CN103061872A - 具有排气再循环装置的增压内燃发动机和用于运行所述类型内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内燃发动机的实施例。该内燃发动机具有至少一个汽缸、用于经由排气排出系统排出燃烧气体的至少一个排气管路、以及用于经由进气系统提供增压空气的至少一个进气管路。在一个例子中，内燃发动机包括排气再循环装置，该排气再循环装置包括从排气排出系统分支并且连通进气系统的再循环管路，包括设置在进气系统中的压缩机和设置在排气排出系统中的涡轮的排气涡轮增压器，在压缩机下游设置在进气管路中的节气门元件；在该节气门元件上游从进气管路分支并且在该节气门元件下游再次与所进气管路连通的旁通管路；以及设置在所述旁通管路中用于获得额外能量的膨胀装置。

Description

具有排气再循环装置的增压内燃发动机和用于运行所述类型内燃发动机的方法

相关申请的交叉参考 

本申请要求2011年10月19日提交的申请号为102011084782.0的德国专利的优先权，为了所有的目的其全部内容通过参考结合于此。 

技术领域

本发明涉及具有至少一个汽缸的内燃发动机。 

背景技术

在内燃发动机的发展中，基本追求是最小化燃料消耗并减少污染排出物。在以前的系统中，提供各种措施并且各种基本原理用来实现所述目的。 

关于污染物问题，氮氧化物排出物的减少具有很高的关联性，特别是在柴油发动机的情况下。由于归因于不仅是过量的空气而且还有高温引起的氮氧化物的形成，因此用于减少氮氧化物排出物的一个基本原理包括降低燃烧温度。 

在这里，排气再循环（EGR），也就是说，从排气排出系统到进气系统的排气再循环在实现这个目的方面是有利的，其中在增加排气再循环速率的情况下能够大大减少氮氧化物排出物。在这里，排气再循环速率x_EGR定义如下： 

x_EGR=m_EGR/(m_EGR+m_Freshair) 

其中m_EGR表示再循环的排气的质量，而m_Fresh air表示预先已经被压缩机压缩的提供至少一个汽缸的新鲜空气的质量。因此，在本发明的上下文中，增压空气除了新鲜空气之外还可以包括再循环的排气。 

为了大大减少氮氧化物排出物，利用具有x_EGR≈60%到70%大小量级的高排气再循环速率。按照现有的系统，为了调节再循环的排气量，也就是说，调节再循环速率，在再循环管路中设置也叫做EGR阀的控制 元件。排气再循环也可以用来减少未燃烧的碳氢化合物的排出物。 

内燃发动机不仅可以装有至少一个排气再循环装置，而且还可以装有至少一个排气涡轮增压器，其包括设置在进气系统中的压缩机和设置在排气排出系统中的涡轮。 

增压主要是一种用于提高性能的方法，其中用于发动机中的燃烧过程的空气被压缩，结果能够增加提供的燃料质量和平均有效压力。通过增压不仅在保持不变的汽缸排量的同时能够增加内燃发动机的功率，而且在保持同样功率的同时能够减小内燃发动机的汽缸排量。增压本质上导致增加比功率，并且增加更有利的功率-重量比。因此对于相同的车辆边界条件，通过增压，负荷集中（load collective）能够朝着比燃料消耗较低的较高的负荷移动。 

因此在内燃发动机的研制中不断的尝试用增压帮助使燃料消耗最少，也就是说提高内燃发动机的效率。 

在排气涡轮增压器中，压缩机和涡轮设置在同一个轴上。热排气流经由排气管路提供涡轮并且在释放能量的情况下在所述涡轮中膨胀，以此该轴开始旋转。由排气流提提供涡轮并且最终提提供轴的能量用来驱动同样设置在该轴上的压缩机。该压缩机经由进气管路提供并压缩提供它的增压空气，结果得到该至少一个汽缸的增压。增压空气冷却器通常设置在压缩机的下游，借助于增压空气冷却器，被压缩的增压空气在进入燃烧室之前被冷却，因此汽缸增压空气的密度增加。 

相对于机械增压器而言，排气涡轮增压器的优点在于不存在用于功率传输或用在增压器和内燃发动机之间的机械连接。而机械增压器从内燃发动机吸取用于驱动它的能量，排气涡轮增压器利用由内燃发动机产生的热排气的能量。 

增压还可以用来减少污染排出物。例如关于柴油发动机的增压的结构，能够减少氮氧化物排出物而在效率上没有任何损失。同时能够有利地影响碳氢化合物排出物。在减少燃料消耗的情况下同样也减少与燃料消耗直接有关的二氧化碳排出物。 

