近年来,能源短缺及环境污染问题在世界范围内受到广泛关注,严苛的燃油耗和排放法规对内燃机技术进步提出了更高的要求,清洁替代燃料及新型燃烧模式的开发与应用成为发动机实现高效清洁燃烧的重要技术手段。由于我国的能源结构呈现富煤、贫油、少气的特点,煤基合成燃料（Coal-to-Liquid,CTL）的推广对于保障我国的能源安全具有重要意义。同时,目前面向内燃机高效清洁燃烧需求的新型燃烧模式的燃烧过程主要受燃料燃烧化学反应动力学控制,因此针对燃料理化特性进行燃料设计同时耦合燃烧边界条件主动调控缸内燃烧历程以实现高效清洁燃烧受到广泛关注。本研究结合国家自然科学基金项目,针对压燃式发动机燃用煤基合成柴油所存在的不足,基于燃料设计与燃烧边界条件协同控制的思想探索实现煤基合成柴油高效清洁燃烧的技术途径。本文采用热力学试验研究、光学可视化测试、化学动力学分析与三维数值模拟仿真等研究手段,通过在煤基合成柴油中添加含氧燃料以及汽油等燃料组分优化混合燃料的理化特性,系统研究了燃料特性结合燃烧边界条件对于缸内混合气制备、燃烧过程、火焰发展及污染物生成历程的影响规律与内在作用机制,提出了面向煤基合成柴油的高效清洁可控燃烧的燃料理化特性及燃烧边界条件协同控制策略。本研究以一台电控高压共轨四气门柴油机为原型机建立了热力学发动机试验测控平台,自行设计了模拟增压系统以及冷却的废气再循环系统实现了进气参数的灵活调节,匹配开放式电子控制单元实现喷油参数灵活且精确的控制,构建了发动机燃烧及排放测试系统并实现发动机燃烧及排放参数的实时准确采集和分析。同时基于光学发动机和定容燃烧弹设计开发了针对燃烧基础研究的光学可视化试验平台:基于一台四冲程单缸光学可视化发动机搭建了高速摄影及光学测试系统并实现了缸内燃烧火焰发展演变过程的精确测量;基于可视化定容燃烧弹搭建了纹影测试系统实现了喷雾形态特征与参数的采集与分析。此外构建了化学动力学与CFD相耦合的模拟仿真平台,为深入分析燃料燃烧反应机理及污染物生成历程创造了条件。主要研究内容及结论如下:1、试验研究了煤基合成柴油与国Ⅵ石化柴油对压燃式发动机燃烧过程及污染物排放特性的影响,对比分析了两种燃料的燃烧及排放特性的差异,为进一步利用燃料设计的手段优化煤基合成柴油的燃烧过程提供了数据支撑。研究结果表明,在燃烧性能方面,具有高十六烷值的煤基合成柴油的燃烧过程主要由扩散燃烧所主导,试验工况下相比石化柴油其预混合燃烧率降低幅度超过39%,燃烧放热率峰值明显降低。在排放性能方面,燃用煤基合成柴油有利于降低NOx、CO和THC等污染物排放量并且获得了相对较低的总微粒数量排放,但由于预混合燃烧量不足导致大粒径的积聚态微粒的数量占比与芳烃含量较低的国Ⅵ石化柴油相比有所提高,从而使微粒质量排放量增加。2、针对煤基合成柴油预混合燃烧量不足导致微粒质量排放增加的问题,利用在CTL中添加不同分子构型的正丁醇及碳酸二甲酯两种含氧燃料,改善煤基合成柴油的化学反应活性并缓解燃烧过程中缸内局部缺氧现象。通过试验研究及模拟仿真的手段深入研究正丁醇与DMC的燃烧化学反应动力学特性及降低碳烟排放的内在作用机制,明确了不同氧键合形式的含氧燃料对于优化煤基合成柴油燃烧及排放特性的潜力。研究结果表明,正丁醇的添加相比DMC延缓了OH自由基累积进程产生了更长的滞燃期。