1、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)課論文 課 程 名 稱 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 院（系、部、中心） 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 流體（卓越）111 姓 名 陳磊 學(xué) 號(hào) 201110603 題 目新型內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)實(shí)例分析 起 止 日 期 2014.5.1-2014.6.1 任 課 教 師 王育榮 新型內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)實(shí)例分析作者：陳磊（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京211167）摘要:內(nèi)燃機(jī)是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)產(chǎn)生動(dòng)力。這也是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種熱機(jī)。內(nèi)燃機(jī)具有體積小、質(zhì)量小、便于移動(dòng)、熱效率高、起動(dòng)性能好的特點(diǎn)。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用廣泛，運(yùn)動(dòng)過程分四

2、個(gè)沖程，但只有做功沖程對(duì)外做功，效率低。經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)仍有四個(gè)沖程，由于三角形轉(zhuǎn)子有 3 個(gè)弧面，因此每轉(zhuǎn)一周有3 個(gè)動(dòng)力沖程，使內(nèi)燃機(jī)效率極大改善。關(guān)鍵詞:往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)；沖程；效率；旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)。1 引言動(dòng)力機(jī)械中的燃?xì)鈾C(jī)按其工作方式分為內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)兩大類。自 19 世紀(jì)60 年代第一臺(tái)實(shí)用的內(nèi)燃機(jī)誕生以來，內(nèi)燃機(jī)已發(fā)展了多種形式，并在國民經(jīng)濟(jì)各部門和國防工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。但往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)也存在技術(shù)矛盾，社會(huì)的需求促進(jìn)產(chǎn)品的改造和創(chuàng)新，多年來，在原有發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上不斷開發(fā)了一些新型發(fā)動(dòng)機(jī)。2 內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)，是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換

3、為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。 廣義上的內(nèi)燃機(jī)不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等，但通常所說的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī)。 活塞式內(nèi)燃機(jī)以往復(fù)活塞式最為普遍。活塞式內(nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)狻Ｈ細(xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械工作。3 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)3.1 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)目前，應(yīng)用最廣泛的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)由氣缸、活塞、連桿、曲軸等主要機(jī)件和其他輔助設(shè)備組成。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的主體是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。它利用氣體燃爆使活塞1 在氣缸3 內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，經(jīng)連桿2推動(dòng)曲

4、軸4 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩。進(jìn)氣閥5和排氣閥6 的開啟由專門的凸輪機(jī)構(gòu)控制。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)具有吸氣、壓縮、做功(燃爆)、排氣4 個(gè)沖程，如圖所示，其中，只有做功沖程輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)外做功。 圖1 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖3.2 往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)存在以下明顯的缺點(diǎn)工作機(jī)構(gòu)及氣閥控制機(jī)構(gòu)組成復(fù)雜，零件多；曲軸等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差。活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成曲柄連桿機(jī)構(gòu)較大的往復(fù)慣性力，此慣性力隨轉(zhuǎn)速的平方增長，使軸承上的慣性載荷增大，系統(tǒng)由于慣性力不平衡而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)限制了輸出軸轉(zhuǎn)速的提高。曲軸回轉(zhuǎn)兩圈才有一次動(dòng)力輸出，效率低。圖2 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的四個(gè)沖程4 旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在改進(jìn)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的過

5、程中，人們發(fā)現(xiàn)如果能直接將燃料的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)必將是更合理的途徑。類比往復(fù)式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的發(fā)展，許多人都在探索旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的建造。1910 年以前，人們?cè)岢鲞^2000 多個(gè)旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的方案，但大多因機(jī)構(gòu)復(fù)雜或無法解決氣缸密封問題而不能實(shí)現(xiàn)。直到1945 年德國工程師汪克爾經(jīng)長期研究，突破了氣缸密封這一關(guān)鍵技術(shù)，才使旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功。 圖3 汪克爾旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖4.1 旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)工作原理 汪克爾所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖如圖所示，它由橢圓形的缸體1、三角形轉(zhuǎn)子2(轉(zhuǎn)子的孔上有內(nèi)齒輪)、外齒輪3、吸氣口4、排氣口5 和火花塞6 等組成。 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同樣也有吸氣、

6、壓縮、燃爆(做功)和排氣4 個(gè)動(dòng)作，如圖10.5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周時(shí)，以三角形轉(zhuǎn)子上的AB 弧進(jìn)行分析: 圖4 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖 圖5 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程 （1）吸氣：轉(zhuǎn)子處于如圖10.5(a)所示位置時(shí)，AB 弧所對(duì)的內(nèi)腔容積由小變大,產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，由吸氣口將燃料與空氣的混合氣體吸入腔內(nèi)。（2） 壓縮：轉(zhuǎn)子處于如圖10.5(b)所示位置時(shí)，內(nèi)腔由大變小，混合氣體被壓縮。（3） 燃爆：高壓狀態(tài)下，火花塞點(diǎn)火使混合氣體燃爆并迅速膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，并帶動(dòng)曲軸輸出運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，對(duì)外做功。（4） 排氣：轉(zhuǎn)子由如圖10.5(c)所示位置至如圖10.5(d)所示位置，內(nèi)腔容積由大變小，擠壓廢

