本发明涉及一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置及其试验方法，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、活塞加热系统，主体振荡机构包括机架、曲柄长度调节装置等；动力系统包括伺服电机装置；供油系统通过对准内冷油腔冷却活塞试件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；活塞加热系统通过电阻丝实现对内冷油腔冷却活塞试件的恒温加热。本发明仿真精度高，通用性强，通过测定机油进出口温度温度，直接考察油腔壁面换热系数，同时可测定喷油嘴性能，为活塞优化设计提供依据。
1.一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置，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、活塞加热系统；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（10）、内冷油腔冷却活塞试件（9）、右主轴颈（16）；
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（16）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（16）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（10）固定在机架（1）的正上方，顶杆（11）的上端与试件安装平台（10）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；所述的内冷油腔冷却活塞试件（9）安装在试件安装平台（10）上部且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（29）与右主轴颈（16）连接，伺服电机装置（15）通过右主轴颈（16）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），供油装置用于向内冷油腔冷却活塞试件（9）的进油口喷射机油，余油收集装置（12）用于收集从内冷油腔冷却活塞试件（9）出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口的机油；
所述的控制与测量系统包括上位机、下位机，上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与供油装置、伺服电机装置（15）连接，用于控制供油装置、伺服电机装置（15）执行上位机的指令并将供油装置、伺服电机装置（15）的状态数据反馈给上位机；
活塞加热系统包括加热控制箱、保温箱（8）、电阻丝、导线，电阻丝安装在保温箱（8）内且通过导线与加热控制箱连接，内冷油腔冷却活塞试件（9）安装在保温箱（8）内且其内部安装有温度传感器，内冷油腔冷却活塞试件（9）内部的温度传感器一端与加热控制箱连接，另一端与温度数据记录仪连接，供油装置及余油收集装置（12）中分别安装有用于测量内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口、出油口处的温度的温度传感器，供油装置及余油收集装置（12）中的温度传感器直接与温度数据记录仪连接，加热控制箱通电后，通过电阻丝实现对保温箱（8）的加热，进而加热内冷油腔冷却活塞试件（9），当内冷油腔冷却活塞试件（9）内部的温度传感器检测到内冷油腔冷却活塞试件（9）内的温度超过设定温度时，加热控制箱自动使导线断电，使内冷油腔冷却活塞试件（9）稳定在设定温度范围内；
所述的内冷油腔冷却活塞试件（9）为含内冷油腔的活塞的上半部分，内冷油腔冷却活塞试件（9）内设有若干个与加热控制箱连接的温度传感器，任何一个内冷油腔冷却活塞试件（9）内的温度传感器检测到的温度超过设定值时，加热控制箱自动使导线断电；
所述的内冷油腔冷却活塞试件（9）内部的温度传感器包括左侧温度传感器（41）、顶部温度传感器（42）、右侧温度传感器（43）、底部温度传感器（44），四个温度传感器分别测量内冷油腔冷却活塞试件（9）内部相应位置的温度；
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（37），上套箱（30）与上部的试件安装平台（10）固定在一起且其入口与内冷油腔冷却活塞试件（9）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（38），带通气窗（37）的腔体（32）安装在下套箱（31）外侧且其中间设有中间隔板（36），通气窗（37）连通大气，中间挡板（38）将下套箱（31）分割成左右两个箱体，从内冷油腔冷却活塞试件（9）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内冷油腔冷却活塞试件（9）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（36）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（40），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所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置，其特征在于：所述的曲柄长度调节装置（2）包括手轮（24）、滑动螺杆（25）、螺母（26）、轴承（22）、套筒（21）、止推挡圈或双螺母固定标准件（23）；套筒（21）安装在机架（1）的左侧的安装孔内，轴承（22）安装在套筒（21）内部，螺母（26）安装于轴承（22）内圈并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件（23）固定在螺母（26）上，滑动螺杆（25）与螺母（26）内壁螺纹连接，滑动螺杆（25）左端与手轮（24）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（24），改变滑动螺杆（25）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所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置，其特征在于：所述的可变曲柄连杆机构（14）包括左曲柄（20）、连杆轴颈（19）、右曲柄（18），左曲柄（20）的左端与曲柄长度调节装置（2）连接，左曲柄（20）的右端与连杆轴颈（19）的左端连接，连杆轴颈（19）的右端与右曲柄（18）的左端连接，右曲柄（18）的右端与右主轴颈（16）连接，连杆轴颈（19）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（27）和顶杆套座（28），顶杆套座（28）位于机架（1）上部的安装孔处，顶杆套（27）安装在顶杆套座（28）内部，顶杆（11）下端穿过顶杆套（27）后伸入机架（1）内部，顶杆（11）在顶杆套（27）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（19）的中部转动连接。
