機械創新設計

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機械創新設計(Mechanical Creative Design，MCD)

　　機械創新設計是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果(含理論、方法、技術、原理等)，進行創新構思，設計出具有新穎性、創造性及實用性的機構或機械產品(裝置)的一種實踐活動。它包含兩個部分：一是改進完善生產或生活中現有機械產品的技術性能、可靠性、經濟性、適用性等；二是創造設計出新產品、新機器，以滿足新的生產或生活的需要。

　　機械創新設計具有以下特點：

　　(1)涉及多種學科，如機械、液壓、電力、氣動、熱力、電子、光電、電磁及控制等多種科技的交叉、滲透與融合。

　　(2)設計過程中相當部分工作是非數據性、非計算性的，必須依靠在知識和經驗積累的基礎上思考、推理、判斷以及創造性的發散思維，在基於知識、經驗靈感與想像力的系統中搜索並優化設計方案。

　　(3)可對原有產品的性能、結構、零部件尺寸、材料等直接進行測試、測量和分析，能獲得準確、詳細的設計數據，機械創新設計是多次反覆、多級篩選的過程，每一設計階段都有其特定內容與方法，但各階段之間又密切相關，形成一個整體的系統設計。

　　按照機械產品開發的內容，機械創新設計可分為如下四種類型：

　　(1)開發設計

　　按照需求目標設計過去從未有過的新型機械，提出新方案，完成從產品規劃、原理方案，技術設計到施工設計的全過程。

　　(2)變異設計

　　在已有產品的基礎上，針對原有缺點或新的工作要求，從工作原理、機構、結構、參數、尺寸等方面進行一定的變異，設計新產品以滿足新的使用要求。

　　(3)反求設計

　　針對已有的先進產品或設計，進行深入分析研究，探索掌握其關鍵技術，在消化、吸收的基礎上，開發出同類的創新產品。

　　(4)組合選型設計

　　根據原理方案要求，在已有的部分結構基礎上，進行有效的組合，從而得到新的組合結構形式。

　　(1)科學性原則

　　設計方案是某種或某些科學技術原理的體現，因此，任何設計方案都不能違背科學技術原理。

　　違背這一原則的設計以“永動機方案”為最典型。自古以來，有無數發明家絞盡腦汁地設計了一個又一個永動機，但都因直接違背能量守恆定律而徒勞無益，沒有任何結果。設計方案除了不違反科學原理外，還應能達到預期的性能。大多數發明的目的都是要超過已有技術。

　　如果效果並不那麼理想，該發明也就失去了存在的意義。因此，多方面地對設計的技術性能進行論證很有必要。

　　例如，有人曾設計出一種“液壓傳動和變速的自行車”。他的目的是使車子騎起來更為輕快和靈便。這就要有一個前提，即液壓傳動系統要與鏈條傳動的效率相近或更高。但是如果認真進行核查的話，我們就會發現事實正好相反，在功率傳送上液壓傳動的效率較低，因此該項發明的預期目的很難實現。

　　對於一項本身作用原理沒有問題的發明，還應考慮它在製造過程中是否存在特殊的困難。假定你想發明一種“撲翼式人力飛機”，如果你的設計有賴於一種極輕然而又很堅固、彈力又極好的材料，大概就有問題了。你必須首先調查一下你所需要的這種材料目前是否可能製造出來，然後再去考慮你的發明是否有意義。

　　另外一個必須考慮的問題是，你設計的東西如果如願以償地製造出來了，在實際使用中是否會遇到特殊的困難。

　　例如，一種像帆船那樣由風驅動的運輸車輛並不是製造不出來，但是如果我們真要使用這樣一種“風動車輛”，就會遇到許多麻煩。我們必須在很窄的道路上行駛，然而，陸地上的風遠不像海上那樣穩定，因此，我們的車輛就會陷入時快時慢、時走時停的狀態。這在公路運輸上是不能允許的，會大大妨礙其他車輛的行駛和安全。

