CN201560847U - 具有飞轮的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有飞轮的内燃发动机。提供一种具有曲轴、变速器、起动机装置及飞轮(1)的内燃发动机，飞轮(1)设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计，其中飞轮配置为行星齿轮机构(2)。通过本实用新型的内燃发动机，允许使用不同的飞轮质量和因此使用优化到特定的工作点的飞轮质量。

Description

具有飞轮的内燃发动机

技术领域

本实用新型涉及具有曲轴、变速器、起动机装置和飞轮的内燃发动机，其中飞轮设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计。

背景技术

首先，详述明确提及的内燃发动机的构件。

内燃发动机的曲轴利用连杆力，连杆力包括燃烧室中燃料燃烧产生的气体力和动力单元的构件的不规则运动产生的惯性力。在此背景下，活塞的振荡往复运动特别地转化为曲轴的旋转运动。在此背景下，曲轴还传递扭矩到基本上直接连接到曲轴的飞轮，且所述曲轴通过变速器提供扭矩作为驱动扭矩到传动系中。

曲轴具有特定的旋转弹性，且与连接的构件特别是连杆和活塞一起形成系统，该系统能够振荡且通过作用在曲轴轴颈上的气体力和惯性力受激发经受旋转振动。

为阻尼这些旋转振动，可以提供旋转振动阻尼器即扭转振动阻尼器。由于振动阻尼器的质量相对于曲轴的相对运动产生的摩擦，消除了一些旋转振动的能量。

为减少转速的波动，基本上通过在曲轴上设置飞轮附加地增加能够振荡的所述系统的质量。借助于相对较大的质量，系统可以提高惯性。曲轴的旋转运动变得更均匀，因为系统作为整体较少受不期望的转速波动的影响。

飞轮存储能量，当转速下降时飞轮再次将所述能量释放至曲轴。即飞轮用作能量存储装置，一旦曲轴减速飞轮就输出能量到其中，因此这通过施加、输出能量给曲轴及作为整体的系统一定程度的惯性以抵消减速并保持运动。以此方式，不仅在减速的情况中，而且在加速的情况中，飞轮用来使曲轴和连接到曲轴的构件产生平滑和均匀的运动。防止或减少不希望的转速波动。

当点火不正确或失火时，飞轮或较大质量因此具有有利作用。由于飞轮的惯性，或多或少保持曲轴的旋转运动，即旋转运动仅较小程度地受干扰，因为抵消了旋转运动的变化。

根据现有技术，根据在低转速全负荷的工况下视为最大可允许的转速波动，配置飞轮，特别是确定飞轮尺寸即确定飞轮的质量。这导致在低转速范围内产生不期望的噪声的相对较大的飞轮质量，所述噪声由在内燃发动机和变速器之间的传动系中的共鸣造成。

根据现有技术通过将飞轮配置为双质量飞轮，该双质量飞轮然后附加地具有减少在离合器和驱动之间的旋转振动的振动阻尼器的功能，可以抵消所述影响。飞轮基本上在一端连接到曲轴且另一端通过离合器连接到变速器。

双质量飞轮的相对较低的主要质量在低转速范围中不可避免地产生相对较大的转速波动，这特别是对曲轴驱动的牵引机构驱动的耐用性和功能可靠性具有不利影响。此外，在非稳态工作模式中双质量飞轮的相对较大整体质量及其惯性对内燃发动机的起动和内燃发动机的响应特性两者具有不利影响。

优化到特定工作点的飞轮质量随着内燃发动机的工况不同而改变，因此常规飞轮的不变的飞轮质量具有折衷考虑，即不可能满足变化工况下的所有要求。在下文中给出该情况的意见，在此背景下在本实用新型的范围内使用的术语“飞轮质量”不仅在于飞轮的实际重量，而且在于相对于曲轴的纵轴的飞轮的惯性。

相关于内燃发动机的起动，优选相对较低的飞轮质量或相对较小的飞轮惯性以便允许使用最小可能的能量消耗，即使用最少可能的燃料实施起动，且以便能够缩短起动过程并快速起动。