4.根据权利要求3所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置，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（17），左端的振动平衡装置（17）的左端与曲柄长度调节装置（2）连接，右端与左曲柄（20）的左端连接，右端的振动平衡装置（17）的左端与右曲柄（18）的右端连接，右端与右主轴颈（16）连接。
5.根据权利要求1所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置，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内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口。
6.根据权利要求1所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置，其特征在于：所述的中间挡板（38）的截面为曲拐形状。
7.一种权利要求1-6任一项所述的内燃机往复振荡传热模拟试验装置的试验方法，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（19）转动连接；然后通过转动手轮（24）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：在内冷油腔冷却活塞试件（9）内安装左侧温度传感器（41）、顶部温度传感器（42）、右侧温度传感器（43）、底部温度传感器（44），在供油装置及余油收集装置（12）中安装用于测量内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口、出油口处的温度的温度传感器，然后将内冷油腔冷却活塞试件（9）通过螺栓固定在试件安装平台（10）上，调节喷油嘴（7）的位置使其正对内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口，安装保温箱（8）及电阻丝；
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）向内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口喷射高压机油，观察内冷油腔冷却活塞试件（9）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（10）及其上方的内冷油腔冷却活塞试件（9）按给定规律往复运动；
步骤五：打开加热控制箱开关，给电阻丝通电，对保温箱（8）内的内冷油腔冷却活塞试件（9）进行加热，使内冷油腔冷却活塞试件（9）温度稳定在200±3
步骤六：30秒后，内冷油腔冷却活塞试件（9）内机油运动呈稳定周期性变化，温度数据记录仪记录内冷油腔冷却活塞试件（9）上各个测试点的温度，以及内冷油腔冷却活塞试件（9）进油口和出油口的温度；
步骤七：5分钟后，观察记录结束，首先关闭加热控制箱，然后停止喷油同时关闭伺服电机装置（15）的开关；上位机对收集的数据进行分析，计算得出内冷油腔冷却活塞试件（9）油腔壁面平均换热系数；
步骤八：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。
一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置及其试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置及其试验方法，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。而振荡流动传热模拟试验装置的研制实例有：中国专利申请201010547315.X中公开了一种发动机活塞振荡冷却实验装置。其将研究活塞试件固定于长活塞上，通过电机带动发动机曲柄连杆机构和长活塞运动，使用高温气体对活塞进行加热，最后通过出口机油温度高低对油腔冷却效果进行评价。
[0005] 但是该装置曲柄半径无法调节，通用性较小；更主要的，该装置仅能使用出口机油温度间接评价油腔换热效果，无法直接考察活塞内冷油腔振荡换热情况，即无法通过壁面油腔换热系数评价冷却效果。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置及其试验方法，其可以通过测定活塞测点温度以及机油进出口温度直接考察振荡换热情况（即换热系数），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] 本发明采用的技术方案是：一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置，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、活塞加热系统；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10、内冷油腔冷却活塞试件9、右主轴颈16；
[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16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16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10固定在机架1的正上方，顶杆11的上端与试件安装平台10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；所述的内冷油腔冷却活塞试件9安装在试件安装平台10上部且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29与右主轴颈16连接，伺服电机装置15通过右主轴颈16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，供油装置用于向内冷油腔冷却活塞试件9的进油口喷射机油，余油收集装置12用于收集从内冷油腔冷却活塞试件9出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入内冷油腔冷却活塞试件9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，上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与供油装置、伺服电机装置15连接，用于控制供油装置、伺服电机装置15执行上位机的指令并将供油装置、伺服电机装置15的状态数据反馈给上位机；
[0013] 活塞加热系统包括加热控制箱、保温箱8、电阻丝、导线，电阻丝安装在保温箱8内且通过导线与加热控制箱连接，内冷油腔冷却活塞试件9安装在保温箱8内且其内部安装有温度传感器，内冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器一端与加热控制箱连接，另一端与温度数据记录仪连接，供油装置及余油收集装置12中分别安装有用于测量内冷油腔冷却活塞试件9进油口、出油口处的温度的温度传感器，供油装置及余油收集装置12中的温度传感器直接与温度数据记录仪连接，加热控制箱通电后，通过电阻丝实现对保温箱8的加热，进而加热内冷油腔冷却活塞试件9，当内冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器检测到内冷油腔冷却活塞试件9内的温度超过设定温度时，加热控制箱自动使导线断电，使内冷油腔冷却活塞试件9稳定在设定温度范围内。
