內燃機零部件結構設計及應用研究

葛毅 鄒洪富 張靜

摘要：在當前經濟一體化發展、綠色環保理念提出的背景下，社會各領域不斷朝著綠色化、節能化的方向發展。在這樣的時代背景下，內燃機的應用也要順應時代的發展，從而在減少對環境污染的同時，還能夠保證整體使用效果，提升整體效益。當前，我國對各種類內燃機性能要求越來越細致，不光要考慮其經濟效益，還要從外觀、經濟、環保等多個層面進行思考，從而在最大程度上滿足各領域對內燃機零部件結構的需求。

關鍵詞：內燃機零部件;結構設計;應用

中圖分類號：TK402 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0188-02

0 ?引言

內燃機的不斷優化推動了社會各領域的發展，在船舶、汽車中隨處可見這一設備，同時也在貨運航行中起到重要作用。從整體發展角度來看，內燃機與社會的經濟發展存在緊密聯系，若在使用過程中僅考慮經濟效益，而不重視內燃機對環境的影響，就會在一定程度上限制經濟的發展。結合這一發展需求以及當前的綠色化發展要求，對內燃機零部件的結構設計進行深入研究，不僅可以保證內燃機使用的熱效率，同時還可以減少其對環境的影響，進而實現環保社會建設的發展，為之后的內燃機優化改進提供重要參考。

1 ?內燃機結構概述

1.1 內燃機優化外在因素

結合實際情況來看，內燃機在工作過程中，其工作原理如下：將一定比例的油氣混合物投入燃燒室，借助混合物燃燒產生的能量來推動活塞，由曲柄連桿機構向外輸出動力，從而完成一次工作循環。通常來講，根據燃料進行分類，可以將內燃機分為汽油機和柴油機，在社會各領域都廣泛應用。在當前社會不斷發展以及綠色化建設背景下，對更高熱效率的內燃機進行研究，可以推動農業、工業等多領域的發展。由于內燃機特定的工作機制，其在工作過程中會難以避免的對環境產生一定影響，對經濟發展甚至生態環境治理帶來一定的工作難度。為此，我國越來越多的企業開始致力于內燃機熱效率的提升研究，在保證工作效率的同時，能夠在最大程度上降低對環境的影響。在當前的社會時代下，能耗低、性能強悍、污染小的內燃機逐漸成為各領域所青睞的內燃機。總的來講，進一步優化內燃機的結構，不僅可以保證我國的未來發展，還可以推動社會主義現代化建設。

1.2 內燃機主要結構

結合實際情況來看，為實現內燃機零部件結構的優化，就需要對其總體結構進行分析。總的來講，內燃機（以汽油機為例）主要分為兩大機構和五大系統：曲柄連桿機構，是能量傳輸機構，其主要作用是實現內燃機的工作循環，完成能量轉換;配氣機構，其主要作用是在特定的設置時間內，開啟和關閉進、排氣門，完成廢氣、新鮮空氣的轉換。在整個內燃機中，潤滑系統的主要作用是保持機體內部零部件的清潔，并具備一定的散熱功能;燃油供給系統的主要作用是根據內燃機的不同工況，供給內燃機氣缸一定濃度和數量的可燃混合氣體，并在燃燒完成后將廢氣排出內燃機;冷卻系統的主要作用是將熱量散發到空氣中以防止內燃機過熱;不同燃料的內燃機點火原理存在一定差異，汽油機點火主要是點火線圈的產生的高壓電使火花塞跳火來實現，而柴油機是借助缸內壓力來壓燃的;啟動系統，其主要作用是通過啟動機將蓄電池的電能轉換成機械能，帶動發動機運轉。兩大機構與五大系統相互協調，保證了內燃機的總效率，缺一不可。

1.3 內燃機優化的必要性

首先，優化內燃機是當前社會背景下研究領域的進步，是新技術的具體應用與實施。相對來講，將內燃機結構進行優化，可以在最大程度上推動技術的創新與發展，從而將存在于理論的知識轉化為實際運用，并通過后期的不斷調整，來優化內燃機結構，使其符合當前社會發展規律，滿足人們的生活生產需求。其次，此項研究是從業生產中先進性的代表。總的來講，通過內燃機結構的不斷優化，可以不斷降低其能耗、提高工作效率，并減少對環境的影響，符合當前我國的工業綠色化發展。與此同時，此項研究還可以進一步推動我國的產業轉型，實現我國工業現代化的發展。最后，降低能源的消耗，對內燃機的結構進行深入研究，可以提高不可再生能源的利用價值。內燃機的研究方向是能耗越來越低、使用效益越來越大，在這一研究有利于充分發揮不可再生能源的利用價值，進而節約能源，并降低對環境的影響。

2 ?現代背景下內燃機結構優化的現狀分析

從蒸汽時代以來，內燃機的研究已經經歷了百年的滄桑，在最初的生產過程中，主要是圍繞提升燃燒率、降低噪音等方向進行研究，沒有考慮其他的外在影響因素。而在當前的背景下，其研究方向主要是零件構造的優化以及運行過程的效益提升。

2.1 零件構造的優化

總的來講，零件的設計優化主要從以下兩點進行考慮：首先是零件構造參數的設計，其次是離散化界線點的確定。在當前社會不斷發展的背景下，針對這個問題相關企業已經開展深入研究，內燃機零部件優化已經取得較大成效。如，在某種型號柴油機連桿優化中，相關技術人員將質量作為目標函數的做法，對參數進行優化，進而較大程度上降低了連桿質量。不僅如此，一些參與研究的人員，為進一步提升活塞適應的最高溫度，對其應力方面進行研究、改造，從而減少其重量，提升其熱適應能力。結合實際情況來看，內燃機內部結構復雜，其優化研究的重點內容是零件大小、重量以及材料的優化。在這之中，研究內容還有連桿、曲柄等零部件。由于其結構較為復雜，可以借助有限元的方式來進行計算。

