基于創(chuàng)新方法的斯特林發(fā)動機改進

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于創(chuàng)新方法的斯特林發(fā)動機改進學(xué)院機電工程學(xué)院專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化（機械電子工程方向）年級班別2008級（2）班學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2012年6月基于創(chuàng)新方法的斯特林發(fā)動機改進基于創(chuàng)新方法的斯特林發(fā)動機改進機電工程學(xué)院摘要斯特林發(fā)動機由于具有燃料來源廣、低噪聲、低污染、安全性能高等諸多優(yōu)點而受到越來越廣泛的重視。但由于斯特林發(fā)動機在功率效率及結(jié)構(gòu)的技術(shù)和發(fā)展還不是特別地成熟，還不能成為完全替代內(nèi)燃機的新型動力機器，需要對斯特林發(fā)動機進行改進設(shè)計。本文在介紹了基于TRIZ理論的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有斯特林發(fā)動機工作效率低、功率不高、結(jié)構(gòu)龐大等方面問題，應(yīng)用TRIZ理論的技術(shù)矛盾矩陣法對斯特林發(fā)動機進行創(chuàng)新設(shè)計，利用TRIZ法40條原理中的嵌套原理提出了β型斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)、分離與分開原理提出γ型斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)和周期性作用原理提出了復(fù)動型發(fā)動機結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)、原理和工作循環(huán)方法上實現(xiàn)了產(chǎn)品不同角度的創(chuàng)新設(shè)計。用TRIZ理論改進所得出的方案為斯特林發(fā)動機的發(fā)展方向提供實用價值的參考。關(guān)鍵詞：TRIZ，機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，斯特林發(fā)動機AbstractTheStirlingenginegetsmoreandmoreextensiveattention，becauseithasalotofadvantagesuchasthewidefuelsource,lownoise,lowpollution,highthermalefficiencyandhighersafety.ThetechnologyanddevelopmentofStirlingengineinpowerefficiencyandstructureisnotparticularlymature,whichcannotcompletelyreplacetheinternalcombustionengineandbecomethenewdynamicmachine.ItneedtoimprovethedesignoftheStirlingengine.ThispaperintroducestheinstitutionalinnovativedesignmethodonthebasisoftheTRIZtheory.SincethelowefficiencyoftheexistingStirlingenginepowerstructurelowthermalefficiencyandhugestructure,theAuthorapplyedtechnicalcontradictionmatrixmethodofTRIZontheStirlingenginetoinnovativedesign.Thestructureoftheβ-typeStirlingengine,γ-typeStirlingenginestructureandthecomplexdynamicenginestructureturnedout.Itbringabouttheproductofinnovativedesignfromthestructure,principleanddutycyclemethod.TheimprovedprogramthatobtainedbyTRIZtheoryprovideareferenceofpracticalvalueforthedevelopmentdirectionoftheStirlingengine.Keywords:TRIZ,Institutioninnovationdesign,TheStirlingengine

