CN105723071A - 内燃机的多连杆曲柄连杆机构以及用于运行多连杆曲柄连杆机构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机(1)的多连杆曲柄连杆机构(10)，该多连杆曲柄连杆机构具有多个以能够转动的方式支承在曲轴(2)的连杆轴颈(6)上的联接件(11)和多个以能够转动的方式支承在偏心轴(8)的连杆轴颈(19)上的铰接连杆(15)，其中，每个联接件(11)都以能够摆动的方式与内燃机(1)活塞(3)的活塞连杆(4)连接并且与其中一个铰接连杆(15)连接。在此规定了，为了减小二阶自由惯性力，如此设计或调节所述多连杆曲柄连杆机构(10)，即进气阶段的曲轴转动角范围大于180度；压缩阶段的曲轴转动角范围小于180度；膨胀阶段的曲轴转动角范围大于180度；以及排气阶段的曲轴转动角范围小于180度。本发明还涉及一种用于运行内燃机(1)的多连杆曲柄连杆机构(10)的方法。

Description

内燃机的多连杆曲柄连杆机构以及用于运行多连杆曲柄连杆机构的方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机的多连杆曲柄连杆机构，该多连杆曲柄连杆机构具有多个以能够转动的方式支承在曲轴的连杆轴颈上的联接件和多个以能够转动的方式支承在偏心轴的连杆轴颈上的铰接连杆，其中，每个联接件都以能够摆动的方式与内燃机活塞的活塞连杆连接并且与其中一个铰接连杆连接。本发明还涉及一种用于运行这种多连杆曲柄连杆机构的方法。

背景技术

前述类型的多连杆曲柄连杆机构例如是内燃机的组成部分，然而也可以应用在其他方面。多连杆曲柄连杆机构包括偏心轴，其转动角优选可以借助于调节设备，尤其是基于内燃机的运行点调节。可选地，偏心轴也可以与内燃机的曲轴有效连接并通过这种方式可由曲轴驱动。多连杆曲柄连杆机构具有与内燃机的活塞的数量对应的数量的联接件，所述联接件分别以能够转动的方式支承在曲轴的相应的连杆轴颈上，以及具有两个朝着对置的侧面伸出该曲轴、在其端部分别设有摆动关节的臂部。

摆动关节中的一个用于与活塞连杆以能够摆动的方式连接，所述活塞连杆通过联接件连接了内燃机的活塞之一和曲轴。摆动关节中的另一个用于与所谓的铰接连杆以能够摆动的方式连接，所述铰接连杆以其另一个端部以能够转动的方式支承在偏心轴的连杆轴颈上。为此，铰接连杆优选具有两个连杆孔。第一连杆孔是摆动关节的组成部分，铰接连杆通过该摆动关节与联接件共同作用。第一连杆孔在此例如包括保持在联接件上的联接销或轴承螺栓。与之类似，第二连杆孔是摆动关节的组成部分，铰接连杆通过该摆动关节与偏心轴连接。第二连杆孔尤其至少局部地包围了偏心轴的连杆轴颈。

借助于多连杆曲柄连杆机构可以调节在分别配属于活塞的汽缸中达到的压缩比，尤其是基于内燃机的运行点和/或现有的工作节拍。为了调节压缩比，使偏心轴处于确定的、与期望的压缩比对应的转动角位置中或者把偏心轴和曲轴之间的相位调节到确定的值。在用于内燃机的常见的曲柄连杆机构中，由于活塞连杆的有限长度或者活塞连杆的连杆的有限长度导致了，在活塞的上止点处的活塞加速度的值大于在活塞的下止点处。因此，在使用例如用于内燃机(所述内燃机作为具有曲轴的180度曲拐角的串联四缸内燃机存在)的曲柄连杆机构时产生了二阶的不平衡的自由惯性力。这影响了内燃机的平稳运转。

例如由现有技术已知了文献DE102012008244A1。其涉及内燃机的多连杆曲柄连杆机构，为了减小二阶自由惯性力，如此设计或调节所述多连杆曲柄连杆机构，即进气阶段的曲轴转动角范围小于180°；压缩阶段的曲轴转动角范围大于180°；膨胀阶段的曲轴转动角范围小于180°；以及排气阶段的曲轴转动角范围大于180°。此外，文献EP2053217A2以及EP2119890A1也是现有技术。

