伴随着能源危机和环境恶化,车用替代燃料和内燃机新型燃烧技术得到广泛关注。作为一种低成本清洁燃料,煤基石脑油具有来源稳定、制取技术成熟、低热值较高、蒸发性良好、辛烷值适中、几乎不含芳烃等特点,是一种较为理想的均质压燃（HCCI,Homogeneous Charge Compression Ignition）发动机替代燃料。煤基石脑油HCCI模式下的着火及燃烧是非常复杂的,该过程主要受化学反应动力学控制。然而,当前仍面临着尚无专门针对煤基石脑油的化学反应机理、对煤基石脑油HCCI燃烧过程的反应动力学理解不够透彻、煤基石脑油HCCI燃烧模式基础试验匮乏等问题。本文的主要工作和结论:第一,开展了煤基石脑油HCCI发动机的试验研究。首先,分析了煤基石脑油在HCCI模式下,燃烧、排放特性与发动机性能随三参数(燃空当量比φ、进气温度Tin和转速n)的变化情况;然后,对煤基石脑油HCCI发动机的运行范围进行研究。实验结果表明,煤基石脑油在HCCI气缸内的燃烧过程对进气温度Tin非常敏感。保持n=1200r/min和φ=0.35不变,随着Tin从333K提升至373K,HCCI气缸压力P、压力升高率d P/dφ、放热率HRR和缸内温度T,各参数峰值都随之增大,且峰值出现的时刻也提前;燃烧持续期CD逐渐变短,燃烧始点CA10与中点CA50均前移;HCCI气缸内循环变动系数COVPmax先降后增;平均指示压力IMEP和指示热效率ηi先增后降,而HC、CO排放改善,NOx排量极低但略增。保持n=1200r/min、Tin=353K恒定,随着煤基石脑油与空气混合气的燃空当量比从φ=0.25增加至φ=0.40,四参数（P、d P/dφ、HRR和T）峰值均有所增大,且峰值出现的相位前移;CA10和CA50略有前移,CD缩短;COVPmax先减后增;一定范围内,随着φ增加,CO和HC排量有小幅降低,NOx略增;IMEP变大,然而,ηi则先增后降。必须指出的是,φ过大,会使得IMEP不增反降。转速n对煤基石脑油在HCCI气缸内燃烧的影响有限。保持φ=0.35和Tin=353K恒定,当n由1000r/min提升至1400r/min,Pmax、放热率峰值、压力升高率峰值和最高温度均增大,且对应相位略前移。转速由1000r/min提高到1200r/min,CA10、CA50都趋于提前、CD缩短,而n进一步提高至1400r/min时,CA10、CA50提前及CD的缩短趋势不再明显;n从1000r/min提高到1400r/min时,ηi和IMEP都先增后减;n增大,COVPmax先降后增,且HC和CO排量先降后增;NOx排量很少。煤基石脑油HCCI发动机的运行范围较窄。Tin较高时,煤基石脑油的HCCI稳定运行区有向小负荷偏移的倾向。Tin较高,易引起煤基石脑油的放热急剧且集中,导致HCCI发动机工作粗暴。相反,虽然Tin较低,更易适应大负荷工况,但在小负荷下,却易失火。当混合气较稀时,会极大地限制煤基石脑油HCCI发动机的运行转速。第二,开展了煤基石脑油简化动力学模型研究。基于煤基石脑油的理化特性及成分构成,对煤基石脑油表征燃料进行初步选取;并借助HCCI发动机台架,在同一工况下,测算并对比了实际煤基石脑油与初选表征燃料的燃烧特征参数,以确定最匹配的煤基石脑油表征燃料构成。接下来,基于误差传播的直接关系图（DRGEP）法,有效削减子机理中不重要的组分及反应;进而通过敏感性分析（SA）和反应路径分析（RPA）来简化子机理;将子机理特征参数与实验数据对比,进一步修正子机理。然后,对修正后的各子机理进行合并,并优化H敏感性系数较大的反应的指前因子,最终构建了适用于HCCI模式的煤基石脑油简化机理（88种组分,403步反应）。预测数据与实验结果的对比显示,本文所建简化机理在预测着火延迟期τ,层流火焰速度SL和重要物种的摩尔分数时,获得了良好的一致性。此外,在稀混合气（φ<1.0）条件下,该简化机理可以更准确地预测SL。本文构建的煤基石脑油简化机理规模较小且性能可靠,可以准确地再现煤基石脑油的化学演化历程,适用于模拟煤基石脑油在HCCI发动机中的燃烧过程。第三,煤基石脑油HCCI发动机燃烧过程的数值模拟。利用AVL-FIRE软件,构建了HCCI燃烧室多维动态模型,并将本文所建煤基石脑油简化机理与之耦合,对煤基石脑油HCCI气缸内的燃烧过程进行数值模拟。模拟结果表明:在多个工况下,模拟所得的P、HRR、T结果与实验结果基本吻合,验证了煤基石脑油简化机理及HCCI燃烧室多维动态模型的准确性。在同一工况的多个相位,HCCI气缸内高温区域主要分布在活塞凸台附近,而活塞顶与缸壁连接处附近则温度较低;在活塞顶凸台附近压力较大,而环形凹槽处的压力相对较小;这说明燃烧室的几何结构对煤基石脑油HCCI气缸内的燃烧影响显著。此外,相对石脑油普通柴油机模式的燃烧而言,不同相位,煤基石脑油在HCCI气缸内的压力场、温度场、重要组分（甲基环己烷、OH、CO）浓度场的区域分布差异明显较小,这不仅表明课题组对于HCCI发动机台架的搭建是成功的,也印证了HCCI燃烧模式由燃料化学和强瞬变湍流两大主要因素支配。