目錄第一章緒論 第一章緒論本論文主要選擇斯特林發(fā)動機進行機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。主要選用的機構(gòu)創(chuàng)新方法是利用TRIZ理論做機構(gòu)方案創(chuàng)新改進設(shè)計。引擎是一種將熱能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它需要通過熱交換引起內(nèi)部壓力和容積的變化。引擎的主要部件是氣缸，一般汽缸包括缸體、進氣孔、輸油孔、出氣孔、活塞和火花塞(汽油機)等。而發(fā)動機是一整套動力輸出設(shè)備，包括變速齒輪、引擎和傳動軸等等，可見引擎只是整個發(fā)動機的一個部分，但卻是整個發(fā)動機的核心部分，因此把引擎稱為發(fā)動機也不為過。斯特林發(fā)動機是一種閉循環(huán)活塞式熱機，因它是在1816年為蘇格蘭的R.斯特林所發(fā)明，故又稱斯特林發(fā)動機。閉循環(huán)的意思是工作燃?xì)庖恢北４嬖跉飧變?nèi)，從外部燃燒和冷卻使其產(chǎn)生壓力變化，得到動能輸出的外燃機。而開循環(huán)則如內(nèi)燃機和一些蒸氣機需要與大氣交換氣體。斯特林發(fā)動機被歸為外燃機。斯特林發(fā)動機因其無聲操作和能源效率享有盛譽。內(nèi)燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機?；钊絻?nèi)燃機將燃料和空氣混合，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)馀蛎浲苿踊钊龉?，再通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將機械功輸出，驅(qū)動從動機械工作。外燃機使用工質(zhì)(傳遞能量的媒介物質(zhì)叫工質(zhì))，在封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜幔蛎涀龉?。燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。所以斯特林發(fā)動機是外燃機。斯特林發(fā)動機是一種新型動力機械，雖然早在19世紀(jì)初其雛型已被發(fā)明，但是由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制，而未能得到實際應(yīng)用。近幾十年來，由于斯特林發(fā)動機具有環(huán)保，低噪聲、低污染和優(yōu)良的環(huán)境特性等優(yōu)點，斯特林發(fā)動機重新受到人們的重視，并得到了較快的發(fā)展，其應(yīng)用前景十分廣闊。但由于斯特林發(fā)動機在功率及其結(jié)構(gòu)和可靠性等方面各項性能指標(biāo)與技術(shù)已經(jīng)十分成熟的內(nèi)燃機相比，還有更大的改進空間。本文利用TRIZ理論對原有斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，進而使用TRIZ理論對斯特林發(fā)動機做出改進，重點是使用技術(shù)矛盾矩陣法解決技術(shù)沖突。在此之前，前人已對斯特林發(fā)動機作了部分研究，大多是其循環(huán)過程能量分析、熱力分析等，而在結(jié)構(gòu)改進這方面尚屬少數(shù)。TRIZ理論是一門令創(chuàng)新科學(xué)有規(guī)律可循的學(xué)科，利用它可以快速做出改進方案設(shè)計，本文利用TRIZ理論對斯特林作機構(gòu)改進，使得斯特林發(fā)動機的朝著更穩(wěn)定、更高性能、更智能化的方向發(fā)展，為斯特林發(fā)動機代替內(nèi)燃機應(yīng)用展現(xiàn)了更廣闊的前景。1.1斯特林發(fā)動機的歷史和現(xiàn)狀隨著社會的不斷發(fā)展，化石燃料的消耗量日益增大，傳統(tǒng)燃料的內(nèi)燃機將面臨著嚴(yán)重的能源危機，而積極解決這個問題的有效途徑之一是開發(fā)一種可以使用與傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同的燃料的動力裝置，斯特林發(fā)動機則是目前可行的最佳途徑之一[1]。1938年，荷蘭Philips公司開始了現(xiàn)代斯特林發(fā)動機的研制工作，在傳動結(jié)構(gòu)、工質(zhì)選擇及密封裝置等3個方面取得了創(chuàng)新成果，極大地提高了斯特林發(fā)動機的效率和功率，從而掀起了現(xiàn)代斯特林發(fā)動機的研究熱潮[2]。斯特林循環(huán)發(fā)動機這種古老的機型，當(dāng)時由于材料及電動機、內(nèi)燃機的競爭沒有得到發(fā)展。后來由于石油供應(yīng)日益緊張，且由于新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，使得理論熱效率高、排氣污染小，可采用多種燃料的斯特林發(fā)動機又進入一個新的發(fā)展階段。目前世界各國都投入一定的人力物力開發(fā)斯特林發(fā)動機。我國對斯特林發(fā)動機的研制尚處在初期階段。斯特林發(fā)動機具有振動小，低噪聲的優(yōu)點，由于不會排出氣體，且其架構(gòu)內(nèi)部不會發(fā)生爆炸，目前主要被應(yīng)用于潛艇的無氣推進源、游艇的蓄電池充電器等，家庭用的熱電聯(lián)合系統(tǒng)（CHP）裝置、太陽能發(fā)電、生物物質(zhì)燃燒發(fā)電等方面。但斯特林就目前研究情況來看還存在以下問題有待進一步改進：1、因為是靠氣體的壓縮膨脹來做功，輸出功率并不高。2、為了獲得高的輸出功率和效率，需要用高壓的工作氣體，那么發(fā)動機結(jié)構(gòu)就需要做成耐壓結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3、通過熱交換器對工作氣體加熱，冷卻的同時，完成斯特林循環(huán)的逆流式熱交換器不可缺少，加工費用比較高。