本发明涉及一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置及试验方法，属于内燃机活塞试验技术领域。包括：主体振荡机构，动力系统，供油及余油收集系统，控制与测量系统；主体振荡机构包括可变曲柄连杆机构，顶杆，油道透明模型，以及包含顶杆导向机构的机架；动力系统包括伺服电机装置；供油系统通过对准油道透明模型入口的喷油嘴向油道透明模型喷射机油，余油收集系统最后对机油进行收集；控制与测量系统对伺服电机装置转速，喷油压力等进行测量和控制，并通过高速摄影设备记录机油流动状况及其他数据。本发明仿真精度高，通用性强，能动态模拟活塞内冷油道机油振荡流动分布，同时可测定喷油嘴喷油性能，为活塞优化设计提供依据。
1.一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于，包括：主体振荡机构，动力系统，供油及余油收集系统，控制与测量系统；其中：
所述的主体振荡机构包括机架（1）、曲柄长度调节装置（2）、顶杆导向机构、连杆（13）、可变曲柄连杆机构（14）、顶杆（11）、试件安装平台（9）、油道透明模型（8）、右主轴颈（21）；
机架（1）的左侧、右侧、上部均开设有安装孔，曲柄长度调节装置（2）穿过机架（1）的左侧的安装孔后与机架（1）内部的可变曲柄连杆机构（14）的左侧连接，右主轴颈（21）穿过机架（1）右侧的安装孔后与可变曲柄连杆机构（14）的右侧连接，右主轴颈（21）由机架（1）轴向固定，机架（1）上方的安装孔处设有顶杆导向机构，试件安装平台（9）固定在机架（1）的正上方，顶杆（11）的上端与试件安装平台（9）连接，下端穿过顶杆导向机构后与机架（1）内部的连杆（13）的上端连接，连杆（13）的下端与可变曲柄连杆机构（14）的上端连接，曲柄长度调节装置（2）用于实现可变曲柄连杆机构（14）的长度调节；所述的油道透明模型（8）具有进油口和出油口；
所述的动力系统包括伺服电机装置（15），伺服电机装置（15）的电机输出轴（18）与右主轴颈（21）连接，伺服电机装置（15）通过右主轴颈（21）带动可变曲柄连杆机构（14）往复运动，进而可变曲柄连杆机构（14）带动连杆（13）上下往复运动；
所述的供油及余油收集系统包括供油装置及余油收集装置（12），供油装置用于向油道透明模型（8）的进油口喷射机油，余油收集装置（12）用于收集从油道透明模型（8）出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入油道透明模型（8）进油口的机油；
所述的控制与测量系统包括上位机、下位机、高速摄影设备（10），上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与高速摄影设备（10）、供油装置、伺服电机装置（15）连接，用于控制高速摄影设备（10）、供油装置、伺服电机装置（15）执行上位机的指令并将高速摄影设备（10）、供油装置、伺服电机装置（15）的状态数据反馈给上位机，高速摄影设备（10）用于拍摄油道透明模型（8）中机油振荡情况；
所述的余油收集装置（12）包括上套箱（30）、下套箱（31）、腔体（32）、出油收集管（33）、未喷入油收集管（34）、喷油油路（35）、通气窗（36），上套箱（30）与上部的试件安装平台（9）固定在一起且其入口与油道透明模型（8）的出油口连通，下套箱（31）位于上套箱（30）下端且与上套箱（30）间隙配合，下套箱（31）内含有中间挡板（37），带通气窗（36）的腔体（32）安装在下套箱（31）外侧且其中间设有中间隔板（40），通气窗（36）连通大气，中间挡板（37）将下套箱（31）分割成左右两个箱体，从油道透明模型（8）出油口流出的机油流经上套箱（30）后进入下套箱（31）的左箱体，从供油装置喷出但未喷入油道透明模型（8）进油口的机油溅到上套箱（30）与下套箱（31）的壁面上后，在重力作用下落入下套箱（31）的右箱体，中间隔板（40）将腔体（32）分割成左右两个腔体，下套箱（31）的左箱体的底部设有与腔体（32）左腔体连通的左侧方孔（39），下套箱（31）的右箱体的底部设有与腔体（32）右腔体连通的右侧方孔（38），出油收集管（33）与腔体（32）左腔体连通，未喷入油收集管（34）与腔体（32）右腔体连通。
