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第1章 绪论1

1.1 概述1

1.2 建模与数值模拟2

1.3 燃烧诊断技术4

1.4 数值模拟方法的可能性与界限5

参考文献6

第一篇 活塞式内燃机8

第2章 热力学和化学基础8

2.1 能量转换8

2.2 曲柄连杆机构动力学9

2.3 循环过程12

2.3.1 基本原理12

2.3.2 闭式循环16

2.3.3 开式循环21

2.4 从理想到实际循环23

2.4.1 损失分配23

2.4.2 指标和参数24

2.4.3 内燃机循环26

2.5 内燃机主要尺寸的确定28

2.5.1 设计指标28

2.5.2 乘用车发动机32

2.5.3 一级方程式赛车发动机34

2.5.4 载货汽车发动机37

2.5.5 高速大功率船用柴油机39

2.5.6 小结44

2.6 传统燃料45

2.6.1 碳氢化合物（烃类）45

2.6.2 汽油和点燃式内燃机燃料49

2.6.3 压燃式内燃机燃料-柴油50

2.6.4 船用柴油机燃料50

2.7 未来的燃料51

2.7.1 点燃式内燃机燃料53

2.7.2 压燃式内燃机燃料59

参考文献68

第3章 内燃机工作原理71

3.1 乘用车汽油机71

3.1.1 混合气形成71

3.1.2 点火与燃烧过程77

3.1.3 不正常燃烧现象80

3.1.4 汽油机的原始排放和机内净化措施84

3.1.5 汽油机的潜力95

3.2 大型气体燃料发动机97

3.2.1 气体发动机的分类99

3.2.2 气体燃料100

3.2.3 燃烧方式和调节104

3.2.4 废气排放及其法规113

3.2.5 大型气体发动机与大型柴油机的比较117

3.2.6 应用118

3.2.7 研发方法120

3.3 柴油机燃烧的基本原理121

3.3.1 混合气形成121

3.3.2 着火与燃烧过程124

3.3.3 柴油机的原始排放127

3.3.4 柴油机的潜力140

3.4 乘用车柴油机141

3.4.1 法规和技术里程碑141

3.4.2 达到废气排放、燃油耗和功率目标的途径143

3.5 乘用车发动机的小型化156

3.5.1 小型化、低速化和尺寸合理化157

3.5.2 汽油机的关键技术163

3.5.3 柴油机的关键技术167

3.6 混合动力和增程器172

3.6.1 驱动电气化172

3.6.2 混合动力驱动175

3.6.3 增程器180

3.6.4 对内燃机的影响187

3.7 商用车柴油机190

3.7.1 对商用车柴油机的技术要求及其分类190

3.7.2 1970年以来商用车柴油机的发展191

3.7.3 商用车柴油机的燃烧方式197

3.7.4 冷起动和暖机性能205

3.7.5 增压的特殊性206

3.7.6 商用车柴油机的机械学208

3.7.7 发动机制动系统211

3.7.8 发动机调节214

3.7.9 非道路移动式工作机械发动机215

3.7.10 未来商用车的动力216

3.8 大型柴油机217

3.8.1 概述217

3.8.2 高速四冲程柴油机225

3.8.3 中速四冲程柴油机231

3.8.4 低速二冲程柴油机245

参考文献255

第4章 燃油喷射系统263

4.1 汽油机的燃油喷射263

4.1.1 进气道喷射264

4.1.2 汽油直接喷射273

4.2 柴油机的燃油喷射281

4.2.1 基本功能281

4.2.2 结构形式282

4.2.3 共轨系统284

4.2.4 高压油泵288

4.2.5 共轨及其相关零部件291

4.2.6 共轨喷油系统的喷油器294

4.2.7 计量作用301

4.3 大型柴油机的燃油喷射302

4.3.1 历史回顾302

4.3.2 泵-管-嘴喷油系统305

4.3.3 泵-喷嘴喷油系统307

4.3.4 蓄压式燃油喷射系统308

4.3.5 其他附件315

4.4 液力系统的数值模拟317

4.4.1 基本单元的建模317

4.4.2 应用实例320

参考文献321

第5章 增压系统322