发明内容

本发明的任务在于，设置一种多连杆曲柄连杆机构，其不具有前述缺点，相反尤其是相对于常规的曲柄连杆机构减小了二阶自由惯性力的强度。

根据本发明，这利用具有权利要求1所述特征的多连杆曲柄连杆机构实现。在此规定了，为了减小二阶自由惯性力，如此设计或调节所述多连杆曲柄连杆机构，即进气阶段的曲轴转动角范围大于180度；压缩阶段的曲轴转动角范围小于180度；膨胀阶段的曲轴转动角范围大于180度；以及排气阶段的曲轴转动角范围小于180度。进气阶段、压缩阶段、膨胀阶段和排气阶段应该分别直接彼此相继且尤其是配属于活塞行程曲线，该活塞行程曲线描述了活塞关于曲轴角的位置。

活塞行程曲线的进气阶段在此从一存在于在换气阶段中出现的上止点(换气-上止点；LOT)中的曲轴角开始延伸直至一存在于在换气阶段中的下止点(换气-下止点；LUT)中的曲轴角。活塞行程曲线的压缩阶段在此从换气-下止点开始延伸直至存在于点火范围中的上止点(点火-上止点；ZOT)。活塞行程曲线的膨胀阶段从该点火-上止点到达存在于点火之后的下止点(点火-下止点；ZUT)中的曲轴角。活塞行程曲线的排气阶段最终从点火-下止点伸展至前述换气-上止点。

在常规的曲柄连杆机构中，对所述阶段来说，曲轴转动角范围分别恰好是180度。由于把多连杆曲柄连杆机构设计或调节至前述参数，导致了内燃机的至少一个活塞的活塞速度在曲轴转动角范围内在至少一个曲轴角范围内，尤其是在270度和/或630度左右的曲轴角范围内相对于常规曲柄连杆机构的活塞速度略微减小。所述范围在此例如围绕所述曲轴转动角浮动至少±5度，至少±10度，至少±15度，至少±20度，至少±25度，至少±30度，至少±35度，至少±40度或者至少±45度。

活塞的在速度曲线中的拐点经过曲轴角移动至较小的曲轴角，从而活塞加速度整体近似余弦曲线。通过由此得到的在上止点中和在下止点中活塞加速度的近似，在此相对于常规曲柄连杆机构明显减小了二阶的惯性力。相应地在活塞的冲程期间产生了比在具有相同总冲程的常规曲柄连杆机构中更小的二阶的力。此外，热力学方面的优点通过延长的进气阶段以及缩短的压缩阶段而产生，所述延长的进气阶段导致减小了换气损失，所述缩短的压缩阶段通过缩短在其中存在高压和高温下的混合物的时间段减小了爆震趋势。延长的膨胀阶段实现了更好的能量转换和燃烧气体压力的更有效的利用。

本发明的优选设计方案规定了，偏心轴的旋转轴线处于一平面上方，该平面包含曲轴的旋转轴线并且与至少一条汽缸纵向中轴线垂直。因此，该平面由曲轴的旋转轴线和汽缸纵向中轴线共同定义。相对于曲轴的旋转轴线，沿内燃机的纵向，所述平面和该旋转轴线具有相同的位置和方向。同时他们应该垂直于至少一条汽缸纵向中轴线，从而汽缸纵向中轴线处于平面的法线方向。

汽缸纵向中轴线配属于内燃机的汽缸且沿其纵向延伸。汽缸纵向中轴线在此例如在汽缸的纵向延展上存在于其中点中。当然，所述平面也可以垂直于内燃机的多个汽缸的多个汽缸纵向中轴线，尤其是优选垂直于内燃机的所有汽缸的汽缸纵向中轴线。偏心轴在此应该如此布置，即其旋转轴线布置在该平面上方。尤其优选整个偏心轴，即不仅是其旋转轴线都位于该平面上方。例如，偏心轴的旋转轴线直接与所述平面相邻，即与该平面邻接。可选地，对整个偏心轴来说都是这种情况。然而也可以规定，偏心轴的旋转轴线或整个偏心轴布置在该平面上方且此外与该平面间隔开。

本发明的另一个设计方案规定了，曲轴具有180度的曲拐/偏移。例如，配设了多连杆曲柄连杆机构的内燃机设计为四缸内燃机。在此重要的仅在于，曲轴具有180度的曲拐。然而，当然也可以实现与该值不同的曲拐。然而当然也可以设置不同于四个的数量的汽缸，例如二个、三个、五个、六个、八个或十二个汽缸，其中优选相应地调整曲拐。

