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

劉志堅(jiān) 張力 楊潔

摘要：隨著社會(huì)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，諸如汽車(chē)、機(jī)械、船舶等現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備不僅改變了人們的日常生產(chǎn)生活方式，還對(duì)交通運(yùn)輸、工業(yè)、農(nóng)業(yè)，乃至于國(guó)際事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著不可替代的重要意義。然而，在能源危機(jī)的大背景下，如何提升能源的利用效率從而為環(huán)境保護(hù)發(fā)揮著持續(xù)的貢獻(xiàn)力，成為了當(dāng)前人們需要關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文以?xún)?nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)作為研究切入點(diǎn)，希望能夠在分析內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，闡述內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化情況，為內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供新的參考思路，從而達(dá)到最大限度地挖掘內(nèi)燃機(jī)潛力的目的。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0012-02

0? 引言

作為近代工業(yè)文明發(fā)展的產(chǎn)物之一，內(nèi)燃機(jī)憑借著其自身優(yōu)越的性能不僅取代了蒸氣機(jī)，而且在現(xiàn)代機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)水平的不斷提升，原有的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用需要。為了能夠最大限度地優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的性能，從而提升內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性、美觀性的需求，從而降低機(jī)械設(shè)備所排放出來(lái)的危害氣體，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越迫切。

1? 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性分析

內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)，內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)備提供源源不絕的動(dòng)力，然而由于現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，內(nèi)燃機(jī)在使用的過(guò)程中，不僅存在社會(huì)能源資料的大量消耗的現(xiàn)象，還使得內(nèi)燃機(jī)在使用的過(guò)程中產(chǎn)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(duì)于環(huán)境友好型社會(huì)的建立產(chǎn)生了負(fù)面的問(wèn)題。為此，如何控制好內(nèi)燃機(jī)在使用時(shí)的燃油消耗以及二氧化碳等氣體的排放，成為了當(dāng)前人們需要關(guān)注的問(wèn)題之一。為了能夠優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的性能，大量高性能、低消耗、少污染的機(jī)型不斷被研發(fā)出來(lái)，切實(shí)有效的緩解了內(nèi)燃機(jī)原本存在的環(huán)境污染以及能源消耗的問(wèn)題。一方面，分析內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效利用，提升社會(huì)能源資料的使用效率，有效緩解能源危機(jī)問(wèn)題所帶來(lái)的負(fù)面影響，充分發(fā)揮出內(nèi)燃機(jī)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域的重要價(jià)值。另一方面，由于內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通過(guò)分析內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)形式，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供充裕的動(dòng)力，從而為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2? 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)燃機(jī)主要由兩大機(jī)構(gòu)以及五大系統(tǒng)所構(gòu)成，其中，兩大機(jī)構(gòu)分別指的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及配氣機(jī)構(gòu)，而五大系統(tǒng)則指的是潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及起動(dòng)系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，借助于曲柄連桿機(jī)構(gòu)能夠有效的實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部能量的傳輸，從而為機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)提供充足的動(dòng)力;而配氣機(jī)構(gòu)則是內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部氣體的進(jìn)入以及排放的渠道，內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)作的過(guò)程中會(huì)下達(dá)指令至配氣機(jī)構(gòu)中，由配氣機(jī)構(gòu)承擔(dān)起氣門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉的職責(zé);內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，再加上長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)使得內(nèi)燃機(jī)存在一定的污漬，而潤(rùn)滑系統(tǒng)則通過(guò)為內(nèi)燃機(jī)提供潤(rùn)滑的服務(wù)從而在內(nèi)燃機(jī)的內(nèi)部中起到潤(rùn)滑、清潔、散熱的作用;內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)可燃?xì)怏w，燃料供給系統(tǒng)則會(huì)將其內(nèi)部的可燃?xì)怏w進(jìn)行充分的燃燒，利用燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的能量為內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力;冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)燃機(jī)在使用過(guò)程中多余的熱量進(jìn)行散發(fā)，從而確保內(nèi)燃機(jī)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài);點(diǎn)火系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的引燃點(diǎn)，不同類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)也隨之不同，針對(duì)于汽油機(jī)的內(nèi)燃機(jī)則需要依靠點(diǎn)火線(xiàn)圈，而柴油機(jī)的內(nèi)燃機(jī)則需要借助于缸內(nèi)內(nèi)部壓力壓燃;起動(dòng)系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)使用的核心，內(nèi)燃機(jī)的使用是一個(gè)由靜到動(dòng)的過(guò)程，通借助于起動(dòng)系統(tǒng)能夠迅速的使內(nèi)燃機(jī)進(jìn)入到工作狀態(tài)，從而保障內(nèi)燃機(jī)的正常使用。

