一種活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及活塞冷卻技術領域，尤其設及一種活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計 方法。
【背景技術】
[0002] 當活塞需要強制冷卻時，會在活塞頭部鑄出冷卻通道或鑄入冷卻油管，同時采用 某裝置將機油W-定的壓力注入活塞的冷卻油道，使機油在其中流動W冷卻活塞，該裝置 即為活塞冷卻噴嘴2。活塞冷卻噴嘴2的多種結構參數可能對噴嘴的性能產生影響，活塞冷 卻噴嘴2的性能指標主要包括總流量及打祀效率，如圖1所示，通過打祀試驗(模擬活塞位于 上止點時，活塞冷卻噴嘴2將機油噴入活塞冷卻通道的試驗，用于評價活塞噴嘴是否符合設 計要求)進行檢驗，首先將冷卻噴嘴安裝在試驗臺1上，噴嘴的管口正對集油口 3,集油口 3接 集油管4,試驗臺1內有流量計可W實時監測活塞冷卻噴嘴2的總流量，集油管4后有量杯可 W稱量噴入活塞內冷油腔的流量，Η等于活塞位于上止位點處時活塞冷卻噴嘴安裝面與活 塞內冷油通道入口的距離。
[0003] 目前活塞冷卻噴嘴2在設計時常基于經驗確定各個結構參數，第一步，根據活塞冷 卻需要，明確設計目標，也就是在指定的機油壓力和機油粘度下，活塞冷卻噴嘴2的總流量 為(Raim±W)L/min，且打祀效率含Saim;其中總流量是指在指定的機油壓力和機油粘度下，單 位時間內從活塞冷卻噴管噴出的機油量。因為加工制造誤差，所W活塞冷卻噴嘴2的實際總 流量不是一個固定的值，而是在一定許可范圍內波動。打祀效率是指活塞位于上止點處時 (距離噴嘴最遠位置），在指定的機油壓力和機油粘度下，單位時間內噴入活塞內冷油道的 機油量與活塞冷卻噴嘴2的總油量的百分比。第二步，根據發動機具體結構和布置空間，基 于設計經驗確定活塞冷卻噴嘴2的基本結構及結構參數初始值(A〇、B〇、C〇、D〇、E〇……）；第Ξ 步，跟據活塞冷卻噴嘴2的具體結構，首先通過主觀經驗判斷對活塞冷卻噴嘴2的性能影響 較大的關鍵結構參數化ι、Κ2……）；第四步，采用CAE分析方法或試制樣件做試驗，調整關鍵 結構參數化ι、Κ2……），觀察關鍵參數的變化對活塞冷卻噴嘴2的總流量R和打祀效率S的影 響，如果影響較大，轉至第五步；如果影響不大，轉回第Ξ步重新選擇關鍵結構參數;第五 步，采用"試錯法"不斷嘗試調整關鍵結構參數化ι、Κ2……），在指定的機油壓力Ρ bar和機油 粘度Q cst下，使活塞冷卻噴嘴2的總流量R與目標值Raim相當，打祀效率^aim。
[0004] 上述方法在使用過程中具有很多缺陷，首先活塞冷卻噴嘴2的結構形式多種多樣， 而主觀經驗往往是對某些常見噴嘴結構的經驗積累，對于某些結構的噴嘴可能不適用。而 且經驗選擇往往會忽略各結構參數間的交互作用，導致關鍵結構參數的選擇偏離實際情 況。其次采用"試錯法"調整關鍵結構參數，需要通過不斷嘗試和評價逐漸使噴嘴的總流量 達到設計目標值，運種方法難W得到最優設計方案。有可能導致無法達到設計目標；即使達 到了設計目標，活塞冷卻噴嘴2的打祀效率通常還有進一步提升的空間。再者，關于打祀效 率的CAE(Computer Aided Engineering的簡稱，是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構 強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、Ξ維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算 w及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法)分析方法較為復雜，分析時間 長。而通過試制樣件進行試驗驗證，時間較長、成本較高。
【發明內容】
[0005] (一)要解決的技術問題
[0006] 本發明要解決的技術問題是解決現有的活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計方法 造成的關鍵結構參數選擇不準確，難W達到最優設計方案，成本較高的問題。
[0007] (二)技術方案
[0008] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計方 法，包括步驟S1，根據活塞冷卻需要，確定設計目標；S2,根據發動機的具體結構和布置空 間，基于設計經驗確定活塞冷卻噴嘴的基本結構;S3,采用析因設計方法，篩選出對活塞冷 卻噴嘴性能影響顯著的關鍵結構參數;S4，采用優化設計方法，對活塞冷卻噴嘴的關鍵結構 參數進行優化。
[0009] 其中，所述步驟S3具體包括S31，進行因子分析，基于設計經驗確定各個結構參數 的初始值和上下限；S32,根據結構參數的數量，選擇相應的二水平分式析因設計方法進行 多次打祀試驗，得出每次打祀試驗中噴嘴的總流量和出口油束噴射角度值;S33，根據步驟 S32的結果進行因子篩選，得到關鍵結構參數。
[0010] 其中，所述步驟S4具體包括S41，建立二階響應面模型，分別得到噴嘴的總流量關 于關鍵結構參數的函數關系式和出口油束噴射角度關于關鍵結構參數的函數關系式;S42， 確定關鍵結構參數的初始值、邊界條件和優化目標;S43,將關鍵結構參數代入到二階響應 面模型，計算出噴嘴的總流量和出口油束噴射角度;S44,判斷噴嘴的總流量與目標值間的 誤差是否在邊界條件范圍W內，若是則轉到步驟S46;若不是則轉到步驟S45; S45，采用合適 的優化算法，在關鍵結構參數的邊界條件范圍內，對關鍵結構參數進行優化，并轉到步驟 S43;S46,判斷出口油束噴射角度是否為最小值，若是則證明是最優方案;若不是則轉到步 驟 S45。
