用于内燃发动机的增压设备和用于增压设备的操作方法与流程

废气涡轮增压器越来越多地用于在内燃发动机中（尤其是在机动车辆中）增加功率。这甚至更常见地以减小内燃发动机的结构大小和重量同时维持相同水平的功率或甚至获得增加水平的功率且同时在就这一点而言越来越严格的法律规定的背景下减小消耗并因此减少CO₂排放为目标进行。操作原理在于利用包含在废气流动中的能量以增加在内燃发动机的进气道中的压力，且因此利用空气氧气实现燃烧室的改善的增压并因此以便能够在每个燃烧过程中转化更多的燃料、汽油或柴油，也就是说增加内燃发动机的功率。

出于该目的，废气涡轮增压器具有涡轮机和压缩机，涡轮机布置在内燃发动机的废气道中且其具有通过废气流动驱动的涡轮机转子，压缩机布置在进气道中且其具有建立压力的压缩机转子。涡轮机转子和压缩机转子结合地旋转紧固到转子轴的相对端部，转子轴可旋转地安装在布置在涡轮机和压缩机之间的支承单元中。因此，借助于废气质量流动，驱动涡轮机叶轮，且经由转子轴继而驱动压缩机叶轮，且废气能量因此用于在进气道中建立压力。

涡轮机和压缩机是涡轮机械，且由于物理定律，以相应地取决于结构大小和设计的方式具有最佳操作范围，该最佳操作范围的特征在于质量吞吐量、压力比值和相应转子的旋转速度。

与此相比，在机动车辆中内燃发动机的操作的特征在于负载和操作范围的动态改变。

为了现在能够使废气涡轮增压器的操作范围适应内燃发动机的改变的操作范围且因此尽可能在不显著减速（涡轮迟滞）的情况下确保期望的响应行为，废气涡轮增压器配备有额外的功能，诸如例如在废气侧的所谓可变涡轮机几何形状（VTG）或废汽门设备（WG）和在空气供给侧的超限空气再循环或喷出设备。这些用于最小化惰性行为并因此最小化涡轮增压器的减速响应行为，和避免损坏操作状态，诸如例如，所谓的压缩机喘振。

还已知使用以并联或连续布置的多个涡轮增压器的组合或使用机械地或通过电动马达操作的额外压缩机、所谓的增压鼓风机或增压器，以便覆盖内燃发动机的各种操作条件，以便在全部旋转速度范围中和尤其在加速过程期间有效地增加功率，并尤其避免非期望的涡轮机迟滞。

例如在DE 100 23 022 A1中公开了所述类型的增压设备，其具有常规废气涡轮增压器和关于涡轮增压器压缩机串联或并联布置在新鲜空气流动中的辅助压缩机，该辅助压缩机具有独立于废气流动的驱动，例如电动马达驱动。

相比之下，在其中内燃发动机的功率迅速减小的操作阶段中，同样由于涡轮增压器的惯性，情况是存在过量的压缩机功率，这能够导致压缩机喘振。在这样的操作状态中，废气被例如借助于废汽门设备被引导以便绕开涡轮增压器的涡轮机进入废气道，并且已经压缩的新鲜空气在压缩机的下游喷出，或者经由超限空气再循环设备膨胀且再循环到入口区域中。所述类型的超限空气再循环阀的布置和功能例如从文献DE 28 23 067 C2和DE 19712850A1已知。

以这种方式，可用的能量被以未利用状态排放到环境中，这对于总体能量平衡并因此对内燃发动机的效率具有不利的影响。

本发明因此基于详细说明用于内燃发动机的增压设备和用于其的操作方法的目的，这两者都适用于借助于废气涡轮增压器在内燃发动机的加速或最大-负载阶段中帮助建立增压压力，或者适用于在内燃发动机的制动或低-负载阶段期间利用增压系统中的过量能量、或使得该过量能量在机动车辆的整个系统中可利用，并因此增加内燃发动机的效率。

