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作者:Zhao, Hua/ Ladommatos, Nicos

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isbn号码:9780768006650

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• 发动机
• 燃烧
• 仪表
• 诊断
• 内燃机
• 汽油机
• 柴油机
• 排放
• 传感器
• 控制系统

深入解析：现代机械动力系统的热流与燃烧控制 本书旨在为工程师、研究人员以及高级技术学生提供一套全面且深入的知识体系，专注于现代机械动力系统（如内燃机、燃气轮机及先进热力循环系统）中的热流管理、燃烧过程优化与系统诊断技术。本书内容聚焦于如何通过精确测量、先进建模与实时控制，实现动力系统效率的提升、排放的削减以及可靠性的增强。 第一部分：热力学基础与能量转换效率的量化 本部分奠定理解复杂动力系统性能的基础，强调从第一性原理出发对能量流动的精确描述。 第一章：热力学状态方程与动力学系统的能质分析 本章详细阐述了用于描述高压、高温工作环境下流体性质的现代热力学模型，包括了基于P-V-T数据的状态方程（如Peng-Robinson、SRK等）在瞬态工况下的适用性讨论。重点分析了能量损失的来源，区别于理想热力学循环，引入了“有效能”（Exergy）的概念，并据此构建了动力系统能量传递效率的量化框架。内容涵盖了湍流火焰传播过程中化学能向热能、机械能转换的不可逆过程分析。 第二章：传热机理在燃烧室与排气系统中的应用 深入探讨了在极端温度梯度下，热量在固体壁面、工质（燃料-空气混合物）之间的传递机制。内容细致区分了四大传热模式： 对流传热（Convection）： 重点分析了高焓值、高速流体（如燃烧产物和冷却剂）中的边界层效应、湍流增强的传热系数计算，以及壁面热流密度（Heat Flux）的瞬态变化。讨论了用于计算复杂几何形状内流体与壁面换热的有限体积法（FVM）的应用细节。 辐射传热（Radiation）： 针对燃烧产物（CO2, H2O, Soot颗粒）的复杂光谱吸收和发射特性，介绍了基于灰体假设、选择性吸收体模型以及离散坐标法（DOM）进行辐射热通量估算的具体步骤。 热应力与材料性能： 探讨了高热负荷下关键部件（如气缸盖、涡轮叶片）的热疲劳、蠕变及热腐蚀问题，并基于材料的热物理性能变化，分析了临界温度下的结构完整性预测方法。 第二部分：燃烧过程的动力学与化学计量学 本部分将研究的焦点集中于燃料混合、点火、火焰传播以及污染物生成这一核心动力过程。 第三章：燃料雾化、蒸发与混合过程的精细化研究 详细考察了喷射器设计对雾化质量（液滴尺寸分布、Sauter Mean Diameter）的影响。引入了先进的欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法来追踪液滴在空气流场中的运动、破碎与聚并行为。深入分析了不同燃料（如汽油、柴油、天然气及生物燃料）的蒸发速率模型，尤其关注了多组分燃料的非理想蒸发特性及其对预混区形成的滞后效应。 