內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張彥龍 陳毅 劉傳金

摘要：人類社會(huì)伴隨著瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)，經(jīng)過第二次工業(yè)革命后，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)入了人們的生活與生產(chǎn)之中。內(nèi)燃機(jī)主要使用在機(jī)械、汽車、輪船等工業(yè)產(chǎn)品中，對(duì)于機(jī)械制造、物流等等產(chǎn)業(yè)有著重要的影響，隨著當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們需要改變傳統(tǒng)只追求經(jīng)濟(jì)效益，而不顧生態(tài)環(huán)境的發(fā)展模式。推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)發(fā)展更加的高效率，同時(shí)降低內(nèi)燃機(jī)的排放。本文針對(duì)從內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)其零部件的設(shè)計(jì)加以分析和研究，并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);技術(shù)設(shè)計(jì);零部件

引言

在第二次工業(yè)革命中，內(nèi)燃機(jī)的誕生推動(dòng)了人類社會(huì)進(jìn)入電氣化時(shí)代，顯著的提升了社會(huì)生產(chǎn)力。在不同的社會(huì)發(fā)展階段，人們對(duì)于動(dòng)力的要求往往有所不同，伴隨著社會(huì)生活生產(chǎn)力的提升以及人們生活水平的提升，人們的生活越來越離不開內(nèi)燃機(jī)。經(jīng)過長期的發(fā)展與改進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)的熱效率越來越高，在經(jīng)濟(jì)性與性能上產(chǎn)生了顯著的提升，另外人們也對(duì)內(nèi)燃機(jī)提出了更高的技術(shù)要求，所以必須要對(duì)內(nèi)燃機(jī)展開優(yōu)化和設(shè)計(jì)，以此滿足人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)高性能、低排放的要求。

一、內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)概述

優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要從內(nèi)燃機(jī)的基本構(gòu)成出發(fā)，內(nèi)燃機(jī)有兩機(jī)構(gòu)、五個(gè)系統(tǒng)共同組成。第一是內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)在工作的過程中，是由靜止轉(zhuǎn)向運(yùn)行的過程，啟動(dòng)系統(tǒng)的作用就是發(fā)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，讓內(nèi)燃機(jī)順利的達(dá)到工作負(fù)荷狀態(tài)。第二是燃料系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)需要配置合適的可燃?xì)怏w，將油氣加以混合，在氣缸內(nèi)部燃燒以后，將廢氣從氣缸中排除。第三是潤滑系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)為機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑，起到散熱、情節(jié)以及潤滑的作用。第四是配氣結(jié)構(gòu)，配氣結(jié)構(gòu)控制氣門，負(fù)責(zé)氣體的流入流出。第五是曲軸連桿，曲軸連桿是將內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并傳輸出去的核心部件。第六是點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)主要是點(diǎn)火線圈在氣缸內(nèi)部油氣混合之后，負(fù)責(zé)點(diǎn)燃可燃?xì)怏w，柴油機(jī)著主要是氣缸壓力進(jìn)行壓燃。第七是冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)將內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中的熱量予以排除，防止內(nèi)燃機(jī)過熱。

內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中，要將油氣混合物導(dǎo)入到氣缸中，利用點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃油氣混合物，并將燃料釋放的能量轉(zhuǎn)化到活塞上，利用曲軸連桿將這些動(dòng)力傳送到外部。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所使用的燃料，將內(nèi)燃機(jī)分為柴油機(jī)和汽油機(jī)，本文主要分析和研究的是柴油機(jī)。 內(nèi)燃機(jī)在各類機(jī)械設(shè)備上有著非常廣泛的應(yīng)用。提升內(nèi)燃機(jī)的熱效率，降低內(nèi)燃機(jī)的排放，對(duì)于國家的發(fā)展和社會(huì)生產(chǎn)而言，有著重要的意義。內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)就是人們?yōu)榱藨?yīng)對(duì)更高的動(dòng)力需求。內(nèi)燃機(jī)由于工作方式，必然會(huì)大量消耗能源，并對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生污染，所以當(dāng)前對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)研究，基本上都是圍繞著內(nèi)燃機(jī)的熱效率提升，以及降低內(nèi)燃機(jī)的排放為研發(fā)方向。

二、內(nèi)燃機(jī)的零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化

內(nèi)燃機(jī)在長期發(fā)展歷程中，其設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)和方向隨著時(shí)代的變化而改變。內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化圍繞著機(jī)械結(jié)構(gòu)、提升熱效率、降低噪音等等，在當(dāng)前的形勢下，研究主要圍繞著對(duì)內(nèi)燃機(jī)零部件的優(yōu)化，以及降低內(nèi)燃機(jī)的排放等。