所述目的借助于具有专利权利要求1的特征的增压设备和借助于具有专利权利要求9的特征的用于所述增压设备的操作方法实现。

从属权利要求涉及有利的实施例和改进，其可单独使用，或者在其不涉及相互排斥的替代方式的情况下彼此组合。

根据本发明的用于具有进气道和废气道的内燃发动机的增压设备具有废气涡轮增压器，其具有废气涡轮机及具有低压侧和高压侧的新鲜空气压缩机，废气涡轮机布置在内燃发动机的废气道中，新鲜空气压缩机布置在内燃发动机的进气道中。

新鲜空气压缩机在其低压侧上连接到新鲜空气供应管线，且在其高压侧上经由增压空气供给管线连接到内燃发动机的增压空气歧管。增压设备的特征在于回收增压器（Rekuperationslader）的额外布置，回收增压器具有带有高压侧和低压侧的压缩机-涡轮机且其具有联接到所述压缩机-涡轮机的机电马达-发电机。在此，压缩机-涡轮机的高压侧借助于阀布置在一侧可连接到新鲜空气供应管线且在另一侧可连接到内燃发动机的增压空气供给管线，能够吸入新鲜空气质量流动，或者能够经由压缩机-涡轮机的低压侧排放增压空气质量流动。在此，增压空气质量流动指的是被泵送到在废气涡轮增压器的新鲜空气压缩机（如沿流动方向观察）的下游（也就是说在其高压侧上）的高压的新鲜空气质量流动。

借助于阀布置和马达-发电机，回收增压器首先可以通过马达-发电机驱动的方式作为压缩机操作，用于增加在新鲜空气供应管线中的压力，且其次可以通过增压空气流动驱动的方式作为涡轮机操作，以借助于马达-发电机用于能量回收，或者可空档（neutral）操作。

在此，表达“回收增压器”理解为意思是一种设备，其将叶轮型涡轮机与连接的发电机和叶轮型压缩机与连接的电动马达组合在一个设备中。因此，叶轮型涡轮机和叶轮型压缩机组合在一个单元中，以形成上文以及下文中称为压缩机-涡轮机的物件。

同样，电动马达和发电机组合在一个单元中，以形成上文以及下文中称为马达-发电机的物件。压缩机-涡轮机和马达-发电机直接或经由置于中间的传动装置联接到彼此。

在设计压缩机-涡轮机时，利用叶轮的特性，借以，首先，在被来自高压侧且在高压下的流体的流动冲击时，其能够充当涡轮机且生成输出扭矩，且其次，在由驱动扭矩驱动时，其能够在压力增加的情况下自己生成流体流动且因此充当压缩机。因此对应叶轮的设计和在转子壳体中的流动引导必须为了用作压缩机-涡轮机允许两种预期使用。这可在压缩机-涡轮机的有利改进中借助于引导流动的导叶的固定或可变布置优化。

在马达-发电机的设计中，利用三相电机的特性，借以，首先，当电压和电流施加到其时，其能够在驱动作用下操作为电动马达，且其次，在由外部扭矩驱动时，其能够自己生成电压和输出电流。用于用作马达-发电机的对应三相机器的设计因此必须允许两种预期使用。

压缩机-涡轮机和马达-发电机的有利组合形成上文以及下文中称为回收增压器的物件，这有利地允许压缩机-涡轮机在两个流动方向上的操作，具体地，在由电动马达作用驱动时在升压器操作模式中作为压缩机，或作为涡轮机以便在回收操作模式中驱动发电机。另外的可能性在于将马达-发电机切换到空档状态，其对应于压缩机-涡轮机的空转状态且能够在标准操作模式中利用。

根据本发明的用于根据上文描述的内燃发动机的增压设备的操作方法的特征在于，增压设备能够在操作期间以取决于内燃发动机的操作行为的方式并借助于阀布置和回收增压器的马达-发电机在标准操作模式或升压器操作模式或回收操作模式之间切换。

