Künftige RDE-Grenzwerte sicher einhalten

Der Emissionskoordinator von IAV stimmt Motor und Abgasnachbehandlung aufeinander ab

Im Gegensatz zu Testzyklen wie NEFZ oder WLTC sind bei Messungen nach Real Driving Emissions (RDE) keine festen Geschwindigkeits-Lastprofile vorgegeben. Dennoch muss das Fahrzeug im Schnitt die Emissionsgrenzwerte des WLTC erfüllen. Diese neue Herausforderung geht IAV mit zusätzlichen Software-Kontrollschichten an: Der Emissionskoordinator gibt der Motorsteuerung und der Steuerung der Abgasnachbehandlung Ziele vor und stellt dadurch sicher, dass die Anforderungen von RDE erfüllt werden.

Zu den neuen RDE-Anforderungen gehören beispielsweise die Konformitätsfaktoren (CF, Conformity-Factor) für die Stickoxidemissionen: Ab September 2017 gilt ein CF von 2,1, der ab Januar 2020 auf 1,5 verschärft wird. Neu zugelassene Fahrzeuge dürfen dann selbst unter RDE-Bedingungen im Schnitt höchstens das 2,1beziehungsweise das 1,5-Fache des WLTC-Grenzwertes ausstoßen – und das bei ganz unterschiedlichen Umgebungsbedingungen: RDE umfasst einen Temperaturbereich von minus 2 bis plus 30 Grad Celsius sowie Höhen von bis zu 1.300 Metern. Neben den NOx-Emissionen gilt es natürlich auch, die immer strengeren CO2-Grenzwerte einzuhalten: 95 Gramm pro Kilometer ab 2020, voraussichtlich 78 Gramm ab 2025.

Übergeordneter Ansatz für RDE erforderlich

„Die Komponenten der Abgasnachbehandlung müssen in Zukunft unter diesen völlig unterschiedlichen Bedingungen mit maximaler Effizienz arbeiten“, erklärt Enrico Neumann, Teamleiter Dieselmotoren-Funktionsentwicklung bei IAV. „Natürlich darf auch der Motor nur ein Minimum an Emissionen erzeugen.“ Das verlangt von der Applikation ein Umdenken: Wurden bisher die einzelnen Komponenten wie Motor und Abgasnachbehandlung (ANB) separat auf maximale Effizienz getrimmt, ist jetzt ein übergeordneter Ansatz gefragt. Zu den Steuergeräten für den Motor, den Dieselpartikelfilter (DPF), die Lean-NOx-Trap (LNT) und das SCR-System kommen darum neue Kontrollschichten hinzu, die die übergeordneten RDE-Ziele im Auge behalten und das Zusammenspiel von Motorsteuergerät (ECU) und ANB-Steuerung koordinieren. IAV bezeichnet diese neue Schicht als Emissionskoordinator.

Der NOx-Target-Estimator als Bestandteil des Emissionskoordinators beobachtet ständig den NOx- und den CO2-Ausstoß des Fahrzeugs und führt eine Art „Konto“ für die Stickoxid-Emissionen. „Er integriert dafür die Emissionen während der Fahrt auf und kann dadurch feststellen, ob die Werte auch unter RDEBedingungen noch innerhalb der gesetzlichen Vorgaben liegen“, so Neumann. „Unser Ziel ist es, einen CF von 0,8 zu erreichen und dabei den CO2-Ausstoß so gering wie möglich zu halten.“ Dafür macht der NOx-Target-Estimator Vorgaben für die NOx- und die CO2Emissionen, die der Emissionskoordinator anschließend in Ziele für die Motor-Rohemissionen und die ANB umsetzt. Dabei berücksichtigt er die aktuellen Randbedingungen wie Umgebungstemperatur oder Geschwindigkeit und entscheidet auf dieser Grundlage, welche Strategie gerade den besten Kompromiss aus NOx- und CO2-Emissionen ermöglicht. Denkbar ist zum Beispiel, dass die ANB höhere Abgastemperaturen anfordert und der Emissionskoordinator entscheidet, ob und wie er diesen Wunsch an die Motorsteuerung weiterleitet.

Erste Ergebnisse bestätigen die Erwartungen

Der Diesel-Fachbereich von IAV hat bereits mit MATLAB/Simulink eine erste Version eines Emissionskoordinators für eine ANB aus LNT und SCR aufgebaut und dabei festgestellt, dass die Koordination der beiden Domänen Motor und ANB tatsächlich wie gewünscht funktioniert. „Im Lauf des Jahres 2016 wollen wir den neuen Ansatz detailliert untersuchen und das neue Softwarekonzept unter RDE-Bedingungen validieren“, sagt Neumann. „Dazu gehört, dass wir es in einem virtuellen Fahrzeug auf tatsächlich gefahrenen Strecken testen.“ Die automotion wird in den kommenden Ausgaben über dieses Projekt berichten.