[0014] 所述的曲柄长度调节装置2包括手轮24、滑动螺杆25、螺母26、轴承22、套筒21、止推挡圈或双螺母固定标准件23；套筒21安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承22安装在套筒21内部，螺母26安装于轴承22内圈并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件23固定在螺母26上，滑动螺杆25与螺母26内壁螺纹连接，滑动螺杆25左端与手轮24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24，改变滑动螺杆25的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。
[0015] 所述的可变曲柄连杆机构14包括左曲柄20、连杆轴颈19、右曲柄18，左曲柄20的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄20的右端与连杆轴颈19的左端连接，连杆轴颈19的右端与右曲柄18的左端连接，右曲柄18的右端与右主轴颈16连接，连杆轴颈19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27和顶杆套座28，顶杆套座28位于机架1上部的安装孔处，顶杆套27安装在顶杆套座28内部，顶杆11下端穿过顶杆套27后伸入机架1内部，顶杆11在顶杆套27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19的中部转动连接。
[0016] 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17，左端的振动平衡装置17的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄20的左端连接，右端的振动平衡装置17的左端与右曲柄18的右端连接，右端与右主轴颈16连接。
[0017] 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内冷油腔冷却活塞试件9进油口。
[0018] 所述的内冷油腔冷却活塞试件9为含内冷油腔的活塞的上半部分，内冷油腔冷却活塞试件9内设有若干个与加热控制箱连接的温度传感器，任何一个内冷油腔冷却活塞试件9内的温度传感器检测到的温度超过设定值时，加热控制箱自动使导线断电。
[0019] 所述的冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器包括左侧温度传感器41、顶部温度传感器42、右侧温度传感器43、底部温度传感器44，四个温度传感器分别测量内冷油腔冷却活塞试件9内部相应位置的温度。
[0020] 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37，上套箱30与上部的试件安装平台10固定在一起且其入口与内冷油腔冷却活塞试件9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38，带通气窗37的腔体32安装在下套箱31外侧且其中间设有中间隔板36，通气窗37连通大气，中间挡板38将下套箱31分割成左右两个箱体，从内冷油腔冷却活塞试件9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内冷油腔冷却活塞试件9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36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40，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。
[0021] 所述的中间挡板38的截面为曲拐形状。
[0022] 一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0023] 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19转动连接；然后通过转动手轮24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；
[0024] 步骤二：在内冷油腔冷却活塞试件9上安装左侧温度传感器41、顶部温度传感器42、右侧温度传感器43、底部温度传感器44，在供油装置及余油收集装置12中安装用于测量内冷油腔冷却活塞试件9进油口、出油口处的温度的温度传感器，然后将内冷油腔冷却活塞试件9通过螺栓固定在试件安装平台10上，调节喷油嘴7的位置使其正对内冷油腔冷却活塞试件9进油口，安装保温箱8及电阻丝；
[0025] 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向内冷油腔冷却活塞试件9进油口喷射高压机油，观察内冷油腔冷却活塞试件9静止于下止点时机油喷入情况；
[0026] 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10及其上方的内冷油腔冷却活塞试件9按给定规律往复运动；
[0027] 步骤五：打开加热控制箱开关，给电阻丝通电，对保温箱8内的内冷油腔冷却活塞试件9进行加热，使内冷油腔冷却活塞试件9温度稳定在200±3
[0028] 度的范围内；
[0029] 步骤六：30秒后，内冷油腔冷却活塞试件9内机油运动呈稳定周期性变化，温度数据记录仪记录内冷油腔冷却活塞试件9上各个测试点的温度，以及内冷油腔冷却活塞试件9进油口和出油口的温度；
[0030] 步骤七：5分钟后，观察记录结束，首先关闭加热控制箱，然后停止喷油同时关闭伺服电机装置15的开关；上位机对收集的数据进行分析，计算得出内冷油腔冷却活塞试件9油腔壁面平均换热系数；
[0031] 步骤八：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。
[0032] 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，而内冷油腔冷却活塞试件9固定于试件安装平台10上方，从而将可变曲柄连杆机构14与试验件（内冷油腔冷却活塞试件9）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25 轴向位置的无级调节；活塞加热系统对内冷油腔冷却活塞试件9进行恒温加热，根据温度传感器测得内冷油腔冷却活塞试件9内部、及进出油口的温度，应用热力学公式得出油腔壁面平均换热系数。
[0033] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0034] 1、通过顶杆11在机架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（内冷油腔冷却活塞试件9）分隔开；在分隔后的内冷油腔冷却活塞试件9下设置了带通气窗37的余油收集装置12，可收集从内冷油腔冷却活塞试件9出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入内冷油腔冷却活塞试件9进油口的机油，这是因为通气窗37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。
