利用CFD 仿真软件，对燃油供给系统、燃烧室结构及进气涡流进行多参数协同优化匹配，改善燃烧过程，减少污染物排放。
2.1 燃油供给系统优化
　　利用AVL-HYDSIM 软件为工具，建立样机燃油系统的液力过程仿真计算模型。图1、2 中给出了原机仿真结果，可以看出，原机的燃油系统其泵端和嘴端压力仅为40 和50 MPa 左右，喷油持续期也较长（达10.6°CA），喷油速率偏低，这些都会影响喷油雾化质量，对燃烧过程组织及排放达标不利。针对原机的不足，利用仿真模型，从喷油泵柱塞直径、油泵凸轮升程、高压油管直径、喷油器类型等参数入手，通过分析研究喷油系统参数对液力过程的影响，对燃料供给系统参数进行匹配优化，来提高喷油压力，优化喷油规律，改善燃油雾化性能[8-10]。

1）加大喷油泵柱塞直径，用柱塞直径为10 mm 的DP 型喷油泵取代原机9 mm 柱塞直径的AD 型喷油泵，有效增大了泵端压力及供油速率。
2）增大喷油泵凸轮升程，优化凸轮型线，油泵凸轮升程由原机的8 mm 升程增加至10 mm，凸轮改为“切线+函数过渡段”型凸轮，提高平均喷油速率，有效缩短了供油持续期。
3）对喷油泵的出油阀的减压容积进行的优化，避免出现二次喷射。
4）适当缩小高压油管内径，将原机使用的Φ2.0 mm内径高压油管换成Φ1.8 mm 内径油管，进一步增加系统液力刚性。
5）原机使用的是S 型5 孔0.29 mm 孔径喷油器（记为S529），喷雾锥角为76°，现改用液力研磨的低惯量小压力室P 型喷油器，较常用的S 系列喷油器运动件质量减小了一半以上，针阀的响应速度更快，而其下部的
盛油槽容积也随之减少，降低了因针阀上升引起泵吸作用产生的喷油压力损失，从而改善了喷油液力过程，提高了喷油雾化质量。同时，根据喷油压力及循环供油量，优化喷油器的流量范围，由原来的1.9 L/min 左右减小至1.7 L/min 左右，并将针阀开启提高至24 MPa。为此设计了如下3 种方案：5 孔0.23 mm 孔径P 型喷油器（记为P523）、P521、P619，喷雾锥角选择74°、76°、78°3 种方案，进行优化匹配。
6）为了减小NOx 排放，供油提前角由原机的22°CA减小为9°～11°CA。较大幅度的推迟供油必然会对冷起动带来困难，因此选择使用柱塞上带起动加浓槽的喷油泵，以保证冷起动性能。
    通过以上措施，以P523 型喷油器为例，从优化前后油管压力及喷油规律对比可见（如图1、2），优化方案不仅提高了喷油压力（增大34.6%）及供油速率（提高20%），而且缩短了喷油持续期（缩短22%），有利于改善燃油在燃烧室内的雾化混合，为提升柴油机的燃烧与
排放性能提供了条件。

　　2.2 燃烧室结构优化
　　现代柴油机燃烧室发展趋势是采用缩口燃烧室，加强燃烧室中央底部凸起，利用燃烧室形状改变燃烧室内的气流运动特性，在燃烧室中产生较强烈的挤流与逆挤流运动，并可增大燃烧室的涡流保持率，以改善混合气
的燃烧过程，降低柴油机烟度。将原机直口燃烧室改为缩口ω 燃烧室[11]，燃烧室参数基本方案设计如图3 所示。
1）缩口率δ=Φ1/Φ2=0.85～0.92（Φ1 燃烧室最小直径，
Φ2 燃烧室最大直径）
2）H=12～15 mm（H 燃烧室最大高度）
3）h=8～10 mm（h 凸台定点到燃烧室上端面的高度）
4）β=130°～140°（β凸台张口角度）
由此设计了缩口率分别为0.88 和0.92 的2 种燃烧室结构。

　　2.3 进气涡流优化
　　对于混合气形成和扩散燃烧过程来说，在上止点位置空气运动的涡流强度是一个决定性的参数[12-13]。经气道试验台测试，原机螺旋气道的涡流比达到了3.9，在提高燃油系统的喷射压力后，原机的涡流比与之不相适应，为此在保证合适的流量系数同时对进气道进行改进设计，适当降低涡流比[14]，设计了进气涡流比分别为2.5和2.75 两种进气道。
　　2.4 燃烧系统多参数匹配设计
　　提高喷油压力、优化喷油规律及喷油器参数等能改善燃油的雾化性能，采用缩口ω 型燃烧室及优化涡流比可达到油气均匀混合的目的，但是柴油机要实现清洁高效燃烧的目标，燃油系统、燃烧室、空气运动等各种特性参数的协同优化匹配是关键[15-16]。
　　利用AVL-fire 三维模拟软件为主要工具对燃烧系统参数进行协同匹配优化。首先用ProE 建立气道、燃烧室及气缸的三维物理仿真模型，接着利用Hypermesh 对模型进行网格划分。Fire 模拟计算所需的喷油规律、初始缸内温度、压力等边界值由Hydism 及Boost 模拟结果所得。
　　通过标定工况下的原机缸内压力模拟值与试验值对比来对模型进行标定，见图4。可以看出模拟值与试验值基本一致，缸压值误差均在3%以内，说明模型的计算精度较好，较为准确地反映了柴油机燃烧过程，可以用来进行燃烧系统参数匹配优化与设计工作[17]。

　　对燃烧系统参数进行虚拟优化匹配，包括喷油器参数、喷雾锥角、涡流比及燃烧室缩口率，优化匹配方案见表2。模拟计算结果以原机方案排放值为基准，其余值与其相比，取百分数。优化过程如下：首先，保持燃烧室缩口率和喷雾锥角不变（缩口率为0.88，喷雾锥角为76°），对喷油器参数及进气涡流比进行匹配优化，仿真结果如图5，从中可见，P521 型喷油器配合2.5 进气涡流比此方案排放改善效果最佳，标定工况下NOx 值降低52%，PM值降低62%；最大扭矩工况下NOx 值降低56%，PM 值降低84%，可以满足NOx 和PM 排放全面降低的要求。
　　其次，燃烧室缩口率改为0.92，喷雾锥角保持76°不变，对各参数进行匹配，结果表明选择P521 型喷油器，进气涡流比为2.75 时，其综合排放性能最优，标定工况下NOx 值降低47%，PM 值降低68%；最大扭矩工况下NOx 值降低53%，PM 值降低77%。

　　从图5 和图6 中可以发现，在喷油量及流通截面总面积基本相等情况下，随着喷孔数增加，喷孔直径减小，喷雾油粒的直径越小，雾化效果越好，因此缸内燃烧充分迅速，燃烧温度较高，NOx 排放随之增加，PM 排放量则呈下降趋势。
　　最后，研究喷雾锥角对排放性能的影响。表3 为2种优选方案其排放性能随喷雾锥角变化的关系，结果显示，随着喷锥锥角的增大，NOx 排放值在提高，PM 排放水平降低，由此，确定喷雾锥角均为74°。

　　根据模拟计算结果选择了两组较优方案（见表4）进行排放测试试验，试验结果如图7 所示。与模拟计算结果基本相似，方案一的NOx 与PM 值都较方案二低，因此选择方案一的参数作为最终优化方案。