第1章 绪论 1
1.1 课题的背景与意义 1
1.1.1 HSDI柴油机雾化特性的研究意义 1
1.1.2 HSDI柴油机排放特性的研究意义 2
1.1.3 HSDI柴油机工作过程多维模型研究意义 2
1.2 HSDI柴油机雾化特性的研究概况 3
1.2.1 高压涡流喷油器内部流动 3
1.2.2 射流的流体动力学行为 5
1.2.3 射流蒸发过程 7
1.2.4 射流碰壁过程 8
1.3 HSDI柴油机排放特性的研究进展 10
1.3.1 喷射策略与NOx和微粒排放 12
1.3.2 EGR和增压与NOx和微粒排放 15
1.3.3 同时减少NOx和微粒 17
1.4 HSDI柴油机工作过程多维模型现状 20
1.4.1 复杂空间三维动态网格生成技术 20
1.4.2 缸内流体动力学研究的多维模型 21
1.4.3 基于CFD的缸内雾化特性的多维模型 23
1.4.4 基于CFD的燃烧和排放特性的多维模型 25
1.5 课题来源与选题目的 26
1.6 本课题拟解决的关键问题 26
1.7 本课题的主要工作 27
第2章 HSDI柴油机缸内复杂空间动态网格算法研究 29
2.1 本章引言 29
2.2 数值算法 31
2.2.1 算法基础 31
2.2.2 缸内动态网格算法 32
2.2.3 气缸截面网格算法 34
2.2.4 斜置气门顶面和底面运动区升程方向网格算法 36
2.2.5 节点漂移算法 38
2.3 结果与讨论 40
2.4 本章小结 43
第3章 基于多维模型的HSDI柴油机雾化研究 44
3.1 本章引言 44
3.2 雾化模型与公式 46
3.2.1 燃油在喷嘴孔内的流动模型 46
3.2.2 KH模型 47
3.2.3 Taylor类比破碎模型 48
3.2.4 油滴蒸发模型 49
3.2.5 射流碰壁模型 49
3.3 数值计算 50
3.4 结果与讨论 51
3.4.1 物理参数对于未燃油质量的影响 51
3.4.2 空燃比对于混和气分布的影响 57
3.4.3 转速对于混和气分布的影响 61
3.4.4 进气温度对于混和气分布的影响 64
3.5 本章小结 67
第4章 HSDI柴油机缸内行为瞬态多维建模与验证 69
4.1 本章引言 69
4.2 多维模型与算法 72
4.2.1 多维模型体系结构 72
4.2.2 模型与公式 73
4.2.3 数值算法 78
4.3 实验与仿真 81
4.3.1 实验设置 81
4.3.2 实验方案 83
4.3.3 仿真方案 83
4.4 结果与讨论 84
4.5 本章小结 87
第5章 基于多维模型的HSDI柴油机排放研究 89
5.1 本章引言 89
5.2 排放模型与公式 91
5.2.1 Surovikin碳烟生成模型 91
5.2.2 Nagle碳烟氧化模型 93
5.2.3 Zel'dovich氮氧化物生成模型 94
5.3 数值计算 95
5.4 结果与讨论 95
5.4.1 空燃比对NOx和SOOT生成和氧化的影响 95
5.4.2 转速对NOx和SOOT生成和氧化的影响 99
5.4.3 进气温度对NOx和SOOT生成和氧化的影响 105
5.5 本章小结 110
第6章 柴油机多维模型CAE/CAD集成化技术研究 111
6.1 本章引言 111
6.2 数值算法 112
6.2.1 正轴测图的投影变换矩阵 112
6.2.2 正轴测图的消影算法 113
6.2.3 缸内性能等值线算法 115
6.2.4 基于CAE/CAD集成的数据提取与传递方法 116
6.3 结果与讨论 118
6.3.1 无限图形文件与有限图形文件生成 118
6.3.2 ICFD-CN后处理可视化模块的程序结构 119
6.3.3 HSDI柴油机缸内性能等值线图和网格消影图 120
6.4 本章小结 121
结论与展望 123
参考文献 125
致谢 139
附录A 公开发表的相关学术论文目录 141
