提高重型柴油机效率,降低CO₂排放是国际内燃机界在当下,甚至未来相当长的一段时间内,所面临的主要挑战。从热力循环的角度上讲,压缩比对内燃机热效率的影响十分明显,提高压缩比可以显著提高内燃机的热效率。然而,在高压缩比条件下,内燃机缸内的油气混合、燃烧、传热等过程会发生改变,这些改变会制约内燃机效率的提升甚至恶化,明确上述变化规律是开发高压缩比燃烧系统的前提。本文针对某重型柴油机,基于CONVERGE软件建立三维数值仿真模型,并利用试验测量的缸压、燃烧放热率、排放等数据对模型进行标定。首先,基于所建立的三维数值仿真模型,研究了压缩比对柴油机能量平衡,以及燃烧、传热过程的影响规律。结果表明:随着压缩比不断提高,燃烧室喉口半径逐渐减小,在相同的喷孔角度下,油束到达凹坑壁面的距离更短,位置更为偏上,因此向挤流区域运动的油束更多,造成挤流区域当量比浓度过高,燃烧损失增大,热效率下降。针对高压缩比条件下较多燃油进入到挤流区导致燃烧损失增大,扩散燃烧速度降低的问题,本文提出了台阶型燃烧室型线。结果表明,台阶型燃烧室有利于形成双涡结构,将壁面射流到挤流区的过浓混合气重新引导回凹坑区域,促进油气混合,降低缸内过浓混合气占比,提高扩散燃烧阶段的速度。在此基础上,对台阶型燃烧室的喉口半径,深度,以及主副燃烧室体积比进行了优化,结果表明在不同喉口半径下主副燃烧室体积比均为90:10时热效率达到最大值。研究了喷孔角度与燃烧室形状、喷孔孔数与涡流比的匹配规律,以及对缸内燃烧、传热过程的影响规律。结果表明:随着喷孔角度不断增大,挤流区域当量比浓度逐渐增大,凹坑区域当量比浓度逐渐减小,当喷孔角度处于中间位置时能够获得最大燃烧效率。同时随着燃烧室深度逐渐增大,喷孔角度应该逐渐减小以获得最佳指示热效率。随着涡流比增大,缸内涡流强度增强,指示热效率逐渐升高。当涡流比增大时,应该适当减小喷孔孔数以保持缸内最佳的涡流强度,提高发动机热效率。本文的研究结果可为高压缩比发动机燃烧系统的开发提供理论支撑。