CN105631110B - 一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞冷却技术领域，尤其涉及一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。本发明采用析因设计方法，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键结构参数的正确性；采用优化设计方法即能够使活塞冷却喷嘴的总流量达到目标值，又能使打靶效率达到最大值，是在当前活塞冷却喷嘴结构下能够达到设计目标的最优方案。

Description

一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法

技术领域

本发明涉及活塞冷却技术领域，尤其涉及一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法。

背景技术

当活塞需要强制冷却时，会在活塞头部铸出冷却通道或铸入冷却油管，同时采用某装置将机油以一定的压力注入活塞的冷却油道，使机油在其中流动以冷却活塞，该装置即为活塞冷却喷嘴2。活塞冷却喷嘴2的多种结构参数可能对喷嘴的性能产生影响，活塞冷却喷嘴2的性能指标主要包括总流量及打靶效率，如图1所示，通过打靶试验(模拟活塞位于上止点时，活塞冷却喷嘴2将机油喷入活塞冷却通道的试验，用于评价活塞喷嘴是否符合设计要求)进行检验，首先将冷却喷嘴安装在试验台1上，喷嘴的管口正对集油口3，集油口3接集油管4，试验台1内有流量计可以实时监测活塞冷却喷嘴2的总流量，集油管4后有量杯可以称量喷入活塞内冷油腔的流量，H等于活塞位于上止位点处时活塞冷却喷嘴安装面与活塞内冷油通道入口的距离。

目前活塞冷却喷嘴2在设计时常基于经验确定各个结构参数，第一步，根据活塞冷却需要，明确设计目标，也就是在指定的机油压力和机油粘度下，活塞冷却喷嘴2的总流量为(R_aim±W)L/min，且打靶效率≥S_aim；其中总流量是指在指定的机油压力和机油粘度下，单位时间内从活塞冷却喷管喷出的机油量。因为加工制造误差，所以活塞冷却喷嘴2的实际总流量不是一个固定的值，而是在一定许可范围内波动。打靶效率是指活塞位于上止点处时(距离喷嘴最远位置)，在指定的机油压力和机油粘度下，单位时间内喷入活塞内冷油道的机油量与活塞冷却喷嘴2的总油量的百分比。第二步，根据发动机具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴2的基本结构及结构参数初始值(A₀、B₀、C₀、D₀、E₀……)；第三步，跟据活塞冷却喷嘴2的具体结构，首先通过主观经验判断对活塞冷却喷嘴2的性能影响较大的关键结构参数(K₁、K₂……)；第四步，采用CAE分析方法或试制样件做试验，调整关键结构参数(K₁、K₂……)，观察关键参数的变化对活塞冷却喷嘴2的总流量R和打靶效率S的影响，如果影响较大，转至第五步；如果影响不大，转回第三步重新选择关键结构参数；第五步，采用“试错法”不断尝试调整关键结构参数(K₁、K₂……)，在指定的机油压力P bar和机油粘度Q cst下，使活塞冷却喷嘴2的总流量R与目标值R_aim相当，打靶效率≥S_aim。

上述方法在使用过程中具有很多缺陷，首先活塞冷却喷嘴2的结构形式多种多样，而主观经验往往是对某些常见喷嘴结构的经验积累，对于某些结构的喷嘴可能不适用。而且经验选择往往会忽略各结构参数间的交互作用，导致关键结构参数的选择偏离实际情况。其次采用“试错法”调整关键结构参数，需要通过不断尝试和评价逐渐使喷嘴的总流量达到设计目标值，这种方法难以得到最优设计方案。有可能导致无法达到设计目标；即使达到了设计目标，活塞冷却喷嘴2的打靶效率通常还有进一步提升的空间。再者，关于打靶效率的CAE(Computer Aided Engineering的简称，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法)分析方法较为复杂，分析时间长。而通过试制样件进行试验验证，时间较长、成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法造成的关键结构参数选择不准确，难以达到最优设计方案，成本较高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。

