CN116517718B - 活塞、发动机及活塞设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种活塞、发动机及活塞设计方法，活塞包括活塞本体、冷却通道和多个凸起部；冷却通道沿活塞本体的周向延伸设置，以形成环状结构；冷却通道用于容纳冷却介质，以对活塞本体进行冷却；沿活塞本体的轴向，冷却通道具有顶壁和底壁；多个凸起部沿活塞本体的周向间隔设置。其中，冷却通道的底壁向活塞本体的顶部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的顶壁间隔设置；或者，冷却通道的顶壁向活塞本体的底部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的底壁间隔设置。本申请的凸起部的设置可以增强冷却通道内的冷却介质的振荡效果，从而加强对活塞的冷却效果。

Description

活塞、发动机及活塞设计方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞技术领域，具体而言，涉及一种活塞、发动机及活塞设计方法。

背景技术

发动机的活塞处于高温高压的工作环境中，容易因超温或者疲劳而破坏，造成拉缸等严重故障。为了降低活塞温度，常用的方法是在活塞内布置内冷油道，并通过冷却喷嘴将机油喷入内冷油道，对活塞进行冷却。

活塞在发动机运行过程中做高速的往复运动，带动内冷油道中的机油振荡。机油振荡越剧烈，湍流越强，冷却效果越好。而且由于活塞顶部直接接触发动机缸内燃烧过程，所以高效的顶部冷却是内冷油道优化的重要方向。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种活塞、发动机及活塞设计方法，以加强对活塞的冷却效果。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种活塞，其包括：活塞本体；冷却通道，冷却通道沿活塞本体的周向延伸设置，以形成环状结构；冷却通道用于容纳冷却介质，以对活塞本体进行冷却；沿活塞本体的轴向，冷却通道具有顶壁和底壁；多个凸起部，多个凸起部沿活塞本体的周向间隔设置；其中，冷却通道的底壁向活塞本体的顶部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的顶壁间隔设置；或者冷却通道的顶壁向活塞本体的底部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的底壁间隔设置。

进一步地，沿活塞本体的周向，活塞本体具有多个依次分布的径向线；多个凸起部与多个径向线一一对应地设置；每个凸起部均具有纵向截面，每个凸起部的纵向截面与相应的径向线垂直；凸起部的纵向截面具有中心线，凸起部的纵向截面的中心线位于凸起部的纵向截面上且经过凸起部的纵向截面的中心，凸起部的纵向截面的中心线与活塞本体的中心轴线平行；沿与凸起部的凸出方向垂直的方向，凸起部的纵向截面具有相对设置的两个侧边；沿凸起部的凸出方向，凸起部的纵向截面的每个侧边均逐渐靠近凸起部的纵向截面的中心线。

进一步地，沿活塞本体的周向，冷却通道内具有多个间隔且均匀分布的设置位置，各个凸起部与多个设置位置中的其中一个设置位置相对应，以使各个凸起部设置在相应的设置位置上。

进一步地，活塞本体包括空腔和活塞顶部，活塞还包括：进入通道，进入通道为沿活塞本体的轴向延伸设置的条形槽，进入通道的第一端与冷却通道连接并连通，进入通道的第二端用于通入冷却介质；进入通道位于冷却通道的远离活塞顶部的一侧，进入通道的第二端与空腔连通；和/或排出通道，排出通道为沿活塞本体的轴向延伸设置的条形槽，排出通道的第一端与冷却通道连接并连通，排出通道的第二端用于排出冷却介质；排出通道位于冷却通道的远离活塞顶部的一侧，排出通道的第二端与空腔连通。

