机械创新设计

机械创新设计(Mechanical Creative Design，MCD)

目录 1 什么是机械创新设计[1] 2 机械创新设计的特点[2] 3 机械创新设计的类型[3] 4 机械创新设计的原则[3] 5 机械创新设计中的创新思维[4] 6 机械创新设计的基本过程[2] 7 机械创新设计的方法[5] 8 机械创新设计的案例分析 8.1 案例一：内燃机的发展[6] 8.2 案例二：三角转子发动机的研制[6] 9 参考文献

　　机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术、原理等)，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含两个部分：一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新产品、新机器，以满足新的生产或生活的需要。

　　机械创新设计具有以下特点：

　　(1)涉及多种学科，如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等多种科技的交叉、渗透与融合。

　　(2)设计过程中相当部分工作是非数据性、非计算性的，必须依靠在知识和经验积累的基础上思考、推理、判断以及创造性的发散思维，在基于知识、经验灵感与想像力的系统中搜索并优化设计方案。

　　(3)可对原有产品的性能、结构、零部件尺寸、材料等直接进行测试、测量和分析，能获得准确、详细的设计数据，机械创新设计是多次反复、多级筛选的过程，每一设计阶段都有其特定内容与方法，但各阶段之间又密切相关，形成一个整体的系统设计。

　　按照机械产品开发的内容，机械创新设计可分为如下四种类型：

　　(1)开发设计

　　按照需求目标设计过去从未有过的新型机械，提出新方案，完成从产品规划、原理方案，技术设计到施工设计的全过程。

　　(2)变异设计

　　在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等方面进行一定的变异，设计新产品以满足新的使用要求。

　　(3)反求设计

　　针对已有的先进产品或设计，进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类的创新产品。

　　(4)组合选型设计

　　根据原理方案要求，在已有的部分结构基础上，进行有效的组合，从而得到新的组合结构形式。

　　(1)科学性原则

　　设计方案是某种或某些科学技术原理的体现，因此，任何设计方案都不能违背科学技术原理。

　　违背这一原则的设计以“永动机方案”为最典型。自古以来，有无数发明家绞尽脑汁地设计了一个又一个永动机，但都因直接违背能量守恒定律而徒劳无益，没有任何结果。设计方案除了不违反科学原理外，还应能达到预期的性能。大多数发明的目的都是要超过已有技术。

　　如果效果并不那么理想，该发明也就失去了存在的意义。因此，多方面地对设计的技术性能进行论证很有必要。

　　例如，有人曾设计出一种“液压传动和变速的自行车”。他的目的是使车子骑起来更为轻快和灵便。这就要有一个前提，即液压传动系统要与链条传动的效率相近或更高。但是如果认真进行核查的话，我们就会发现事实正好相反，在功率传送上液压传动的效率较低，因此该项发明的预期目的很难实现。

　　对于一项本身作用原理没有问题的发明，还应考虑它在制造过程中是否存在特殊的困难。假定你想发明一种“扑翼式人力飞机”，如果你的设计有赖于一种极轻然而又很坚固、弹力又极好的材料，大概就有问题了。你必须首先调查一下你所需要的这种材料目前是否可能制造出来，然后再去考虑你的发明是否有意义。

　　另外一个必须考虑的问题是，你设计的东西如果如愿以偿地制造出来了，在实际使用中是否会遇到特殊的困难。

　　例如，一种像帆船那样由风驱动的运输车辆并不是制造不出来，但是如果我们真要使用这样一种“风动车辆”，就会遇到许多麻烦。我们必须在很窄的道路上行驶，然而，陆地上的风远不像海上那样稳定，因此，我们的车辆就会陷入时快时慢、时走时停的状态。这在公路运输上是不能允许的，会大大妨碍其他车辆的行驶和安全。

　　(2)独特性原则

　　创新设计者往往别具匠心，常常以不同于一般设计师的方式提出一些奇特的构思，使技术方案具有突出的实际效果。

　　例如，转子发动机的设计，磁悬列车的设计等，都是别具匠心的设计。

　　出色的设计往往具有独特的构思，但独特的构思未必能成为有实际效果的为人们所急需的产品。例如，有人曾设计了一种“能喷水的闹钟”，他用喷头射水代替铃声来浇醒沉睡的主人，但是，这样的设计由于人们不那么需要，所以很难商品化。

