内燃机零部件结构设计及应用研究

葛毅 邹洪富 张静

摘要：在当前经济一体化发展、绿色环保理念提出的背景下，社会各领域不断朝着绿色化、节能化的方向发展。在这样的时代背景下，内燃机的应用也要顺应时代的发展，从而在减少对环境污染的同时，还能够保证整体使用效果，提升整体效益。当前，我国对各种类内燃机性能要求越来越细致，不光要考虑其经济效益，还要从外观、经济、环保等多个层面进行思考，从而在最大程度上满足各领域对内燃机零部件结构的需求。

关键词：内燃机零部件;结构设计;应用

中图分类号：TK402                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）07-0188-02

0  引言

内燃机的不断优化推动了社会各领域的发展，在船舶、汽车中随处可见这一设备，同时也在货运航行中起到重要作用。从整体发展角度来看，内燃机与社会的经济发展存在紧密联系，若在使用过程中仅考虑经济效益，而不重视内燃机对环境的影响，就会在一定程度上限制经济的发展。结合这一发展需求以及当前的绿色化发展要求，对内燃机零部件的结构设计进行深入研究，不仅可以保证内燃机使用的热效率，同时还可以减少其对环境的影响，进而实现环保社会建设的发展，为之后的内燃机优化改进提供重要参考。

1  内燃机结构概述

1.1 内燃机优化外在因素

结合实际情况来看，内燃机在工作过程中，其工作原理如下：将一定比例的油气混合物投入燃烧室，借助混合物燃烧产生的能量来推动活塞，由曲柄连杆机构向外输出动力，从而完成一次工作循环。通常来讲，根据燃料进行分类，可以将内燃机分为汽油机和柴油机，在社会各领域都广泛应用。在当前社会不断发展以及绿色化建设背景下，对更高热效率的内燃机进行研究，可以推动农业、工业等多领域的发展。由于内燃机特定的工作机制，其在工作过程中会难以避免的对环境产生一定影响，对经济发展甚至生态环境治理带来一定的工作难度。为此，我国越来越多的企业开始致力于内燃机热效率的提升研究，在保证工作效率的同时，能够在最大程度上降低对环境的影响。在当前的社会时代下，能耗低、性能强悍、污染小的内燃机逐渐成为各领域所青睐的内燃机。总的来讲，进一步优化内燃机的结构，不仅可以保证我国的未来发展，还可以推动社会主义现代化建设。

1.2 内燃机主要结构

结合实际情况来看，为实现内燃机零部件结构的优化，就需要对其总体结构进行分析。总的来讲，内燃机（以汽油机为例）主要分为两大机构和五大系统：曲柄连杆机构，是能量传输机构，其主要作用是实现内燃机的工作循环，完成能量转换;配气机构，其主要作用是在特定的设置时间内，开启和关闭进、排气门，完成废气、新鲜空气的转换。在整个内燃机中，润滑系统的主要作用是保持机体内部零部件的清洁，并具备一定的散热功能;燃油供给系统的主要作用是根据内燃机的不同工况，供给内燃机气缸一定浓度和数量的可燃混合气体，并在燃烧完成后将废气排出内燃机;冷却系统的主要作用是将热量散发到空气中以防止内燃机过热;不同燃料的内燃机点火原理存在一定差异，汽油机点火主要是点火线圈的产生的高压电使火花塞跳火来实现，而柴油机是借助缸内压力来压燃的;启动系统，其主要作用是通过启动机将蓄电池的电能转换成机械能，带动发动机运转。两大机构与五大系统相互协调，保证了内燃机的总效率，缺一不可。

1.3 内燃机优化的必要性

首先，优化内燃机是当前社会背景下研究领域的进步，是新技术的具体应用与实施。相对来讲，将内燃机结构进行优化，可以在最大程度上推动技术的创新与发展，从而将存在于理论的知识转化为实际运用，并通过后期的不断调整，来优化内燃机结构，使其符合当前社会发展规律，满足人们的生活生产需求。其次，此项研究是从业生产中先进性的代表。总的来讲，通过内燃机结构的不断优化，可以不断降低其能耗、提高工作效率，并减少对环境的影响，符合当前我国的工业绿色化发展。与此同时，此项研究还可以进一步推动我国的产业转型，实现我国工业现代化的发展。最后，降低能源的消耗，对内燃机的结构进行深入研究，可以提高不可再生能源的利用价值。内燃机的研究方向是能耗越来越低、使用效益越来越大，在这一研究有利于充分发挥不可再生能源的利用价值，进而节约能源，并降低对环境的影响。

2  现代背景下内燃机结构优化的现状分析

从蒸汽时代以来，内燃机的研究已经经历了百年的滄桑，在最初的生产过程中，主要是围绕提升燃烧率、降低噪音等方向进行研究，没有考虑其他的外在影响因素。而在当前的背景下，其研究方向主要是零件构造的优化以及运行过程的效益提升。

2.1 零件构造的优化

总的来讲，零件的设计优化主要从以下两点进行考虑：首先是零件构造参数的设计，其次是离散化界线点的确定。在当前社会不断发展的背景下，针对这个问题相关企业已经开展深入研究，内燃机零部件优化已经取得较大成效。如，在某种型号柴油机连杆优化中，相关技术人员将质量作为目标函数的做法，对参数进行优化，进而较大程度上降低了连杆质量。不仅如此，一些参与研究的人员，为进一步提升活塞适应的最高温度，对其应力方面进行研究、改造，从而减少其重量，提升其热适应能力。结合实际情况来看，内燃机内部结构复杂，其优化研究的重点内容是零件大小、重量以及材料的优化。在这之中，研究内容还有连杆、曲柄等零部件。由于其结构较为复杂，可以借助有限元的方式来进行计算。

