MET 426 GT‐POWER CLASS NOTES 

 

 

1.0 INTRODUCTION 

1.1 What is GT‐POWER? 1.2 What is the relationship between GT‐POWER  and MET 426 coursework? 1.3 How will GT‐POWER be used in the course? 1.4 What preparations will students be required to make in order to become familiar with GT‐POWER? 1.5 What are some of the shortcomings of the present course that GT‐POWER will be able to overcome?  

 2.0 SINGLE‐CYLINDER MODEL  2.1 Parts Layout 2.2 Folders 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.0 INTRODUCTION 

1.1 What is GT‐POWER?   

GT‐POWER is an industry‐standard engine simulation tool used by leading engine and vehicle makers to model the performance of internal combustion engines. GT‐POWER is part of a more comprehensive software family called GT‐SUITE. The latter features design analysis capability of engines with emphasis on driveline components (GT‐DRIVE), valvetrain components (GT‐VRAIN), fuel injection and hydraulics (GT‐FUEL), engine heat management and cooling (GT‐COOL), and crankshaft dynamics (GT‐CRANK).  GT‐POWER is based on one‐dimensional gas dynamics, representing flow and heat transfer in piping and related components . At the heart of GT‐POWER are two powerful software domains called GT‐ISE (Integrated Simulation Environment) that builds, executes, and manages the simulation process and, GT‐POST, a post‐processing tool that provides access to all the plot data generated by the simulation.  1.2 What is the relationship between GT‐POWER  and MET 426 coursework? 

 The relationship between GT‐POWER and MET 426 coursework is primarily one of extension of basic course concepts to include an in‐depth study of engine behavoir without the need to fabricate, operate, and test an actual engine.  Unfortunately, analyses performed using the simple models currently treated in the classroom do not correlate well with actual engine behavior. This lack of correlation has resulted in misunderstanding and  misapplication of concepts thereby leading to uncertainty and a general lack ofconfidence in lessons learned by students. Today, advanced engine simulation models such as GT‐POWER, when coupled with fundamentals in thermodynamics, fluid flow, and heat transfer, can provide students with a wholesome and meaningful approach in the study of internal combustion engines.    1.3 How will GT‐POWER be used in the course? 

 GT‐POWER shall be used in two principal modes: 

First, GT‐POWER will be used primarily in an analysis mode to evaluate the performance of a single cylinder engine whose geometry and operating characteristics have been specified. In this mode, students will be expected to generate P‐V and P‐θ plots and to calculate a broad range of engine performance parameters such as MEP, BSFC, thermal efficiency, etc., at a single operating condition. This activity will be expanded to include parametric studies where the effect of changes in engine operating conditions such as RPM, throttle position, air/fuel ratio, etc., on engine performance will be examined.  Second, GT‐POWER will be used in the semester project design phase of the course. This activity shall involve a team‐oriented design of a single cylinder engine to satisfy a set of prescribed criteria while using GT‐POWER to evaluate the performance of the design effort.  1.4 What provisions will be made to enable students to become familiar and reasonsbly proficient 

in the use of GT‐POWER?  

GT‐POWER is an computational tool that uses advanced methodology to simulate and evaluate the various processes used to define real engine behavior. Although mastery of some of the elaborate computational detail of GT‐Power is beyond the scope of a one‐semester undergraduate internal engine (I‐C) course, students will be introduced to basic engine processes in ever‐more increasing levels of technical detail. For example, combustion using the standard constant volume heat addition process will be replaced with an analysis that includes burn rate, changing composition, heat release, and calculations to determine products of combustion; instantaneous valve events will be replaced with discrete and finite models; use of a throttle and the specification of engine intake and exhaust geometries shall also be made.   

 2.0 GETTING AQUAINTED WITH GT‐POWER 

 The following procedures can be used to aquaint first‐time users with GT‐POWER:  2.1 Download GT‐ISE 6.2, the graphical user interface of GT‐POWER available for use in the 

course. 2.2 OPEN….note that the symbol “  “ shall be used to denote the “select and click” action 

with the mouse. 2.3 MET 426 GT Model A. This model is based on Example Problem 3‐1 in the class text. 

However it is different from the version in the text in that the engine is analized on a “per‐cylinder” basis and of course, capability to evaluate actual engine operating characteristics such as throttle flow, combustion burn rate, valve timing, etc.,  have been introduced. Upon selection, two key areas need to be identified. On the left of the screen is the “project library”. See Figure 1.0. To the right of the project library is the “project map”. See Figure 2.0. 

