CN102971506B - 具有多铰链曲柄传动机构和多铰链曲柄传动机构的铰接连杆上的用于缓冲自由惯性力的附加质量的内燃机 - Google Patents

具有多铰链曲柄传动机构和多铰链曲柄传动机构的铰接连杆上的用于缓冲自由惯性力的附加质量的内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内燃机（1），具有多铰链曲柄传动机构（8），其中，所述多铰链曲柄传动机构（8）包括多个可旋转地支承在曲轴（2）上的耦合元件（9）和多个可旋转地支承在偏心轴（6）上的铰接连杆（14），其中，所述耦合元件（9）之一可摆动地与所述内燃机（1）的活塞（3）的活塞连杆（4）和所述铰接连杆（14）之一连接。为了在没有显著增大摩擦损失、所需结构空间、所述多铰链曲柄传动机构（8）的重量或所述曲轴（2）的轴承中的支承力的情况下可更好地平衡二阶惯性力，根据本发明提出，所述铰接连杆（14）设置有附加质量（21）并且具有处于所述铰接连杆的纵向中心平面（22）之外的质量重心。

Description

具有多铰链曲柄传动机构和多铰链曲柄传动机构的铰接连杆上的用于缓冲自由惯性力的附加质量的内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机。
背景技术
这种类型的内燃机例如由DE-A-102005054761、DE-A-102005054760、EP-A-1126144、JP-A-2004124775或WO-A-2007057149已经公知，通常被称为具有可变压缩比或不定压缩比的内燃机，因为压缩比可通过偏心轴的扭转来改变。
在这种内燃机中，多铰链曲柄传动机构除了偏心轴之外还包括数量与缸的数量相应的耦合元件，所述耦合元件分别可旋转地支承在曲轴的一个往复轴颈上并且具有两个朝相反侧突出于曲轴的在其端部上分别设置有一个摆动铰链的臂。摆动铰链之一用于铰接活塞连杆，所述活塞连杆使内燃机的活塞之一通过耦合元件与曲轴连接，而另一个摆动铰链用于铰接所谓的铰接连杆，所述铰接连杆以其另一个端部可旋转地支承在偏心轴的往复轴颈上。
此外，开头所述类型的内燃机例如由EP-B-1359303、EP-A-1760290、EP-A-1760289以及由US-A-4517931已经公知。在通常被称为具有延长的膨胀的内燃机的所述内燃机中，以曲轴的一半转速来驱动偏心轴。
在所述的全部内燃机中，通过振动质量引起随着曲柄角度变化的一阶和二阶自由惯性力。一阶惯性力可以通过曲轴上的平衡重和曲轴曲拐顺序来平衡，而二阶自由惯性力在开头所述类型的公知内燃机中虽然存在各种措施但未被完全平衡。出于该原因，开头所述类型的具有多铰链曲柄传动机构的内燃机在运转平稳性或运转平顺性方面不及无多铰链曲柄传动机构的传统内燃机，在所述无多铰链曲柄传动机构的传统内燃机中，二阶惯性力的平衡通常借助于两个相反转动的平衡轴来进行，所述平衡轴以曲轴的两倍转速被驱动。但这种措施不可毫无问题地转用于具有多铰链曲柄传动机构的内燃机，因为在那里一方面产生的惯性力不是纯粹振动地而是转动地延伸，另一方面多铰链曲柄传动机构的摩擦损失本身已经高于传统内燃机的摩擦损失并且通过两个平衡轴的附加摩擦损失而可能增大到不可被接受的程度。
为了避免这种情况，在申请人的仍未公开的德国专利申请10 2010 004589中已经提出，在开头所述类型的内燃机中为了缓冲二阶惯性力仅设置唯一一个平衡轴，通过所述平衡轴可几乎完全平衡所述惯性力。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，这样改善开头所述类型的内燃机，使得在没有显著增大摩擦损失、所需结构空间、多铰链曲柄传动机构的重量或曲轴的轴承中的支承力的情况下可更好地平衡二阶惯性力。
根据本发明，所述目的这样来实现：铰接连杆设置有附加质量并且具有处于所述铰接连杆的纵向中心平面之外的质量重心。在此，通过铰接连杆的两个连杆耳的中心轴线撑开的平面被称为铰接连杆的纵向中心平面。