根据本发明的另一方面，提供了一种活塞设计方法，其适用于上述的活塞；活塞的多个凸起部的纵向截面的形状和大小均相等；步骤S1：以凸起部的纵向截面的凸起端宽度W、凸起部的凸出高度H、活塞的相邻两个设置位置之间的周向间隔夹角ω、凸起部的纵向截面的每个侧边的倾斜角度ε为因子，以活塞的冷却通道的顶部的平均对流换热系数HTC为目标，建立n阶响应面模型；其中，n为大于0的一个整数，n阶响应面模型包括待定系数β；步骤S2：设置多个因子参数组；当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，每个因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值和一个ε值；当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度分别为ε₁和ε₂，每个因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值、一个ε₁值和一个ε₂值；步骤S3：搭建活塞冷却时的CFD模型，并将多个因子参数组依次带入CFD模型进行仿真，以计算得到冷却通道的顶部的平均对流换热系数的多个仿真值；步骤S4：将多个因子参数组和多个仿真值分别带入n阶响应面模型中，多个因子参数组与仿真值一一对应地设置，以得到待定系数β；步骤S5：基于得到的待定系数β，采用优化算法对每个因子进行优化，以在满足每个因子的限值的条件下，使冷却通道的顶部的平均对流换热系数HTC达到最大；并记录HTC达到最大时的各个因子的数值；步骤S6：以记录的HTC达到最大时的各个因子的数值为基础，进行活塞有限元仿真，以得到活塞在极限工况下的温度场；步骤S7：对得到的活塞在极限工况下的温度场进行判断；当温度场中的每个关键部位的最高温度均低于其温度限值时，则设计结束；否则，对冷却通道进行改进设计并重复步骤S1至步骤S7。

进一步地，当n=1时，n阶响应面模型为一阶响应面模型；且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，一阶响应面模型为；式中，K_i分别为W、H、ω、ε；一阶响应面模型包括五个待定系数β，五个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄；其中，通过至少五个因子参数组和至少五个仿真值以得到五个待定系数β；当n=1时，n阶响应面模型为一阶响应面模型；且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，一阶响应面模型为/>；式中，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂；一阶响应面模型包括六个待定系数β，六个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅；其中，通过至少六个因子参数组和至少六个仿真值以得到六个待定系数β；当n=2时，n阶响应面模型为二阶响应面模型；且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，二阶响应面模型为；式中，j为大于0且小于5的整数，K_i分别为W、H、ω、ε；二阶响应面模型包括十五个待定系数β，其中，通过至少十五个因子参数组和至少十五个仿真值以得到十五个待定系数β；当n=2时，n阶响应面模型为二阶响应面模型；且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，二阶响应面模型为；式中，j为大于0且小于6的整数，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂；二阶响应面模型包括二十一个待定系数β，通过至少二十一个因子参数组和至少二十一个仿真值以得到二十一个待定系数β。

进一步地，当n=1、且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于5时，通过最小二乘法计算得到五个待定系数β；当n=1、且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于6时，通过最小二乘法计算得到六个待定系数β；当n=2、且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于15时，通过最小二乘法计算得到十五个待定系数β；当n=2、且当凸起部的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于21时，通过最小二乘法计算得到二十一个待定系数β。

进一步地，CFD模型包括运动部分和静止部分，运动部分包括冷却通道、进入通道和排出通道，静止部分包括向活塞喷射冷却介质的活塞冷却喷嘴和活塞所处的活塞缸；在步骤S3中，以活塞进行往复运动的一个周期为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至仿真结果趋于稳定。

根据本发明的又一方面，提供了一种发动机，其包括上述的活塞。进一步地，该活塞采用上述的活塞设计方法进行设计。

应用本发明的技术方案，活塞包括活塞本体、冷却通道和多个凸起部，冷却通道沿活塞本体的周向延伸设置，以形成环状结构；冷却通道用于容纳冷却介质，冷却通道20内的冷却介质随着活塞的往复运动而振荡流动，以对活塞本体进行冷却；沿活塞本体的轴向，冷却通道具有顶壁和底壁；多个凸起部沿活塞本体的周向间隔设置。

凸起部的第一种设置形式为：冷却通道的底壁向活塞本体的顶部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的顶壁间隔设置。在冷却通道内的冷却介质向活塞本体的底部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道的底壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部时，会沿凸起部的侧面向活塞本体的顶部方向流动，并再次向活塞本体的顶部方向飞溅到冷却通道的顶壁，以增强湍流效果。

凸起部的第二种设置形式为：冷却通道的顶壁向活塞本体的底部方向凸出设置以形成凸起部，凸起部与冷却通道的底壁间隔设置。在冷却通道内的冷却介质向活塞本体的顶部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道的顶壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部时，会沿凸起部的侧面向活塞本体的底部方向流动，并再次向活塞本体的底部方向飞溅到冷却通道的底壁，以增强湍流效果。

本申请的凸起部的设置可以增强冷却通道内的冷却介质的湍流效果，即增强了冷却通道内的冷却介质的振荡效果，从而加强对活塞的冷却效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的活塞的侧视图；

