CN107023381A - 具有排气涡轮增压布置的机械增压内燃发动机及操作所述类型内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有排气涡轮增压布置的机械增压内燃发动机及操作所述类型内燃发动机的方法。本公开涉及一种具有进气系统和排气排放系统的机械增压内燃发动机，该机械增压内燃发动机包括两个串联设置的涡轮增压器、涡轮发电机和电驱动压缩机。发动机在中到高排气流率下的操作期间，旁通高压涡轮增压器的过量排气可以被引导穿过涡轮发电机以发电，其可以被提供以驱动电驱动压缩机。

Description

具有排气涡轮增压布置的机械增压内燃发动机及操作所述类 型内燃发动机的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月1日提交的德国专利申请号102016201464.1的优先权。上述申请全部内容通过参考方式将其全文并入本文中，用于所有目的。

技术领域

本发明提供了涡轮增压内燃发动机的系统和方法。

背景技术

在本发明的上下文中，表述“内燃发动机”包括奥托循环发动机、柴油发动机、且还有利用混合燃烧过程的混合动力内燃发动机、不仅包括内燃发动机还包括电机的混合动力驱动，该电机通过驱动连接到内燃发动机并从内燃发动机接收动力或者，作为可切换辅助驱动，额外地输出动力。

在内燃发动机的研发中，基础目标在于使燃料消耗最小化，其中努力的重点在于获得良好的整体效率。

燃料消耗及由此导致的效率特别地在奥托循环发动机的情况下提出了问题，其中，所需求的负荷或动力通过改变燃烧室的增压而设定，即，通过量调节。然而，通过节气门翻板(throttle flap)进行的量调节由于节流损失而在部分负荷范围中具有热力学缺点。

对奥托循环发动机减少节流的方案的一种方法在于，例如，利用直接喷射的奥托循环发动机操作过程。燃料直接喷射到气缸的燃烧室被认为是显著降低甚至在奥托循环发动机中的燃料消耗的适当措施。内燃发动机的减少节流通过在某些限制中使用的量调节而实现。据此，通过直接喷射，可以实现分层燃烧室燃烧。至少部分可变气门驱动的使用同样提供了减少节流的可能性。气缸停用(即，某个负荷范围中单个气缸的停用)同样用于减少奥托循环发动机的节流。通过部分停用，部分负荷运行中的效率能够改善(即，增加)，因为在恒定发动机动力的情况下，多缸内燃发动机中一个气缸的停用增加了仍然工作的其他气缸上的负荷。部分停用期间，永久操作的气缸此外在燃料消耗率较低的更高负荷的区域中工作。负荷收集向着更高负荷变换。

提高内燃发动机效率和/或降低燃料消耗的进一步措施由内燃发动机的机械增压构成，其中机械增压是主要增加功率的方法，其中，发动机中的燃烧过程所需空气被压缩，而更大质量的空气在每个工作循环中能够提供给每个气缸。以此方式，燃料质量和因此产生的平均压力能够增加。

机械增压是增加内燃发动机动力同时保持不变的容积排量(swept volume)或者降低容积排量同时保持相同功率的适宜手段。在任意情况下，机械增压导致容积功率输出增加以及更为有利的功率重量比。如果容积排量降低，由此能够将负荷收集转换为燃料消耗率较低的更高负荷。通过结合适宜变速器配置的机械增压，也可以实现所谓的降速(downspeed)，由此可以获得更低的燃料消耗率。

机械增压因而有助于不断努力研发内燃发动机以使得燃料消耗最小化，即，提高内燃发动机的效率。

对于机械增压，通常使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮机设置在同一轴上。热排气流提供给涡轮机并在所述涡轮机中利用能量的释放而膨胀，结果就是轴被设定为旋转。由排气流提供到涡轮机且最终提供到轴的能量被用于驱动压缩机，其同样是设置在该轴上的。压缩机传送并压缩提供给自身的增压空气，结果获得了气缸的机械增压。增压空气冷却布置可附加地提供在压缩机下游的进气系统中，籍此压缩的增压空气在其进入到气缸之前冷却。

排气涡轮增压器相对于机械增压器的优势在于不存在传递功率的机械连接，或者排气涡轮增压器和内燃发动机之间不需要传递功率的机械连接。同时，机械增压器抽取将其整个从内燃发动机驱动所需的能量，由此降低了输出功率并由此不利地影响发动机效率，排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。

机械增压器相对于排气涡轮增压器的优势在于机械增压器一直生成并可以获得所需增压压力，特别地无论内燃发动机操作状态，特别是无论曲轴当前旋转速度。特别地，这应用到能够通过电机驱动的机械增压器。

在排气涡轮增压器的配置中会遇到问题，其中基本上试图在所有发动机转速范围上获得显著的性能增加。在具有排气涡轮增压器的机械增压的内燃发动机情况下，当某个发动机转速下冲(undershoot)时，观察到相对显著的扭矩降。

所述扭矩降是可以理解的，如果我们考虑到增压压力比取决于涡轮机压力比。例如，如果发动机转速降低，这导致更小的排气质量流量，且由此导致更低的涡轮机压力比。结果，增压压力比同样在更小的发动机转速方向上降低，这等于扭矩降。

之前，各种措施已经用于增强排气涡轮增压式内燃发动机的扭矩性能，包括小的涡轮机横截面以及排气放气设施的提供。为此目的，涡轮机可安装有旁路管线，其从涡轮机上游的排气排放系统分出，并且截流元件设置在旁路管线中。这种涡轮机也被称为废气门涡轮机。如果排气质量流量超过阈值，在所谓的排气放气进程期间经由旁路管线，排气流的一部分被引导经过涡轮机，也即是放气。这个过程所具有的缺点在于，高能量的放气排气仍然未被利用，而机械增压行为在更高发动机转速下或者相对较大量排气的情况下常常是不足的。

机械增压内燃发动机的扭矩性能也可以通过并联设置的多个涡轮增压器增强，例如通过并联设置的多个具有相对较小涡轮机横截面的涡轮机增强。涡轮机可以在渐增的排气流率下连续激活。

扭矩性能也可以受到串联多个排气涡轮增压器影响。在一个示例中，串联两个排气涡轮增压器，其中第一排气涡轮增压器用作高压级，而第二排气涡轮增压器用作低压级，压缩机性能图可以扩展到包括较小压缩机流量和较大压缩机流量二者。

特别地，利用用作高压级的第一排气涡轮增压器，可以让喘振极限可以在较小压缩机流量的方向上变换；由此，高增压压力比即便是在小压缩机流量的情况下都可以获得，这在较低发动机转速范围中显著增强了扭矩性能。这通过针对较小排气质量流量使用高压涡轮机并通过提供旁路管线获得，由此，利用渐增的排气质量流量，渐增量的排气被引导穿过高压涡轮机。为此目的，旁路管线从高压涡轮机上游的排气排放系统分出并在低压涡轮机上游再次通向排气排放系统，其中截流元件设置在旁路管线中以控制被引导穿过高压涡轮机的排气流。

缩小规模的效果通过排气涡轮增压器的多级机械增压进一步增强。此外，以这种方式机械增压的内燃发动机的响应行为相对于单级机械增压的相同内燃发动机来说大幅度提高，因为相对较小的高压级不太迟钝(inert)，且较小尺寸的排气涡轮增压器的转子能够更快地加速。

