CN107476832A - 火花点火内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种火花点火增压内燃发动机，其耦连到排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器具有安装在可旋转轴上的压缩机，该可旋转轴耦连到涡轮和电辅助驱动装置。该排气涡轮增压器的电辅助驱动装置可以被激活以增加可旋转轴的旋转速度，从而驱动压缩机向发动机供应升压。响应于发动机工况诸如发动机速度、可旋转轴的旋转速度、排气体积以及发动机升压需求，电辅助驱动装置可以接合可旋转轴或者从可旋转轴脱离。

Description

火花点火内燃发动机及其操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月15日提交的德国专利申请第102015208990.8号的优先权，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

技术领域

本说明书整体涉及用于控制车辆发动机的方法和系统。

背景技术

增压是用于在发动机排量未改变的情况下增加内燃发动机的功率或者用于在恒定功率的情况下减小发动机排量的合适手段。增压导致功率/体积比增加，并且导致更有利的性能测量。用于燃烧过程的空气被压缩，由此每个工作循环可将更大的空气质量供给到每个汽缸。因此燃料质量和平均压力可以被增加。

如果发动机排量被减少，则负载配置可以移向较高的负载，在较高负载下，比燃料消耗率(specific fuel consumption)较低。通过与合适的变速器结合进行增压，还可提供所谓的自动降速(downspeeding)，使用自动降速可以同样获得较低的比燃料消耗率。

因此，增压有助于持续努力地发展内燃发动机以最小化燃料消耗，以便增强内燃发动机的功效。

在一个示例中，至少一个排气涡轮增压器可以用于增压，其中压缩机和涡轮机布置在相同的轴上。热排气流被供给到涡轮机，并且在涡轮机中通过能量释放进行膨胀，由此轴被设定成旋转。从排气流传送到涡轮机并且最终传送到轴的能量被用于压缩机的驱动装置，该驱动装置同样布置在该轴上。压缩机输送并压缩供给到其中的增压空气，由此实现汽缸的增压。增压空气冷却器被有利地提供在进气系统中的压缩机下游，并且用于在压缩的增压空气进入至少一个汽缸之前将其冷却。该冷却器降低了增压空气的温度，并且因此增大了增压空气的密度，从而该冷却器也有助于以更大的空气质量增强汽缸的填充。通过冷却来实现压缩。

与机械增压器不同，在排气涡轮增压器中，在增压器与内燃发动机之间 无需机械连接进行功率传输。机械增压器从内燃发动机汲取能量用于其驱动装置，并且因此减小了所提供的功率，并且以这种方式使功效减损，而排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。

与排气涡轮增压器不同，机械增压器通常可以独立于内燃发动机的瞬时操作状态而产生并提供增压空气压力，尤其是甚至在曲轴的低旋转速度下。尤其是对于可借助于电机来驱动的机械增压器而言确实如此。

在排气涡轮增压的情况下，经常遇到困难，特别是同样在低旋转速度下提供足够高的增压空气压力方面。当低于某一旋转速度时，观察到扭矩减小。该扭矩减小是可以理解的，因为增压空气压力比取决于涡轮机压力比。在一个示例中，旋转速度的减小导致较小的排气质量流量，并且因此导致较小的涡轮机压力比。因此，增压空气压力比同样地朝过低的旋转速度减小，这等效于扭矩减小。

增强增压内燃发动机的扭矩特性的先前尝试包括具有排气泄放的小涡轮机横截面。这类涡轮机也被称为废气门涡轮机。如果排气体积超过阈值，则一些排气流在所谓的排气泄放的范围内经由旁路管线被引导越过涡轮机。然而，在较高旋转速度下或在较大排气体积下，上述增压可能是不够的。另外，泄放的排气可能被引导越过涡轮机而没有进一步的使用，即没有利用热排气中可用的能量。

借助于平行布置的多个涡轮增压器，例如借助于平行布置的具有较小涡轮机横截面的多个涡轮机，也可以增强增压内燃发动机的扭矩特性，其中涡轮机以递增的排气体积连续地连接。

借助于串联连接的多个排气涡轮增压器也可以影响扭矩特性。由于两个排气涡轮增压器串联连接，其中一个排气涡轮增压器充当高压级，而一个排气涡轮增压器充当低压级，则压缩机特性图可以被扩展到更小压缩机流量和更大压缩机流量两者。

在排气涡轮增压器充当高压级的情况下，尤其可能的是泵容量移向较小的压缩机流量，由此即使用小压缩机流量仍可获得高增压空气压力条件，这显著增强了较低旋转速度范围内的扭矩特性。这可以通过针对小排气质量流量使用高压涡轮机和提供旁路管线来实现，这样一来，排气可以以增加的排气质量流量被递增地引导越过高压涡轮机。用于此目的的旁路管线在高压涡轮机的上游从排气排放系统分支出来，并且在低压涡轮机的下游引导回到排 气排放系统中。截止元件可以被定位在旁路管线中，以便控制被引导越过高压涡轮机的排气流。

专利申请DE 10050161 A1描述了一种内燃发动机，其中排气涡轮增压被提供有包括定子和转子的电辅助驱动装置。该辅助驱动装置可以通过转子的移动而被激活，其中转子耦连到压缩机叶轮，用于由于该移动而与其共同旋转。可替代地，转子可以独立于实际的压缩机叶轮，并且可以连接到上游前驱轮以便与其共同旋转。由此，转子并不驱动排气涡轮增压器，而是驱动前驱轮，这有助于以低旋转速度输送增压空气。在第一种情况下，可能提供复杂的换挡机构和离合器或耦连件。

发明内容

发明人在本文提供了一种火花点火增压内燃发动机，该内燃发动机被简化并且因此在排气涡轮增压的电辅助驱动装置的激活方面被增强。发明人还提供了一种用于操作火花点火内燃发动机的方法。

