Ford公司针对整个皮卡和轻型商用车市场设计开发了一款新型柴油机,即6.7 L Power Stroke~(?)V8涡轮增压柴油机,产品代号“Scorpion”。新型柴油机燃烧系统的设计包括活塞燃烧室、涡流水平、喷嘴喷孔数、燃油喷射角度、喷嘴尖端突出量、喷嘴液压流量、喷孔锥度等。尽管这些参数都可以通过广泛的硬件测试得以确定,但仍利用三维计算流体动力学(CFD)研究方法快速筛选出2个活塞燃烧室方案,并评估其对其他参数的敏感性。为2个最有开发潜力的活塞燃烧室方案构建了单缸发动机,以对其余的燃烧系统参数进行优化。用一维CFD模型设置三维CFD在进气门关闭时的边界条件,后者被用于仿真的封闭循环部分。选择发动机测功器认证的关键工况C100,评估这些参数的每种组合在气缸内有限可用氧的利用好坏。开发了一种分数因子设计试验(DoE)方法,用于评估每个燃烧室方案的3种形状参数、2种涡流水平,以及3种燃油喷射角度。基于多目标优化,选定2种燃烧室形状,力求尽可能减少燃油耗,以及氮氧化物和碳烟排放。采用DoE方法可评估对其他参数变化的敏感性,这对于考虑生产中各种变化的可靠性是非常重要的。用三维CFD得出的混合结构分析结果证明,它有助于解释某些趋势。每个活塞燃烧室都被布置在单缸发动机机体中,并准备了具有2种不同涡流水平的气缸盖。制造了1套喷油器,用于改变喷油器喷孔数、燃油喷射角度、液压流量和喷孔锥度。对于每个喷油器,采用不同厚度的铜垫圈来微调喷嘴突出量。对于每个硬件的组合,在4种不同工况下(C100、A100、A25、发动机转速1 500 r/min且平均有效压力0.3 MPa)进行了废气再循环的扫气分析,以全面评估排放和燃油经济性。对于发动机测功器认证的排放达标,2个较高的负荷点是关键的;而对于典型的行驶燃油经济性和底盘测功器认证的排放达标,2个较低的负荷点则是关键的。废气再循环扫气分析证明,它们非常有助于确定新型6.7 L Power Stroke V8涡轮增压柴油机燃烧系统的参数选择。电热塞被选定为主要的冷起动辅助装置。为了找到可以提高冷起动能力、气缸盖强度和电热塞耐久性的最佳位置,进行了CFD研究。在多缸发动机上,对建议的位置和插入深度进行了测试,以验证其功能,并为确定最终的电热塞位置提供数据。生产时采用的位置在气门鼻梁区以外,既最大限度地提高了雾化燃油与电热塞的互相作用,又最大限度地降低了液滴对电热塞的碰撞。