新型内燃机的开发

新型内燃机的发展动力机械是现代人类社会生产活动的基本设备之一。发动机为机器提供动力。动力机械中的燃气发动机根据其工作模式分为内燃机和外燃发动机。自19世纪60年代第一台实用内燃机诞生以来，它已发展出多种形式，并广泛应用于国民经济和国防工业的各个部门。该案例对新型内燃机开发中的一些创新思想进行了简单分析。一、往复式内燃机的技术矛盾目前，使用最广泛的往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要部件和其他辅助设备组成。图1-1活塞式发动机1活塞2连杆3气缸4曲柄5进气门6排气门活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构(图1-1)。它利用气体爆炸使活塞1在气缸3中往复运动，并通过连杆2驱动曲轴4旋转输出扭矩。进气门5和排气门6的打开由特殊的凸轮机构控制。活塞式发动机有四个冲程：吸气、压缩、做功和排气，如图1-2所示。只有作功冲程输出扭矩，并在外部工作。这种往复活塞式发动机有明显的缺点：1)工作机构和气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂，工艺性差。2)活塞的往复运动使曲柄连杆机构产生较大的往复惯性力。惯性力随着转速的平方而增加，这增加了轴承上的惯性负载，并且系统由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。往复运动限制了输出轴转速的增加。3)只有当曲轴旋转两次时，才能有一个功率输出，这是低效的。现存的问题激起了人们改变现状的愿望和社会促进产品变革和创新的需求。多年来，在原有发动机的基础上不断开发出一些新的发动机。图1-2活塞式发动机的四冲程a)吸气冲程b)压缩冲程c)作功冲程d)排气冲程二。旋转式内燃机在改进往复式发动机的过程中，已经发现将燃料的动力直接转换成旋转运动更为合理。类似于往复式蒸汽机到蒸汽涡轮发动机的发展，许多人正在探索旋转式内燃机的构造。在1910年之前，已经提出了2000多种旋转发动机，但是由于它们的复杂结构或者它们不能解决气缸密封问题，它们中的大多数都不能实现。直到1945年，经过长期研究，德国工程师王格尔突破了气缸密封的关键技术，使旋转发动机首次成功运转。1.旋转发动机的工作原理汪克尔设计的旋转发动机示意图如图2-1所示。它由一个椭圆形气缸1、一个三角形转子2(转子的孔中有一个内齿轮)、一个外齿轮3、一个进气口4、一个排气口5和一个火花塞6组成。图2-1旋转发动机示意图1缸2三角转子3外齿轮4-吸气口5-排气口6-火花塞如图所示，当旋转发动机运转时，它还有四个动作：吸气、压缩、燃烧和爆炸(做功)以及排气。当转子旋转一次时，三角形转子上的AB弧用于分析：(1)当吸气转子处于图2-2a所示的位置时，AB弧内腔的容积将由小变大，产生负压效应，燃料和空气的混合气体将通过吸气口吸入腔内。(2)当压缩转子处于图2-2b所示的位置时，内腔由大变小，混合气体被压缩。(3)在做功的高压状态下，火花塞点火，使混合气迅速爆炸膨胀，产生强大的压力驱动转子，带动曲轴输出运动和扭矩对外做功。(4)排气转子从图2-2c所示的位置移动到图2-2d所示的位置，内腔的容积由大变小，挤出的废气从排气口排出。(1)功能设计内燃机的功能是将气体的能量转化为旋转的输出功率。通过改变内部容积，完成吸气、压缩、爆炸和排气四个动作，达到目的。旋转发动机抓住容积变化的主要特点，通过椭圆形气缸内三角形转子的偏心旋转，达到功能要求。此外，三角形转子和气缸的每个表面充当往复式活塞和气缸，以连续平稳地工作。转子的每个表面还具有打开和关闭进气门和排气门的功能。这个设计很巧妙。(2)运动设计偏心三角形转子如何输出运动和动力？旋转发动机采用内啮合行星齿轮机构，如图2-3所示。三角形转子相当于行星内齿轮2，它在绕着中心外齿轮1旋转的同时绕着其自身的轴线在气缸3中旋转。横拉杆H是发动机的输出曲轴。2-3行星齿轮机构转子内齿轮和中心外齿轮之间的齿数比为1.5:1，因此转子旋转一次，曲轴旋转三次(z2/z1=1.5，nh/n2=3)，输出速度高。根据三角形转子的结构，曲轴每转产生一个作功冲程。与四冲程往复式发动机的曲轴相比，四冲程往复式发动机的曲轴每两圈仅产生一个作功冲程，并推导出旋转发动机的功率它是四冲程往复式发动机的两倍。(3)结构设计旋转发动机结构简单，只有两个运动部件：三角形转子和输出轴。它需要一个化油器和几个火花塞，但不需要连杆、活塞和复杂的阀门控制。零件数量比往复式发动机少40%，体积减少50%，重量减少1/2至2/3。3.旋转发动机的实用性与传统的往复式发动机相比，该旋转发动机具有体积小、重量轻、噪音低、转速范围大、结构简单等优点，在相同的输出功率下，可以快速实用地生产出来。日本东泽公司从联邦德国纳索公司购买了汪克尔旋转发动机的专利，并进行了实际生产。他们还与许多制造商合作，先后开发了各种零件，如特殊密封件310、火花塞、化油器、O型圈、消音器等。并使用先进的润滑油使旋转发动机在世界上实用。20世纪80年代，该公司生产了120万台汽车用旋转发动机，具有良好的市场效益。随着生产科学技术的发展