天然气作为世界上继煤和石油之后的第三大能源，以其资源丰富、价格低廉及排放污染低的突出优点被认为是很有发展前途的发动机代用燃料。本著作主要以开发一款应用于城市公交客车的低排放中重型车用单一燃料天然气发动机为例，通过理论分析、数值计算与试验研究相结合的手段，对天然气发动机系统优化设计进行详细的研究分析。全书共分7章，内容包括天然气物性介绍及天然气发动机分类、数值计算模型及计算方法、燃烧室优化设计、配气机构的改进设计、进气道优化设计以及稀燃点燃式天然气发动机的案例分析。
本书可供高等院校机械、能源及动力等专业的本科生、研究生，相关领域研究人员和工程技术人员阅读和参考。

第1章 绪论 / 1
　1.1 天然气在能源结构中的地位和物化特性 2
　　1.1.1 天然气在能源结构中的地位 2
　　1.1.2 天然气的物化特性 2
　1.2 天然气发动机的发展历程及前景 4
　　1.2.1 天然气发动机的发展历程 4
　　1.2.2 天然气发动机的发展前景 5
　1.3 天然气发动机国内外研究状况 6
　　1.3.1 压缩天然气发动机的分类 6
　　1.3.2 两用燃料天然气发动机 7
　　1.3.3 双燃料天然气发动机 8
　　1.3.4 单燃料天然气发动机 10
　　1.3.5 天然气发动机稀燃技术 19
　1.4 CFD在发动机研究中的应用 24
　　1.4.1 应用于内燃机工作过程的多维数值模拟软件 25
　　1.4.2 内燃机燃烧过程数值模拟研究 26
　　1.4.3 内燃机进气过程多维数值模拟研究 27

第2章 数值计算模型、计算方法与网格生成 / 30
　2.1 湍流流动模型 31
　　2.1.1 流动控制方程 31
　　2.1.2 流动控制方程的时均化 32
　　2.1.3 湍流模型 34
　2.2 化学反应动力学机理及燃烧模型 36
　　2.2.1 化学反应动力学机理及天然气的化学反应动力学过程 36
　　2.2.2 涡破碎模型 38
　　2.2.3 涡耗散模型 38
　　2.2.4 特征时间模型 39
　　2.2.5 概率密度函数方法 39
　　2.2.6 湍流火焰速度封闭模型 40
　　2.2.7 相干火焰模型 40
　2.3 排放模型 41
　　2.3.1 氮氧化物的生成机理 41
　　2.3.2 影响氮氧化物生成的主要因素 42
　2.4 数值计算方法 43
　　2.4.1 有限容积法 43
　　2.4.2 任意拉格朗日法 44
　2.5 网格生成 45
　　2.5.1 网格类型 45
　　2.5.2 网格生成过程与网格划分的要求 46

第3章 燃烧室优化设计及案例分析 / 47
　3.1 燃烧室设计条件 47
　　3.1.1 原型发动机的主要参数 47
　　3.1.2 新开发天然气发动机的目标及要求 48
　3.2 燃烧室结构优化设计 48
　　3.2.1 几何模型的建立 49
　　3.2.2 计算模型与计算网格的划分 49
　　3.2.3 计算对象结构参数及运行参数 50
　　3.2.4 模型可行性验证 51
　　3.2.5 天然气发动机的火花点火及火焰传播过程 52
　　3.2.6 燃烧室形状对燃烧过程的影响 54
　　3.2.7 火花塞位置对燃烧过程影响的数值计算 63
　3.3 优化后燃烧室的试验验证及分析 67
　　3.3.1 试验装置与试验方法 67
　　3.3.2 不同燃烧室形状的燃烧特性分析 68

第4章 配气机构的改进设计及案例分析 / 71
　4.1 配气机构设计原则及方法 71
　4.2 配气相位及凸轮型线的设计 72
　　4.2.1 配气相位的设计 72
　　4.2.2 凸轮型线的设计 72
　4.3 配气机构设计方案的评价及选择 75
　　4.3.1 一维计算模型的建立 76
　　4.3.2 计算模型验证 76
　　4.3.3 不同计算方案的评价及选择分析 76
　4.4 配气机构对燃烧过程的影响研究 79
　　4.4.1 燃烧特性分析 81
　　4.4.2 排放分析 87

第5章 进气道的优化设计及案例分析 / 91
　5.1 进气道的流通特性及相关参数 91
　　5.1.1 进气道的流通特性评价参数 91
　　5.1.2 进气道调整结构参数的确定 92
　5.2 原机进气道CFD分析研究 93
　　5.2.1 几何建模 94
　　5.2.2 网格生成 94
　　5.2.3 计算模型与边界设置 95
　　5.2.4 计算结果及分析 96
　5.3 不同气道形状CAD设计及CFD计算 101
　　5.3.1 不同气道形状的设计 101
　　5.3.2 不同气道形状的稳态计算结果及分析 102
　5.4 气道形状对缸内气体流动与燃烧过程影响的研究 107
　　5.4.1 计算模型及边界条件 107
　　5.4.2 气道形状对进气和燃烧过程影响的研究 108
　5.5 安装不同缸盖时的外特性试验研究 118

第6章 优化设计案例：稀燃点燃式天然气发动机 / 121
　6.1 空燃比与点火系统控制研究 121
　　6.1.1 火花点火发动机控制系统的工作原理 121
　　6.1.2 空气流量的计算与控制 121
　　6.1.3 燃料流量的计算与控制 122
　　6.1.4 空燃比控制分类 123
　　6.1.5 空燃比控制的实施 124
　　6.1.6 点火控制策略的研究与设计 125
　　6.1.7 点燃式天然气发动机的控制系统 126
　6.2 运行参数对稀燃天然气发动机性能的影响 127
　　6.2.1 点火提前角和过量空气系数对燃烧过程的影响 127
　　6.2.2 点火提前角和过量空气系数对排温的影响 133
　　6.2.3 点火提前角与过量空气系数对发动机动力性、经济性和排放的影响 134
　6.3 发动机的ETC试验 136
　　6.3.1 排放法规 136
　　6.3.2 试验原理 137
　　6.3.3 试验方法及过程 137
　　6.3.4 试验结果 138

第7章 总结及展望 / 141
　7.1 本书的主要工作 141
　7.2 工作展望 143

参考文献 / 144