　　(2)獨特性原則

　　創新設計者往往別具匠心，常常以不同於一般設計師的方式提出一些奇特的構思，使技術方案具有突出的實際效果。

　　例如，轉子發動機的設計，磁懸列車的設計等，都是別具匠心的設計。

　　出色的設計往往具有獨特的構思，但獨特的構思未必能成為有實際效果的為人們所急需的產品。例如，有人曾設計了一種“能噴水的鬧鐘”，他用噴頭射水代替鈴聲來澆醒沉睡的主人，但是，這樣的設計由於人們不那麼需要，所以很難商品化。

　　(3)求優性原則

　　要想直接估計出一項設計的實用價值是十分困難的。實際上，人們往往採取比較法來進行估計，也就是將新方案的可能效果與那些要解決同樣問題的全部已有技術相比較，看它是否處於比較優越的地位。

　　一般說來，追求完全相類似功能的不同技術是可以進行比較並分出優劣的。例如，愛迪生設計的碳鈕電話話筒與原來貝爾所用的液體變阻器話筒是兩種技術，但它們所要達到的功能完全相同，即把聲音變成相應的波動電流。在這種情況下，人們可以清楚地看出，前一種技術比後一種更為簡單、方便、耐用，明顯優於後一種。實際上，貝爾公司很快就買下了愛迪生的專利權。

　　想出一個優於已有技術的設計方案當然是很值得高興的事，但是，我們也應該意識到，技術在不斷發展進步，新的設計也會層出不窮。因此，我們還必須考慮可能出現的其他種種技術方案，考慮到各種可能的改進方案，這樣才能使自己的設計在稍長的時間內處於相對最優地位，在較長時間里保持其使用價值。從中可以看到，創新才是技術設計永保青春的秘訣。

　　(4)簡捷性原則

　　技術方案是否簡捷，也是判斷一項設計能不能獲得成功的一項設計原則。

　　有一種模糊的錯覺認為，一項設計的原理和構造越複雜，就說明它的水平越高。誠然，把一件構造複雜的東西製造出來絕非易事，但這僅僅是對製造者而言。如果設計者使其構造的複雜性超越了一定的限度，那麼這就是一件蹩腳的或失敗的設計。因此，創新設計者應追求功能明確、性能可靠且機理簡單的技術方案。

　　(5)市場性原則

　　符合科學原理和技術原理的產品設計，通常可以製造出來。那麼，是否就能認為這一項設計已經取得了成功呢?事實上未必如此。除了極少數特殊情況(如作為一項科學研究的實驗)以外，一般的設計要獲得最後成功，必須證明自己具有突出的實用性，必須經受住市場的嚴峻考驗。

　　愛迪生曾這樣說：“我不打算發明任何賣不出去的東西，因為不能賣出去的東西都沒有達到成功的頂點。能銷售出去就證明瞭它的實用性，而實用性就是成功。”這對任何有志於創新設計的人來說是金玉良言，是判斷設計價值的最高標準。有人可能錯把專利局審查批准看作設計成功的標誌。誠然，這確實是一個可喜的標誌，標志著你的設計有了起碼的水平，然而這並不是最重要的標誌。有人可能要問，專利審查不是已經包括實用性的內容了嗎?實際上，專利局僅僅是把那些明顯不實用的設計加以剔除，並不對獲准專利的商業價值作任何保證。從世界上發達國家獲准專利的實施情況來看，真正獲得效益的僅占總數的15％左右。

　　那麼，什麼樣的東西能獲得市場呢?一般地說，要求該設計者的使用價值超過出售價格。

　　一種商品的售價總是受成本制約的。一般情況下產量越多，成本就越低。而同一種設計對於不同的人來說，其使用價值往往是不同的。通常只有少數人認為其使用價值很高，而多數人則不這樣認為。

　　例如，同樣一種太陽能利用設備，在陽光充足而燃料貧乏的地區(如青藏高原)就有較高的使用價值；而在燃料非常豐富的地區則沒有很重要的使用價值。因此，對於特定的某一產品來說，考慮的銷售面越廣，其平均使用價值就越低。

