Regeneration des Partikelfilters mithilfe von Navigationsdaten

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1 Regeneration des Partikelfilters mithilfe von Navigationsdaten Die zunehmende Vernetzung verändert sowohl das Fahrerlebnis als auch das Innenleben des Autos maßgeblich. Vernetzte Softwarefunktionen haben das Potenzial, den Kraftstoffverbrauch und die CO 2 -Emissionen weiter zu reduzieren. Für den Selbstzünder hat Bosch eine neue Regenerationssteuerung für den Dieselpartikelfilter entwickelt, die das Motormanagement mit vorausschauenden Streckendaten des elektronischen Horizonts vernetzt. 16

2 AUTOREN OPTIMALER REGENERATIONSZEITPUNKT Bosch Torsten Grahle ist Gruppenleiter Abgasnachbehandlung in der Softwareentwicklung bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. Matthias Tonne ist Fachapplikateur Dieselpartikelfilter bei der Robert Bosch GmbH in Stuttgart. Andre Wiedersberg ist Gruppenleiter Fachapplikation Dieselpartikelfilter bei der Robert Bosch GmbH in Stuttgart. Thomas Zsebedits ist Fachexperte Abgasnachbehandlung in der Softwareentwicklung bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. Seit der Einführung der Abgasnorm Euro 1 im Jahr 1992 wurden die Partikelemis sionen von Dieselfahrzeugen um rund 97 % reduziert. Die restlichen Partikel entfernt ein Dieselpartikelfilter (DPF) nahezu vollständig. Moderne Filter arbeiten mit einem Effizienzgrad von über 95 % und filtern selbst kleinste Nanopartikel immer noch wirkungsvoll. Ist der DPF voll beladen, wird er durch Abbrennen der eingelagerten Partikel regeneriert und erhält somit seine volle Funktionsfähigkeit. Um die Regeneration einzuleiten, erhöht das Motormanagement die Abgastemperatur unter anderem durch eine späte Nacheinspritzung und ein Ver stellen der Drosselklappe. Die Abgastemperatur steigt dabei stark an und verbrennt die Partikel. Zudem können Maßnahmen wie beispielsweise ein zusätzlicher Eingriff in die Abgasrückführregelung erfolgen. Diese Eingriffe in das Motormanagement führen jedoch dazu, dass sich der Motor vom optimalen Betriebspunkt entfernt und ineffizienter arbeitet. Das wirkt sich insbesondere negativ aus, wenn die Regeneration in Streckenabschnitten stattfindet, die dafür nicht geeignet sind, wie beispielsweise im Stadtverkehr und im Stau. Wird die DPF- Regeneration vorausschauend mithilfe einer Streckenvorschau gesteuert, findet sie ausschließlich in dafür geeigneten Streckenabschnitten statt. Dabei werden sowohl Kraftstoff verbrauch und Schadstoffemissionen als auch die thermische Belastung der Komponenten während der Regeneration reduziert. KONVENTIONELLE REGENERATIONSSTRATEGIE 01I Jahrgang Bereits heute optimieren Motormanagement und Sensorik die Funktion des DPF, BILD 1. Das Motormanagement überwacht den Beladungszustand des Filters mit einem Differenzdrucksensor, der den Abgasdruck vor und nach dem Filter erfasst. Softwarefunktionen in der Motorsteuerung werten die Sensorinformationen aus und bestimmen die Regenerationsintervalle je nach Bedarf. Gegenüber einer periodischen Regeneration, bei der das Abbrennen der Partikel in festgelegten Intervallen erfolgt, sind die Intervalle bei einer bedarfsabhängigen Regeneration länger und reduzieren somit bereits den 17