5.1 增压方式323

5.1.1 惯性增压323

5.1.2 气波增压324

5.1.3 压缩机增压（机械增压或容积型增压）325

5.1.4 废气涡轮增压326

5.2 涡轮增压器的基本结构和工作原理326

5.3 调节335

5.3.1 压缩机336

5.3.2 带旁通阀调节的涡轮增压器（放气阀调节）336

5.3.3 通过可变喷嘴环流通截面调节的涡轮增压器（VTG）337

5.4 涡轮增压器与发动机的匹配338

5.5 增压系统345

5.5.1 由两个废气涡轮增压器组成的两级可调增压346

5.5.2 由废气涡轮增压器和机械式增压器组成的两级可调增压347

5.5.3 分动增压347

5.5.4 电动辅助增压348

5.6 其他349

5.6.1 增压空气冷却349

5.6.2 废气再循环349

5.6.3 定压增压和脉冲增压349

5.6.4 稳定压气机特性的措施351

5.6.5 滑行工况时的空气旁通措施352

参考文献352

第二篇 内燃机燃烧、有害排放物的形成和消减、排放测量技术354

第6章 化学反应动力学354

6.1 基本原理354

6.1.1 化学平衡354

6.1.2 反应速率356

6.1.3 局部平衡和准稳态平衡357

6.2 碳氢化合物的反应动力学359

6.2.1 碳氢化合物的氧化359

6.2.2 着火过程361

6.2.3 发动机数值模拟中的化学反应动力学365

参考文献369

第7章 污染物形成和消减371

7.1 废气成分371

7.2 机内有害物质的形成和消减措施372

7.2.1 一氧化碳（CO）375

7.2.2 未燃的烃类（HC）376

7.2.3 柴油机颗粒排放（PM）381

7.2.4 氮氧化物（NO x）388

7.3 机外净化措施394

7.3.1 氧化催化转化器394

7.3.2 三效催化转化器395

7.3.3 选择性催化还原（SCR）397

7.3.4 NOx-吸附型催化转化器401

7.3.5 颗粒过滤器402

参考文献407

第8章 排放测量技术413

8.1 引言413

8.2 被测气体制备414

8.2.1 废气测量仪（AMA）的被测气体制备414

8.2.2 稀释被测气体的制备416

8.3 气态组分的测量418

8.3.1 不分光红外检测仪418

8.3.2 氢火焰离子化检测仪419

8.3.3 化学发光检测仪420

8.3.4 顺磁检测仪421

8.3.5 傅里叶变换红外线光谱仪421

8.3.6 激光二极管光谱仪422

8.4 固态成分的测量423

8.4.1 与法规相应的颗粒物测量423

8.4.2 确定废气中颗粒物性质的替代方法425

参考文献429

第9章 燃烧诊断技术431

9.1 压力指示432

9.1.1 概述432

9.1.2 指示测量系统434

9.1.3 影响测量精度的因素447

9.1.4 外界因素对传感器性能的影响454

9.1.5 传感器的安装方式457

9.1.6 电荷放大器里的电漂移462

9.1.7 进、排气系统的压力测定463

9.2 压力变化过程分析465

9.2.1 放热规律的确定465

9.2.2 损失分配468

9.2.3 不同燃烧过程的比较471

9.3 光学测量472

9.3.1 前言472

9.3.2 光学测量方法应用范围一览表473

9.3.3 光学测量方法的应用实例474

9.3.4 柴油机474

9.3.5 汽油机479

9.3.6 激光测量技术489

9.4 燃烧诊断技术的展望489

参考文献490

译后记493

第三篇 零维、一维和现象学模型2

第10章 内燃机工作过程计算基础2

10.1 零维和准维模型3

10.1.1 基本方程式3

10.1.2 物性参数5

10.1.3 单区模型和多区模型6

10.1.4 化学平衡10

10.1.5 充量更换13

10.1.6 传热13

10.1.7 结果分析的合理性23

10.1.8 通过给定燃烧过程的数值模拟27

10.1.9 平均值模型32

10.2 换气过程建模34

10.2.1 充满-排空法34

10.2.2 气体动力学分析35

