创新设计论文

新型内燃机的开发

动力机械是近代人类社会生产活动的基本装备之一，发动机为装备提供原动力。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。

目前动力机械，大型机械等广泛应用的多为往复式内燃机，其由气缸、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。它利用气体燃烧使活塞在气缸内做直线往复运动，经连杆推动曲轴作旋转运动并输出转矩。进气阀和排气阀的开启与关闭由凸轮机构控制。

活塞式发动机工作具有吸气、压缩、作功（燃烧）、排气四个冲程，其中只有作功冲程输出转矩，对外做功。

但是这种往复式内燃机存在以下缺点：

1、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。

2、活塞往复运动造成曲柄连杆机构承受的运动惯性力大，这种惯性力与转速的平方成正比，转速增高会使轴和轴承承受的惯性力急剧增大，系统由于惯性力不平衡会引起剧烈振动，从而限制了输出轴转速的提高。

3、曲轴回转两周，活塞才又一次动力输出，工作效率低。

针对往复式发动机的种种缺点，人们热切的希望对其进行改进设计，其中有几种改进方案。

其中一种为无曲轴式活塞发动机。

这种无曲轴式活塞发动机若将圆柱凸轮安装在发动机的中心部位，可在其周围设置多个气缸，制成多缸发动机。其结构创新在于利用机构等效代换原理，以反凸轮机构代还原发动机的曲柄滑块机构，从而使零件减少，结构简单，成本降低。其运动原理为活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽中滑动致使凸轮转

动，再经输出轴输出转矩。活塞往复2次，凸轮旋转

360。系统中设有飞轮，控制回转运动的平稳。其性能特点为系统中不需要飞轮，从而使得转动平稳；通过

改变凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，以达到减速增矩的目的。这种凸轮式无曲轴发动机已用于船舶、重型机械、建筑机械等行业。

还有一种是旋转式发动机。

在改进往复式发动机的过程中人们发现，若是能够直接将燃料的动力转化为回转运动输出，那么减少了转换机构又能利于提高效率。于是乎旋转式发动机的探索设计就产生了。

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。

旋转式发动机的组成情况有椭圆形气缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸气口，排气口，火花塞。其工作原理为吸气、压缩、燃爆、排气。随着这四个物理功能致使三角形转子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动但存在汽缸上产生振纹的问题，其原因是与密封片的材料与形状有关。见下页图。

其设计特点：12

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功能设计方面，旋转式内燃发动机能够实现直接将燃料的动力转化为回转运动输出，通过内部溶剂的变化完成燃气的吸气、压缩、作功（燃烧）、排气四个冲程，实现能量转化这一目的。旋转式发动机的设计针对容积变化这个关键特征，以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方法达到功能的要求。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，依次平稳连续的工作。转子个表面还兼有开、闭进气门和排气门的功能，设计十分巧妙。

在运动方面，旋转式内燃发动机采用内啮合行星齿轮机构。三角形转子相当于行星内齿轮，它一边绕自身轴线旋转，一边绕中心外齿轮在缸体内公转。系杆则是发动机的输出轴。行星内齿轮与中心外齿轮的齿数比为1.5:1，转子每转1周，输出轴转3周，即是z2/z1=1.5,则：nH/n2=3 。输出转速极高。根据三角形转子的结构可知，输出轴每转一周即产生一个动力冲程，对比四冲程往复式发动机曲轴每转两周产生一个动力冲程可知，旋转式内燃发动机的功率容积比是四冲程往复式发动机的两倍。

在结构设计方面，旋转式内燃发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两个运动部件。它需要一个化油器和多个火花塞，但不需要连杆、活塞及复杂的阀门控制装置。其零件数量比往复式发动机减少40%，体积减少了50%，重量下降了1/2到2/3。

在实用化的过程中的主要问题，就是汽缸上产生振纹的问题。而形成振纹的原因不仅在于气缸体本身的材料，同时和密封片的形状和材料有关，密封片的振动特性对振纹的影响极大。抓住这一关键问题，通过研究开发出浸渍碳精材料并做成密封片，成功的解决了这一振纹的问题。

随着生产科学技术的发展，必然会出现更多新型的内燃机和动力机械。随着可持续发展的推进，或者会有更加优良的能源替代品，对发动机的要求会有新的变化。也或许会出现逐渐取代内燃机的更加强劲优良的动力输出装置。如今依赖创新技法有些研究已经初见成效，有双燃料内燃机，也有转子内燃机、侧燃式转子内燃机等相继出现。其中一种很是令人赞叹，那就是新型二行程对置式内燃机，其两活塞分别装在一连杆的两端，机内中部设有由内燃机活塞通过连杆带动的油泵柱塞，工作时可将燃料燃烧产生的热能直接转化为液压能，采用液压马达驱动车辆行使。其液压系统中设用于实现液压与气压能转换的油缸和三个储气罐；用于回收部分减速、制动能量，并能将内燃机排出废气中的部分能量转化为有用功。工作时与传统内燃机相比可大大降低的燃料消耗，减少尾气排放。人们总是在发现矛盾和解决矛盾的过程中不断取得进步。而在开发设计过程中敢于突破，善于运用类比、组合、替代等创新技法，认真进行科学分析，将会使人们得到更多创新的、进步的、高级的产品。