代表性研究成果4 名称 |
类别 |
成果为第一完成单位 |
本室固定人员参加名单 |
所属研究方向 |
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高强化发动机设计关键技术及应用 |
应用基础类 |
是 |
舒歌群、卫海桥、张俊红、祖炳峰、梁兴雨、高文志、毕凤荣、林杰威、周磊、潘家营 |
动力机械结构强度、振动、噪声及润滑技术的研究 |
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现代内燃机采用更加紧凑的设计，随着高压缩比、高增压和高升功率技术的应用，强化程度越来越高。目前国际上高功率密度柴油机的升功率已经超过93kW/L，无人机发动机功重比已大于1kW/kg，汽油机小型强化（Downsizing）压缩比也都高于14:1。这些技术使得内燃机性能不断提高的同时，对强度可靠性和振动噪声也造成了很大的影响。为了提高内燃机的品质，核心是要解决高强化条件下燃烧的爆震、润滑和噪声控制问题。本成果以高强化背景下内燃机的高性能和高品质为目标，发展新的设计理论，突破技术瓶颈。在国家自然科学基金重点、国防973、863和国防项目等支持下，持续开展了以爆震控制、润滑和可靠性、低噪声设计为核心的内燃机设计理论和技术研究。主要内容包括： （1）开展了高强化内燃机爆震机理及控制方法研究，提出以燃烧反应中关键活性基的质量分数来表征空间反应流场各点的瞬时自燃进程，将压力、温度和当量比等参数无量纲化为有效能量密度，来统一量化不同参数对燃烧模式转变的影响权重；提出了降低化学反应活性并提高有效能量密度缩小或避开爆震区间的技术路径。基于此，提出了冷EGR、高辛烷值含氧燃料与汽油复合喷射技术，抑制爆震同时提高了热效率；提出了增压米勒循环结合多次喷射抑制爆震技术，抑制了爆震发生并显著提高了发动机性能。 （2）开展了高功率密度内燃机润滑技术研究，提出了活塞环在缸套变形情况下的追随性研究方法，揭示了缸套变形下润滑油消耗机理；建立了热弹性流体动力润滑（TEHD）计算模型，提出了微织构减摩设计方法，摩擦功耗降低了9%。开发了高功率密度柴油机润滑油的评定方法、程序和装备，采用元素分析方法研究了润滑油演变过程及活塞表面物质分布等，为提高高温抗剪抗氧能力，发明了润滑油的强化配方技术。 （3）开发了低噪声设计内燃机技术研究，提出了噪声信号分解技术和噪声层次分析方法，实现多工况下内燃机表面声源的识别和噪声源的权重排序。提出并发明了基于EGR率可调的瞬态燃烧噪声的控制技术，结合喷油、增压等多参数协同控制策略，攻克了燃烧噪声与排放及经济性互相制约的技术瓶颈。提出并发明了曲轴三维振动复合减振器，发明了变阻尼减振器设计方法；针对机体及薄壳件部件，发明了提高结构阻尼的机体结构、屏障板、低噪声油底壳等，有效控制了强化后的振动传递和结构噪声辐射。 本成果主要科技创新包括： （1）提出了有效能量密度统一化指标来阐明燃烧模式转变的新方法，阐明了影响燃烧模式转变的内在机制，为爆震和粗暴燃烧的控制提供了理论依据。克服了传统方法很难同时抑制爆震又提高燃油经济性的技术瓶颈，为内燃机高效燃烧提供了有效的方法。 （2）提出了微织构减摩设计方法，揭示了缸套变形条件下润滑油消耗机理及控制方法，为控制高强化条件下的润滑油消耗及摩擦损失提供了理论与技术上的支撑。 （3）提出了识别内燃机表面辐射噪声源的层次分析方法，提出了可调EGR结合增压及预喷策略的加速工况燃烧噪声控制方法。发明了变阻尼减振器设计方法和提高结构阻尼的设计方法，为发动机振动传递和结构噪声辐射有效抑制提供了技术支撑。 研究水平与成效： 德国科学院院士、前国际燃烧学会主席Katharina Kohse-H?inghaus教授引用我们的工作并认为：采用EGR技术结合燃料性质可实现更高的热效率。韩国庆北大学的Cheol Woo Park引用我们的工作并认为：“发动机润滑油的输运对排放有很重要的影响，他们在实际的发动机上所开展的研究工作证明了缸套变形对润滑油的输运具有强烈的正比关系。”波兰西里西亚工业大学的Tomasz Figlus教授引用我们的工作并认为：“使用集中经验模态分解-相关功率谱-改进层次分析方法可以有效地分离并识别出内燃机辐射噪声”。 本成果推动了我国内燃机工业的科技进步。①以爆震控制和润滑技术为基础，研发了轻型航空发动机样机（TD0），额定功率达74.2kW/5500 rpm，功重比大于1kW/kg，超过设计要求。2015年以来，TD0样机两次挂载“彩虹3”无人机试飞成功，对国产化发展具有突破性意义。②爆震控制和低噪声技术在浙江春风650摩托车上得到应用，成为国宾摩托车护卫队用车。《低噪声内燃机设计关键技术及应用》获2014年中国机械工业联合会科技进步一等奖。③柴油机低噪声设计技术在潍柴、玉柴等9家企业应用，推广面占我国重型载货车的50%、重型工程机械的70%、客车的55%，为兵器工业部门编制柴油机设计和试验规范12个。《柴油机低噪声设计关键技术及应用》获2015年国家科技进步二等奖。④为莱动开发成功具有完全自主知识产权的低成本、高可靠性、低噪声，满足国VI排放法规的新一代轻型柴油机，规划产能5万台/年，预计年销售收入20亿元。 |
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