CN112424461A - 运行四冲程内燃发动机系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行四冲程内燃发动机系统(1)的方法，该发动机系统(1)包括：‑四冲程内燃发动机(2)，其设有进气管道(5)；‑涡轮压缩机(6”)，其被布置成压缩进气管道(5)中的进气流；以及‑容积式机械(7)，其在进气管道(5)中设置在涡轮压缩机(6”)下游，其中，容积式机械(7)被布置成将进气流从其入口排出至其出口。所述方法包括以下步骤：‑使容积式机械(7)以第一模式运行，其中，通过容积式机械(7)的出口处的压力除以容积式机械(7)的入口处的压力而给出的压力比(PR)基本上等于1。本发明还涉及一种被布置成通过上述方法运行的四冲程内燃发动机系统。

Description

运行四冲程内燃发动机系统的方法
技术领域
本发明涉及一种运行四冲程内燃发动机系统的方法。本发明还涉及一种四冲程内燃发动机系统、设有这种发动机系统的车辆、用于控制该方法的控制单元和软件相关装置。
本发明特别关注于具有最多三个或四个气缸的相对小的内燃发动机(奥托发动机或柴油发动机)，因此，本发明主要关注于小型车辆，或重型车辆(例如卡车、公共汽车和建筑设备)中的混合动力发动机。然而，本发明也可关注于其他应用。
背景技术
用于推进车辆的内燃发动机通常设有涡轮增压装置，在该涡轮增压装置中，排气驱动涡轮机，该涡轮机驱动压缩机，该压缩机又压缩被供给到发动机的进气流。进气系统偶尔会遇到脉冲，即，进气压力/流量的变化/振荡，这会对涡轮压缩机的功能有负面影响。
US2017/0067393A1解决了这一问题并且解释说：如果通过压缩机的空气流发生大的变化，例如加速器踏板从较高的驾驶员需求突然释放到较低的驾驶员需求，则涡轮压缩机可能易于振荡：作为快速关闭节气门的结果，可能导致流过压缩机的进气流减少，使得压缩机开始振荡。US2017/0067393A1提出了通过以下方式来减少涡轮压缩机的振荡：将第二压缩机在该涡轮压缩机下游布置在空气入口中；并且调节该涡轮压缩机上游的空气入口中的空气压力，例如，通过调节通过第二压缩机的进气流以响应于涡轮压缩机的出口处的压力升高而降低第二压缩机的出口处的压力。
然而，本发明的发明人已经注意到，根据US2017/0067393A1的技术方案没有消除或显著减少进气系统中的脉冲，至少不是在所有运行条件下都如此。
因而，仍然需要在减少设有涡轮增压装置的四冲程内燃发动机的进气系统中的脉冲/振荡方面进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种运行四冲程内燃发动机系统的方法，它以有效的方式处理脉冲/振荡，由此使得这种发动机的涡轮装置能够更可靠和有效地运行。根据本发明的不同方面，该目的通过独立权利要求中限定的方法、发动机系统、车辆、控制单元和软件相关装置来实现。
根据第一方面，本发明涉及一种运行四冲程内燃发动机系统的方法，该发动机系统包括：四冲程内燃发动机，其设有进气管道；涡轮压缩机，其被布置成压缩进气管道中的进气流；以及容积式机械(displacement machine)，其在进气管道中设置在涡轮压缩机下游，其中，该容积式机械被布置成将进气流从该容积式机械的入口排出到该容积式机械的出口。
该进气流可以包括气体的混合物，例如空气或者与来自排气再循环、曲轴箱通风和一氧化二氮系统等中的一种或多种的气体混合的空气。该进气流还可以携载诸如燃料、水和用于NOx还原等的尿素的颗粒。
所述方法的特征在于它包括以下步骤：使该容积式机械以第一模式运行，在第一模式中，通过该容积式机械的出口处的压力除以该容积式机械的入口处的压力而给出的压力比(PR)基本上等于1，即：该容积式机械在此步骤中运行，使得该容积式机械的入口和出口之间的压差基本为零。
本发明是部分地基于发明人的以下认识：对涡轮压缩机的功能有负面影响的脉冲/振荡不一定是通过压缩机的流量变化的结果，而是，这些不希望的脉冲/振荡是在发动机中产生的。可能很难确切地完全理解所述脉冲如何产生并在进气管道中的上游传输，但这与进气门的打开和关闭有关。这些脉冲在转速较低时(即，每分钟转数较低的较低发动机速度下)以及在排量大且气缸数较少(通常是三个气缸或更少，且存在进气门未打开的时间段)的发动机中尤其成问题，但也适用于四个气缸且存在进气门未打开的多个瞬间的发动机，并且在一定程度上也适用于五个气缸或更多气缸的发动机。这些脉动会引起涡轮压缩机中的不稳定，从而导致在平稳运行的流速下出现喘振现象。
