CN103562517A - 增压涡轮复合混合发动机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括内燃发动机、连接到高压涡轮机的低压压缩机的发动机装置。该装置也包括低压涡轮机和高压压缩机。根据本发明的发动机装置包括电动扭矩变换器，该电动扭矩变换器包括被连接以被所述低压涡轮机驱动的至少一个发电机和被连接以驱动所述高压压缩机的第一电动机。扭矩变换器也包括适合于变换由所述发电机产生的电能且为至少所述第一电动机供电并控制至少所述第一电动机的电力变换机构。

Description

增压涡轮复合混合发动机装置

发明领域

本发明涉及特别地用于工业交通工具的增压涡轮复合混合发动机装置及该装置的控制方法。本发明也在船舶发动机、运输交通工具及农业应用的领域中获得应用，独立于燃料、汽油、柴油、气体或氢气的类型。

现有技术描述

两级涡轮增压已被建议作为在特别是诸如那些用于工业交通工具或船的重型柴油发动机的发动机中实现高效率的方式。两个涡轮增压器串联地放置在发动机进气管道上，由放置在排放管道上的涡轮机驱动，放置在排放管道上的涡轮机也可串联放置或以另一种方式布置。

涡轮复合解决方案包括串联地放置在排放管道上的两个涡轮机，其中低压的一个通过减速齿轮连接到柴油发动机的曲轴。因此，该第二涡轮机为发动机提供了补充扭矩。

通过专利EP2042705公开了双涡轮复合方案。其示出了布置在排放管道上的高压涡轮机和低压涡轮机。由于两个涡轮机的不同特性，这种涡轮机可并行地放置或在彼此之间通过合适的连接件及减压阀（reductionvalve）串联地放置（特别当两个涡轮机并行配置时）。

高压涡轮机与高压增压器机械地连接。

低压涡轮机通过机械联接件连接到曲轴。该联接件包括减小速度变化的机构，该机构放置在第二涡轮机和曲轴之间，如常规的涡轮复合发动机的情况。此外，该机械联接件也连接低压增压器，该低压增压器布置在进气管道上，相对于高压增压器在上游，高压增压器直接地连接到内燃发动机的进气处。

驱动压缩机（drivenCompressor）和动力涡轮机（Powerturbine）经由液力离合器及减速齿轮耦联到发动机。液力离合器的工作在于减少从曲轴到涡轮机齿轮的扭矩振荡。在EP2042705中的离合器的另外的功能在于将驱动压缩机和动力涡轮机与发动机连接和断开。该功能使能够作为自由运行的具有一些另外的齿轮摩擦损失的低压涡轮增压器运行该系统。

WO2010/066452教导了操纵液力离合器助推器(hydrodynamic clutchboost)的滑动以用于控制排放气体的背压及EGR。

低压增压器接收来自发动机的机械能量或也经由该联接件接收来自低压涡轮机的机械能量。

DE102005003714示出了两级复合系统。由于该方案，所驱动的低压压缩机需要高能量以产生升压。然而，机械驱动的低压压缩机的可控性难以操控。

典型的涡轮复合方案相对于设置有可变几何涡轮机（VTG）的内燃发动机能够提供在5%到10%之间范围的燃料消耗减少（fuel consumptionreduction）及在100%到110%范围的更好的功率密度。

功率密度定义为功率【kW】/发动机排量【l（升）】，因此被称为具体的功率输出量。该输出量对于具有电子可控VTG的现代重型柴油机系统在30kW/l-34kW/l之间。两级系统和两级复合系统可达到50kW/l。

相对地，典型的两级涡轮增压方案相对于VTG方案能够提供在0%到5%之间范围的低的燃料消耗减少及在115%到130%范围的更好的功率密度。术语“涡轮增压器”与“增压器”或“压缩机”同义。

所谓的“电气涡轮复合方案”也是已知的，其包括将与高压涡轮机轴向地连接的高压增压器，以及与产生电能的发电机轴向地连接的低压涡轮机。电动机也与内燃发动机的曲轴相连接。第一逆变器将由发电机产生的能量转变成注入DC总线的直流电且与所述DC总线相连接的第二逆变器适合于向电动机供电。后者向内燃发动机供给补充扭矩。

相对于机械涡轮复合方案，在该电气方案中，低压涡轮机因此与发动机曲轴断开且这意味着其不受发动机振荡影响。同时将补充扭矩传递到内燃发动机的曲轴也可以独立的方式通过连接到该曲轴的电动机来执行。