在一个示例中，一种火花点火增压内燃发动机可以包括：至少一个汽缸；用于将增压空气供给到至少一个汽缸的进气系统；用于从至少一个汽缸排放排气的排气排放系统；以及至少一个排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器包括壳体、涡轮机和压缩机，该涡轮机布置在排气排放系统中并且具有安装在可旋转轴上的至少一个涡轮机叶轮，该压缩机布置在进气系统中并且具有安装在该可旋转轴上的至少一个压缩机叶轮。该涡轮增压器可以进一步包括电辅助驱动装置，该电辅助驱动装置包括定子和转子，该电辅助驱动装置的转子包括布置并安装在排气涡轮增压器的轴上的轮，所述轮是在一个旋转方向上自由运转的轮，当排气涡轮增压器的轴的旋转速度n_shaft大于轮的旋转速度n_wheel时，所述轮自由运转。

电辅助驱动装置的转子可以经由超限(overrunning)离合器安装在排气涡轮增压器的轴上，使得转子在一个旋转方向上自由运转，而在另一个旋转方向上以摩擦接合的方式连接到排气涡轮增压器的轴。当排气涡轮增压器的轴的旋转速度n_shaft大于转子的旋转速度n_wheel时，转子可自由地转动。

具体地，当足够的排气流过涡轮机并且涡轮机可执行压缩机工作时，排气涡轮增压器的轴可以由排气涡轮增压器的涡轮机驱动。然后，排气涡轮增压器的轴的旋转速度n_shaft可以大于转子的旋转速度n_wheel，并且转子自由地转 动。轴可以在转子下方自由地回转。停用的辅助驱动装置的任何制动扭矩或起动扭矩可以是无害的，并且可以不产生影响。因此，排气涡轮增压器可以在省略电辅助驱动装置的情况下进行操作。

否则，具体地当不充足的排气流过涡轮机并且涡轮机可能不再执行压缩机工作时，排气涡轮增压器的轴由电辅助驱动装置的转子驱动。这通常在低旋转速度下或者在小排气体积情况下被预期。然后，转子以摩擦接合的方式连接到排气涡轮增压器的轴，带动该轴并且允许该轴以旋转速度n_shaft＝n_wheel转动。在这种情况下，电辅助驱动装置代替排气涡轮增压器的驱动装置。这可以在低旋转速度下或具有小排气量时发生。

上述火花点火增压内燃发动机提供用于激活电辅助驱动装置以便传送升压到发动机的简化且高效的系统，特别是当排气体积(例如，在低发动机速度下)不足以通过涡轮机向轴提供足够的旋转速度以用于驱动压缩机时。电辅助驱动装置可以接合该轴，以通过压缩机增加压缩并且传送更多的空气到发动机，从而即使在低发动机速度下仍提供升压，并且确保压缩机的更宽的操作范围，用于传送足够的增压空气到发动机。

应当理解，提供以上发明内容是为以简化形式引入所选概念，其将在具体实施例中被进一步描述。这并非意味着确认所要求保护的主题的关键或基本特征，其范围由随附权利要求唯一限定。此外，所要求的主题并不限于解决以上或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出内燃发动机的一个实施例。

图2A和图2B示出耦连到内燃发动机的涡轮增压器的剖视图。

图3说明用于操作机械增压内燃发动机的方法。

具体实施方式

本说明书涉及火花点火增压内燃发动机。内燃发动机可以用作机动车辆驱动装置。术语“内燃发动机”不仅可以包括火花点火汽油发动机，而且还包括火花点火混合动力内燃发动机(其可以使用具有外部供应的点火的混合燃烧方法)，并且还有混合动力驱动装置，除火花点火内燃发动机之外，该混合动力驱动装置还包括可以以驱动方式连接到内燃发动机的电机，其中电机 从火花点火内燃发动机获取功率，或者作为可连接的辅助驱动装置额外地释放功率。本文描述的内燃发动机还可以应用于压缩点火发动机。

火花点火增压内燃发动机可以包括：至少一个汽缸；用于将增压空气供给到至少一个汽缸的进气系统；用于从至少一个汽缸排放排气的排气排放系统；以及至少一个排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器包括壳体、涡轮机以及压缩机，该涡轮机布置在排气排放系统中并且具有安装在可旋转轴上的至少一个涡轮机叶轮，该压缩机布置在进气系统中并且具有安装在该可旋转轴上的至少一个压缩机叶轮，其中提供了包括定子和转子的电辅助驱动装置。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，可以提供一个排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括布置在排气排放系统中的涡轮机和布置在进气系统中的压缩机。靠近发动机定位所述一个排气涡轮增压器的涡轮机可以毫无困难，并且因此可以最佳地利用由排气压力和排气温度明确地确定的热排气的排气焓，并且可以确保涡轮增压器的快速响应行为。通过靠近发动机的布置，热排气到涡轮机的路径可以被缩短，并且涡轮机上游的排气排放系统的体积也可以减小。排气排放系统的热惯性同样减小，更具体地是通过减少排气排放系统一直到涡轮机的那一部分的质量和长度。

关于内燃发动机的摩擦功率和整体功效，代替多个涡轮增压器使用单个排气涡轮增压器可以是有用的。另外，在多个排气涡轮增压器之间可以无转换。这在扭矩特性方面也可以证明是有用的，并且尤其可以防止暂时的扭矩中断。唯一的排气涡轮传感器的涡轮机靠近发动机的布置可以导致整个驱动单元的密集封装。

