內燃機零部件結構設計及運用

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摘要：內燃機是當前時代環境下應用非常廣泛的動力機械，通過將燃料燃燒釋放的熱能轉化為動能，從而為機械設備提供動力。是當前工業生產以及交通運輸中非常核心的機械設備。內燃機對社會發展的重要性不言而喻，因此對內燃機的研究從未間斷。本文對內燃機零部件結構設計及應用進行簡單的分析探討。

關鍵詞：內燃機；零部件；結構設計；應用

內燃機是將氣體或液體燃料同空氣按照一定的比例混合，輸入內燃機內部，燃料燃燒時爆發熱量，將熱能通過活塞運動轉化為機械能，為設備提供機械動力。因此內燃機的零部件結構是圍繞以下幾點進行設計的：構建封閉環境、設計熱能與機械動能轉化結構、構建動力傳達結構。日常生活中，常見的內燃機有柴油機和汽油機，在汽車中應用尤為廣泛，下面以汽車發動機為例，分析內燃機零部件結構設計，并就其實際應用進行探討。

1內燃機的發展歷史

內燃機的基本理念最早是由荷蘭的物理學家惠更斯提出來，他最初是希望將火藥爆炸時產生的能量，轉化為需要的動力，并對此進行了一定的研究，但是由于當時實驗環境的問題，火藥爆炸所產生的能量無法很好的控制，因此沒有成功。之后在18世紀末，英國的斯特里特經過不斷的實驗，提出了從燃料中獲取機械動力的方法，他第一次提出了將燃料和空氣混合產生的熱量，轉化成需要的動力。由此，內燃機的基本理念誕生了。直到1833年，由英國人賴特提出了活塞做功的機械裝置，即通過將燃料置于固定的裝置，使得燃燒產生固定的推動力，然后進行動力作用，這時內燃機的基本雛形形成了。到達19世紀中期，以英國科學家為主的不同研究人員逐漸完善了以不同燃料為基礎的熱能轉化為機械動能的基礎理論，給后期內燃機的形成、發展、完善奠定了良好的基礎，并由于其效率高，機動性好，在最初形成之后，就得到了非常廣泛的應用，形成了非常龐大而又重要的工業體系，并給這些工業體系提供了基本和重要的動力支持，為后期工業革命以及工業領域的爆發式增長打下了基礎。這個應用主要是汽車、工程機械、船舶、小型飛機以及一些基礎的工業設備，特別是在汽車上，內燃機獲得了最大程度的應用。成熟的內燃機在1876年由德國的科學家奧托設計并實現，他創造設計了世界上第1臺往復活塞式內燃機，其設計結構基本和設計理念成為了后來內燃機改造完善的基礎，并由于其性能和效率的優越性，迅速的得到了推廣和普及，大大的推動了汽車行業的發展。而隨著石油的開發，汽油的產生，進一步的推動了內燃機的完善和發展。到如今內燃機已經成了世界發展前行過程中必不可少的一種動力機械。其基本原理雖仍然是將燃料的熱能轉化為機械動能，但是由于當前材料科學、結構科學以及結構設計等技術的不斷突破和前行，內燃機也得到了最大程度的完善改造，發揮其最大的動力特性，為人們的需要提供最大的動力支持。