图2示出了图1中的活塞的俯视图；

图3示出了图2中的活塞的A-A的剖视图；

图4示出了图3中的活塞的B-B的剖视图；其中，活塞的凸起部均为第一种设置形式；

图5示出了图4中的活塞的C-C的剖视图；其中，活塞的凸起部均为第一种设置形式；

图6示出了根据本发明的活塞的冷却通道内的凸起部的结构示意图；其中，活塞的凸起部为第一种设置形式；

图7示出了根据本发明的活塞的凸起部的纵向截面为梯形时的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、活塞本体；101、活塞顶部；102、活塞头部；103、活塞裙部；11、活塞燃烧室；12、喉口部；13、空腔；20、冷却通道；30、凸起部；31、纵向截面；311、侧边；312、中心线；40、进入通道；50、排出通道；200、径向线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限值根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种活塞，请参考图1至图7，活塞包括活塞本体10、冷却通道20和多个凸起部30，冷却通道20沿活塞本体10的周向延伸设置，以形成环状结构；冷却通道20用于容纳冷却介质，冷却通道20内的冷却介质随着活塞的往复运动而振荡流动，以对活塞本体10进行冷却；沿活塞本体10的轴向，冷却通道20具有顶壁和底壁；多个凸起部30沿活塞本体10的周向间隔设置。

凸起部30的第一种设置形式为：冷却通道20的底壁向活塞本体10的顶部方向凸出设置以形成凸起部30，凸起部30与冷却通道20的顶壁间隔设置。在冷却通道20内的冷却介质向活塞本体10的底部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道20的底壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部30时，会沿凸起部30的侧面向活塞本体10的顶部方向流动，并再次向活塞本体10的顶部方向飞溅到冷却通道20的顶壁，以增强湍流效果。并且，由于冷却介质会再次飞溅到冷却通道20的顶壁，这样可以使冷却通道20的顶壁始终具有较高的换热系数，进而可以有效降低活塞的顶部温度，提高了活塞的可靠性。图5和图6中的箭头表示在活塞往复运动过程中，凸起部30附近的冷却介质流向。

凸起部30的第二种设置形式为：冷却通道20的顶壁向活塞本体10的底部方向凸出设置以形成凸起部30，凸起部30与冷却通道20的底壁间隔设置。在冷却通道20内的冷却介质向活塞本体10的顶部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道20的顶壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部30时，会沿凸起部30的侧面向活塞本体10的底部方向流动，并再次向活塞本体10的底部方向飞溅到冷却通道20的底壁，以增强湍流效果。另外，凸起部30的第二种设置形式还可以增加冷却通道20的顶部换热面积，以提高冷却效果。

需要说明的是，活塞本体10包括活塞顶部101、活塞头部102、活塞裙部103，活塞顶部101是组成活塞燃烧室11的主要部分；上述提到的活塞本体10的顶部方向是指朝向活塞顶部101的方向，活塞本体10的底部方向是指远离活塞顶部101的方向。沿活塞本体10的轴向，冷却通道20具有顶壁和底壁，冷却通道20的顶壁位于其底壁的靠近活塞顶部101的一侧；其中，活塞顶部101、活塞头部102、活塞裙部103的分布方向与活塞本体10的轴向相同。

本申请的凸起部30的设置可以增强冷却通道20内的冷却介质的湍流效果，即增强了冷却通道20内的冷却介质的振荡效果，从而加强对活塞的冷却效果，特别是活塞的顶部的冷却效果。

冷却通道20的纵向截面与活塞本体10的轴向平行，且冷却通道20的纵向截面与活塞本体10的中心轴线处于同一平面上，冷却通道20的纵向截面的宽度方向与活塞本体10的轴向垂直；对于冷却通道20的纵向截面的宽度较小的情况，本申请的多个间隔设置的凸起部30的设置方式也比较适合。

具体地，活塞本体10沿其轴向进行往复运动，凸起部30的凸出方向与活塞本体10的轴向平行或相同，这样可以使得冷却通道20内的冷却介质的流动阻力小、流速高，进而使得冷却效果更好。

