随着石油资源的不断枯竭,如何进一步优化柴油机燃烧过程,提高柴油机动力输出,改善燃油利用率,降低柴油机燃油消耗成为人们关注的重点。燃油分段喷射技术的出现,为改善柴油机排放提供了很好的途径,大量研究表明,燃油分段喷射能够有效控制柴油机NOx和颗粒物的排放,因此国内外科研人员专门针对燃油分段喷射展开了大量的研究,然而,燃油分段喷射方式对柴油机动力性能的影响研究却较少。因此,本文主要从改善柴油机动力性能为出发点,深入研究分段喷射与涡流匹配对柴油机油气混合、燃烧放热过程的影响,进一步挖掘分段喷射在强化柴油机燃烧过程、改善柴油机动力性能的潜力。首先,搭建了高压共轨燃油喷射试验系统,进行了喷油特性实验研究,并在1132Z单缸柴油机上实现了燃油分段喷射。随后,在1132Z单缸柴油机上,研究了预喷比例、主预喷间隔的改变对柴油机工作过程的影响,同时研究了缸内涡流对分段喷射方式下柴油机性能的影响。研究表明,分段喷射方式能够较传统的燃油单次喷射改善柴油机动力性能,降低燃油消耗率;涡流的加入,加速了主喷阶段燃烧放热速率,能够进一步提高燃油分段喷射方式下的柴油机动力性。其次,在1132Z单缸台架上利用内窥镜高速摄影技术对柴油机燃油分段喷射方式下缸内燃烧过程进行了试验研究。主要完成了1132Z单缸机可视化的改造,燃油单次喷射与燃油分段喷射方式下缸内燃烧过程的同步拍摄,涡流对燃油分段喷射方式下燃烧过程的影响,并利用双色法对缸内温度场和KL因子进行了计算和分析。研究表明,燃油分段喷射能够缩短燃烧持续期,降低碳烟排放,同时探明了涡流对燃油分段喷射方式燃烧放热过程的影响机制。第三,建立了柴油机喷雾燃烧模型并进行了模型的校核和验证。为了提高燃油分段喷射柴油机工作过程仿真计算精度,提出了提高柴油机喷雾过程仿真计算精度的方法,即利用模拟发动机喷油时刻缸内状态下的自由射流实验结果对燃油喷射过程中喷雾破碎模型、蒸发模型参数进行标定,使喷雾的液相和气相燃油分布更符合实际喷雾过程。随后,研究了ECFM-3Z等燃烧模型应用于柴油机分段喷射燃烧过程的适用性,并对分段喷射不同工况进行了参数标定,最终提高了柴油机燃油分段喷射燃烧过程仿真计算精度。第四,利用标定好的计算模型,对柴油机燃油分段喷射过程中主预喷间隔、预喷比例、涡流比的改变对燃油分布、混合气形成和发展、燃烧过程特点进行了分析和比较,探明了燃油分段喷射较传统单次喷射提高柴油机动力性能的机理,并以仿真计算结果为依据,提出了喷孔数、燃油分段喷射过程中预喷持续期、主预喷间隔与缸内涡流强度的匹配关系式。研究表明,合理的分段喷射参数与进气涡流匹配,即较小的预喷油量和主预喷间隔情况下,适当的涡流强度可以使主喷燃油既能利用预喷燃油燃烧形成的热氛围,又能不受其束缚,加速混合和燃烧放热,提高空气利用率,提高燃烧放热的等容度,因此可以提高柴油机动力性和热效率,降低燃油消耗率。