2內燃機零部件結構

內燃機的零部件結構根據不同的內燃機類別，有著不同的構成和分類，本文主要對應用在汽車上的發動機進行結構介紹。2.1曲柄連桿機構。發動機的工作機制和工作循環以及主要運動零件是曲柄連桿機構，這個連線構造是發動機的核心，是進行發動機能量轉化的關鍵。曲柄連桿機構是由機體組、曲軸飛輪組以及活塞連桿等不同的組件構成，在發動機運轉過程中，首先燃料在燃燒室燃燒，使得活塞承受燃料所產生的巨大壓力，而這些壓力根據結構化設計做直線受力，使得連桿獲得直線推動力，然后通過曲軸飛輪的作用，將這些直線的動力轉化為旋轉動力，并使得曲軸飛輪進行旋轉運動，然后以曲軸飛輪為紐帶，將其獲得的動力輸送給下一個組件。曲柄連桿機構是進行動力轉化的核心所在，是使得燃料燃燒所產生的動力轉化成旋轉動力共識汽車前行的基礎，結構合理，構建質量良好的曲柄連桿機構，能夠有效的提升和保障發動機的燃料燃燒產生能量的利用效率，是判斷一個發動機類型基本質量的關鍵。2.2配氣機構。發動機的配氣機構顧名思義就是配送空氣的機構。發動機使用的燃料主要是柴油和汽油，當然目前也有許多的燃氣發動機，但這些燃料燃燒時都需要配置比例一定的空氣，這樣才能夠保證燃料能夠燃燒并產生能量，而且一定的空氣比例，能夠保證燃料燃燒的更加充分。配氣機構是控制進氣門和排氣門開啟關閉的結構，通過控制進氣門，使得一定量的空氣進入到氣缸中，并使燃料在一定量的空氣下燃燒過后產生的廢氣，通過排氣門，從氣缸中排出，從而實現發動機的換氣過程。目前發動機的配氣機構主要由氣門組、氣門傳動和驅動組組成，是保證發動機燃料正常在氣缸中燃燒的基本結構。2.3燃料供給系統。燃料供給系統根據燃料種類的不同有著不同的區分和結構，汽油機的燃料供給系統，是通過發動機結構配置出數量和濃度在一定范圍內的混合氣，并將其導入氣缸當中，使其在氣缸中燃燒，并使燃燒后的廢氣從氣缸中排出，柴油機的燃料供給系統，是將柴油和空氣按照一定的比例共入到氣缸當中，在燃燒室中燃燒提供能量，并將燃燒后產生的廢氣排出。不論是汽油機還是柴油機，燃料供給系統都需要根據燃料的特性，控制燃料同空氣的比例，并按照一定的規律進行燃料的供給，使得發動機能夠穩定正常的運轉。燃料供給系統同配氣系統有著非常深入緊密的聯系，這兩者是發動機燃料提供充分的能量和動力的基本保證。2.4冷卻系統。發動機的冷卻系統是保證發動機能夠長時間穩定運轉，降低出現故障幾率的保障。由于發動機在運轉過程中會產生大量的熱量，而這些熱量往往會導致發動機的部件溫度升高，而一旦發動機部件溫度升高，就會導致部件的磨損加快，大大的降低發動機的使用說明，同時也會大大的增加發動機產生故障的幾率。因此冷卻系統是發動機中維護發動機正常運轉，提高發動機使用壽命的保障。發動機的冷卻系統主要是由水泵、風扇、水箱、節溫器等組件構成，功能和作用良好的冷卻系統對于發動機有著極大的幫助。2.5點火系統。點火系統是發動機啟動的關鍵，發動機的啟動首先需要點燃發動機氣缸中的燃料，然后才能保障發動機后續的不斷運轉。在發動機的初步啟動過程中，通常采用火花塞將氣缸中的燃料進行初步的點燃，然后，氣缸中產生的能量和熱量就能夠保證后續進入氣缸中的燃料，能夠繼續燃燒產生熱量，持續不斷的運轉。發動機的點火系統一般由蓄電池、點火，線圈、火花塞等組件構成，是發動機初步啟動的引導機構。當然根據發動機類型的不同以及功能結構性質的不同，還有著許多不同的結構構造，但是每一種類型的發動機，其基本的構成都需要這些，這些機構構成是維持發動機運轉，保證發動機能夠提供穩定動力的基礎，也是發動機的基本組成結構。