具体地，冷却通道20设置在活塞头部102。

可选地，冷却介质为冷却油液；例如，冷却油液为机油。

可选地，多个凸起部30的第一种布置方式为：多个凸起部30均采用第一种设置形式。

可选地，多个凸起部30的第二种布置方式为：多个凸起部30均采用第二种设置形式。

在本实施例中，沿活塞本体10的周向，活塞本体10具有多个依次分布的径向线200，每个径向线200均与活塞本体10的中心轴线垂直且均与活塞本体10的中心轴线相交；多个凸起部30与多个径向线200一一对应地设置；每个凸起部30均具有纵向截面，每个凸起部30的纵向截面与相应的径向线200垂直，每个凸起部30的纵向截面均与活塞本体10的中心轴线平行；凸起部30的纵向截面具有中心线，凸起部30的纵向截面的中心线位于凸起部30的纵向截面上，凸起部30的纵向截面的中心线经过凸起部30的纵向截面的中心，凸起部30的纵向截面的中心线与活塞本体10的中心轴线平行；沿与凸起部30的凸出方向垂直的方向，凸起部30的纵向截面具有相对设置的两个侧边；沿凸起部30的凸出方向，凸起部30的纵向截面的每个侧边均逐渐靠近凸起部30的纵向截面的中心线，即凸起部30的纵向截面的每个侧边均相对于该纵向截面的中心线倾斜设置。

具体地，当凸起部30为第一种设置形式时，凸起部30的凸出方向是指冷却通道20底壁至顶壁的方向，此时凸起部30的纵向截面为下宽上窄。当凸起部30为第二种设置形式时，凸起部30的凸出方向是指冷却通道20顶壁至底壁的方向，此时凸起部30的纵向截面为上宽下窄。

需要说明的是，凸起部30由其纵向截面沿相应的径向线200方向拉伸而成。活塞本体10的中心轴线的延伸方向与活塞本体10的轴向相同。图4中的两条径向线200的相交点为活塞本体10的中心轴线在该平面的投影点。

可选地，凸起部30的纵向截面为梯形或近似梯形的形状。

如图7所示，纵向截面31为第一种设置形式的凸起部30的纵向截面，纵向截面31为梯形；两个侧边311为纵向截面31的在与凸起部30的凸出方向垂直的方向上相对设置的两个侧边；中心线312为纵向截面31的中心线；纵向截面31的顶边宽度为凸起部30的纵向截面的凸起端宽度。

在本实施例中，沿活塞本体10的周向，冷却通道20内具有多个间隔且均匀分布的设置位置，这样任意相邻两个设置位置之间的周向间隔夹角ω均相等；各个凸起部30与多个设置位置中的其中一个设置位置相对应，以使各个凸起部30设置在相应的设置位置上。

具体实施过程中，可以通过使多个设置位置中的部分设置位置上没有凸起部30，以用于避让冷却油液的流道。

在本实施例中，活塞还包括进入通道40，进入通道40为沿活塞本体10的轴向延伸设置的条形槽，进入通道40的第一端与冷却通道20连接并连通，进入通道40的第二端用于通入冷却介质。

在本实施例中，活塞还包括排出通道50，排出通道50为沿活塞本体10的轴向延伸设置的条形槽，排出通道50的第一端与冷却通道20连接并连通，排出通道50的第二端用于排出冷却介质。

具体地，活塞本体10具有空腔13，进入通道40的第二端与空腔13连通，排出通道50的第二端与空腔13连通。

具体实施过程中，活塞冷却喷嘴位于活塞的下方，活塞冷却喷嘴用于通过空腔13向进入通道40的第二端喷入冷却介质，以使冷却介质进到进入通道40内，再流动至冷却通道20，再从排出通道50流出。

具体地，进入通道40位于冷却通道20的远离活塞顶部101的一侧，排出通道50位于冷却通道20的远离活塞顶部101的一侧。

本发明还提供了一种活塞设计方法，该设计方法适用于上述的活塞；活塞的凸起部30具有以下几个参数：1、凸起部30的纵向截面的凸起端宽度W；其中，当凸起部30为第一种设置形式时，凸起部30的纵向截面的凸起端是指凸起部30的纵向截面的顶端；当凸起部30为第二种设置形式时，凸起部30的纵向截面的凸起端是指凸起部30的纵向截面的底端；2、凸起部30的凸出高度H，凸起部30的凸出高度方向与活塞本体10的轴向平行或相同；3、凸起部30的纵向截面的每个侧边与该纵向截面的中心线之间的夹角ε，即凸起部30的纵向截面的每个侧边的倾斜角度为ε；当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度分别为ε₁和ε₂。

