发动机系统的制作方法

本发明构思总体上涉及用于车辆的发动机。在特定方面中，本发明构思涉及一种发动机系统。本发明构思可以应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和施工设备。尽管可关于特定车辆描述本发明构思，但是本发明构思不限于任何特定车辆。

背景技术：

1、内燃发动机属于常规车辆技术。为了减少对环境有害的排气，氢气内燃发动机正在成为一种潜在的解决方案，即，燃烧是通过使用氢气而非燃烧柴油或汽油作为燃烧室中的可燃气体执行的。

2、然而，对于氢内燃发动机的增压系统存在特殊需求，这是因为例如高λ值与低残留气体水平相结合是理想的。高λ值可以由传统的自由浮动式涡轮系统获得，但会产生高背压和残留气体的潜在问题。高λ概念还可能受到峰值气缸压力、进气歧管压力和排气歧管压力的限制。

3、因此需要进一步开发发动机系统以减轻至少一些上述缺陷。

技术实现思路

1、根据本发明构思的第一方面，提供了一种用于车辆的发动机系统，该发动机系统包括：第一涡轮装置，该第一涡轮装置包括可操作地彼此连接的第一涡轮和第一压缩机，该第一涡轮被配置为布置成在下游与内燃发动机流体连通；第二涡轮装置，该第二涡轮装置包括可操作地彼此连接的第二涡轮和第二压缩机，该第二涡轮被配置为布置成在下游与该内燃发动机流体连通、与该第一涡轮并联，其中该第一涡轮装置和第二涡轮装置是单独可控的；以及控制单元，该控制单元包括处理器装置，该处理器装置可操作以分别独立地控制该第一涡轮装置和该第二涡轮装置的转速，该处理器装置被配置为：确定由该第一压缩机加压的空气的第一压力和第一质量流量，以及由该第二压缩机加压的空气的第二压力和第二质量流量；确定由该第一压缩机加压的空气的第一压缩机特性图位置，该第一压缩机特性图位置是压缩机特性图内由该第一压力和该第一质量流量定义的位置，该压缩机特性图定义喘振线；并且响应于该第一压缩机特性图位置与该喘振线之间的距离低于预定阈值距离而控制该第一涡轮装置的转速。

2、上述定义的压缩机特性图应优选地被解释为定义压力与质量流量之间的关系的图形，其中压缩机特性图内的位置定义压缩机的性能。因此，借助于压缩机特性图，压缩机的当前性能可以由通过相应压缩机的即时压力和质量流量定义的特定位置(即，第一压缩机特性图位置和第二压缩机特性图位置)来确定。压缩机特性图可以根据压缩机台架测试来设计或者根据模拟来预测/估计。对于第一压缩机和第二压缩机，压缩机特性图可以是类似的。替代地，第一压缩机可以在第一压缩机特性图内操作，而第二压缩机可以在与第一压缩机特性图不同的第二压缩机特性图内操作。

3、如上文定义，压缩机特性图定义喘振线。喘振线应当优选地被解释为压缩机将遭受失速的位置。因此，当压缩机的压缩机特性图位置处于或接近喘振线时，存在压缩机将失速的风险。这可能导致压缩机中的气流突然逆转，这是不期望的，因为压缩机可能变得无法抑制下游的较高压力。压缩机特性图还可以定义阻塞(choke)线。当由压力和质量流量定义的位置落在阻塞线之外时，压缩机将遭受阻塞。词语“压力”应被解释为还包括“压力比”。第一压缩机和第二压缩机可以具有不同的压力比，即，压缩机上游的压力与压缩机下游的压力的比率，同时在相应的第一压缩机和第二压缩机的下游具有相同压力。

4、此外，词语“在内燃发动机下游”应优选地被解释为下游燃烧室，使得第一涡轮和第二涡轮接收从内燃发动机排出的燃烧气体。第一涡轮和第二涡轮可以优选地分别连接到内燃发动机的排气歧管下游，或者分别连接到第一排气歧管和第二排气歧管下游。

5、本发明构思是基于以下认识：在内燃发动机下游的并联涡轮装置(即，第一涡轮装置和第二涡轮装置)可以有效地优化发动机系统的增压。具体地，具有并联涡轮装置的发动机系统可以有利地提高脉冲利用率，并且由此提高发动机系统的整体效率。具体地，与使用单个涡轮装置的相同容量相比，第一涡轮装置和第二涡轮装置可以被设计成具有总体较低的惯性。然而，并联涡轮装置的使用可能对压缩机中的一者的喘振问题敏感，因为第一压缩机和第二压缩机中的一者下游的压力和质量流量影响第一压缩机和第二压缩机中的另一者的压缩机特性图位置。因此，本发明构思的第一方面可以寻求通过使用单独可控的涡轮装置来解决形成并联涡轮装置的一部分的压缩机中的喘振问题，以及单独控制第一涡轮装置的转速以持续地维持第一压缩机地图位置距喘振线一定距离。因此，本发明构思的技术效益可以包括提供具有低喘振风险的压缩机的高效发动机系统。因此可以提高发动机系统的可操作性，即，发动机系统可以在相对较高的空气利用比率下操作。

