CN1350621A - 具有用于减少低速运行时的循环振动的装置的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机,其中曲柄(1)带有一个通过固定装置与曲柄连接在一起的带轮或飞轮(4),其中所述飞轮(4)带有至少一个摆动件(40),规定摆动件的尺寸、质量以及它们在所述飞轮(4)上的位置,以便它与循环振动主谐波角频率的邻域相谐调。

Description

具有用于减少低速运行时的循环振动的装置的内燃机

本发明涉及一种具有用于减少低速运行时的循环振动(acyclismes)的装置的往复式内燃机。

当前，所有发动机制造商均在致力于减少城市汽车发动机的污染和能耗。

第一种解决方案是在红灯时停止发动机的运行，然后将其重新起动。这就要求将一个电动机交流发电机直接连接到曲柄上，但其费用较贵。

第二种方案在于在怠速时降低发动机的转速。但是，当在发动机怠速运行时降低转速时，会加剧循环振动，这样就使其运行不稳定。减少循环振动的唯一方法在于增加飞轮的惯量。但这存在许多问题，即：不利地增加了动力系统的质量；要求增加起动机的功率；和降低了发动机的性能，其加速过程变得更加缓慢。

本发明的装置可以同时得到两种相反的结果，即：对于循环振动，飞轮具有较大的惯量，这可大大减少循环振动，对于发动机，飞轮则具有较小的惯量，其原因在于所用的飞轮质量较小。

为了实现这种结果，用摆重(masse pendulaire)与飞轮相连，或与曲柄另一端的导轮相连。

众所周知，为了使曲柄在受到强负载作用时消除该曲柄上出现的振动，就将摆重与曲柄的一端和/或另一端相连。所述振动会使曲柄断裂。

在本发明的情况中，不使用这种摆动系统来保护曲柄使其不因振动而出现断裂，而是为了克服发动机系统(曲柄和活塞)低速运行(也就是说在曲柄受到的负载很小时)从而产生循环振动时由该系统的惯量产生的影响。

这种摆动系统在美国专利US 5295411中作了描述。

该文献出乎意料地指出这些种装置可以有利地用于解决完全不同的问题，即循环不规则或者说循环振动(acyclismes)的问题，这些现象出现在发动机低速运行时候，此时曲柄受到的负载较小。

处理大负载情况下的振动问题时，例如在用美国专利US 5295411所述的设备进行处理的情况下，人们试图将摆臂与谐波进行协调，所述谐波能够使曲柄在发动机所有速度范围内产生合适的扭矩模式。对于四缸四冲程发动机来讲，该角频率约为30000-40000转/分钟。

反之，在本发明的情况中，对于怠速(700转/分钟及以下)左右的转速来讲，也就是对于小负荷的运行来讲，使摆臂与每一转的燃烧次数相协调。在四缸四冲程发动机的情况中，每转有两次燃烧，因此使摆臂与谐波数2进行协调。由此使摆臂与循环振动的谐波协调，或是至少在其主谐波的角频率附近相配合。

这些公知的摆臂系统的应用的具体问题就是循环振动，这种应用可具有适用于约500转/分钟±200的转速的惯量。

计算这些系统的特性，使它们有效地防止低速情况下的循环振动，但这些系统在高速下不能运行而且无效。

根据本发明，将至少一个部件连接到曲柄例如惯性飞轮上，该部件可在旋转产生循环振动时，在飞轮转动时产生相对于该飞轮的摆动。设Ω是发动机的平均转速，则知道在运行时的瞬间速度在Ω₁和Ω₂之间变化；循环的不规则系数为

；对于往复式内燃机来讲，可以算出

，其中k是常数，表示发动机扭矩的变化范围，I是发动机-受力系统的组合的(ensemble moteur-récepteur)的惯量。这表示平均转速越小，循环振动就越大。使用协调适当的摆动件可以对循环振动进行补偿。适当选择摆动件的尺寸和质量以及它们在飞轮上的位置，从而使它们与循环振动的主谐波协调。由此发现，可以使四缸四冲程发动机的平均转速达到约300转/分钟，不会出现有害的不规则情况，而且飞轮的重量比现有技术的飞轮轻。