[0011] 其中，所述S32還包括通過CAE計算出噴嘴的總流量和出口油束噴射角度。
[0012] 其中，所述S33中采用半正態概率圖法進行因子篩選。
[0013] 其中，所述S41中噴嘴的總流量關于關鍵結構參數的函數關系式、出口油束噴射角 度關于關鍵結構參數的函數關系式分別為：
[0016] R為噴嘴的總流量，S為出口油束噴射角度，1(1、1(2、'''心''1(。分別為各個關鍵結構參 數，0O、01...0i...0m、011...0ii...0iimi、012、013...0(m-l)m、S〇、5r..5i...5m、5n...Sii...Siii]ii、Si2、5i3.·· 均為待定系數。
[0017] 其中，所述S42中的關鍵結構參數初始值具體為:Kio、Κ2〇···Κη···Κη〇;關鍵結構參數 取值范圍為:Ki-含Ki含Ki+;為使活塞冷卻噴嘴的總流量R達到Raim，設定邊界條件具體為：
[001 引 AR= |R-Raim| <α · W
[0019] α為誤差系數，且α取值范圍為0.1-0.5，多數情況取0.2，W為冷卻噴嘴的總流量的 允許誤差，且W含0.5;為使活塞冷卻噴嘴的打祀效率達到最大，優化目標具體為:最小化出 口油束噴射角度。
[0020] (立巧益效果
[0021] 本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明采用析因設計方法，對顯著影響活 塞冷卻噴嘴性能的關鍵結構參數進行篩選。析因設計能同時觀察多個因子的效應，且能夠 分析因子間的交互作用，對各結構參數不同水平的全部組合都能研究到。所W通過析因設 計，能夠全面且充分地分析各結構參數對活塞冷卻噴嘴性能的影響，保證了篩選出的關鍵 結構參數的正確性;采用優化設計方法，對活塞冷卻噴嘴的關鍵結構參數進行優化。最終得 到的關鍵結構參數，即能夠使活塞冷卻噴嘴的總流量達到目標值，又能使打祀效率達到最 大值，是在當前活塞冷卻噴嘴結構下能夠達到設計目標的最優方案。并通過CAE計算模擬打 祀試驗，計算過程中采用出口油束噴射角度值表征打祀效率，相較于直接計算打祀效率，明 顯地降低了計算時間；相較于試制樣件進行試驗驗證，提高了效率，降低了成本。
【附圖說明】
[0022] 圖1是現有技術中打祀試驗的示意圖；
[0023] 圖2是本發明實施例提供的活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計流程圖；
[0024] 圖3是本發明實施例采用的活塞冷卻噴嘴的爆炸圖；
[0025] 圖4是本發明實施例采用的活塞冷卻噴嘴的結構示意圖；
[0026] 圖5是圖4中M-M向視圖；
[0027] 圖6是活塞冷卻噴嘴出口油束的速度矢量圖；
[00%]圖7是噴嘴的總流量的半正態概率圖；
[0029] 圖8是出口油束噴射角度的半正態概率圖。
[0030] 圖中：1:試驗臺；2:活塞冷卻噴嘴;3:集油口； 4:集油管；10:噴嘴體;20:噴管;30: 空屯、螺栓。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人 員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0032] 在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有說明，"多個"的含義是兩個或兩個W 上;術語"上"、"下"、"左"、"右"、"內"、"外"、"前端"、"后端"、"頭部"、"尾部"等指示的方位 或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而 不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、W特定的方位構造和操作，因此 不能理解為對本發明的限制。此外，術語"第一"、"第二"、"第Ξ"等僅用于描述目的，而不能 理解為指示或暗示相對重要性。
[0033] 在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語"安裝"、 "相連"、"連接"應做廣義理解，例如，可W是固定連接，也可W是可拆卸連接，或一體地連 接;可w是機械連接，也可w是電連接;可w是直接相連，也可w通過中間媒介間接相連。對 于本領域的普通技術人員而言，可視具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0034] 如圖2所示，本發明實施例提供的一種活塞冷卻噴嘴關鍵結構參數的設計方法，包 括步驟S1，根據活塞冷卻需要，確定設計目標；即在指定的機油壓力P bar和機油粘度Q cst 下，活塞冷卻噴嘴的總流量為(Raim±W)L/min，且打祀效率>Saim。活塞冷卻噴嘴的許可總流 量Raim隨發動機額定功率的升高而升高，一般要求發動機所有活塞冷卻噴嘴的許可總流量 達到（5~7)kg/kw · h，總流量許可誤差W含0.5。打祀效率隨許可總流量Raim的升高而略有降 低，一般打祀效率含70% ;S2根據發動機的具體結構和布置空間，基于設計經驗確定活塞冷 卻噴嘴的基本結構;本實施例W-種典型活塞冷卻噴嘴為例，如圖3所示，該活塞冷卻噴嘴 由噴嘴體10、噴管20和空屯、螺栓30組成，噴管20通過針焊與噴嘴體10相連，空屯、螺栓30從噴 嘴體10中穿過，并通過螺紋與潤滑油道連接，潤滑油依次經過空屯、螺栓30、噴嘴體10和噴管 20后噴出，從而起到冷卻活塞的效果;S3,采用析因設計方法