6、在一些示例中，该第一涡轮装置的转速可以被控制为使得第一压缩机特性图位置与喘振线之间的距离高于临界阈值距离。该临界阈值距离可以是距喘振线零距离，或者小于预定阈值距离的距离。因此，控制第一涡轮装置的转速以避免第一压缩机特性图位置与喘振线对齐或甚至交叉，即，保持第一压缩机特性图位置足够远离喘振线。该转速可以由前馈回路控制。

7、在一些示例中，该处理器装置可以被配置为响应于该第一位置与该喘振线之间的距离低于该预定阈值距离，控制该第一涡轮装置的转速使得由该第一压缩机加压的空气呈现更新的压缩机特性图位置，其中该更新的压缩机特性图位置与该喘振线之间的距离高于该预定阈值距离。技术优势可以包括第一压缩机特性图位置被控制为布置在距喘振线足够距离处，从而进一步降低喘振风险。

8、在一些示例中，该处理器装置还可以被配置为确定由该第二压缩机加压的空气的第二压缩机特性图位置，该第二压缩机特性图位置是该预定义压缩机特性图内由该第二压力和该第二质量流量定义的位置。技术优势可以包括，如果第二压缩机特性图位置太接近喘振线，则也可以控制第二涡轮装置。

9、在一些示例中，该处理器装置还可以被配置为确定该第一涡轮装置的第一涡轮转速，该第一涡轮转速提供由该第一压缩机加压的空气的压缩机特性图位置以与该第二压缩机特性图位置基本一致，并且通过控制该第一涡轮装置的转速以呈现该第一涡轮转速来控制该第一涡轮装置的转速。

10、词语“基本一致”应被解释为使得第一压缩机和第二压缩机的压力和质量流量基本相同。第一压力和第一质量流量可以分别稍微偏离第二压力和第二质量流量，同时仍然落入“基本一致”的定义内。压力和质量流量的差异可以在预定公差范围内，以便仍然落入“基本一致”的定义内。换言之，定义“基本一致”可以允许第一压力与第二压力之间的差异在预定压力范围内以及第一质量流量与第二质量流量之间的差异在预定质量流量范围内。

11、技术优势可以包括第一涡轮装置和第二涡轮装置在压缩机特性图内的基本相同的位置操作，由此实现发动机系统的甚至更高的效率。

12、在一些示例中，第一涡轮装置可以是第一电控涡轮装置。技术优势可以包括当第一压缩机特性图位置太接近喘振线时可以快速控制电控涡轮装置。

13、在一些示例中，该第一电控涡轮装置可以包括位于该第一涡轮与该第一压缩机之间的第一电动马达。在一些示例中，该第一电动马达可以可操作地联接到该处理器装置。

14、在一些示例中，第二涡轮装置可以是第二电控涡轮装置。技术优势可以包括当第二压缩机特性图位置太接近喘振线时可以快速控制电控涡轮装置。

15、在一些示例中，该第二电控涡轮装置可以包括位于该第二涡轮与该第二压缩机之间的第二电动马达。在一些示例中，该第二电动马达可以可操作地联接到该处理器装置。

16、在一些示例中，该发动机系统还可以包括辅助空气压力装置，该辅助空气压力装置被布置成与在下游与该第一压缩机和该第二压缩机中的每一者流体连通。技术优势可以是可以进一步增加供给到内燃发动机中的空气的压力水平，由此改进内燃发动机的增压，因此能够提高发动机系统的整体效率。可以获得内燃发动机上的正压力比，这改进了扫气并且可以增加气缸充气。

17、第一压缩机和第二压缩机下游的辅助空气压力装置的另一技术优势可以是，发动机系统可以通过辅助空气压力装置持续地过度增压。由此，可以获得发动机系统的所谓“超稀”控制，其中特别是当内燃发动机是氢内燃发动机时，在从内燃发动机排出的燃烧气体中形成降低水平的nox。这种降低可能导致氮氧化物排放基本上为零。这又可以使得能够省略催化剂，诸如例如用于其上安装有发动机系统的完整内燃发动机布置的denox催化剂或nox还原催化剂。

