随着国Ⅳ柴油机排放标准的全面实施,满足更为严格排放标准的柴油机研发迫在眉睫。本文采用单样本点的国Ⅳ柴油机燃烧排放预测研究和多样本点的燃烧室结构优化研究相结合的方法,实现国Ⅳ柴油机排放性能提升的燃烧室结构优化。使用包含64种组分154步反应的C14H28表征柴油的机理,耦合包含9步反应的详细NOx子模型和包含23步反应的Soot子模型来模拟发动机的燃烧和排放过程。通过在ESC稳态测试循环下的计算值与试验值的对比验证,对模型进行了校核评估。基于单样本点深入对比分析了三种NOx机理,研究了相关基团的浓度变化历程和区域分布对NOx的影响。结果表明,O浓度和O浓度/UHC浓度都是影响NO生成的重要因素。NO2在研究柴油机NOx的排放中不能忽略,满负荷时N02占总NOx的10%以上,低负荷高EGR率时N02占比更高。NO主要生成在高温富氧区域,N02主要生成在NO外围温度较低的区域。H02浓度是N02生成的影响因素之一,H02促进了N02的生成。低负荷高EGR率时N20的排放增高,占NOx的比例增大,N2O主要生成在高温高H02区域。采用近似模型替代复杂单样本点的三维数值模型,开展了基于多样本点的燃烧室结构的多目标优化工作。采用最优拉丁超立方试验设计方法,完成了燃烧室缩口直径、缩口位置、凹坑深度的取值范围内的多样本点的取样,以获得整个设计域内的预测能力。基于所建立的Kriging近似模型,根据工程实际合理设置NOx和Soot排放优化目标,使用AMGA多目标优化算法对燃烧室进行了优化,从所得的Pareto最优解集中选择一组在各工况都能较大程度降低NOx和Soot排放的作为最终解,并对最终解进行了单样本点的三维数值模拟计算。优化方案计算结果与原机的模拟计算结果对比表明,NOx和Soot排放都有不同程度的降低,NOx加权排放降低6.6%,Soot加权排放降低17.9%。优化后改善了柴油机NOx和Soot排放的trade-off关系,提高了柴油机的排放性能。本文采用单样本点的柴油机三种NOx机理的排放预测以及多样本点的燃烧室结构多目标优化相结合的研究方法,对国Ⅳ柴油机排放性能的提升有重要的指导意义。