通过在进气管道中在发动机和涡轮压缩机之间布置诸如罗茨鼓风机类型的回转容积单元之类的容积式机械，防止了所述脉冲从发动机向上游移动到涡轮压缩机。因而，该容积式机械用作脉冲缓冲器，并且消除了压力波动，否则压力波动例如会以负面方式影响涡轮压缩机。这总体上稳定了涡轮压缩机的运行，进而提高了整体发动机性能。诸如非直接燃料喷射系统(甚至化油器)之类的其他系统也受到这种脉冲的干扰。通过在进气管道中在发动机和涡轮压缩机之间布置该容积式机械并且通过在该容积式机械的上游喷射和计量燃料，由于喷射是在几乎无脉冲的环境中进行，所以可以以更高的精度计量燃料。另外，该容积式机械也将以这种构造改善所述混合物的混合。
可以在内燃发动机的任何运行模式下执行该容积式机械以PR＝1的第一模式的运行。这样的模式典型地包括：i)发动机的类似于正常稳态的运行模式，在该运行模式中，关于例如发动机速度或负荷的期望变化不存在明显瞬变，使得关于被供给到发动机的进气流的量值方面没有明显的期望变化，ii)节流模式，其中，要供给到发动机的进气流的期望量值明显小于在正常运行模式期间被供给到发动机的进气流，例如当加速器踏板被明显释放时；以及iii)增压模式，其中，要供给到发动机的进气流的期望量值明显大于在正常运行模式期间供给到发动机的进气流，例如当加速器踏板被明显压下时。所述类似于正常稳态的模式包括与不同水平的类似于稳态的运行相对应的不同子模式。
通过允许根据发动机运行模式(和子模式)来选择该容积式机械的驱动水平(例如，通过根据发动机运行模式来选择回转容积式机械的旋转驱动速度)，该容积式机械不仅可用于缓冲脉冲，而且可用于提高整个内燃发动机系统的效率，如下文将进一步说明的。“可以选择该容积式机械的驱动水平”意味着所述驱动水平(或者功率、驱动速度等)可以变化，并且它是可控的。
在发动机的正常运行期间，优选驱动该容积式机械，使得入口压力和出口压力(接近于)相等(这意味着入口和出口处的体积流速相同)。即，在发动机的正常运行期间，即，在进气流没有明显期望突然大变化的稳态运行期间，该容积式机械将主要作为缓冲装置运行而不影响进气管道中的压力。
因为所述脉冲被该容积式机械缓冲掉，所以涡轮压缩机的运行点(在涡轮压缩机性能图中)将处于稳定位置，这与涡轮压缩机暴露于脉冲时的变化的位置相反。由于允许压缩机以稳态运行，所以消除这种变化引起了压缩机效率的提高。这可以用于进一步优化涡轮压缩机，因而获得更高的效率。
在这种情况下，压力比“基本上等于1”意味着至少在0.9-1.1的区间内，但优选在0.95-1.05的区间内，或者甚至更接近于1。
该容积式机械可以是电驱动的，即，可以布置有电动机来驱动该容积式机械的可移动部件(通常是可旋转构件)。这使得容易改变驱动水平，并使整个发动机系统非常灵活。替代地，该容积式机械可以是通过皮带、链条或具有可变齿轮比的齿轮驱动的，其连接至发动机的曲轴。这也使该系统很灵活，但要使这种驱动与电驱动一样可靠可能会更困难。另外的变型例是该容积式机械经由液压泵和马达液压地驱动。
如果这样的装置形成发动机系统的一部分，则该容积式机械可以布置在增压流冷却器的上游或下游。可以在进气管道中布置有各种旁路选项。尽管所公开的系统的主要思想是使整个进气流穿过该容积式机械，但也可以针对特定的运行条件布置该容积式机械的旁路，例如用于在该容积式机械故障的情况下也允许发动机系统的运行。
通过对该容积式机械的可变速度驱动，可以实现非凡的涡轮压缩机效率；可能通过低或甚至更好的高强度叶片扩散器来实现。
在内燃发动机的进气系统中使用容积式机械本身是已知的。然而，该机械通常布置在涡轮压缩机的上游，并且通常仅用于改善增压。在这种情况下，该机械用作脉冲缓冲器/消除器，例如，它在具有三个气缸的发动机(其中，存在进气门未打开且因此没有气流的时间段)中特别受关注。此外，具有非常少的气缸且具有重型涡轮增压的发动机的概念并不常见，因此该领域正在开发中。本发明的一种令人感兴趣的应用是用于重型车辆的混合动力发动机。
在实施例中，所述方法包括以下步骤：切换该容积式机械的运行模式，并且使该容积式机械以压力比(PR)低于1的第二模式(能量回收模式和/或节流模式)运行。这通常是对在控制单元中接收到信号的响应，该信号是：要供给到发动机的进气流的期望量值明显小于在正常运行模式期间供给到发动机的进气流。
在节流时，即，当限制/减少到发动机的进气流时，可以将该容积式机械的驱动水平调整到发动机的所期望的节流水平并进行设定，使得压力比低于1，例如约为0.5，甚至对于某些发动机或某些运行条件可能降至0.1。这意味着该容积式机械的入口处的压力高于出口处的压力(并且出口处的体积流速高于入口处)。因此，可以利用这种压力差来驱动该容积式机械，并使用该机械来回收能量。如果该容积式机械是电驱动的，则可以使该容积式机械驱动发电机来产生电力，该电力可以用在发动机系统中或车辆上，或者可以用于为蓄电单元(例如电池)充电。替代地，该容积式机械可以机械地或经由液压装置(泵、马达等)连接到曲轴，使得所回收的能量能够用于向曲轴增加驱动动力。