本发明的特别优选的设计方案规定了，在进气阶段中，上止点(换气-上止点)位于大于0度并且最大4度的曲轴角中，尤其是位于至少2度并且最大3度，优选至少2.4度并且最大2.7度的曲轴角中。附加地或可选地可以规定，在压缩阶段中，下止点(换气-下止点)位于大于180度的曲轴角中，尤其是位于至少185度的曲轴角或者至少186度并且最大190度，最大189度或最大188度，尤其优选从至少186.9度直至最大187.2度的曲轴角中。即曲轴角可以存在于一范围内，该范围从185度延伸至188度，189度或190度。同样地其可以在186度至最大188度，189度或190度的范围内实现。

本发明的改进方案规定了，在膨胀阶段中，上止点(点火-上止点)位于大于360度并且最大364度的曲轴角中，尤其是位于至少362度并且最大363度，优选至少362.4度并且最大362.7度的曲轴角中。附加地或可选地可以规定，在排气阶段中，下止点(点火-下止点)位于大于540度的曲轴角中，尤其是位于至少545度或至少546度并且最大550度，最大549度或最大548度，尤其优选从至少546.9直至最大547.2度的曲轴角中。曲轴角例如存在于545度至548度、549度或550度的范围中。然而其同样可以在546度至548度、549度或550度的范围中实现。

最终可以规定，进气阶段和压缩阶段的角范围中的曲轴(换气-上止点至点火-上止点)总计等于360度；和/或膨胀阶段和排气阶段的曲轴角范围(点火-上止点至换气-上止点)总计等于360度。

例如规定了，换气-上止点和换气-下止点之间的曲轴角差为184.5度。附加地或可选地，换气-下止点和点火-上止点之间的曲轴角差等于175.5度。本发明的另一个设计方案规定了，点火-上止点和点火-下止点之间的曲轴角差等于184.5度。附加地或可选地，点火-下止点和换气-上止点之间的曲轴角差还可以为175.5度。

本发明还涉及一种用于运行内燃机的多连杆曲柄连杆机构，尤其是根据前述实施方案所述的多连杆曲柄连杆机构的方法，其中，该多连杆曲柄连杆机构具有多个以能够转动的方式支承在曲轴的连杆轴颈上的联接件和多个支承在偏心轴的连杆轴颈上的铰接连杆，其中，每个联接件都以能够摆动的方式与内燃机活塞的活塞连杆连接并且与其中一个铰接连杆连接。在此规定了，为了减小二阶自由惯性力，在至少一种运行模式中如此调节多连杆曲柄连杆机构，即进气阶段的曲轴转动角范围相当于大于180度的第一值；压缩阶段的曲轴转动角范围相当于小于180度的第二值；膨胀阶段的曲轴转动角范围相当于大于180度的第三值；以及排气阶段的曲轴转动角范围相当于小于180度的第四值。前文已经涉及多连杆曲柄连杆机构的这种做法或这种设计方案的优点。无论是这种方法还是这种多连杆曲柄连杆机构可以根据前述实施方案改进，从而就此而言参考这些方案。

在本发明的优选实施方案中规定了，在至少另一种运行模式中如此调节多连杆曲柄连杆机构，即进气阶段的曲轴转动角范围与第一值不同，尤其等于180度；和/或压缩阶段的曲轴转动角范围与第二值不同，尤其等于180度；和/或膨胀阶段的曲轴转动角范围与第三值不同，尤其等于180度；和/或排气阶段的曲轴转动角范围与第四值不同，尤其等于180度。

即规定了，通过不同方式调节所述多连杆曲柄连杆机构。在此，在至少一种运行模式中，各个阶段的曲轴转动角范围应该分别与180度不同。相反，在另一种运行模式中，曲轴转动角范围中的至少一个应该选择为与前述值不同。在此，例如其也可以等于180度。

在多连杆曲柄连杆机构或内燃机的运行期间，应该始终如此选择曲轴转动角范围，即实现内燃机的最佳运行。瞬时与多连杆曲柄连杆机构适合的运行模式相应地可以从至少一种运行模式和至少另一种运行模式选择，其中例如这基于内燃机的运行状态和/或内燃机的至少一个运行参数规定。

