kann zuverlässig verhindert werden, dass der wenigstens eine Katalysator überfahren wird, sodass vielmehr eine gewünschte Mindestkonvertierung für den wenigstens einen Schadstoff im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird. Insbesondere kann auf diese Weise dafür gesorgt werden, dass jeweilige Grenzwerte für Emissionen des wenigstens einen Schadstoffs in die Umgebung des Kraftfahrzeugs zuverlässig eingehalten werden.

Vorzugsweise wird für das Einstellen der von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Leistung eine während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs in die Umgebung des Kraftfahrzeugs emittierte Gesamtmenge des wenigstens einen Schadstoffs berücksichtigt. Dadurch kann dafür gesorgt werden, dass nicht nur ein etwa auf einen Kilometer Fahrstrecke des Kraftfahrzeugs bezogener Grenzwert für den wenigstens einen Schadstoff eingehalten wird, sondern auch ein Gesamtbudget an während der Fahrt emittierten Schadstoffen nicht überschritten wird. Folglich können Anforderungen an die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten besonders weitgehend erfüllt werden.

Vorzugsweise wird als die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung die Maximalleistung der Verbrennungskraftmaschine eingestellt, obwohl die aktuelle Konvertierungsfähigkeit des wenigstens einen Katalysators geringer ist als die Soll- Konvertierungsfähigkeit. Dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn die während der Fahrt des Kraftfahrzeugs in die Umgebung emittierte Gesamtmenge des wenigstens einen Schadstoffs geringer ist als ein Grenzwert der Gesamtmenge.

Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, kurzfristig eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine unter Beachtung des Grenzwerts der Gesamtmenge freizugeben. Die Berücksichtigung der während der Fahrt des Kraftfahrzeugs emittierten Gesamtmenge des wenigstens einen Schadstoffs ermöglicht es nämlich, eine kurzfristige Überschreitung eines Emissionsgrenzwerts für den wenigstens einen Schadstoff zuzulassen. So kann in bestimmten, insbesondere kritischen Situationen bestehenden Lastanforderungen an die Verbrennungskraftmaschine in vorteilhafter Weise nachgekommen werden.

Vorzugsweise werden zum Ermitteln einer Soll-Konvertierungsfähigkeit des wenigstens einen Katalysators von der Verbrennungskraftmaschine verursachte Rohemissionen des wenigstens einen Schadstoffs berücksichtigt, welche bei wenigstens einem vorbestimmten Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs auftreten. Indem zum Ermitteln der Soll-Konvertierungsfähigkeit das wenigstens eine Fahrmanöver betrachtet wird, können insbesondere Worst-Case-Szenarien beim Vorgeben der Soll-Konvertierungsfähigkeit oder wünschenswerten Mindestkonvertierung herangezogen werden. Dies macht das Verfahren in vorteilhafter Weise gut belastbar und zuverlässig.

Beispielsweise kann als das wenigstens eine vorbestimmte Fahrmanöver eine Volllastbeschleunigung des Kraftfahrzeugs auf eine während der Fahrt des Kraftfahrzeugs jeweils zulässige Höchstgeschwindigkeit herangezogen werden. Dadurch kann auch unter Berücksichtigung eines derartigen Worst-Case-Szenarios eine Einhaltung von Grenzwerten der Emission des wenigstens einen Schadstoffs erreicht werden.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn bei einer Zunahme der Größe des Volumenanteils, welcher das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkt, eine zunehmend größere Leistung der Verbrennungskraftmaschine als die bereitstellbare Leistung freigegeben wird. So kann mit höherem angesprungenem katalytischen Volumen des wenigstens einen Katalysators die freigegebene Leistung der Verbrennungskraftmaschine sukzessive erhöht werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf ein ansprechendes Fahrerlebnis während der Fahrt des Kraftfahrzeugs vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordneten Katalysator auf, welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Eine Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Emission wenigstens eines in dem Abgas enthaltenen Schadstoffs in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs eine von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung einzustellen. Die Steuerungseinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, eine Größe eines ein Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkenden Volumenanteils des wenigstens einen Katalysators zu ermitteln und die von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Leistung abhängig von der jeweiligen Größe des Volumenanteils einzustellen.