活塞的多个凸起部30的纵向截面的形状和大小均相等；即当每个凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度均相等时，活塞的多个凸起部30的W、H、ε均相等；当每个凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度均不相等时，活塞的多个凸起部30的W、H、ε₁和ε₂均相等。

该设计方法包括：

步骤S1：以凸起部30的纵向截面的凸起端宽度W、凸起部30的凸出高度H、活塞的相邻两个设置位置之间的周向间隔夹角ω、凸起部30的纵向截面的每个侧边的倾斜角度ε为因子，以活塞的冷却通道20的顶部的平均对流换热系数HTC为目标，建立n阶响应面模型；其中，n为大于0的一个整数，n阶响应面模型包括待定系数β。

需要说明的是，沿活塞本体10的轴向，冷却通道20的内部腔体包括上部腔体和下部腔体，上部腔体位于下部腔体的靠近活塞顶部101的一侧；本申请提到的冷却通道20的顶部是指上部腔体。可选地，上部腔体的高度和下部腔体的高度相等，上部腔体的高度方向和下部腔体的高度方向均与活塞本体10的轴向平行或相同。

步骤S2：设置多个因子参数组；当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，每个因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值和一个ε值；当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度分别为ε₁和ε₂，每个因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值、一个ε₁值和一个ε₂值。

步骤S3：搭建活塞冷却时的CFD模型，并将多个因子参数组依次带入CFD模型进行仿真，以计算得到冷却通道20的顶部的平均对流换热系数的多个仿真值。一个因子参数组可以计算得出冷却通道20的顶部的平均对流换热系数的一个仿真值，故多个因子参数组与多个仿真值一一对应地设置。

步骤S4：将多个因子参数组和多个仿真值分别带入n阶响应面模型中，多个因子参数组与仿真值一一对应地设置，以得到待定系数β。即将每个因子参数组和相应的仿真值一起带入n阶响应面模型中，以得到多个n阶响应面模型公式；每个n阶响应面模型公式中仅有待定系数β为未知数，故通过多个n阶响应面模型公式，可以计算得出待定系数β。

步骤S5：基于步骤S4最终得到的待定系数β，选取合适的优化算法对每个因子进行优化，以在满足每个因子的限值的条件下，使冷却通道20的顶部的平均对流换热系数HTC达到最大；并记录HTC达到最大时的各个因子的数值；HTC达到最大时的各个因子的数值为凸起部30的最优设计方案。

需要说明的是，根据冷却通道20的尺寸确定每个因子的上限值和下限值，每个因子的限值包括该因子的上限值和下限值。具体实施过程中，根据冷却通道20的尺寸，并结合设计经验，来确定每个因子的上限值和下限值。

步骤S6：以步骤S5中记录的HTC达到最大时的各个因子的数值为基础，进行活塞有限元仿真，以得到活塞在极限工况下的温度场。其中，当处于极限工况时，发动机的转速和功率均为最大值。

步骤S7：对步骤S6得到的活塞在极限工况下的温度场进行判断；当该温度场中的每个关键部位的最高温度均低于其温度限值时，则设计结束；否则，对冷却通道20进行改进设计并重复步骤S1至步骤S7。

需要说明的是，活塞具有至少一个关键部位，活塞冷却时，每个关键部位都具有相应的温度限值，即每个关键部位的最高温度应低于其温度限值。例如，活塞的关键部位包括燃烧室的喉口部12和燃烧室的中心等，喉口部12是指燃烧室的收口部位。

通过本申请的活塞设计方法，可以使冷却通道20的散热效果达到最佳。

在本实施例中，当n=1时，n阶响应面模型为一阶响应面模型。

具体地，当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，一阶响应面模型为；式中，K_i分别为W、H、ω、ε，即K₁为W、K₂为H、K₃为ω、K₄为ε；一阶响应面模型包括五个待定系数β，五个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄，此时通过至少五个因子参数组和至少五个仿真值以得出至少五个方程式，进而计算得到五个待定系数β，至少五个因子参数组和至少五个仿真值一一对应地设置。

具体地，当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，一阶响应面模型为；式中，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂，即K₁为W、K₂为H、K₃为ω、K₄为ε₁、K₅为ε₂；一阶响应面模型包括六个待定系数β，六个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅；此时通过至少六个因子参数组和至少六个仿真值以得出至少六个方程式，进而计算得到六个待定系数β，至少六个因子参数组和至少六个仿真值一一对应地设置。

