汽油压燃(GCI)发动机由于其较高的热效率和较低的污染物排放而受到越来越多的关注。但是,由于汽油具有高挥发性、高辛烷值和低反应活性的理化特性,以纯汽油为燃料的GCI发动机存在低温条件下冷启动困难,低负荷下燃烧稳定性差;高负荷下压力升高率过高,容易产生爆震等问题,从而导致发动机运行范围较窄。通过加氢脱氧脱羧基所制得的第二代加氢催化生物柴油(HCB)拥有成本低、着火性能好、不含氧、稳定性好等优点。因此,本文提出高反应活性的HCB与汽油掺混的方法,以改善GCI发动机小负荷工况所面临的问题。本文的主要研究内容如下:(1)在一台重型柴油机上开展不同工况下汽油/HCB掺混燃油GCI实验研究。结果显示,随着HCB掺混比例的增加,掺混燃油的着火性能以及燃烧稳定性得到显著改善,缸内最大燃烧压力得到有效抑制。此外,HCB掺混比例应与喷油时刻(SOI)相匹配,才能获得更好的发动机性能和较宽的运行范围。在排放方面,随着HCB掺混比例的提高,可以减少氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃碳氢(HC)的排放,然而颗粒物排放则略有增加。(2)基于以上试验结果,使用KIVA-3V进行了小负荷工况下汽油/HCB掺混燃油GCI发动机的数值模拟研究。主要研究了HCB掺混比例、初始进气温度和SOI对GCI发动机性能的影响。结果表明,高反应活性的HCB引发了低反应活性的汽油燃烧,并且HCB的掺混比例、初始进气温度和SOI对燃料/空气混合物的热力学状态以及发动机性能影响很大。随着HCB掺混比例的增加,可以有效地抑制发动机噪声、CO和HC的排放,但在进气温度过高时会导致NOx排放增加,而在进气温度过低时会导致碳烟(soot)排放增加。延迟SOI可以实现更加稳定的燃烧,降低CO排放,但同时会增加NOx排放。总体而言,GCI发动机的最佳运行范围主要受到发动机噪声的限制,这个问题可以通过两段喷射来改善。此外,还探讨了小负荷工况下GCI模式和反应活性控制压燃(RCCI)模式之间燃烧及排放性能的差异。结果显示,与GCI模式相比,RCCI模式的燃烧噪声更低。但是,RCCI发动机受初始进气温度的影响很大,同时它的燃油经济性要比GCI发动机更差。(3)将KIVA-3V程序与非支配性遗传算法(NSGA-Ⅱ)相耦合,对一台采用汽油/HCB掺混燃料的GCI发动机进行了小负荷工况下的数值优化。此外,讨论了多次喷射和发动机运行参数对最佳工况条件下GCI燃烧的影响权重。结果表明,优化后的G70H30(70%汽油和30%HCB)降低了对进气温度和进气压力的需求,获得了具有超低NOx和soot排放水平的高效燃烧最优工况。并且,随着HCB掺混比例的增加,发动机运行参数的多样性变好,可以有效地降低最优工况所需的初始温度。当主喷发生在由于预喷所引起的燃烧之后时,主喷通过在反应区同时产生浓度和温度分层来降低放热率(HRR),此时,废气再循环(EGR)、预喷和主喷时刻、预喷比例对发动机性能起着主导作用;当主喷发生在由于预喷所引起的燃烧之前时,主喷主要通过浓度分层来降低HRR,此时,EGR、初始温度、预喷比例对发动机性能起着主导作用。