因此，本发明的目的在于提供一种内燃机，该内燃机的曲柄例如带有一个飞轮，其特征在于所述飞轮带有至少一个摆动件，规定摆动件的尺寸，质量以及它们在所述飞轮上的位置，以便使其调谐到循环振动主谐波的角频率附近。例如，对于直排四缸四冲程往复式发动机来讲，循环振动的主谐波的角频率为转速的两倍。

本发明还可以包括以下独立部件或它们的组合：

a)  飞轮上带有至少两个腔，有一个惯性配重块可以在这些腔中自由移动；

b)  飞轮上带有三个彼此分开120°的腔；

c)  飞轮上带有两组，每组三个腔，这三个腔彼此分开120°，这两组腔对称地穿插，每一组的尺寸、位置以及质量均不同；

d)  每一个腔的侧壁都是平面，它们彼此由一个滚道分开，所述惯性配重块是一个可以在侧壁之间的滚道上滚动的滚轮；滚轮最好是旋转圆柱；

e)  所述腔的上面有滚轮紧挨着滚动的滚道是一个关于垂直于该腔的侧壁的轴线的旋转面；

f)  该腔可以是旋转圆柱形；

g)  与该腔的侧壁平行的平面截得的滚道截面是根据所需的对循环振动现象的反应计算确定的曲线；

h)  每一个腔的侧壁由固定在飞轮的两侧的环形侧板构成；腔的滚道由一个插进飞轮上的开口中的衬套构成，每一个环形侧板的内缘紧靠各个衬套的一端而构成一个滚道，将飞轮固定到曲柄上的固定装置设置在使环形侧板留出的中心区；

