Двигатель внутреннего сгорания с наддувом Российский патент 2022 года по МПК F02B37/10 F02B37/14 F02B39/10 F02D41/00 B60W20/00 

Данное изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, применяемому, например, в качестве привода транспортного средства. В частности, описывается двигатель внутреннего сгорания, работающий по циклу Миллера или Аткинсона.

Уже через несколько лет после основополагающих изобретений А.Э. Бо де Роша и Н.А. Отто, относящихся к принципу работы четырехтактных двигателей, стали применяться значения времени закрытия впускного клапана, значительно отличающиеся от момента достижения поршнем нижней мертвой точки (НМТ), чтобы за счет более длительного по сравнению с тактом сжатия такта расширения газообразный продукт сгорания в большей мере освобождался от энергии, сильнее охлаждался и, тем самым, чтобы происходило лучшее использование содержащейся в газе энергии. В частности, давно известно, что за счет очень раннего закрытия (до НМТ) или очень позднего закрытия (например, более 40° после НМТ) впускного клапана в соответствии с циклами, предложенными Р. Миллером или, соответственно, Дж. Аткинсоном, возможно достижение высоких значений удельной нагрузки (т.е. отдаваемой механической мощности по отношению к удельному расходу топлива) при меньших значениях максимального давления (т.е. максимального давления в цилиндре в цикле после прохождения верхней мертвой точки на такте сжатия и воспламенения) по сравнению с традиционными фазами газораспределения. После того как КПД системы наддува улучшился, появилась возможность снижения удельного расхода топлива (т.е. величины, обратной удельной нагрузке). Одновременно за счет более низких температур процессов снижается объем выбросов оксидов азота.

Эти преимущества относятся, прежде всего, к области больших мощностей. В области средних и малых мощностей преобладают недостатки в виде низких коэффициентов наполнения, которые не могут быть компенсированы эффективным наддувом. Поэтому в общем применение фаз газораспределения по циклам Миллера или Аткинсона происходит в сочетании с регулируемым клапанным приводом, позволяющим переключать или изменять фазы газораспределения в зависимости от диапазонов мощности. В WO 2001/21939 А2 описывается гидравлический механизм управления клапаном двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающий возможность работы по циклу Миллера в режиме частичной нагрузки и отключение цикла Миллера в режиме полной нагрузки. В DE 102007022145 А1 описывается переключаемый клапанный механизм двигателя внутреннего сгорания с кулачком, который может смещаться по оси распределительного вала.

Тем не менее, такие переключаемые клапанные механизмы предполагают сложную механику управления, которая приводит к удорожанию производства двигателей внутреннего сгорания, увеличению необходимого монтажного пространства и/или снижению надежности двигателей внутреннего сгорания.

Тем самым, существует задача предусмотреть двигатель внутреннего сгорания, в котором могут быть использованы преимущества закрытия впускных клапанов за пределами НМТ без применения переключаемого клапанного механизма.

Эта задача решается созданием двигателя внутреннего сгорания и соответствующего транспортного средства с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные формы исполнения и виды применения изобретения по предмету зависимых пунктов формулы изобретения более подробно рассмотрены в представленном далее описании с частичной ссылкой на изображения.

По одному из аспектов изобретения предлагается двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания включает клапанный механизм газораспределения, предназначенный для закрытия впускных клапанов двигателя внутреннего сгорания на время, предусмотренное циклами Миллера или Аткинсона. Дополнительно двигатель внутреннего сгорания включает электрический газотурбинный наддув с электрической машиной, выполненной с возможностью работы в режиме двигателя или генератора. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания включает блок управления, предназначенный для использования электрической машины электрического газотурбинного наддува (например, временно) как двигателя в первом диапазоне нагрузки на двигатель внутреннего сгорания и (например, временно) как генератора во втором диапазоне нагрузки, соответствующем более высоким нагрузкам на двигатель внутреннего сгорания по сравнению с первым диапазоном нагрузки.

