热能与动力工程导论课件

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 1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

2、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

3、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

4、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年，年，奥托奥托(Nicolaus A.Otto)和浪琴和浪琴 (Eugen Langen)发明了更成功的大气压发明了更成功的大气压 力式内燃机。热效率达力式内燃机。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(Dugald Clerk)、罗伯逊罗伯逊 (James Robs

5、on)和德国的卡尔和德国的卡尔.奔驰奔驰(Karl Benz) 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国工程师鲁道夫.狄塞尔狄塞尔(Ludolf Diesel)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（赛车上由汪克尔发明了转子发动机（赛车上 用）。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年代的电子与计算年代的电子与计算 机技术机技

6、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 多气门可变进气系统多气门可变进气系统 进气道设计进气道设计 电子控制燃油喷射技术电子控制燃油喷射技术 电控点火定时与爆燃控制电控点火定时与爆燃控制 电控电控EGR技术技术 增压技术增压技术 汽油机稀燃汽油机稀燃-速燃技术速燃技术 汽油机缸内喷射分层燃烧技术汽油机缸内喷射分层燃烧技术 代用燃料代用燃料 排气后处理技术排气后处理技术 柴油机的直喷化柴油机的直喷化 米勒循环发动机米勒循环发动机 陶瓷材料陶瓷材料 CADCAD技术 技术 混合电动汽车混

7、合电动汽车 燃烧室燃烧室 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

8、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

9、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，已成为城等有害排放物，已成为

10、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 气排放减少到国家排放法规要求的水平。气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

11、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) 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

12、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、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

13、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 美国福特汽车公司专家吉姆美国福特汽车公司专家吉姆克拉克在今天开幕的中国国际克拉克在今天开幕的中国国际 内燃机及制造技术研讨暨展览会上说：内燃机及制造技术研讨暨展览会上说：“中国汽车工业巨大的市中国汽车工业巨

14、大的市 场潜力，将极大地拉动内燃机产业的发展，并将加速提高中国汽场潜力，将极大地拉动内燃机产业的发展，并将加速提高中国汽 车工业和内燃机制造业的技术水平。车工业和内燃机制造业的技术水平。” 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 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，

15、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、

16、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过去一年中，中国汽车用柴油机、汽油机增势明显，过去一年中，中国汽车用柴油机、汽油机增势明显， 内燃机总产量达一百八十一点五万台，销售为一百零内燃机总产量达一百八十一点五万台，销售为一百零 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。专家预专家预 测，今年中国汽车市场总需求将达到测，今年中国汽车市场总需求

17、将达到二百三十七万辆二百三十七万辆 左右，中国内燃机市场的需求也将呈现较大的增长。左右，中国内燃机市场的需求也将呈现较大的增长。 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、

18、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，我们正处在一个创新的时代，以当前，我们正处在一个创新的时代，以 电子和信息技术为核心的汽车工业技术革新、电子和信息技术为核心的汽车工业技术革新、 技

19、术发明层出不穷。日前，张兴业理事长在技术发明层出不穷。日前，张兴业理事长在 中国汽车工程学会举办的汽车技术年会上指中国汽车工程学会举办的汽车技术年会上指 出，预计在出，预计在21世纪第一个十年内，世界汽车世纪第一个十年内，世界汽车 业的科技进步将由量变到质变，发生新的技业的科技进步将由量变到质变，发生新的技 术革命。那时，人们看到的技术创新将比过术革命。那时，人们看到的技术创新将比过 去去100年还要多。年还要多。 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，世界各国都把节约燃料和降低排放目前，世界各国都把节约燃料和降低排放 作为研

20、究的重点并取得令世人注目的成绩。德作为研究的重点并取得令世人注目的成绩。德 国将在国将在2005年生产百公里油耗仅年生产百公里油耗仅1升的经济型升的经济型 轿车。届时，欧洲将执行欧轿车。届时，欧洲将执行欧IV标准，标准，HC、 NOx、PM是现行的是现行的1/5；美国将执行；美国将执行Tier2标标 准，达到准，达到ULEV，加州从加州从2003年起，提高零排年起，提高零排 放和接近零排放标准车的比重。因此可以预言，放和接近零排放标准车的比重。因此可以预言， 未来的未来的10年中，现代小型直喷柴油机、混合动年中，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力驱动系统、氢