  

           Figure 1.0  Project Library  

  The project library contains a series of icons that allow the user to specify information about the model’s major components, connections between the components, and technical information of a reference nature such as formulas, etc. More on use of the icons and their meanings shall be provided later.  

  

Figure 2.0 Project Map  

The project map is used to identify the principal “parts”  of the engine that will be modeled. Specification and layout of the parts has been provided to minimize effort in getting students started. Normally, one would start with a “blank” project map and introduce flow connection and flow component devices as needed.  Figure 2.0 shows seven circular icons to denote seven flow connection devices. These devices include an injector, four circular objects designated as 1, 2, 3, and 4, an intake valve, and an exhaust valve. Item “1” denoted by a circle is actually a throttle plate. Flow connection devices define a plane between two flow components and use parameters such as discharge coefficients to define their performance characteristics. Other flow connection icons used in the figure include two “green” squares to denote the the environmental flow components at the engine intake and exhaust, four “yellow” squares to denote a length of pipe, two of which represent runners  at the intake and exhaust regions of the engine, and two of which represent the intake and exhaust port regions of the engine. The map also shows a red engine cylinder icon to allow for analysis of an entire cylinder as a stand‐alone system. Also, Figure 2.0 shows a “gray” icon to denote an entire engine. In the class exercises, emphasis is placed on a single cylinder model. Thus the difference in the make‐up or architecture of the so‐called cylinder/engine components is minimal. However, if a model of an eight cylinder engine was developed, the difference in architecture would be significant. Finally, clicking on any component will allow the user to determine numerical values of attributes (GT‐POWER equivalent of “variables”) assigned to each item.   What follows is a brief description of the meaning and use of the icons shown in the project library and the project map. 

 2.4 Injector‐01 icon on the project map.  

Edit Properties. See Figure 3.0. Briefly, the figure displays information dealing with the fuel injector as evidenced by use of the template InjAFSeqConn in the project library. Five attributes of the fuel injector, ranging from an Injector Delivery Rate to the Number of Shared Injectors are highlighted. Details of the attributes and explanations of their use may be obtained by clicking on the green & yellow icon in the top‐left corner of Figure 3.0. To change any of the object values, click on Edit Object and make needed change(s). Note the bottom left‐hand corner of the page where the tab Rate is highlighted.  A click on the tab Timing‐General yields additional information related to the injector. See Figure 4.0. Relevant to our model is the specification of an air/fuel ratio of 15. Note that in the GT‐Power software, object values of some attributes need to be specified even though little information about the attribute may be known. One such attribute is Injector Delivery Rate. A “best guess” value of 5 g/s for was specified even though the original Pulkrabek problem did not specify an injector delivery rate. As an exercise, consult the template library for information about the attributes Air Mass Flow Rate RLT and Number of Shared Injectors. 

  

 

  

Figure 3.0 Edit Part: injector‐01 Rate 

    

               

   

Figure 4.0 Edit Part: injector‐01 Timing‐General   

Figure 4.0 contains information dealing with seven attributes ranging from Reference Driver to Vaporized Fuel Fraction. Relevant to our model is the specification of ”isooctane” as the fuel under the attribute Fluid Object.   A double‐click on any green text such as  Isooctane‐combust  yields  reference  information  pertaining  to  the  fuel  isooctane.  A  check  of  the information contained in this reference is left as an exercise for the student. A “best‐guess” value of 360‐degrees  for  Injection Timing Angle, of 315K  for  Injected Fluid Temperature, and 0.2 for Vaporized Fuel Fraction were also specified. A Reference Driver setting of 1 was also specified. Finally, the remaining two tabs in the bottom of Figure 4.0 are not relevant to the problem under solution. 

   

 

 

 Figure 5.0 Edit Part: intake‐01 Main 

  

2.5  Intake‐01 icon on the project map.  Edit Properties. See Figure 5.0. This figure displays information dealing with the fluid at 

the engine intake and references the icon EndEnvironment under the Components section of the template library. Relevant to our model is the specification of the attribute Pressure of 1 bar and a Temperature of 333K. the Pressure Flag attribute is used to define a frame of reference for pressure. The attribute Composition defines the chemical make‐up of air. The tabs Altitude Correction and Plot Options in the bottom left hand corner of the screen will not be activated for this model.              