Работа в режиме генератора во втором диапазоне нагрузки может осуществляться временно. Временная работа в режиме двигателя также может производиться во втором диапазоне нагрузки.

При этом нагрузка может быть определена механической мощностью и/или крутящим моментом двигателя внутреннего сгорания (например, на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания). В частности, первый и второй диапазоны нагрузки могут быть также названы первым или, соответственно, вторым диапазонами мощности. При этом термины «нагрузка» и «крутящий момент» следует понимать как аналогичные или взаимозаменяемые термины. Кроме того, так как «мощность» пропорциональна произведению частоты вращения и крутящего момента, термин «мощность» также однозначно связан с «крутящим моментом», например, в то время как для принципиального различия режимов работы двигателя применяются типичная или средняя частота вращения. Нагрузка может относиться к двигателю внутреннего сгорания без учета возможного воздействия на коленчатый вал электрической машины.

Двигателем может быть двигатель внутреннего сгорания, в частности, поршневой двигатель. Двигателем внутреннего сгорания может быть четырехтактный двигатель, в частности, с принудительным воспламенением рабочей смеси или дизельный двигатель.

Двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен без системы рециркуляции отработанных газов (ОГ). Например, в системе рециркуляции ОГ нет необходимости по причине применения соответствующего времени закрытия клапанов в механизме газораспределения.

Блок управления может быть дополнительно выполнен для того, чтобы механически отсоединять электрическую машину электрического газотурбинного наддува в первом и/или во втором диапазоне нагрузки и/или обесточивать (т.е. работа ни в режиме генератора, ни в режиме двигателя). Блок управления может переводить электрическую машину электрического газотурбинного наддува в режим двигателя в первом диапазоне нагрузки на двигатель внутреннего сгорания временно и/или большую часть времени. В качестве альтернативы или дополнительно блок управления может переводить электрическую машину электрического газотурбинного наддува в режим генератора во втором диапазоне нагрузки временно и/или большую часть времени.

Блок управления может быть выполнен для того, чтобы не переводить электрическую машину электрического газотурбинного наддува в режим генератора в первом диапазоне нагрузки. Блок управления может быть выполнен для того, чтобы переводить электрическую машину электрического газотурбинного наддува в режим двигателя исключительно в первом диапазоне нагрузки. В качестве альтернативы или в блок управления может быть выполнен для того, чтобы переводить электрическую машину электрического газотурбинного наддува в режим генератора исключительно во втором диапазоне нагрузки.

Дополнительно блок управления может быть выполнен для того, чтобы не использовать электрическую машину электрического газотурбинного наддува в первом диапазоне нагрузки ни в режиме двигателя, ни в режиме генератора. Например, для предотвращения явления турбоямы (т.е. когда двигатель внутреннего сгорания должен выдать большой крутящий момент, но еще не может этого сделать из-за недостатка воздуха для горения) блок управления может временно включить во втором диапазоне нагрузки режим двигателя электрической машины электрического газотурбинного наддува.

Газотурбинный наддув может включать компрессор для создания давления наддува в двигателе внутреннего сгорания и турбину для привода компрессора. Впускные клапаны двигателя внутреннего сгорания могут быть соединены с компрессором газотурбинного наддува по текучей среде через охладитель наддувочного воздуха. Турбина и/или компрессор могут быть рассчитаны так, чтобы создавать давление наддува, компенсирующее уменьшающийся из-за времени закрытия по сравнению с рабочим объемом объем наддува в первом диапазоне нагрузки на двигатель внутреннего сгорания.

При этом компенсация может включать перекомпенсацию, например, в режиме двигателя электрической машины газотурбинного наддува. Давление наддува газотурбинного наддува в первом диапазоне нагрузки и уменьшающийся из-за времени закрытия объем наддува могут соответствовать массе воздуха, равной или больше массы воздуха, соответствующей давлению в окружающей среде (например, атмосферное давление) и рабочему объему двигателя внутреннего сгорания, например, в каждом случае при одинаковой температуре.