在本实施例中，当n=2时，n阶响应面模型为二阶响应面模型。

具体地，当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，二阶响应面模型为；式中，下角标j为大于0且小于5的整数，K_i分别为W、H、ω、ε，即K₁为W、K₂为H、K₃为ω、K₄为ε；二阶响应面模型包括十五个待定系数β，此时通过至少十五个因子参数组和至少十五个仿真值以得出至少十五个方程式，进而计算得到十五个待定系数β，至少十五个因子参数组和至少十五个仿真值一一对应地设置。

具体地，当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，二阶响应面模型为；式中，下角标j为大于0且小于6的整数，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂，即K₁为W、K₂为H、K₃为ω、K₄为ε₁、K₅为ε₂；二阶响应面模型包括二十一个待定系数β，通过至少二十一个因子参数组和至少二十一个仿真值以得出至少二十一个方程式，进而计算得到二十一个待定系数β，至少二十一个因子参数组和至少二十一个仿真值一一对应地设置。

在本实施例中，当n=1、且凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于5时，通过最小二乘法计算得到五个待定系数β。当n=1、且凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于6时，通过最小二乘法计算得到六个待定系数β。当n=2、且当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于15时，通过最小二乘法计算得到十五个待定系数β。当n=2、且当凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当因子参数组和仿真值的数量均大于21时，通过最小二乘法计算得到二十一个待定系数β。

以一阶响应面模型、且凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等为例，当因子参数组和仿真值的数量均等于5时，则能计算出一组五个待定系数β的数据值；当因子参数组和仿真值的数量均大于5时，则无解。

具体地，以一阶响应面模型、且凸起部30的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且因子参数组和仿真值的数量均大于5为例，对最小二乘法的计算进行说明：因子参数组和仿真值的数量均为m，m个因子参数组与m个仿真值一一对应，m为大于5的整数，可以得到m个方程式；设置多组系数数值，每组系数数值包括五个待定系数β的数据值；对于任意一组系数数值，将一组系数数值的五个待定系数β的数据值应用于m个方程式中，以五个待定系数β和m个因子参数组为已知数，可以求得m个冷却通道20的顶部的平均对流换热系数的预测值；m个预测值与m个因子参数组必然一一对应，进而m个预测值与m个仿真值一一对应；计算出每个预测值与相应的仿真值的差值的平方，那么就有m个差值的平方，再将这m个差值的平方相加以得到误差平方和；将多组系数数值依次采用上述方法计算，以得到多个误差平方和，即每组系数数值都会对应一个误差平方和，选取多个误差平方和中的最小值，其所对应的一组系数数值中的五个待定系数β为通过最小二乘法计算得到的五个待定系数β。

在本实施例中，CFD模型包括运动部分和静止部分，运动部分包括冷却通道20、进入通道40和排出通道50，静止部分包括向活塞喷射冷却介质的活塞冷却喷嘴和活塞所处的活塞缸。在步骤S3中，以活塞进行往复运动的一个周期为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至仿真结果趋于稳定。

具体地，发动机的曲轴用于驱动活塞进行往复运动，当曲轴转动一周（即360度）时，活塞进行一个周期的往复运动。

在本实施例中，在步骤S1之前，根据经验设计合理的冷却通道20的形状和大小。

本发明还提供了一种发动机，其包括上述的活塞。具体地，该发动机的活塞采用上述的活塞设计方法进行设计。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

在本发明提供的活塞中，活塞包括活塞本体10、冷却通道20和多个凸起部30，冷却通道20沿活塞本体10的周向延伸设置，以形成环状结构；冷却通道20用于容纳冷却介质，冷却通道20内的冷却介质随着活塞的往复运动而振荡流动，以对活塞本体10进行冷却；沿活塞本体10的轴向，冷却通道20具有顶壁和底壁；多个凸起部30沿活塞本体10的周向间隔设置。

凸起部30的第一种设置形式为：冷却通道20的底壁向活塞本体10的顶部方向凸出设置以形成凸起部30，凸起部30与冷却通道20的顶壁间隔设置。在冷却通道20内的冷却介质向活塞本体10的底部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道20的底壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部30时，会沿凸起部30的侧面向活塞本体10的顶部方向流动，并再次向活塞本体10的顶部方向飞溅到冷却通道20的顶壁，以增强湍流效果。并且，由于冷却介质会再次飞溅到冷却通道20的顶壁，这样可以使冷却通道20的顶壁始终具有较高的换热系数，进而可以有效降低活塞的顶部温度，提高了活塞的可靠性。

