热能与动力工程导论课件.ppt

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1、内燃机部分内燃机部分(张文孝张文孝)2003年10月热能与动力工程导论热能与动力工程导论热能与动力工程所包含的领域热能与动力工程所包含的领域n蒸汽机、锅炉、火车；蒸汽机、锅炉、火车；n汽轮机与水力发电厂、汽轮机与水力发电厂、燃气轮机燃气轮机与热力发电厂；与热力发电厂；n流体机械；流体机械；内燃机；内燃机；n汽车；汽车；n涡轮机（蒸汽透平）；涡轮机（蒸汽透平）；n船舶辅助机械、船舶动力装置；船舶辅助机械、船舶动力装置；n船舶电气设备与系统；船舶电气设备与系统；n核反应堆、核电站；核反应堆、核电站；n制冷与空调；制冷与空调；能源工程与新能源。能源工程与新能源。主要内容主要内容n船舶柴油机简介船舶柴

2、油机简介n内燃机技术的诞生、发展与趋势内燃机技术的诞生、发展与趋势n国内外内燃机主要企业国内外内燃机主要企业n国内内燃机主要研究机构国内内燃机主要研究机构n内燃机技术专题内燃机技术专题n燃气轮机简介燃气轮机简介n论文写作格式与要求论文写作格式与要求n新能源技术简介新能源技术简介学习要求学习要求n讲授讲授4学时学时n写写2000字左右的论文一篇字左右的论文一篇(亦可选亦可选其它部分内容其它部分内容)（A4纸打印）纸打印）船舶柴油机的最新发展技术综述；船舶柴油机的最新发展技术综述；现代轿车新技术综述；现代轿车新技术综述；汽车排放与环境；汽车排放与环境；汽车节能与能源危机。汽车节能与能源危机。参考题

3、目内燃机技术的诞生、发展与趋势内燃机技术的诞生、发展与趋势内燃机的诞生内燃机的诞生内燃机技术发展的两次飞跃内燃机技术发展的两次飞跃内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势内燃机的诞生内燃机的诞生n1860年，年，莱诺依尔（莱诺依尔（J.J.E.Lenoir)首先首先发明了一种大气压力式内燃机，煤气和空发明了一种大气压力式内燃机，煤气和空气在活塞的上半个行程被吸入气缸，然后气在活塞的上半个行程被吸入气缸，然后被火花点燃；后半个行程为膨胀行程，燃被火花点燃；后半个行程为膨胀行程，燃烧的煤气推动活塞下行膨胀做功。热效率烧的煤气推动活塞下行膨胀做功。热效率5%，最大功率，最大功率4.5kw。n1867

4、年，年，奥托奥托(NicolausA.Otto)和浪琴和浪琴(EugenLangen)发明了更成功的大气压力发明了更成功的大气压力式内燃机。热效率达式内燃机。热效率达11%。内燃机的诞生内燃机的诞生n1876年，年，奥托又提出了一种四冲程循环的内燃机，奥托又提出了一种四冲程循环的内燃机，使热效率提高到使热效率提高到14%，而质量减少了近，而质量减少了近70%。n1890年，年，英国的克拉克英国的克拉克(DugaldClerk)、罗伯逊罗伯逊(JamesRobson)和德国的卡尔和德国的卡尔.奔驰奔驰(KarlBenz)发明了二冲程内燃机。发明了二冲程内燃机。n1892年，年，德国工程师鲁道夫德

5、国工程师鲁道夫.狄塞尔狄塞尔(LudolfDiesel)提出了柴油机的专利，并在提出了柴油机的专利，并在5年后变成了现年后变成了现实。实。n1957年，年，由汪克尔发明了转子发动机（赛车上用）。由汪克尔发明了转子发动机（赛车上用）。n燃料的发展也促进了内燃机的一步步发展。燃料的发展也促进了内燃机的一步步发展。内燃机技术发展的两次飞跃内燃机技术发展的两次飞跃n50年代的增压技术年代的增压技术n70年代的电子与计年代的电子与计算机技术算机技术内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n能源工程能源工程-节能节能n环境工程环境工程-改善排放改善排放具体有如下发展方向具体有如下发展方向多多气气门门可可变

6、变进进气气系系统统进进气气道道设设计计电电子子控控制制燃燃油油喷喷射射技技术术电电控控点点火火定定时时与与爆爆燃燃控控制制电电控控EGR技技术术增增压压技技术术汽汽油油机机稀稀燃燃-速速燃燃技技术术汽汽油油机机缸缸内内喷喷射射分分层层燃燃烧烧技技术术代代用用燃燃料料排排气气后后处处理理技技术术柴柴油油机机的的直直喷喷化化米米勒勒循循环环发发动动机机陶陶瓷瓷材材料料C CA AD D技技术术混混合合电电动动汽汽车车燃燃烧烧室室内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n内燃机产业关键技术分析内燃机产业关键技术分析 内燃机工程内燃机工程 1999 1999年第年第2 2期期 n上海内燃机研究所翁祖亮