所回收的能量(即，从容积式机械的入口侧的较高压力中提取的能量)由涡轮压缩机“产生”，该涡轮压缩机又由排气涡轮机驱动，排气涡轮机又由来自发动机的排气驱动，因此乍一看似乎没有整体收益。然而，其中一件事是可以在较小程度上使用涡轮废气门，即，需要从涡轮机排走较少量的排气(用于降低涡轮压缩机的功率水平的目的)。所应排走的能量构成了所回收的能量的一部分。另一件事是：进气管道中的压力可以在涡轮压缩机下游保持更高，即，比没有该容积式机械时更高，这对于允许涡轮压缩机以更高的效率运行(在压缩机性能图中的更佳运行点中)很有用。这对整个发动机系统的效率总体上具有积极影响。
对于奥托发动机，可以通过使该容积式机械在PR<1的情况下运行来控制发动机的功率。
在实施例中，所述方法包括以下步骤：切换该容积式机械的运行模式并使该容积式机械在压力比(PR)大于1的第三模式(增压辅助模式)下运行。这通常是对在控制单元中接收到信号的响应，该信号是：要供给到发动机的进气流的期望量值明显大于在正常运行模式期间供给到发动机的进气流，即，希望额外的增压。
如果希望额外的增压，即，如果希望向发动机供给比正常运行条件期间更多的进气流，则设定该容积式机械的驱动水平，使得压力比高于1，例如约为1.5，或甚至对于某些发动机或运行条件最高达2.0。这意味着，该容积式机械的出口处的压力高于入口处。因而，该容积式机械向已经在涡轮压缩机中被加压的进气流增加压力以作为增压辅助。这可以用于提高发动机的效率和/或使涡轮压缩机在其效率更高的更有利的运行点下运行。
该容积式机械的驱动水平优选由控制单元控制，该控制单元与控制系统一起被配置成还控制内燃发动机系统的其他部分。这样的控制单元和控制系统本身是已知的。通常，这种类型的控制单元使用各种虚拟的性能图和模型，所述控制单元具有关于系统硬件的完整信息(发动机的类型、涡轮压缩机、气门、扫掠气缸容积等)，并结合了来自各种传感器的输入(扭矩、发动机速度/转速、温度、压力等)，它“知道”或能够计算出关于该发动机系统/该发动机系统中的几乎所有信息。由于控制单元具有关于例如发动机运行模式、发动机的期望进气流、发动机的实际进气流、进气管道中的压力、质量流速、体积流速、在特定驱动水平下该容积式机械每单位时间排出多少进气流等的完整信息，它可以控制该容积式机械的驱动水平，而无需任何专用于此特定目的的特殊传感器。仅需配置该控制单元以正确执行控制即可。而且，与能量回收有关的动作也可以由控制单元控制。诸如布置在该容积式机械上游和/或下游的压力传感器之类的特定传感器可以用于控制该容积式机械和/或检查其性能。
“期望”特定的进气流通常意味着控制单元期望该进气流。控制单元的“期望”当然可以是对例如来自驾驶员(或用于自动驾驶的系统)的期望的反应，驾驶员已经例如经由加速器踏板向控制单元发送了某种形式的请求。
在实施例中，当该容积式机械以第二模式(能量回收模式和/或节流模式)运行并且发动机优选以节流模式运行时，所述方法包括以下步骤：至少部分地通过流经进气管道的进气流来驱动该容积式机械，以及，在驱动该容积式机械的同时回收从进气流传递到该容积式机械的能量。优选地，回收所传递的能量的步骤进一步包括以下步骤中的一个或多个：将所回收的能量转换成电能，并使用该电能来驱动发动机系统中的电气设备或者为诸如电池之类的蓄电装置充电；使用所回收的能量向发动机的曲轴增加驱动动力。
在实施例中，该容积式机械被布置成通过可控的驱动装置被以不同的驱动水平驱动。然后，方法步骤可以包括以下步骤：根据发动机运行模式或所期望的发动机运行模式来设定该容积式机械的驱动水平。在本实施例中，所述驱动装置还可以被构造成当由该容积式机械驱动时产生动力输出。
在实施例中，运行该容积式机械的步骤包括以下步骤：设定被布置成驱动该容积式机械的电动机的驱动水平。这提供了容易而灵活的控制。根据另一实施例，作为代替，所述驱动装置可以是机械的或液压的。
在该容积式机械包括至少一个旋转构件的实施例中，所述方法包括设定该旋转构件的驱动速度的步骤。
在实施例中，该容积式机械是旋转罗茨式鼓风机，其具有设置有啮合凸叶(meshing lobes)的一对旋转构件。相信这种类型的容积式机械最适合这种应用，因为它有效地缓冲脉冲，易于控制其驱动水平，即，易于改变所述旋转构件的速度，它被进气流驱动而很好地工作，以在节流模式下回收能量，并且它很可靠。
此外，通过将该容积式机械提供为旋转罗茨式鼓风机，因为可以从容易获得的数据(例如，该容积式机械的排量、该容积式机械的速度以及要计量的进气流的压力和温度)中得出流经该容积式机械的体积，所以将可进行流量计量(metering)。通过这样，例如，可以从发动机系统中省略用于测量进气流的体积的其他装置，例如歧管绝对流量传感器(MAF传感器)。替代地，指示由该容积式机械建立的进气流流量的数据可以用于验证可用数据和/或为用于测量流入发动机中的进气流的体积的专用装置提供回溯数据(fall backdata)。
