內(nèi)燃機零部件結構設計及應用

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摘要:不同時期工業(yè)行業(yè)發(fā)展對動力需求具有明顯差異。在現(xiàn)階段全球經(jīng)濟一體化發(fā)展的基礎上，要充分發(fā)揮內(nèi)燃機的應用優(yōu)勢，在保證其運行效率的同時降低有害氣體的排放，從而促進新時期環(huán)境友好化發(fā)展。本文闡述了內(nèi)燃機發(fā)展過程，并對內(nèi)燃機結構組成、內(nèi)燃機零部件結構設計的必要性和重要性進行分析，并從內(nèi)燃機零部件結構設計、內(nèi)燃機運行流程設計兩個方面展開討論，最后針對內(nèi)燃機零部件結構設計做出展望，旨在促進內(nèi)燃機零部件結構設計的科學和創(chuàng)新。

關鍵詞:內(nèi)燃機；零部件；結構設計

0引言

內(nèi)燃機是近代工業(yè)文明發(fā)展的重要產(chǎn)物，在其應用過程中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性和高效性，在工業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代機械應用等方面都發(fā)揮著不容小覷的推動作用。隨著新時期科學技術和信息技術的發(fā)展，內(nèi)燃機原有的零部件結構難以滿足工業(yè)發(fā)展需求和社會發(fā)展趨勢，因此要借助新時期的技術優(yōu)勢進行內(nèi)燃機零部件結構設計，在提升內(nèi)燃機運行效率的同時實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護。從社會經(jīng)濟效益來說，內(nèi)燃機的改進和發(fā)展直接影響著國民經(jīng)濟的提升；從生態(tài)環(huán)境狀況來說，內(nèi)燃機的應用排放了大量廢氣嚴重污染空氣環(huán)境。因此，要保證經(jīng)濟效率和生態(tài)環(huán)境的均衡性，科學設計和應用內(nèi)燃機零部件結構。本文針對如何結合新時期社會發(fā)展設計內(nèi)燃機零部件結構做出以下探討，并對其應用設想展開具體分析。

1內(nèi)燃機發(fā)展過程分析

內(nèi)燃機在不同學者研究和補充的基礎上不斷完善，最終成為了工業(yè)革命中占據(jù)重要地位的機械設備。其中，荷蘭物理學家惠更斯在研究火藥爆炸時最先提出了內(nèi)燃機理念，希望根據(jù)火藥爆炸產(chǎn)生的能量實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)化，但是由于當時實驗條件落后，難以準確控制火藥爆炸所產(chǎn)生的能量，因此未能達到預期的動力轉(zhuǎn)化效果。到了1794年，英國的斯特里在荷蘭物理學家惠更斯內(nèi)燃機理念的基礎上進行反復實驗，最終提出了利用燃料獲取機械動力的概念，并且首次提出在燃料和空氣混合的基礎上產(chǎn)生熱量，以此來轉(zhuǎn)化為動力，從而形成了基礎的內(nèi)燃機理念。到了1833年，英國人賴特結合內(nèi)燃機理念提出了將燃料放置于固定的機械裝置中，并利用燃料燃燒時所產(chǎn)生的推動力實現(xiàn)活塞做功，為后期內(nèi)燃機的形成和完善奠定堅實基礎。在19世紀中期，越來越多研究人員在內(nèi)燃機方面展開深入研究。其中，部分學者利用不同燃料作為熱能來實現(xiàn)機械動能的轉(zhuǎn)化，同時形成了科學完善的理論體系，為內(nèi)燃機的形成和發(fā)展提供了理論參考。由于內(nèi)燃機具有較高的效率和較強的機動性能，所以在形成初期就被應用到多個領域，并在此基礎上構建了重要且系統(tǒng)的工業(yè)體系，有利于后期社會發(fā)展中的工業(yè)革命和工業(yè)領域經(jīng)濟發(fā)展。隨著內(nèi)燃機的改進和完善，被逐步應用在拖拉機、汽車、農(nóng)業(yè)機械、工程機械以及小型移動電站等領域，同時基礎工業(yè)設備也有所涉及，充分發(fā)揮內(nèi)燃機的積極作用。到了1876年，德國科學家奧托在逐漸完善的內(nèi)燃機及其理論基礎上繼續(xù)進行優(yōu)化和設計，并制造了世界上第一臺往復活塞式內(nèi)燃機，從而形成了成熟的內(nèi)燃機結構和基礎理念。往復活塞式內(nèi)燃機表現(xiàn)出明顯的高性能、高效率，因此得到了大范圍的推廣和應用，在極大程度上提高了汽車行業(yè)的發(fā)展水平。另外，石油和汽油的出現(xiàn)為內(nèi)燃機的改進和完善提供了重要依據(jù)，促使內(nèi)燃機更加科學和先進。當前，內(nèi)燃機已經(jīng)成為社會經(jīng)濟建設和工業(yè)行業(yè)發(fā)展中的基礎動力機械，并且隨著新時期信息技術和設計理念的更新不斷改進和完善。通過將科學的材料科學、結構設計等理念和技術應用在內(nèi)燃機設計中，不僅能夠充分發(fā)揮內(nèi)燃機的動力特性，還可以促進內(nèi)燃機的優(yōu)化和創(chuàng)新。