21、燃料电池和复合火花点火汽油 机将成为世界汽车技术研究的主要对象。机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 张兴业在谈到未来世界汽车工业的技术革命时指出，快速张兴业在谈到未来世界汽车工业的技术革命时指出，快速 作用的、以传感器为基础的计算机控制的发动机、变速箱、制作用的、以传感器为基础的计算机控制的发动机、变速箱、制 动及转向，将引起汽车结构的重大变化。动及转向，将引起汽车结构的重大变化。 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

22、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0.3-9.7mm，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

23、，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

24、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MTU n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

25、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

26、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、

27、 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

28、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

29、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

30、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

31、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。

32、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 美国科研人员正在设法用声音来启动发动机。新墨西哥州洛美国科研人员正在设法用声音来启动发动机。新墨西哥州洛 斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研小组已经研制出有利于环境保护，斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研小组已经研制出有利于环境保护， 没有运转部件，靠声能发动的发动机。没有运转部件，靠声能发动的发动机。 这种名为这种名为“热声学斯特令热发动机热声学斯特令热发动机”的新型发动机是用钢做的新型发动机

33、是用钢做 的管道制成的，成本较低。有一个长的、棒球棍状的共振器与一的管道制成的，成本较低。有一个长的、棒球棍状的共振器与一 个椭圆形的容器组成，没有把柄。发动机内盛有经过压缩的氦，个椭圆形的容器组成，没有把柄。发动机内盛有经过压缩的氦， 当氦被加热时，就会产生声波，形成声能，这种声能可以启动活当氦被加热时，就会产生声波，形成声能，这种声能可以启动活 塞，产生电力。塞，产生电力。 洛斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研人员正在试用相同的方法洛斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研人员正在试用相同的方法 为电冰箱制冷。声能发动机的发明者之一称，常规的发动机受热为电冰箱制冷。声能发动机的发明者之一称，常规的发动机受热

34、 力学及发动机复杂性的限制，典型的、最有效的发动机是用于发力学及发动机复杂性的限制，典型的、最有效的发动机是用于发 电站的、巨大的涡轮机。而现在由他们研制成功的小型声能发动电站的、巨大的涡轮机。而现在由他们研制成功的小型声能发动 机比最大型的、最有效的涡轮机的效力大机比最大型的、最有效的涡轮机的效力大10，这主要得益于声，这主要得益于声 能发动机的简便，没有运转部件，不必维护。能发动机的简便，没有运转部件，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

35、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，由它所造成的损伤最为严重，次低周疲劳过程，由它所

36、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的缩写，可用来求解工程中各种场的问题。该程序可实现稳态的

37、缩写，可用来求解工程中各种场的问题。该程序可实现稳态 解和瞬态解，可实现线性和非线性解。本研究是求解活塞的三维稳态非线性解和瞬态解，可实现线性和非线性解。本研究是求解活塞的三维稳态非线性 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，并且包含和非线性分析，并且包

38、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 由于由于“起动起动停车停车”是一次低周疲劳过程，造成的损伤是一次低周疲劳过程，造成的损伤 最为严重，因此在分析寿命时采用三角波形，见图。其最为严重，因此在分析寿命时采用三角波形，见图。

39、其 中中i代表活塞稳定运转时网格单元节点代表活塞稳定运转时网格单元节点i的温度，的温度，p为作为作 用在活塞顶和环槽上的燃气压力，用在活塞顶和环槽上的燃气压力，t代表时间。由于代表时间。由于 “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

40、二、求解温度场 2、 温度场计算温度场计算 利用利用ADINATADINAT有限元程序和热边界条件计算出了活塞三有限元程序和热边界条件计算出了活塞三 维稳定温度场，即求出了波形图中的维稳定温度场，即求出了波形图中的i i。热边界条件热边界条件 按如下方法求出：先按有关经验公式求出活塞边界周围按如下方法求出：先按有关经验公式求出活塞边界周围 介质温度和边界表面的换热系数，用介质温度和边界表面的换热系数，用ADINATADINAT有限元程序有限元程序 进行温度场解析，然后用一些特征点的实测温度与计算进行温度场解析，然后用一些特征点的实测温度与计算 温度对比，再修正和调节边界条件重新进行温度场求解，