欧洲专利EP1640596B1公开了具有串联设置的两个排气涡轮增压器的内燃发动机，其中第一排气涡轮增压器用作低压级，而第二排气涡轮增压器用作高压级。涡轮增压器系统包括气门系统，其具有独立可控的气门部件，从而可选择性地控制气流进入高压涡轮增压器和低压涡轮增压器单元的涡轮部分。

然而，发明者在此已经意识到，EP11640596中描述的涡轮增压器系统不在大范围转速和负荷条件下为发动机提供高增压压力的有效控制。进一步的措施可以是需要的，以提高扭矩性能以及增加效率，从而满足对现代排气涡轮增压内燃发动机的日后需求。特别地，机械增压构思的兴趣之处在于喘振极限能够向甚至更低的增压空气流率进一步变换从而在非常低的发动机转速下提高内燃发动机的扭矩性能。此外，需求机械增压布置更快响应，从而提高内燃发动机的瞬态行为。特别地，后者也是与排气再循环的协力相关的。此外，基本上总是这种情况，寻求高的最大功率或者大功率增加。

发明内容

发明者在此已经意识到上述潜在问题，并提供了至少部分地解决以上问题的系统和方法。在一个示例中，机械增压内燃发动机系统包括将增压空气提供到内燃发动机的进气系统；将排气从内燃发动机排出的排气排放系统；至少两个串联的排气涡轮增压器，每个排气涡轮增压器包括设置在排气排放系统中的涡轮机以及设置在进气系统中的压缩机，该至少两个串联的排气涡轮增压器包括用作低压级的第一排气涡轮增压器和用作高压级的第二排气涡轮增压器，第二排气涡轮增压器的第二压缩机设置在第一排气涡轮增压器的第一压缩机下游，第一排气涡轮增压器的第一涡轮机设置在第二排气涡轮增压器的第二涡轮机下游；第三旁路管线，第三截流元件设置在第三旁路管线中；第三涡轮机，其相对于第二排气涡轮增压器的第二涡轮机并联设置在排气排放系统中，第三涡轮机安装有可变几何涡轮机并通过驱动连接到发电机；第四截流元件，用于激活目的该第四截流元件设置在第三涡轮机上游，第一截流元件设置在第一旁路管线中，且该第一旁路管线从在第三涡轮机和第二排气涡轮增压器的第二涡轮机上游的排气排放系统分出，且在第一涡轮机和第二涡轮机下游再次通向排气排放系统；第三压缩机，其设置在进气系统中、在第一排气涡轮增压器的第一压缩机和第二排气涡轮增压器的第二压缩机之间，并通过驱动连接到电机；和第二旁路管线，第二截流元件设置在第二旁路管线中，并且该第二旁路管线从第一排气涡轮增压器的第一压缩机和第三压缩机之间的进气系统分出，并通向第三压缩机和第二排气涡轮增压器的第二压缩机之间的进气系统中。

第二排气涡轮增压器的涡轮机(下文将其称之为第二涡轮机)在当前情况下安装有旁路管线。根据本发明，额外的情况是，另外的涡轮机在高压级提供，另外的涡轮机相对于所述第二涡轮机(即，高压涡轮机)并联设置。高压级的两个涡轮机能够经由旁路管线(特别是第一旁路管线)旁通。这使高压涡轮机配置为非常低的排气流率是可能的。

HP(高压)排气涡轮增压器的相关联的压缩机相应地是小尺寸，借此喘振极限向着非常低的增压气体流率变换，并且高增压压力即便是在非常低的发动机转速下也能够在第一操作模式中实现。结果，低发动机转速范围中的内燃发动机扭矩性能得以大幅度提高。

在一个示例中，在存在非常低的增压空气流率(如，在低发动机转速下)的情况下，增压系统作为在第一操作模式下的两级传统涡轮增压器系统而操作，其中附加压缩机、第一高压涡轮机和第二涡轮机旁路管线由于各个气门的关闭而停用。那样的话，气流将被HP压缩机压缩并流过排气系统中的第二HP涡轮机。内燃发动机的非常小的高压级没那么迟钝。负荷变化的情况下小的高压级的相对较快的响应显著提高了内燃发动机的瞬态行为。

应该理解的是，上述发明内容是为了以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一些概念而提供的。这并非旨在确定所要求保护主题的关键或者必要特征，所要求保护主题的范围通过随附权利要求唯一限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上述或者本说明书任意部分中提及的任意缺点的实施方式。

附图说明

图1示意性地示出了内燃发动机的实施方式。

图2示意性地示出了图1中发动机的发动机特性映射图。

图3示出了操作图1中发动机的方法。

图4示出了操作图1中发动机的第一模式。

图5示出了操作图1中发动机的第二模式。

图6示出了操作图1中发动机的第三模式。

图7示出了操作图1中发动机的第四模式。

图8为示出示例操作参数的图。

具体实施方式

内燃发动机的涡轮增压器布置指涡轮增压器布置或者涡轮增压器系统，其包括按序设置的低压涡轮增压级和高压涡轮增压级。HP排气涡轮增压器的压缩机设置在LP(低压)排气涡轮增压器的压缩机的下游，并且，出于旁通的目的，安装有受到第二压缩机旁路气门控制的第二压缩机旁路管线。LP排气涡轮增压器的涡轮机设置在HP排气涡轮增压器的第二HP涡轮机下游，其中第二HP涡轮机是可变几何涡轮机。第一HP涡轮机连接到发电机，并联于HP排气涡轮增压器的第二HP涡轮机设置，通过位于第一HP涡轮机上游的第一涡轮机旁路气门控制。附加的压缩机，被第一压缩机旁路气门控制，设置在进气系统中、在LP排气涡轮增压器的LP压缩机和HP排气涡轮增压器的HP压缩机之间，并连接到电机(电子增压器)。第一HP涡轮机的发电机被用于为附加压缩机的电机提供电力。第二涡轮机旁路管线，被第二涡轮机旁路气门控制，设置在第一和第二HP涡轮机上游的排气排放系统中，并在所述涡轮机的下游再次通向排气排放系统中。控制器可以响应于发动机工况通过调节沿着进气系统和排气系统的气门的位置，调整气流通过上述系统，进入高压涡轮增压器及低压涡轮增压器单元的适宜压缩机和涡轮机部分。

以下说明涉及操作至少连接到至少两个串联的排气涡轮增压器的发动机的系统和方法。图1中所示实施方式示意性地示出了机械增压内燃发动机的实施方式。图2示出与内燃发动机相关的发动机操作映射图，而图3示出了图1中发动机的各种操作方法。图4-7示出了图3中所示每个单独的操作模式的方法。图8为示出操作参数的图，这些参数可以在本文所描述的方法执行期间观察所得。

如上所解释，根据本发明的发动机系统包括串联设置的两个涡轮增压器、涡轮发电机以及电驱动的附加压缩机。例如，发动机系统可基于发动机转速和负荷，在多种操作模式下操作。在相对较低到中等发动机转速下执行的第一操作模式中，系统类似于标准两级涡轮增压器系统操作，其中，排气流经高压涡轮机且然后流经低压涡轮机。可以电驱动的附加压缩机，当被指示为生成所需求的增压压力时以辅助方式使用。由于附加压缩机仅仅在第一操作模式中简短使用，电驱动功率的提供不会引起问题。

