我国非道路柴油机第三阶段排放标准对小功率段柴油机的排放要求甚为严格。我国小功率柴油机主要机型是单缸柴油机,但目前国内外对单缸水冷直喷柴油机的低排放研究较少,因此开展此类柴油机燃烧过程优化的低排放研究具有重要的工程价值与学术意义。本文以我国单缸柴油机的主导机型1115水冷直喷柴油机为研究对象,在分析单缸柴油机低排放可用技术措施、排放试验循环的各工况排放值变化规律、非道路国三排放标准要求的基础上,确定了样机机内净化方案、初次试验各排放物的目标值和标定功率。通过研究柴油机不同燃烧室结构及参数与喷油压力的变化关系,依据试验所测得的喷油压力确定1115柴油机燃烧室基本结构,并利用模拟仿真进行了优化。采用模拟仿真与试验研究相结合的方法,分析柴油机喷油和燃烧过程变化对排放的影响。研究得到供油提前角与NOx排放值的量化关系,给出整机NOx排放小于初次试验目标值(5.2 g/(kW·h))的供油提前角;提高喷油器开启压力及适当增加喷油器流量,改善燃油油束在燃烧室内周向分布的均匀性;减小压缩余隙以增大柴油机压缩比和燃烧室有效燃烧空间,并合理匹配油嘴伸出高度,使油束在燃烧空间分布按轴向等油气混合比分布,提高燃烧速率,优化燃烧过程,降低整机HC、CO和PM排放,计算得出低排放柴油机的优化方案。用优化方案对柴油机进行整机试验,试验结果表明:柴油机性能有较大提升,CO、HC+NOx和PM整机初次排放的试验值分别为2.45 g/(kW·h)、5.57 g/(kW·h)和0.49 g/(kW·h),较原机分别下降了32.3%、30.5%和25.8%。整机初次排放试验结果低于我国非道路第三阶段排放限值,且有一定的劣化余量,为3000小时有效寿命期内满足国三排放标准提供了保证。研究得出单缸水冷柴油机改善燃烧降低排放的方法和技术方案,为同类机型满足非道路国三排放标准提供技术路线和理论支撑。以优化方案为基准,研究模拟生产过程中关键参数变化对柴油机排放的影响,计算结果表明:为保证排放、性能及生产一致性得到有效控制,需要缩小生产过程关键参数的变化范围,计算分析得出供油提前角、压缩余隙、喷油器伸出高度分别控制在±0.5°CA、±0.08 mm、±0.1 mm范围内,NOx排放增加百分比约在9.8%以内,Soot排放增加百分比约在8.4%以内,计算结果对柴油机生产过程中参数和零部件尺寸公差的控制具有指导作用。