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直喷式柴油机燃油喷雾以及缸内混合气形成质量是决定其性能的主要方面之一。本文以双层分流燃烧系统为基础,对直喷式柴油机缸内混合气形成及分布进行研究,设计了一种改进型柴油机双层分流燃烧室结构。该燃烧室结构充分利用了喷雾碰撞理论以及燃油空间雾化原理,在与燃油喷射压力、油嘴伸出高度和喷油正时的匹配优化下,实现喷雾油束在燃烧室中的双层分流,并使混合气在整个燃烧室空间的分布更加均匀,从而改善了柴油机的燃烧过程及排放性能,使整机性能有所提高。主要进行了以下几个方面的研究工作:(1)详细分析了直喷式柴油机双层分流燃烧系统在结构设计中主要参数的设计原则与计算方法。基于喷雾碰撞理论和燃油空间雾化原理,提出了三种尺寸不同的新型双层分流燃烧室结构,通过直喷式柴油机燃烧室内的碰撞台将燃油喷雾分为上下两层,利用弧面和导向面的剥离作用避免在壁面碰撞点附近形成燃油堆积,使油气能够更好更快速地混合;(2)利用三维CFD软件AVL FIRE v2008对这三种新型双层分流燃烧室方案进行柴油机工作过程数值模拟,分析不同燃烧室结构中缸内混合气的形成、流动以及分布。结果表明,新型燃烧室结构有效改善了混合气形成质量,提高了缸内空气利用率以及混合气燃烧效果;(3)比较了不同喷孔锥角、油嘴伸出高度及喷孔数与新型双层分流燃烧室结构的匹配效果及其对缸内混合气形成质量的影响。在双层分流燃烧室中,采用8×0.16×145°喷油嘴比6×0.18×145°喷油嘴的混合气分布更为均匀。8×0.16×145°的油嘴在伸出高度1.8mm时的性能总体要好于伸出高度为1.0mm、1.4mm的油嘴,伸出高度较大的油嘴可使喷雾与碰撞台的碰撞范围增大,因而燃烧室内空气利用率增加,提高了混合气质量,进而使碳烟排放降低;(4)对三种燃烧室方案与喷油正时变化的喷油策略进行了比较分析。结果表明,喷油提前角为11°CA时柴油机的综合性能最佳。