机械创新作业3

1、机械创新设计结课论文 课 程 名 称 机械创新设计 院（系、部、中心） 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 流体（卓越）111 姓 名 陈磊 学 号 201110603 题 目新型内燃机的开发实例分析 起 止 日 期 2014.5.1-2014.6.1 任 课 教 师 王育荣 新型内燃机的开发实例分析作者：陈磊（南京工程学院机械工程学院，南京211167）摘要:内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部的高压燃烧室燃烧爆发产生动力。这也是将热能转化为机械能的一种热机。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。往复式内燃机应用广泛，运动过程分四

2、个冲程，但只有做功冲程对外做功，效率低。经改进设计的旋转式内燃机仍有四个冲程，由于三角形转子有 3 个弧面，因此每转一周有3 个动力冲程，使内燃机效率极大改善。关键词:往复式内燃机；冲程；效率；旋转式内燃机。1 引言动力机械中的燃气机按其工作方式分为内燃机和外燃机两大类。自 19 世纪60 年代第一台实用的内燃机诞生以来，内燃机已发展了多种形式，并在国民经济各部门和国防工艺中得到了广泛的应用。但往复式内燃机也存在技术矛盾，社会的需求促进产品的改造和创新，多年来，在原有发动机的基础上不断开发了一些新型发动机。2 内燃机内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换

3、为动力的热力发动机。 广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。3 往复式内燃机3.1 往复式内燃机特点目前，应用最广泛的往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构。它利用气体燃爆使活塞1 在气缸3 内往复移动，经连杆2推动曲

4、轴4 做旋转运动，输出转矩。进气阀5和排气阀6 的开启由专门的凸轮机构控制。活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、做功(燃爆)、排气4 个冲程，如图所示，其中，只有做功冲程输出转矩，对外做功。 图1 往复式内燃机结构简图3.2 往复式活塞发动机存在以下明显的缺点工作机构及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。活塞往复运动造成曲柄连杆机构较大的往复惯性力，此惯性力随转速的平方增长，使轴承上的惯性载荷增大，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。图2 往复式内燃机的四个冲程4 旋转式内燃发动机在改进往复式发动机的过

5、程中，人们发现如果能直接将燃料的动力转化为回转运动必将是更合理的途径。类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的发展，许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。1910 年以前，人们曾提出过2000 多个旋转式发动机的方案，但大多因机构复杂或无法解决气缸密封问题而不能实现。直到1945 年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了气缸密封这一关键技术，才使旋转式发动机首次运转成功。 图3 汪克尔旋转发动机实物图4.1 旋转式内燃机工作原理 汪克尔所设计的旋转式发动机简图如图所示，它由椭圆形的缸体1、三角形转子2(转子的孔上有内齿轮)、外齿轮3、吸气口4、排气口5 和火花塞6 等组成。 旋转式发动机在运转时同样也有吸气、

6、压缩、燃爆(做功)和排气4 个动作，如图10.5所示。当转子转一周时，以三角形转子上的AB 弧进行分析: 图4 旋转式发动机简图 图5 旋转式发动机的运行过程 （1）吸气：转子处于如图10.5(a)所示位置时，AB 弧所对的内腔容积由小变大,产生负压效应，由吸气口将燃料与空气的混合气体吸入腔内。（2） 压缩：转子处于如图10.5(b)所示位置时，内腔由大变小，混合气体被压缩。（3） 燃爆：高压状态下，火花塞点火使混合气体燃爆并迅速膨胀，产生强大的压力驱动转子，并带动曲轴输出运动和转矩，对外做功。（4） 排气：转子由如图10.5(c)所示位置至如图10.5(d)所示位置，内腔容积由大变小，挤压废

7、气由排气口排出。*由于三角形转子有 3 个弧面，因此每转一周有3 个动力冲程。4.2 旋转式发动机的特点(1)功能设计:内燃机的功能是将燃气的能量转化为回转的输出动力，通过内部容积变化，完成燃气的吸气、压缩、燃爆和排气4 个动作以达到目的。旋转式发动机抓住容积变化这个主要特征，以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方法达到功能要求。而且三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式发动机的一个活塞和气缸，依次平稳地连续工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓巧妙。(2)运动设计:偏心的三角形转子如何将运动和动力输出？在旋转式发动机中采用了内啮合行星齿轮机构，如图10.6 所示。三角形

8、转子相当于行星内齿轮2，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮1 在缸体3 内公转，系杆H 则是发动机的输出曲轴。转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是 1.51，这样转子转一周，使曲轴转3 周，输出转速较高。根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程，相对四冲程往复式发动机，曲轴每转两周才产生一个动力冲程，可知旋转式发动机的功率容量比是四冲程往复式发动机的两倍。(3)结构设计:旋转式发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两个运动构件。它需要一个化油器和若干火花塞，但无须连杆、活塞以及复杂的阀门控制装置。零件数量比往复式发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/22/3。 图6 行星

9、齿轮机构 4.3 旋转式发动机的实用化旋转式发动机与传统的往复式发动机相比，在输出功率相同时，具有体积小、重量轻、噪声低、旋转速度范围大以及结构简单等优点，但在实用化生产的过程中还有许多问题需要解决。日本东泽公司从德国纳苏公司购得汪克尔旋转式发动机的专利后，进行实用化生产。经过样机运行和大量试验，发现气缸上产生振纹是最主要的问题。形成振纹的原因不仅在于摩擦体本身的材料，同时与密封片的形状和材料有关，密封片的振动特性对振纹影响很大。该公司抓住这个关键问题，开发出极坚硬的浸渍炭精材料作密封片，较成功地解决了振纹问题。他们还与多个厂家合作，相继开发出了特殊密封片310 号、火花塞、化油器、O 型环、

10、消音器等多种零部件，并采用了高级润滑油，使旋转式发动机在全世界首先达到实用化。100 年来该公司生产了120 万台旋转式发动机用于汽车，市场效益很好。5 总结 创新就是创造与创效，它包含五个方面：生产一种新产品；采用一种新技术；利用或开拓一种新材料；开辟一个新市场；采用一种新的组织形式或管理方式。它是集科学性、技术性、社会性、经济型与一身，并贯穿于科学技术实践、生产经营实践、社会活动实践的一种横向性实践活动。其中创新意识起先导作用。 本文引用的实例属于机构创新中的机构变异设计与创新，除此之外机构创新还包括：机构组合设计与创新、机构再生设计与创新、广义机构的应用等。这些方法在实现比较复杂的运动形式时都有很多应用。在机械的创新设计时有许多创新技法，观察法、类比法、移植法、组合法、穷举法、集智法。创新技法是源于创造学的理论与规则，是创造原理具体运用的结果，是促进事物变革与技术创新的一种技巧。这些技巧提供了某些