图1-6 柴油机的碳烟生成

图1-7 某直喷汽油机早期设计方案中碳烟排放根本原因的诊断确定

a）数值模拟结果 b）光学发动机图像

图2-5 PFI汽油机喷油过程的数值模拟的示意图（以透明、剖切结构的方式显示）

a）闭阀喷射，喷射开始于膨胀行程 b）开阀喷射，喷射开始于进气行程

图2-6 壁面引导式分层混合气直喷汽油机燃烧系统示意图

图2-7 壁面引导式直喷汽油机分层混合气的形成过程

a）燃油喷雾 b）空燃比分布 c）气体流场分布

注：图中自上而下时序分别为上止点前55°、45°、35°与25°（CA）；发动机运行工况为1500r·min-1，0.262MPa BMEP。

图2-8 VISC直喷汽油机燃烧系统示意图

图2-9 喷雾引导式直喷汽油机分层混合气的形成过程

a）空燃比分布 b）叠加的喷雾与气体流速分布

注：图中至上而下的时序分别为上止点前24°、22°与16°（CA）；发动机运行工况为1500r·min-1，0.262MPa BMEP。

图2-12 分层混合气直喷汽油机运行工况示意图

图2-14 柴油机中由自然火焰发光显示的自燃和火焰现象的时间序列图像［29］（喷油器位置由图中细小白点表示）

图2-15 柴油机燃烧的概念图［30］

图2-17 高速摄像获取的HCCI燃烧时间序列图像［39］

注：图中时序自左边起分别为上止点前5.2°、6.8°、8.4°、10.0°、11.6°、13.2°、14.8°与16.4°（CA）。

图2-18 高速摄像获取的燃烧时间序列图像［41］

注：第一行为常规柴油压燃燃烧（CDCI），第二行为预混压燃燃烧（PCCI）；图像旁的数字表示对应的曲轴转角（ATDC）。

图2-20 进气道汽油喷射量对RCCI燃烧相位的影响［49］

图2-21 RCCI发动机性能随负荷的变化［51］

注：图中横实线表示美国环境保护署2010年对货车NO_x和碳烟排放的限值。

图3-1 天然气喷射发动机数值计算结果

a）滚流比与涡流比 b）总当量比 c）质量平均湍动能

图4-3 用带状流线展示的滚流结构

图4-4 柴油机燃油喷射对气体湍动能和湍流脉动速度的影响［9］

图4-14 二维平均气流速度等值线和矢量场（左图）和湍流速度等值线（右图）［59］

注：（a）PIV，（b）LES全域，（c）LES部分域，（d）RANS（k-ε）全域，（e）RANS（k-ε）部分域，（f）RANS（RNGk-ε）全域，（g）RANS（RNGk-ε）部分域。结果位于两进气门间的中心面，时间为进气行程100°（CA）。