其中，所述步骤S3具体包括S31，进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数的初始值和上下限；S32，根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方法进行多次打靶试验，得出每次打靶试验中喷嘴的总流量和出口油束喷射角度值；S33，根据步骤S32的结果进行因子筛选，得到关键结构参数。

其中，所述步骤S4具体包括S41，建立二阶响应面模型，分别得到喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式；S42，确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标；S43，将关键结构参数代入到二阶响应面模型，计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度；S44，判断喷嘴的总流量与目标值间的误差是否在边界条件范围以内，若是则转到步骤S46；若不是则转到步骤S45；S45，采用合适的优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，对关键结构参数进行优化，并转到步骤S43；S46，判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优方案；若不是则转到步骤S45。

其中，所述S32还包括通过CAE计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度。

其中，所述S33中采用半正态概率图法进行因子筛选。

其中，所述S41中喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式、出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式分别为：

R为喷嘴的总流量，S为出口油束喷射角度，K₁、K₂、…K_i…K_m分别为各个关键结构参数，β₀、β₁…β_i…β_m、β₁₁…β_ii…β_mm、β₁₂、β₁₃…β_(m-1)m、δ₀、δ₁…δ_i…δ_m、δ₁₁…δ_ii…δ_mm、δ₁₂、δ₁₃…δ_(m-1)m均为待定系数。

其中，所述S42中的关键结构参数初始值具体为：K₁₀、K₂₀…K_i0…K_m0；关键结构参数取值范围为：K_i-≤K_i≤K_i+；为使活塞冷却喷嘴的总流量R达到R_aim，设定边界条件具体为：

ΔR＝|R-R_aim|＜α·W

α为误差系数，且α取值范围为0.1-0.5，多数情况取0.2，W为冷却喷嘴的总流量的允许误差，且W≤0.5；为使活塞冷却喷嘴的打靶效率达到最大，优化目标具体为：最小化出口油束喷射角度。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明采用析因设计方法，对显著影响活塞冷却喷嘴性能的关键结构参数进行筛选。析因设计能同时观察多个因子的效应，且能够分析因子间的交互作用，对各结构参数不同水平的全部组合都能研究到。所以通过析因设计，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键结构参数的正确性；采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。最终得到的关键结构参数，即能够使活塞冷却喷嘴的总流量达到目标值，又能使打靶效率达到最大值，是在当前活塞冷却喷嘴结构下能够达到设计目标的最优方案。并通过CAE计算模拟打靶试验，计算过程中采用出口油束喷射角度值表征打靶效率，相较于直接计算打靶效率，明显地降低了计算时间；相较于试制样件进行试验验证，提高了效率，降低了成本。

附图说明

图1是现有技术中打靶试验的示意图；

图2是本发明实施例提供的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计流程图；

图3是本发明实施例采用的活塞冷却喷嘴的爆炸图；

图4是本发明实施例采用的活塞冷却喷嘴的结构示意图；

图5是图4中M-M向视图；

图6是活塞冷却喷嘴出口油束的速度矢量图；

图7是喷嘴的总流量的半正态概率图；

图8是出口油束喷射角度的半正态概率图。

图中：1：试验台；2：活塞冷却喷嘴；3：集油口；4：集油管；10：喷嘴体；20：喷管；30：空心螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，本发明实施例提供的一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；即在指定的机油压力P bar和机油粘度Q cst下，活塞冷却喷嘴的总流量为(R_aim±W)L/min，且打靶效率≥S_aim。活塞冷却喷嘴的许可总流量R_aim随发动机额定功率的升高而升高，一般要求发动机所有活塞冷却喷嘴的许可总流量达到(5～7)kg/kw·h，总流量许可误差W≤0.5。打靶效率随许可总流量R_aim的升高而略有降低，一般打靶效率≥70％；S2根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；本实施例以一种典型活塞冷却喷嘴为例，如图3所示，该活塞冷却喷嘴由喷嘴体10、喷管20和空心螺栓30组成，喷管20通过钎焊与喷嘴体10相连，空心螺栓30从喷嘴体10中穿过，并通过螺纹与润滑油道连接，润滑油依次经过空心螺栓30、喷嘴体10和喷管20后喷出，从而起到冷却活塞的效果；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。