一方面，本发明基于这样的认识：在开头所述类型的内燃机中，除了典型的振动质量如活塞、活塞连杆和耦合元件之外，来回运动的铰接连杆对二阶惯性力也具有显著影响。另外，本发明基于这样的认识：如果全部振动质量的惯性力的力矢量的矢量和变为零或者说几乎接近零，则可完全地或至少在很大部分上消除二阶自由惯性力。
通过在铰接连杆的所选择的部位上改变铰接连杆的运动质量，可有目的地影响铰接连杆的质量重心位置以及由此由铰接连杆引起的二阶惯性力的力矢量，以便使全部振动质量的惯性力的力矢量的矢量和变为零或者说几乎接近零，而由此不会引起其它不利影响，例如曲轴轴承中的支承力急剧增加。
如仿真已经表明的那样，在开头所述类型的内燃机中通过根据本发明的解决方案在结构空间和重量增加相对小的情况下可显著改善二阶惯性力的惯性平衡。
根据本发明的解决方案不仅适用于具有多铰链曲柄传动机构和可变压缩比的内燃机而且适用于具有多铰链曲柄传动机构和延长的膨胀的内燃机。
本发明的一个优选构型提出，附加质量和/或铰接连杆的质量重心总是处于铰接连杆的纵向中心平面的背离曲轴的一侧，其中，附加质量优选在大的连杆耳的区域中关于纵向中心平面不对称地突出于铰接连杆的背离曲轴的侧。
为了使附加质量的尺寸在铰接连杆的任意摆动位置中都相同，附加质量有利地在其背离铰接连杆的侧具有圆弧形的边界，所述圆弧形的边界总体上与大的连杆耳的纵向中心轴线共轴并且符合目的地具有40至80mm之间的半径R。
为了尽可能使附加质量所需的结构空间最小，附加质量可有利地至少部分地由比重比铰接连杆本身的材料高的材料构成。
根据本发明的解决方案不仅适用于单件式的铰接连杆而且适用于两件式的铰接连杆，在所述两件式的铰接连杆中，附加质量符合目的地在大的连杆耳的区域中安置在铰接连杆的连杆脚上。
附加质量符合目的地一体地成形在铰接连杆上，但作为替换方案也可固定螺接在铰接连杆上。
附图说明
下面借助于附图中所示实施例详细描述本发明。附图表示：
图1具有可变压缩比和多铰链曲柄传动机构的内燃机的部件的立体视图；
图2图1中所示部件的正面视图；
图3多铰链曲柄传动机构的铰接连杆的立体视图；
图4具有延长的膨胀和多铰链曲柄传动机构的内燃机的部件的正面视图；
图5另一个具有延长的膨胀和多铰链曲柄传动机构的内燃机的部件的正面视图；
图6具有不同柱对的柱状图，所述柱对表示在内燃机的纵向轴线和横向轴线的方向上的二阶和四阶自由惯性力；
图7在内燃机的纵向轴线的方向上的二阶自由惯性力的两个矢量视图。
具体实施方式
如图1和图2以及图4和图5中最清楚地示出的那样，在附图中仅部分示出的四冲程4缸内燃机1呈串联布置形式包括一个曲轴2和四个活塞3，附图中分别仅示出了所述四个活塞之一。活塞3可在内燃机1的缸(未示出)中往复运动并且通过活塞连杆4与曲轴2连接。曲轴2可绕旋转轴线5旋转地支承在内燃机1的缸曲轴箱(未示出)中。
内燃机1还包括一个偏心轴6，所述偏心轴具有相对于曲轴2的旋转轴线5平行的旋转轴线7，在曲轴2旁边以及大致在所述曲轴下方可旋转地支承在缸曲轴箱中并且通过多铰链曲柄传动机构8与曲轴2耦合。
除了曲轴2和偏心轴6以外，多铰链曲柄传动机构8包括总共四个耦合元件9(仅示出一个)，所述耦合元件分别可旋转地支承在曲轴2的往复轴颈10上。每个耦合元件9具有一个较短的往复臂11，所述往复臂通过摆动铰链12可摆动地与活塞连杆4之一的下端部连接，该活塞连杆的上端部通过另一个摆动铰链13铰接在所属的活塞3上。
多铰链曲柄传动机构8还包括数量与活塞连杆4和耦合元件9的数量相应的铰接连杆14，所述铰接连杆相对于活塞连杆4大致平行地取向，在曲轴2和偏心轴6的轴向方向上分别大致在与所属活塞连杆4相同的平面中，但是设置在曲轴2的相反侧。
