CN103765040B - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机（1），其具有多连杆式曲柄连杆机构（10），其中该多连杆式曲柄连杆机构（10）包括多个可旋转地支承在曲轴（2）的连杆轴颈（6）上的耦合件（11），以及多个可旋转地支承在偏心轴（8）的连杆轴颈（19）上的副连杆（15），其中耦合件（11）中的每个以能摆动的方式与内燃机（1）的活塞（3）的活塞连杆（4）以及副连杆（15）之一连接。在此设置了由曲轴（2）通过相位调节器驱动的补偿轴（28），所述补偿轴设计用于至少部分地消除在内燃机（1）中产生的二阶惯性力。

Description

内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机，具有多连杆式曲柄连杆机构/多铰式曲柄连杆机构（Mehrgelenkskurbeltrieb），其中所述多连杆式曲柄连杆机构包括多个可旋转地支承在曲轴的连杆轴颈上的耦合件以及多个可旋转地支承在偏心轴的连杆轴颈上的副连杆/铰接杆，其中每个耦合件都以能摆动的方式与内燃机的活塞的活塞连杆以及其中一个副连杆连接。
背景技术
由现有技术已知了前述类型的内燃机。其包括偏心轴，该偏心轴通过多连杆式曲柄连杆机构与曲轴耦合且进而被内燃机或曲轴驱动。多连杆式曲柄连杆机构具有与内燃机的活塞的数量对应数量的耦合件，所述耦合件分别可旋转地支承在曲轴的连杆轴颈上并且具有分别向相对两侧超出曲轴外的、在其端部上分别具有一铰接部的两个臂部。铰接部中的一个用于与活塞连杆以可摆动方式连接，该活塞连杆通过耦合件使内燃机活塞中的一个与曲轴连接。铰接部中的另一个用于与所谓的副连杆以可摆动方式连接，该副连杆以其另一个端部可旋转地支承在偏心轴的连杆轴颈上。
像在传统的不具有通过多连杆式曲柄连杆机构与曲轴耦合的偏心轴的内燃机中一样，在前述类型的内燃机中也产生一阶惯性力和二阶惯性力，该惯性力由于振动的质量而产生且随着曲轴的曲轴转角变化。为了达到期望的平稳运行以及为了减小噪声必须尽可能补偿这种惯性力。通过曲轴上的具有特定布置和特定重量的平衡重以及特定的曲轴曲拐布置能补偿一阶惯性力，而在由现有技术已知的内燃机中通常借助于两个反向转动的补偿轴来进行对二阶惯性力的补偿，该补偿轴借助于双倍转速的曲轴驱动。
更确切地说，在所有内燃机中由于振动质量引起一阶和二阶的自由惯性力，该惯性力随着曲轴的曲轴转角变化。一阶惯性力能通过曲轴上的平衡重以及曲拐布置来补偿，而在已知的具有多连杆式曲柄连杆机构的内燃机中自由二阶惯性力不能被完全补偿。因此，在平稳运行或运行特性方面这种内燃机比不上不具有多连杆式曲柄连杆机构的内燃机，在不具有多连杆式曲柄连杆机构的内燃机中二阶惯性力的补偿通常借助于两个反向转动的补偿轴进行。然而这些措施不能容易地转用在具有多连杆式曲柄连杆机构的内燃机上，因为在那里一方面产生的惯性力不是纯粹振动地，相反却是转动地，另一方面多连杆式曲柄连杆机构的摩擦损失本身已经比传统内燃机的摩擦损失更大，且由于额外的补偿轴的额外的摩擦损失被放大至不能接受的程度。然而，即使在前述类型的内燃机中通过补偿轴的有针对性的设计也能实现惯性力的全面的补偿。
一旦内燃机的自由惯性力近似得到补偿，则围绕曲轴的，亦即沿内燃机的纵向的惯性矩对发动机声学效果产生较大影响。内燃机围绕曲轴纵轴的总交变力矩MW主要由换气力矩MGW、惯性交变力矩MMW以及补偿力矩MA的和组成。在四缸直列内燃机中，所有这些组成部分都在二阶力矩中起作用。在此，换气力矩由于沿切向导入曲轴中的气体力产生，且因此是反作用力矩，该反作用力矩在内燃机在曲轴上输出有效转矩时产生。惯性交变力矩由于多连杆式曲柄连杆机构的惯性力都作用在曲轴上而产生。在传统的多连杆式曲柄连杆机构中，补偿力矩产生自存在于两个可能存在的补偿轴之间的高度差。通过有针对性地设计该高度差可以减小在特定的运行范围内——即转速和/或负荷范围内——的总交换力矩并进而改进发动机声学效果。