   

   

Figure 6.0 Edit Part: InRun320‐01   

2.6   InRun320‐01 icon on project map. Edit Properties. See Figure 6.0. This figure displays information dealing with the selection 

of a section of circular pipe of arbitrary length of 320 mm and constant diameter of 40 mm. These attributes were not specified in the original Pulkrabek problem statement but are required in the engine model build‐up process. The numerical object values assigned to these and other attributes are “best guess” values. The pipe material and its surface roughness have been defined. For additional information about these attributes and the rationale behind the object value selected, click on the yello pipe icon in the top left hand corner of the screen.  A word about the attribute Discretization Length which has been assigned a reference object value of [dxi]. Discretization length is the length into which the pipe is subdivided for calculation purposes. The selection of  a reasonable discretization length will ensure a high degree of calculation efficiency. If the length is too small, computation time will increase; if the length is too big, calculation accuracy will be compromised. A right‐click of the attribute [dxi], followed by a click of the item noted as Parameter Values, the discretization length selected for this model is 40 mm. No special 

instructions or information is provided for the two remaining tabs, Options and Plot Options, in the bottom left‐hand corner of the page.      

   

 Figure 7.0 Edit Part: Intport‐01 

  

2.7  Intport‐01 icon on project map.         Edit Properties. See Figure 7.0. This figure displays information dealing with the selection of a section of pipe of  length 80 mm and constant diameter of 40 mm. This icon is used to model that part of the engine that physically houses the inlet valve. In many respects, the information shown in the figure deals with attributes not specified in the original Pulkrabek problem but nevertheless, is information that is required to provide meaningful simulation of the engine. A “best‐guess” Wall Temperature value of 450K was chosen to provide for solution of heat transfer from the inlet port region. You may recall that the port region receives coolant 

to help moderate temperatures in the region. Again, for details pertaining to the listed attributes  in the figure, click on the yellow pipe icon in the top left‐hand corner of the page. Finally, no special instructions or information is provided for the two remaining tabs, Options and Plot Options, in the bottom left‐hand corner of the page. 

        

  

  

Figure 8.0 Edit Part: Int‐valve‐01  

2.8   Int‐valve‐01 icon on project map. Edit Properties. See Figure 8.0. This figure displays information dealing with the engine’s 

inlet valve. “Best guess” values of the  attributes Valve Reference Diameter, Valve Lash, and Cam Timing Angle were assigned. Valve Lash is discussed in the next section. The Cam 

Timing Angle is defined as the angle from TDC to the peak of the valve lift curve. Because the engine under study is a 4‐stroke engine, the assigned object value of 239‐degrees of cam angle is equal to a crank angle of 478‐degrees. The attribute Cam Timing Lift Array Reference has an attribute of “Theta = 0”. This means that the Cam Timing Angle will be referenced to the 0.0 value in the in the lift and flow‐coefficient arrays.  

Lift Arrays and Flow Arrays tab in bottom left‐hand corner. See Figure 9.0 (a) and (b). These figures show partial valve lift and valve flow coefficient data. A check of the Lift Arrays data shows that the theoretical active part of the cam or its “duration” is 73 + 83 = 156‐degrees, that maximum valve lift occurs at 0‐degrees, and that because of a Valve Lash of 0.1 mm, the actual valve duration is 136‐degrees. The latter number is the result of the sum of (63 + 73) degrees. The number 63 (actual number is ‐63)is the approximate value of cam angle where lift is 0.1 mm on the rise portion of the cam and 73 is the approximate value of cam angle where lift is 0.1 mm. No information is provided for the three remaining tabs Advanced, Scalars, and Plot Options  in the bottom left‐hand corner of the page.   

  

  

Figure 9.0 (a) Lift Arrays: Valve Lift vs Cam Angle (Inlet valve)  

 

  

Figure 9.0 (b) Flow Arrays: Valve Flow Coefficient vs Valve Lift (Inlet valve) 

  

Figure 10.0 Edit Part: Exh‐valve‐01  

2.9   Exh‐valve‐01 icon on project map. Edit Properties. See Figure 10.0. This figure displays information dealing with the engine’s 

exhaust valve. “Best guess” values of the  attributes Valve Reference Diameter, Valve Lash, and Cam Timing Angle were assigned. Attribute and object value information is similar to that outlined for the inlet valve. As expected, the magnitude of the Valve Reference Diameter of the exhaust valve is less than that of the inlet valve. Corresponding information for exhaust valve lift vs cam angle and exhaust valve flow coefficient vs valve lift data is presented in Figure 11.0 (a) and (b). Note from the Lift Arrays tab that the exhaust cam angle duration is 312‐degrees (418‐106). The remainder of the information contained under the exhaust valve item is similar tothat for the inlet valve.     