3 BILD 1 Konventionelle Regenerationsstrategie ( Bosch) Motorsteuergerät erhält Informationen über die gesamte zu fahrende Strecke. Zudem ist bestimmbar, wann beispielsweise ein Autobahnabschnitt befahren wird und welche Strecke bis zum Ziel bleibt. Durch die Vernetzung mit hochdynamischen Informationen aus dem Navigationssystem wird zudem erkannt, auf welchen Teilen der Strecke beispielsweise ein Stau vorliegt. Mithilfe dieser Daten kann die Motorsteuerung veranlassen, dass aufwendige Betriebsarten wie Diagnosen, Adaptionen oder Abgasnachbehandlungsfunktionen auf einem optimalen Streckenabschnitt stattfinden. VORAUSSCHAUENDE STRATEGIE BILD 2 Signalfluss und Aufbereitung der Navigationsdaten ( Bosch) Kraftstoffverbrauch. Das Motormanagement als zentrale Steuereinheit entscheidet dabei über den Zeitpunkt der Regeneration des DPF abhängig vom aktuellen Beladungszustand und Betriebspunkt des Motors. Ist ein optimaler Betriebspunkt erreicht, startet das Motormanagement die Regeneration, die bis zu 20 min dauern kann. Um den Regenerationszeitpunkt zu bestimmen, wird der künftige Streckenverlauf des Fahrzeuges jedoch bisher nicht einbezogen. Das bedeutet: Wird die Regeneration gestartet und der Motor verlässt anschließend den optimalen Betriebspunkt, sind ein unvollständiger Rußabbrand, ein hoher Kraftstoffverbrauch sowie eine hohe thermische Belastung der Abgasnachbehandlungskomponenten die Folgen. Dieses Szenario kann beispielsweise durch Abfahren von der Autobahn, Erreichen der heimischen Garage oder bei Stau auftreten. ELEKTRONISCHER HORIZONT 18 Der elektronische Horizont, den heutige Navigationssysteme zur Verfügung stellen, erweitert die Streckenvorschau weit über das Auge des Fahrers hinaus. Auf Basis dreidimensionaler Navigationsdaten werden detaillierte, weit vorausschauende Informationen über Straßenverlauf, Steigungen, Tempolimits und Verkehrssituation auf der vorausliegenden Strecke errechnet. Diese Kartendaten sowie die aktuelle Position des Fahrzeugs werden über normierte Schnittstellen auch an andere Steuergeräte weitergegeben. Damit kann beispielsweise das Motormanagement diese vorausschauenden Informationen für eigene Funktionen nutzen. Das Motorsteuergerät empfängt die Navigationsdaten, bereitet sie auf und stellt sie mithilfe einer Schnittstelle als physikalische Werte bereit, BILD 2. In welcher Form, Auflösung und Reichweite diese Informationen vorliegen müssen, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Bei kürzeren Fahrten spielt dabei keine Rolle, ob die Routenführung der Navi gation aktiviert ist. Ohne aktive Routenführung berechnet das Steuergerät permanent die wahrscheinliche Route des Fahrzeugs ( Most Probable Path ). Mit steigender Streckenlänge verliert jedoch der Most Probable Path an Genauigkeit und eine Vorhersage der kommenden Strecke ist nicht mehr zuverlässig. Deshalb wird für langfristige Anwendungsfälle eine aktive Routenführung bevorzugt, die in diesem Fall dem elektronischen Horizont entspricht. Dafür gibt der Fahrer im Navigationssystem sein geplantes Ziel ein und das Die neu entwickelte DPF-Regenerationssteuerung basiert auf dem elektronischen Horizont bei aktivierter Routenführung. Anhand der Streckenvorschau errechnet das Motormanagement dynamisch den Zustand des DPF und bewertet die Streckencharakteristika im Hinblick auf optimale Betriebspunkte für eine Regeneration. Auf Basis dieser Informationen und durch Gewichtung weiterer Einflussfaktoren wird die Regeneration unter Berücksichtigung der folgenden Anforderungen geplant und durchgeführt: Die Regeneration wird so häufig wie nötig, aber so selten wie möglich durchgeführt. D ie Regeneration wird nur durchgeführt, wenn der DPF mit einem Regenerationsintervall vollständig geleert werden kann. D ie Regeneration wird nur auf optimalen Streckenabschnitten durchgeführt, beispielsweise Autobahn, Überlandfahrt. V or dem Erreichen einer Stadt ist der DPF leer, um eine Regeneration in diesem Bereich zu vermeiden, BILD 3. Mit dieser vorausschauenden Steuerung ist es möglich, sowohl Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen als auch die thermische Belastung des DPF während der Regeneration zu reduzieren und die Komponenten zu schonen. Wird die vorausschauende Steuerung der DPF-Regeneration mit weiteren Betriebsstrategien, beispielsweise der Hybridsteuerung in einem Dieselhybrid umgesetzt, verstärkt sich der positive Effekt: Ein ungewolltes Aktivieren des Verbrennungsmotors bei elektrischem Fahrbetrieb wird vermieden und künstlich generierte höhere Lasten, um zum

