內燃機設計中計算機輔助技術的應用分析

（武漢大學動力與機械學院，武漢 430072）

摘 要：內燃機具備耐久、高效等特征，該設備具有較高的熱效率，功率范圍廣，且適應性良好，在交通運輸、農業、工業中均起到了重要的作用，應用非常廣泛。隨著科學技術的不斷發展，人們對內燃機性能提出了更嚴格、更高的要求，再加上排放法規的推出，在設備生產中，必須注重對產品進行完善。內燃機的設計比較復雜，在總體設計、零部件設計過程中，均會涉及到較多的計算、分析等工作，計算機技術取得飛速發展后，在內燃機設計中取得了較好的應用，可充分體現其特性。本文主要分析計算機輔助技術在內燃機設計中的應用價值，為內燃機的設計提供依據。

關鍵詞：計算機輔助技術;內燃機;應用

隨著計算機技術的發展與進步，該技術在很多行業中均得到較好的應用，近幾年，計算機技術在內燃機設計中取得了較好的應用效果。將計算機技術應用于內燃機設計中，可轉變內燃機設計模式，無需采用丁字尺、圖板手工繪制圖，可利用三維、二維技術代替以往手工繪圖[1]。計算機輔助技術的使用實際上是機械設計行業的重要改革，在產品制造、設計中具有重要意義，甚至對人們的設計理念產生了一定影響。

1 計算機輔助技術的含義

計算機輔助技術是一種將工程分析、計算機兩者結合的新型技術，它主要利用數值模擬、數值計算方法建立模型，并對其進行分析與計算。這種技術涉及的科學較多，其中包括數學仿真技術、結構動力學、計算力學、計算數學、工程科學等，是一門綜合性較強的技術。

結構有限元分析是計算機輔助技術的基礎，一般所指的就是動力學分析、機構運動學分析、有限元分析，有限元分析可實現擬靜力、靜力的非線性分析與線性分析，還能夠實現磁場、電場、熱場的結構優化與分析。機構分析可以完成多種計算工作，例如零部件速度、加速度、位移等方面的計算，通過機構分析均可完成。現階段，計算機輔助技術的發展速度非常快，在計算機仿真、噪聲分析學、流體力學中均得到了較好的應用[2]。

工程產品的優化、研制可分為四階段，第一階段：分析所設計產品，或者研究工程的具體內容，并將其描述出來，獲取產品的機械性能、邊界條件、參數、幾何條件等信息。第二階段：采用計算機輔助技術，完成產品的建模，建立計算機模型。第三階段：利用計算機，計算軟件建立的模型數值。第四階段：分析計算出來的結果，并對設計方案操作可行性進行驗證，針對不合理之處，可及時給予修正，便于為實際應用進行指導[3]。

計算機輔助技術是跨越了多種學科，被科學界、工程界所重視，該技術能夠實現對復雜問題的分析，利用計算機計算相應參數，可為產品實際設計提供依據，另外，計算機輔助技術的使用可以使復雜產品設計過程變得更加簡單。在產品設計階段，將計算機輔助技術應用于其中，有利于使產品設計有效性、科學性、可靠性提升，將大量低水平、繁瑣的工作過程避免，提高產品設計分析的準確性，可提高工作效率，節約費用。

2 計算機輔助技術在內燃機設計中的具體應用

2.1 計算機輔助技術在內燃機缸內工作、進排氣系統設計中的應用

內燃機工作過程非常復雜，其工作過程主要為缸內工作、進排氣系統工作過程，涉及內容較多，包括有害氣體生成、噴霧、氣體流動等，對內燃機的排放、經濟性、動力性等多方面的性能具有較大影響。

就進排氣系統而言，要想使設計變得更加優化，必須明確該系統的流動特性。計算機軟件能夠對進排氣總管尺寸進行模擬計算。近幾年，計算機建模、仿真計算等技術均得到快速發展，將上述技術相結合，便可形成計算機輔助技術，可促使設計效率與設計質量大大提升，將產品研制周期縮短。

缸內工作非常復雜，涉及到的內容較多，其中包括燃油燃燒、霧化、噴射等，通過在組織燃燒過程中有著較好的應用，開發性能較高。缸內工作主要采用數值模擬法、實驗法完成研究，不過實驗法的適應性較差、費用高，且周期較長，部分信息甚至無法獲取，數值模擬法則有著較多的優勢，可彌補實驗法中的不足，主要有多維模擬、準維模擬、零維模擬三種模擬方式[4]。

