CN102606675A

CN102606675A - 内燃机的平衡装置

Info

Publication number: CN102606675A
Application number: CN2011100274050A
Authority: CN
Inventors: 朱譞晟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种内燃机的平衡装置，是一种往复式活塞内燃机的平衡技术。以往内燃机尤其是直列四缸内燃机因为无法平衡活塞运动的振动的二次项部分因此在平顺性方面比V型内燃机差很多。本发明采用往复式控制装置来驱动一个具有一定质量的配重做往复运动，从而具有一种平衡更复杂振动的能力，可以使每个内燃机气缸达到单独的动态平衡，因此内燃机的气缸数将不受平衡性的限制，因此可以采用更少的缸数，从而降低热损耗，提高燃油经济性，并可使不易做到动态平衡的阿特金森循环内燃机得到广泛应用。本发明也可以平衡其他更多种类的振动，包括变振动强度、幅度和频率的振动，也包括阻尼振动和自激振动，也可广泛用于机械领域的振动消除应用。

Description

内燃机的平衡装置

技术领域

本发明涉及一种内燃机的平衡装置，是一种往复式活塞内燃机的平衡技术。本发明可以使完全平衡内燃机的二次项强迫振动及其他任何振动，包括变振动强度、幅度和频率的振动。使用本发明可以做到内燃机的单个气缸的自平衡，使更少气缸的内燃机可以广泛应用，并因此减少内燃机的燃油消耗。

背景技术

通常内燃机，无论是直列四缸或者六缸，以及V型气缸布置方式，都不可避免会有一些振动。而高效率的阿特金森循环机不能得到大规模应用，主要障碍不是效率不高，而是振动太大，无法做到动态平衡，而奥托内燃机就比较容易做到动态平衡。因此，内燃机的平衡技术的性能直接决定了内燃机性能和效率的进一步提高。

通常使用平衡轴来平衡内燃机的振动，这种技术很成熟，但是不可避免的缺点是其是恒速圆周运动，因此只能够平衡简单谐振形式的振动，对于非简单谐振的振动，平衡效果不好，根本不能达到希望的效果。例如阿特金森循环内燃机的活塞的冲程在吸气冲程和膨胀冲程是不一样的，而且真正的阿特金森循环内燃机的连杆机构具有十分复杂的运动和惯性，因此振动模式也极为特殊和复杂，因为这种特殊振动模式具有不同的振动幅度和平均速度，普通的等速平衡轴根本无法平衡。

专利号ZL 02804259.X所述的使用往复式平衡重的平衡装置，其基本原理是用一个一端与内燃机曲轴相连做简单圆周运动、另一端在狭槽中运动的平衡重来模拟活塞和连杆的运动。这样的方法的实质就是以一个简化的活塞模型模拟活塞和连杆的运动，等同于水平对置引擎的平衡效果。但是对于更加复杂的振动，如果内燃机的运动机构本身就很复杂，再制作一个对称的装置，整个内燃机的运动机构就显得太庞大太沉重了。

希望能够有这样一种装置，可以平衡更加复杂的振动，或者说以可接受的重量和复杂程度平衡可能出现的任何内燃机复杂的振动。

发明内容

针对以上问题，本发明所提供的技术是：一种内燃机的平衡装置，含有：往复运动机构，由内燃机曲轴带动转动或是由其他动力装置带动，推动平衡装置的运动；配重，根据所需要平衡的运动部件的惯性力大小取得适当的重量，并由所述往复运动机构推动做往复运动；滑槽体，形成所述配重的运动方向。所述配重是平衡装置中往复运动部分的部件所有的惯性重量的和，而非单一部件。所述凸轮轴上的凸轮的形状是根据振动源的特征而设定的，可以是任何需要的形状；可以有一个突起，也可以有多个突起。所述滑槽体中的滑槽可以是直线形状，也可以是其他曲线。

如果使用凸轮轴，则凸轮轴的凸轮形状根据所需要平衡的振动的特征进行调整，可以是任何所需要的且可行的形状，而非一种固定的形状，因此本发明的平衡装置不但可以平衡简单谐振的振动，也可以平衡高次谐振的振动，甚至是不规则的振动，变振幅和频率的振动，所需要做的只是仔细设计凸轮形状。或者使用其他的有相同作用的机构替代凸轮，以提供非简单谐振的往复运动，以平衡内燃机的复杂的振动。

所述往复运动机构可以是凸轮、曲轴、偏心轮轴或他们的组合所构成的机构，或是含有这些部件的机构，或是提前能够提供往复运动的电磁或者液压装置。因此往复运动机构可以是与内燃机的气门驱动机构类似的机构，包括可变升程和正时的气门驱动机构，并以配重替代气门作为机构控制的目标物体。当采用可调整的往复运动机构的时候，本发明能够平衡可变振动参数的振动，例如脉冲阻尼振动。