2.根据权利要求1所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的曲柄长度调节装置（2）包括手轮（16）、滑动螺杆（17）、螺母（29）、轴承（27）、套筒（26）、止推挡圈或双螺母固定标准件（28）；套筒（26）安装在机架（1）的左侧的安装孔内，轴承（27）安装在套筒（26）内部，螺母（29）安装于轴承（27）内圈，并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件（28）固定在螺母（29）上，滑动螺杆（17）与螺母（29）内壁螺纹连接，滑动螺杆（17）左端与手轮（16）连接，右端与可变曲柄连杆机构（14）的左端连接，通过转动手轮（16），改变滑动螺杆（17）的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构（14）运动。
3.根据权利要求1所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的可变曲柄连杆机构（14）包括左曲柄（25）、连杆轴颈（24）、右曲柄（23），左曲柄（25）的左端与曲柄长度调节装置（2）连接，左曲柄（25）的右端与连杆轴颈（24）的左端连接，连杆轴颈（24）的右端与右曲柄（23）的左端连接，右曲柄（23）的右端与右主轴颈（21）连接，连杆轴颈（24）的中部与上方的连杆（13）连接,所述的顶杆导向机构包括顶杆套（19）和顶杆套座（20），顶杆套座（20）位于机架（1）上部的安装孔处，顶杆套（19）安装在顶杆套座（20）内部，顶杆（11）下端穿过顶杆套（19）后伸入机架（1）内部，顶杆（11）在顶杆套（19）中自由滑动，顶杆（11）的下端设连接耳，连接耳上设有销孔，连杆（13）上端为连杆小头，下端为连杆大头，连杆小头设有销孔，通过销穿过连接耳上的销孔和连杆小头上的销孔，使连杆（13）与顶杆（11）转动连接，连杆（13）的连杆大头与下端的连杆轴颈（24）的中部转动连接。
4.根据权利要求3所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的可变曲柄连杆机构（14）还包括左右两端的振动平衡装置（22），左端的振动平衡装置（22）的左端与曲柄长度调节装置（2）连接，右端与左曲柄（25）的左端连接，右端的振动平衡装置（22）的左端与右曲柄（23）的右端连接，右端与右主轴颈（21）连接。
5.根据权利要求1所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的供油装置包括储油箱（3）、高压油泵（4）、油泵电机（5）、蓄压器（6）、喷油嘴（7），其中高压油泵（4）分别与储油箱（3）、油泵电机（5）、蓄压器（6）连接，蓄压器（6）与喷油嘴（7）连接，喷油嘴（7）通过喷油嘴位置调节装置调节以对准油道透明模型（8）进油口。
6.根据权利要求5所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的喷油嘴位置调节装置包括连接在一起的三个结构相同的调节器，分别为Z轴向调节器（41）、X轴向调节器（42）、Y轴向调节器（43），每个调节器包括导轨和套筒，导轨套在套筒内，且导轨套和套筒的对应处均设有螺纹孔，Z轴向调节器（41）、X轴向调节器（42）、Y轴向调节器（43）通过穿过螺纹孔的螺栓连接在一起。
7.根据权利要求1所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的中间挡板（37）的截面为曲拐形状。
8.根据权利要求1所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，其特征在于：所述的上位机为工控机，下位机为P LC。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据所研究机型连杆长度，制作出简化连杆（13），将连杆（13）与连杆轴颈（24）转动连接；然后通过转动手轮（16）调节模拟曲柄长度至实际机型曲柄长度；将连杆（13）与顶杆（11）转动连接；安装完保持可变曲柄连杆机构（14）位于下止点位置；而顶杆（11）与机架（1）通过顶杆导向机构滑动连接，由所述顶杆导向机构保证顶杆（11）垂直度；
步骤二：根据所研究活塞内冷油道结构，按相似理论，制作油道透明模型（8）；在试件安装平台（9）上油道进出口位置对应钻孔，将油道透明模型（8）固定于试件安装平台（9）上部，调节喷油嘴（7）的位置使其正对油道透明模型（8）进油口；
步骤三：启动油泵电机（5），待蓄压器（6）压力达到实验值且恒定后，开启喷油嘴电磁阀，喷油嘴（7）向油道透明模型（8）进油口喷射高压机油，观察透明油腔模型静止于下止点时机油喷入情况；