在实施例中，可以在通过进气管道供给到发动机的进气流的全部流量都通过该容积式机械的入口和出口且因而穿过该容积式机械的同时，执行该容积式机械的运行。
根据第二方面，本发明涉及一种运行四冲程内燃发动机系统的方法，该发动机系统包括：四冲程内燃发动机，其设有进气管道；涡轮压缩机，其被布置成压缩进气管道中的进气流；以及容积式机械，其在进气管道中设置在涡轮压缩机下游，其中，该容积式机械被布置成将进气流从其入口排出至其出口。所述方法包括以下步骤：使该容积式机械以第二模式(能量回收模式和/或节流模式)运行，其中，通过该容积式机械的出口处的压力除以该容积式机械的入口处的压力而给出的压力比(PR)低于1。
在实施例中，所述方法包括以下步骤：至少部分地通过流经进气管道的进气流来驱动该容积式机械；以及，在驱动该容积式机械的同时回收从进气流传递到该容积式机械的能量。
在实施例中，回收所传递的能量的步骤包括以下步骤：将所回收的能量转换成电能，并使用该电能来驱动电气设备或为蓄电单元充电；或者使用所回收的能量向发动机的曲轴增加驱动动力。
在实施例中，该容积式机械被布置成通过驱动装置来驱动，其中，该驱动装置被构造成当由该容积式机械驱动时产生动力输出。
在实施例中，所述方法包括使内燃发动机系统以增压辅助模式运行的步骤，这通过以下方式进行：在第三模式下由所述驱动装置驱动该容积式机械以增大进气压力，使得通过该容积式机械的出口处的压力除以该容积式机械的入口处的压力而给出的压力比高于1。可能出于许多原因而希望进行增压辅助：示例为增压辅助可以提高由涡轮增压器压缩机产生的任何已经可用的增压。另一示例是：增压辅助可以允许涡轮增压器压缩机的高效运行，这是因为可以驱动该容积式机械而使得涡轮增压器压缩机在高效的运行条件下连续地工作。
在实施例中，该容积式机械能够以由控制单元根据增压辅助要求而选择或控制的可变速度被驱动。
在本发明的进一步方面，所述目的通过一种四冲程内燃发动机系统来实现，该发动机系统包括：四冲程内燃发动机，其设有进气管道；涡轮压缩机，其被布置成压缩进气管道中的进气流；以及容积式机械，其在进气管道中设置在涡轮压缩机下游，其中，该容积式机械被布置成将进气流从其入口排出至其出口，并且被可控的驱动装置以不同的驱动水平驱动。所述驱动装置被构造成当由该容积式机械驱动时产生动力输出，并且该发动机系统被构造成至少部分地通过流经进气管道的进气流来驱动该容积式机械，并且在驱动该容积式机械的同时回收从进气流传递到该容积式机械的能量，以便从所述驱动装置提供动力输出。
在实施例中，该发动机系统被构造成将所回收的能量转换为电能，并使用该电能i)驱动电气设备或为蓄电装置充电，和/或ii)向发动机的曲轴增加驱动动力。
在实施例中，该容积式机械是旋转罗茨式鼓风机，其具有设置有啮合凸叶的一对旋转构件。
在实施例中，所述发动机系统包括控制单元，该控制单元被配置成控制上述方法的步骤。
在本发明的进一步的方面，所述目的通过一种车辆来实现，该车辆包括根据上文所述的四冲程内燃发动机系统。
在本发明的进一步的方面，所述目的通过以下项来实现：
-计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序代码组件，该程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行上述方法步骤；或者
-计算机可读介质，该计算机可读介质承载有包括程序代码组件的计算机程序，该程序代码组件用于当所述程序产品在计算机上运行时执行上述方法步骤；或者
-控制单元，该控制单元用于控制四冲程内燃发动机系统，该控制单元被配置成执行该方法的上述步骤。
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1示出了根据本发明的设有四冲程内燃发动机系统的卡车。
图2示意性地示出了根据本发明的四冲程内燃发动机系统的示例的主要部件。
图3以曲线图示出了作为曲柄角(CAD)的函数的、设有三个气缸的发动机中的进气门的气门升程。
图4示出了根据本发明的方法步骤的示例。
具体实施方式
图1示出了卡车100的示意图，卡车100设有四冲程内燃发动机系统1，该内燃发动机系统1被布置成借助于动力传动系(未示出)来推进卡车100。将针对发动机系统1来描述本发明的示例。
图1主要旨在例示可应用本发明的车辆和发动机系统。由于下文描述的发动机系统1仅包含三个气缸，并且对于为诸如卡车100之类的重型车辆提供动力而言相当小，因此发动机系统1优选是混合动力发动机系统，其还包括用于电驱动卡车100的装置。这种混合动力发动机本身是众所周知的，因此在本公开中不再详细描述。