10.3 计算模型的耦合40

10.3.1 一维换气过程计算与发动机工作过程计算的耦合40

10.3.2 一维（1D）换气过程计算和3D-CFD计算的耦合42

10.3.3 一维换气过程计算和DoE方法的耦合（以气体发动机为例）43

10.4 瞬态数值模拟44

10.5 液力过程的数值模拟45

10.5.1 液力系统数值模拟程序的构建45

10.5.2 气穴现象48

10.6 整车数值模拟50

10.6.1 发动机热力学模型50

10.6.2 受热模型52

10.6.3 摩擦模型53

10.6.4 预测的准确性54

参考文献56

第11章 内燃机燃烧的现象学模型59

11.1 柴油机燃烧60

11.1.1 零维燃烧过程函数模型60

11.1.2 稳态气体油束61

11.1.3 油滴蒸发燃烧（小区）模型65

11.1.4 时间尺度模型70

11.2 汽油机燃烧74

11.2.1 层流火焰速度和湍流火焰速度75

11.2.2 放热76

11.2.3 点火78

11.2.4 爆燃79

11.3 大型气体发动机80

11.3.1 着火延迟81

11.3.2 点燃式直喷燃烧室气体燃料发动机的放热率82

11.3.3 点燃式预燃室气体燃料发动机的放热率82

11.3.4 爆燃85

11.3.5 NOx排放和传热86

参考文献87

第12章 排气后处理系统90

12.1 排气后处理的方法90

12.2 模型建立和数值模拟92

12.3 排气催化转化器92

12.3.1 基本方程93

12.3.2 催化转化器类型96

12.4 柴油颗粒物过滤器100

12.4.1 基本方程101

12.4.2 加载和压力损失103

12.4.3 再生和温度分布104

12.5 喷射装置105

12.6 整体系统106

12.7 术语表107

参考文献109

第13章 复杂开发过程的对策110

13.1 优化策略的必要性111

13.2 模型的建立112

13.3 模型优化方法117

13.4 模型优化实例118

13.4.1 乘用车柴油机的排放优化119

13.4.2 汽油机的全负荷优化124

13.4.3 工作机械的变量设置127

13.4.4 混合动力汽车在关键循环阶段能量管理的优化131

13.5 函数数据化134

13.6 级联模型的优化和函数数据化138

13.6.1 在真实驾驶场景里多层优化问题的对策138

13.6.2 采用MIL进行驱动系统设计140

13.7 总结145

参考文献145

第四篇 工作过程的三维数值模拟149

第14章 三维流场149

14.1 流体力学基本控制方程151

14.1.1 质量和动量输运方程151

14.1.2 能量方程和组分输运方程154

14.1.3 被动标量和混合分数155

14.1.4 输运方程的守恒形式156

14.2 湍流与湍流模型156

14.2.1 湍流现象156

14.2.2 湍流模型157

14.2.3 湍流的壁面律方程160

14.2.4 湍流混合分数模型162

14.2.5 湍流模型的有效性和其他湍流模拟方法164

14.3 数值计算方法169

14.3.1 有限体积法169

14.3.2 扩散项的离散—中心差分法169

14.3.3 对流项的离散—迎风格式171

14.3.4 瞬态项的离散—隐式格式172

14.3.5 源项的离散173

14.3.6 分离式求解法174

14.3.7 动量方程的离散和数值求解174

14.4 计算网格175

14.5 计算实例177

14.5.1 汽油机缸内流场的数值模拟177

14.5.2 柴油机缸内流场的数值模拟178

14.5.3 喷油嘴内部流动180

参考文献183

第15章 燃油喷射过程数值模拟184

15.1 喷雾单液滴的计算184

15.1.1 动量交换184

15.1.2 单组分模型中质量和热量交换185

15.1.3 多组分模型中质量和热量交换188

15.1.4 闪蒸喷雾191

15.2 喷雾统计学192

15.2.1 Boltzmann-Wiliams（玻尔兹曼-威廉姆斯）方程192

