圖1-6 柴油機(jī)的碳煙生成

圖1-7 某直噴汽油機(jī)早期設(shè)計方案中碳煙排放根本原因的診斷確定

a）數(shù)值模擬結(jié)果 b）光學(xué)發(fā)動機(jī)圖像

圖2-5 PFI汽油機(jī)噴油過程的數(shù)值模擬的示意圖（以透明、剖切結(jié)構(gòu)的方式顯示）

a）閉閥噴射，噴射開始于膨脹行程 b）開閥噴射，噴射開始于進(jìn)氣行程

圖2-6 壁面引導(dǎo)式分層混合氣直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)示意圖

圖2-7 壁面引導(dǎo)式直噴汽油機(jī)分層混合氣的形成過程

a）燃油噴霧 b）空燃比分布 c）氣體流場分布

注：圖中自上而下時序分別為上止點(diǎn)前55°、45°、35°與25°（CA）；發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況為1500r·min-1，0.262MPa BMEP。

圖2-8 VISC直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)示意圖

圖2-9 噴霧引導(dǎo)式直噴汽油機(jī)分層混合氣的形成過程

a）空燃比分布 b）疊加的噴霧與氣體流速分布

注：圖中至上而下的時序分別為上止點(diǎn)前24°、22°與16°（CA）；發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況為1500r·min-1，0.262MPa BMEP。

圖2-12 分層混合氣直噴汽油機(jī)運(yùn)行工況示意圖

圖2-14 柴油機(jī)中由自然火焰發(fā)光顯示的自燃和火焰現(xiàn)象的時間序列圖像［29］（噴油器位置由圖中細(xì)小白點(diǎn)表示）

圖2-15 柴油機(jī)燃燒的概念圖［30］

圖2-17 高速攝像獲取的HCCI燃燒時間序列圖像［39］

注：圖中時序自左邊起分別為上止點(diǎn)前5.2°、6.8°、8.4°、10.0°、11.6°、13.2°、14.8°與16.4°（CA）。

圖2-18 高速攝像獲取的燃燒時間序列圖像［41］

注：第一行為常規(guī)柴油壓燃燃燒（CDCI），第二行為預(yù)混壓燃燃燒（PCCI）；圖像旁的數(shù)字表示對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（ATDC）。

圖2-20 進(jìn)氣道汽油噴射量對RCCI燃燒相位的影響［49］

圖2-21 RCCI發(fā)動機(jī)性能隨負(fù)荷的變化［51］

注：圖中橫實(shí)線表示美國環(huán)境保護(hù)署2010年對貨車NO_x和碳煙排放的限值。

圖3-1 天然氣噴射發(fā)動機(jī)數(shù)值計算結(jié)果

a）滾流比與渦流比 b）總當(dāng)量比 c）質(zhì)量平均湍動能

圖4-3 用帶狀流線展示的滾流結(jié)構(gòu)

圖4-4 柴油機(jī)燃油噴射對氣體湍動能和湍流脈動速度的影響［9］

圖4-14 二維平均氣流速度等值線和矢量場（左圖）和湍流速度等值線（右圖）［59］

注：（a）PIV，（b）LES全域，（c）LES部分域，（d）RANS（k-ε）全域，（e）RANS（k-ε）部分域，（f）RANS（RNGk-ε）全域，（g）RANS（RNGk-ε）部分域。結(jié)果位于兩進(jìn)氣門間的中心面，時間為進(jìn)氣行程100°（CA）。