在此背景下，有必要考虑到增加的内燃发动机的起动或再起动次数，因为如今改进车辆燃料消耗的构思提供停用内燃发动机，而不是在没有瞬时动力需求的情况下继续在怠速模式中操作。在实践中这意味着至少当车辆静止时，关闭内燃发动机。一个应用情况是例如在高速公路或公路上的交通阻塞中发生的时走时停交通。在城市内交通中，由于存在不协调的交通灯系统，时走时停交通不再是例外，而是惯例。其他的应用情况有带栅栏的平交道(gated grade crossings)等。在这方面，内燃发动机的起动过程日益重要。

相反，在起动过程的结束之后，即只要燃料的燃烧保持曲轴的旋转，相对较大的飞轮质量或具有相对较高惯性的飞轮就是有利的以便限制低转速中的转速波动。这也是因为内燃发动机特别是在低转速范围中基本上易受相对较大的转速波动的影响。

当转速升高时，相对较小的飞轮质量或具有相对较低惯性的飞轮再次是优选的，以便提高能够振荡且包括曲轴和飞轮的系统的扭转的固有频率。在此背景下，扭转的固有频率随着飞轮的质量减少而增加。使扭转的固有频率高于内燃发动机的最大转速以便不再产生共鸣即不能察觉到共鸣的飞轮质量将是理想的。

实用新型内容

在此背景下，本实用新型的目标包括提供一种可以实现使用不同的飞轮质量和因此使用优化到特定的工作点的飞轮质量的具有飞轮的内燃发动机。

通过一种具有曲轴、变速器、起动机装置及飞轮的内燃发动机实现上述目标，飞轮设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计，其中飞轮配置为行星齿轮机构。

在此背景中，该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中配置为行星齿轮机构的飞轮包括外部的、具有内齿的可旋转齿圈、连接到曲轴的具有外齿的太阳齿轮、可旋转行星齿轮架、及可旋转地安装在行星齿轮架上且以与齿圈和太阳齿轮啮合的方式设置在齿圈和太阳齿轮之间的至少三个具有外齿的行星齿轮。

本实用新型的飞轮设计为行星齿轮机构，产生适用于瞬时工作参数即内燃发动机的当前工作模式的具有可变质量的飞轮。

根据本实用新型的内燃发动机的飞轮包括多个飞轮部分，其中的两个部分即行星齿轮架和齿圈可以形成实际有效的飞轮质量，即当曲轴旋转时行星齿轮架和齿圈旋转且用作飞轮。

在此背景下，外部齿圈具有更大程度的惯性，因此在低转速中使用。相反，行星齿轮架具有较低的惯性，因此在相对高转速下和内燃发动机起动时用作飞轮。

根据本实用新型的内燃发动机因此解决本实用新型基于的问题，特别是可获得允许使用不同飞轮质量和因此使用优化到特定的工作点的飞轮质量的内燃发动机。

为能够在作为有效的飞轮质量的齿圈和行星齿轮架之间改变，有必要包括锁紧装置和制动装置，结合根据本实用新型的其他优选实施例的解释详细描述锁紧装置和制动装置。

该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中起动机装置和行星齿轮架以旋转固定的方式连接。该实施例允许在起动过程的范围内使用行星齿轮架作为有效的飞轮部分。该起动机装置驱动在连接状态的行星齿轮架，在该情况中安装在行星齿轮架中的行星齿轮通过太阳齿轮促使曲轴旋转，而齿圈同时固定即锁紧。

在起动过程结束之后，起动机装置和行星齿轮架可以断开。在低转速范围中齿圈用作飞轮，行星齿轮架优选地为静止，断开不是绝对必要的。然而在相对高的转速中，若行星齿轮架再次用作飞轮，则起动机装置和行星齿轮架应断开。

该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中还包括配置为以旋转固定的方式锁紧齿圈的第一锁紧装置。为了固定齿圈，例如在如上所述的起动中，锁紧装置是必要的。在此背景下，锁紧装置必须以利用通过与具有内齿的齿圈啮合的行星齿轮施加的力或扭矩的方式固定齿圈。当齿圈静止即锁紧时，行星齿轮架实际上支撑在齿圈上，确切地说在起动中和内燃发动机操作时的高转速中。

该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中还包括配置为以旋转固定的方式锁紧行星齿轮架的第二锁紧装置。以便在起动过程结束之后在低转速范围中能够固定行星齿轮架，第二锁紧装置是必需的。

