SE512556C2 - Metod för reducering av vibrationer i ett fordon och anordning för utförande av metoden - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 512 556 2 kompressor. När viss cylinder eller vissa cylindrar används sonlkompressor avstängs bränsletillförseln till tillhörande cylinderutrymme. När ett dylikt system nyttjas, kommer tryckförloppet i cylindern att uppvisa en väsentligen annan karaktär än när cylindern används i konventionell drift.

Under konventionell drift uppvisar varje cylinder en kompressionstakt och en expansionstakt. Under expansionstakten tillförs arbete till kolven och under kompressionstakt tillför kolven arbete till den inneslutna gasen. Om en eller flera cylindrar nyttjas för att komprimera luft kommer ingen normal expansionstakt att äga rum. Detta förändrar väsentligen tryckförloppet i cylindern och därigenom det till den i motorn befintliga vevaxeln överförda momentet. Ovanstående förändringar i tryckförloppet hos cylindern medför att motorn inte balanseras på samma sätt som om alla cylindrar nyttjas för konventionell drift. Detta ger upphov till att vibrationer genereras med ett väsentligt annorlunda frekvensinnehåll.

Motsvarande fenomen uppträder när en eller flera cylindrar ej längre utnyttjas för sitt huvudändamål av andra skäl.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN: Ändamålet med föreliggande uppfinning är att skapa en metod och en anordning som undertrycker vibrationer som genereras av en motor, i vilken någon eller några cylindrar används för annat ändamål än förbränning i syfte att reducera störande vibrationer i motorns omgivning, såsom ansluten drivlina och/eller fordonshytt.

Nämnda ändamål uppnås medelst en metod respektive en anordning enligt uppfinningen, vilkas kännetecken framgår av efterföljande patentkrav 1, 2 respektive 3 och 4. 10 15 20 25 30 35 512 556 F I GURSAMMANSTÄLLN ING = Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 schematiskt visar en del av ett lastfordon, som är försett med en anordning enligt uppfinningen, Fig. 2 schematiskt visar en förbränningsmotor som är försedd med en i anordningen enligt uppfinningen ingående bränsleenhet, Fig. 3 visar med ett diagram vridmomentsvariationer vid olika driftsförhållanden, Fig. 4-7 visar med olika vektordiagram exciterade vibrationsmoment vid olika driftsförhållanden, och Fig. 8 visar ett diagram över känslighet för vibrationsstörningarna. Även under normal drift alstrar en konventionell förbränningsmotor av typ kolvmotor, i ett motorfordon ett vridmoment som varierar under vevaxelns vridning över varvet. Detta beror på att varje cylinder genomgår över ett eller flera, vanligtvis två varv, olika takter vid olika vinkellägen för vevaxeln för olika cylindrar med bl a en kompressionstakt, som förbrukar energi och därmed skapar ett negativt vridmoment på vevaxeln, och en expansionstakt som tillför arbete till kolven och därmed skapar ett positivt vridmoment på vevaxeln. Med samtliga cylindrar arbetande i konventionell drift med jämn bränsletillförsel till samtliga cylindrar i en flercylindrig motor (tre eller fler cylindrar) är motorn höggradigt balanserad och ett minimum av låga vibrationsfrekvenser exciteras.

Uppfinningen hänför sig till förbränningsmotorer, som är inrättade att möjliggöra omställning av en eller flera av 10 15 20 25 30 35 '512 556 4 motorcylindrar till ett alternativt driftstillstånd, exempelvis som luftkompressor genom att blockera bränsletillförseln och därmed enbart tillföra luft, varvid utloppet omställes för matning av komprimerad luft till en tryckluftsreservoar, som utnyttjas för försörjning av tryckluftsdriven utrustning i fordonet, exempelvis bromssystemet. Som inledningsvis nämnts, förändras härvid expansionstakten, varvid den eller de omställda cylindrarnas vridmomentsvariation över vevaxelns vridningsvarv förändras.