[0035] 2、通过包含4处转动连接的曲轴和曲柄长度螺旋调节装置，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。
[0036] 3、通过测定内冷油腔冷却活塞试件9内部测点温度以及机油进出口温度，可直接考察活塞内冷油腔壁面的换热情况，即换热系数。
[0037] 4、考虑了整体台架动平衡问题，引入了振动平衡装置17，通过布置平衡块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
[0038] 图1是本发明的总体结构示意图
[0039] 图2为本发明主体振荡机构的俯视图；
[0040] 图3为图2的A-A剖面结构图；
[0041] 图4为余油收集装置12的外观结构示意图；
[0042] 图5为余油收集装置12的俯视图；
[0043] 图6为图5中A-A剖面结构示意图；
[0044] 图7为余油收集装置12的主视图；
[0045] 图8为图7中B-B剖面结构示意图；
[0046] 图9为内冷油腔冷却活塞试件9结构示意图。
[0047] 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.保温箱；9.内冷油腔冷却活塞试件；10.试件安装平台；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.右主轴颈；17.振动平衡装置；18.右曲柄；19.连杆轴颈；20.左曲柄；21.套筒；22.轴承；23.止推挡圈或双螺母固定标准件；24.手轮；25.滑动螺杆；26.螺母；27.顶杆套；28.顶杆套座；29.电机输出轴；
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.中间隔板；37.通气窗；38.中间挡板；39.左侧方孔；40.右侧方孔；41.左侧温度传感器；42.顶部温度传感器；43.右侧温度传感器；44.底部温度传感器；45.螺栓。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明。
[0049] 实施例1：如图1-9所示，一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置，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、活塞加热系统；其中：
[0050] 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10、内冷油腔冷却活塞试件9、右主轴颈16；
[0051] 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16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16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10固定在机架1的正上方，顶杆11的上端与试件安装平台10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；所述的内冷油腔冷却活塞试件9安装在试件安装平台10上部且具有进油口和出油口；
[0052] 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29与右主轴颈16连接，伺服电机装置15通过右主轴颈16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；
[0053] 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，供油装置用于向内冷油腔冷却活塞试件9的进油口喷射机油，余油收集装置12用于收集从内冷油腔冷却活塞试件9出油口流出的机油及从供油装置喷出但未喷入内冷油腔冷却活塞试件9进油口的机油；
[0054] 所述的控制与测量系统包括上位机、下位机，上位机为与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与供油装置、伺服电机装置15连接，用于控制供油装置、伺服电机装置15执行上位机的指令并将供油装置、伺服电机装置15的状态数据反馈给上位机；所述的控制与测量系统以工控机作为上位机，PLC作为下位机；
[0055] 活塞加热系统包括加热控制箱、保温箱8、电阻丝、导线，电阻丝安装在保温箱8内且通过导线与加热控制箱连接，内冷油腔冷却活塞试件9安装在保温箱8内且其内部安装有温度传感器，内冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器一端与加热控制箱连接，另一端与温度数据记录仪连接，供油装置及余油收集装置12中分别安装有用于测量内冷油腔冷却活塞试件9进油口、出油口处的温度的温度传感器，具体地，用于测量内冷油腔冷却活塞试件9进油口的温度传感器安装在蓄压器6中，用于测量内冷油腔冷却活塞试件9出油口的温度传感器安装在余油收集装置12中与内冷油腔冷却活塞试件9出油口连接的上套箱30处，供油装置及余油收集装置12中的温度传感器直接与温度数据记录仪连接，加热控制箱通电后，通过电阻丝实现对保温箱8的加热，进而加热内冷油腔冷却活塞试件9，当内冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器检测到内冷油腔冷却活塞试件9内的温度超过设定温度时，加热控制箱自动使导线断电，使内冷油腔冷却活塞试件9稳定在设定温度范围内。
[0056] 所述的曲柄长度调节装置2包括手轮24、滑动螺杆25、螺母26、轴承22、套筒21、止推挡圈或双螺母固定标准件23；套筒21安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承22安装在套筒21内部，螺母26安装于轴承22内圈并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件23固定在螺母26上，滑动螺杆25与螺母26内壁螺纹连接，滑动螺杆25左端与手轮24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24，改变滑动螺杆25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25及螺母26自锁作用，滑动螺杆25及螺母26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26，转动手轮24，改变滑动螺杆25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25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24，改变滑动螺杆25的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构14运动。