　　(3)求优性原则

　　要想直接估计出一项设计的实用价值是十分困难的。实际上，人们往往采取比较法来进行估计，也就是将新方案的可能效果与那些要解决同样问题的全部已有技术相比较，看它是否处于比较优越的地位。

　　一般说来，追求完全相类似功能的不同技术是可以进行比较并分出优劣的。例如，爱迪生设计的碳钮电话话筒与原来贝尔所用的液体变阻器话筒是两种技术，但它们所要达到的功能完全相同，即把声音变成相应的波动电流。在这种情况下，人们可以清楚地看出，前一种技术比后一种更为简单、方便、耐用，明显优于后一种。实际上，贝尔公司很快就买下了爱迪生的专利权。

　　想出一个优于已有技术的设计方案当然是很值得高兴的事，但是，我们也应该意识到，技术在不断发展进步，新的设计也会层出不穷。因此，我们还必须考虑可能出现的其他种种技术方案，考虑到各种可能的改进方案，这样才能使自己的设计在稍长的时间内处于相对最优地位，在较长时间里保持其使用价值。从中可以看到，创新才是技术设计永保青春的秘诀。

　　(4)简捷性原则

　　技术方案是否简捷，也是判断一项设计能不能获得成功的一项设计原则。

　　有一种模糊的错觉认为，一项设计的原理和构造越复杂，就说明它的水平越高。诚然，把一件构造复杂的东西制造出来绝非易事，但这仅仅是对制造者而言。如果设计者使其构造的复杂性超越了一定的限度，那么这就是一件蹩脚的或失败的设计。因此，创新设计者应追求功能明确、性能可靠且机理简单的技术方案。

　　(5)市场性原则

　　符合科学原理和技术原理的产品设计，通常可以制造出来。那么，是否就能认为这一项设计已经取得了成功呢?事实上未必如此。除了极少数特殊情况(如作为一项科学研究的实验)以外，一般的设计要获得最后成功，必须证明自己具有突出的实用性，必须经受住市场的严峻考验。

　　爱迪生曾这样说：“我不打算发明任何卖不出去的东西，因为不能卖出去的东西都没有达到成功的顶点。能销售出去就证明了它的实用性，而实用性就是成功。”这对任何有志于创新设计的人来说是金玉良言，是判断设计价值的最高标准。有人可能错把专利局审查批准看作设计成功的标志。诚然，这确实是一个可喜的标志，标志着你的设计有了起码的水平，然而这并不是最重要的标志。有人可能要问，专利审查不是已经包括实用性的内容了吗?实际上，专利局仅仅是把那些明显不实用的设计加以剔除，并不对获准专利的商业价值作任何保证。从世界上发达国家获准专利的实施情况来看，真正获得效益的仅占总数的15％左右。

　　那么，什么样的东西能获得市场呢?一般地说，要求该设计者的使用价值超过出售价格。

　　一种商品的售价总是受成本制约的。一般情况下产量越多，成本就越低。而同一种设计对于不同的人来说，其使用价值往往是不同的。通常只有少数人认为其使用价值很高，而多数人则不这样认为。

　　例如，同样一种太阳能利用设备，在阳光充足而燃料贫乏的地区(如青藏高原)就有较高的使用价值；而在燃料非常丰富的地区则没有很重要的使用价值。因此，对于特定的某一产品来说，考虑的销售面越广，其平均使用价值就越低。

　　对熟悉工程技术的人来说，估计一种新产品的成本并不感到十分困难，而估计一项新设计的使用价值却常常感到是十分困难的事情。尽管如此，我们仍可以从下面几个方面来考虑使用价值：

　　1)该设计解决的问题是否迫切?一般说来，如果一项设计解决了人们迫切需要解决的问题。它的使用价值就比较高。例如，在电报发明之前，火车和轮船已在世界上得到应用，运输的速度已大大加快，但通讯速度受运输速度所限制，远远不能适应当时工业和商业迅速发展的需要。因此，电报被莫尔斯发明出来以后不到10年，就在许多国家得到广泛应用。但是，人们在短距离通讯上，使用电报仍不够方便，需要专人收发报和翻译电码，往往还不如派人送信省事，然而，电话的发明，扫除了这些麻烦，因而以更快的速度得到普及。