圖4-16 計算的4個循環(huán)氣流速度顯示出的循環(huán)變動［82］

注：結(jié)果位于兩進(jìn)氣門間的中心面，時間為進(jìn)氣行程125°（CA）。

圖4-17 早期噴油低溫燃燒的實(shí)測著火化學(xué)發(fā)光圖像與模型預(yù)測氣體溫度場比較［79］

圖4-18 燃燒參數(shù)的關(guān)聯(lián)性［84］

a）燃燒峰值壓力與主燃燒期角度位置（MFB50）的相關(guān)性

b）燃燒峰值壓力與火焰發(fā)展期角度位置（MFB10）的相關(guān)性

注：圖中S0與S1為不同的火花塞電極方向，S2代表火花塞電極不同的位置。

圖4-19 分層混合氣直噴汽油機(jī)中計算的（左圖）和測量的（右圖）瞬時燃油蒸氣當(dāng)量比比較［85］

注：結(jié)果位于離火花塞3mm的垂直平面上，時間為上止點(diǎn)前15°（CA）。

圖5-3 噴霧中物理過程的示意圖

圖5-21 點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)中噴霧碰壁的模式

方形符號—Nukiyama點(diǎn) 圓形符號—Leidenfrost點(diǎn) 實(shí)心符號—庚烷 空心符號—汽油

注：圖中符號表示實(shí)驗數(shù)據(jù)。

圖5-25 測量的液滴尺寸分布與模型擬合的比較

圖5-28 計算與實(shí)測的次級液滴尺寸比較

圖5-31 油膜前端長度隨時間變化

圖5-32 沿碰撞方向的油膜厚度分布

圖5-33 沿垂直于碰撞方向的油膜厚度分布

圖6-6 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度等溫線［28］

注：點(diǎn)火時刻為-30°（CA）（ATDC）；圖中黑色實(shí)線表示火焰前鋒的位置。

圖6-7 預(yù)測的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)［28］

注：圖像時間為-6°（CA）（ATDC），點(diǎn)火時刻為-30°（CA）（ATDC）。

圖6-9 HCCI發(fā)動機(jī)計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較［65］

a）案例S1的缸內(nèi)壓力和放熱率 b）案例S1與D1的放熱率和缸內(nèi)平均溫度

圖6-12 異辛烷的著火滯燃期

實(shí)線—詳細(xì)機(jī)理 空心符號—SA99機(jī)理 實(shí)心符號—激波管數(shù)據(jù)

圖6-13 預(yù)測的癸酸甲酯的著火滯燃期與詳細(xì)機(jī)理和試驗數(shù)據(jù)的比較

圖6-17 噴射始點(diǎn)和EGR率對發(fā)動機(jī)NO_x和碳煙排放的影響［104］

圖7-1 先進(jìn)的模擬引導(dǎo)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計方法

圖7-2 單缸光學(xué)發(fā)動機(jī)

圖7-8 多孔噴嘴產(chǎn)生的噴霧

a）試驗圖像 b）計算圖像

圖7-11 直噴汽油機(jī)早期噴射過程的噴霧米氏散射圖像和計算圖像

注：每個圖像上的數(shù)字表示了對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（BTDC）。

圖7-12 直噴汽油機(jī)早期噴射的噴霧貫穿距

圖7-13 直噴汽油機(jī)晚期噴射過程的噴霧米氏散射圖像和計算圖像

注：每個圖像上的數(shù)字表示對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（BTDC）。

圖7-15 計算的噴霧與氣體相對速度矢量場

a）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，圖像時間為56°（CA）（BTDC）

b）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r·min-1，圖像時間為50°（CA）（BTDC）

圖7-21 直噴汽油機(jī)全速滿負(fù)荷時進(jìn)氣流動對燃油液滴分布的影響

a）BDC時的油滴分布 b）60°（CA）（BTDC）時的油滴分布

c）BDC時中心平面的氣體流速與油滴疊加圖像

圖7-22 早期的燃燒系統(tǒng)設(shè)計出現(xiàn)的空燃比分層

注：從左到右的時間為100°（CA）（BTDC），60°（CA）（BTDC），20°（CA）（BTDC）。

圖7-23 進(jìn)氣門遮擋面罩設(shè)計改善了油滴分布與空燃比分布

a）BDC時的油滴分布 b）60°（CA）（BTDC）時的油滴分布

c）20°（CA）（BTDC）時的空燃比分布

圖7-24 20°（CA）（BTDC）時的空燃比分布，較淺的活塞凹坑可以改善混合氣均勻性

圖7-26 單次噴射（上圖）與50-50分段噴射（下圖）時油滴分布隨時間的變化

圖7-27 噴油策略對混合氣空燃比分布的影響

a）單次噴射 b）50-50分段噴射

注：20°（CA）（BTDC）；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r·min-1，負(fù)荷為全負(fù)荷。

圖7-28 分段噴射對氣缸壁面濕壁量的影響

圖7-29 兩種活塞凹坑形狀的比較

a）圓形活塞凹坑 b）收縮形活塞凹坑

圖7-30 不同活塞凹坑對混合氣空燃比分布的影響

a）圓形活塞凹坑 b）收縮形活塞凹坑

圖7-34 噴霧角度對燃燒穩(wěn)定性時間窗口的影響

圖7-35 噴霧角度對混合氣空燃比分布的影響

a）60°/0°噴油器 b）70°/5°噴油器

注：上圖噴射終點(diǎn)為67°（CA）（BTDC），下圖噴射終點(diǎn)為77°（CA）（BTDC）。

圖7-36 通過光學(xué)發(fā)動機(jī)獲得的兩種噴油器下的分層混合氣分布（平面激光誘導(dǎo)熒光強(qiáng)度分布）

圖7-37 活塞表面液體燃料沉積與積碳的比較

a）計算的活塞表面液體燃油 b）光學(xué)發(fā)動機(jī)活塞上的積碳

圖7-38 光學(xué)發(fā)動機(jī)圖像序列顯示膨脹過程中來自活塞凹坑的碳煙［13］

注：圖像右側(cè)為排氣門；自左起上下單組圖像對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為33°、43°與63°（CA）（ATDC）。