第四章：火焰结构、稳定性和污染物生成途径 本章聚焦于化学反应动力学与流体力学的耦合。内容包括： 化学动力学： 对主流燃料的简化及详细化学反应机理进行回顾，并讨论了在不同当量比和压力条件下，反应速率常数的温度依赖性（Arrhenius方程的局限性）。 湍流火焰模型： 详细解析了用于描述湍流与化学反应相互作用的先进模型，如有限速率化学（Finite-Rate Chemistry）、局域平均反应速率（LFRI）以及卷吸火焰模型（Entrainment Model）。 污染物生成与抑制： 专章讨论了热力型NOx（Zeldovich机理）、燃料型NOx（氮化物前体）、未燃碳氢化合物（UHC）和颗粒物（PM）的形成机理。提出了基于富燃/稀燃控制、选择性催化还原（SCR）预处理阶段的燃烧策略。 第五章：先进点火技术与燃烧模式转换 探讨了超越传统火花塞的点火技术，如高能电容放电（HEI）、激光诱导击穿点火（LII）以及预燃室点火（PCCI/HCCI技术）的工作原理。重点分析了如何通过精确控制点火时间（Timing）来调控压力上升速率（RoPR），从而在稀薄燃烧和均质压燃模式中实现平稳燃烧，并讨论了负压生成与失火（Misfire）的界限。 第三部分：系统性能分析与实时诊断方法学 本部分从实验和数值模拟的角度，介绍了获取系统运行参数的工具和方法，这些工具是实现精确控制的前提。 第六章：燃烧室与流道内的高速压力与温度测量技术 详细介绍了用于捕获瞬态燃烧事件的传感技术： 压力传感器： 讨论了高频压电（Piezoelectric）与光纤压力传感器的频率响应特性、安装校准以及在缸内高压环境下的漂移补偿技术。重点阐述了如何利用快速压力数据进行燃烧相位分析（Combustion Phasing）。 温度测量： 侧重于非接触式或原位（In-situ）测量方法，如基于光谱辐射（Planck’s Law）的烟灰温度估计、基于激光诱导荧光（LIF）的自由基分布测量（尽管本书不深入激光光谱学，但会讨论其原理在诊断中的应用边界）。 第七章：燃烧产物与排放物的原位与台架分析 本章侧重于化学组分的定性和定量分析： 排气分析仪： 对不抽取式（Non-extractive）分析仪（如傅里叶变换红外光谱FTIR、激光吸收光谱TDLAS）的工作原理及其在实时在线监测中的优势进行评估。讨论了在不同湿度和压力下校准标准气体的必要性。 颗粒物表征： 介绍了粒径分布测量方法（如凝聚核/扩散充电法），以及颗粒物化学成分（黑碳/有机碳）的离线分析流程。 第八章：计算流体力学（CFD）建模与实验数据融合 阐述了如何利用商业或自研CFD软件包（如Fluent, Star-CCM+）对整个动力循环进行三维瞬态仿真。本书强调了模型验证与校准的重要性：如何使用章节六和七获取的实验数据（如缸内燃烧压力曲线、特定点的瞬时温度估计）来修正湍流模型（如RANS, LES）、化学机理和传热系数，从而确保数值结果的可靠性，指导下一代发动机的设计优化。 结论：系统集成与未来展望 总结了热流、燃烧与诊断技术三者如何形成一个闭环反馈系统。展望了在极端工况（如超高压缩比、替代燃料应用）下，现有诊断工具所面临的挑战，并指出了利用机器学习方法处理高维瞬态诊断数据的潜力，以实现真正的自适应动力系统控制。