Folglich ist das Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Dementsprechend ist es mit dem Kraftfahrzeug möglich, vergleichsweise frühzeitig eine bestimmte Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine freizugeben und dennoch Emissionsgrenzwerte zuverlässig einzuhalten.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug, bei welchem eine

Steuerungseinrichtung eine Leistungsfreigabe einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs von einem angesprungenen katalytischen Volumen eines Katalysators des Kraftfahrzeugs abhängig macht;

Fig. 2 eine Kurve, welche eine Abhängigkeit einer Konvertierungsrate für einen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs enthaltenen Schadstoff in Abhängigkeit von der auf das aktive katalytische Volumen des Katalysators bezogenen Raumgeschwindigkeit angibt; und

Fig. 3 schematisch Funktionsblöcke bei einem Verfahren zur emissionsbasierten Leistungsfreigabe der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs.

In Fig. 1 ist stark schematisiert ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt, welches eine Verbrennungskraftmaschine 2 aufweist. Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 wird in eine Abgasanlage 3 des Kraftfahrzeugs 1 eingebracht, welche in Fig. 1 lediglich stark schematisiert und ausschnittsweise gezeigt ist. In der Abgasanlage 3 ist wenigstens ein Katalysator 4 angeordnet.

Nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 2 liegen hohe Rohemissionen vor, und der Katalysator 4 weist zugleich eine sehr niedrige beziehungsweise keine Konvertierungsfähigkeit auf. Um in einem solchen Fall eine Emission von nicht konvertierten Schadstoffen in eine Umgebung 5 des Kraftfahrzeugs 1 zu verhindern, kann vorgesehen sein, die Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2 zu begrenzen. Dies kann geschehen, indem ein von der Verbrennungskraftmaschine 2 abgegebenes oder bereitgestelltes Drehmoment und eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 für eine vorbestimmte Zeitspanne gedeckelt oder begrenzt werden. Ein solches Verfahren ist allerdings starr und nicht flexibel.

Vorliegend wird daher für eine Leistungsfreigabe der Verbrennungskraftmaschine 2 eine Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4 berücksichtigt. Hierfür können ein Abgastemperaturmodell und ein Raumgeschwindigkeitsmodell herangezogen werden. Beispielsweise kann mit Hilfe des Abgastemperaturmodells bestimmt werden, wie viel katalytisches Volumen des Katalysators 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt t bereits angesprungen ist. Mittels des bereits angesprungenen Volumens des Katalysators 4 wird nämlich ein Konvertieren wenigstens eines Schadstoffs bewirkt, welcher in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 enthalten ist.

Beispielsweise ist in Fig. 1 eine Situation veranschaulicht, in welcher zumindest ein kleiner Volumenanteil 6 des Katalysators 4 bereits angesprungen ist. Dieser angesprungene oder aktive Volumenanteil 6 des Katalysators 4 bewirkt also das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs. Beispielsweise kann der Katalysator 4 ein Gesamtvolumen von drei Litern aufweisen, und der bereits angesprungene beziehungsweise das Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bewirkende Volumenanteil 6 kann einen Liter betragen. Folglich führt dieser Volumenanteil 6 des Katalysators 4 dazu, dass Schadstoffe in nennenswertem Umfang konvertiert werden. Demgegenüber trägt das verbleibende Volumen des Katalysators 4, im gewählten Beispiel also das Volumen von zwei Litern, noch nicht oder zumindest noch nicht in nennenswertem Ausmaß zum Konvertieren des wenigstens einen Schadstoffs bei.

Unter Berücksichtigung des Raumgeschwindigkeitsmodells kann zu dem jeweils angesprungenen katalytischen Volumen oder Volumenanteil 6 eine maximal erlaubte oder maximal zulässige Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2 bestimmt werden. Diese maximal zulässige Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2 darf von der Verbrennungskraftmaschine 2 abgegeben werden, um mittels des angesprungenen katalytischen Volumens, also mittels des Volumenanteils 6, den wenigstens einen von der Verbrennungskraftmaschine 2 freigesetzten Schadstoff in einem gewünschten Ausmaß zu konvertieren. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass sukzessive eine Begrenzung des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine 2 und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 reduziert wird, und zwar abhängig von dem in dem jeweiligen Zeitpunkt t bereits angesprungenen katalytischen Volumen, also abhängig von der jeweiligen Größe des Volumenanteils 6.

