第32卷第7期
1998年7月上海交通大学学报JO U R NA L O F SHA NG HA I JI AO T O N G U NI VER SI T Y Vol.32No.7 Jul.1998 收稿日期:1997-06-23
邓康耀：男,1961年生，副教授.邮编:200030技术报告
邓 康 耀
(上海交通大学动力与能源工程学院)
摘 要 采用进排气管流动为一维非定常模型的发动机循环模拟方法计算充气效率时，若模
型中给定的参数不合适，可能引起充气效率的计算误差超过5%.为提高充气效率的计算精
度，由模拟计算和相关试验，分析了管道的摩擦系数、弯管的压力损失系数、进气管壁和气缸壁
五十铃柴油发动机温度及其传热系数对充气效率的影响程度.结果表明，进气管和气缸的传热对充气效率的影响
较显著，而管道摩擦系数和弯管压力损失系数对充气效率的影响较小.
关键词 发动机；充气效率；数值模拟
中图法分类号 T K 4
Effect of R elated Parameters in Engine Cycle
Simulation on Volume Efficiency
Deng K angy ao
School of Po wer and Energ y Eng ineer ing ,Shang hai Jiaotong U niv ersity ,China
Abstract When volume efficiency is computed by an eng ine cycle simulatio n co nsidering g as flow in intake and exhaust manifo ld as one -dimensional unsteady flow ,im pro perly given par am eters in the sim ulation may cause an err or over 5%.In order to improv e the prediction accuracy ,the sensitivities of pipe friction coefficients,pressur e lo ss coefficients in bents,w all tem peratur es and heat transfer co-efficients in pipes and cylinders on the v olume efficiency are inv estig ated .The r esults show that the heat transfer in intake manifold and cylinder has obvious effects o n the v olum e efficiency ,w hile the pipe friction co efficients and bent pressure loss coefficients hav e less effect.
Key words eng ines;vo lum e efficiency;numerical simulation
发动机的充气效率特性直接关系其扭矩特性，是发动机的重要特性之一.充气效率主要取决于进气管的结构、进排气定时和运行工况等，在结构方案优化设计时应对这些参数的影响作出较精确的预测.目前计算充气效率较精确的方法是对发动机管道流动采用一维非定常模型的数值模拟法.但在实际计算时，因模型中的摩擦系数、壁面温度和传热系数等参数难以把握而影响计算结果的精度.本文对管道的摩擦系数、弯管的压力损失、气缸壁和进气管壁温度及其传热系数对充气效率的影响程度进行了研究，有助于把握和提高充气效率特性计算的精度.
1 计算方法
进排气管内流动计算采用考虑摩擦、传热、可压缩的一维非定常流动模型，建立质量、动量和能量守恒方程，用有限体积法求解[1]，缸内工作过程的计算采用“容积法”[2]
求解.质量、动量和能量方程分别为
t + ・ u =0, u t + ・ u 2+ p x + w x =0, e t +p ・u +u ・ w = Q x
(1)式中: 为密度;u 为速度; w 为壁面剪切应力;Q 为单位时间单位面积的传热量;e 为内能.模型中有关摩擦和传热的计算关系式如下:
管道摩擦系数为
C f /2=0.057098Re -0.25
(2)式中:Re 为所计算网格单元的雷诺数,R e = uD / ,D 为管径(m ), 为粘性系数(N ・s/m 2).
弯管压力损失为
p = ( u 2/2)
(3)式中: 为弯管的压力损失系数，根据弯管的形式而定，一般 <0.6.
管道传热系数为
h p =0.027Re 0.75P r 1/3( /D )
(4)式中:h p 为传热系数(W /(m 2・K));Pr 为气体的普朗特数; 为气体的导热系数(W/(m ・K)).
缸内传热系数的计算采用Woschni 计算式，即
h c = 3.26D -0.20c p 0.80T -0.53v 0.8c (5)
式中:D c 为气缸直径(m );p 为缸内压力(kPa);T 为缸内气体温度(K);v c 为缸内特征速度(m/s).2 充气效率的计算与实验比较
为了考核充气效率计算模型和程序的正确性，以日本五十铃汽车公司一台V 型10缸发动机为对象，对其充气效率进行计算与实验对比.起初对比结果的误差较大，难以满足要求.为了查误差的原因，又测量了发动机的进排气压力，并与计算值进行了对比.结果表明，进排气压力波与实测值均有较好的吻合，说明进排气管内一维非定常模型和算法是正确的，问题可能是给定的气缸壁温等输入参数不准确，为此用热电偶测量了其缸头底面的温度.图1为全负荷和倒拖时速度特性对应缸头底面温度的平均值.以实测缸壁温度代入计算程序算得的充气效率与实测值均吻合较好，如图2所示.说明整个充气效率的计算方法是正确的，关键是要准确地把握模型中的输入参数，全部以实验值输入不太现实.因为缸壁温度的测量难度大于充气效率本身的测量，有必要就一些主要的参数对充气效率影响度作出分析，以便把握模拟计算充气效率的方法
.