i)  飞轮上带有三个彼此分开120°的摆动装置，每一个摆动装置都成双；

j)  飞轮带有两组各三个成双的摆动装置；所述摆动装置对称地穿插，它们的尺寸、位置和质量特征不同；

k)  双摆动系统由一个活动件构成，活动件通过两根轴与飞轮相连，每一个轴同时在活动件的一个腔中和飞轮的一个腔中运动；

l)  活动件的截面为T形；

m)  活动件的截面为U形；

n)  单线摆动系统(système pendulaire unifilaire)由一个非对称惯性配重块构成，该惯性配重块由一根轴转动地支撑；

o)  单线摆动系统由一个圆柱形惯性配重块构成，该惯性配重块只在其一侧设置一些孔，这些穿孔可以是单独的，或合并成单一的一个孔；

p)  单线摆动系统由一个密封盒子构成，该盒子中装有密度不同的两种非可溶混液体，例如油和水银；

q)  单线摆动系统由一个齿轮构成，该齿轮与一个中心齿轮啮合，或与外围齿圈啮合；

r)  在超过预定转速时由径向滑块锁定单线或双线摆动系统，所述的每一个滑块由一个弹簧保持，弹簧在离心力的作用下移动；

s)  摆动系统由n个彼此以n/360°分布的惯性配重块构成，这些惯性配重块为扇形，其中心角等于n/360°，这些惯性配重块转动地装在飞轮上；

t)  每一个扇形惯性配重块包括一个镗孔，一个活动件在该镗孔内移动。

为了方便地理解本发明，下面结合附图对非限定的实施例进行描述，其中：

图1是本发明带有摆动件的飞轮沿图2的I-I线的轴向剖视图；

图2是沿图1的II-II线的飞轮的局部切开的正视图；

图3和4是图1和2的变型实施例的正视图和轴向剖视图；

图5和6是本发明第二实施例的正视图和轴向剖视图；

图7和8是本发明第三实施例的正视图和轴向剖视图；

图9和10是本发明第三实施例的不同变型的正视图和轴向剖视图；

图11是图1和2的飞轮的第二种不同变型的正视图；

图12是图1和2的飞轮的第三种不同变型的正视图；

图13是图1和2的飞轮的第四种不同变型的正视图；

图14是图1和2的飞轮的第五种不同变型的正视图；

图15是图1和2的第六种不同变型的正视图；

图16是图1和2的第七种不同变型的正视图；

图17是图1和2的飞轮的第八种不同变型的正视图；

图18是图7和9所述系统的不同变型的正视图，其中装有与图17类似的装置；

图19是本发明第四实施例的平面图，其中用点线表示变型；

图20是图19的透视图。

现在参见图1和2，在曲柄2的端部1上装有一个套管3，将一个飞轮4同轴地固定在该套筒上。用8个均匀分布在飞轮4的轴周围的双头螺栓46进行这种固定。

飞轮4由一个很厚的实心盘40构成，从而具有足够大的适用于与之相连的发动机的惯量。该盘40上钻有三个圆孔41，这些孔彼此分开120°，每一个孔中嵌入一个圆柱形衬套42。盘40的两面盖有环形侧板43，用螺丝47将侧板固定到盘40上，螺丝与盘40的丝孔48配合。这两个侧板43盖住衬套42的端部，并与各个圆柱形衬套的内部空间一起限定出一个关闭的圆筒形腔44。

在每个腔44中设置一个由滚轮45构成的惯性配重块。该滚轮45是实心圆柱体，其长度基本等于(事实上稍微小一点)盘40的厚度；该距离等于两个侧板43分开的距离，因而也就限定出了腔44的长度。因而，滚轮45可以在它们的腔44中自由地移动，具体地说，沿所述腔44的内壁滚动。

当发动机停止运行时，每一个滚轮45停在其腔44的下部，一旦发动机达到某个每分钟转数，例如达到起动机的平衡转数时，滚轮45在离心力作用下占据图1和2所示的径向位置。

当发动机以慢速转动时，出现循环振动，这表现为曲柄1转动时相继的减速和加速：滚轮45沿它们的圆筒形腔的壁向一个方向或另一个方向滚动，这样就与所述循环振动抵消或至少减少所述循环振动，因而所述滚轮45就作为摆动件。

在所述的实施例中，腔44是圆筒形，从而每个滚轮45可以认为是一个摆臂；但本发明并不限于这种特定情况。

因为，各个腔的内壁截面可以是任意的：圆形，椭圆形等；甚至该截面相对于通过其中心的盘40的半径不对称：这样可以自由地改变惯性配重块对循环振动现象的反应规律。

同样，在所示的实施例中，有三个腔44和三个滚轮45，但本发明并不限于这种特定的实施方式：必须有至少一个腔和一个惯性配重块；但可以有两个、三个、四个或更多的腔和惯性配重块，条件是它们相对于飞轮的旋转中心均匀地按间隔分布。

图3和4是图1和2的变型实施例，相同的元件用相同的标号表示。为了使图简化，只示出了一个飞轮4，省略了曲柄1和飞轮4在曲柄端部的固定设备，因为它们并不构成本发明的一部分。这对于图5-10也是一样。

根据该变型，每一个滚轮45的腔44不穿过飞轮40的整个厚度，而是只在该飞轮的部分厚度上钻一个孔。每一个腔44上带有一个滚动衬套42，该衬套的一部分凸出于腔44之外，并用盖49将其盖住。滚轮45在腔44的底44a、衬套42和盖49形成的圆柱形空间中运动。

该装置的运行与上面所述的图1和2的相同。

图5和6是本发明装置的第二种实施方案，与图1-4相同的元件用相同的标号表示。

第二个实施方案的特征在于飞轮4包括两组各三个腔，这两组腔均匀地相互穿插。

首先有一组三个腔44，这些腔彼此间相隔120°，各个腔包括一个惯性配重块45。

此外，有一个第二组的三个腔54，它们彼此间相隔120°分布。第二组穿插在第一组之间，也就是说腔44和54彼此间相隔60°。每一个腔54带有一个滚动衬套52，一个惯性配重块55，用盖59盖住各个腔。应注意的是，腔54的尺寸参数与腔44的不同，即：它们与飞轮40的中心之间的距离较小，它们的直径较小，惯性配重块55的质量也不同。