　　對熟悉工程技術的人來說，估計一種新產品的成本並不感到十分困難，而估計一項新設計的使用價值卻常常感到是十分困難的事情。儘管如此，我們仍可以從下麵幾個方面來考慮使用價值：

　　1)該設計解決的問題是否迫切?一般說來，如果一項設計解決了人們迫切需要解決的問題。它的使用價值就比較高。例如，在電報發明之前，火車和輪船已在世界上得到應用，運輸的速度已大大加快，但通訊速度受運輸速度所限制，遠遠不能適應當時工業和商業迅速發展的需要。因此，電報被莫爾斯發明出來以後不到10年，就在許多國家得到廣泛應用。但是，人們在短距離通訊上，使用電報仍不夠方便，需要專人收發報和翻譯電碼，往往還不如派人送信省事，然而，電話的發明，掃除了這些麻煩，因而以更快的速度得到普及。

　　2)是否容易使用?一項能夠解決某一問題的設計還必須保證本身使用起來是方便的，否則，它將會帶來新的問題。例如，許多人在做飯時感到剁肉末十分費事，有人設計出了一種家用手搖絞肉機，用起來確實比剁肉省力。但是，這種絞肉機需要經常清洗，十分麻煩，結果不少人都棄之不用。

　　3)是否耐用、可靠?耐用與可靠直接關係到使用價值，需要特別註意。例如，目前市場上可以看到一種名叫“熱得快”的電熱器，可以方便地用來加熱杯子里的水或奶，構造簡單，價格便宜。但是它的設計不盡合理，很不耐用，稍有不慎就會燒壞，甚至有漏電的危險，因此銷路大減。

　　4)是否令人喜歡?應該理解到這一點，即外觀美也是使用價值的一部分。例如，鐘錶是用來指示時間的，但不能認為只要走時準，外觀不用考慮。實際上，許多物品都兼有裝飾房間或其他場所的作用，至少不應該破壞環境的美感。即使是工，一里的機器，適當的外觀也常有助於減輕操作者的疲勞感，並讓人產生愛惜的心情。除了以上幾點，使用價值還應包括安全，不妨礙他人，無公害，等等。

　　機械創新設計是人類創造活動的具體領域，需要設計者對創新思維的特點、本質、形成過程有所掌握，認識創新思維與其他類型的思維、創新原理、創新技法的關係等。創新設計不是簡單的模仿或技術改造，而應具有突破性、新穎性、創造性、實用性以及帶來的社會效益性。

　　創新思維是一種高層次的思維活動，它是建立在常規思維基礎上的人腦機能在外界信息激勵下，自覺綜合主觀和客觀信息後產生新的客觀實體(如工程領域中的新成果，自然規律或科學理論的新發現等)的思維活動和過程。創新思維的主要特點有：綜合性、跳躍性、新穎性、潛意識的自覺性、頓悟性、流暢靈活性等。

　　人類現代文明的一切成果，無不是人的創新思維的結果。創新思維是人們從事創造發明的源泉，是創造原理和創新技法的基礎。例如，逆反創造原理源於有序思維、綜合創造原理源於發散一收斂思維、迂迴創造原理源於創新思維的形成過程原理等。瞭解和掌握創新思維的基本知識有助於創新思維的培養，有利於學習、掌握創造原理和創新技法。有利於人們從事各類創新活動。

　　創新思維的形成過程大致可分為3個階段。

　　1．儲存準備階段

　　這一階段就是明確要解決的問題，圍繞問題收集信息，並試圖使之概括化和系統化，使問題和信息在腦細胞及神經網路中留下印記。大腦的信息存儲和積累是誘發創新思維的先決條件，存儲愈多，誘發愈多。任何一項創造發明都需要一個準備過程，只是準備的時間長短不同。