　　2)是否容易使用?一项能够解决某一问题的设计还必须保证本身使用起来是方便的，否则，它将会带来新的问题。例如，许多人在做饭时感到剁肉末十分费事，有人设计出了一种家用手摇绞肉机，用起来确实比剁肉省力。但是，这种绞肉机需要经常清洗，十分麻烦，结果不少人都弃之不用。

　　3)是否耐用、可靠?耐用与可靠直接关系到使用价值，需要特别注意。例如，目前市场上可以看到一种名叫“热得快”的电热器，可以方便地用来加热杯子里的水或奶，构造简单，价格便宜。但是它的设计不尽合理，很不耐用，稍有不慎就会烧坏，甚至有漏电的危险，因此销路大减。

　　4)是否令人喜欢?应该理解到这一点，即外观美也是使用价值的一部分。例如，钟表是用来指示时间的，但不能认为只要走时准，外观不用考虑。实际上，许多物品都兼有装饰房间或其他场所的作用，至少不应该破坏环境的美感。即使是工，一里的机器，适当的外观也常有助于减轻操作者的疲劳感，并让人产生爱惜的心情。除了以上几点，使用价值还应包括安全，不妨碍他人，无公害，等等。

　　机械创新设计是人类创造活动的具体领域，需要设计者对创新思维的特点、本质、形成过程有所掌握，认识创新思维与其他类型的思维、创新原理、创新技法的关系等。创新设计不是简单的模仿或技术改造，而应具有突破性、新颖性、创造性、实用性以及带来的社会效益性。

　　创新思维是一种高层次的思维活动，它是建立在常规思维基础上的人脑机能在外界信息激励下，自觉综合主观和客观信息后产生新的客观实体(如工程领域中的新成果，自然规律或科学理论的新发现等)的思维活动和过程。创新思维的主要特点有：综合性、跳跃性、新颖性、潜意识的自觉性、顿悟性、流畅灵活性等。

　　人类现代文明的一切成果，无不是人的创新思维的结果。创新思维是人们从事创造发明的源泉，是创造原理和创新技法的基础。例如，逆反创造原理源于有序思维、综合创造原理源于发散一收敛思维、迂回创造原理源于创新思维的形成过程原理等。了解和掌握创新思维的基本知识有助于创新思维的培养，有利于学习、掌握创造原理和创新技法。有利于人们从事各类创新活动。

　　创新思维的形成过程大致可分为3个阶段。

　　1．储存准备阶段

　　这一阶段就是明确要解决的问题，围绕问题收集信息，并试图使之概括化和系统化，使问题和信息在脑细胞及神经网络中留下印记。大脑的信息存储和积累是诱发创新思维的先决条件，存储愈多，诱发愈多。任何一项创造发明都需要一个准备过程，只是准备的时间长短不同。

　　2．悬想加工阶段

　　在围绕问题进行积极的思索时，大脑会不断地对神经网络中的递质、突触、受体进行能量积累，为产生新的信息而运作。这一阶段人脑能总体上根据各种感觉、知觉、表象提供的信息，认识事物的本质，使大脑神经网络的综合创造力有超前力量和自觉性。在准备之后，一种研究的进行或一个问题的解决，难以一蹴而就，往往需经过探索尝试，故这一阶段也常常叫做探索解决问题的潜伏期、孕育阶段。

　　3．顿悟阶段

　　人脑有意无意地突然出现某些新的形象、新的思想，使一些长久未能解决的问题在突然之间得以解决。进入这一阶段，问题的解决一下子变得豁然开朗。创造主体突然间被特定情景下的某一特定启发唤醒，创新意识猛然被发现，以前的困扰顿时一一化解，问题顺利解决。这一阶段是创新思维的重要阶段，被称为“直觉的跃进”，“思想上的光芒”。这一阶段客观上是由于重要信息的启示、艰苦不懈的思索。主观上是由于孕育阶段内，研究者未全身心投入去思考，从而使无意识思维处于积极活动状态，不像专注思索时思维按照特定方向运行，这时思维范围扩大，多种信息相互联系并相互影响，从而为问题的解决提供了良好的条件。

　　机械创新设计的目标是从所要求的机械功能出发，改进、完善现有机械或创造发明新机械，实现预期的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。它主要由综合过程、选择过程和分析过程所组成。因此，机械创新设计的基本过程大致有以下四个阶段：

　　(1)确定机械的基本原理。这一过程可能会涉及机械学对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科、不同技术的知识。

