CN102853026A - 用于机动车辆的多缸直列内燃发动机及运行该发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种车辆内燃发动机。该内燃发动机可包括两个外部活塞、曲轴和飞轮，其中每个活塞被设置在单独的汽缸中并被定位成直列构造，其中直线延伸穿过每个活塞的轴线，曲轴包括多个曲拐，每个曲拐均被联接至单独的活塞，并且飞轮被联接至曲轴的第一端。发动机还包括被联接至曲轴的第二端的带轮以及平衡装置，所述平衡装置包括联接至带轮的第一平衡块和联接至飞轮的第二平衡块，在垂直于所述曲轴的旋转轴线的平面上测量的在所述第一平衡块和所述第二平衡块之间的相对分离小于170°。

Description

用于机动车辆的多缸直列内燃发动机及运行该发动机的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年6月29日提交的德国专利申请号102011078356.3的优先权，在此为所有目的将其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及用于机动车辆的多缸直列内燃发动机及运行该发动机的方法

背景技术

在具有直列配置的多汽缸（例如，3个汽缸）内燃发动机中，平衡装置例如配重被用来减小或在某些情况下基本阻止振动的发生（例如，一阶振动），这种振动会通过例如第一汽缸和第三汽缸以惯性力的形式施加在曲轴上。在这种情况下，由于“偏摆激励”导致的扭矩平行于汽缸轴线对齐，并且由于“俯仰激励”导致的扭矩垂直于汽缸轴线和曲轴轴线对齐。在这种情况下，偏摆激励和俯仰激励之间的比例可经由被整合到曲轴内或被联接至曲轴的平衡块（例如，配重）的相应尺寸被调整。

德国专利申请DE10245376A1公开了直列三缸往复活塞发动机的曲轴，在传动系中在曲轴上提供了两个平衡块以减小曲轴轴承的轴承负载。曲轴中的平衡块在垂直于曲轴的旋转轴线的平面内相对彼此形成180°角，并且产生相等且相反的平衡力。在传动系中，由平衡力形成的平衡平面与第一曲拐形成30°角。已经做出其他尝试来阻尼由曲轴的旋转导致的发动机内的振动。然而，阻尼会涉及在传动系中的纵向振动和垂向振动之间的折衷。

发明内容

本发明人已经认识到上述曲轴配置的几个缺点。首先，在德国专利申请DE10245376中公开的曲轴会经受在垂直于曲轴的旋转轴线和重力轴线二者的方向上的激励（例如振动）。该方向可被称为偏摆轴线。由于传动系的惯性矩阵中的非对角项的原因，所以偏摆振动可被称为“偏摆力矩引起”的俯仰激励。结果，车辆中的噪声、振动和粗糙度（NVH）可能增大，由此减小乘客的满意度。

因此，在一个方法中，提供了一种车辆中的内燃发动机。内燃发动机可包括两个外部活塞、曲轴和飞轮，其中每个外部活塞被设置在单独的汽缸中并且被定位成直列配置，其中直线延伸穿过每个活塞的轴线，曲轴包括多个曲拐，每个曲拐均被联接至单独的活塞，并且飞轮被联接至曲轴的第一端。发动机还包括被联接至曲轴的第二端的带轮和平衡装置，所述平衡装置包括联接至带轮的第一平衡块和联接至飞轮的第二平衡块，在垂直于曲轴旋转轴线的平面上测量的在所述第一平衡块和所述第二平衡块之间的相对分离小于170°。

当平衡块以此方式被定位时在发动机运行期间的振动被减小。具体地，在垂直于竖直轴线和曲轴旋转轴线的方向上的振动被减小。此外，偏摆振动也被减小。结果发动机的NVH被减小，由此改进乘客的满意度。

在一些实施例中，第一平衡块被定位为相对被包括在多个曲拐中的第一外部曲拐在190°处并且第二平衡块被定位为相对第一外部曲拐在200°处。将理解当平衡块被以此方式定位时，可进一步减小俯仰和偏摆振动。