　　2．懸想加工階段

　　在圍繞問題進行積極的思索時，大腦會不斷地對神經網路中的遞質、突觸、受體進行能量積累，為產生新的信息而運作。這一階段人腦能總體上根據各種感覺、知覺、表象提供的信息，認識事物的本質，使大腦神經網路的綜合創造力有超前力量和自覺性。在準備之後，一種研究的進行或一個問題的解決，難以一蹴而就，往往需經過探索嘗試，故這一階段也常常叫做探索解決問題的潛伏期、孕育階段。

　　3．頓悟階段

　　人腦有意無意地突然出現某些新的形象、新的思想，使一些長久未能解決的問題在突然之間得以解決。進入這一階段，問題的解決一下子變得豁然開朗。創造主體突然間被特定情景下的某一特定啟發喚醒，創新意識猛然被髮現，以前的困擾頓時一一化解，問題順利解決。這一階段是創新思維的重要階段，被稱為“直覺的躍進”，“思想上的光芒”。這一階段客觀上是由於重要信息的啟示、艱苦不懈的思索。主觀上是由於孕育階段內，研究者未全身心投入去思考，從而使無意識思維處於積極活動狀態，不像專註思索時思維按照特定方向運行，這時思維範圍擴大，多種信息相互聯繫並相互影響，從而為問題的解決提供了良好的條件。

　　機械創新設計的目標是從所要求的機械功能出發，改進、完善現有機械或創造發明新機械，實現預期的功能，並使其具有良好的工作品質及經濟性。它主要由綜合過程、選擇過程和分析過程所組成。因此，機械創新設計的基本過程大致有以下四個階段：

　　(1)確定機械的基本原理。這一過程可能會涉及機械學對象的不同層次、不同類型的機構組合，或不同學科、不同技術的知識。

　　(2)機構結構類型綜合及優選。優選的結構類型對機械整體性能和經濟性具有重大影響，它多伴隨新機構的發明。機械發明專利的大部分屬於結構類型的創新設計。結構類型綜合及優選是機械設計中最富有創造性、最具活力的階段，但又是十分複雜和困難的問題。它涉及到設計者的知識儲備、經驗積累、創造靈感和想像力。

　　(3)機構運動尺寸綜合及其運動參數優選。其難點在於求得非線性方程組的完全解(較為困難)，為優選方案提供較大的空間。隨著優化法、代數消元法等數學方法引入機構學，使該問題有了突破性進展。

　　(4)機構動力學參數綜合及其動力學參數優選。其難點在於動力學參數量大、參數值變化域廣的多維非線性動力學方程組的求解，這是一個有待深入研究的問題。

　　在掌握上述機械工作原理、結構學、運動學、動力學分析與綜合的四個階段後，便基本形成了機械設計的優選方案。然後，進入機械結構創新設計階段。

　　創新設計的正常開展和完成，必須正確運用創新設計方法。常用的創新設計方法主要有下麵幾種：

　　一、智力激勵法

　　智力激勵法又叫集思廣益法，它是由美國創造學家A．F．奧斯本提出的。人的創造性思維特別是直覺思維在受激發情況下能得到較好的發揮。一批人集合在一起，針對某個問題進行討論時，由於每個人的知識和經驗不同，觀察問題的角度和分析問題的方法各異，提出的各種意見能互相啟發，從而誘導出更多創意。通過激智、集智、交流，可實現創新的目的。智力激勵法可以通過召開會議，也可以通過信函、書面等形式，達到互相啟發、補充和完善見解，或發展為新的見解。

　　二、提問追溯法

　　提問追溯法是有針對性地、系統地提出問題，在回答問題過程中，便可能產生各種解決問題的設想，使設計所需要的信息更充分，解法更完善。提問追溯法提出的問題如下：

　　1)有沒有其他用途?有沒有新的用途?稍加改進有沒有其他用途?

　　2)能否借用其他經驗或發明?是否有相似的東西?是否有可模仿或可借用的東西?

　　3)能否在結構、造型或其他方面變化一下?能否增加或減少什麼?能否加高或降低一點?能否加長或縮短一點?能否加厚或減薄一點?能否減輕或加重一點?能否擴大或縮小一點?能否重新組合或再分解?

