一款12L重型柴油機性能開發與GT仿真

熊鋒 劉慶 王飛 劉威 余志敏

摘 要：基于13L發動機平臺，更改了活塞、連桿和曲軸的尺寸，開發一款12L發動機，完成了主要的性能開發工作，并達到了預期的性能排放指標；在原13L發動機的GT-Power模型上進行修改和校核，建立12L發動機的GT-Power模型，對其模型進行標定和驗證，最后利用12L發動機的GT-Power模型計算分析了高壓共軌的燃油壓力對燃油經濟性的影響，并通過臺架試驗得到驗證。

關鍵詞：發動機；性能；仿真

中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0046-06

Abstract： Develop the 12 liter engine by changing the dimension of the piston， connecting rod and crankshaft base onthe platform of 13 liter， completed the major work of performance development， and meetthe performance and emission targets. The 12 liter engine GT-Power model is built on the modified and checked 13L GT-Power model，after the calibration and validation of the 12 liter GT-Power model. By the 12 liter GT model， calculated and analyzed the influence of rail pressure on fuel economy， and has been verified through the bench test.

Key Words： engine； performance； simulation

1 引言

從目前我國重卡進口情況看，大噸位、大馬力重卡在進口卡車的比例中也占據著絕對主導地位，所配裝的發動機功率范圍為450～520馬力，并且逐年有不斷上升的趨勢。特別是近幾年來，伴隨著我國重卡市場的快速發展，重卡向大功率、大噸位發展的趨勢越來越明顯，重卡功率升級的步伐仍在繼續。

13升發動機已經進入大批量生產階段，該發動機目前的主要應用為重型載貨汽車、發電動力機，以及工程機械領域。為了公司中長期戰略發展考慮，我們在13升發動機基礎上將排量降為12L，進行了一些前期的研究性開發，為以后的正式開發提供數據支持和方向指導。

12L相對于進口發動機具有很大的成本優勢，又具有很好的品牌價值，容易被國內OEM接受；國內各市場板塊對400馬力以上的發動機有很大需求，12L適應了國內對大馬力發動機細分市場的需求；12L在出口市場也具備了很好的價格優勢。

基于以上背景，完成了12L發動機的性能和排放開發，驗證并校準13L發動機的GT-Power模型，在13L發動機GT模型的基礎上建立12L發動機的GT-Power基礎模型，并通過發動機在臺架上的測試數據對模型校準，最后利用模型對發動機進行性能模擬，并通過臺架試驗來驗證模擬結果。

2 12L發動機性能與排放開發

表1為13L發動機與12L發動機的機內參數對比，其中最主要的改變就是活塞尺寸、缸內行程和連桿長度等。12L發動機相對13L發動機，缸徑保持不變，沖程由原來的163mm減小到150mm，連桿長度增加了6.5mm，活塞尺寸變化比較多，圖1里涉及的尺寸都有所變化，這里不一一列出。

項目只啟動了12L發動機450馬力的開發，通過臺架試驗，完成了對外特性的功率、扭矩、比油耗、煙度等參數的標定與開發，Fuel Map、ESC、ELR、ETC的開發與測試，所有的指標都滿足了預定的開發目標，這里只列出了如圖2-功率、圖3-Fuel Map、表2-ESC、ELR和ETC的測試結果，其他數據沒有展示出來。

3 13L發動機GT-Power模型驗證

3.1 13L發動機GT模型介紹

由于12L發動機是以13L發動機為基礎機進行開發，因此12L發動機的GT-Power模型也可以在13L發動機的模型上進行修改，這樣就要求13L發動機的模型仿真要準確。

對原13L模型進行校準，原13LGT模型如圖4，主模型部分為發動機的主要部件的模型， 控制部分為參數和邏輯控制，輸出部分為需要輸出數據的參數。

3.2 13L發動機GT模型測試

以13L 525馬力機型為例，用原13L模型模擬計算其外特性，將計算結果和性能參數表數據進行對比，如圖5，從兩圖的對比可以看出，1700rpm及以上的高速段的扭矩擬合程度比較高，1700rpm以下的中低速段扭擬合程度不高，除此以外，還對比了功率、油耗、進氣流量等參數的模擬情況，誤差都比較大，這里不一一展示，總之最終的結論就是需要對原模型進行調試。

3.3 13L發動機GT模型調試

舊版的13L GT模型是基于GT-Power V6.2版開發的初期版本，我們并沒有獲得最終的精確版，并且由于GT-Power軟件升級，導致舊版的13L GT模型仿真度不高，因此需要對其進行校準。校準過程過改變的子模型和參數如下圖6，主要對缸內湍流模型、直噴燃燒模型、壁面傳熱模型等進行了修改。

選擇缸內直噴柴油噴射燃燒模型，該燃燒模型預測燃燒速率，并將直噴柴油機的排放與單或多脈沖噴射相結合。為了實現精確的預測，必須通過實測的缸壓曲線進行修正。

本模型使用InjProfileConn，InjMultiProfileConn，InjNozzConn， InjNozzUserConn噴油器模型，燃油直接噴射到氣缸中。通過噴油器模型預測的燃燒速率對噴射曲線和正時非常敏感，因此必須確保輸入精確的噴射曲線，噴射曲線可通過實測，或者通過GT-SUITE噴射模型得出，本文采用實測的噴射曲線輸入計算。

采用壁面溫度及傳熱模型twall，指定氣缸、活塞、缸壁的平均溫度，根據實測的氣缸頂部、活塞代入計算，氣缸壁為600K。管壁的溫度可自行指定，也可通過設置傳熱模型求解。進排氣端口的溫度，由于該處的流動、傳熱等情況很復雜，推薦進氣端口的溫度650K，排氣端口的溫度750K。