2內(nèi)燃機零部件結構設計的相關概述

2.1內(nèi)燃機結構組成

內(nèi)燃機主要由曲柄連桿機構、配氣機構兩大機構和冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)以及燃料供給系統(tǒng)等五大系統(tǒng)共同組合而成。其中，曲柄連桿機構是內(nèi)燃機運行中必不可少的機構，主要是利用曲柄連桿機構傳輸內(nèi)燃機內(nèi)部結構中的能量，以此來提供動力保證機械設備的正常運作；配氣機構直接影響著內(nèi)燃機內(nèi)部結構中氣體的進入和排放，主要是在內(nèi)燃機運作的過程中根據(jù)相關指令展開工作，并履行開啟和關閉配氣機構氣門的職責。冷卻系統(tǒng)作為內(nèi)燃機運行的和型結構，主要是散發(fā)內(nèi)燃機運行過程中多余的熱量，促使內(nèi)燃機內(nèi)部結構處于平衡穩(wěn)定的運作狀態(tài)；潤滑系統(tǒng)主要是發(fā)揮其具備的潤滑、散熱作用，還能夠清潔內(nèi)燃機在長期使用下產(chǎn)生的污漬，以此來保證內(nèi)燃機內(nèi)部結構的清潔；起動系統(tǒng)直接影響著內(nèi)燃機的應用質(zhì)量和應用效果，在起動系統(tǒng)應用的基礎上能夠促使內(nèi)燃機快速實現(xiàn)由靜到動的轉(zhuǎn)化過程，在短時間內(nèi)進入安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)，確保內(nèi)燃機的正常應用和相關工作的順利開展；點火系統(tǒng)屬于內(nèi)燃機內(nèi)部結構中的引燃點，與內(nèi)燃機的運行狀態(tài)直接相關，需要注意的是，內(nèi)燃機類型不同，其內(nèi)部結構中的點火系統(tǒng)也不同相同，例如柴油機內(nèi)燃機需要利用內(nèi)部壓力進行工作，而汽油機內(nèi)燃機需要利用點火線圈進行工作；燃料供給系統(tǒng)主要是根據(jù)相關要求燃燒內(nèi)燃機內(nèi)部結構中的可燃氣體，在其充分燃燒的過程中形成大量熱量，進而為內(nèi)燃機運作提供所需要的機械動力。

