一款12L重型柴油機(jī)性能開發(fā)與GT仿真

熊鋒 劉慶 王飛 劉威 余志敏

摘 要：基于13L發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，更改了活塞、連桿和曲軸的尺寸，開發(fā)一款12L發(fā)動(dòng)機(jī)，完成了主要的性能開發(fā)工作，并達(dá)到了預(yù)期的性能排放指標(biāo)；在原13L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型上進(jìn)行修改和校核，建立12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型，對(duì)其模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，最后利用12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型計(jì)算分析了高壓共軌的燃油壓力對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并通過臺(tái)架試驗(yàn)得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；性能；仿真

中圖分類號(hào)：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)重卡進(jìn)口情況看，大噸位、大馬力重卡在進(jìn)口卡車的比例中也占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)地位，所配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍為450～520馬力，并且逐年有不斷上升的趨勢(shì)。特別是近幾年來，伴隨著我國(guó)重卡市場(chǎng)的快速發(fā)展，重卡向大功率、大噸位發(fā)展的趨勢(shì)越來越明顯，重卡功率升級(jí)的步伐仍在繼續(xù)。

13升發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，該發(fā)動(dòng)機(jī)目前的主要應(yīng)用為重型載貨汽車、發(fā)電動(dòng)力機(jī)，以及工程機(jī)械領(lǐng)域。為了公司中長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展考慮，我們?cè)?3升發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上將排量降為12L，進(jìn)行了一些前期的研究性開發(fā)，為以后的正式開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和方向指導(dǎo)。

12L相對(duì)于進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大的成本優(yōu)勢(shì)，又具有很好的品牌價(jià)值，容易被國(guó)內(nèi)OEM接受；國(guó)內(nèi)各市場(chǎng)板塊對(duì)400馬力以上的發(fā)動(dòng)機(jī)有很大需求，12L適應(yīng)了國(guó)內(nèi)對(duì)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)分市場(chǎng)的需求；12L在出口市場(chǎng)也具備了很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

基于以上背景，完成了12L發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放開發(fā)，驗(yàn)證并校準(zhǔn)13L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型，在13L發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型的基礎(chǔ)上建立12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power基礎(chǔ)模型，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型校準(zhǔn)，最后利用模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能模擬，并通過臺(tái)架試驗(yàn)來驗(yàn)證模擬結(jié)果。

2 12L發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放開發(fā)

表1為13L發(fā)動(dòng)機(jī)與12L發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)參數(shù)對(duì)比，其中最主要的改變就是活塞尺寸、缸內(nèi)行程和連桿長(zhǎng)度等。12L發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)13L發(fā)動(dòng)機(jī)，缸徑保持不變，沖程由原來的163mm減小到150mm，連桿長(zhǎng)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(xiàng)目只啟動(dòng)了12L發(fā)動(dòng)機(jī)450馬力的開發(fā)，通過臺(tái)架試驗(yàn)，完成了對(duì)外特性的功率、扭矩、比油耗、煙度等參數(shù)的標(biāo)定與開發(fā)，F(xiàn)uel Map、ESC、ELR、ETC的開發(fā)與測(cè)試，所有的指標(biāo)都滿足了預(yù)定的開發(fā)目標(biāo)，這里只列出了如圖2-功率、圖3-Fuel Map、表2-ESC、ELR和ETC的測(cè)試結(jié)果，其他數(shù)據(jù)沒有展示出來。

3 13L發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power模型驗(yàn)證

3.1 13L發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型介紹

由于12L發(fā)動(dòng)機(jī)是以13L發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)進(jìn)行開發(fā)，因此12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型也可以在13L發(fā)動(dòng)機(jī)的模型上進(jìn)行修改，這樣就要求13L發(fā)動(dòng)機(jī)的模型仿真要準(zhǔn)確。

對(duì)原13L模型進(jìn)行校準(zhǔn)，原13LGT模型如圖4，主模型部分為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件的模型， 控制部分為參數(shù)和邏輯控制，輸出部分為需要輸出數(shù)據(jù)的參數(shù)。