所有这些参数可以方便地经计算确定，以便摆动件45和55与循环振动的主谐波的角频率的邻域相协调。

图7-10是本发明的第三种实施方案。

数学计算表明在某些情况下，摆动系统最好成双，专家称之为“双线的(bi-filaires)”

在图7-10中，有三组摆动装置，它们彼此间按120°分开布置。

在图7和8中，飞轮4包括一个外围槽60，将三个T形块状件61的一部分61a嵌入槽60中，这三个块状件彼此间按120°分开设置。块状件60的每一个部分61a上带有两个圆孔62。飞轮40上钻有三对圆孔63，各对圆孔彼此间按120°分开设置。每一对孔63对应于块状件61的两个孔62。轴64通过孔62和63。轴64的直径小于孔62和63的直径。因而每一个块状件61等同于一个双线定位的摆臂。当发动机的转速先减小后增加时，各个块状件61先朝一个方向再朝另一个方向摆动。双摆臂各参数不同：利用数学计算确定尺寸，位置和质量，以便使它们与所选择的谐波角频率附近的角频率相协调，在这种情况下，所选择的谐波是所用发动机的循环振动的主谐波。

图9和10是图7和8的装置的变型实施例，每一个块状件为相反的形状，它为U形，从而成为一个夹子；相同的部件用相同的标号。

每一个块状件71是一个截面为U形的构件，从而可以盖住飞轮40。为此，每一个块状件71上带有两个侧壁70，它们之间的距离稍大于飞轮40的厚度。

侧壁70上带有孔72，这些孔对应于图7和8的孔62；飞轮40上带有与图7和8的孔相同的孔63，轴74(对应于轴64)通过孔63和62。

该装置的运行与图7和8所述的装置相同。

应注意的是，在图5和6中，所描述的系统包括两组三个惯性配重块45和55，但本发明并不限于该特定的装置：可以有“n”组惯性配重块，它们分布在“q”个不同的半径上，每一组的惯性配重块均有不同的质量“m”。但是为了平衡起见，数目“n”至少等于2，惯性配重块应相距360/n度。

同样，可以将块状件61和71的数量“n”设置成任意值，它们的质量“m”不同，并装在“q”个不同的半径上，为了平衡起见，“n”等于或大于2，块状件61或71相距360/n度。

图11-18表示不同的变型实施例，这些实施例是为了防止惯性配重块或滚轮滑动。

在图11中，用不对称的惯性配重块替换了在圆筒形腔44中自由运动的滚轮45，这些惯性配重块构成了装在轴81上的摆动块状件80，轴81装在腔44的中心O上，摆动块状件80从而可以在腔82中绕轴转动。

在图12中，惯性配重块80由一个圆柱体构成，该圆柱可以在腔82中利用滚珠83的滚动而自由地转动。孔83全部设置在直径85的同一侧，这些孔的作用是为了使惯性配重块80的质量不对称，从而构成摆动件。

在图13中，图12中的三个孔83合并成了一个半环形的孔83a。

在图14中，在中心为O的圆筒形腔中设置了一个密封的圆柱形盒子86，其中心也为O，该密封盒子86中装有两种密度不同，而且是不可溶混的液体，例如油87和水银88。在离心力的作用下，水银形成一种所谓的透镜体88，构成摆动件。

在图15中，腔82内侧带有齿，构成摆动件的小齿轮89与这些齿啮合。

为了防止小齿轮与齿82a的接触引起的噪声，最好设置一个防止小齿轮89松动的轴81。

图16的装置与图15的装置相反。在这种情况下，小齿轮89作为摆动件，它与上面有齿的中心轴81a啮合。带齿的轴81a可以转动地固定和安装在其轴O上。

图11-16所述的装置与图1和2或3和4所述的装置运行完全相同。

图17和18所述的装置可以根据某些情况消除摆动件的作用；这用单线摆臂(pendule unifilaire)(图17)或双线摆臂(pendulebi-filaire)(图18)实现。