同时正丁醇凭借突出的消耗PAHs能力在降低碳烟排放方面有着更大的潜力,并且燃用CTL/正丁醇混合燃料对大粒径微粒排放的降低效果明显优于CTL/DMC混合燃料。通过含氧燃料改善CTL的理化特性能够在提高预混燃烧率的同时降低微粒排放,当燃料中丁醇比例为30%时,预混燃烧率提高55.48%,碳烟质量排放降低68.71%。虽然含氧燃料的添加会导致NOx小幅增加,但通过EGR联合调控可实现NOx和微粒排放的良好折衷。缸内燃烧火焰特征测试结果表明,CTL含氧混合燃料的燃烧火焰温度分布云图更加均匀,有利于缩小燃烧温度梯度并促进缸内工质均质化进程。当燃料含氧量相同时CTL/正丁醇混合燃料所产生高KL因子的占比与数量明显低于CTL/DMC混合燃料,进一步印证了正丁醇具有更加显著的改善碳烟排放的效果。3、为了进一步优化发动机燃用煤基合成柴油时的燃烧过程,探索实现预混合压燃模式的技术途径,将热值相近的低活性燃料汽油与煤基合成柴油混合制取兼顾燃料挥发性和着火性的宽馏程燃料,利用燃料组分活性控制与不同燃烧组织方式的灵活调控改变缸内燃烧的活化/热氛围,探究压燃式发动机燃用煤基合成柴油实现预混合压缩着火燃烧模式的燃料特性与燃烧边界条件协同控制策略。研究结果表明,CTL/汽油混合燃料拥有更低的反应活性与更佳的喷雾特性,有效提高了燃烧过程的预混燃烧量。当燃料中汽油比例大于40%时,预混燃烧率相比CTL增幅超过90%,可有效缓解由EGR引起的燃烧和排放恶化的倾向。当汽油比例为60%时通过推迟喷油并结合EGR的方式基本实现了全预混燃烧模式。缸内燃烧火焰特征表明,燃用宽馏程燃料在燃烧初期产生了大面积代表预混合燃烧的蓝焰,不仅消弱了较强碳烟辐射量并且减少了被高KL因子所覆盖区域的面积与维持时间,有效抑制了燃烧火焰中碳烟的生成。4、采用煤基合成柴油/汽油混合燃料与两段喷射策略协同配合的手段调整缸内燃料的时空分布形成混合气反应活性分层,进一步实现缸内活化/热氛围的调控。研究结果表明,燃用宽馏程燃料结合两段喷射策略可有效改善着火前可燃混合气质量并优化缸内着火条件,对于燃用汽油比例为40%的CG40燃料利用两段喷射策略,与单次喷射相比微粒质量排放的降低比例最高达到了50%。在选取15°CA至25°CA预喷时刻与45%至55%的汽油比例条件下,不仅有助于降低压力升高率峰值,还能够在兼顾较高指示热效率的同时维持较低的NOx和soot排放。5、为了深入研究煤基合成柴油/汽油混合燃料对于燃烧过程及污染物生成历程的微观作用机制,自行构建了煤基合成柴油/汽油混合燃料的化学反应动力学简化机理,探究了宽馏程燃料燃烧过程中的中间产物、活性自由基以及soot演变过程。并将此机理与CFD耦合进行模拟计算,深入研究了宽馏程燃料对于缸内混合气制备、燃烧场活性分布的微观演化历程及污染物生成历程的影响规律。研究结果表明,燃用CTL/汽油混合燃料延长滞燃期的原因是汽油组分的引入降低了低温反应阶段由长链烷烃分解出的OH活性自由基浓度,提高燃料中汽油的比例能够显著抑制PAHs的生成量从而降低碳烟排放。分析缸内燃烧过程可以看出,燃用宽馏程燃料使缸内温度场和浓度场的分布更加均匀,有利于优化缸内油气混合条件从而降低碳烟排放。在两段喷射策略下预混的燃料提前进行低温反应,在主喷燃料着火前积累了大量的活性自由基,扩大的主预喷间隔基本消除了主喷油束内部的高当量比区域,有助于抑制碳烟的产生,同时缸内平均温度迅速降低抑制NOx的生成。