Например, газотурбинный наддув может быть рассчитан таким образом, чтобы давление наддува в первом диапазоне нагрузки компенсировало уменьшение коэффициента наполнения из-за времени закрытия. Проходное сечение турбины может быть рассчитано таким образом и/или геометрия турбины может быть выполнена так, что газотурбинный наддув компенсирует в первом диапазоне нагрузки уменьшающийся из-за времени закрытия объем наддува за счет давления наддува. Газотурбинный наддув может быть выполнен так (например, в отношении геометрии турбины и/или ее проходного сечения), чтобы работая под действием потока отработанных газов (например, давления отработанных газов двигателя внутреннего сгорания), компенсировать в первом диапазоне нагрузки уменьшающийся из-за моментов закрытия объем наддува за счет давления наддува. Газотурбинный наддув может быть выполнен так, чтобы при высоких нагрузках в пределах первого диапазона нагрузки или при переходе из первого во второй диапазон нагрузки компенсировать за счет давления наддува объем наддува, уменьшающийся из-за моментов закрытия, только за счет потока отработанных газов и/или без работающей в режиме двигателя электрической машины газотурбинного наддува.

Турбина, в частности, ее проходное сечение и/или геометрия, могут быть одинаковыми в первом и во втором диапазонах нагрузки. Турбина, в частности, ее проходное сечение и/или геометрия, могут быть неизменяемыми.

Блок управления может быть предназначен для преобразования механической мощности турбины, превышающей во втором диапазоне нагрузки мощность, необходимую компрессору для компенсации, с помощью работающей в режиме генератора электрической машины. Электрическая машина, работающая во втором диапазоне нагрузки в режиме генератора, может преобразовывать по меньшей мере часть не используемой компрессором мощности. Необходимой мощностью турбины может быть та мощность, которая требуется работающему в стационарном режиме двигателю внутреннего сгорания для того, чтобы создать давление наддува, позволяющее реализовать тот коэффициент избытка воздуха в цилиндре, который необходим в соответствующей рабочей точке. Отдаваемая турбиной мощность, превышающая необходимую мощность турбины, может быть передана как излишек электрической машине, работающей в режиме генератора.

Электрическая машина газотурбинного наддува может быть жестко соединена с турбиной и/или компрессором газотурбинного наддува. Блок управления может быть дополнительно выполнен для того, чтобы отсоединять электрическую машину газотурбинного наддува в первом диапазоне нагрузки от общего вала (турбины и компрессора), например с целью уменьшения потерь силовой электроники.

Время закрытия клапанов механизма газораспределения может быть неизменным. Например, двигатель внутреннего сгорания может не включать регулируемый клапанный механизм газораспределения. Время закрытия и/или клапанный механизм газораспределения могут быть одинаковыми в первом и во втором диапазонах нагрузки. Время закрытия может определяться в зависимости от цикла двигателя внутреннего сгорания (например, в зависимости от угла поворота распределительного вала и/или от состояния в прямом термодинамическом цикле).

Клапанный механизм газораспределения может включать распределительный вал, который приводится в движение коленчатым валом и который определяет время закрытия клапанов. Распределительный вал может задавать общее время закрытия для всего диапазона нагрузки на двигатель внутреннего сгорания. Устройство изменения фаз газораспределения может быть исключено.

Двигатель внутреннего сгорания может дополнительно включать перезаряжаемый накопитель электрической энергии, соединенный или выполненный с возможностью соединения с электрической машиной электрического газотурбинного наддува для накопления электрической энергии, полученной при работе в режиме генератора. Электрическая машина электрического газотурбинного наддува и перезаряжаемый накопитель энергии могут быть соединены по сети постоянного напряжения, например, по сети 48 Вольт.

Двигатель внутреннего сгорания может дополнительно включать вторую электрическую машину, выполненную в виде силовой машины для преобразования электрической энергии, полученной от электрического газотурбинного наддува во втором диапазоне мощности. Вторая электрическая машина может быть жестко соединена с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Например, вторая электрическая машина может быть реализована в виде стартера-генератора, совмещенного с коленчатым валом. Двигателем внутреннего сгорания может быть гибридный привод или составная часть гибридного привода.