1.2機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀創(chuàng)新設(shè)計就是以創(chuàng)新的觀點和創(chuàng)新的方法來研究現(xiàn)代設(shè)計的規(guī)律和模式，并充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，揭示新理論、創(chuàng)立新技術(shù)、設(shè)計出更具有競爭力的新穎“產(chǎn)品”。創(chuàng)新設(shè)計融合了多種設(shè)計方法的精髓，是一門多元性的新興科學(xué)；它囊括了當(dāng)代各種創(chuàng)造技法，并靈活準(zhǔn)確地運用于設(shè)計之中，使設(shè)計工作完全不同于以往的傳統(tǒng)設(shè)計，在設(shè)計領(lǐng)域中開創(chuàng)了新的天地。機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計是以初選的機構(gòu)方案為雛形，通過組合、變異、再生等方法進行突破，獲得新的機構(gòu)或者是利用發(fā)散思維的方法，將現(xiàn)有的機構(gòu)進行分類整理，然后根據(jù)原理方案所需的運動特性或功能進行搜索選擇、評價，選出合適的機構(gòu)形式。設(shè)計的本質(zhì)是革新和創(chuàng)造，強調(diào)創(chuàng)新設(shè)計是要求在設(shè)計中更充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，利用最新科技成果，在現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的指導(dǎo)下，設(shè)計出更具有競爭力的新穎產(chǎn)品。美國、德國等是開展機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計較早的國家，并且已取得不少研究成果。其中較有影響的機構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新大多是從具體的現(xiàn)有機械入手，然后進行理論與方法的總結(jié)。例如Erdmen等研究的開窗調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型與選優(yōu)[3]；油田抽油機的結(jié)構(gòu)類型選優(yōu)[4]；FredensteinF等研究的變沖程內(nèi)燃機驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型選優(yōu)[5]；汽車刮雨器機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型選優(yōu)[6]等等。美國JehnsonRC教授較早地將創(chuàng)新方法引入機械設(shè)計過程，他認(rèn)為要順利解決機械設(shè)計創(chuàng)新，就必須在結(jié)構(gòu)型式綜合投入精力并在材料、尺寸上進行優(yōu)化[7]。1979年，F(xiàn)reudenstei提出“功能與結(jié)構(gòu)分離”的方法用于機構(gòu)綜合[8]，隨后許多學(xué)者對這一方法進行研究和深化。國內(nèi)機械創(chuàng)新設(shè)計的研究大體分為兩個方面，一方面是實際應(yīng)用上獨創(chuàng)設(shè)計了中國專利產(chǎn)品，如“梅花抓斗”、“三環(huán)減速器”、“輪胎成形鼓機構(gòu)”[9]等，取得了較好的經(jīng)濟效益。另一方面，己有學(xué)者開始對機械創(chuàng)新設(shè)計方法進行探索和討論，該項研究己列入國家自然科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究指南。1.3TRIZ理論的發(fā)展及其應(yīng)用狀況TRIZ法是一種基于知識的、面向人的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法學(xué)。TRIZ一詞是俄文“發(fā)明問題解決理論”的首字母的縮寫，英文名稱為TheoryofInventiveProblemSolving。以G.S.Altshuller為首的原蘇聯(lián)科研人員于1946年開始了有關(guān)TRIZ理論和實踐的研究，其主要目的是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則[10]。G.S.Altshuller窮其畢生的精力致力于TRIZ理論的研究和完善。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，前蘇聯(lián)的研究機構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)組成了TRIZ的研究團體，分析了世界近250萬份高水平的發(fā)明專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立一個由解決技術(shù)，實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系。