图1 实测缸头壁温度
Fig.1 M easur ed tem per ature o f cylinder head 图2 充气效率的计算值与实测值对比Fig.2 V olume efficiency compar ison betw een
calculatio n and measur ement
3 影响模拟计算充气效率的因素
3.1 管道摩擦系数C f /2
C f /2可通过式(2)计算，它是Re 的函数.以式(2)算得的C f /2为基准，改变其大小，看其对充气效率的影响，计算结果见图3.转速高时,C f /2对充气效率的影响大于转速低时的影响.但无论转速高低,C f /2的改变对充气效率的影响都不太显著.
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3.2 弯管压力损失 p
气体流经弯管时，离心力或两次流等会引起附加流动损失, p 可由式(3)计算，系数 的大小取决于弯管的具体形状[3].此外，弯管的散热量也将影响充气效率 v ，一般进气管弯管的数量不超过10根，考虑极端情况，计算10根弯管时其阻力系数变化对 v 的影响，计算结果示于图4.由图4可见，弯管的压力损失对 v 的影响很小
.
图3 摩擦系数对充气效率的影响
F ig.3 Effect o f frict ion co efficients of
ma nifolds o n v olume efficiency 图4 弯管压力损失对充气效率的影响 Fig.4 Effect of bent pressure loss on vo lume efficiency
3.3 进气管壁和传热系数
进气管壁的温度随离进气门距离的远近而变化，一般越近气门温度越高，到进气总管后管壁的温度变化较小.为讨论方便，取进气道和进气支管的管壁平均温度，分析其对 v 的影响.管壁以式(4)计算的传热系数和管壁温度313K 为基准，计算了传热系数对 v 的影响.
图5显示了1300r /m in 时壁温和传热系数对 v 的影响.在基准传热系数时，管壁温度每相差20K, v 约差1.58%，且随传热系数的增加而增加.转速抵时管壁温度和传热系数对 v 的影响较转速高时大.
3.4 气缸壁温
气缸壁温的高低将影响缸内气体的被加热程度，从而影响吸气终了时的缸内气体质量，使 v 发生变化.气缸壁温随缸壁位置的不同而不同，在“容积法”模拟缸内热力过程时，一般用活塞顶平均壁温、缸套平均壁温和缸头平均壁温来表征气缸壁的热负荷，因为这三个平均温度有着一定的内在联系.根据本试验发动机，活塞顶平均温度比缸头温度约高30K，而缸壁温度约比缸头温度低120K，为便于表示，这里取缸头的平均壁温作为输出结果的变量, v 的变化作为因变量.缸壁传热系数以式(5)计算和缸头温度以450K 为基准值，然后改变其大小，视其对 v 的影响
.
图5 进气管壁温和传热系数对充气效率的影响
F ig.5 Effect of heat tr ansfer in inta ke ma nifold
on vo lume
efficiency 图6 气缸壁温和传热系数对充气效率的影响F ig.6 Effect o f heat tr ansfer in cy linder on vo lume efficiency
图6所示为1300r/min 时缸壁温度和传热系数对 v 的影响.缸壁温度每增加100K 时, v 下降约
2.8%.在转速低时，吸气在缸内的被加热时间增加，因此缸壁温度和传热系数的影响更加明显.123
第7期邓康耀：发动机循环模拟中有关参数对充气效率的影响度
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4 结 语
进气管道的摩擦系数和弯管的压力损失系数对充气效率的影响不显著，一般不超过1.0%.进气管壁温和传热系数、气缸壁温和传热系数对充气效率有较显著的影响，影响度随转速降低而加大.因此，正确给定各转速下的进气管壁和气缸壁温度及传热系数是正确预测发动机充气效率特性的关键.
参考文献
1 M or e T,Flemming M F.Char acter izatio n of manifo ld dy namics in t he chry sler.2. ine by measur ements and simulation.SA E900679,1990.
2 顾宏中.涡轮增压柴油机热力过程模拟计算.上海：上海交通大学出版社,1985.
4 张远君编.流体力学大全.北京：北京航空航天大学出版社,1991.
下期发表论文摘要预报
关联规则的递增修正
程继华, 施鹏飞
(上海交通大学图象处理与模式识别研究所)
摘 要 关联规则是数据挖掘的重要研究内容.由于数据库中频繁追加新数据，使得已挖掘的关联规则发生变化，递增修正技术可用于维护与修正关联规则.讨论了关联规则的递增修正问题，提出了递增修正算法(F IU).
FI U算法通过减少支持率，将频繁模式集合扩大，访问新追加的数据，对关联规则进行修正.F IU算法虽略微增大了存储的占用，减少了数据的访问，但提高了递增修正的速度.分析了支持率和频繁模式集合大小的关系，对算法F IU和算法FU P进行了比较.
Wavelet模型和Lag uerre模型在系统辨识中的对比
陈 萍, 杨煜普, 许晓鸣
(上海交通大学自动化系)
摘 要 小波分析理论是近年发展起来的一个新的数学分支.为了研究小波分析理论在控制问题中系统辨识领域的应用，提出了小波模型并分析了其结构和特征.同时，引入Lag uerr e模型作为与小波模型进行对比研究的对象，剖析了两者的相同之处与不同之处.通过将L aguer re模型与小波模型同时应用于构造具有延时因子的线性系统的模型中，经分析比较，发现小波模型优越于La guerr e模型.
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