2.2 計算機輔助技術在冷卻系統設計中的應用

內燃機在運行過程中，氣缸內會出現高壓燃氣、高溫等現象，當高溫燃氣與各種零部件（活塞、缸體、缸蓋等）接觸后，會出現強烈沖擊，若未采取冷卻措施，會導致內燃機過熱，降低充氣效率，燃燒過程也會出現異常，機油會發生燒損、變質現象，會加劇零件的磨損與摩擦，導致內燃機耐久性、運行可靠性惡化。若冷卻太強，機油可能會被燃油稀釋。內燃機在運行過程中，必須要確保溫度適宜。當處于最佳冷卻狀態時，內燃機的運轉均無異常。

利用三維技術，可及時獲取流動信息，計算出冷卻液三維流體動力學值，對冷卻系統的空間分布、水腔壓力等信息進行模擬，為冷卻水腔系統的設計提供條件。通過獲取試驗數據，能夠提高系統設計的可靠性、準確性，節約經費和設計時間。在內燃機內，流體潤滑系統具備清潔、防腐、潤滑等功能，經潤滑原理，可確保其功能充分發揮，將摩擦減少，延長內燃機使用壽命，潤滑油還具備冷卻的作用，冷卻方式包括兩種，分別為冷卻油槍、冷卻油速兩種冷卻方式，可利用計算機輔助計算，模擬冷卻油腔換熱過程[5]。

2.3 計算機輔助技術在耦合模擬中的應用

在內燃機設計過程中，可利用計算機輔助技術模擬單個系統與零部件，在計算過程中，可能會發現難以確定邊界條件等問題，可利用耦合方法完成計算，主要耦合方式有兩種，分別為物理場耦合、部件間耦合。

內燃機零部件均相互關聯，并非孤立存在，在計算過程中，需考慮到零部件間的關聯，不能夠只單純考慮到某個單部件，需利用部件固-固耦合方式完成計算，利用計算機輔助技術，可提升模擬準確度。利用計算機輔助技術可實現對發動機工作過程的模擬，將獲取缸內壓力值，明確溫度變化情況，對熱邊界條件也可進行模擬，達到耦合模擬計算的目的。

內燃機的設計可能會遇到邊界不精準等難以解決的問題，將計算機輔助技術應用于其中，可獲取各項參數信息，提高內燃機設計的精準度。計算機輔助技術可將完成傳熱學、燃燒學、流體力學等方面的計算，結合了多種學科，實現全仿真模擬，將潤滑系統、冷卻系統、工作過程等多個方面作為一個耦合整體，可簡化內燃機設計過程，達到真實模擬的目的。內燃機設計包含的內容較多，涉及到多個學科，利用計算機輔助技術，可降低設計難度，提高工作效率。

3 結束語

內燃機技術在農業、工業、交通運輸業中的應用非常廣泛，為人

（下轉第193頁）

（上接第116頁）

們的生活、生產活動利用了有利條件，不過該設備的設計過程比較復雜，將計算機輔助技術應用于內燃機設計中，有利于提高設計的精準度。計算機輔助技術可實現內燃機的運動仿真、工程圖繪制、產品設計等過程，彌補了以往設計工作中的不足，可完成虛擬制造，在內燃機設計中可充分發揮作用，提高工作效率。

參考文獻：

[1]韓冬.計算機輔助技術在內燃機設計中的應用[J].內燃機與配件，2015（03）：34-35.

[2]呂繼組，白敏麗，邵治家等.計算機輔助工程（CAE）在內燃機中的應用[J].內燃機，2007（06）：18-22.

[3]張春友，侯瑩瑩，生兆洲.基于小波變換和Labview的內燃機振動信號處理[J].中國農機化學報，2015（01）：233-237.

[4]劉金武，楊靖，高為國，倪小丹.內燃機燃燒過程多維模型計算機仿真平臺開發及應用[J].柴油機設計與制造，2004（01）：24-27+38.

[5]暴秀超.基于LabVIEW的內燃機燃燒分析與測試系統研究[D].昆明理工大學，2007.