如在图3中最清楚地示出的那样，每个铰接连杆14包括一个连杆15和两个设置在连杆15的相反端部上的连杆耳16、17，所述连杆耳具有不同的内直径。每个铰接连杆14在连杆15的下端部上的大的连杆耳17用于接收偏心轴6的关于旋转轴线7偏心的往复轴颈，铰接连杆14借助于滑动轴瓦20可旋转地支承在所述往复轴颈上。每个铰接连杆14的连杆15的上端部上的较小的连杆耳16用于接收铰接连杆14与相邻的耦合元件9的较长的耦合臂19之间的摆动铰链的摆动栓18，所述耦合臂在曲轴2的与往复臂11相反的侧上突出于所述曲轴。
在图1和图2中所示的具有可变压缩比的内燃机1中，偏心轴6可绕其旋转轴线7扭转，以便改变内燃机1的压缩比。
而在图4和图5中所示的具有延长的膨胀的内燃机1中，以曲轴2的一半转速来驱动偏心轴6。
由于活塞3、活塞连杆4、耦合元件9和铰接连杆14的振动质量而产生自由惯性力，所述自由惯性力应尽可能这种程度地被平衡，以便改善内燃机1的运转平稳性和声学特性。所述自由惯性力主要包括一阶惯性力F_1.0、二阶惯性力F_2.0以及其它阶惯性力，其中，图6中作为柱状图示出了相对大的二阶惯性力F_2.0以及相对小的四阶惯性力F_4.0。
如图6中所示，二阶惯性力F_2.0和四阶惯性力F_4.0可分别分解成一个相对于内燃机1的Y轴线或横向轴线平行地取向的力分量Fy_2.0以及Fy_4.0和一个相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线(缸轴线方向)平行地取向的力分量Fz_2.0以及Fz_4.0。
也如图6中所示，相对于内燃机1的Y轴线或横向轴线平行地取向的力分量Fy_2.0和Fy_4.0分别由活塞连杆4的振动质量的惯性力分量FKP、耦合元件9的振动质量的惯性力分量FKG和铰接连杆14的振动质量的惯性力分量FAP组成，而相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线平行地、即在缸轴线方向上取向的力分量Fz_2.0和Fz_4.0分别由活塞3的振动质量的惯性力分量FKO、活塞连杆4的振动质量的惯性力分量FKP、耦合元件9的振动质量的惯性力分量FKG和铰接连杆14的振动质量的惯性力分量FAP组成。
在图7中，不仅如图6中那样带有其数值地而且还带有其对应相位地作为力矢量示出了相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线平行地取向的力分量Fz_2.0的惯性力分量FKO、FKP、FKG和FAP，所述力矢量的长度相应于惯性力分量的对应数值，而取向则描述相位。矢量和VS相应于在相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线平行的方向上的二阶自由惯性力并且在图7中的左图中具有显著的量值，由此，在该方向上存在显著的二阶自由惯性力。如在图7中的右图中看到的那样，通过缩放各个惯性力分量FKO、FKP、FKG和FAP、即增大或减小各个构件4、6、9、14的质量，该方向上的矢量和VS可减小到零，这在图7中的右图中所示的实施例中通过增大耦合元件9和铰接连杆14的质量来进行。由此，相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线平行地取向的二阶自由惯性力被完全缓冲掉并且由此内燃机1的运转平稳性得到改善。作为替换方案，可以以相应方式缓冲掉相对于内燃机1的Y轴线或横向轴线平行地取向的二阶自由惯性力或减小在内燃机1的Y轴线或横向轴线和Z轴线或纵向轴线的方向上的自由惯性力的几何和。
为了增大在相对于内燃机1的Z轴线或纵向轴线平行的方向上的二阶自由惯性力的惯性力分量FAP的力矢量而增大铰接连杆14的质量如图7中的右图中所示通过在每个铰接连杆14上安置的附加质量21来进行，所述附加质量相对于由两个连杆耳16、17的中心轴线撑开的纵向中心平面22不对称地在较大的连杆耳17的区域中这样成形在铰接连杆14上，使得所述铰接连杆的质量重心通过附加质量21从纵向中心平面22移位出来。