由于本公开涉及具有电辅助驱动装置的排气涡轮增压器，其中电辅助驱动装置在低旋转速度下或在小排气体积的情况下可以代替排气涡轮增压器的驱动装置，所以有可能使排气涡轮增压器或相关联的涡轮机被装备用于大排气体积或最大的预期排气体积。然后，在适当的情况下，可以省去涡轮机侧上的旁路管线，并且在低旋转速度下或在小排气体积的情况下以及在较高旋转速度下或在较大排气体积的情况下均可以确保令人满意的扭矩特性和增强的增压行为。

在所有涡轮机都靠近发动机布置的情况下使用多个排气涡轮增压器(例如两级增压)原则上可能导致较大的问题。然而，在其中提供至少两个排气涡轮增压器的火花点火增压内燃发动机的实施例中，每个排气涡轮增压器可 以包括布置在排气排放系统中的涡轮机和布置在进气系统中的压缩机。

火花点火增压内燃发动机的实施例可以包括不具有旁路管线的排气涡轮增压器的涡轮机。然后，在排气泄放的范围内，未经使用的排气可以不再被引导越过涡轮机。可以因此增强内燃发动机的整体功效。不存在旁路管线可以额外确保驱动单元的密集封装。

火花点火增压内燃发动机的实施例可以包括至少一个排气涡轮增压器的涡轮机，该涡轮机包括可变涡轮几何形状。通过调整涡轮几何形状或有效涡轮横截面，可变涡轮几何形状可以确保广泛地适应于相应的工作点。在此，用于影响流动方向的导流叶片可以布置在涡轮机的至少一个叶轮的上游。与转动叶轮的叶轮叶片不同，导流叶片并不随着涡轮机的轴旋转。导流叶片可以以静止的方式布置，但可能并非是完全固定的，而是可以围绕它们的轴线旋转，使得叶轮叶片上的入射流可能受到影响。相反，如果涡轮机具有固定不变的几何形状，则导流叶片可以是静止的，并且完全不可移动(刚性固定)。

火花点火增压内燃发动机的实施例可以包括至少一个排气涡轮增压器的压缩机，该压缩机包括可变压缩机几何形状。特别地，因为在压缩机特性图中，压缩机的泵容量可以通过调整导流叶片而移向小压缩机流量，所以当小排气体积被输送通过涡轮机时，可变压缩机几何形状可以是有用的，并且因此可以避免超过泵容量的压缩机的工作。因此，当电辅助驱动装置在低旋转速度下或在小排气体积的情况下代替排气涡轮增压器的驱动装置时，可变压缩机几何形状也可以提供优点。在一个示例中，如果至少一个排气涡轮增压器的涡轮机具有可变涡轮几何形状，则可变压缩机几何形状可以与涡轮机几何形状连续地匹配。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，可以提供电池用于存储电能。电能可以被存储以便供应和驱动电辅助驱动装置。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，至少一个排气涡轮增压器的压缩机可以是径向压缩机，该径向压缩机具有延伸并且与排气涡轮增压器的轴同轴形成的入口区域。在该径向压缩机中，来自叶轮叶片的流出物(flow-off)可以基本上是径向的。本公开范围内的术语“基本上径向”的意思是在径向方向上的速率分量大于轴向速率分量。

延伸并且与排气涡轮增压器的轴同轴形成的入口区域可以确保压缩机的叶片上的基本上轴向的入射流。本公开范围内的术语“基本上轴向”的意思 是在轴向方向上的速率分量大于径向速率分量。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，电辅助驱动装置可以布置在径向压缩机的入口区域中。然后，该辅助驱动装置可以布置在压缩机侧上并且因此与涡轮机相距一定距离，该辅助驱动装置可以暴露于排气，由此要提供针对热过载的一定水平的保护。然后，在适当情况下，类似于轴向压缩机或轴向风扇，相应形成的转子的轮可以在径向压缩机的方向上输送增压空气。

在穿过轮之后，增压空气可以无需偏转，以便被供给到径向压缩机。可以避免由于流动偏转而造成的增压空气流中的不必要的压力损失，并且在适当情况下初步压缩的增压空气可以在径向压缩机中被进一步压缩。因此，可以增大压缩的功效和增压空气比。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，至少一个排气涡轮增压器的涡轮机可以是径向涡轮机，从而确保排气涡轮增压器的密集封装，并且因此确保作为整体进行增压。在径向涡轮机的情况下，叶轮叶片可以经受基本上径向的入射流。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，定子至少也可以布置在壳体中并且可以以固定到壳体的方式安装。至少一个排气涡轮增压器的壳体可以以模块化的方式构造(例如，可以形成为多个部分)，并且除轴承壳体和涡轮机壳体之外还可以包括压缩机壳体。

电辅助驱动装置可以使包括定子和转子的电动马达。因此，该电动马达可以被形成为具有可旋转的转子和固定到壳体的定子，其中定子周向地围绕轮状转子，转子优选地由磁性材料制造。当定子(优选为线圈)被通电时，生成使转子旋转的电磁力。

在该背景中，定子的实施例可以包括用于建立磁场的可励磁线圈。鉴于上述原因，火花点火增压内燃发动机的实施例可以包括转子，该转子具有用于建立磁场的至少一个永磁体。在此，火花点火增压内燃发动机的实施例可以包括至少一个永磁体，该永磁体布置在转子的轮的径向外边缘上并且因此在定子或可励磁线圈附近。火花点火增压内燃发动机的实施例还可以包括具有用于建立磁场的可励磁线圈的转子。

与先前的实施例相比，该转子可以包括至少一个永磁体以及可励磁线圈以便建立磁场。可励磁线圈可以被供给钟控电流馈电以便使转子的线圈旋转， 这可以包括电流反向并且因此包括电刷。这类电动马达更加复杂并且可能具有较高的空间要求，并且可能相当不适合于本公开(其中可能存在较少的安装空间)，但原则上仍然是可能的。