　　(2)机构结构类型综合及优选。优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，它多伴随新机构的发明。机械发明专利的大部分属于结构类型的创新设计。结构类型综合及优选是机械设计中最富有创造性、最具活力的阶段，但又是十分复杂和困难的问题。它涉及到设计者的知识储备、经验积累、创造灵感和想像力。

　　(3)机构运动尺寸综合及其运动参数优选。其难点在于求得非线性方程组的完全解(较为困难)，为优选方案提供较大的空间。随着优化法、代数消元法等数学方法引入机构学，使该问题有了突破性进展。

　　(4)机构动力学参数综合及其动力学参数优选。其难点在于动力学参数量大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解，这是一个有待深入研究的问题。

　　在掌握上述机械工作原理、结构学、运动学、动力学分析与综合的四个阶段后，便基本形成了机械设计的优选方案。然后，进入机械结构创新设计阶段。

　　创新设计的正常开展和完成，必须正确运用创新设计方法。常用的创新设计方法主要有下面几种：

　　一、智力激励法

　　智力激励法又叫集思广益法，它是由美国创造学家A．F．奥斯本提出的。人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好的发挥。一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于每个人的知识和经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种意见能互相启发，从而诱导出更多创意。通过激智、集智、交流，可实现创新的目的。智力激励法可以通过召开会议，也可以通过信函、书面等形式，达到互相启发、补充和完善见解，或发展为新的见解。

　　二、提问追溯法

　　提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。提问追溯法提出的问题如下：

　　1)有没有其他用途?有没有新的用途?稍加改进有没有其他用途?

　　2)能否借用其他经验或发明?是否有相似的东西?是否有可模仿或可借用的东西?

　　3)能否在结构、造型或其他方面变化一下?能否增加或减少什么?能否加高或降低一点?能否加长或缩短一点?能否加厚或减薄一点?能否减轻或加重一点?能否扩大或缩小一点?能否重新组合或再分解?

　　4)能否用其他东西代替?能否用代用的原材料、半成品或其他的代用制造方法?

　　5)能否增加或减少功能?

　　6)能否在成本不变的前提下提高产品的性能?

　　7)能否采用廉价代用材料、简化结构、使用简单而高效的制造工艺、提高零部件的标准化程度来降低成本?

　　通过一连串从不同角度的发问，可启发思维，提出新的设计方案。

　　三、缺点列举法

　　运用缺点列举法始于发现事物的缺点，挑出事物的毛病。在明确需要克服的缺点后，有的放矢地进行创造性思考，并通过改进设计去获得新的设计方案。例如，一家生产汽车喇叭继电器的小厂，为了改变产品销路不畅的被动局面，厂长和技术人员、销售人员一起对有关产品进行分析，在广泛收集用户意见的基础上，分析产品的缺点，然后针对缺点采取各种不同的措施，改进了原有的产品，很快打开了销路，销售量一年内便增长了一倍。

　　四、希望点列举法

　　希望点列举法从设计者(发明者)或用户的意愿出发提出新设想、新要求，从而激发人们去开发新产品或改进原有的产品。例如有了黑白电视机，还希望有彩色的、遥控的。又如人们希望在给别人打电话时不仅能闻其声，而且能见其人，为适应这种要求，开发了可视电话。

　　希望点列举法与缺点列举法都是将思维收敛于某“点”，然后发散思维，最后又集中于某种创意。但希望点列举法比缺点列举法涉及的目标更广，而且更侧重自由联想。

　　五、联想类比法

　　联想是由一个事物想到另一个事物的心理过程。对应联想由一件事物联想到与其对立的另一事物。例如由小想到大，由集中想到分散等。要增强联想能力，必须注意增加知识和经验，不但注意吸纳本专业及其他专业的学科知识，更要重视参加各种实践活动。利用联想进行发明创造是一种常用而且十分有效的方法，很多发明家都善于联想，也得益于联想的妙用。例如，贝尔发明电话，开始没有成功，以后从吉他的声音中想到了共鸣原理，改进了装置，才使电话发明成功。又如布拉特从看到蜘蛛织网联想到可以从上到下造桥，从而发明了吊桥，突破了传统的造桥模式。

　　联想类比由一事物或现象联想到与其有类似特点(如性质、外形、结构、功能等)的其他事物或现象。例如，由水波想到声波、光波；由水波可出现干涉现象，想到光也有干涉现象等。

