为应对日趋严格的油耗和碳排放法规,进一步提高柴油机热效率对于减少石油消耗和降低CO2排放有重要意义。柴油机运行工况对其综合能耗有重要影响。探究通过柴油机燃烧系统优化匹配提高热效率并根据柴油机应用场景要求,使柴油机最低油耗区落入使用频率最高的工况区间,对于降低发动机生产成本和降低柴油机使用油耗有重要实用价值。首先搭建了基于GT-Power和CONVERGE的重型柴油机仿真模型,并采用一维仿真计算研究了压缩比和空气系统对发动机最低油耗工况的影响规律,进而提出了满足发动机不同应用场景需求的燃烧系统优化匹配方案。研究结果表明:通过合理匹配增压器和燃烧室可实现柴油机最低油耗区间的定向移动和与目标工况区间的优化匹配;在原机配置基础上,采用压缩比19.5燃烧室结合较小涡轮当量流通截面积增压器,可使最低油耗区向低转速中小负荷工况移动,低转速中负荷油耗改善3.1%;采用压缩比18.5燃烧室结合增压器优化匹配,可使最低油耗区向中转速中高负荷工况移动,中转速中负荷油耗改善1.6%;在高转速大负荷工况,通过提高最大爆发压力,采用压缩比22.5燃烧室结合较大涡轮当量流通截面增压器,可显著改善高转速大负荷油耗。在此基础上,基于三维仿真计算探究了通过燃烧室结构和喷油系统参数优化进一步提高柴油机热效率的技术方案。研究结果表明:燃烧室结构影响混合气空间分布,对燃烧室结构进行优化可提高燃烧定容度和热效率;通过减小凹坑半径及凹坑深度提高压缩比可减少缸内过稀区,提高燃烧定容度;随着燃烧室凹坑边缘直径增大,进入燃烧室顶部挤流区的燃油增多,热效率先升高后降低;随着喉口直径减小,燃油到达壁面的距离缩短,挤流区当量比增大,油耗先降低后升高;同时,喷孔锥角也是影响混合气分布的重要因素,随着喷孔锥角的增大,燃油碰壁位置逐渐上移,进入挤流区燃油增多;当进入挤流区燃油过少时,可通过增大凹坑边缘直径、减小喉口直径及增大喷孔锥角改善混合气分布,提高热效率;综合采用凹坑边缘直径为97mm、喉口直径为69mm的燃烧室方案以及144°的喷孔锥角,结合增压系统优化,发动机热效率相比原机可提高3.3%。综上,本文系统研究了通过燃烧系统优化实现最低油耗区定向移动和提高发动机热效率的潜力,并提出了相应的优化方案。研究工作对于高热效率柴油机燃烧系统开发和实现柴油机高效工况与应用场景的协同匹配具有重要的指导意义和工程应用价值。