在火花点火增压内燃发动机的一个实施例中，定子包括用于建立磁场的至少一个永磁体，而转子可以包括用于建立磁场的可励磁线圈。

在火花点火增压内燃发动机的一个示例中，转子的轮可以作为辐条轮被布置并安装在排气涡轮增压器的轴上。所述轮可以对增压空气流提供低阻力。

用于操作上述类型的火花点火增压内燃发动机的示例方法可以包括激活电辅助驱动装置以便将轴设定成旋转，并且驱动压缩机。

在该方法的一个示例中，当排气涡轮增压器的轴的旋转速度n_shaft降到可预定义的旋转速度n_down,1以下时，可以激活电辅助驱动装置。可以借助于例如传感器来测量增压器轴的旋转速度n_shaft。排气涡轮增压器的低旋转速度n_shaft可以用作涡轮机可以不再执行压缩机工作并且电辅助驱动装置可被接合以便驱动压缩机的指示。

在该方法的另一个示例中，当内燃发动机的旋转速度n_mot降到可预定义的旋转速度n_down,2以下时，可以激活电辅助驱动装置。低旋转速度通常引起低排气体积，这进而可能导致小涡轮机压力比。这同样可能促使增压压力比朝较低的旋转速度下降，这可以等效于扭矩损失。

在该方法的示例中，当内燃发动机的排气体积降到可预定义的排气体积以下时，可以激活电辅助驱动装置。结合发动机速度减小，排气体积可能降到可预定义的排气体积以下。

总之，可以做出关于内燃发动机的增压的判定，即扭矩特性的增强是显著的，尤其是在低旋转速度下或在小排气体积的情况下，其中专门使用电力驱动的增压器可能并非是有利的，因为用于此目的电功率或电能在机动车辆上可能并非是可用的。结合机动车辆的内燃发动机的增压，电驱动装置可以是电辅助驱动装置，其可以被激活并操作以便按照要求进行协助。内燃发动机的排气涡轮增压也可以被提供包括定子和转子的电辅助驱动装置。

图1示出火花点火内燃发动机的一个实施例。图2A至图2B说明至少部分由涡轮机驱动并且至少部分由电动马达驱动的压缩机，该压缩机供应升压到内燃发动机，诸如图1的火花点火内燃发动机。图3说明用于操作耦连到内燃发动机的涡轮增压器以提供期望升压的方法。

图1、图2A和图2B示出具有各种部件的相对定位的示例配置。如果被示出彼此直接接触或直接耦连，则此类元件在至少一个示例中可以分别被称为直接接触或直接耦连。类似地，被示出彼此邻接或相邻的元件在至少一个示例中可以分别彼此邻接或相邻。作为一个示例，彼此共面接触放置的部件可以被称为共面接触。作为另一个示例，在其间具有空间并且无其他部件的情况下彼此分开定位的元件在至少一个示例中可以如此称呼。作为另一个示例，被示出在彼此的上方/下方、在彼此的相对侧或者在彼此的左边/右边的元件可以相对于彼此这样称呼。进一步地，如图所示，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶点可以被称为部件的“顶部”，而最底部元件或元件的最底点可以被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于附图的垂直轴线，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。由此，在一个示例中，被示为在其他元件上方的元件垂直地定位在其他元件的上方。作为另一个示例，附图内所描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如为圆形的、笔直的、平面的、弯曲的、圆角的、倒角的、成角度的等)。进一步地，在至少一个示例中，被示出彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步地，在一个示例中，被示出在另一个元件内或被示出在另一个元件外部的元件可以被如此称呼。

图1是示出可被包括在汽车的推进系统中的示例发动机10的示意图。所示的发动机10具有四个汽缸30。然而，根据本公开，可以使用其他数量的汽缸。发动机10可以至少部分地通过包括控制器12的控制系统和经由输入设备130来自车辆操作者132的输入来控制。在该示例中，输入设备130包括加速器踏板和用于生成成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的每个燃烧室(例如，汽缸)30可以包括燃烧室壁，其中活塞(未示出)被定位在燃烧室壁中。活塞可以耦连到曲轴40，使得活塞的往复运动被转换成曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间传动系统(未示出)耦连到车辆的至少一个驱动轮。进一步地，起动器马达可以经由飞轮耦连到曲轴40，以使能发动机10的起动操作。

燃烧室30可以经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气空气，并且可以经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气歧管46可以经由各自的进气门和排气门(未示出)与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。

燃料喷射器50被显示为直接耦连到燃烧室30，用于与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接将燃料喷射到燃烧室30中。以这种方式，燃料喷射器50提供给燃烧室30中的所谓的燃料的直接喷射。例如，燃料喷射器可以被安装在燃烧室的侧面或燃烧室的顶部。燃料可以通过包括燃料箱、燃料泵以及燃料轨的燃料系统(未示出)传送到燃料喷射器50。在一些实施例中，燃烧室30可以可替代地或额外地包括布置在进气歧管44中的燃料喷射器，该燃料喷射器以提供给每个燃烧室30上游的进气道中的所谓燃料的进气道喷射的配置进行布置。

进气通道42可以包括分别具有节流板22和节流板24的节气门21和节气门23。在该特定示例中，节流板22和节流板24的位置可以通过控制器12借助于提供给包括有节气门21和节气门23的致动器的信号来改变。在一个示例中，该致动器可以是电动致动器(例如，电动马达)，即通常被称为电子节气门控制(ETC)的配置。以这种方式，可操作节气门21和节气门23以改变提供给在其他发动机汽缸中的燃烧室30的进气空气。可以通过节气门位置信号TP将节流板22和节流板24的位置提供给控制器12。进气通道42可以进一步包括空气质量流量传感器120和歧管空气压力传感器122，用于分别将信号MAF(空气质量流量)和MAP(歧管空气压力)提供给控制器12。

