CN101711316A - 降低活塞式内燃机曲轴旋转不平稳性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种降低活塞式内燃机曲轴旋转不平稳性的方法,将可活动的质量平衡元件与曲轴联结,使得,在如果所述曲轴不与该质量平衡元件联结则曲轴的角速度将增加的阶段,该质量平衡元件的动能增加,在如果所述曲轴不与该质量平衡元件联结则曲轴的角速度将减小的阶段,该质量平衡元件的动能减小。

Description

降低活塞式内燃机曲轴旋转不平稳性的方法和装置
技术领域
本发明涉及降低活塞式内燃机曲轴旋转不平稳性的方法和装置。
背景技术
活塞式内燃机,特别是往复活塞式内燃机,其曲轴的旋转是由连接于曲轴的活塞的工作循环引起的,其旋转特性是不平稳的。随着气缸数量的减少、旋转速度的降低和负载的增加,所述不平稳性增大。在实际操作中,需要时人们试图通过与曲轴连接大质量调速轮的方式来补偿所述旋转不平稳性,其中调速轮以弹性扭转的方式与曲轴连接。为补偿旋转不平稳性,人们进行了进一步的尝试,把凸轮盘以不能扭转的方式与曲轴连接,该凸轮盘与一随动件配合,该随动件可克服弹簧的弹力而移动。在曲轴角速度需减小的阶段,随动件朝着弹簧移动,从而贮存势能。在曲轴角速度需增加的阶段,这种势能可再次转化成曲轴的旋转动能。尽管具有迄今为止存在的各种方法,具有较少气缸如四气缸或更少气缸的发动机与多气缸发动机相比,在舒适性上还是显示出缺点,该缺点对它们的可接受性方面具有不利影响。而高燃料效率的目标在于所谓的缩小发动机尺寸,当考虑到其日益增加的重要性时,就需要减少气缸数量,因为由于热力学的原因,单个气缸必需具有一个最小体积。
专利文献DE19649712C2揭示了一种其惯性矩依赖于加速度可变化的驱动轴。当轴加速旋转时,惯性质量从相对该轴的通常位置移动至与所述轴的旋转方向相对的转移位置,在其转移移动期间,通过传动元件以减小至旋转中心径向距离的方向移动离心质量单元,其中该离心质量单元与该轴以不能扭转的方式连接且支撑为可相对旋转轴大致以径向移动。该惯性质量设计为与该轴同心的环形,环形质量通过传动机构与每个离心质量单元连接。如果在离心质量单元与轴具有较大距离的状态时开始,轴的旋转速度增加,环形质量的速度落后于轴,因此离心质量单元与轴之间的距离减小。从而当轴加速转动时,该配置的惯性矩减小,其进一步增加了轴的加速度。当轴的旋转速度降低时,该配置的惯性矩增加,进而旋转速度进一步降低。总之,所述配置通过降低有效惯性矩而使内燃机的反应能力得以改进。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种也适用于具有少量气缸的活塞式内燃机的方法和装置,通过此装置曲轴的旋转不平稳性能够显著地降低,从而具有少量(如四个或更少)气缸的发动机能展示出高要求顾客可接受的运行性能。
本发明的目的中与方法相关的部分由权利要求1所述的方法解决。
从属权利要求2和3描述为根据本发明方法的较佳实施方式。
权利要求4描述了根据本发明装置的基本结构,用来解决本发明目的部分中与此相关的问题。
依附于权利要求4的从属权利要求的目的是提供根据本发明装置的较佳实施例和改进。
本发明的基本思想是在曲轴传递高转矩的阶段,从曲轴上分别转移能量和动力,并贮存在质量平衡元件内。当与曲轴连接的活塞进行压缩或排气操作时,曲轴处于传递低转矩或需要自驱动的阶段,在此期间贮存在质量平衡元件的能量返回。由于动能直接贮存在质量平衡元件内,而无需复杂的能量转化,从而本发明运转起来具有很高的效率。
附图说明
下面将通过附图对本发明进行示例性和更详细地解释。
图1和图2是根据本发明的一种装置在不同运行状态的端侧视图;
图3是用于解释本发明的四缸四冲程火花点燃式发动机的转矩曲线图;
图4是不同类型的发动机的转矩变化表;
图5是根据本发明的一种装置的示意性端侧视图,其根据图1所示装置改进;
图6是活塞缸单元的示意图;
图7是根据本发明的一种改进的装置的示意性端侧视图,其与图1和图2所示装置类似;
图8是调节装置的一种实施例的示意图;