如果在需要增加旋转速度或在存在内燃发动机的升高的负载的情况下，切换到增压设备的升压器操作模式，则压缩机涡轮机的高压侧借助于阀布置连接到新鲜空气供应管线，且同时，马达-发电机作为驱动马达操作，且新鲜空气经由压缩机-涡轮机的低压侧被吸入、被压缩和在升高的压力下被供给到废气涡轮增压器上游的新鲜空气供应管线中，这导致在增压空气管线和在增压空气歧管中的加速的压力增加，并且因此导致甚至在低发动机速度下的扭矩增加，并且因此导致内燃发动机的改善的加速行为。

如果，另一方面，内燃发动机的功率的快速降低是必要的，或者在低-负载操作中不完全需要由或能够由废气涡轮增压器的新鲜空气压缩机生成的增压空气质量流动，则能够切换到增压设备的回收操作模式中。在此，压缩机-涡轮机的高压侧借助于阀布置连接到增压空气供给管线，且同时，马达-发电机作为发电机操作。现在，内燃发动机不需要的增压空气质量流动在高压下被引导到压缩机-涡轮机，且因此驱动马达-发电机，这继而将所施加的扭矩转化成电能，其能够直接地供应到在车辆中的其他消耗装置或积蓄器。因此，在增压设备中的过量能量并不在未利用的情况下释放到环境，而是能够供应用于更多有利使用（可能在晚些时候）。

如果内燃发动机例如在中等的恒定负载下操作，则增压设备能够切换到标准操作模式中。在此，压缩机-涡轮机的高压侧借助于阀布置连接到新鲜空气供应管线，且同时，马达-发电机切换到空档状态，且因此新鲜空气还能借助于压缩机-涡轮机在这不被额外压缩的情况下被吸入。由废气涡轮增压器生成的增压压力是适当的，且过量能量在系统中不可用。

根据本发明的增压设备和对应操作方法的优势尤其在于如下事实：取决于内燃发动机的操作状况，扭矩的快速增加并因此旋转速度的快速增加变得可能，同时避免“涡轮机迟滞”，且在功率快速降低的相对情况下，过量能量不必在未利用的情况下耗散掉，而是能够变得可利用。

下面，尤其有利的示例性实施例和按照从属权利要求的本发明的改进将被基于附图更详细地讨论，但是本发明的主题不受限于这些示例，且尤其不受限于在其中出现的特征的组合。

在附图中：

图1是在标准模式中结合内燃发动机的根据本发明的增压设备的示例性实施例的简化示意图；

图2是在升压器模式中结合内燃发动机的根据本发明的增压设备的第二示例性实施例的简化示意图；

图3示出在回收模式中按照图2的根据本发明的增压设备的第二示例性实施例；

图4示出在回收模式中根据本发明的增压设备的另外的示例性实施例。

相同功能和设计的物品贯穿附图通过相同的附图标记表示。

在图2中的本发明的示例性实施例以示意图示出内燃发动机1，其在该情况下图示为四缸直列式发动机，具有进气道2并具有废气道3。还示出的是带有废气涡轮机5和新鲜空气压缩机6的废气涡轮增压器4和所谓的回收增压器12，回收增压器12具有涡轮机压缩机13和机电马达-发电机14。

废气道3包括：废气歧管19，其连接到内燃发动机1；废气涡轮机5，其在其高压侧HD上连接到废气歧管19；废气排放管线20，其连接到废气涡轮机5的低压侧ND；以及废气催化转化器21、烟尘颗粒过滤器22和消音器23，其沿着废气排放管线20布置。从内燃发动机1排放的废气质量流动25从废气歧管19通过废气涡轮机5排放到废气排放管线20中，并通过废气催化转化器21、烟尘颗粒过滤器22和消音器23排放到环境中。