如果排气流率增加，根据第二操作模式从两级机械增压器，通过两个排气涡轮增压器变换为三级机械增压，其中，额外的压缩机永久操作。然后，(至少尤其)通过高压级中(如，低压涡轮机上游)设置的涡轮发电机的涡轮机提供额外压缩机驱动所用的电能，进一步的涡轮机根据本发明通过驱动连接到发电机。为此目的，进一步的涡轮机通过设置在上游的截流元件被致动而激活。

使用进一步的涡轮机和发电机回收的电能至少部分地用于通过电机驱动附加压缩机。进一步的涡轮机与附加压缩机的这种相互作用首先允许额外压缩机的永久操作，附加压缩机利用不会被提供的或者仅仅通过能量存储(例如，通过车载电池)在困难的情况下提供的电能量。

一旦过量排气存在于高压涡轮机，(涡轮发电机的)进一步的涡轮机基本上可以用于能量回收。进一步的涡轮机的可变几何涡轮机能够使在排气排放系统中上游遍布的压力被设定和/或控制，且由此使遍布整个高压涡轮机中的涡轮机压力比或在进气侧处生成的增压压力被设定和/或控制。

如果排气流率然后增加(例如，由于发动机转速增加)，高压级的压缩机(即，第二排气涡轮增压器的压缩机)尺寸适于非常低的增压空气流率，可以通过旁路管线旁通，且在第三操作模式中，通过第一排气涡轮增压器和附加压缩机进行两级的机械增压。驱动附加压缩机所用的电能再次由设置在高压级的进一步的涡轮机提供，其在遍布的相对较高排气流率的情况下被激活。

高或非常高的排气流率或者增压空气流率存在的情况下，则该情况为，在第四操作模式中通过第一排气涡轮增压器执行单级压缩，其中，高压级的压缩机(即，第二排气涡轮增压器的压缩机)以及附加压缩机两者经由旁路管线旁通。进一步的涡轮机被激活。如果提供了可变几何涡轮机，高压级的涡轮机(即，第二排气涡轮增压器的涡轮机)可以经由所述几何被关闭而在某程度上被停用。

由于根据本发明的这种情况为在第四操作模式中，低压级覆盖或者必须覆盖与传统两级机械增压布置有关的小特性映射图区域，可以让根据本发明的低压级被配置有对功率的集中，即，关于尽可能高的最大功率。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，第三旁路管线从进气系统分出，在附加压缩机和第二排气涡轮增压器的压缩机之间，并通向第二排气涡轮增压器的压缩机下游的进气系统中。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，第一旁路管线通向第一排气涡轮增压器的涡轮机上游的排气排放系统中。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，第二排气涡轮增压器的涡轮机安装有可变几何涡轮机。

根据本发明，第二排气涡轮增压器的涡轮机针对任意情况下非常低的排气流率而配置，籍此内燃发动机在非常低发动机转速下的扭矩性能大大提高。可变几何涡轮机额外地增加了机械增压的灵活性。其允许几何涡轮机连续可变适应于内燃发动机的各个操作点，特别适应于较低发动机转速范围中的现有排气质量流量。

此处，影响流动方向的导叶设置在涡轮机的至少一个叶轮的上游。与旋转叶轮的叶轮叶片相比，导叶不随着涡轮机的轴(即，叶轮)旋转。导叶适当地设置为固定的但又不是完全不能移动的，而是设置为绕着它们的轴线可旋转，使得靠近叶轮叶片的流动能受影响。

相反，如果涡轮机具有固定、不可变的几何，则即使提供导向装置，导叶也不仅仅是固定的并且也完全不能移动，即，刚性固定。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，中间冷却器设置在进气系统中，在附加压缩机和第二排气涡轮增压器的压缩机之间。具体地，在执行三级机械增压的第二操作模式中，中间冷却器压缩(通过冷却)已经在永久操作的附加压缩机中预压缩的增压空气。首先，这支撑或者允许在存在中等或者相对较高增压空气流率的情况下，高压压缩机在三级压缩情况中使用。此处，可以考虑高压压缩机从最开始针对非常低的增压空气流率而配置。

提供为旁通高压压缩机的第三旁路管线从优选地在中间冷却器的下游的进气系统分出。然而，机械增压的内燃发动机的实施方式也可被提供，其中，第三旁路管线从中间冷却器的上游的进气系统分出。继而，第三旁路管线也用于旁通中间冷却器。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，增压空气冷却器设置在第二排气涡轮增压器的压缩机下游的进气系统中。增压空气冷却器降低了空气温度，且由此增加了增压空气的密度，结果是冷却器也对利用增压空气对气缸增压改善有所贡献，即，更大的空气质量。在示例中，增压空气冷却器可安装有允许旁通冷却器的旁路管线，特别是在预热阶段。后者也类似地应用于中间冷却器。

在一个示例中，为旁通高压压缩机而提供的第三旁路管线通向增压空气冷却器的上游的进气系统。然而，机械增压内燃发动机的实施方式提供也可被提供，其中，第三旁路管线通向增压空气冷却器的下游的进气系统。继而，第三旁路管线也用作旁通增压空气冷却器。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，提供用于存储电能的电池。如果内燃发动机的操作在此刻不允许使用进一步的涡轮机和发电机而从排气回收电能，则可以让附加压缩机的驱动至少简单地通过使用能量存储的电机而得到保证。此外，如果当前没有电能需求，可以让在进一步的涡轮机处回收的能量能够被存储或者被暂时存储。

机械增压内燃发动机的实施方式被提供，其中，第一排气涡轮增压器的涡轮机安装有从涡轮机上游的排气排放系统分出的旁路管线，并且该旁路管线通向优选地涡轮机下游的排气排放系统。继而可以让所有排气的排气后处理特别地通过设置在排气排放系统中的排气后处理系统共同执行。这例如可以为微粒过滤器、氧化催化转化器和/或排气后处理系统，以还原氮氧化物。

另一种示例提供了一种方法，其中在第一操作模式中，从以下情况出发：如果排气流率超过第一预定排气流率，截流元件关闭、第一截流元件关闭、第三截流元件关闭而第二截流元件打开，属于进一步的涡轮机的截流元件打开，从而通过调整进一步的涡轮机的可变几何涡轮机设定遍布在进一步的涡轮机上游的排气排放系统中的排气压力，在进一步的涡轮机处从排气生成的功率被发电机接收并且变换为回收的电能。

已经关于根据本发明的内燃发动机陈述的内容也应用于根据本发明的方法，因此，在此情况下大体上参考上述根据本发明与内燃发动机有关的陈述。不同的内燃发动机可部分地需求不同的方法变形。

方法变形被提供，其中，在第一操作模式中，如果负荷改变需求增加的增压压力，第二截流元件关闭而附加压缩机通过电机驱动。这种方式中，机械增压布置和机械增压内燃发动机的响应动作可被显著提高。

方法实施方式被提供，其中，从第一操作模式出发，内燃发动机变换为第二操作模式，其中，如果排气流率超过第二预定排气流率，截流元件打开而第一截流元件、第二截流元件和第三截流元件关闭，通过发电机回收的至少一部分电能可用于通过电机驱动附加压缩机。

在本申请中，方法的实施方式被提供，其中，从第二操作模式出发，内燃发动机变换到第三操作模式，其中如果排气流率超过第三预定排气流率，截流元件和第三截流元件打开，而第一截流元件和第二截流元件关闭。

在本申请中，方法的实施方式被提供，其中，从第三操作模式出发，内燃发动机被变换到第四操作模式，其中如果排气流超过第四预定排气流率，截流元件、第一截流元件、第二截流元件和第三截流元件打开。