多连杆式曲柄连杆机构优选如此设计，即其具有类圆形的二阶惯性力环。该二阶惯性力环可以分为沿曲轴旋转方向转动的部分和与该分量相反的部分。如果多连杆式曲柄连杆机构具有类圆形的二阶惯性力环，则可以仅利用一个以双倍曲轴转速转动的补偿轴至少补偿所述两个部分中主要的、即沿曲轴旋转方向转动的部分。一般小得多的、反向于曲轴转动的二阶惯性力部分同样可以通过第二补偿轴被完全补偿。然而，其通常具有比机械的配气机构小的二阶惯性力幅值。因此通常可以放弃第二补偿轴。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种内燃机，该内燃机通过价廉且摩擦有利的方式实现进一步改进的发动机声学效果。
根据本发明，这通过具有权利要求1所述的特征的内燃机实现。在此，设有由曲轴通过相位调节器驱动的补偿轴，所述补偿轴设计用于至少部分地消除在内燃机中产生的二阶惯性力。如果多连杆式曲柄连杆机构或内燃机配备有补偿轴，则该补偿轴关于曲轴位置的绝对位置或相位决定了该补偿轴的补偿力矩的产生和作用。前述在由现有技术已知的内燃机中多个补偿轴的高度差类似，该补偿力矩反作用于换气力矩且因此在内燃机的特定的运行范围内有助于改进声学效果。尤其在很好地补偿惯性力方面，换气力矩对声学效果——尤其是车内噪音水平——产生强烈影响，因此必须通过匹配地设计的补偿力矩而至少在特定的运行范围内使之最小化。
为此而设有相位调节器，借助于该相位调节器可以在特定的角度范围内改变曲轴和补偿轴之间的角度差。例如，可以基于内燃机的工况点如此调节该角度差：即相应地使内燃机的发动机支承结构处的加速度最小化并因此显著地改进内燃机的声学效果。在有利地选择曲轴与补偿轴之间的角度差的情况下，在发动机支承结构的左侧和在发动机支承结构的右侧沿内燃机横向的加速度整体导致反作用的干预。这导致了超出两个发动机支承结构的累加的横向加速度，该加速度明显小于在发动机支承结构本身处的加速度。通过改变曲轴与补偿轴之间的角度差，可以在根据本发明的内燃机中改变在左侧和右侧发动机支承结构处的加速度相位。为了在不同的工况点，亦即在不同的转速和负载下使该反作用的干预、即释放效果最大化，必须特别是连续地调节补偿轴的角度差。这借助于相位调节器实现。因此，利用相位调节器可实现与在实践中不能在多个补偿轴之间实现的可变高度差相类似的效果。
如此设计根据本发明的内燃机的补偿轴：其至少部分地消除在内燃机中产生的二阶惯性力，即尤其是沿曲轴旋转方向转动的惯性力分量的很大部分。在由现有技术已知的内燃机中二阶惯性力仅沿气缸轴的方向起作用，这气缸轴对于直列内燃机相应于其竖向轴，而前述类型的具有多连杆式曲柄连杆机构的内燃机、尤其是直列内燃机不仅沿竖向轴（1.力矢量）方向而且沿内燃机的与此垂直的横轴方向（2.力矢量）具有二阶惯性力。这两个力矢量的相应的合力的幅值在曲轴的旋转进程中变化，该合力的幅值可以在一与曲轴的旋转轴垂直的虚拟内燃机平面中在曲轴的一转上表现为一封闭的曲线。该曲线可以按照多连杆式曲柄连杆机构的各部件的布置和尺寸或者为纵向延伸的环状的形状或者更确切地说接近圆形的椭圆的或卵形的直至近似圆形的形状。因为在曲线是精确的圆形形状的情况下借助于唯一的补偿轴便能实现惯性力的完全消除，所以通过对多连杆式曲柄连杆机构的各部件的设计、尺寸和/或多连杆式曲柄连杆机构的运动学特性的优化，追求一种具有尽可能接近圆形或者说与圆形的偏差尽可能小的形状的曲线，其中力矢量还尽可能小。
本发明的一种改进方案提出，仅设置唯一的补偿轴。由现有技术已知使用多个补偿轴来基本上完全消除二阶惯性力。然而，与仅具有唯一补偿轴的内燃机相比，每个额外的补偿轴都造成摩擦损失的提高。通过这种方式可以把摩擦损失保持在特定的程度以下。此外，通过设置仅一个补偿轴可以降低内燃机的结构空间、重量和成本。