3內燃機零部件結構設計方法

內燃機的零部件結構設計目前大多數采用電腦模擬軟件或3D模型軟件進行設計，通過對電腦軟件的應用，將需要設計的內燃機零部件結構在這些電腦軟件上實現，并通過電腦軟件的功能進行修改，然后利用設計動力學運轉模型，將這些設計好的零部件進行功能模擬，最終使用3D模型軟件將零部件利用精細化機床設備打造出來，并通過實踐驗證，確定在實際應用過程中所設計的零部件基礎功能是否達到設計的目的。內燃機不同組成結構有著不同的功能和作用，每一個部件都在內燃機的正常運轉過程中發揮著不可代替不可缺少的作用，因此每一個內燃機零部件的構架設計都是非常重要的，需要通過嚴格的設計以及制造，讓每一個部件都能夠獲得最好的技術支持，從而為內燃機整體的運轉發揮出最大的作用。下面通過對內燃機曲軸結構的設計進行介紹，簡單闡述內燃機零部件結構設計方法。內燃機曲軸結構設計之前，首先需要分析曲軸結構的基本要求和需要。曲軸結構最基本的要求是要有足夠大的強度，特別是曲軸結構當中曲柄部分的彎曲疲勞強度，以及動力傳輸端的靜強度，這是保障動力能夠有效傳達的基本要求。其次是要有足夠的剛度，保證能量傳遞效率，就需要曲軸結構有著足夠的幫助，盡可能的降低曲軸的變形，從而保證曲軸軸承以及活塞連桿之間的可靠性工作。曲軸結構的設計基本要求還要有合理的曲柄排列，合適的平衡塊，油孔布置的合理性等等。然后需要結合內燃機自身的結構形式，以及自身特殊的要求，對曲軸結構進行結構形式的確定。這個過程基本上需要確定曲軸結構的結構樣式。目前主要通過電腦的模擬軟件以及三維立體軟件進行立體化設計，在有需要的時候還需要設計出動力運轉數學模型，通過可靠的數學模型進行曲軸結構的可靠性實驗，并對其具體的尺寸大小進行精密的計算設計。電腦軟件的設計和三維立體樣式的確定能夠最大程度的提高結構的精度。然后通過對曲軸結構的基本要求進行分析，確定不同部分強度、剛度以及其他性能的鑄造工藝，以及所采用的材料，從而最終確定曲軸結構的最終設計。并在曲軸結構最終設計完成后，進行初步的鑄造，然后對鑄造后的曲軸結構進行實踐驗證，確定其是否滿足需要和要求。在驗證過程中有著謹密的實驗流程，內燃機每一個組成構件的設計制造都需要嚴格的按照實驗流程進行功能性能，內燃機每一個構造結構的設計制造都需要嚴格的按照驗證流程，進行其功能性能的驗證，最終獲得結構設計合理性以及可行性的基本判斷。目前內燃機曲軸結構的強度驗證以及應力分析主要采用專門的軟件CAE進行，是構建基本的數學模型，進行校核的一種先進驗證方式，這種驗證方式由于其高效性以及精準性，大大的降低了核驗所需要的時間，因此迅速得到了人們的認可，同時經過不斷的實踐，精準性也得到了大大的提升，有一定的保障。基本性能和結構的驗證是每一個內燃機構造都需要進行的一個過程，是內燃機在實際應用過程中高效穩定運轉的可靠保障，是內燃機零部件結構設計和應用的不可缺失的一個過程。因此在內燃機的零部件結構設計過程中，要充分的重視最后的性能驗證過程，這是保證零部件結構設計應用的關鍵。

4結語

內燃機的零部件結構設計是內燃機不斷發展前行的基礎，通過不斷的引入先進的材料科學、結構科學、數學模型等，不斷的提高零部件結構設計的能力，從而開發出更加合理完善的內燃機零部件結構，不斷的推動內燃機發展前行，讓內燃機為社會的發展以及需要提供更多的助力。

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作者:林翔 單位:大連機車技師學院