内燃机零部件结构设计及应用

刘志坚 张力 杨洁

摘要：随着社会现代化的不断发展，诸如汽车、机械、船舶等现代化的机械设备不仅改变了人们的日常生产生活方式，还对交通运输、工业、农业，乃至于国际事业的发展发挥着不可替代的重要意义。然而，在能源危机的大背景下，如何提升能源的利用效率从而为环境保护发挥着持续的贡献力，成为了当前人们需要关注的热点问题之一。本文以内燃机零部件结构作为研究切入点，希望能够在分析内燃机零部件结构设计的同时，阐述内燃机零部件结构的优化情况，为内燃机零部件结构设计的优化提供新的参考思路，从而达到最大限度地挖掘内燃机潜力的目的。

关键词：内燃机;内燃机零部件结构;优化设计

中图分类号：TK402                                       文献标识码：A                                     文章编号：1674-957X（2020）20-0012-02

0  引言

作为近代工业文明发展的产物之一，内燃机凭借着其自身优越的性能不仅取代了蒸气机，而且在现代机械应用领域中发挥着不可替代的重要作用。随着大数据等先进技术水平的不断提升，原有的内燃机零部件结构设计依然无法满足现代机械设备的应用需要。为了能够最大限度地优化内燃机的性能，从而提升内燃机零部件结构设计的经济性、舒适性、美观性的需求，从而降低机械设备所排放出来的危害气体，优化内燃机零部件结构设计变得越来越迫切。

1  内燃机零部件结构优化设计的必要性分析

内燃机零部件结构是内燃机正常运作的基础，内燃机在运转的过程中能够为机械设备提供源源不绝的动力，然而由于现有的内燃机零部件结构设计的缺陷，内燃机在使用的过程中，不仅存在社会能源资料的大量消耗的现象，还使得内燃机在使用的过程中产生了大量的二氧化碳等污染物，这些大量的污染物的排放对于环境友好型社会的建立产生了负面的问题。为此，如何控制好内燃机在使用时的燃油消耗以及二氧化碳等气体的排放，成为了当前人们需要关注的问题之一。为了能够优化内燃机零部件结构的性能，大量高性能、低消耗、少污染的机型不断被研发出来，切实有效的缓解了内燃机原本存在的环境污染以及能源消耗的问题。一方面，分析内燃机零部件结构设计及应用能够更好地实现对能源的高效利用，提升社会能源资料的使用效率，有效缓解能源危机问题所带来的负面影响，充分发挥出内燃机在农业、工业、国防等多個领域的重要价值。另一方面，由于内燃机零部件结构设计的特殊性，导致内燃机零部件结构优化是一个非常复杂的系统工程，通过分析内燃机零部件结构设计能够优化内燃机零部件结构形式，为我国产业结构的转型升级提供充裕的动力，从而为社会主义现代化建设奠定基础。

2  内燃机结构分析

内燃机主要由两大机构以及五大系统所构成，其中，两大机构分别指的是曲柄连杆机构以及配气机构，而五大系统则指的是润滑系统、燃料供给系统、冷却系统、点火系统以及起动系统。曲柄连杆机构是内燃机正常运转的机构，借助于曲柄连杆机构能够有效的实现内燃机内部能量的传输，从而为机械设备的运转提供充足的动力;而配气机构则是内燃机内部气体的进入以及排放的渠道，内燃机在运作的过程中会下达指令至配气机构中，由配气机构承担起气门开启关闭的职责;内燃机内部的机械结构会产生一定的热量，再加上长时间的使用会使得内燃机存在一定的污渍，而润滑系统则通过为内燃机提供润滑的服务从而在内燃机的内部中起到润滑、清洁、散热的作用;内燃机的正常运转离不开可燃气体，燃料供给系统则会将其内部的可燃气体进行充分的燃烧，利用燃烧过程中所产生的能量为内燃机提供动力;冷却系统是内燃机的核心结构，冷却系统能够将内燃机在使用过程中多余的热量进行散发，从而确保内燃机处于稳定的工作状态;点火系统是内燃机动力的引燃点，不同类型的内燃机的点火系统也随之不同，针对于汽油机的内燃机则需要依靠点火线圈，而柴油机的内燃机则需要借助于缸内内部压力压燃;起动系统是内燃机使用的核心，内燃机的使用是一个由静到动的过程，通借助于起动系统能够迅速的使内燃机进入到工作状态，从而保障内燃机的正常使用。

3  内燃机零部件结构设计及应用的优化分析

3.1 内燃机零部件结构设计优化分析

由于内燃机内部结构的复杂性使得内燃机零部件结构设计优化同样面临着重重的挑战，内燃机零部件结构涉及到连杆、曲轴以及活塞等多种零部件，每一个零部件自身的内在结构也同样十分的繁琐，使得内燃机在使用的过程中承担了较大的工作负荷。为此，如何结合内燃机零部件结构的特点实现内燃机内部零件的构造、大小、形状的优化成为了当前人们需要关注的重点问题。一般来说，内燃机零部件结构设计优化需要借助于界限元或有限元法进行分析，如在使用有限元法时不仅需要关注内燃机主要零部件的静、动应力的计算，还需要重点关注内燃机零部件结构变形的计算，然而由于现有的技术条件的限制以至于人们无法结合内燃机内部结构的现状，准确的计算出内燃机零部件的实际受力及支承约束状况，无形中削弱了有限元法的使用效果。