排气通道48可以接收来自汽缸30的排气。排气传感器128被显示为耦连到涡轮机62和排放控制设备78上游的排气通道48。传感器128可以选自用于提供排气空燃比指示的各种合适的传感器，诸如，线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、NOx、HC或CO传感器。排放控制设备78可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制设备或其组合。

排气温度可以由位于排气通道48中的一个或多个温度传感器(未示出)来测量。可替代地，排气温度可以基于发动机工况诸如速度、负载、空燃比(AFR)、火花延迟等来推断。

控制器12在图1中被显示为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端口104、在该特定示例中被示为只读存储器芯片106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器108、不失效存储器110以及数据总线。控制器12可以接收来自耦连到发动机10的传感器的各种信号，除先前讨论的那些信号以外，还包括：来自空气质量流量传感器120的引入 空气质量流量(MAF)的测量值；来自温度传感器112(其被示意性地示出在发动机10内的一个位置处)的发动机冷却剂温度(ECT)；来自耦连到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火拾取信号(PIP)；来自如所讨论的节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自如所讨论的传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机速度信号RPM可以由控制器12根据信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用于提供进气歧管44中的真空或压力的指示。应注意，可以使用以上传感器的各种组合，诸如有MAF传感器而没有MAP传感器，或者反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器可以给出发动机扭矩的指示。进一步地，该传感器连同检测到的发动机速度可以提供引入到汽缸内的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，也用作发动机速度传感器的传感器118在曲轴40的回转期间可以产生预定数量的等间距脉冲。在一些示例中，存储介质只读存储器106可以使用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示可由处理器102执行的指令，用于执行以下参考图3描述的方法以及可预期但未具体列出的其他变型。

发动机10可以进一步包括压缩设备诸如涡轮增压器或机械增压器，其包括沿进气歧管44布置的至少一个压缩机60。对于涡轮增压器，压缩机可以经由例如轴或其他耦连布置耦连到涡轮机62。涡轮机62可以沿排气通道48布置。可以提供各种布置来驱动压缩机。对于机械增压器，压缩机60可以至少部分由发动机和/或电机驱动。经由涡轮增压器或机械增压器提供给发动机的一个或多个汽缸的压缩量可以由控制器12改变。在一些情况下，压缩机60可以至少部分经由马达70驱动。马达70可以是电力驱动的马达。在一个示例中，电池可以供应电能到马达70。在进一步的示例中，由涡轮机62生成的电能可以通过电转换器存储在电池中以驱动马达70。进一步地，传感器123可以设置在进气歧管44中，用于将BOOST(升压)信号提供给控制器12。

进气通道42可以进一步包括增压空气冷却器(CAC)80(例如，中间冷却器)，以降低涡轮增压的或机械增压的进气气体的温度。在一些实施例中，增压空气冷却器80可以是空气对空气热交换器。在其他实施例中，增压空气冷却器80可以是空气对液体热交换器。

进一步地，在所公开的实施例中，排气再循环(EGR)系统可以经由EGR通道140将期望部分的排气从排气通道48引导至进气通道42。提供给进气通道42的EGR量可以由控制器12借助于EGR气门142来改变。进一步地， EGR传感器(未示出)可以布置在EGR通道内，并且可以提供排气的压力、温度以及浓度中的一个或多个的指示。可替代地，可以通过基于来自MAF传感器(上游)、MAP(进气歧管)、MAT(歧管气体温度)以及曲柄速度传感器的信号的计算值来控制EGR。进一步地，可以基于排气O₂传感器和/或进气氧传感器(进气歧管)来控制EGR。在一些条件下，EGR系统可以用于调节燃烧室内的空气和燃料的温度。图1示出高压EGR系统，其中EGR从涡轮增压器的涡轮机的上游被引导至涡轮增压器的压缩机的下游。在其他实施例中，发动机可以额外地或可替代地包括低压EGR系统，其中EGR从涡轮增压器的涡轮机的下游被引导至涡轮增压器的压缩机的上游。

图2A示意性地以片段形式在侧视局部剖视图中示出用于内燃发动机的第一实施例的增压的排气涡轮增压器200。排气涡轮增压器200可以耦连到内燃发动机，诸如以上参考图1描述的具有汽缸30的发动机10。排气涡轮增压器200可以是图1的涡轮增压器，其中压缩机60至少部分由涡轮机62驱动。

为了将增压空气供给到汽缸，增压内燃发动机可以包括进气系统。该进气系统可以包括连接到增压内燃发动机的进气歧管的进气通道，例如，耦连到进气歧管44的进气通道42，其中进气歧管44连接到图1中的发动机10。为了从汽缸中排放排气，可以提供排气排放系统。为了使汽缸增压的目的，排气涡轮增压器可以包括布置在排气排放系统中的涡轮机，诸如图1的涡轮机62。该涡轮机可以包括安装在可旋转轴204c上的涡轮机叶轮(未示出)，并且该涡轮增压器包括布置在进气系统中的压缩机(类似于图1的压缩机60)，该压缩机具有安装在可旋转轴204c上的压缩机叶轮205。该压缩机可以是径向压缩机并且可以在排气涡轮增压器的壳体204d中，其中压缩机叶轮205可以布置在壳体204d中。

该压缩机可以包括入口区域207。入口区域207可以延伸并且可以与排气涡轮增压器的轴204c同轴形成。该压缩机可以包括出口区域208，经压缩的增压空气可以通过出口区域208基本上被径向地排放。