发明内容

因此，本文公开的实施例涉及收集在其他情况下将会被浪费的来自 发动机的过剩的能量，因此提高发动机的效率。在一个示范性的实施例中，具有至少一个汽缸、至少一个用于经由排气排出系统排出燃烧过的气体的排气管路、以及至少一个用于经由进气系统提供增压空气的进气管路的内燃发动机包括至少一个排气再循环装置，该排气再循环装置包括从排气排出系统分支并且开口在进气系统中的排气再循环管路；至少一个排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括设置在进气系统中的压缩机和设置在排气排出系统中的涡轮；设置在压缩机的下游的该至少一个进气管路中的节气门元件；从该节气门元件的上游的该至少一个进气管路分支并且再在节气门元件下游的该至少一个进气管路中开口的旁通管路；以及设置在该旁通管路中用于获得额外能量的膨胀装置。 

在根据本发明的内燃发动机中，膨胀装置设置在进气系统中，也就是说在内燃发动机的进气口一侧上。如果内燃发动机的运行允许适合于使用膨胀装置，或者如果存在对额外能量的要求，该膨胀装置利用限制压缩的增压空气中的能量以便在总的平衡中增加内燃发动机的功率输出。内燃发动机的超速运转模式是适合于利用膨胀装置以获得额外能量的运行状态的一个例子，这种额外的能量在其他情况下仍然不被利用。 

从下面单独的或结合附图的详细描述将容易明白本发明的上面的优点和其他优点和特征。 

应当明白，提供上面的概述是为了以简单的形式引进选择的构思，这种构思在详细描述中进一步描述。这并不意味着视为所主张主题的关键的或基本的特征，所主张主题的范围由所附权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不限于解决上面或本发明的任何部分指出的任何缺点的实施方式。 

附图说明

图1示意地示出内燃发动机的实施例。 

图2是示出根据本发明实施例的用于利用来自进气中的能量的方法的流程图。 

图3是示出根据本发明实施例的涡轮功率相对于不同压缩比的曲线图。 

具体实施方式

为了增加发动机的效率，诸如涡轮的膨胀装置可以设置在通向发动机的进气管路的旁通路径中。在某些状态期间，通过调节进气管路中的旁通节气门阀可以将一些或全部进气按照规定的路线发送通过涡轮。该涡轮可以连接于发电机使得来自进气的能量被用来驱动该涡轮并且经由发电机产生电力。例如，在发动机的超速运转模式期间，可以进行使空气按照规定的路线通过涡轮，其中进入汽缸中空气不被燃烧。通过在超速运转模式期间将吸入空气按照规定的路线经由涡轮发送给发动机，能够产生在其他情况下将会被浪费掉的额外能量。而且，与关闭旁通节气门阀有关的泵送损失可以在超速运转模式期间有利地用来帮助减速发动机，其中该泵送损失在正常运行状态下可以偏移运行涡轮的能量增量。图1是包括进气涡轮、旁通节气门阀和构造成执行图2的方法的控制系统的发动机。 

可以用节气门元件（例如旁通节气门）调节引导通过膨胀装置引进的增压空气流。该节气门元件可以是阀或节气门片，并且可以是在打开位置和关闭位置之间以两种状态可切换的方式或者以连续变化的方式可调节的。这样的例子是有利的，其中节气门元件可以是电动、液压、气动或电磁控制的，优选用发动机控制器控制。 

膨胀装置从压缩的压空增气抽取能量，提供这种能量用于另外的利用，例如提提供内燃发动机的曲轴，或者能够用来直接驱动辅助组件。因而改进内燃发动机的能量平衡或提高内燃发动机的效率。在保持同样的燃料消耗的情况下增加内燃发动机的功率或能量输出。 

按照现有的系统，当一定的旋转速度或负荷下降时，也就是说，当一定的排气量减少时，存在明显的转矩下降。这种效果是不希望的。如果考虑到增压压力比决定于涡轮压力比，所述的转矩下降是可以理解的。例如，在柴油发动机的情况下，如果发动机旋转速度减少，这导致较少的排气质量流，并且因此导致较低的涡轮压力比。其结果是，朝着较低的转速，同样降低增压压力比，这等于转矩下降。 

通过各种措施可以改进增压内燃发动机的转矩特性，例如，通过涡轮截面的小结构以及如果排气流超过预定的排气流，同时排出排气流。这种涡轮也叫做排气旁通涡轮。具有可变的涡轮几何形状的涡轮允许对 于内燃发动机的相应的运行点涡轮几何形状，或者有效的涡轮截面的自适应，因此关于低旋转速度和高旋转速度能够进行涡轮几何形状的调节并且还用于低负荷和高负荷。 