41、温度对比，再修正和调节边界条件重新进行温度场求解， 在与实测值对比，如此反复进行，直到计算的温度分布在与实测值对比，如此反复进行，直到计算的温度分布 中一些特征点的温度值与实测值一致为止。用这种方法中一些特征点的温度值与实测值一致为止。用这种方法 求出的换热系数均在历来的文献中所指出的数值范围内，求出的换热系数均在历来的文献中所指出的数值范围内， 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 根据有限元分析模型和计算的活塞稳定温度根据有限元分析模型和计算的活塞稳定温度 场，采用场，采用ADINA有限元程序计算了活塞

42、的三维有限元程序计算了活塞的三维 循环应力及应变场，得到了空间分布的应力和应循环应力及应变场，得到了空间分布的应力和应 变分量，应变分量包括弹性、塑性和蠕变。变分量，应变分量包括弹性、塑性和蠕变。 为了进行模拟试验和寿命评价，根据高温强度理为了进行模拟试验和寿命评价，根据高温强度理 论论3分析了分析了Von Mises当量应力（当量应力（eq）和当量和当量 应变（应变（eq）分布分布，其计算公式为：，其计算公式为： )(5 . 1)()()( 3 2 )(6)()()( 2 1 222222 222222 zxyzxyxzzyyxeq zxyzxyxzzyyxeq 1 2 内燃机零部件强度研究

43、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 为了分析活塞的低周疲劳强度和评价寿命，进行了试件疲劳寿命模拟试验。为了分析活塞的低周疲劳强度和评价寿命，进行了试件疲劳寿命模拟试验。 试验材料选用铝合金，与活塞材料性能完全相同；试件结构见下图，采用带试验材料选用铝合金，与活塞材料性能完全相同；试件结构见下图，采用带 缺口的圆柱形试件是模拟活塞的三维应力应变分布状态，使之在单向加载条缺口的圆柱形试件是模拟活塞的三维应力应变分布状态，使之在单向加载条 件下能产生复杂的三维应力状态，并且避免使用造价昻贵的多轴试验机；采件下能产生复杂的三维应力状态

44、，并且避免使用造价昻贵的多轴试验机；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。 试验是在电液伺服式热疲劳试验机上进行的，采用高温炉式加热，控制方式试验是在电液伺服式热疲劳试验机上进行的，采用高温炉式加热，控制方式 为轴向应变控制（试件标定段的应变范围称为加载应变范围为轴向应变控制（试件标定段的应变范围称为加载应变范围t），），应变波形应变波形 为拉伸为拉伸-压缩双振幅应变波形。根据柴油机压缩双振幅应变波形。根据柴油机“起动起动停车停车”波形和活塞温度场，波形和活塞温度场， 应进行热机械疲劳模拟试验，考虑

45、到热机械疲劳试验的费用较大，同时根据应进行热机械疲劳模拟试验，考虑到热机械疲劳试验的费用较大，同时根据 高温强度理论可以用当量温度下的定温低周疲劳代替热机械疲劳，而当量温高温强度理论可以用当量温度下的定温低周疲劳代替热机械疲劳，而当量温 度的计算依据之一即是上下限温度的平均值。据此，进行了温度为度的计算依据之一即是上下限温度的平均值。据此，进行了温度为300（活（活 塞顶部温度分布的平均值）的定温低周疲劳模拟试验。塞顶部温度分布的平均值）的定温低周疲劳模拟试验。破坏寿命破坏寿命N Nf f定义为应定义为应 力范围力范围减小到最大值的减小到最大值的25%25%时的循环数时的循环数( (此时试件缺

46、口表面已出现裂纹，认此时试件缺口表面已出现裂纹，认 为试件已破坏为试件已破坏) )。 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 根据试验数据，将各试件的疲劳破坏寿命根据试验数据，将各试件的疲劳破坏寿命N Nf f与加载应变范与加载应变范 围围t t的对应关系整理在双对数坐标系中，如下图所示。可见，的对应关系整理在双对数坐标系中，如下图所示。可见， 不同的缺口型式其不同的缺口型式其t t-N-Nf f关系曲线均不相同，说明用加载应变关系曲线均不相同，说明用加载应变 范围范围t t表征表征疲劳破坏寿命疲劳破坏寿命N Nf f