3? 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的優(yōu)化分析

3.1 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

由于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化同樣面臨著重重的挑戰(zhàn)，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)涉及到連桿、曲軸以及活塞等多種零部件，每一個(gè)零部件自身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)也同樣十分的繁瑣，使得內(nèi)燃機(jī)在使用的過(guò)程中承擔(dān)了較大的工作負(fù)荷。為此，如何結(jié)合內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零件的構(gòu)造、大小、形狀的優(yōu)化成為了當(dāng)前人們需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化需要借助于界限元或有限元法進(jìn)行分析，如在使用有限元法時(shí)不僅需要關(guān)注內(nèi)燃機(jī)主要零部件的靜、動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算，還需要重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算，然而由于現(xiàn)有的技術(shù)條件的限制以至于人們無(wú)法結(jié)合內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，準(zhǔn)確的計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)零部件的實(shí)際受力及支承約束狀況，無(wú)形中削弱了有限元法的使用效果。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，一方面，在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，工作人員可以以?xún)?nèi)燃機(jī)零部件重要構(gòu)造參數(shù)的調(diào)整作為優(yōu)化的切入點(diǎn)，通過(guò)改變內(nèi)燃機(jī)零部件重要構(gòu)造參數(shù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，從而達(dá)到優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)零部件的目的。除了調(diào)整內(nèi)燃機(jī)零部件重要構(gòu)造參數(shù)之外，工作人員還可以關(guān)注內(nèi)燃機(jī)自身離散化的界限點(diǎn)，由于現(xiàn)有的信息技術(shù)能夠通過(guò)引入應(yīng)力聚集系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)模型的形式，來(lái)模擬出內(nèi)燃機(jī)零部件界限的形狀。以四缸柴油機(jī)連桿的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，工作人員結(jié)合四缸柴油機(jī)的特性，將四缸柴油機(jī)連桿質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，以此為基礎(chǔ)對(duì)四缸柴油機(jī)連桿的重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，并借助于大數(shù)據(jù)信息技術(shù)的方式，迅速計(jì)算出不同參數(shù)變化下內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的變化，從而有效的將四缸柴油機(jī)連桿質(zhì)量減少了15%左右。另一方面，以機(jī)械熱應(yīng)力與應(yīng)力作為切入點(diǎn)，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)也不失為一種好方法。通過(guò)優(yōu)化機(jī)械熱應(yīng)力與應(yīng)力相關(guān)的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效的提升內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)對(duì)于最高溫度的承受能力，增強(qiáng)了內(nèi)燃機(jī)能量的傳導(dǎo)性，從而提升內(nèi)燃機(jī)的可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

3.2 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化

與內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)程相比，由于受到理論研究以及技術(shù)應(yīng)用條件的限制，使得我國(guó)的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化正處于發(fā)展的初始階段。內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化主要關(guān)注的是內(nèi)燃機(jī)零部件燃燒程序以及內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱量傳送等，這使得內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化更多的是關(guān)注氣體熱力和動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論研究基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)階段內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化面臨著三個(gè)方面的障礙問(wèn)題：

第一個(gè)方面，由于內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化涉及到整體連接體系，然而由于內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程在優(yōu)化時(shí)主要以偏微分方程組的解的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，使得工作人員需要以解析式的形式展現(xiàn)出內(nèi)燃機(jī)零部件的約束條件及目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于解析式中參數(shù)的取值提出了較為嚴(yán)苛的要求。

第二個(gè)方面，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化需要從全局的角度進(jìn)行分析，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程具有“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的特點(diǎn)，為此，工作人員不僅需要考慮目標(biāo)設(shè)計(jì)改變量所帶來(lái)的優(yōu)化成效，還需要考慮該目標(biāo)設(shè)計(jì)量在改變的狀態(tài)下一個(gè)子程序之間的耦合性，對(duì)于工作人員的綜合素養(yǎng)提出了較為嚴(yán)苛的要求。

第三個(gè)方面，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程對(duì)于信息技術(shù)的應(yīng)用提出了新的要求。為了評(píng)估內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化所帶來(lái)的影響，工作人員需要利用信息技術(shù)來(lái)模擬大量的子系統(tǒng)，繁瑣的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程模擬計(jì)算過(guò)程，延長(zhǎng)了內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化時(shí)間。為了能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化的目標(biāo)，引入大數(shù)據(jù)信息技術(shù)成為了解決問(wèn)題的重要渠道，大數(shù)據(jù)信息技術(shù)具有強(qiáng)大的解決技術(shù)能力以及更大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，工作人員可以通過(guò)大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，來(lái)模擬不同狀態(tài)下內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程，優(yōu)化所帶來(lái)的成效，再加上遺傳計(jì)算方法的廣泛應(yīng)用，為內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化提供了新的方向。

4? 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用設(shè)想分析

4.1 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)想分析

現(xiàn)階段，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要憑借工作人員的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)于工作人員的綜合素養(yǎng)提出了較高的要求，如果工作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)豐富那么能夠確保其選取的參數(shù)在設(shè)計(jì)規(guī)則的限定內(nèi)，否則將會(huì)導(dǎo)致所選擇的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)基本參數(shù)存在隨意性和偶然性的問(wèn)題。以?xún)?nèi)燃機(jī)整體功能優(yōu)化為目標(biāo)選擇參數(shù)，不僅能夠充分的考慮到熱力學(xué)流程、溫度等元素對(duì)于內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的影響，還能夠擺脫內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)基本參數(shù)選擇時(shí)對(duì)于工作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的指向性，提升內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 可視化的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)想分析

隨著可視化技術(shù)水平的不斷提升，原有的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)從非開(kāi)放形式的設(shè)計(jì)朝著開(kāi)放形式的設(shè)計(jì)方向發(fā)展，在可視化的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)，工作人員將會(huì)掌握內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程優(yōu)化的主動(dòng)向，及時(shí)調(diào)整好內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流程，優(yōu)化過(guò)程中運(yùn)行有問(wèn)題的流程。避免出現(xiàn)過(guò)去需要再次從頭做起的尷尬現(xiàn)狀。此外，可視化的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠提升樣機(jī)試驗(yàn)的整體工作效率，以便于工作人員實(shí)時(shí)掌握內(nèi)燃機(jī)更替流程的具體情況，及時(shí)處理好結(jié)構(gòu)合理性和工藝的限制等方面的問(wèn)題，縮短內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)的時(shí)間，提升內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用的整體工作效率。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要以?xún)?nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)轉(zhuǎn)流程的優(yōu)化為主，隨著技術(shù)的不斷更新，未來(lái)可視化的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等設(shè)想將會(huì)成為可能。

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[8]于彥良.當(dāng)代發(fā)展前景下內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)想[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（09）：6-7.