7、对上海内燃机研究所翁祖亮对“十五十五”规划期间我国应优先发展的规划期间我国应优先发展的9 9类内燃机关键类内燃机关键技术进行了分析，并提出了各类技术应研究的主要内容及目标建议。技术进行了分析，并提出了各类技术应研究的主要内容及目标建议。n1.1.内燃机现代设计技术内燃机现代设计技术 借助计算机分析设计方法设内燃机设计优化，借助软、硬件支撑使设计工作借助计算机分析设计方法设内燃机设计优化，借助软、硬件支撑使设计工作更快、更准确。设计文件通过计算机网络使各项计算分析工作和各种零部件更快、更准确。设计文件通过计算机网络使各项计算分析工作和各种零部件设计平行进行，从而缩短设计过程。还可以利用各种快速成

8、型技术，直接由设计平行进行，从而缩短设计过程。还可以利用各种快速成型技术，直接由计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)制成零件样品和加工工具。现代设计技术的应用使研制成零件样品和加工工具。现代设计技术的应用使研制阶段所需进行的修改工作大大减少。制阶段所需进行的修改工作大大减少。(1)计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(2)快速成型技术快速成型技术(3)有限元分析有限元分析(4)可靠性分析可靠性分析(5)发动机循环模拟发动机循环模拟(6)计算流体动力学计算流体动力学(CFD)(7)磨损预测磨损预测(8)轴承轨迹分析轴承轨迹分析(9)运动学和动力学分析运动学和动力学分析内燃机今后的发展趋势内燃

9、机今后的发展趋势n2.车用柴油机废气净化技术车用柴油机废气净化技术柴油机是经济性最好的热能动力机械，广泛用于国民经济的各个领域。但是在柴柴油机是经济性最好的热能动力机械，广泛用于国民经济的各个领域。但是在柴油机气缸内燃烧所产生的油机气缸内燃烧所产生的HC、CO、NOx和颗粒物和颗粒物PM等有害排放物，已成为城市等有害排放物，已成为城市大气的主要污染源。通过采用机内和机外净化技术措施，使车用柴油机有害废气大气的主要污染源。通过采用机内和机外净化技术措施，使车用柴油机有害废气排放减少到国家排放法规要求的水平。排放减少到国家排放法规要求的水平。n国外现在控制柴油机有害排放物的重要技术国外现在控制柴油

10、机有害排放物的重要技术 (1)(1)降低降低NOxNOx的技术的技术(2)(2)减少减少HCHC排放的技术排放的技术(3)(3)减少减少PMPM排放的技术排放的技术(4)(4)达到极低排放值时需采取的措施达到极低排放值时需采取的措施(5)(5)机外净化措施机外净化措施n主要研究内容及目标主要研究内容及目标(1)(1)柴油机排放生成机理和控制技术的研究柴油机排放生成机理和控制技术的研究(2)(2)高压喷射技术的研究高压喷射技术的研究(3)(3)高速直喷燃烧技术的研究高速直喷燃烧技术的研究(4)(4)涡轮增压和中冷技术的研究涡轮增压和中冷技术的研究(5)(5)电控技术的研究电控技术的研究(6)(6

11、)多气门、顶置凸轮配气系统的研究多气门、顶置凸轮配气系统的研究(7)(7)低硫分柴油的开发低硫分柴油的开发(8)(8)机外净化措施的研究机外净化措施的研究目标是在目标是在20002000年使我国车用柴油机达到欧洲年使我国车用柴油机达到欧洲I I号排放法规的要求；在号排放法规的要求；在20052005年达到年达到欧欧II II排放法规的要求排放法规的要求 。内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n3.车用发动机增压技术车用发动机增压技术涡轮增压技术是通过涡轮增压器提高进气密度可以全涡轮增压技术是通过涡轮增压器提高进气密度可以全面改善发动机的动力性、经济性以及排放指标等综合面改善发动机的动力性、

12、经济性以及排放指标等综合性能，给内燃机发展注入强劲动力。被誉为内燃机发性能，给内燃机发展注入强劲动力。被誉为内燃机发展史上的一个里程碑。展史上的一个里程碑。n4.气体燃料内燃机技术气体燃料内燃机技术n5.车用柴油机电控技术车用柴油机电控技术n6.柴油机共轨式喷油技术柴油机共轨式喷油技术n7.多气门和顶置凸轮轴技术多气门和顶置凸轮轴技术n8.内燃机噪声控制技术内燃机噪声控制技术 n9.汽油喷射技术汽油喷射技术 内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n国际汽车界看好中国内燃机市场国际汽车界看好中国内燃机市场 姜微姜微2001-05-10 09:11:452001-05-10 09:11:45 美