15.2.2 Boltzmann-Williams（玻尔兹曼-威廉姆斯）方程的数值求解和Lagrange（拉格朗日）公式的标准模型194

15.2.3 随机变量的数值确定法196

15.2.4 喷嘴出口处液滴群初始条件197

15.2.5 喷雾液滴破碎模型198

15.2.6 喷雾碰撞模型202

15.2.7 标准模型中的湍流耗散模型203

15.2.8 基于Fokker-Planck（福克尔-普朗克）方程的湍流耗散204

15.2.9 基于Fokker-Planck（福克尔-普朗克）方程的扩散过程208

15.2.10 标准喷雾模型的若干问题211

15.2.11 采用外开式喷油器实现分层燃烧的汽油机直喷算例214

15.3 Euler（欧拉）喷雾模型217

15.3.1 局部均相流218

15.3.2 一维Euler方法或其他方法的嵌入220

15.3.3 三维Euler方法223

参考文献226

第16章 燃烧模拟227

16.1 燃烧模式227

16.2 燃烧模拟的一般过程229

16.3 柴油机燃烧231

16.3.1 放热模拟231

16.3.2 着火237

16.3.3 NOx生成238

16.3.4 炭烟生成238

16.3.5 HC和CO排放240

16.4 均质汽油机燃烧（预混燃烧）240

16.4.1 两相流问题241

16.4.2 Magnussen模型243

16.4.3 火焰表面密度模型247

16.4.4 G-方程249

16.4.5 扩散G-方程252

16.4.6 点火253

16.4.7 爆燃253

16.4.8 污染物形成254

16.5 充量分层燃烧汽油机（部分预混火焰）254

16.6 换气、混合气形成和燃烧的流体动力学模拟计算：未来展望258

16.6.1 网格移动259

16.6.2 数值260

16.6.3 湍流260

16.6.4 喷射过程建模260

16.6.5 燃烧过程建模263

参考文献264

第17章 增压过程数值模拟266

17.1 概述266

17.2 压气机叶轮与进气壳体间的相互作用268

17.3 涡轮机械叶栅设计基础269

17.4 网格生成、网格质量和边界条件271

17.5 结果分析273

17.6 应用实例276

参考文献277

第五篇 系统研究及展望279

第18章 内燃机作为完整动力系统中的一环279

18.1 内燃机未来发展目标279

18.1.1 引言279

18.1.2 优化动力系统配置280

18.1.3 未来动力总成配置的技术元素283

18.1.4 方案设计284

18.1.5 研发工作289

18.1.6 动力总成配置实例291

18.2 数值模拟在内燃机设计中的功用297

18.2.1 内燃机研发过程中的数值模拟297

18.2.2 可扩展的发动机和整个动力系统模型300

18.2.3 应用实例305

18.2.4 前景展望310

参考文献311

第19章 内燃机的未来314

19.1 引言314

19.2 内燃机在今后人类交流中的作用315

19.2.1 排放限制法规316

19.2.2 对驱动方案的客观评价317

19.2.3 CO2排放对生态循环的影响323

19.3 内燃机的昨天、今天和明天325

19.3.1 可能的替代方案325

19.3.2 内燃机的发展潜力333

19.4 总结与展望352

参考文献353

附录A1 用商业软件AVL FIRE？进行三维CFD模拟357

A1.1 引言357

A1.2 三维CFD模拟方法358

A1.2.1 前、后处理358

A1.2.2 流动求解器和求解算法361

A1.3 湍流与传热362

A1.4 喷油嘴中的多相流动362

A1.5 燃油喷雾与壁面油膜363

A1.5.1 离散化液滴-喷雾方法364

A1.5.2 Euler（欧拉）喷雾模型366

A1.5.3 壁面油膜输运367

A1.6 燃烧367

A1.6.1 柴油机中的燃烧368

A1.6.2 汽油机中的燃烧370

A1.7 有害排放物质的形成373

A1.7.1 氮氧化物的形成374

A1.7.2 炭烟的形成376

参考文献377

译后记382