本发明涉及内燃机系统、用于内燃机系统的组合式压缩机和膨胀器、用于内燃机系统的方法、计算机程序、计算机可读介质和控制单元。
本发明可应用在重型车辆(例如卡车、公共汽车)和建筑设备(例如工程机械)中。本发明也可应用于轿车。尽管将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆类型。
背景技术：
已知的是，具有两个压缩阶段和两个膨胀阶段(例如，通过压缩机、燃烧室和膨胀器)的内燃机可以允许达到非常高的压力以及从燃料提取更多能量。然而，高效率的车辆发动机可以具有非常冷的尾管排气，这可能阻止或降低由排气处理装置(例如各种类型的催化转化器)提供的排气处理过程的效率。对于某些过程，例如选择性催化还原(SCR)，能够通过提供大的排气处理装置来补偿低温度；然而，这将增加发动机系统的重量和体积，这可能是个问题，尤其在通常存在所要求的空间需求的车辆中。
US2010300385公开了一种具有两个压缩阶段和两个膨胀阶段的发动机，其中，氧化催化剂被定位在动力气缸和膨胀器气缸之间。然而，对于许多排气处理过程，例如SCR，这种位置提供了过高的温度。
技术实现要素：
本发明的目的在于减少具有压缩机、燃烧室和膨胀器的内燃机的排放。本发明的目的还在于提供如下一种具有压缩机、燃烧室和膨胀器的内燃机系统：其提供有效的排气处理，同时避免了发动机系统的体积和/或重量的大的增加。
上述目的通过一种内燃机系统来实现，该内燃机系统包括：
-至少一个燃烧室，和
-第一膨胀器，该第一膨胀器被布置成接收来自所述至少一个燃烧室中的至少一个的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，
-其特征在于，所述系统包括第二膨胀器，该第二膨胀器被布置成接收来自第一膨胀器的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量。
这里，发动机系统应被理解为包括内燃机，进而包括燃烧室、第一膨胀器和第二膨胀器。
本发明允许在至少三个步骤中完成的发动机系统的膨胀。进而，这允许提供两个不同的温度范围，一个在第一膨胀器的上游，一个在第一膨胀器和第二膨胀器之间。由此，该发动机系统可以提供多个同时的温度范围，每个适用于一个或多个相应的排气处理过程。
因而，该系统可以有利地设置有排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收来自第一膨胀器的排气，处理所接收的排气并将处理后的排气传送到第二膨胀器。由此，能够提供例如选择性催化还原(SCR)催化剂形式的排气处理装置，其要求比第一膨胀器上游的温度范围低的温度范围。特别地，膨胀器之间的温度范围可以被保持为比与大气直接联通的排气系统的一部分中(例如车辆尾管)高；然而，膨胀器之间的温度范围可以被保持为比燃烧室和第一膨胀器之间的低。
在排气处理装置是SCR催化剂的车辆中，与其定位在尾管中的情形相比，膨胀器之间的高温位置允许较小的SCR。这使得能够提供SCR催化剂作为便宜的催化剂，用于在300-450℃温度范围内的具有高转化率的氮氧化物(NOx)还原。具体地，可以减小催化剂尺寸，这减小了发动机系统的体积和重量。
有利地，所述系统包括喷射器，该喷射器被布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射在第一膨胀器的上游或者喷射到第一膨胀器中。由此，由该喷射器进行的还原剂喷射的正时和/或持续时间可以与第一膨胀器的入口阀的致动相协调。这将提供还原剂与排气的良好混合。应理解的是，该还原剂可以是尿素溶液或者可用于降低来自发动机的微粒排放和/或氮氧化物排放的另一还原剂。该还原剂可以是有机和无机氮化合物的溶液。
也如下文所讨论的，在还原剂包括尿素的情况下，第一膨胀器可以促进尿素的热解，以在它到达SCR催化剂之前将它分解为异氰酸盐和氨。于是，该异氰酸盐可以通过水解作用被处理，以提供氨。将还原剂喷射在第一膨胀器的上游或者喷射到第一膨胀器中可以支持所述热解和水解作用，因为这些过程将被其中的热量增强。有利地，在第一膨胀器是活塞膨胀器的情形中，该喷射器可以布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射到第一膨胀器中并喷射到第一膨胀器的活塞上，例如喷射到活塞的活塞冠上。由此，所述热解和水解作用可以特别地得到存储在活塞中(例如，在活塞的顶部中)的热量支持。例如，存储在活塞的活塞冠中的热量可以支持所述热解和水解作用。
优选地，除了该排气处理装置外，所述系统还包括前膨胀器排气处理装置(pre-expander exhaust treatment device)，其被布置成接收来自燃烧室的排气，对排气提供排气处理过程并将处理后的排气传送到第一膨胀器。前膨胀器排气处理装置可以包括氧化催化剂和/或微粒过滤器。在两者都被提供的情形中，微粒过滤器可以位于氧化催化剂的下游。该系统可进一步布置成使得：在其运行期间，前膨胀器排气处理装置呈现550-1300℃范围内的温度，优选在550-1100℃的范围内，例如在550-800℃的范围内。前膨胀器排气处理装置的温度可以根据发动机负荷而变化。在发动机满负荷时，前膨胀器排气处理装置的温度例如可以是900-1100℃。由此，可以提供排气处理装置的沿着排气路径的有利分布，从而给出了不同的温度，每个温度被优化用于相应的排气处理装置。