18、因此，辅助空气压力装置与可单独控制的第一涡轮装置和第二涡轮装置相结合可以实现改进的nox抑制，同时具有高的λ水平和低水平的残余气体。

19、在一些示例中，该辅助空气压力装置可以是机械增压器，该机械增压器可操作地连接到该内燃发动机的曲轴。该机械增压器可以是所谓的罗茨鼓风机。罗茨鼓风机可能是有利的，这是因为其设计和功能性简单，并且可以有效地在发动机上形成正压，即，与排气歧管处的压力相比，进气歧管处的压力更高。

20、在一些示例中，该机械增压器可以按照固定齿轮比可操作地连接到曲轴。技术优势可以是获得相对简单的安装。

21、在一些示例中，该机械增压器可以按照可变齿轮比可操作地连接到曲轴。技术优势可以是，第一压缩机和第二压缩机下游的压力和质量流量可以通过改变机械增压器的转速以及因此获得的压力水平来控制。第一压缩机特性图位置和第二压缩机特性图位置可以由此通过改变机械增压器的操作来控制。

22、在一些示例中，该发动机系统还可以包括旁通导管，该旁通导管绕过辅助空气压力装置。技术优势可以是，可以通过可控地绕过辅助空气压力装置来控制第一压缩机特性图位置和第二压缩机特性图位置。

23、在一些示例中，该旁通导管可以包括旁通阀。技术优势可以是可以轻易地控制旁通阀。在一些示例中，旁通阀可以是可调阀，诸如例如节气门。技术优势可以是，辅助空气压力装置可以被绕过的范围是从零旁通直至100％旁通。

24、在一些示例中，该发动机系统还可以包括增压空气冷却器，该增压空气冷却器被布置成与在下游与该第一压缩机和该第二压缩机中的每一者流体连通。技术优势可以是来自第一压缩机和第二压缩机的加压空气的温度水平可以在进入辅助空气压力装置之前降低，由此可以获得增大的压缩比。

25、在一些示例中，该增压空气冷却器可以被布置成在上游与辅助空气压力装置流体连通。

26、在一些示例中，该处理器装置还可以被配置为确定从内燃发动机排出的燃烧气体的λ值，并且响应于该λ值在预定λ阈值范围之外而控制该第一涡轮装置和该第二涡轮装置中的至少一者的转速。

27、优选地，该发动机系统还被配置为从λ传感器或λ模型接收λ值。

28、技术优势可以是，从内燃发动机排出的燃烧气体的λ值可以通过单独地控制第一涡轮装置和第二涡轮装置来控制。根据非限制性示例，当λ值低并且需要增大时，可以增大第一涡轮装置和第二涡轮装置的转速。类似地，当λ值高并且需要降低时，可以降低第一涡轮装置和第二涡轮装置的转速。

29、根据第二方面，提供了一种车辆，该车辆包括内燃发动机和根据前述示例中任一项所述的发动机系统，其中该发动机系统连接到该内燃发动机。

30、在一些示例中，该内燃发动机可以是氢内燃发动机。优选地，该氢内燃发动机包括火花塞。

31、在一些示例中，该内燃发动机可以至少包括第一排气歧管和第二排气歧管，该第一涡轮被布置成在下游与该第一排气歧管流体连通，并且该第二涡轮被布置成在下游与该第二排气歧管流体连通。

32、第二方面的另外的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面描述的那些效果和特征。

33、根据第三方面，提供了一种控制连接到内燃发动机的发动机系统的方法，该发动机系统包括：第一涡轮装置，该第一涡轮装置包括可操作地彼此连接的第一涡轮和第一压缩机，该第一涡轮被布置成在下游与该内燃发动机流体连通；以及第二涡轮装置，该第二涡轮装置包括可操作地彼此连接的第二涡轮和第二压缩机，该第二涡轮被布置成在下游与该内燃发动机流体连通、与该第一涡轮并联，其中该第一涡轮装置和第二涡轮装置是单独可控的，

34、该方法包括确定由该第一压缩机加压的空气的第一压力和第一质量流量，以及由该第二压缩机加压的空气的第二压力和第二质量流量；确定由该第一压缩机加压的空气的第一压缩机特性图位置，该第一压缩机特性图位置是压缩机特性图内由该第一压力和该第一质量流量定义的位置，其中该压缩机特性图定义喘振线；以及响应于该第一位置与该喘振线之间的距离低于预定阈值距离而控制该第一涡轮装置的转速。

35、第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面和第二方面描述的那些效果和特征。

36、上述方面、所附权利要求和/或本文在上文和下文中公开的示例可以适当地彼此组合，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

37、附加的特征和优点在以下描述、权利要求和附图中公开，并且部分地对于本领域技术人员而言将是显而易见的或者通过如本文描述实践本发明构思而认识到。本文还公开了与上文讨论的技术效益相关联的控制单元、计算机可读介质和计算机程序产品。