凸起部30的第二种设置形式为：冷却通道20的顶壁向活塞本体10的底部方向凸出设置以形成凸起部30，凸起部30与冷却通道20的底壁间隔设置。在冷却通道20内的冷却介质向活塞本体10的顶部方向振荡的过程中，冷却介质首先接触冷却通道20的顶壁，再流向两侧；在冷却介质流动到两侧的凸起部30时，会沿凸起部30的侧面向活塞本体10的底部方向流动，并再次向活塞本体10的底部方向飞溅到冷却通道20的底壁，以增强湍流效果。另外，凸起部30的第二种设置形式还可以增加冷却通道20的顶部换热面积，以提高冷却效果。

本申请的凸起部30的设置可以增强冷却通道20内的冷却介质的湍流效果，即增强了冷却通道20内的冷却介质的振荡效果，从而加强对活塞的冷却效果。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限值本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种活塞设计方法，适用于活塞；所述活塞包括活塞本体（10）、冷却通道（20）和多个凸起部（30），所述冷却通道（20）沿所述活塞本体（10）的周向延伸设置，以形成环状结构；所述冷却通道（20）用于容纳冷却介质，以对所述活塞本体（10）进行冷却；沿所述活塞本体（10）的轴向，所述冷却通道（20）具有顶壁和底壁；其特征在于，

多个所述凸起部（30）沿所述活塞本体（10）的周向间隔设置；其中，所述冷却通道（20）的底壁向所述活塞本体（10）的顶部方向凸出设置以形成所述凸起部（30），所述凸起部（30）与所述冷却通道（20）的顶壁间隔设置；或者，所述冷却通道（20）的顶壁向所述活塞本体（10）的底部方向凸出设置以形成所述凸起部（30），所述凸起部（30）与所述冷却通道（20）的底壁间隔设置；

沿所述活塞本体（10）的周向，所述活塞本体（10）具有多个依次分布的径向线（200）；多个所述凸起部（30）与多个所述径向线（200）一一对应地设置；每个所述凸起部（30）均具有纵向截面，每个所述凸起部（30）的纵向截面与相应的径向线（200）垂直；所述凸起部（30）的纵向截面具有中心线，所述凸起部（30）的纵向截面的中心线位于所述凸起部（30）的纵向截面上且经过所述凸起部（30）的纵向截面的中心，所述凸起部（30）的纵向截面的中心线与所述活塞本体（10）的中心轴线平行；沿与所述凸起部（30）的凸出方向垂直的方向，所述凸起部（30）的纵向截面具有相对设置的两个侧边；沿所述凸起部（30）的凸出方向，所述凸起部（30）的纵向截面的每个侧边均逐渐靠近所述凸起部（30）的纵向截面的中心线；

沿所述活塞本体（10）的周向，所述冷却通道（20）内具有多个间隔且均匀分布的设置位置，各个所述凸起部（30）与多个所述设置位置中的其中一个设置位置相对应，以使各个所述凸起部（30）设置在相应的设置位置上；

所述活塞的多个凸起部（30）的纵向截面的形状和大小均相等；

所述活塞设计方法包括：

步骤S1：以所述凸起部（30）的纵向截面的凸起端宽度W、所述凸起部（30）的凸出高度H、所述活塞的相邻两个设置位置之间的周向间隔夹角ω、所述凸起部（30）的纵向截面的每个侧边的倾斜角度ε为因子，以所述活塞的冷却通道（20）的顶部的平均对流换热系数HTC为目标，建立n阶响应面模型；其中，n为大于0的一个整数，所述n阶响应面模型包括待定系数β；

步骤S2：设置多个因子参数组；当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，每个所述因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值和一个ε值；当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度分别为ε₁和ε₂，每个所述因子参数组包括一个W值、一个H值、一个ω值、一个ε₁值和一个ε₂值；

步骤S3：搭建所述活塞冷却时的CFD模型，并将多个所述因子参数组依次带入所述CFD模型进行仿真，以计算得到所述冷却通道（20）的顶部的平均对流换热系数的多个仿真值；