应理解的是，根据前膨胀器排气处理装置的设置，第一膨胀器被布置成接收来自燃烧室的处理后的或未处理的排气。“排气”在此应理解为已被处理，如果它们是被从排气处理装置接收到的话。
在一些实施例中，例如，在没有前膨胀器排气处理装置的情形中，第一膨胀器可以布置成利用从所述至少一个燃烧室中的至少一个接收的排气中的压力脉冲，以增大第一膨胀器的动力输出。
这里，发动机系统应理解为包括发动机，进而包括燃烧室、第一膨胀器和第二膨胀器，并且发动机系统应理解为包括发动机，以及前膨胀器排气处理装置和后膨胀器排气处理装置(如果提供的话)。
在该系统包括曲轴并且燃烧室包括被布置成在气缸内往复运动并驱动曲轴的活塞的情形中，本发明是特别有利的。应当理解，该系统可以包括多个燃烧室，每个均包括被布置成在相应气缸内往复运动的活塞，由此，所述活塞全部被布置成驱动该曲轴。
第一膨胀器优选是活塞膨胀器，其被布置成利用所提取的能量来驱动曲轴。类似地，第二膨胀器优选是活塞膨胀器，其被布置成利用所提取的能量来驱动曲轴。该系统可以包括至少一个压缩机，其可以是活塞压缩机，被布置成由曲轴驱动。因而，本发明可有利地被实施在其中压缩机和膨胀器连接到曲轴的多阶段压缩和膨胀式发动机中。这种连接可以是直接或间接的，如下文所示例的。由此，该系统可以具有高效率。通常地，所述膨胀器可以提供发动机的总功率的30-50％，例如40％，并且所述压缩机可以耗费发动机的总功率的10-20％。
然而，应注意的是，在权利要求的范围内，第一膨胀器可以是活塞膨胀器以外的类型。例如，第一膨胀器可以是涡轮机。该涡轮机可以布置成驱动压缩机以压缩用于燃烧室的空气，或者它可以布置成利用所提取的能量来驱动曲轴。类似地，第二膨胀器可以是活塞膨胀器以外的类型。例如，第二膨胀器可以是涡轮机。该涡轮机可以布置成驱动压缩机以压缩用于燃烧室的空气，或者它可以布置成利用所提取的能量来驱动曲轴。
在一些实施例中，在该系统包括被布置成对用于所述至少一个燃烧室中的至少一个的空气进行压缩的压缩机的情形中，第二膨胀器可以包括被布置成驱动该压缩机或另外的压缩机的涡轮机。由此，该系统可以提供有高的功率密度。在设置有另外的压缩机的情形中，它可以布置成将压缩空气传送到被布置成对用于所述至少一个燃烧室中的至少一个的空气进行压缩的所述压缩机。因而，可以提供有利的三阶段压缩。
在一个有利实施例中，在该系统包括曲轴和被布置成对用于所述至少一个燃烧室中的至少一个的空气进行压缩的压缩机的情形中，该压缩机与所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个膨胀器成一体，以共用与曲轴连接的活塞。由此，该压缩机与所述第一膨胀器和第二膨胀器中的所述一个膨胀器可以形成组合式压缩机和膨胀器，其中，活塞被布置成在共用气缸内往复运动，
-该组合式压缩机和膨胀器被布置成允许空气在活塞的第一侧进入所述共用气缸，并且通过该活塞来压缩用于燃烧室的空气。
-该组合式压缩机和膨胀器进一步被布置成适于允许由第一膨胀器和第二膨胀器中的所述一个膨胀器接收的排气在活塞的第二侧进入所述共用气缸，以通过该活塞使排气膨胀。
该共用活塞使得能够使用由所述膨胀器对活塞的推动力(urge)，以便除了将动力传送到曲轴之外，还以直接方式传送用于空气压缩的动力。更具体地，排气可以在共用活塞上提供直接压力，该共用活塞进而用于直接对空气施加直接压力。由此，显著消除了这种能量传递的机械损失。而且，与分开地提供压缩机和膨胀器相比，因为活塞和气缸被共用，该压缩机和膨胀器组合导致了部件数目的减少，由此减小了发动机系统的体积、重量、复杂性和成本。
优选地，所述燃烧室包括排气阀，该排气阀在此也被称为出口阀，该系统还包括被布置成致动该排气阀的可变阀正时机构。
优选地，第一膨胀器包括膨胀器入口阀，该系统还包括被布置成致动膨胀器入口阀的膨胀器可变阀正时机构。由此，如下文所示例的，提供了有利地调节第一膨胀器的通流能力(swallowing capacity)的可能性。例如，通过调节第一膨胀器的通流能力，可以完成对排气处理装置的温度的调节，该排气处理装置被布置成接收来自第一膨胀器的排气，处理所接收的排气并将处理后的排气传送到第二膨胀器。
在一些实施例中，第一膨胀器例如是可变几何涡轮增压器(VGT)的可变几何涡轮机。这提供了调节第一膨胀器的通流能力的备选可能。