3.2 13L發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型測(cè)試

以13L 525馬力機(jī)型為例，用原13L模型模擬計(jì)算其外特性，將計(jì)算結(jié)果和性能參數(shù)表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5，從兩圖的對(duì)比可以看出，1700rpm及以上的高速段的扭矩?cái)M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(duì)比了功率、油耗、進(jìn)氣流量等參數(shù)的模擬情況，誤差都比較大，這里不一一展示，總之最終的結(jié)論就是需要對(duì)原模型進(jìn)行調(diào)試。

3.3 13L發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型調(diào)試

舊版的13L GT模型是基于GT-Power V6.2版開發(fā)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(jí)，導(dǎo)致舊版的13L GT模型仿真度不高，因此需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程過改變的子模型和參數(shù)如下圖6，主要對(duì)缸內(nèi)湍流模型、直噴燃燒模型、壁面?zhèn)鳠崮Ｐ偷冗M(jìn)行了修改。

選擇缸內(nèi)直噴柴油噴射燃燒模型，該燃燒模型預(yù)測(cè)燃燒速率，并將直噴柴油機(jī)的排放與單或多脈沖噴射相結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)測(cè)，必須通過實(shí)測(cè)的缸壓曲線進(jìn)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(yù)測(cè)的燃燒速率對(duì)噴射曲線和正時(shí)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(shí)測(cè)，或者通過GT-SUITE噴射模型得出，本文采用實(shí)測(cè)的噴射曲線輸入計(jì)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(jù)實(shí)測(cè)的氣缸頂部、活塞代入計(jì)算，氣缸壁為600K。管壁的溫度可自行指定，也可通過設(shè)置傳熱模型求解。進(jìn)排氣端口的溫度，由于該處的流動(dòng)、傳熱等情況很復(fù)雜，推薦進(jìn)氣端口的溫度650K，排氣端口的溫度750K。

3.4 13L發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試后的GT模型驗(yàn)證

經(jīng)過參數(shù)調(diào)整和子模型調(diào)試后，用新的13L模型進(jìn)行性能模擬，圖7為調(diào)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(diào)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(diào)試前功扭誤差為-15%～2%，模型調(diào)試后，功扭誤差為-3%～3%，除功扭外，同時(shí)也對(duì)外特性的油耗、進(jìn)氣流量、爆壓、中冷前溫、渦前溫進(jìn)行了模擬輸出，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，誤差都在可接受范圍內(nèi)。

圖9為萬(wàn)有特性的模擬結(jié)果，將模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。從圖中不難看出，低速低負(fù)荷段模擬的扭矩誤差較大，這是由于軟件構(gòu)架本身造成的，其他區(qū)域扭矩誤差能控制在±5%。同時(shí)排放模擬值與實(shí)測(cè)值誤差比較大，主要是由于GT缸內(nèi)燃燒模型造成的，對(duì)排放只能進(jìn)行趨勢(shì)性分析，不能進(jìn)行定量分析。至此，可以判斷調(diào)試后的模型已經(jīng)校準(zhǔn)。

4 12L發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power模型搭建與標(biāo)定

4.1 12L發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)和部分活塞的參數(shù)與13L的不同以外，其他參數(shù)與13L完全相同，包括超高壓共軌燃油系統(tǒng)，增壓器等硬件參數(shù)，模型沒有帶SCR后處理系統(tǒng)。

4.2 12L發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型標(biāo)定與驗(yàn)證

12L發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)目標(biāo)定為額定點(diǎn)450馬力，

以此功率為例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性進(jìn)行模擬仿真，模擬結(jié)果與臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，圖11～圖13分別

是功率、扭矩、比油耗的對(duì)比，可以看出功率、扭矩和比油耗在中速區(qū)1100rpm-1500rpm的模擬誤差最大，但是最大誤差也小于5%，而其他轉(zhuǎn)速區(qū)的誤差都在2%以內(nèi)，該誤差主要是由于12L的摩擦功沒有精確測(cè)試與標(biāo)定，摩擦功還是用的13L模型里的數(shù)據(jù)，摩擦功的校準(zhǔn)需要在臺(tái)架上精確測(cè)試后才可以完成。