而且因此这样的内燃发动机的例子是有利的是，其中至少一个排气涡轮增压器的涡轮具有可变的涡轮几何形状，并且在这些例子中涡轮是排气涡轮，也就是说，具有排气能够经由它被引导通过涡轮的旁通管路。 

增压内燃发动机的转矩特性还可以通过并联或串联的多个涡轮增压器或多个涡轮改进。有关的压缩机可以并联或串联设置在在进气系统中。为此，这样的内燃发动机的例子也是有利的，具体说其中至少提供两个排气涡轮增压器。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中膨胀装置是附加的涡轮。由于连续通过的流，涡轮具有比较高的效率，具体说与活塞机的相关。而且，能够获得用于汽车工程应用的可单独安装的涡轮，并且具有在内燃发动机中利用这种膨胀装置的足够的知识。 

根据本发明的在内燃发动机的进气侧上的附加的涡轮的设置具有许多优点，具体说与热排气侧上的设置相关。涡轮的生产成本较低，因为涡轮或涡轮壳体的热负荷明显比排气侧上的低，因此需要用不昂贵的——通常含镍的——材料，并且代之以能够利用钢或铝。不仅其材料自身的成本低而且加工所述材料的成本也低。 

还有，为了传输或输出功率，连接于内燃发动机的曲轴的涡轮的轴的费用能够很少。为此，在具有曲轴的内燃发动机的情况下，这样的例子是有利的，其中为了输出功率膨胀装置或涡轮连接于或能够连接于所述至少一个曲轴。 

但是这样的内燃发动机的例子也是有利的，其中为了输出功率膨胀装置连接于或能够连接于发电机。由发电机提供的电流可以以各种方法利用或储存。例如，电流可以用来驱动辅助组件，用于减轻交流发电机的负荷，或者正如在下面结合根据本发明的方法进一步详细描述的，在暖机阶段用于加热排气或排气后处理系统。 

这样的内燃发动机的例子也是有利的，其中增压空气冷却器设置在压缩机的下游并且在旁通管路从至少一个进气管路分支的位置的上游的进气系统中，结果冷却器或冷却装置有助于改进至少一个汽缸用空气的 增压，也就是说，在该汽缸中空气的质量比较大。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中至少一个排气再循环装置的再循环管路从涡轮上游的排气排气系统分支并且开口在压缩机下游的进气系统中。在这里，这样的内燃发动机的例子是有利的，其中再循环管路开口在旁通管路再在至少一个进气管路中开口的位置的下游的进气系统中。 

在本实施例中，被再循环的排气通过高压EGR从涡轮上游的排气排出系统中抽取。由于涡轮上游的排气通常是未处理的，也就是说，包含未处理的内燃发动机的排气，该再循环的排气优选引导到在压缩机下游的并且在可以提供的增压空气冷却器下游的进气系系统中，因此压缩机和增压空气冷却器不被污染。 

该排气在涡轮的上游是高压，因此能够确保在排气侧和进口侧之间提供用于再循环的压力梯度。另一方面，再循环过的排气不再能用于驱动涡轮。 

在具有排气涡轮增压和高压EGR的内燃发动机的运行中，存在不可避免的矛盾，因为增加排气再循环速率同时导致引导通过涡轮的排气流的减少。减少的排气质量流通过涡轮导致减小的涡轮压力比或增压压力比，这等于减少的增压压力。而且可以产生关于压缩机的波动限制和污染排出物的缺点。 

为了上述理由，这样的内燃发动机的例子是有利的，其中至少一个排气再循环装置的排气再循环管路从涡轮下游的排气排出系统分支并且开口在压缩机上游的进气系统中，也就是说，对于排气再循环，可以利用所谓的低压EGR装置，通过利用所谓的低压EGR装置——具体说在部分负荷范围内——在高排气再循环速率的同时能够实现高增压压力。 

与高压EGR装置相反——在高压EGR装置中，从涡轮上游的排气排出系统抽取排气并且引导到压缩机下游的进气系统中——在低压EGR装置中情况是已经流过涡轮的排气再循环到进气口一侧，因为低压EGR装置包括返回管路，该返回管路从涡轮下游的排气管路分支并且开口在压缩机上游的进气管路中。 

经由低压EGR装置到进口侧再循环的排气与压缩机上游的新鲜空气混合。新鲜空气和以这种方式产生的再循环排气的混合物形成提供压缩 机并且被压缩的增压空气，其中被压缩的增压空气在压缩机的下游，在增压空气冷却器中被有利地冷却。 