图1示意性地示出了机械增压内燃发动机1，其具有供应增压空气到气缸的进气系统2以及用于排气排放的排气排放系统3。内燃发动机1是直列四缸发动机1a，其中，四个气缸直线设置，即沿着气缸盖的纵轴线。

内燃发动机1安装有串联的两个排气涡轮增压器6，7，且每个排气涡轮增压器包括设置在排气排放系统3中的涡轮机6a，7a，以及设置在进气系统2中的压缩机6b，7b，且第一排气涡轮增压器6用作低压级，而第二排气涡轮增压器7用作高压级。热排气在排气涡轮增压器6，7的每个涡轮机6a，7a中膨胀并释放能量，且驱动压缩增压空气并经由进气系统2和集气室将其供应至气缸的相关联的压缩机6b，7b，由此实现内燃发动机1的机械增压。第一排气涡轮增压器6的涡轮机6a可称为低压(LP)涡轮机和/或第一涡轮机。涡轮发电机的进一步的涡轮机被称为第一高压(HP)涡轮机和/或第三涡轮机。第二排气涡轮增压器7的涡轮机7a被称为第二高压(HP)涡轮机和/或第二涡轮机。第一排气涡轮增压器6的压缩机6b被称为低压(LP)压缩机和/或第一压缩机。第二排气涡轮增压器7的压缩机7b被称为高压(HP)压缩机和/或第二压缩机。

第二排气涡轮增压器7的HP压缩机7b设置在LP排气涡轮增压器6的LP压缩机6b的下游，且出于旁通的目的，该HP压缩机7b安装有第二压缩机旁路管线12，第二压缩机旁路气门12a设置在第二压缩机旁路管线12中(第二压缩机旁路气门也可以称为第三截流元件)。第二压缩机旁路气门12a可以是在两级模式中变换并可以打开或者堵住第二压缩机旁路管线12的气门12a。

第一排气涡轮增压器6的LP涡轮机6a设置在HP排气涡轮增压器7的第二HP涡轮机7a的下游，其中在高压级，所提供的第一HP涡轮机8相对于HP排气涡轮增压器7的第二HP涡轮机7a并联设置在排气排放系统3中。所述第一HP涡轮机8安装有可变几何涡轮机，并通过驱动连接到发电机8a。第一涡轮机旁路气门8b(也称为截流元件和/或第四截流气门)设置在第一HP涡轮机8的上游的排气排放系统3中，第一涡轮机旁路气门8b用以激活所述第一HP涡轮机8。在当前情况下，第一涡轮机旁路气门8b是可在两级下变换并打开或者堵住至第一HP涡轮机8的管线的气门8b。HP排气涡轮增压器7的第二HP涡轮机7a同样也安装有可变几何涡轮机(用虚线箭头表示)。

此外，第二涡轮旁路管线10提供为从第一HP涡轮机8上游的排气排放系统3以及HP排气涡轮增压器7的第二HP涡轮机7a分出，并再次通向所述HP涡轮机7a，8的下游的排气排放系统3，并得以旁通高压级的两个涡轮机7a，8。

第二涡轮机旁路气门10a(也称为第一截流元件)设置在所述第二涡轮机旁路管线10中，其可以在两级模式下变换，并打开或者截流第二涡轮机旁路管线10。

附加压缩机9设置在进气系统2中在LP排气涡轮增压机6的LP压缩机6b和HP排气涡轮增压机7的HP压缩机7b之间，其连接到电动机9a并能够经由第一压缩机旁路气门11a(也称为第二截流元件)控制的第一压缩机旁路管线11而旁通。第一压缩机旁路管线11从进气系统2中、LP压缩机6b和附加压缩机9之间分出，并再次通向附加压缩机9和HP压缩机7b之间的进气系统2中。

增压空气冷却器4设置在压缩机6b，7b下游的进气系统2中。增压空气冷却器4降低了空气温度并由此增加了增压空气的密度，这对利用增压空气改进气缸增压有贡献。

中间冷却器5设置在进气系统2中、在附加压缩机9和HP压缩机7b之间。在三级机械增压过程中，在第二操作模式中，中间冷却器5冷却已经在附加压缩机9中预压缩的增压空气。在存在中等或相对高的增压空气流率的情况下，这支持高压压缩机7b中的后续压缩。

第二压缩机旁路管线12(也称为第三旁路管线)从中间冷却器5的下游的进气系统2分出，这使得能够旁通HP压缩机7b。第一压缩机旁路管线11(也被称为第二旁路管线)允许旁通附加压缩机9并通向中间冷却器5的上游的进气系统2。

一旦在高压涡轮机7a中存在过多排气，第一HP涡轮机8就被用于能量回收。第一HP涡轮机8的可变几何涡轮机允许设定遍布在排气排放系统3上游的排气背压。

附加压缩机9通过电机9a电驱动并当受到指示时被激活，从而提供所需求增压压力。使用第一HP涡轮机8和发电机8a回收的电能能够至少部分地被利用以通过电机9a驱动附加压缩机9。

发电机8a和电机9a可以经由一组动力电子设备22电连接。响应于控制器112所发送的命令，可以控制动力电子设备22(在下文记载)。至少在某些操作模式期间，动力电子设备可直接提供由发电机供应的电能到电机中，不用将电能传递到电池和/或传递来自电池的电能。在一些示例中，电池24可连接到动力电子设备22。至少在某些操作模式期间，控制器可以命令发电机8a生成的电能存储在电池中和/或可以命令电机9a接收电池24中存储的电能。

发动机系统可进一步包括控制系统。控制系统可包括控制器112。控制器112在图1中被示为微型计算机，包括微处理器单元(CPU)99、输入/输出端口(I/O)104、在这个特殊示例中被示为只读存储芯片(ROM)106的用于执行程序和校验值的电子存储媒介、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110和数据总线。控制器112可接收来自连接到发动机1的传感器的各种信号，除了之前讨论过的那些信号外，还包括：来自质量空气流量传感器的引入质量空气流量(MAF)的测量；来自连接到冷却套筒的温度传感器的发动机冷却剂温度(ECT)；来自连接到发动机曲轴的霍尔效应传感器(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自MAP传感器的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以根据信号PIP通过控制器112生成。一个或多个温度传感器(未示出)可定位在排气口中以测量排气温度，排气后处理系统温度或者其他温度。此外，一个或多个排气传感器20可定位在排气系统中(如，在排气歧管处)。排气传感器可配置为测量排气的一种或多种参数，例如温度、氧气浓度和排气质量流量。

存储媒介只读存储器106能够利用计算机可读数据编程，该数据表示可由处理器99执行的指令，来执行下述的方法以及期待但未具体列明的其他变形。示例方法参考图3-7进行描述。

控制器112接收来自图1中各种传感器的信号并采用图1的各种致动器以基于所接收的信号和存储在控制器的存储器中的指令调整发动机操作。例如，控制器可从一个或多个传感器接收反馈以确定发动机负荷、发动机转速和/或排气质量流量(如，来自MAF，MAP，PIP传感器和排气传感器的反馈)并继而可以调整连接到第一压缩机旁路气门11a，第二压缩机旁路气门12a和第一涡轮机旁路气门8b以及第二涡轮机旁路气门10a的致动器，以调整气门的位置。