步骤四：通过上位机发出命令，下位机控制伺服电机装置（15）启动，使可变曲柄连杆机构（14）在一定转速下稳定运转，从而通过连杆（13）、顶杆（11）带动试件安装平台（9）及其上方的油道透明模型（8）按给定规律往复运动；
步骤五：30秒后，油道透明模型（8）内机油运动呈稳定周期性变化，启动高速摄影设备（10），对油道透明模型（8）中机油振荡情况进行拍摄记录；
步骤六：5分钟后，观察记录结束，停止喷油同时关闭伺服电机装置（15）； 上位机对收集的数据进行分析，得出油道透明模型（8）中机油振荡分布情况和该油道平均机油通过率；
步骤七：通过控制与测量系统改变供油系统中喷油温度、高压油泵（4）的喷油压力和伺服电机装置（15）的转速，通过实验得出不同工况下的实验数据。
一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置及试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置及试验方法，属于内燃机活塞试验技术领域。
背景技术
[0002] 随着近年来柴油机缸内爆发压力和升功率不断提高，柴油机活塞所受热负荷与机械负荷大大增加。为了预防活塞失效，保证活塞和柴油机的可靠性和耐久性，必须控制活塞最高温度在允许值以下，因此需要对活塞进行有效的冷却。而目前在高负荷活塞上得到广泛应用的冷却方式是内冷油道强制振荡冷却。
[0003] 内冷油道强制振荡冷却，是在活塞环区域内侧铸入油道，由机油喷嘴向油道机油入口喷射机油，机油进入油道后在活塞高速往复运动下剧烈振荡，最后从油道出口流出。机油在内冷油道振荡过程中，会带走活塞大部分的热量，极大降低了活塞的温度。对内冷油道研究中，较早的做法是通过活塞温度场评价内冷油道换热性能，由于受边界条件准确性限制，并不能得到满意结果。
[0004] 目前关于内冷油道强制振荡冷却的研究主要包括油道流动换热仿真模拟和内冷油道振荡流动模拟试验装置的研制。而油道流动换热的仿真计算，都是对简化了的油道模型进行模拟，其模型准确性难以保证，需要实验验证。而振荡流动模拟试验装置的研制实例有：中国专利申请200910047582.8中公开了一种活塞振荡冷却仿真实验装置及其实验方法。其通过电机带动回转盘旋转，通过连杆带动托架在导轨的限制下模拟柴油机活塞运动。
[0005] 但是该装置曲柄半径无法无级调节，通用性较小；由于往复机构使用的导轨，导致机油收集困难，同时机油入口处机油四处飞溅，无法收集；油道模型较小，导致观察精度较低；另外，该装置并未考虑导轨、高速往复运动机构的润滑，也未考虑高转速动不平衡导致的振动问题。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是：提供一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置及试验方法，其可以直接观察内冷油道内机油振荡流动分布，同时可精确测定内冷油道机油通过率，为研究内冷油道流动换热以及活塞内冷油道设计提供了依据。
[0007] 本发明采用以下的技术方案：一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，包括：主体振荡机构，动力系统，供油及余油收集系统，控制与测量系统；其中：
[0008] 所述的主体振荡机构包括机架1、曲柄长度调节装置2、顶杆导向机构、连杆13、可变曲柄连杆机构14、顶杆11、试件安装平台9、油道透明模型8、右主轴颈21；
[0009] 机架1的左侧、右侧、上部均开设有安装孔，曲柄长度调节装置2穿过机架1的左侧的安装孔后与机架1内部的可变曲柄连杆机构14的左侧连接，右主轴颈21穿过机架1右侧的安装孔后与可变曲柄连杆机构14的右侧连接，右主轴颈21由机架1轴向固定，机架1上方的安装孔处设有顶杆导向机构，试件安装平台9固定在机架1的正上方，顶杆11的上端与试件安装平台9连接，下端穿过顶杆导向机构后与机架1内部的连杆13的上端连接，连杆13的下端与可变曲柄连杆机构14的上端连接，曲柄长度调节装置2用于实现可变曲柄连杆机构14的长度调节；所述的油道透明模型8包括具有进油口和出油口；
[0010] 所述的动力系统包括伺服电机装置15，伺服电机装置15的电机输出轴18与右主轴颈21连接，伺服电机装置15通过右主轴颈21带动可变曲柄连杆机构14往复运动，进而可变曲柄连杆机构14带动连杆13上下往复运动；