　　4)能否用其他東西代替?能否用代用的原材料、半成品或其他的代用製造方法?

　　5)能否增加或減少功能?

　　6)能否在成本不變的前提下提高產品的性能?

　　7)能否採用廉價代用材料、簡化結構、使用簡單而高效的製造工藝、提高零部件的標準化程度來降低成本?

　　通過一連串從不同角度的發問，可啟發思維，提出新的設計方案。

　　三、缺點列舉法

　　運用缺點列舉法始於發現事物的缺點，挑出事物的毛病。在明確需要剋服的缺點後，有的放矢地進行創造性思考，並通過改進設計去獲得新的設計方案。例如，一家生產汽車喇叭繼電器的小廠，為了改變產品銷路不暢的被動局面，廠長和技術人員、銷售人員一起對有關產品進行分析，在廣泛收集用戶意見的基礎上，分析產品的缺點，然後針對缺點採取各種不同的措施，改進了原有的產品，很快打開了銷路，銷售量一年內便增長了一倍。

　　四、希望點列舉法

　　希望點列舉法從設計者(發明者)或用戶的意願出發提出新設想、新要求，從而激發人們去開發新產品或改進原有的產品。例如有了黑白電視機，還希望有彩色的、遙控的。又如人們希望在給別人打電話時不僅能聞其聲，而且能見其人，為適應這種要求，開發了可視電話。

　　希望點列舉法與缺點列舉法都是將思維收斂於某“點”，然後發散思維，最後又集中於某種創意。但希望點列舉法比缺點列舉法涉及的目標更廣，而且更側重自由聯想。

　　五、聯想類比法

　　聯想是由一個事物想到另一個事物的心理過程。對應聯想由一件事物聯想到與其對立的另一事物。例如由小想到大，由集中想到分散等。要增強聯想能力，必須註意增加知識和經驗，不但註意吸納本專業及其他專業的學科知識，更要重視參加各種實踐活動。利用聯想進行發明創造是一種常用而且十分有效的方法，很多發明家都善於聯想，也得益於聯想的妙用。例如，貝爾發明電話，開始沒有成功，以後從吉他的聲音中想到了共鳴原理，改進了裝置，才使電話發明成功。又如布拉特從看到蜘蛛織網聯想到可以從上到下造橋，從而發明瞭吊橋，突破了傳統的造橋模式。

　　聯想類比由一事物或現象聯想到與其有類似特點(如性質、外形、結構、功能等)的其他事物或現象。例如，由水波想到聲波、光波；由水波可出現干涉現象，想到光也有干涉現象等。

　　六、反向探求法

　　反向探求將人們通常思考問題的思路反轉過來，從背逆常規的途徑探尋新的解法，因此反向探求法亦稱為逆向思維法。例如在鎢絲燈泡發明初期，為了避免鎢絲在高溫下的氧化，需要將燈泡內抽真空，但是使用後發現抽真空後的燈絲通電後仍會變脆。為瞭解決這個問題，當時多數人的意見是繼續提高燈泡內的真空度。而美國科學家蘭米爾卻應用反向探求法提出向燈泡內充氣的方法，他分別試驗了將氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳氣、水蒸氣等充入燈泡，試驗結果表明氮氣有明顯的減少鎢蒸發的作用，可使鎢絲在其中長期工作，因而發明瞭充氣燈泡。又例如：化學能為什麼不能變成電能?聲音既是振動，那麼振動為什麼不能復現原聲?根據這些反問，相繼發明瞭電池、留聲機。

　　七、組合創新法

　　組合創新法是將現有技術或產品通過功能、原理、結構等方面的組合變化形成新的技術思想或新產品。組合法的優點是組合形式多樣，應用廣泛，便於操作，經濟有效。組合創新法應用的技術單元一般是已經成熟或比較成熟的技術，不需要從頭開始，因而可以最大限度地節約人力、物力和財力。在當代社會生產和生活中，存在著大量已經開發出來的技術，只要合理組合，就能創造出適合需要的技術系統。例如，美國的“阿波羅”宇宙飛船由700萬個零件組成，但沒有一個零件是新研製的，用這些已有的零件組合出把人送上月球又重返地球的神奇系統。同樣“阿波羅”宇宙飛船技術中的全部技術都是現有技術的組合。

