第1章 绪论
内燃机（Internal Combustion Engine，ICE）在我们的社会中必不可少。在过去的20年里，混合动力和纯电动汽车开始占据乘用车市场份额。在此期间，汽车发动机取得了巨大的进步。但是，日益严格的法规要求内燃机在未来数年里实现更高水平的燃油经济性和更低的CO2排放。例如，中国汽车工程学会在《节能与新能源汽车技术路线图2.0》[1]中提出到2035年，常规乘用车（由燃油发动机或混合动力驱动）的新车平均油耗达到4L/100km（WLTC工况），载货汽车油耗较2019年降低10%～20%，客车油耗较2019年降低20%～25%。这无疑给内燃机科技界和汽车工业带来巨大挑战。
内燃机中的流动、燃烧和污染物排放生成现象极为复杂，且尚未完全了解。内燃机各个子系统之间存在复杂的相互作用。为实现具有成本效益的可靠耐久的功能指标（燃油经济性、动力性、排放性和噪声振动性能等），需要优化内燃机的多个设计参数。而内燃机燃烧的创新和持续改进仍将是内燃机研究的关键主题。
基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的内燃机数值模拟（也称为多维燃烧模拟）求解任意运动边界几何形状系统中燃油喷雾与多组分流体相互作用的瞬态流体力学守恒方程，而在这些相互作用的过程中将发生油气混合、着火、化学反应和放热等现象，并受到湍流和壁面传热的影响。内燃机数值模拟可以通过优化算法帮助人们优化内燃机的设计和运行参数[2]，也可以成为燃烧新概念研发的关键手段[3，4]。此外，实践证明，数值模拟引导的设计方法可以在短时间内有效地提供优化的产品设计，以满足多个性能目标的要求[5-7]。这一新技术已成为内燃机研究和开发必不可少的工具。受益于日益增强的计算机能力，在样机（或样件）制作之前首先通过数值模拟优化内燃机设计参数和性能指标，将成为内燃机新产品开发的方向。发动机标定的很大一部分工作也将通过计算机模拟来完成。
在以下各节中将总结过去30年中汽车发动机的技术进展；展望汽车发动机燃烧技术的发展趋势和研究需求；也将阐述内燃机数值模拟的作用。另外，还将简要介绍内燃机多维数值模拟技术的发展历史。