7、氣由排氣口排出。*由于三角形轉(zhuǎn)子有 3 個(gè)弧面，因此每轉(zhuǎn)一周有3 個(gè)動(dòng)力沖程。4.2 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(1)功能設(shè)計(jì):內(nèi)燃機(jī)的功能是將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)的輸出動(dòng)力，通過內(nèi)部容積變化，完成燃?xì)獾奈鼩狻嚎s、燃爆和排氣4 個(gè)動(dòng)作以達(dá)到目的。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)抓住容積變化這個(gè)主要特征，以三角形轉(zhuǎn)子在橢圓形氣缸中偏心回轉(zhuǎn)的方法達(dá)到功能要求。而且三角形轉(zhuǎn)子的每一個(gè)表面與缸體的作用相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)活塞和氣缸，依次平穩(wěn)地連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子各表面還兼有開閉進(jìn)排氣閥門的功能，設(shè)計(jì)可謂巧妙。(2)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì):偏心的三角形轉(zhuǎn)子如何將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出？在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了內(nèi)嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖10.6 所示。三角形

8、轉(zhuǎn)子相當(dāng)于行星內(nèi)齒輪2，它一面繞自身軸線自轉(zhuǎn)，一面繞中心外齒輪1 在缸體3 內(nèi)公轉(zhuǎn)，系桿H 則是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出曲軸。轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪與中心外齒輪的齒數(shù)比是 1.51，這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，使曲軸轉(zhuǎn)3 周，輸出轉(zhuǎn)速較高。根據(jù)三角形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可知，曲軸每轉(zhuǎn)一周即產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力沖程，相對(duì)四沖程往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)兩周才產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力沖程，可知旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率容量比是四沖程往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，只有三角形轉(zhuǎn)子和輸出軸兩個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。它需要一個(gè)化油器和若干火花塞，但無須連桿、活塞以及復(fù)雜的閥門控制裝置。零件數(shù)量比往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)少40%，體積減少50%，重量下降1/22/3。 圖6 行星

9、齒輪機(jī)構(gòu) 4.3 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在輸出功率相同時(shí)，具有體積小、重量輕、噪聲低、旋轉(zhuǎn)速度范圍大以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)用化生產(chǎn)的過程中還有許多問題需要解決。日本東澤公司從德國納蘇公司購得汪克爾旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的專利后，進(jìn)行實(shí)用化生產(chǎn)。經(jīng)過樣機(jī)運(yùn)行和大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣缸上產(chǎn)生振紋是最主要的問題。形成振紋的原因不僅在于摩擦體本身的材料，同時(shí)與密封片的形狀和材料有關(guān)，密封片的振動(dòng)特性對(duì)振紋影響很大。該公司抓住這個(gè)關(guān)鍵問題，開發(fā)出極堅(jiān)硬的浸漬炭精材料作密封片，較成功地解決了振紋問題。他們還與多個(gè)廠家合作，相繼開發(fā)出了特殊密封片310 號(hào)、火花塞、化油器、O 型環(huán)、

10、消音器等多種零部件，并采用了高級(jí)潤滑油，使旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)在全世界首先達(dá)到實(shí)用化。100 年來該公司生產(chǎn)了120 萬臺(tái)旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)用于汽車，市場效益很好。5 總結(jié) 創(chuàng)新就是創(chuàng)造與創(chuàng)效，它包含五個(gè)方面：生產(chǎn)一種新產(chǎn)品；采用一種新技術(shù)；利用或開拓一種新材料；開辟一個(gè)新市場；采用一種新的組織形式或管理方式。它是集科學(xué)性、技術(shù)性、社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)型與一身，并貫穿于科學(xué)技術(shù)實(shí)踐、生產(chǎn)經(jīng)營實(shí)踐、社會(huì)活動(dòng)實(shí)踐的一種橫向性實(shí)踐活動(dòng)。其中創(chuàng)新意識(shí)起先導(dǎo)作用。 本文引用的實(shí)例屬于機(jī)構(gòu)創(chuàng)新中的機(jī)構(gòu)變異設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，除此之外機(jī)構(gòu)創(chuàng)新還包括：機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新、機(jī)構(gòu)再生設(shè)計(jì)與創(chuàng)新、廣義機(jī)構(gòu)的應(yīng)用等。這些方法在實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式時(shí)都有很多應(yīng)用。在機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)有許多創(chuàng)新技法，觀察法、類比法、移植法、組合法、窮舉法、集智法。創(chuàng)新技法是源于創(chuàng)造學(xué)的理論與規(guī)則，是創(chuàng)造原理具體運(yùn)用的結(jié)果，是促進(jìn)事物變革與技術(shù)創(chuàng)新的一種技巧。這些技巧提供了某些