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

葛毅 鄒洪富 張靜

摘要：在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展、綠色環(huán)保理念提出的背景下，社會(huì)各領(lǐng)域不斷朝著綠色化、節(jié)能化的方向發(fā)展。在這樣的時(shí)代背景下，內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用也要順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，從而在減少對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)，還能夠保證整體使用效果，提升整體效益。當(dāng)前，我國對(duì)各種類內(nèi)燃機(jī)性能要求越來越細(xì)致，不光要考慮其經(jīng)濟(jì)效益，還要從外觀、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多個(gè)層面進(jìn)行思考，從而在最大程度上滿足各領(lǐng)域?qū)?nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的需求。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)零部件;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TK402 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0188-02

0 ?引言

內(nèi)燃機(jī)的不斷優(yōu)化推動(dòng)了社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展，在船舶、汽車中隨處可見這一設(shè)備，同時(shí)也在貨運(yùn)航行中起到重要作用。從整體發(fā)展角度來看，內(nèi)燃機(jī)與社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在緊密聯(lián)系，若在使用過程中僅考慮經(jīng)濟(jì)效益，而不重視內(nèi)燃機(jī)對(duì)環(huán)境的影響，就會(huì)在一定程度上限制經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。結(jié)合這一發(fā)展需求以及當(dāng)前的綠色化發(fā)展要求，對(duì)內(nèi)燃機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，不僅可以保證內(nèi)燃機(jī)使用的熱效率，同時(shí)還可以減少其對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)保社會(huì)建設(shè)的發(fā)展，為之后的內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化改進(jìn)提供重要參考。

1 ?內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)概述

1.1 內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化外在因素

結(jié)合實(shí)際情況來看，內(nèi)燃機(jī)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(chǎn)生的能量來推動(dòng)活塞，由曲柄連桿機(jī)構(gòu)向外輸出動(dòng)力，從而完成一次工作循環(huán)。通常來講，根據(jù)燃料進(jìn)行分類，可以將內(nèi)燃機(jī)分為汽油機(jī)和柴油機(jī)，在社會(huì)各領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前社會(huì)不斷發(fā)展以及綠色化建設(shè)背景下，對(duì)更高熱效率的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行研究，可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多領(lǐng)域的發(fā)展。由于內(nèi)燃機(jī)特定的工作機(jī)制，其在工作過程中會(huì)難以避免的對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至生態(tài)環(huán)境治理帶來一定的工作難度。為此，我國越來越多的企業(yè)開始致力于內(nèi)燃機(jī)熱效率的提升研究，在保證工作效率的同時(shí)，能夠在最大程度上降低對(duì)環(huán)境的影響。在當(dāng)前的社會(huì)時(shí)代下，能耗低、性能強(qiáng)悍、污染小的內(nèi)燃機(jī)逐漸成為各領(lǐng)域所青睞的內(nèi)燃機(jī)?？偟膩碇v，進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)，不僅可以保證我國的未來發(fā)展，還可以推動(dòng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)。

1.2 內(nèi)燃機(jī)主要結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)際情況來看，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，就需要對(duì)其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？偟膩碇v，內(nèi)燃機(jī)（以汽油機(jī)為例）主要分為兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)：曲柄連桿機(jī)構(gòu)，是能量傳輸機(jī)構(gòu)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換;配氣機(jī)構(gòu)，其主要作用是在特定的設(shè)置時(shí)間內(nèi)，開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，完成廢氣、新鮮空氣的轉(zhuǎn)換。在整個(gè)內(nèi)燃機(jī)中，潤滑系統(tǒng)的主要作用是保持機(jī)體內(nèi)部零部件的清潔，并具備一定的散熱功能;燃油供給系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的不同工況，供給內(nèi)燃機(jī)氣缸一定濃度和數(shù)量的可燃混合氣體，并在燃燒完成后將廢氣排出內(nèi)燃機(jī);冷卻系統(tǒng)的主要作用是將熱量散發(fā)到空氣中以防止內(nèi)燃機(jī)過熱;不同燃料的內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火原理存在一定差異，汽油機(jī)點(diǎn)火主要是點(diǎn)火線圈的產(chǎn)生的高壓電使火花塞跳火來實(shí)現(xiàn)，而柴油機(jī)是借助缸內(nèi)壓力來壓燃的;啟動(dòng)系統(tǒng)，其主要作用是通過啟動(dòng)機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。兩大機(jī)構(gòu)與五大系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，保證了內(nèi)燃機(jī)的總效率，缺一不可。

