发动机性能数值式开发技术 主讲人 刘敬平教授 湖南大学机械与运载工程学院 2012年11月

第五章：发动机进排气系统的数值式优化（实验课） 主讲内容 GT-Power 软件基本工作原理与功能介绍 GT-Power 建模流程与校准技巧 GT-Power 建模、计算及后处理流程——四缸汽油机模型实例

GT-Power软件基本工作原理与功能介绍

GT-Suite（GT程序包)各子模块介绍 GT-Power: 发动机性能模拟、优化计算 GT-Drive: 整车与动力总成匹配模拟、优化计算 GT-Cool: 发动机与整车冷却系统模拟、优化计算 GT-Fuel: 发动机供油系统模拟、优化计算 GT-Vtrain:发动机运动学与动力学模拟、优化计算 所有GT程序包共用一个用户界面，数模与计算结果可互换

GT-Power软件基本工作原理与功能介绍 气体动力学与热力学求解器： 1 维有限容积法求解气体动力学方程（时间与一维空间） 0 维有限差分法求解缸内过程：包括能量守恒、质量守恒、气体状态方程来求解压力、温度与成份） 查表法求解气阀升程、气道流量系数以及增压器参数等等 时域-频域转换求解升压级与进、排气流动噪音等等 发动机性能计算步骤： 进、排气系统内气体动力学计算求解缸内新鲜空气量与泵气损失 按照已定空燃比计算缸内燃油量与燃油释放的热量以及放热规律 求解缸内能量守恒方程得到气体压力与温度，对PDV积分得到活塞功与排气能量 按照已定平均摩擦系数求解发动机有效性能 对曲轴转角积分得到增压器能量、查表得到增压压力以及流量等

GT-Power的应用范围：(1)计算精度很高的应用 发动机稳态性能模拟计算 气体交换过程（充气效率以及泵气损失): 精度可达 2-3% 缸内压力、温度与曲轴转角的变化关系: 精度可达 2-3% 发动机性能: 功率、扭矩，油耗： 精度可达 2-3% 增压器匹配:精度可达 5% 其它参数敏感性分析:精度可达 5% 发动机瞬态性能模拟计算 排气系统加热过程

GT-Power的应用范围：(2)计算精度有限的应用 稳态性能 燃烧放热规律的预测: 需要大量实验数据对模型进行精细标定 氮氧化物（Nox） 预测: 需要 (1) 详细的缸内气流运动与喷油规律模型 (2)需要大量实验数据对模型进行精细标定 爆震预测 (汽油机):需要大量实验数据对模型进行精细标定 2 冲程发动机: 精度受扫气过程计算精度的影响 燃烧室以及进、排气管壁温计算: 需要详细的外部环境换热条件 (管内测的计算精度基本可以接受) 摩擦模型: 过于简单,需要实验数据支持 缸内传热模型:过于简单,需要实验数据支持 瞬态性能 三效催化器效率与温度的关系预测

GT-Power的应用范围：(3)不适用的领域 发动机稳态过程模拟计算 空燃比的空间分布（3维过程） EGR在各气缸间的分配 缸内颗粒物与碳氢生成速率预测 发动机瞬态过程模拟计算 发动机缸内颗粒物生成速率

GT-Power 建模流程与校准技巧

中心线长度、直径、容积、连接角度、壁温的参数 GT-Power 数模准备: 发动机系统几何参数的准备 1 2 3 4 5 6 涡轮机 压气机 中冷器 后处理系统 空滤器 排气系统 进气系统 中心线长度、直径、容积、连接角度、壁温的参数 EGR 系统

在运行GT-Power前的对输入数据的前处理 长度, 直径,流动管道容积及连接角度的选取 将气道的流量系数转换为GT-Power模型所规定的格式 从实测的缸压曲线图确定燃烧率或放热率 从经验及经验公式确定缸壁的平均温度 由实测的缸压曲线图（平均指示压力）及平均有效压力来确定机械摩擦损失压力 将涡轮及压缩机的map图转换成GT-Power模型所规定的格式