优选地，第一膨胀器包括膨胀器排气阀，该膨胀器排气阀在此也被称为出口阀，所述系统还包括被布置成致动该膨胀器排气阀的膨胀器可变阀正时机构。如下文所示例的，这允许以有利的方式控制后膨胀器排气处理装置的温度。例如，由此，第一膨胀器可用于升高被布置成接收来自第一膨胀器的排气、处理所接收的排气并将处理后的排气传送到第二膨胀器的排气处理装置的(例如在冷起动事件中)温度。例如，通过使膨胀器排气阀的打开事件提前，使得它在第一膨胀器中在活塞的下止点(BDC)位置之前打开，膨胀器排气阀可以在第一膨胀器中的膨胀被完成之前打开。由此，第一膨胀器中的气体中残留的热量可用于升高排气处理装置温度。另外，所述排气阀可以在BDC位置处被关闭，并在BDC位置之后的位置处被打开，例如在BDC位置之后的45度曲轴角度处。由此，第一膨胀器中的气体的重新压缩可以发生，并且，由此产生的热量可用于升高排气处理装置温度。
在一些实施例中，第一膨胀器可以包括水解反应器。在所述系统如上所述地包括被布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射在第一膨胀器的上游或喷射到第一膨胀器中的喷射器的情形中，这是特别有利的。在还原剂包括尿素的情形中，例如在排气处理装置是SCR催化剂的情形中，第一膨胀器可以促进尿素的热解，以在它到达所述催化剂之前将它分解为异氰酸盐和氨。于是，该异氰酸盐可以通过水解作用被处理，以提供氨。将还原剂喷射在第一膨胀器的上游或者喷射到第一膨胀器中可以支持所述热解和水解作用，因为这些过程将被其中的热量增强。该水解反应器可以如上所述地包含喷射器，该喷射器被布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射到第一膨胀器中并喷射到第一膨胀器的活塞上。第一膨胀器也可以提供还原剂与排气的有益的彻底混合。
应注意的是，在一些实施例中，喷射器可以被布置成将还原剂喷射在第一膨胀器的下游。由此，诸如SCR催化剂的排气处理装置可以设置在第二膨胀器的下游。这可以为还原剂提供相对长的流动路径，越过第二膨胀器，以允许还原剂和排气的良好混合。
还通过一种内燃机系统来实现上述目的，该内燃机系统包括：
-至少一个燃烧室；和
-膨胀器，该膨胀器被布置成接收来自所述至少一个燃烧室中的至少一个的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，
-其特征在于，所述系统包括排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收来自所述膨胀器的排气并处理所接收的排气，
-并且所述系统包括喷射器，该喷射器被布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射在膨胀器的上游或者喷射到膨胀器中。
该排气处理装置可以是选择性催化还原(SCR)催化剂。由此，通过将还原剂喷射在膨胀器的上游或者喷射到膨胀器中，可以在它们经历膨胀器的膨胀之前利用排气的较高温度来提供还原剂的热解，例如在还原剂被以尿素的形式提供的情形中，以便提供用于排气处理装置中的过程的氨。另外，这种系统允许膨胀器形成用于还原剂的混合体积，这进而允许减少膨胀器下游的体积。由此，能够节省空间，这在车辆应用中可能是关键的。
优选地，所述喷射器被布置成将用于排气处理装置的还原剂喷射到膨胀器中并喷射到膨胀器的活塞上。其优点已经在上文中提到过。
本发明还提供了一种用于内燃机系统的组合式压缩机和膨胀器，其包括：
-气缸，
-活塞，该活塞适于连接到发动机系统的曲轴，并且布置成在气缸内往复运动，
-该组合式压缩机和膨胀器适于允许空气在活塞的第一侧进入气缸，并且通过活塞压缩空气以用于发动机系统的燃烧过程，
-该组合式压缩机和膨胀器进一步适于允许从发动机系统的燃烧过程和/或从发动机系统的排气处理过程获得的排气在活塞的第二侧进入气缸，以通过活塞使排气膨胀而从膨胀后的排气提取能量。
由此，该压缩机和膨胀器彼此成一体，并且一个气缸和活塞组合可以用于压缩和膨胀两者。由膨胀器提取的动力有助于驱动曲轴和/或压缩空气。可以通过曲轴和/或排气膨胀来驱动空气压缩过程。如所提到的，因为活塞和气缸被共用，该压缩机和膨胀器组合导致了部件数目的减少，由此减小了发动机系统的体积、重量、复杂性和成本。
还通过根据权利要求29所述的车辆来实现上述目的。
还通过一种用于内燃机系统的方法来实现上述目的，该内燃机系统包括：
-至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室被布置成燃烧空气和燃料，
-第一膨胀器，该第一膨胀器被布置成接收来自所述至少一个燃烧室中的至少一个的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，
-第二膨胀器，该第二膨胀器被布置成接收来自第一膨胀器的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，以及
-排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收来自第一膨胀器的排气，处理所接收的排气并将处理后的排气传送到第二膨胀器，
-所述方法包括调节第一膨胀器的通流能力，以控制排气处理装置中的过程的温度。