Insbesondere, indem hierfür das Abgastemperaturmodell und das Raumgeschwindigkeitsmodell berücksichtigt werden, können Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 2 zuverlässig konvertiert werden und zwar bei unterschiedlichen Kombinationen von Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine 2 und/oder Zustarts der Verbrennungskraftmaschine 2. Derartige Zustarts der Verbrennungskraftmaschine 2 können vorgesehen sein, wenn das Kraftfahrzeug 1 in vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, welches zusätzlich zu der Verbrennungskraftmaschine 2 wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs 1 aufweist.

Anhand von Fig. 2 soll beispielhaft ein im Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 verwendbares Raumgeschwindigkeitsmodell veranschaulicht werden. So ist in Fig. 2 in einem Koordinatensystem auf einer Ordinate 7 eine Konvertierung eines Schadstoffs in Prozent aufgetragen und auf einer Abszisse 8 die Raumgeschwindigkeit des durch den angesprungenen Volumenanteil 6 des Katalysators 4 strömenden Abgases. Wenn ein entsprechender Abgasstrom in Kubikmeter pro Stunde [m ³ /h] angegeben wird und das zu einem jeweiligen Zeitpunkt t aktive Volumen des Katalysators 4 und dementsprechend der Volumenanteil 6 ebenfalls in Kubikmetern [m ³ ], so ergibt sich als Einheit der Raumgeschwindigkeit h ¹ .

In Fig. 2 veranschaulicht eine Kurve 9 die Konvertierung wenigstens eines Schadstoffs mittels des angesprungenen Volumenanteils 6 des Katalysators 4. Demgemäß nimmt die auf das aktive Volumen beziehungsweise den angesprungenen Volumenanteil 6 bezogene Raumgeschwindigkeit ab, je größer der Volumenanteil 6 ist. Beispielsweise ist in Fig. 2 durch eine erste Markierung 10 entlang der Kurve 9 eine Situation veranschaulicht, in welcher die Größe des angesprungenen Volumenanteils 6 einen Liter beträgt. Dementsprechend liegt bei einer Größe des Volumenanteils 6 von einem Liter eine vergleichsweise hohe Raumgeschwindigkeit bezogen auf dieses aktive Volumen des Katalysators 4 vor.

Des Weiteren ist in Fig. 2 entlang der Kurve 9 durch eine weitere Markierung 11, welche ebenso wie die Markierung 10 auf der Kurve 9 angeordnet ist, beispielhaft eine Situation veranschaulicht, in welcher das Gesamtvolumen des Katalysators 4, beispielsweise also die gesamten drei Liter des Katalysators 4 angesprungen sind. Dementsprechend ist dann der angesprungene Volumenanteil 6 des Katalysators 4 dem Gesamtvolumen des Katalysators 4 gleich. Wenn das Gesamtvolumen des Katalysators 4 aktiv ist, so ergibt sich gemäß der Kurve 9 eine entsprechend niedrigere auf das angesprungene oder aktive Volumen bezogene Raumgeschwindigkeit.

Aus Fig. 2 ist weiter ersichtlich, dass eine hohe auf das aktive Volumen beziehungsweise die Größe des angesprungenen Volumenanteils 6 bezogene Raumgeschwindigkeit mit einer niedrigeren Konvertierungsrate einhergeht als dies bei einem größeren angesprungenen Volumenanteil 6 der Fall ist. So korrespondiert die durch die zweite Markierung 11 angegebene Situation mit einer deutlich höheren Konvertierung des wenigstens einen Schadstoffs.

Die entsprechenden Zusammenhänge werden vorliegend von einer Steuerungseinrichtung 12 (vergleiche Fig. 1) des Kraftfahrzeugs 1 genutzt, welche eine jeweilige Leistungsfreigabe der Verbrennungskraftmaschine 2 bewirkt. Die Steuerungseinrichtung 12 stellt vorliegend die von der Verbrennungskraftmaschine 2 bereitstellbare oder abgebbare Leistung emissionsbasiert ein.