TRIZ理論方法就是一種將發(fā)明從“困難的”任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂唵蔚摹比蝿?wù)的方法，例如：通過大幅度減少探索范圍來達到又好、又快又省的發(fā)明目的，提高創(chuàng)新效率和創(chuàng)新質(zhì)量。TRIZ理論是一種為各類技術(shù)與非技術(shù)問題提供創(chuàng)新性解決思路的強大理論工具，是有效銜接科技“軟實力”和“硬實力”的一項重要工作，其重大意義和深遠(yuǎn)影響是單一科技計劃、科研項目或攻克某項技術(shù)所無法比擬的。TRIZ法是目前世界公認(rèn)的解決發(fā)明問題的有力工具。在東西方冷戰(zhàn)時代，TRIZ的研究一直被作為蘇聯(lián)的國家機密，西方國家知之甚少。蘇聯(lián)解體后，大批TRIZ研究者移居美國等西方國家，TRIZ的研究與實踐得以迅速普及和發(fā)展。在俄羅斯，TRIZ理論方法已廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中。歐洲以瑞典皇家工科大學(xué)(KTH)為中心，集中十幾家企業(yè)開始了實施利用TRIZ進行創(chuàng)造性設(shè)計的研究計劃[11]。日本從1996年開始不斷有雜志介紹TRIZ的理論方法及應(yīng)用事例。美國也有大學(xué)相繼進行了TRIZ技術(shù)研究，有關(guān)TRIZ的研究咨詢機構(gòu)相繼成立，TRIZ已成為國外企業(yè)、尖端技術(shù)領(lǐng)域解決技術(shù)難題實現(xiàn)創(chuàng)新的有效工具。RockwellAutomotive公司針對某型號汽車的剎車系統(tǒng)運用TRIZ理論進行了創(chuàng)新設(shè)計[12]。通過TRIZ理論的應(yīng)用，剎車系統(tǒng)發(fā)生了重要的變化，系統(tǒng)由原來的12個零件縮減為4個，成本減少50％，但剎車系統(tǒng)的功能卻沒有變化。FordMotor公司遇到了推力軸承在大負(fù)荷時出現(xiàn)偏移的問題。通過應(yīng)用TRIZ理論，產(chǎn)生28個新概念(問題的解決方案)，其中一個非常吸引人的新概念是：利用小熱膨脹系數(shù)的材料制造這種軸承，克服上述問題，最后很好地解決推力軸承在大負(fù)荷時出現(xiàn)偏移地問題[13]。ChryslerMotors公司，1999年應(yīng)用TRIZ理論解決企業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的技術(shù)沖突或矛盾，共獲利1.5億美元。最近幾年，TRIZ理論在我國引起了學(xué)術(shù)界的重視和運用[14]。G.S.Altshuller和他的TRIZ研究機構(gòu)50多年來提出了TRIZ系列的多種工具，如沖突矩陣、76種標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ、物質(zhì)--場分析等，常用的有基于宏觀的矛盾矩陣法（沖突矩陣法）和基于微觀的物場變換法。事實上TRIZ針對輸入輸出的關(guān)系（效應(yīng)）、沖突和技術(shù)進化都有比較完善的理論。目前，TRIZ法已在自動控制、電氣與電子、航天航空、機械儀器、動力、汽車、化工制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工和食品等十大技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮作用，并延伸到非技術(shù)領(lǐng)域。國外TRIZ法專家正在試圖把TRIZ法用于管理和商業(yè)領(lǐng)域，并取得成果。TRIZ法正成為全能的創(chuàng)新方法?？v上所述，TRIZ具有開創(chuàng)性有突破性，結(jié)構(gòu)性好，系統(tǒng)性強，能簡便地得出解決問題的原理，內(nèi)容全面。利用TRIZ理論方法對斯特林發(fā)動機進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，設(shè)計出其它預(yù)期類型的斯特林發(fā)動機，可以達到了預(yù)期的目的，同時也為從事結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的研究工作者提供一種思路。1.4本文的研究內(nèi)容本文先通過介紹TRIZ理論改進的一般設(shè)計方法，再對斯特林結(jié)構(gòu)、循環(huán)過程及工作原理詳細(xì)分析，然后在TRIZ的基礎(chǔ)上對斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)做出改進，重點是使用技術(shù)矛盾矩陣法解決技術(shù)沖突，使其成為性能更高的斯特林發(fā)動機。斯特林發(fā)動機有望成為21世紀(jì)代替內(nèi)燃機的新型工業(yè)機器。

