乙醇是一个被广泛地用来应对可持续性发展问题的替代燃料。与汽油相比,乙醇有着诸多优点,包括较高的气化潜热、较大的辛烷值、更快的层流火焰速度、以及较小的当量空燃比。为了在点燃式发动机上比当前的E10或E85更加灵活高效地利用乙醇燃料,提出了乙醇直接喷射加汽油进气道喷射(EDI+GPI:ethanol direct injection plus gasoline port injection)双喷射概念,以便更加有效地利用乙醇燃料的优点来增加发动机压缩比和热效率,同时避免EDI冷启动困难等缺点。先前在一个单缸点燃式发动机上的实验研究已经展现出了EDI+GPI对发动机性能的改善,并推测乙醇燃料的优点起到了很大的作用,包括由于较大的汽化潜热带来的冷却效应、较高的辛烷值带来的抗爆震特性、以及较快的层流火焰速度带来的高燃烧效率。本研究的目标是通过CFD数值模拟、定容弹和发动机实验来深入理解EDI+GPI双喷射发动机的混合气形成和燃烧过程机理。对EDI+GPI发动机的喷雾燃烧过程的透彻理解是十分重要的,这可以使得更加高效地在点燃式发动机上使用乙醇燃料,从而促进生物燃料的利用和保护环境。首先,使用高速阴影法成像技术研究了多孔喷油器的乙醇和汽油燃料的喷雾和蒸发特性。实验结果表明,当饱和蒸气压小于30 kPa时,喷雾可被视为非蒸发喷雾。乙醇在低温环境下比汽油蒸发的更慢,但是当燃油温度高于375 K时,它们达到了相似的蒸发速度。这意味着EDI技术只应该在高温发动机环境下使用。对于乙醇和汽油喷雾,当过热度小于4K时,其喷雾形态与过冷喷雾表现相似；过热度为9K时,喷雾完全坍塌；直到过热度达到14K时,才发生闪急沸腾。燃油温度不仅改变了喷雾蒸发模式,而且还改变了其油滴分裂机理。然后,使用CFD数值模拟研究了EDI+GPI发动机的喷雾燃烧特性。模拟结果显示,由于乙醇燃料在燃烧前的低温环境中蒸发缓慢,EDI+GPI双喷射系统的燃烧过程是一个典型的部分预混合燃烧。在0%至58%之间,EDI的整体冷却效应随着乙醇比例的增加而增大,但进一步增加乙醇比例并不会增加整体冷却效应。在乙醇比例高于58%后,会在燃烧过程中在燃烧室内留下大量未蒸发的乙醇液滴,燃油碰壁现象变得严重,导致在近壁区域产生局部过度冷却,以及火花塞间隙处的混合气变得过于稀薄等问题。其后果是产生不完全燃烧,从而使CO和HC排放增加。与GPIonly相比,乙醇燃料较高的火焰速度使得EDI+GPI工况下的最大缸内压力高于GPIonly工况,从而产生了较高的功率输出和热效率。同时,缸内混合气随着乙醇比例的增加而变稀。因此,当乙醇比例在0%-58%范围内增加时,IMEP会随之增加,而燃烧初始时间和主燃烧持续期降低。乙醇比例大于58%之后,燃烧性能会随之恶化。实验和数值计算结果表明,EDI+GPI发动机的冷却效应、热效率、和排放性能可以在40%-60%的乙醇比例范围内达到最优化。最后,实验研究了提高乙醇燃油温度对改善EDI+GPI发动机排放性能的潜力。结果表明,随着乙醇燃油温度的升高,IMEP会随之轻微地降低,但是HC和CO排放会显著地下降,而NO会温和地增加。然而,由于EDI较低的燃烧温度和更强的充气冷却效应,即使增加后的NO排放仍然比GPI only工况低。这说明提高燃油温度可以有效地降低EDI+GPI发动机的CO和HC排放,而同时保持其较高的热效率和较低的NO排放。