新型内燃机的创新设计
内燃机技术的创新与发展
内燃机技术的创新与发展一、内燃机技术的历史与现状1.1 内燃机的起源与发展内燃机的起源可以追溯到19世纪初的工业革命时期。
当时，随着蒸汽机的广泛应用，人们开始探索更加高效、便携的动力源。
1832年，法国工程师尼古拉斯·奥托（Nicolas Otto）成功研制出第一台四冲程内燃机，这标志着内燃机技术的诞生。
这一创新不仅改变了动力机械的面貌，也为后来的汽车、飞机等交通工具的发展奠定了基础。
内燃机的发展初期，主要依赖于燃油作为能源。
随着石油资源的日益丰富和提炼技术的进步，燃油逐渐成为了内燃机的主要动力来源。
内燃机的效率不断提高，功率也不断增加，使得它在工业、交通等领域得到了广泛应用。
然而，内燃机的发展也面临着诸多挑战。
燃油燃烧产生的废气对环境的污染问题日益严重，这使得内燃机的环保性能成为了关注的焦点。
为了应对这一挑战，内燃机技术不断创新，出现了许多新型的内燃机，如柴油机、汽油机等，它们具有更高的热效率和更低的排放水平。
此外，内燃机的发展还推动了相关产业的繁荣。
内燃机的广泛应用促进了石油开采、提炼、运输等产业的发展，同时也带动了机械制造、材料科学等领域的进步。
这些产业的发展不仅为内燃机提供了更加完善的产业链支持，也为社会经济的增长做出了重要贡献。
正如著名科学家托马斯·爱迪生所说：“创新是区分领导者和追随者的唯一标准。
”内燃机的起源与发展正是这一理念的生动体现。
从最初的四冲程内燃机到如今的高效、环保的新型内燃机，内燃机技术的不断创新和发展为人类社会的进步做出了巨大贡献。
未来，随着科技的不断进步和环保要求的日益严格，内燃机技术将继续迎来新的挑战和机遇，为人类创造更加美好的未来。
1.2 当前内燃机技术的现状当前内燃机技术的现状呈现出多元化和复杂化的特点。
随着全球对环境保护和能源效率的日益关注，内燃机技术正面临着前所未有的挑战和机遇。
一方面，传统内燃机在燃油效率和排放控制方面已经达到了较高的水平，如柴油机的燃油消耗率和排放水平已经得到了显著改善。
机械创新设计实例分析
10.1
新型内燃机的开发实例
(2) 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。 (3) 曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。 上述问题引起了人们改变现状的愿望，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。
10.1
新型内燃机的开发实例
2) 旋转式发动机的设计特点 (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
1. 往复式内燃机的技术矛盾
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。 活塞式发动机工作时具有吸气、压 缩、做功 ( 燃爆 ) 、排气 4 个冲程，做功冲 程输出转矩，对外做功 这种往复式活塞发动机存在以下明 显的缺点。 (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。 活塞1 连杆2 气缸3 曲轴4 进气阀5 排气阀6
控制回转运动平稳。
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。通过
改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴的转速，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。
10.1
新型内燃机的开发实例
新型节能环保型内燃机车燃油系统模块化设计
新型节能环保型内燃机车燃油系统模块化设计摘要：介绍了新型节能环保型内燃机车燃油系统的结构，针对燃油系统进行了模块化设计。
关键词：燃油系统模块化设计内燃机车1 前言随着世界能源日益紧张，环境污染问题逐渐受到关注，国内外交流传动机车开始向经济型、可靠型、安全型、环保型靠拢。
新型节能环保型交流传动节能环保型调车内燃机车是以交流传动为主，以低能耗、低污染、高效率、高启动牵引力为主旨，满足中国铁路编组多样化需求，为交流传动内燃机车平台提供数据支撑。
按照搭建技术平台的要求，新型节能环保型节能环保型调车机车燃油系统采用模块化结构，将燃油部件集成在一个支架上，形成一个模块，以便组装、检修和维护。
2 燃油系统介绍2.1 燃油系统功能燃油系统的作用是存储并供给柴油机工作所需的具有一定压力、温度和流量的清洁度较高的燃油。
机车燃油系统与柴油机内部燃油系统构成循环回路，保证柴油机的正常工作。
2.2 燃油系统组成燃油系统是由燃油箱、燃油粗滤器、主燃油泵、燃油精滤器（柴油机自带）、燃油预热器、温控阀、逆止阀、三通阀、扣压胶管及管件管路等组成。
2.3 燃油系统原理介绍柴油机启动时，主燃油泵工作，从燃油箱吸取燃油经过燃油粗滤器、逆止阀、燃油精滤器，并把燃油输送到柴油机燃油总管，分别输送到每个燃油喷射泵，被加压后燃油由喷油嘴喷出形成雾化状在汽缸中燃烧，剩余的和未燃烧完全的燃油流回燃油箱。