本发明的一种改进方案提出，相位调节器具有小于或等于45°，尤其是20°的调节范围。调节范围反映出如下的角度范围：在该角度范围中曲轴和补偿轴之间的角度差能被调节。即调节范围处于沿第一旋转方向的第一最大角度差与沿同第一方向相反的第二旋转方向的第二最大角度差之间。第二角度差与第一角度差之间的差值因此形成了调节范围。该调节范围应该小于或等于45°，尤其是小于或等于20°，优选恰好为20°。
本发明的一种改进方案提出，相位调节器设置用于，将曲轴与补偿轴之间的角度差调节到使得在任意的负荷状态下内燃机的换气力矩都至少部分——特别是完全——得到平衡。像上文已经提到地，总交换力矩由换气力矩、惯性交变力矩以及补偿力矩组成，所有力矩都在二阶中起作用。换气力矩的减小尤其使内燃机的声学效果得到显著改进，这是因为尤其在惯性力被良好补偿时对该声学效果具有强烈影响。因此，有利的是，通过相应设计的补偿力矩使惯性力最小化，优选完全补偿该惯性力，该补偿力矩可借助于补偿轴或通过调节角度差来产生。相位调节器此时用于如此调节角度差，即减小换气力矩，优选最小化或完全补偿换气力矩。
本发明的一种改进方案提出一种控制器，控制器基于内燃机的工况点来调节所述相位调节器。内燃机的工况点尤其描述了作用于内燃机的负荷，和/或其转速。在不同的工况点中出现不同的惯性力。因此有利的是，相位调节器基于工况点被控制和/或被调节，从而曲轴和补偿轴之间的角度差可根据相应存在的工况点被调节。因此例如，在第一工况点中存在第一角度差，而在第二工况点中存在第二角度差。
本发明的一种改进方案提出，补偿轴具有与曲轴相同的旋转方向。实验已经证明：剩余的、即未被消除的二阶惯性力可能根据补偿轴的旋转方向而大小不同。在此处描述的内燃机中提出，补偿轴以与曲轴的旋转方向相对应的旋转方向旋转。在这种情况下，剩余的未被消除的二阶惯性力明显小于当补偿轴的旋转方向相反时的情况。
本发明的一种改进方案提出，由曲轴经补偿轴传动装置来驱动补偿轴，其中在补偿轴传动装置所具有的传动比下补偿轴转速是曲轴转速的两倍。由于该双倍转速，能借助于该补偿轴消除二阶惯性力。因此有利的是，补偿轴直接地由曲轴驱动，其中补偿轴传动装置用于从曲轴的转速变速到曲轴转速双倍的转速变换。
本发明的一种改进方案提出，曲轴经偏心轴传动装置驱动偏心轴，其中在偏心轴传动装置所具有的传动比下偏心轴的转速是曲轴转速的一半。因此，偏心轴也由曲轴驱动。为此，偏心轴传动装置设置在偏心轴和曲轴之间。然而，偏心轴应该仅以曲轴的一半转速旋转。尤其有利的是，偏心轴和补偿轴由曲轴通过共同的齿轮或带传动机构驱动，但其中实现不同的变速比或传动比。然而原则上，也可以使用分开的齿轮或带传动机构用于驱动补偿轴和偏心轴。
本发明的一种改进方案提出，偏心轴具有与曲轴的旋转方向相反的旋转方向。在这种设计方案中，可以实现内燃机的延长的膨胀（冲程）。
本发明的一种改进方案提出，在曲轴和偏心轴之间设有另一相位调节器以用于调节曲轴和偏心轴之间的角度差。通过这种方式不仅可以实现由于相位可调的补偿轴而具有高稳定运行的内燃机。而且可以实现内燃机活塞行程高度的调节。尤其应该在膨胀冲程和排气冲程期间使活塞的行程高度大于在进气和压缩冲程期间的行程高度。然而，可以借助于曲轴和偏心轴之间的相位调节器基本上自由地在特定的角度范围内选择该行程高度。优选在此也基于内燃机的工况点对相位调节器进行控制和/或调节。例如，可以借助于能对曲轴和补偿轴之间的相位调节器进行控制和/或调节的同一个控制器对曲轴和偏心轴之间的相位调节器进行控制和/或调节。在此可以既基于工况点、也基于曲轴和补偿轴之间的角度差来选择曲轴和偏心轴之间的角度差，或反之。
附图说明
下面根据附图中示出的实施例详细地描述本发明，该实施例不对本发明形成限制。附图示出：
图1是内燃机的一部分的透视图；
图2是图1示出的内燃机的一部分的透视图；以及
图3是图2示出的局部的部分剖开的侧视图。