2.2 運行流程的優化

結合實際情況來看，內燃機運行流程的優化還處于發展期階段，多年以來都沒有較大的技術突破。研究方向的確定以及機器運行流程的完善都處于起步階段，影響流程優化技術創新的主要因素是基于多種模擬技術的整體連接體系的優化。具體來講，可以分為以下幾點：在內燃機運行流程模擬中，多個系統互相影響、而又共同工作，這導致其計算過程過于復雜，在計算時會消耗大量的時間;由于系統的協調性，需要對幾個系統以及機構進行整體設計、優化，這無疑提升了內燃機運行流程的研究難度，導致研究并未取得較大的突破。

3 ?內燃機零部件結構設計及具體應用

3.1 零部件結合設計

伴隨著科技的不斷進步，新型內燃機的研究已經取得一定的成效，并應用于社會各領域的活動中。在進行內燃機零件構造分析的過程中，需要將內燃機的結構特征視為研究出發點。其整體結構的復雜性也意味著在研究過程中需要準確的對內燃機內部零件結構大小、材料等方面進行分析。在實際的研究中心，其研究涵蓋了連桿、曲柄等重要零部件。由于其結構的復雜性，需要結合有效的方式對內部零件的變形進行計算，當前廣泛使用的計算方式是有限元計算方式。在力學模型邊界條件的計算中，應正確分析并計算零部件的受力情況，從而計算出零部件自身承受壓力的最大值。針對內燃機零部件的優化，其中存在兩個最為主要的限制性因素：重要零件的參數構造以及離散化界線點的確定。針對這兩個急需解決的問題，我國在內燃機零部件的設計優化上已經取得較大的技術突破，在很大程度上實現了對不同類型的內燃機進行不同零件的優化。舉一個簡單的例子，我國在四號柴油機連桿的優化中，大多數研究人員以對其質量的優化作為研究核心，通過結合目標函數，對其中的一些重要參數進行改造完善，從而降低其質量，實現技術突破。在這一過程中，連桿既符合實際的應用要求，也可以保證其使用效益。此外，為進一步提高活塞的最高適應溫度，研究人員對活塞自身的結構以及應力改造進行探究，從而降低其重量，提升活塞的熱適應能力。

3.2 運行流程的設計研究

總的來講，內燃機從誕生至今，其運行流程的優化研究一直處于發展緩慢的狀態，在經過現代科學技術的不斷完善下，其優化流程也逐漸提升。在最開始的流程優化研究中，內燃機的運行過程研究一直處于一種上下兩難的境地，其研究方向的確定以及運行流程的優化都是難以攻克的障礙點。總的來講，這一工作研究的中心在熱力流程以及熱傳送的模擬技術。考慮到內燃機內部多結構的互動、連接，其連接體系可以進一步優化，問題主要體現在以下幾點：首先，有何種辦法通過一般的解析，對需要優化的條件進行表述。其次，在進行計算優化模擬時，其計算過程較為復雜，消耗的時間也比較多。最后，內燃機流程優化需要對整個系統、整體進行優化。上述問題成為制約內燃機運行流程優化的關鍵，我國研究人員也一直致力于流程優化的研究，但一些資料與實踐顯示，內燃機運行流程優化存在一定隨機性，這就需要在之后的研究中，明確對參數的對比，盡快尋找到創新發展的方向。

4 ?內燃結構優化的預期

內燃機結構優化是一項長期的研究工作，需要相關人員進一步分析。結合實際情況來看，技術人員在對內燃機內部構造進行優化設計的過程中，大多情況下是以個人的主觀意識以及經驗，對其內部進行優化處理。盡管這些參數是工作人員經過不斷的實踐而總結出來的，大多都來源于實際操作所得的數據，但還存在很大程度的隨機性。基于此，在后期的研究中，筆者認為相關技術人員在提升內燃機整體性能的前提下，還要對多種參數進行不斷優化。例如，目前大多數的內燃機是不能看到內部結構的，結合人們的發展需要，可以適當采用開放設計，從而為相關人員進行流程優化時，提供更多、更直觀的參考。這樣可以在最大程度上節省研究人員的時間，避免因為一個小問題而反復拆裝。

5 ?結語

綜上所述，在當前我國社會經濟不斷發展的背景下，內燃機的適用范圍逐漸擴散到社會的各個領域，為人們的生產以及生活帶來巨大的便利。在這樣的背景下，對內燃機零部件的結構設計進行分析，具有很大的現實意義，借此來實現我國社會建設現代化以及綠色節能化的發展。通過對內燃機結構進行分析，可以發現優化發展過程中存在的一些短板，并指出一些解決問題的參考方向，從而為其發展趨勢指明方向。內燃機的研究發展，不僅可以推動這項技術的發展，還可以促進我國社會建設發展。

參考文獻：

[1]吳昌華.內燃機力學分析方法的發展沿革.中國力學學會、浙江大學：中國力學學會，2019：16.

[2]王增全，張俊躍，鄧春龍.內燃機增壓技術軍民融合式發展途徑探索節能減排是內燃機快速發展的必經之路內燃機行業發展勢頭看好[A].中國農業機械學會拖拉機分會，2020：1.

作者簡介：葛毅（1982-），男，湖南長沙人，工程師，工學碩士，研究方向為機械設計、職業教育教學改革;鄒洪富（1987-），男，湖南常德人，講師，工學碩士，研究方向為機械設計、職業教育教學改革;張靜（通訊作者）（1986-），女，湖南長沙人，講師，工學碩士，研究方向為機械設計。