在此背景下，该第二锁紧装置进而必须以与具有外齿的太阳齿轮啮合的行星齿轮在当曲轴旋转时促使具有内齿的齿圈旋转的方式固定行星齿轮架，在该情况中行星齿轮围绕静止的旋转轴旋转。

为在起动过程结束之后能够通过锁紧装置固定行星齿轮架，由起动机装置驱动的行星齿轮架必须进行到静止即减速。以类似的方式，在低转速范围中作为飞轮质量旋转的齿圈必须在转速升高时或当超过预定极限转速n_极限时进行制动，以便能够锁紧齿圈且再次使用行星齿轮架作为飞轮。

该内燃发动机这样的实施例因此是有利的：其中还包括配置为减少齿圈的转速的第一制动装置。该内燃发动机这样的实施例也是有利的：其中还包括配置为减少行星齿轮架的转速的第二制动装置。

该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中第一锁紧装置和第一制动装置形成一个整体构件。

根据该实施例，仅使用一个单个构件用于减速和锁紧齿圈。这种装置例如可以包括在外侧面上部分地环绕齿圈的皮带，该皮带可以或多或少地拉紧以便减少转速且用于锁紧。单个整体构件提供不仅在于要求的空间和重量方面，而且在于成本方面的优点。

以类似的方式，第二锁紧装置设计为固定行星齿轮架，作为整体构件第二制动装置设计为减少行星齿轮架的转速。

该内燃发动机这样的实施例因此也是有利的：其中第二锁紧装置和第二制动装置形成为一个整体构件。

根据本实用新型的另一方面，还提供一种具有曲轴、变速器、起动机装置及飞轮的内燃发动机，所述飞轮设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计，其中，所述飞轮配置为行星齿轮机构，所述飞轮包括外部的、具有内齿的可旋转齿圈、连接到曲轴的具有外齿的太阳齿轮、可旋转行星齿轮架及可旋转地安装在行星齿轮架上且以与齿圈和太阳齿轮啮合的方式设置在齿圈和太阳齿轮之间的至少三个具有外齿的行星齿轮，起动机装置和行星齿轮架以旋转固定的方式连接；配置为以旋转固定的方式锁紧齿圈的第一锁紧装置；配置为以旋转固定的方式锁紧行星齿轮架的第二锁紧装置；配置为减少齿圈的转速的第一制动装置；及配置为减少行星齿轮架的转速的第二制动装置。

该内燃发动机这样的实施例是有利的：其中第一锁紧装置和第一制动装置形成一个整体构件，及第二锁紧装置和第二制动装置形成一个整体构件。

此外，上述类型的内燃发动机可如下操作，其开始于内燃发动机的静止状态：

通过第一锁紧装置锁紧齿圈，

连接起动机装置和行星齿轮架，及

启用起动机装置以起动内燃发动机，因此使连接到起动机装置的行星齿轮架旋转，从而行星齿轮和以旋转固定的方式连接到曲轴的太阳齿轮旋转且曲轴旋转。

关于根据本实用新型的内燃发动机的上述内容还应用于上述操作，因此在这一点上参考关于内燃发动机的陈述。

为起动内燃发动机，在第一步骤中齿圈首先通过第一锁紧装置锁紧，且起动机装置连接到行星齿轮架。例如通过设置在起动机轴上的齿轮与提供在行星齿轮架上的齿系统啮合进行接合实现起动机装置到行星齿轮架的连接。

在第二步骤中，然后启用起动机装置。因此，驱动即旋转连接到起动机装置的行星齿轮架，其中行星齿轮架用作行星齿轮的驱动器。由于锁紧的齿圈，行星齿轮以如下所述的方式旋转，即行星齿轮支撑在齿圈上，即行星齿轮在齿圈的内齿系统内滚动，且同时带动以旋转固定的方式连接到曲轴的太阳齿轮，因此太阳齿轮和曲轴旋转。