图9是解释质量平衡的示意图。
附图标记:
10-曲轴;12-传动元件;14-质量平衡元件;16-轴承盖;
20-通孔;22-引导联接件;24-径向臂;26-连接元件;
28-连接元件;29-接头;40-调节装置;42-加速器;
44-臂;46-臂;48-止动器;50-止动器;52-连接元件;
54-臂;56-臂;58-连接元件;60-活塞;62-连杆;
64-齿轮;66-质量平衡元件;68-齿轮;72-活塞;
74-活塞缸单元;74-管道;76-管道;80-单向阀;
82-单向阀;84-截止阀;86-截止阀;88-质量平衡元件;
90-不平衡质量;92-不平衡质量。
具体实施方式
图1示出了根据本发明装置的端侧视图,具有公知结构的活塞式内燃机的曲轴10,包括以径向突出的传动元件12,其与曲轴10不能扭转地连接或整体成形。在传动元件12旁,质量平衡元件13支撑在曲轴10上,质量平衡元件优先参照曲轴10的旋转轴A平衡。
与质量平衡元件14轴向连接的轴承盖16(因被挡住,在图1的轴向设置中未示出)可绕轴B枢转地支撑,轴B在未示出的曲轴箱上,与曲轴的旋转轴A有一定距离。轴承盖16具有通孔20,曲轴10穿过该孔延伸,使得所述元件们能被设置在曲轴的终端或曲轴的中部区域。枢轴B与曲轴的旋转轴A平行。具有径向突起臂24的引导联接件22可旋转地支撑在轴承盖16上,其可相对曲轴枢转。
该径向突起臂24通过第一连接元件26与传动元件12连接,且通过第二连接元件28与质量平衡元件14在接头29处连接。较佳的是,连接元件26和28同轴地铰接至引导联接件22的臂24上。例如,连接元件28突出进入质量平衡元件14的径向槽内(未示出),通过销钉支撑在其内。连接元件26和28可绕铰接轴相对彼此及相对传动元件12、引导联接件22和质量平衡元件14枢转,各铰接轴彼此平行且平行于轴A和B。
通过轴承盖16绕固定在曲轴箱上的轴B枢转,可改变引导联接件22的旋转轴C与曲轴的旋转轴A之间的距离。为了枢转轴承盖16,设置了简要说明的调节装置40,其示出调节构件42与固定连接轴承16的臂44铰接。大致以臂44的延伸方向,在其相对侧轴承盖16具有另一个臂46,该臂46与轴承盖固定连接且可绕枢轴B枢转。调节构件42可沿竖直方向通过液压缸或电动机以一种公知的方式移动,如图1所示,其移动能力优先通过止动器48和50进行限制。
当结构上采用交叉连接的方式时,上述装置可构造得非常紧凑。质量平衡元件14在引导联接件22和传动元件12之间可旋转地支撑在曲轴上,且与曲轴的旋转轴A同轴。引导联接件22可旋转地支撑在轴承盖16确定的旋转轴C上。轴承盖的臂44和46轴向延伸至引导联接件22。轴承盖16相对于曲轴偏心枢转,此应当是能够理解的,其调节也能通过其它结构来保证,如在曲轴箱内直接通过销钉来支撑该轴承盖,其中该销钉相对曲轴的旋转轴偏心设置。
图1示出了引导联接件22的旋转轴C距曲轴的旋转轴A具有最大距离时的状态。优选地,旋转轴A和C之间的连接线平行于未示出的内燃机活塞的移动方向,其连接至曲轴10且以图示方向来看时与活塞的移动路线相重合。当轴承盖16绕枢轴B枢转时连接线方向的边缘变化是可以忽略的。传动元件12、径向臂24及连接元件26和28设置为,在曲轴10的旋转一周的期间,或与其偏心的引导联接件22的旋转一周期间,连接元件26和28两次通过它们的延伸位置,从而在旋转一周期间曲轴10的补偿质量14分别被两次提前和拖后,即分别以比曲轴更高和更低的速度旋转。该提前和拖后可以调节为各自的要求,其能通过连接元件的几何布置来达到。
图2示出了图1所示的旋转轴A和C重合时的状态,即从图1所示的最大偏心的状态调节为最小偏心即引导联接件22与曲轴10同心时的状态。在此状态下,传动元件、连接元件26和28及径向臂24的相对位置保持不变,从而质量平衡元件14总是与曲轴以同样角速度旋转。
综上所述,在如图1所示的状态,质量平衡元件14被循环加速和减速,从而在质量平衡元件被加速旋转的阶段,曲轴不得不施加附加的转矩至质量平衡元件,在旋转的其它阶段,质量平衡元件的角速度相对于曲轴被降低,曲轴从质量平衡元件接收附加转矩。
