CN109339945B - 一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机。随着内燃机朝高速、大功率方向发展，其振动噪声问题日趋严重；本发明包括第一内燃机单元和第二内燃机单元。第一内燃机单元包括第一缸体组、第一连杆组和第一曲轴段。第二内燃机单元包括第二缸体组、第二连杆组和第二曲轴段。第一曲轴段与第二曲轴段同轴设置，且相对端固定连接。第一曲轴段与第二曲轴段沿自身轴线的周向错开θ角，θ＝(b·α)/n。α＝180°；b为偏转系数，内燃机单元为二冲程内燃机的情况下，b＝1。内燃机单元为四冲程内燃机的情况下，b＝2。本发明能够使内燃机的主脉动转矩得到明显抑制，从而使内燃机的输出转矩中主频脉动转矩分量明显降低。

Description

一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机

技术领域

本发明属于内燃机减震技术领域，具体涉及一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机。

背景技术

内燃机一种用途广泛的热能动力机械。在船舶、拖拉机、发电机系统、工程机械和机车等领域，作为主要原动力被广泛应用。随着内燃机朝高速、轻型、大功率方向发展，其振动噪声问题日趋严重；而人们对振动噪声控制的要求，却日益严格。这种矛盾促使人们对内燃机振动问题的研究给予更多的关注。

采用曲柄连杆机构的内燃机，结构复杂、气缸的作功过程不连续。其惯性和气缸气体力都具有强烈的冲击和宽频带激振作用；因此，内燃机振动体现为整机振动、结构振动、轴系扭转振动和部件振动等四种类型，抑制和降低这些振动和噪声的影响是内燃机生产和使用中研究的重点。

对于内燃机振动噪声和抑制的研究，目前对于整机振动、结构振动、部件振动等引起的振动与噪声主要通过对整机和各部件的优化设计及采用振动隔离、振动吸收、振动控制与消振消声以及控制动平衡等方法实现抑制和控制，已经取得了比较好的效果。对于轴系扭转振动的抑制，一般采用多缸技术以降低气缸脉动压力的变化所导致的轴系扭转振动转矩的比例幅值，应该说多缸技术通过各缸产生的脉动转矩的叠加对于降低轴系扭转振动转矩的比例幅值是有效的，但由于只是各缸脉动转矩波形的简单叠加，因此，与气缸数对应频率脉动转矩仍比较明显的存在。如图2所示(图2为某六缸柴油机输出轴的脉动转矩波形)，这一脉动转矩输出给负载作为传动系统的主要激振源会引起系统的振动与噪声，而且，由于该脉动转矩的存在，成为系统轴系故障的主要激励源，即成为传动系统轴系的主要故障成因之一。因此，如何在现有技术的基础上进一步提高降低输出轴的脉动转矩的效果是当今内燃机技术发展的一个重要研究内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机。

本发明包括第一内燃机单元和第二内燃机单元。所述的第一内燃机单元包括第一缸体组、第一连杆组和第一曲轴段。所述的第二内燃机单元包括第二缸体组、第二连杆组和第二曲轴段。第一内燃机单元及第二内燃机单元均为两冲程内燃机或均为四冲程内燃机。

所述的第一缸体组和第二缸体组均包括n个汽缸，n≥2。所有汽缸内均设置有一个活塞。所述的第一曲轴与第二曲轴同轴设置，且相对端固定连接，相背端均支承在机架上，可对外输出转矩。第一曲轴段与第二曲轴段沿自身轴线的周向错开θ角，

α＝180°；b为偏转系数，第一内燃机单元与第二内燃机单元为二冲程内燃机的情况下，b＝1。第一内燃机单元与第二内燃机单元为四冲程内燃机的情况下，b＝2。

第一连杆组和第二连杆组均包括n根连杆。第一连杆组内n根连杆的一端与第一曲轴段内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第一缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副。第二连杆组内n根连杆的一端与第二曲轴段内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第二缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副。