[0011] 所述的供油及余油收集系统包括供油装置及余油收集装置12，供油装置用于向油道透明模型8的进油口喷射机油，余油收集装置12用于收集从油道透明模型8出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入油道透明模型8进油口的机油；
[0012] 所述的控制与测量系统包括上位机、下位机、高速摄影设备10，上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15连接，用于控制高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15执行上位机的指令并将高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15的状态数据反馈给上位机，高速摄影设备10用于拍摄油道透明模型8中机油振荡情况。
[0013] 所述的曲柄长度调节装置2包括手轮16、滑动螺杆17、螺母29、轴承27、套筒26、止推挡圈或双螺母固定标准件28；套筒26安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承27安装在套筒26内部，螺母29安装于轴承27内圈，并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件28固定在螺母29上，滑动螺杆17与螺母29内壁螺纹连接，滑动螺杆17左端与手轮16连接，右端与可变曲柄连杆机构14的左端连接，通过转动手轮16，改变滑动螺杆17的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。
[0014] 所述的可变曲柄连杆机构14包括左曲柄25、连杆轴颈24、右曲柄23，左曲柄25的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄25的右端与连杆轴颈24的左端连接，连杆轴颈24的右端与右曲柄23的左端连接，右曲柄23的右端与右主轴颈21连接，连杆轴颈24的中部与上方的连杆13连接,所述的顶杆导向机构包括顶杆套19和顶杆套座20，顶杆套座20位于机架1上部的安装孔处，顶杆套19安装在顶杆套座20内部，顶杆11下端穿过顶杆套19后伸入机架1内部，顶杆11在顶杆套19中自由滑动，顶杆11的下端设连接耳，连接耳上设有销孔，连杆13上端为连杆小头，下端为连杆大头，连杆小头设有销孔，通过销穿过连接耳上的销孔和连杆小头上的销孔，使连杆13与顶杆11转动连接，连杆13的连杆大头与下端的连杆轴颈24的中部转动连接。
[0015] 所述的可变曲柄连杆机构14还包括左右两端的振动平衡装置22，左端的振动平衡装置22的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄25的左端连接，右端的振动平衡装置22的左端与右曲柄23的右端连接，右端与右主轴颈21连接。
[0016] 所述的供油装置包括储油箱3、高压油泵4、油泵电机5、蓄压器6、喷油嘴7，其中高压油泵4的分别与储油箱3、油泵电机5、蓄压器6连接，蓄压器6与喷油嘴7连接，喷油嘴7通过喷油嘴位置调节装置调节以对准油道透明模型8进油口。
[0017] 所述的喷油嘴位置调节装置包括连接在一起的三个结构相同的调节器，分别为Z轴向调节器41、X轴向调节器42、Y轴向调节器43，每个调节器包括导轨和套筒，导轨套在套筒内，且导轨套和套筒的对应处均设有螺纹孔，Z轴向调节器41、X轴向调节器42、Y轴向调节器43通过穿过螺纹孔的螺栓连接在一起。
[0018] 所述的余油收集装置12包括上套箱30、下套箱31、腔体32、出油收集管33、未喷入油收集管34、喷油油路35、通气窗36，上套箱30与上部的试件安装平台9固定在一起且其入口与油道透明模型8的出油口连通，下套箱31位于上套箱30下端且与上套箱30间隙配合，下套箱31内含有中间挡板37，带通气窗36的腔体32安装在下套箱31外侧且其中间设有中间隔板40，通气窗36连通大气，中间挡板37将下套箱31分割成左右两个箱体，从油道透明模型8出油口流出的机油流经上套箱30后进入下套箱31的左箱体，从供油装置喷出但未喷入油道透明模型8进油口的机油溅到上套箱30与下套箱31的壁面上后，在重力作用下落入下套箱31的右箱体，中间隔板40将腔体32分割成左右两个腔体，下套箱31的左箱体的底部设有与腔体32左腔体连通的左侧方孔39，下套箱31的右箱体的底部设有与腔体32右腔体连通的右侧方孔38，出油收集管33与腔体32左腔体连通，未喷入油收集管34与腔体32右腔体连通。
