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1、本科毕业设计（论文）基于创新方法的斯特林发动机改进学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 （机械电子工程方向） 年级班别 2008级（2）班 学 号 学生姓名 指导教师 2012年 6 月基于创新方法的斯特林发动机改进 机电工程学院 摘要斯特林发动机由于具有燃料来源广、低噪声、低污染、安全性能高等诸多优点而受到越来越广泛的重视。但由于斯特林发动机在功率效率及结构的技术和发展还不是特别地成熟，还不能成为完全替代内燃机的新型动力机器，需要对斯特林发动机进行改进设计。本文在介绍了基于TRI的机构创新设计方法的基础上，针对现有斯特林发动机工作效率低、功率不高、结构庞大等方面问题，应用TR
2、I的技术矛盾矩阵法对斯特林发动机进行创新设计，利用TRIZ法40条原理中的嵌套原理提出了型斯特林发动机结构、分离与分开原理提出型斯特林发动机结构和周期性作用原理提出了复动型发动机结构，从结构、原理和工作循环方法上实现了产品不同角度的创新设计。用TRI改进所得出的方案为斯特林发动机的发展方向提供实用价值的参考。关键词：TRIZ，机构创新设计，斯特林发动机AbstractThe Stirling engine gets more and more extensive attention，because it has a lot of advantage such as the wide fuel
3、source, low noise , low pollution, high thermal efficiency and higher safety. The technology and development of Stirling engine in power efficiency and structure is not particularly mature, which can not completely replace the internal combustion engine and become the new dynamic machine. It need to
4、 improve the design of the Stirling engine. This paper introduces the institutional innovative design method on the basis of the TRIZ theory. Since the low efficiency of the existing Stirling engine power structure low thermal efficiency and huge structure, the Author applyed technical contradiction
5、 matrix method of TRIZ on the Stirling engine to innovative design. The structure of the -type Stirling engine, -type Stirling engine structure and the complex dynamic engine structure turned out. It bring about the product of innovative design from the structure, principle and duty cycle method. Th
6、e improved program that obtained by TRIZ theory provide a reference of practical value for the development direction of the Stirling engine.Key words: TRIZ, Institution innovation design, The Stirling engine目 录第一章 绪论11.1 斯特林发动机的历史和现状21.2 机构创新设计国内外的研究现状21.3 TRI的发展及其应用状况31.4 本文的研究内容5第二章 TRI62.1 TRI的核心
7、思想62.2 TRI的基本原理62.3 TRI技术矛盾解决问题的一般过程7第三章 斯特林发动机的工作原理及其改进方案83.1 斯特林发动机结构分析83.2 工作原理分析93.3 基于TRIZ的斯特林发动机的创新设计113.3.1 热效率的改进113.3.2 功率的改进123.3.3 结构的改进16总结19参考文献20致谢21第一章 绪论本论文主要选择斯特林发动机进行机构创新设计。主要选用的机构创新方法是利用TRI做机构方案创新改进设计。引擎是一种将热能转换成机械能的装置，它需要通过热交换引起内部压力和容积的变化。引擎的主要部件是气缸，一般汽缸包括缸体、进气孔、输油孔、出气孔、活塞和火花塞(汽油
