新型內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、本科生課程考試成績(jī)單（試卷封面）院系機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)生姓名廖宇軒學(xué)號(hào)02008211課程名稱機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)授課時(shí)間2011年9月至2011年12月周學(xué)時(shí)2學(xué)分2簡(jiǎn) 要 評(píng) 語(yǔ)考核論題總評(píng)成績(jī) （含平時(shí)成績(jī)）備注任課教師簽名：日期：新型內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)導(dǎo)語(yǔ)：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(lái)，內(nèi)燃機(jī)已發(fā)展了多種形式，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門和國(guó)防工 藝中得到了廣泛的應(yīng)用。什么是內(nèi)燃機(jī):內(nèi)燃機(jī)，是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過(guò)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)

2、、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(shuō)的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī)?；钊絻?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)?。燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功，再通過(guò)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。二、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)：氣體燃爆使 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 輪機(jī)構(gòu)控制。排氣4個(gè) 對(duì)外做功。式內(nèi)燃機(jī)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?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)的主體是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。它利用 活塞1在氣缸3內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，經(jīng)連桿2推動(dòng)曲軸4 輸出轉(zhuǎn)矩

3、。進(jìn)氣閥5和排氣閥6的開啟由專門的凸 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)具有吸氣、壓縮、做功(燃爆)、 沖程，如圖所示，其中，只有做功沖程輸出轉(zhuǎn)矩，三、為什么要進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)一往復(fù)的技術(shù)矛盾往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)存在以下明顯的缺點(diǎn):(1) 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。(2) 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(zhǎng)，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。(3) 曲軸回轉(zhuǎn)兩圈才有一次動(dòng)力輸出，效率低?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程 上述問(wèn)題引起了人們改變現(xiàn)狀的愿望， 社會(huì)的需求促進(jìn)產(chǎn)品的改造

4、和創(chuàng)新， 多年來(lái), 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)。四、非往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用:(一)無(wú)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)：無(wú)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)構(gòu)替代的方法，以凸輪機(jī)構(gòu)代替發(fā)動(dòng)機(jī)中原有的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，取消原有的關(guān)鍵件曲軸，使零件數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本降低。日本名古屋機(jī)電工程公司生產(chǎn)的二沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用 無(wú)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖所示 其關(guān)鍵部件是圓柱凸輪動(dòng)力傳輸裝置。 一般圓柱凸輪機(jī)構(gòu)是將凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺膭?dòng) 桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而此處利用反動(dòng)作，即當(dāng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿端部的滑塊在凸輪槽中 滑動(dòng)而推動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩?；钊鶑?fù)兩次，凸輪旋轉(zhuǎn)360 °。系統(tǒng)中沒(méi)有飛輪

5、，控制回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。這種無(wú)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)若將圓柱凸輪安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的中心部位， 可在其周圍設(shè)置多個(gè)氣缸，制成多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)改變圓柱凸輪的凸輪輪廓形狀可以改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，達(dá)到減速增矩的目的。這種凸輪式無(wú)曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)已用于船舶、重型機(jī)械、建筑 機(jī)械等行業(yè)。(二)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(guò)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^(guò)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(wú)法解決氣缸密封問(wèn)題而不能實(shí)現(xiàn)。直到 1945年德國(guó)工程師汪克爾經(jīng)長(zhǎng)期研究

6、，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 1、工作原理：汪克爾所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖如 橢圓形的缸體1、三角形轉(zhuǎn)子2(轉(zhuǎn)子的孔上有 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、 功)和排氣4個(gè)動(dòng)作，如圖10.5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)0圖所示，它由 內(nèi)齒輪)、外齒壓縮、燃爆(做 子轉(zhuǎn)一周時(shí)， 以三角形轉(zhuǎn)子 上的AB弧進(jìn) 行分析：吸氣：轉(zhuǎn)(a)(b)圖10.5旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程子處于如圖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

7、)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 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。2、旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(guò)內(nèi)部容積變化， 完成燃?xì)獾奈鼩?、壓縮、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

8、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 力輸出？在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了內(nèi) 行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖10.6所示。三角 當(dāng)于行星內(nèi)齒輪2,它一面繞自身軸線 繞中心外齒輪1在缸體3內(nèi)公轉(zhuǎn)，系 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出曲軸。轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪與中 的齒數(shù)比是1.5 : 1,這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周, 周，輸出轉(zhuǎn)速較高。根據(jù)三角形轉(zhuǎn)子 知，曲軸每轉(zhuǎn)一周即產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力沖 沖程往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)兩周才 動(dòng)力沖程，可知旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率 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)

9、機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 形轉(zhuǎn)子和輸出軸兩個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。它需 個(gè)化油器和若干火花塞，但無(wú)須連桿、Ly/ ULLLm i2| E 1一 HTrrnrrnr 3圖W.6行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng) 嚙合形轉(zhuǎn)子相 自轉(zhuǎn)，一面 桿H則是 心外齒輪 使曲軸轉(zhuǎn)3 的結(jié)構(gòu)可 程，相對(duì)四 產(chǎn)生一個(gè) 容量比是只有三角 要一活塞以及復(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 3、旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用比：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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)用化生產(chǎn)的過(guò)程中還有許多 問(wèn)題需要解決。日本東澤公司從德國(guó)納蘇公司購(gòu)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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)、消音器等多種零部件，并采用了高級(jí)潤(rùn)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(lái)該公司生產(chǎn)了 120萬(wàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)用于汽車，市場(chǎng)效益 很好。五、前景：隨著生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然會(huì)出現(xiàn)更多