[0019] 所述的中间挡板37的截面为曲拐形状。
[0020] 所述的上位机为工控机，下位机为P LC。
[0021] 一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置的试验方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤一：根据所研究机型连杆长度，制作出简化连杆13，将连杆13与连杆轴颈24转动连接；然后通过转动手轮16调节模拟曲柄长度至实际机型曲柄长度；将连杆13与顶杆11转动连接；安装完保持可变曲柄连杆机构14位于下止点位置；而顶杆11与机架1通过顶杆导向机构滑动连接，由所述顶杆导向机构保证顶杆11垂直度；
[0023] 步骤二：根据所研究活塞内冷油道结构，按相似理论，制作油道透明模型8；在试件安装平台9上油道进出口位置对应钻孔，将油道透明模型8固定于试件安装平台9上部，调节喷油嘴7的位置使其正对油道透明模型8进油口；
[0024] 步骤三：启动油泵电机5，待蓄压器6压力达到实验值且恒定后，开启喷油嘴电磁阀，喷油嘴7向油道透明模型8进油口喷射高压机油，观察透明油腔模型静止于下止点时机油喷入情况；
[0025] 步骤四：通过上位机发出命令，下位机控制伺服电机装置15启动，使可变曲柄连杆机构14在一定转速下稳定运转，从而通过连杆13、顶杆11带动试件安装平台9及其上方的油道透明模型8按给定规律往复运动；
[0026] 步骤五：30秒后，油道透明模型8内机油运动呈稳定周期性变化，启动高速摄影设备10，对油道透明模型8中机油振荡情况进行拍摄记录；
[0027] 步骤六：5分钟后，观察记录结束，停止喷油同时关闭伺服电机装置15； 上位机对收集的数据进行分析，得出油道透明模型8中机油振荡分布情况和该油道平均机油通过率；
[0028] 步骤七：通过控制与测量系统改变供油系统中喷油温度、高压油泵4的喷油压力和伺服电机装置15的转速，通过实验得出不同工况下的实验数据。
[0029] 本发明设计的原理：通过伺服电机装置15驱动可变曲柄连杆机构14，带动顶杆11在机架1导向机构约束下做上下往复运动，而试验件（油道透明模型8）固定于顶杆11上方的试件安装平台9上方，从而将可变曲柄连杆机构14与试验件（油道透明模型8）分隔开，得以方便布置油道机油收集装置以及对驱动可变曲柄连杆机构14等进行润滑；通过滑动螺旋传动实现滑动螺杆17轴向位置的无级调节；油道透明模型8基于相似理论设计制作，控制雷诺数不变，将实际油道尺寸，喷油速度，转速均作对应调整，得到相似模型参数；部件高速往复运动导致的巨大振动，通过在曲柄反向位置布置振动平衡装置22，采用半平衡法进行平衡，即平衡全部离心惯性力和一半往复惯性力，平衡质量由可变曲柄连杆机构14半平衡法公式得出。
[0030] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0031] 1、通过顶杆11在顶杆导向机构约束下的滑动，使活塞运动向上平移，从而将可变曲柄连杆机构14与试验件（油道透明模型8）分隔开；在分隔后的内冷油道模型下设置了带通气窗36的余油收集装置12，可收集从油道透明模型8出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入油道透明模型8进油口的机油。这是因为通气窗36连通大气，此种余油收集装置12内部压力接近大气压，与实际曲轴箱内环境一致，避免了其他机油收集装置内部较高压力对油道出油口出油的影响；同时下部机架封闭，便于通过曲轴或甩油盘飞溅润滑。
[0032] 2、通过包含4处转动连接的可变曲柄连杆机构14，可对曲柄长度在一定范围内无级调节，因此本发明的实验装置通用性更强。
[0033] 3、油道透明模型8应用相似理论，在保证雷诺数不变的基础上，将油腔按比例放大，提高了观察的精度。
[0034] 4、考虑了整体台架动平衡问题，引入了振动平衡装置22，通过布置振动平衡装置22大大减小了不平衡惯性力导致的振动，提高了各部件寿命和观测精度。
附图说明
[0035] 图1是本发明的总体结构示意图；
[0036] 图2为本发明主体振荡机构的俯视图；
[0037] 图3为图2的A-A剖面结构图；
[0038] 图4为喷油嘴位置调节装置的结构示意图；
[0039] 图5为余油收集装置12的外观结构示意图；
[0040] 图6为余油收集装置12的俯视图；
[0041] 图7为图6中A-A剖面结构示意图；
