第1章 緒論

內燃機（Internal Combustion Engine，ICE）在我們的社會中必不可少。在過去的20年里，混合動力和純電動汽車開始占據乘用車市場份額。在此期間，汽車發動機取得了巨大的進步。但是，日益嚴格的法規要求內燃機在未來數年里實現更高水平的燃油經濟性和更低的CO₂排放。例如，中國汽車工程學會在《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》[1]中提出到2035年，常規乘用車（由燃油發動機或混合動力驅動）的新車平均油耗達到4L/100km（WLTC工況），載貨汽車油耗較2019年降低10%～20%，客車油耗較2019年降低20%～25%。這無疑給內燃機科技界和汽車工業帶來巨大挑戰。

內燃機中的流動、燃燒和污染物排放生成現象極為復雜，且尚未完全了解。內燃機各個子系統之間存在復雜的相互作用。為實現具有成本效益的可靠耐久的功能指標（燃油經濟性、動力性、排放性和噪聲振動性能等），需要優化內燃機的多個設計參數。而內燃機燃燒的創新和持續改進仍將是內燃機研究的關鍵主題。

基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的內燃機數值模擬（也稱為多維燃燒模擬）求解任意運動邊界幾何形狀系統中燃油噴霧與多組分流體相互作用的瞬態流體力學守恒方程，而在這些相互作用的過程中將發生油氣混合、著火、化學反應和放熱等現象，并受到湍流和壁面傳熱的影響。內燃機數值模擬可以通過優化算法幫助人們優化內燃機的設計和運行參數[2]，也可以成為燃燒新概念研發的關鍵手段[3，4]。此外，實踐證明，數值模擬引導的設計方法可以在短時間內有效地提供優化的產品設計，以滿足多個性能目標的要求[5-7]。這一新技術已成為內燃機研究和開發必不可少的工具。受益于日益增強的計算機能力，在樣機（或樣件）制作之前首先通過數值模擬優化內燃機設計參數和性能指標，將成為內燃機新產品開發的方向。發動機標定的很大一部分工作也將通過計算機模擬來完成。

在以下各節中將總結過去30年中汽車發動機的技術進展；展望汽車發動機燃燒技術的發展趨勢和研究需求；也將闡述內燃機數值模擬的作用。另外，還將簡要介紹內燃機多維數值模擬技術的發展歷史。