在起动过程的范围内即在“内燃发动机起动”操作模式中，重量更轻或低惯性的行星齿轮架用作有效的飞轮质量，这确保快速的起动和燃料的经济性。

这样的实施例是有利的：只要燃料的燃烧保持曲轴的旋转就停用起动机装置，及

断开起动机装置和行星齿轮架，

释放通过第一锁紧装置的齿圈的锁紧，及

行星齿轮架通过第二制动装置减速且通过第二锁紧装置锁紧，因此行星齿轮和齿圈通过以旋转固定的方式连接到旋转的曲轴的太阳齿轮进行旋转。

该变体涉及在“低转速下的内燃发动机的操作”操作模式中的内燃发动机的操作。直接在起动过程结束之后，在低转速下或在怠速下操作内燃发动机，因此如上详述，优选相对较高的飞轮质量即具有相对较高惯性的飞轮。因此，齿圈替代行星齿轮架作为有效的飞轮质量。

只要燃料的燃烧保持曲轴的旋转，起动过程就结束。停用起动机装置且断开起动机装置和行星齿轮架。

释放通过第一锁紧装置的齿圈的锁紧，行星齿轮架通过第二制动装置减速且通过第二锁紧装置锁紧。由于内燃发动机的点火即燃料的燃烧旋转的曲轴驱动以旋转固定的方式连接到曲轴的太阳齿轮，因此当行星齿轮架锁紧时，行星齿轮和齿圈进行旋转。

这样的实施例是有利的，其中当内燃发动机的转速n增加时，只要转速n超过预定极限转速n_极限时，释放通过第二锁紧装置的行星齿轮架的锁紧，齿圈通过第一制动装置减速且通过第一锁紧装置锁紧，因此行星齿轮和行星齿轮架通过以旋转固定的方式连接到旋转的曲轴的太阳齿轮进行旋转。

在“相对较高转速下的内燃发动机的操作”的操作模式中，再次优选相对较小飞轮质量即具有相对较低惯性的飞轮，因此行星齿轮架替代齿圈作为有效飞轮质量。

因此释放通过第二锁紧装置的行星齿轮架的锁紧，齿圈通过第一制动装置减速且通过第一锁紧装置锁紧。

因为从齿圈到行星齿轮架作为飞轮的变化，预先确定转速n_极限，其也称为极限的转速。在此背景下，优选地稳定即连续进行从一个飞轮部分到另一个飞轮部分的改变或转换，因此改进瞬态操作特性且保持不受转换过程影响。

因此，其中通过制动装置连续实施减速的实施例也是有利的。

在曲轴或太阳齿轮和变速器之间提供离合器。

附图说明

图1是根据在第一操作模式中的内燃发动机的第一实施例的飞轮的示意前视图；

图2是根据在第二操作模式中的图1中所示的内燃发动机的第一实施例的飞轮的示意前视图；

图3是根据在第三操作模式中的图1中所示的内燃发动机的第一实施例的飞轮的示意前视图。

附图标记

1 飞轮

2 行星齿轮机构

3 齿圈

4 太阳齿轮

5 行星齿轮架

6 行星齿轮

具体实施方式

在下文中，基于根据图1至图3的示例实施例详述本实用新型。

图1是根据在第一操作模式中特别是在“内燃发动机的起动”操作模式中的内燃发动机的第一实施例的飞轮1的示意前视图。

飞轮1配置为行星齿轮机构2且包括多个移动或可移动的飞轮部分，特别是外部的、具有内齿的可旋转齿圈3、连接到曲轴且居中设置的具有外齿的太阳齿轮4、可旋转环形行星齿轮架5及可旋转地安装在行星齿轮架5上且彼此间隔设置的三个具有外齿的行星齿轮6。

行星齿轮6连续接合外部齿圈3和居中设置的太阳齿轮4，即行星齿轮6与齿圈3和太阳齿轮4啮合。

当内燃发动机起动时，行星齿轮架5形成有效的飞轮质量。齿圈3以旋转固定的方式锁紧，且齿圈3将提供起动的起动机装置连接到行星齿轮架5。当启用起动机装置时，驱动即旋转(箭头示出旋转方向)连接到起动机装置的行星齿轮架5。

行星齿轮6由行星齿轮架5带动且在行星齿轮架5中围绕其转轴旋转(箭头示出旋转方向)。在此背景下，行星齿轮6在具有内齿的齿圈3中滚动，因此使以旋转固定的方式连接到曲轴的太阳齿轮4和曲轴旋转(箭头示出旋转的方向)。