应理解提供上面的概述用于以简化的形式引入将在详细描述中进一步描述的选择的概念。不意味着确认所保护的本发明主题的关键的或基本的特征，本发明的范围将由本申请的权利要求唯一地界定。此外，所保护的主题不限于克服上文或本公开的任何部分中所述的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1A-图1B示出提供有燃烧发动机的配重装置的曲轴的示意说明书，所述燃烧发动机具有三个汽缸；并且

图2A-图2B和图3A-图3B示出打算说明本发明操作的图解。

图4示出运行机动车辆中的内燃发动机的方法400。

下面参考附图以更多细节说明本发明。

具体实施方式

图1示出内燃发动机50。内燃发动机50包括三个汽缸（1、2和3）和对应的活塞（4、5和6）。活塞被配置为在汽缸内以往复运动形式运动。因此，每个活塞被对应汽缸的壁至少部分地包围。将理解空气/燃料混合物可被输送至汽缸并且燃烧循环可在汽缸内实现，由此以往复运动方式移动活塞。发动机操作可被限定为当发动机执行汽缸内的循环燃烧的时间段。发动机50还包括联接至每个活塞（4、5和6）的曲轴10。曲轴10绕在坐标系中沿x-方向延伸的曲轴轴线15旋转，如在图1B中示出的。曲轴10包括三个曲拐（11、12和13），在图1A中被描绘为线。三个曲拐沿曲轴轴线15被连续地设置。在一些示例中，曲拐（11、12和13）可围绕曲轴轴线以120°角度间距分布。曲轴10以及因此曲拐（11、12和13）被包括在传动系60内。曲拐11和13是外部曲拐并且曲拐12是位于外部曲拐之间的内部曲拐。

图1B示出具有两个平衡块31、32的平衡装置30。该平衡装置30可被配置为至少部分平衡由曲轴10处的旋转质量/块所导致的惯性力。

具体地，第一平衡块31被联接至带轮21，如在图1B中示出的，并且第二平衡块32被联接至飞轮22，如在图1B中示出的。带轮21被联接至曲轴10的第一端34并被包括在传动系60内。另一方面，飞轮22被联接至曲轴10的第二端36并被包括在传动系60中。然而，将理解除了平衡块31、32，在一些实施例中可在曲轴10（例如，曲拐11和13）上设置附加的平衡块，例如配重。此外在其他实施例中，平衡块31和32可被联接至曲轴10。

继续图1B，附图标记“21”指示内燃发动机50内的带轮并且附图标记“22”指示内燃发动机50内的飞轮。此外，平衡块31被设置在带轮21上并且平衡块32被设置在飞轮22上。沿在轴线方向上延伸的曲轴轴线15在平衡块（31和32）之间的距离大于两个外部曲拐（11和13）之间的外部距离。因此，平衡块（31和33）在轴线方向上延伸超出外部曲拐（11和13）。用于偏摆、俯仰和侧翻运动的扭矩方向在图1A中被指示。这些方向被称为偏摆轴线、俯仰轴线和侧翻轴线。侧翻轴线可以是曲轴的轴线。偏摆轴线可以是竖直轴线并且俯仰轴线垂直于偏摆轴线和侧翻轴线。

对于作为惯性张量Θ和角加速度

的积的（合成）扭矩矢量

以下等式应用：

其中角加速度由以下等式给出：

并且其中惯性张量Θ由以下等式给出：

$\mathrm{\Θ}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Θ}}_{11}& {\mathrm{\Θ}}_{12}& {\mathrm{\Θ}}_{13}\\ {\mathrm{\Θ}}_{21}& {\mathrm{\Θ}}_{22}& {\mathrm{\Θ}}_{23}\\ {\mathrm{\Θ}}_{31}& {\mathrm{\Θ}}_{32}& {\mathrm{\Θ}}_{33}\end{array}\right]---\left(4\right)$

装置以及特别是平衡块（配置）相对传动系中的剩余部件（包括曲轴、飞轮和带轮）被安装的角度被配置为如下方式，即考虑惯性张量，在内燃发动机的运行期间根据俯仰激励导致减小且在某些情况下最小化装置的重心的旋转，即