尽管相对于机械方案的这些毫无疑问的优点，但是无论如何也已知的电气涡轮复合方案不允许明显地克服诸如低功率密度及高燃料消耗量的一些缺点。此外，已知的电气方案和已知的机械方案不允许可估量的回收策略以及显著的瞬态性能。

发明概述

因此，本发明的主要目标在于提供允许克服以上指出的缺点的增压涡轮复合发动机装置。在该目标下，第一目的在于提供允许燃料消耗减少且功率密度增加的增压发动机装置。本发明的另一个目的在于提供在瞬态操作和静态操作中都允许较少的烟的发动机装置。另一个目的在于提供允许相对于已知解决方案的最好的瞬态性能的发动机装置。此外，另一个目的在于提供在其中排放温度可显著地下降以停留在所使用材料的极限以下的发动机装置。本发明的并非最后的目的在于提供可靠的且易于以具有竞争力的费用制造的发动机装置。

该主要目标及这些目标通过根据权利要求1所述的发动机装置来实现。如下面详述的，多个优点可通过本发明来实现。首先，所述发动机装置允许两级涡轮增压系统及单涡轮复合系统和双涡轮复合系统的优点。考虑到在发动机装置的涡轮机和增压器之间的连接，本发明的方案也被命名为“具有反转两级涡轮增压的涡轮复合发动机”。

特别地，该方案包括：

a.由高压涡轮机通过轴驱动低压压缩机，

b.将高压涡轮机和低压涡轮机串联地连接在排放管上，

c.将低压压缩机和高压压缩机串联地连接在新鲜空气管上。

根据本发明的发动机装置允许获得高压压缩机速度的连续调整及低压涡轮机的精确控制。就低压涡轮机和高压压缩机的电气驱动而言，低压涡轮机和高压压缩机不受发动机振荡影响且独立于发动机速度和发动机负载。此外，在根据本发明的发动机装置中，高压压缩机和低压涡轮机可以按不同的速度独立于彼此工作。该方面允许达到最佳效率。

根据本发明的发动机装置也允许实现更好的瞬态性能。实际上根据本发明，仅当特定条件发生时，高压压缩机可被操作（通过电动机）。就这一点而言，根据本发明的控制策略，当以下条件中的至少一个发生时，操作高压压缩机：

-排放温度超过预定值；

-Lambda值超过预定值；

-进气管道的压力比至少超过低压压缩机的浪涌值；

-发动机制动机构启动，

-发动机速度低于预定值。

从而在根据本发明的发动机装置中，对于驱动循环的大约80％，所驱动的高压压缩机可有利地停用。该方面允许相对于常规发动机装置具有更高功率密度的最佳回收。

从属权利要求公开了本发明的优选实施方式，形成本描述的整体部分。

权利要求书公开了本发明的优选实施方式，形成本描述的整体部分。

附图简述

本发明将从以仅示例性的并且非限制性的例子的方式给出的、参考附图来阅读的以下详细描述中变得完全清楚，其中：

-图1示出了根据本发明的发动机混合装置的第一种实施方式；

-图2示出了根据本发明的发动机混合装置的第二种实施方式；

-图3示出了在已知的装置的性能和根据本发明的装置的性能之间的对比；

-图4-6示出了应用于发动机的相同边界条件的多个增压系统的对比。

在附图中的相同参考数字和字母表示相同的或功能上等效的部分。

优选实施方式的详细描述

图1是根据本发明的发动机装置的示意图。如下面更好地说明的，发动机装置包括机械组件及电气组件。由于该原因，在下文中，发动机装置1也被称为“混合装置”。发动机装置（例如工业交通工具的发动机装置、船的发动机装置或其它类型的发动机装置）包括内燃发动机1，其优选地是柴油发动机。该装置也包括发动机1的进气管道管道2和排放管道20。从新鲜空气进入开始，根据新鲜空气的路线，在所述进气管道2上顺序地连接着：

-低压压缩机单元（LPC）11，

-低压级间冷却器（LPIC）12，

-高压压缩机（HPC）5，

-高压增压空气冷却器（HPCAC）13。

进气管道2包括用于旁通HPC5的第一旁通机构3、4。更详细地，该旁通机构包括管3和阀4。管3的第一端连接LPIC12的下游而管3的第二端连接HPCAC13的下游。该解决方案允许当第一旁通机构3、4启动时，即当阀4打开且空气流经管路3时减少沿进气管道的压力损失。然而需要注意的是，该冷却器12、13实际上是可选择的。

