均质充量压缩着火(HCCI)燃烧被认为是前景广阔并且最有潜力满足未来环保要求的新型高效燃烧方式。但是HCCI燃烧缺乏直接的着火控制手段,导致其着火时刻和燃烧速率难以控制。迄今为止,在现有的技术条件和控制手段下,要在全负荷范围内实现HCCI燃烧是相当困难的。因而,复合HCCI燃烧的概念逐渐引起人们的关注。本文的研究重点是一种新颖的复合燃烧技术:基于燃料设计与管理的复合HCCI燃烧。该燃烧技术打破了基于模式转换的复合HCCI燃烧和基于分层的复合HCCI燃烧之间的界限,并且充分地将传统的DICI燃烧、HCCI燃烧和复合HCCI燃烧的优点融合起来,通过对参数的控制和燃烧放热的调制能够实现发动机全负荷范围内的高效清洁燃烧。本文采用燃料的进气道喷射配合缸内直喷的策略实现了HCCI-DI复合燃烧,并围绕该燃烧方式开展了横向、纵向两个方向的研究。纵向的研究主要是在HCCI-DI燃烧已有研究的基础上继续深入,重点研究了直喷燃料的理化特性以及模拟增压、EGR等因素对HCCI-DI燃烧的影响;横向的研究主要是开展复合HCCI-DI燃烧燃料单一化、商业化的探索,促进复合燃烧由实验室研究向实际应用的转变。本文的另外一条研究线索是解决HCCI-DI复合燃烧中NO_x和soot排放之间“此消彼长”的难题。本文首先进行了进气道预喷正庚烷,缸内直喷参比燃料的双燃料HCCI-DI复合燃烧的试验研究,通过对预混合率、总当量比和直喷燃料理化特性等影响因素的调查,了解HCCI-DI复合燃烧的基础燃烧和排放特性。研究表明:HCCI-DI复合燃烧的最大压力升高率是由预喷燃料当量比决定,而放热初始时刻CA10和CO排放也主要受预喷燃料当量比的控制。不同辛烷值的参比燃料的HCCI-DI复合燃烧中,直喷PRF25燃料的CO、HC和NO_x排放整体较低,但是其soot排放相对较高;而直喷PRF50燃料的CO、HC排放相对较高。该复合燃烧的最优预混合率r_p是先保持为1,然后逐渐降低,最后略有增大:即在中低负荷下,发动机采用完全的HCCI燃烧模式;在中等负荷以上,采用HCCI-DI复合燃烧模式。经过预混合率优化之后的该HCCI-DI燃烧,其CO和HC排放高于原机,指示热效率基本与原机相当。优化之后的NO_x排放显著低于原机,在120 ppm以下,但soot排放都要高于原机,说明该HCCI-DI燃烧并不能同时降低NO_x和soot排放。为了消弭NO_x和soot之间“此消彼长”的关系,本文接下来根据燃料设计思想,选择了含氧的醇类作为缸内直喷燃料,进行了双燃料HCCI-DI燃烧的试验研究。研究表明:缸内直喷三种不同醇类燃料的双燃料HCCI-DI复合燃烧的放热率形态完全一致,且放热率曲线基本重合。三种醇类燃料中,直喷乙醇的HCCI-DI燃烧的HC和soot排放水平较低,但CO和NO_x排放水平与其它两种醇类燃料相当。soot排放由高到低的顺序是异丁醇>异丙醇>乙醇,与燃料氧含量的高低顺序相反。直喷异丙醇和异丁醇的HCCI-DI燃烧可以达到原机100%的负荷,而直喷乙醇的HCCI-DI燃烧也可以达到原机97%的负荷。经过预混合率优化后的各醇类燃料的HCCI-DI燃烧,其NO_x排放都显著低于原机,并维持在与直喷异辛烷的HCCI-DI燃烧同等的水平,在100 ppm以下;而其soot排放都是在15%以内,不仅明显低于原机,更是远远低于直喷异辛烷的HCCI-DI燃烧的soot排放水平。直喷乙醇的HCCI-DI燃烧几乎是零soot排放。