一种动态可视化打靶试验台及试验方法
【专利摘要】本发明的动态可视化打靶试验台，包括工作台、缸套、活塞、驱动电机和液压站，特征在于：活塞中设置有内冷油腔，工作台上设置有调节块，调节块上固定有喷嘴，喷嘴经管路与液压站相连接，通过移动调节块使喷嘴轴线与进油道轴线在同一直线上；缸套和活塞均由透明材料构成，包括可装于喷嘴出口、进油道进口、出油道出口上的流量计。本发明的动态可视化打靶试验台，通过将缸套、活塞设置为透明形式，便于观察活塞往复运动过程中冷却液进出内冷油腔的过程，以及观察和分析内冷油腔中气泡分布、大小，以计算含气率。通过设置可置于喷嘴、进油道、出油道上的流量计，实现了捕捉率、填充率的计算。
【专利说明】
一种动态可视化打靶试验台及试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种动态可视化打靶试验台及试验方法，更具体的说，尤其涉及一种 对设置有内冷油腔的活塞工作过程中的捕捉率、填充率及含气率进行测量和分析的动态可 视化打靶试验台及试验方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，为满足发动机低排放、轻量化、高功率密度等要求，高压共轨、废气再循环 以及低压缩高等技术不断升级，这使得作为发动机心脏的活塞其热负荷急剧增加。过高的 活塞温度会带来一系列问题，如材料强度急剧下降，裙部翘曲拉缸，机油结焦导致活塞环卡 死，温差过大产生低周疲劳，另外顶面温度过高还会降低充量系数，诱发早燃，进而出现顶 部烧蚀以及发动机功率不足、油耗增大、有害排放物增加等现象，因此亟需采取有效措施降 低活塞温度。
[0003] 目前，最有效的冷却方式是设置内冷油腔。现有设计中多数中-重型柴油机活塞和 部分轻型柴油机活塞、汽油机活塞带有此种结构，研究证明，设计良好时流经油腔的冷却液 能带走约50 %的热量。冷却液在油腔内特有的振荡流动，其中发动机转速、活塞行程、机油 喷射速度、油腔截面形状等均会对冷却液的捕捉率、填充率、湍流强度以及流动特性等产生 影响，进而改变冷却效果，通过实验及数值模拟分析，发现40 %~60 %的填充率有利于形成 较强的湍流及传热效果，但初始条件-循环特性-冷却效果之间量化的影响规律尚需进一步 研究确定。另外，机油进入到油腔后，由于振荡及湍流作用还会产生众多的气泡，形成气-液 两相流动，其中两相分布、速度、含气率等对流体流型、导热能力等具有决定性作用。由此可 见，内冷油腔流动传热对活塞的冷却至关重要，已成为内燃机活塞传热领域的研究热点。
[0004] 以下三方面因素将对活塞内冷油腔冷却产生重要影响：
[0005] 第一，内冷油腔进油口的捕捉率，油腔进口流量与喷嘴出口流量的比值，随着比值 增大，油腔内的填充率增大，影响内冷油腔的传热特性；
[0006] 第二，内冷油腔的尺寸和结构，不同结构和大小的内冷油腔使得冷却液与壁面的 接触不同，进而影响冷却液和内冷油腔之间的换热。
[0007] 第三，油腔中冷却液的振荡流动特性，活塞沿气缸轴向高速往复运动，喷油嘴则在 气缸底部以一定速度向油腔入口喷射机油，使得冷却液在不同条件下产生不同的振荡特 性，因此冷却液的换热效果不同。
[0008] 现有的活塞打靶试验台能够随意设置活塞相对冷却喷嘴的运行区间，模拟不同冲 程的活塞打靶，对于不同的试验方案，无需频繁拆卸活塞或者冷却喷嘴，但对于内冷油腔内 流体的流动特性，内冷油腔进油口的瞬时捕捉率等无法确定。
[0009] 可见，现有的活塞打靶试验具有以下缺点:第一，仅对固定冲程时活塞打靶的打靶 率进行试验，不能对瞬时动态打靶率进行试验;第二，仅能测量打靶率，不能对内冷油腔内 流体的其他特性进行观察和探究;第三，不能实现喷油嘴与内冷油腔进口的定位，无法实现 喷油与内冷油腔进油的同步测量。第四，无法实现内冷油腔的可视化。