Блок управления может быть дополнительно предназначен для соединения второй электрической машины с работающей в режиме генератора электрической машиной электрического газотурбинного наддува для снабжения энергией. Вторая электрическая машина может получать электроэнергию непосредственно от работающей в режиме генератора электрической машины электрического газотурбинного наддува. В качестве альтернативы или в сочетании вторая электрическая машина может получать электроэнергию из накопителя электрической энергии. Вторая электрическая машина может быть соединена или выполнена с возможностью соединения с накопителем электрической энергии для получения питания.

Вторая электрическая машина может быть дополнительно выполнена с возможностью избирательной работы в режиме генератора для рекуперации кинетической энергии (например, кинетической энергии транспортного средства). Накопитель электрической энергии может быть соединен или выполнен с возможностью соединения со второй электрической машиной для накопления кинетической энергии, рекуперированной с помощью второй электрической машины.

В потоке отработанных газов двигателя внутреннего сгорания может быть расположена перепускная заслонка. Перепускная заслонка может включать перепускной клапан для обхода турбины электрического газотурбинного наддува.

Блок управления может быть дополнительно выполнен для того, чтобы открывать перепускную заслонку в одной из частей второго диапазона нагрузки, соответствующего более высокой нагрузке в пределах второго диапазона. Блок управления может открывать перепускную заслонку настолько, что преобразованная работающей в режиме генератора электрической машиной газотурбинного наддува мощность соответствовала бы предварительно определенной максимальной мощности.

Согласно дополнительному аспекту предлагается транспортное средство, например, наземное транспортное средство или плавучее средство, включающее двигатель внутреннего сгорания по одному из вариантов осуществления аспекта устройства. Наземное транспортное средство может представлять собой легковой автомобиль, транспортное средство хозяйственного назначения (например, автобус, грузовой автомобиль, тягач или сельскохозяйственная машина).

Другие признаки и преимущества данного изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них изображены:

Фиг. 1 Приблизительная блок-схема примера осуществления двигателя внутреннего сгорания;

Фиг. 2 Схематическая диаграмма времени закрытия клапанов по разным примерам осуществления; и

Фиг. 3 Схематическая диаграмма с разными диапазонами мощности двигателя внутреннего сгорания по одному из вариантов осуществления, комбинируемому с любым из примеров осуществления.

На фиг. 1 изображена приблизительная блок-схема одного из примеров осуществления двигателя внутреннего сгорания, обозначенного, в общем, номером позиции 100. Двигатель 100 внутреннего сгорания включает клапанный механизм 102 газораспределения, отвечающий за закрытие по меньшей мере впускных клапанов 104 двигателя 100 внутреннего сгорания за пределами НМТ, в частности, в соответствии с временем закрытия по циклам Миллера или Аткинсона. Двигатель 100 внутреннего сгорания дополнительно включает электрический газотурбинный наддув 106 с турбиной 108, компрессором 110 и электрической машиной 112. Электрическая машина 112 электрического газотурбинного наддува 106 выполнена с возможностью избирательной работы в режимах двигателя или генератора, поэтому ее также можно назвать блоком электродвигателя-генератора. Двигатель 100 внутреннего сгорания дополнительно включает блок 114 для управления работой электрической машины 112 электрического газотурбинного наддува 106.

Согласно особенностям функционирования блока 114 управления в первом диапазоне нагрузки двигателя 100 внутреннего сгорания электрическая машина 112 по меньшей мере временно работает в режиме двигателя. Например, электрическая машина 112 может приводиться в действие в первом диапазоне нагрузки за счет переменной мощности двигателя. Если поддержка привода компрессора 110 турбиной 108 за счет электродвижущей силы не требуется, электрическая машина 112 может быть отсоединена механически и/или электрически. Во втором диапазоне нагрузки, соответствующем более высоким нагрузкам на двигатель 100 внутреннего сгорания по сравнению с первым диапазоном, электрическая машина 112 по меньшей мере временно работает в режиме генератора.

