1、GTPower工作指南GT-Power工作指南上海交通大学汽车工程研究院发动机所 年 月 日GT-Power工作指南编写： 校对： 审核： 批准： 1.软件简介GT-SUITE系列软件是由美国Gamma Technology公司开发的一款完整的、自成体系的开发平台，涵盖了发动机本体、驱动系统、热管理系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构、空调系统等车辆各个子系统。GT-POWER是GT-SUITE下的发动机性能分析模块，能有效模拟计算发动机的功率、扭矩、比油耗等参数，为发动机的性能优化或改型提供方向，节省大量的试验工作，缩短产品开发周期。GT-Power主要有以下功能： 1.功率、扭矩、油耗等
2、性能参数的计算； 2.气门升程曲线和正时的优化；3.进排气管路的设计和调整； 4.涡轮增压器匹配和响应特性，废气旁通阀的设计； 5.发动机控制功能的设计；6.发动机后处理系统的仿真计算，能模拟发动机后处理系统的工作过程； 7.GT-POWER的TPA（Three Pressure Analysis）分析功能，能充分把设计工程师与试验工程师的工作相结合； 8.EGR（废气再循环）管路系统的设计； 9.管路系统温度，气缸部件的热分析； 10.进排气的噪声，消声器、谐振腔的设计； 11.燃烧分析，HC、CO、NOx和碳烟的排放分析； 12.HCCI及后处理装置的化学反应。2. 数据收集GT-Powe
3、r发动机模型的建立需要一系列的数据，主要分为发动机结构数据和试验数据两部分。2.1发动机结构数据软件需要在发动机实际结构参数的基础上建立计算模型，需要先收集表1.1a中的数据。表1.1a 发动机结构参数表：序号项目名称1进气管路系统空滤前管路长度及直径2空滤后管路长度及直径3增压器至中冷器前管路长度及直径（增压机型）4中冷器后至节气门前管路长度及直径（增压机型）5空滤器后至节气门前管路长度直径（非增压机型）6节气门至稳压腔前管路长度及直径7稳压腔体积8各进气歧管长度及直径9缸盖各缸对应进气道长度及直径10各缸对应排气道长度及直径11进排气道流量系数12进排气门直径13进排气门冷、热态间隙14进
4、排气门升程曲线15进排气门配气正时16缸头表面积17缸头温度18缸体缸径19冲程20压缩比21连杆长度22活塞销偏移23活塞串气间隙24曲轴箱平均压力25空燃比（汽油机）26循环喷油量（柴油机）27燃烧起始角28燃烧持续期29形状因子m30循环缸压数据31排气管路系统各排气歧管长度及直径32排气稳压腔体积33排气稳压腔至增压器前管路长度及直径（增压机型）34排气背压35空滤器总体积36进口腔体积37出口腔体积38空滤器长度39质量流量40目标压损41进口压力42进口温度43中冷器总体积44进口腔体积45出口腔体积46空滤器长度47质量流量48目标压损49冷却介质温度50冷却目标温度51增压器增
5、压器流量系数52增压器总效率53压气机效率54机械效率55压气机压比若处于发动机前期开发阶段，模拟计算的目的就是确定以上某参数的最优值。这种情况下可以先将该参数设置为参变量，待模型完全建立后通过运算一系列的情况（case）来确定最优值。2.2发动机试验数据GT-Power计算模型建立后需要发动机从试验获得的性能数据来调整模型参数，以使计算结果与实际的相匹配，也就是模型校核的过程，这是为以后利用模型对发动机作预测性分析准备的。表1.2a为所需的发动机试验参数。表1.2a 模型校核需要的试验参数：序号数据名称1功率/扭矩2倒拖摩擦功率3空气流量/燃油流量/空燃比4平均指示压力5比油耗 BSFC6容
6、积效率或空气消耗率7进排气歧管的平均温度与压力8涡轮增压器的转速，增压后的压力和搵到（增压机型）9排气背压与温度10缸内压力或燃烧速率11进气动态压力（最好在进气歧管支管中测量）12排气动态压力（最好在排气管与三元催化转化器中测量）13排气道、排气管入口和三元催化转化器出口处的平均温度以上数据应包括在节气门全开或者全负荷下多个转速的数值。在发动机的前期开发阶段，或者未能获得以上全部试验数据，但可以参考与其共用部件的相关发动机的数据。3.四缸汽油发动机模型的建立打开GTise，选择新建，出现以下对话框，License选择GT-POWER，点击下一步。图 3a在以下对话框根据建立模型后的应用类型可