第一膨胀器的通流能力应理解为第一膨胀器接受气体并将它们传到膨胀器下游的导管的能力。在给定的进气压力和温度下，第一膨胀器的通流能力与通过第一膨胀器的质量流量成比例。减小的通流能力提供对气流的增加的抑制。第一膨胀器的减小的通流能力提供了第一膨胀器两端的增大的压降。减小的通流能力可以提供增大的第一膨胀器膨胀比，如通过第一膨胀器两端的压降所理解的。
通过所述方法，提供了控制排气处理装置中的过程的温度的、有利且可靠的方式。例如，所述方法可以包括：通过增大第一膨胀器的通流能力来升高排气处理装置的温度，以及，通过减小第一膨胀器的通流能力来降低排气处理装置的温度。
第一膨胀器可以布置成通过膨胀器入口阀来接收排气，膨胀器可变阀致动机构被布置成致动该膨胀器入口阀，其中，调节第一膨胀器的通流能力包括调节该膨胀器可变阀致动机构。由此，可以通过现成可用的组件来实现温度控制。该膨胀器可变阀致动机构例如可以是可变阀正时机构。该膨胀器可变阀致动机构可以是任何适当类型的，例如包括凸轮开关、凸轮定相、振动凸轮、偏心凸轮驱动、三维凸轮凸角、两轴组合式凸轮凸角轮廓(cam lobe profile)、同轴的两轴组合式凸轮凸角轮廓、螺旋凸轮轴或无凸轮机构。
所述方法可以包括：通过使膨胀器入口阀的关闭事件延迟来增大第一膨胀器的通流能力，以及，通过使膨胀器入口阀的关闭事件提前来减小第一膨胀器的通流能力。例如，在第一膨胀器的两冲程循环中，膨胀器入口阀可以被控制成在第一膨胀器中在活塞的上止点(TDC)位置处打开并且在TDC位置之后的25度曲轴角度处关闭。通过使入口阀的关闭延迟，例如延迟到TDC位置之后的30度曲轴角度处，可以增大通流能力。通过使入口阀的关闭提前，例如提前到TDC位置之后的20度曲轴角度处，可以减小通流能力。
优选地，第一膨胀器被布置成通过膨胀器排气阀排出排气，膨胀器可变阀致动机构被布置成致动该膨胀器排气阀，所述方法包括控制该膨胀器可变阀致动机构来调节膨胀器排气阀，以便在膨胀器排气阀的打开事件时使膨胀器排气阀两端的压力差最小化和/或在膨胀器入口阀的打开事件时使膨胀器入口阀两端的压力差最小化。通过适当地控制膨胀器排气阀的关闭事件，可以实现调节膨胀器排气阀以使在膨胀器入口阀的打开事件时使膨胀器入口阀两端的压力差最小化，从而在膨胀器中提供一定程度的再压缩。
还通过一种用于内燃机系统的方法来实现上述目的，该内燃机系统包括：
-至少一个燃烧室，所述至少一个燃烧室被布置成燃烧空气和燃料，
-第一膨胀器，该第一膨胀器被布置成接收来自所述至少一个燃烧室中的至少一个的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，
-第二膨胀器，该第二膨胀器被布置成接收来自第一膨胀器的排气，并且使排气膨胀并从排气提取能量，以及
-排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收来自第一膨胀器的排气，处理所接收的排气并将处理后的排气传送到第二膨胀器，
-所述方法包括调节第二膨胀器的通流能力，以控制排气处理装置中的过程的温度。
类似于第一膨胀器，第二膨胀器的通流能力应理解为第二膨胀器接受气体并将它们传到第二膨胀器下游的导管的能力。在给定的进气压力和温度下，第二膨胀器的通流能力与通过第二膨胀器的质量流量成比例。减小的通流能力提供了对气流的增大的抑制。第二膨胀器的减小的通流能力提供第二膨胀器两端的增大的压降。减小的通流能力可以提供增大的第二膨胀器膨胀比，如通过第二膨胀器两端的压降所理解的。
由此，提供了控制排气处理装置温度的进一步的有利方式。升高排气处理装置的温度可以通过减小第二膨胀器的通流能力来完成，并且，降低排气处理装置的温度可以通过增大第二膨胀器的通流能力来完成。
可以有利地根据发动机系统的转速和/或对发动机系统的需求扭矩来实现调节第一膨胀器和/或第二膨胀器的通流能力。例如，利用发动机系统的减小的转速，可以增大第一膨胀器的通流能力，和/或可以减小第二膨胀器的通流能力。作为另一示例，利用增大的需求扭矩，通过提供升高的排气温度，可以减小第一膨胀器的通流能力，和/或可以增大第二膨胀器的通流能力。
优选地，所述方法包括：通过增大第一膨胀器的通流能力并减小第二膨胀器的通流能力来升高排气处理装置的温度，以及，通过减小第一膨胀器的通流能力并增大第二膨胀器的通流能力来降低排气处理装置的温度。由此，通过对第一膨胀器和第二膨胀器的通流能力的组合调节，提供了特别有效的温度控制。然而，在一些实施例中，通过在使第二膨胀器的通流能力保持恒定的同时调节第一膨胀器的通流能力来调节排气处理装置的温度。在进一步的实施例中，通过在使第一膨胀器的通流能力保持恒定的同时调节第二膨胀器的通流能力来调节排气处理装置的温度。如上文所提出的，第一膨胀器和第二膨胀器可以是任何适当类型的，且它们可以是相同类型或不同类型的。第一膨胀器可以是具有可变阀致动机构或可变几何涡轮机的活塞膨胀器。第二膨胀器可以是具有可变阀致动机构或可变几何涡轮机的活塞膨胀器。
优选地，所述方法包括：确定排气的温度；利用升高的排气温度，减小第一膨胀器的通流能力并增大第二膨胀器的通流能力；以及，利用降低的排气温度，增大第一膨胀器的通流能力并减小第二膨胀器的通流能力。由此，可以提供精确的温度控制。