参考排放管道20，从发动机1开始，按照排放气体的路线，在所述排放管道20上顺序地连接着高压涡轮机（HPT）6和低压涡轮机（LPT）7。

就流量质量、压力及焓而言且鉴于这些部件的串联连接，本领域技术人员知道“低压”或“高压”涡轮机意指什么以及“低压”或“高压”增压器意指什么。因此，也很明显，在本上下文中，“高”或“低”清楚地界定了增压器的特征或涡轮机的特征。就这一点而言，在下面的描述中，术语“压缩机”和术语“增压器”以相同的意思使用。

根据本发明，LPC11直接地且可操作地连接到HPT6。更准确地说，LPC11通过轴向的轴61被HPT6所驱动。此外，HPT6优选地通过双路连接（双重入口）连接到发动机1。该解决方案通过获得在线列汽缸发动机的排气歧管的压力脉动而允许在低速度下的较好的瞬态性能。就这一点而言，发动机的直接连接很少经受恒定的排放压力。在脉动涡轮增压柴油发动机中，由于在较短时间内达到较高的涡轮机压力比，双重入口涡轮机允许排放气体的脉动得到优化。从而，通过压力比的增加，当具有高密度的质量流穿过涡轮机时通过加大非常重要的时间间隔，正喷射流流动。

由于这种情况，提高了排放气体能量利用率，发动机的升压压力特性及由此扭矩性能被提高，特别是在低的发动机速度下。

如图1所示，为了阻止不同的汽缸在增压交换循环期间彼此干预，一半数量的汽缸连接到形成所述内燃发动机1的“出口”的一个排放气体歧管20中。因此HPT6的双重入口允许排放气流分别通过涡轮机供应。

根据本发明，发动机装置包括电动扭矩变换器（electric torqueconverter）55，电动扭矩变换器55被提供用于驱动HPC5及用于为内燃发动机1的曲轴提供扭矩。更详细地，电动扭矩变换器55包括发电机30，发电机30优选地是交流发电机，具有与LPT7的轴8一致的或其与LPT7的轴8旋转地相关联的转子。电动扭矩变换器55包括第一电动机32，第一电动机32连接到HPC5以操作HPC本身。此外，变换器55也包括适合于变换由发电机40产生的电能且适合于为至少所述第一电动机32供电并控制至少所述第一电动机32的电力变换机构31、34、39。

电力变换机构包括发电机30电连接到其的逆变器31。该逆变器31也电连接到第一电动机32。根据图1中示出的实施方式，扭矩变换器55也包括第二电动机33，第二电动机33电连接到逆变器31且机械地连接到内燃发动机1的曲轴以便提供补充的扭矩。

在任何情况下，扭矩变换器55也包括储能器34，储能器34可为蓄电池或DC总线。该蓄电池34通过逆变器31电连接到发电机30。

总是参考图1中的方案，由发电机30产生的电能可通过逆变器31用于操作第一电动机32以便操作HPC5或由发电机30产生的电能可通过逆变器31用于操作第二电动机33以便为内燃发动机31的曲轴提供扭矩。然而根据装置的操作需要，由发电机产生的能量也可通过逆变器31存储到蓄电池/DC总线中。结果，由于储能器34（例如电池/DC总线）的原因，为第一电动机32提供的瞬时扭矩从由发电机30瞬时产生的电能解耦。

根据图2所示的第二种实施方式，电动扭矩变换器55的电力变换机构优选地也包括电容器39，电容器39通过逆变器31可操作地操纵。第一电动机32在短期需求情况下可得到源自电容器39的电力以及在长期需求情况下可得到源自储能器（蓄电池/DC总线34）的电力。这允许提高高压压缩机5的瞬态性能。存储在电容器39中的电力由耦联的逆变器31控制并分配到第一电动机32。

为了本发明的目的，词语“短期需求”意思是具有短于一分钟的期间的电力需求。“短期需求”可例如是驾驶员完成超车、在短的斜坡区上爬坡或在车轮负载的情况下在石头区驾驶的需求。反之，词语“长期需求”意思是其期间大于两分钟的电力需求。对于长时间地在斜坡上驾驶交通工具或用于逆着风和/或波浪驾驶船或也用于在具有高阻力的泥泞区驾驶交通工具可请求长期电力需求。

相对于图1中的解决方案，在图2的实施方式中，电动扭矩变换器55也包括连接到内燃发动机1的曲轴的异步电机33b。如下面更好地说明的，异步机33b可根据三个主要的操作模式来介入：

-其可通过提供制动以便回收制动能量来充当“发电机”，该制动能量通过逆变器31转变成存储到储能器34中或电容器39中的电能；这允许减少在交通工具的制动器上的负荷以便减少磨损以及获得较长寿命；