进气道2包括：增压空气歧管9，其连接到内燃发动机1；废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6；和增压空气供给管线8，其在一侧经由节流瓣阀10连接到增压空气歧管9和其在另一侧连接到新鲜空气压缩机6的高压侧HD。此外，进气道2包括新鲜空气供应管线7，其在一侧连接到新鲜空气压缩机6的低压侧ND并在另一侧经由入口连接器7a连接到新鲜空气过滤箱。同样分配给进气道2的是回收增压器12，其具有压缩机-涡轮机13和联接到其的马达-发电机14。压缩机-涡轮机13的低压侧ND经由入口连接器7b连接到新鲜空气过滤箱18。连接到压缩机-涡轮机13的高压侧HD的是分支管线11，其在分支点11e处分成增压空气支路11a和新鲜空气支路11b。新鲜空气支路11b在新鲜空气支路连接点11c处连接到新鲜空气供应管线7，且增压空气支路11a在增压空气支路连接点11d处连接到增压空气供给管线8，且因此将压缩机-涡轮机13的高压侧HD既经由分支管线11、新鲜空气支路11b和新鲜空气供应管线7连接到废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6的低压侧ND，又经由分支管线11、增压空气支路11a和增压空气供给管线8连接到废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6的高压侧HD。此外，增压空气冷却器17布置在增压空气供给管线8中，在新鲜空气压缩机6的高压侧HD和增压空气支路连接点11d之间。

在新鲜空气支路11b中和在增压空气支路11a中以及在新鲜空气支路连接点11c和新鲜空气供给管线7的入口连接器7a之间的新鲜空气供应管线7中，也就是说在新鲜空气质量流动24中在新鲜空气支路连接点11c的上游，在不同情况下布置一个关闭阀（15a、15b、15c）。通过关闭阀（15a、15b、15c）的对应阀设定，在此通过空心箭头指示的、在分支管线11中且经由压缩机-涡轮机13的新鲜空气质量流动24的流动方向能够被切换。

在图1中示出的关闭阀（15a、15b、15c）的阀设定表征增压设备的标准操作模式，当内燃发动机1在差不多恒定的负载下在差不多恒定的低至中等旋转速度带中运行时，其被设定。在此，关闭阀15c并因此沿新鲜空气质量流动24方向在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7，及关闭阀15b并因此新鲜空气支路11b打开，且关闭阀15a并因此增压空气支路11a关闭。同时，回收增压器12的马达-发电机14切换到空档状态，其通过“马达”和“发电机”名称两者都已带有删除线的事实表示。

因此，在标准操作模式中，新鲜空气质量流动24通过废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6的低压侧ND从新鲜空气过滤箱18经由新鲜空气供应管线7的入口连接器7a并同样地经由新鲜空气支路11、空转的压缩机-涡轮机13和压缩机-涡轮机13的入口连接器7b被吸入。在废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6中，新鲜空气质量流动24被压缩，且在新鲜空气压缩机6的高压侧HD上在升高的压力下被泵送到增压空气供给管线8中并经由至少部分打开的节流瓣阀10和增压空气歧管9进入内燃发动机1的气缸。在新鲜空气压缩机6的高压侧HD排放的新鲜空气质量流动24在该背景下还称为增压空气质量流动（24），其预期指示升高的压力水平。借助于布置在增压空气供给管线8中的增压空气冷却器17，增压空气质量流动24被冷却，借此供应到内燃发动机1的气缸的氧气量且因此内燃发动机1的功率能够进一步增加。增压空气冷却器17在该情况下布置在新鲜空气压缩机6的高压侧HD和增压空气支路连接点11d之间，这在切换到回收操作模式（其将在下面基于图3在文本中进一步更详细地讨论）的情况下具有将已经冷却的过量增压空气质量流动24引导到回收增压器12的压缩机-涡轮机13的效果。这具有如下优势：压缩机-涡轮机13的部件不需要被设计为用于高温，且因此更便宜的构造变得可能。

图2示出内燃发动机1、废气道3和进气道2与在图1中大致相同的构造。然而在进气道2中，设计变型不同，因为在新鲜空气支路11b中的关闭阀15b和在新鲜空气供应管线7中的关闭阀15c一起被在新鲜空气支路连接点11c处的开关阀16替代。这减少了所需的个体部件的数目、简化了阀的致动并减少了增压设备的总体结构大小。