图4-16 计算的4个循环气流速度显示出的循环变动［82］

注：结果位于两进气门间的中心面，时间为进气行程125°（CA）。

图4-17 早期喷油低温燃烧的实测着火化学发光图像与模型预测气体温度场比较［79］

图4-18 燃烧参数的关联性［84］

a）燃烧峰值压力与主燃烧期角度位置（MFB50）的相关性

b）燃烧峰值压力与火焰发展期角度位置（MFB10）的相关性

注：图中S0与S1为不同的火花塞电极方向，S2代表火花塞电极不同的位置。

图4-19 分层混合气直喷汽油机中计算的（左图）和测量的（右图）瞬时燃油蒸气当量比比较［85］

注：结果位于离火花塞3mm的垂直平面上，时间为上止点前15°（CA）。

图5-3 喷雾中物理过程的示意图

图5-21 点燃式发动机中喷雾碰壁的模式

方形符号—Nukiyama点 圆形符号—Leidenfrost点 实心符号—庚烷 空心符号—汽油

注：图中符号表示实验数据。

图5-25 测量的液滴尺寸分布与模型拟合的比较

图5-28 计算与实测的次级液滴尺寸比较

图5-31 油膜前端长度随时间变化

图5-32 沿碰撞方向的油膜厚度分布

图5-33 沿垂直于碰撞方向的油膜厚度分布

图6-6 不同曲轴转角下的缸内温度等温线［28］

注：点火时刻为-30°（CA）（ATDC）；图中黑色实线表示火焰前锋的位置。

图6-7 预测的组分质量分数［28］

注：图像时间为-6°（CA）（ATDC），点火时刻为-30°（CA）（ATDC）。

图6-9 HCCI发动机计算结果与试验结果比较［65］

a）案例S1的缸内压力和放热率 b）案例S1与D1的放热率和缸内平均温度

图6-12 异辛烷的着火滞燃期

实线—详细机理 空心符号—SA99机理 实心符号—激波管数据

图6-13 预测的癸酸甲酯的着火滞燃期与详细机理和试验数据的比较

图6-17 喷射始点和EGR率对发动机NO_x和碳烟排放的影响［104］

图7-1 先进的模拟引导的燃烧系统设计方法

图7-2 单缸光学发动机

图7-8 多孔喷嘴产生的喷雾

a）试验图像 b）计算图像

图7-11 直喷汽油机早期喷射过程的喷雾米氏散射图像和计算图像

注：每个图像上的数字表示了对应的曲轴转角（BTDC）。

图7-12 直喷汽油机早期喷射的喷雾贯穿距

图7-13 直喷汽油机晚期喷射过程的喷雾米氏散射图像和计算图像

注：每个图像上的数字表示对应的曲轴转角（BTDC）。

图7-15 计算的喷雾与气体相对速度矢量场

a）发动机转速为1500r·min-1，图像时间为56°（CA）（BTDC）

b）发动机转速为3000r·min-1，图像时间为50°（CA）（BTDC）

图7-21 直喷汽油机全速满负荷时进气流动对燃油液滴分布的影响

a）BDC时的油滴分布 b）60°（CA）（BTDC）时的油滴分布

c）BDC时中心平面的气体流速与油滴叠加图像

图7-22 早期的燃烧系统设计出现的空燃比分层

注：从左到右的时间为100°（CA）（BTDC），60°（CA）（BTDC），20°（CA）（BTDC）。

图7-23 进气门遮挡面罩设计改善了油滴分布与空燃比分布

a）BDC时的油滴分布 b）60°（CA）（BTDC）时的油滴分布

c）20°（CA）（BTDC）时的空燃比分布

图7-24 20°（CA）（BTDC）时的空燃比分布，较浅的活塞凹坑可以改善混合气均匀性

图7-26 单次喷射（上图）与50-50分段喷射（下图）时油滴分布随时间的变化

图7-27 喷油策略对混合气空燃比分布的影响

a）单次喷射 b）50-50分段喷射

注：20°（CA）（BTDC）；发动机转速为1500r·min-1，负荷为全负荷。

图7-28 分段喷射对气缸壁面湿壁量的影响

图7-29 两种活塞凹坑形状的比较

a）圆形活塞凹坑 b）收缩形活塞凹坑

图7-30 不同活塞凹坑对混合气空燃比分布的影响

a）圆形活塞凹坑 b）收缩形活塞凹坑

图7-34 喷雾角度对燃烧稳定性时间窗口的影响

图7-35 喷雾角度对混合气空燃比分布的影响

a）60°/0°喷油器 b）70°/5°喷油器