　　六、反向探求法

　　反向探求将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规的途径探寻新的解法，因此反向探求法亦称为逆向思维法。例如在钨丝灯泡发明初期，为了避免钨丝在高温下的氧化，需要将灯泡内抽真空，但是使用后发现抽真空后的灯丝通电后仍会变脆。为了解决这个问题，当时多数人的意见是继续提高灯泡内的真空度。而美国科学家兰米尔却应用反向探求法提出向灯泡内充气的方法，他分别试验了将氢气、氧气、氮气、二氧化碳气、水蒸气等充入灯泡，试验结果表明氮气有明显的减少钨蒸发的作用，可使钨丝在其中长期工作，因而发明了充气灯泡。又例如：化学能为什么不能变成电能?声音既是振动，那么振动为什么不能复现原声?根据这些反问，相继发明了电池、留声机。

　　七、组合创新法

　　组合创新法是将现有技术或产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想或新产品。组合法的优点是组合形式多样，应用广泛，便于操作，经济有效。组合创新法应用的技术单元一般是已经成熟或比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。在当代社会生产和生活中，存在着大量已经开发出来的技术，只要合理组合，就能创造出适合需要的技术系统。例如，美国的“阿波罗”宇宙飞船由700万个零件组成，但没有一个零件是新研制的，用这些已有的零件组合出把人送上月球又重返地球的神奇系统。同样“阿波罗”宇宙飞船技术中的全部技术都是现有技术的组合。

　　组合创新法的类型很多。常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。虽然组合创新法所使用的技术是已有的技术，但适当组合后，同样可以做出重大的发明。

　　动力机械是近代人类社会进行生产活动的基本装备之一。动力机械按其工作方式分为内燃机和外燃机两大类，自1860年里诺制成第一台内燃机以来，它在国民经济各部门和国防工业中得到广泛的应用，并已发展出多种形式。

　　在技术发展史上，人们对内燃机的研究比外燃机要更早，但由于理论和技术上的不成熟，使得外燃的蒸汽机在内燃机出现前的一个多世纪内得到广泛的应用。

　　自从18世纪瓦特完成了蒸汽机的发明以后，几乎在一个世纪的时间里蒸汽机成为唯一的动力机。但在广泛应用的同时也暴露了它一系列固有的缺点：首先，热效率很低。当时，一般情况下。只有5％～8％，最高也不过13％，主要是它在工作过程中散失了大量的热量。其次，结构笨重，价格昂贵，锅炉和冷凝器等体积庞大，运行不灵活，很难达到体积小、更便宜、适应性更大、运行更灵活等要求。再次，操作不方便，运行不够安全。锅炉要预热两个多小时，不能随意起动和停止，由于锅炉储蓄的热量很大，容易发生爆炸。人们需要比蒸汽机更小、更便宜、适应性更大，运行更灵活的发动机。

　　随着科学和技术的进步，重新研制内燃机的有利条件形成了：在机械制造方面，比较精密的机床已经出现，冶金技术方面，转炉、电弧炉炼钢提供了优质的材料，煤气工业和石油工业的发展可以提供必要的燃料，而在1824年法国物理学家卡诺提出理想热机的卡诺循环，并随后建立的热力学第一定律和第二定律，为完成内燃机的发明提供了理论和技术基础。

　　人们首先分析了蒸汽机的缺点，发现燃料先把水烧成蒸汽，再把蒸汽引入汽缸做功，然后蒸汽再被冷凝器冷却成水，这个过程引起了大量的热损耗，里诺针对蒸汽机的这个缺点，用反向思维方法，考虑能不能使燃料直接在汽缸内部燃烧，这样就可以免去蒸汽作中介工作，热能直接作功。1860年，他制成了第一台实用的内燃机——二冲程煤气机，它的外表就像一部卧式蒸汽机，也有活塞、连杆和飞轮，但运转方式截然不同，它是靠吸入煤气和空气的混合物以后，在汽缸内点火燃烧发生膨胀而做功。这种煤气内燃机去掉了庞大的锅炉，结构紧凑，虽然其燃料消耗很高，而热效率仅4％(还不如蒸汽机)，电点火也不可靠，成本也很高，但毕竟它平稳的运转了，很受中小企业欢迎。