  

Figure 11.0 (a) Lift Arrays: Valve Lift vs Cam Angle (Exhaust valve)   

   

Figure 11.0 (b) Flow Arrays: Valve Flow Coefficient vs Valve Lift (Exhaust valve)  

  

Figure 12.0 Edit Part: Exh‐port‐01  

2.10   Exh‐port‐01 icon on project map.            Edit Properties. See Figure 12.0. The layout of this figure is similar to that of Figure 7.0 for the inlet port with a couple of exceptions. Note that “best guess” values of port diameter and length are smaller than those of their counterparts for the inlet valve. Also, because the exhaust port area operates hotter than the inlet port area, the object value of the attribute Wall Temperature is also higher.   

 

  

Figure 13.0 Edit Part: Exh‐runner  

 2.11   Exh‐runner icon on project map. Edit Properties. See Figure 13.0. The layout of this figure is similar to that of Figure 6.0 for the 

inlet runner with a couple of exceptions. “Best guess” values of diameter and length are different than those of their counterparts for the inlet runner. Also, note that the runner diameter increases in the direction of flow. Because the exhaust runner operates hotter than inlet runner, the object value of the attribute Wall Temperature is larger. Heat Conduction Object. In  Figure 13.0 the Heat Conduction Object is used unlike the inlet 

valve case. The green reference object value “exhaust‐wall” means that the wall temperature will be calculated rather being imposed. A double‐click of the green object value “exhaust‐wall” provides access to information used in heat transfer calculations. In this study, a wall temperature of 600K was specified. This temperature is the initial value of wall temperature used only for cycle 1 of the simulation. A second green reference object “exh‐initial” is also used. As an exercise, double‐click on the green object value for information about the initial state of the exhaust.  

  

Figure 14.0 Edit Part: Exh‐ambient‐01  

 2.12  Exh‐ambient‐01 icon on the project map.  

Edit Properties. See Figure 14.0. This figure displays information dealing with the fluid at the engine exhaust and references the icon EndEnvironment under the Components section of the template library. Relevant to our model is the specification of the attribute Pressure of 1 bar and a Temperature of 333K. The Pressure Flag attribute is used to define a frame of reference for pressure. For the exhaust, because there is a possibility of back‐flow into the engine, the Outlet‐reversing pressure flag is used. As in the case of the intake EndEnvironment, the attribute Composition defines the chemical make‐up of air. The tabs Altitude Correction and Plot Options in the bottom left hand corner of the screen are not activated in this model. 

   

Figure 15.0 Edit Part: Cyl‐01   

                     2.13 Cyl‐01 icon on the project map.  Edit Properties. See Figure 15.0. The figure displays geometric information pertaining 

to the cylinder. A double‐click of the green object value geom  provides information shown in Figure 16.0. Although most items listed under Attributes are familiar, it is suggested that students consult the template library (click on icon in upper left‐hand corner of page) for information on Wrist Pin to Crank Offset  and TDC Clearance Height. In this exercise, the engine bore, stroke, connecting rod length, and compression ratio are equal to the values in the Pulkrabek text. 

  

Figure 16.0 Engine Cylinder Geometry      

             

  

Figure 17.0 Engine Cylinder Geometry‐Models  

2.14  Models tab in bottom left‐handcorner. See Figure 17.0. This figure contains information of  a  reference  nature  dealing with  three  attributes  namely, Wall  Temperature,  Heat  Transfer,  and Combustion objects. A click of the icon in the top left‐hand corner of the page provides technical details regarding these items. A double‐click of the green object values twall, heattransfer, and SIWiebe yields information  shown  in Figures 18.0  to 20.0. These  figures  contain  the assumed  “best‐guess” values of initial temperatures of the head, piston, and cylinders, heat transfer and combustion characteristics. For additional  information  about  these  objects,  click  on  the  icon with  the  question mark  in  the  top  left corner. 

   

  

Figure 18.0 Head, Piston and Cylinder Temperatures    

  

Figure 19.0 Heat Transfer Characteristics 

   

  

Figure 20.0 Combustion Characteristics 

  

Figure 21.0 Edit Part: Engine‐01  

2.15   engine‐01 icon on the project map.            Edit Properties. See Figure 21.0. this figure displays information dealing with the overall engine. It becomes a more relevant item when an engine has more than one cylinder. The figure references the icon EngineCrankTrain under the Mechanical Components section of the template library. Under the Main tab, it provides information leading to the calculation of friction through the mechfric object value and of volumetric efficiency by defining a reference state through the object value Veref. One may want to check out the remaining tabs shown at the bottom of Figure 21.0. The information these contain will not be will not be examined at this point.