3.4 13L發動機調試后的GT模型驗證

經過參數調整和子模型調試后，用新的13L模型進行性能模擬，圖7為調試前GT模擬的外特性與外特性的功率和扭矩誤差，圖8為調試后GT模擬的外特性與外特性的功率和扭矩誤差。從圖7和圖8可以看出，模型調試前功扭誤差為-15%～2%，模型調試后，功扭誤差為-3%～3%，除功扭外，同時也對外特性的油耗、進氣流量、爆壓、中冷前溫、渦前溫進行了模擬輸出，并與實測值進行了對比，誤差都在可接受范圍內。

圖9為萬有特性的模擬結果，將模擬計算結果與試驗值進行比較。從圖中不難看出，低速低負荷段模擬的扭矩誤差較大，這是由于軟件構架本身造成的，其他區域扭矩誤差能控制在±5%。同時排放模擬值與實測值誤差比較大，主要是由于GT缸內燃燒模型造成的，對排放只能進行趨勢性分析，不能進行定量分析。至此，可以判斷調試后的模型已經校準。

4 12L發動機GT-Power模型搭建與標定

4.1 12L發動機GT模型搭建

圖10為搭建的12升GT模型，模型中除了表1里的參數和部分活塞的參數與13L的不同以外，其他參數與13L完全相同，包括超高壓共軌燃油系統，增壓器等硬件參數，模型沒有帶SCR后處理系統。

4.2 12L發動機GT模型標定與驗證

12L發動機的開發目標定為額定點450馬力，

以此功率為例對發動機外特性進行模擬仿真，模擬結果與臺架測試數據進行對比，圖11～圖13分別

是功率、扭矩、比油耗的對比，可以看出功率、扭矩和比油耗在中速區1100rpm-1500rpm的模擬誤差最大，但是最大誤差也小于5%，而其他轉速區的誤差都在2%以內，該誤差主要是由于12L的摩擦功沒有精確測試與標定，摩擦功還是用的13L模型里的數據，摩擦功的校準需要在臺架上精確測試后才可以完成。

除了對外特性的功率、扭矩、比油耗進行模擬計算外，還對進氣流量、增壓器轉速、最大缸內爆壓、中冷前壓、中冷前溫、中冷后壓、中冷后溫、渦前壓、渦前溫、渦后壓、渦后溫等參數進行了外特性模擬計算，并與臺架數據進行了對比，這里不展示所有參數對比的圖表，對比結果顯示：進氣流量和增壓器轉速擬合良好；爆壓最大誤差為10bar，出現在900rpm，1000rpm～2100rpm最大誤差為5bar，小于3%；進氣系統參數壓力誤差小于4%，溫度誤差小于3%；排氣系統壓力誤差小于4%，溫度誤差小于4%。

從以上的模擬對比結果可以看出，該模型可以為12L發動機今后的硬件選型和性能開發提供方向指導，對于動力性和燃油經濟性的模擬也具有很好的參考價值。

5 12L發動機性能仿真與臺架驗證

由于以后可能會考慮在12L發動機上采用低軌壓燃油系統來降低發動機成本，提高價格優勢，就需要了解低軌壓和高軌壓燃油系統分別對該發動機的性能有什么樣的影響，主要是在同等動力性的條件下，對比燃油經濟性和排放。先利用GT模型對比不同軌壓的燃油經濟性，然后通過臺架試驗來驗證GT的模擬情況。由于前面的章節指出GT模擬的排放跟試驗值誤差較大，因此這里不進行排放的模擬計算。

5.1 12L 發動機性能仿真計算

保持發動機轉速、噴油量、噴油時刻等參數一致，設置兩種不同的油軌壓力進行計算，計算結果如圖14，可以看出軌壓對整個外特性上的比油耗的影響。高速段1800～2100rpm高軌壓的經濟性明顯優于低軌壓，說明高速高負荷需要高的軌壓來達到更好的噴油霧化效果，進而帶來更好的油氣混合，提高燃燒效率，從而提高燃油經濟性。中速段1100rpm～1700rpm，高軌壓和低軌帶來的比油耗沒有多少差異，也就是說這段區域，高軌壓產生的霧化效果沒有帶來BSFC的降低。低速段800～1000rpm，高軌壓反而比低軌壓的燃油經濟性差，主要是由于低速段進氣流量小，流速低，進氣渦流小，高軌壓高噴射壓力會將部分燃油噴射到氣缸壁或活塞頂面上，從而降低了燃油的燃燒效率，導致比油耗比低軌壓的高。

5.2 12L 發動機性能臺架驗證

為了了解GT模擬計算結果的準確性，進行了同樣的兩種軌壓的臺架驗證試驗，圖15是臺架試驗的Fuel Map結果，從圖中可以看出，整個發動機運行區域內，中高速1400rpm～2100rpm，中高負荷50%～100%，高軌壓的油耗好于低軌壓，但是50%以下的區域，低軌壓好于高軌壓。中低速段，低軌壓經濟性好于高軌壓。GT的模擬結果與臺架試驗結果基本吻合，GT的模擬結果有比較高的可信度。

6 結論

本文主要介紹了基于13L平臺的12L發動機的性能開發，以及建立12L發動機的GT模型，并利用GT模型進行性能仿真，全文主要工作及結論如下：

（1）完成了12L的主要性能和排放開發工作，并達到了設計目標；

（2）調試、校核了13L發動機的GT模型，驗證了模型的準確性；

（3）在13L發動機模型的基礎上建立12L發動機的GT模型，標定并驗證了模型；

（4）利用12L發動機的GT模型進行了軌壓對經濟性影響的模擬仿真；

（5）通過臺架試驗驗證了GT仿真結果的準確性。

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