　　組合創新法的類型很多。常用的有性能組合、原理組合、功能組合、結構重組、模塊組合等。雖然組合創新法所使用的技術是已有的技術，但適當組合後，同樣可以做出重大的發明。

　　動力機械是近代人類社會進行生產活動的基本裝備之一。動力機械按其工作方式分為內燃機和外燃機兩大類，自1860年裡諾製成第一臺內燃機以來，它在國民經濟各部門和國防工業中得到廣泛的應用，並已發展出多種形式。

　　在技術發展史上，人們對內燃機的研究比外燃機要更早，但由於理論和技術上的不成熟，使得外燃的蒸汽機在內燃機出現前的一個多世紀內得到廣泛的應用。

　　自從18世紀瓦特完成了蒸汽機的發明以後，幾乎在一個世紀的時間里蒸汽機成為唯一的動力機。但在廣泛應用的同時也暴露了它一系列固有的缺點：首先，熱效率很低。當時，一般情況下。只有5％～8％，最高也不過13％，主要是它在工作過程中散失了大量的熱量。其次，結構笨重，價格昂貴，鍋爐和冷凝器等體積龐大，運行不靈活，很難達到體積小、更便宜、適應性更大、運行更靈活等要求。再次，操作不方便，運行不夠安全。鍋爐要預熱兩個多小時，不能隨意起動和停止，由於鍋爐儲蓄的熱量很大，容易發生爆炸。人們需要比蒸汽機更小、更便宜、適應性更大，運行更靈活的發動機。

　　隨著科學和技術的進步，重新研製內燃機的有利條件形成了：在機械製造方面，比較精密的機床已經出現，冶金技術方面，轉爐、電弧爐煉鋼提供了優質的材料，煤氣工業和石油工業的發展可以提供必要的燃料，而在1824年法國物理學家卡諾提出理想熱機的卡諾迴圈，並隨後建立的熱力學第一定律和第二定律，為完成內燃機的發明提供了理論和技術基礎。

　　人們首先分析了蒸汽機的缺點，發現燃料先把水燒成蒸汽，再把蒸汽引入汽缸做功，然後蒸汽再被冷凝器冷卻成水，這個過程引起了大量的熱損耗，里諾針對蒸汽機的這個缺點，用反向思維方法，考慮能不能使燃料直接在汽缸內部燃燒，這樣就可以免去蒸汽作中介工作，熱能直接作功。1860年，他製成了第一臺實用的內燃機——二衝程煤氣機，它的外表就像一部卧式蒸汽機，也有活塞、連桿和飛輪，但運轉方式截然不同，它是靠吸入煤氣和空氣的混合物以後，在汽缸內點火燃燒發生膨脹而做功。這種煤氣內燃機去掉了龐大的鍋爐，結構緊湊，雖然其燃料消耗很高，而熱效率僅4％(還不如蒸汽機)，電點火也不可靠，成本也很高，但畢竟它平穩的運轉了，很受中小企業歡迎。

　　為了提高效率，法國工程師德羅沙進一步分析里諾機的缺點，從反向思考，提出了新的設想。他認為里諾機的燃料混合氣未經壓縮就直接進入汽缸，這樣每一次吸入的燃料氣體就很少，膨脹一次的熱損失相對來說就很大。能不能每次多吸入一些燃料氣體?德羅沙在對內燃機的熱力過程進行理論分析之後，於1862年提出了提高熱效率的關鍵措施，即預先壓縮空氣和燃氣的混合物，提出了等容燃燒的四衝程內燃機工作原理。1876年，德國工程師奧托研製成功了第一臺四衝程往複活塞式內燃機，每分鐘180轉，熱效率高達14％(相當於蒸汽機的兩倍)，它把三個關鍵的技術思想：內燃、壓縮燃氣、四衝程融為一體，具有效率高、體積小、重量輕、功率大等一系列優點。此後，奧托在一生中一直從事內燃機的研究，四衝程迴圈被稱為“奧托迴圈”，他也被認為是內燃機的發明人。