还通过一种用于内燃机系统的方法来实现上述目的，该内燃机系统包括：燃烧室，该燃烧室被布置成燃烧空气和燃料；膨胀器，该膨胀器被布置成接收来自燃烧室的排气，使排气膨胀并从排气提取能量，并且通过膨胀器排气阀从膨胀器排出排气；和排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收从膨胀器排出的排气并处理该排气，所述方法包括控制膨胀器排气阀，以控制排气处理装置中的过程的温度。
对膨胀器排气阀的所述控制可以包括将排气处理装置中的所述过程的温度控制到300-450℃的范围内。所述方法提供了控制排气处理装置的温度的有效方式，用于将该温度保持在对排气处理装置中的所述过程有益的范围内。如本文的其他地方所例示的，排气处理装置在膨胀器两侧的分布与对膨胀器排气阀的控制一起提供了调节沿着排气路径的温度的有利方式，用于优化排气处理装置中的所述过程。
还通过一种用于内燃机系统的方法来实现上述目的，该内燃机系统包括：燃烧室，该燃烧室被布置成燃烧空气和燃料；膨胀器，该膨胀器被布置成接收来自燃烧室的排气，使排气膨胀并从排气提取能量，该膨胀器包括入口阀；和排气处理装置，该排气处理装置被布置成接收来自膨胀器的排气并处理该排气，所述方法包括：
-将用于排气处理装置的还原剂喷射在膨胀器的上游或者喷射到膨胀器中，
-控制膨胀器入口阀，以允许排气进入膨胀器中，
-其中，所述还原剂喷射的正时和/或持续时间与对膨胀器入口阀的所述控制相协调，以便所述还原剂和排气在膨胀器中混合。
应当理解，喷射器可以布置用于所述还原剂喷射。所述方法将提供还原剂与排气的良好混合。所述还原剂喷射优选被设置成使得所喷射的还原剂流过打开的膨胀器入口阀。优选地，还原剂喷射与膨胀器入口阀的打开同时开始或者在膨胀器入口阀的打开已经开始之后开始，并且，还原剂喷射与膨胀器入口阀的关闭同时终止或者在膨胀器入口阀的关闭结束之前终止。
还通过根据权利要求43所述的计算机程序、根据权利要求44所述的计算机可读介质和根据权利要求45所述的控制单元来实现上述目的。
在以下描述和从属权利要求中，公开本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例给出的本发明的实施例的更详细描述。在这些图中：
图1是卡车形式的车辆的局部剖面侧视图。
图2是图1中的车辆中的发动机系统的示意性透视图。
图3是图2中的发动机系统的示意性截面图。
图4是描绘了在图3中的系统中实施的方法中的步骤的流程图。
图5是描绘了在图3中的系统中实施的备选方法中的步骤的流程图。
图6是根据本发明的一个备选实施例的发动机系统的示意性截面图。
图7是根据本发明的另一备选实施例的发动机系统的示意性截面图。
图8是根据本发明的又一实施例的发动机系统的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了呈卡车或用于半挂车的牵引车形式的车辆。然而，应注意的是，本发明适用于各种备选类型的车辆，例如轿车、公共汽车或诸如轮式装载机的工程机械。该车辆包括内燃机系统1。
如示意性的图2中可见，发动机系统1包括多阶段压缩和膨胀式内燃机。该发动机包括呈具有活塞的气缸形式的三个燃烧室3、以及三个活塞压缩机9。该系统还包括空气引导件901，该空气引导件901被布置成将来自压缩机9的压缩空气引导到燃烧室3。该空气引导件设置有空气缓冲容器902，该空气缓冲容器902被布置成接收来自压缩机9的压缩空气，以便为压缩空气提供空气缓冲空间并将压缩空气传送到燃烧室3。
该系统还包括三个第一活塞膨胀器4，该第一活塞膨胀器4被布置成使来自燃烧室3的排气膨胀并从膨胀的排气中提取能量。排气引导件701被布置成将来自燃烧室3的排气引导到第一膨胀器4。如下文稍后描述的，排气引导件701包括前膨胀器排气处理装置7。
该系统还包括选择性催化还原(SCR)催化剂形式的后膨胀器排气处理装置6。SCR催化剂6被布置成接收来自第一膨胀器4的排气并且对所接收的排气提供排气处理过程，如我们所知道的，该过程减少了氮氧化物(NOx)。三个第二活塞膨胀器5被布置成接收来自SCR催化剂6的排气并且使排气膨胀并从膨胀的排气提取能量。
可以理解的是，该发动机系统可以包括任何适当数目的燃烧室3、压缩机9、第一膨胀器4和第二膨胀器5。在本文中，发动机应被理解为包括燃烧室3、压缩机9、第一膨胀器4和第二膨胀器5，并且发动机系统应被理解为包括该发动机、前膨胀器排气处理装置7和后膨胀器排气处理装置6。
参考图3，其中仅一个燃烧室3、仅一个压缩机9和仅一个第一膨胀器4被示出。每个燃烧室3的活塞301被布置成在相应的气缸302内往复运动，由此，这些活塞都被布置成驱动发动机的曲轴2。为简单起见，燃烧室3、压缩机9和第一膨胀器4被示出为全部位于同一个横截平面内；在本实施例的实际实施中，燃烧室3、压缩机9和膨胀器4优选沿着曲轴2相对于彼此偏移。
第一膨胀器4的活塞401被布置成利用从来自燃烧室3的排气提取的能量来驱动曲轴2。第二膨胀器5的活塞501被布置成利用从来自第一膨胀器4和SCR催化剂6的排气提取的能量来驱动曲轴2。此外，压缩机9的活塞903全部被布置成由曲轴2驱动。