当起动发生时，较小惯性的行星齿轮架5即行星齿轮架5和行星齿轮6一起用作有效的飞轮质量，这确保快速的起动和燃料的经济性。

图2是根据在第二操作模式中即在“低转速下的内燃发动机的操作”操作模式中的如图1所示的内燃发动机的第一实施例的飞轮1的示意前视图。仅说明与如图1所示的操作模式的差别，因此其他方面参考图1。相同的附图标记用于相同的构件。

相比较于图1中的操作模式，在图2中所示的操作模式中，不是行星齿轮架5，而是齿圈3作为有效的飞轮质量。

只要燃料的燃烧保持曲轴的旋转，齿圈3就能替代行星齿轮架5作为有效的飞轮质量。若起动过程结束，行星齿轮架5与起动机装置断开，通过制动装置减速且以旋转固定的方式锁紧。释放齿圈3的锁紧。

旋转的曲轴驱动以旋转固定的方式连接到曲轴的太阳齿轮4，因此当行星齿轮架5锁紧时，行星齿轮6和齿圈3旋转(箭头示出旋转的方向)。

图3是根据在第三操作模式中特别是在“相对高转速下的内燃发动机的操作”操作模式中的如图1所示的内燃发动机的第一实施例的飞轮的示意前视图。仅说明与图1和图2中所示的操作模式的差别，因此其他方面参考图1和图2。相同的附图标记用于相同的构件。

相比较于图2中的操作模式，在图3所示的操作模式中，不是齿圈3，而是行星齿轮架5作为有效的飞轮质量。

只要内燃发动机的转速n超过预定极限转速n_极限，释放行星齿轮架5的锁紧且齿圈3减速且锁紧。

行星齿轮6和行星齿轮架5通过以旋转固定的方式连接到旋转的曲轴的太阳齿轮4进行旋转。关于单个飞轮部分的运动和旋转方向参考图1。

Claims (8)

1.一种具有曲轴、变速器、起动机装置及飞轮(1)的内燃发动机，所述飞轮(1)设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计，其特征在于，所述飞轮(1)配置为行星齿轮机构(2)。

2.如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，配置为行星齿轮机构(2)的所述飞轮(1)包括外部的具有内齿的可旋转齿圈(3)，连接到曲轴的具有外齿的太阳齿轮(4)，可旋转行星齿轮架(5)及可旋转地安装在行星齿轮架(5)上且以与齿圈(3)和太阳齿轮(4)啮合的方式设置在齿圈(3)和太阳齿轮(4)之间的至少三个具有外齿的行星齿轮(6)。

3.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，起动机装置和行星齿轮架(5)以旋转固定的方式连接。

4.如权利要求3所述的内燃发动机，其特征在于，还包括配置为以旋转固定的方式锁紧齿圈(3)的第一锁紧装置。

5.如权利要求4所述的内燃发动机，其特征在于，还包括配置为以旋转固定的方式锁紧行星齿轮架(5)的第二锁紧装置。

6.如权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于，还包括配置为减少齿圈(3)的转速的第一制动装置。

7.如权利要求6所述的内燃发动机，其特征在于，还包括配置为减少行星齿轮架(5)的转速的第二制动装置。

8.一种具有曲轴、变速器、起动机装置及飞轮(1)的内燃发动机，所述飞轮(1)设置在曲轴和变速器之间且为模块化设计，其特征在于，所述飞轮(1)配置为行星齿轮机构(2)，所述飞轮(1)包括外部的具有内齿的可旋转齿圈(3)，连接到曲轴的具有外齿的太阳齿轮(4)，可旋转行星齿轮架(5)及可旋转地安装在行星齿轮架(5)上且以与齿圈(3)和太阳齿轮(4)啮合的方式设置在齿圈(3)和太阳齿轮(4)之间的至少三个具有外齿的行星齿轮(6)，起动机装置和行星齿轮架(5)以旋转固定的方式连接；配置为以旋转固定的方式锁紧齿圈(3)的第一锁紧装置；配置为以旋转固定的方式锁紧行星齿轮架(5)的第二锁紧装置；配置为减少齿圈(3)的转速的第一制动装置；及配置为减少行星齿轮架(5)的转速的第二制动装置，其中第二锁紧装置和第二制动装置形成一个整体构件。

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