8、机)等。而发动机是一整套动力输出设备，包括变速齿轮、引擎和传动轴等等，可见引擎只是整个发动机的一个部分，但却是整个发动机的核心部分，因此把引擎称为发动机也不为过。斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机，因它是在1816年为苏格兰的R.斯特林所发明，故又称斯特林发动机。闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内，从外部燃烧和冷却使其产生压力变化，得到动能输出的外燃机。而开循环则如内燃机和一些蒸气机需要与大气交换气体。斯特林发动机被归为外燃机。斯特林发动机因其无声操作和能源效率享有盛誉。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。活塞式内燃机将燃料和空气
9、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。外燃机使用工质(传递能量的媒介物质叫工质)，在封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。所以斯特林发动机是外燃机。斯特林发动机是一种新型动力机械，虽然早在19世纪初其雏型已被发明，但是由于当时技术水平的限制，而未能得到实际应用。近几十年来，由于斯特林发动机具有环保，低噪声、低污染和优良的环境特
10、性等优点，斯特林发动机重新受到人们的重视，并得到了较快的发展，其应用前景十分广阔。但由于斯特林发动机在功率及其结构和可靠性等方面各项性能指标与技术已经十分成熟的内燃机相比，还有更大的改进空间。本文利用TRI对原有斯特林发动机结构设计改进，进而使用TRI对斯特林发动机做出改进，重点是使用技术矛盾矩阵法解决技术冲突。在此之前，前人已对斯特林发动机作了部分研究，大多是其循环过程能量分析、热力分析等，而在结构改进这方面尚属少数。TRI是一门令创新科学有规律可循的学科，利用它可以快速做出改进方案设计，本文利用TRI对斯特林作机构改进，使得斯特林发动机的朝着更稳定、更高性能、更智能化的方向发展，为斯特林发
11、动机代替内燃机应用展现了更广阔的前景。1.1 斯特林发动机的历史和现状随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一1。1938年，荷兰Philips公司开始了现代斯特林发动机的研制工作，在传动结构、工质选择及密封装置等3个方面取得了创新成果，极大地提高了斯特林发动机的效率和功率，从而掀起了现代斯特林发动机的研究热潮2。斯特林循环发动机这种古老的机型，当时由于材料及电动机、内燃机的竞争没有得到发展。后来由于石油供应日益紧张，且由于新技
12、术、新材料、新工艺、新设备的不断涌现，使得理论热效率高、排气污染小，可采用多种燃料的斯特林发动机又进入一个新的发展阶段。目前世界各国都投入一定的人力物力开发斯特林发动机。我国对斯特林发动机的研制尚处在初期阶段。斯特林发动机具有振动小，低噪声的优点，由于不会排出气体，且其架构内部不会发生爆炸，目前主要被应用于潜艇的无气推进源、游艇的蓄电池充电器等，家庭用的热电联合系统（CHP）装置、太阳能发电、生物物质燃烧发电等方面。但斯特林就目前研究情况来看还存在以下问题有待进一步改进：1、因为是靠气体的压缩膨胀来做功，输出功率并不高。2、为了获得高的输出功率和效率，需要用高压的工作气体，那么发动机结构就需要
13、做成耐压结构，结构复杂。3、通过热交换器对工作气体加热，冷却的同时，完成斯特林循环的逆流式热交换器不可缺少，加工费用比较高。1.2 机构创新设计国内外的研究现状创新设计就是以创新的观点和创新的方法来研究现代设计的规律和模式，并充分发挥设计者的创造力，揭示新理论、创立新技术、设计出更具有竞争力的新颖“产品”。创新设计融合了多种设计方法的精髓，是一门多元性的新兴科学；它囊括了当代各种创造技法，并灵活准确地运用于设计之中，使设计工作完全不同于以往的传统设计，在设计领域中开创了新的天地。机构创新设计是以初选的机构方案为雏形，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构或者是利用发散思维的方法，将现
14、有的机构进行分类整理，然后根据原理方案所需的运动特性或功能进行搜索选择、评价，选出合适的机构形式。设计的本质是革新和创造，强调创新设计是要求在设计中更充分发挥设计者的创造力，利用最新科技成果，在现代设计理论和方法的指导下，设计出更具有竞争力的新颖产品。美国、德国等是开展机构创新设计较早的国家，并且已取得不少研究成果。其中较有影响的机构设计创新大多是从具体的现有机械入手，然后进行理论与方法的总结。例如Erdmen等研究的开窗调节机构的结构类型与选优3；油田抽油机的结构类型选优4；Fredenstein F等研究的变冲程内燃机驱动机构结构类型选优5；汽车刮雨器机构结构类型选优6等等。美国Jehns
15、on R C教授较早地将创新方法引入机械设计过程，他认为要顺利解决机械设计创新，就必须在结构型式综合投入精力并在材料、尺寸上进行优化7。1979年，Freudenstei提出“功能与结构分离”的方法用于机构综合8，随后许多学者对这一方法进行研究和深化。国内机械创新设计的研究大体分为两个方面，一方面是实际应用上独创设计了中国专利产品，如“梅花抓斗”、“三环减速器”、“轮胎成形鼓机构”9等，取得了较好的经济效益。另一方面，己有学者开始对机械创新设计方法进行探索和讨论，该项研究己列入国家自然科学发展战略研究指南。1.3 TRI的发展及其应用状况TRIZ法是一种基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学。TRIZ一词