前膨胀器排气处理装置7被布置成对来自燃烧室3的排气提供排气处理过程。前膨胀器排气处理装置7包括氧化催化剂7和位于氧化催化剂7下游的微粒过滤器8。
该发动机系统包括控制单元15，如下文所描述的，控制单元15被布置成控制该系统的各种功能。
燃烧室3设置有相应的多组燃烧室入口阀和出口阀303、304，入口阀和出口阀303、304被布置成由燃烧室阀致动器组件306致动。出口阀304在此也被称为排气阀304。燃烧室阀致动器组件306可以布置成以我们已知的任何方式(例如利用安装在凸轮轴上的凸轮)来致动燃烧室入口阀和出口阀303、304。燃烧室阀致动器组件306可由控制单元15控制，以按照我们已知的任何方式调节燃烧室入口阀和出口阀303、304的正时和最大移动。燃烧室阀致动器组件306在此也被称为可变阀致动机构或可变阀正时机构306。
另外，燃烧室3设置有相应的燃料喷射器305，用于将燃料喷射到气缸302中。该燃料可以是任何适当类型的，例如柴油、例如液态天然气(ING)中的甲烷、汽油等。燃料喷射器305可由控制单元15控制。在本示例中，燃烧室3被布置成提供狄赛尔循环(Diesel cycle)，以从所提供的空气和燃料提取功。然而，本发明同样适用于其中燃烧室被布置成提供奥托循环的发动机，其中，该发动机系统可以设置有用于空气质量流控制的装置，例如压缩机9的可变入口阀和出口阀913、914，如下文进一步描述的，用于控制到燃烧室3的空气供应。备选地或另外，用于空气质量流控制的该装置可以包括一个或多个节流阀，用于控制到燃烧室3的空气供应。该发动机系统可以在燃烧室中设置有火花塞。
第一膨胀器4设置有相应的多组第一膨胀器入口阀和出口阀403、404，第一膨胀器入口阀和出口阀403、404被布置成由第一膨胀器阀致动器组件406(包括例如安装在凸轮轴上的凸轮)致动。第一膨胀器阀致动器组件406可由控制单元15控制，以调节第一膨胀器入口阀和出口阀403、404的正时和最大移动。第一膨胀器阀致动器组件406在此也被称为可变阀致动机构或膨胀器可变阀正时机构406。
类似地，第二膨胀器5设置有相应的多组第二膨胀器入口阀和出口阀503、504，第二膨胀器入口阀和出口阀503、504被布置成由第二膨胀器阀致动器组件506(包括例如安装在凸轮轴上的凸轮)致动。第二膨胀器阀致动器组件506可由控制单元15控制，以调节第二膨胀器入口阀和出口阀503、504的正时和最大移动。第二膨胀器阀致动器组件506在此也被称为可变阀致动机构或膨胀器可变阀正时机构。
另外，压缩机9设置有相应的多组所述压缩机入口阀和出口阀913、914，所述压缩机入口阀和出口阀913、914被布置成由压缩机阀致动器组件916(包括例如安装在凸轮轴上的凸轮)致动。压缩机阀致动器组件916可由控制单元15控制，以调节压缩机入口阀和出口阀913、914的正时和最大移动。
所述系统还包括三个喷射器8，该喷射器8被布置成喷射用于SCR催化剂6的还原剂。每个喷射器10被布置成在前膨胀器排气处理装置7的下游将还原剂喷射到通向相应的第一膨胀器4的排气引导件701的相应部分中。喷射器8可由控制单元15控制，以控制还原剂喷射的正时、流量和持续时间。具体地，控制单元15被布置成控制还原剂喷射的正时和持续时间，使得它们与第一膨胀器入口阀403的致动相协调，以便在相应的第一膨胀器4中实现还原剂与排气的良好混合。在一些实施例中，每个喷射器8被布置成将还原剂直接喷射到相应的排气第一膨胀器4中。
在一些实施例中，可以提供单个还原剂喷射器，例如在发动机系统设置有被布置成接收来自多个燃烧室3的排气的单个第一膨胀器4的情形中。由此，该单个还原剂喷射器可以布置成将还原剂喷射在所述单个第一膨胀器的上游或者喷射到所述单个第一膨胀器中。
控制单元15还被布置成接收来自空气质量流量(MAF)传感器141的信号，该空气质量流量(MAF)传感器141位于进气系统921中，该进气系统921位于压缩机9的上游并且布置成将空气引导到压缩机9。控制单元15被布置成确定车辆中的发动机在其运行期间的负荷，如我们已知的，例如基于来自MAF传感器702、指示发动机的所需扭矩的加速器踏板位置(APP)传感器(未示出)、和/或进气系统921中的歧管绝对压力(MAP)传感器(未示出)的信号。发动机的负荷也可以基于发动机的转速。
控制单元15进一步被布置成接收来自第一温度传感器142的信号，该第一温度传感器142布置在前膨胀器排气处理装置7处。控制单元15被布置成基于来自第一温度传感器142的信号来确定前膨胀器排气处理装置7中的温度。
控制单元15还被布置成接收来自第二温度传感器143的信号，该第二温度传感器143布置在后膨胀器排气处理装置6处。控制单元15被布置成基于来自第二温度传感器143的信号来确定后膨胀器排气处理装置6中的温度。
参考图4，其描绘了在上述系统中实施的方法中的步骤。如上所述，在该车辆中的发动机系统的运行期间，控制单元15确定(S1)发动机系统的负荷。