[0057] 所述的可变曲柄连杆机构14包括左曲柄20、连杆轴颈19、右曲柄18，左曲柄20的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄20的右端与连杆轴颈19的左端连接，连杆轴颈19的右端与右曲柄18的左端连接，右曲柄18的右端与右主轴颈16连接，连杆轴颈19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27和顶杆套座28，顶杆套座28位于机架1上部的安装孔处，顶杆套27安装在顶杆套座28内部，顶杆11下端穿过顶杆套27后伸入机架1内部，顶杆11在顶杆套27中自由滑动，顶杆11与顶杆套27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19的中部转动连接，如图3所示，具体为连杆轴颈19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19中心线与右主轴颈16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。
[0058] 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17，左端的振动平衡装置17的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄20的左端连接，右端的振动平衡装置17的左端与右曲柄18的右端连接，右端与右主轴颈16连接。所述的振动平衡装置17包括固定于左曲柄20、右曲柄18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17、左曲柄20、连杆轴颈19、右曲柄18、右端的振动平衡装置17相互铰接，在转动手轮24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17对不平衡往复惯性力和离心惯性力进行动平衡。
[0059] 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内冷油腔冷却活塞试件9进油口。
[0060] 所述的内冷油腔冷却活塞试件9为含内冷油腔的活塞的上半部分，由螺栓45等两颗螺栓固定于试件安装平台10上。内冷油腔冷却活塞试件9内设有若干个与加热控制箱连接的温度传感器，任何一个内冷油腔冷却活塞试件9内的温度传感器检测到的温度超过设定值时，加热控制箱自动使导线断电。
[0061] 如图9所示，所述的内冷油腔冷却活塞试件9内部的温度传感器包括左侧温度传感器41、顶部温度传感器42、右侧温度传感器43、底部温度传感器44，四个温度传感器分别测量内冷油腔冷却活塞试件9内部相应位置的温度。
[0062] 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37，上套箱30与上部的试件安装平台10固定在一起且其入口与内冷油腔冷却活塞试件9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38，带通气窗37的腔体32安装在下套箱31外侧且其中间设有中间隔板36，通气窗37连通大气，中间挡板38将下套箱31分割成左右两个箱体，从内冷油腔冷却活塞试件9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内冷油腔冷却活塞试件9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36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40，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。
[0063] 机油流动过程为，机油从喷油油路35供至喷油嘴7，对准内冷油腔冷却活塞试件9进油口喷出：喷入内冷油腔冷却活塞试件9内部的机油随着试件高速振荡，最后从内冷油腔冷却活塞试件9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40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内冷油腔冷却活塞试件9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37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，使得内冷油腔冷却活塞试件9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。
[0064] 所述的中间挡板38的截面为曲拐形状。图7和图8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38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。
[0065] 一种内燃机往复振荡传热模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0066] 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19转动连接；然后通过转动手轮24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；
[0067] 步骤二：在内冷油腔冷却活塞试件9上安装左侧温度传感器41、顶部温度传感器42、右侧温度传感器43、底部温度传感器44，在供油装置及余油收集装置12中安装用于测量内冷油腔冷却活塞试件9进油口、出油口处的温度的温度传感器，然后将内冷油腔冷却活塞试件9通过螺栓固定在试件安装平台10上，调节喷油嘴7的位置使其正对内冷油腔冷却活塞试件9进油口，安装保温箱8及电阻丝；
[0068] 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向内冷油腔冷却活塞试件9进油口喷射高压机油，观察内冷油腔冷却活塞试件9静止于下止点时机油喷入情况；
[0069] 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10及其上方的内冷油腔冷却活塞试件9按给定规律往复运动；
[0070] 步骤五：打开加热控制箱开关，给电阻丝通电，对保温箱8内的内冷油腔冷却活塞试件9进行加热，使内冷油腔冷却活塞试件9温度稳定在200±3度的范围内；
[0071] 步骤六：30秒后，内冷油腔冷却活塞试件9内机油运动呈稳定周期性变化，温度数据记录仪记录内冷油腔冷却活塞试件9上各个测试点的温度，以及内冷油腔冷却活塞试件9进油口和出油口的温度；
[0072] 步骤七：5分钟后，观察记录结束，首先关闭加热控制箱，然后停止喷油同时关闭伺服电机装置15的开关；上位机对收集的数据进行分析，计算得出内冷油腔冷却活塞试件9油腔壁面平均换热系数；
[0073] 步骤八：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。
[0074] 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。
