內燃機零部件結構設計及應用

劉志堅 張力 楊潔

摘要：隨著社會現代化的不斷發展，諸如汽車、機械、船舶等現代化的機械設備不僅改變了人們的日常生產生活方式，還對交通運輸、工業、農業，乃至于國際事業的發展發揮著不可替代的重要意義。然而，在能源危機的大背景下，如何提升能源的利用效率從而為環境保護發揮著持續的貢獻力，成為了當前人們需要關注的熱點問題之一。本文以內燃機零部件結構作為研究切入點，希望能夠在分析內燃機零部件結構設計的同時，闡述內燃機零部件結構的優化情況，為內燃機零部件結構設計的優化提供新的參考思路，從而達到最大限度地挖掘內燃機潛力的目的。

關鍵詞：內燃機;內燃機零部件結構;優化設計

中圖分類號：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0012-02

0? 引言

作為近代工業文明發展的產物之一，內燃機憑借著其自身優越的性能不僅取代了蒸氣機，而且在現代機械應用領域中發揮著不可替代的重要作用。隨著大數據等先進技術水平的不斷提升，原有的內燃機零部件結構設計依然無法滿足現代機械設備的應用需要。為了能夠最大限度地優化內燃機的性能，從而提升內燃機零部件結構設計的經濟性、舒適性、美觀性的需求，從而降低機械設備所排放出來的危害氣體，優化內燃機零部件結構設計變得越來越迫切。

1? 內燃機零部件結構優化設計的必要性分析

內燃機零部件結構是內燃機正常運作的基礎，內燃機在運轉的過程中能夠為機械設備提供源源不絕的動力，然而由于現有的內燃機零部件結構設計的缺陷，內燃機在使用的過程中，不僅存在社會能源資料的大量消耗的現象，還使得內燃機在使用的過程中產生了大量的二氧化碳等污染物，這些大量的污染物的排放對于環境友好型社會的建立產生了負面的問題。為此，如何控制好內燃機在使用時的燃油消耗以及二氧化碳等氣體的排放，成為了當前人們需要關注的問題之一。為了能夠優化內燃機零部件結構的性能，大量高性能、低消耗、少污染的機型不斷被研發出來，切實有效的緩解了內燃機原本存在的環境污染以及能源消耗的問題。一方面，分析內燃機零部件結構設計及應用能夠更好地實現對能源的高效利用，提升社會能源資料的使用效率，有效緩解能源危機問題所帶來的負面影響，充分發揮出內燃機在農業、工業、國防等多個領域的重要價值。另一方面，由于內燃機零部件結構設計的特殊性，導致內燃機零部件結構優化是一個非常復雜的系統工程，通過分析內燃機零部件結構設計能夠優化內燃機零部件結構形式，為我國產業結構的轉型升級提供充裕的動力，從而為社會主義現代化建設奠定基礎。

2? 內燃機結構分析

內燃機主要由兩大機構以及五大系統所構成，其中，兩大機構分別指的是曲柄連桿機構以及配氣機構，而五大系統則指的是潤滑系統、燃料供給系統、冷卻系統、點火系統以及起動系統。曲柄連桿機構是內燃機正常運轉的機構，借助于曲柄連桿機構能夠有效的實現內燃機內部能量的傳輸，從而為機械設備的運轉提供充足的動力;而配氣機構則是內燃機內部氣體的進入以及排放的渠道，內燃機在運作的過程中會下達指令至配氣機構中，由配氣機構承擔起氣門開啟關閉的職責;內燃機內部的機械結構會產生一定的熱量，再加上長時間的使用會使得內燃機存在一定的污漬，而潤滑系統則通過為內燃機提供潤滑的服務從而在內燃機的內部中起到潤滑、清潔、散熱的作用;內燃機的正常運轉離不開可燃氣體，燃料供給系統則會將其內部的可燃氣體進行充分的燃燒，利用燃燒過程中所產生的能量為內燃機提供動力;冷卻系統是內燃機的核心結構，冷卻系統能夠將內燃機在使用過程中多余的熱量進行散發，從而確保內燃機處于穩定的工作狀態;點火系統是內燃機動力的引燃點，不同類型的內燃機的點火系統也隨之不同，針對于汽油機的內燃機則需要依靠點火線圈，而柴油機的內燃機則需要借助于缸內內部壓力壓燃;起動系統是內燃機使用的核心，內燃機的使用是一個由靜到動的過程，通借助于起動系統能夠迅速的使內燃機進入到工作狀態，從而保障內燃機的正常使用。