在这里，在低压EGR过程的期间排气被引导通过压缩机的事实不是有害的，因为优选利用已经进行排气后处理的排气，具体说在涡轮下游的微粒滤清器中进行排气后处理。因此通常没有沉积在压缩机上的危险，沉积将改变压缩机的几何形状，具体说改变流动截面，并且因而影响压缩机的效率。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中既提供低压EGR装置又提供高压EGR装置。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中在至少一个排气再循环装置的再循环管路中设置冷却装置以便冷却被再循环的排气。 

冷却装置降低热排气流的温度并且因而增加排气的密度。因而进一步降低汽缸新鲜增压空气的温度，或者新鲜空气和再循环排气的混合物形成的增压空气的温度，结果EGR冷却器还有助于用新混合物改进该至少一个汽缸的增压。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中在至少一个排气再循环装置的再循环管路中设置控制元件以便调节再循环的排气的流速。 

用作EGR阀的控制元件优选设置在EGR冷却装置的下游的再循环管路中，使得已经被冷却的排气流流过该控制元件。 

设置在冷却装置下游的EGR阀的热负荷不太高，因此如果用EGR阀适当地分配或者利用不太耐热的材料，并且因此利用比较廉价的材料制造该阀。

但是这样的内燃发动机的例子也是有利的，其中用作EGR阀的控制元件设置在EGR冷却装置上游的再循环管路中。

设置在EGR冷却装置上游的控制元件防止该冷却装置被用热排气连续地作用，即使在没有排气经由再循环管路再循环到进气系统中的运行状态。在这里，应当考虑到，排气提供冷却装置导致冷却装置和设置在该冷却装置上游的控制元件的污染，当所述控制元件处于关闭状态时，能够防止所述冷却装置被用排气作用并且因此防止污染。 

由于设置在EGR冷却装置上游的控制元件被未冷却的排气，也就是说热排气作用，有利的是冷却所述控制元件。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中至少一个排气后处理系统，也就是说，氧化催化转化器、储存催化转化器、微粒滤清器和/或三元催化转化器，设置在该至少一个排气涡轮增压器的涡轮下游的排气排出系统中。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中在排气排出系统中，设置具有电加热装置的至少一个排气后处理系统，该电加热装置利用通过膨胀装置所获得的能量。 

许多排气后处理系统构造成达到最低温度以便能够使污染物足够转化。例如，氧化催化转化器或储存催化转化器分别利用200°C或300°C的最低温度。 

在以前的系统中，为了增加排气温度通过燃料后喷射使引进的燃料燃烧，排气通常富含未燃烧的碳氢化合物。但是利用燃料后喷射的内燃发动机固有地对机油的变稀非常敏感。而且，燃料消耗增加，结果效率降低。 

在这方面，具有电加热装置的排气后处理系统是有利的。具体说情况是这样，如果所述加热装置被提供能量，该能量是根据本发明通过进气系统中的膨胀装置额外获得的。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中增压空气冷却器或EGR冷却器是液体冷却的。根据热交换器的原理，以空气冷却装置或液体冷却装置的形式构造冷却装置从根本上讲是可能的。在空气冷却装置的情况下，引导通过该冷却器的气体流借助于由相对风引起的和/或由吹风机产生空气流而被冷却。相反，液体冷却装置需要形成冷却循环，如果适当地利用已经存在的环路，例如，液体冷却的内燃发动机的发动机冷却回路。在这里冷却液通过设置在冷却回路中的泵提供，使得所述冷却液循环并流过该冷却器。从增压空气耗散到冷却器的冷却液中的热被传导，并且在另一个热交换器中再一次从冷却液中抽取。 

相对于空气而言由于液体的热容量显著地高，通过液体冷却器能够比空气冷却器耗散明显大的热量。为此，具体说在具有排气再循环的增压内燃发动机的情况下，有利的是利用液体冷却，因为被耗散的热量比较大。

这样的例子是有利的，其中内燃发动机具有冷却装置，因为具有排 气再循环的增压的内燃发动机热负荷特别高，并且因此对冷装置提出增加的要求。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中为了引进燃料进行直接喷射。除了利用可变的阀驱动之外，具体说燃料的直接喷射是火花点火发动机的工作过程，是用于减少节气损失并且因此减少燃料消耗的合适的措施。 