步骤S4：将多个所述因子参数组和所述多个仿真值分别带入所述n阶响应面模型中，多个所述因子参数组与所述仿真值一一对应地设置，以得到所述待定系数β；

步骤S5：基于得到的所述待定系数β，采用优化算法对每个因子进行优化，以在满足每个因子的限值的条件下，使所述冷却通道（20）的顶部的平均对流换热系数HTC达到最大；并记录HTC达到最大时的各个因子的数值；

步骤S6：以记录的HTC达到最大时的各个因子的数值为基础，进行活塞有限元仿真，以得到活塞在极限工况下的温度场；

步骤S7：对得到的活塞在极限工况下的温度场进行判断；当所述温度场中的每个关键部位的最高温度均低于其温度限值时，则设计结束；否则，对所述冷却通道（20）进行改进设计并重复步骤S1至步骤S7。

2.根据权利要求1所述的活塞设计方法，其特征在于，

当n=1时，所述n阶响应面模型为一阶响应面模型；且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，所述一阶响应面模型为；式中，K_i分别为W、H、ω、ε；所述一阶响应面模型包括五个待定系数β，所述五个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄；其中，通过至少五个所述因子参数组和至少五个仿真值以得到所述五个待定系数β；

当n=1时，所述n阶响应面模型为一阶响应面模型；且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，所述一阶响应面模型为；式中，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂；所述一阶响应面模型包括六个待定系数β，所述六个待定系数β分别为β₀、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅；其中，通过至少六个所述因子参数组和至少六个仿真值以得到所述六个待定系数β；

当n=2时，所述n阶响应面模型为二阶响应面模型；且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等时，所述二阶响应面模型为；式中，j为大于0且小于5的整数，K_i分别为W、H、ω、ε；所述二阶响应面模型包括十五个待定系数β，其中，通过至少十五个所述因子参数组和至少十五个仿真值以得到所述十五个待定系数β；

当n=2时，所述n阶响应面模型为二阶响应面模型；且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等时，所述二阶响应面模型为；式中，j为大于0且小于6的整数，K_i分别为W、H、ω、ε₁、ε₂；所述二阶响应面模型包括二十一个待定系数β，通过至少二十一个所述因子参数组和至少二十一个仿真值以得到所述二十一个待定系数β。

3.根据权利要求2所述的活塞设计方法，其特征在于，

当n=1、且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当所述因子参数组和仿真值的数量均大于5时，通过最小二乘法计算得到所述五个待定系数β；

当n=1、且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当所述因子参数组和仿真值的数量均大于6时，通过最小二乘法计算得到所述六个待定系数β；

当n=2、且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度相等、且当所述因子参数组和仿真值的数量均大于15时，通过最小二乘法计算得到所述十五个待定系数β；

当n=2、且当所述凸起部（30）的纵向截面的两个侧边的倾斜角度不相等、且当所述因子参数组和仿真值的数量均大于21时，通过最小二乘法计算得到所述二十一个待定系数β。

4.根据权利要求1所述的活塞设计方法，其特征在于，所述活塞本体（10）包括空腔（13）和活塞顶部（101），所述活塞还包括进入通道（40）和排出通道（50），所述进入通道（40）为沿所述活塞本体（10）的轴向延伸设置的条形槽，所述进入通道（40）的第一端与所述活塞的冷却通道（20）连接并连通，所述进入通道（40）的第二端用于通入冷却介质；所述进入通道（40）位于所述冷却通道（20）的远离所述活塞顶部（101）的一侧，所述进入通道（40）的第二端与所述空腔（13）连通；所述排出通道（50）为沿所述活塞本体（10）的轴向延伸设置的条形槽，所述排出通道（50）的第一端与所述冷却通道（20）连接并连通，所述排出通道（50）的第二端用于排出冷却介质；所述排出通道（50）位于所述冷却通道（20）的远离所述活塞顶部（101）的一侧，所述排出通道（50）的第二端与所述空腔（13）连通；

所述CFD模型包括运动部分和静止部分，所述运动部分包括所述冷却通道（20）、所述进入通道（40）和所述排出通道（50），所述静止部分包括向所述活塞喷射冷却介质的活塞冷却喷嘴和所述活塞所处的活塞缸；

在所述步骤S3中，以所述活塞进行往复运动的一个周期为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至仿真结果趋于稳定。

5.一种发动机，其特征在于，包括活塞，所述活塞采用权利要求1至4中任一项所述的活塞设计方法进行设计。