前言

内燃机是许多装置的主要动力源，包括汽车、船舶、工程机械、农用机械、通用机械、移动电站等。在交通领域里，当今世界范围内约有14亿辆乘用车和3.8亿辆商用车在运行，消耗总石油消耗量的35%。内燃机的污染物和温室气体（CO₂）排放对环境产生不利影响，令人非常关注。

在越来越严格的政府法规和不断提升的客户需求的推动下，减少燃油消耗和污染物排放一直是内燃机科技界和制造厂商的目标。通过在内燃机燃料转化效率、缸内净化和尾气后处理等方面的持续改进和技术创新，在减少内燃机燃油消耗和污染物排放方面已经取得了很大的进展。结果表明，新生产的道路车辆中，法规限制的颗粒物（PM）、氮氧化物（NO_x）、一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（HC）污染物排放量减少了大约一个数量级。另外，由于过去30年车辆燃油经济性的改善，新车CO₂排放量下降了约30%。

尽管电动汽车已引起全球关注，但电动汽车的广泛应用取决于电池安全性、储能和充电基础设施，这些仍然是挑战。在可预见的将来，道路车辆动力的多元化是不可避免的，但内燃机将继续占据主要份额。内燃机、纯电驱动和混合动力将按地理区域、能源可获得性，以及终端用途划分市场。随着汽车动力总成电动化的发展，内燃机将不会灭亡，而将以一种新的形式重生。新生的内燃机将具有热效率高、近零排放和结构简单等特点。

近年来，内燃机的复杂性已经大大增加。新技术通常会在带来好处的同时引入更多的设计和运行变量，从而使得内燃机的优化更加困难。内燃机优化的目标是在可接受的成本范围内达到多个最佳功能指标，以往的基于试验的试错开发方法已经不再起太大的作用，开发和应用内燃机多维数值模拟技术，可以帮助人们实现内燃机的多参数优化目标。

内燃机多维数值模拟是计算流体力学（CFD）在内燃机领域里的延伸，其中增加了适用于内燃机的燃油喷雾、混合气燃烧和污染物生成等物理模型。这项技术起源于20世纪70年代，随着计算机性能的大幅提升，目前已经在全球许多顶尖的内燃机和汽车公司中得到了较为广泛的应用。经过多年的研究和开发，数值模型的可预测性和计算效率有了很大提高，保证了其在内燃机设计和优化中的作用。内燃机数值模拟已经被证明可以有效地帮助开发内燃机新产品，并且可以用于探索更高效、更清洁的燃烧新方式和新技术。

本书介绍内燃机数值模拟及优化的基本理论和最新进展，主要内容分为三个部分。第一部分（第1～3章）介绍汽车发动机和数值模拟的进展和前景，概述点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧基本理论以及先进的低温燃烧概念；介绍内燃机数值模拟中的基本控制方程、数值方法和边界条件。第二部分（第4～6章）重点描述内燃机中的湍流、喷雾、燃烧和污染物生成现象的物理和化学模型。介绍雷诺平均和大涡模拟的湍流模拟方法和常用湍流模型；描述常用的燃油喷雾破碎雾化模型、液滴动力学模型、蒸发模型和喷雾碰壁模型；介绍不同复杂程度的各种点（着）火和燃烧模型，并给出碳烟和NO_x的生成模型。另外，还将讨论燃烧模型在常规柴油压燃燃烧、火花点燃燃烧以及均质压燃（HCCI）燃烧中的应用。

本书在最后一部分（第7章和第8章）提供了许多使用数值模拟技术开展内燃机燃烧及设计优化的应用示例。第7章将首先介绍先进的数值模拟引导的内燃机燃烧系统开发方法，着重阐述在缸内燃油直喷汽油机中起关键作用的燃油喷雾、混合气形成和燃油湿壁等过程的数值预测。第8章将介绍柴油机和替代燃料（天然气和生物柴油）发动机燃烧和排放的数值模拟和优化，分析采用化学活性可控压燃（RCCI）燃烧方式优化天然气-柴油双燃料燃烧的优势。

本书的目的是反映内燃机数值模拟与优化技术在物理模型和应用方面的重要进展，并为读者提供一个新的参考书籍。在过去的时间里人们提出了许多数值模型及其变形，而每一个模型都在预测准确性方面或计算效率方面有所进步。但是，一本书是不可能包含所有这些模型的。因此，本书旨在介绍原始的模型或者常用的模型，以及它们背后的物理原理，从而向读者介绍模型的渊源、基本理论和实用技术。此外，本书提供的应用示例着重于分析对内燃机燃烧和性能有重大影响的关键因素和问题。通过这些应用示例展示有效的模拟方法和手段，并提供具有指导意义的结果分析。作者希望这些示例可以帮助读者更加容易理解和掌握内燃机数值模拟的基本原理和方法，激发读者探索新思想和新方法的创新灵感，并在学习和工作中提出更好的研究和解决问题的思路和方案。

本书作者在20世纪90年代初在美国威斯康星大学麦迪逊分校发动机研究中心（ERC）攻读博士学位，并开始进入内燃机数值模拟领域，在内燃机湍流、传热、喷雾破碎、喷雾碰壁等方面提出了一些原创性物理模型，并得到了较为广泛的应用。作者在美国福特汽车公司福特研究实验室（FRL）工作时，与团队一起开发了公司内部发动机多维模型MESIM的前期版本，建立了公司内部发动机燃烧CFD前置设计优化的方法，把数值模拟技术应用于直喷汽油机等新型燃烧技术的研究与开发中，并取得了很好的成果。回国后，作者在湖南大学、同济大学指导研究生，继续开展内燃机数值模拟方面的理论研究和企业应用推广工作。本书体现了作者在内燃机数值模拟领域里的研究成果和经验积累。

作者在威斯康星大学和福特汽车公司的经历对本书的撰写十分有益。作者对ERC世界著名内燃机专家Rolf Reitz教授、Chris Rutland教授以及在FRL的同事们表示感谢，与他们合作的许多论文内容都在本书中有所引用。作者的许多研究生也在内燃机数值模拟领域开展了富有成果的研究，他们的部分研究成果也在本书中有所介绍。作者在同济大学科研团队的吴振阔博士，王勇工程师，孟硕、冯坚、吕梦杨、李敏清、周昊、孙永正等研究生承担了许多图表和文字整理及书稿校核工作；李军成博士和邓鹏博士也校读了本书稿。作者在此表示诚挚的谢意！作者也感谢机械工业出版社对出版本书的大力支持以及孙鹏先生的出色编辑工作。

本书涉及的内容面广且技术发展迅速，书中难免存在不足和疏漏之处，谨请读者不惜赐教。

韩志玉

2021年4月于同济大学