内燃机零部件结构设计及应用

林翔

摘要：内燃机是当前时代环境下应用非常广泛的动力机械，通过将燃料燃烧释放的热能转化为动能，从而为机械设备提供动力。是当前工业生产以及交通运输中非常核心的机械设备。内燃机对社会发展的重要性不言而喻，因此对内燃机的研究从未间断。本文对内燃机零部件结构设计及应用进行简单的分析探讨。

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                                  文章編号：1674-957X（2020）21-0020-02

0  引言

内燃机是将气体或液体燃料同空气按照一定的比例混合，输入内燃机内部，燃料燃烧时爆发热量，将热能通过活塞运动转化为机械能，为设备提供机械动力。因此内燃机的零部件结构是围绕以下几点进行设计的：构建封闭环境、设计热能与机械动能转化结构、构建动力传达结构。日常生活中，常见的内燃机有柴油机和汽油机，在汽车中应用尤为广泛，下面以汽车发动机为例，分析内燃机零部件结构设计，并就其实际应用进行探讨。

1  内燃机的发展历史

内燃机的基本理念最早是由荷兰的物理学家惠更斯提出来，他最初是希望将火药爆炸时产生的能量，转化为需要的动力，并对此进行了一定的研究，但是由于当时实验环境的问题，火药爆炸所产生的能量无法很好的控制，因此没有成功。之后在18世纪末，英国的斯特里特经过不断的实验，提出了从燃料中获取机械动力的方法，他第一次提出了将燃料和空气混合产生的热量，转化成需要的动力。由此，内燃机的基本理念诞生了。直到1833年，由英国人赖特提出了活塞做功的机械装置，即通过将燃料置于固定的装置，使得燃烧产生固定的推动力，然后进行动力作用，这时内燃机的基本雏形形成了。

到达19世纪中期，以英国科学家为主的不同研究人员逐渐完善了以不同燃料为基础的热能转化为机械动能的基础理论，给后期内燃机的形成、发展、完善奠定了良好的基础，并由于其效率高，机动性好，在最初形成之后，就得到了非常广泛的应用，形成了非常庞大而又重要的工业体系，并给这些工业体系提供了基本和重要的动力支持，为后期工业革命以及工业领域的爆发式增长打下了基础。这个应用主要是汽车、工程机械、船舶、小型飞机以及一些基础的工业设备，特别是在汽车上，内燃机获得了最大程度的应用。

成熟的内燃机在1876年由德国的科学家奥托设计并实现，他创造设计了世界上第1台往复活塞式内燃机，其设计结构基本和设计理念成为了后来内燃机改造完善的基础，并由于其性能和效率的优越性，迅速的得到了推广和普及，大大的推动了汽车行业的发展。而随着石油的开发，汽油的产生，进一步的推动了内燃机的完善和发展。

到如今内燃机已经成了世界发展前行过程中必不可少的一种动力机械。其基本原理虽仍然是将燃料的热能转化为机械动能，但是由于当前材料科学、结构科学以及结构设计等技术的不断突破和前行，内燃机也得到了最大程度的完善改造，发挥其最大的动力特性，为人们的需要提供最大的动力支持。

2  内燃机零部件结构

内燃机的零部件结构根据不同的内燃机类别，有着不同的构成和分类，本文主要对应用在汽车上的发动机进行结构介绍。

2.1 曲柄连杆机构

发动机的工作机制和工作循环以及主要运动零件是曲柄连杆机构，这个连线构造是发动机的核心，是进行发动机能量转化的关键。曲柄连杆机构是由机体组、曲轴飞轮组以及活塞连杆等不同的组件构成，在发动机运转过程中，首先燃料在燃烧室燃烧，使得活塞承受燃料所产生的巨大压力，而这些压力根据结构化设计做直线受力，使得连杆获得直线推动力，然后通过曲轴飞轮的作用，将这些直线的动力转化为旋转动力，并使得曲轴飞轮进行旋转运动，然后以曲轴飞轮为纽带，将其获得的动力输送给下一个组件。曲柄连杆机构是进行动力转化的核心所在，是使得燃料燃烧所产生的动力转化成旋转动力共识汽车前行的基础，结构合理，构建质量良好的曲柄连杆机构，能够有效的提升和保障发动机的燃料燃烧产生能量的利用效率，是判断一个发动机类型基本质量的关键。