这样的内燃发动机的例子是有利的，其中设置点火装置用于通过发动机控制器起动施加的点火。但是，这样的例子也是有利的，其中内燃发动机是柴油发动机。 

一种用于运行上面所述类型的内燃发动机的方法，通过一种方法实现，其中沿着关闭位置的方向调节节气门元件，以便增加被引导通过膨胀装置的增压空气流。 

关于本发明的内燃发动机已经说明的（一切）同样应用于根据本发明的方法。具体参考该方法特征，该方法特征在描述该内燃发动机以及节气门元件的致动期间，以及作为内燃发动机的当前运行状态的控制元件的描述期间已经讨论。 

作为沿着关闭位置的方向调节节气门元件的结果，在节气门元件设置在其中的进气系统的管路部分的流动阻力增加，结果较大的增压空气部分流过膨胀装置，但是该膨胀装置本身也形成增压空气流的流动阻力。 

这样的方法变化从根本上讲是有利的，其中节气门元件不完全关闭，因此在所有的运行状态一部分增压空气总是流过节气门元件。这样的方法变化是有利的，其中节气门元件以连续可变的方式调节。 

这样的方法变化是有利的，具体说其中在内燃发动机的超速运转模式中，通过调节节气门元件，增压空气的主要部分被引导通过膨胀装置。即，在超速运转模式期间，节气门元件被调节在至少50%的增压空气按照规定的路线经由膨胀装置发送到进气管路中。 

在超速运转模式中，其中燃料提供优选被中断并且只有新鲜空气和/或排气被提供该至少一个汽缸，膨胀装置也起发动机制动器的作用，因为增压空气可以被吸入通过该膨胀装置，这明显地增加泵送损失，也就是说增压交换损失。 

在以前的系统中，在超速运转模式期间损失的动能，根据本发明用 在进气系统的膨胀装置中。 

在控制元件设置在该至少一个排气再循环装置的再循环管路中的内燃发动机的情况下，这样的方法变化是有利的，其特征在于在超速运转模式中控制元件打开。 

打开的控制元件与沿着关闭位置的方向已经调节的节气门元件一起用来在排气排出系统和进气系统之间提供增加的压力梯度，并且因此在超速运转模式期间提供高排气再循环速率。再循环的热排气的高流速确保在超速运转模式期间内燃发动机不变冷，或变冷到较少的程度。如果内燃发动机被再一次切换回到点火运行接着切换到超速运转模式，所述的措施对污染排出物具有有利作用，具体说，对未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳有有利的作用。 

用于内燃发动机的超速运转模式所说明的（一切）也类似地应用于内燃发动机的制动模式。 

这样的方法变化是有利的，在内燃发动机的暖机阶段中，通过调节节气门元件，增压空气的主要部分被引导通过膨胀装置。 

通过膨胀装置得到的能量在加热排气、机油、冷却液或内燃发动机本身的暖机期间能够有利地利用，例如汽缸盖，或者要不然用于加热排气后处理系统。 

被提供机油的消耗装置中的摩擦，例如曲轴轴承中的摩擦，明显由粘滞度确定，并且因此由被提供的机油的温度确定，并且所述摩擦促使内燃发动机的燃料消耗。 

在内燃发动机的暖机期间机油的加热确保快速降低粘滞度，并且因此减少摩擦和摩擦损失。 

关于排气后处理系统的加热，参考结合根据本发明的内燃发动机进行的说明。 

在膨胀装置连接在其中的内燃发动机的情况下，为了输出功率，膨胀装置连接于发电机，这样的方法变化是有利的，其中，在内燃发动机的暖机阶段中由发电机产生的电流至少用来加热排气。在这里，排气的加热可以间接实现，并且有利地通过排气后处理系统的加热实现。 

图1以具有四个排列成一行的汽缸2的示范性的四缸直列式发动机的形式示出内燃发动机1的第一实施例。在本发明的上下文中，术语“内 燃发动机”包括柴油发动机和火花点火发动机以及多种燃料内燃发动机。 

内燃发动机1具有进气系统4a，经由该进气系统4a，增压空气，也就是与再循环的排气可能混合的新鲜空气，提供汽缸2，并且具有用于排出排气的排气排出系统3a。 

内燃发动机1具有排气再循环装置5，通过该排气再循环装置5排气能够从排气排出系统3a再循环到进气系统4a中。排气再循环装置5包括从排气排出系统3a分支并且开口在进气系统4a中的再循环管路5a，其中再循环管路5a中设置有用于冷却再循环的排气的冷却装置5c和用于调节再循环的排气量的控制元件5b（例如EGR阀）。 

