20 世纪 70 年代之后，随着内燃机数值模拟技术以及计算机技术的不断提高，采用以计 算机数值模拟为基础对发动机进行数学建模和仿真分析的方法来进行发动机研究[2]。对真实 存在的物体进行合适的简化或者高度的概括，但是要以不失其物理特征为前提条件，这一行 为我们称之为仿真[3]。计算机仿真技术是通过借助计算机技术来构建研究对象的模型，同时 在一定的测验前提下对模型进行实验的一门综合性技术，其内容涵盖了数学，物理等多种科 目的理论基础概念。计算机仿真技术最开始运用在航空，航天等领域，随着技术的不断完善， 现如今它在各个领域的研究和发展中有所运用[4]。此次本课题中我们需要对发动机建立热力 学模型以及动力学模型，并进行仿真分析等任务，通过对发动机进行计算机仿真技术，可以 大大缩小发动机的开发周期，同时我们也可以节省大量的人力和财力资源，在后期的试验研 究中，发动机仿真的结果也可以为我们提供一定的依据[5]，我们将模拟和实验研究相结合起 来，这样才是更高效和更准确的方法。

1.1.2 国内外研究状况

人类对于发动机工作过程的模拟仿真已经拥有上百年的历史了，最早要追溯十九世纪末 期，英国科学家克拉克在发动机燃烧热方面有所发现，他借用气体标准循环分析的方式对各 种发动机的热效率进行了对照；在那之后，德国科学家迪塞尔研究得出了大量相异的循环模 型[6]。发动机工作进程的数值模拟技术也随着时间的推移不断创新，现如今发动机的工作过 程的模拟和仿真也是呈现出多种多样的模型种类，包括发动机热力学模型，一维模型以及三

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维模型等，我们先对这些不同的建模种类进行了解。

（1）发动机零维模型 零维模型也就是我们常说的热力学模型，亦叫做单区模型[7]。发动机的零维模型是通过

对大量可燃物燃烧放热过程的数学统计并找出其内在的规律，之后再利用线性拟合以及经验 公式等方法最终构建成一个经验关系式，通过这个关系式可以将燃烧放热过程中缸内热能变 化或压力变化的参数关系联系起来，这样原本复杂的燃烧过程由几个简单的特征参数关系来 表示[8]，变得更加简练。零维模型最大的优点就是当我们需要用它对发动机进行模拟分析时， 我们只需要对常微分方程求解即可，这下大大减小了运算量，更加方便。然而，当我们想要 对发动机的排放物形成进行分析时，只是利用零维模型是远远不够的[9]。所以，零维模型的 应用有一定的局限性。

（2）发动机一维模型 发动机的一维仿真技术在我们对发动机进行开发工作的各个不同阶段都有所应用。在最

起初的概念设计阶段，因为缺乏一些相关试验的数据，我们不得不去作出一些假设，在这个 阶段中，一维仿真可以帮助我们清楚的看到新的设计概念的效果和进行不同方案的比较，不 会对模型的有效性形成不良后果[10]。当我们进行到对发动机组件设计阶段时，我们利用一维 仿真技术可以对发动机配气正时以及进排气管道进行一定的优化。所以发动机的一维仿真还 是有着重要的地位的，合理的运用可以大大的降低对于发动机测试的要求，同时也极大的缩 短了开发经费和周期，其缺点是所搭建模型的精确度对于一维仿真有一定的限度[7]。

(3)发动机三维模型 近些年来，由于计算机技术的不停的改革创新，计算机三维模型在各个行业的研究中都

有所应用。三维模型所显示出来的物体既可以是实体也可以是虚拟的物体，自然界中所存在 的物体绝大部分都能够借助三维模型来表现出来[7]。当我们对发动机进行开发研究时，利用 计算机三维仿真，我们不仅可以更加方便的进行零件个体，部件转配等工序的建模，还可以 了解到发动机缸内流动的细节，这是因为在三维模型中它所含的守恒方程可以通过和描述化 学反应，湍流运动等相应的子模型一起，在适当的边界条件下通过数值的方法来求解。该计 算出来的结果非常直观，我们通过对这些数值的观察可以得到发动机工作过程中气流的温度， 速度等细节信息[11]。三维模型和零维模型以及一维模型相比，显得更加精确细致。