2.2 配气机构

发动机的配气机构顾名思义就是配送空气的机构。发动机使用的燃料主要是柴油和汽油，当然目前也有许多的燃气发动机，但这些燃料燃烧时都需要配置比例一定的空气，这样才能够保证燃料能够燃烧并产生能量，而且一定的空气比例，能够保证燃料燃烧的更加充分。配气机构是控制进气门和排气门开启关闭的结构，通过控制进气门，使得一定量的空气进入到气缸中，并使燃料在一定量的空气下燃烧过后产生的废气，通过排气门，从气缸中排出，从而实现发动机的换气过程。目前发动机的配气机构主要由气门组、气门传动和驱动组组成，是保证发动机燃料正常在气缸中燃烧的基本结构。

2.3 燃料供给系统

燃料供给系统根据燃料种类的不同有着不同的区分和结构，汽油机的燃料供给系统，是通过发动机结构配置出数量和浓度在一定范围内的混合气，并将其导入气缸当中，使其在气缸中燃烧，并使燃烧后的废气从气缸中排出，柴油机的燃料供给系统，是将柴油和空气按照一定的比例共入到气缸当中，在燃烧室中燃烧提供能量，并将燃烧后产生的废气排出。不论是汽油机还是柴油机，燃料供给系统都需要根据燃料的特性，控制燃料同空气的比例，并按照一定的规律进行燃料的供给，使得发动机能够稳定正常的运转。燃料供给系统同配气系统有着非常深入紧密的联系，这两者是发动机燃料提供充分的能量和动力的基本保证。

2.4 冷却系统

发动机的冷却系统是保证发动机能够长时间稳定运转，降低出现故障几率的保障。由于发动机在运转过程中会产生大量的热量，而这些热量往往会导致发动机的部件温度升高，而一旦发动机部件温度升高，就会导致部件的磨损加快，大大的降低发动机的使用说明，同时也会大大的增加发动机产生故障的几率。因此冷却系统是发动机中维护发动机正常运转，提高发动机使用寿命的保障。发动机的冷却系统主要是由水泵、风扇、水箱、节温器等组件构成，功能和作用良好的冷却系统对于发动机有着极大的帮助。

2.5 点火系统

点火系统是发动机启动的关键，发动机的启动首先需要点燃发动机气缸中的燃料，然后才能保障发动机后续的不断运转。在发动机的初步启动过程中，通常采用火花塞将气缸中的燃料进行初步的点燃，然后，气缸中产生的能量和热量就能够保证后续进入气缸中的燃料，能够继续燃烧产生热量，持续不断的运转。发动机的点火系统一般由蓄电池、点火，线圈、火花塞等组件构成，是发动机初步启动的引导机构。

当然根据发动机类型的不同以及功能结构性质的不同，还有着许多不同的结构构造，但是每一种类型的发动机，其基本的构成都需要这些，这些机构构成是维持发动机运转，保证发动机能够提供稳定动力的基础，也是发动机的基本组成结构。

3  内燃机零部件结构设计方法

内燃机的零部件结构设计目前大多数采用电脑模拟软件或3D模型软件进行设计，通过对电脑软件的应用，将需要设计的内燃机零部件结构在这些电脑软件上实现，并通过电脑软件的功能进行修改，然后利用设计动力学运转模型，将这些设计好的零部件进行功能模拟，最终使用3D模型软件将零部件利用精细化机床设备打造出来，并通过实践验证，确定在实际应用过程中所设计的零部件基础功能是否达到设计的目的。