13、国福特汽美国福特汽车车公司公司专专家吉姆家吉姆克拉克在今天开幕的中国国克拉克在今天开幕的中国国际际内内燃机及制造技燃机及制造技术术研研讨暨讨暨展展览览会上会上说说：“中国汽中国汽车车工工业业巨大的市巨大的市场场潜潜力，将极大地拉力，将极大地拉动动内燃机内燃机产业产业的的发发展，并将加速提高中国汽展，并将加速提高中国汽车车工工业业和内燃机制造和内燃机制造业业的技的技术术水平。水平。”现任福特公司研究实验室动力工程部主任的克拉克认为，随现任福特公司研究实验室动力工程部主任的克拉克认为，随着中国汽车需求的持续增长，中国的内燃机工业面临着前所未有着中国汽车需求的持续增长，中国的内燃机工业面临着前所未有

14、的发展机遇。的发展机遇。据悉，美国等发达国家已决定自二四年起实施新的尾气据悉，美国等发达国家已决定自二四年起实施新的尾气排放标准，重新划定轿车、轻型卡车、重型货车和柴油发动机汽排放标准，重新划定轿车、轻型卡车、重型货车和柴油发动机汽车等的尾气排放限额。届时轿车的排放将比现有标准再降低百分车等的尾气排放限额。届时轿车的排放将比现有标准再降低百分之七十。目前，各汽车厂商除了寻找新的可替代能源外，更多地之七十。目前，各汽车厂商除了寻找新的可替代能源外，更多地把突破的重点放在发动机性能的改善上。把突破的重点放在发动机性能的改善上。研讨会上，来自德国大众、沃尔沃、博世等著名汽车及零部研讨会上，来自德国大

15、众、沃尔沃、博世等著名汽车及零部件企业的专家分别作了世界内燃机发展趋势对中国汽车工业的影件企业的专家分别作了世界内燃机发展趋势对中国汽车工业的影响、未来十年的内燃机先进技术、现代柴油喷射技术等专题报告。响、未来十年的内燃机先进技术、现代柴油喷射技术等专题报告。专家一致认为，中国内燃机工业有望与汽车行业同步实现发展和专家一致认为，中国内燃机工业有望与汽车行业同步实现发展和提高。提高。内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n过过去一年中，中国汽去一年中，中国汽车车用柴油机、汽油机增用柴油机、汽油机增势势明明显显，内燃机内燃机总产总产量达一百八十一点五万台，量达一百八十一点五万台，销销售售为为一百

16、零一百零一点二六万台，均达到了两位数以上的增幅。一点二六万台，均达到了两位数以上的增幅。专专家家预预测测，今年中国汽，今年中国汽车车市市场总场总需求将达到需求将达到二百三十七万二百三十七万辆辆左右，中国内燃机市左右，中国内燃机市场场的需求也将呈的需求也将呈现较现较大的增大的增长长。美国西南研究院发动机部总监罗赫特美国西南研究院发动机部总监罗赫特费歇说，费歇说，中国政府对环保的要求及新排放标准的实施，新能源中国政府对环保的要求及新排放标准的实施，新能源的不断开发和应用，将对中国内燃机工业实施的不断开发和应用，将对中国内燃机工业实施“绿色绿色动力动力”的目标产生深远影响。这使中国汽车工业中的的目标

17、产生深远影响。这使中国汽车工业中的发动机市场，日益成为全球汽车制造商关注的焦点。发动机市场，日益成为全球汽车制造商关注的焦点。福特、德国大众、上汽、一汽等百余家汽车企业的组福特、德国大众、上汽、一汽等百余家汽车企业的组团参展并洽谈，显示了这些企业对汽车动力及其技术团参展并洽谈，显示了这些企业对汽车动力及其技术性能的关注，以及对中国汽车市场的信心。性能的关注，以及对中国汽车市场的信心。内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n1010年内，汽车动力将发生新的技术革命年内，汽车动力将发生新的技术革命中国汽车工程学会名誉理事长张兴业访谈录中国汽车工程学会名誉理事长张兴业访谈录当前，我当前，我们正正处

18、在一个在一个创新的新的时代，以代，以电子和信息技子和信息技术为核心的汽核心的汽车工工业技技术革新、革新、技技术发明明层出不出不穷。日前，。日前，张兴业理事理事长在在中国汽中国汽车工程学会工程学会举办的汽的汽车技技术年会上指年会上指出，出，预计在在21世世纪第一个十年内，世界汽第一个十年内，世界汽车业的科技的科技进步将由量步将由量变到到质变，发生新的技生新的技术革命。那革命。那时，人，人们看到的技看到的技术创新将比新将比过去去100年年还要多。要多。内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n节能和环保推动汽车技术创新节能和环保推动汽车技术创新目前，世界各国都把目前，世界各国都把节约燃料和降低排放

19、燃料和降低排放作作为研究的重点并取得令世人注目的成研究的重点并取得令世人注目的成绩。德。德国将在国将在2005年生年生产百公里油耗百公里油耗仅1升的升的经济型型轿车。届。届时，欧洲将，欧洲将执行欧行欧IV标准，准，HC、NOx、PM是是现行的行的1/5；美国将；美国将执行行Tier2标准，准，达到达到ULEV，加州从加州从2003年起，提高零排放和年起，提高零排放和接近零排放接近零排放标准准车的比重。因此可以的比重。因此可以预言，言，未未来的来的10年中，现代小型直喷柴油机、混合动力年中，现代小型直喷柴油机、混合动力驱动系统、氢燃料电池和复合火花点火汽油机驱动系统、氢燃料电池和复合火花点火汽油