圖7-39 計算的活塞表面液體燃油量與測得的發(fā)動機(jī)排氣煙度的相關(guān)性

圖7-40 不同參數(shù)對活塞濕壁的影響

a）噴射始點(diǎn) b）噴霧錐角 c）氣體渦流 d）發(fā)動機(jī)負(fù)荷

注：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r·min-1；發(fā)動機(jī)負(fù)荷在a）、b）與c）中為0.262MPa BMEP，在d）中為0.4MPa BMEP。

圖7-41 CFD計算的進(jìn)氣門噴霧碰壁現(xiàn)象

a）70°噴霧噴油器 b）60°噴霧噴油器

圖7-42 CFD預(yù)測的噴霧錐角對氣門濕壁量的影響

圖7-43 光學(xué)發(fā)動機(jī)獲得的火焰圖像

a）70°噴霧噴油器 b）60°噴霧噴油器

圖7-47 CFD預(yù)測的（上圖）與光學(xué)發(fā)動機(jī)PLIF測量的（下圖）活塞凹坑形狀對混合氣分層的影響

圖7-50 顯示VISC概念的CFD圖像

a）噴霧引起的渦旋 b）空燃比等值線與火花塞間隙的位置關(guān)系

圖7-53 不同活塞形狀中以空燃比等值線顯示的混合氣結(jié)構(gòu)的比較

a）穹頂活塞 b）碗形活塞

注：圖中帶有藍(lán)點(diǎn)的十字符號與火花塞的位置相對應(yīng)。

圖7-54 計算的氣缸中心平面上的空燃比分布圖和疊加的噴霧與氣體速度圖

注：左列圖中的噴油器比右列圖中噴油器多伸進(jìn)燃燒室4.0mm；從上至下一二行、三四行與第五行圖的時間順序分別為24°、22°和16°（CA）（BTDC）。

圖7-55 三個不同火花塞位置火花塞間隙處的空燃比變化

圖7-56 20°（CA）（BTDC）時中心平面的空燃比與氣體流速分布

注：左列圖為SCV閥關(guān)閉，右列圖為SCV閥打開。

圖7-57 中心平面的空燃比分布

a）單次噴射 b）分段噴射

注：從上到下的時間順序分別為28°、24°、20°與18°（CA）（BTDC）。

圖7-58 火花塞間隙處的空燃比變化

圖7-60 VISC系統(tǒng)均勻混合氣模式下的混合氣形成過程

圖7-62 高速全負(fù)荷下壁面引導(dǎo)直噴系統(tǒng)（WGDI）與渦旋引導(dǎo)分層燃燒系統(tǒng)（VISC）中的噴霧油滴分布的比較

注：6000r·min-1，WOT。上圖時間為280°（CA）（BTDC），下圖時間為230°（CA）（BTDC）。

圖7-63 渦輪增壓直噴汽油機(jī)開發(fā)中使用CFD模擬評估的噴霧結(jié)構(gòu)示例[5]

圖8-13 高速柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

a）高速柴油機(jī)的幾何形狀 b）螺旋進(jìn)氣道設(shè)計參數(shù)（在圖中標(biāo)記）

圖8-17 預(yù)測的設(shè)計參數(shù)對NO_x與碳煙排放的影響

圖8-26 2000—2018年按地區(qū)分列的全球天然氣汽車數(shù)量[15]

圖8-27 增壓天然氣發(fā)動機(jī)及其在下止點(diǎn)的計算范圍（箭頭指向所使用的坐標(biāo)系中的正向流動）

圖8-28 渦輪增壓天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣行程中在兩個剖切面上的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

注：圖中從上至下的時間順序為-380°、-340°、-320°、-300°、-270°與-240°（CA）（ATDC）。

圖8-29 渦輪增壓天然氣發(fā)動機(jī)壓縮行程中在兩個剖切面上的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

注：圖中從上至下的時間順序為-180°、-120°、-60°與-30°（CA）（ATDC）。

圖8-30 火花點(diǎn)火時的混合氣當(dāng)量比分布

圖8-31 通過使用異步氣門開啟方案改善點(diǎn)火時刻的混合氣混合質(zhì)量

圖8-34 噴油始點(diǎn)變化對計算的放熱率的影響

圖8-36 燃燒相位（CA50）對RCCI與DPI燃燒的燃油消耗影響

圖8-38 不同噴油策略下的氣缸壓力和放熱率

圖8-39 不同噴油策略下的能量平衡

圖8-41 不同燃料的實(shí)測氣缸壓力和表觀放熱率

圖8-42 缸內(nèi)NO_x生成預(yù)測

a）NO_x體積分?jǐn)?shù)的變化 b）計算單元中氣體溫度高于2200K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖8-43 燃用不同燃料時缸內(nèi)氣體溫度的分布

圖8-44 燃用不同燃料時NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布