进一步地，所述第一曲轴段和第二曲轴段的形状完全相同，均包括两个端部轴颈、n个曲拐和n-1个主轴颈。曲拐包括两个曲柄和连杆轴颈。连杆轴颈的两端与两个曲柄的相对侧面分别固定。n个曲拐依次排列设置。相邻的两个曲拐通过一根主轴颈固定连接。位于首端曲拐、位于尾端曲拐与两个端部轴颈的内端分别固定。两个端部轴颈及n-1个主轴颈均同轴设置。n个曲拐内连杆轴颈的轴线到端部轴颈轴线的间距相等。n个曲拐内连杆轴颈沿端部轴颈轴线的周向依次错开的机械角与现有内燃机技术相同，根据二冲程、四冲程、直列式发动机、V型发动机有所不同。

进一步地，所述第一内燃机单元与第二内燃机单元的发动机排量、发动机功率、发动机转矩、最大功率和最大转矩、压缩比均相同。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明可以大大降低内燃机的转矩脉动，使内燃机的主脉动转矩得到明显抑制，从而使内燃机的输出转矩平稳。如果对内燃机点火过程进行进一步的优化控制，减小产生的脉动转矩的高次谐波分量，以及提高机械加工和安装精度，减小旋转轴上的低频脉动转矩分量，从而改善各内燃机单元合成输出的脉动转矩波形的正弦度，则脉动转矩的抑制效果会更加显著。

2、本发明对脉动转矩的抑制会使得输出转矩中主频脉动转矩分量明显降低，进而使输出转矩传递过程中，由输出转矩对连杆、曲轴的冲击振动噪声，以及对轴承、底座、缸体的冲击振动噪声明显降低。从而实现内燃机的低脉动转矩及低振动、低噪声。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为一个六缸柴油机的实测输出脉动转矩波形图；

图3为本发明脉动转矩相互抑制的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机，包括第一内燃机单元和第二内燃机单元。第一内燃机单元包括第一曲轴段1、第一缸体组5和第一连杆组3。第二内燃机单元包括第二曲轴段2、第二缸体组6、第二连杆组4和公共基础机座7。

第一曲轴段1和第二曲轴段2的形状完全相同，均包括两个端部轴颈、n个曲拐和n-1个主轴颈。曲拐包括两个曲柄和连杆轴颈。连杆轴颈的两端与两个曲柄的相对侧面分别固定。n个曲拐依次排列设置。相邻的两个曲拐通过一根主轴颈固定连接。位于首端曲拐、位于尾端曲拐与两个端部轴颈的内端分别固定。两个端部轴颈及n-1个主轴颈均同轴设置。n个曲拐内连杆轴颈的轴线到端部轴颈轴线的间距相等。n个曲拐内连杆轴颈沿端部轴颈轴线的周向依次错开的机械角与现有内燃机技术相同，根据二冲程、四冲程、直列式发动机、V型发动机有所不同。

第一曲轴段1内的端部轴颈与第二曲轴段2内的端部轴颈同轴设置。第一曲轴段1与第二曲轴段2的相对端固定连接，相背端均通过公共基础机座7支承在机架上。第一缸体组5和第二缸体组6均包括n个汽缸。2n个汽缸内均设置有一个活塞。第一连杆组3和第二连杆组4均包括n根连杆。第一连杆组内n根连杆的一端与第一曲轴内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第一缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副。第二连杆组内n根连杆的一端与第二曲轴内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第二缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副。