首先是對(duì)重要零部件的優(yōu)化。由于內(nèi)燃機(jī)較為復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)成，所以其零件的形狀和零件的大小等，都是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的重要研究方向，設(shè)計(jì)優(yōu)化主要針對(duì)活塞、連桿以及曲軸等零部件。由于內(nèi)燃機(jī)較為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用有限元的計(jì)算方法，對(duì)內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行中的形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，分析內(nèi)燃機(jī)零部件的運(yùn)行效率。但是在實(shí)際的計(jì)算機(jī)模型構(gòu)建中，使用這種計(jì)算方法往往不能真正有效的計(jì)算出零部件的約束和受力情況。零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要解決兩個(gè)問題，一方面是設(shè)計(jì)出重要零件的參數(shù)，另一方面是明確內(nèi)部零件離散化的具體界線點(diǎn)?；趯?duì)這些問題的分析，內(nèi)燃機(jī)在零部件設(shè)計(jì)與優(yōu)化中已經(jīng)獲得了一些成果。技術(shù)人員以質(zhì)量作為函數(shù)，對(duì)整體的內(nèi)燃機(jī)零部件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而有效的降低連桿的質(zhì)量，另外還有一些技術(shù)人員通過重新設(shè)計(jì)活塞構(gòu)造的方式，對(duì)機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)予以調(diào)整，提升了活塞可以承受的最高溫度，在提升其適應(yīng)能力的同時(shí)，降低了活塞的重量。

其次是對(duì)內(nèi)燃機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中機(jī)械流程的優(yōu)化。對(duì)于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的工作流程，當(dāng)前屬于較為前沿的技術(shù)研究之一。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)經(jīng)過了上百年的驗(yàn)證，已經(jīng)非常的穩(wěn)定，所以對(duì)這一過程進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，從原理上就屬于較為困難的一種改進(jìn)方式。當(dāng)前優(yōu)化運(yùn)行流程的工作多數(shù)情況下從燃燒程序、熱力流程以及流體的流動(dòng)出發(fā)，對(duì)熱量傳送等多種因素進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。這一過程中的核心在于往往缺乏相應(yīng)的解析方式表述有待優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件。其次是在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部運(yùn)行流程的模擬中，由于其牽涉到非常多的系統(tǒng)內(nèi)容，所以整個(gè)計(jì)算的過程繁雜，各類信息數(shù)據(jù)非常多。另外對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行流程予以優(yōu)化，需要從多個(gè)方面共同著手，基于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的不同部件和系統(tǒng)同時(shí)優(yōu)化，這些問題都導(dǎo)致了內(nèi)燃機(jī)流程的優(yōu)化具有非常大的難度，解決這些問題往往需要應(yīng)用大量的計(jì)算能力，對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化而言，提出了較高的要求。

總結(jié)

伴隨著當(dāng)前我國社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的需求逐漸擴(kuò)大，設(shè)計(jì)和制造適合我們國家生產(chǎn)建設(shè)的內(nèi)燃機(jī)，有著非常重要的作用和價(jià)值。本文從內(nèi)燃機(jī)的零部件設(shè)計(jì)著手展開研究，并對(duì)內(nèi)燃機(jī)的零部件優(yōu)化進(jìn)行分析，針對(duì)其中存在的問題提出與之相應(yīng)的改進(jìn)方法，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。伴隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，可以更加高效的推動(dòng)我國社會(huì)生產(chǎn)，幫助各個(gè)產(chǎn)業(yè)得到獲得更加理想的發(fā)展。所以內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅僅作用在這一機(jī)器自身的運(yùn)行品質(zhì)上，還會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)獲得進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]邵康，劉昌文，畢鳳榮，等.供油提前角對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸主軸承動(dòng)力學(xué)的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014（4）：60-65.

[2]朱鵑，黃豪中，鄧偉，等.發(fā)動(dòng)機(jī)雙回路朗肯循環(huán)的性能分析和參數(shù)優(yōu)化[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，41（6）：1815-1823.

[3]趙小勇，孫軍，劉利平，等.不同工況下內(nèi)燃機(jī)曲軸軸承的潤滑性能[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011（4）：348-354

[4]周瑋，廖日東.基于模態(tài)疊加法的曲軸動(dòng)態(tài)特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015（3）：129-136.