内燃机原理 工作原理、数值模拟与测量技术 下PDF电子书下载

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