天然气发动机热障涂层活塞热负荷及可靠性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

（一）研究的目的及意义

随着人们环境保护意识的不断增强以及排放法规的日益严格，要求发动机不仅要有良好的动力性、经济性，还要有较低的有害物排放。天然气作为代用燃料，由于其储量丰富、自身燃烧完全、排放较低等优点，在发动机中得到了广泛应用。目前天然气发动机是应用最广泛的动力机械之一。现在发动机向着高速、高增压、大比功率、良好的动力性、经济性等方向发展，由于发动机单位体积功率的不断增加，导致了发动机主要各部件（活塞，连杆，气缸，气缸盖）的热负荷、机械负荷增加。由热负荷引起的故障也越来越多，严重阻碍了发动机可靠性的提高。因此，发动机的热负荷也越来越受到设计者的关注。在设计内燃机时，考虑影响热负荷的因素和采取减小热负荷的措施，是一个十分重要的问题。在燃烧室组件中，活塞的工作环境最为恶劣。其一就是因为它承受着巨大的、高频热负荷，在发动机工作过程中，活塞顶直接与燃气接触，而燃气的最高温度可高达2000℃以上。其二是它还要承受着很大的机械负荷，包括气体的压力、惯性力以及由此产生的侧作用力。其三发动机还要接受一部分摩擦生成的热量。然而，活塞向气缸散热的条件并不利，气缸套也具有很高的温度，活塞与缸套之间还有一层润滑油膜相隔，这使得活塞在很高的温度下工作。活塞温度的增高使活塞材料的机械强度降低，抗弹性变形和抗塑性变形的能力随之下降。由于受热不均匀，还会引起活塞的热变形，进而产生很大的热应力。其四是很大且不均匀的变形。由于载荷的不均匀、活塞各部分结构的不匀称和散热条件的不同以及侧压力的影响，活塞在机械载荷和温度载荷的作用下发生很大变形。活塞的变形以热变形为主，其变形很不均匀。其五是强烈的磨损。在发动机工作过程中，由于机械载荷和温度载荷引起的热应力的不匀称性导致了活塞承受着巨大的侧压力。随着活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组件和气缸套之间产生强烈的磨损。其六是高温腐蚀。活塞在工作过程中直接与高温的燃气相接触，燃气中又有很多物质成分都对活塞材料有腐蚀作用。

活塞作为发动机的关键零件之一，其可靠性几乎决定了发动机整机的可靠性。因而为降低活塞的本体温度及热负荷，采取在活塞顶部喷涂隔热层的技术方法。对热障涂层活塞的热负荷及可靠性的研究是其关键。如果在燃烧室采用热障涂层材料(陶瓷材料)与金属相复合来处理受热体表面,则可起到热障的作用。陶瓷耐高温,可用承受热负荷。金属韧性好,可用来分担机械负荷,因而满足活塞同时承受高的热负荷和强大的机械负荷的要求,并降低了冷却带来的热损失,减小或取消冷却系统,从而发动机的体积和重量得到减小，又因采用了热障涂层材料,可使发动机的排气温度升高,通过增压器动力涡轮吸收这部分能量,使其转变为有用功,从而提高热机效率。综上所述，热障涂层活塞的热负荷及可靠性的研究对于提高发动机的工作效率及使用寿命，提升发动机的强化潜力有着重要作用。到目前为止，热障涂层对发动机热负荷的影响尚未被人们全部掌握，因此，深入展开这方面的研究是有实际意义的。

2. 研究的基本内容与方案

（一）基本内容及技术方案

涂层活塞的热负荷和机械负荷是发动机研究的一个重要方向。本文主要内容包括对涂层活塞进行仿真建模，分析热障涂层对发动机热活塞热负荷分布规律的影响，并对热障涂层的可靠性及使用寿命进行分析。

毕业设计中，将围绕这一研究主题，主要展开以下工作:

3. 研究计划与安排

2016年2月22日至2016年5月30日，共15周。

其中：

1-3周毕业设计调查，收集资料及英文翻译。查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的技术知识。确定方案，完成开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]郝利君，张付军，黄英，葛蕴珊，吴思进，孙业保.天然气发动机的发展现状与展望[j].汽车工程2000，22(5)

[2]张志勇.天然气发动机活塞温度测量及热负荷分析[d].武汉：华中科技大学，2005

[3]周静，张隆平，吴护林.热障陶瓷涂层的发展现状和前景[j].表面技术2004，33(2)