GT-Power 模型的校正: 相关数据的计算流程及次序关系 气体交换过程: 1. 不接涡轮增压器，设定压气机出口和涡轮机进口压力、温度为常量。 首先发动机外特性上进、排气阀处的压力和温度 然后‘匹配空气流量或发动机容积 效率与发动机转速曲线 2. 连接涡轮增压器: 对涡轮进、出口压力、温度以及压缩机进出口压力、温度进行匹配 缸内过程: 由进入气缸的空气量及预先设定的空燃比来设定喷油量 采用实测燃烧放热规律，如果无数据则采用简化了的燃烧模型和参数（BOC，韦伯函数，燃烧时间） 预设缸内传热系数及缸壁温度 匹配缸内压力(高压循环） 匹配泵气循环(低压循环） 计算平均指示压力和比油耗 改用详细燃烧模型，例如：有必要的话可以DI-JET燃烧模型来估算Nox量 发动机性能: 根据预设平均摩擦压力计算平均有效压力（由平均指示压力-平均摩擦压力计算得来）、根据指示比油耗计算及有效比油耗(有效比油耗/机械效率得来） 计算发动机的其他性能参数

试验与模拟计算数据不匹配可能出现的问题及解决办法, 一: 气体交换过程 计算数模校准过程 可能出现的问题及解决办法 1.修正压缩机出口和涡轮进口处的压力、温度值 发动机气道内压力和温度的不匹配：a：检查进气系统内的压降和中冷前后的温度差；b：检查排气歧管内气体流动的压力及温度损失；c：通过修改摩擦、传热的修正值及缸壁温度去调整压力/温度损失 气道内压力、温度匹配但空气流量在整个过程中不是太小就是太大： a：设定的进气道流量系数过大或过小；b：缸内的残余废气太少或太多（通过检查气缸内的泵气循环来确定是过大或是过小）。 高速时空气流量过大但低速时空气流量又过小：a：进气阀关闭太晚；b：压力波预测不准使其不能匹配；c：检查发动机不同转速下气阀间隙 低速时空气流量过大但高速时空气流量又过小：a：进气阀关闭太早；b：压力波预测不准使其不能匹配；c：检查发动机不同转速下气阀间隙 2. 涡轮增压器的不匹配: 涡轮进口和压缩机出口的压力太低或太高：a：涡轮功率太低或太高； b：检查涡轮放气阀大小或VNT位置设置；c： 检查涡轮和压缩机的型号 涡轮进口处的压力和温度正常，但压缩机的压力太低：a：压缩机功率太低；b：检查涡轮放气阀大小或VNT位置设置；c：检查涡轮出口的压力是否太高；d：涡轮效率太低；e：压缩机的效率太低 压缩机出口的压力和温度正常，但涡轮进口处的压力太高或是太低：a：涡轮的废气阀门设定的太小或是太大；b涡轮型号不匹配；c：涡轮效率不匹配 气体交换过程: 不接涡轮增压器，设定压气机出 口和涡轮进气口的压力、温度为常量。 空气流量或发动机充气效率 效率沿发动机转速线的匹配 发动机标定点的静态压力和温度的匹配 2. 连接涡轮增压器: 涡轮进气口压力、温度与压缩机工作工况的匹配

试验与模拟计算数据不匹配可能出现的问题及解决办法, 二: 缸内过程 计算数模校准过程 平均指示压力太高或太低（指示比油耗太低或太高）： 检查喷油量是否正确（检查空气流量曲线图及设定的空燃比） 喷油量正确但指示功率太高或是太低 平均有效压力（指示功率）太高：a：燃烧速度太快（一般是由于预先设定缸内的压力太高，压力峰值位置太靠前，尾气温度太低）；b：气缸内的热损失太低（尾气的温度将很高） 平均指示压力（指示功率）太低：a：燃烧速度太慢（一般是由于预先设定缸内的压力太低，压力峰值位置太靠后，尾气温度太高）；b：气缸内的热损失太高（尾气的温度将很低） 在压缩冲程，气缸内压力迹线不匹配：a：计算得出的压力值比实测迹线图上的压力值低：热损失太大（气缸壁温度太低）或泄漏太多（ 可能要模拟缸内blowby）；b：计算得出的压力值比实测迹线图上的压力值高：热量损失不够（气缸壁温度太高）或是在发动机在台架试验中的实际泄漏量高于模拟值（此时必须模拟缸内blowby ） 在做功及膨胀冲程中缸内压力迹线不匹配:a:检查燃烧效率，柴油机一般在0.98-0.99之间，汽油机外特性上的燃烧效率在0.93左右；b:燃烧速率太快或太慢；c：气缸内的传热太高或太低；d：有必要对泄漏进行模拟 泵气循环（泵气损失）太高或太低：a：绘制pv图以确定是不是由进气或排气引起的；b：如果在进、排气过程中泵气损失很大，则气道的流通面积过小；c：如果出现两次压缩，则气门的重叠角过小 缸内过程: : 由进入气缸的空气量及预先设定的空燃比来设定喷油量 利用简化了的燃烧模型和参数（BOC，韦伯函数，燃烧时间） 依照发动机转速图表预先设定的缸内传热模型及缸壁温度 气缸内压力匹配 泵气循环匹配 计算指示平均有效压力和比油耗 改用更好的燃烧模型，例如：有必要的话可以采用多维燃烧模型或直喷模型估计Nox量