总而言之，可以使得四种不同的操作模式或者机械增压构思实现。

图2示意性地示出了与图1中所示内燃发动机相关的发动机特性映射图。发动机特性映射图显示了发动机扭矩(发动机负荷)与发动机转速的关系，以反映发动机工况。示出四种不同的操作模式A，B，C和D，其中A表示第一操作模式、B表示第二操作模式、C表示第三操作模式、D表示第四操作模式。

当排气流率相对较小时，例如因为发动机转速低于第一阈值转速，第一操作模式A被激活。在这个操作模式中，本发明的涡轮增压系统被操作为传统的两级涡轮增压系统且发动机在高压级条件下操作以生成发动机所需求的增压。第二压缩机旁路气门12a，第一涡轮机旁路气门8b，以及第二涡轮旁路气门10a完全关闭，让附加压缩机9和第一HP涡轮机被旁通。据此，LP涡轮机6a和HP涡轮机7a在工作中，驱动LP压缩机6b和HP压缩机7b以对进气空气施加两级压缩。因此，发动机增压通过低压和高压涡轮增压器二者提供。一旦排气流达到阈值，第一涡轮机旁路气门可以致动到打开位置，允许排气部分地流经第一HP涡轮机8b并经由发电机8a生成能量。这使得能量能够从发动机恢复并帮助控制排气背压。

如果检测到发动机负荷的增加，例如，当车辆向上坡移动时，第一压缩机旁路气门被致动到关闭位置，允许增压空气流经附加压缩机9并为发动机提供额外的增压压力。在这种情况下，发动机瞬态性能由电机9a使用经由涡轮发电机8a所提供的功率支持。因此，低发动机转速以及增加的发送机负荷状态下的涡轮增压器的涡轮迟滞期和性能的缺失能够通过使用发电机9a提供的外部电源而缓和。

当发动机转速超过第一阈值转速，并且低于第二阈值转速时，在稳定发动机负荷状态下，发动机操作模式从第一模式A转变为第二模式B。在这个操作模式中，本发明的涡轮增压系统作为三级涡轮增压系统操作，因而第一压缩机旁路气门11a、第二压缩机旁路气门12a以及第二涡轮机旁路气门10a关闭。据此，LP压缩机6b，附加压缩机9、和HP压缩机7b在工作中，以对进气空气进行三级压缩。排气在到达LP涡轮机6a之前流经HP涡轮机8和7a二者。穿过第一HP涡轮机8的排气旋转发电机8a的转子以发电，继而为驱动附加压缩机9的电机9a提供电力。这种方式，耗尽存储于连接到电机9a的电池中的以驱动附加压缩机9的能量的风险会降低。

当发动机转速超过第二阈值转速、低于第三阈值转速时，发动机操作模式从第二模式B转变为第三模式C。在这个操作模式中，本发明的涡轮增压系统操作为两级涡轮增压系统，而第一压缩机旁路气门11a和第二涡轮机旁路气门10a关闭。据此，LP压缩机6b和附加压缩机9在工作中，以对进气空气施加两级压缩。排气穿过HP涡轮机8和7a二者，以及LP涡轮机6a。排气系统3中排气流率的增加，允许更多的电量由发电机8a生成，这进而使得电机9a在没有功率耗尽的风险的情况下永久运行。

当发动机转速超过第三阈值转速时，发动机操作模式从第三模式C转变为第四模式D。在这个操作模式中，本发明的涡轮增压系统作为单级涡轮增压系统操作，由此四个旁路气门都打开。据此，LP压缩机6b是唯一工作的压缩机，以对进气空气进行单级压缩。排气经过第二涡轮机旁路管线10，且一些排气可行进穿过每个HP涡轮机，使得气流将部分地被导向到涡轮发电机8a中，允许生成电能。

现在参考图3，提供了操作四个发动机操作模式的示例方法300。执行方法300的指令可由控制器(例如，图1的控制器112)基于存储在控制器的存储器中的指令并结合从发动机系统的传感器(例如，参考图1的上述传感器)接收的信号执行。控制器可采用发动机系统的发动机致动器以根据下述方法来调整发动机操作。

在302，方法300通过评估发动机操作参数开始，发动机操作参数包括但不限于发动机负荷、发动机转速、增压压力(例如，其可以是进气歧管压力相对于环境压力的测量)，排气质量流量、和其他参数。方法300继而进行到304以确定发动机转速是否高于第一阈值转速。在一个示例中，第一阈值转速可以是中到低发动机转速，例如2000RPM。在另一个示例中，该方法可评估发动机转速和发动机负荷，并可确定发动机是否在第一转速负荷区域(如，图2中的区域A)中操作。此外，第一阈值转速可以是可变阈值，其基于发动机负荷改变，如，第一阈值转速可以随着发动机负荷的增加而降低。如果发动机转速未超过第一阈值转速，方法300进行到312，由此，第一操作模式A被激活，这会在图4中详细表示。

如果发动机转速超过第一阈值转速，方法前进到306，并确定发动机转速是否超过第二阈值转速。第二阈值转速高于第一阈值转速，且可为中等范围发动机转速，例如3000PRM。在另一个示例中，该方法可评估发动机转速和发动机负荷，并可确定发动机是否在第二转速负荷区域(如，图2所示的区域B)中操作。另外，第二阈值转速可以是可变阈值，其基于发动机负荷改变，如，第二阈值转速可随着发动机负荷的增加而减小。如果发动机转速超过第二阈值转速，方法进行到308，否则，如果发动机转速未超过第二阈值转速，方法进行到314，此时第二操作模式B被激活，这将在下文中参考图5详细说明。

在308，该方法确定发动机转速是否超过第三阈值转速。第三阈值转速高于第二阈值转速，并可以是相对较高的发动机转速，例如3500RPM。在另一个示例中，该方法可评估发动机转速和发动机负荷，并可确定发动机是否在第三转速负荷区域(例如，图2的区域C)中操作。此外，第三阈值转速可以是可变阈值，其基于发动机的负荷改变，如第三阈值转速随着发动机负荷的增加而减小。如果发动机转速未超过第三阈值转速，方法进行到316，籍此第三操作模式C被激活，这将在下面参考图6进行详细说明。如果发动机转速超过第三阈值转速，方法进行到310，在此第四操作模式D被激活，这会在下文参考图7详细说明。在一些示例中，当发动机转速超过第二阈值转速且发动机负荷高于阈值负荷时，第四操作模式可以被激活，其中，阈值负荷随着发动机转速增加而降低(如，图2的区域D)。

当在四个操作模式中哪一个进行操作的决定如上所述相对于发动机转速作出时，其他参数可以被评估以确定操作模式。例如，排气流率可以测量(如，通过图1的传感器20)或者估计(如，通过进气空气质量流量和燃料喷射量)，且操作模式的选择可以基于排气流率作出(如，当排气流低于第一阈值时可选择第一模式，当排气流率低于第二阈值并高于第一阈值时可选择第二模式，当排气流率低于第三阈值并高于第二阈值时可选择第三模式，而当排气流率高于第三阈值时可选择第四模式)。