7、以在新建文件中预加载所需的模板。例如需要建立一个只要计算如功率、燃油消耗率等基本性能的自然吸气点燃式发动机（汽油机），这种情况下只有普通发动机（General Engine）和汽油机特有（SI Engine Specifics）两个选项是必须的。点击完成后带相关模板的模型文件就已经成功建立了。如果需要更多模板，可以点击工具栏中的Tile with Template Library按钮，在弹出的对话框中选择需要的模板。图3b在GT-POWER中的部件（component）分为模板（template）、对象(object)、零件(part)三种。所有的模板都可以从模板库中提取，然后在模板的基础上定
8、义对象，再根据模型需要定义各个零件。3.1单缸汽油机的建立3.1.1进气环境（Inlet Environment）建立模型的第一步是描述发动机进气的边界条件，这可以通过定义“EndEnvironment”模板来实现。双击模板“EndEnvironment”后可以创建一个新的对象，并命名为“env-inlet”。按图3.1.1a中定义环境压力和温度，在组分（composition）栏中填入“air”后字体会自动变成绿色，代表着它是连接到工程模板库中参考对象的一个指针变量。可以通过双击来定义参考对象，按图3.1.1c中填入各组分的比例。回到对象的定义页面，选择海拔与湿度（Altitude and
9、Humidity）一栏,定义如图3.1.1b所示。定义各参数值时可以通过点击左上方的图标获取帮助信息。图3.1.1a图3.1.1b 图3.1.1c3.1.2进气支管（intake runner）双击“PipeRound”模板，创建一个名为“intrunner”的对象，需要定义出入口的管径、长度、离散长度、壁温等参数，这些参数是第一节数据收集中已经获取的，填入后如图3.1.2a所示。图3.1.2a在Initial State Name栏中输入“initial”后双击该字体，选择“FluidInitialState”模板，按图3.1.2b定义相关值。图3.1.2b若管道为弯管，可以在文件夹“ben
10、d”中定义，图3.1.2c中表示管道为直管。图3.1.2c3.1.3进气道（Intake Port）下一步为描述发动机进气道而创建对象，只需在上一步建立的intrunner基础上修改相应的参数即可。右击工程库中“intrunner”对象后选择复制并编辑对象，将收集到的数据填入，如图3.1.3a所示。图3.1.3a图3.1.3b气门的流通系数包含了气道表面粗糙等原因造成气体的流动损失，于是在气道中需要将流通系数及摩擦因子的数值改为“0”，否则这部分损失就会重复计算，影响计算的准确度。3.1.4进排气门（Intake Exhaust Valves）GT-POWER是一维模型，没有凸轮轴等部件，配气
11、正时体现在气门的启闭时刻上。第一节中已经收集了气门的升程曲线、配气相位及气门流通系数等，以下需要将它们输入到模型中。在模板库中找到“ValveCamConn”模板，将其拖动到工程库中并双击创建名为intvalve的对象。图3.1.4a输入气门头部的直径、气门间隙、配气相位如上图所示。配气相位（Cam Timing Angle）通常是指气门最大升程处与发动机点火的上止点位置之间的凸轮角度差。气门升程曲线在文件夹Lift Arrays中输入，一般令最大气门升程处角度为0。通过测量获得的气门流通系数将在文件夹Flow Arrays中输入。如图3.1.4b到3.1.4e所示。图3.1.4b图3.1.4
12、c图3.1.4d图3.1.4e在进气门的基础上修改相应的参数就可以得到排气门exhvalve对象了，这里不再详述。3.1.5气缸（Cylinder）在工程库中双击“EngCylinder”模板，建立名为Cylinder的对象。由于气缸的几何尺寸、壁面温度、热传递、缸内流动等都是以参考对象的方式输入的，所以气缸的对象会显得有些复杂。图3.1.5a图3.1.5b缸内初始状态对象可以与进气道、进气支管相同，在空白框输入“initial”即可。壁面温度对象需要调用模板“EngCylTWall”，气缸头、活塞及气缸温度实际试验中因条件限制不一定能获得测量值，这时可以用GTI公司的经验推荐值。图3.1.5