具体实施方式
图1示出了内燃机1的一部分的透视图，该内燃机是直列式内燃机，更确切地说是四冲程-四汽缸-直列内燃机。该内燃机1具有一个曲轴2和四个活塞3，其中每个活塞以可动方式支承在内燃机1的四个未示出的气缸之一中。四个活塞3中的每一个都通过活塞连杆4与曲轴2连接。曲轴2可旋转地支承在内燃机1的同样未示出的气缸体曲轴箱的此处未示出的轴承中且具有五个用于支承的中心轴颈5以及四个连杆轴颈6（其中在图1中仅一个可见），各连杆轴颈的纵向中轴线与曲轴2的旋转轴线7平行地以不同的角度定向错开。
内燃机1还具有偏心轴8，其具有与曲轴2的旋转轴线7平行的旋转轴线9。偏心轴8在曲轴2旁边并且略低于该曲轴地以可旋转方式支承在气缸体曲轴箱中且通过多连杆式曲柄连杆机构10与曲轴2耦联。除了曲轴2和偏心轴8外，多连杆式曲柄连杆机构10还总共包括四个耦合件11，其分别可旋转地支承在曲轴2的连杆轴颈6之一上。每个耦合件11具有一升降臂12，该升降臂通过铰接部13以能摆动方式与其中一个活塞连杆4的下端部连接。相应的活塞连杆4的上端部通过另一个铰接部14铰接在所属的活塞3上。
多连杆式曲柄连杆机构10还包括与活塞连杆4和耦合件11的数量对应数量的副连杆15。这些副连杆大致平行于活塞连杆4定向且在曲轴2和偏心轴8的轴向上分别大致布置在与相应活塞连杆4相同的平面中，然而布置在曲轴2的另一侧上。每个副连杆15包括一个连接杆16和两个在该连接杆16的对置端部上布置的连杆孔17和18，尤其具有不同的内径。每个副连杆15的在连接杆16的下端部处的较大连杆孔18包围关于偏心轴8的旋转轴线9偏心的偏心轴8连杆轴颈19，副连杆15借助于转动轴承20可旋转地支承在该连杆轴颈上。在每个副连杆15的连接杆16的上端部处的较小连杆孔17形成在副连杆15与相邻的耦合件11的较长耦合臂22之间的铰接部21的一部分，该耦合臂在与升降臂12相反的曲轴2侧伸出曲轴外。
偏心轴8在相邻的偏心连杆轴颈19之间以及在其端侧端部上具有用于使偏心轴8支承在轴承中的、与旋转轴线10共轴的轴部段23。除可变的压缩外，通过之前描述的布置还能在曲轴2旋转期间减小活塞连杆4相对于相应气缸的气缸轴线的倾斜度，这便使活塞侧压力降低并进而使在活塞2与气缸的气缸壁之间的摩擦力降低。
图2示出了根据图1的内燃机1的局部的透视图。内燃机1的该实施方案对应于已经描述的内容，因此此处参考上述实施方案。
图3示出了由图2已知的局部的部分剖开的侧视图。可容易地看出，所示的耦合件11由上部件24和下部件25形成，其中上部件24和下部件25沿一分界面26彼此贴靠，且分别与分界面26相邻地设有半圆柱状的缺口用以接纳连杆轴颈6以及滑动轴承27的两个包围连杆轴颈6的轴瓦，该滑动轴承布置在连杆轴颈6和耦合件11之间。每个耦合件8的上部件24和下部件25由两个螺栓固定在一起。
像在其它内燃机中那样，在此处示出的内燃机1中由于活塞3、活塞连杆4、耦合件11和副连杆15的振动质量而出现了自由的惯性力，该惯性力应该尽可能地被补偿以便改进内燃机1的平稳运行和声学效果。该自由的惯性力主要包括一阶惯性力和二阶惯性力。前者可以通过曲轴2上的未示出的平衡重和其曲拐布置来补偿。具有此处未示出的平衡重的补偿轴28用于消除二阶惯性力。例如，该补偿轴在上方以及沿侧向与曲轴2错开地以可旋转方式支承在内燃机1的气缸体曲轴箱中，该补偿轴由曲轴2经未示出的变速传动装置而以曲轴2的双倍转速、以与曲轴2的旋转方向相同的旋转方向被驱动。
在曲轴2和补偿轴28之间设有未示出的相位调节器，曲轴2经由该相位调节器来驱动补偿轴28。借助于该相位调节器可以对在曲轴2与补偿轴28之间的角度差进行调节。这尤其受控地和/或受调节地进行：使二阶惯性力矩——尤其是内燃机1的换气力矩——至少部分地、然而优选完全地被补偿。为此，例如相位调节器具有20°的调节范围。然而，也可是任意其它的调节范围，例如在0°和45°之间。尤其在内燃机1中仅设置了唯一的补偿轴28。补偿轴28在此设计用于至少部分地消除在内燃机1中产生的二阶惯性力。相位调节器优选通过控制器受控地和/或受调节地控制。因此，借助于控制器可以选择曲轴2和补偿轴28之间的任意的角度差。这优选基于内燃机1的工况点设计。尤其有利的是，为了调节曲轴2和偏心轴8之间的角度差在曲轴2和偏心轴8之间还设有另一个未示出的相位调节器。