　　在此之後，英國工程師克拉剋制造了二衝程迴圈的內燃機，在每兩個衝程中就有一個動力衝程。他還發明瞭兩個汽缸的內燃機，當一個汽缸處於回覆階段時，另一汽缸則爆燃做功，使輸出的動力較均勻。

　　里諾和奧托內燃機都是煤氣機，但煤氣的熱值低，需要龐大的煤氣發生爐和管道系統，煤氣機的轉速低，自重大，對於交通運輸業所要求的高速、輕便的動力機來說，煤氣機仍然是不相適應的。隨著石油工業的蓬勃發展，用石油產品取代煤氣作燃料已成為必然。

　　德國工程師戴勒姆分析煤氣機的缺點，設計出了汽化器，解決了點火問題，於1883年製成了第一臺四衝程往複式汽油機。以往煤氣機的轉速不超過200r／min，而戴勒姆汽油機的轉速一躍成為800—1000r／min，其特點是功率大、重量輕、體積小、轉速快和效率高，特別適用於交通工具。1885年，戴勒姆與德國工程師本茨兩人分別以汽油機為動力獨立製成了可供實用的汽車。

　　由於汽油價格較高，德國工程師狄塞爾考慮設計結構簡單、燃料更便宜的柴油機。但是柴油機在汽缸里的點燃成為問題的關鍵。1892年，他提出了在內燃機中使用壓縮點火的技術專利：發動機吸進的不是燃料和空氣的混合物，而是空氣，如果空氣壓縮後產生的高溫超過柴油的燃點，那麼通過噴嘴噴入的柴油就會自動燃燒，從而推動活塞做功。這樣，不但可以省去汽化器和點火裝置，提高熱效率，而且可以用比汽油便宜得多的柴油作燃料。1897年，第一臺20匹馬力的柴油機開始運轉，它的功率比汽油機大，熱效率也提高到30％。狄塞爾柴油機是內燃機技術上的第二次大突破，柴油機成為工業上主要的動力機。

　　啟示：

　　內燃機的發展過程揭示了科學與生產之間的辯證關係。科學的形成和發展是由社會生產所決定的，但往往科學又走在生產前面，對新的生產技術的誕生起著巨大的引導作用。奧托迴圈、狄塞爾迴圈理論產生之後才製造出了實現理論的內燃機，充分說明瞭科學研究要走在生產的前面，探索、發現新的熱力學迴圈，才能引起內燃機技術的突破。

　　奧托煤氣機、狄塞爾柴油機的發明充分說明瞭“缺點分析，反向創新”原理和方法所起的重要作用。科學技術的發展是繼承和創新的辯證統一，新的技術是對原有技術成果的突破，如果沒有對前人的理論、結構、工藝、材料等方面成果的深入分析，沒有對前人的繼承，不分析它的缺點和弊病，不提出剋服缺點和弊病的設想和解決方法，不打破固定思路的束縛，是不可能創新的。

　　內燃機的發明說明，任何一種技術都不可能孤立的發展，各種技術是相互依存、相互促進的，內燃機的誕生需要冶煉技術提供優質鋼材，需要各種機床對零件進行精密加工，需要石油工業提供汽油、柴油等燃料。因此，當我們發展一種新技術時，必須認真考慮相關技術的配合。另外，對於一個國家科技水平的先進和落後在一定的社會歷史條件下也可以轉化。英國是最早的工業化國家，但蒸汽機的大量使用，使得研究新型內燃機的工作受到了阻礙，而法國、德國由於發明製造出了多種內燃機，產生了許多科學家和發明家，使其科技水平超過了英國。