　　为了提高效率，法国工程师德罗沙进一步分析里诺机的缺点，从反向思考，提出了新的设想。他认为里诺机的燃料混合气未经压缩就直接进入汽缸，这样每一次吸入的燃料气体就很少，膨胀一次的热损失相对来说就很大。能不能每次多吸入一些燃料气体?德罗沙在对内燃机的热力过程进行理论分析之后，于1862年提出了提高热效率的关键措施，即预先压缩空气和燃气的混合物，提出了等容燃烧的四冲程内燃机工作原理。1876年，德国工程师奥托研制成功了第一台四冲程往复活塞式内燃机，每分钟180转，热效率高达14％(相当于蒸汽机的两倍)，它把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，具有效率高、体积小、重量轻、功率大等一系列优点。此后，奥托在一生中一直从事内燃机的研究，四冲程循环被称为“奥托循环”，他也被认为是内燃机的发明人。

　　在此之后，英国工程师克拉克制造了二冲程循环的内燃机，在每两个冲程中就有一个动力冲程。他还发明了两个汽缸的内燃机，当一个汽缸处于回复阶段时，另一汽缸则爆燃做功，使输出的动力较均匀。

　　里诺和奥托内燃机都是煤气机，但煤气的热值低，需要庞大的煤气发生炉和管道系统，煤气机的转速低，自重大，对于交通运输业所要求的高速、轻便的动力机来说，煤气机仍然是不相适应的。随着石油工业的蓬勃发展，用石油产品取代煤气作燃料已成为必然。

　　德国工程师戴勒姆分析煤气机的缺点，设计出了汽化器，解决了点火问题，于1883年制成了第一台四冲程往复式汽油机。以往煤气机的转速不超过200r／min，而戴勒姆汽油机的转速一跃成为800—1000r／min，其特点是功率大、重量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具。1885年，戴勒姆与德国工程师本茨两人分别以汽油机为动力独立制成了可供实用的汽车。

　　由于汽油价格较高，德国工程师狄塞尔考虑设计结构简单、燃料更便宜的柴油机。但是柴油机在汽缸里的点燃成为问题的关键。1892年，他提出了在内燃机中使用压缩点火的技术专利：发动机吸进的不是燃料和空气的混合物，而是空气，如果空气压缩后产生的高温超过柴油的燃点，那么通过喷嘴喷入的柴油就会自动燃烧，从而推动活塞做功。这样，不但可以省去汽化器和点火装置，提高热效率，而且可以用比汽油便宜得多的柴油作燃料。1897年，第一台20匹马力的柴油机开始运转，它的功率比汽油机大，热效率也提高到30％。狄塞尔柴油机是内燃机技术上的第二次大突破，柴油机成为工业上主要的动力机。

　　启示：

　　内燃机的发展过程揭示了科学与生产之间的辩证关系。科学的形成和发展是由社会生产所决定的，但往往科学又走在生产前面，对新的生产技术的诞生起着巨大的引导作用。奥托循环、狄塞尔循环理论产生之后才制造出了实现理论的内燃机，充分说明了科学研究要走在生产的前面，探索、发现新的热力学循环，才能引起内燃机技术的突破。

　　奥托煤气机、狄塞尔柴油机的发明充分说明了“缺点分析，反向创新”原理和方法所起的重要作用。科学技术的发展是继承和创新的辩证统一，新的技术是对原有技术成果的突破，如果没有对前人的理论、结构、工艺、材料等方面成果的深入分析，没有对前人的继承，不分析它的缺点和弊病，不提出克服缺点和弊病的设想和解决方法，不打破固定思路的束缚，是不可能创新的。

　　内燃机的发明说明，任何一种技术都不可能孤立的发展，各种技术是相互依存、相互促进的，内燃机的诞生需要冶炼技术提供优质钢材，需要各种机床对零件进行精密加工，需要石油工业提供汽油、柴油等燃料。因此，当我们发展一种新技术时，必须认真考虑相关技术的配合。另外，对于一个国家科技水平的先进和落后在一定的社会历史条件下也可以转化。英国是最早的工业化国家，但蒸汽机的大量使用，使得研究新型内燃机的工作受到了阻碍，而法国、德国由于发明制造出了多种内燃机，产生了许多科学家和发明家，使其科技水平超过了英国。