直喷醇类燃料的HCCI-DI燃烧不仅可以保持参比燃料HCCI-DI燃烧低NO_x排放的优势,而且可以同时降低soot的排放,解决了NO_x和soot之间“此消彼长”的难题。由双燃料过渡到单一燃料、由参比燃料拓展到实际应用燃料是HCCI-DI复合燃烧发展的必然趋势。本文然后进行了单一PRF50燃料的HCCI-DI燃烧的试验研究。研究发现:采用单一PRF50燃料的HCCI-DI燃烧再次出现NO_x和soot排放“此消彼长”的现象,且改变进气温度和直喷供油提前角都不能解决这一难题,而采用较高比例的EGR能够实现HCCI-DI的低温燃烧,同时降低NO_x和soot排放。本文进一步考察了模拟增压对单一PRF50燃料的HCCI-DI燃烧的影响,研究发现:随着进气压力的增大,PRF50燃料HCCI-DI燃烧的峰值压力是先下降后上升,HCCI燃烧阶段的高温反应时刻逐渐推迟,高温反应的放热峰值显著降低,低温反应的放热峰值略有降低,而第三阶段扩散燃烧的放热峰值略有上升,CA10和CA50先推迟后提前,燃烧持续期逐渐缩短。研究表明:在增压强度不高的条件下,模拟增压对HCCI燃烧的抑制作用占据整个复合燃烧的主导地位;在增压强度较高的条件下,模拟增压对第三阶段扩散燃烧的促进作用占据整个复合燃烧的主导地位。在预混合率较高的情形下,模拟增压对复合燃烧的影响主要表现为其对HCCI燃烧的影响;在预混合率较低的情形下,模拟增压对复合燃烧的影响主要表现为其对DICI燃烧的影响。利用模拟增压,单一PRF50燃料的HCCI-DI燃烧可以达到原机100%负荷。相对于自然吸气方式,进气增压可以同时降低NO_x和soot排放浓度,在最大负荷下,增压1.5倍后的NO_x和soot排放几乎都是原来的1/3。模拟增压可以从根本上同时抑制HCCI-DI燃烧中NO_x和soot排放的生成。本文最后探索性地研究了单一实际燃料的HCCI-DI复合燃烧,以商业化的汽油、柴油燃料为基础配制成单一的汽/柴油混合燃料,考察其复合燃烧的燃烧和排放特性。研究发现:随着预混合率的增大,汽/柴油混合燃料HCCI-DI复合燃烧中的HCCI低温和高温反应的放热峰值逐渐增大,而第三阶段扩散燃烧的放热峰值几乎是逐渐降低。随着循环总油量的增大,缸内峰值压力逐渐增大,HCCI-DI复合燃烧中的HCCI低温和高温反应时刻都是逐渐提前,低温和高温反应的放热峰值也是逐渐增大。本文也考察了模拟增压对该HCCI-DI燃烧的影响,研究表明:相对于自然吸气下的HCCI-DI燃烧,模拟增压的采用使得复合燃烧的HCCI低温和高温反应时刻推后,高温反应放热峰值明显降低,并大大降低了最大压力升高率。对G30燃料复合燃烧的预混合率和进气压力优化的研究还发现:G30燃料在DICI燃烧模式、有/无模拟增压的HCCI-DI复合燃烧模式下都可以达到原机的最大负荷。随着负荷的增大,自然吸气方式下的G30燃料HCCI-DI复合燃烧的最优预混合率是逐渐下降,而有模拟增压的G30燃料HCCI-DI复合燃烧的最优进气压力是逐渐增大。相对于原机,G30燃料的DICI燃烧可以大幅度降低soot排放,但NO_x的排放水平与原机相当;而对于非增压的G30燃料的HCCI-DI复合燃烧模式,各负荷下的NO_x排放远低于原机,但soot排放水平却与原机相当——二者都不能实现同时降低NO_x和soot排放的目的。对于有模拟增压的G30燃料的HCCI-DI复合燃烧,其NO_x和soot排放都是远远低于原机:在全负荷范围内维持NO_x排放水平在100 ppm之内,soot排放水平在10%之内。