为了增强扭矩特性，电辅助驱动装置209可以在径向压缩机的入口区域207中存在于压缩机叶轮205的上游，并且可以按照要求被激活。

电辅助驱动装置209(其可以是图1的马达70的一个非限制性示例)可以包括定子209a和转子209b。电辅助驱动装置209的转子209b可以包括轮201b，轮210b可以布置在排气涡轮增压器的轴204c上。轮210b可以借助于 超限离合器201被安装在轴204c上。在示例中，电磁离合器可以用于将轮耦连到轴。轮210b可以是辐条轮210b，当排气涡轮增压器的轴204c的旋转速度n_shaft大于辐条轮210b的旋转速度n_wheel时，辐条轮210b在一个旋转方向上自由运转。定子209a可以紧固在壳体204d中(例如，定子209a可以固定到壳体204d)，并且周向围绕转子209b。

转子209b可以包括多个永磁体211，这些永磁体211可以布置在辐条轮210b的径向外边缘上。当定子209a的线圈210a被通电时，可以生成使转子209b旋转的电磁力。

图2B示意性地以片段形式在旋转过90°的侧视图中示出图2A所说明的增压，该侧视图垂直于增压器轴。先前在图2A中介绍的部件被类似地编号，并且不再重新介绍。

图2B说明转子209b的辐条轮210b可以形成为辐条轮，其中多个永磁体被径向地定位在辐条轮210b的外边缘上。

图3说明用于操作机械增压内燃发动机的方法300，该机械增压内燃发动机具有涡轮机和耦连到轴的辅助驱动装置，所述轴驱动压缩机。该压缩机可以将压缩的进气空气提供给发动机，用于满足升压需求。在一个示例中，方法300可以用于操作图1的机械增压内燃发动机10、压缩机60、涡轮机62和马达70以及/或者图2A的涡轮增压器200。方法300可以用于通过激活耦连到驱动图2A和图2B的压缩机叶轮205的轴204c的电辅助驱动装置将升压传送到机械增压内燃发动机。

基于存储在控制器的存储器上的指令，并且结合从发动机系统的传感器诸如以上参考图1和图2A至图2B描述的传感器接收的信号，可以由控制器例如图1的控制器12来执行用于实施方法300的指令。根据以下描述的方法，控制器可以采用例如发动机系统的发动机致动器来使线圈通电，以生成电磁场来将电辅助驱动装置209接合到图2A的排气涡轮增压器的轴204c，以调整发动机操作。

在302处，方法300估计发动机操作参数，其包括但不限于发动机速度、发动机扭矩、发动机排气体积等。在304处，方法300确定是否存在发动机升压需求。在一个示例中，当期望的发动机扭矩未得到满足并且例如在加速事件期间要求附加的升压以达到期望扭矩时，可以存在发动机升压需求。在另一个示例中，在期望使用升压来操作发动机的几乎任何条件期间(例如， 进气压力大于大气压力)，均可以存在发动机升压需求。如果升压需求存在，则方法300前进到下面讨论的305处。如果在304处不存在升压需求，则方法300前进到312处，在312处发动机继续操作且同时辅助驱动装置保持未激活(例如，图2A至图2B的线圈210a未通电)。然后，方法300返回。

在305处，方法300确定排气涡轮增压器的轴的旋转速度。在一个示例中，轴的旋转速度可以由耦连到轴的一个或多个传感器测量。在另一个示例中，发动机速度可以被用于估计轴的旋转速度。在进一步的示例中，流到涡轮机的排气体积可以被用于估计轴的旋转速度。在其他示例中，其他发动机参数诸如发动机温度可以被额外地用于确定轴的速度。

方法300前进到306处，以确定轴的旋转速度是否低于阈值速度。如果轴的旋转速度小于阈值速度，则方法前进到307处。在一个示例中，在流过涡轮机的排气质量流量相对低时的低发动机速度-负载条件期间，轴的旋转速度低于阈值速度。由此，当轴的旋转速度低于阈值速度时，在涡轮机处生成的扭矩不足以驱动压缩机以满足驾驶员需求的扭矩。在这些条件期间，可操作辅助驱动装置以使轴的旋转速度增加到阈值速度以上，从而改善达到扭矩的时间。以此方式，在轴的低旋转速度期间，辅助驱动装置可以被用于提供涡轮机协助。在一个示例中，阈值轴速度可以是预定比例的轴的最大额定速度，诸如最大额定速度的10％。在另一个示例中，阈值轴速度可以是被预测传送少于要求的升压的速度，并且由此可以基于诸如要求的升压、发动机速度等工况。

在307处，辅助驱动装置可以接合到轴。辅助驱动装置可以通过超限离合器接合到轴。在一个实施例中，电磁离合器可以用于将辅助驱动装置接合到轴，其中控制器可以致动电磁离合器以将辅助驱动装置的轮接合到轴。通过控制器例如图1的控制器12，辅助驱动装置的线圈可以被通电，从而导致生成电磁场，用于使接合到轴的辅助驱动装置的轮旋转。在一个示例中，电池可以供应电能给辅助驱动装置以驱动轴。在进一步的示例中，由涡轮机生成的电能可以通过电转换器存储在电池中，以驱动耦连到轴的辅助驱动装置。

在309处，接合的辅助驱动装置可以增加轴的旋转速度，使得辅助驱动装置的轮的旋转速度等于轴的旋转速度，例如，围绕轴209b的辐条轮210b的速度可以等于图2A和图2B的轴209b的速度。由辅助驱动装置和涡轮机驱动的轴的旋转速度可以通过压缩机提供足够的升压到发动机。在一个示例中， 如图2B所示，轮210b的永磁体211在使辅助驱动装置的轮旋转时可以提供高磁性效率。与安装到轴的固定转子相比，使用围绕轴的永磁体使轮旋转可以允许轴的低惯性。然后，方法300返回。

在306处，如果轴的旋转速度不低于阈值速度，则方法300前进到309处。在一个示例中，在流过涡轮机的排气质量流量相对较高时的高发动机速度-负载条件期间，轴的旋转速度可能不低于阈值速度。由此，当轴的旋转速度高于阈值速度时，在涡轮机处生成的扭矩足以驱动压缩机以满足驾驶员需求的扭矩。在这些条件期间，辅助驱动装置可以不接合以使轴的旋转速度增加到阈值速度以上。