内燃发动机1还具有用于增压的排气涡轮增压器6，其压缩机6a设置在进气系统4a的进气管路管路4中，而其涡轮6b设置在排气排出系统3a的排气管路3中。涡轮6b的下游是排气处理装置12，例如氧化催化剂、稀NOx收集器或其他合适的排气处理装置。排气处理装置可以包括被起动以加热该处理装置的加热装置。但是，在一些实施例中，加热装置可以连接于排气管路3以直接加热排气。 

增压空气冷却器10设置在压缩机6a的下游的进气系统4a中，该增压空气冷却器降低增压空气的温度并且增加其密度。 

排气再循环装置5的再循环管路5a，在这个例子中该再循环管路从涡轮6b上游的排气排出系统3a分支，再在压缩机6a的下游的进气系统4a中（的外面）开口。因此图1所示的内燃发动机1的排气再循环装置5是高压EGR装置5。 

节气门元件7设置在增压冷却器10的下游的进气系统4a的进气管路4中，其中旁通管路8从该节气门元件7上游的进气进气管路管路4分支，该旁通管路再在该节气门元件7下游的进气管路4中开口。 

在旁通管路8中设置膨胀装置9，在本例子中膨胀装置是附加的涡轮9a的形式，用于获得额外的能量，其中引导通过该膨胀装置9的增压空气流通过节气门元件7调节。 

为了传输功率，膨胀装置9连接于发电机11，发电机的电流在内燃发动机1的暖机阶段还能够用来加热排气。发电机11可以连接于车辆电力系统、蓄电池或其他合适的能量储存装置。 

控制系统22可以调节发动机1的各方面。控制系统22包括，具体 说，处理器24、存储器26和控制单元28，该处理器24形成为根据储存在存储器26中的指令执行本文所述的方法。此外，控制器22还包括用于收集输入变量的合适的输入装置30，例如，一个或多个传感器34。示范性的传感器包括但不限于发动机温度、质量空气流、曲轴位置传感器等。而且，控制系统22包括用于起动各种致动元件的输出装置32，例如发动机致动器36。示范性的致动器包括但不限于节气门元件7和控制元件5b。控制系统22可以是，具体说，电子发动机控制系统的一部分。 

图2示出用于利用来自发动机的能量的方法200。方法200可以由诸如发动机控制系统22的发动机控制系统进行。方法200包括在202确定发动机运行参数。发动机运行参数可以包括发动机温度、速度、负荷、从发动机起动算起的时间、排气温度等。在204，判断发动机是否在冷起动状态运行。发动机冷起动可以包括当发动机的温度是环境温度时的起动。冷启动可以根据从发动机起动开始算起的时间量和/或发动机的温度低于希望的运行温度来指示。 

如果发动机不是在冷启动状态的情况下运行，则方法200进行到212，这将在下面更详细地说明。如果发动机在冷起动状态的情况下运行，则方法200进行到206以关闭设置在发动机进气系统中的旁通节气门阀（例如图1的节气门元件7）。当打开时该旁通节气门阀可以将吸入空气引向发动机。关闭时，空气可以按照规定的路线经由进气涡轮（例如图1中的膨胀装置9）向到发动机的途中发送。通过关闭旁通节气门阀，一些或全部吸入空气可以通过进气涡轮。吸入空气可以在该涡轮中膨胀，驱动连接于涡轮的发电机。因此在208，方法200包括按照规定的路线发送一部分吸入空气通过该进气涡轮。按照规定的路线发送通过该进气涡轮的空气的量可以是旁通节气门阀的位置的函数。该旁通节气门阀可以是构造成完全打开或完全关闭的接通/断开两用阀，或者可以是构造成设置为多个限制水平的连续可变的阀。旁通阀打开的量可以是发动机温度的函数（例如，低温越低，打开旁通节气门越大）或其他合适的因素的函数。 

进气涡轮可以驱动发电机以便产生可以被一个或多个发动机电气元件利用，或者储存在能量储存装置中的电力。当发动机在冷启动状态的情况下下运行时，由该发动机产生的排气可能具有较低的温度，并且可 能比用于下游的排气处理装置的希望的运行温度低。因此，由通过进气涡轮引导的空气产生的能量被引向加热装置，以加热排气，如在210所示。为了将能量引向加热装置，由发电机产生的能量可以引向车辆电力系统，在电力系统电流可以用来为加热装置提供电力。该加热装置可以是加热排气后处理装置的或直接加热排气的合适的装置。 