图17对应于图2，相同的元件用相同的标号。将圆筒形衬套42装在飞轮40上的圆孔41中，滚轮45可以在各个衬套中运动。一个滑块90可以在腔91中运动，该腔的轴线是径向的。拉簧92使滑块90与腔91的底91a保持接触。当飞轮40的转速增加时，滑块90沿径向克服弹簧92而移动。在与腔91的底91a相反的一端，滑块90有一个内凹表面93，该面构成滚轮45的座。显然，衬套42有一个合适的开口，以便让滑块90通过。在停止时，这些构件占据虚线所示的位置：即滑块90紧靠其腔91的底91a，滚轮45可以自由移动。当速度增加时，滚轮占据实线所示的位置，起到本发明的摆动件作用。从根据滑块90的质量和弹簧92的阻力所确定的某一转速起，滑块93锁定滚轮45，使之不再起作用。

图18示出的是作用与图17的相同的一个锁定系统，但用于双线摆动系统，例如图7和8的系统。在图18中，与图7和8的元件相同的元件用相同的标号，此处不再赘述。与图7之间的差别在于该装置包括四个双线摆动件61，这四个摆动件彼此间分开90°设置(而不是120°)。

飞轮40包括四个径向腔91，它们彼此间成90°，这些腔91的轴线与所述飞轮40的将四个双线摆动件61分开的对称轴重合。

和图17的情况相同，滑块90在各个腔91中克服拉簧92而滑动，但滑块的端部94成直角形状，而不是半圆柱形的座93。

该装置的运行与图17的装置类似。

在停止时，各个滑块90在其拉簧92的作用下紧靠其腔91的底91a。从根据各个滑块90的质量和弹簧92的阻力所确定的转速起，滑块90才在离心力的作用下滑动，以便锁定块状件61，使之不再起作用。

图19和20为本发明的第四种实施方案。

现在参见这两幅图，摆动件由六个惯性配重块100构成，每一个惯性配重块100均通过一根轴101和一个支座或轴承102转动地装在飞轮40上。轴101彼此间以分开60°设置，惯性配重块100为扇形，其中心角为60°。

如图20所示，轴100由环状盘103支撑。

根据图19虚线所示的一种变型实施例，每一个惯性配重块可以包括一个中心在其平分线上的孔104，相对于飞轮40的中心来讲在轴101的外侧，一个活动件105以与图1-6类似的方式可以在该孔中运动。

当然，本发明不限于有六个惯性配重块的情况，惯性配重块的数量“n”可以为任意数，但最好大于3个。

Claims (31)

1.一种内燃机，该内燃机的曲柄(1)带有一个通过固定装置与曲柄连接在一起的带轮或飞轮(4)，其特征在于所述飞轮(4)带有至少一个摆动件(45，55，61，71)，规定摆动件的尺寸、质量以及它们在所述飞轮(4)上的位置，以便使其与循环振动主谐波角频率的邻域相谐调。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中飞轮(40)上带有至少n个腔(44)，有一个惯性配重块(45)可以在这些腔中自由移动，n等于或大于2。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其中飞轮(40)上带有至少三个彼此分开120°布置的腔(44)。

4.根据权利要求3所述的内燃机，其中飞轮(40)上带有两组各三个腔(44，54)，这三个腔彼此分开120°布置，这两组腔对称地相互穿插，每一组的尺寸、位置以及质量均不同；

5.根据权利要求3或4所述的内燃机，其中每一组腔(44)的侧壁都是平面，它们彼此由一个滚道分开，所述惯性配重块是一个可以在侧壁之间在滚道上滚动的滚轮(45)。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于滚轮是一个旋转圆柱体。

7.根据权利要求5所述的内燃机，其中所述腔(44)的上面有滚轮(45)紧挨着滚动的滚道是一个关于垂直于该腔侧壁的轴线的旋转面。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其中该腔(44)是旋转圆柱形。