图2示意性地示出了根据本发明的四冲程内燃发动机系统1的示例的主要部件。发动机系统1包括设有三个气缸3的四冲程内燃发动机2(奥托型或柴油型)。每个气缸3都设有图中未示出的以下常规细节：用于准许进气流进入气缸中的至少一个进气门；用于允许排气流出的至少一个排气门；用于将燃料引入到气缸中的装置；以及被布置成在气缸3内往复运动的活塞。除了其他常规部件，发动机2还包括连接到活塞并由活塞驱动的曲轴(未示出)。该曲轴又经由变速器传动系连接到卡车100的驱动轮。在混合动力发动机系统中，还设置有互补的电驱动系统。
内燃发动机系统1还包括用于将进气流供给到发动机2的气缸3中的进气管道5、以及用于将排气从发动机2输送出去的排气管道4。包括与涡轮压缩机6”连接的排气涡轮机6’的涡轮增压装置被布置成利用排气的能量来驱动涡轮机6’，涡轮机6’又驱动涡轮压缩机6”，该涡轮压缩机6”压缩被供给到发动机2的进气流。
罗茨鼓风机7形式的容积式机械在进气管道5中设置在涡轮压缩机6”下游。系统1被布置成使得流经进气管道5的所有进气流或几乎所有进气流都通过容积式机械/罗茨鼓风机7。
容积式机械/罗茨鼓风机7具有一对旋转构件，这一对旋转构件设有啮合凸叶(meshing lobes)，并且使进气流移动或排出而不是对它进行压缩。罗茨式鼓风机很久以来是众所周知的，并且已经与内燃发动机结合使用，然而，之前的罗茨式鼓风机被以不同于本文所公开的方式布置和/或用于除本文所公开的目的以外的其他目的。
容积式机械/罗茨鼓风机7被布置成通过电动机/发电机8形式的可控驱动装置以不同的驱动水平被驱动。电动机/发电机8也可以被构造成用作电动机，以驱动罗茨鼓风机7(可能以可变的速度驱动)；或者在动力以相反的方向行进时用作发电机来产生电力。当罗茨鼓风机7的旋转构件通过某种力(该力原则上可以是任何力，但在这种情况下，其旨在是在进气管道5中流动的进气流的力)旋转时，电动机/发电机8因而可以产生电力，该电力可用于不同目的，例如驱动各种电气设备(例如，混合动力车辆中的电驱动单元)或者为诸如电池之类的蓄电装置充电。
容积式机械7可以是操作的，以便还充当发动机节流装置，从而允许省略进气节气门。这是可能的，因为容积式机械7能够以类似于节流装置的方式可变地运行以限制进气流的流量。在这种模式下，与容积式机械7之前相比，之后将出现体积流量增加。
图3示出了作为曲柄角(CAD)的函数的、三气缸发动机中的进气门的气门升程。如图3中所示，三个气门在约80、320和560CAD处完全打开，并且在约200、440和680CAD处存在三个时间段，这三个时间段由附图标记13表示，在这些时间段期间，所有进气门都关闭(或非常接近于关闭)。由于进气门的打开和关闭，发动机2产生脉冲，并且这些脉冲在进气管道5的上游移动或传播。由于在这种情况下存在所有进气门都关闭的时间段，所以这些脉冲比具有例如6、8或12个气缸的发动机(其中始终有至少一个进气门打开)更强和/或更明显。具有四个气缸的发动机也经历多个时间段或至少所有进气门都关闭的情况。
容积式机械/罗茨鼓风机7的主要目的是防止这些脉冲移动通过进气管道5并到达涡轮压缩机6”。罗茨式鼓风机具有彼此紧密配合的啮合凸叶以及在这些凸叶与外壳之间的很小间隙。因而，容积式机械/罗茨鼓风机7能够仅使旨在穿过/移位通过该机械的进气流穿过，并且能够防止不打算通过的进气流穿过。因此，在发动机2中产生的脉冲将不会在其朝向进气管道5中的上游途中穿过容积式机械/罗茨鼓风机7。
内燃发动机系统1还包括控制系统(未示出)，其包括被配置成控制发动机系统1的控制单元、发动机数据、传感器等。
如前文所述，发动机2的正常运行意味着发动机2或多或少在稳态模式下运行，没有进气流的突然大变化的明显期望，即，没有突然释放或压下加速器踏板，否则会产生具有这种明显期望的控制信号(可替选地，在没有这种踏板的无人驾驶车辆中不会产生相应的突然控制信号)。
在发动机的这种正常运行模式期间，容积式机械/罗茨鼓风机7被以第一模式驱动，使得入口压力和出口压力(接近于)相等，即，通过容积式机械7的出口压力除以容积式机械7的入口压力而给出的压力比(PR)基本等于1。这意味着容积式机械/罗茨鼓风机7与涡轮压缩机6”和发动机2“同步”工作，并且容积式机械/罗茨鼓风机7主要具有脉冲缓冲装置的功能而不影响进气管道中的压力5。
在节流模式下，例如在由响应于加速器踏板的突然释放而产生的控制信号所启动的节流模式下，容积式机械/罗茨鼓风机7的驱动水平被设定为第二模式(能量回收模式)，使得出口压力低于入口压力(PR低于1)。除了容积式机械/罗茨鼓风机7继续阻止所述脉冲之外，容积式机械/罗茨鼓风机7上的压力势(pressure potential)现在可以通过驱动作为发电机的电动机/发电机8并产生可以用于上述不同目的的电力来回收能量。此外，容积式机械/罗茨鼓风机7增加了布置在上游的涡轮压缩机6”的背压，这可以用于使涡轮压缩机6”在更有利的运行点下运行(如上所述)。
