МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ РЯДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК F02B75/20 F16F15/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к многоцилиндровому рядному двигателю внутреннего сгорания для моторного транспортного средства, содержащему коленчатый вал, вращающийся вокруг оси коленчатого вала во время работы двигателя внутреннего сгорания, и компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образуемых на коленчатом валу вращающимися массами. Также изобретение относится к способу эксплуатации такого многоцилиндрового однорядного двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

В многоцилиндровом рядном двигателе внутреннего сгорания, имеющем, например, три цилиндра, для того, чтобы снизить или предотвратить образование вибраций (особенно при возмущении первого порядка), используют противовес или компенсирующие устройства. Такие вибрации коленчатого вала вызывают первый и третий цилиндры, особенно в виде инерциальной пары сил.

Из патентной заявки Германии № DE 10245376 А1 известен коленчатый вал для трехцилиндрового рядного поршневого возвратно-поступательного двигателя, в котором предусмотрены две компенсирующие массы, образующие угол 180° и создающие равные, противоположно направленные уравновешивающие силы, для того, чтобы снизить нагрузку на подшипники коленчатого вала, причем уравновешивающие силы формируют компенсационную плоскость, составляющую угол 30° с первым коленом кривошипа.

Другой способ заключается в том, чтобы принимать высокую степень вибрации трансмиссии в продольном направлении (т.е. высокая степень так называемых «возмущений рыскания», поперечных колебаний) для ответного достижения малых возмущений трансмиссии в вертикальном направлении (т.е. малой степени «возмущений тангажа», вертикальных колебаний). Хотя данный подход в принципе является эффективным по отношению к меньшим вибрациям на направляющей сиденья и рулевом колесе, вызываемым работой коробки передач транспортного средства, на практике могут возникнуть проблемы в ситуациях или при маневрах, когда высокие предварительные нагрузки действуют на подвеску двигателя, как в случае, когда осуществляют старт с места на первой передаче, особенно на склоне или при наличии прицепа, поскольку устойчивость зависящей от нагрузок опоры двигателя значительно возрастает в подобных ситуациях. Следовательно, частота колебаний жесткого корпуса трансмиссии в направлении вдоль автомобиля (т.е. «поперечных колебаний») увеличивается от значения, изначально меньшего, чем частота вращения двигателя на холостом ходу, до значения в диапазоне нормальных частот вращения двигателя во время езды (например, до 2500 об/мин). В результате изоляция по отношению к возмущениям первого порядка в продольном направлении транспортного средства значительно снижается. В то же время сильные возмущения в основной системе сгорания (полуторный порядок для трехцилиндровых рядных двигателей) возникают в продольном направлении автомобиля из-за высоких нагрузок во время сгорания. В результате сильные возмущения первого и полуторного порядка приводят к модуляции и возникновению неприятного шума двигателя, а также явных вибраций на направляющей сиденья. Соответственно существует необходимость оптимизировать характер вибрации трансмиссии при совершении маневров, которые создают высокие предварительные нагрузки на опоры двигателя.

В принципе, для решения описанных выше проблем можно использовать дополнительный балансировочный вал для устранения возмущений двигателя первого порядка. Однако данное решение увеличивает сложность, а следовательно, и расходы, а также трение и износ двигателя внутреннего сгорания.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания для транспортного средства и способ его эксплуатации, которые позволяют улучшить показатели вибрации, особенно при старте с места, при сравнительно небольшом усложнении устройства.

Раскрытие изобретения

Данная цель достигается за счет использования многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания по изобретению и способа его использования.

В соответствии с изобретением многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания для транспортного средства содержит коленчатый вал, вращающийся вокруг оси коленчатого вала во время работы двигателя внутреннего сгорания, совокупность колен кривошипа, следующих друг за другом вдоль оси коленчатого вала, каждое колено кривошипа связано с соответствующим цилиндром в двигателе внутреннего сгорания, и компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образованных на коленчатом валу вращающимися массами, причем компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающие массы.

Многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания характеризуется тем, что он содержит устройство для изменения положения хотя бы одной из уравновешивающих масс относительно коленчатого вала в зависимости от частоты вращения двигателя.