9.根据权利要求5所述的内燃机，其中由与该腔的侧壁垂直的平面截得的滚道横截面是根据所需的对循环振动现象的反应进行计算而确定的曲线。

10.根据权利要求5或其与权利要求6-9之一相组合的内燃机，其特征在于每一个腔(44)的侧壁由环形侧板(43)构成，所述侧板固定在飞轮(4)的两侧。

11.根据权利要求5或其与权利要求6-10之一相组合的内燃机，其特征在于一个腔(44)的滚道由一个嵌入飞轮(4)的开口(41)中的衬套(42)构成。

12.根据权利要求1所述的内燃机，其中摆动件(61，71)是双线的。

13.根据权利要求12所述的内燃机，其中摆动件由块状件(61，71)构成，块状件上带有让轴(64，74)通过的孔(62，72)，所述轴还通过飞轮上的对应孔(63)，孔(62，63，72)的直径大于轴(64，74)的直径。

14.根据权利要求13所述的内燃机，其中飞轮(4)包括一个外围槽(60)，将块状件(61)的一部分(61a)嵌入槽中，该部分(61a)上带有两个让两根轴(64)通过的孔(62)，所述轴还通过飞轮(40)上的两个对应孔(63)。

15.根据权利要求14所述的内燃机，其中各个块状物(61)的截面为T形。

16.根据权利要求13所述的内燃机，其中各个块状件(71)的截面为U形，它形成一个夹子，块状件(71)的两个侧壁带有两个让两根轴(74)通过的孔(72)，所述轴还通过飞轮(40)上的两个对应孔(63)。

17.根据权利要求1-16所述的内燃机，其特征在于所述飞轮(40)带有“n”组摆动装置(45，55，61，71)，它们分布在“q”个不同的半径上，所述摆动件均有不同的质量“m”，“n”等于或大于2，使块状件(45，55，61，71)相距360/n度。

18.根据权利要求3所述的内燃机，其中在各个腔(82)中设置一个不对称的惯性配重块(80)，该惯性配重块构成一个摆动件，转动地装在一根位于腔(82)的中心O的轴(81)上，或装在该腔(84)中的轴承(84)上。

19.根据权利要求3所述的内燃机，它在各个腔(82)中包括一个质量不对称的圆柱形惯性配重块(80)，该惯性配重块构成摆动件；通过在惯性配重块(80)的一侧钻孔(83)实现其质量的非对称分布。

20.根据权利要求19所述的内燃机，其中将孔(83)合并成一个孔(83a)。

21.根据权利要求3所述的内燃机，其中在各个腔(82)中设置一个密封盒子(86)，盒子中装有密度不同的两种非可溶混液体，以便形成一个摆动件。

22.根据权利要求21所述的内燃机，其中两种液体中一种是油(87)，另一种是水银(88)。

23.根据权利要求3所述的内燃机，其中各个腔(82a)具有内齿，一个构成摆动件的齿轮(89)与所述内齿啮合。

24.根据权利要求23所述的内燃机，其中将各个齿轮(89)设置在带齿的腔(82a)和一个中心轴(81)之间。

25.根据权利要求3所述的内燃机，其中各个腔(82)的中心包括一个齿轮(81a)，一个构成摆动件的齿轮(89)与该齿轮啮合，中心齿轮可以是固定的，也可以是转动的。

26.根据权利要求3所述的内燃机，其中在超过预定转速时，每一个滚轮(45)由一个滑块(90)锁定，所述滑块在一个径向腔(91)中克服复位弹簧(92)而滑动。

27.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于它包括四个双线摆动件(61)，这些摆动件彼此相隔90°设置，在超过预定转速时，它们由四个滑块(90)锁定，所述滑块在摆动件(61)之间的四个径向腔(91)中各自克服复位弹簧(92)而滑动。

28.根据权利要求26和27所述的内燃机，其中开始所述锁定时的速度是各个滑块(90)的质量和其复位弹簧(92)的强度的函数。

29.根据权利要求1所述的内燃机，其中飞轮(40)带有n个惯性配重块(100)，惯性配重块为中心角为n/360°的扇形，将各个惯性配重块(100)转动地安装在一根轴(101)上，所述轴(101)彼此间隔n/360°设置。

30.根据权利要求29所述的内燃机，其中惯性配重块的数量n是6。

31.根据权利要求29或30所述的内燃机，其中各个惯性配重块包括一个孔(104)，其中心在平分线上，相对于飞轮(40)的中心来讲该孔在轴(101)的外侧，一个活动件(105)可以在该孔中运动。

Images