47、时与试件的缺口型式有关。时与试件的缺口型式有关。另外，另外， 试件在达到本文定义的破坏寿命时停止实验，然后将试件拉断，试件在达到本文定义的破坏寿命时停止实验，然后将试件拉断， 从中央横断口可以看出，裂纹已在缺口表面产生并扩展，裂纹发从中央横断口可以看出，裂纹已在缺口表面产生并扩展，裂纹发 生点位于试件横断面积最小（即中央横断面）的缺口根部。由图生点位于试件横断面积最小（即中央横断面）的缺口根部。由图 还可看出，当还可看出，当加载应变范围加载应变范围t t相同时，缺口角相同时，缺口角越大的试件其越大的试件其 破坏寿命破坏寿命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、

48、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 =60 t/% 2 10 0 10 3 10 4 10 1 10 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 根据对称性，取试件的二分之一结构进行网格划分，划分的结根据对称性，取试件的二分之一结构进行网格划分，划分的结 果如图所示。根据有限元网格模型，利用果如图所示。根据有限元网格模型，利用ADINAADINA程序计算了程序计算了5 5种试种试 件在不同的加载应变范围下的三维循环应力、应变场，得到了空件在不同

49、的加载应变范围下的三维循环应力、应变场，得到了空 间分布的应力应变分量。应用式（间分布的应力应变分量。应用式（1 1）和（）和（2 2）可计算出当量应力）可计算出当量应力 和当量应变。和当量应变。 利用利用ADINAADINA程序的后处理程序可以分析试件表面和剖面的应力程序的后处理程序可以分析试件表面和剖面的应力 分量、应变分量及当量应力应变的分布情况，从而分析整个试件分量、应变分量及当量应力应变的分布情况，从而分析整个试件 的受力情况，找出危险点即裂纹发生点。分析结果表明，试件中的受力情况，找出危险点即裂纹发生点。分析结果表明，试件中 央横剖面（该剖面的截面积最小）的缺口根部的当量应力和当量

50、央横剖面（该剖面的截面积最小）的缺口根部的当量应力和当量 应变值最大，也与试验结果中的裂纹发生部位一致，因此可通过应变值最大，也与试验结果中的裂纹发生部位一致，因此可通过 当量应力和当量应变值的大小判断危险点，同时用当量应力和当当量应力和当量应变值的大小判断危险点，同时用当量应力和当 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 通常对多维低周疲劳寿命预测采用当量应

51、变范围方法，即通常对多维低周疲劳寿命预测采用当量应变范围方法，即 eq法，由下式计算：法，由下式计算： eq=2（eq）max （3） 式中，（式中，（eq）max为试件在最大加载应变时中央横剖面的缺口根部为试件在最大加载应变时中央横剖面的缺口根部 的最大当量应变（对零部件来说为危险点的当量应变）。将的最大当量应变（对零部件来说为危险点的当量应变）。将eq 与模拟试验测得的寿命与模拟试验测得的寿命f的关系整理在双对数坐标系中（见下的关系整理在双对数坐标系中（见下 图），可以发现二者成直线关系且收敛得很理想，说明图），可以发现二者成直线关系且收敛得很理想，说明eqf 的关系不受试件结构和尺寸的影

52、响，当量应变范围可以用来评价的关系不受试件结构和尺寸的影响，当量应变范围可以用来评价 多维低周疲劳寿命并可进行工程应用。通过最小二乘法对下图的多维低周疲劳寿命并可进行工程应用。通过最小二乘法对下图的 曲线进行回归，可得出铝合金材料试件在曲线进行回归，可得出铝合金材料试件在300下的低周疲劳寿下的低周疲劳寿 命评价方程：命评价方程： 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 =60 t/% 2 10 0 10 3 10 4 10 1 10 Nf/次次 1

53、10 1 10 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、预测结果 如上所述，试件危险点的当量应变范围如上所述，试件危险点的当量应变范围eq与断裂寿命与断裂寿命f的拟的拟 合曲线关系不受试件结构和尺寸的影响，因此可用当量应变范围合曲线关系不受试件结构和尺寸的影响，因此可用当量应变范围 来评价相同材料的活塞的疲劳寿命。根据来评价相同材料的活塞的疲劳寿命。根据6110型柴油机活塞危险型柴油机活塞危险 点的当量应变范围（由式（点的当量应变范围（由式（3）知）知eq=1.14%）和上述铝合金材和上述铝合金材 料试件的寿命评价方程即式（料