第一曲轴段1与第二曲轴段2沿端部轴颈的周向错开θ角，

α＝180°；

b为偏转系数，若第一内燃机单元与第二内燃机单元为二冲程内燃机，则b＝1，若第一内燃机单元与第二内燃机单元为四冲程内燃机，则b＝2。

如图2所示，六缸柴油机输出轴的脉动转矩波形可知：当各缸体正常运行时，一个循环周期内轴上产生的脉动转矩波形周期与缸体数量成正比，而且，脉动转矩波形即转速波动波形基本呈正弦波形态。由于汽油内燃机控制优于柴油内燃机，波形比图1更接近正弦波，因此可以视为汽油内燃机产生的脉动转矩波近似正弦波状，且内燃机内的汽缸在自身做功(被点火)一次的同时会产生一个周期的脉动转矩波。对于内燃机，在每个运行周期内，各个汽缸均被点火一次。故n缸的内燃机每运行一个周期会产生n个周期的脉动转矩波。对于二冲程内燃机，一个运行周期内曲轴转动360°。对于四冲程内燃机，一个运行周期内曲轴转动720°。因此，二冲程内燃机脉动转矩波的一个周期对应曲轴转动360°/n机械角；四冲程内燃机脉动转矩波的一个周期对应曲轴转动720°/n机械角。

脉动转矩波的一个周期为360°电角度。由于脉动转矩波近似于正弦波，故将脉动转矩波水平移动180°电角度即可得到一个与原脉动转矩波关于横坐标轴对称的新脉动转矩波。产生180°电角度的脉动转矩波时，二冲程内燃机内曲轴转动360°/n机械角的二分之一；四冲程内燃机内曲轴转动720°/n机械角的二分之一。即两个脉动转矩频率、幅值相同，且曲轴错开180°/n设置的二冲程内燃机，产生的脉动转矩波关于脉动转矩波特性横坐标轴对称；两个脉动转矩频率、幅值相同，且曲轴错开360°/n设置的四冲程内燃机，产生的脉动转矩波关于脉动转矩波特性横坐标轴对称。

可见，第一内燃机单元和第二内燃机单元均为二冲程内燃机的状态下，第一曲轴段和第二曲轴段错开180°/n的第一内燃机单元和第二内燃机单元产生的脉动转矩相互抑制。第一内燃机单元和第二内燃机单元均为四冲程内燃机的状态下，第一曲轴段和第二曲轴段错开360°/n的第一内燃机单元和第二内燃机单元产生的脉动转矩相互抑制。脉动转矩抑制情况如图3所示，图3中Ⅰ为第一内燃机单元产生的脉动转矩波，Ⅱ为第二内燃机单元产生的脉动转矩波，Ⅰ与Ⅱ能够相互抵消。理想状态下本发明的脉动转矩能被完全抑制，但考虑到实际内燃机是一个非线性系统，脉动转矩中除含有主频的脉动转矩波外还有其频率的谐波，因此，本发明还会存在因谐波带来的脉动转矩，但对比现有普通内燃机，本发明对内燃机脉动住转矩的抑制效果依然十分明显。

Claims (2)

1.一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机，包括第一内燃机单元和第二内燃机单元；其特征在于：所述的第一内燃机单元包括第一缸体组、第一连杆组和第一曲轴段；所述的第二内燃机单元包括第二缸体组、第二连杆组和第二曲轴段；第一内燃机单元及第二内燃机单元均为两冲程内燃机或均为四冲程内燃机；

所述的第一缸体组和第二缸体组均包括n个汽缸，n≥2；所有汽缸内均设置有一个活塞；所述的第一曲轴段与第二曲轴段同轴设置，且相对端固定连接，相背端均支承在机架上；第一曲轴段与第二曲轴段沿自身轴线的周向错开θ角，

α＝180°；b为偏转系数，第一内燃机单元与第二内燃机单元为二冲程内燃机的情况下，b＝1；第一内燃机单元与第二内燃机单元为四冲程内燃机的情况下，b＝2；

第一连杆组和第二连杆组均包括n根连杆；第一连杆组内n根连杆的一端与第一曲轴内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第一缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副；第二连杆组内n根连杆的一端与第二曲轴内的n根连杆轴颈分别构成转动副，另一端与第二缸体组中n个汽缸内部的活塞分别构成转动副。

2.根据权利要求1所述的一种基于正弦波抑制抵消的低脉动转矩内燃机，其特征在于：所述第一内燃机单元与第二内燃机单元的发动机排量、发动机功率、发动机转矩、最大功率和最大转矩、压缩比均相同。

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