4 BILD 3 Vergleich von konventioneller und vorausschauender Regenerationsstrategie ( Bosch) Beispiel die Batterie zu laden, erhöhen die Effizienz der Regeneration. Zudem wird das Fahren komfortabler, wenn der künftige Fahrerwunsch stärker im Motormanagement berücksichtigt wird. PRÄDIKTIVES RUSSBELADUNGSMODELL Mit einer konventionellen DPF-Regenerationsstrategie wird die Rußbeladung des Filters entweder abhängig vom Motorbetriebspunkt (Last und Drehzahl) simuliert oder im stationären Zustand durch einen Differenzdrucksensor gemessen. Weiterhin hängt der Gradient der Rußbeladung davon ab, dass mit der Zunahme der Rußbeladung die Filtrationseffizienz des Partikelfilters ansteigt. Das Verhältnis von Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO 2 im Abgas bewirkt zudem in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen eine Reduktion der Rußbeladung, die passive Regeneration (CRT-Effekt Continuously Regenerating Trap). Im Rahmen der Entwicklung der neuen Regenerationsstrategie wurden diese Einflüsse auf ein vorausschauendes Rußbeladungsmodell übertragen. Die Navigationsdaten zu verwenden ermöglicht, den erwarteten Beladungszustand des Partikelfilters auf jedem Streckenabschnitt der geplanten Strecke zu ermitteln. Damit können bereits zu Beginn der Fahrt drei Parameter bestimmt werden: Erstens: Soll auf der vorausliegenden Strecke eine Regeneration stattfinden. Zweitens: Wird der Zustand der Rußbeladung im DPF auf der vorausliegenden Strecke eine kritische Schwelle überschreiten und damit eine Regeneration erforderlich machen. Und Drittens: Kann die Regeneration bis zum Erreichen eines optimalen Streckenabschnitts verzögert werden. AUSWAHL DES OPTIMALEN STRECKENSEGMENTS Für die optimale Durchführung einer DPF-Regeneration ist es erforderlich, Your partner for mechatronic drive systems and electric motors from mind to motion Sensor Motor Mechanics 01I Jahrgang 19

5 BILD 4 Algorithmus zur Auswahl der Regenerationssegmente ( Bosch) dass diese vollständig durchgeführt wird, sobald sie gestartet wurde. Das bedeutet, dass die Regeneration so lange andauern muss, bis eine minimale Schwelle der Rußbeladung unterschritten und der Partikelfilter von der Motorsteuerung als leer erkannt wird. Deshalb wurde die Vorhersage der Rußbeladung der neuen Regelstrategie entsprechend erweitert, sodass der mög liche Rußabbrand jedes Streckenabschnitts ermittelt wird. Damit berücksichtigt die Planung der DPF-Re generation, ob ein Abschnitt der geplanten Strecke für eine Regeneration ausreicht oder ob die Regeneration über mehrere Streckenabschnitte andauert. Weiterhin ermöglicht die neue Steuerung, dass weitere Einflussfaktoren mit einbezogen werden. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass die DPF-Regeneration möglichst spät auf der geplanten Strecke erfolgt, damit das Fahrzeug am Ziel mit einem leeren Filter abgestellt wird. Ebenfalls kann verhindert werden, dass zwei Regenerationen zu kurz nacheinander ausgeführt werden. BILD 5 Vergleich von vorhergesagter und tatsächlicher Rußbeladung ( Bosch) 20