图3a)示出了四缸火花点火式发动机的特性转矩曲线,其按四冲程原理以如1000rpm的速度在满载情况下运转。横座标表示曲轴的旋转位置,其以角度分别表示,纵座标表示影响汽车行驶的曲轴转矩。转矩的变化随着负载的增加而增加,且当旋转速度降低时对行驶的负面影响增加,如整个汽车在加速过程波动或能被驾驶者觉察到的噪声或振动等都会降低舒适程度。
图3的b)部分示出了通过上面描述的装置可产生的转矩,其通过平衡质量14施加在曲轴10上。如图所示,在曲轴产生高的正转矩的阶段,为使质量平衡元件加速必需有一个负转矩,相反地,在曲轴传递一个负转矩至活塞的阶段,质量平衡元件通过减速传递一个正转矩至曲轴。总之,通过在公知的内燃机上设置本发明装置,与图3a)所示的曲轴上转矩变化相比,总转矩的变化显著降低,此由图3c)可以看出。因而,通过应用本发明装置,即使气缸数量很少,活塞式内燃机仍可获得很舒适的平稳速度。这些可从图3所示的转矩变化或波动中看出。特别是图a)和c),通过曲轴传递至汽车的平均转矩曲线将只能向上改变。通过轴承盖16的枢转,该装置能根据平衡要求分别进行调节。变化大时,其在偏心程度大即旋转轴A和C之间距离远的情况下运行。变化小时,偏心程度也降低。
图4通过表格列出具有不同数量气缸及不同运行规则(二冲程式、四冲程式)的内燃机的待补偿转矩交互变化的主要阶数,其转矩交互变化如图3a)所示。
如图1和2所示的布置适用于降低双缸二冲程发动机或四缸四冲程发动机的曲轴的一阶转矩变化。
图5示出了根据本发明装置的实施例,通过绕连接元件52枢转,引导联接件22相对于曲轴10的偏心移动和冲程移动分别转化为质量平衡元件14和曲轴10之间的相对旋转。在曲轴的每次旋转期间此枢转发生一次,从而如图5所示的实施例适用于降低单缸二冲程发动机或双缸四冲程发动机的曲轴的一阶转矩变化。
根据本发明的装置也可应用于补偿其它发动机如三缸发动机的曲轴转矩变化和/或旋转不平稳性,例如此时,传动元件12不与曲轴固定连接,而是通过增速齿轮单元或减速齿轮单元与曲轴连接,由此传动元件以适合补偿转矩变化的速度旋转,举例来说,与双缸发动机相对应装置的结构相比,三缸发动机通过乘以系数1.5来增加其旋转速度。
图6示意性地说明了往复活塞式内燃机的一个气缸内的活塞60,其通过连杆62以公知的方式与曲轴10连接。在四冲程运行时,在曲轴的两次旋转期间以公知的方式只进行一个做功冲程,在此做功冲程中,驱动转矩MK通过活塞60施加至曲轴10。此时连杆62相对于竖直线倾斜,导致气缸壁以横向力支撑活塞60。所述横向力能通过在气缸曲轴箱上施加相反的力矩FN×s(t)来平衡。
图7示出了如何在气缸曲轴箱上施加此相反力矩的例子。为此目的,根据图1的布置调节为示例所示,质量平衡元件14具有圆周齿64,另一个质量平衡元件66可旋转地支撑于远离曲轴旋转轴A的曲轴箱上的轴D,该质量平衡元件66的圆周齿68的直径为圆周齿64的直径的一半。因而,所述另一个质量平衡元件66以两倍于质量平衡元件14速度的速度运转,充分地补偿质量平衡元件14的旋转不平稳性。附加的质量平衡元件66可以此种方式产生用于补偿活塞横向力的相反力矩,如图6所示,其以四缸四冲程发动机为例。
此再次指出了质量平衡元件14和附加的质量平衡元件66能较佳地相对它们的旋转轴平衡的事实。它们可以构造成圆盘状或任何其它形式。附加的质量平衡元件66可应用于公知的二阶自由惯性力的双轴调节。与传统的通过调速轮降低旋转不平稳性的方式相比,根据本发明,质量平衡元件的角速度与曲轴的角速度基本上同相地且有条不紊地改变。因而,质量平衡元件的惯性矩可比传统的调速轮小,从而发动机对加速器踏板操作的改变显示出更好的响应。
图8示意性地显示了调节装置40的特别简单的实施例。轴承盖16(如图1)的臂44铰接至双动式活塞缸单元74的活塞72的轴上,该轴即作为调节构件42,所述活塞缸单元74的压力腔通过两个管道76和78彼此连接。在管道76和78内分别设置有单向阀80和82,单向阀80和82反向设置。此外,在每个管道内分别设置有截止阀84和86。
