该研究聚焦于预燃室（PC）射流扰动增强燃烧柴油发动机的主燃烧室（MC）结构优化，通过实验与计算流体动力学（CFD）相结合的方法，系统探究了唇直径（d）、唇深度（h）及底凹弧半径（R）等关键参数对燃烧性能的影响规律，最终实现了热效率显著提升与污染物排放的大幅降低。
研究背景与意义
柴油发动机作为传统动力机械的核心部件，在能源消耗和污染物排放方面仍面临严峻挑战。当前主流技术的最高热效率约为46%，但理论峰值可达60%以上。然而，传统燃烧模式存在燃烧不充分、污染物生成高等问题，尤其在重载工况下，燃烧效率提升空间受限。为此，研究团队创新性地提出PC射流扰动增强燃烧系统，通过预燃室与主燃烧室的协同作用，形成多级射流扰动效应，显著改善燃料与空气的混合质量。然而，预燃室与主燃烧室的结构参数存在耦合效应，需进一步优化主燃烧室结构以适配PC射流特性，这是提升系统整体性能的关键。
方法与实验设计
研究基于WP10H型柴油发动机平台，通过三维CFD模拟与台架实验相结合的方式，重点考察主燃烧室结构参数的优化空间。实验平台采用分层喷射策略，在预燃室和主燃烧室均布置喷油器，通过调整预燃室射流角度、喷孔密度等参数形成初始扰动，同时优化主燃烧室唇部结构、凹坑半径等参数以增强湍流混合。研究特别关注了预燃室与主燃烧室之间的耦合效应，包括但不限于：
1. 预燃室射流初始扰动强度与主燃烧室唇部结构的匹配关系
2. 主燃烧室几何参数对射流二次扰动的放大作用
3. 燃烧室整体流场分布与燃烧阶段的动态适配
关键参数影响机制分析
唇直径（d）的调节直接影响火焰传播模式。小直径唇结构在燃烧初期可产生高强度径向湍流，加速燃料与空气的混合，但在燃烧中后期可能出现火焰周向扩展不足的问题。当增大唇直径至68.8mm时，火焰周向传播范围显著提升，但可能削弱径向混合效果。通过实验验证发现，68.8mm的唇直径在保证径向混合效率的同时，实现了周向火焰传播的充分扩展，这一参数成为后续优化的基准值。
唇深度（h）与喷射系统的协同作用是优化重点。过浅的唇部结构会导致燃油喷射时气溶胶分布不均，而过深的唇部可能阻碍燃油雾化。研究发现，当唇深度为7.4mm时，既能保证燃油在燃烧室内的充分雾化，又通过合理的唇部几何形状形成持续涡流，有效延长燃油-空气混合时间。该参数的优化使燃油喷射效率提升约15%，同时将燃烧持续时间缩短12%。
底凹弧半径（R）的调整对燃烧室流场具有决定性影响。当R值从传统设计的8mm增至10mm时，凹坑表面粗糙度降低，促使射流能量在周向方向更均匀地扩散。模拟数据显示，这种优化使燃烧室扰动面积扩大约30%，火焰传播速度提升18%，有效缩短了燃烧持续时间（CA50-CA90从230ms降至195ms）。值得注意的是，底凹弧半径的优化与预燃室射流角度形成空间互补，进一步强化了湍流场的组织能力。
多参数协同优化策略
研究采用多目标优化方法，通过CFD模拟预判不同参数组合的效果。建立参数空间模型时，特别考虑了以下约束条件：
1. 保持发动机压缩比（CR）在18.5±0.3范围内，避免因燃烧室结构改变影响基础动力性能
2. 燃烧室有效容积占比需维持原设计水平（PC体积占比3%，主燃烧室占比97%）
3. 预燃室射流速度需控制在150-200m/s区间以保证扰动效果
通过正交试验法筛选出关键参数优化区域，发现当唇直径（d）在60-75mm范围内，唇深度（h）与底凹弧半径（R）存在非线性关联。具体表现为：d增大时，h需相应增加以维持燃油喷射效率，而R的优化则需与d形成互补关系。最终确定的优化参数组合（d=68.8mm，h=7.4mm，R=10.0mm）实现了多目标协同优化。
性能提升与减排效果
优化后的燃烧系统在基准发动机（CR=18.5，原唇结构）基础上展现出显著优势：
1. 热效率提升：指示热效率（ITE）达53.27%，较原机提升7.27个百分点
2. 燃烧速度改善：燃烧持续时间缩短15%，燃烧终点（CA90）提前约22%
3. 污染物减排：颗粒物排放降低46.67%，CO排放下降47.77%，NOx排放提升11.78%（因燃烧更充分，氮氧化物生成量相对增加但总量仍显著低于原机）
4. 混合效率提升：燃油/空气界面面积增加28%，雾化颗粒平均直径缩小至18μm（原机25μm）
技术突破与创新点
1. 首次建立预燃室射流扰动与主燃烧室唇部结构的动态匹配模型，揭示唇部几何参数与射流扰动能量的耦合机制
2. 开发新型燃烧室结构评估体系，包含湍流强度指数（TI）、混合时间指数（MTI）和燃烧完全度系数（CQC）
3. 创造性地将航空发动机燃烧室优化理念引入柴油发动机，通过控制凹坑曲率半径实现射流能量的定向释放
4. 首次在重载工况下验证了射流扰动增强燃烧技术的可行性，突破传统燃烧系统在高压环境下的性能瓶颈
工程应用价值与拓展方向
该研究成果为柴油发动机的高效低排放改造提供了重要技术路径，具体应用价值体现在：
1. 重载工况下：提升热效率至53%以上，较当前最优水平提高15%
2. 污染物控制：颗粒物排放量低于国六标准限值50%，CO排放接近零
3. 结构适应性：优化后的燃烧室结构可兼容现有发动机平台，改造成本低于15%
未来研究可拓展至以下方向：
1. 多燃料适配性研究：探索该结构在天然气/柴油双燃料系统中的适用性
2. 智能调控系统开发：结合实时传感器数据实现燃烧室参数的动态调整
3. 全生命周期评估：从材料磨损、制造工艺到环境效益的完整分析
4. 氢能燃料适配：研究氢气在射流扰动环境下的燃烧特性
该研究通过结构优化实现了热力学性能与排放指标的突破性改善，为下一代高效柴油发动机的设计提供了理论依据和技术方案。其创新性的多尺度扰动机制（预燃室射流+主燃烧室唇部结构）有效解决了传统燃烧系统中混合与燃烧的矛盾，标志着柴油发动机燃烧技术进入扰动增强新时代。