实践上，如以上将以更多细节说明的，这将可通过以适当的方式改变根据本发明在装置中提供的平衡块和曲拐之间的角度来实现。

从以上等式中，将获得：

并且

传动系60的残余俯仰激励可通过选择角度α₁和α₂中的至少一个而被减小，其中平衡块31、32基于上述等式1-8相对第一曲拐11被定位在所述角度α₁和α₂。每个角度α₁和α₂可被称为方位角。角度α₁和α₂是平衡块（31和32）和第一曲拐11之间的偏差或相对角度分离。此外，将理解平衡块的位置（从该位置测量角度α₁和α₂）可以是每个平衡重的质心。此外，由此测量角度α₁和α₂的末端点在曲轴10的旋转轴线15上。此外，在所描绘的实施例中在垂直于曲轴轴线15的平面内测量角度α₁和α₂。然而在其他实施例中角度α₁和α₂可在其他平面内测量。如示出的，角度α₁和α₂从向下的轴线绕曲轴轴线15以顺时针方向被测量。然而，在其他实施例中角度α₁和α₂可以以逆时针方向测量。

角度α₁和α₂可基于平衡块的装置的惯性张量的倒数的函数被选择。惯性张量可使用以上示出的等式1-8来计算。在该装置中，第一方位角α₁和第二方位角α₂可以如下方式选择，即实现传动系10的偏摆激励的减小。在一些示例中，偏摆激励可被最小化。然而，已经想到了偏摆激励较小程度的减小。此外，第一方位角α₁和第二方位角α₂还可被选择成减小并且在某些情况下最小化传动系中的俯仰激励。结果，发动机中的振动被减小，由此提高乘客满意度。振动的减小还可增加发动机50的寿命。

具体在一些实施例中，角度α₁不等于30°并且角度α₂不等于210°。角度α₁可从30°改变至少5°、10°或在一些示例中改变15°并且角度α₂也可从210°改变至少5°、10°或在一些示例中改变15°。此外在一些实施例中，角度α₁可以等于190°并且角度α₂可以等于200°。将理解当平衡块（31和32）被以此方式设置时，传动系60中的振动可被减小，由此提高乘客的满意度并且延长发动机50的寿命。这种平衡块装置不仅可减少俯仰方向的振动并且也可减少偏摆方向的振动。

在一些实施例中，第一平衡块和第二平衡块（31和32）之间的相对角度分离小于170°。在其他实施例中，第一平衡块和第二平衡块（31和32）之间的相对角度分离小于90°。在所描绘的实施例中，平衡块（31和32）之间的相对角度分离为10°。可在垂直于曲轴轴线15的平面内测量第一和第二平衡块之间的角度分离。此外，由此测量平衡块（31和32）之间的角分离的末端点在曲轴轴线上。

此外，在图1B所描绘的实施例中，平衡块（31和32）可被设置成使得传动系的合力的方向以不等于零的合成角度（γ）倾斜，合成角度（γ）被测量成距竖直轴线。因此，合成角度（γ）被选择成减小发动机运行期间传动系的俯仰激励，俯仰方向垂直于竖直轴线和曲轴轴线。

如在图2A和图2B中看到的，其分别对于左手安装点和右手安装点而言，当平衡块（31和32）以上述相对图1A-图1B描述的方式被定位时，与具有分隔开180°定位的平衡块的传动系相比，能够实现传动系60在竖直方向上的激励的显著减小。在图2A-图2B中，飞轮22上的平衡块32的第二方位角α₂的值以曲线“A”-“E”指示。根据图2A和图2B，在α₂=190°并且α₂=200°时实现了显著减小。在图3A和图3B中，图示了在密封轨处产生的振动的减小，这同样是最显著的，其中α₂=190°并且α₂=200°。

图1A-图1B提供车辆中的内燃发动机，其包括：两个外部活塞，每个活塞均被设置在单独的汽缸中并被定位成直列配置，其中直线延伸穿过每个活塞的轴线；曲轴，其包括多个曲拐，每个曲拐均被联接至单独的活塞；飞轮，其被联接至曲轴的第一端；带轮，其被联接至曲轴的第二端；以及平衡装置，其包括联接至带轮的第一平衡块和联接至飞轮的第二平衡块，在垂直于曲轴的旋转轴线的平面上测量的在第一平衡块和第二平衡块之间的相对分离小于170°。