3? 內燃機零部件結構設計及應用的優化分析

3.1 內燃機零部件結構設計優化分析

由于內燃機內部結構的復雜性使得內燃機零部件結構設計優化同樣面臨著重重的挑戰，內燃機零部件結構涉及到連桿、曲軸以及活塞等多種零部件，每一個零部件自身的內在結構也同樣十分的繁瑣，使得內燃機在使用的過程中承擔了較大的工作負荷。為此，如何結合內燃機零部件結構的特點實現內燃機內部零件的構造、大小、形狀的優化成為了當前人們需要關注的重點問題。一般來說，內燃機零部件結構設計優化需要借助于界限元或有限元法進行分析，如在使用有限元法時不僅需要關注內燃機主要零部件的靜、動應力的計算，還需要重點關注內燃機零部件結構變形的計算，然而由于現有的技術條件的限制以至于人們無法結合內燃機內部結構的現狀，準確的計算出內燃機零部件的實際受力及支承約束狀況，無形中削弱了有限元法的使用效果。

為了能夠實現內燃機零部件結構設計優化，一方面，在進行內燃機零部件結構設計優化時，工作人員可以以內燃機零部件重要構造參數的調整作為優化的切入點，通過改變內燃機零部件重要構造參數數據的內容，從而達到優化內燃機零部件的目的。除了調整內燃機零部件重要構造參數之外，工作人員還可以關注內燃機自身離散化的界限點，由于現有的信息技術能夠通過引入應力聚集系數和質量系數模型的形式，來模擬出內燃機零部件界限的形狀。以四缸柴油機連桿的構造優化設計為例，工作人員結合四缸柴油機的特性，將四缸柴油機連桿質量作為目標函數，以此為基礎對四缸柴油機連桿的重要參數進行了優化計算，并借助于大數據信息技術的方式，迅速計算出不同參數變化下內燃機所產生的變化，從而有效的將四缸柴油機連桿質量減少了15%左右。另一方面，以機械熱應力與應力作為切入點，優化內燃機零部件結構也不失為一種好方法。通過優化機械熱應力與應力相關的構造優化設計，能夠有效的提升內燃機零部件結構對于最高溫度的承受能力，增強了內燃機能量的傳導性，從而提升內燃機的可持續運轉能力。

3.2 內燃機零部件結構運轉流程的優化

與內燃機零部件結構設計優化進程相比，由于受到理論研究以及技術應用條件的限制，使得我國的內燃機零部件結構運轉流程的優化正處于發展的初始階段。內燃機零部件結構運轉流程的優化主要關注的是內燃機零部件燃燒程序以及內燃機運轉過程中的熱量傳送等，這使得內燃機零部件結構運轉流程的優化更多的是關注氣體熱力和動力學等相關理論研究基礎。然而，現階段內燃機零部件結構運轉流程的優化面臨著三個方面的障礙問題：

第一個方面，由于內燃機零部件結構運轉流程的優化涉及到整體連接體系，然而由于內燃機零部件結構運轉流程在優化時主要以偏微分方程組的解的形式進行呈現，使得工作人員需要以解析式的形式展現出內燃機零部件的約束條件及目標函數，對于解析式中參數的取值提出了較為嚴苛的要求。