Enligt uppfinningenxmotverkas vridmomentförändringen genom att de övriga (minst två) i normalt drifttillstånd arbetande vridmomentkurva över varvet förändras på ett sådant sätt att den genom omställningen av övriga driftstillstånd kompenseras och åstadkommes genom att bränslemängden till de drivande cylindrarna differentieras, dvs varje cylinder ges en specifikt vald mängd eller andel bränsle. Genom cylindrarnas cylindrars skapade obalansen kännedom om en förbränningsmotors verkningsgrad och övriga driftsdata föreligger ett bränslemängd och alstrat vridmoment hos respektive cylinder i dess expansionstakt. Genom ett stort antal försök eller entydigt samband mellan beräkningar kan konstateras hur vridmomenten skall fördelas störande drivande cylinder för att för varje vibrationsfrekvenser i motorn skall optimalt undertryckas, varigenom således differentieringen av bränslemängd kan beräknas. Differentieringen av bränslemängden sker såsom en procentuell differentiering och/eller såsonlen beräkning av absolut bränslemängd per cylinder och varv, baserat på ett sammanlagd bränslemängd per entydigt samband mellan förbränning och önskat genomsnittligt vridmoment på vevaxeln.

Styrsystemet för styrningen av den differentierade bränsletillförseln kan antingen utgöras av ett öppet 10 15 20 25 30 35 512 556 5 styrsystem med en styrenhet som uppvisar en stor mängd inlagrade data som beskriver bränslemängden individuellt för varje cylinder för olika driftspunkter såsom varvtal och.motorns belastningsnivå, framtagna genom en kombination av beräkningar och simuleringar, s k "mapping", eller ett adaptivt styrsystem med sensorer, som avkänner vibrationer i fordonet och via styrenheten styr den differentierade bränsletillförseln.

Fig. l åskådliggör i hög grad schematiskt de båda styrsystemen och visar en del av ett lastfordon 1, försett med en förbränningsmotor 2. Förbränningsmotorn är av typ förbränningsmotor för inre förbränning och av typ flercylindrig kolvmotor, som schematiskt visas j. en vy ovanifrån i Fig. 2. Motorn är vidare av sådan typ, som ger ett diskontinuerligt förbränningsförlopp och därigenom ett vridmoment för varje cylinder, vilket varierar över varvet.

I det visade exemplet är kolvmotorn av typ motor med fram- och återgående kolvar och med i det visade exemplet sex förbränningsenheter, dvs cylindrar 3-8. Vidare är motorn anordnad med en för alla cylindrar gemensam vevaxel med ett konventionellt vevvinkelmönster så att vridmomenttillskotten för cylindrarna infaller med inbördes vinkelförskjutning medförande att det resulterande vridmomentet på vevaxeln och därmed den utgående axeln blir så jämn som möjligt över ett vridningsvarv.

Som ovan nämnts är åtminstone en av cylindrarna, i det visade exemplet den femte cylindern 7 räknat framifrån omställbar driftstillstånd till ett alternativt tillstånd, i vilket cylindern 7 ej längre mellan normalt tjänstgör som drivenhet för fordonets framdrivning, utan används exempelvis som luftkompressor för drivning av tryckluftsdrivna hjälpsystenu i fordonet, exempelvis bromssystemet. För detta ändamål är den aktuella cylinderns inrättat att helt 7 bränsleinlopp 38 stängas vid 10 15 20 25 30 35 512 556 6 omställningen till detta alternativa tillstånd. För vissa ändamål, t ex snabbuppvärmning av katalysator i avgassystemet, kan bränsleinloppet 38 alternativt vara öppet i viss grad. Härvid är tändningen i cylindern 7 bortkopplad för genomsläpp av- oförbränt bränsle till katalysatorn. Vidare är cylindern förutom sitt avgasutlopp 11 försedd med ett medelst en ej visad ventil öppningsbart tryckluftsutlopp 12 som är anslutet till en ej visad tryckluftsreservoar. Som. ovan nämnts skapar detta alternativa tillstånd obalanser i motorn om inga särskilda åtgärder vidtages för att kompensera förändringen i vridmoment som uppstår hos cylindern 7 under motorns rotation.

För att reducera vibrationer hos motorn 2, som fortplantas till olika delar av ett fordon, t ex till drivlina och via fordonets chassi 13 till fordonets hytt 14 är enligt uppfinningen anordnat ett styrsystem, som differentierar, dvs individuellt fördelar bränslemängden till var och en av de cylindrar 3-6, 8, som arbetar i normalt driftstillstånd.