Изобретение основано, в частности, на концепции снижения вибрации трансмиссии в продольном направлении транспортного средства (т.е. «возмущения рыскания») в ситуациях и при маневрах, в которых на подвеску двигателя действуют высокие предварительные нагрузки, и принятия сильных вибраций трансмиссии в продольном направлении автомобиля только при отсутствии указанных высоких предварительных нагрузок (например, на холостом ходу). Данный подход начинается с признания того факта, что, в принципе, как поясняется во введении, доказано, что практически 100% компенсация поступательных объемных сил, сопровождающихся высокой степенью вибрации в продольном направлении одновременно со сравнительно небольшими возмущениями в вертикальном направлении, является благоприятной за счет функции коробки передач в транспортном средстве и определенно приводит к значительно меньшим вибрациям на направляющей сиденья и рулевого колеса, чем, например, только с 30% или 50% компенсацией поступательных объемных сил. Однако данный подход также учитывает дальнейшую реализацию, предусматривающую необходимость модификации компенсации инерционных сил, образованных на коленчатом валу за счет вращающихся масс в ситуациях, в которых образуются высокие предварительные нагрузки на подвеске двигателя. Таким образом, в соответствии с изобретением для снижения вибрации трансмиссии в продольном направлении транспортного средства в ситуациях, когда образуются высокие предварительные нагрузки на подвеску двигателя (т.е., например, при старте с места, особенно при уклоне или буксировании прицепа), эффект порядка компенсации, предусмотренного для по меньшей мере частичного компенсирования инерционных сил, образующихся на коленчатом валу вращающимися массами, осуществляется в зависимости от частоты вращения двигателя, на которую, в свою очередь, влияет изменение положения по меньшей мере одной из уравновешивающих масс относительно коленчатого вала.

Устройство для изменения положения по меньшей мере одной из уравновешивающих масс может быть сконструировано, в частности, для изменения расстояния от по меньшей мере одной уравновешивающей массы до коленчатого вала, в радиальном направлении относительно оси коленчатого вала в зависимости от частоты вращения двигателя.

Уравновешивающая масса, положение которой относительно коленчатого вала изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя, может представлять собой, в частности, уравновешивающую массу, расположенную на ременном шкиве.

В контексте данного изобретения для исключения возмущения двигателя первого порядка можно предпочтительно обойтись без дополнительного балансирного вала, что является преимуществом в том числе с точки зрения стоимости.

Многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания может, в частности, представлять собой трехцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания.

В соответствии со следующим аспектом изобретение относится к способу эксплуатации многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания для моторного транспортного средства, который содержит коленчатый вал, который вращается вокруг оси коленчатого вала во время работы двигателя внутреннего сгорания, совокупность колен кривошипа, которые следуют друг за другом вдоль оси коленчатого вала, причем каждое колено кривошипа связано с соответствующим цилиндром в двигателе внутреннего сгорания, и компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образованных на коленчатом валу вращающимися массами, причем компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающие массы, а положение по меньшей мере одной уравновешивающей массы изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя.

В соответствии с одним из вариантов на данное изменение влияют, по меньшей мере временно, таким образом, что расстояние от одной из уравновешивающих масс до коленчатого вала в радиальном направлении по отношению к оси коленчатого вала возрастает с ростом частоты вращения двигателя.

В соответствии с одним из вариантов компенсация поступательных объемных сил, достигаемая за счет компенсирующего устройства, снижается с ростом частоты вращения двигателя.

В соответствии с одним из вариантов при частоте вращения холостого хода двигателя внутреннего сгорания уравновешивающие массы расположены таким образом, что компенсация образующихся на коленчатом валу инерционных сил, достигаемая за счет компенсирующего устройства, соответствует компенсации поступательных объемных сил по меньшей мере на 90%, более предпочтительно - на 95%, еще более предпочтительно - на 100%.