[0010] 综上所述，如何提供一种动态可视化打靶试验台，使其可以实时监测活塞内冷油 腔内流体的流动型态和内冷油腔的填充率并可以根据流量计所测得的值得到捕捉率和填 充率之间的关系，是本领域的技术人员需要解决的技术问题。同时，根据试验中得到的气泡 分布、大小、含气率以及各相折算速度等绘制流体流型图，判断相应条件下的流型，试验过 程中改变机油流速、温度、发动机转速、油腔形状等，可揭示各因素对冷却液流型的影响程 度及相应的流型转换机制。
【发明内容】
[0011] 本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种动态可视化打靶试验台及试验 方法。
[0012] 本发明的动态可视化打靶试验台，包括工作台、缸套、活塞、驱动电机和液压站，缸 套位于工作台的上方，活塞置于缸套中，驱动电机的输出轴上固定有曲轴，曲轴上固定有驱 使活塞往复运动的连杆;其特别之处在于:所述活塞中设置有内冷油腔，内冷油腔由横腔及 与其相通的进油道、出油道组成，进油道、出油道的开口均朝下；工作台上设置有可在平面 内移动的调节块，调节块上固定有喷嘴，喷嘴经管路与液压站相连接，通过移动调节块使喷 嘴轴线与进油道轴线在同一直线上，以便向进油道中喷入冷却液；
[0013] 所述缸套和活塞均由透明材料构成，以便观察活塞往复运动过程中冷却液进出内 冷油腔的过程，以及观察和分析内冷油腔中气泡分布、大小，以计算含气率;包括可装于喷 嘴出口、进油道进口、出油道出口上的流量计，通过流量计对喷嘴出口流量、进油道进口流 量、出油道出口流量的计量，以计算出冷却过程中的捕捉率和填充率。
[0014] 本发明的动态可视化打靶试验台，包括用于对液压站的工作状态进行控制的液压 站控制面板、用于对驱动电机的工作状态进行控制的电机控制面板，在液压站控制面板和 电机控制面板的控制作用下，使得活塞往复运动和喷嘴的喷油同步进行。
[0015] 本发明的动态可视化打靶试验台，所述缸套的下方设置有用于收集冷却液的接油 盘，接油盘上设置有与液压站相连的管路，以便将收集的冷却液回流至液压站中。
[0016] 本发明的动态可视化打靶试验台，所述曲轴通过两固定座进行固定，以保证曲轴 的转动；曲轴上固定有两平衡块，连杆位于两平衡块之间。
[0017] 本发明的动态可视化打靶试验台的试验方法，通过以下步骤来实现：
[0018] a).喷嘴流量测量，将流量计安装于喷嘴上，启动驱动电机，通过流量计测量出喷 嘴出口流量，设喷嘴出口流量为qjet;b).进入流量测量，将流量计从喷嘴上移除，然后将其 安装于进油道的进口上，启动驱动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔进 口流量，设为q(t) in;c).流出流量测量，将流量计从进油道的进口上移除，然后将其安装于 出油道的出口上，启动驱动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔出口流量， 设为q(t)? t;d).捕捉率、填充率的计算，通过公式(1)计算捕捉率Tl:
[0019]
⑴：
[0020]通过公式(2)计算填充率Φ:
[0021] (2)
[0022] 其中，Vcc为内冷油腔的容积；
[0023] e).采集油腔图像，启动驱动电机，待系统运行平稳后，利用高清摄像机采集内冷 油腔的高清图像;f).计算含气率，通过对采集图像的分析，将横腔中的气泡标记出来，设气 泡的总数目为η个，并估算出每个气泡的半径，设气泡的半径为η、κ、…、r n，通过公式(3)计 算冷却油腔的含气率ξ:
[0024]
(3)
[0025] 其中，Vdd为横腔的容积。