在柴油机的高温水系统里设置了燃油预热器，以满足在冬季或寒冷地区柴油机启动要求。
燃油是否经过燃油预热器是由温控阀来控制。
12V240H柴油机采用电子燃油直喷，其喷射出的油温较高，在回油管路中安装了换向阀，冬季从燃油箱近端回油，提高进柴油机燃油的温度。
夏季从燃油箱远端回油，降低进柴油机燃油的温度。
燃油系统原理图如图1所示。
图1 燃油系统原理图3 燃油模块设计将主燃油泵、燃油粗滤器、燃油预热器、燃油管路及其管路附件集成在一个支架装配上，形成一个燃油模块，既可以单独拆装单个零部件，也可以进行整体吊装，整个模块与车体底架通过活螺栓装配连接，模块与外部之间使用胶管连接。
内燃机技术的自主创新与发展
内燃机技术的自主创新与发展第一章概论内燃机作为现代机械装置中最为普及的动力装置，具有体积小、重量轻、功率密度大、启动快、易于控制运转等优点，被广泛应用于各种交通工具、工业和农业生产中。
然而，由于市场竞争的激烈以及环保和能源问题的日益凸显，内燃机技术的自主创新和发展变得至关重要。
本文将从内燃机自主创新的必要性和发展情况、技术创新的途径和方向、关键技术的研究进展和现有问题等方面进行探讨。
第二章内燃机自主创新的必要性和发展情况自主创新是推动国家经济发展和技术进步的重要手段，也是内燃机技术发展的必由之路。
一方面，当前全球节能减排、环境保护、经济可持续发展、技术创新等问题急需解决，内燃机作为消耗大量能源、排放大量废气的重要装置，必须积极应对这些挑战。
另一方面，国家对高耗能、高排放产品制造业实施严格的控制和管理政策，内燃机行业必须自主创新来应对和突破这些难关。
目前，我国内燃机制造业发展迅速，技术不断创新。
一方面，大型内燃机企业在自主研发和创新方面进行了大量努力，积极推进智能化、数字化、绿色化转型；另一方面，一些科研机构和高校也在内燃机技术方面不断加强研究和开发，积极探索新技术、新材料和新工艺。
总体来看，我国内燃机技术基础、智能化控制以及环保能效等方面已取得明显成效，但在满足市场需求、开发新产品和提高核心技术方面仍有待加强。
第三章技术创新的途径和方向内燃机技术创新有多种途径和方向，主要包括以下几个方面：1. 优化设计。
采用CAE（计算机辅助工程）技术对内燃机结构进行分析、仿真和优化，提高内燃机的综合性能、减少能耗和排放，满足不同领域的需求。
2. 智能化控制。
通过集成电子控制技术，实现内燃机的智能化控制、精准控制和自适应控制，提高内燃机的性能和稳定性。
3. 应用先进材料。
采用新型材料，如轻质合金、先进复合材料、高温合金等，提高内燃机的强度、耐热性和耐腐蚀性，同时减轻内燃机自身重量，提高功率密度和能效。
4. 开发新型燃料。
新型内燃机车燃油油位测量显示装置的研制
廛遇挝夔新型内燃机车燃油油位测量显示装置的研制黄亮，李家武-谢君成z(1．西南交通大学电气学院仿真中心，l厘t,l l l成都610031；2．成都运达创新科技有限公司，四川成都610031)秘旁要】通过研制的内燃机车燃油油位测量显示装置，可以实现燃油消耗、机车运行等各类信息远传，达到在司机室就能直观了解燃油消耗状况酊目的。
结合地面分析系统的使用，可以实现加务段燃油油耗的信息化管理。
D∈键词】|内燃机车；燃油油住；显示装置；地面系统目前国内内燃机车是通过老式油尺来获得燃油剩余油量信息行，这种方法存在很大的缺陷。
例如行驶过程中，司机要了解燃油箱剩余油量，必须要停车再下车察看，工作很不方便；机车燃油箱使用～段时间后，因为油蚀的原因，老式油尺透明度降低，油面位置就模糊不清难以分辨；机车停放位置处线路不平等因素，给言l乘人员正确读取燃油消耗量繁来困难；当偶尔发生燃油管路泄漏等故障时，司机难以察觉，不能及时处理；这种采取估测油位的方法进行燃油交接，不利于成本核算等等。
本装置采用单片机+传感器+L C D的组合，系统自动化程度高，与机车其它部件耦合小，安全可靠，安装方便，适用性广泛。
1工作原理油位测量显示装置是通过精度高、稳定性好的压力传感器采集剩余油量的压力值，通过建立压力值与燃油箱的数学模型，得到真实油量的装置(见图1)。
传感器和Tax插板之间采用C A N通信，Tax插板和显示机箱之间采用R S485通信。
传感器采集到油量的压力值通过C A N 总线传到T ax插板，经过T ax插板分析处理后，将打包数据通过R S485总线传到显示机箱显示并保存，通过U S B接口转储到地面分析系统进行分析。
Tax插板和显示板的M C U都采用的是富±通系列单片机，按照功能的划分来设计处理软件、传输软件和显示界面软件。
鼍r[瑙岸剑；；畦“型蔫露图1装置工作原理圈图2双感感器结构示意图装置具有以下功能特点：1)该装置是专门用于机车远传测量燃油量的装置。
新型内燃机的创新设计
本科生课程考试成绩单（试卷封面）任课教师签名：日期：1 / 7新型内燃机的创新设计导语：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。
一、什么是内燃机：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。
二、往复式内燃机的特点：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2内往复移动，经连杆气体燃爆使活塞1 在气缸3和排5做旋转运动，输出转矩。