在增压辅助模式下，例如在由响应于突然压下加速器踏板而产生的控制信号所启动的增压辅助模式下，容积式机械/罗茨鼓风机7的驱动水平被设定为第三模式，使得出口压力高于入口压力(PR高于1)。除了容积式机械/罗茨鼓风机7继续阻止所述脉冲之外，它现在还可以用于进一步升高进气流的压力，作为对涡轮压缩机6”产生的压力升高的补充。同样在该模式下，容积式机械/罗茨鼓风机7可以用于使涡轮压缩机6”在更有利的运行点下运行(因为涡轮压缩机6”不一定要达到压力峰值，这是由于可以通过下游的机械7来增加一些压力升高)。
当确定希望正常模式时，从节流模式或增压辅助模式切换回正常模式。
图4示出了运行内燃发动机系统1的方法的示例。该方法包括以下步骤：
步骤S1：在控制单元中接收表示所期望的运行模式的信号或数据。
在实施例中，所期望的运行模式可以是以下模式中的任一种：
-第一模式：正常运行，其中PR基本上为1，
-第二模式：能量回收模式和/或节流模式，其中PR<1，和
-第三模式：增压辅助模式，其中PR>1。
步骤S2：在控制单元中接收表示当前驱动模式的信号或数据。
步骤S3：评估表示所期望的运行模式的信号或数据(S1)与表示当前驱动模式的信号或数据(S2)，并且在存在偏差的情况下，选择三个步骤S4a(第一模式)、S4b(能量回收模式和/或节流模式)和S4c(增压辅助模式)之一并继续到所选择的步骤。如果步骤S3中的评估确认了表示当前驱动模式的信号或数据(S2)满足表示所期望的运行模式的信号或数据(S1)的要求，则该方法可以配置成通过继续到步骤S1而重新开始循环。
在一些实施例中，步骤S2和S3可以表示可选的步骤，使得可以与当前运行参数无关地选择任何所期望的运行模式。
在步骤S4a中，发生以下顺序：
-步骤S4a：将运行切换到第一模式(PR＝1)，
-步骤S5a：使容积式机械7以PR＝1的第一模式运行并返回到步骤S1。
如上所述，该容积式机械以PR＝1的运行可以在内燃发动机的任何运行模式下执行，包括以类似稳态运行、在节流模式下以及在TC增压模式下，在该TC增压模式下，容积式机械7简单地输送由设置在容积式机械7上游的增压装置提供的增压。
在步骤S4b中，发生以下顺序：
-步骤S4b：将运行模式切换到第二模式(能量回收模式和/或节流模式，PR<1)，
-步骤S5b：通过流经进气管道5和容积式机械7的进气流来驱动容积式机械7，由此，可选地，回收从该进气流传递到容积式机械7的能量，和
-步骤S6b：可选地，通过在步骤S5b中回收的能量来驱动电动机/发电机8发电并返回到步骤S1。如果能量回收不可用，则电动机/发电机8将用于控制容积式机械7的速度。
在步骤S4c中，发生以下顺序：
-步骤S4c：将运行模式切换到增压辅助模式(PR>1)，
-步骤S5c：驱动电动机/发电机8以驱动容积式机械7，
-步骤S6c：使容积式机械7以PR>1的增压辅助模式运行并返回到步骤S1。
步骤S5c和S6c可以包括以下的子步骤：通过可变地控制容积式机械7的速度来设定并控制由容积式机械7提供的增压辅助的量值。
这些步骤由控制单元基于各种输入进行控制。典型地，该控制单元基于它已经拥有的所有信息以及它从各种传感器等连续接收的所有信息来确定并决定什么是“所期望的”。当然，该控制单元还控制形成常规发动机控制的一部分的许多其他步骤和功能，因此在此不再详细描述。例如，通常还响应于发动机模式的变化来控制燃料喷射和涡轮压缩机的速度。
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。
例如，发动机系统1可以设有图2中未示出的额外部件，例如废气门、传感器、EGR系统(排气再循环系统)、燃料喷射器、各种阀等。此外，进气流增压冷却器可以布置在进气管道5中，在容积式装置7的上游或下游，并且，可控的驱动装置8可以替代地是机械式或液压的。此外，容积式机械7不必一定是罗茨鼓风机，而是可以是能够缓冲压力脉冲并能够根据所述压力比(PR)被控制的另一种容积式机械。
关于该方法，例如，可以使用所回收的能量经由发动机曲轴的机械或液压动力线来增加驱动动力。

Claims (29)

1.一种运行四冲程内燃发动机系统(1)的方法，所述发动机系统(1)包括：
-四冲程内燃发动机(2)，所述四冲程内燃发动机(2)设有进气管道(5)；
-涡轮压缩机(6”)，所述涡轮压缩机(6”)被布置成压缩所述进气管道(5)中的进气流；以及