2.2優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構的必要性

一方面，內(nèi)燃機作為新時期社會發(fā)展的重要推動力，在信息技術更新和設計理念優(yōu)化的基礎上要對內(nèi)燃機的零部件結構進行優(yōu)化設計，在應用新技術的同時改進和完善內(nèi)燃機；另一方面，內(nèi)燃機作為工業(yè)領域發(fā)展的先進代表，要保證內(nèi)燃機的科學性、先進性，所以要根據(jù)新時期的社會發(fā)展趨勢和行業(yè)發(fā)展需求對內(nèi)燃機零部件結構進行優(yōu)化設計，以此來滿足社會經(jīng)濟提升和行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的標準。相對來說，在內(nèi)燃機應用和發(fā)展中優(yōu)化其零部件結構設計，能夠?qū)⑾冗M的理論知識轉(zhuǎn)化為實踐經(jīng)驗，在一定程度上實現(xiàn)了技術創(chuàng)新和技術發(fā)展，促使內(nèi)燃機零部件結構設計更加符合新時期的社會發(fā)展方向，進而滿足社會生產(chǎn)要求和人們生活需求。另外，我國在新時期社會建設和經(jīng)濟發(fā)展中強調(diào)綠色節(jié)能，那么就要在設計內(nèi)燃機零部件結構時遵循節(jié)能環(huán)保的基本原則，在優(yōu)化設計的過程中提升內(nèi)燃機的運行效率和工作質(zhì)量，同時降低其對能源的消耗和對環(huán)境的影響，以此來滿足我國當前在工業(yè)領域發(fā)展中的綠色化理念。由此可見，在我國綠色發(fā)展理念、節(jié)能社會建設以及工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展等多種需求的基礎上，要對內(nèi)燃機的零部件結構設計進行深入研究，在內(nèi)燃機運行中實現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護的發(fā)展目標，同時促進我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

2.3優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構的重要性

雖然內(nèi)燃機的出現(xiàn)能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的要求，并且能夠提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，但是在內(nèi)燃機運行中會對周邊環(huán)境和空氣質(zhì)量帶來不同程度的影響。所以在現(xiàn)階段要對內(nèi)燃機的零部件結構進行科學設計，從而提高內(nèi)燃機在運行過程中對資源的應用效率，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護。在優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計的過程中，要對其熱效率進行計算和分析，并盡可能降低內(nèi)燃機對周邊環(huán)境的影響和污染。一方面，優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計，能夠結合新時期的信息技術和設計理念創(chuàng)新零部件結構，以此來實現(xiàn)內(nèi)燃機的高性能、低能耗，同時還能夠降低內(nèi)燃機運行中的廢氣排放量，在提升內(nèi)燃機應用效果和運行質(zhì)量的同時，還能夠滿足新時期社會發(fā)展的基本需求，進而促進我國社會效益的提升；另一方面，優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計還能夠?qū)崿F(xiàn)新興技術的改進和發(fā)展，內(nèi)燃機零部件結構設計離不開新興技術的應用，同時還要將科學的理論知識落實到結構設計中，在理論知識和設計實踐的過程中提高了內(nèi)燃機零部件結構的科學性，從而提高了內(nèi)燃機的應用效果和生產(chǎn)效率?？傊ㄟ^優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計，既能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境的保護，又能夠推動新興技術的創(chuàng)新，在此基礎上提高了內(nèi)燃機的應用效果，有利于推動我國工業(yè)行業(yè)發(fā)展和社會經(jīng)濟提升。

3內(nèi)燃機運行優(yōu)化現(xiàn)狀

3.1優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計

由于內(nèi)燃機在不斷完善和改進過程中的構成結構相對來說比較復雜，所以要想提升內(nèi)燃機的運行效率需要對其零部件結構設計進行優(yōu)化，以此來提高內(nèi)燃機零部件結構的科學性和系統(tǒng)性。在優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計的過程中，要根據(jù)內(nèi)燃機類型和運行要求明確零部件的材質(zhì)、大小以及形狀，其中要嚴格挑選活塞、曲柄以及連桿等基礎零部件。在當前的內(nèi)燃機零部件結構設計中，通常采用有限元計算方法對零部件結構進行變形計算和由靜到動的計算。但是由于當計算力學模型具體明確的邊界條件時，有限元計算方法無法得出準確的零部件結構支承約束結果和受力結果，從而影響內(nèi)燃機零部件結構的設計效率。目前，優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計存在以下兩個方面的問題：一方面是如何根據(jù)內(nèi)燃機運行設計零部件的構造參數(shù)；另一方面是如何明確內(nèi)燃機計算力學模型的界限點問題。只有解決上訴兩個方面的問題，才能夠提高內(nèi)燃機零部件結構設計的針對性和應用的有效性。