Время закрытия клапанов, задаваемое механизмом 102 газораспределения, например, распределительным валом 116 с фиксированным кулачком 118, остается неизменным во всех диапазонах нагрузки. Клапанный механизм 102 газораспределения и впускные клапаны также называются впускной системой. Проходное сечение турбины 108 рассчитано так, чтобы обеспечивалась подача достаточного количества воздуха в двигатель 100 внутреннего сгорания в первом диапазоне мощности (например, в диапазоне от малой до средней мощностей двигателя 100 внутреннего сгорания) без участия электрической машины 112. Во втором диапазоне мощности давление отработанных газов перед входом в турбину 108 сильно возрастало бы (например, при более высоких значениях мощности) из-за сравнительно малого (например, по отношению к потоку отработанных газов двигателя 100 внутреннего сгорания) проходного сечения турбины 108. Этому противодействует электрическая машина 112 электрического газотурбинного наддува 106, работающая в режиме генератора. В частности, излишки механической энергии турбины 108 преобразуются работающей в режиме генератора электрической машиной 112 в электрическую энергию.

Для этого двигатель 100 внутреннего сгорания может включать накопитель 124 электрической энергии и/или вторую электрическую машину 122. Вторая электрическая машина 122 соединена с двигателем 100 внутреннего сгорания со стороны отбора мощности, например, с коленчатым валом 120 двигателя 100 внутреннего сгорания. Излишки энергии турбины 108 передаются в накопитель 124 электрической энергии и/или отдаются через вторую электрическую машину 122 в рамках параллельного гибридного режима с механической выходной мощностью двигателя 100 внутреннего сгорания.

При использовании двигателя 100 внутреннего сгорания в транспортном средстве излишки энергии турбины 108 могут сообщаться трансмиссии транспортного средства. В узком смысле двигатель 100, т.е. двигатель внутреннего сгорания без участия второй электрической машины 122, является основным приводом транспортного средства.

В первом диапазоне мощности электрическая машина 112 в любом случае работает в режиме двигателя. Предпочтительно, чтобы в первом диапазоне мощности блок 114 управления активировал наддув путем управления работой электрической машины 112 в режиме двигателя вне зависимости от имеющегося давления отработанных газов.

Во втором диапазоне мощности электрическая машина 112 по меньшей мере временно работает в режиме генератора. Управление работой электрической машины 112 во втором диапазоне мощности двигателя 100 внутреннего сгорания может различаться первой и второй частями диапазона, соответствующими относительно малым значениям мощности двигателя 100 внутреннего сгорания. В первой части диапазона с ростом мощности двигателя 100 внутреннего сгорания увеличивается электрическая мощность, преобразуемая в режиме генератора. Во второй части диапазона производительность электрической машины 112 в режиме генератора ограничена максимальной мощностью. Дальнейшее повышение давления отработанных газов предотвращается работой перепускной заслонки 136 или в соответствующих случаях изменением геометрии турбины 108 с изменяемой геометрией.

На фиг. 2 приводится схематическая диаграмма 200 с временем закрытия по циклу Миллера и Аткинсона согласно разным вариантам 202 или, соответственно, 204 осуществления клапанного механизма 102 газораспределения. Угловое положение коленчатого вала 120 отражено на горизонтальной оси. Ход клапана, задаваемый кулачком 118, показан на вертикальной оси.

Впускная система двигателя 100 внутреннего сгорания предполагает фиксированное время фазы закрытия (сокращенно: время закрытия) впускных клапанов 104 на такте впуска, т.е. неизменные значения времени закрытия. На диаграмме 200 дополнительно показан для сравнения пример 203 обычного времени закрытия с оптимизацией заполнения. По сравнению с примером 203 с оптимизацией заполнения время закрытия представляет собой более ранний момент закрытия по кривой такта впуска по циклу Миллера для варианта 202 или более поздний момент закрытия по кривой такта впуска по циклу Аткинсона для варианта 204.