-其可充当“电动机”以为内燃发动机1的曲轴提供可用于短期电力需求（升压加力）的补充扭矩；

其可充当“电动机”以支持内燃发动机用于长期电力需求以便通过随后减少燃料消耗量以及通过增加能量回收来减少发动机的功率。

因此，根据第一种可能的操作模式，异步机33b可有利地通过产生负扭矩在制动或减速期间支持发动机装置。在这种情况下，通过逆变器31的介入，异步机通过产生主要存储在电容器39中的电力而充当“发电机”。假如电容器已充电，那么产生的电力存储到蓄电池34中。由异步机33b产生的电力的操纵由逆变器61和对逆变器31操作的控制机构（ECU）来执行。

反之，当发动机装置加速时，逆变器34改变了异步电机33b的操作配置，其可充当电动扭矩变换器55的第二电动机。特别地在这种情况下，电容器39通过逆变器31提供了用于短期需求的用于操作异步机33b的电力，而在长期需求情况下，电力由蓄电池34总是经由逆变器31提供。在长期需求情况下，电力也可直接由发电机30提供给异步机。

然而，基于以上内容，HPC5通过第一电动机32来控制，第一电动机32直接用来自发电机30的能量或用存储在蓄电池/DC总线34中的能量通过逆变器61供电。当第一旁通机构3、4已经预先或同时停用时，启动第一电动机32。更详细地，当第一旁通机构3、4启动/操作（即在阀4打开时）时，来自LPC11的空气流被旁通到管路3中。在这种情况下，HPC5通常不由第一电动机32操作。反之，当第一旁通机构3、4停用（即在阀4关闭时）时，全部空气流经过HPC5。在这种情况下，HPC5可由第一电动机32操作以便增加空气流的压力比以用于下面指出的目的。

特别地参考图2中的解决方案，根据本发明，以上解释的发动机装置1至少根据以下操作配置可有利地工作：

1）被称为“单级配置”的第一配置，其中LPC11和HPT6启动且其中HPC5停用。在这种配置中，异步机33b作为“电动机”被操作以便为内燃发动机1的曲轴提供扭矩；特别地，异步机33b可通过存储在蓄电池34/DC总线中的电能经由逆变器31被操作；可选择地，异步机33b可通过由连接到LPT7的发电机30瞬时产生的电能总是经由逆变器31作为“电动机”被操作；

2）被称为“两级配置”的第二配置，其中LPC11和HPT6启动且其中HPC5也通过第一电动机32被操作；在该第二配置中，第一电动机32直接通过由连接到LPT7的发电机30瞬时产生的电能经由逆变器31被操作。在这种情况下，发动机装置充当“两级复合装置”，其中LPC11由HPT6操作且其中HPC5实质上直接由LPT7操作；

3）第三配置，其中LPC11和HPT6启动且HPC5通过第一电动机32来操作，第一电动机32通过来自储能器34（蓄电池/DC总线）的电能经由逆变器31被循序操作；换句话说，相对于第二配置，在该第三配置中，由发电机30瞬时产生的电能存储在储能器34中。

以上指出的有关这三个操作配置的内容对于图1示出的实施方式也是有效的，其中不充当发电机的简单的电动机（第二电动机33）连接到发动机装置的曲轴。

除了以上列出的配置1）-3），存在其他可能的操作配置，其中LPC11和HPT6所有时间都工作。特别地，再次参考图2所示的实施方式，发动机装置可根据以下配置工作：

3）第四配置，其中LPC11和HPT6工作且在其中LPT7通过操作发电机30来回收能量；在该第四配置中，HPC5停用且异步机33b不工作；由发电机30产生的电能存储在储能器34和/或电容器39中。

第五配置，其中对于LPC11、HPT6、HPC5和LPT7存在与第四配置相同的条件，但其中异步机充当“发电机”以产生存储在储能器34和/或电容器39中的电能；

4）第六配置，其中对于LPC11、HPT6、HPC5和LPT7发生第三配置3）的相同的条件，且其中异步机33b充当“发电机”以产生存储在储能器34和/或电容器39中的电能；

5）第七配置，其中对于LPC11、HPT6和HPC发生第六配置的相同的条件，但其中LPT7断开，且由于储能器34和/或电容器39充满电，异步机33b也是断开的；

6）第八配置，其中对于LPC11、HPT6和HPC发生第六配置的相同的条件，但其中异步机33b断开。

根据本发明的发动机装置包括控制机构，该控制机构包括例如电子控制单元（ECU），该电子控制单元（ECU）控制逆变器31并且因此控制高压压缩机HPC5和第一旁通机构3、4的启动/停用。控制机构ECU实质上控制且操纵发动机装置的机械组件和电气组件（电动扭矩变换器55）两者以便将装置本身的操作配置从一个到另一个改变。