54、试件的寿命评价方程即式（4），预测出了活塞的疲劳寿命，），预测出了活塞的疲劳寿命， 结果为结果为f=3089（次）。次）。 2、预测结果分析、预测结果分析 根据预测结果，为保证安全，根据预测结果，为保证安全，6110型柴油机活塞的疲劳寿型柴油机活塞的疲劳寿 命约为命约为3000次循环，也就是该柴油机的许用次循环，也就是该柴油机的许用“起动起动停车停车”次数次数 为为3000次，这也符合我国发动机热冲击实验规范中的规定值。因次，这也符合我国发动机热冲击实验规范中的规定值。因 此，本文的分析和模拟试验为替代热冲击实验提供了一种途径，此，本文的分析和模拟试验为替代热冲击实验提供了一种途径， 同时也说

55、明本文的研究方法是合理的、可行的。同时也说明本文的研究方法是合理的、可行的。 燃气轮机简介燃气轮机简介 燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发 动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主 要结构有三部分：要结构有三部分：1 1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；、燃气轮机（透平或动力涡轮）；2 2、压气机、压气机 （空气压缩机）；（空气压缩机）；3 3、燃烧室。其工作原理为：叶轮式压缩机从、燃烧室。其工作原理为：叶轮式压缩机从 外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（

56、气体或液体燃料）外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料） 也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的 高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转， 乏气排入大气中或再加利用。乏气排入大气中或再加利用。 燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行 成本低和寿命周期较长等优点。主要用于发电、交通和工业动力。成本低和寿命周期较长等优点。主要用于发电、交通和工业动力。 燃气轮机分为轻型燃气轮机和

57、重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航 空发动机的转型，如空发动机的转型，如LM6000PCLM6000PC和和FT8FT8燃气轮机，其优势在于装机燃气轮机，其优势在于装机 快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船 舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26GT26和和PG6561BPG6561B等燃气等燃气 轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高， 主要用于联合循环

58、发电、热电联产。主要用于联合循环发电、热电联产。 论文写作格式与要求论文写作格式与要求 题目题目(自拟自拟) 作者姓名作者姓名 所在班级所在班级(大连水产学院机械工程学院热动大连水产学院机械工程学院热动2003-1班班) 摘要摘要(100字以内字以内) 关键词关键词(3-5个个) 1.引言引言 2.分题目分题目1 3.分题目分题目2 . 6.结论结论 7.参考文献参考文献 1李文李文,船舶柴油机的发展趋势船舶柴油机的发展趋势,内燃机工程内燃机工程,2002.3(1),23-55. 英文题目英文题目,作者作者,学校院班级学校院班级 Abstract Key Words 2000字左右字左右,A4

59、纸打印稿纸打印稿, 课程结束后交院办公室课程结束后交院办公室 新能源技术简介新能源技术简介 n 人类生活在一个能源世界里。人类的衣、食、住、人类生活在一个能源世界里。人类的衣、食、住、 行，哪一项也离不开能源，可以说，没有能源就没有行，哪一项也离不开能源，可以说，没有能源就没有 人类的一切。但有限的能源储量已无法满足人类日益人类的一切。但有限的能源储量已无法满足人类日益 增长的需求。随着经济的发展和能源消耗量的大幅度增长的需求。随着经济的发展和能源消耗量的大幅度 增长，能源供应不足的矛盾将会日益突出。更使人们增长，能源供应不足的矛盾将会日益突出。更使人们 感到不安的是，人类所消耗的碳载体矿物燃

60、料，每年感到不安的是，人类所消耗的碳载体矿物燃料，每年 向大气排放的二氧化碳达向大气排放的二氧化碳达210210亿吨，并呈上升趋势，亿吨，并呈上升趋势， 而且还伴随有其他有毒物质，给人类的生存环境带来而且还伴随有其他有毒物质，给人类的生存环境带来 了巨大的灾难。面对能源供应紧张和生态环境破坏等了巨大的灾难。面对能源供应紧张和生态环境破坏等 情况，充分利用现有的传统能源、研究节能新技术、情况，充分利用现有的传统能源、研究节能新技术、 积极开发新能源，以及研究能源与环境的关系等，已积极开发新能源，以及研究能源与环境的关系等，已 成为世界各国面临的亟待解决的课题。成为世界各国面临的亟待解决的课题。