图1A-图1B还提供其中第一平衡块和第二平衡块之间的相对分离小于90°的内燃发动机。图1A-图1B还提供其中第一平衡块和第二平衡块之间的相对分离小于10°的内燃发动机。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一平衡块从被包括在多个曲拐中的第一外部曲拐偏移190°并且第二平衡块从第一外部曲拐偏移210°。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一和第二平衡块中的每个均轴向地延伸超出被包括在多个曲拐中的两个外部曲拐。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中曲拐相对彼此以120°的角度分布。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一平衡块被直接联接至带轮并且第二平衡块被直接联接至飞轮。

图1A-图1B还提供包括被定位在外部活塞之间的内部活塞的内燃发动机。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其包括直列配置的多个汽缸和包括曲轴和平衡装置的传动系，该曲轴在内燃发动机的运行期间绕曲轴轴线旋转并且具有沿曲轴轴线在轴向方向上连续设置的多个曲拐，每个曲拐均被联接至被设置在多个汽缸中的一个内的单独的活塞，所述平衡装置被配置为至少部分平衡由曲轴的回转质量/块引起的惯性力，所述平衡装置具有至少两个平衡块，所述平衡块被设置成使得传动系的合力的方向以不等于零的合成角度（γ）倾斜，该合成角度自竖直轴线测量。

图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中平衡块包括第一平衡块和第二平衡块，第一平衡块从第一曲拐偏移第一方位角α₁并且第二平衡块从第一曲拐偏移第二方位角α₂，第一和第二方位角被选择成减小内燃发动机运行期间传动系的俯仰激励，俯仰方向垂直于竖直轴线和曲轴轴线。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一方位角α₁不等于30°并且第二方位角α₂不等于210°。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一方位角从30°改变至少5°并且第二方位角α₂从210°改变至少5°。

图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一方位角α₁从30°改变至少10°并且第二方位角α₂从210°改变至少10°。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一方位角α₁从30°改变至少15°并且第二方位角α₂从210°改变至少15°。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中第一方位角α₁和第二方位角α₂被选择成减小传动系的偏摆激励，偏摆激励的方向平行于竖直轴线。

图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中合成角度（γ）被选择成减小发动机运行期间传动系的俯仰激励，俯仰的方向垂直于竖直轴线和曲轴轴线。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中多个汽缸包括三个汽缸。图1A-图1B还提供一种内燃发动机，其中平衡块中的一个被设置在飞轮上并且平衡块中的一个被设置在带轮上，飞轮和带轮被包括在传动系中。

图4示出运行机动车辆中的内燃发动机的方法400。方法400可通过以上相对图1A-图1B描述的发动机和传动系实施或者由适当的发动机和传动系实施。

在步骤402，方法包括在内燃发动机运行期间旋转传动系，传动系包括：绕曲轴轴线旋转并且具有沿曲轴轴线在轴线方向上连续设置的多个曲拐的曲轴，每个曲拐被联接至被设置在多个汽缸中的一个内的单独的活塞；以及平衡装置，其被配置为至少部分平衡由曲轴内的回转质量/块引起的惯性力，所述平衡装置包括第一平衡块和第二平衡块，第一平衡块相对被包括在多个曲拐中的第一曲拐偏移不等于30°的第一方位角α₁并且第二平衡块相对第一曲拐偏移不等于210°的第二方位角α₂。

在一些示例中，第一方位角测量在垂直于曲轴的旋转轴线的平面内在第一曲拐和第一平衡块之间的角度。此外在一些示例中，第一方位角α₁和第二方位角α₂被选择为传动系的惯性张量的倒数的函数，以便在内燃发动机运行期间减小传动系的俯仰激励。

这里结束本说明。本领域的技术人员在阅读本文之后将想到多个改变和变型而不偏离本说明的精神和范围。例如，运行天然气、汽油、柴油或可替代燃料配置的发动机可使用本说明而获益。

Claims (18)

1.一种车辆内的内燃发动机，包括：

两个外部活塞，所述活塞中的每个均被设置在单独的汽缸内并且被定位成直列配置，其中直线延伸穿过每个所述活塞的轴线；

包括多个曲拐的曲轴，每个曲拐均被联接至单独的活塞；

被联接至所述曲轴的第一端的飞轮；

被联接至所述曲轴的第二端的带轮；以及

平衡装置，其包括联接至带轮的第一平衡块和联接至飞轮的第二平衡块，在垂直于所述曲轴的旋转轴线的平面上测量的在所述第一平衡块和所述第二平衡块之间的相对分离小于170°。