20、机将成为世界汽车技术研究的主要对象。将成为世界汽车技术研究的主要对象。内燃机今后的发展趋势内燃机今后的发展趋势n计算机控制技术的创新将引起汽车结构的重大变化计算机控制技术的创新将引起汽车结构的重大变化张兴业在在谈到未来世界汽到未来世界汽车工工业的技的技术革命革命时指出，快速指出，快速作用的、以作用的、以传感器感器为基基础的的计算机控制的算机控制的发动机、机、变速箱、制速箱、制动及及转向，将引起汽向，将引起汽车结构的重大构的重大变化。化。他说，他说，SiemensVDO汽车公司提供给汽车公司提供给“宝马宝马”的电子气门的电子气门机构，能够连续改变进气门升程，从机构，能够连续改变进气门升程，从0.

21、3-9.7mm，可以分别适可以分别适应怠速、减速和全负荷运转等各种工况。特别在低速时消除节应怠速、减速和全负荷运转等各种工况。特别在低速时消除节气门，可降低泵气损失，增加发动机的效率。气门，可降低泵气损失，增加发动机的效率。VDO供应的电子供应的电子气门控制器与气门控制器与40-MHz、32-bit发动机的主计算机形成网络，可发动机的主计算机形成网络，可以在以在0.3秒内改变气门升程从最小到最大，以及一系列的发动机秒内改变气门升程从最小到最大，以及一系列的发动机控制系统。并且还与其他控制系统连接在一起，形成总线控制系统。并且还与其他控制系统连接在一起，形成总线（CAN）控制。这种线控制系统已开

22、始在生产中采用，并实现控制。这种线控制系统已开始在生产中采用，并实现了制动的智能化。了制动的智能化。国外内燃机主要企业国外内燃机主要企业n宝马宝马欧宝欧宝福特福特大众大众现代现代本田本田凌志凌志奥迪奥迪n尼桑尼桑林肯林肯马自达马自达保时捷保时捷通用通用克莱斯勒克莱斯勒n劳斯莱斯劳斯莱斯蓝波基尼蓝波基尼古典野马古典野马n底特律柴油机公司底特律柴油机公司康明斯发动机康明斯发动机卡特批勒卡特批勒n泰勒达因泰勒达因-大陆发动机公司大陆发动机公司日本电装公司日本电装公司n日本日本KKK京都陶瓷京都陶瓷英国英国Lucas德国德国MTUn德国曼海母德国曼海母德国德国Deutz瑞典苏尔寿瑞典苏尔寿n英国罗尔斯

23、英国罗尔斯-罗依斯发动机公司罗依斯发动机公司日本三菱公司日本三菱公司n法国法国Uni国内内燃机主要企业国内内燃机主要企业1山东渤海活塞集团山东渤海活塞集团专业生产活塞，内燃机曲轴，活塞专用机床等。专业生产活塞，内燃机曲轴，活塞专用机床等。无锡威孚股份有限公司无锡威孚股份有限公司主要生产内燃机燃油喷射系统产品，共主要生产内燃机燃油喷射系统产品，共5大类，大类，23个系列、个系列、400多个品种规格。多个品种规格。天津夏利内燃机制造分公司天津夏利内燃机制造分公司主要生产主要生产“天内牌天内牌”系列微型发动机。系列微型发动机。山东莱动内燃机有限公司山东莱动内燃机有限公司主要生产各种型号的内燃机主要生

24、产各种型号的内燃机。上海柴油机股份有限公司上海柴油机股份有限公司系制造系制造135、D114、C121等系列中等功率高速柴油机的等系列中等功率高速柴油机的国有特大型企业。国有特大型企业。中国广西柳发股份有限公司中国广西柳发股份有限公司生产各种内燃机。生产各种内燃机。山东淄博柴油机厂山东淄博柴油机厂生产生产300、L250、6210Z、Z6170系列船用柴油机。系列船用柴油机。昆明云内动力股份有限公司昆明云内动力股份有限公司主要产品为主要产品为100、102系列柴油机，是系列柴油机，是1-3吨级农用车、吨级农用车、轻型车的理想配套动力。轻型车的理想配套动力。扬动股份有限公司扬动股份有限公司生产单

25、缸、多缸柴油机。生产单缸、多缸柴油机。国内内燃机主要企业国内内燃机主要企业2江苏江动集团有限公司江苏江动集团有限公司江苏盐城，生产中、小功率柴油机。江苏盐城，生产中、小功率柴油机。东风汽车公司柴油发动机厂东风汽车公司柴油发动机厂东风康明斯系列柴油机等产品。东风康明斯系列柴油机等产品。常柴集团有限公司常柴集团有限公司生产柴油机，以及拖拉机、园艺机、生产柴油机，以及拖拉机、园艺机、联合收割机等系列农用机械。联合收割机等系列农用机械。大连船用柴油机厂大连船用柴油机厂生产大型船舶柴油机。生产大型船舶柴油机。四川省峨眉柴油机股份有限公司四川省峨眉柴油机股份有限公司专门研制和生产单缸柴油机的大型专专门研制