第二章TRIZ理論2.1TRIZ理論的核心思想TRIZ理論的核心思想主要體現(xiàn)在五個方面：（1）人們在解決發(fā)明問題的實踐中，遇到的各種矛盾以及相應(yīng)的解決方案總是重復(fù)出現(xiàn)。無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進化規(guī)律和模式。（2）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實現(xiàn)盡量多的功能。（3）各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力。（4）用來徹底而不是折中解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理與方法，數(shù)量并不算多，一般科技人員和有關(guān)方面人員都可以學(xué)習(xí)和掌握。（5）解決本領(lǐng)域技術(shù)問題的最有效的原理與方法，往往來自其他科學(xué)領(lǐng)域。2.2TRIZ理論的基本原理TRIZ解決創(chuàng)新問題的核心是發(fā)現(xiàn)矛盾并解決矛盾。矛盾（沖突）普遍存在于各種產(chǎn)品的設(shè)計之中。按傳統(tǒng)設(shè)計中的折衷法，沖突并沒有徹底解決，而是在沖突雙方取得折衷方案，或稱降低沖突的程度。TRIZ理論認(rèn)為，產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志是解決或移走設(shè)計中的沖突，而產(chǎn)生新的有競爭力的解。設(shè)計人員在設(shè)計過程中不斷的發(fā)現(xiàn)并解決沖突是推動產(chǎn)品進化的動力。工程矛盾又分為管理矛盾、物理矛盾和技術(shù)矛盾。管理矛盾是指為了避免某些現(xiàn)象或希望取得某些結(jié)果，需要做一些事情，但不知道如何去做。由于管理矛盾對技術(shù)創(chuàng)新無啟發(fā)價值，不能表現(xiàn)出工程技術(shù)問題解的可能方向，它不屬于TRIZ的主要研究內(nèi)容。物理矛盾是指同一個參數(shù)的兩個互相對立的特性，如溫度的冷與熱。物理矛盾表現(xiàn)為系統(tǒng)中有害性能降低（增強）的同時導(dǎo)致該系統(tǒng)中有用性能的降低（增強）。技術(shù)矛盾是指在一個技術(shù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個參數(shù)被改動時，另一個參數(shù)就變差。技術(shù)矛盾表現(xiàn)為：1、在一個子系統(tǒng)中引入一種有用功能后，會導(dǎo)致另一子系統(tǒng)產(chǎn)生一種有害功能或加強已存在的有害功能（或削弱有用功能）。2、有用功能的加強或有害功能的削弱使另一子系統(tǒng)變得復(fù)雜。對于技術(shù)沖突的一般化表達，TRIZ法歸納了39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理.因此，TRIZ技術(shù)構(gòu)造了一個沖突矩陣，該矩陣包含40行40列，其中第一行和第一列是按順序排列的39個通用工程特性序號，矩陣元素中的數(shù)字表示40條發(fā)明創(chuàng)造方法中推薦采用的方法序號。2.3TRIZ理論技術(shù)矛盾解決問題的一般過程問題模型問題模型最終解決方案待解決的研發(fā)問題TRIZ一般性問題抽象轉(zhuǎn)化TRIZ工具類比應(yīng)用圖2.1技術(shù)沖突解決過程如圖2.1所示，利用TRIZ理論技術(shù)矛盾解決問題的一般方法如下：第1步，分析問題，找出可能存在的技術(shù)矛盾。第2步，針對具體問題確認(rèn)一到幾對技術(shù)矛盾，并將矛盾的雙方轉(zhuǎn)換成技術(shù)領(lǐng)域的有關(guān)術(shù)語，進而根據(jù)有關(guān)術(shù)語在TRIZ提供的39個工程參數(shù)中選定相應(yīng)的工程參數(shù)。第3步，按照相矛盾的工程參數(shù)編號i和j，在矛盾矩陣中找到相應(yīng)的矩陣元素Mi-j,該矩陣元素表示40條發(fā)明創(chuàng)新原理的序號，按照該序號找出相應(yīng)的原理供下一步使用。第4步,根據(jù)已找到的發(fā)明創(chuàng)新原理，結(jié)合專業(yè)知識，尋找解決問題的方案。一般情況下，解決某技術(shù)矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理不止一條，應(yīng)該對每一條相應(yīng)的原理作解決技術(shù)矛盾方案的嘗試，不要拒絕任何相應(yīng)的原理。第5步，如果第四步的努力沒有取得較好的效果，就要考慮初始構(gòu)思的技術(shù)矛盾是否真正表達了問題的本質(zhì)，是否真正反映了針對問題創(chuàng)新改進的方向。就重新設(shè)定技術(shù)矛盾，并重復(fù)上述各步。