2.如权利要求1所述的内燃发动机，其中所述第一平衡块和第二平衡块之间的所述相对分离小于90°。

3.如权利要求2所述的内燃发动机，其中所述第一平衡块和第二平衡块之间的所述相对分离小于10°。

4.如权利要求1所述的内燃发动机，其中所述第一平衡块从被包括在所述多个曲拐中的第一外部曲拐偏移190°并且所述第二平衡块从所述第一外部曲拐偏移210°。

5.如权利要求1所述的内燃发动机，其中所述第一和第二平衡块均轴向延伸超出被包括在所述多个曲拐中的两个外部曲拐。

6.如权利要求1所述的内燃发动机，其中所述曲拐相对彼此以120度的角度分布。

7.如权利要求1所述的内燃发动机，其中所述第一平衡块被直接联接至所述带轮并且所述第二平衡块被直接联接至所述飞轮。

8.如权利要求1所述的内燃发动机，还包括被定位在所述外部活塞之间的内部活塞。

9.一种机动车辆内的内燃发动机，包括：

直列配置的多个汽缸；以及

传动系，包括：

曲轴，其在所述内燃发动机的运行期间绕曲轴轴线旋转并且包括沿所述曲轴轴线在轴线方向上连续设置的多个曲拐，每个曲拐均被联接至被设置在所述多个汽缸中的一个内的单独的活塞；以及

平衡块，其被配置为至少部分平衡由所述曲轴中的回转质量所引起的惯性力，所述平衡装置具有至少两个平衡块，所述平衡块被设置成使得所述传动系的合力的方向以不等于零的合成角度（γ）倾斜，所述合成角度自竖直轴线测量。

10.如权利要求9所述的内燃发动机，其中所述平衡块包括第一平衡块和第二平衡块，所述第一平衡块从第一曲拐偏移第一方位角α₁并且所述第二平衡块从所述第一曲拐偏移第二方位角α₂，所述第一方位角和所述第二方位角被选择成减小所述内燃发动机运行期间所述传动系的俯仰激励，所述俯仰的方向垂直于所述竖直轴线和所述曲轴轴线。

11.如权利要求10所述的内燃发动机，其中所述第一方位角α₁不等于30°并且所述第二方位角α₂不等于210°。

12.如权利要求10所述的内燃发动机，其中所述第一方位角α₁从30°改变至少5°并且所述第二方位角α₂从210°改变至少5°。

13.如权利要求10所述的内燃发动机，其中所述第一方位角α₁从30°改变至少10°并且所述第二方位角α₂从210°改变至少10°。

14.如权利要求10所述的内燃发动机，其中所述第一方位角α₁从30°改变至少15°并且所述第二方位角α₂从210°改变至少15°。

15.如权利要求9所述的内燃发动机，其中所述所述多个汽缸包括三个汽缸。

16.如权利要求9所述的内燃发动机，其中所述平衡块中的一个被设置在飞轮上并且所述平衡块中的一个被设置在带轮上，所述飞轮和所述带轮被包括在所述传动系中。

17.一种运行机动车辆内的内燃发动机的方法，所述方法包括：

在所述内燃发动机的运行期间旋转传动系，所述传动系包括：绕曲轴轴线旋转并且具有沿所述曲轴轴线在轴向方向上连续设置的多个曲拐的曲轴，每个曲拐均被联接至被设置在多个汽缸中的一个内的单独的活塞；以及平衡装置，其被配置为至少部分平衡由所述曲轴内的回转质量所引起的惯性力，所述平衡装置包括第一平衡块和第二平衡块，第一平衡块相对被包括在所述多个曲拐中的第一曲拐偏移不等于30°的第一方位角α₁并且所述第二平衡块相对所述第一曲拐偏移不等于210°的第二方位角α₂。

18.如权利要求17所述的内燃发动机，其中所述第一方位角测量在垂直于所述曲轴的旋转轴线的平面内在所述第一曲拐和所述第一平衡块之间的角度。

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