26、和生产单缸柴油机的大型专业企业。业企业。仪征双环活塞环有限公司仪征双环活塞环有限公司汽车配件发动机配件柴油机配件机械汽车配件发动机配件柴油机配件机械活塞环。活塞环。武进柴油机厂武进柴油机厂产品有类五菱牌柴油机。产品有类五菱牌柴油机。宁波中策动力机电集团宁波中策动力机电集团生产各种型号的柴油机和柴油发电机生产各种型号的柴油机和柴油发电机组、联合收割机、烘谷机、塑料加工组、联合收割机、烘谷机、塑料加工机械。机械。大连柴油机股份有限公司大连柴油机股份有限公司为一汽生产配套柴油机。为一汽生产配套柴油机。国内内燃机研究机构国内内燃机研究机构上海内燃机研究所上海内燃机研究所上海船舶运输上海船舶运输科学研究

27、所科学研究所重庆重型汽车研究所重庆重型汽车研究所天津内燃机研究所天津内燃机研究所洛阳拖拉机研究所洛阳拖拉机研究所石家庄内燃机石家庄内燃机基础件研究所基础件研究所山西车用发动机山西车用发动机研究所研究所天津摩托车天津摩托车技术中心技术中心武汉汽车武汉汽车活塞轴瓦研究所活塞轴瓦研究所长春汽车研究所长春汽车研究所山东省内燃机山东省内燃机研究所研究所漳州内燃机研究所漳州内燃机研究所铁道部科学研究院铁道部科学研究院大连内燃机车大连内燃机车研究所研究所无锡油泵油嘴研究所无锡油泵油嘴研究所上海船用柴油机上海船用柴油机研究所研究所国内内燃机高校名录国内内燃机高校名录清华大学汽车系清华大学汽车系长沙铁道学院机电

28、工程学院长沙铁道学院机电工程学院北京理工大学车辆工程学院北京理工大学车辆工程学院四川工业学院汽车工程系四川工业学院汽车工程系天津大学机械工程学院天津大学机械工程学院广西大学机械工程学院广西大学机械工程学院北京工业大学环境与能源工程学院北京工业大学环境与能源工程学院太原理工大学电气与动力工程学院太原理工大学电气与动力工程学院上海交通大学动力与能源工程学院上海交通大学动力与能源工程学院内蒙古工学院动力工程系内蒙古工学院动力工程系西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学能源与动力工程学院浙江大学机械与能源工程学院浙江大学机械与能源工程学院北方交通大学机械与电气工程学院北方交通大学机械与电气工程学院

29、洛阳工学院洛阳工学院中国农业大学车辆工程学院中国农业大学车辆工程学院沈阳航空工业学院航空动力与热力工程系沈阳航空工业学院航空动力与热力工程系上海理工大学动力工程学院上海理工大学动力工程学院上海铁道学院上海铁道学院西南交通大学机械工程学院西南交通大学机械工程学院武汉水运工程学院武汉水运工程学院山东工业大学动力工程系山东工业大学动力工程系兰州铁道学院机械工程系兰州铁道学院机械工程系华中理工大学动力工程系华中理工大学动力工程系湖南大学湖南大学吉林工业大学汽车工程学院吉林工业大学汽车工程学院河北工学院机械学院河北工学院机械学院大连理工大学动力工程系大连理工大学动力工程系大连铁道学院交通运输分院大连铁道

30、学院交通运输分院江苏理工大学汽车学院江苏理工大学汽车学院合肥工业大学机械于汽车工程学院合肥工业大学机械于汽车工程学院武汉汽车工业大学武汉汽车工业大学南昌大学南昌大学重庆大学热能工程学院重庆大学热能工程学院上海机械学院上海机械学院华南理工大学交通学院华南理工大学交通学院。内燃机技术专题内燃机技术专题陶瓷发动机陶瓷发动机空气发动机空气发动机永动机永动机天然气汽车天然气汽车电动汽车电动汽车声能发动机声能发动机内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究声能发动机声能发动机美国科研人美国科研人员正在正在设法用声音来启法用声音来启动发动机。新墨西哥州洛机。新墨西哥州洛斯阿拉斯莫斯国家斯阿拉斯莫斯国家实验室的