13、c热传递的输入需要调用模板“EngCylHeatTr”，创建名为htr的参考对象。在第一行中需要选择传热模型，常用Woschni传热模型。Woschni传热模型因其容易使用及对缸内传热的准确预测而成为了行业标准。GT-POWER 7.0版本中新增了GTI公司在Woschni模型基础上经过调整的WoschniGT模型。图3.1.5d燃烧对象需要通过调用参考对象来定义。如图3.1.5e中使用点燃式韦伯燃烧模型（EngCylCombSIWiebe）,需要输入CA50的对应曲轴角、燃烧持续时间等参数，这些数据都是可以在实验用燃烧分析仪测量的。图2.1.5e图2.1.5f图2.1.5gGT-POWER可
14、用的燃烧模型有很多种，主要分为非预测、半预测及可预测三大类。非预测性燃烧模型简单地输入一个随曲轴转角变化的燃烧速率，这个燃烧速率不会随气缸状况、残余废气率和喷油时刻的影响，并假设缸内有充足的燃料维持这个燃烧速率。如果建立的模型是用于研究对燃烧速率影响甚少的参数的话，例如考虑进气歧管长度对容积效率的影响，那么使用非预测性燃烧模型就足够了。汽油机常用的非预测性模型有EngCylCombProfile和EngCylCombSIWiebe两种。假若研究的参数对燃烧速率有显著影响的，则需要使用预测性或半预测性燃烧模型。这种情况下燃烧速率会随着输入参数（喷油时刻，燃烧室结构，残余废气率等）作适应的调整。汽
15、油机常用的预测性燃烧模型有EngCylCombSITurb。理论上所有的模型都应该使用预测性燃烧模型，但是预测性燃烧模型的计算时间显著地增加，而且需要更多的试验数据及相关的模型校验工作。所以在很多情况下使用非预测性、半预测性燃烧模型显得更适合。半预测性燃烧模型则处于两者之间，它仅对显著影响燃烧速率的参数做出相应的变化，而发动机几何结构的变化对燃烧速率没有任何影响。因此可以节省部分计算时间。半预测性燃烧模型的调用是在EngCylCombSIWiebe上定义CA50的值、燃烧持续时间及韦伯因子三个参数。3.1.6喷油器（Fuel Injector）双击模板“InjAFSeqConn”创建对象“si
16、-inject”。在Rate文件夹中输入喷油速率、空燃比、空气质量流量及喷油器的孔数。图3.1.6a图3.1.6b在Timing-General文件夹的流体对象一栏输入“indolene-combust”以调用参考对象“FluidLiqIncompress”。“indolene”是专门用于研究用的已知组分的汽油。3.1.7排气道与排气支管（Exhaust Port and Runner）排气道对象的建立可以通过右击进气道对象，选择“复制并编辑对象”，重命名为“exhport”，然后再将第一节中的相关的数据代入到其中即可。重复一次以上操作即可完成排气支管对象的建立。图3.1.7a图3.1.7b图
17、3.1.7c图3.1.7d图3.1.7e3.1.8出口环境（Outlet Environment）通过复制并编辑入口环境建立出口环境对象，如图3.1.8a所示。图3.1.8a3.1.9发动机曲轴箱（Engine Crank Train）曲轴箱对象定义了发动机的类型、气缸的排列、点火顺序和缸体和曲轴的一些特征。双击模板“EngineCrankTrain”,新建对象并命名为“cranktrain”。图3.1.9a定义发动机转速时可以使用方括号定义一个参变量，以便计算多种情况。如图3.1.9a所示在发动机转速一栏填入“RPM”，这时打开情况设定（case setup）就可以输入不同转速了。发动机的摩
18、擦功需要调用“EngFrictionCF”模板，CF代表Chen-Flynn模型，是一个常用的发动机摩擦模型，其计算值包括曲轴、活塞和气门机构的摩擦功。在摩擦功一栏输入“friction”，双击绿色字体并选择EngFrictionCF，填入图3.1.9b中的数值。图3.1.9b图3.1.9c发动机气缸几何尺寸需要在“Cylinder Geometry”文件夹中定义，在Cylinder Geometry Object一栏填入“geom”调用“EngCylGeom”模板，输入缸径、冲程、压缩比等参数。图3.1.9d图3.1.9e图3.1.9f多缸机需要输入点火顺序和点火间隔，如图所示。图3.1.9