-容积式机械(7)，所述容积式机械(7)在所述进气管道(5)中设置在所述涡轮压缩机(6”)下游，其中，所述容积式机械(7)被布置成将进气流从所述容积式机械的入口排出至所述容积式机械的出口，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-使所述容积式机械(7)以第一模式运行，在所述第一模式中，通过所述容积式机械(7)的所述出口处的压力除以所述容积式机械(7)的所述入口处的压力而给出的压力比(PR)基本上等于1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-切换所述容积式机械(7)的运行模式，并且使所述容积式机械(7)以所述压力比(PR)低于1的第二模式运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-切换所述容积式机械(7)的运行模式，并且使所述容积式机械(7)以所述压力比(PR)高于1的第三模式运行。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：根据所述内燃发动机(2)的运行模式来切换所述容积式机械(7)的运行模式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-使所述发动机(2)以正常运行模式运行，并且使所述容积式机械(7)以所述第一模式运行；
-在控制单元中接收以下信号：要供给到所述发动机(2)的进气流的期望量值明显小于在所述正常运行模式期间供给到所述发动机(2)的进气流；
-切换所述容积式机械(7)的运行模式，并使所述容积式机械(7)以所述压力比(PR)低于1的第二模式运行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-使所述发动机(2)以正常运行模式运行，并且使所述容积式机械(7)以所述第一模式运行；
-在控制单元中接收以下信号：要供给到所述发动机(2)的进气流的期望量值明显大于在所述正常运行模式期间供给到所述发动机(2)的进气流；
-切换所述容积式机械(7)的运行模式，并使所述容积式机械(7)以所述压力比(PR)高于1的第三模式运行。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述发动机(2)的所述正常运行模式是类似于稳态的运行模式，在该运行模式中，关于例如发动机速度或负荷的期望变化不存在明显瞬变，从而不会生成或不会接收到与供给到所述发动机(2)的进气流的量值的明显变化有关的控制信号。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，使所述容积式机械(7)以所述第二模式运行的步骤包括以下步骤：
-至少部分地通过流经所述进气管道的所述进气流来驱动所述容积式机械(7)，以及
-在驱动所述容积式机械(7)的同时，回收从所述进气流传递到所述容积式机械(7)的能量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，回收所传递的能量的步骤包括以下步骤：
-将所回收的能量转换成电能，并使用所述电能来驱动电气设备或为蓄电装置充电；或者
-使用所回收的能量向所述发动机的曲轴增加驱动动力。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述容积式机械(7)被布置成由可控的驱动装置(8)以不同的驱动水平驱动，并且其中，使所述容积式机械(7)运行的步骤包括以下步骤：根据发动机运行模式来设定所述容积式机械(7)的驱动水平。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述驱动装置(8)被构造成当由所述容积式机械(7)驱动时产生动力输出。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使所述容积式机械(7)运行的步骤包括以下步骤：设定被布置成驱动所述容积式机械(7)的电动机(8)的驱动水平。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述容积式机械(7)包括至少一个旋转构件，其中，使所述容积式机械(7)运行的步骤包括设定所述旋转构件的驱动速度的步骤。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述容积式机械(7)是具有一对旋转构件的旋转罗茨式鼓风机，所述一对旋转构件设有啮合凸叶。
15.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在通过所述进气管道(5)供给到所述发动机(2)的进气流的全部流量都通过所述容积式机械(7)的所述入口和所述出口并因而穿过所述容积式机械(7)的同时，执行所述容积式机械的运行。
16.一种运行四冲程内燃发动机系统(1)的方法，所述发动机系统(1)包括：
-四冲程内燃发动机(2)，所述四冲程内燃发动机(2)设有进气管道(5)；