31、科研小室的科研小组已已经研制出有利于研制出有利于环境保境保护，没有运没有运转部件，靠声能部件，靠声能发动的的发动机。机。这种名种名为“热声学斯特令声学斯特令热发动机机”的新型的新型发动机是用机是用钢做的做的管道制成的，成本管道制成的，成本较低。有一个低。有一个长的、棒球棍状的共振器与一个的、棒球棍状的共振器与一个椭圆形的容器形的容器组成，没有把柄。成，没有把柄。发动机内盛有机内盛有经过压缩的氦，当的氦，当氦被加氦被加热时，就会，就会产生声波，形成声能，生声波，形成声能，这种声能可以启种声能可以启动活塞，活塞，产生生电力。力。洛斯阿拉斯莫斯国家洛斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研人室的科研人员正在正在

32、试用相同的方法用相同的方法为电冰箱制冷。声能冰箱制冷。声能发动机的机的发明者之一称，常明者之一称，常规的的发动机受机受热力学及力学及发动机复机复杂性的限制，典型的、最有效的性的限制，典型的、最有效的发动机是用于机是用于发电站的、巨大的站的、巨大的涡轮机。而机。而现在由他在由他们研制成功的小型声能研制成功的小型声能发动机比最大型的、最有效的机比最大型的、最有效的涡轮机的效力大机的效力大10，这主要得益于声主要得益于声能能发动机的机的简便，没有运便，没有运转部件，不必部件，不必维护。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究 随着柴油机强化程度的不断提高，其主要零随着柴油机强化程度的不断提高，其主要

33、零部件的强度问题日益突出，直接影响到了整机的部件的强度问题日益突出，直接影响到了整机的工作可靠性与寿命。因此，零部件的结构强度和工作可靠性与寿命。因此，零部件的结构强度和寿命评价问题成为现代柴油机研制的关键之一。寿命评价问题成为现代柴油机研制的关键之一。以活塞为例，活塞是柴油机中工作条件较为恶劣以活塞为例，活塞是柴油机中工作条件较为恶劣的零件之一，同时承受着较大的机械负荷和热负的零件之一，同时承受着较大的机械负荷和热负荷，对柴油机工作可靠性与使用寿命有很大的影荷，对柴油机工作可靠性与使用寿命有很大的影响。柴油机的响。柴油机的“起动起动停车停车”过程可以看作是一过程可以看作是一次低周疲劳过程，由

34、它所造成的损伤最为严重，次低周疲劳过程，由它所造成的损伤最为严重，强度分析可以归结为预测低周疲劳寿命。本文以强度分析可以归结为预测低周疲劳寿命。本文以6110型柴油机活塞为例，探讨了低周疲劳寿命的型柴油机活塞为例，探讨了低周疲劳寿命的评价方法。评价方法。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究一、用软件进行有限元网格划分一、用软件进行有限元网格划分ADINAT/ADINA、SAP、PRO/ENGINEERING、FATIGUE等等 ADINAT是是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis of Temperature的的缩缩写写，可可用用

35、来来求求解解工工程程中中各各种种场场的的问问题题。该该程程序序可可实实现现稳稳态态解解和和瞬瞬态态解解，可可实实现现线线性性和和非非线线性性解解。本本研研究究是是求求解解活活塞塞的的三三维维稳稳态态非非线线性性解，其导热系数是随温度变化的。解，其导热系数是随温度变化的。ADINA是是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的缩写，是对固体、结构的缩写，是对固体、结构及结构及结构流体系统作静、动位移和应力应变流体系统作静、动位移和应力应变分析的一个计算机程序。它能用来执行线性分析的一个计算机程序。它能用来执行线性和非线性分析，并且包含和非线

36、性分析，并且包含10种单元类型和种单元类型和7种种材料模式（即硬化模型和本构关系）。材料模式（即硬化模型和本构关系）。ADINA是一个芯外存贮的解题程序，其平衡是一个芯外存贮的解题程序，其平衡方程是按块处理的，因此，它可以求解很大的方程是按块处理的，因此，它可以求解很大的有限元系统。有限元系统。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究二、求解温度场二、求解温度场1、温度波形和机械载荷波形温度波形和机械载荷波形 由由于于“起起动动停停车车”是是一一次次低低周周疲疲劳劳过过程程，造造成成的的损损伤伤最最为为严严重重，因因此此在在分分析析寿寿命命时时采采用用三三角角波波形形，见见图图。其其中中i代代

37、表表活活塞塞稳稳定定运运转转时时网网格格单单元元节节点点i的的温温度度，p为为作作用用在在活活塞塞顶顶和和环环槽槽上上的的燃燃气气压压力力，t代代表表时时间间。由由于于“停车停车”状态活塞处于常温（取为状态活塞处于常温（取为50）且不受载（燃气压力为零），且不受载（燃气压力为零），“起动起动”后稳定运转时活塞的温度后稳定运转时活塞的温度分布为分布为i且承受一定的燃气压力且承受一定的燃气压力p（为负值），因此，图中基本上为负值），因此，图中基本上反映了活塞的实际最大受载状况。反映了活塞的实际最大受载状况。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究二、求解温度场二、求解温度场2、温度场计算温度场计算