Anhand von Fig. 3 soll eine beispielhafte Implementierung eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 2 des Kraftfahrzeugs 1 erläutert werden. Dementsprechend kann in der Steuerungseinrichtung 12 ein Konvertierungsmodell 13 hinterlegt sein, welches das mit Bezug auf Fig. 2 erläuterte Raumgeschwindigkeitsmodell bei jeweils angesprungenem katalytischen Volumen des Katalysators 4 umfasst. Zudem wird von der Steuerungseinrichtung 12 eine Anforderung an die von dem Katalysator 4 zu leistende Konvertierung des wenigstens einen Schadstoffs berücksichtigt.

Beispielsweise ist in Fig. 2 durch eine horizontale Linie eine von dem Katalysator 4 zu erfüllende Mindestkonvertierung angegeben. Dementsprechend kann die in Fig. 2 beispielhaft gezeigte horizontale Linie eine Soll-Konvertierungsfähigkeit 14 des Katalysators 4 für den wenigstens einen betrachteten Schadstoff angeben. Zum Bestimmen der mit dieser Soll-Konvertierungsfähigkeit 14 korrespondierenden Mindestkonvertierung 15 (vergleiche Fig. 3) können beispielsweise Kennfelder 16 herangezogen werden, welche die Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 2 bei einer bestimmten Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine 2 angeben. Des Weiteren kann unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und anhand des Abgastemperaturmodells ein Anteil nicht konvertierter kumulierter Emissionen ermittelt werden. Aus diesen Größen kann eine Anforderung an die Mindestkonvertierung 15 abgeleitet werden. In Fig. 3 ist das Abgastemperaturmodell, welches die Größe des bereits angesprungenen Volumens des Katalysators 4, also die Größe des Volumenanteils 6 liefert, durch einen Funktionsblock 17 veranschaulicht. Als weitere Eingangsgröße 18 wird vorliegend vorzugsweise berücksichtigt, welche Lastanforderung an die Verbrennungskraftmaschine 2 gestellt wird.

Wenn ausschließlich die Verbrennungskraftmaschine 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehen ist, so kann diese Lastanforderung beispielsweise aus einer Stellung eines Fahrpedals des Kraftfahrzeugs 1 ermittelt werden, welches von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 betätigt wird. Wenn das Kraftfahrzeug 1 als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, so kann sich die Eingangsgröße 18 aus einer Lastanforderung zur Unterstützung des elektrischen Antriebsmotors und/oder aus einer Lastanforderung für das Laden eines (nicht gezeigten) elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs 1 ergeben.

Basierend auf dem Volumenstrom des Abgases oder auf dem Massenstrom des Abgases in Abhängigkeit von der Eingangsgröße 18 wird gemäß Fig. 3 in einem nächsten Schritt die auf die Größe des angesprungenen Volumenanteils 6 bezogene Raumgeschwindigkeit 19 ermittelt. Diese auf die Größe des Volumenanteils 6 bezogene Raumgeschwindigkeit 19 findet wiederum Eingang in das Konvertierungsmodell 13.

Unter Berücksichtigung der Mindestkonvertierung 15 wird in einem weiteren Schritt 20 des in Fig. 3 schematisch veranschaulichten Verfahrens geprüft, ob eine aktuelle Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4, also eine mittels des angesprungenen Volumenanteils 6 des Katalysators 4 erreichbare Ist- Konvertierung, größer oder gleich der Mindestkonvertierung 15 ist. Ist dies der Fall, so kann eine uneingeschränkte Leistungsfreigabe 21 der Verbrennungskraftmaschine 2 durch die Steuerungseinrichtung 12 bewirkt werden.

Es kann jedoch der Fall eintreten, dass die aktuelle Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4, also die mittels des angesprungenen Volumenanteils 6 erreichbare Ist- Konvertierung, kleiner ist als die Mindestkonvertierung 15 und somit die Ist- Konvertierung geringer ist als die Soll-Konvertierungsfähigkeit 14 (vergleiche Fig. 2). In einem solchen Fall kann bei dem Verfahren in einem weiteren Schritt 22 geprüft werden, ob für die Fahrt mit dem Kraftfahrzeug 1 noch ein Emissionsbudget vorhanden ist. Dementsprechend kann im Rahmen des anhand von Fig. 3 beispielhaft erläuterten Verfahrens die während der Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 in die Umgebung 5 des Kraftfahrzeugs 1 emittierte Gesamtmenge des wenigstens einen Schadstoffs berücksichtigt werden. Wenn noch ein Emissionsbudget vorhanden ist, so kann dennoch die Steuerungseinrichtung 12 die uneingeschränkte Leistungsfreigabe 21 erteilen. Gemäß Fig. 3 kann also trotz eines Unterschreitens der Mindestkonvertierung 15 ein Ergebnis der in dem Schritt 22 vorgenommenen Prüfung sein, dass die uneingeschränkte Leistungsfreigabe 21 vorgenommen wird.