　　往複式內燃機雖然取代了蒸汽機成為應用廣泛的動力機，但也存在很多缺點：首先，其工作機構多、零件多、結構複雜，往複式內燃機主要有曲柄連桿機構、凸輪機構、擺盤機構、搖臂機構以及汽缸、連桿、曲柄等主要機件，機構複雜，並且摩擦損耗會降低機械效率。其次，活塞往複運動造成較大的往複慣性力，而且此慣性力隨轉速的平方增長，系統由於慣性力不平衡而產生強烈振動，限制了轉速的提高。此外，往複式內燃機還有一套較複雜的配氣機構。於是人們設想，能否使熱能直接轉化為軸的轉動呢?類比往複式蒸汽機到蒸汽輪機的發展過程，人們不斷提出一些新型旋轉式發動機方案，但大多因結構複雜或無法解決汽缸密封問題而不能實現。直到1945年，德國的汪克爾經長期研究，突破了汽缸密封這一關鍵技術，使旋轉發動機首次運轉成功。

　　旋轉式發動機取消了曲柄連桿機構、氣門機構等，能實現高速化，重量輕(比往複式內燃機下降1／2～2／3)，結構和操作簡單(零件數減少40％；體積減小50％)，在污染方面也有所改善。

　　雖然旋轉發動機有很多優點，但真正開發出實用產品的並非是首先研製旋轉發動機的德國納蘇公司，而是日本東洋公司，下麵介紹東洋公司如何後來居上進行技術開發的過程，供人們借鑒。

　　首先是科學的決策。東洋公司得知西德納蘇公司正在研製新型發動機的信息之後，廣泛收集資料，聽取各方面的意見，並親臨納蘇公司考察旋轉發動機的研製品，綜合各種資料後認為：汪克爾的方案在材料、工藝、設備等方面雖存在許多困難問題，但這些困難並非無望解決，設備也不需要大規模增加投資，從本質上看，其實用化的可能性極大。於是，東洋公司決定馬上引進這項雖有瑕疵卻很有前途的新技術，購買了其專利，做出了重大決策——開發旋轉發動機。

　　其次是採取會戰的形式組織力量集中攻關。為了使旋轉發動機儘快實用化，東洋公司挑選了47名最精幹的各有專長的科技人員集中於這項課題，並決定拿出30億日元(占全公司總資產的一半)的巨額投資，和全世界100多家公司展開了競爭。研究人員下定必勝的決心，夜以繼日，時時刻刻想著轉子發動機，每個人都隨身帶著鉛筆和筆記本。通過學習和探索，發現技術上的難點是汽缸上產生的震紋問題，納蘇公司正是在此問題上久攻不克而無法前進。於是他們通過大量的試驗，終於找到產生震紋的兩個主要原因：一個是材料，為了不使相接觸的錶面產生磨損，必須研製最佳材料；另一個是密封片本身的振動特性對震紋影響極大，而密封片的振動特性與其材料和形狀有關。東洋公司抓住這個關鍵問題，開發出極堅硬的浸漬炭精材料做密封片，而對汽缸壁材料，則運用反向探求法，不是從提高材料硬度著手，而是選擇了較軟的耐磨石墨材料作汽缸襯裡，減少了磨損，較成功地解決了震紋問題。

　　最後是團結協作的精神。東洋公司的領導具有很強的組織能力和團結協作精神，不僅公司內部相互信任、團結一心，而且與其他配件製造企業坦誠相待、密切協作，密封片材料就是與炭精公司全力合作共同開發出來的。此外，他們還先後與多家企業合作，相繼開發了特殊密封件310號、火花塞、化油器、0型環、高級潤滑油、消音器、彈簧等多種零部件，攻剋了轉子發動機的道道難關，使旋轉式發動機在全世界首先達到實用化，市場效益很好。

　　啟示：

　　在技術成為生產直接要素的今天，技術開發具有舉足輕重的作用。技術開發，離不開正確的決策，離不開管理水平和組織能力，離不開集中人力、財力、物力重點攻關，離不開團結協作。如果我們始終努力研製優質產品，取人之長，刻苦攻關，就可後來居上。