试验与模拟计算数据不匹配可能出现的问题及解决办法, 三: 发动机性能 计算数模校准过程 可能出现的问题及解决办法 发动机性能: 应用设定的摩擦损失压力计算得出平均有效压力（由平均指示压力计算-摩擦损失压力计计算得来）、有效比油耗（由指示比油耗计算/机械效率得来） 发动机其他性能的计算 平均有效压力 太高或太低（有效比油耗太低或太高）: 如果平均指示压力和比油耗不匹配：首先匹配平均指示压力和比油耗 如果平均有效压力和比油耗不匹配:检查及修改平均摩擦压力来实现匹配

GT-Power 建模、计算及后处理流程——四缸汽油机模型实例

GT-Power建模流程

GT-Power建模流程——运行软件 1、启动GT-ISE: 鼠标双击GT-ISE 桌面快捷方式图标 ，或者 启动开始菜单

GT-Power建模流程——打开模型文件 2、打开模型文件: 鼠标选择File/Open 或者 鼠标单击图标 模板模型文件路径 安装盘（本机房电脑为E盘）/GTI/v6.1.0/examples/GTpower/4cyl

GT-Power建模流程——GT-ISE操作平台 选择不同模块 导航区 数据库 模型管理区 模型区域

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.1 环境设定: 环境 在模型管理区双击 或 在模型区域双击 右图所示主页面参数需设定 双击进入帮助文件 指针变量

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.2 模型中管路设定: 进气管定义：双击模型管理区中“Pipe”模块，出现下图界面 右图所示主页面参数需设定 双击右图指针变量“init”， 设定下图参数。 双击指针变量

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.2 模型中管路设定: 进气道定义：双击模型管理区中“Pipe”模块，如图所示参数需设定 排气管和排气道设定同上

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.3 气缸定义: 双击模型管理区中“EngCylinder”模块，如图所示参数需设定

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.3 气缸定义: “Cylinder Geometry Object”，双击指针变量“cylg1”，设定气缸几何参数

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.3 气缸定义: “Wall Temperature Object”，双击指针变量“tw1”，设定气缸壁面温度参数

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.3 气缸定义: “SI Wiebe Combustion Model”，双击指针变量“cmb1”，设定燃烧模块参数

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.4 进、排气阀定义: 双击模型管理区“Valve Cam Conn”中的 “inval”（进气阀）、“exval”（排气阀）， 设定如图所示参数

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.5 喷油嘴定义: 双击模型管理区“InjAFSeqConn”中的“SeqInjector”， 设定如图所示参数及指针变量

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.6 曲轴箱定义: 双击模型管理区“EngineCrankTrain”中的“engine”， 设定如图所示参数及指针变量

GT-Power建模流程——模型参数设定 3.6 曲轴箱定义: 双击指针变量“Fric1”，设定如图所示参数

GT-Power建模流程——模型运行参数设定   点击添加Case 转速设定

运行时，会弹出DOS命令窗口，提示运行过程的参数 GT-Power建模流程——运行计算 5、运行计算: 打开RUN菜单下“Start Simulation” 命令 或 运行时，会弹出DOS命令窗口，提示运行过程的参数 点击确定开始计算

GT-Power建模流程——后处理 6、后处理: 点击“Open GT-Post” 图标 选择要处理的数据文件

GT-Power建模流程——后处理 6、后处理: 点击右图“Case RLT”图标 选择main/compound/EngineCrankTrain /7005/Main， 鼠标放在”BSFC” 右击选“View”， 即得BSFC曲线。

GT-Power建模流程——后处理 6、后处理: 发动机BSFC曲线。

GT-Power建模流程——后处理 6、后处理: 同理，选择main/compound/EngineCrankTrain /7005/Tq/Pwr， 其中包含扭矩、功率等参数结果。

本章作业 从泵气损失、残余废气系数、充量系数等方面论述发动机排气系统压力波动对发动机性能的影响 通过对比带进气总管的以及只带开口进气岐管系统的多缸发动机的充量系数随发动机转速的变化论述多缸发动机充量系数的基本形态以及主要影响因素 从进、排气系统压力波相位变化的角度论述可变气门正时系统（VVT）的基本功能 习题课作业：画出习题课中发动机的功率、扭矩、比油耗随发动机转速的变化曲线