一款12L重型柴油机性能开发与GT仿真

熊锋 刘庆 王飞 刘威 余志敏

摘 要：基于13L发动机平台，更改了活塞、连杆和曲轴的尺寸，开发一款12L发动机，完成了主要的性能开发工作，并达到了预期的性能排放指标；在原13L发动机的GT-Power模型上进行修改和校核，建立12L发动机的GT-Power模型，对其模型进行标定和验证，最后利用12L发动机的GT-Power模型计算分析了高压共轨的燃油压力对燃油经济性的影响，并通过台架试验得到验证。

关键词：发动机；性能；仿真

中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：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

从目前我国重卡进口情况看，大吨位、大马力重卡在进口卡车的比例中也占据着绝对主导地位，所配装的发动机功率范围为450～520马力，并且逐年有不断上升的趋势。特别是近几年来，伴随着我国重卡市场的快速发展，重卡向大功率、大吨位发展的趋势越来越明显，重卡功率升级的步伐仍在继续。

13升发动机已经进入大批量生产阶段，该发动机目前的主要应用为重型载货汽车、发电动力机，以及工程机械领域。为了公司中长期战略发展考虑，我们在13升发动机基础上将排量降为12L，进行了一些前期的研究性开发，为以后的正式开发提供数据支持和方向指导。

12L相对于进口发动机具有很大的成本优势，又具有很好的品牌价值，容易被国内OEM接受；国内各市场板块对400马力以上的发动机有很大需求，12L适应了国内对大马力发动机细分市场的需求；12L在出口市场也具备了很好的价格优势。

基于以上背景，完成了12L发动机的性能和排放开发，验证并校准13L发动机的GT-Power模型，在13L发动机GT模型的基础上建立12L发动机的GT-Power基础模型，并通过发动机在台架上的测试数据对模型校准，最后利用模型对发动机进行性能模拟，并通过台架试验来验证模拟结果。

2 12L发动机性能与排放开发

表1为13L发动机与12L发动机的机内参数对比，其中最主要的改变就是活塞尺寸、缸内行程和连杆长度等。12L发动机相对13L发动机，缸径保持不变，冲程由原来的163mm减小到150mm，连杆长度增加了6.5mm，活塞尺寸变化比较多，图1里涉及的尺寸都有所变化，这里不一一列出。

项目只启动了12L发动机450马力的开发，通过台架试验，完成了对外特性的功率、扭矩、比油耗、烟度等参数的标定与开发，Fuel Map、ESC、ELR、ETC的開发与测试，所有的指标都满足了预定的开发目标，这里只列出了如图2-功率、图3-Fuel Map、表2-ESC、ELR和ETC的测试结果，其他数据没有展示出来。

3 13L发动机GT-Power模型验证

3.1 13L发动机GT模型介绍

由于12L发动机是以13L发动机为基础机进行开发，因此12L发动机的GT-Power模型也可以在13L发动机的模型上进行修改，这样就要求13L发动机的模型仿真要准确。

对原13L模型进行校准，原13LGT模型如图4，主模型部分为发动机的主要部件的模型， 控制部分为参数和逻辑控制，输出部分为需要输出数据的参数。

3.2 13L发动机GT模型测试

以13L 525马力机型为例，用原13L模型模拟计算其外特性，将计算结果和性能参数表数据进行对比，如图5，从两图的对比可以看出，1700rpm及以上的高速段的扭矩拟合程度比较高，1700rpm以下的中低速段扭拟合程度不高，除此以外，还对比了功率、油耗、进气流量等参数的模拟情况，误差都比较大，这里不一一展示，总之最终的结论就是需要对原模型进行调试。

3.3 13L发动机GT模型调试

旧版的13L GT模型是基于GT-Power V6.2版开发的初期版本，我们并没有获得最终的精确版，并且由于GT-Power软件升级，导致旧版的13L GT模型仿真度不高，因此需要对其进行校准。校准过程过改变的子模型和参数如下图6，主要对缸内湍流模型、直喷燃烧模型、壁面传热模型等进行了修改。

选择缸内直喷柴油喷射燃烧模型，该燃烧模型预测燃烧速率，并将直喷柴油机的排放与单或多脉冲喷射相结合。为了实现精确的预测，必须通过实测的缸压曲线进行修正。

本模型使用InjProfileConn，InjMultiProfileConn，InjNozzConn， InjNozzUserConn喷油器模型，燃油直接喷射到气缸中。通过喷油器模型预测的燃烧速率对喷射曲线和正时非常敏感，因此必须确保输入精确的喷射曲线，喷射曲线可通过实测，或者通过GT-SUITE喷射模型得出，本文采用实测的喷射曲线输入计算。

采用壁面溫度及传热模型twall，指定气缸、活塞、缸壁的平均温度，根据实测的气缸顶部、活塞代入计算，气缸壁为600K。管壁的温度可自行指定，也可通过设置传热模型求解。进排气端口的温度，由于该处的流动、传热等情况很复杂，推荐进气端口的温度650K，排气端口的温度750K。