[0042] 图8为余油收集装置12主视图；
[0043] 图9为图8中B-B剖面结构示意图。
[0044] 图中各标号为：1.机架；2.曲柄长度调节装置；3.储油箱；4.高压油泵；5.油泵电机；6.蓄压器；7.喷油嘴；8.油道透明模型；9. 试件安装平台；10.高速摄影设备；11.顶杆；12. 余油收集装置；13.连杆；14. 可变曲柄连杆机构；15.伺服电机装置；16.手轮；17.滑动螺杆；18.电机输出轴；19.顶杆套；20. 顶杆套座；21.右主轴颈；22. 振动平衡装置；23.右曲柄；24.连杆轴颈；25.左曲柄；26.套筒；27.轴承；28. 止推挡圈或双螺母固定标准件；29.螺母；30.上套箱；31.下套箱；32.腔体；33.出油收集管；34.未喷入油收集管；35.喷油油路；
36.通气窗；37.中间挡板；38. 右侧方孔；39. 左侧方孔；40.中间隔板；41. Z轴向调节器；
42. X轴向调节器；43. Y轴向调节器。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明。
[0046] 实施例1：如图1-9所示，一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置，包括：主体振荡机构，动力系统，供油及余油收集系统，控制与测量系统；其中：
[0047] 所述的主体振荡机构包括机架1、曲柄长度调节装置2、顶杆导向机构、连杆13、可变曲柄连杆机构14、顶杆11、试件安装平台9、油道透明模型8、右主轴颈21；
[0048] 机架1的左侧、右侧、上部均开设有安装孔，曲柄长度调节装置2穿过机架1的左侧的安装孔后与机架1内部的可变曲柄连杆机构14的左侧连接，右主轴颈21穿过机架1右侧的安装孔后与可变曲柄连杆机构14的右侧连接，右主轴颈21由机架1轴向固定，机架1上方的安装孔处设有顶杆导向机构，试件安装平台9固定在机架1的正上方，顶杆11的上端与试件安装平台9连接，下端穿过顶杆导向机构后与机架1内部的连杆13的上端连接，连杆13的下端与可变曲柄连杆机构14的上端连接，曲柄长度调节装置2用于实现可变曲柄连杆机构14的长度调节；所述的油道透明模型8包括具有进油口和出油口；
[0049] 所述的动力系统包括伺服电机装置15，伺服电机装置15的电机输出轴18与右主轴颈21连接，伺服电机装置15通过右主轴颈21带动可变曲柄连杆机构14往复运动，进而可变曲柄连杆机构14带动连杆13上下往复运动，实现对活塞内冷油道运动的模拟。
[0050] 所述的供油及余油收集系统包括供油装置及余油收集装置12，供油装置用于向油道透明模型8的进油口喷射机油，余油收集装置12用于收集从油道透明模型8出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入油道透明模型8进油口的机油；所述的油道透明模型8为所研究活塞内冷油道相似模型，基于相似理论，通过控制雷诺数不变对油道进行放大，可进行高精度的观察。实验用的油道透明模型8从顶面看都是圆形，但是截面形状可以随着设计要求改变。
[0051] 所述的控制与测量系统包括上位机、下位机、高速摄影设备10，上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15连接，用于控制高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15执行上位机的指令并将高速摄影设备10、供油装置、伺服电机装置15的状态数据反馈给上位机，高速摄影设备10用于拍摄油道透明模型8中机油振荡情况。
[0052] 进一步地，所述的曲柄长度调节装置2包括手轮16、滑动螺杆17、螺母29、轴承27、套筒26、止推挡圈或双螺母固定标准件28；套筒26安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承27安装在套筒26内部，螺母29安装于轴承27内圈，并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件28固定在螺母29上，滑动螺杆17与螺母29内壁螺纹连接，滑动螺杆17左端与手轮16连接，右端与可变曲柄连杆机构14的左端连接，通过转动手轮16，改变滑动螺杆17的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。运转时，由于滑动螺杆17及螺母29自锁作用，滑动螺杆17及螺母29作为整体随可变曲柄连杆机构14转动；需要调整曲柄长度时，固定螺母29，转动手轮