Газотурбинный наддув 106 включает турбину 108 и компрессор 110 и соединен с электрической машиной 112. Сжатый наддувочный воздух через охладитель 126 наддувочного воздуха попадает во впускную систему. Блок 114 управления обрабатывает (среди прочих) сигнал датчика 128 давления в выпускном коллекторе 130 до турбины 108 и/или датчика 132 давления во впускном коллекторе 134 (предпочтительно вниз по потоку относительно охладителя 126 наддувочного воздуха). В качестве альтернативы или дополнительно к датчику 128 давления в выпускном коллекторе 130 (или в другом месте) могут быть установлены датчики избытка воздуха в цилиндрах, сигналы от этих датчиков подаются в блок 114 управления.

Если измеренное значение давления, измеренная величина избытка воздуха в цилиндрах или вычисленное по сигналам значение превышает установленное (например, характеристикой режима работы двигателя 100 внутреннего сгорания) максимальное или заданное значения, то блок 114 управления подает сигнал включения режима генератора в электрической машине 112, в результате чего происходит генерирующее торможение ротора газотурбинного наддува 106 до тех пор, пока измеренное или вычисленное значения не станут ниже максимального или не сравняются с заданным значениями.

Сгенерированный таким образом ток подается в накопитель 124 электрической энергии или напрямую в электродвигатель 122, соединенный с трансмиссией.

На фиг. 3 показана схематическая диаграмма 300 разных режимов работы в разных диапазонах нагрузки. Диапазоны нагрузки отражены на горизонтальной оси диаграммы 300, например, в виде крутящего момента двигателя 100 внутреннего сгорания. Для того чтобы количество параметров, которыми различаются диапазоны нагрузки, было наглядным, кривая на фиг. 3 может передавать принципиальное поведение блока 114 управления при (например, типичной или средней) частоте вращения. В этом отношении для ясности изображения и без ограничения технического решения больше не делается различия между терминами «нагрузка», «крутящий момент» и «мощность». Дальнейшее разграничение разных режимов работы с помощью характеристики с другими параметрами (например, в виде функции крутящего момента и частоты вращения) для специалиста можно реализовать напрямую. Конкретные значения такой характеристики могут изменяться для разных значений частоты вращения.

В первом диапазоне 302 нагрузки заданные значения характеристики давления и/или показателя избытка воздуха в цилиндре еще не достигнуты, поэтому генерирующего торможения не происходит. Этот процесс начинается только во втором диапазоне нагрузки, причем в нижней части 304 второго диапазона нагрузки электрическая мощность 306 увеличивается с ростом крутящего момента до заданного максимального значения. Как только это значение было достигнуто, в верхней части 304-2 второго диапазона нагрузки открывается перепускная заслонка 136 (ее проходное сечение 308 схематически показано на диаграмме 300) или происходит изменение геометрии турбины, чтобы исключить увеличение создаваемой электрической мощности 306 свыше максимального значения до достижения максимального крутящего момента.

Преимущества данного двигателя внутреннего сгорания понятны для специалиста, в частности, на описанном выше примере. Таким образом, существует возможность реализации преимуществ циклов Миллера или Аткинсона без сложных регулируемых клапанных механизмов газораспределения, в частности, касательно уменьшенной нагрузки от давления в условиях очень высокой удельной мощности. Описанная технология позволяет получать эти значения времени закрытия без создания сложной системы регулируемых кулачков, что в иных случаях потребуется из-за неблагоприятных условий в режиме частичной нагрузки и меньшей динамики.