由于轴承盖16的偏心支撑,在质量平衡元件14的每次旋转期间都有交互力作用在臂44上,该力的方向为图中所示的直接向上或向下。当截止阀84或86中的一个打开时,活塞缸单元74内的液压液只能从一个压力腔流入另一个,从而无需额外的加压介质源,通过分别控制截止阀84和86即可调节相对应的方向。当然,为确保在管道和活塞缸单元内总是充满液压液及没有空气,可采用适当的再注入机构来加入液压液。
借助图9,可解释根据本发明如何不仅能平衡曲轴的旋转不平稳性,还能进行单缸二冲程或双缸四冲程发动机的质量平衡。如图9的质量平衡元件14对应于图5中实施例的质量平衡元件14,为了简化问题图9没有示出它的其它元件。质量平衡元件14具有圆周齿64与另外一质量平衡元件88的齿轮啮合。标记90和92表示质量平衡元件的不平衡质量,与首选的实施例相反,质量平衡元件14没有参照它的旋转轴平衡而是具有一特定的不平衡质量90。该不平衡质量90和92优选为相等的且设置为,它们同时在如图5所示的各自的竖直位置内,即它们同时经过上止点和下止点,它们在水平位置具有相反的相位。正如已通过图5说明的那样,这种设置也优选地应用于平衡单缸二冲程发动机或双缸四冲程发动机的曲轴旋转不平稳性。对于单缸二冲程发动机的活塞或双缸四冲程发动机的活塞,不平衡质量设置为,当活塞在上止点时它们在下止点,通过根据图5的布置方式可以达到所述发动机的质量平衡。
已在上面作为示例详细描述的根据本发明的上述装置,能以各种方式进行改变。例如,根据图1、2、5和7的实施例,调节装置40可以包括其液压液为压力燃料的液压缸,如从共轨系统中分离的柴油燃料,从而不需要另外的液压源。液压缸通过阀以公知的方式来控制,该阀由电子控制装置驱动,根据内燃机相对应的负载点的转矩变化要求进行调节。已描述过的轴承盖16的枢转可通过轴承盖16能沿固定在曲轴箱上的曲柄线性移动来补充。本发明既可应用在往复活塞式内燃机上,又可应用在旋转活塞式内燃机上。
代替或附加于轴承盖16的调节,质量平衡元件14可以设置为其惯性矩是可变的,如在质量平衡元件上设置两个其距离可以改变的质量体。通过所述惯性矩的改变,该装置可分别调节待平衡或补偿的旋转不平稳性。
根据本发明的装置,质量平衡元件和与曲轴之间的联结能以各种方式设置,如设置在曲轴的端部,或者,对于具有多个气缸的发动机来说,设置在其多个活塞之间。根据本发明的多个装置也可设置在一个曲轴上。

Claims (22)

1.一种降低活塞式内燃机曲轴(10)旋转不平稳性的方法,其特征在于:将可活动的质量平衡元件(14)设置成与曲轴联结,使得在如果该曲轴没有与该质量平衡元件联结则曲轴的角速度将增加的阶段内,该质量平衡元件的动能增加;在如果该曲轴没有与该质量平衡元件联结则曲轴的角速度将减小的阶段内,该质量平衡元件的动能减小。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:将该质量平衡元件(14)设置成可绕轴旋转且与该曲轴(10)联结,使得在如果该曲轴没有与质量平衡元件联结则该曲轴的角速度将增加的阶段内,该质量平衡元件的角速度相对于该曲轴的角速度增加;在如果该曲轴没有与质量平衡元件联结则该曲轴的角速度将降低的阶段内,该质量平衡元件的角速度相对于该曲轴的角速度降低。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:相对于该曲轴的角速度,该质量平衡元件(14)的角速度增加和降低的系数是可以调节的。