第二個方面，內燃機零部件結構運轉流程的優化需要從全局的角度進行分析，內燃機零部件結構運轉流程具有“牽一發而動全身”的特點，為此，工作人員不僅需要考慮目標設計改變量所帶來的優化成效，還需要考慮該目標設計量在改變的狀態下一個子程序之間的耦合性，對于工作人員的綜合素養提出了較為嚴苛的要求。

第三個方面，內燃機零部件結構運轉流程對于信息技術的應用提出了新的要求。為了評估內燃機零部件結構運轉流程優化所帶來的影響，工作人員需要利用信息技術來模擬大量的子系統，繁瑣的內燃機零部件結構運轉流程模擬計算過程，延長了內燃機零部件結構運轉流程優化時間。為了能夠實現內燃機零部件結構運轉流程優化的目標，引入大數據信息技術成為了解決問題的重要渠道，大數據信息技術具有強大的解決技術能力以及更大容量的數據存儲量，工作人員可以通過大數據信息技術，來模擬不同狀態下內燃機零部件結構運轉流程，優化所帶來的成效，再加上遺傳計算方法的廣泛應用，為內燃機零部件結構運轉流程優化提供了新的方向。

4? 內燃機零部件結構設計及應用設想分析

4.1 內燃機零部件結構基本參數的設計優化設想分析

現階段，內燃機零部件結構基本參數的設計優化主要憑借工作人員的實際工作經驗為主，對于工作人員的綜合素養提出了較高的要求，如果工作人員的實際經驗豐富那么能夠確保其選取的參數在設計規則的限定內，否則將會導致所選擇的內燃機零部件結構基本參數存在隨意性和偶然性的問題。以內燃機整體功能優化為目標選擇參數，不僅能夠充分的考慮到熱力學流程、溫度等元素對于內燃機零部件結構的影響，還能夠擺脫內燃機零部件結構基本參數選擇時對于工作人員經驗的依賴，增強內燃機零部件結構優化設計的指向性，提升內燃機零部件結構優化的經濟效益。

4.2 可視化的內燃機零部件結構設計優化設想分析

隨著可視化技術水平的不斷提升，原有的內燃機零部件結構運轉流程優化設計將會從非開放形式的設計朝著開放形式的設計方向發展，在可視化的內燃機零部件結構設計狀態，工作人員將會掌握內燃機零部件結構運轉流程優化的主動向，及時調整好內燃機零部件結構運轉流程，優化過程中運行有問題的流程。避免出現過去需要再次從頭做起的尷尬現狀。此外，可視化的內燃機零部件結構設計優化能夠提升樣機試驗的整體工作效率，以便于工作人員實時掌握內燃機更替流程的具體情況，及時處理好結構合理性和工藝的限制等方面的問題，縮短內燃機試驗的時間，提升內燃機零部件結構設計優化及應用的整體工作效率。

5? 結束語

綜上所述，內燃機零部件結構的優化主要以內燃機零部件結構設計以及運轉流程的優化為主，隨著技術的不斷更新，未來可視化的內燃機零部件結構設計優化等設想將會成為可能。

參考文獻：

[1]劉剛毅.淺談內燃機及其零部件再制造關鍵技術[J].內燃機與配件，2020（04）：100-101.

[2]陸安宇.內燃機零部件結構設計及應用[J].內燃機與配件，2019（06）：21-22.

[3]伍賽特.內燃機適應性及運用方式[J].柴油機設計與制造，2019，25（01）：55-56.

[4]張啟城.基于內燃機曲柄連桿的設計及動力學分析[J].內燃機與配件，2018（19）：27-28.

[5]王順澤.內燃機零部件熱負荷研究的現狀討論與展望[J].內燃機與配件，2019（14）：1-2.

[6]王昌林，付艷麗，劉琳琳.振動測試技術在內燃機結構設計中的應用[J].內燃機與配件，2019（12）：171-172.

[7]高亞男.內燃機氣道試驗臺的結構設計與開發[J].承德石油高等專科學校學報，2017，19（05）：56-59.

[8]于彥良.當代發展前景下內燃機結構設計優化改進設想[J].內燃機與配件，2017（09）：6-7.