16，改变滑动螺杆17的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。所述的滑动螺杆17的杆身上有曲柄半径刻度值，用于确定当前可变曲柄连杆机构14中曲柄的半径。通过转动手轮16，改变滑动螺杆17的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。
[0053] 进一步地，所述的可变曲柄连杆机构14包括左曲柄25、连杆轴颈24、右曲柄23，左曲柄25的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄25的右端与连杆轴颈24的左端连接，连杆轴颈24的右端与右曲柄23的左端连接，右曲柄23的右端与右主轴颈21连接，连杆轴颈24的中部与上方的连杆13连接,所述的顶杆导向机构包括顶杆套19和顶杆套座20，顶杆11与机架1通过所述导向机构滑动连接，顶杆套座20位于机架1上部的安装孔处，顶杆套19安装在顶杆套座20内部，顶杆11下端穿过顶杆套19后伸入机架1内部，顶杆11在顶杆套19中自由滑动，顶杆11与顶杆套19用合金钢制造，经过精细加工和配对研磨，保证合理的间隙，间隙过大，容易漏油且导向不准确；间隙过小，对润滑不利，容易卡死。顶杆11的下端设连接耳，连接耳上设有销孔，连杆13上端为连杆小头，下端为连杆大头，连杆小头设有销孔，通过销穿过连接耳上的销孔和连杆小头上的销孔，使连杆13与顶杆11转动连接，连杆13的连杆大头与下端的连杆轴颈24的中部转动连接，如图3所示，具体为连杆轴颈24直接水平方向穿过连杆13的连杆大头上的座孔。连杆13的连杆大头上的座孔的约束保证连杆轴颈24中心线与右轴颈21中心线平行，实现正确的活塞运动规律。所述的可变曲柄连杆机构14在曲拐处有4处转动连接，所述的曲柄长度调节装置2可通过螺旋传动调节曲轴一端轴向位置，而曲轴另一端轴向固定，实现曲柄长度无级调节；润滑方式为所述曲轴部分浸泡在油池中，或通过附装在曲轴上的甩油环飞溅润滑。顶杆11与试件安装平台9、下端的连接耳均刚性连接。
[0054] 进一步地，所述的可变曲柄连杆机构14还包括左右两端的振动平衡装置22，左端的振动平衡装置22的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄25的左端连接，右端的振动平衡装置22的左端与右曲柄23的右端连接，右端与右主轴颈21连接。所述的振动平衡装置22包括固定于左曲柄25、右曲柄23曲轴上的圆盘和固定于圆盘上的平衡块，所述的平衡块质量及布置位置由受力计算确定。所述的左端的振动平衡装置22、左曲柄25、连杆轴颈24、右曲柄23、右端的振动平衡装置22相互铰接，在转动手轮16时得以实现实际可变曲柄连杆机构14长度变化。通过在曲轴对侧布置振动平衡装置22对不平衡往复惯性力和离心惯性力进行动平衡。
[0055] 进一步地，所述的供油装置包括储油箱3、高压油泵4、油泵电机5、蓄压器6、喷油嘴7，其中高压油泵4分别与储油箱3、油泵电机5、蓄压器6连接，蓄压器6与喷油嘴7连接，喷油嘴7通过喷油嘴位置调节装置调节以对准油道透明模型8进油口。所述的供油装置通过蓄压器6结合控制系统输出稳定压力机油。机油经高压油泵4进入蓄压器6稳压，最后从喷油嘴7喷出；控制与测量系统控制高压油泵电机5的转速和安装于喷油嘴7的电控喷油阀开闭，并控制蓄压器6前泄压阀以稳定蓄压器压力至实验值。
[0056] 进一步地，所述的喷油嘴位置调节装置包括连接在一起的三个结构相同的调节器，分别为Z轴向调节器41、X轴向调节器42、Y轴向调节器43，每个调节器包括导轨和套筒，导轨套在套筒内，且导轨套和套筒的对应处均设有螺纹孔，Z轴向调节器41、X轴向调节器42、Y轴向调节器43通过穿过螺纹孔的螺栓连接在一起。喷油嘴7固定于喷油嘴位置调节装置上，所述喷油嘴位置调节装置通过空间坐标系XYZ三个维度的导轨来调节喷油嘴7三个方向的位置。
[0057] 进一步地，所述的余油收集装置12包括上套箱30、下套箱31、腔体32、出油收集管33、未喷入油收集管34、喷油油路35、通气窗36，上套箱30与上部的试件安装平台9固定在一起且其入口与油道透明模型8的出油口连通，下套箱31位于上套箱30下端且与上套箱30间隙配合，下套箱31内含有中间挡板37，带通气窗36的腔体32安装在下套箱31外侧且其中间设有中间隔板40，通气窗36连通大气，中间挡板37将下套箱31分割成左右两个箱体，从油道透明模型8出油口流出的机油流经上套箱30后进入下套箱31的左箱体，从供油装置喷出但未喷入油道透明模型8进油口的机油溅到上套箱30与下套箱31的壁面上后，在重力作用下落入下套箱31的右箱体，中间隔板40将腔体32分割成左右两个腔体，下套箱31的左箱体的底部设有与腔体32左腔体连通的左侧方孔39，下套箱31的右箱体的底部设有与腔体32右腔体连通的右侧方孔38，出油收集管33与腔体32左腔体连通，未喷入油收集管34与腔体32右腔体连通。
