柴油发动机系统设计_【美】辛千凡_9787543944664

　《柴油发动机系统设计》侧重于发动机性能与系统集成，建立了柴油发动机系统设计理论，包括模拟和分析发动机工作的方法。本书将柴油机工程师们在发动机性能和系统设计方面所需要了解的全部知识有机地联系在一起，以便他们能够迅速掌握所有重要的技能并在实际工作中予以应用。
　　《柴油发动机系统设计》共包括四部分：第一部分阐述柴油发动机系统设计中的基本概念和通用技术。这部分论述分析式的设计过程，提出关于耐久性、可靠性和优化的理论。第二部分介绍柴油发动机动态和静态系统设计的基础、发动机热力循环工作过程、车辆和动力系的性能，并论述与燃烧、排放和后处理有关的系统设计中的关键边界条件。第三部分探讨动力学、摩擦、噪声、振动和不平顺性，包括对配气机构和活塞组的论述。第四部分阐述热力学第一定律和第二定律在发动机上的分析应用，以及有关冷却系统散热、发动机空气系统（包括排气再循环和涡轮增压）、发动机瞬态性能和电子控制、子系统相互作用和系统指标设计等理论，还介绍了排放和燃料经济性法规及其对先进发动机技术研究和技术路线选择的影响。
　　《柴油发动机系统设计》适用于与内燃机有关的专业工程技术人员，可为其提供完整的发动机系统设计技术和理论。对于学术研究人员，本书能为其介绍工业界的发动机设计知识。对于发动机系统设计人员，本书能使他们把书中介绍的方法和实际工作知识直接应用于其日常的设计和研究工作。

　中文版前言
　　本书是基于我在2011年由英国的Woodhead Publishing出版的英文版Diesel Engine SystemDesign一书修改而成的中文版原创性专著。我曾作为20世纪90年代从中国赴美攻读博士的留学人员，目前在美国工作。这本第一部反映发动机系统工程主流前沿技术和理论（即发动机系统设计领域）的书出版三年以来，陆续得到各方的重视和积极反馈。我用中文母语写作此部经修改并加强了的中文版的意图，是为了推动这一领域的发展。
　　柴油发动机系统设计理论是现代内燃机设计技术的一个重要组成部分，是工业界实施系统设计职能的基础。柴油机经历了一百多年的发展，已经成为性能优良、在国民经济各个领域得到广泛应用的热能动力机械。自20世纪90年代起在柴油机上大规模应用的电子控制技术已经使柴油发动机发展成为一个名副其实的具有特殊系统工程特征的、机电一体化的复杂高科技产品。柴油机内部的众多影响因素和部件之间的相互关系复杂，且具有很强的非线性和时变性特征。21世纪的节能减排要求、不断提升的对强劲动力需求和发动机可靠性的需求，以及对轻巧灵便的装置和低廉价格的要求都对柴油机的设计提出了更为严格的挑战。部件的创新技术和多学科的系统集成设计技术已经越来越清晰地成为内燃机行业中两大相辅相成的时代潮流。正如2010年出版的、由中国国家自然科学基金委员会工程与材料科学部编写的《机械工程g-科发展战略报告（2011--2020）》里关于对机械工程学科战g-地位、总体发展趋势和学科发展布局的指导思想中所阐述的，复杂机电系统的集成科学是十一个机械工程学科领域中的一个重要领域（注：其他十个领域分别为机构学与机械振动学、机械的驱动与传动科学、零件与结构的失效与安全服役科学、机械表面界面科学与摩擦学、生物制造与仿生制造科学、高性能精确成形制造科学、高能束与特种能场制造科学、高精度数字化制造科学、机械的制造与运行参数测量科学、微／纳制造科学与技术）。而内燃机的系统集成科学又与其他几个领域有着密切的交叉关系（如结构的失效与可靠性、摩擦学、系统运行参数检测与表征）。集成科学的核心是系统工程，而系统工程在具体的“产学研”实践中的核心是系统设计。从系统工程的高度大力发展内燃机系统设计理论和技术是符合国家重大战略需求并密切结合国际科技前沿发展的重要举措，也是动力机械工程学科发展的基本任务。事实上，中国航天工程的成功发展就是依靠了强有力的系统工程技术和总体设计技术。我们今天在内燃机领域开始谈系统的原因，是因为现在巳到了定义系统工程在柴油机领域怎么搞法的时候了。由于精密化、电控化和部门集成化的工业实践需要，柴油机的研发需要一个清晰而完整的，具有战略性、前瞻性和引领性的系统设计理论。而系统设计工作正是科学技术发展到今天我们占领柴油发动机设计的战略制高点。发动机系统设计领域同时也是联系内燃机教学、科研和工程设计实践的一个很好的重要桥梁。它也是催生新思想和跨学科的源泉。