附图说明

图1是示意图，示出了具有双峰凸轮的内燃机平衡装置的实施例。

图2是示意图，示出了这种实施例的爆炸图，可见配重的滚珠和滚珠的滑槽。

图3是振动行程示意图，示出了具有双峰凸轮的实施例中的配重的往复运动行程是可变的，可以配合活塞的变化的往复运动。

具体实施方式

阿特金森循环内燃机是一种效率最高的内燃机热循环工作模式，本发明就以阿特金森循环内燃机的活塞的变冲程运动作为实施例需要平衡的复杂振动。

参考附图1，显示专门针对阿特金森循环内燃机的活塞运动所设计的平衡装置的结构特征。配重1是一个实心的金属或其他材料的部件，其重量按照需要平衡的活塞和连杆的重量成比例设计。配重1在两个滑槽体2构成的轨道上滑行，使配重1上下运动。滑槽体2与配重1的位置要保证配重1的重心运动轨迹正好与活塞的重心运动轨迹重合，这样便于实现动平衡。活塞6安装在滑槽体2内，一端顶在配重1上。另一端顶在滑槽体2的突起上。配重1通过轴5与滚轮4连接，滚轮4在凸轮轴3上的凸轮8和9紧密接触。凸轮轴3具有齿轮7，可以使用齿轮或者链条与内燃机的曲轴相连，这里不做赘述。但考虑到凸轮8和9的高度不一样，因此凸轮轴3转动360度，曲轴已转动720度，因此齿轮7与曲轴上的齿轮的齿数比应当是2∶1，这样才满足曲轴3转速的需要。滑槽体2是紧密固定在内燃机体上的，不可移动。在此实施例中，凸轮8和9的高度不一样，而共同存在于一根凸轮轴3上的一个凸轮中，成为双峰凸轮。

参考附图2，是专门针对阿特金森循环内燃机的活塞运动所设计的平衡装置的爆炸图。可见分解后的装置中，配重1上对称的两侧有四个半圆凹坑11，嵌入四颗钢珠10；钢珠10在滑槽12中滑动。轴5和滚轮4与配重1处于分离状态。弹簧6被滑槽体2的突起13限制在滑槽12中，为配重1提供向下运动的推力。滑槽体2中的滑槽12决定了配重1运动的方向，因此也决定了配重1的往复运动的模式。这种运动模式将尽可能与内燃机的振动源的运动模式相同，但方向相反，因此可以平衡内燃机的振动。

因此参考图1和图2，可知，凸轮轴3可以通过凸轮8和9推动滚轮4，滚轮4带动轴5推动配重1沿滑槽12向上运动，弹簧则推动配重1项下运动，行程配重1的往复运动模式。重点是凸轮轴3具有两个突出的凸轮8和9，因此在一次360度的转动过程中，凸轮8和9二次推动配重1运动，因为凸轮8和9的高度不一样，因此配重1在凸轮轴旋转360度的过程中二次升起的运动行程将不一样。

参考附图3，图3是示意图，是阿特金森循环内燃机的活塞和上述本发明的实施例装置的运动行程的对应。上图是活塞的位置曲线，是距离上止点的距离；下图是平衡装置的实施例中的配重1的位置曲线，是配重1从最低点向上运动的行程。二条曲线所对应的时间是曲轴旋转的角度，二条曲线的峰值和谷值一一对应，没偏差。图上边的活塞位置曲线可见，在曲轴转动720度的一个典型四冲程过程中，活塞的二个上止点位置是相同的，下止点不同，分别是下止点1和下止点2，且下止点1的冲程比下止点2的小。为了对这种非对称运动的惯性进行平衡，本实施例采用双峰凸轮，即一个凸轮是由两个突出部分凸轮8和9构成，二个突出部分共同构成一个360度的不间断的凸轮形状，因为活塞的运动同样是没有间断的。凸轮8的升程比凸轮9的升程大，且与活塞运动的方向是相反的。凸轮9的升程曲线上升段对应活塞的进气过程，凸轮9的升程曲线下降段对应活塞的压缩过程，凸轮8的升程曲线上升段对应活塞的膨胀过程，凸轮8的升程曲线下降段对应活塞的排气过程。这种对应关系，也是双峰凸轮轴3和内燃机曲轴的转动相位关系。

参考附图1、2、3，考虑配重的具体参数时，附图3所示的曲线并非具体的数值关系，而是数值的比例关系，即配重1的重量和凸轮8和9的形状所决定的配重1的运动加速度与振动源头活塞和连杆并不一定是数值上相等的，而是对应关系。如果配重1越重，超过活塞和连杆的重量，那么配重1的运动加速度就可以相应小于活塞和连杆的加速度。这里的对应的条件是完全平衡活塞和连杆运动产生的振动所具有的参数关系。

上段中配重1应当理解为广义的平衡重量。在本实施例中，计算配重1的平衡效果时，除了考虑配重1本身的重量、凸轮轴8和9的升程和形状之外，还要计算配重1所有的四个钢球10以及二个弹簧6的运动所带来的惯性，这些惯性的效果综合与振动源进行平衡，这是本实施例最终希望达到的效果。此外，凸轮轴8和9的平衡也是需要考虑的因素，但因为公知的对凸轮8和9的平衡方法已经大量采用，本文亦不赘述。

