课题名称：带有仿生结构的节能环保型内燃机活塞性能研究
课题负责人：吴波
1.项目的目的意义
汽车已经是人们日常生活中必不可少的代步、交通、运输工具。在如今全球节能减排、治霾抗污的大背景下，新能源汽车的研制推广成为首要任务，但其配套设施的不完善以及高昂的价格使其完成普及需要8～10年。内燃机是汽车的动力源，也是汽车有害废气排放的主源。经多项研究证明内燃机燃烧能量中有10%～20%消耗在机械损失，而机械损失中有45%～65%能量消耗在活塞、活塞环与气缸的摩擦副中。假设一台汽车内燃机最高转速高达6000r/min，活塞在气缸中的平均速度达10～14m/s，如此高速将带来巨大的惯性力，在和燃气压力共同作用下产生对活塞磨损有重要影响的侧向力，使活塞产生拉伸、压缩和弯曲应力。由于活塞直接与高温燃气接触，燃烧产物与水蒸气结合形成雾状酸H2SO3和H2SO4，这些酸性物质对活塞和气缸等零件有腐蚀作用。活塞裙部有重要的导向、承受侧向力和传递热量等作用，其受到交变的机械负荷和热负荷的共同作用，会产生较大的变形，使活塞裙部磨损加剧，甚至出现擦伤、咬缸和拉缸等严重后果，因此对活塞耐磨与抗疲劳性能提出了更高要求。2014年内燃机市场总产销量分别为2108.16万台和2116.95万台，比上年同期累计分别增长3.31%和4.54%。考虑到巨大的内燃机使用量，即使将活塞-缸套系统的摩擦损耗降低很小幅度，也可以对减少能源消耗和改善环境以及减轻内燃机制造行业负担产生较大影响。
生物界中的很多物种在进化中形成了减阻、耐磨的非光滑形态，黄缘真龙虱、蚯蚓等便是演化得较完美的拥有非光滑形态的物种。经研究表明，正是这些生物表面上的非光滑形态，使其能够快速游移在空气、水、土壤中，并且毫发无损。本项目拟研究一种带有仿生结构的节能环保型内燃机活塞，其在不改变现有标准活塞结构形态的情况下，在活塞裙部表面加工仿生凹槽和孔，通过对有限元分析结果进行试验优化设计，最后得出最佳仿生结构尺寸以达到减阻、耐磨的目的，从而减少能源损耗。这种仿生活塞以其易加工、低成本的特性作为新能源汽车普及前的过渡产品，可谓零风险且前景巨大。
2.主要研究内容
生物界中的很多物种在进化中形成了减阻、耐磨的非光滑形态，黄缘真龙虱、蚯蚓等便是演化得较完美的拥有非光滑形态的物种。经研究表明，正是这些生物表面上的非光滑形态，使其能够快速游移在空气、水、土壤中，并且毫发无损。已经有很多人将生物体上这种减阻、耐磨的非光滑形态应用于工程机械中的摩擦副表面。但这些设计所加工的凹坑或者网格形状都均匀排布于零部件表面上，没有考虑到零部件上应力分布不均匀的现象。
本项目首次考虑到了内燃机中主要摩擦副活塞裙部受力不均匀的情况，并根据其应力排布状态——应力沿活塞裙部由下至上逐渐减小，由活塞顶部至第三道环槽逐渐减小，在回油孔处应力再次变大，裙部径向应力分布较均匀——在裙部表面设计了变孔径（变槽宽、槽深）、变行间距排布的仿生结构。仿生结构的尺寸根据仿生原型的表面结构尺寸和活塞结构尺寸而定。而后通过有限元热-结构耦合分析、热疲劳分析，得出带有仿生结构的内燃机活塞优于标准活塞的试验指标数据。最终确定仿生结构的最佳尺寸范围，以及其在节能、减排、降耗、提效方面的优势效用。
3.主要研究成果
发表相关论文9篇，其中核心期刊3篇、EI检索论文5篇、SCI检索论文1篇，授权相关专利4项，其中实用新型2项、发明专利2项。