转到图4，示出了在第一操作模式A中控制发动机的方法。执行方法300期间，第一模式A中的操作可以基于存在控制器的存储器中的发动机转速负荷映射图而确定。在402，接合低压涡轮增压器和高压涡轮增压器。在404，为了在第一操作模式中操作发动机，第一压缩机旁路气门11a打开，而保持第二压缩机旁路气门12a、第一涡轮机旁路气门8b、及第二涡轮机旁路气门10a在关闭位置。在406，进气空气流经LP压缩机6b和HP压缩机7b，并从发动机气缸排出气流到第二HP涡轮机，到LP涡轮机，然后到后处理装置。在408，LP压缩机和HP压缩机二者分别通过LP涡轮机和HP涡轮机驱动，导致压缩机进行对进气空气的两级压缩，为发动机提供所指示增压压力以满足扭矩需求。在第一发动机操作模式(模式A)中，排气可旁通第一HP涡轮机而进气空气可旁通附加压缩机。

在410，确定发动机负荷是否增加，如，车辆是否开始向上坡行进，同时保持在相对较低的发动机转速下。如果检测到负荷增加，那么方法进行到414，籍此第一压缩机旁路气门11a打开而电机9a被激活，允许通过附加压缩机9提供瞬态增压。如果发动机负荷中没有变化，那么该方法进行到404，其中，第一压缩机旁路气门保持关闭。在一个示例中，电机可由电池或者其他储能装置供电。在另一个示例中，如当存在足够的排气流以驱动第一HP涡轮机时，电机可以通过发电机8a生成的电力供能。在这种示例中，电机可接收来自发电机的所有电能并可以不接收来自电池的任何能量。

在412，确定排气系统3中的排气流率是否高于第一阈值。排气流率的确定可以与上述发动机负荷的确定同时进行。如果排气流率高于第一阈值，那么方法进行到416，在此第一涡轮机旁路气门8b打开，允许排气部分流经第一HP涡轮机8并在发电机8a中生成功率。那样，背压的增加可以被释放并被用于经由发电机8a发电以驱动电机9a。如果排气流率未超过第一阈值，那么方法回到404，而第一压缩机旁路气门11a保持关闭。

参考图5，提供在第二操作模式中操作发动机的方法500。响应于确定发动机转速在第一中间转速，如，超过第一阈值转速但是低于第二阈值转速，如上面参考图3所述(如，当第二操作模式被激活时)，可以执行方法500。在502，接合三级压缩机模式。三级压缩机模式可以包括，在504，通过使第一涡轮机旁路气门8b打开或者保持打开，并使第二压缩机旁路气门11a、第二压缩机旁路气门12a、以及第二涡轮机旁路气门10a关闭或者保持关闭而在第二操作模式中操作发动机。在506，进气空气流经LP压缩机6b，附加压缩机9，以及HP压缩机7b。附加压缩机9被电机9a驱动。排气流经第一HP涡轮机和第二HP涡轮机，流到LP涡轮机，然后流到后处理装置。排放系统能量的至少一部分被转换为在发电机8a中的电力，该电力被用于驱动附加压缩机9的电机9a。穿过第一HP涡轮机8的排气旋转发电机8a的转子，这进而在定子中生成电力。电力可以直接提供给电机，并为电机9a供电，这进一步驱动附加压缩机9。这种方式中，当电机9a驱动附加压缩机9时耗尽电池中电能的风险得以降低。

参考图6，提供了在第三操作模式中操作发动机的方法600。响应于确定发动机转速在第二中间转速，如，超过第二阈值转速但是低于第三阈值转速，如上面参考图3所述(如，当第三操作模式被激活时)，可以执行方法600。在602，方法600包括接合两级压缩机模式。两级压缩机模式可以包括，在604，通过使第二压缩机旁路气门12a和第一涡轮机旁路气门8b打开或者保持打开，同时使第一压缩机旁路气门11a和第二涡轮机旁路气门10a关闭或保持在关闭位置，而在第三操作模式中操作发动机。在606，进气空气流经LP和附加压缩机，旁通HP压缩机，而排气流经第二HP涡轮机，然后流到LP涡轮机，并最终流入后处理装置。第一HP涡轮机的几何形状可以调整和/或第一HP涡轮机的废气门可以调整，以优选地使排气经过第一HP涡轮机。在排气系统3中排气流率的增加允许发电机8a生成更多能量，这进而能够使电机9a在没有功率耗尽的风险的情况下永久运行。

现在转到图7，提供了在第四操作模式中操作发动机的方法700。响应于确定发动机转速超过第三阈值转速，如上面参考图3所述(如，当第四操作模式被激活时)，可以执行方法700。在702，方法700包括接合单级压缩机模式。接合单级压缩机模式可包括，在704，通过使第一涡轮机旁路气门、第二涡轮机旁路气门、第一压缩机旁路气门和第二压缩机旁路气门打开或者保持打开而在第四操作模式中操作发动机。在706，进气空气流经LP压缩机，而排气流经LP涡轮机，并流入后处理装置。取决于第一HP涡轮机和第二HP涡轮机的几何形状，一部分排气可行进穿过第一HP涡轮机和第二HP涡轮机。然而，第一HP涡轮机和第二HP涡轮机以及HP压缩机和附加压缩机都大体上被旁通。

因此，利用进气空气的单级、两级或者三级压缩操作发动机能够有效地操纵涡轮增压器喘振边界性能，以满足整个发动机转速/负荷范围的发动机运行边界要求。

图8为图示800，其示出例如可以在方法300和方法400，500，600和700执行期间所观察到的感兴趣的示例参数。图示800包括示出第一涡轮机旁路气门(8b)位置的第一曲线图，以曲线802表示；示出第二涡轮机旁路气门(10a)位置的第二曲线图，以曲线804表示；示出第三压缩机旁路气门(11a)位置的第三曲线图，以曲线806表示；示出第二压缩机旁路气门(12a)位置的第四曲线图，以曲线808表示；示出发动机转速的第五曲线图，以曲线810表示；示出发动机负荷的第六曲线图，以曲线812表示；以及示出增压压力的第七曲线图，以曲线814表示。对于每个曲线图，时间沿着x轴线绘出，且每个相应操作参数(气门位置的打开和关闭，以及其他参数从0到最大值)的值沿着y轴线绘出。

时间t1之前，发动机以中到低发动机转速(如，500-2000RPM)操作，以及同样以低于第一阈值转速的发动机转速操作。据此，控制器选择第一操作模式，而所需求的增压压力经由两级压缩提供。排气被引导通过高压涡轮机(如涡轮机7a，也被称为第一HP涡轮机或者第二涡轮机)并经过低压涡轮机(如，涡轮机6a，也被称为LP涡轮机或者第一涡轮机)，从而分别驱动高压压缩机(如，压缩机7b，也称为第二压缩机或者HP压缩机)以及低压压缩机(如压缩机6b，也称为第一压缩机和LP压缩机)。因此，第一涡轮机旁路气门(TBV)关闭，第二TBV关闭，第一压缩机旁路气门(CBV)打开，而第二CBV关闭。通过关闭第一TBV并打开第一CBV，排气和进气空气旁通涡轮发电机(如，涡轮机8，也被称为第三涡轮机，进一步的涡轮机或者第二HP涡轮机)以及电驱动压缩机(如，压缩机9，也称为附加压缩机)。

随着发动机负荷在时间t1之前开始增加，所需求的增压压力也增加。作为所需求增压压力增加的结果，电驱动压缩机也被激活以提供瞬态增压。结果，在时间t1处，第一CBV从打开移动到关闭，以使进气空气转向经过电驱动压缩机。驱动电驱动压缩机的电机(如电机9a)可以提供有来自涡轮发电机的电能。结果，第一TBV从关闭移动为打开，以引导排气穿过涡轮发电机的涡轮机。