第三章斯特林發(fā)動機的工作原理及其改進方案斯特林發(fā)動機是一種閉循環(huán)活塞式熱機。閉循環(huán)是工作燃?xì)庖恢北４嬖跉飧變?nèi)，而開循環(huán)則如內(nèi)燃機和一些蒸汽機需要與大氣交換氣體。斯特林發(fā)動機中使用的氣體從來都不會離開發(fā)動機。與汽油發(fā)動機或柴油發(fā)動機不同，它沒有排放高壓氣體的排氣閥，并且不會發(fā)生爆炸過程。因此，斯特林發(fā)動機的噪音很低。斯特林發(fā)動機一般被歸為外燃機。原有的斯特林發(fā)動機稱為α型斯特林發(fā)動機，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示。圖3.1α型斯特林發(fā)動機側(cè)視圖3.1斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析如圖3.2所示，α型斯特林發(fā)動機是由2個溫度差的氣缸、2個相位角相差90度的活塞、被稱之為熱交換器的加熱器、回?zé)崞?、冷卻器，以及圓滑的可連續(xù)運轉(zhuǎn)的慣性輪4部分構(gòu)成。斯特林發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)確定后，回?zé)崞骶统闪擞绊懻麢C性能的關(guān)鍵部件。單個工作腔斯特林熱機只能選用蓄熱式回?zé)崞?。但是，只要是兩個以上的多個工作腔斯特林熱機既可以選用蓄熱式回?zé)崞?，也可以選用逆流換熱式回?zé)崞鳌Ｋ固亓譄釞C由單個工作腔發(fā)展起來的，按傳統(tǒng)思維，多個工作腔只是單個工作腔的簡單組合。多個工作腔斯特林熱機各工作腔，在同一時間處于不同熱力學(xué)過程，有正在放熱的工作腔；也有正在吸熱的工作腔，而且工質(zhì)流向正好相反。逆流換熱式回?zé)崞骶褪抢枚喙ぷ髑凰固亓譄釞C的這一特點，使正在放熱的工作腔所放出的熱量，直接傳到正在吸熱的工作腔，達到熱量的合理利用。而蓄熱式回?zé)崞髦皇菍⒈竟ぷ髑还べ|(zhì)放出的熱量儲存在本工作腔回?zé)崞鹘饘俳z網(wǎng)，工質(zhì)回流時又從金屬絲網(wǎng)吸收。不和其他工作腔進行熱交換。高性能的斯特林發(fā)動機普遍采用逆流式回?zé)崞?。如下圖3.2所示，當(dāng)圖中左工作腔處于等容放熱過程，所放出的熱量直接傳遞到右側(cè)工作腔，右工作腔則處于等容吸熱過程。1.曲軸2.軸套3.連桿4.活塞5.活塞缸6.由熱氣缸和熱活塞組成的熱腔7.加熱器8.回?zé)崞?.冷卻器10.由冷卻缸和冷活塞組成的冷腔圖3.2α型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖3.2工作原理分析斯特林發(fā)動機通過氣體在冷熱環(huán)境轉(zhuǎn)換時的熱脹冷縮做功。發(fā)動機內(nèi)的工作氣體處于封閉中，本身不參與任何形式的能量轉(zhuǎn)換，因此可以用\o"惰性氣體"惰性氣體來作為工質(zhì)。以簡單的雙缸斯特林為例，如圖3.3所示，斯特林發(fā)動機的工作過程可分為如下幾個階段：A、左側(cè)\o"氣缸"氣缸受熱，左側(cè)活塞下降；右側(cè)\o"氣缸"氣缸被冷卻，右側(cè)活塞上升。如圖3.3中的1所示。B、左側(cè)活塞繼續(xù)下降；右側(cè)活塞由于輸出機構(gòu)慣性力開始向下運動。如圖3.3中的2所示。C、左側(cè)活塞在下止點附近開始上行，工質(zhì)從熱腔經(jīng)回?zé)崞髁魅肜淝唬責(zé)崞魑展べ|(zhì)的熱量，工質(zhì)溫度下降至冷腔溫度。右側(cè)活塞繼續(xù)向下運動至下止點。如圖3.3中的3所示。D、左側(cè)活塞向上運動，工質(zhì)流經(jīng)冷卻器時將壓縮產(chǎn)生的熱量散掉，當(dāng)動力活塞到達它的上止點時壓縮過程結(jié)束。如圖3.3中的4所示。E、最后回到如圖3.3中的5所示，完成一個斯特林循環(huán)。圖3.3α型斯特林發(fā)動機工作循環(huán)圖斯特林循環(huán)的工作過程是:工質(zhì)被密封在一個閉合回路中，依靠活塞的協(xié)調(diào)運動從而實現(xiàn)在回路中流動，其理想循環(huán)為:壓縮腔中的等溫壓縮過程，回?zé)崞髦械牡热菁訜徇^程，膨脹腔中的等溫膨脹過程以及回?zé)崞髦械牡热堇鋮s過程，如圖3.4、圖3.5所示分別是理想斯特林循環(huán)4個過程的氣壓與容積P－V圖和溫度與熵T－S圖。圖3.4理想斯特林循環(huán)的P-V圖圖3.5理想斯特林循環(huán)T-S圖3.3基于TRIZ的斯特林發(fā)動機的創(chuàng)新設(shè)計3.3.1熱效率的改進α型斯特林發(fā)動機由于會大量散熱，造成能量損失比較多，其熱效率低下，改進斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，使能量可以得到充分的利用。首先分析問題：α型斯特林發(fā)動機，具有高壓縮比（最大容積/最小容積）和高輸出功率的特征。但是其熱效率很低，造成能量損失大，能源浪費。為了改善性能，可以做好氣缸密封工作或是增加機構(gòu)將流失的能量回收再利用。但這樣會使系統(tǒng)裝置的復(fù)雜程度提高。然后TRIZ法解決問題：提取通用工程參數(shù)，組建矛盾對，搜索解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理。參照TRIZ提出的39個通用工程參數(shù)，能量損失（編號為22）與裝置的復(fù)雜性（編號為36），兩者之間構(gòu)成矛盾，即采取現(xiàn)有措施，改善能量損失的同時會造成系統(tǒng)裝置復(fù)雜程度的提高。對照TRIZ給出的矛盾矩陣表，如表3.1所示，在22行36列的格子中，找到解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理=[7，23]，即7嵌套原理，23反饋原理。表3.1TRIZ法技術(shù)矛盾矩陣表通用工程參數(shù)運動物體質(zhì)量靜止物體質(zhì)量運動物體長度裝置的復(fù)雜性123361運動物體質(zhì)量—15，8，29，34……2靜止物體質(zhì)量——……3運動物體長度8，15，29，34—……22能量損失………………7，23原理的篩選和具體化。