[0026] 本发明的有益效果是:本发明的动态可视化打靶试验台，活塞下方的工作台上设 置有调节块，调节块上固定有喷射冷却液的喷嘴，通过移动调节块可使喷嘴的轴线与进油 道的轴线在同一条直线上，保证了喷出的冷却液最大限度地进入活塞的内冷油腔中，便于 实验的进行。通过将缸套、活塞设置为透明形式，便于观察活塞往复运动过程中冷却液进出 内冷油腔的过程，以及观察和分析内冷油腔中气泡分布、大小，以计算含气率。通过设置可 置于喷嘴、进油道、出油道上的流量计，实现了捕捉率、填充率的计算。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明的动态可视化打靶试验台的结构图。
[0028]图中：1工作台，2调节块，3缸套，4活塞，5驱动电机，6曲轴，7连杆，8喷嘴，9流量计， 10进油道，11横腔，12出油道，13液压站控制面板，14液压站，15电机控制面板，16接油盘，17 平衡块，18固定座。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0030] 如图1所示，给出了本发明的动态可视化打靶试验台的结构图，其由工作台1、调节 块2、缸套3、活塞4、驱动电机6、曲轴6、连杆7、喷嘴8、流量计9、液压站14、液压站控制面板 13、电机控制面板15组成，所示的工作台1起固定和支撑作用，调节块2设置于工作台1上，并 可在工作台1的上平面内移动。缸套3位于调节块2的上方，活塞4位于缸套3中，缸套3中设置 有内冷油腔，内冷油腔由进油道10、横腔11和出油道12组成，进油道10、出油道12的开口均 朝下，进油道10和出油道12均与横腔11相通。
[0031] 喷嘴8固定于调节块2上，通过移动调节块2,可使喷嘴8的轴线与进油道10的轴线 在同一直线上，以便喷嘴8喷出的冷却液最大限度地进入内冷油腔中。喷嘴8经管路与液压 站14相连接，液压站控制面板13实现对冷却液液压系统的管理，如设定冷却液的温度、压 力。
[0032] 驱动电机5位于缸套3的上方，其可采用伺服电机;驱动电机5通过电机控制面板15 控制运行，如对电机进行调速。通过对液压站控制面板13和电机控制面板15的设定，可将活 塞4运动至最低点的时刻作为起始参考点（如此时曲轴6的转动角度定义为零度），以便多次 测量的同步。
[0033]曲轴6与驱动电机5的输出轴相固定，曲轴6通过固定座18进行固定，以保证曲轴6 在驱动电机5的带动下平稳转动。所示的曲轴6上固定有两间隔设置的平衡块17,连杆7的上 端位于两平衡块17之间，下端与活塞4相铰接，这样，曲轴6和连杆7就形成了曲柄连杆机构， 使得驱动电机5转动的过程中，可驱使活塞4在缸套3内做往复运动。两平衡块17可时下对连 杆7的限位，保证连杆7的平稳运动。
[0034] 缸套3、活塞4均采用透明材质，如透明树脂材料。通过将缸套3、活塞4设置为透明 形式，有利于观察冷却液进出内冷油腔的过程，以及观察和分析内冷油腔中气泡的大小、分 布，并计算含气率。所示的流量计9对进、出冷却液的流量进行测量，流量计9可设置于喷嘴 8、进油道10、出油道12上，通过对进出流量的测量，可计算出捕捉率、填充率。
[0035] 本发明的动态可视化打靶试验台的实验方法，通过以下步骤来实现：
[0036] a).喷嘴流量测量，将流量计安装于喷嘴上，启动驱动电机，通过流量计测量出喷 嘴出口流量，设喷嘴出口流量为qM;
[0037] b).进入流量测量，将流量计从喷嘴上移除，然后将其安装于进油道的进口上，启 动驱动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔进口流量，设为q ( t) in ;
[0038] c).流出流量测量，将流量计从进油道的进口上移除，然后将其安装于出油道的出 口上，启动驱动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔出口流量，设为q (t) out ；
[0039] 在设置流量计的情况下，会对冷却液的进、出流量产生影响，为了使流量计的影响 降低至可以忽略的范围内，采用喷嘴、进油道、出油道上分次单一设置，而不是同时设置，可 以将流量计的影响降到最低。
[0040] d).捕捉率、填充率的计算，通过公式(1)计算捕捉率Tl:
[0041] 1 )
[0042]
[0043] (2)
[0044] 其中，Vcc为内冷油腔的容积；
[0045] e).采集油腔图像，启动驱动电机，待系统运行平稳后，利用高清摄像机采集内冷 油腔的高清图像；
[0046] f).计算含气率，通过对采集图像的分析，将横腔中的气泡标记出来，设气泡的总 数目为η个，并估算出每个气泡的半径，设气泡的半径为η、κ、…、r n，通过公式(3)计算冷却 油腔的含气率ξ:
[0047]
(3)
[0048] 其中，Vdd为横腔的容积。
【主权项】
1. 一种动态可视化打祀试验台，包括工作台（1)、缸套（3)、活塞(4)、驱动电机(5)和液 压站（14)，缸套位于工作台的上方，活塞置于缸套中，驱动电机的输出轴上固定有曲轴(6)， 曲轴上固定有驱使活塞往复运动的连杆(7);其特征在于:所述活塞中设置有内冷油腔，内 冷油腔由横腔（11)及与其相通的进油道(10)、出油道(12)组成，进油道、出油道的开口均朝 下;工作台上设置有可在平面内移动的调节块(2)，调节块上固定有喷嘴(8)，喷嘴经管路与 液压站（14)相连接，通过移动调节块使喷嘴轴线与进油道轴线在同一直线上，W便向进油 道中喷入冷却液； 所述缸套和活塞均由透明材料构成，W便观察活塞往复运动过程中冷却液进出内冷油 腔的过程，W及观察和分析内冷油腔中气泡分布、大小，W计算含气率;包括可装于喷嘴出 口、进油道进口、出油道出口上的流量计（9)，通过流量计对喷嘴出口流量、进油道进口流 量、出油道出口流量的计量，W计算出冷却过程中的捕捉率和填充率。2. 根据权利要求1所述的动态可视化打祀试验台，其特征在于:包括用于对液压站（14) 的工作状态进行控制的液压站控制面板（13 )、用于对驱动电机(5)的工作状态进行控制的 电机控制面板(15)，在液压站控制面板和电机控制面板的控制作用下，使得活塞(4)往复运 动和喷嘴(8)的喷油同步进行。3. 根据权利要求1或2所述的动态可视化打祀试验台，其特征在于:所述缸套(3)的下方 设置有用于收集冷却液的接油盘（16)，接油盘上设置有与液压站（14)相连的管路，W便将 收集的冷却液回流至液压站中。4. 根据权利要求1或2所述的动态可视化打祀试验台，其特征在于:所述曲轴(6)通过两 固定座（18)进行固定，W保证曲轴的转动；曲轴上固定有两平衡块（17)，连杆(7)位于两平 衡块之间。5. -种基于权利要求1所述的动态可视化打祀试验台的实验方法，其特征在于，通过W 下步骤来实现： a) .喷嘴流量测量，将流量计安装于喷嘴上，启动驱动电机，通过流量计测量出喷嘴出 口流量，设喷嘴出口流量为qjet; b) .进入流量测量，将流量计从喷嘴上移除，然后将其安装于进油道的进口上，启动驱 动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔进口流量，设为q(t)in; C).流出流量测量，将流量计从进油道的进口上移除，然后将其安装于出油道的出口 上，启动驱动电机，待运行平稳后，通过流量计测量T时间段内油腔出日流量，设为q(t)Dut; d) .捕捉率、填充率的计算，通过公式(1)计算捕捉率η:(1) 通过公式(2)计算填充率Φ:(2) 其中，V。。为内冷油腔的容积； e) .采集油腔图像，启动驱动电机，待系统运行平稳后，利用高清摄像机采集内冷油腔 的高清图像； f).计算含气率，通过对采集图像的分析，将横腔中的气泡标记出来，设气泡的总数目 为η个，并估算出每个气泡的半径，设气泡的半径为…、rn，通过公式(3)计算冷却油腔 的含气率ξ:(3) 其中，Vdd为横腔的容积。
【文档编号】G01M13/00GK105938049SQ201610542618
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】章健, 邓立君, 刘世英, 刘瑞
【申请人】滨州学院