[0058] 机油流动过程为，机油从喷油油路35供至喷油嘴7，对准油道透明模型8进油口喷出：喷入油道透明模型8内部的机油随着模型振荡，最后从油道透明模型8出油口流出，经过上套箱30与下套箱31的收集，通过右侧方孔38进入腔体32右侧隔离空间，最后由出油收集管33流至计量容器；而从喷嘴喷出未喷入透明油腔模型8的机油则直接通过上套箱30与下套箱31的收集后，通过左侧方孔39流至腔体32左侧隔离空间，最后经未喷入油收集管34排走。由于腔体32左右侧隔离空间顶部均设置有通气窗36连通大气压，上套箱30与下套箱31相对运动过程时其内部气压接近大气压，使得油道透明模型8进出油口气压接近于曲轴箱实际气压（接近于大气压），避免了现有机油收集技术出油口压力高影响出油口出油的问题。
[0059] 所述的中间挡板37的截面为曲拐形状。图8和图9为余油收集装置12主视图和B-B剖视图：为了避免顶杆11与喷油嘴7干涉，顶杆布置如图9所示，中间挡板37截面为曲拐形状，上套箱30与下套箱31之间留有间隙，避免相对运动时产生摩擦。
[0060] 所述的上位机为工控机，下位机为P LC。
[0061] 一种内燃机活塞内冷油道振荡流动模拟装置的试验方法，包括以下步骤：
[0062] 步骤一：根据所研究机型连杆长度，制作出简化连杆13，将连杆13与连杆轴颈24转动连接；然后通过转动手轮16调节模拟曲柄长度至实际机型曲柄长度；将连杆13与顶杆11转动连接；安装完保持可变曲柄连杆机构14位于下止点位置；而顶杆11与机架1通过顶杆导向机构滑动连接，由所述顶杆导向机构保证顶杆11垂直度；
[0063] 步骤二：根据所研究活塞内冷油道结构，按相似理论，制作油道透明模型8；在试件安装平台9上油道进出口位置对应钻孔，将油道透明模型8固定于试件安装平台9上部，调节喷油嘴7的位置使其正对油道透明模型8进油口；
[0064] 步骤三：启动油泵电机5，待蓄压器6压力达到实验值且恒定后，开启喷油嘴电磁阀，喷油嘴7向油道透明模型8进油口喷射高压机油，观察透明油腔模型静止于下止点时机油喷入情况；
[0065] 步骤四：通过上位机发出命令，下位机控制伺服电机装置15启动，使可变曲柄连杆机构14在一定转速下稳定运转，从而通过连杆13、顶杆11带动试件安装平台9及其上方的油道透明模型8按给定规律往复运动；
[0066] 步骤五：30秒后，油道透明模型8内机油运动呈稳定周期性变化，启动高速摄影设备10，对油道透明模型8中机油振荡情况进行拍摄记录；
[0067] 步骤六：5分钟后，观察记录结束，停止喷油同时关闭伺服电机装置15； 上位机对收集的数据进行分析，得出油道透明模型8中机油振荡分布情况和该油道平均机油通过率；
[0068] 步骤七：通过控制与测量系统改变供油系统中喷油温度、高压油泵4的喷油压力和伺服电机装置15的转速，通过实验得出不同工况下的实验数据。
[0069] 本发明动力系统输出端连接可变曲柄连杆机构14，通过可变曲柄连杆机构14带动顶杆11和油道透明模型8在机架1导向机构导向下高速往复运动。冷却机油在高压油泵4作用下从储油箱3中流出，进入蓄压器6稳压，最后从喷油嘴7以恒定压力喷出至油道透明模型8进油口，最后通过余油收集装置12进行收集。所述的控制与测量系统具有高速摄影设备，对油道透明模型8腔内机油的振荡流动状态进行观察记录；同时该系统以工控机作为上位机，PLC作为下位机对伺服电机装置15转速，供油系统中喷油压力，喷油流量和温度等进行测量和控制。本发明仿真精度高，通用性强，能动态模拟活塞内冷油道机油振荡流动分布，同时可测定喷油嘴喷油性能，为活塞优化设计提供依据。
[0070] 对实际内燃机活塞内冷油腔进行研究时，需要根据实际内冷油腔结构以及相似理论确定的放大比例因子制作油道透明模型8，并根据相似理论确定的喷油速度与发动机转速进行试验。实验前亦需根据实际机型连杆长度制作简化的连杆13，并通过手轮16调节曲柄长度至实际机型值。
[0071] 以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