För detta ändamål är fordonet försett med ett styrsystem 15 som antingen kan vara centralt eller decentraliserat. Ett decentraliserat styrsystem kan t ex som i det här visade bestå av två vagnstyrenhet 16a och en Vagnstyrenheten l6a är avsedd att huvudsakligen bearbeta signaler från/till chasssi och hytt, medan motorstyren- heten l6b är avsedd att huvudsakligen avge utdata för styrning av motorns bränslesystem. Styrsystemet kan såsom ovan nämnts antingen utföras såsom ett öppet styrsystem eller ett slutet, öppna styrsystemet uppvisar en stor mängd inlagrade data, baserade på ett stort antal prövningar under olika driftsförhållanden, varvid mätning av vibrationsmoder i fordonshytten genomförts. I det öppna styrsystemet uppvisar Vagnstyrenheten l6a en ingång 17 som mottager insignal om exemplet styrenheter, nämligen en motorstyrenhet 16b. adaptivt styrsystem. Det Al 10 15 20 25 30 35 512 556 7 aktuellt gaspådrag, dvs är inrättad att avkänna gaspedalens 17 läge för att därigenom ge en styrinstruktion om önskat vridmoment på. motorns utgående axel 9. En 'ytterligare styringång 18 är inrättad att till vagnstyrenheten l6a inmata en styrsignal som indikerar lufttrycket i en tryckluftsreservoar 19 och därmed behovet av tryckluft för att styra omställningen mellan normalt driftstillstånd hos cylindern'7och alternativt driftstillstånd för alstring av tryckluft. I utförande med slutet, adaptivt styrsystem är anordnat en tredje styringång 20, som är indikerad med inrättad att till vagnstyrenheten l6a inmata en styrsignal från en punktstreckad linje och är vibrationssensor 21 i hytten 14, som därmed ger en direkt återkoppling av uppträdande vibrationer'i hytten, som skall undertryckas med styrsystemet enligt uppfinningen. Exempel på andra styrparametrar är motorvarvtal, fordonshastighet, aktuell växel etc.

Till vagnstyrenheten l6a är motorstyrenheten l6b ansluten med dubbelriktad kommunikation och inrättad att omvandla styrsignaler från vagnstyrenheten l6a på en ingång 22 till styrinstruktioner på ett antal utgångar 23-29 för dels differentiering, dvs fördelning av bränslemängden till de i normalt driftstillstånd arbetande cylindrarna 3-6, 8 och dels styrning av den omställbara cylindern 7 mellan sina båda driftstillstånd.

Som schematiskt visas i Fig. 1 och 2 är samtliga utgångar 23-29 och en returingång 30 symboliserade som en enda ledning 31 och är inrättade att styra bränsleinsprutningsenheter 45-50, som uppvisar inkommande bränsleledningar för tillförsel av bränsle till respektive inlopp 34, 35, 36, 37, 38, 39 till varje cylinder 3-8.

Fig. 3 visar med ett diagram vridmomentsvariationerna över två varv hos vevaxeln i en dieselmotor, vilket åtgår för l| U H llll-IIII-MIII *UI H* IIIHIU 10 15 20 25 30 35 512 556 8 att samtliga cylindrar i en sexcylindrig dieselmotor skall genomlöpa samtliga takter. Kurvan 51 visar en huvudsakligen sinusformig, regelbunden 3:e ordningens vridmomentkurva vid normalt driftstillstånd hos samtliga sex cylindrar, medan kurvan 52 visar ett tillstånd där EAC (Engine Air Compressor), är aktiverat, se patent nr 467 503, dvs kompressortillstånd råder hos den femte cylindern 7, varvid exciteras vridmomentförhöjning vid vissa gradtal hos vevaxeln. Kurvorna 53 och 54 visar ett tillstånd enligt uppfinningen, där differentierade bränslemängder skapat förhöjda vridmoment vid vissa vevvinkelgradtal, varvid bränslemängderna har valts så att 0.5:e ordningens vibrationer undertryckta, se kurva 53, respektive 0.5:e och l.5:e ordningens vibrationer undertryckts, se kurva 54, vilket närmare skall diskuteras nedan.

Provningar och beräkningar har visat att samtliga vibrationsanordningar ej kan undertryckas vid en och samma driftssituation. Detta framgår av vektordiagrammen i Fig. 4, 5, 6 och 7, som visar vridmomentstörningar vid dels sex-cylindrigt drifttillstånd, dvs driftstillstånd, Fig. 4, dels luftkompressortillstånd hos ordinarie femte cylindern utan vibrationsreducering, Fig. 5, dels luftkompressortillstånd hos femte undertryckning av 0,5:e ordningens vibrationsmoder, Fig. 6, och dels luftkompressortillstånd med undertryckning av cylindern med 0.5:e och l.5:e ordningens vibrationer Fig. 7. Fig. 4a, b och c visar att ej några vibrationer exiteras vid 0.5:e, l,O:e respektive l.5:e ordningens vibrationer, medan däremot enligt Fig. 4d 3.0:e ordningens vibrationer ej undertrycks. Dessa är i allmänhet av sådan frekvens, att de ej ger någon störande fortplantning av vibrationer till fordonshytten.