返回到204，如果发动机不在冷启动状态的情况下运行，方法200进行到212以判断发动机是否在超速模式中运行。该超速模式，也叫做减速燃料切断（DFSO）模式，可以在发动机减速了门限量和/或减速了一段门限持续时间时开始。在超速运转模式中，停止对发动机的燃料喷射，而吸入空气和EGR可以继续被泵送通过发动机。通过停止燃料喷射，燃烧可以暂时停止，在减速期间节省燃料（当燃烧不需要旋转发动机时）。超速运转模式可以根据发动机速度、燃料喷射量来检测。 

如果发动机不是处在超速运转模式，则方法200进行到222，这将在下面描述。如果发动机是在超速运转模式中运行，则方法进行带214以打开EGR阀（例如图1的控制元件5b）以按照规定的路线发送排气到进气系统中。在超速运转模式期间，由于没有燃烧，发动机和排气可以变冷。通过打开EGR阀以引导EGR到进气系统中，发动机温度可以保持在比较高的温度。该EGR阀可以完全打开或可以部分地打开。 

在216，进气旁通节气门阀被关闭。为了提供希望的EGR量，旁通节气门阀可以关闭。通过关闭旁通节气门阀，吸入空气的压力可以足够低，以使希望的EGR量能够按照规定的路线发送到进气系统中（例如，进气压力可以低于EGR压力）。而且，然后至少一部分吸入空气按照规定的路线经由进气涡轮发送给发动机，正如在218所指出的。在220，为了利用或储存，由连接于进气涡轮的发电机产生的电力可以按照规定的路线发送到车辆电力系统中。在超速运转模式期间关闭旁通节气门阀的另外的好处在于与节气吸入空气有关的增加的泵送损失可以有利地用来制动发动机，在超速运转模式期间帮助减速。 

正如前面所说明的，如果发动机不以超速运转模式运行，则方法100进行到222，以调节EGR阀来提供希望的EGR量。在一个例子中该希望的EGR量可以基于发动机速度和负荷。为了将吸入空气压力保持在使希望的EGR量能够进入进气系统的水平，正如在224所指示的，可以根 据希望的EGR量调节旁通节气门阀。旁通节气门的缺省位置可以打开，使得所有的吸入空气按照规定路线发送到给发动机而不通过进气涡轮。但是，如果为了提供希望的EGR的量而进气压力太大，则可以调节旁通节气门位置，例如可以移动到更高的限制水平或完全关闭。在226，如果至少一部分吸入空气按照规定的路线发送通过该进气涡轮，车辆交流发电机或其他能量产生装置可以用来产生电力。 

因此，图2的方法200在选择的状态下提供按照规定的路线发送吸入空气通过进气涡轮。而且在进气旁通节气门阀在正常情况下被关闭的状态期间（例如当希望高EGR的量时），来自吸入空气的能量可以由进气涡轮利用（harness）并且引向车辆电力系统。但是关闭旁通节气门阀可以增加发动机泵送损失，偏移与进气涡轮有关的发动机增量。因此，在一些状态下，以经由车辆交流发电机产生电力可以是更加能量有效的，避免有关的泵送损失。 

在一些实施例中，发动机控制系统确定关闭旁通节气门阀的相关效率并且与从交流发电机产生的电力相对，利用进气涡轮和发电机产生电力，。通过按照规定的路线发送空气通过涡轮产生的电力可以利用下面的方程式确定： 

P_T=C_pe*m_e*T_e*η_T（1–(P_o/P_i)^(γ-1)/γ） 

其中(P_o/P_i)是涡轮出口压力/进口压力，C_pe是比热容（j/kgK）的系数，m_e是涡轮质量流（kg/s），T_e是涡轮进口温度，η_T是涡轮系数，γ是比热的比，P_T是涡轮功率（W）。 

因此，由涡轮产生的电力可以计算。于是，由发电机产生的能量（当被涡轮驱动时）可以被确定（例如，在一个例子中发电机可以输出90%的涡轮的功率）并且与交流发电机产生的电力比较。如果由涡轮-发电机产生的电力大于交流发动机产生的电力，则交流发电机可以断开以使涡轮-发电机产生电力。 

图3是示出根据本发明实施例的涡轮功率相对于不同压缩比的曲线图。 

正如本文所描述的，通过由涡轮-发电机单元产生电力，通过不利用常规的交流发电机产生电力（由于进气涡轮效率更高）能够节省发动机功率，并且因此节省燃料。此外，在冷启动状态下通过加载发动机以产 生电力，涡轮-发电机可以允许排气变热。在DFSO或滑行期间（其中旁通节气门阀几乎完全关闭，所有的流到具有最大膨胀的涡轮），涡轮的压力下降改善EGR流的提供。而且，涡轮-发电机可以减少进气涡轮后的吸入空气的温度，增加喷射的每单位燃料的发动机功率并且减少冷却要求。最后，在一些条件下通过利用泵送损失而不是常规的致动器使发动机减速能够增加制动和制动盘耐久性。 