38、利利用用ADINATADINAT有有限限元元程程序序和和热热边边界界条条件件计计算算出出了了活活塞塞三三维维稳稳定定温温度度场场，即即求求出出了了波波形形图图中中的的i i。热热边边界界条条件件按按如如下下方方法法求求出出：先先按按有有关关经经验验公公式式求求出出活活塞塞边边界界周周围围介介质质温温度度和和边边界界表表面面的的换换热热系系数数，用用ADINATADINAT有有限限元元程程序序进进行行温温度度场场解解析析，然然后后用用一一些些特特征征点点的的实实测测温温度度与与计计算算温温度度对对比比，再再修修正正和和调调节节边边界界条条件件重重新新进进行行温温度度场场求求解解，在在与与实实测测

39、值值对对比比，如如此此反反复复进进行行，直直到到计计算算的的温温度度分分布布中中一一些些特特征征点点的的温温度度值值与与实实测测值值一一致致为为止止。用用这这种种方方法法求求出出的的换换热热系系数数均均在在历历来来的的文文献献中中所所指指出出的的数数值值范范围围内内，也说明物理上是正确的。也说明物理上是正确的。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究三、求解应力应变场三、求解应力应变场根根据据有有限限元元分分析析模模型型和和计计算算的的活活塞塞稳稳定定温温度度场场，采采用用ADINA有有限限元元程程序序计计算算了了活活塞塞的的三三维维循循环环应应力力及及应应变变场场，得得到到了了空空间间分分布

40、布的的应应力力和和应应变变分分量量，应应变变分分量量包包括括弹弹性性、塑塑性性和和蠕蠕变变。为为了了进进行行模模拟拟试试验验和和寿寿命命评评价价，根根据据高高温温强强度度理理论论3分分析析了了VonMises当当量量应应力力（eq）和和当当量量应变（应变（eq）分布分布，其计算公式为：，其计算公式为：12内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究四、试件模拟实验与分析四、试件模拟实验与分析1、试验条件和方法试验条件和方法为为了了分分析析活活塞塞的的低低周周疲疲劳劳强强度度和和评评价价寿寿命命，进进行行了了试试件件疲疲劳劳寿寿命命模模拟拟试试验验。试试验验材材料料选选用用铝铝合合金金，与与活活塞塞

41、材材料料性性能能完完全全相相同同；试试件件结结构构见见下下图图，采采用用带带缺缺口口的的圆圆柱柱形形试试件件是是模模拟拟活活塞塞的的三三维维应应力力应应变变分分布布状状态态，使使之之在在单单向向加加载载条条件件下下能能产产生生复复杂杂的的三三维维应应力力状状态态，并并且且避避免免使使用用造造价价昻昻贵贵的的多多轴轴试试验验机机；采采用用5种不同缺口型式的试件，用以考察结构和尺寸对寿命评价方法的影响。种不同缺口型式的试件，用以考察结构和尺寸对寿命评价方法的影响。试试验验是是在在电电液液伺伺服服式式热热疲疲劳劳试试验验机机上上进进行行的的，采采用用高高温温炉炉式式加加热热，控控制制方方式式为为轴轴

42、向向应应变变控控制制（试试件件标标定定段段的的应应变变范范围围称称为为加加载载应应变变范范围围t），应应变变波波形形为为拉拉伸伸-压压缩缩双双振振幅幅应应变变波波形形。根根据据柴柴油油机机“起起动动停停车车”波波形形和和活活塞塞温温度度场场，应应进进行行热热机机械械疲疲劳劳模模拟拟试试验验，考考虑虑到到热热机机械械疲疲劳劳试试验验的的费费用用较较大大，同同时时根根据据高高温温强强度度理理论论可可以以用用当当量量温温度度下下的的定定温温低低周周疲疲劳劳代代替替热热机机械械疲疲劳劳，而而当当量量温温度度的的计计算算依依据据之之一一即即是是上上下下限限温温度度的的平平均均值值。据据此此，进进行行了了

43、温温度度为为300（活活塞塞顶顶部部温温度度分分布布的的平平均均值值）的的定定温温低低周周疲疲劳劳模模拟拟试试验验。破破坏坏寿寿命命N Nf f定定义义为为应应力力范范围围减减小小到到最最大大值值的的25%25%时时的的循循环环数数(此此时时试试件件缺缺口口表表面面已已出出现现裂裂纹纹，认认为为试件已破坏试件已破坏)。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究四、试件模拟实验与分析四、试件模拟实验与分析2、试件与结果、试件与结果根根据据试试验验数数据据，将将各各试试件件的的疲疲劳劳破破坏坏寿寿命命N Nf f与与加加载载应应变变范范围围t t的的对对应应关关系系整整理理在在双双对对数数坐坐标标系