1.3 內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化的必要性

首先，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)前社會(huì)背景下研究領(lǐng)域的進(jìn)步，是新技術(shù)的具體應(yīng)用與實(shí)施。相對(duì)來講，將內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以在最大程度上推動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，從而將存在于理論的知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用，并通過后期的不斷調(diào)整，來優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)，使其符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展規(guī)律，滿足人們的生活生產(chǎn)需求。其次，此項(xiàng)研究是從業(yè)生產(chǎn)中先進(jìn)性的代表?？偟膩碇v，通過內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，可以不斷降低其能耗、提高工作效率，并減少對(duì)環(huán)境的影響，符合當(dāng)前我國的工業(yè)綠色化發(fā)展。與此同時(shí)，此項(xiàng)研究還可以進(jìn)一步推動(dòng)我國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。最后，降低能源的消耗，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，可以提高不可再生能源的利用價(jià)值。內(nèi)燃機(jī)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(fā)揮不可再生能源的利用價(jià)值，進(jìn)而節(jié)約能源，并降低對(duì)環(huán)境的影響。

2 ?現(xiàn)代背景下內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)狀分析

從蒸汽時(shí)代以來，內(nèi)燃機(jī)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了百年的滄桑，在最初的生產(chǎn)過程中，主要是圍繞提升燃燒率、降低噪音等方向進(jìn)行研究，沒有考慮其他的外在影響因素。而在當(dāng)前的背景下，其研究方向主要是零件構(gòu)造的優(yōu)化以及運(yùn)行過程的效益提升。

2.1 零件構(gòu)造的優(yōu)化

總的來講，零件的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要從以下兩點(diǎn)進(jìn)行考慮：首先是零件構(gòu)造參數(shù)的設(shè)計(jì)，其次是離散化界線點(diǎn)的確定。在當(dāng)前社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，針對(duì)這個(gè)問題相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開展深入研究，內(nèi)燃機(jī)零部件優(yōu)化已經(jīng)取得較大成效。如，在某種型號(hào)柴油機(jī)連桿優(yōu)化中，相關(guān)技術(shù)人員將質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)的做法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而較大程度上降低了連桿質(zhì)量。不僅如此，一些參與研究的人員，為進(jìn)一步提升活塞適應(yīng)的最高溫度，對(duì)其應(yīng)力方面進(jìn)行研究、改造，從而減少其重量，提升其熱適應(yīng)能力。結(jié)合實(shí)際情況來看，內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其優(yōu)化研究的重點(diǎn)內(nèi)容是零件大小、重量以及材料的優(yōu)化。在這之中，研究內(nèi)容還有連桿、曲柄等零部件。由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以借助有限元的方式來進(jìn)行計(jì)算。

2.2 運(yùn)行流程的優(yōu)化

結(jié)合實(shí)際情況來看，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行流程的優(yōu)化還處于發(fā)展期階段，多年以來都沒有較大的技術(shù)突破。研究方向的確定以及機(jī)器運(yùn)行流程的完善都處于起步階段，影響流程優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新的主要因素是基于多種模擬技術(shù)的整體連接體系的優(yōu)化。具體來講，可以分為以下幾點(diǎn)：在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行流程模擬中，多個(gè)系統(tǒng)互相影響、而又共同工作，這導(dǎo)致其計(jì)算過程過于復(fù)雜，在計(jì)算時(shí)會(huì)消耗大量的時(shí)間;由于系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，需要對(duì)幾個(gè)系統(tǒng)以及機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、優(yōu)化，這無疑提升了內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行流程的研究難度，導(dǎo)致研究并未取得較大的突破。

3 ?內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體應(yīng)用

3.1 零部件結(jié)合設(shè)計(jì)