因此，在第一操作模式期间，在稳态条件下，增压系统操作为传统的两级装置。与传统装置相比，高压级匹配为仅在非常低转速的范围中传递高低端扭矩以及非常快速的瞬态响应。瞬态性能此外通过电驱动压缩机支撑。当排气质量流量足够大(如，背压变得太高)时，第一TBV打开而流动通过可变几何涡轮发电机控制。这使得能量恢复，并帮助控制排气背压。这个操作范围在真实世界的驾驶期间显示非常高的时间共享。由于与非常小的高压涡轮增压器的特殊匹配，扭矩和瞬态需求可以在没有电池耗尽的风险下得到满足。

时间t2之前，发动机负荷和增压需求开始降低。然而，在时间t2，发动机转速增加到超过第一阈值转速但仍然低于第二阈值转速。因此，发动机系统移动到第二操作模式。在第二操作模式中，提供了进气的三级压缩。第一TBV保持打开，而第二TBV，第一CBV以及第二CBV保持关闭。进气空气流经所有的三个压缩机，而排气流经所有的三个涡轮机。瞬态增压控制(如，满足在时间t2和时间t3之间发生的增压需求中的瞬态增加)可以通过调整高压涡轮机的几何形状和/或涡轮发电机的涡轮机(如第三涡轮机)的几何形状提供。

因此，在第二操作模式中，压缩机侧作为3级系统操作。因为已知高压涡轮机对于排气质量流量来说太小了，第一TBV打开而排气质量流量分布受到涡轮发电机的VGT位置控制。涡轮发电机为电驱动压缩机输送电力，而该压缩机是被永久驱动的。过多的电能存储在电池中。电驱动压缩机下游的增压空气可以在级间增压空气冷却器中冷却，以增加空气密度并允许(小)高压压缩机以所输送的空气质量操作。

在时间t3处，发动机转速增加为超出第二阈值转速，但仍低于第三阈值转速。作为响应，发动机系统在第三操作模式中操作。在第三操作模式中，提供了进气空气的两级压缩，但是经过电驱动压缩机以及低压压缩机。结果，第一TBV保持打开，第二TBV保持关闭，第一CBV保持关闭，而第二CBV打开。在第三操作模式中，压缩机侧作为2级系统操作。随着增压空气质量流量变大，高压压缩机被旁通。低压级和涡轮发电机以及电驱动压缩机在第二操作模式中操作。

在时间t4处，发动机转速增加为超过第三阈值转速。作为响应，发动机系统在第四操作模式中操作。在第四操作模式中，提供了进气空气的单级压缩。结果，第一TBV保持打开，第二TBV打开，第一CBV打开，而第二CBV保持打开。在第四操作模式中，该系统类似传统单级系统操作。然而，低压系统的匹配能够非常集中在最峰值的功率性能上，因为与传统2级系统相比，第四操作模式中的操作范围覆盖了更小的转速/负荷区。

另一个示例提供用于操作系统的方法，该系统包括：发动机，具有驱动第一压缩机的第一涡轮机的第一涡轮增压器、具有驱动第二压缩机的第二涡轮机的第二涡轮增压机、包括连接到发电机的第三涡轮机的涡轮发电机，以及电驱动第三压缩机，第一涡轮机在第二涡轮机的下游，第三涡轮机并联于第二涡轮机。该方法包括：在第一操作模式中，其中，从以下情况出发：其中，第三涡轮机上游的第四截流元件被关闭，关闭连接在第二涡轮机两端的第一截流元件、关闭连接在第二压缩机两端的第三截流元件，以及打开连接在第三压缩机两端的第二截流元件；响应于排气流率超过第一预定排气流率，打开第四截流元件，以通过调整第三涡轮机的可变几何涡轮机，在第三涡轮机上游的排气排放系统中设定排气压力，并将第三涡轮机处的排气生成的电力转化为发电机回收的电能。

该方法额外地或者可替换地进一步包括，在第一操作模式中，响应于发动机负荷的变化和所增加的需求增压压力中的一个或多个，通过电机关闭第二截流元件并驱动第三压缩机。该方法额外地或者可替换地进一步包括，从第一操作模式出发，变换到第二操作模式，包括响应于排气流率超过第二预定排气流率而打开第四截流元件以及第一截流元件，关闭第二截流元件，并保持第三截流元件关闭，并利用电机驱动第三压缩机，发电机回收的至少一部分电能可以用于通过电机驱动第三压缩机。该方法额外地或者可替换地包括，从第二操作模式出发，变换到第三操作模式，包括响应于排气流率超过第三预定排气流率而使第四截流元件和第三截流元件打开或保持打开，并使第一截流元件和第二截流元件关闭或保持关闭。该方法额外地或者可替换地进一步包括，从第三操作模式出发，变换到第四操作模式，包括响应于排气流率超过第四预定排气流率而使第四截流元件、第一截流元件、第二截流元件和第三截流元件打开或保持打开。

另一示例提供一种方法，该方法包括：响应发动机转速低于第一阈值转速，使排气流经第一涡轮机和第二涡轮机；基于排气流率，选择性地使排气流经第三涡轮机，第三涡轮机连接到发电机；及基于增压压力需求通过电驱动压缩机选择性地压缩进气空气，电驱动压缩机供应有发电机生成的电力。在第一示例中，该方法额外地或者可替换地包括，响应于发动机转速低于第一阈值转速，通过连接到第一涡轮机的第一压缩机以及连接到第二涡轮机的第二压缩机压缩进气空气，电驱动压缩机设置在第一压缩机和第二压缩机之间。第二示例选择性地包括第一示例并进一步地包括，其中使排气流经第一涡轮机和第二涡轮机包括使排气流经第二涡轮机，并从第二涡轮机流至第一涡轮机，第三涡轮机与第二涡轮机并联设置。第三示例选择性地包括第一和第二示例中的一个或两个，并进一步包括，响应于发动机转速增加到超过第一阈值转速且低于第二阈值转速，使排气流经第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机，并通过第一压缩机、第二压缩机和电驱动压缩机压缩进气空气，该电驱动压缩机提供有由发电机生成的电力。在第四示例中，该方法选择性地包括第一到第三示例中的一个或多个，并还包括，响应于发动机转速增加到超过第二阈值转速且低于第三阈值转速，使排气流经第一涡轮机和第三涡轮机，通过第一压缩机和电驱动压缩机压缩进气空气，电驱动压缩机提供有由发电机生成的电力，并旁通第二涡轮机和第二压缩机。在第五示例中，该方法选择性地包括第一到第四示例中的一个或多个，并还包括，响应于发动机转速增加到超过第三阈值转速，使排气流经第一涡轮机，并通过第一压缩机压缩进气空气，并旁通第二涡轮机、第二压缩机、第三涡轮机以及电驱动压缩机。

方法的另一个示例包括，在发动机转速低于第一阈值转速的稳态发动机负荷条件期间，通过低压涡轮增压机和高压涡轮增压机生成增压压力；并响应于发动机负荷的增加，经由电驱动压缩机瞬态增加增压压力，且直接从涡轮机驱动的发电机将电能提供给电驱动压缩机。在第一示例中，直接从涡轮机驱动的发电机将电能提供给电驱动压缩机包括直接从涡轮机驱动的发电机将电能提供给电驱动压缩机而不需要从电池给电驱动压缩机提供电能。在第二示例中，其选择性地包括第一示例，该方法还包括调整涡轮机驱动的发电机的涡轮机的几何形状。在第三示例中，其选择性地包括第一和/或第二示例，该方法还包括，在发动机转速超出第一阈值转速的稳态发动机负荷条件期间，通过低压涡轮增压器、高压涡轮增压器以及电驱动压缩机生成增压压力；并直接从涡轮机驱动的发电机将电能提供给电驱动压缩机。在第四示例中，其选择性地包括第一到第三示例中的一个或多个，该方法还包括，当排气质量流量超过阈值并且满足增压需求时，将涡轮机驱动的发电机生成的过多电能存储在电池中。