Дальнейшие конфигурации изобретения являются очевидными на основании описания и зависимых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Более подробно изобретение поясняется ниже со ссылками на предпочтительные реализации и прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение коленчатого вала для трехцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания, снабженного компенсирующим устройством;

Фиг.2 представляет собой схематичный вид сбоку устройства, показанного на Фиг.1, и

Фиг.3 представляет собой схематичный вид сбоку, иллюстрирующий работу двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг.1, двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, содержащий три цилиндра 1, 2 и 3 и поршни 4, 5 и 6, движущиеся в них, имеет коленчатый вал 10, который во время работы двигателя внутреннего сгорания вращается вокруг оси 15 коленчатого вала, расположенной в направлении оси X в указанной системе координат, и три колена 11, 12 и 13 кривошипа, следующие друг за другом вдоль упомянутой оси 15 коленчатого вала, и представленные в упрощенной форме в виде линий на Фиг.1, где колена 11, 12 и 13 кривошипа обычно распределены вокруг оси 15 коленчатого вала с угловым интервалом 120°.

Ременной шкив обозначен позицией 21, а маховик двигателя внутреннего сгорания - позицией 22.

Как показано на Фиг.1, дополнительно предусмотрено компенсирующее устройство, содержащее две уравновешивающие массы 31, 32. Данное компенсирующее устройство служит для того, чтобы по меньшей мере частично компенсировать инерционные силы, образующиеся на коленчатом валу 10 за счет вращающихся масс. Несмотря на то, что на Фиг.1 не показано, дополнительные уравновешивающие массы или противовесы в дополнение к уравновешивающим массам 31, 32 можно расположить, например, на коленах 11 и 13 кривошипа.

В представленном примере осуществления уравновешивающие массы 31, 32 расположены под углом около 180° (например, 180°±5°) друг к другу, т.е. в общей плоскости, перпендикулярной оси 15 коленчатого вала.

Более того, одна уравновешивающая масса 31 из этих уравновешивающих масс 31, 32 расположена на ременном шкиве 21, а другая уравновешивающая масса 32 - на маховике 22. Следовательно, расстояние между уравновешивающими массами 31, 32 по оси 15 коленчатого вала, в осевом направлении, больше максимального расстояния между двумя внешними коленами кривошипа или двумя удаленными на максимальное в осевом направлении друг от друга расстояние коленами 11 и 13. В принципе, в такой конструкции компенсация инерционных сил, образовавшихся на коленчатом валу 10, достигаемая за счет компенсирующего устройства, может быть отрегулирована таким образом, чтобы соответствовать компенсации поступательных объемных сил хотя бы на 80%, более предпочтительно - на 90%, еще более предпочтительно - на 100%. Однако в соответствии с изобретением хотя подобное поведение компенсирующего устройства достигается для частоты вращения холостого хода двигателя внутреннего сгорания, его меняют при более высоких скоростях (например, при старте с места).

Для этого, как схематично показано на Фиг.3, предусмотрено устройство, которое изменяет положение по меньшей мере одной уравновешивающей массы 31 относительно коленчатого вала 10 в зависимости от частоты вращения двигателя. В данном примере осуществления (не ограничивающем объем изобретения) такой уравновешивающей массой, положение которой изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя, является уравновешивающая масса 31, установленная на ременном шкиве 21.

В соответствии с изобретением на изменение положения уравновешивающей массы 31 относительно коленчатого вала 10 влияет в данном примере изменение расстояния от этой уравновешивающей массы 31 до коленчатого вала 10 в радиальном направлении относительно оси 15 коленчатого вала. Позиция 25 схематично изображает пружину, которая соединяет уравновешивающую массу 31 с коленчатым валом 10. На Фиг.3 положение соответствующей уравновешивающей массы 31 показано только схематично и только в качественном отношении для двух разных положений. Положение, обозначенное буквой «А», соответствует, например, положению при частоте вращения холостого хода двигателя внутреннего сгорания, а положение, обозначенное буквой «В» (и изображенное в виде пунктирной линии), соответствует ситуации при возрастании частоты вращения относительно частоты холостого хода (например, до 2500 об/мин).

В результате в соответствии с изобретением компенсация поступательных объемных сил, достигаемая за счет компенсирующего устройства, может быть снижена при увеличении частоты вращения двигателя для того, чтобы учесть, например, ситуации с высокими предварительными нагрузками на подвеску двигателя, имеющие место, например, при старте с места на первой передаче.

