用于平衡内燃机的惯性力的方法和实施这种方法的内燃机技术

提供了用于平衡发动机的实施例。在一个实例中，用于平衡具有至少一个汽缸的内燃机的曲轴驱动的惯性力的方法包括：提供具有至少一个配重的至少一个平衡单元，至少一个配重用作非平衡并且当平衡单元运转时绕旋转轴旋转，至少一个平衡单元构造成可切换平衡单元；以及根据内燃机的至少一个操作参数来开启至少一个平衡单元。

【技术实现步骤摘要】
用于平衡内燃机的惯性力的方法和实施这种方法的内燃机相关申请的交叉参考本申请要求于2011年8月8日提交的德国专利申请第102011080601.6号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
本专利技术涉及用于平衡内燃机的曲轴驱动装置的惯性力(massforce)的方法。
技术介绍
对于机动车和内燃机的设计和结构来说，振动变得日益重要。另外，还试图影响和调整由内燃机所产生的噪音。根据噪音设计的理念，还综合了与此相关的一些措施。内燃机声音或车辆噪音对客户在购买车辆时的购买决定起了主要的、决定性的影响，这种认知也推动了这种研发工作。例如，跑车驾驶员更喜欢那种以噪音彰显车辆或发动机运动特征的车辆。在噪音设计的范围内，补偿(例如去除或消除)振动，或者隔离、滤除特定频率的独立振动，并且如果有必要的话，则对特定频率的独立振动进行建模。可以识别为机动车上的噪声源的源包括：流动噪声、由于固体传播的声音(solid-bornesound)辐射所产生的噪声以及由于固体传播的声音经由发动机支承座引入车辆车身所产生的噪声。例如，流动噪声包括排气管出口处的噪声、进气噪声和风扇噪声，而由于固体传播的声音辐射所产生的噪声包括实际发动机噪声和排气系统的排放噪声。通过冲击和交变力进行振荡的发动机结构经由发动机表面辐射固体传播的声音作为空气传播的声音并且以这种方式生成实际的发动机噪声。经由发动机支承座引入固体传播的声音，尤其是将固体传播的声音引入车辆车身对于听觉行驶舒适性尤其重要。内燃机和相关的次级总成是能够振荡并且可以影响其振动行为的系统。与冲击激励和力激励最相关的部件是曲轴壳体、汽缸体、汽缸盖、曲轴驱动装置、活塞和阀驱动装置。这些部件经受惯性力和气体力。这里，曲轴驱动装置具体包括曲轴、活塞、活塞销和连杆，并且形成能够振荡且与根据本专利技术的方法相关的系统。曲轴通过随时间变化并且经由与对应曲轴销相连的连杆施加给曲轴的旋转力而进行旋转振荡。这些旋转振荡引起由固体传播的声音的辐射而产生的噪声以及由固体传播的声音引入车身和内燃机而产生的噪声。当在自然频率范围内激励曲轴时，会产生较大的旋转振荡幅度，甚至会导致疲劳断裂。这表明感兴趣的振荡不仅与噪音设计有关，而且还与部件的强度有关。曲轴的旋转振荡以非期望的方式经由控制传送装置或凸轮轴驱动装置传递至凸轮轴，其中，凸轮轴本身也代表能够振荡的系统并且可以使其他系统(尤其是阀驱动装置)振荡。此外，曲轴的振荡被引入传动系，经由该传动系可被传递至车辆的轮胎。在四冲程内燃机的曲轴曲柄(crankshaftthrow)处的旋转力分布是周期性的，其中，周期为曲轴的两次旋转。为了能够表述旋转振荡的激励，旋转力分布通常通过傅里叶分析分解为其谐波分量。在这种情况下，实际旋转力分布由恒定旋转力和具有不同旋转力幅度和频率或振动速率的多个谐波变化的旋转力组成。每个谐波的振荡速率ni与曲轴或发动机的旋转速度n的比率称为谐波阶数i。由于作为惯性力和气体力的结果的曲轴上的较高动态负载，典型的内燃机可以被设计成实现尽可能宽范围(例如，被优化)的质量平衡。在这种情况下，术语“质量平衡”结合补偿或减少惯性力对外部的影响的所有措施。就这种程度来说，平衡惯性力不仅涉及这样的惯性力而且还涉及由惯性力所产生的力矩。在这种情况下，存在针对曲轴曲柄、汽缸的数量和配置以及点火顺序的调节的解决方案，从而实现最好的质量平衡。可以以这种方式完全平衡直列式六缸发动机。六个汽缸以它们并行机械运转的方式结合成对来作为汽缸对。因此，第一汽缸和第六汽缸、第二汽缸和第五汽缸以及第三汽缸和第四汽缸结合以形成汽缸对，其中，三个汽缸对的曲轴销和曲轴曲柄分别被配置为在曲轴上偏移120℃A。并行机械运行是指并行机械运行的两个汽缸的两个活塞在上止点(TDC)或下止点(BDC)处位于相同的℃A(曲轴转角)。当选择适当的点火顺序时，完全平衡惯性力。在直列式三缸发动机的情况下，还可以通过选择适当的曲轴曲柄和类似选择适当的点火顺序来完全平衡一阶惯性力和二阶惯性力，但是不能平衡由惯性力所引起的力矩。如上述直列式六缸发动机的情况，不可能总是实现完全质量平衡，因此必须采取进一步的措施，例如，在曲轴上配置重锤(counterweight)和/或使内燃机配备至少一个平衡轴。这些措施的出发点是通过随时间变化并且由曲轴驱动装置的气体力和惯性力组成的旋转力来加载曲轴。曲轴驱动装置的质量，例如，连杆、活塞、活塞销和活塞环的相应质量可以转换为振荡等效质量和旋转等效质量。通过配置在曲轴上的重锤在其外部效应方面可以容易地平衡旋转等效质量的惯性力。由振荡等效质量所引起的旋转惯性力的平衡很复杂，该惯性力近似由以发动机速度旋转的一阶惯性力和以两倍发动机速度旋转的二阶惯性力构成，其中，更高阶力可以忽略。实际上可以通过以相反方向旋转并且设置有相应重量的两个轴(称为平衡轴)的配置来平衡任意阶的旋转惯性力。这里，用于平衡一阶惯性力的轴以发动机速度旋转，并且用于平衡二阶惯性力的轴以两倍发动机速度旋转。这种类型的质量平衡非常昂贵、复杂并且具有较高的空间要求。另外，甚至在完全平衡旋转惯性力的情况下，由于各个汽缸的惯性力作用在汽缸的中心平面处，所以产生惯性矩。这些惯性矩又可以通过配备有重量的平衡轴来在各自的情况下进行补偿。后者增加了整个质量平衡的空间要求、成本和重量，因此，另外增加了驱动单元的空间要求、成本和重量。例如在直列式三缸发动机的情况下，可以通过单个平衡轴来补偿由一阶惯性力引起的力矩，其中，单个平衡轴在与曲轴相反的方向上以发动机速度旋转并且在其端部处提供以180°的偏移进行配置并且用作非平衡(unbalance)的两个配重。提供一个平衡轴或者如果需要的话提供多个平衡轴不仅增大了空间要求和成本，而且提高了燃油消耗。另一方面，通过尤其是轴的平衡单元的附加重量以及用作非平衡且明显增加驱动单元的总重量的重锤的附加重量引起增加的燃油消耗。另一方面，平衡单元的旋转轴和其他移动部件显著地造成内燃机的摩擦损失和该摩擦损失的增加。具体地，由于只要内燃机起动和运转平衡单元就一直连续运转的事实，该摩擦损失的增加具有相关性。例如，由于噪音设计，这里不断地平衡惯性力，而没有考虑内燃机的瞬时工作状态是否完全需要这种质量平衡。因此，在相对较高的发动机速度的直列式三缸发动机中，可以省略由一阶惯性力所引起的力矩的平衡，这是因为通过振荡所产生的噪声被评价仅在较低旋转速度处和怠速期间存在问题。另一方面，由于噪音设计，在相对较高的旋转速度处没有用于质量平衡的指示。此外，传统平衡单元的不利之处还在于，在发动机舱的结构构造和配置方面存在较小的操作自由度。在曲轴侧经由带驱动或一对齿轮机械驱动通常使用的平衡轴，因此，平衡轴通常配置在曲轴箱下方。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人已经意识到以上问题并且提供了包括在平衡结构方面较小的空间要求、较小的摩擦损失和更多的操作结构自由度的质量平衡的方法。因此，用于平衡具有至少一个汽缸的内燃机的曲轴驱动装置的惯性力的方法包括：提供至少一个平衡单元，其具有至少一个配重，至少一个配重用作非平衡并且当平衡单元运转时绕旋转轴旋转，至少一个平衡单元构造成可切换平衡单元；以及根据内燃机的至少一个操作参数来开启至少一个平衡单元。根据本专利技术用于质量平衡的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于平衡具有至少一个汽缸的内燃机的曲轴驱动的惯性力的方法，包括：提供至少一个平衡单元，所述至少一个平衡单元具有至少一个配重，所述至少一个配重用作非平衡并且当平衡单元运转时绕旋转轴旋转，所述至少一个平衡单元构造成可切换平衡单元；以及根据所述内燃机的至少一个操作参数来开启和断开所述至少一个平衡单元。