可以理解的是，本文中记载的配置和程序本身是示例性的，且这些特定的实施方式并能被理解为限制意义，因为多种变形都是可以的。例如，上述技术能够应用到V-6，I-4，I-6，V-12和对置4缸及其他发动机类型。本发明的主题包括本文中记载的各种系统和配置及其他特征、功能和/或性能的所有新颖和非显而易见的组合以及子组合。

下面的权利要求特别地指出了一些组合和子组合被认为是新颖且非显而易见的。这些权利要求可以为称为是“一种”元件或者“第一”元件及其等同形式。这些权利要求应该被理解为包括一个或多个这种元件的融合，不需要也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合以及子组合可以通过当前权利要求书的修正或通过在此或相关申请中的新权利要求书的呈现来要求。此类权利要求书，无论其范围是比原始权利要求书的范围更广、更窄、相同、或不同，都也被认为包括在本发明的主题内。

Claims (19)

1.一种机械增压内燃发动机系统，包括：

进气系统，其用于向内燃发动机提供增压空气；

排气排放系统，其用于从所述内燃发动机排放排气；

至少两个串联的排气涡轮增压器，每个排气涡轮增压器包括设置在所述排气排放系统中的涡轮机和设置在所述进气系统中的压缩机，所述至少两个串联的排气涡轮增压器包括用作低压级的第一排气涡轮增压器以及用作高压级的第二排气涡轮增压器，所述第二排气涡轮增压器的第二压缩机设置在所述第一排气涡轮增压器的第一压缩机下游，所述第一排气涡轮增压器的第一涡轮机设置在所述第二排气涡轮增压器的第二涡轮机下游；

第三旁路管线，第三截流元件设置在所述第三旁路管线中；

第三涡轮机，其相对于所述第二排气涡轮增压器的所述第二涡轮机并联设置在所述排气排放系统中，所述第三涡轮机安装有可变几何涡轮机并通过驱动连接到发电机；

第四截流元件，出于激活目的，所述第四截流元件设置在所述第三涡轮机上游；

第一旁路管线，第一截流元件设置在所述第一旁路管线中并且所述第一旁路管线从所述第三涡轮机和所述第二排气涡轮增压器的所述第二涡轮机上游的所述排气排放系统分出，并且所述第一旁路管线再次在所述第一涡轮机和所述第二涡轮机的下游通向所述排气排放系统；

第三压缩机，其设置在所述进气系统中、在所述第一排气涡轮增压器的所述第一压缩机和所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机之间，并且通过驱动连接到电机；以及

第二旁路管线，第二截流元件设置在所述第二旁路管线中，并且所述第二旁路管线在所述第一排气涡轮增压器的所述第一压缩机和所述第三压缩机之间从所述进气系统分出，并且所述第二旁路管线在所述第三压缩机和所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机之间通向所述进气系统。

2.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，其中所述第三旁路管线在所述第三压缩机和所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机之间从所述进气系统分出，并在所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机下游通向所述进气系统。

3.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，其中所述第一旁路管线在所述第一排气涡轮增压器的所述第一涡轮机上游通向所述排气排放系统。

4.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，其中所述第二排气涡轮增压器的所述第二涡轮机安装有可变几何涡轮机。

5.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，进一步包括中间冷却器，所述中间冷却器在所述第三压缩机和所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机之间布置在所述进气系统中。

6.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，进一步包括增压空气冷却器，所述增压空气冷却器在所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机下游设置在所述进气系统中。

7.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，进一步包括用于存储电能的电池。

8.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机系统，进一步包括第四旁路管线，所述第四旁路管线从所述第一涡轮机上游的所述排气排放系统分出，并且所述第四旁路管线在所述第一涡轮机下游通向所述排气排放系统。

9.一种方法，包括：

响应于发动机转速低于第一阈值转速，使排气流经第一涡轮机和第二涡轮机；

基于排气流率，选择性地使排气经过第三涡轮机，所述第三涡轮机连接到发电机；以及

基于增压压力需求，选择性地经由电驱动压缩机压缩进气空气，所述电驱动压缩机提供有由所述发电机生成的电力。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括，响应于发动机转速低于所述第一阈值转速，经由连接到所述第一涡轮机的第一压缩机以及连接到所述第二涡轮机的第二压缩机压缩进气空气，所述电驱动压缩机设置在所述第一压缩机和所述第二压缩机之间，其中在不用增加或减少到电池的电流的情况下，向所述电驱动压缩机供应由所述发电机生成的电力达至少在转速低于所述第一阈值转速的整个持续时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中使排气流经所述第一涡轮机和所述第二涡轮机包括，使排气流经所述第二涡轮机并从所述第二涡轮机流动到所述第一涡轮机，所述第三涡轮机与所述第二涡轮机并联设置。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括，响应于发动机转速超过所述第一阈值转速且低于第二阈值转速，使排气流经所述第一涡轮机、所述第二涡轮机和所述第三涡轮机，并经由所述第一压缩机、所述第二压缩机和所述电驱动压缩机压缩进气空气，所述电驱动压缩机提供有由所述发电机生成的电力。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，响应于发动机转速增加到所述第二阈值转速之上且低于第三阈值转速，使排气流经所述第一涡轮机和所述第三涡轮机，经由所述第一压缩机和所述电驱动压缩机压缩进气空气，所述电驱动压缩机提供有由所述发电机生成的电力，并且绕过所述第二涡轮机和所述第二压缩机。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括，响应于发动机转速增加到所述第三阈值转速之上，使排气流经所述第一涡轮机，经由所述第一压缩机压缩进气空气，并且绕过所述第二涡轮机、所述第二压缩机、所述第三涡轮机以及所述电驱动压缩机。

15.一种方法，包括：

在发动机转速低于第一阈值转速的稳态发动机负荷条件期间，通过低压涡轮增压器和高压涡轮增压器生成增压压力；以及

响应于发动机负荷的增加，通过电驱动压缩机瞬态增加所述增压压力，并直接将来自涡轮机驱动的发电机的电能供应给所述电驱动压缩机。

16.根据权利要求15所述的方法，其中直接将来自所述涡轮机驱动的发电机的电能供应给所述电驱动压缩机包括直接将来自所述涡轮机驱动的发电机的电能供应给所述电驱动压缩机，而不将来自电池的电能供应给所述电驱动压缩机。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括调整所述涡轮机驱动的发电机的涡轮机的几何形状。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在发动机转速超过所述第一阈值转速的稳态发动机负荷条件期间，

经由所述低压涡轮增压器、所述高压涡轮增压器和所述电驱动压缩机生成增压压力；以及

直接从所述涡轮机驱动的发电机将电能供应给所述电驱动压缩机。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括，当排气质量流量超过阈值且增压需求得到满足时，将由所述涡轮机驱动的发电机生成的过多电能存储在电池中。