3.2優(yōu)化內(nèi)燃機運行流程

內(nèi)燃機的運行流程影響著零部件結構設計的應用效果，同時也影響著內(nèi)燃機的整體應用質(zhì)量，那么就要在加強對內(nèi)燃機運行流程的重視和優(yōu)化。雖然內(nèi)燃機具有一百多年的發(fā)展歷史，但是在其運行流程方面始終存在研究難度。目前，如何明確內(nèi)燃機運行流程的研究方向、如何提升內(nèi)燃機運行流程的科學性都是目前的重要研究內(nèi)容。這些研究內(nèi)容都是圍繞內(nèi)燃機的熱力流程模擬技術、熱量傳送模擬技術、燃燒程序模擬技術以及流體流動模擬技術等因素構建完整的流程體系進行優(yōu)化。但是從當前的內(nèi)燃機運行流程狀況來看，還存在以下三個方面的問題：第一，缺乏正確的解析式來表述內(nèi)燃機運行流程優(yōu)化中的目標函數(shù)和約束條件；第二，由于模擬計算內(nèi)燃機運行流程中涉及到的系統(tǒng)較多，并且具有明顯的復雜性和繁瑣性，所以在計算過程中消耗了大量時間；第三，內(nèi)燃機運行流程的優(yōu)化并不是僅對零部件結構設計的優(yōu)化，而是要對兩大機構和五大系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化。因此，現(xiàn)階段優(yōu)化內(nèi)燃機運行流程時具有較高的難度，同時需要先進的計算機設備作為輔助和支持。

4內(nèi)燃機零部件結構設計及具體應用

4.1內(nèi)燃機零部件結構設計

內(nèi)燃機的零部件結構設計需要相關工作人員具備較強的理論能力和設計經(jīng)驗，科學設計零部件結構的基本參數(shù)，進而提高內(nèi)燃機零部件結構設計的科學性和系統(tǒng)性。大多數(shù)工作人員都是憑借自身的設計經(jīng)驗設計內(nèi)燃機零部件結構的基本參數(shù)，這就對工作人員的綜合素養(yǎng)和設計能力提出了更加嚴格的要求，避免零部件結構基本參數(shù)出現(xiàn)隨意性的問題。為了在內(nèi)燃機零部件結構設計中達到預期目標，一方面，工作人員可以根據(jù)內(nèi)燃機的應用要求調(diào)整零部件結構的構建參數(shù)，以此來提升內(nèi)燃機零部件結構設計的科學性和合理性。同時，工作人員還要根據(jù)內(nèi)燃機的運行狀況關注其中存在的界限點離散化問題，充分利用新時期社會的信息技術優(yōu)勢來構建質(zhì)量系數(shù)模型，并且引入應力聚集系數(shù)對內(nèi)燃機零部件結構進行模擬。例如，在四缸柴油機連桿的結構設計過程中，工作人員要對四缸柴油機的性質(zhì)特點進行分析和研究，并將四缸柴油機連桿質(zhì)量作為結構設計的目標函數(shù)，在此基礎上計算四缸柴油機連桿的參數(shù)，最后利用大數(shù)據(jù)技術對內(nèi)燃機零部件結構在不同參數(shù)影響下的變化進行技術，以此來實現(xiàn)四缸柴油機連桿結構優(yōu)化的目標。另一方面，工作人員可以根據(jù)內(nèi)燃機運行中的應力和機械熱應力進行零部件結構設計，主要是提升內(nèi)燃機零部件結構在運行中對溫度的承受能力，從而增強內(nèi)燃機內(nèi)部結構中能量的傳導性，在極大程度上提升了內(nèi)燃機零部件結構優(yōu)化后的可持續(xù)運轉(zhuǎn)能力。總之，在內(nèi)燃機零部件結構設計過程中，要提升工作人員的專業(yè)能力和設計經(jīng)驗，并且確保將科學系統(tǒng)的理論知識作為基礎，通過調(diào)整內(nèi)燃機零部件結構設計的參數(shù)和解決界限點離散化問題來提高零部件結構的合理性，同時還能夠增強內(nèi)燃機零部結構設計過程中的針對性和規(guī)范性，進而利用內(nèi)燃機零部件結構設計提升工作效率和經(jīng)濟效益。