44、系中中，如如下下图图所所示示。可可见见，不不同同的的缺缺口口型型式式其其t t-N Nf f关关系系曲曲线线均均不不相相同同，说说明明用用加加载载应应变变范范围围t t表表征征疲疲劳劳破破坏坏寿寿命命N Nf f时时与与试试件件的的缺缺口口型型式式有有关关。另另外外，试试件件在在达达到到本本文文定定义义的的破破坏坏寿寿命命时时停停止止实实验验，然然后后将将试试件件拉拉断断，从从中中央央横横断断口口可可以以看看出出，裂裂纹纹已已在在缺缺口口表表面面产产生生并并扩扩展展，裂裂纹纹发发生生点点位位于于试试件件横横断断面面积积最最小小（即即中中央央横横断断面面）的的缺缺口口根根部部。由由图图还还可可看

45、看出出，当当加加载载应应变变范范围围t t相相同同时时，缺缺口口角角越越大大的的试试件件其其破破坏坏寿寿命命N Nf f越低。越低。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究四、试件模拟实验与分析四、试件模拟实验与分析2、实验结果、实验结果=360=240=180=120=60t/%Nf/次次内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究五、寿命评价方法五、寿命评价方法1、试件应力应变分析试件应力应变分析根根据据对对称称性性，取取试试件件的的二二分分之之一一结结构构进进行行网网格格划划分分，划划分分的的结结果果如如图图所所示示。根根据据有有限限元元网网格格模模型型，利利用用ADINAADINA程程序序

46、计计算算了了5 5种种试试件件在在不不同同的的加加载载应应变变范范围围下下的的三三维维循循环环应应力力、应应变变场场，得得到到了了空空间间分分布布的的应应力力应应变变分分量量。应应用用式式（1 1）和和（2 2）可可计计算算出出当当量量应应力力和当量应变。和当量应变。利利用用ADINAADINA程程序序的的后后处处理理程程序序可可以以分分析析试试件件表表面面和和剖剖面面的的应应力力分分量量、应应变变分分量量及及当当量量应应力力应应变变的的分分布布情情况况，从从而而分分析析整整个个试试件件的的受受力力情情况况，找找出出危危险险点点即即裂裂纹纹发发生生点点。分分析析结结果果表表明明，试试件件中中央

47、央横横剖剖面面（该该剖剖面面的的截截面面积积最最小小）的的缺缺口口根根部部的的当当量量应应力力和和当当量量应应变变值值最最大大，也也与与试试验验结结果果中中的的裂裂纹纹发发生生部部位位一一致致，因因此此可可通通过过当当量量应应力力和和当当量量应应变变值值的的大大小小判判断断危危险险点点，同同时时用用当当量量应应力力和和当当量应变值可进行寿命预测。量应变值可进行寿命预测。内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究五、寿命评价方法五、寿命评价方法2、试件网格划分试件网格划分内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究五、寿命评价方法五、寿命评价方法3、多维疲劳寿命评价方法多维疲劳寿命评价方法通通常常对对

48、多多维维低低周周疲疲劳劳寿寿命命预预测测采采用用当当量量应应变变范范围围方方法法，即即eq法，由下式计算：法，由下式计算：eq=2（eq）max（3）式式中中，（eq）max为为试试件件在在最最大大加加载载应应变变时时中中央央横横剖剖面面的的缺缺口口根根部部的的最最大大当当量量应应变变（对对零零部部件件来来说说为为危危险险点点的的当当量量应应变变）。将将eq与与模模拟拟试试验验测测得得的的寿寿命命f的的关关系系整整理理在在双双对对数数坐坐标标系系中中（见见下下图图），可可以以发发现现二二者者成成直直线线关关系系且且收收敛敛得得很很理理想想，说说明明eqf的的关关系系不不受受试试件件结结构构和和

49、尺尺寸寸的的影影响响，当当量量应应变变范范围围可可以以用用来来评评价价多多维维低低周周疲疲劳劳寿寿命命并并可可进进行行工工程程应应用用。通通过过最最小小二二乘乘法法对对下下图图的的曲曲线线进进行行回回归归，可可得得出出铝铝合合金金材材料料试试件件在在300下下的的低低周周疲疲劳劳寿寿命命评评价方程：价方程：eqf1.070=61.803（4）内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究五、寿命评价方法五、寿命评价方法4、评价结果图、评价结果图=360=240=180=120=60t/%Nf/次次内燃机零部件强度研究内燃机零部件强度研究六、六、活塞低周疲劳寿命预测活塞低周疲劳寿命预测1、预测结果、预

50、测结果如如上上所所述述，试试件件危危险险点点的的当当量量应应变变范范围围eq与与断断裂裂寿寿命命f的的拟拟合合曲曲线线关关系系不不受受试试件件结结构构和和尺尺寸寸的的影影响响，因因此此可可用用当当量量应应变变范范围围来来评评价价相相同同材材料料的的活活塞塞的的疲疲劳劳寿寿命命。根根据据6110型型柴柴油油机机活活塞塞危危险险点点的的当当量量应应变变范范围围（由由式式（3）知知eq=1.14%）和和上上述述铝铝合合金金材材料料试试件件的的寿寿命命评评价价方方程程即即式式（4），预预测测出出了了活活塞塞的的疲疲劳劳寿寿命命，结果为结果为f=3089（次）。次）。2、预测结果分析、预测结果分析 根根