注：上图喷射终点为67°（CA）（BTDC），下图喷射终点为77°（CA）（BTDC）。

图7-36 通过光学发动机获得的两种喷油器下的分层混合气分布（平面激光诱导荧光强度分布）

图7-37 活塞表面液体燃料沉积与积碳的比较

a）计算的活塞表面液体燃油 b）光学发动机活塞上的积碳

图7-38 光学发动机图像序列显示膨胀过程中来自活塞凹坑的碳烟［13］

注：图像右侧为排气门；自左起上下单组图像对应的曲轴转角分别为33°、43°与63°（CA）（ATDC）。

图7-39 计算的活塞表面液体燃油量与测得的发动机排气烟度的相关性

图7-40 不同参数对活塞湿壁的影响

a）喷射始点 b）喷雾锥角 c）气体涡流 d）发动机负荷

注：发动机转速为1500r·min-1；发动机负荷在a）、b）与c）中为0.262MPa BMEP，在d）中为0.4MPa BMEP。

图7-41 CFD计算的进气门喷雾碰壁现象

a）70°喷雾喷油器 b）60°喷雾喷油器

图7-42 CFD预测的喷雾锥角对气门湿壁量的影响

图7-43 光学发动机获得的火焰图像

a）70°喷雾喷油器 b）60°喷雾喷油器

图7-47 CFD预测的（上图）与光学发动机PLIF测量的（下图）活塞凹坑形状对混合气分层的影响

图7-50 显示VISC概念的CFD图像

a）喷雾引起的涡旋 b）空燃比等值线与火花塞间隙的位置关系

图7-53 不同活塞形状中以空燃比等值线显示的混合气结构的比较

a）穹顶活塞 b）碗形活塞

注：图中带有蓝点的十字符号与火花塞的位置相对应。

图7-54 计算的气缸中心平面上的空燃比分布图和叠加的喷雾与气体速度图

注：左列图中的喷油器比右列图中喷油器多伸进燃烧室4.0mm；从上至下一二行、三四行与第五行图的时间顺序分别为24°、22°和16°（CA）（BTDC）。

图7-55 三个不同火花塞位置火花塞间隙处的空燃比变化

图7-56 20°（CA）（BTDC）时中心平面的空燃比与气体流速分布

注：左列图为SCV阀关闭，右列图为SCV阀打开。

图7-57 中心平面的空燃比分布

a）单次喷射 b）分段喷射

注：从上到下的时间顺序分别为28°、24°、20°与18°（CA）（BTDC）。

图7-58 火花塞间隙处的空燃比变化

图7-60 VISC系统均匀混合气模式下的混合气形成过程

图7-62 高速全负荷下壁面引导直喷系统（WGDI）与涡旋引导分层燃烧系统（VISC）中的喷雾油滴分布的比较

注：6000r·min-1，WOT。上图时间为280°（CA）（BTDC），下图时间为230°（CA）（BTDC）。

图7-63 涡轮增压直喷汽油机开发中使用CFD模拟评估的喷雾结构示例[5]

图8-13 高速柴油机燃烧系统结构图

a）高速柴油机的几何形状 b）螺旋进气道设计参数（在图中标记）

图8-17 预测的设计参数对NO_x与碳烟排放的影响

图8-26 2000—2018年按地区分列的全球天然气汽车数量[15]

图8-27 增压天然气发动机及其在下止点的计算范围（箭头指向所使用的坐标系中的正向流动）

图8-28 涡轮增压天然气发动机进气行程中在两个剖切面上的燃料质量分数分布

注：图中从上至下的时间顺序为-380°、-340°、-320°、-300°、-270°与-240°（CA）（ATDC）。

图8-29 涡轮增压天然气发动机压缩行程中在两个剖切面上的燃料质量分数分布

注：图中从上至下的时间顺序为-180°、-120°、-60°与-30°（CA）（ATDC）。

图8-30 火花点火时的混合气当量比分布

图8-31 通过使用异步气门开启方案改善点火时刻的混合气混合质量

图8-34 喷油始点变化对计算的放热率的影响

图8-36 燃烧相位（CA50）对RCCI与DPI燃烧的燃油消耗影响

图8-38 不同喷油策略下的气缸压力和放热率

图8-39 不同喷油策略下的能量平衡

图8-41 不同燃料的实测气缸压力和表观放热率

图8-42 缸内NO_x生成预测

a）NO_x体积分数的变化 b）计算单元中气体温度高于2200K的质量分数的变化

图8-43 燃用不同燃料时缸内气体温度的分布

图8-44 燃用不同燃料时NO_x质量分数的分布