4.2內(nèi)燃機運行流程設計

雖然內(nèi)燃機在發(fā)展的過程中不斷優(yōu)化和完善，但是在其運行流程設計方面所取得的成效并不明顯，因此要在設計內(nèi)燃機零部件結構的過程中關注內(nèi)燃機運行流程的設計，以此來提高內(nèi)燃機的運行效率。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和創(chuàng)新，內(nèi)燃機運行流程也得到了優(yōu)化和改善。在內(nèi)燃機應用初期，其運行流程設計始終處于不完善階段，主要是因為難以明確運行流程設計的研究方向，同時也無法有效優(yōu)化內(nèi)燃機的運行流程設計，這就意味著內(nèi)燃機運行流程設計具有較高的難度。在內(nèi)燃機零部件結構設計的基礎上，工作人員能夠?qū)?nèi)燃機內(nèi)部結構的互動性、系統(tǒng)性以及連接性進行考慮和分析，從而優(yōu)化內(nèi)燃機運行流程設計內(nèi)容和設計方向，在一定程度上節(jié)省了內(nèi)燃機運行過程中的計算模擬時間，并且提高了計算模擬的準確性和科學性。通過對內(nèi)燃機運行流程進行針對性設計，能夠保證整個內(nèi)燃機零部件結構設計的規(guī)范性和合理性，并在參數(shù)對比的基礎上解決內(nèi)燃機運行流程設計中的隨機性問題，有利于提高內(nèi)燃機運行流程的完整和規(guī)范，為內(nèi)燃機的正常運行和高效應用奠定了堅實基礎。

5內(nèi)燃機零部件結構設計展望

內(nèi)燃機在現(xiàn)代化科學技術的推動下始終處于不斷優(yōu)化、不斷完善的狀態(tài)，所以在其零部件結構設計中也要結合時代變化和行業(yè)需求進行改進和創(chuàng)新，以此來滿足社會發(fā)展要求和經(jīng)濟提升需要。在現(xiàn)階段的內(nèi)燃機零部件結構設計過程中，相對依賴相關人員的工作經(jīng)驗和主觀意識，雖然涉及到部分零部件結構計算數(shù)據(jù)，但是仍舊表現(xiàn)出明顯的不確定性，影響內(nèi)燃機零部件結構設計的科學性和合理性。因此，在后期優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構設計時，要重視內(nèi)燃機在運行中的整體性能，并根據(jù)內(nèi)燃機零部件結構構建完善體系，在此基礎上優(yōu)化內(nèi)燃機零部件結構的各項參數(shù)，從而提高內(nèi)燃機零部件結構設計的針對性和有效性。另外，現(xiàn)階段的內(nèi)燃機零部件結構處于封閉狀態(tài)，所以在未來內(nèi)燃機零部件結構設計中要逐步朝向可視化的方向發(fā)展，采用開放式的設計理念和結構模式設計內(nèi)燃機零部件結構，幫助工作人員更加直觀、更加全面地分析內(nèi)燃機零部件結構狀況，在一定程度上節(jié)約了內(nèi)燃機零部件結構設計流程。同時，開放式的內(nèi)燃機零部件結構還能夠優(yōu)化內(nèi)燃機運行中的工作流程，降低了內(nèi)燃機運行流程和零部件結構的繁瑣性和復雜性，有利于提升內(nèi)燃機的運行效率和工作效果。

6結束語

綜上所述，隨著我國現(xiàn)代化科學技術發(fā)展和社會經(jīng)濟提升，內(nèi)燃機零部件結構設計也在不斷優(yōu)化和改進，同時還能夠拓展內(nèi)燃機的應用范圍和提升內(nèi)燃機的應用效果，進而滿足新時期的工業(yè)行業(yè)發(fā)展要求和社會發(fā)展趨勢。通過分析了內(nèi)燃機零部件結構設計現(xiàn)狀，從內(nèi)燃機零部件結構設計、內(nèi)燃機運行流程設計兩個方面探討了如何設計和應用內(nèi)燃機零部件結構，同時對內(nèi)燃機零部件結構設計未來發(fā)展方向進行研究，不僅為解決內(nèi)燃機零部件結構設計問題提供理論參考，還有利于實現(xiàn)我國現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)綠色節(jié)能的社會發(fā)展目標。

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作者:張巍 楊慧明 劉曉慶 程聰費 吳凱 張文波 單位:浙江派尼爾科技股份有限公司 哈爾濱工程大學