发动机装置也包括第一检测机构，第一检测机构可操作地连接到控制机构ECU，以用于检测所述排放气体的温度。特别地，在HPT6之前的所述排放管道20上检测该温度。发动机装置也包括可操作地连接到控制机构ECU的所述Lambda值的第二检测机构。所述第二检测机构优选地包括沿进气管道2布置且连接到控制机构ECU（上面指出的）以便计算Lambda值的至少一个压力传感器和至少一个温度传感器。更详细地，控制机构ECU通过分别由所述第二检测机构的所述至少一个压力传感器和所述至少一个温度传感器所测量的升压压力和温度来计算燃料需求和空气质量流量（massairflow）。根据可选择的解决方案，第二检测机构可包括操作地连接到上面指出的控制机构ECU的适当的Lambda传感器。

发动机装置优选地也包括发动机制动机构和发动机转速传感器，该发动机转速传感器例如可以是习惯上安装在内燃发动机的飞轮上的传感器。此外，该装置优选地也包括用于检测扭矩的至少一个扭矩传感器。扭矩传感器也可操作地连接到控制机构ECU。此外，“燃料图（fuelmap）”优选地存储到控制机构ECU中。基于该燃料图且基于来自扭矩传感器的信息，控制机构ECU启动发动机制动器。就这一点而言，如果检测到主动的注入，那么可不启动发动机制动器。反之，如果没有燃料的注入且如果发动机的速度在预先建立的值（例如1000rpm）之上，那么可启动发动机制动器。

必须注意的是，在已知的解决方案中，控制机构不连接到扭矩传感器。特别地，在已知的解决方案中，在点火模式期间，在包括关于发动机速度、扭矩及燃料质量的数据的“燃料图”中查出扭矩。通常地，“燃料图”在测试台上界定及控制。在常规的解决方案中，在驾驶员的请求后，控制机构基于燃料图提交燃料质量，但是就扭矩而言没有来自发动机的任何反馈。此外，在常规的解决方案中，在制动模式期间，控制机构没有检测到燃料的供给，且制动扭矩的值也出自包含关于发动机速度和制动扭矩的数据的“制动图”。该“制动图”也在测试台上界定并校准。

不同地，在本发明中与控制机构ECU连通的扭矩传感器的存在允许控制发动机的变化并且特别是这些变化的原因。这使能够将发动机的变化保持在非常接近的范围内且补偿在使用期限期间的老化和磨损。

根据本发明，当以下条件中的至少一个发生时，发动机装置1的策略包括停用所述第一旁通机构3、4的步骤及通过第一电动机32启动所述HPC5的步骤：

a）排放温度超过预定值（例如在760℃之上）；

b）Lambda值低于预定值；

c）进气管道（2）处的压力比超过低压压缩机LPC11的至少一个浪涌值；

d）发动机制动机构启动；

e）发动机转速在预定值之下。

换句话说，根据本发明，实质上从上面指出的第一操作配置开始，当条件a）-e）中的至少一个被验证时，则第一旁通机构3、4实质上关闭使得空气质量流穿过HPC5以被压缩。在这种情况下，HPC5通过第一电动机32操作以便主动地对空气质量流进行作用。反之，当第一旁通机构启动（即当质量空气流穿过管3和阀4）时，则第一电动机32停用使得HPC5不执行空气流的任何压缩。第一旁通机构3、4的停用优选地在第一电动机32启动HPC5之前或同时执行。

以上指出的条件a）-e）由控制机构ECU来核对，控制机构ECU随后干预发动机装置的第一旁通机构3、4。控制机构ECU可在干预第一旁通机构3、4之前核对所有条件a）-e）。可选择地，只要条件a）-e）中的一个独立于其他控制而被检测到，则控制机构ECU可进行干预。

特别地，当要点a）下指出的条件发生时，那么HPC5由第一电动机32操作以便产生另外的空气升压，以提高Lambda值且降低燃烧温度。参考在要点b）下指出的条件，Lambda值根据下面的公式由从空气到燃料的比率来计算：

