МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ РЯДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
MULTI-CYLINDER IN-LINE INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

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 вале 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 в виде инерциальной пары сил. При этом вращающий момент при так называемом «возмущении рыскания» (поперечных колебаниях) направлен параллельно направлению или оси цилиндров, а при так называемом «возмущении тангажа» (вертикальных колебаниях) направлен перпендикулярно направлению или оси цилиндров, а также оси коленчатого вала. При этом отношение рыскания к тангажу может регулироваться с помощью балансировочных масс или 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.
Кроме такого подхода также эффективным был признан подход, в котором практически на 100% компенсируют линейные силы инерции, что связано с высоким уровнем вибрации в продольном направлении транспортного средства при одновременных сравнительно малых колебаниях в вертикальном направлении, благодаря передаточным функциям транспортного средства, так как было обнаружено, что в этом случае наблюдаются значительно меньшие колебания в области направляющей сиденья и рулевом колесе по сравнению с вышеописанным подходом, использующим 30% или 50% балансировку линейных сил инерции. Для достижения практически стопроцентной компенсации линейных инерционных сил приходится учитывать относительно большие колебания трансмиссии в продольном направлении транспортного средства, то есть с высокой степенью возмущения рыскания, чтобы достичь при этом незначительных колебаний трансмиссии в вертикальном направлении, то есть незначительной степени возмущений тангажа.
Однако на практике возникает проблема, что стопроцентное рыскание все еще приводит к нежелательному остаточному возмущению тангажа, который может быть обозначен как «индуцированный момент рыскания» тангажа, благодаря недиагональным элементам в матрице инерционных характеристик трансмиссии. Это в свою очередь приводит к тому, что для уменьшения нежелательного тангажа необходимо использовать демпфер колебаний для сокращения возникающих амплитуд колебаний трансмиссии в вертикальном направлении.
Принимая во внимание вышеописанные известные решения и связанные с ними проблемы, задачей настоящего изобретения является разработка многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания для транспортного средства, а также способа его эксплуатации, которые позволят дополнительно улучшить устойчивость к вибрациям транспортного средства.
Раскрытие изобретения
Данная задача решается с помощью многоцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения и способа эксплуатации.
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, где каждое колено кривошипа связано с соответствующим цилиндром в двигателе внутреннего сгорания, и компенсирующее устройство для по меньшей мере частичной компенсации инерционных сил, образовываемых на коленчатом валу вращающимися массами, причем компенсирующее устройство содержит по меньшей мере две уравновешивающие массы. При этом уравновешивающие массы расположены с учетом тензора инерции таким образом, что возникающий во время работы двигателя внутреннего сгорания вектор колебания трансмиссии находится под углом γ≠0 относительно вертикали, причем в результате возмущение тангажа трансмиссии меньше, чем в варианте с вертикально направленным вектором колебания.
Более конкретно, в основе изобретения лежит концепция уменьшения значения остаточного тангажа путем изменения направления результирующего колебания соответствующим образом, что на практике осуществляют путем выбора угла, под которым располагаются уравновешивающие массы по отношению к остальной конструкции из коленчатого вала, маховика и ременного шкива. Данное изменение направления колебания или положения уравновешивающих масс осуществляют в зависимости от обратной матрицы тензора инерции конструкции. Более того, преобразование осуществляют таким образом, что получают уменьшенное возбуждение колебаний рыскания трансмиссии по сравнению со стопроцентным возбуждением, для того, чтобы в свою очередь уменьшить таким образом уровень остаточных колебаний тангажа. Вследствие этого возмущения первого порядка холостого хода будут уменьшены или сведены к минимуму за счет таких колебаний тангажа.
Благодаря уменьшению колебаний тангажа трансмиссии в свою очередь становится возможным уменьшить вибрации, возникающие на холостом ходу в области направляющей сиденья и рулевого колеса, а также снизить степень демпфирования в соответствующей области частот колебания тангажа трансмиссии.
1
2
В соответствии с одним вариантом выполнения первая и вторая уравновешивающие массы каждая расположены смещенными относительно первого колена кривошипа на первый азимутальный угол α или второй азимутальный угол α соответственно, в направлении, азимутальном по отношении к оси коленчатого вала, причем эти азимутальные углы выбирают таким образом, что во время работы двигателя внутреннего сгорания возникает минимальное колебание тангажа трансмиссии.
1
1
2
2
В соответствии с одним вариантом выполнения для первого азимутального угла α выполняется условие α≠30° и/или для второго азимутального угла α выполняется условие α≠210°.
Многоцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания может, в частности, представлять собой трехцилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания.
1
1
2
1
1
2
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, причем первая уравновешивающая масса и вторая уравновешивающая масса каждая расположены смещенными относительно первого колена кривошипа на первый азимутальный угол α или второй азимутальный угол 0,2 соответственно, в направлении, азимутальном по отношении к оси коленчатого вала, и в котором первый азимутальный угол α и второй азимутальный угол α выбирают таким образом, что для первого азимутального угла α выполняется условие α≠30°, и/или для второго азимутального угла 0,2 выполняется условие α≠210°.
