小型高速柴油机长期以来在我国农村经济的发展中发挥着至关重要的作用。随着能源与环保问题日益严峻,非道路用压燃式发动机的排放标准也应运而生。而涡流室式柴油机由于其在排放与噪声方面的优势,在农用机中占有的比重在扩大。尽快开发面向“三农”的经济适用、环保节能的新型柴油机已成为内燃机工作者的迫切任务。本文结合直喷式和涡流燃烧室柴油机的优点,创造性地提出了一种新型的直喷式柴油机涡流室燃烧系统(DISCCS:Direct-Injection Swirl Chamber Combustion System)。即：在直喷式柴油机的活塞上设置涡流燃烧室,活塞中央大凸台导向面与喉口导向面形成涡流室通道,处于通道下方的凹坑成为涡流室。压缩行程中,活塞顶上方产生的挤流由相对狭窄的通道进入涡流室,在其内形成有规律的纵向涡流运动；而喷雾的一部分或全部与燃烧室壁相碰撞,二次雾化后,进入涡流室,与空气快速混合；着火后,涡流室内压力升高,使得燃烧火焰与部分未燃混合气冲出涡流室,在其上部空间与空气再次混合充分燃烧。这样既保持了涡流室柴油机排放低的优点,又因为减少了气缸盖的传热损失,而有较高的热效率。针对所提出的新型燃烧系统,本文开展了如下研究工作：(1)应用三维CFD软件FIRE 2008对不同方案的燃烧室中喷雾分布、混合气形成与燃烧过程进行了数值模拟研究。结果表明：涡流燃烧室中央凸台大小、通道宽度对燃烧和排放有较大影响。气流强度并非越强越好,而是对排放存在最优值。适当的气流强度能改善混合气形成质量,过强的气流会导致混合气分布不均匀。(2)比较了不同孔数油嘴及油嘴伸出缸盖长度对混合气形成及燃烧的影响。在涡流燃烧室中,采用4×0.36×140°油嘴的性能总体要好于6×0.30×140°油嘴。4×0.36×140°油嘴伸出长度为1.8mm的性能要好于伸出长度为2.8mm、3.8mm的油嘴。减少油嘴伸出长度,增加了喷雾扩散范围,使燃烧室内的空气得到充分利用,提高了油气混合质量,从而降低了碳烟排放。(3)在单缸135柴油机上,对直喷式涡流室燃烧系统进行了发动机性能实验。在采用4×0.36×130°油嘴,供油提前角Ofs=8°CA BTDC情况下,在10%-25%、75%-90%负荷工况时,NOx与碳烟排放均低于原机。涡流室燃烧系统出现了较为明显的双峰放热率特征。放热第一率峰值低于原机,燃烧中期,在燃烧涡流及逆挤流作用下,其第二峰值高于原机。(4)为了研究新的燃烧系统在增压下的性能,开发了模拟增压系统。利用螺杆式空压机出来的压缩空气引入进气道,以提高进气密度。在不同增压压力下,采用原机燃烧室与涡流燃烧室进行了性能实验。实验发现,模拟增压可同时降低NOx与碳烟排放,并改善燃油经济性。在压力为1.8bar,采用6×0.3×150°油嘴,θfs=8°A BTDC情况下,原机燃烧室在90%负荷油耗为223.1g/kW·h(降低了16%),此时NOx为219ppm(降低了81%),Soot为0.2BSU(降低了64%)。由于压气机出来的气体温度高于环境温度15°左右,相当于提高了进气温度,从而缩短了滞燃期。(5)废气再循环是一种低成本的降低NOx排放技术。为此开发了并联文丘里管废气再循环系统。利用文丘里管引入废气与增压进气进行混合。采用涡流燃烧室进行了性能实验,结果发现：EGR可以明显降低NOx排放,但会使Soot增加。有EGR时,使滞燃期延长,缸内最高压力的对应曲轴转角后移,并导致放热率第一峰值升高。