伴隨著科技的不斷進(jìn)步，新型內(nèi)燃機(jī)的研究已經(jīng)取得一定的成效，并應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域的活動(dòng)中。在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)零件構(gòu)造分析的過程中，需要將內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)特征視為研究出發(fā)點(diǎn)。其整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也意味著在研究過程中需要準(zhǔn)確的對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)大小、材料等方面進(jìn)行分析。在實(shí)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要結(jié)合有效的方式對(duì)內(nèi)部零件的變形進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)前廣泛使用的計(jì)算方式是有限元計(jì)算方式。在力學(xué)模型邊界條件的計(jì)算中，應(yīng)正確分析并計(jì)算零部件的受力情況，從而計(jì)算出零部件自身承受壓力的最大值。針對(duì)內(nèi)燃機(jī)零部件的優(yōu)化，其中存在兩個(gè)最為主要的限制性因素：重要零件的參數(shù)構(gòu)造以及離散化界線點(diǎn)的確定。針對(duì)這兩個(gè)急需解決的問題，我國在內(nèi)燃機(jī)零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化上已經(jīng)取得較大的技術(shù)突破，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行不同零件的優(yōu)化。舉一個(gè)簡單的例子，我國在四號(hào)柴油機(jī)連桿的優(yōu)化中，大多數(shù)研究人員以對(duì)其質(zhì)量的優(yōu)化作為研究核心，通過結(jié)合目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其中的一些重要參數(shù)進(jìn)行改造完善，從而降低其質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。在這一過程中，連桿既符合實(shí)際的應(yīng)用要求，也可以保證其使用效益。此外，為進(jìn)一步提高活塞的最高適應(yīng)溫度，研究人員對(duì)活塞自身的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力改造進(jìn)行探究，從而降低其重量，提升活塞的熱適應(yīng)能力。

3.2 運(yùn)行流程的設(shè)計(jì)研究

總的來講，內(nèi)燃機(jī)從誕生至今，其運(yùn)行流程的優(yōu)化研究一直處于發(fā)展緩慢的狀態(tài)，在經(jīng)過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷完善下，其優(yōu)化流程也逐漸提升。在最開始的流程優(yōu)化研究中，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)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(yùn)行流程的優(yōu)化都是難以攻克的障礙點(diǎn)?？偟膩碇v，這一工作研究的中心在熱力流程以及熱傳送的模擬技術(shù)。考慮到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部多結(jié)構(gòu)的互動(dòng)、連接，其連接體系可以進(jìn)一步優(yōu)化，問題主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，有何種辦法通過一般的解析，對(duì)需要優(yōu)化的條件進(jìn)行表述。其次，在進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化模擬時(shí)，其計(jì)算過程較為復(fù)雜，消耗的時(shí)間也比較多。最后，內(nèi)燃機(jī)流程優(yōu)化需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)、整體進(jìn)行優(yōu)化。上述問題成為制約內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行流程優(yōu)化的關(guān)鍵，我國研究人員也一直致力于流程優(yōu)化的研究，但一些資料與實(shí)踐顯示，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行流程優(yōu)化存在一定隨機(jī)性，這就需要在之后的研究中，明確對(duì)參數(shù)的對(duì)比，盡快尋找到創(chuàng)新發(fā)展的方向。

4 ?內(nèi)燃結(jié)構(gòu)優(yōu)化的預(yù)期

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項(xiàng)長期的研究工作，需要相關(guān)人員進(jìn)一步分析。結(jié)合實(shí)際情況來看，技術(shù)人員在對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，大多情況下是以個(gè)人的主觀意識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化處理。盡管這些參數(shù)是工作人員經(jīng)過不斷的實(shí)踐而總結(jié)出來的，大多都來源于實(shí)際操作所得的數(shù)據(jù)，但還存在很大程度的隨機(jī)性?；诖?，在后期的研究中，筆者認(rèn)為相關(guān)技術(shù)人員在提升內(nèi)燃機(jī)整體性能的前提下，還要對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化。例如，目前大多數(shù)的內(nèi)燃機(jī)是不能看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，結(jié)合人們的發(fā)展需要，可以適當(dāng)采用開放設(shè)計(jì)，從而為相關(guān)人員進(jìn)行流程優(yōu)化時(shí)，提供更多、更直觀的參考。這樣可以在最大程度上節(jié)省研究人員的時(shí)間，避免因?yàn)橐粋€(gè)小問題而反復(fù)拆裝。

5 ?結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，內(nèi)燃機(jī)的適用范圍逐漸擴(kuò)散到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)以及生活帶來巨大的便利。在這樣的背景下，對(duì)內(nèi)燃機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，借此來實(shí)現(xiàn)我國社會(huì)建設(shè)現(xiàn)代化以及綠色節(jié)能化的發(fā)展。通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化發(fā)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(fā)展趨勢指明方向。內(nèi)燃機(jī)的研究發(fā)展，不僅可以推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，還可以促進(jìn)我國社會(huì)建設(shè)發(fā)展。

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作者簡介：葛毅（1982-），男，湖南長沙人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、職業(yè)教育教學(xué)改革;鄒洪富（1987-），男，湖南常德人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、職業(yè)教育教學(xué)改革;張靜（通訊作者）（1986-），女，湖南長沙人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。