进一步地，步骤S3还包括步骤S31，对各个结构参数进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数的初始值和上下限；如图4和图5所示，本实施例的活塞冷却喷嘴有9个结构参数，将这9个结构参数作为9个因子，每因子二水平进行因子筛选。如下表所示：

S32，根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方法进行多次打靶试验，并通过CAE计算得出每次打靶试验喷嘴的总流量和出口油束喷射角度值；利用CAE计算喷嘴的总流量较为简单，但计算打靶效率较为复杂，分析时间较长，为了提高计算效率对计算模型进行简化。如图6所示，在进行打靶试验时，活塞冷却喷嘴出口的方向与y轴平行，求出出口处油束喷射的速度矢量与y轴的夹角(也就是出口油束喷射角度)，该夹角越大，表明油束越分散，打靶效率越低。其中，分式析因设计如下表所示：

NO.	A	B	C	D	E	F	G	H	J	R	S
												1	-	-	-	-	-	+	+	+	+	R<sub>1</sub>	S<sub>1</sub>
2	+	-	-	-	-	-	-	-	-	R<sub>2</sub>	S<sub>2</sub>
												3	-	+	-	-	-	-	-	-	+	R<sub>3</sub>	S<sub>3</sub>
4	+	+	-	-	-	+	+	+	-	R<sub>4</sub>	S<sub>4</sub>
												5	-	-	+	-	-	-	-	+	-	R<sub>5</sub>	S<sub>5</sub>
……

其中，“+”、“-”分别表示各个因子在步骤S31中相应的上下限，R_i代表第i次试验喷嘴的总流量，S_i代表第i次试验喷嘴的出口油束喷射角度。

本发明采用出口油束喷射角度表征打靶效率，相较于直接计算打靶效率明显降低了计算时间，相较于试制样件进行试验验证降低了费用、节约了时间。

S33，分析步骤S32中的析因设计，以因子效应估计的绝对值为横坐标，半正态概率值为纵坐标，得出9个因子效应分别对喷嘴的总流量、出口油束喷射角度的半正态概率图，采用半正态概率图法进行因子筛选，得到关键结构参数；采用半正态概率图检查各个因子(即结构参数)效应的估计值，如图7和图8所示，图中即包括单因子效应，也包括多因子效应。可被忽略的因子效应是正态分布的，其均值为零，因此会大致落在半正态概率图的一条直线附近，该直线始终穿过原点，而且还应该接近50％分位点；而显著因子效应(即关键结构参数)有非零均值，因此不会落在这一条直线上。对图7和图8进行分析，得到显著因子(即关键结构参数)，如下表所示：

响应	显著因子
		R—总流量(L/min)	A、G、D、C
S—出口油束喷射角度(°)	A、F、D

由上述可知，在步骤3中采用析因设计方法，筛选出了对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数。析因设计能同时观察多个因子的效应，且能够分析因子间的交互作用，对各结构参数不同水平的全部组合都能研究到。所以通过析因设计，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键结构参数的正确性。

进一步地，步骤S4还包括步骤S41，建立二阶响应面模型。

建立二阶响应面模型的n次试验如下表所示：

得到二阶响应面模型，即喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式，

R为喷嘴的总流量，S为出口油束喷射角度，K₁、K₂、…K_i…K_m分别为各个关键结构参数，β₀、β₁…β_i…β_m、β₁₁…β_ii…β_mm、β₁₂、β₁₃…β_(m-1)m，δ₀、δ₁…δ_i…δ_m、δ₁₁…δ_ii…δ_mm、δ₁₂、δ₁₃…δ_(m-1)m均为待定系数。

待定系数由最小二乘估计求得，即将各次试验的关键结构参数值带入响应面模型中，响应面模型的预测值与试验真实值间的误差的平方和最小，求解待定系数的公式如下：

B＝(X^TX)^-1X^TY

式中，B为待定系数按一定次序排列成的列向量，Y是n次试验的响应值组成的列向量，X是试验中关键结构参数取值组成的矩阵。

以求待定系数β为例，

同理可求待定系数δ。

在本实施例中K₁～K₅依次代表A、C、D、F、G五个关键结构参数。

S42，确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标，根据步骤S32进行因子分析时积累的经验，确定关键结构参数的初始值和取值范围；