-涡轮压缩机(6”)，所述涡轮压缩机(6”)被布置成压缩所述进气管道(5)中的进气流；以及
-容积式机械(7)，所述容积式机械(7)在所述进气管道(5)中设置在所述涡轮压缩机(6”)下游，其中，所述容积式机械(7)被布置成将进气流从所述容积式机械的入口排出至所述容积式机械的出口，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-使所述容积式机械(7)以第二模式运行，在所述第二模式中，通过所述容积式机械(7)的所述出口处的压力除以所述容积式机械(7)的所述入口处的压力而给出的压力比(PR)低于1。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-至少部分地通过流经所述进气管道(5)的所述进气流来驱动所述容积式机械(7)，和
-在驱动所述容积式机械(7)的同时，回收从所述进气流传递到所述容积式机械(7)的能量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，回收所传递的能量的步骤包括以下步骤：
-将所回收的能量转换成电能，并使用所述电能来驱动电气设备或为蓄电单元充电；或者
-使用所回收的能量向所述发动机的曲轴增加驱动动力。
19.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，其中，所述容积式机械(7)被布置成由驱动装置(8)驱动，其中，所述驱动装置(8)被构造成当由所述容积式机械(7)驱动时产生动力输出。
20.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括使所述内燃发动机系统(1)以增压辅助模式(S6c)运行的步骤，这通过以下方式进行：在第三模式下由所述驱动装置(8)驱动所述容积式机械(7)以增大进气压力，使得通过所述容积式机械(7)的所述出口处的压力除以所述容积式机械(7)的所述入口处的压力而给出的压力比(PR)高于1。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述容积式机械(7)被以可变速度驱动，并且其中，该速度由所述控制单元根据增压辅助要求来选择或控制。
22.一种四冲程内燃发动机系统(1)，包括：
-四冲程内燃发动机(2)，所述四冲程内燃发动机(2)设有进气管道(5)；
-涡轮压缩机(6”)，所述涡轮压缩机(6”)被布置成压缩所述进气管道(5)中的进气流；以及
-容积式机械(7)，所述容积式机械(7)在所述进气管道(5)中设置在所述涡轮压缩机(6”)下游，其中，所述容积式机械(7)被布置成将进气流从所述容积式机械的入口排出至所述容积式机械的出口，并且由可控的驱动装置(8)以不同的驱动水平驱动，其特征在于，所述驱动装置(8)被构造成当由所述容积式机械(7)驱动时产生动力输出，并且所述发动机系统(1)被构造成至少部分地通过流经所述进气管道(5)的进气流来驱动所述容积式机械(7)，并且在驱动所述容积式机械(7)的同时回收从所述进气流传递到所述容积式机械(7)的能量，以便从所述驱动装置(8)提供动力输出。
23.根据权利要求22所述的四冲程内燃发动机系统(1)，其中，所述发动机系统(1)被构造成将所回收的能量转化成电能，并使用所述电能i)驱动电气设备或对蓄电装置充电，和/或ii)向所述发动机(2)的曲轴增加驱动动力。
24.根据权利要求22或23所述的四冲程内燃发动机系统(1)，其中，所述容积式机械(7)是具有一对旋转构件的旋转罗茨式鼓风机，所述一对旋转构件设有啮合凸叶。
25.根据权利要求22至24中的任一项所述的四冲程内燃发动机系统(1)，其中，所述发动机系统(1)包括控制单元，所述控制单元被配置成控制根据权利要求1至21中的任一项所述的方法的步骤。
26.一种车辆(100)，包括根据权利要求22至25中的任一项所述的四冲程内燃发动机系统(1)。
27.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码组件，用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求1至21中的任一项所述的步骤。
28.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质携载有计算机程序，所述计算机程序包括程序代码组件，用于当所述程序产品在计算机上运行时执行权利要求1至21中的任一项所述的步骤。
29.一种用于控制四冲程内燃发动机系统的控制单元，所述控制单元被配置成执行根据权利要求1至21中的任一项所述的方法的步骤。
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