所述方法包括：控制喷射器8，以将还原剂喷射(S4)在用于后膨胀器排气处理装置的第一膨胀器的上游。该还原剂喷射的正时和持续时间与第一膨胀器入口阀403的致动相协调，以便在第一膨胀器中实现还原剂与排气的良好混合。
所述方法还包括控制后膨胀器排气处理装置6中的过程的温度。如上所述，在该车辆中的发动机系统的运行期间，控制单元15确定(S5)后膨胀器排气处理装置6的温度。
所述方法包括将后膨胀器排气处理装置6的温度与后膨胀器排气处理装置6的目标温度进行比较(S501)。该目标温度可以被预先确定；它可以是固定值，或者是根据发动机系统的一个或多个运行参数而确定的值。
如果所确定的温度低于目标温度，则调节(S502)第一膨胀器可变阀致动机构406以在第一膨胀器的循环中使第一膨胀器入口阀403的关闭事件延迟，并且调节第二膨胀器可变阀致动机构506以在第二膨胀器的循环中使第二膨胀器入口阀503的关闭事件提前。由此，增大了第一膨胀器的通流能力并且减小了第二膨胀器的通流能力。由此，第一膨胀器和第二膨胀器之间的压力和温度将升高，由此，后膨胀器排气处理装置6的温度将升高。
如果所确定的温度高于目标温度，则调节(S503)第一膨胀器可变阀致动机构406以在第一膨胀器的循环中使第一膨胀器入口阀403的关闭事件提前，并且调节第二膨胀器可变阀致动机构506以在第二膨胀器的循环中使第二膨胀器入口阀503的关闭事件延迟。由此，减小了第一膨胀器的通流能力并且增大了第二膨胀器的通流能力。由此，第一膨胀器和第二膨胀器之间的压力和温度将降低，由此，后膨胀器排气处理装置6的温度将降低。
在调节第一膨胀器入口阀和第二膨胀器入口阀的关闭正时时，控制第一膨胀器可变阀致动机构和第二膨胀器可变阀致动机构406、506来调节(S504)第一膨胀器排气阀和第二膨胀器排气阀404、504，以在膨胀器排气阀的打开事件时使膨胀器排气阀404、504两端的压力差最小化。
此外，调节第一膨胀器排气阀和第二膨胀器排气阀404、504，以在膨胀器入口阀的打开事件时使膨胀器入口阀403、503两端的压力差最小化；这通过以下方式来完成：调节膨胀器排气阀的关闭事件的正时，由此控制第一膨胀器和第二膨胀器中的再压缩的程度。
在备选实施例中，作为确定后膨胀器排气处理装置温度的替代，可以确定排气的温度，并且可以基于所确定的排气温度来调节第一膨胀器和第二膨胀器的通流能力。
参考图5，其描绘了在上述系统中实施的进一步的方法中的步骤。在发动机系统1的运行期间，空气引导件901可以呈现在8-12巴范围内的压力和在250-350℃范围内的温度。所述方法包括控制前膨胀器排气处理装置7中的过程的温度。如上所述，在车辆中的发动机系统的运行期间，控制单元15确定(S1)发动机系统的负荷。
如参考图4描述的示例中一样，所述方法包括控制喷射器8，以将还原剂喷射(S4)在用于后膨胀器排气处理装置的第一膨胀器的上游。该还原剂喷射的正时和持续时间与第一膨胀器入口阀403的致动相协调，以便在该膨胀器中实现还原剂与排气的良好混合。
所述方法还包括控制后膨胀器排气处理装置6中的过程的温度。在车辆中的发动机系统的运行期间，例如在发动机系统的冷起动事件期间，如上所述，控制单元15确定(S5)后膨胀器排气处理装置6的温度。
基于所确定的后膨胀器排气处理装置温度以及可选的发动机负荷，在第一膨胀器循环中控制(S6)第一膨胀器出口阀404，以控制后膨胀器排气处理装置温度。更具体地，通过在所述循环中相对早地打开第一膨胀器出口阀404，第一膨胀器4的膨胀比将减小，并且一些热量被分配成从提供用于第一膨胀器曲轴驱动的动力到向后膨胀器排气处理装置6提供热量。由此，后膨胀器排气处理装置6的温度可以升高。而且，由于减少的膨胀比而未被第一膨胀器4吸收的能量可以被第二膨胀器5吸收。通过在所述循环中相对晚地打开第一膨胀器出口阀404，可以减少从第一膨胀器4逃离的热量，由此，后膨胀器排气处理装置6的温度可以降低。
在发动机系统运行期间，控制器14周期性地重复所述发动机负荷确定(S1)的步骤、还原剂喷射(S4)的步骤、后膨胀器排气处理装置温度确定(S5)的步骤、以及第一膨胀器出口阀控制(S6)的步骤。
在带有氧化催化剂10和微粒过滤器11的上述构造中，前膨胀器排气处理装置7适当地呈现550-880℃范围内的温度和10-25巴范围内的压力。参考图4和图5描述的方法提供了控制后膨胀器排气处理装置6的温度的有效方式，用于将后膨胀器排气处理装置6保持在对后膨胀器排气处理装置6中的过程有益的范围内。在带有SCR催化剂的上述构造中，后膨胀器排气处理装置6适当地呈现300-450℃范围内的温度。更一般地，该方法提供了沿着排气路径的温度的有利分布和控制，使得沿着所述路径分布的排气处理装置被提供有不同的温度，所述不同的温度中的每一个被优化用于相应的排气处理装置。
