新型内燃机的创新设计

本科生课程考试成绩单
（试卷封面）
院 系 机械工程学院 专业 机械工程及自动化
学生姓名 廖宇轩 学号
02008211
课程名称 机械创新设计
授课时间 2011年 9 月 至 2011年 12 月 周学时 2 学分
2

简
要
评
语

考核论题
总评成绩
（含平时成绩）

备注
任课教师签名：
日 期：

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。

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

活塞式发动机的四个冲程
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：

汪克尔旋转发动机结构图
(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