关键结构参数初始值：K₁₀、K₂₀…K_i0…K_m0

关键结构参数取值范围：K_i-≤K_i≤K_i+

为使活塞冷却喷嘴的总流量R达到R_aim，设定如下边界条件：

ΔR＝|R-R_aim|＜α·W

误差系数α的取值范围为0.1-0.5，通常设定为0.2，可根据实际情况调整，W为冷却喷嘴的总流量的允许误差，且W≤0.5。

为使活塞冷却喷嘴的打靶效率达到最大，优化目标为：最小化出口油束喷射角度。

S43，将关键结构参数值代入到二阶响应面模型，计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度；

S44，判断喷嘴的总流量与目标值间的误差是否在边界条件范围以内，若是则转到步骤S46；若不是则转到步骤S45。

S45，采用合适的优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，对关键结构参数进行优化，并转到步骤S43。

S46，判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优方案；若不是则转到步骤S45。

综上所述，本发明采用析因设计方法，对显著影响活塞冷却喷嘴性能的关键结构参数进行筛选。析因设计能同时观察多个因子的效应，且能够分析因子间的交互作用，对各结构参数不同水平的全部组合都能研究到。所以通过析因设计，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键结构参数的正确性；采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。最终得到的关键结构参数，即能够使活塞冷却喷嘴的总流量达到目标值，又能使打靶效率能够达到最大值，是在当前活塞冷却喷嘴结构下能够达到设计目标的最优方案；同时采用出口油束喷射角度表征打靶效率，提高了计算效率，降低了设计成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：包括步骤

S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；

S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；

S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；

S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化；

所述设计目标为喷嘴的总流量及出口油束喷射角度，所述关键结构参数包括缩口内径、喷嘴体内径、喷管内径、螺栓出口数量、螺栓入口内径、出口高度、螺栓出口直径、喷射管弯曲半径和缩口直线长度；所述步骤S3具体包括

S31，进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数的初始值和上下限；

S32，根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方法进行多次打靶试验，得出每次打靶试验中喷嘴的总流量和出口油束喷射角度值；

S33，根据步骤S32的结果进行因子筛选，得到关键结构参数；

所述S32还包括通过CAE计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度；

所述步骤S4具体包括

S41，建立二阶响应面模型，分别得到喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式；

S42，确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标；

S43，将关键结构参数代入到二阶响应面模型，计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度；

S44，判断喷嘴的总流量与目标值间的误差是否在边界条件范围以内，若是则转到步骤S46，若不是则转到步骤S45；

S45，采用优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，对关键结构参数进行优化，并转到步骤S43；

S46，判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优方案；若不是则转到步骤S45。

2.根据权利要求1所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：所述S33中采用半正态概率图法进行因子筛选。

3.根据权利要求1所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：所述S41中的二阶响应面模型，即喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式、出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式分别为：

其中，R为喷嘴的总流量，S为出口油束喷射角度，K₁、K₂、…K_i…K_m分别为各个关键结构参数，β₀、β₁…β_i…β_m、β₁₁…β_ii…β_mm、β₁₂、β₁₃…β_(m-1)m、δ₀、δ₁…δ_i…δ_m、δ₁₁…δ_ii…δ_mm、δ₁₂、δ₁₃…δ_(m-1)m均为待定系数。

4.根据权利要求1所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：所述S42中

关键结构参数初始值具体为：K₁₀、K₂₀…K_i0…K_m0；

且关键结构参数取值范围为：K_i-≤K_i≤K_i+；

为使活塞冷却喷嘴的总流量R达到R_aim，设定边界条件具体为：

ΔR＝|R-R_aim|＜α·W

其中α为误差系数，且α取值范围为0.1-0.5，多数情况取0.2，W为冷却喷嘴的总流量的允许误差，且W≤0.5；

为使活塞冷却喷嘴的打靶效率达到最大，优化目标具体为：最小化出口油束喷射角度。