Des Weiteren kann das Verfahren zu einem Ergebnis 23 gelangen, bei welchem die von der Steuerungseinrichtung 12 freigegebene Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2, also die maximal erlaubte Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2, abhängig von der Raumgeschwindigkeit 19 und der Größe des Volumenanteils 6 festgelegt wird. Dies kann etwa dann der Fall sein, wenn die Prüfung in dem Schritt 22 ergibt, dass für die Fahrt mit dem Kraftfahrzeug 1 kein Emissionsbudget mehr vorhanden ist.

Zu diesem Ergebnis 23 kann die Steuerungseinrichtung 12 in einer vorliegend nicht explizit gezeigten Variante des Verfahrens auch gelangen, wenn die Prüfung in dem Schritt 20 ergibt, dass die aktuelle Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4, also die mittels des angesprungenen Volumenanteils 6 erreichbare Konvertierung des Katalysators 4, geringer ist als die gewünschte Mindestkonvertierung 15. Bei diesem Verfahren kann demnach der Schritt 22 fehlen oder entfallen.

Das Verfahren soll nachfolgend nochmals anhand eines Zahlenbeispiels veranschaulicht werden. Beispielsweise kann der angesprungene oder aktive Volumenanteil 6 einen Liter betragen, wobei das Gesamtvolumen des Katalysators 4 drei Liter beträgt. Die Mindestkonvertierung 15, also die Anforderung an die Konvertierung zumindest eines Schadstoffs zur Einhaltung eines Grenzwerts dieses Schadstoffs kann 95 Prozent betragen. Das Raumgeschwindigkeitsmodell bestimmt aus dieser Mindestkonvertierung 15 von beispielsweise 95 Prozent eine maximal zulässige Raumgeschwindigkeit, welche dazu führt, dass der Katalysator 4 nicht überfahren wird, sondern stattdessen der Katalysator 4 die Anforderungen an die Mindestkonvertierung 15 erfüllt. Beispielsweise kann die auf diese Weise bestimmte maximal zulässige Raumgeschwindigkeit 19 bei 100.000 h ¹ liegen. Da die Raumgeschwindigkeit 19 als Quotient des Abgasmassenstroms oder des Abgasvolumenstroms bezogen auf das angesprungene katalytische Volumen des Katalysators 4 bestimmt werden kann, lässt sich auch der zulässige Abgasmassenstrom berechnen, welcher von der Verbrennungskraftmaschine 2 im Betrieb derselben freigesetzt werden darf, um die Mindestkonvertierung 15 von 95 Prozent erreichen. Dementsprechend lässt sich von der Steuerungseinrichtung 12 die von der Verbrennungskraftmaschine 2 bereitstellbare Leistung berechnen, also die unter Berücksichtigung der in die Umgebung 5 des Kraftfahrzeugs 1 abgegebenen Emissionen zulässige Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2.

Je höher das angesprungene katalytische Volumen des Katalysators 4 wird, also je mehr die Größe des Volumenanteils 6 zunimmt, desto mehr kann auch die freigegebene verbrennungsmotorische Leistung, also die von der Verbrennungskraftmaschine 2 des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellbare Leistung sukzessive erhöht werden, und zwar unter Einhaltung des Emissionsgrenzwerts für den wenigstens einen Schadstoff.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine verbesserte emissionsbasierte Leistungssteuerung der Verbrennungskraftmaschine 2 realisiert werden kann.

Bezugszeichenliste

Kraftfahrzeug

Verbrennungskraftmaschine

Abgasanlage

Katalysator

Umgebung

Volumenanteil

Ordinate

Abszisse

Kurve

Markierung

Markierung

Steuerungseinrichtung

Konvertierungsmodell

Soll-Konvertierungsfähigkeit

Mindestkonvertierung

Kennfeld

Funktionsblock

Eingangsgröße

Raumgeschwindigkeit

Schritt

Leistungsfreigabe

Schritt

Ergebnis