附图说明

下面根据附图中示出的实施例进一步阐述本发明，同时不限制本发明。在此示出了：

图1示出内燃机的多连杆曲柄连杆机构的区域；

图2示出一种图表，其中绘出在曲轴角上活塞冲程的曲线；

图3示出一种图表，其中绘出用于传统曲柄连杆机构的、关于曲轴角的活塞速度和活塞加速度；以及

图4示出一种图表，其中绘出用于多连杆曲柄连杆机构的、关于曲轴角的活塞速度和活塞加速度。

具体实施方式

图1示出内燃机1的区域的透视图，所述内燃机例如作为串联内燃机，尤其是四冲程四缸串联内燃机存在。内燃机1具有曲轴2和多个活塞3(在此：四个活塞3)，其中每个活塞可活动地支承在内燃机1的多个汽缸之一中。活塞3中的每个通过活塞连杆4与曲轴2连接。曲轴2以能够转动的方式支承在内燃机1的此处未示出的汽缸曲轴箱的同样未示出的轴承中且例如具有多个用于支承的中心轴颈5以及多个连杆轴颈6(其中在附图中分别仅能看见一个)，其纵向中轴线沿不同的角度定向平行于曲轴2的旋转轴线7错开。

内燃机1还包括偏心轴8，所述偏心轴优选具有与曲轴2的旋转轴线7平行的旋转轴线9。偏心轴8例如在曲轴2旁边以及以能够转动的方式支承在曲轴上方汽缸曲轴箱中且尤其与曲轴2联接。尤其优选如此布置偏心轴8，即其旋转轴线9位于一平面上方，所述平面包含曲轴2的旋转轴线7且与内燃机1的汽缸之一的至少一条汽缸纵向中轴线垂直。

偏心轴8是多连杆曲柄连杆机构10的组成部分。该多连杆曲柄连杆机构还具有多个联接件11(此处：四个联接件11)，所述联接件分别以能够转动的方式支承在曲轴2的连杆轴颈6之一上。优选为每个活塞3分配了这种联接件11。联接件11分别具有冲程臂部12，该冲程臂部通过摆动关节13以能够摆动的方式与活塞连杆4之一的下端部连接。相应的活塞连杆4的上端部通过另一个摆动关节14铰接至所属的活塞3。总之每个活塞3通过相应的活塞连杆4和相应的联接件11与曲轴2连接。

多连杆曲柄连杆机构10还包括与活塞连杆4的和联接件11的数量对应数量的铰接连杆15。该铰接连杆例如基本上定向为与活塞连杆4平行且沿曲轴2和偏心轴8的轴向分别布置在和所属的活塞连杆4相同的平面中，然而布置在曲轴2的对置的侧面上。每个铰接连杆15包括连杆16和两个布置在连杆16的对置的端部上的连杆孔17和18，尤其是具有不同的内直径。

每个铰接连杆15的位于连杆16的下端部处的连杆孔18包围偏心轴8的相对于偏心轴8的旋转轴线9偏心的连杆轴颈19，在连杆轴颈上借助于中心轴承20以能够转动的方式支承了铰接连杆15。每个铰接连杆15的连杆16的上端部处的连杆孔17形成了位于铰接连杆15和相邻的联接件11的较长的联接臂部22之间的摆动关节21的一部分，所述联接臂部在曲轴2的与冲程臂部12对置的侧面上伸出该曲轴。连杆孔18例如大于连杆孔17；然而多连杆曲柄连杆机构10也可以相反地实现或者具有相同大小的连杆孔17和18。

偏心轴8具有在相邻的偏心的连杆轴颈19之间以及在其端部处用于支承轴承中的偏心轴8的、与旋转轴线10同轴的轴部段23。除了可变的压缩外，通过之前所述的布置也可以在曲轴2的旋转期间相对于所属的汽缸的汽缸轴减小活塞连杆4的斜度，这导致了活塞侧力的减小并进而导致活塞2和汽缸的汽缸壁之间的摩擦力的减小。

总之可以借助于此处描述的多连杆曲柄连杆机构10基于内燃机的瞬时工作节拍选择或调节活塞3的工作冲程。例如为此偏心轴8通过曲轴2的此处未示出的偏心轴传动机构驱动。偏心轴传动机构包括至少一个布置在偏心轴8上的传动元件(未示出)。

图2示出一图表，其中对传统的曲柄连杆机构来说，利用用于活塞的曲线24以及对多连杆曲柄连杆机构10来说利用曲线25示出在单位为度的曲轴角α上单位为mm的曲轴冲程s。对后者来说适用的是，如此设计或调节多连杆曲柄连杆机构10，即进气阶段的曲轴转动角范围大于180度；压缩阶段的曲轴转动角范围小于180度；膨胀阶段的曲轴转动角范围大于180度；以及排气阶段的曲轴转动角范围小于180度。