結(jié)合原理7和原理23，綜合考慮，將一個氣缸嵌套到另一個氣缸，有效地利用了空間，相比改進之前可以得到很高的輸出效率。效果。如圖3.6所示，改進后的結(jié)構(gòu)稱為β型斯特林發(fā)動機，由一個氣缸、兩個活塞及熱交換器構(gòu)成。加熱器、回?zé)崞?、冷卻器等熱交換器分布在圓周上，所以熱交換器內(nèi)的工作氣體容易形成均等的流動。能有效利用工作空間，可以得到很高的輸出效率。1.熱腔2.活塞13.冷腔4.活塞25.連桿6.軸套7.曲軸8.加熱器9.回?zé)崞?0.冷卻器圖3.6β型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖3.3.2功率的改進（1）分析問題。α型斯特林發(fā)動機，由于能量主要來自外部，靠氣體的膨脹壓縮做功，所以輸出功率不高。想要做成大功率發(fā)動機，必須對其進行改進。功率的提高與發(fā)動機氣缸的行程容積壓縮有關(guān)，可以增大氣缸的容積使輸出功率增加，但是容積增大也會造成密封難度加大，造成系統(tǒng)可靠性程度的降低。（2）TRIZ法解決問題。提取通用工程參數(shù)，組建矛盾對，搜索解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理。參照TRIZ提出的39個通用工程參數(shù)，功率（編號為21）與可靠性（編號為27），兩者之間構(gòu)成矛盾，即采取現(xiàn)有措施，功率提高的同時會造成系統(tǒng)可靠性的降低。對照TRIZ給出的矛盾矩陣表，如表3.2所示，在21行27列的格子中，找到解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理=[19，24，26，31]，即19周斯性作用原理；24利用中介質(zhì)原理；26復(fù)制原理；31應(yīng)用多孔材料原理。表3.2TRIZ法技術(shù)矛盾矩陣表通用工程參數(shù)運動物體質(zhì)量靜止物體質(zhì)量運動物體長度可靠性123271運動物體質(zhì)量—15，8，29，34……2靜止物體質(zhì)量——……3運動物體長度8，15，29，34—……21功率………………19，24，26，31（3）原理的篩選和具體化。原理24、原理26和原理31很難應(yīng)用到本問題中來。原理19周期性作用原理（把連續(xù)作用改為周斯性或脈動式作用；如果作用已經(jīng)是周期性的，設(shè)法變動其運動頻率），由于斯特林發(fā)動機本身是周期性運動的，改變運動頻率與做功快慢有關(guān)，改變行程容積可以改變功率，試著將氣缸通過熱交換器連接鄰近活塞的上、下空間，得到如圖3.7所示。圖3.7復(fù)動型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖（4）效果。計算驗證過程如下：對于α型斯特林發(fā)動機模型首先，求出α型斯特林發(fā)動機各空間的瞬時容積。瞬時容積是曲柄角θ的函數(shù)，把膨脹側(cè)活塞上止點作為曲柄角θ=00的話，根據(jù)史密特假設(shè)（7）膨脹及壓縮空間的容積是呈正弦變化的。假設(shè)膨脹空間瞬間容量VE，膨脹側(cè)活塞的行程容積VSE（活塞截面積×行程）可表示為：（3.1）同樣，壓縮空間瞬時容積VC，是用壓縮側(cè)活塞的行程容積VSC及相位角α表示為：（3.2）因此，發(fā)動機內(nèi)瞬時全容積V的等式如下：（3.3）根據(jù)史密特理論假設(shè)（1）忽略熱換器（加熱器、回?zé)崞鳌⒗鋮s器）的壓力損失，與發(fā)動機內(nèi)壓力不接近的地方也一樣忽略；（2）壓縮過程、膨脹過程作為等溫變化；（3）工作氣體符合理想氣體的狀態(tài)式，對發(fā)動機外部沒有泄漏。發(fā)動機內(nèi)氣體全質(zhì)量m用膨脹空間、壓縮空間及死空間的氣體壓力，各氣體溫度，各容量及氣體常數(shù)R可表示為下式：（3.4）此外，溫度比τ，行程容積比κ以及死容積比χ用下式定義：QUOTEQUOTE（3.5）（3.6）QUOTEQUOTE（3.7）根據(jù)史密特理論假設(shè)（6）全部的死空間氣體溫度QUOTEQUOTE用公式輸入與膨脹空間氣體溫度QUOTEQUOTE和壓縮空間氣體溫度QUOTEQUOTE的平均溫度保持不變，則死空間氣體溫度QUOTEQUOTE變?yōu)橄率剑篞UOTEQUOTE（3.8）將式（3.5）-式（3.8）代入式（3.4）整理后得到：（3.9）將式（3.1）、式（3.2）代入工式（3.9）整理后得到：（3.10）但由式（3.10）解出這里平均壓力QUOTEQUOTE用下式表示：還有把平均壓力作為基準(zhǔn)的壓力變化用下式表示；膨脹空間做功壓縮空間做功因此，該發(fā)動機的每一次循環(huán)的做功可用下式表示功率是所以可以看得出做功與壓力及行程容積成正比例增加，改進后的復(fù)動型斯特林發(fā)動機其行程容積相當(dāng)于普通α型斯特林發(fā)動機的4倍，所以其功率至少等于α型斯特林發(fā)動機的4倍以上。驗證得到：復(fù)動型斯特林發(fā)動機功率提高了，而可靠性沒有降低。