2.2 运行流程的优化

结合实际情况来看，内燃机运行流程的优化还处于发展期阶段，多年以来都没有较大的技术突破。研究方向的确定以及机器运行流程的完善都处于起步阶段，影响流程优化技术创新的主要因素是基于多种模拟技术的整体连接体系的优化。具体来讲，可以分为以下几点：在内燃机运行流程模拟中，多个系统互相影响、而又共同工作，这导致其计算过程过于复杂，在计算时会消耗大量的时间;由于系统的协调性，需要对几个系统以及机构进行整体设计、优化，这无疑提升了内燃机运行流程的研究难度，导致研究并未取得较大的突破。

3  内燃机零部件结构设计及具体应用

3.1 零部件结合设计

伴随着科技的不断进步，新型内燃机的研究已经取得一定的成效，并应用于社会各领域的活动中。在进行内燃机零件构造分析的过程中，需要将内燃机的结构特征视为研究出发点。其整体结构的复杂性也意味着在研究過程中需要准确的对内燃机内部零件结构大小、材料等方面进行分析。在实际的研究中心，其研究涵盖了连杆、曲柄等重要零部件。由于其结构的复杂性，需要结合有效的方式对内部零件的变形进行计算，当前广泛使用的计算方式是有限元计算方式。在力学模型边界条件的计算中，应正确分析并计算零部件的受力情况，从而计算出零部件自身承受压力的最大值。针对内燃机零部件的优化，其中存在两个最为主要的限制性因素：重要零件的参数构造以及离散化界线点的确定。针对这两个急需解决的问题，我国在内燃机零部件的设计优化上已经取得较大的技术突破，在很大程度上实现了对不同类型的内燃机进行不同零件的优化。举一个简单的例子，我国在四号柴油机连杆的优化中，大多数研究人员以对其质量的优化作为研究核心，通过结合目标函数，对其中的一些重要参数进行改造完善，从而降低其质量，实现技术突破。在这一过程中，连杆既符合实际的应用要求，也可以保证其使用效益。此外，为进一步提高活塞的最高适应温度，研究人员对活塞自身的结构以及应力改造进行探究，从而降低其重量，提升活塞的热适应能力。

3.2 运行流程的设计研究

总的来讲，内燃机从诞生至今，其运行流程的优化研究一直处于发展缓慢的状态，在经过现代科学技术的不断完善下，其优化流程也逐渐提升。在最开始的流程优化研究中，内燃机的运行过程研究一直处于一种上下两难的境地，其研究方向的确定以及运行流程的优化都是难以攻克的障碍点。总的来讲，这一工作研究的中心在热力流程以及热传送的模拟技术。考虑到内燃机内部多结构的互动、连接，其连接体系可以进一步优化，问题主要体现在以下几点：首先，有何种办法通过一般的解析，对需要优化的条件进行表述。其次，在进行计算优化模拟时，其计算过程较为复杂，消耗的时间也比较多。最后，内燃机流程优化需要对整个系统、整体进行优化。上述问题成为制约内燃机运行流程优化的关键，我国研究人员也一直致力于流程优化的研究，但一些资料与实践显示，内燃机运行流程优化存在一定随机性，这就需要在之后的研究中，明确对参数的对比，尽快寻找到创新发展的方向。

4  内燃结构优化的预期

内燃机结构优化是一项长期的研究工作，需要相关人员进一步分析。结合实际情况来看，技术人员在对内燃机内部构造进行优化设计的过程中，大多情况下是以个人的主观意识以及经验，对其内部进行优化处理。尽管这些参数是工作人员经过不断的实践而总结出来的，大多都来源于实际操作所得的数据，但还存在很大程度的随机性。基于此，在后期的研究中，笔者认为相关技术人员在提升内燃机整体性能的前提下，还要对多种参数进行不断优化。例如，目前大多数的内燃机是不能看到内部结构的，结合人们的发展需要，可以适当采用开放设计，从而为相关人员进行流程优化时，提供更多、更直观的参考。这样可以在最大程度上节省研究人员的时间，避免因为一个小问题而反复拆装。

5  结语

综上所述，在当前我国社会经济不断发展的背景下，内燃机的适用范围逐渐扩散到社会的各个领域，为人们的生产以及生活带来巨大的便利。在这样的背景下，对内燃机零部件的结构设计进行分析，具有很大的现实意义，借此来实现我国社会建设现代化以及绿色节能化的发展。通过对内燃机结构进行分析，可以发现优化发展过程中存在的一些短板，并指出一些解决问题的参考方向，从而为其发展趋势指明方向。内燃机的研究发展，不仅可以推动这项技术的发展，还可以促进我国社会建设发展。

参考文献：

[1]吴昌华.内燃机力学分析方法的发展沿革.中国力学学会、浙江大学：中国力学学会，2019：16.

[2]王增全，张俊跃，邓春龙.内燃机增压技术军民融合式发展途径探索节能减排是内燃机快速发展的必经之路内燃机行业发展势头看好[A].中国农业机械学会拖拉机分会，2020：1.

作者简介：葛毅（1982-），男，湖南长沙人，工程师，工学硕士，研究方向为机械设计、职业教育教学改革;邹洪富（1987-），男，湖南常德人，讲师，工学硕士，研究方向为机械设计、职业教育教学改革;张静（通讯作者）（1986-），女，湖南长沙人，讲师，工学硕士，研究方向为机械设计。