如还能从示意图看到地，开关阀16被设计成使得，在三个开关位置中的一个中，其打开从新鲜空气支路11b到新鲜空气供应管线7的通路，同时关闭从新鲜空气供应管线7到入口连接器7a的通路，也就是说在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7，如在图2中所示。在三个可能的开关位置中的另外一个中，开关阀关闭从新鲜空气支路11b到新鲜空气供应管线7的通路，同时打开从新鲜空气供应管线7到入口连接器7a的通路，也就是说在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7，如在图3中所示。在开关阀16的第三开关位置中，从新鲜空气支路11b到新鲜空气供应管线7的通路和从新鲜空气供应管线7到入口连接器7a的通路（也就是说在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7）两者被打开，且这对应于如在图1中所示的两个关闭阀15b和15c的阀位置。

此外，增压空气冷却器17沿增压空气质量流动24的流动方向在增压空气支路连接点11d的下游布置在增压空气供给管线8中，也就是说在增压空气支路连接点11d和节流瓣阀10之间。在切换到回收操作模式（其将在下面基于图3在文本中进一步又更详细的讨论）的情况下，这具有如下效果，即，过量增压空气质量流动24在还未被冷却的情况下被引导到回收增压器12的压缩机-涡轮机13。这具有如下优势，即，用于回收（也就是说能量回收）的增压空气质量流动24的内能处于最大，因为没有通过冷却从增压空气质量流动24提取能量并释放到环境中。

此外，在此，压缩机-涡轮机13在压缩机-涡轮机壳体中配备有静止或可变的导叶布置13a，虽然这仅仅在图2中示意性图示。在如在图2中所示的增压设备的升压器操作模式中，导叶布置13a用于优化新鲜空气质量流动24在压缩机-涡轮机的高压侧HD上的流出行为。

此外，如在图2中所示的关闭阀15a和开关阀16的阀设定表征增压设备的升压器操作模式，其在内燃发动机1的负载动态地增加或需要动态增加旋转速度或内燃发动机靠近或处于最大负载操作时被设定。

在此，开关阀16打开从新鲜空气支路11b到新鲜空气供应管线7的通路，然而从新鲜空气供应管线7到入口连接器7a的通路，也就是说在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7被关闭。

关闭阀15a且因此增压空气支路11a保持关闭。同时，回收增压器12的马达-发电机14切换到马达操作，这通过仅“发电机”名称而不是“马达”名称带有删除线的事实表示。在马达-发电机14的马达操作中，压缩机-涡轮机13通过马达-发电机14驱动且因此充当压缩机。

因此，在升压器操作模式中，新鲜空气质量流动24通过压缩机-涡轮机13的低压侧ND仅经由回收增压器12的压缩机-涡轮机13的入口连接器7b从新鲜空气过滤箱18吸入。在回收增压器12的压缩机-涡轮机13中，新鲜空气质量流动24被预压缩，且在压缩机-涡轮机13的高压侧HD上，在升高的压力下经由分支管线11、新鲜空气支路11b和开关阀16被供给到新鲜空气供应管线7中。所述压力增加在没有延迟的情况下经由新鲜空气压缩机6、增压空气冷却器17和在该情况下完全打开的节流瓣阀10传播，借以在升高的压力下在增压空气歧管9中能非常迅速地获得增压空气质量流动24，且因此确保内燃发动机的改善的响应行为。

当在进一步的过程期间，废气涡轮增压器已经克服其惯性力矩时，预压缩的新鲜空气质量流动24进一步借助于新鲜空气压缩机6压缩，也就是说，增压空气质量流动24的压力进一步增加，这导致内燃发动机1的功率的进一步增加。