在本示例中，压缩机9可以布置成根据可变压缩机入口阀和出口阀913、914的致动将空气压缩到1:1-1:8的体积比，优选1:4-1:6的体积比。燃烧室3可以布置成根据可变燃烧室入口阀和出口阀303、304的致动将来自压缩机的空气压缩到1:8-1:14的比，优选1:10-1:12的比，并且以1:4-1:14的比、优选以1:10-1:12的比而使燃烧室3中的气体膨胀。根据可变第一膨胀器入口阀和出口阀403、404以及可变第二膨胀器入口阀和出口阀503、504的致动，第一膨胀器4可以布置成以1:2-1:6的比、优选以1:3-1:4的比而使排气膨胀，并且第二膨胀器5可以布置成以1:2-1:6的比、优选以1:2-1:3的比而使排气膨胀。具体地，如所提出的，可以调节第一膨胀器的膨胀比，以控制后膨胀器排气处理装置6的温度。应当注意，在本发明的实施例中，这些压缩比和膨胀比中的任一个可以处于上述区间以外。
参考图6，其示出了根据本发明的备选实施例的发动机系统。本实施例与参考图2-图5描述的实施例共用一些基本特征。然而，还提供了进一步的有利特征。
在图6中的实施例中，每一对第二膨胀器5和压缩机9成一体，以便共用与曲轴2连接的活塞591。因而，压缩机9和第二膨胀器5形成三个压缩机和膨胀器组合5、9，其中，活塞591被布置成在共用的气缸592内往复运动。
在图6中，示出了压缩机和膨胀器组合5、9中的一个。在活塞591的第一侧上，在此也被称为组合式压缩机和膨胀器5、9的压缩机和膨胀器组合5、9具有第一头部595以及压缩机入口阀和出口阀913、914，与图3中的实施例中的压缩机入口阀和出口阀913、914类似，压缩机入口阀和出口阀913、914被布置成由压缩机阀致动器组件(未示出)致动。在活塞591的第二侧上，压缩机和膨胀器组合5、9也具有第二头部596以及第二膨胀器入口阀和出口阀503、504，与图3中的实施例中的第二膨胀器入口阀和出口阀913、914类似，第二膨胀器入口阀和出口阀503、504被布置成由第二膨胀器阀致动器组件(未示出)致动。
该活塞经由连杆593和延伸杆594连接到曲轴2。该延伸杆将活塞591与连杆593连接，并且以紧密配合延伸穿过第二头部596中的开口。例如，可以通过滑动衬套或活塞环的适当布置来实现所述紧密配合。
压缩机和膨胀器组合5、9被布置成在活塞591的第一侧上通过压缩机入口阀913的致动而允许空气进入共用的气缸592。压缩机和膨胀器5、9被进一步布置成通过由曲轴旋转引起的活塞运动来压缩该空气。压缩机和膨胀器组合5、9进一步适于在活塞591的第二侧上通过第二膨胀器入口阀503的致动而允许从第一膨胀器4和后膨胀器排气处理装置6接收的排气进入。压缩机和膨胀器组合5、9被布置成使所述允许进入的排气膨胀，由此朝向第一头部595推动活塞591。
通过朝向第一头部595推进活塞591，除了驱动曲轴2以外，压缩机和膨胀器组合5、9被布置成以直接方式传送用于空气压缩的能量。更具体地，排气在共用活塞591上提供直接压力，该共用活塞进而用于直接对空气施加直接压力。由此，显著消除了这种能量传递的机械损失。而且，与分开地提供压缩机和膨胀器相比，因为活塞591和气缸592被共用，压缩机和膨胀器组合5、9导致了部件数目的减少，由此降低了发动机系统1的复杂性和成本。
应注意的是，类似于参考图6所描述的，在备选实施例中，压缩机9和第一膨胀器4可以成一体，以便共用与曲轴2连接的活塞。
应注意的是，尽管这些图中的入口阀和出口阀303、304、403、404、503、504、913、914被描绘为提升阀，但它们中的任一个可以以其他适当的备选形式被提供，例如套筒阀。
参考图7，示出了根据本发明的进一步的备选实施例的发动机系统。本实施例与参考图2-图5描述的实施例共用一些基本特征。然而，还提供了进一步的有利特征。
在图3中，压缩机9的活塞、第一膨胀器4的活塞和第二膨胀器5的活塞间接连接到曲轴2。然而，本发明也适用于如下的发动机系统：其中，如图7中所示，压缩机9的活塞和第一膨胀器4的活塞经由附加的曲轴2b和链条或皮带连接件201间接连接到曲轴2。在图7中，压缩机9的活塞和第一膨胀器4的活塞直接连接到附加的曲轴2b，并且链条或皮带连接件201被设置在曲轴2、2b之间。可以在曲轴2、2b之间提供任何适当类型的连接件。例如，作为链条或皮带连接件201的替代，可以提供在曲轴2、2b之间的齿轮连接件。
应注意的是，在图7中的实施例中，第二膨胀器5包括活塞，该活塞被布置成驱动经由进一步的链条或皮带连接件202连接到附加的曲轴2b的进一步的曲轴2c。该系统还包括附加的压缩机19，其具有连接到所述进一步的曲轴2c的活塞。附加的压缩机19位于活塞压缩机9的上游，并且被布置成提供附加的压缩步骤。
参考图8，示出了根据本发明的又一实施例的发动机系统。本实施例与参考图7描述的实施例共用一些基本特征。然而，在图8中的实施例中，第二膨胀器5包括涡轮机，该涡轮机被布置成驱动附加的压缩机19。附加的压缩机19以离心式压缩机19的形式被提供，其借助于轴直接连接到第二膨胀器的涡轮机。该附加的压缩机位于活塞压缩机9的上游，并且被布置成提供附加的压缩步骤。
应理解的是，本发明不限于上文描述和图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，在所附权利要求书的范围内，可以做出许多修改和变型。