Lambda=AFR/AFR_化学计量

其中AFR=m_空气/m_燃料且AFR_化学计量对柴油定义为14,545。已经注意到，当Lambda达到包括在1.4-1.8之间的范围内的值时，达到了具有最少烟的最高效率。当由Lambda传感器检测的Lambda值离开该范围时，则根据情况第一旁通机构3、4被启动/停用且HPC5被操作/停用。特别地，如果Lambda值低于1.4，则第一旁通机构3、4停用（阀4关闭）且HPC5由第一电动机32操作。反之，当Lambda值高于1.8时，那么第一旁通机构3、4启动（阀4打开）且第一电动机32停止以便停止HPC5。

参考在要点c）下指出的条件，当发动机装置例如在上面指出的“单级配置”中时，在低发动机速度（即低空气质量流量）下，LPC11压缩机的压力比（即LPC11的上游压力和下游压力之间的比率）必须增加以便增加发动机处的扭矩。这通过停用第一旁通机构3、4及通过第一电动机32启动HPC5来产生。

LPC11的工作图通过增加压力时的浪涌线明显地限制。在浪涌线之上操作压缩机LPC11，不稳定的脉冲将破坏叶轮。浪涌线在LPC11工作图中的定位取决于压缩机的设计和制造者。根据本发明，为了增加在低的空气质量流量下的压力比而使用HPC5。通过将压力比从一个压缩机（LPC）分割到两个压缩机（LPC和HPC），可达到较高的压力比而没有与LPC11的浪涌线相交。很明显，在较高的质量流量下，单个压缩机（LPC）可达到所要求的压力比而没有浪涌，因此可启动第一旁通机构3、4且切断HPC5。

参考在要点d）下指出的条件，在交通工具的发动机的制动阶段期间，第一旁通机构3、4停用且HPC5（通过第一电动机32）主动对空气质量流进行作用以便增加发动机制动力。发动机制动模式是交通工具的驾驶员的需求的结果，驾驶员例如通过开关或通过制动踏板向控制机构发送信号，该控制机构核对发动机操作数据并启动制动模式。特别地，控制机构根据以上指出的内容停用第一旁通机构3、4且操作第一电动机32（即HPC5）。

发动机装置1优选地也包括排放气体再循环（下文中的EGR）系统，以用于减少燃烧期间的氮氧化物。EGR通过在内燃发动机的入口27的压力（即在进气管道2的端部附近测量到的压力）和在内燃发动机1的出口20b的压力（即在HPT6上游的排放管道20的开始处的压力）之间的差来控制。如果在入口27处的压力高于在出口20b处的压力（负增压循环），则排放气体再循环是可能的，且反之亦然。因此根据本发明，EGR的质量流量通过停用/启动第一旁通机构3、4及通过借助于第一电动机32操作HPC5来调节。在这种情况下，HPC5对进气空气质量流进行作用，增加了入口27处的压力，且因此恢复了用于排放气体的再循环的条件。

总结以上内容，根据本发明，发动机装置1通过停用第一旁通机构3、4及通过启动HPC5压缩机（经由第一电动机32）而转变成“两级配置”以便：

-增加升压压力、降低排放气体温度和提高在低的发动机速度和低的质量流率下的瞬态响应，以及

-当在低质量流率下要求高的压力比时，转移发动机运转线使之离开性能图中的低压压缩机（LPC11）的涌浪区，以及

-增加发动机制动力。

因此，通过本发明实现了多个优点：

-两级涡轮增压系统和单涡轮复合系统和双涡轮复合系统的优点以及机械高压压缩机集中于一个发动机方案中，

-在瞬态发动机性能方面加以提高，

-增加发动机制动力，

-在回收策略方面的改进。

为了更好地解释通过本发明可达到的优点，这里定义了一些有用的参数：

-IMEP是从示功图（indicator diagram）计算的工作循环期间的发动机汽缸内的“平均压力”。

该“平均压力”是在操作循环期间在燃烧室中产生的压力。其是称为指示马力的无摩擦功率的理论上的表达。除了完全地不考虑关于摩擦的功率损失之外，指示马力没有给出关于多少实际的功率递送到传动轴（propeller shaft）以用于做有用功的指示。然而，其涉及在汽缸中发生的实际压力且可用作这些压力的测量。IMEP等于“制动机构有效压力”（在下文中称为BMEP）加上“摩擦机构有效压力”（在下文中称为FMEP）。

-P_出口=发动机之后的压力（在出口20b）；

-P_入口=发动机之前的压力（在入口27）；

-P_发动机=在曲轴处的功率；

-P_回收=回收功率。

发电的任何技术过程伴随能量损失和熵增长。能量损耗在运输、变换、产生、应用期间发生，且其是不可避免的。除了熵增长的自然定律之外，以热的形式的大量能量被浪费。“废热回收系统（Waste Heat RecuperationSystems）”再循环了一些损失的一部分且从而提高了在热力学循环中的效率。