3.4 13L发动机调试后的GT模型验证

经过参数调整和子模型调试后，用新的13L模型进行性能模拟，图7为调试前GT模拟的外特性与外特性的功率和扭矩误差，图8为调试后GT模拟的外特性与外特性的功率和扭矩误差。从图7和图8可以看出，模型调试前功扭误差为-15%～2%，模型调试后，功扭误差为-3%～3%，除功扭外，同时也对外特性的油耗、进气流量、爆压、中冷前温、涡前温进行了模拟输出，并与实测值进行了对比，误差都在可接受范围内。

图9为万有特性的模拟结果，将模拟计算结果与试验值进行比较。从图中不难看出，低速低负荷段模拟的扭矩误差较大，这是由于软件构架本身造成的，其他区域扭矩误差能控制在±5%。同时排放模拟值与实测值误差比较大，主要是由于GT缸内燃烧模型造成的，对排放只能进行趋势性分析，不能进行定量分析。至此，可以判断调试后的模型已经校准。

4 12L发动机GT-Power模型搭建与标定

4.1 12L发动机GT模型搭建

图10为搭建的12升GT模型，模型中除了表1里的参数和部分活塞的参数与13L的不同以外，其他参数与13L完全相同，包括超高压共轨燃油系统，增压器等硬件参数，模型没有带SCR后处理系统。

4.2 12L发动机GT模型标定与验证

12L发动机的开发目标定为额定点450马力，

以此功率为例对发动机外特性进行模拟仿真，模拟结果与台架测试数据进行对比，图11～图13分别

是功率、扭矩、比油耗的对比，可以看出功率、扭矩和比油耗在中速区1100rpm-1500rpm的模拟误差最大，但是最大误差也小于5%，而其他转速区的误差都在2%以内，该误差主要是由于12L的摩擦功没有精确测试与标定，摩擦功还是用的13L模型里的数据，摩擦功的校准需要在台架上精确测试后才可以完成。

除了对外特性的功率、扭矩、比油耗进行模拟计算外，还对进气流量、增压器转速、最大缸内爆压、中冷前压、中冷前温、中冷后压、中冷后温、涡前压、涡前温、涡后压、涡后温等参数进行了外特性模拟计算，并与台架数据进行了对比，这里不展示所有参数对比的图表，对比结果显示：进气流量和增压器转速拟合良好；爆压最大误差为10bar，出现在900rpm，1000rpm～2100rpm最大误差为5bar，小于3%；进气系统参数压力误差小于4%，温度误差小于3%；排气系统压力误差小于4%，温度误差小于4%。

从以上的模拟对比结果可以看出，该模型可以为12L发动机今后的硬件选型和性能开发提供方向指导，对于动力性和燃油经济性的模拟也具有很好的参考价值。

5 12L发动机性能仿真与台架验证

由于以后可能会考虑在12L发动机上采用低轨压燃油系统来降低发动机成本，提高价格优势，就需要了解低轨压和高轨压燃油系统分别对该发动机的性能有什么样的影响，主要是在同等动力性的条件下，对比燃油经济性和排放。先利用GT模型对比不同轨压的燃油经济性，然后通过台架试验来验证GT的模拟情况。由于前面的章节指出GT模拟的排放跟试验值误差较大，因此这里不进行排放的模拟计算。

5.1 12L 发动机性能仿真计算

保持发动机转速、喷油量、喷油时刻等参数一致，设置两种不同的油轨压力进行计算，计算结果如图14，可以看出轨压对整个外特性上的比油耗的影响。高速段1800～2100rpm高轨压的经济性明显优于低轨压，说明高速高负荷需要高的轨压来达到更好的喷油雾化效果，进而带来更好的油气混合，提高燃烧效率，从而提高燃油经济性。中速段1100rpm～1700rpm，高轨压和低轨带来的比油耗没有多少差异，也就是说这段区域，高轨压产生的雾化效果没有带来BSFC的降低。低速段800～1000rpm，高轨压反而比低轨压的燃油经济性差，主要是由于低速段进气流量小，流速低，进气涡流小，高轨压高喷射压力会将部分燃油喷射到气缸壁或活塞顶面上，从而降低了燃油的燃烧效率，导致比油耗比低轨压的高。

5.2 12L 发动机性能台架验证

为了了解GT模拟计算结果的准确性，进行了同样的两种轨压的台架验证试验，图15是台架试验的Fuel Map结果，从图中可以看出，整个发动机运行区域内，中高速1400rpm～2100rpm，中高负荷50%～100%，高轨压的油耗好于低轨压，但是50%以下的区域，低轨压好于高轨压。中低速段，低轨压经济性好于高轨压。GT的模拟结果与台架试验结果基本吻合，GT的模拟结果有比较高的可信度。

6 结论

本文主要介绍了基于13L平台的12L发动机的性能开发，以及建立12L发动机的GT模型，并利用GT模型进行性能仿真，全文主要工作及结论如下：

（1）完成了12L的主要性能和排放开发工作，并达到了设计目标；

（2）调试、校核了13L发动机的GT模型，验证了模型的准确性；

（3）在13L发动机模型的基础上建立12L发动机的GT模型，标定并验证了模型；

（4）利用12L发动机的GT模型进行了轨压对经济性影响的模拟仿真；

（5）通过台架试验验证了GT仿真结果的准确性。

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