　　系统设计需要系统设计人员执行和部件设计人员配合。柴油发动机系统设计人员需要注意以下四个原则：第一，不脱离实际，即做基于部件基础并与部件设计相辅相成的系统设计工作；第二，不脱离验证。即搞基于实验基础的、与实验技术相辅相成的计算分析技术。
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　1．2．2柴油发动机系统设计在系统工程方面所面临的挑战
　　1．2．2．1发动机系统工程师的学术背景
　　系统工程的传统理论（Kossiakoff和Sweet，2003）认为，系统工程以指导和协调每个单独元素的设计来联接各个传统的工程学科，并确保系统元素之间的相互作用和各个界面都互相兼容和彼此支持。这一理论承认由于缺乏一个量化的知识体系或者具体的技术专长，像这样的作为一个专业来定义的所谓系统工程领域并未被广泛地在学术界和工业界作为一个独特的或独立的学科昕认可或承认，因为按照这样定义的传统的系统工程与工程技术学科（比如机械工程和电子工程）并没有对应关系。事实上，大多数技术人员往往抵制成为这样定义的所谓“通才”，因为他们担心会失去从他们的专业领域所获得的承认。
　　由于传统的系统工程理论认为一个只做“集成”而无须介入设计细节的工作职能对于系统工程师来讲大概就足够了，使得这样的理论相信没有经过专业工程训练的数学或物理专业的毕业生都可以来做系统工程师的工作。遗憾的是，对于柴油机系统设计来说，这种理论是根本行不通的。一个不产生系统层面设计数据的、只做所谓“协调’’事宜的工作职能已被充分证明在发动机公司是无效的，而且是违反发动机研发的科学规律的组织做法。发动机系统工程师必须具备传统的工程学科的专业技能，以便做好系统设计和集成的工作并指导子系统和部件的设计细节工作。过去的大量经验表明，在柴油机系统设计中，最成功的系统工程师是出身于以下的工程专业之一：热流科学、燃烧、动力学、电子控制。
　　1．2．2．2技术广度与深度
　　传统的系统工程观点要求系统人员具备以下的三维专长：极大的技术广度（宽度）、中等的技术深度、适中的管理技能。然而，广度这个词一直没有被明确地界定或赋予内涵。在柴油机系统设计中，广度其实是指产品实体（子系统或部件，例如配气机构和涡轮增压器）、产品属性性能、耐久性、封装性（packaging）或称形状与装配性、成本、工作职能的技能（即分析、设计、测试）、产品的用途等。深度是指对于以上任何一个特定主题细节的理解认识水平和详细程度，比如对理论和实验知识的理解、对有关影响因素的理解以及对不同主题之问的相互作用的理解。这里所说的主题可以指一个子系统，也可以指一个属性、工作职能或产品用途。
　　1．2．2．3工作责任
　　传统的系统工程观点（Armstrong，2002）认为在一个组织机构内的系统工程团队或部门需要由一个跨学科团队人员组成，他们工作于系统层面，并代表着所有相关职能的领域。从本质上讲，这样的理论认为系统工程师其实就是项目的技术经理，他们与设计和开发部门密切合作。在柴油机系统设计中，系统工程师并不等同于项目经理的角色。系统工程师最好能够具备关于子系统和部件的深入知识，这主要是由于他们需要与部件工程师密切合作，来对那些对系统层面性能产生重大影响的部件进行设计。
　　传统的系统工程理论自从诞生以来就一直受到一些负面声音的质疑和挑战，比如“在专家们的头上再加上一个系统工程师，到底有什么价值？”这样的声音之所以存在，是因为系统设计的复杂性还没有被清晰地理解。如果运用一个由产品属性驱动的系统设计方法和按照元素划分的产品开发组织构造（详见下文提出的理论），那么设置具备深入部件设计知识的系统工程师的好处就显而易见了。另一方面，这种方法也的确对工程技术人员提出了两个挑战，那就是，对于系统工程师来说，希望他们能够精通所有子系统的某个给定的产品属性；对于子系统专家而言，则是建议他们能够掌握对于一个给定的子系统来讲对不同的属性予以协调的能力。
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