Fig. 5 visar att vibrationer exciteras vid såväl 0.5:e som l.0:e, l.5:e och 3.0:e ordningens vibrationer, vilket ål 10 15 20 25 30 35 512 556 9 således i praktiken ger en kraftigt märkbar fortplantning av vibrationer till fordonshytten.

I driftsfallet enligt Fig. 6 har valts en bestämd differentiering, dels fördelning av bränsletillförseln till de olika i normaldrift varande cylindrarna 3-6, 8 med sådana valda flödesmängder, att 0.5:e ordningens vibrationer undertryckts, se Fig. Ga. Fig. 6b, c och d visar att 1.0:e, l.5:e och 3.0:e ordningens vibrationer ej är undertryckta.

Fig. 7 visar ett driftsfall med sådan differentiering av bränslemängden att följande ordningar undertrycks. Fig. 7a visar 0.5:e ordningens vibrationer, som är relativt väl undertryckta, Fig. 7b visar 1.0:e ordningens vibrationer son! ej är undertryckt, Fig. 7c visar l.5:e ordningens vibrationer som är relativt väl undertryckt, medans slutligen Fig. 7d visar 3.0:e ordningens vibrationsmod som är relativt begränsat undertryckt.

Beräkningar och försök har visat att en fördelning av bränslemängden i samma proportioner som vektorernas längd har givit den motsvarande undertryckning av vibrationer som uppnåtts i de olika driftsfallen.

Prov med lika stora respektive differentierade bränslemängder har genomförts under olika varvtal och olika belastningsförhållanden varvid erhölls beräknat moment som visar den ovan beskrivna undertryckningen av vibrationer vid vissa vibrationsordningar. Exempel på värden framgår av nedanstående tabell. lmllllun w wmlln 'n -| M ' H 512 556 www uwucwëoš ofløcxwuwn uwv »Emm wøHm\mE ofl H uwUmcwEwHm=mun wvøumflucøuwuuflu zoo øxflfl N H wqß -H Hm mm W» @wH ~.H~ u @Hß HH @~H HHH HHH 0 H~.HH umu ~.HH m.>~ O ~.- m.°| .««Hv Qom az Q Hmß ßw ww Hm Hm mm °.mH u Nøfiø mmm @HH HH w-H Hm wmH Q uæw 0 m.@mH o.mo~ ~.H>H m.°| .HHHu _°o~H mom MHH NHH HH» Hmw Q m.Hw um @.~°~ m.°1 .««Hv _°°~H wow www HQN mmm ~°« Hm« æßq ~.>HH uHH ~.>HH ~.~HH ~.>HH »møHHwQ .saw °°~H omm mv m@H ~ßH ~m~ Q ~.- uæu °.mH ~.m~ Q H.°« m.°| .««Hv _°°@H az O Hmw ~HH HNH w~H HHH HHH °.w~ uæm °.«~ Q.«~ °.«~ °.H~ »w«HHoz _em~ OOQH m.H H m.°| Hmm HWH ßmw am mom @~H >.«@H u<ø m.w~H H.«HH Q ~.@~H .wuflu sm» _Q°@H m.°| QHH om How »Hm Ham Q ~.mHH uæu m.mHH m.~@H w.H ~.°@H .wHHn enn .OQHH »OH HHM HQN Hmm omm Nmv oßq °.HHH uæm o.HHH Q.HHH °.HHH °.HHH »w@HHwn em» QQHH Ez Ez Ez Ez Ez Ez Hm\mE Hm\mE Hm\wE Hm\mE Hw\mE Hm\mE m Hæo mm udm M m.~ N m.H H m.o w H»u m HHU H HHU H H>u H H>u H H>u w~o|~H nu Houoz .m|m.o øcuømcflcuuo noë HHøwumx ønmsofiumuw "HHwnøa 10 512 556 ll Fig. 8 visar olika vibrationsfrekvenšers inverkan pga t ex chassiets egenfrekvens. Härav framgår att inverkan varierar starkt med frekvensen, vilket ligger till grund för valet av undertryckning av vissa vibrationsordningar. Sådana ordningar som ger stora vibrationsamplituder i omgivande fordonsdelar prioriteras gentemot de ordningar som ger små amplituder.