Другим преимуществом реализуемых с помощью данной технологии значений времени закрытия по циклам Миллера или Аткинсона является снижение выбросов оксидов азота. Этот эффект сравним с системой рециркуляции отработанных газов (ОГ) средней эффективности, от которой в данном случае можно отказаться. Благодаря отсутствию необходимости в регулируемом клапанном приводе и в участке с системой рециркуляции ОГ значительно снижаются затраты на производство двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, в результате отсутствия системы рециркуляции ОГ значения температуры после турбины или, соответственно, перед входом в систему нейтрализации ОГ могут быть более высокими. Это позволит повысить эффективность системы нейтрализации ОГ, в частности, при низких средних значениях давления. В качестве альтернативы или в сочетании с этим в частях рабочего диапазона можно добиться, например, при условии хороших показателей эффективности электрических компонентов и элементов системы наддува, снижения удельного расхода топлива. Этому может способствовать и лучшая эффективность системы нейтрализации ОГ посредством более высоких значений выбросов окисей азота до обработки, например, так как лучшая эффективность системы нейтрализации ОГ допускает более высокие значения выбросов окисей азота до обработки. Эти значения достигаются, например, при смещении начала впрыска к более раннему моменту, что в обычных условиях сопровождается повышением эффективности процессов, происходящих при высоком давлении. Таким образом, данная технология позволяет решить ситуацию с традиционно существующим выбором (либо меньше выбросов окисей азота до обработки, либо ниже расход топлива).

Хотя данное изобретение описано со ссылкой на варианты осуществления, для специалиста понятно, что существует возможность внесения различных изменений и использования в качестве замены эквивалентных решений. Кроме того, возможно множество модификаций, направленных на адаптацию существа изобретения к определенному случаю применения двигателя внутреннего сгорания или к определенному материалу. Следовательно, данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а охватывает все варианты, подпадающие под действие прилагаемых формул изобретения.

Список номеров позиций

100 Двигатель внутреннего сгорания

102 Клапанный механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания

104 Впускные клапаны двигателя внутреннего сгорания

106 Газотурбинный наддув двигателя внутреннего сгорания

108 Турбина электрического газотурбинного наддува

110 Компрессор электрического газотурбинного наддува

112 Электрическая машина электрического газотурбинного наддува

114 Блок управления

116 Распределительный вал

118 Кулачок

120 Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания

122 Электрическая машина на коленчатом валу

124 Накопитель электрической энергии

126 Охладитель наддувочного воздуха

128 Датчик давления отработанных газов

13 0 Выпускной коллектор

132 Датчик давления наддувочного воздуха

134 Впускной коллектор

136 Перепускная заслонка

200 Диаграмма времени закрытия

202 Время закрытия по циклу Миллера

203 Пример для сравнения

204 Время закрытия по циклу Аткинсона

300 Диаграмма режимов работы

302 Первый диапазон нагрузки

304-1 Нижняя часть второго диапазона нагрузки

304-2 Верхняя часть второго диапазона нагрузки

306 Отданная мощность газотурбинного наддува

308 Проходное сечение перепускной заслонки.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания (100) включает в себя клапанный механизм (102) газораспределения, электрический газотурбинный наддув (106) и блок (114) управления. Клапанный механизм (102) газораспределения предназначен для закрытия впускных клапанов (104) двигателя (100) внутреннего сгорания на время, предусмотренное циклами Миллера или Аткинсона. Электрический газотурбинный наддув (106) снабжен электрической машиной (112), которая избирательно работает как двигатель или как генератор. Блок (114) управления предназначен для использования электрической машины (112) электрического газотурбинного наддува (106) как двигатель в первом диапазоне нагрузки на двигатель (100) внутреннего сгорания. Блок (114) управления предназначен для использования электрической машины (112) электрического газотурбинного наддува (106) как генератор во втором диапазоне нагрузки, соответствующем более высоким нагрузкам на двигатель (100) внутреннего сгорания по сравнению с первым диапазоном нагрузки. Время закрытия клапанов механизма (102) газораспределения не изменяется. Двигатель (100) внутреннего сгорания дополнительно включает вторую электрическую машину (122), выполненную в виде силовой машины для преобразования электрической энергии, полученной от электрического газотурбинного наддува во втором диапазоне мощности. В потоке выхлопных газов двигателя (100) внутреннего сгорания находится перепускная заслонка (136). Блок (114) управления дополнительно предназначен для открытия перепускной заслонки (136) на одном из участков во втором диапазоне нагрузки, который соответствует высоким нагрузкам в пределах второго диапазона нагрузки. Раскрыто транспортное средство с двигателем. Технический результат заключается в реализации циклов Миллера или Аткинсона без использования сложных регулируемых клапанных механизмов газораспределения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания (100), включающий