6 BILD 6 Vergleichsmessung konventionelle und vorausschauende Regenerationsstrategie ( Bosch) Um einen für eine Regeneration optimalen Streckenabschnitt zu bestimmen, werden die verschiedenen Einflussfaktoren für jeden Abschnitt zueinander gewichtet. Als Ergebnis der Faktoren und der Gewichtung wird jeweils ein Günstigkeitswert bestimmt: Je höher dieser Wert, desto eher eignet sich ein Streckenabschnitt für eine DPF-Regeneration, BILD 4. Der günstigste Streckenabschnitt wird über einen effizienten Suchalgorithmus berechnet. Erst wenn dieser Streckenabschnitt beim Abfahren der geplanten Route erreicht wird, wird die DPF-Regeneration freigegeben. Die prädiktiven Modelle, die Gewichtung sowie die Bestimmung der Regenerationsabschnitte werden zyklisch aktualisiert. Mit jeder Aktualisierung erhöht sich die Genauigkeit der Vorhersage der Rußbeladung, BILD 5. Außerdem wird die Prädiktion bei einer Änderung der geplanten Route, etwa wenn sich der Fahrer verfährt, einer Umleitung folgen muss oder während der Fahrt ein neues Ziel eingibt, sofort dynamisch an die neuen Gegebenheiten angepasst. Bei Vergleichsmessungen zwischen konventioneller (bedarfsgerechter) und vorausschauender Regeneration des DPF konnte nachgewiesen werden, dass die konventionelle Regeneration zu einem deutlich früheren Zeitpunkt auf der Vergleichsfahrt erfolgte, BILD 6. Die Regeneration mit vorausschauender Strategie erfolgte rechtzeitig vor dem Erreichen des Ziels in einem optimalen Betriebspunkt 22 des Motors. Wird dieses Ergebnis extrapoliert, bestätigt sich die Annahme, dass durch die neue Regenerationsstrategie die Intervalle zwischen den Regenerationen verlängert und somit sowohl Kraftstoffverbrauch und Emissionen als auch die thermische Belastung der Komponenten reduziert werden. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die Vernetzung des Antriebsstrangs mit den Daten des elektronischen Horizonts ermöglicht eine Vielzahl an neuen Funktionen, die das Autofahren effizienter, sicherer und komfortabler machen. Neben der hier beschriebenen Funktion entwickelt Bosch Engineering weitere Funkti onen, die Navigationsdaten aufbereiten, bereitstellen und in verschiedenen Anwendungsfällen nutzen. Vorausschauende Geschwindigkeitsregelung, Kurven assistent und Bremsassistent sind nur einige Beispiele für die Anwendung der Streckenvorschau. Ist eine langfristige Streckenvorausschau bekannt, kann beispielsweise eine Funktion den Batterieladezustand in Hybridfahrzeugen vorausschauend steuern und eine optimierte Energierückgewinnung ermöglichen. Zudem können mit einer vorausschau en den und an die vorausliegende Strecke angepassten Steuerung der Abgasnachbehandlung Kraftstoffverbrauch und Emissionen sowie der Verschleiß der Komponenten reduziert werden. In Zukunft liegt der Fokus der Weiterentwicklung dieser Funktion darauf, von der erforderlichen aktiven Routenführung unabhängig zu werden. Ziel ist es, die vorausschauende Steuerung der DPF- Regeneration auch auf Standardrouten auszuweiten, bei denen die Routenführung nicht aktiviert ist. Die Motorsteuerung lernt dabei häufig gefahrene Fahrprofile, legt diese in ihrem Speicher ab und erkennt sie wieder somit kann das Motormanagement Betriebspunkte beispielsweise auch auf dem täglichen Weg zur Arbeit optimal planen, ohne auf Na vigationsdaten zuzugreifen. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass sie ohne zusätzliche Hardware in bestehende Systeme integriert werden kann. Zudem sollen die vorausschauenden Informationen für weitere Funktionen und Komponenten der Abgasnachbehandlung genutzt werden, die durch eine lange Laufzeit und aufwendige Eingriffe in das Motormanagement negative Auswirkungen auf Kraftstoffverbrauch und Emissionen haben. Ebenfalls ist geplant, die Abläufe dieser neu zu entwickelnden Funktionen vorausschauend zu koordinieren. READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: