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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