19、g将以上对象从工程库中拖拉到工程分布图中按顺序排列，点击工具栏中连接零件按钮并按顺序连接各零件，则一个简单的单缸汽油机模型就建立起来了，如图3.1.9h所示。随后将在单缸机的基础上增加相应数量的气缸及进排气系统。图3.1.9h3.2扩展为四缸汽油机模型在上述单缸机的基础上先删除曲轴箱及两端边界的连接，复制三次建立另外三个气缸。如图3.2a所示。图3.2a在把气缸连接到曲轴箱之前需要先双击曲轴箱，在文件夹“Firing Order”中输入发动机的点火顺序及点火间隔。按气缸命名顺序与曲轴箱连接，注意指向曲轴箱的连接箭头旁的数字必须与气缸顺序匹配。图3.2b图3.2c3.2.1进气系统的建立进气系统
20、由进气总管、空气滤清器、节气门和进气歧管组成。它们的构建需要用到一些新模板，在模板库Flow - General Flow - Components中找到EndFlowCap-def、FsplitGeneral、和PipeRectangle并拖拉到工程库中；转到Flow - General Flow - Connections找到已定义好的节流孔模板bellmouth 和 nocond，也将它们拖到工程库中。 3.2.1.1进气环境到进气歧管段的建模先将名为env-inlet的环境零件拖拉到工程分布图的坐下角处，然后将节流孔“bellmouth”放在其上方。“bellmouth”两个方向的流量
21、系数都设为1，是为了表示环境与第一管道之间平滑过渡。新建一个名为“ziptube”的对象以表示空滤器前的进气总管，在数据收集中已得到管径、管长等参数，填入后如图3.2.1.1a所示。图3.2.1.1a接下来建立空滤器。空滤器是由大直径的单一管道代表的，其对发动机的影响是主要是进气流动损失，这会由管道的膨胀与收缩来实现。右击“ziptube”选择复制并编辑，重命名为“aircleaner”，输入相应的尺寸后将其排列到“ziptube”的上方。图3.2.1.1b若只关注发动机外特性节气门可以由节流孔实现，填入试验测得的相应流量系数。图3.2.1.1c用上述的方法新建一个“pipe-to-man”的
22、管道对象以代表进气歧管前的一段进气总管。同样地，输入相应的参数。图3.2.1.1d将各个零件拖拉到工程分布图中，并以此连接起来，如图3.2.1.1e所示。图3.2.1.1e变为四缸后喷油器的设定需要更改一下，四个喷油器需要共用节气门位置的空气流速。然后在“Timing-General”中需要将相应的气缸与喷油器关联起来。先在对象中“Part Giving Angle”一栏中填入“*”号，代表该参数运用了零件重载，随后在零件界面“part override”栏填入与喷油器相连的气缸名称，如图3.2.1.1f所示。图3.2.1.1f图3.2.1.1g3.2.1.2进气歧管进气歧管的总管将离散为一系
23、列的直管与三通。双击模板“FsplitGeneral”新建三通对象“man-fs”，输入三通的容积、空间角及膨胀直径等参数。膨胀直径是指由在三通后管道的入口直径。图3.2.1.2a图3.2.1.2b接着使用模板“PipeRectangle”新建一个“man-pipe”对象用于三通相连。图3.2.1.2c连接后模型如图3.2.1.2d所示。图3.2.1.2d3.2.2排气系统排气系统的建模方法与进气系统的相同，在GT-POWER的安装目录下找到如下文件tutorials/Modeling_Applications/Engine_Performance/common/template.gtm，里面
24、有四缸机与六缸机的排气系统的典型模块，将它复制到工程分布图中，修改模型中的相关参数。到此模型基本建立完毕，如图xx所示。图3.2.2a4.模型的运算与结果显示模型建立后需要对参变量进行设定，打开run-Case Setup，输入需要运算的转速，节气门开度等。需要优化时，可以先将相应的参数设为变量，在这里输入目标值。图4a单击工具栏上按钮，弹出dos的命令框，运算开始，计算完毕后会显示图4b的类似信息。图4bGT-POWER的计算结果需要在GT-POSE中查看，以下简单说明如何查看主要参数。在GT-POWER工具栏中点击按钮，出现GT-POST的界面，如图4c 所示。图4c单击左侧的“CaseR
