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随着越来越严格的油耗和排放法规,多种先进燃烧方式和替代燃料被应用来实现高效、清洁燃烧。传统燃料设计过程从现有的代用燃料出发,研究其燃烧/排放性能,最后评价该燃料是否适合某种燃烧模式并分析其优缺点。然而,对于每一种新型燃料都执行上述流程非常耗费时间,而且对燃料设计过程难以得到系统提高。本文提出了一种目标导向燃料设计方法,该方法以燃烧/排放要求作为设计准则,筛选合适的候选燃料并将该燃料分子作为燃料合成设计目标。而且特定燃烧模式对应特定燃料组分功能构型需求。本文以均质充量自燃（HCAI,homogeneous charge autoignition）燃烧模式为例进行目标导向燃料设计研究,并且明确该燃烧模式需求的燃料组分功能构型。本研究有四个主要目标:第一个目标是根据燃料的自燃特性（燃料稀燃极限、自燃温度）和氧化特性（氧化过程的温度和组分历程、着火标志物、组分产率、反应路径）选择适合均质充量自燃燃烧模式的候选燃料。首先采用扩展绝热火焰温度方法预测各种燃料类型的稀燃极限,同时测定正庚烷、甲醇、乙醇和丁醇的自燃温度,分析了正庚烷、甲醇和乙醇的主要氧化反应途径。结果表明在压力为0.772~3.861MPa、当量比为0.4~2.0的条件下,正庚烷和乙醇自燃温度范围分别为258~304oC和318~442oC。因为正庚烷和乙醇的燃料反应活性差异很大,所以它们可以作为掺混燃料建立燃料反应活性梯度。本研究的第二个目标是研究燃料反应活性梯度（不同高十六烷值/高辛烷值燃料掺混比）对自燃着火、火焰维持/结构和火焰熄灭的影响。自燃着火研究包括包含自燃温度、滞燃期及其主导反应。纯正庚烷在压力为0.772~3.861MPa,当量比为0.4~2.0条件下自燃温度为258~304oC,最大自燃温度差异为46oC。当乙醇掺混比例分别为25%、50%、75%和100%时,最大自燃温度差异分别为5oC、62oC、84oC和124oC。构建燃料反应活性梯度的实质是建立滞燃期梯度。影响滞燃期的因素按敏感程度由大到小依次为混合物初始温度、乙醇掺混比、当量比和混合物初始压力。正庚烷-乙醇低温（550~750K）着火取决于H原子从正庚烷脱氢的反应速率,而QOOH+O2=O2QOOH反应类型在750~955K温度范围内受到抑制是正庚烷-乙醇氧化过程中产生负温度系数（negative temperature coefficient,NTC）现象的主要原因。因此,加入乙醇抑制NTC现象是由于乙醇取代正庚烷,乙醇与产生NTC现象的反应路径无关;燃料分子分解反应在高温（955~1250K）条件下变得重要。火焰维持研究内容包括放热过程、燃烧效率和相应主导反应。60%正庚烷-20%PODE3-20%乙醇的在φ=0.6的放热过程分为LTHR（低温放热）、1st HTHR（第一阶段高温放热）和2nd HTHR（第二阶段高温放热）三个阶段。LTHR主要由PODE3引起,正庚烷次之。1st HTHR来源于正庚烷和乙醇,2nd HTHR来源于乙醇氧化。LTHR过程中混合物温升142.44K,CH2O是LTHR的标志物。乙醇组分反应生成CH2O,而CH2O通过反应CH2OOH=HCOH2O消耗OH自由基从而抑制LTHR强度。混合气温度在1st HTHR超过1000K,H2O2分子分解生成OH自由基,触发高温放热过程。在2ndd HTHR过程中,H+O2（+M）=HO2（+M）,HO2+OH=H2O+O2和CO+OH=CO2+H是主要的放热贡献反应。在小负荷（φ=0.4）时,提高混合气着火性能的关键在于增加高反应活性燃料（如正庚烷）的比例,因此在φ=0.4时,纯正庚烷取得最高燃烧效率为81.06%。在中高负荷（φ=0.6~1.0）时,着火可靠性不再是问题,而放热率控制和提高燃烧效率成为首要任务。因此应减少高反应性燃料（如正庚烷）的比例,从而减少大负荷下化学点火源的数量,降低燃烧过程中的压力升高率。在当量比φ=0.6,0.8和1.0条件下,当乙醇掺混比达到60%、40%和20%时,正庚烷-乙醇燃烧效率分别达到95.56%、97.76%和98.98%。火焰熄灭研究内容包括气相排放物、碳烟前驱物生成反应路径。当燃烧温度超过1400K时,CO/HC可被抑制在低于1000ppm的水平,而当燃烧温度低于2200K时,NOx排放可被限制在20ppm以下,因此,HCAI燃烧模式的燃烧温度窗口范围为1400~2200K,分别对应于CO/HC临界氧化温度和NOx临界生成温度。PODE3和乙醇能显著降低C2H2和C3H3的排放且不产生n-C4H3排放。n-C4H3来源于正庚烷,具体反应过程为n-C7H16→C7H15-2→pC4H9→（C2H5）→C2H4→C2H3→（C2H2）→n-C4H3。在正庚烷-乙醇混合物中分别加入20%、40%、60%、80%和100%乙醇后,C2H2排放比纯正庚烷分别降低0.24%、4.76%、13.15%、31.19%和68.98%。而C3H3的下降幅度分别为2.85%、8.22%、18.74%、40.52%和99.09%。纯PODE3的C2H2和C3H3排放量分别比纯正庚烷低81.35%和99.61%。而且PODE3比乙醇具有更好的抑制C2H2的效果。第三个目标是确定HCAI燃烧模式的燃料组分功能构型。本文采用定容燃烧弹测试正庚烷-PODE3-乙醇在HCAI燃烧模式的燃烧特性和排放特性,并通过化学动力学模拟阐明燃料组分在放热过程中的交互作用。结果表明HCAI燃烧模式的理想燃料组分功能构型是“化学点火源-PM抑制剂-均质充量”。正庚烷可以充当化学点火源来提高燃烧效率,PODE3充当PM抑制剂可以大幅降低PM质量和数量排放。乙醇具有较高挥发性适合于形成均质充量。40%正庚烷-60%乙醇和60%正庚烷-20%PODE3-20%乙醇可以同时打破NOx-PM和NOx-HC/CO的trade-off关系。同时,在φ=0.6条件下,它们可以打破燃烧效率-NOx排放与燃烧效率-峰值压力升高率的正比例关系。特定燃烧模式对应特定的燃料组分功能构型,因为燃料组分选择是“功能”导向”的,所以为燃料设计提供了很大的自由度。任何可以满足“功能”需求而没有其他严重副作用的物质都可以作为燃料候选组分,进而可以开展实验测试该燃料的燃烧和排放性能。第四个目标是提出一种广义的（适用于多种燃烧器和燃烧模式）目标导向的燃料设计概念。目标导向燃料设计集成了燃料燃烧/排放特点和燃料合成过程,为高效、清洁燃烧提供了先进的燃料设计方法。它首先评估燃烧/排放要求,从而制定燃料的物理化学性质要求;然后将燃烧性能和燃料理化性质作为设计标准筛选出备选燃料;随后对备选燃料进行逆向合成分析,新建或从现有合成工艺中逆向确定从备选燃料到供给原料的工艺路线。其中,选用生物化学合成技术可以同时减少CO2总排放和创造良好的经济价值。