附图标记列表
1内燃机
2曲轴
3活塞
4活塞连杆
5轴颈
6连杆轴颈
7旋转轴线
8偏心轴
9旋转轴线
10多连杆式曲柄连杆机构
11耦合件
12升降臂
13铰接部
14铰接部
15副连杆
16连接杆
17连接杆
18连接杆
19连杆轴颈
20转动轴承
21铰接部
22耦合臂
23轴部段
24上部件
25下部件
26分界面
27滑动轴承
28补偿轴

Claims (11)

1.一种内燃机(1)，具有多连杆式曲柄连杆机构(10)，其中所述多连杆式曲柄连杆机构(10)包括多个可旋转地支承在曲轴(2)的连杆轴颈(6)上的耦合件(11)以及多个可旋转地支承在偏心轴(8)的连杆轴颈(19)上的副连杆(15)，其中每个耦合件(11)都以能摆动的方式与内燃机(1)的活塞(3)的活塞连杆(4)以及其中一个副连杆(15)连接，其特征在于，设有由曲轴(2)通过相位调节器驱动的补偿轴(28)，所述补偿轴设计用于至少部分地消除在内燃机(1)中产生的二阶惯性力，仅设有唯一的补偿轴(28)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述相位调节器具有小于或等于45°的调节范围。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述相位调节器具有20°的调节范围。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述相位调节器设计用于：将曲轴(2)和补偿轴(28)之间的角度差调节到使得在任意的负荷状态下内燃机(1)的换气力矩至少部分得到平衡。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述相位调节器设计用于：将曲轴(2)和补偿轴(28)之间的角度差调节到使得在任意的负荷状态下内燃机(1)的换气力矩完全得到平衡。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，设有控制器，所述控制器基于内燃机(1)的工况点来调节所述相位调节器。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述补偿轴(28)具有与曲轴(2)相同的旋转方向。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，由曲轴(2)经补偿轴传动装置来驱动补偿轴(28)，其中在补偿轴传动装置所具有的传动比下补偿轴(28)转速是曲轴(2)转速的两倍。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，曲轴(2)经偏心轴传动装置驱动偏心轴(8)，其中在偏心轴传动装置所具有的传动比下所述偏心轴(8)的转速是曲轴(2)转速的一半。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述偏心轴(8)具有与曲轴(2)的旋转方向相反的旋转方向。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的内燃机，其特征在于，在曲轴(2)和偏心轴(8)之间设有另一相位调节器以用于调节曲轴(2)和偏心轴(8)之间的角度差。
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