[发明专利]配置成应用于直列四缸内燃发动机以平衡由所述发动机产生的振动的反旋转质量体系统以及包括所述系统的直列四缸发动机

说明书

发明的应用领域

本发明涉及配置为应用于直列四缸内燃发动机(inline-four internal combustion engine)以平衡由所述发动机产生的振动的反旋转质量体系统(counter rotating mass system)以及包括所述系统的直列四缸发动机。

现有技术说明

对发动机应用反旋转质量体系统以平衡由驱动轴产生的振动和惯性以消除或至少大幅减少这些振动和惯性是本领域已知的。所述系统通常固定到发动机下面的曲轴箱或曲轴箱槽，或以任何方式固定到需要平衡且能够对来自驱动轴的质量体旋转进行控制的部位。然而，平衡由直列四缸发动机产生的振动出现了有关其他汽缸排列结构的不同问题。

例如，以下描述了直列三缸发动机，其性能与直列五缸发动机相似，都具有奇数数目的汽缸。

在直列三缸发动机中，驱动轴每旋转240°(720°/3＝240°)发生爆发。图1中图解说明了驱动轴，具有点火顺序：3.1-3.3-3.2。

首次分析时，可能看起来在其旋转期间，三个活塞和其各自的连杆的重心总是处于发动机的中心，因此它们不产生任何振动。该分析可引导认为不会在垂直和横向上产生乱真力(spurious force)。

然而，这是不正确的，因为这暗示了一种推测：发动机是一个单点而力作用于一个单平面。相反，力沿轴本身具有不同的分布，且其产生使驱动轴在两端振动的合力，产生“颠簸”类型的一阶自由力矩(first-order free moment)，而不是相互抵消。

图1清楚地表明当活塞3.1位于其上死点并向下转换其运动时，其在发动机前端产生向上的力；活塞3.2向下运动且其在发动机中心产生向上的力；相反，向上运动的活塞3.3产生位于发动机后端的向下的力。

由于发动机的轴向重心位于中间汽缸3.2上面，由于汽缸3.1上推和汽缸3.3下推的事实，所以导致在驱动轴上产生纵向“顺时针”力矩。旋转180°以后，位置完全颠倒，且由活塞3.1、3.3产生的力矩也被逆转并变成“逆时针”。

通常为抵消作用在直列三缸发动机上的这些力矩而提供的方案是，应用由具有位于轴两端的两个偏心质量体的驱动轴驱动的平衡轴。这两个质量体在与活塞方向相反的方向上运动。因此“颠簸”力矩被相等且相反的力矩平衡。

在直列五缸发动机中发生了与直列三缸发动机中相同的现象。

在直列五缸发动机中，驱动轴每旋转720°/5＝144°发生爆发。如图2所示，点火顺序是5.1-5.3-5.5-5.4-5.2。

一阶交变力的合力被平衡。

二阶交变力的合力也被平衡。

相反，直列五缸发动机产生与直列三缸发动机的“颠簸”纵向力矩相似的“颠簸”纵向力矩。这是因为活塞5.1不是处于与活塞5.5相同的位置，且活塞5.2不是处于与活塞5.4相同的位置而发生。

由于这个原因，发动机的两端相对于发动机中心振动。

如在直列三缸发动机的实例中，通常为抵消作用在直列五缸发动机上的这些力矩而提供的方案是，应用平衡轴，该平衡轴以与驱动轴相反的方向旋转，具有与发动机相同的长度以及以与活塞方向相反的方向运动的两个平衡物。该轴由发动机以与驱动轴相同的速度驱动。

或者，如EP-462411中所述的，在驱动轴的两端施加成对的反旋转质量体。然而，前述实例中提供的方案不能应用到直列四缸发动机的实例中，其中所产生的振动是一种完全不同的类型。

图3.1示出了直列四缸发动机的图形，其点火顺序是：汽缸1(4.1)-汽缸3(4.3)-汽缸4(4.4)-汽缸2(4.2)。

驱动轴每旋转720°/4＝180°发生点火，因此活塞对4.1-4.4和4.2-4.3完全处于相同的位置且总是按照相同的方向运动。为避免颠簸现象，如图中布置汽缸，因此活塞4.1被4.4完全平衡，且活塞4.2被4.3平衡。

由于四个汽缸的相反往复运动，因此认为直列四缸发动机不需要平衡一阶自由力矩是可能的。

关于垂直力，可以看到活塞4.1被活塞4.2平衡且活塞4.3被活塞4.4平衡。然而，这只适用于一阶交变力。二阶交变力比一阶交变力小的多并以一阶交变力的两倍频率旋转且其作用点与发动机中心重合。如果所述力增强以激发共振现象，其甚至可以破坏驱动轴。

可参考图3.2解释该现象。