Av försöken har konstaterats att en vald differentiering av bränslemängden till de olika cylindrarna ger en undertryckning av vissa vibrationer och därmed råder överenskommelse mellan teoretiskt beräknade exciterande vridmoment och uppmätta vibrationer.

I I l Illllï

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 512 556 12 PATENTKRAV:

1. Metod för reducering av vibrationer uppkomna hos en förbränningsmotor (2) vilken uppvisar åtminstone tre till en gemensam utgående axel (9) anslutna drivenheter (3-8), som innefattar en förbränningskamare och inlopp (34-39) för bränsle från organ för bränsleförsörjning och åtminstone en av drivenheterna (7) är omställbar från driftstillstånd till ett driftstillstånd, där drivenheten används för annat ändamål normalt alternativt än förbränningsmotordrift, i vilket bränsletillförseln till nämnda drivenhet är blockerad, medförande en förändring av den omställda drivenhetens vridmoment, k ä n n e t e c k n a d av att den till de i normalt driftstillstånd tillförda bränslemängden fördelas efter ett valt mönster, så att arbetande drivenheterna bränslemängderna differentieras till de i normalt driftstillstånd arbetande drivenheterna, för att hos dessa excitera vridmoment som ger en vald undertryckning av vibrationer.

2. Metod för reducering av vibrationer uppkomna hos en förbränningsmotor (2) vilken uppvisar åtminstone tre till en gemensam utgående axel (9) anslutna drivenheter (3-8), som innefattar en förbränningskammare och inlopp (34-39) för bränsle från organ för bränsleförsörjning och åtminstone en av drivenheterna (7) är omställbar från normalt driftstillstånd till ett driftstillstånd medförande en förändring av den omställda alternativt drivenhetens vridmoment, k ä n n e t e c k n a d av att den till de i normalt driftstillstånd arbetande drivenheterna tillförda bränselmängder fördelas efter ett valt mönster, så fat bränslemängderna differentieras till de i normalt driftstillstånd arbetande drivenheterna, för 10 15 20 25 30 35 512 556 13 att hos dessa excitera vridmoment som ger en vald undertryckning av vibrationer.

3. Anordning för reducering av vibrationer uppkomna hos en förbränningsmotor (2) vilken uppvisar åtminstone tre till en gemensam utgående axel (9) anslutna drivenheter (3- 8), som innefattar en förbränningskammare och inlopp (34- 39) för' bränsle från. organ för' bränsleförsörjning och åtminstone en av drivenheterna (7) är omställbar från normalt driftstillstånd till ett driftstillstånd, där drivenheten används för annat ändamål än förbränningsmotordrift, i vilket bränsletillförseln till nämnda drivenhet är blockerad, medförande en förändring av den omställda drivenhetens vridmoment, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar ett styrsystem (15) alternativt inrättat att, utgående från val av de vibrationer som skall undertryckas och ett valt medelvridmoment efter ett valt mönster fördela bränslet, så att bränslemängderna differentieras till de i normalt driftstillstånd arbetande drivenheterna (3-6, 8).

4. Anordning för reducering av vibrationer uppkomna hos en för framdrivning av ett fordon avsedd förbränningsmotor (2) vilken uppvisar åtminstone tre till en gemensam utgående axel (9) anslutna drivenheter (3-8), som innefattar en förbränningskammare och inlopp (34-39) för bränsle från organ för bränsleförsörjning och åtminstone en av drivenheterna (7) är omställbar från normalt driftstillstånd till ett driftstillstånd medförande en förändring av den omställda alternativt drivenhetens vridmoment, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar ett styrsystem (15) inrättat att, utgående från val av de vibrationer som skall undertryckas och ett valt medelvridmoment efter ett valt mönster fördela bränslet, så att bränslemängderna differentieras till de i normalt driftstillstånd arbetande drivenheterna (3-6, 8). IH \ UM W Il H \ H\l\ III 512 556 14

5. Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda styrsystem (15) är ett adaptivt system med åtminstone en på en del av fordonet anbragt sensor (21) för att avkänna och 'till styrsystemet inmata styrinformation om uppträdande vibrationer.