-EPGE即“气体交换能量潜力（Energy Potential Gas Exchange）”，是交换的能量。如果增压循环功是正的，则发动机不执行用于增压和减压具有工作着的流体的汽缸的工作。因此，如果增压循环功是正的，则发动机的效率增加（EPGE+）。

如果增压循环功是负的，则发动机需要花费一些功以用于气体交换（EPGE-），因此，效率降低。

-PFRC即功率片段回收（Power Fraction Recuperation），是能量。具有废热回收的系统可再循环一些损失的一部分且从而提高了在热力学循环中的效率。PFRC是发动机功率和回收功率（从排放气体到曲轴）的比例因子。

-POFS=燃料节省的潜力（无量纲比率）；该参数也可通过以下等式来描述：

POFS=EPEG+PFRC

POFS=(IMEP/P_出口-P_入口)+(P_发动机/P_回收)

因此，EPEG和PFRC影响了发动机效率。

具有排放气体回收的系统通常具有较高的背压（在出口处的气体压力）及负增压循环功。

标准的两级涡轮增压系统不能回收能量但它们可达到正增压循环功。EPEG的负效应可通过增加PERC来补偿。

图4、图5和图6示出了应用于相同的内燃发动机（Cursor^TM）的多个增压方案的对比，设置有：

7）可变几何涡轮机[VTG]（参考空菱形）；

8）两级增压器[2级]（参考空圆形）；

9）具有单级涡轮增压的第一涡轮复合[TCD]（参考横线）；

10）根据在EP2042705描述的方案即两级涡轮增压的第二涡轮复合[TC2]，（参考空三角形）；

11）本发明的第一种实施方式（iTC）（参考空矩形）。

特别地，绘制了图4-6中的图表以便分别示出所述量：POFS、EPEG、PFRC的对比。

从800rpm到1500rpm，根据本发明的装置的发动机作为两级涡轮复合系统（HPC和LPT连接到曲轴）运转。从1500rpm到2200rpm，HPC5断开（第一电动机32停止），而LPT7总是开启。图4示出了本发明的方案相对于已知方案从发动机曲轴的大约1500RPM开始给出了在燃料节省方面的令人惊讶的燃料减少。跟该结果一致，图6的图表也示出了从1500RPM开始的较高的PFRC。且图5示出了从发动机曲轴的大约1500RPM开始的较低的EPEG。

似乎是总的POFC相对于TCD方案较低，然而根据本发明的该方案的功率密度增加：34kW/lTCDvs38kW/liTC。

应在本发明（iTC）的方案和根据专利EP2042705的TC2之间执行正确的对比，其中两个系统都具有相同的功率密度。由此，POFC明显地提高。

根据本发明，自由运行两级模式（即HPC5和LPT7停用）可用于在图中的额定功率的50%以下的操作区域中得到更多的正增压循环功。该运行状态在图2-5中未示出。

HPC和LPT的开关的点不固定且取决于发动机特性、功率目标、涡轮机特性等等。

此外，相对于EP2042705公开的方案且也相对于DE102005003714公开的方案取得了更好的瞬态性能，这是由于用于高压布局的在高压侧的较小的空气体积。这也导致了在瞬态操作模式下的较低的烟的水平。

此外，相对于标准的单级涡轮复合，本发明示出：

-在低发动机速度下，排出较少的烟且得到较低的工作温度，

-功率密度大大增加，特别在低发动机速度下。

必须注意的是，在制动模式条件下，与在EP2042705和在DE102005003714两者中公开的方案相比较，由于更小的高压涡轮机（即更高的升压），根据本发明的发动机装置1在较低发动机速度下产生更高的制动扭矩。

该两个实施方式都能够在实现目标Lambda时减少耦联增压器的发动机在高发动机速度下的功率需求。因此燃料消耗量大大减少。

本主题发明的许多改变、修改、变化及其他用法和应用在考虑了公开其优选的实施方式的说明书和附图后将对本领域的技术人员变得明显。不偏离本发明的精神和范围的所有这样的改变、修改、变化及其他用法和应用认为被本发明所覆盖。

将不描述另外的实施细节，这是由于本领域技术人员能够从以上描述的教导开始执行本发明。

Claims (19)