图3示出增压设备与图2相同的构造，但是在图3中示出的关闭阀15a和开关阀16的阀设定表征增压设备的回收操作模式，如果内燃发动机1的负载动态地减小且动态的旋转速度下降被预定义或如果出于其他原因过量的增压空气质量流动24可用，则设定增压设备的回收操作模式。在机动车辆的驱动操作期间，这例如对应于其中断开变速器的差不多强烈的制动操作或对应于其中内燃发动机1给予制动动作的超限操作。在此，节流瓣阀迅速关闭或保持关闭，然而废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6，由于其惯性，首先继续输送并压缩新鲜空气质量流动24。在该情况下，在回收操作模式中，开关阀16关闭从新鲜空气支路11b到新鲜空气供应管线7的通路，然而打开从新鲜空气供应管线7到入口连接器7a的通路，也就是说在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7。关闭阀15a并因此增压空气支路11a现在打开。在此，在增压空气支路11a中的关闭阀15a不必在所有状况中都完全打开；而是，还可能的是阀开口借助于外部控制单元（未示出）调整，使得维持当前设定点增压压力，且精确地仅过量增压空气质量流动部分被从增压空气供给管线8排放并引导到压缩机-涡轮机13以用于能量回收目的。

同时，回收增压器14的马达-发电机14被切换到发电机模式，这通过仅“马达”名称而不是“发电机”名称具有删除线的事实表示。

通过新鲜空气压缩机6输送的过量增压空气质量流动24因此部分地或完全地经由打开的关闭阀15a、增压空气支路11a和分支管线11被引导到压缩机-涡轮机13的高压侧HD。压缩机-涡轮机13被来自高压侧HD的增压空气质量流动24冲击。为了优化流动的冲击，可能能够将可变导叶布置13a（如果设置的话）切换到涡轮机模式。

通过增压空气质量流动24驱动，压缩机-涡轮机13因此充当涡轮机，其继而驱动切换到发电机模式的马达-发电机14。借助于该驱动，马达-发电机14生成电能，电能能够有利地被引入到对应积蓄器中，例如电池或电容器（未示出）。因此有利地，过量能量能够保持在系统中，且变得可利用。

图4示出根据本发明的增压设备的另外的示例性实施例。关于图2和图4的示例性实施例，所述示例性实施例特征在于改变的阀布置，其中，在增压空气支路中的关闭阀和在新鲜空气支路11b中的关闭阀一起被在分支管线11的分支点11e处的开关阀16a替代，且另外的关闭阀15c沿新鲜空气质量流动24布置在新鲜空气支路连接点11c上游的新鲜空气供应管线7中，也就是说在新鲜空气支路连接点11c和新鲜空气供应管线的入口连接器7a之间。

开关阀16a在该情况下设计成使得，在两个开关位置中的一个中，其打开从分支管线11到新鲜空气支路11b且因此到新鲜空气供应管线7的通路，同时阻塞到增压空气支路11a的通路，这对应于在标准操作模式中和在升压器操作模式（未示出）中的阀设定。在开关阀17的第二开关位置中，如在图4中所示，情况是：从分支管线11到新鲜空气支路11b且因此到新鲜空气供应管线7的通路关闭，同时到增压空气支路11a的通路打开，这对应于在回收操作模式中的阀位置。

在回收操作模式中，在新鲜空气供应管线7中的关闭阀15c同时打开，使得废气涡轮增压器4的新鲜空气压缩机6能够从新鲜空气过滤箱18吸入新鲜空气质量流动24。新鲜空气或增压空气质量流动24的引导因此对应于在图3中示出的示例。

简短地再次总结，本发明因此涉及增压设备且涉及用于内燃发动机1的所述增压设备的操作方法，所述增压设备具有废气涡轮增压器4和回收增压器12，其具有压缩机-涡轮机13和联接到其的机电马达-发电机14。在此，压缩机涡轮机13的高压侧HD借助于阀布置在一侧可连接到在废气涡轮增压器4上游的新鲜空气供应管线7，且在另一侧可连接到在废气涡轮增压器4下游的增压空气供给管线8，其中，经由压缩机-涡轮机13的低压侧ND，能够吸入新鲜空气质量流动24，或者能够排放增压空气质量流动24。

所述回收增压器12能够借助于阀布置和马达-发电机14在标准操作模式、升压器操作模式和回收操作模式之间切换，其中，所述回收增压器首先在升压器操作模式中以通过马达-发电机14驱动的方式用作压缩机以增加在新鲜空气供应管线8中的压力，或者其次以通过增压空气流动驱动的方式用作涡轮机以借助于马达-发电机14用于能量回收，或者可空档操作。