25、LT”文件夹，可以查看各个零件的参数。如要查看发动机的功率，右击Brake Torque选择view,如图4d所示。图4d5.模型的校准模型建立后需要与试验的数据校准，工程计算用的模型误差一般需要控制在3%内。校准的过程中会用到1.2节中从试验中获得的数据。各种的因子可以用于微调模型，使计算结果与试验数据更加接近，但这些因子的值不能太大，一般小于2。如一个不合理的较大调整量可以令计算结果与试验数据吻合，但是这个较大调整量可能是几个零件所需调整量的累加。假若校准后的模型是作为其他模型的基础的，那么校准时某些零件的影响将会被忽略，而新模型时这些零件中的因子就会对模型的准确度造成影响。5.1匹配进气
26、歧管压力这是为了校准进气口与测量点之间的流动损失。通常只在最高转速下调整，这是因为在最高转速时流动损失最大并且只运行一种情况更快更容易看到参数变化的影响。需要将计算与试验的差值控制在2%内，随后在整个转速范围内作比较。5.2校准容积效率首先在最高转速处将压力损失的误差控制在5%以内。然后在全转速范围内查看热传递和调谐的影响。影响调谐转速的零件或参数包括气门动作时刻，气门间隙、歧管的长度及亥姆霍兹共振腔等。对容积效率影响最大的因素有进排气门、进气道、进气歧管及其稳压腔和进气系统的壁面温度。而空滤器、谐振腔、排气道及排气系统的壁面温度的影响相对要小一些。容积效率需要在调整燃烧速度及压力图线之前校核
27、。容积效率的校准可以划分为以下三个步骤：1)排除进气口与歧管上测量点之间的压力损失及热传递问题；这些问题可以通过检查进气口与歧管上测量点之间的压力盒容积效率来解决。容积效率与进气口与歧管之间的压力差约成正比关系，所以如果计算的容积效率与歧管的压力比测量值小就说明了在二者之间有某个零件限制了气体的流动，相反则是有某个零件缺少限制。为了找到流动问题可以使用GT-POST的“RLT Viewer”观察最高转速下的平均压力，可以根据颜色的不同判断大发生压力损失的位置。或者可以检查进气歧管的压力，在节气门全开最高转速下歧管压力与进气口的压力差会在0.06bar之内。一部分热量会通过管壁传递给进气系统内的
28、新鲜空气，从而影响进气质量流量及容积效率。容积效率与歧管平均进气温度成正比，进气温度变化1%，容积效率约伴随变化1%。2)排除歧管上测量点与气缸之间的压力损失及热传递问题；3)调整气门动作及调谐转速。5.3背压的校准同样只在最大转速下调整。背压的计算预测值较大表示在测量位置下游管道的压力损失太大或上游管道压力损失太小，计算值较小则刚好相反。5.4匹配气缸压力气缸压力的匹配分三个阶段。先匹配发动机压缩行程期间的压力图线；然后输入燃烧速率调整燃烧阶段的压力图线；最后在膨胀行程通过调整热传递对流因子使计算的压力图线与试验的匹配。5.5排气温度的匹配这部分主要关注排气道热传递的输入情况及排气阶段壁面温
29、度的计算结果。5.6校准由倒拖获得的FMEP这只能在容积效率校准后进行。发动机摩擦功一般用测功机倒拖来确定。具体的办法是对发动机先进行热机，待转速稳定后迅速切断供油，测量维持发动机稳定在此转速测功机所做的功。在不同转速下重复以上工作就可得到发动机转速范围的摩擦功。以上方法测量的摩擦功必然包含发动机的泵气损失和压缩与做功行程的热传递，因此以上数据若要作为摩擦功必须先去除泵气损失和热传递损失。通过以下步骤可以达到以上目的。1.删除GT-POWER模型中的喷油器，或者将燃油喷射率设定为0。这时模型实际上变成一个倒拖发动机的模型，运行计算的性能参数结果都将会是负值。2.在对象“EngFrictionC
30、F”中，除了“Peak Cylinder Pressure Factor”一项设为0.005用于估计压缩行程缸压对摩擦功的贡献外，其他项都设为0。3.关闭所有计算壁温的“WallTempSolver”参考对象。必须确保缸内和排气温度的值与发动机真实工况一致。4.用倒拖试验相同的转速运行上述模型。5.将测量的摩擦扭矩转换为有效平均压力（BMEP）。6.将试验的BMEP与倒拖模型计算的相减（当然需要先将计算值调整为正值）。7.计算结果因为“Peak Cylinder Pressure Factor”的值而变小了，这个随后会再加上。8.在原模型“EngFrictionCF”第一栏“Constant part of FMEP”中，调用对象“RLTDependence”(或者“XYTable”)，在Y列输入以上FMEP的计算值，X列中输入发动机转速。将“Piston Speed”的两个相关项设定为0，“Peak Cylinder Pressure Factor”的值设定为0