如图1、图2、图4和图5中最清楚地示出的那样，附加质量21分别在铰接连杆14的较大的连杆耳17的背离曲轴2的侧上一体地成形在连杆耳17的外侧上。如图3中最清楚地示出的那样，附加质量21具有圆环的扇段的形状，所述扇段绕较大的连杆耳17的一部分延伸并且在其背离连杆耳17的侧具有圆弧形的边界23，所述圆弧形的边界与大的连杆耳17的纵向中心轴线27共轴。附加质量21在连杆耳17的圆周方向上具有两个平的边界24、25，所述边界与由连杆耳17包围的圆柱形的孔26大致相切地取向并且在60至80度的圆周角上延伸。
如图2、图4和图5中示出的那样，圆弧形的边界23的半径R视内燃机1的构造而定可变化，其中，所述半径在图1和图2中所示的具有可变压缩比的内燃机1中最小为45mm，在图4和图5中所示的具有延长的膨胀行程的内燃机1中取值为72.7mm或者说55mm。
通过用比重比铰接连杆14的材料高的材料、例如重金属制造附加质量21，还可减小附加质量21的尺寸。
图1至图3和图5中所示的铰接连杆14构造成单件式，而图4中的铰接连杆14构造成两件式，其中，图4中的铰接连杆具有分体式的支承耳17，所述支承耳具有连杆脚28和通过螺钉29固定在连杆脚28上的连杆盖30。在此情况下，附加质量21成形在连杆脚28上，其中，所述附加质量朝连杆盖30的方向远远突出一段。
参考标号清单
1  内燃机
2  曲轴
3  活塞
4  活塞连杆
5  曲轴的旋转轴线
6  偏心轴
7  偏心轴的旋转轴线
8  多铰链曲柄传动机构
9  耦合元件
10 曲轴的往复轴颈
11 耦合元件的往复臂
12 摆动铰链
13 摆动铰链
14 铰接连杆
15 连杆
16 较小的连杆耳
17 较大的连杆耳
18 摆动栓
19 耦合臂
20 滑动轴瓦
21 附加质量
22 纵向中心平面
23 边界
24 边界
25 边界
26 连杆耳的孔
27 纵向中心轴线
28 连杆脚
29 连杆螺钉
30 连杆盖

Claims (7)

1.一种内燃机，具有多铰链曲柄传动机构，其中，所述多铰链曲柄传动机构包括多个以能旋转方式支承在曲轴上的耦合元件和多个以能旋转方式支承在偏心轴上的铰接连杆，其中，所述耦合元件中的每一个以能摆动方式分别与内燃机活塞的活塞连杆之一和铰接连杆之一相连接，其中，所述铰接连杆(14)设置有附加质量(21)并且具有处于所述铰接连杆的纵向中心平面(22)之外的质量重心，其中，所述铰接连杆(14)构造成两件式；所述铰接连杆(14)具有分体式的大的连杆耳(17)，所述大的连杆耳具有连杆脚(28)和通过螺钉(29)固定在连杆脚(28)上的连杆盖(30)，其特征在于，所述附加质量(21)以使所述附加质量朝连杆盖(30)的方向突出一段的方式成形在连杆脚(28)上。
2.根据权利要求1的内燃机，其特征在于：所述附加质量(21)和/或所述铰接连杆(14)的质量重心处于所述铰接连杆(14)的纵向中心平面(22)的背离所述曲轴(2)的一侧。
3.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述附加质量(21)关于所述铰接连杆(14)的纵向中心平面(22)不对称地突出于所述铰接连杆(14)。
4.根据权利要求3的内燃机，其特征在于：所述附加质量在大的连杆耳(17)的区域中突出于所述铰接连杆(14)。
5.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述附加质量(21)在其背离所述铰接连杆(14)的一侧具有圆弧形的边界(23)。
6.根据权利要求5的内燃机，其特征在于：所述圆弧形的边界(23)总体上与所述大的连杆耳(17)的纵向中心轴线(27)共轴并且具有40～80mm的半径R。
7.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述附加质量(21)至少部分地由与所述铰接连杆(14)的材料相比比重更高的材料构成。
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