附录B 内燃机缸内行为仿真平台（ICFD-CN）可视化模块代码 143
图1.1 重载车发动机排放法规 11
图1.2 NOx和PM优化的柴油机排放指标 12
图2.1 活塞、气门运动示意图 31
图2.2 减少网格算法示意图 33
图2.3 气缸截面网格生成示意图 35
图2.4 气门斜置时减少网格算法示意图 37
图2.5 排气门运动平面动态网格分区 38
图2.6 Z向漂移算法示意图 39
图2.7 X向漂移算法示意图 39
图2.8 XZ漂移算法示意图 39
图2.9 HSDI柴油机y=0.0cm平面缸内动态网格图 40
图2.10 HSDI柴油机3D网格消影图 41
图2.11 y=0.0cm平面带垂直气门缸内动态网格图 41
图2.12 带垂直气门缸内三维动态消影网格图 42
图2.13 y=1.95cm平面带斜置气门缸内动态网格图 42
图3.1 喷嘴孔内流动 46
图3.2 射流破裂KH模型 47
图3.3 油滴破裂的变形量判据 49
图3.4 不同空燃比时未燃油量与喷油量的比较 51
图3.5 C类工况下缸内喷射过程模拟图 52
图3.6 C类工况下燃油喷射速率曲线 53
图3.7 C类工况下缸内流场分布矢量图 54
图3.8 不同转速时未燃油量与喷油量的比较 55
图3.9 不同进气温度时未燃油量与喷油量的比较 56
图3.10 3种空燃比时点火区燃油质量比较 57
图3.11 C类工况下等价率分布等值线图 58
图3.12 C类工况下燃油质量分数分布等值线图 59
图3.13 3种空燃比时浓混和气区燃油质量比较 60
图3.14 4种转速时点火区燃油质量比较 61
图3.15 4种转速时浓混和气区燃油质量比较 63
图3.16 3种进气温度时点火区燃油质量比较 64
图3.17 3种进气温度时浓混和气区燃油质量比较 66
图4.1 多维模型ICFD-CN体系结构 72
图4.2 多维模型ICFD-CN程序结构 73
图4.3 实验设置示意图 81
图4.4 全流稀释系统 82
图4.5 缸内压力计算值与测量值的比较 84
图4.6 缸内放热率计算值与测量值的比较 85
图4.7 缸内NOx-SOOT曲线计算值与测量值的比较 86
图4.8 缸内NOx-BSFC曲线计算值与测量值的比较 87
图5.1 Surovikin模型碳烟生成过程示意图 91
图5.2 不同空燃比对应的SOOT-NOx曲线 96
图5.3 C类工况下不同时刻NOx质量分数分布等值线图 97
图5.4 不同空燃比时SOOT生成历程的变化 98
图5.5 C类工况下不同时刻缸内温度分布等值线图 99
图5.6 C类工况下SOOT质量分数分布等值线图（平均喷射角为62.5°） 100
图5.7 C类工况下SOOT质量分数分布等值线图（平均喷射角为125°） 100
图5.8 不同空燃比时缸内温度的变化 101
图5.9 不同转速对应的SOOT-NOx曲线 102
图5.10 不同转速时SOOT生成历程的变化 103
图5.11 不同转速时缸内温度的变化 105
图5.12 不同进气温度对应的SOOT-NOx曲线 106
图5.13 不同进气温度时SOOT生成历程的变化 108
图5.14 不同进气温度时缸内温度的变化 109
图6.1 射线R与网格相交于p1和p2点 114
图6.2 基于CAE/CAD集成的数据提取与传递的逻辑结构图 117
图6.3 图形文件生成的两种模式比较 119
图6.4 仿真平台可视化模块结构 120
图6.5 三维动态网格消影图 121
图6.6 y=0.0cm平面内射流分布和等价率等值线图 121
表3.1 HSDI柴油机雾化和排放特性数值研究方案 50
表4.1 发动机参数 82
表4.2 实验方案 83
表4.3 初始条件和边界条件 83
表5.1 Nagle碳烟氧化模型反应率系数 93
表5.2 反应率系数计算常数 94
表6.1 多维模型的计算结果数据库内容 116