进气阀推动曲轴4活塞式发动6 的开启由专门的凸轮机构控制。
气阀个、排气)4 燃爆机工作时具有吸气、压缩、做功(冲程，如图所示，其中，只有做功冲程输出转矩，对外做功。
2 / 7三、为什么要进行内燃机的创新设计—往复式内燃机的技术矛盾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(1)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(2)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。
(3)活塞式发动机的四个冲程3 / 7四、非往复式发动机的特点与应用：（一）无曲轴式活塞发动机：无曲轴式活塞发动机采用机构替代的方法，以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑块机构，取消原有的关键件曲轴，使零件数量减少，结构简单，成本降低。
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新型内燃机的创新设计
导语：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。
一、什么是内燃机：
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。
二、往复式内燃机的特点：
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。
三、为什么要进行内燃机的创新设计—往复式内燃机的技术矛盾
往复式活塞发动机存在以下明显的缺点：
(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。
(3)曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。
活塞式发动机的四个冲
上述问题引起了人们改变现状的愿望，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。
四、非往复式发动机的特点与应用：
（一）无曲轴式活塞发动机：
无曲轴式活塞发动机采用机构替代的方法，以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑块机构，取消原有的关键件曲轴，使零件数量减少，结构简单，成本降低。
日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发动机采用无曲轴式活塞发动机，如图所示。
其关键部件是圆柱凸轮动力传输装置。
一般圆柱凸轮机构是将凸轮的回转运动变为从动杆的往复运动，而此处利用反动作，即当活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块在凸轮槽中滑动而推动凸轮转动，经输出轴输出转矩。
活塞往复两次，凸轮旋转360°。
系统中没有飞轮，控制回转运动平稳。
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。
通过改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴的转速，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。
（二）旋转式内燃发动机：
在改进往复式发动机的过程中，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。
1、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
汪克尔旋转发动机结构
同样也有吸气、
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:
(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。
2、旋转式发动机的设计特点：
(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 1.5∶1，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1/2～2/3。
3、旋转发动机的实用比：
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、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。
五、前景：
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。
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。
参考文献：
1、《机械创新设计》丛晓霞北京大学出版社 2008
2、《机械创新设计》张美麟化学工业出版社 2010。