图3示出一种用于常规曲柄连杆机构的图表，其中分别关于曲轴角α，曲线26示出单位为mm/rad的活塞速度ds/dα，以及曲线27示出单位为mm/rad²的活塞加速度d²s/dα²。

相反，图4示出一种图表，其中对于多连杆曲柄连杆机构来说，分别同样关于曲轴角α，以曲线28示出活塞速度ds/dα，以及以曲线29示出活塞加速度d²s/dα²。由图3和4的比较得出，用于多连杆曲柄连杆机构10的活塞速度相对于常规曲柄连杆机构在曲轴角270度和630度附近的曲轴角范围内减小。速度曲线的拐点在该曲轴角范围内朝着较小的曲轴移动。因为在上止点和下止点中(绝对的)活塞加速度接近，所以二阶的惯性力明显下降。

在此借助于所述多连杆曲柄连杆机构10或内燃机1可以正面地影响二阶的惯性力。这样改进了内燃机1的平稳运转，为此仅略微改变了冲程曲线，即活塞冲程关于曲轴角的曲线。

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多连杆曲柄连杆机构

11联接件

12工作容积

13摆动关节

14摆动关节

15铰接连杆

16连杆

17连杆孔

18连杆孔

19连杆轴颈

20中心轴承

21摆动关节

22联接臂部

23轴部段

24曲线

25曲线

26曲线

27曲线

28曲线

29曲线

Claims (10)

1.一种内燃机(1)的多连杆曲柄连杆机构(10)，该多连杆曲柄连杆机构具有多个以能够转动的方式支承在曲轴(2)的连杆轴颈(6)上的联接件(11)和多个以能够转动的方式支承在偏心轴(8)的连杆轴颈(19)上的铰接连杆(15)，其中，每个联接件(11)都以能够摆动的方式与内燃机(1)活塞(3)的活塞连杆(4)连接并且与其中一个铰接连杆(15)连接，其特征在于，为了减小二阶自由惯性力，如此设计或调节所述多连杆曲柄连杆机构(10)，即

-进气阶段的曲轴转动角范围大于180度；

-压缩阶段的曲轴转动角范围小于180度；

-膨胀阶段的曲轴转动角范围大于180度；以及

-排气阶段的曲轴转动角范围小于180度。

2.根据权利要求1所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，偏心轴(8)的旋转轴线(9)处于一平面上方，该平面包含曲轴(2)的旋转轴线(7)并且与至少一条汽缸纵向中轴线垂直。

3.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，曲轴(2)具有180度的曲拐。

4.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，在进气阶段中，上止点位于大于0度并且最大4度的曲轴角中。

5.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，在压缩阶段中，下止点位于大于180度的曲轴角中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，在膨胀阶段中，上止点位于大于360度并且最大364度的曲轴角中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，在排气阶段中，下止点位于大于540度的曲轴角中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)，其特征在于，进气阶段和压缩阶段的曲轴角范围总计等于360度；和/或膨胀阶段和排气阶段的曲轴角范围总计等于360度。

9.一种用于运行内燃机(1)的根据前述权利要求中任一项或多项所述的多连杆曲柄连杆机构(10)的方法，其中，该多连杆曲柄连杆机构(10)具有多个以能够转动的方式支承在曲轴(2)的连杆轴颈(6)上的联接件(11)和多个以能够转动的方式支承在偏心轴(8)的连杆轴颈(19)上的铰接连杆(15)，其中，每个联接件(11)都以能够摆动的方式与内燃机(1)活塞(3)的活塞连杆(4)连接并且与其中一个铰接连杆(15)连接，其特征在于，为了减小二阶自由惯性力，在至少一种运行模式中如此调节多连杆曲柄连杆机构(10)，即

-进气阶段的曲轴转动角范围相当于大于180度的第一值；

-压缩阶段的曲轴转动角范围相当于小于180度的第二值；

-膨胀阶段的曲轴转动角范围相当于大于180度的第三值；以及

-排气阶段的曲轴转动角范围相当于小于180度的第四值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在至少另一种运行模式中如此调节多连杆曲柄连杆机构(10)，即进气阶段的曲轴转动角范围与第一值不同；和/或压缩阶段的曲轴转动角范围与第二值不同；和/或膨胀阶段的曲轴转动角范围与第三值不同；和/或排气阶段的曲轴转动角范围与第四值不同。