Изобретение может быть использовано в рядных двигателях внутреннего сгорания, применяемых для моторных транспортных средств. Многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания для моторного транспортного средства содержит коленчатый вал (10), выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси (15) во время работы двигателя, совокупность колен (11, 12, 13) кривошипа, расположенных друг за другом вдоль оси коленчатого вала. Каждое колено (11, 12, 13) кривошипа связано с поршнями соответствующего цилиндра (1, 2, 3) двигателя. Двигатель снабжен компенсирующим устройством для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образуемых на коленчатом валу (10) вращающимися массами. Компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающих массы (31, 32). Имеется устройство для изменения положения по меньшей мере одной уравновешивающей массы (31) относительно коленчатого вала (10) в зависимости от частоты вращения двигателя. Раскрыт способ эксплуатации в транспортном средстве многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в уменьшении частоты колебаний жесткого корпуса трансмиссии в направлении вдоль транспортного средства при изменении частот вращения двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания для моторного транспортного средства, содержащий:
коленчатый вал (10), выполненный с возможностью вращения вокруг оси (15) коленчатого вала во время работы двигателя внутреннего сгорания, совокупность колен (11, 12, 13) кривошипа, расположенных друг за другом вдоль оси коленчатого вала, каждое колено (11, 12, 13) кривошипа связано с соответствующим цилиндром (1, 2, 3) в двигателе внутреннего сгорания, и
компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образуемых на коленчатом валу (10) вращающимися массами, причем компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающих массы (31, 32),
устройство для изменения положения по меньшей мере одной уравновешивающей массы (31) относительно коленчатого вала (10) в зависимости от частоты вращения двигателя.

2. Двигатель по п. 1, в котором устройство для изменения положения по меньшей мере одной уравновешивающей массы выполнено с возможностью изменять расстояние между хотя бы одной уравновешивающей массой (31) и коленчатым валом (10) в радиальном направлении (15) в зависимости от скорости вращения двигателя.

3. Двигатель по п. 1 или 2, в котором устройство для изменения положения по меньшей мере одной уравновешивающей массы выполнено с возможностью изменять положение уравновешивающей массы (31, 32), установленной на ременном шкиве (21) относительно коленчатого вала (10) в зависимости от частоты вращения двигателя.

4. Двигатель по п. 1, в котором устройство для изменения положения по меньшей мере одной из уравновешивающих масс (31) включает в себя пружину (25).

5. Двигатель по п. 1, который представляет собой трехцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания.

6. Способ эксплуатации в транспортном средстве многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания, содержащего коленчатый вал (10), вращающийся вокруг оси (15) коленчатого вала во время работы двигателя внутреннего сгорания, совокупность колен (11, 12, 13) кривошипа, расположенных друг за другом по оси (15) коленчатого вала, причем каждое колено (11, 12, 13) кривошипа связано с соответствующим цилиндром (1, 2, 3) в двигателе внутреннего сгорания, и компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации внутренних сил, образуемых на коленчатом валу (10) вращающимися массами; причем компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающих массы,
в котором положение хотя бы одной уравновешивающей массы (31) изменяют в зависимости от частоты вращения двигателя.

7. Способ по п. 6, в котором указанное изменение положения уравновешивающей массы заключается в том, что при увеличении частоты вращения двигателя по меньшей мере на время увеличивают расстояние от по меньшей мере одной уравновешивающей массы (31) до коленчатого вала (10) в радиальном направлении относительно оси коленчатого вала (15).

8. Способ по любому из пп. 6 или 7, в котором указанное изменение положения уравновешивающей массы заключается в том, что при увеличении частоты вращения двигателя по меньшей мере на время уменьшают компенсацию поступательных объемных сил, достигаемую за счет компенсирующего устройства.

9. Способ по п. 6, в котором при частоте холостого хода уравновешивающие массы (31, 32) располагают таким образом, чтобы компенсация образуемых на коленчатом валу (10) инерционных сил, достигаемая за счет использования компенсирующего устройства, соответствовала компенсации поступательных объемных сил по меньшей мере на 90%, более предпочтительно - на 95%, еще более предпочтительно - на 100%.