参考图2，所示滑槽12是直线，但并不仅限于此，如果是复杂曲线，则在曲线的法向上还会产生振动，因此使一个平衡装置可以平衡二个方向的振动，可以简化平衡装置的设计，降低制造成本。

综合参考图1、2、3，可见具有双峰凸轮的凸轮轴所构成的平衡装置，可以满足阿特金森循环内燃机的活塞的变冲程运动所行程的特殊振动模式的平衡需求，因此具有本实施例作为平衡装置的阿特金森循环内燃机中活塞运动行程的振动可以得到完全的抵消，及完全的动态平衡。因此，本实施例的装置能够实现阿特金森循环内燃机中单个气缸的运动的完全平衡，是阿特金森循环内燃机应用不可缺少的组成部分之一，可以在尽可能减少对内燃机其他部分设计需求的基础上，独立平衡阿特金森循环内燃机的振动。在实际应用中，常规的奥托循环内燃机也可以使用本实施例加以配平，例如单独配平活塞运动的二次项所产生的常规平衡轴不易配平的振动，可以使直列四缸内燃机的振动强度降低到V型内燃机的水平。

本发明并不仅限于实施例所述的例子，由于凸轮形状设计的灵活多样性所决定的事实，因此本发明所阐述的构思可以实现平衡更多不同的振动，甚至包括一些阻尼振动。例如我们将凸轮从双峰变成多峰，即每个凸轮有四个突起的部分，就有四个凸轮升程，每个凸轮升程依次降低，加以适当的配重，可以近似平衡一些阻尼振动中峰值最大的四个振动峰值。还可以修改滑槽体中的滑槽形状，改成除直线外的其他形状的曲线。

本发明也并不仅限于实施例所述的凸轮的形式，也可以是其他能够起到凸轮作用的机构，以实现更加复杂的配重的运动模式，平衡更加复杂的振动。同时凸轮轴或等效机构与曲轴的转速比也不一定是本实施例所述的1∶2的关系，根据平衡振动的需要的不同，也可以是其他比例。本发明的灵活性来自于引入的装置的可调节参数的多样性，即凸轮或等效机构的可改变的运动，以及机构运转的转速或者周期，这使本发明所提出的构思能够比通常的内燃机的平衡轴具有更广泛形式的振动的平衡能力。

在实施例之外的情况，例如振动源的振幅并非固定的，而是随时间变化的，需要平衡装置的参数可调，这类情况下需要使用可变往复运动行程或者其他参数，因此需要本发明所述的往复运动机构是可连续调整的。参考内燃机气门的控制装置，仅需要将气门换成配重，气门的升程和正时控制装置也可以用于对配重的控制，从而使配重带来的平衡效果是连续可调的。

可调节参数的往复运动机构的调节机构也可以是周期变化的，因此往复运动的变化也是周期性的，因此适当的参数选择可以使本发明的平衡装置能够平衡脉冲形式的衰减振动、自激振动等复杂振动。

总体而言，本发明所提出的内燃机的平衡装置的要旨在于采用配重的往复运动替代以往平衡轴的圆周运动，实现往复运动是以凸轮轴做为推动的动力来源，由于凸轮轴的形状可以设计更多样更复杂，因此能实现平衡的振动也更加多样更加复杂。实现往复运动的机构有很多中，并不仅限于凸轮轴，但在一般的内燃机平衡中，凸轮轴这种简单的形式足以满足绝大多数的需求。本发明具体应用的复杂程度与所需平衡的惯性力的复杂程度相关。

上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims

1.一种内燃机的平衡装置，含有：往复运动机构，由内燃机曲轴带动转动或是由其他动力装置带动，推动平衡装置的运动；配重，根据所需要平衡的运动部件的惯性力大小取得适当的重量，并由所述往复运动机构推动做往复运动；滑槽体，形成所述配重的运动方向。

2.如权利要求1所述的一种内燃机的平衡装置，其特征在于所述往复运动机构可以是凸轮、曲轴、偏心轮轴或他们的组合所构成的机构，或是含有这些部件的机构，或是提前能够提供往复运动的电磁或者液压装置。

3.如权利要求1所述的一种内燃机的平衡装置，其特征在于所述配重是平衡装置中往复运动部分的部件的惯性力的和的等效重量，而非单一部件。

4.如权利要求1所述的一种内燃机的平衡装置，其特征在于所述滑槽体中的滑槽可以是直线形状，也可以是其他曲线。

5.如权利要求2所述的往复运动机构，其特征在于所述凸轮轴上的凸轮的形状是根据振动源的特征而设定的，可以是任何需要的形状；可以有一个突起，也可以有多个突起。

6.如权利要求2所述的往复运动机构，其特征在于所述组合所构成的机构，或是含有这些部件的机构，可以是与内燃机的气门驱动机构类似的机构，包括可变升程和正时的气门驱动机构，并以配重替代气门作为机构控制的目标物体。