由于能源短缺和环境污染问题的愈发严重,生物丁醇被视为传统石油燃料的主要替代燃料。与甲醇、乙醇碳含量低的醇类相比,丁醇不但可以从可再生生物质原料中提取,而且丁醇的能量密度更高,其物化性质与汽油和柴油更加接近,可以保证在发动机的几何结构和燃油供给系统不做很大改变的情况下使用。因此,开展生物丁醇在内燃机上的应用研究具有重要的战略意义。本文以一台单缸、高速、四冲程点燃式汽油机为研究对象,采用台架试验和数值模拟相结合的方法,首先研究了生物丁醇应用于汽油机的性能和燃烧放热特性,正丁醇按0、30%、35%的体积百分比与汽油掺混得到丁醇汽油混合燃料,随后利用遗传算法探究了发动机燃用B35+CIT的节能潜力;其次,采用反应路径分析、敏感性分析和“半解耦”思想,构建了包括正庚烷、异辛烷、甲苯、二异丁烯和正丁醇五种成分的TRF/DIB-butanol机理,该机理对燃料滞燃期、层流火焰速度和缸内燃烧放热特性有较好的预测精度,全文的主要工作和成果如下:(1)通过搭建台架试验,对高速发动机燃用不同丁醇汽油掺混比燃料的性能参数以及运行参数进行了测量。根据发动机缸内热力学过程理论和一维非定常流动的数值求解方法,建立了发动机GT-Power仿真模型,并利用试验结果对仿真模型进行了准确性验证。(2)根据试验数据和数值仿真结果,全面分析了关键运行变量(掺混比、点火时刻、负荷、EGR率和考虑爆震的压缩比)对发动机燃用丁醇汽油混合燃料的燃烧放热特性的影响共性规律,并研究了点火时刻和配气正时对高速汽油机性能的影响,极大的扩展了发动机燃用丁醇的运行工况范围和类型范围(发动机最高转速达8500 r/min),为丁醇的推广应用提供了更多的数据支持。该研究更加直观的给出了发动机燃用丁醇汽油混合燃料时,不同运行变量之间如何相互影响,以及各燃烧参数随着运行变量变化的原因。(3)本文将GT-Power仿真模型与MATLAB/Simulink进行耦合,并利用遗传算法对发动机在全负荷下的运行变量进行优化,使发动机燃用丁醇汽油掺混燃料的比能耗得到有效改善,该方法也适用于标定发动机的万有特性,可以在实际发动机开发中提供指导。(4)应用CHEMKIN PRO零维发动机模型,通过反应路径分析和敏感性分析方法对异辛烷详细化学反应动力学机理进行了研究。在此基础上,构建了一个包括37种组分和48个反应的异辛烷简化动力学机理,该机理可以用于表征实际汽油HCCI的燃烧过程。(5)通过分析几个被广泛使用的PRF简化机理,发现当前汽油表征燃料简化机理主要针对滞燃期构建,但很少关注组分浓度和层流火焰速度的变化,这种构建方法容易剔除对层流火焰速度影响较大的反应,破坏小分子与自由基之间的高度耦合,从而导致对关键组分的演变和层流火焰速度的预测不够准确。(6)采用反应路径分析、敏感性分析和“半解耦”思想,对异辛烷、正庚烷、甲苯和二异丁烯的大分子反应进行简化,并合并构建了包括68种组分和183个反应的TRF/DIB骨架机理。(7)运用本文构建的TRF/DIB骨架机理,通过选择不同液体体积分数配比燃料作为实际汽油表征燃料,将模拟结果与激波管、射流搅拌器、层流火焰速度及缸内CFD燃烧试验值对比,研究表明本文构建的TRF/DIB骨架机理对滞燃期、关键组分浓度的演变和层流火焰速度的预测效果良好。(8)运用敏感性分析和反应路径分析方法,构建了新的正丁醇简化动力学模型,包括70种组分和150个反应,并且对该机理的滞燃期和层流火焰速度计算值进行了有效性验证,结果表明:在不同工况下,本文构建的正丁醇简化机理的计算值与试验值、Sarathy详细机理的计算值吻合良好。(9)结合本文提出的TRF/DIB骨架机理和正丁醇简化动力学模型,合并组建了包括113种组分,280个反应的TRF/DIB-butanol机理,将此机理模拟丁醇汽油掺混燃料耦合CFD进行三维模拟计算,得到的缸内燃烧放热特征与试验值吻合良好。(10)基于层流火焰速度的经验修正模型,将压力和温度的幂指数扩展为包含当量比的四次方项,采用最小二乘法对TRF/DIB、正丁醇及其掺混燃料在宽广当量比范围内的层流火焰速度预测数据进行拟合,得出层流火焰速度的预测值与修正值吻合良好,且拟合的幂指数常数非常接近其它文献中的推荐值。