1.1研究目的及意义

随着环保问题的不断加剧，在国家大力提倡低碳节能减排、发展绿色循环经济的背景下，各行业节能减排已经刻不容缓，内燃机节能与环保技术是全面落实科学发展观、实现可持续发展的国家战略，同样也是交通运输企业发展的需要^[1,2]。

柴油发动机早期只是应用在农业机械、拖拉机等领域，我国在1990年前后，由于柴油发动机油耗低、可靠性高、寿命长、扭矩大、环保好等特点，逐步用它替代商用车上的汽油机。尤其是重型柴油机，从2000年开始进入快速增长期，2010年产销超过100万台，2017年、2018年更是超过110万台^[3]。而面对日益严峻的能源危机问题，对于重型柴油机而言，研究其放热规律，寻找提高热效率的途径是一件十分重要的事情。

当前对于内燃机的工作主要是有两种方法，一种是试验的方法；一种是数值模拟的方法。试验法主要是利用测试技术在测试台架上面进行试验研究，以此作为理论研究的基础。但是试验法需要耗费巨大的人力物力，而且得到的结果不够深入,随着计算机技术在各个学科的应用，使得用计算机对内燃机的工作过程进行数值模拟已经成为可能^[4][5]。柴油机的工作过程是一个复杂的热力学过程 ,描述其工作过程的模型有零维、准维和多维模型。

其中零维模型把整个气缸作为一个均匀场处理,又称单区模型,这种模型不依赖流动模型和喷雾模型,认为缸内充量的压力和温度在缸内均匀分布,而且不随空间变化,它只随时间即曲轴转角位置变化^[6]。它以热力学的质量平衡和能量平衡关系作为全部计算的基础,是一种用经验公式或曲线拟合的方法。零维模型的计算量最小 ,在发动机性能评估、产品设计、参数调整等多方面都有广泛应用 ,其精度也达到了可用的水平。特别是在过渡工况的模拟方面,零维模型的计算量更适合这一工作^[7，8]。

在燃烧模拟方面，借助计算机的优势，国内外近年来进行了很多研究，并取得一定的成果。

1.2国外研究现状

国外对于内燃机的研究起步比较早，早在在19世纪中期，有人就开始用数学模型去分析和研究内燃机的工作过程，并把它用作指导内燃机设计和优化的手段。而到了19世纪末20世纪初期，一系列燃烧模型仿真分析代码也应用于内燃机燃烧过程模拟，尤其以燃烧率分析模型最为代表，这个模型很好地用在模拟研究均质火花点燃式的内燃机；D.R.Lancaster等人在燃烧率分析模型的基础上，考虑了球形火焰面的几何因子，使得上述模型更进一步^[9]；此后，R.Schneider等人应用涡流破碎模型和涡耗散概念模型对燃烧过程进行了数值模拟进行对比研究，并得出后者好于前者；2002年，I.Celik等人通过对燃烧模型进行多分区处理，以此进行内燃机敲缸预测性研究，提供了防爆震的相关理论基础^[10]。

有很多的学者寻求通过以内燃机工作过程的数值模拟以流体力学、传热学、燃烧学等多个学科作为理论基础，以计算机作为工具，将试验研究和数值计算融合在了一起。它不受实验环境及实验条件等其他因素的影响，开创了理论指导试验及设计的新方法，成为研究内燃机工作过程的新工具^[11]。Lars Eriksson 和 Martin Sivertsson通过软件建立燃烧模型，并通过在状态上添加复杂的约束，扩展了寻找最佳热释放剖面的方法。最优控制软件，为模型寻找最优燃烧轨迹，从而可以在提高内燃机燃烧效率方面提供思路^[12]。Reza Rezaei等人基于零维模型对缸内直喷的柴油机燃烧和散热率进行探究^[13]。Darko Kozarac等人基于改进的多区燃烧模型和准维燃烧模型，对优化过程进行数值模拟，通过与实验数据的对比验证了该模型的有效性，并在此基础上面，改变注入参数，寻找最优解^[14]。AhmedF.Khan等人采用整体建模的方法，提出一种结合化学动力学的准维模型，对以汽油Wie燃料的涡轮增压小型SI发动机进行了燃烧、循环变化和爆震倾向的预测^[15]。

1.3国内研究现状