为了能够实现内燃机零部件结构设计优化，一方面，在进行内燃机零部件结构设计优化时，工作人员可以以内燃机零部件重要构造参数的调整作为优化的切入点，通过改变内燃机零部件重要构造参数数据的内容，从而达到优化内燃机零部件的目的。除了调整内燃机零部件重要构造参数之外，工作人员还可以关注内燃机自身离散化的界限点，由于现有的信息技术能够通过引入应力聚集系数和质量系数模型的形式，来模拟出内燃机零部件界限的形状。以四缸柴油机连杆的构造优化设计为例，工作人员结合四缸柴油机的特性，将四缸柴油机连杆质量作为目标函数，以此为基础对四缸柴油机连杆的重要参数进行了优化计算，并借助于大数据信息技术的方式，迅速计算出不同参数变化下内燃机所产生的变化，从而有效的将四缸柴油机连杆质量减少了15%左右。另一方面，以机械热应力与应力作为切入点，优化内燃机零部件结构也不失为一种好方法。通过优化机械热应力与应力相关的构造优化设计，能够有效的提升内燃机零部件结构对于最高温度的承受能力，增强了内燃机能量的传导性，从而提升内燃机的可持续运转能力。

3.2 内燃机零部件结构运转流程的优化

与内燃机零部件结构设计优化进程相比，由于受到理论研究以及技术应用条件的限制，使得我国的内燃机零部件结构运转流程的优化正处于发展的初始阶段。内燃机零部件结构运转流程的优化主要关注的是内燃机零部件燃烧程序以及内燃机运转过程中的热量传送等，这使得内燃机零部件结构运转流程的优化更多的是关注气体热力和动力学等相关理论研究基础。然而，现阶段内燃机零部件结构运转流程的优化面临着三个方面的障碍问题：

第一个方面，由于内燃机零部件结构运转流程的优化涉及到整体连接体系，然而由于内燃机零部件结构运转流程在优化时主要以偏微分方程组的解的形式进行呈现，使得工作人员需要以解析式的形式展现出内燃机零部件的约束条件及目标函数，对于解析式中参数的取值提出了较为严苛的要求。

第二个方面，内燃机零部件结构运转流程的优化需要从全局的角度进行分析，内燃机零部件结构运转流程具有“牵一发而动全身”的特点，为此，工作人员不仅需要考虑目标设计改变量所带来的优化成效，还需要考虑该目标设计量在改变的状态下一个子程序之间的耦合性，对于工作人员的综合素养提出了较为严苛的要求。

第三个方面，内燃机零部件结构运转流程对于信息技术的应用提出了新的要求。为了评估内燃机零部件结构运转流程優化所带来的影响，工作人员需要利用信息技术来模拟大量的子系统，繁琐的内燃机零部件结构运转流程模拟计算过程，延长了内燃机零部件结构运转流程优化时间。为了能够实现内燃机零部件结构运转流程优化的目标，引入大数据信息技术成为了解决问题的重要渠道，大数据信息技术具有强大的解决技术能力以及更大容量的数据存储量，工作人员可以通过大数据信息技术，来模拟不同状态下内燃机零部件结构运转流程，优化所带来的成效，再加上遗传计算方法的广泛应用，为内燃机零部件结构运转流程优化提供了新的方向。

4  内燃机零部件结构设计及应用设想分析

4.1 内燃机零部件结构基本参数的设计优化设想分析

现阶段，内燃机零部件结构基本参数的设计优化主要凭借工作人员的实际工作经验为主，对于工作人员的综合素养提出了较高的要求，如果工作人员的实际经验丰富那么能够确保其选取的参数在设计规则的限定内，否则将会导致所选择的内燃机零部件结构基本参数存在随意性和偶然性的问题。以内燃机整体功能优化为目标选择参数，不仅能够充分的考虑到热力学流程、温度等元素对于内燃机零部件结构的影响，还能够摆脱内燃机零部件结构基本参数选择时对于工作人员经验的依赖，增强内燃机零部件结构优化设计的指向性，提升内燃机零部件结构优化的经济效益。

4.2 可视化的内燃机零部件结构设计优化设想分析

随着可视化技术水平的不断提升，原有的内燃机零部件结构运转流程优化设计将会从非开放形式的设计朝着开放形式的设计方向发展，在可视化的内燃机零部件结构设计状态，工作人员将会掌握内燃机零部件结构运转流程优化的主动向，及时调整好内燃机零部件结构运转流程，优化过程中运行有问题的流程。避免出现过去需要再次从头做起的尴尬现状。此外，可视化的内燃机零部件结构设计优化能够提升样机试验的整体工作效率，以便于工作人员实时掌握内燃机更替流程的具体情况，及时处理好结构合理性和工艺的限制等方面的问题，缩短内燃机试验的时间，提升内燃机零部件结构设计优化及应用的整体工作效率。

5  结束语

综上所述，内燃机零部件结构的优化主要以内燃机零部件结构设计以及运转流程的优化为主，随着技术的不断更新，未来可视化的内燃机零部件结构设计优化等设想将会成为可能。

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