1
2
В соответствии с одним вариантом первый азимутальный угол α и второй азимутальный угол α выбирают в соответствии с обратными матрицами тензора инерции конструкции таким образом, что во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания возникает минимальное колебание тангажа трансмиссии.
Дальнейшие варианты воплощения изобретения представлены в нижеследующем описании, а также зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее будут более подробно рассмотрены предпочтительные варианты воплощения изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1а-b представляют собой схематическое изображение коленчатого вала с противовесом для двигателя внутреннего сгорания с тремя цилиндрами;
Фиг.2-3 представляют собой диаграммы, поясняющие принцип работы изобретения.
Осуществление изобретения
Согласно Фиг.1а-b соответствующий изобретению двигатель внутреннего сгорания, имеющий три цилиндра 1, 2 и 3 и поршни 4, 5 и 6, которые могут передвигаться внутри них, имеет коленчатый вал 10, который во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания вращается вокруг оси 15 коленчатого вала, проходящей в направлении оси Х в указанной системе координат, и три колена 11, 12 и 13 кривошипа, представленные в упрощенной форме в виде линий на Фиг.1 и следующие друг за другом вдоль указанной оси 15 коленчатого вала, и обычно распределены вокруг оси 15 коленчатого вала с угловыми интервалами 120°.
Как показано на Фиг.1b, в конструкции 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. На Фиг.1b позицией 21 обозначен ременный шкив, а позицией 22 - маховик в двигателе внутреннего сгорания. Одна из уравновешивающих масс 31 расположена на ременном шкиве 21, а другая масса 32 - на маховике 22. 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 коленами 11 и 13, удаленными друг от друга на максимальное в осевом направлении расстояние.
На Фиг.1а указаны направления движения рыскания, крена и тангажа. Для (результирующего) вектора вращающего момента , являющегося произведением тензора инерции Θ и углового ускорения
применимо уравнение
причем угловое ускорение  определяется по формуле:
а тензор инерции Θ определяется как
В соответствии с изобретением конструкция и, в особенности, угол, под которым находятся уравновешивающие массы по отношению к остальной конструкции, содержащей коленчатый вал, маховик и ременной шкив, выполнена таким образом, что, с учетом тензора инерции, во время работы двигателя внутреннего сгорания возникает минимальное вращение центра тяжести конструкции в соответствии с колебаниями тангажа, то есть
На практике, как далее будет более подробно объяснено, это может достигаться соответствующим изменением угла между уравновешивающими массами, имеющимися в конструкции по изобретению, и коленами кривошипа.
На основании вышеприведенных уравнений получается:
,
а также
1
2
Обычно уравновешивающие массы 31, 32 располагают под углом 180° друг к другу, то есть в одной плоскости, перпендикулярной оси 15 коленчатого вала, причем образуемая уравновешивающими массами балансировочная плоскость образует угол 30° с первым коленом кривошипа. Другими словами, соответствует обычной практике смещение первой уравновешивающей массы 31 на первый азимутальный угол α=30°, а второй уравновешивающей массы 32 на второй азимутальный угол а-α=210° по отношению к первому колену кривошипа. В принципе, достигаемое в такой конструкции с помощью балансирующего устройства уравновешивание образуемых коленчатым валом 10 сил инерции может быть установлено таким образом, что будет соответствовать стопроцентной компенсации линейных сил инерции.
1
2
1
2
В соответствии с изобретением, для уменьшения остаточных колебаний тангажа трансмиссии, по меньшей мере один из углов α и α, под которыми находятся уравновешивающие массы 31, 32 по отношению к коленчатому валу 10, маховику 22 и ременному шкиву 21, отличается от вышеописанного предпочтительного расположения 30°/210°, что в свою очередь зависит от обратных матриц тензора инерции конструкции. При этом первый азимутальный угол α и второй азимутальный угол α выбирают таким образом, чтобы по сравнению со стопроцентным возбуждением было получено уменьшенное возбуждение колебаний рыскания трансмиссии, при этом в свою очередь остаточные колебания тангажа трансмиссии минимизированы.
2
2
2
2
2
Как можно увидеть на Фиг.2а и 2b для правой или левой подвески соответственно, с помощью соответствующей изобретению модификации положения уравновешивающих масс 31, 32 может быть достигнуто существенное уменьшение колебаний трансмиссии в вертикальном направлении по сравнению с обычным или номинальным значением. В данном контексте в каждом случае значения второго азимутального угла α уравновешивающей массы 32 на маховике 22 показаны на кривых «А»-«Е». Согласно Фиг.2а и 2b значительное уменьшение достигается при α=190° и α=200°. На Фиг.3а и 3b показано уменьшение вибраций, которое происходит на направляющей сиденья, что также является наиболее выражено при α=190° и α2=200°.