【技术特征摘要】
2011.08.08 DE 102011080601.61.一种用于平衡具有至少一个汽缸的内燃机的曲轴驱动的惯性力的方法，包括：提供至少一个平衡单元，所述至少一个平衡单元具有至少一个配重，所述至少一个配重用作非平衡并且当平衡单元运转时绕旋转轴旋转，所述至少一个平衡单元构造成可切换平衡单元；以及根据所述内燃机的至少一个操作参数来开启和断开所述至少一个平衡单元,其中，根据所述内燃机的旋转速度n来开启所述至少一个平衡单元，如果所述平衡单元运转，只要所述内燃机的旋转速度n超过预定的旋转速度nthreshold,up并且在预定的时间周期Δt1内高于所述预定的旋转速度nthreshold,up，就断开所述至少一个平衡单元。2.根据权利要求1所述的方法，所述至少一个平衡单元包括电动机。3.根据权利要求1所述的方法，所述至少一个平衡单元包括两个翼。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述两个翼在相反方向上旋转。5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：如果所述平衡单元不运转，则只要所述内燃机的旋转速度n低于预定的旋转速度nthreshold,down，就开启所述至少一个平衡单元。6.根据权利要求5所述的方法，其中，只要所述内燃机的旋转速度n低于所述预定的旋转速度nthreshold,down并且在预定的时间周期Δt2内低于所述预定的旋转速度nthreshold,down，就开启所述至少一个平衡单元。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述至少一个平衡单元的开启期间，使所述至少一个平衡单元与所述内燃机的曲轴驱动同步。8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过发动机控制器开启所述至少一个平衡单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：施泰纳·贝恩德，奎林·斯特凡，
申请(专利权)人：福特环球技术公司，
类型：发明
国别省市：