前言

內燃機是許多裝置的主要動力源，包括汽車、船舶、工程機械、農用機械、通用機械、移動電站等。在交通領域里，當今世界范圍內約有14億輛乘用車和3.8億輛商用車在運行，消耗總石油消耗量的35%。內燃機的污染物和溫室氣體（CO₂）排放對環境產生不利影響，令人非常關注。

在越來越嚴格的政府法規和不斷提升的客戶需求的推動下，減少燃油消耗和污染物排放一直是內燃機科技界和制造廠商的目標。通過在內燃機燃料轉化效率、缸內凈化和尾氣后處理等方面的持續改進和技術創新，在減少內燃機燃油消耗和污染物排放方面已經取得了很大的進展。結果表明，新生產的道路車輛中，法規限制的顆粒物（PM）、氮氧化物（NO_x）、一氧化碳（CO）和未燃碳氫化合物（HC）污染物排放量減少了大約一個數量級。另外，由于過去30年車輛燃油經濟性的改善，新車CO₂排放量下降了約30%。

盡管電動汽車已引起全球關注，但電動汽車的廣泛應用取決于電池安全性、儲能和充電基礎設施，這些仍然是挑戰。在可預見的將來，道路車輛動力的多元化是不可避免的，但內燃機將繼續占據主要份額。內燃機、純電驅動和混合動力將按地理區域、能源可獲得性，以及終端用途劃分市場。隨著汽車動力總成電動化的發展，內燃機將不會滅亡，而將以一種新的形式重生。新生的內燃機將具有熱效率高、近零排放和結構簡單等特點。

近年來，內燃機的復雜性已經大大增加。新技術通常會在帶來好處的同時引入更多的設計和運行變量，從而使得內燃機的優化更加困難。內燃機優化的目標是在可接受的成本范圍內達到多個最佳功能指標，以往的基于試驗的試錯開發方法已經不再起太大的作用，開發和應用內燃機多維數值模擬技術，可以幫助人們實現內燃機的多參數優化目標。

內燃機多維數值模擬是計算流體力學（CFD）在內燃機領域里的延伸，其中增加了適用于內燃機的燃油噴霧、混合氣燃燒和污染物生成等物理模型。這項技術起源于20世紀70年代，隨著計算機性能的大幅提升，目前已經在全球許多頂尖的內燃機和汽車公司中得到了較為廣泛的應用。經過多年的研究和開發，數值模型的可預測性和計算效率有了很大提高，保證了其在內燃機設計和優化中的作用。內燃機數值模擬已經被證明可以有效地幫助開發內燃機新產品，并且可以用于探索更高效、更清潔的燃燒新方式和新技術。

本書介紹內燃機數值模擬及優化的基本理論和最新進展，主要內容分為三個部分。第一部分（第1～3章）介紹汽車發動機和數值模擬的進展和前景，概述點燃式汽油機和壓燃式柴油機的燃燒基本理論以及先進的低溫燃燒概念；介紹內燃機數值模擬中的基本控制方程、數值方法和邊界條件。第二部分（第4～6章）重點描述內燃機中的湍流、噴霧、燃燒和污染物生成現象的物理和化學模型。介紹雷諾平均和大渦模擬的湍流模擬方法和常用湍流模型；描述常用的燃油噴霧破碎霧化模型、液滴動力學模型、蒸發模型和噴霧碰壁模型；介紹不同復雜程度的各種點（著）火和燃燒模型，并給出碳煙和NO_x的生成模型。另外，還將討論燃燒模型在常規柴油壓燃燃燒、火花點燃燃燒以及均質壓燃（HCCI）燃燒中的應用。

本書在最后一部分（第7章和第8章）提供了許多使用數值模擬技術開展內燃機燃燒及設計優化的應用示例。第7章將首先介紹先進的數值模擬引導的內燃機燃燒系統開發方法，著重闡述在缸內燃油直噴汽油機中起關鍵作用的燃油噴霧、混合氣形成和燃油濕壁等過程的數值預測。第8章將介紹柴油機和替代燃料（天然氣和生物柴油）發動機燃燒和排放的數值模擬和優化，分析采用化學活性可控壓燃（RCCI）燃燒方式優化天然氣-柴油雙燃料燃燒的優勢。

本書的目的是反映內燃機數值模擬與優化技術在物理模型和應用方面的重要進展，并為讀者提供一個新的參考書籍。在過去的時間里人們提出了許多數值模型及其變形，而每一個模型都在預測準確性方面或計算效率方面有所進步。但是，一本書是不可能包含所有這些模型的。因此，本書旨在介紹原始的模型或者常用的模型，以及它們背后的物理原理，從而向讀者介紹模型的淵源、基本理論和實用技術。此外，本書提供的應用示例著重于分析對內燃機燃燒和性能有重大影響的關鍵因素和問題。通過這些應用示例展示有效的模擬方法和手段，并提供具有指導意義的結果分析。作者希望這些示例可以幫助讀者更加容易理解和掌握內燃機數值模擬的基本原理和方法，激發讀者探索新思想和新方法的創新靈感，并在學習和工作中提出更好的研究和解決問題的思路和方案。

本書作者在20世紀90年代初在美國威斯康星大學麥迪遜分校發動機研究中心（ERC）攻讀博士學位，并開始進入內燃機數值模擬領域，在內燃機湍流、傳熱、噴霧破碎、噴霧碰壁等方面提出了一些原創性物理模型，并得到了較為廣泛的應用。作者在美國福特汽車公司福特研究實驗室（FRL）工作時，與團隊一起開發了公司內部發動機多維模型MESIM的前期版本，建立了公司內部發動機燃燒CFD前置設計優化的方法，把數值模擬技術應用于直噴汽油機等新型燃燒技術的研究與開發中，并取得了很好的成果。回國后，作者在湖南大學、同濟大學指導研究生，繼續開展內燃機數值模擬方面的理論研究和企業應用推廣工作。本書體現了作者在內燃機數值模擬領域里的研究成果和經驗積累。

作者在威斯康星大學和福特汽車公司的經歷對本書的撰寫十分有益。作者對ERC世界著名內燃機專家Rolf Reitz教授、Chris Rutland教授以及在FRL的同事們表示感謝，與他們合作的許多論文內容都在本書中有所引用。作者的許多研究生也在內燃機數值模擬領域開展了富有成果的研究，他們的部分研究成果也在本書中有所介紹。作者在同濟大學科研團隊的吳振闊博士，王勇工程師，孟碩、馮堅、呂夢楊、李敏清、周昊、孫永正等研究生承擔了許多圖表和文字整理及書稿校核工作；李軍成博士和鄧鵬博士也校讀了本書稿。作者在此表示誠摯的謝意！作者也感謝機械工業出版社對出版本書的大力支持以及孫鵬先生的出色編輯工作。

本書涉及的內容面廣且技術發展迅速，書中難免存在不足和疏漏之處，謹請讀者不惜賜教。

韓志玉

2021年4月于同濟大學