клапанный механизм (102) газораспределения, предназначенный для закрытия впускных клапанов (104) двигателя (100) внутреннего сгорания на время, предусмотренное циклами Миллера или Аткинсона;

электрический газотурбинный наддув (106) с электрической машиной (112), избирательно работающей как двигатель или как генератор; и

блок (114) управления, предназначенный для использования электрической машины (112) электрического газотурбинного наддува (106) как двигатель в первом диапазоне нагрузки на двигатель (100) внутреннего сгорания и как генератор во втором диапазоне нагрузки, соответствующем более высоким нагрузкам на двигатель (100) внутреннего сгорания по сравнению с первым диапазоном нагрузки, при этом

a) время закрытия клапанов механизма (102) газораспределения не изменяется, и/или

b) двигатель (100) внутреннего сгорания дополнительно включает вторую электрическую машину (122), выполненную в виде силовой машины для преобразования электрической энергии, полученной от электрического газотурбинного наддува во втором диапазоне мощности, и/или

c) в потоке выхлопных газов двигателя (100) внутреннего сгорания находится перепускная заслонка (136), а блок (114) управления дополнительно предназначен для открытия перепускной заслонки (136) на одном из участков (304-2) во втором диапазоне нагрузки, который соответствует высоким нагрузкам в пределах второго диапазона нагрузки.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, в котором блок (114) управления предназначен для использования электрической машины (112) электрического газотурбинного наддува (106) не как генератор в первом диапазоне нагрузки и/или для использования электрической машины (112) электрического газотурбинного наддува (106) как генератор исключительно во втором диапазоне нагрузки.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1 или 2, в котором газотурбинный наддув (106) включает компрессор (110) и турбину (108), приводящую в движение компрессор (110), которые предназначены для создания давления наддува, компенсирующего уменьшающийся из-за времени закрытия по сравнению с рабочим объемом объем наддува в первом диапазоне нагрузки на двигатель внутреннего сгорания.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, в котором проходное сечение турбины (108) рассчитано таким образом и/или геометрия турбины (108) выполнена так, что газотурбинный наддув (106) компенсирует в первом диапазоне нагрузки уменьшающийся из-за времени закрытия объем наддува за счет давления наддува.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3 или 4, в котором турбина (108), в частности, ее проходное сечение и/или ее геометрия не изменяются.

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 4 или 5, в котором блок (114) управления предназначен для преобразования механической мощности турбины (108), превышающей во втором диапазоне нагрузки мощность, необходимую компрессору (110) для компенсации, с помощью работающей в режиме генератора электрической машины (112).

7. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп. 3-6, в котором электрическая машина (112) газотурбинного наддува (106) жестко соединена с турбиной (108) газотурбинного наддува (106).

8. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, в котором клапанный механизм (102) газораспределения включает распределительный вал (116), который приводится в движение коленчатым валом (120) двигателя (100) внутреннего сгорания и который определяет время закрытия клапанов.

9. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп. 1-8, в котором двигатель (100) внутреннего сгорания дополнительно включает перезаряжаемый накопитель (124) энергии, соединенный или выполненный с возможностью соединения с электрической машиной электрического газотурбинного наддува (106) для накопления электрической энергии, полученной при работе в режиме генератора.

10. Двигатель внутреннего сгорания по варианту b) п. 1 и п. 9, в котором вторая электрическая машина (122) соединена или выполнена с возможностью соединения с накопителем (124) электрической энергии.

11. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, в котором блок (114) управления дополнительно предназначен для соединения второй электрической машины (122) с работающей в режиме генератора электрической машиной (112) электрического газотурбинного наддува (106) для снабжения энергией.

12. Транспортное средство, в частности, транспортное средство хозяйственного назначения, с двигателем (100) внутреннего сгорания по одному из пп. 1-11.