除了對(duì)外特性的功率、扭矩、比油耗進(jìn)行模擬計(jì)算外，還對(duì)進(jìn)氣流量、增壓器轉(zhuǎn)速、最大缸內(nèi)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(shù)進(jìn)行了外特性模擬計(jì)算，并與臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，這里不展示所有參數(shù)對(duì)比的圖表，對(duì)比結(jié)果顯示：進(jìn)氣流量和增壓器轉(zhuǎn)速擬合良好；爆壓最大誤差為10bar，出現(xiàn)在900rpm，1000rpm～2100rpm最大誤差為5bar，小于3%；進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)壓力誤差小于4%，溫度誤差小于3%；排氣系統(tǒng)壓力誤差小于4%，溫度誤差小于4%。

從以上的模擬對(duì)比結(jié)果可以看出，該模型可以為12L發(fā)動(dòng)機(jī)今后的硬件選型和性能開發(fā)提供方向指導(dǎo)，對(duì)于動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的模擬也具有很好的參考價(jià)值。

5 12L發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真與臺(tái)架驗(yàn)證

由于以后可能會(huì)考慮在12L發(fā)動(dòng)機(jī)上采用低軌壓燃油系統(tǒng)來降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本，提高價(jià)格優(yōu)勢(shì)，就需要了解低軌壓和高軌壓燃油系統(tǒng)分別對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有什么樣的影響，主要是在同等動(dòng)力性的條件下，對(duì)比燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。先利用GT模型對(duì)比不同軌壓的燃油經(jīng)濟(jì)性，然后通過臺(tái)架試驗(yàn)來驗(yàn)證GT的模擬情況。由于前面的章節(jié)指出GT模擬的排放跟試驗(yàn)值誤差較大，因此這里不進(jìn)行排放的模擬計(jì)算。

5.1 12L 發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真計(jì)算

保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、噴油時(shí)刻等參數(shù)一致，設(shè)置兩種不同的油軌壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖14，可以看出軌壓對(duì)整個(gè)外特性上的比油耗的影響。高速段1800～2100rpm高軌壓的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于低軌壓，說明高速高負(fù)荷需要高的軌壓來達(dá)到更好的噴油霧化效果，進(jìn)而帶來更好的油氣混合，提高燃燒效率，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)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(qū)域，高軌壓產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性差，主要是由于低速段進(jìn)氣流量小，流速低，進(jìn)氣渦流小，高軌壓高噴射壓力會(huì)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(dǎo)致比油耗比低軌壓的高。

5.2 12L 發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架驗(yàn)證

為了了解GT模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了同樣的兩種軌壓的臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，圖15是臺(tái)架試驗(yàn)的Fuel Map結(jié)果，從圖中可以看出，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，中高速1400rpm～2100rpm，中高負(fù)荷50%～100%，高軌壓的油耗好于低軌壓，但是50%以下的區(qū)域，低軌壓好于高軌壓。中低速段，低軌壓經(jīng)濟(jì)性好于高軌壓。GT的模擬結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，GT的模擬結(jié)果有比較高的可信度。

6 結(jié)論

本文主要介紹了基于13L平臺(tái)的12L發(fā)動(dòng)機(jī)的性能開發(fā)，以及建立12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT模型，并利用GT模型進(jìn)行性能仿真，全文主要工作及結(jié)論如下：

（1）完成了12L的主要性能和排放開發(fā)工作，并達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)；

（2）調(diào)試、校核了13L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT模型，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；

（3）在13L發(fā)動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上建立12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT模型，標(biāo)定并驗(yàn)證了模型；

（4）利用12L發(fā)動(dòng)機(jī)的GT模型進(jìn)行了軌壓對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響的模擬仿真；

（5）通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了GT仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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