在309处，涡轮机继续使轴和耦连的压缩机旋转以将升压提供给发动机，同时辅助驱动装置未接合到轴。在310处，轴的旋转速度可以大于辅助驱动装置的可自由旋转的、未接合的轮的旋转速度。当轴的旋转速度大于辅助驱动装置的轮的旋转速度时，辅助驱动装置与轴之间的超限离合器可以脱离。然后，方法300返回。

以此方式，通过除涡轮机以外还接合电辅助驱动装置来使耦连到压缩机的轴旋转，可以在低发动机速度-负载条件下提供足够的升压给内燃发动机。由电辅助驱动装置驱动的压缩机可以压缩更多的空气，其可以被传送到发动机以提供升压。相反，在排气体积可足以通过涡轮机来驱动轴以提供要求的增压时的高发动机速度-负载条件下，电辅助驱动装置可以从轴脱离。另外，与固定安装的转子相比，辅助驱动装置的电磁驱动马达与轴接合或从轴脱离可以允许轴的低惯性，由此导致压缩机的高效操作。

至少部分地通过具有驱动压缩机轴的高效电磁驱动转子的电辅助驱动装置驱动压缩机的技术效果在于：即使在低发动机速度下也压缩并传送更多的空气到发动机以提供升压，从而确保压缩机的更宽的操作范围，以便传送足够的增压空气到发动机。

火花点火增压内燃发动机的一个示例可以包括至少一个汽缸，用于将增压空气供给到至少一个汽缸的进气系统，用于从至少一个汽缸排放排气的排气排放系统，具有壳体、涡轮机和压缩机的至少一个排气涡轮增压器，以及具有定子和转子的电辅助驱动装置，其中涡轮机具有安装在可旋转轴上的至少一个涡轮机叶轮，压缩机具有安装在可旋转轴上的至少一个压缩机叶轮，电辅助驱动的转子包括布置并安装在排气涡轮增压器的可旋转轴上的轮，当 排气涡轮增压器的可旋转轴的旋转速度大于轮的旋转速度时，该轮在一个旋转方向上自由运转。该系统的第一示例包括：其中至少一个排气涡轮增压器包括布置在排气排放系统中的涡轮机和布置在进气系统中的压缩机。该系统的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：其中至少一个排气涡轮增压器包括第一排气涡轮增压器和第二排气涡轮增压器，第一排气涡轮增压器包括布置在排气排放系统中的第一涡轮机和布置在进气系统中的第一压缩机，并且第二排气涡轮增压器包括布置在排气排放系统中的第二涡轮机和布置在进气系统中的第二压缩机。该系统的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中至少一个排气涡轮增压器的涡轮机不具有旁路管线。该系统的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中至少一个排气涡轮增压器的涡轮机具有可变涡轮几何形状。该系统的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中耦连到至少一个排气涡轮增压器的涡轮机的压缩机具有可变压缩机几何形状。该系统的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中电存储电池耦连到电辅助驱动装置以便存储电能。该系统的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中至少一个排气涡轮增压器的压缩机是径向压缩机，该径向压缩机具有延伸并且与排气涡轮增压器同轴形成的入口区域。该系统的第八示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中电辅助驱动装置布置在径向压缩机的入口区域中。该系统的第九示例可选地包括第一示例至第八示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中定子至少部分地布置在壳体中并且固定地安装到壳体。该系统的第十示例可选地包括第一示例至第九示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中定子包括用于建立磁场的可励磁线圈。该系统的第十一示例可选地包括第一示例至第十示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中转子包括用于建立磁场的至少一个永磁体。该系统的第十二示例可选地包括第一示例至第十一示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中至少一个永磁体布置在转子的轮的径向外边缘上。该系统的第十三示例可选地包括第一示例至第十二示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中转子的轮作为辐条轮被布置并安装在排气涡轮增压器的轴上。该系统的第十四示例可选地包括第一示例至第十三示例中的一个或多个，并且进一步包括控制器，该控制器 包括可执行以响应于所述轴低于阈值速度旋转而将电辅助驱动装置接合到轴的指令。

一种示例方法包括：使未被压缩的进气空气流过安装在耦连到排气涡轮增压器的压缩机和涡轮机的轴上的辅助驱动装置的转子的辐条轮，当轴的旋转速度高于阈值速度时，转子自由地转动，而当轴的旋转速度低于阈值速度时，转子接合到该轴；以及经由压缩机压缩进气空气。该方法的第一示例进一步包括响应于轴的旋转速度降到阈值以下，使辅助驱动装置的线圈通电以生成电磁场。该方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括响应于内燃发动机的速度降到可预定义的发动机速度以下，通过包括可执行以将辅助驱动装置接合到轴的指令的控制器来激活辅助驱动装置。该方法的第三示例可选地包括第一示例至第二示例，并且进一步包括响应于内燃发动机的排气体积降到可预定义的排气体积以下，通过包括可执行以将辅助驱动装置接合到轴的指令的控制器来激活电辅助驱动装置。

另一个示例方法包括：响应于轴的旋转速度低于阈值，将电动马达接合到轴，以增加轴的旋转速度，从而驱动排气涡轮增压器的压缩机；以及响应于轴的旋转速度高于阈值，使电动马达从轴脱离，所述轴通过排气涡轮增压器的涡轮机旋转。