4.一种实施如权利要求1所述方法的装置,包括:曲轴(10)、可活动的质量平衡元件(14)和联结装置,该质量平衡元件通过该联结装置与该曲轴连接,并使得在该曲轴旋转的预定阶段内,额外的能量能转移至该质量平衡元件且能从该质量平衡元件转回至该曲轴。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于:所述质量平衡元件(14)绕轴旋转,所述联结装置包括传动机构,其能在该曲轴(10)的每次旋转期间以一角速度旋转驱动该质量平衡元件,该角速度相对于该曲轴的角速度至少增加一次和至少降低一次。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于:该质量平衡元件(14)被支撑为与该曲轴(10)同轴。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于:该传动机构包括与该曲轴偏心的可旋转地支撑的引导联接件(22),该引导联接件由至少一个连接元件(26;52)与固定连接至该曲轴的传动元件(12)连接,并由至少一个附加连接元件(28;58)与该质量平衡元件(14)连接,在所述连接元件、引导联接件和传动元件之间的所有铰接轴都与曲轴的旋转轴平行。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于:该传动元件(12)与该曲轴(10)固定连接。
9.根据权利要求7所述的装置,其特征在于:该传动元件(12)通过变速传动器与该曲轴(10)固定连接。
10.根据权利要求7至9中任一所述的装置,其特征在于:该质量平衡元件(14)支撑在该曲轴上,且位于该传动元件(12)和该引导联接件(22)之间。
11.根据权利要求7至10中任一所述的装置,其特征在于:与该引导联接件(22)连接的连接元件(26,28)被支撑为与所述引导联接件同轴。
12.根据权利要求7至11中任一所述的装置,其特征在于:当从旋转轴的上方来看时,该引导联接件(22)的旋转轴C与该曲轴(10)的旋转轴A之间的连线大致与活塞式内燃机的活塞的移动线相重合,其中该活塞与该曲轴连接。
13.根据权利要求7至11中任一所述的装置,其特征在于,该引导联接件(22)支撑在轴承盖(16)上,该轴承盖与该曲轴(10)的旋转轴A之间的距离是变化的。
14.根据权利要求13所述的装置,其特征在于:还包括用于调节该引导联接件(22)的旋转轴C与该曲轴(10)的旋转轴A之间距离的调节装置(40),该调节装置包括液压缸,该液压缸与该活塞式内燃机的燃料压力管道连接。
15.根据权利要求13或14所述的装置,其特征在于:用于调节该引导联接件(22)的旋转轴C与该曲轴(10)的旋转轴A之间距离的调节装置(40)包括双动式液压缸,其压力腔是彼此相连接的,从而压力腔之间液压液的流动在每个方向都能被选择性地控制。
16.根据权利要求13所述的装置,其特征在于:用于调节该引导联接件(22)的旋转轴C与该曲轴(10)的旋转轴A之间距离的调节装置(40)包括电动机。
17.根据权利要求7至16中任一所述的装置,其特征在于:该传动元件(12)由第一连接元件(26)连接至该引导联接件(22),该引导联接件由第二连接元件(28)连接至该质量平衡元件(14),如果该引导联接件与该曲轴偏心设置,则所述连接元件在每次旋转中两次经过一延伸位置。
18.根据权利要求7至17中任一所述的装置,其特征在于:该传动元件(12)与该引导联接件(22)通过双臂连接元件(52)的一个臂(54)连接,其另一臂(56)通过另一连接元件连接至该质量平衡元件(14),从而在该引导联接件与该曲轴(10)之间的径向相对移动被转化成曲轴与质量平衡元件之间的相对转动,其在曲轴的每次旋转中提前和拖后一次。
19.根据权利要求7至18中任一所述的装置,其特征在于:还包括一附加的质量平衡元件(66;88),其被所述质量平衡元件(14)以一预定传动比驱动旋转。
20.根据权利要求19所述的装置,其特征在于:所述两个质量平衡元件(14,66)通过齿形结构(64,68)以抗扭的方式彼此连接。
21.根据权利要求17和权利要求19或20所述的装置,其特征在于:所述附加的质量平衡元件(66)以所述质量平衡元件(14)转速两倍的转速旋转。
22.根据权利要求18和权利要求19或20所述的装置,其特征在于:所述两个质量平衡元件以相同的速度绕相反的方向旋转,它们都设有不平衡质量,当单缸二冲程发动机或双缸四冲程发动机的活塞位于上止点时,所述不平衡质量位于下止点。
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