内燃机不同组成结构有着不同的功能和作用，每一个部件都在内燃机的正常运转过程中发挥着不可代替不可缺少的作用，因此每一个内燃机零部件的构架设计都是非常重要的，需要通过严格的设计以及制造，让每一个部件都能够获得最好的技术支持，从而为内燃机整体的运转发挥出最大的作用。下面通过对内燃机曲轴结构的设计进行介绍，简单阐述内燃机零部件结构设计方法。

内燃机曲轴结构设计之前，首先需要分析曲轴结构的基本要求和需要。曲轴结构最基本的要求是要有足够大的强度，特别是曲轴结构当中曲柄部分的弯曲疲劳强度，以及动力传输端的静强度，这是保障动力能够有效传达的基本要求。其次是要有足够的刚度，保证能量传递效率，就需要曲轴结构有着足够的帮助，尽可能的降低曲轴的变形，从而保证曲轴轴承以及活塞连杆之间的可靠性工作。曲轴结构的设计基本要求还要有合理的曲柄排列，合适的平衡块，油孔布置的合理性等等。

然后需要结合内燃机自身的结构形式，以及自身特殊的要求，对曲轴结构进行结构形式的确定。这个过程基本上需要确定曲轴结构的结构样式。目前主要通过电脑的模拟软件以及三维立体软件进行立体化设计，在有需要的时候还需要设计出动力运转数学模型，通过可靠的数学模型进行曲轴结构的可靠性实验，并对其具体的尺寸大小进行精密的计算设计。电脑软件的设计和三维立体样式的确定能够最大程度的提高结构的精度。然后通过对曲轴结构的基本要求进行分析，确定不同部分强度、刚度以及其他性能的铸造工艺，以及所采用的材料，从而最终确定曲轴结构的最终设计。并在曲轴结构最终设计完成后，进行初步的铸造，然后对铸造后的曲轴结构进行实践验证，确定其是否满足需要和要求。在验证过程中有着谨密的实验流程，内燃机每一个组成构件的设计制造都需要严格的按照实验流程进行功能性能，内燃机每一个构造结构的设计制造都需要严格的按照验证流程，进行其功能性能的验证，最终获得结构设计合理性以及可行性的基本判断。

目前内燃机曲轴结构的强度验证以及应力分析主要采用专门的软件CAE进行，是构建基本的数学模型，进行校核的一种先进验证方式，这种验证方式由于其高效性以及精准性，大大的降低了核验所需要的时间，因此迅速得到了人们的认可，同时经过不断的实践，精准性也得到了大大的提升，有一定的保障。基本性能和结构的验证是每一个内燃机构造都需要进行的一个过程，是内燃机在实际应用过程中高效稳定运转的可靠保障，是内燃机零部件结构设计和应用的不可缺失的一个过程。因此在内燃机的零部件结构设计过程中，要充分的重视最后的性能验证过程，这是保证零部件结构设计应用的关键。

4  结语

內燃机的零部件结构设计是内燃机不断发展前行的基础，通过不断的引入先进的材料科学、结构科学、数学模型等，不断的提高零部件结构设计的能力，从而开发出更加合理完善的内燃机零部件结构，不断的推动内燃机发展前行，让内燃机为社会的发展以及需要提供更多的助力。

参考文献：

[1]陆安宇.内燃机零部件结构设计及应用[J].内燃机与配件，2019（06）：21-22.

[2]郑忠才，曹跃芳，曹震.模态分析及其在内燃机零部件结构设计中的初步应用[J].小型内燃机，1994（02）：21-26.

[3]于彦良.当代发展前景下内燃机结构设计优化改进设想[J].内燃机与配件，2017（009）：6-7.

[4]王昌林，付艳丽，刘琳琳.振动测试技术在内燃机结构设计中的应用[J].内燃机与配件，2019（012）：171-172.

[5]左正兴，冯慧华，廖日东，等.内燃机复杂零部件计算机辅助建模应用技术[J].北京理工大学学报（英文版），2000，9（4）：451-458.