3.3.3結(jié)構(gòu)的改進斯特林發(fā)動機雖然有熱量來源廣，噪聲低，低污染等眾多優(yōu)點，但是其眾多的附件會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)龐大，不利用安裝移動，如果可以簡化結(jié)構(gòu)的同時能夠達到同樣的功能要求那就令人滿意了。首先分析問題：α型斯特林發(fā)動機的附件由于具有太多附件導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)龐大，不利于安裝移動。為了改善問題，可以嘗試將附件移除，但是如果將回?zé)崞鞯雀郊瞥脑捰謺绊懴到y(tǒng)的可靠性，不能保證其準(zhǔn)確實現(xiàn)運動。也可以考慮將附件從系統(tǒng)中移開。然后TRIZ法解決問題。提取通用工程參數(shù)，組建矛盾對，搜索解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理。參照TRIZ提出的39個通用工程參數(shù)，靜止物體的體積（編號為8）與可靠性（編號為27），兩者之間構(gòu)成矛盾，即采取現(xiàn)有措施，靜止物體的體積的變小的同時會造成可靠性的降低。對照TRIZ給出的矛盾矩陣表，在8行27列的格子中，找到解決矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理QUOTEQUOTE=[2，35，24]，即2分離與分開原理，35參數(shù)變化原理，16不完全達到或超過的作用原理。表3.3TRIZ法技術(shù)矛盾矩陣表通用工程參數(shù)運動物體質(zhì)量靜止物體質(zhì)量運動物體長度可靠性123271運動物體質(zhì)量—15，8，29，34……2靜止物體質(zhì)量——……3運動物體長度8，15，29，34……8靜止物體的體積………………2，35，16原理的篩選和具體化:原理2分離與分開，將附件移開，將熱交換器等器件移到系統(tǒng)以外，甚至可以直接將回?zé)崞鞯雀郊苯尤コ挥辛粝录訜崞?。有效減小斯特林發(fā)動機的體積，變成γ型斯特林發(fā)動機。γ型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.8所示。圖3.8γ型斯特林發(fā)動機發(fā)動機內(nèi)的氣體是循環(huán)加熱的（通過酒精燈）并且膨脹推動動力活塞向右運動。當(dāng)動力活塞運動到最右邊時，連桿迫使松配合的活塞將氣體擠壓到機器較冷的一邊。在較冷一邊的氣體將熱量散失到外界并且收縮，并把活塞拉向左邊。氣體在此轉(zhuǎn)移，被擠壓回發(fā)動機的較熱區(qū)域，如此循環(huán)往復(fù)。35參數(shù)變化原理，原本的α型斯特林發(fā)動機是有兩個氣缸的，使用參數(shù)變化原理，將其改變成為一個氣缸，變成β型發(fā)動機。如圖3.9所示。1.熱腔2.活塞13.冷腔4.活塞25.連桿6.軸套7.曲軸8.加熱器9.回?zé)崞?0.冷卻器圖3.9β型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖比較：由原理2得到的γ型斯特林發(fā)動機和由原理35得到的β型斯特林發(fā)動機相比較，β型斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)相對比γ型斯特林發(fā)動機更小型化，而且可靠性也比較高，能有效利用空間，可以得到很高的輸出效率。而且熱交熱器分布在圓周上，容易配置。γ型的發(fā)動機雖然由于少了熱交換器等附件，但是在結(jié)構(gòu)上不能做到小型化。但是這種結(jié)構(gòu)卻適合做低溫的斯特林發(fā)動機。主要用于作利用低溫度熱源工作的低法度差發(fā)動機，不能做大型功率發(fā)動機。綜上，在結(jié)構(gòu)簡化方面得到β型斯特林發(fā)動機比較合適。

總結(jié)本文運用TRIZ理論對斯特林發(fā)動機進行機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計改進，根據(jù)現(xiàn)有的斯特林發(fā)動機，分析現(xiàn)狀及應(yīng)用，改進設(shè)計出符合不同用途的機構(gòu)，進而達到優(yōu)化的目的。本次設(shè)計體現(xiàn)了目前正流行的現(xiàn)代設(shè)計方法TRIZ理論對機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計帶來的合理化和設(shè)計實用價值。通過本次設(shè)計，本人得到如下結(jié)論：運用TRIZ理論，將斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)針對不同要求設(shè)計改進得出不同的機構(gòu)，使其成為符合不同用途的斯特林發(fā)動機。TRIZ理論提供如沖突矩陣、76種標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ、物質(zhì)-場分析等多種設(shè)計解決方案，本文僅使用了其中的矛盾沖突解決方案工具，當(dāng)然還可利用其它更多的工具來解決問題。TRIZ理論給我?guī)砹硕鄻踊脑O(shè)計思維，讓創(chuàng)新設(shè)計有跡可尋。3、就目前情況來看，斯特林發(fā)動機很有研究價值，也很有市場潛力。它將會是驅(qū)動未來的動力，有可能代替內(nèi)燃機成為另一個改變世界的發(fā)動機。本論文通過使用TRI