1.一种发动机装置，包括：

-内燃发动机（1），其具有进气管道（2）和排放管道（20）；

-低压压缩机（11）和高压压缩机（5），所述低压压缩机（11）和所述高压压缩机（5）按照空气的流动方向布置在所述进气管道（2）上；

-高压涡轮机和低压涡轮机（7），所述高压涡轮机和所述低压涡轮机（7）按照气体的流动方向布置在所述排放管道上；

-第一旁通机构，其用于对所述高压压缩机（5）进行旁通，

其中，所述高压涡轮机（6）用轴连接到所述低压压缩机（11），所述发动机装置包括电动扭矩变换器（55），所述电动扭矩变换器（55）至少包括：

-发电机（30），其被连接以便由所述低压涡轮机（7）来驱动；

-第一电动机（32），其被连接以便驱动所述高压压缩机（5）；

-电力变换机构（31），其适合于变换由所述发电机（30）产生的电能且至少为所述第一电动机（32）供电并控制所述第一电动机（32）。

2.根据权利要求1所述的装置，其中当所述条件中的至少一个发生时，所述高压压缩机（5）由所述第一电动机（32）来操作：

a）排放温度超过预定值，

b）所述Lambda值低于预定值，

c）在所述进气管道（2）的所述压力比至少超过所述低压增压器（11）的浪涌值，

d）所述装置的发动机制动机构启动，

e）所述发动机的速度低于预定值。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置包括排放气体再循环（EGR）系统，如果在所述发动机的进口处的压力低于在出口（20）处的压力，则由所述第一电动机（32）来操作所述高压压缩机（5）。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其中当所述第一电动机（32）由所述电力变换机构操作时，所述第一旁通机构（3、4）停用。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其中所述电动扭矩变换器（55）包括储能器（34），且其中所述电力变换机构包括电连接到所述储能器（34）、电连接到所述发电机（30）且电连接到所述第一电动机（31）的逆变器（31）。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电动扭矩变换器（55）还包括由所述逆变器（31）供电和控制的第二电动机。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述电动扭矩变换器（55）还包括电连接到所述逆变器（31）的电容器（39），且其中在短期需求情况下，所述第一电动机（32）通过来自所述电容器（39）的电力经由所述逆变器（31）被供电。

8.根据权利要求5到7中任一项所述的装置，其中在长期需求情况下，所述第一电动机（31）通过来自所述电容器（39）的电能经由所述逆变器（31）被供电。

9.根据权利要求7和8所述的装置，其中所述电动扭矩变换器（55）还包括机械地连接到所述内燃发动机（1）的曲轴且电连接到所述逆变器（31）的异步机（33b）。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述异步机（33b）经由所述逆变器（31）被操作以便在所述内燃机（1）的制动/减速期间充当发电机。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述异步机（33b）经由所述逆变器（31）被操作以便在功率需求情况下充当电动机。

12.一种包括根据权利要求1到7中任一项所述的装置的交通工具,特别是工业交通工具。

13.一种用于如权利要求1所述的涡轮复合发动机装置的控制方法，所述装置还包括：

-第一检测机构，其用于测量排放气体温度；

-第二检测机构，其用于检测Lambda值；

-测量机构，其用于测量所述低压压缩机的下游和上游的压力；

-发动机制动机构；

-发动机转速传感器；

其中，所述控制方法包括当以下条件中的至少一个发生时停用所述第一旁通机构（3、4）并启动所述高压压缩机（5）的步骤：

a）排放温度超过预定值，

b）所述Lambda值低于预定值，

c）在所述进气管道（2）处的所述压力比至少超过所述低压增压器（11）的浪涌值，

d）所述发动机制动机构被启动，

e）所述发动机的速度低于预定值。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其中如果所述发动机装置包括排放气体再循环（EGR）系统，则所述方法还包括以下步骤：若所述发动机的进口（27）处的压力低于所述发动机的出口（20b）处的压力，则停用所述第一旁通机构（3、4）且启动所述高压压缩机（5）。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其中在所述高压涡轮机（6）之前的所述排放管道（20）上检测所述排放温度。

16.根据权利要求13-15中任一项所述的控制方法，其中当所述Lambda值低于大约1.4时所述条件b）发生，所述方法包括如果所述Lambda值超过大约1.8则启动所述第一旁通机构的步骤。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的控制方法，其中，如果所述发动机装置包括所述低压涡轮机（7）的旁通机构（25、26），则当所述条件e）发生时，所述低压涡轮机（8）的所述旁通机构（25、26）启动。

18.一种包括计算机程序代码模块的计算机程序，所述计算机程序代码模块适于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求11到17中任一项的所有步骤。

19.一种具有记录于其上的程序的计算机可读介质，所述计算机可读介质包括计算机程序代码模块，所述计算机程序代码模块适于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求11到17中任一项的所有步骤。

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