应当明白，本文所公开的结构和方法在性质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本发明的主题包括本文所公开的各种系统和结构、以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。 

下面的权利要求具体指出认为新颖的和非显而易见的一些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一种”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应当理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合或子组合可以通过修改本权利要求或在本申请和相关申请中提出新权利要求来主张。这些权利要求，比原权利要求在范围上无论是更宽、更窄、相等或不同都被认为包含在本发明的主题内。 

Claims (20)

1.一种内燃发动机，其具有至少一个汽缸、用于经由排气排出系统排出燃烧气体的至少一个排气管路、以及用于经由进气系统提供增压空气的至少一个进气管路，所述内燃发动机包括：

至少一个排气再循环装置，所述排气再循环装置包括从所述排气排出系统分支并且连通所述进气系统的再循环管路；

至少一个排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器包括设置在所述进气系统中的压缩机和设置在所述排气排出系统中的涡轮；

节气门元件，所述节气门元件在所述压缩机下游设置所述至少一个进气管路中；

旁通管路，所述旁通管路在所述节气门元件上游从所述至少一个进气管路分支并且在所述节气门元件下游再次连通所述至少一个进气管路；以及

膨胀装置，所述膨胀装置设置在所述旁通管路中用于获得额外能量。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述膨胀装置是附加的涡轮。

3.根据权利要求1所述的内燃发动机，还包括所述发动机的至少一个曲轴，并且其中为了输出功率，所述膨胀装置被连接到所述至少一个曲轴。

4.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中为了输出功率，所述膨胀装置被连接到发电机。

5.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中增压空气冷却器被设置在所述进气系统中，并且在所述压缩机的下游和所述旁通管路从所述至少一个进气管路分支的位置的上游。

6.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述至少一个排气再循环装置的所述再循环管路在所述涡轮上游从所述排气排出系统分支并且在所述压缩机下游与所述进气系统连通。

7.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中所述再循环管路在所述旁通管路与所述至少一个进气管路连通的位置的下游与所述进气系统连通。

8.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述至少一个排气再循环装置的所述再循环管路在所述涡轮下游从所述排气排出系统分支并且在所述压缩机上游与所述进气系统连通。

9.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中在所述至少一个排气再循环装置的所述再循环管路中设置冷却装置，以冷却将被再循环的排气。

10.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中在所述至少一个排气再循环装置的所述再循环管路中设置控制元件，以调节将被再循环的排气的流速。

11.根据权利要求1所述的内燃发动机，还包括至少一个排气后处理系统，所述至少一个排气后处理系统装配有电加热装置，所述电加热装置利用由所述膨胀装置获得的能量，所述至少一个排气后处理系统设置在所述排气排出系统中。

12.根据权利要求1所述的内燃发动机，还包括控制系统，所述控制系统包括用于在关闭位置的方向上调节所述节气门元件的指令，以增加引导通过所述膨胀装置的增压空气流。

13.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中所述控制系统还包括在内燃发动机的超速运转模式中，调节所述节气门元件以引导增压空气的主要部分通过所述膨胀装置的指令。

14.根据权利要求13所述的内燃发动机，还包括设置在所述至少一个排气再循环装置的所述再循环管路中的控制元件，并且其中所述控制系统还包括在所述内燃发动机的超速运转模式中打开所述控制元件的指令。

15.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中所述控制系统还包括在所述内燃发动机的暖机阶段中，调节所述节气门元件以引导增压空气的主要部分通过所述膨胀装置的指令。

16.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中所述膨胀装置连接于发电机以输出功率，并且其中在所述内燃发动机的暖机阶段，所述发电机产生的电流被用于加热排气。

17.一种用于发动机的方法，包括：

在选择的状态期间，关闭节气门旁通阀，以将空气经由进气涡轮引入所述发动机；和

将由连接于所述进气涡轮的发电机产生的能量引入给车辆电力系统。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述选择的状态包括发动机冷起动状态。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述选择的状态还包括发动机超速运转模式。

20.一种用于发动机的方法，包括：

在发动机超速运行状态期间，

停止燃料喷射；

经由连接到发电机的涡轮使吸入空气进入所述发动机；

增加导入到所述发动机的排气再循环量；以及

将由所述发电机产生的能量导入车辆电力系统。

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