一种示例系统包括安装在可旋转轴上的电辅助驱动装置，该可旋转轴耦连到压缩机和涡轮机，该压缩机通过进气系统传送升压到发动机，并且该涡轮机通过发动机的排气排放系统接收排气，该电辅助驱动装置包括转子、至少一个永磁体以及线圈，该转子包括安装在可旋转轴上的轮，该转子通过离合器耦连到轴，该至少一个永磁体布置在轮的径向外边缘上，该线圈经配置生成电磁场。该系统还包括控制器，该控制器存储指令，所述指令可执行用于使线圈通电以生成电磁场，从而使安装在可旋转轴上的转子旋转。

注意，包括在本文的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由控制系统实施，该控制系统包括与各种传感器、致动器以及其他发动机硬件组合的控制器。本文描述的特定程序可以表示任何数量的处理策略诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等中的一种或多种。因此，所说明的各种行为、操作和/或功能可以按说明的顺序执行、并行执行或在一些情况下省略。同样，处理的顺序可以改变以实现本文描述的 示例性实施例的特征和优点，而是被提供以便易于说明和描述。根据所使用的具体策略，可以重复执行所说明的的行为、操作和/或功能中的一种或多种。进一步地，所描述的行为、操作和/或功能可以用图形表示待编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过在系统中执行指令来实施所描述的行为，所述系统包括与电子控制器组合的各种发动机硬件部件。

应该理解，本文公开的配置和程序在本质上是示例性的，并且这些特定实施例不应视为具有限制意义，因为可能有许多变化。例如，以上技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4以及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置，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。

以下权利要求具体指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等价物。此类权利要求应理解成包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过本权利要求的修正或通过在本申请或相关申请中提出的新权利要求加以要求。此类权利要求，无论比原始权利要求范围更宽、更窄、相同或不同，仍被视为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种火花点火增压内燃发动机，其包括：

至少一个汽缸；

进气系统，其用于将增压空气供给到所述至少一个汽缸；

排气排放系统，其用于从所述至少一个汽缸排放排气；

至少一个排气涡轮增压器，其包括壳体、涡轮机和压缩机，所述涡轮机具有安装在可旋转轴上的至少一个涡轮机叶轮，所述压缩机具有安装在所述可旋转轴上的至少一个压缩机叶轮；以及

电辅助驱动装置，其包括定子和转子，所述电辅助驱动装置的所述转子包括布置并安装在所述排气涡轮增压器的所述可旋转轴上的轮，当所述排气涡轮增压器的所述可旋转轴的旋转速度大于所述轮的旋转速度时，所述轮在一个旋转方向上自由运转。

2.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个排气涡轮增压器包括布置在所述排气排放系统中的所述涡轮机和布置在所述进气系统中的所述压缩机。

3.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个排气涡轮增压器包括第一排气涡轮增压器和第二排气涡轮增压器，所述第一排气涡轮增压器包括布置在所述排气排放系统中的第一涡轮机和布置在所述进气系统中的第一压缩机，并且所述第二排气涡轮增压器包括布置在所述排气排放系统中的第二涡轮机和布置在所述进气系统中的第二压缩机。

4.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个排气涡轮增压器的所述涡轮机不具有旁路管线。

5.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个排气涡轮增压器的所述涡轮机具有可变涡轮几何形状。

6.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中耦连到所述至少一个排气涡轮增压器的所述涡轮机的所述压缩机具有可变压缩机几何形状。

7.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中电存储电池耦连到所述电辅助驱动装置以用于存储电能。

8.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个排气涡轮增压器的所述压缩机为径向压缩机，所述径向压缩机具有延伸并且与所述排气涡轮增压器的所述轴同轴形成的入口区域。

9.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述电辅助驱动装置布置在所述径向压缩机的所述入口区域中。

10.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述定子至少部分地布置在所述壳体中并且固定安装到所述壳体。

11.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述定子包括用于建立磁场的可励磁线圈。

12.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述转子包括用于建立磁场的至少一个永磁体。

13.根据权利要求12所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述至少一个永磁体布置在所述转子的所述轮的径向外边缘上。

14.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其中所述转子的所述轮作为辐条轮布置并安装在所述排气涡轮增压器的所述轴上。

15.根据权利要求1所述的火花点火增压内燃发动机，其进一步包括控制器，所述控制器包括可执行以响应于所述轴低于阈值速度旋转而激活所述电辅助驱动装置到所述轴的指令。

16.一种用于操作内燃发动机的方法，其包括：

使未被压缩的进气空气流过安装在耦连排气涡轮增压器的压缩机和涡轮机的轴上的辅助驱动装置的转子的辐条轮，当所述轴的旋转速度高于阈值速度时，所述转子自由地转动，而当所述轴的所述旋转速度低于所述阈值速度时，所述转子接合到所述轴；以及

经由所述压缩机压缩所述进气空气。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括响应于所述轴的所述旋转速度降到所述阈值以下，对所述辅助驱动装置的线圈通电以生成电磁场。

18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述转子接合到所述轴包括：响应于所述内燃发动机的速度降到可预定义的发动机速度以下，激活所述辅助驱动装置。

19.根据权利要求17所述的方法，其中将所述转子接合到所述轴包括：响应于所述内燃发动机的排气体积降到可预定义的排气体积以下，激活所述辅助驱动装置。

20.一种发动机系统，其包括：

电辅助驱动装置，其安装在可旋转轴上，所述可旋转轴耦连到压缩机和涡轮机，所述压缩机通过进气系统传送升压到发动机，并且所述涡轮机通过所述发动机的排气排放系统接收排气，所述电辅助驱动装置包括：

转子，其包括安装在所述可旋转轴上的轮，所述转子通过离合器耦连到所述轴；

至少一个永磁体，其布置在所述轮的径向外边缘上；以及

线圈，其经配置生成电磁场；以及

控制器，其存储指令，所述指令可执行以便对所述线圈通电，从而生成所述电磁场，用于使安装在所述可旋转轴上的所述转子旋转。