　　往复式内燃机虽然取代了蒸汽机成为应用广泛的动力机，但也存在很多缺点：首先，其工作机构多、零件多、结构复杂，往复式内燃机主要有曲柄连杆机构、凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构以及汽缸、连杆、曲柄等主要机件，机构复杂，并且摩擦损耗会降低机械效率。其次，活塞往复运动造成较大的往复惯性力，而且此惯性力随转速的平方增长，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动，限制了转速的提高。此外，往复式内燃机还有一套较复杂的配气机构。于是人们设想，能否使热能直接转化为轴的转动呢?类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的发展过程，人们不断提出一些新型旋转式发动机方案，但大多因结构复杂或无法解决汽缸密封问题而不能实现。直到1945年，德国的汪克尔经长期研究，突破了汽缸密封这一关键技术，使旋转发动机首次运转成功。

　　汪克尔设计的旋转式发动机简图如图14—37所示，它由汽缸体1、类似三角形截面的旋转活塞2(也叫做转子，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。旋转活塞2套在偏心轴上，形成的行星轮系，使它在具有一定界面形状的汽缸内作规则运动，造成汽缸容积的周期变化，转子每转一圈，每一弧面可实现发动机的进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程，因此每转一周有三个动力冲程，是按奥托循环运转的，三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式的一个活塞和汽缸，转子各表面还兼有开闭进气、排气闯的功能，三个弧面依次平稳连续工作，设计可谓巧妙。

　　旋转式发动机取消了曲柄连杆机构、气门机构等，能实现高速化，重量轻(比往复式内燃机下降1／2～2／3)，结构和操作简单(零件数减少40％；体积减小50％)，在污染方面也有所改善。

　　虽然旋转发动机有很多优点，但真正开发出实用产品的并非是首先研制旋转发动机的德国纳苏公司，而是日本东洋公司，下面介绍东洋公司如何后来居上进行技术开发的过程，供人们借鉴。

　　首先是科学的决策。东洋公司得知西德纳苏公司正在研制新型发动机的信息之后，广泛收集资料，听取各方面的意见，并亲临纳苏公司考察旋转发动机的研制品，综合各种资料后认为：汪克尔的方案在材料、工艺、设备等方面虽存在许多困难问题，但这些困难并非无望解决，设备也不需要大规模增加投资，从本质上看，其实用化的可能性极大。于是，东洋公司决定马上引进这项虽有瑕疵却很有前途的新技术，购买了其专利，做出了重大决策——开发旋转发动机。

　　其次是采取会战的形式组织力量集中攻关。为了使旋转发动机尽快实用化，东洋公司挑选了47名最精干的各有专长的科技人员集中于这项课题，并决定拿出30亿日元(占全公司总资产的一半)的巨额投资，和全世界100多家公司展开了竞争。研究人员下定必胜的决心，夜以继日，时时刻刻想着转子发动机，每个人都随身带着铅笔和笔记本。通过学习和探索，发现技术上的难点是汽缸上产生的震纹问题，纳苏公司正是在此问题上久攻不克而无法前进。于是他们通过大量的试验，终于找到产生震纹的两个主要原因：一个是材料，为了不使相接触的表面产生磨损，必须研制最佳材料；另一个是密封片本身的振动特性对震纹影响极大，而密封片的振动特性与其材料和形状有关。东洋公司抓住这个关键问题，开发出极坚硬的浸渍炭精材料做密封片，而对汽缸壁材料，则运用反向探求法，不是从提高材料硬度着手，而是选择了较软的耐磨石墨材料作汽缸衬里，减少了磨损，较成功地解决了震纹问题。

　　最后是团结协作的精神。东洋公司的领导具有很强的组织能力和团结协作精神，不仅公司内部相互信任、团结一心，而且与其他配件制造企业坦诚相待、密切协作，密封片材料就是与炭精公司全力合作共同开发出来的。此外，他们还先后与多家企业合作，相继开发了特殊密封件310号、火花塞、化油器、0型环、高级润滑油、消音器、弹簧等多种零部件，攻克了转子发动机的道道难关，使旋转式发动机在全世界首先达到实用化，市场效益很好。

　　启示：

　　在技术成为生产直接要素的今天，技术开发具有举足轻重的作用。技术开发，离不开正确的决策，离不开管理水平和组织能力，离不开集中人力、财力、物力重点攻关，离不开团结协作。如果我们始终努力研制优质产品，取人之长，刻苦攻关，就可后来居上。