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这本书在“诊断”这个核心概念的理解上，似乎存在着一些时代性的偏差。它将大部分精力投入在了“测量”——即如何获取原始数据（压力、温度、浓度）上，而对“诊断”的精髓——即如何从这些看似矛盾的原始数据中提炼出燃烧机理的缺陷或潜力，着墨甚少。比如，当你在测试一个新喷油器时，可能会同时得到高压力和较低的CO排放，这到底意味着燃烧室混合更均匀了，还是仅仅因为喷油脉宽的改变导致了局部富油区的消失？这本书没有提供一个结构化的决策树或分析框架来帮助读者区分这些复杂的耦合效应。它似乎默认读者已经具备了深厚的燃烧学背景，能够自行解释数据背后的物理意义。对于那些需要通过快速诊断来指导设计迭代的工程师而言，这种对“解释”而非“获取”的忽视，使得这本书的实用价值大打折扣，它告诉你工具是什么，但没告诉你如何用工具来破解谜题。

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这本关于内燃机燃烧测量的书，说实话，我刚拿到手的时候，是抱着很高的期望的。毕竟，在发动机性能和排放控制日益受到关注的今天，精准的诊断手段是研发人员不可或缺的工具。然而，当我翻开前几页时，我发现它在理论深度上显得有些保守了。它花了大量的篇幅来介绍一些基础的传感器原理，比如热电偶的响应时间、压力传感器的漂移问题，这些内容在任何一本基础的机械工程教材里都能找到，对于一个已经有了几年工作经验的工程师来说，这些简直是浪费时间。我更希望看到的是关于新型非接触式测量技术（比如激光诱导荧光，LIF）在复杂燃烧室几何结构中的应用挑战，或者是在超高压、高稀释度工况下如何保证数据采集的可靠性和实时性。书中对数据后处理和不确定度分析的讨论也仅仅停留在皮毛，对于如何区分信号噪声和真正的燃烧瞬态波动，缺乏深入的探讨和实用的案例分析。整体感觉像是上世纪九十年代的教材，更新速度远远跟不上现在内燃机技术突飞猛进的步伐，对于想解决实际工程难题的人来说，可能帮助有限，更像是一本面向本科生的入门指南，而非面向前沿研究的参考手册。

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我对这本书最深刻的印象是其在实验方法论上的那种“百科全书式”的广度，而非“钻井式”的深度。它试图涵盖从火花点火到均质充量压燃（HCCI），再到先进的稀薄燃烧技术的所有可能测量场景。例如，关于气流测量部分，它罗列了皮托管、文丘里管、热线风速仪等多种方法，并分别给出了它们各自的适用范围和局限性。这种详尽的罗列，对于一个刚开始搭建实验台的初学者来说，无疑是一份非常全面的清单，可以避免他们走很多弯路。但问题在于，当涉及到跨学科的复杂交叉点时，比如如何在激光光学诊断中同时实现温度和组分的同时测量，书中只是轻描淡写地提了一下，并没有给出任何关于信号耦合、交叉干扰补偿的实操步骤或公式推导。这就好比一个导航系统只告诉你‘前方有路’，却没告诉你具体的路况和红绿灯的周期。因此，如果你的目的是想快速建立一个基本的诊断流程，这本书或许能提供一个起点；但若想精进到解决那些让你的实验结果“不漂亮”的疑难杂症，这本书提供的帮助就显得捉襟见肘了。

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从排版和图示的角度来看，这本书的质量实在令人不敢恭维。许多核心的诊断流程图，例如火焰传播路径的采集系统布置，看起来像是用早期的CAD软件绘制的，线条粗糙，标注混乱，专业术语的缩写解释也常常分散在不同的章节，查找起来极其费劲。更要命的是，很多关键的公式推导，特别是涉及瞬态热传导和气动声学效应的修正部分，直接跳过了中间步骤，直接给出了最终结果。这对于我们这些需要向同行解释数据可靠性的人来说，是一个巨大的障碍。我必须花费大量时间去反推作者的假设前提，才能确定这些公式是否适用于我的特定工况——比如，在高频振动的柴油机上，忽略活塞运动引起的边界层干扰是否合理？这本书显然没有提供这种针对性的思考框架。它给读者的感觉更像是一份内部技术报告的汇编，缺乏专业出版物应有的严谨性和逻辑清晰的叙述结构，阅读体验非常不流畅，简直是对时间和精力的双重折磨。

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我必须承认，书中关于高频压力波动的处理章节，提供了一些相对前沿的视角，虽然不多，但算是一个亮点。它提及了如何使用小波分析来分离燃烧引起的脉动和机械噪音，这在当前的快速响应发动机测试中是至关重要的。然而，这个亮点被大量的、关于传统电阻应变片式压力传感器的冗长介绍给淹没了，仿佛作者在努力地想凑齐不同类型传感器的介绍数量。特别是对电荷放大器和滤波器的选择部分，讨论得过于繁琐，而且推荐的滤波器的截止频率设置也显得非常保守，这在现代高转速发动机测试中很容易造成对真实燃烧事件的“平滑化”处理。如果说这本书有什么价值，那可能是作为一个历史参考，让我看到早期的实验者是如何艰难地克服信号处理的挑战。但对于追求极致时间分辨率的当代研究者来说，这本书的建议就像是用算盘来解决微积分问题，虽然也能算出个大概，但效率和精度都远远无法令人满意，让人不禁感叹技术进步的巨大鸿沟。

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