随着能源危机与环境污染的不断加剧，炼焦副产物焦炉气作为内燃机代用燃料逐渐进入了人们的视野，将其作为代用燃料，不仅能够实现对资源的综合利用，同时可以减少焦炉气直接排放带来的环境污染，符合我国可持续发展的战略要求。内燃机燃用焦炉气具有燃烧效率高，CO与THC排放少等优点，但同时也存在动力性下降，NOx排放增加，易发生爆震等缺点。为充分发挥焦炉气作为代用燃料的优势，解决在实际应用中存在的问题，本文采用理论与试验相结合的方法，对焦炉气发动机进行了深入研究。　　本研究主要内容包括：⑴焦炉气化学反应机理研究。在CH4氧化机理、H2/CO燃烧机理及NOx生成机理的基础上，采用敏感性分析与非重要反应消除等方法，搭建并简化得到焦炉气化学反应机理。利用敏感性分析、不确定度分析与粒子群寻优等方法，对部分化学反应的动力学参数进行优化，并利用相关试验数据对优化后机理的滞燃期、层流火焰速度等基本特性进行验证。结果表明：本文建立的焦炉气化学反应机理能够较为准确地预测滞燃期与层流火焰速度，同时，该机理适用于发动机缸内燃烧，可准确仿真缸内燃烧过程及NOx等排放物的生成。⑵焦炉气发动机数值仿真模型研究。利用GT-POWER耦合CHEMKIN建立的自燃子模型，建立焦炉气发动机一维仿真模型，为三维 CFD仿真提供边界条件。利用KIVA软件建立改进的点火模型，并耦合 CHEMKIN建立的燃烧模型与自燃子模型，搭建焦炉气发动机三维数值仿真模型。利用试验数据对上述模型进行验证，结果表明：一维与三维数值仿真模型均可准确仿真发动机缸内燃烧过程，预测爆震发生的始点；此外，三维数值仿真模型还可准确计算缸内排放物的生成量，仿真爆震发生时缸内的压力波动。⑶焦炉气发动机台架试验研究。利用基于MR479Q汽油机改造而成的焦炉气发动机，以及 AVL FTIR、DEWETRON-CA、ETAS-LA4等测试设备，建立发动机测试平台，对焦炉气发动机动力性、排放性与爆震特性等进行试验研究，结果表明：焦炉气发动机动力性较汽油机下降了20％~30%；NOx的排放量较汽油机增大了36%~45%，CO的排放量降低了70%~76%，THC的排放量降低了70%~78%；焦炉气发动机较汽油机更容易发生爆震，且发生爆震时的强度更大。⑷焦炉气发动机数值仿真研究。基于焦炉气发动机数值仿真平台，研究组分变化、燃烧室结构、火花塞布置、压缩比等对发动机各项性能的影响，结果表明：焦炉气中CH4含量的增加不仅可以提高发动机动力性，同时可以降低NOx的排放与爆震发生的趋势，因此，选择 CH4含量高的焦炉气作为代用燃料；屋脊形燃烧室较半球形与碗形燃烧室具有更强的动力性，且爆震特性与半球形燃烧室相近，均不易发生爆震，但NOx排放略有增加，此外，增大屋脊形燃烧室底边夹角可适当提升动力性，但夹角大于20 o后，其对动力性、排放性与爆震特性的影响均不明显，因此，综合考虑发动机性能与改造成本，选用原机底边夹角为20 o的屋脊形燃烧室作为焦炉气发动机燃烧室；火花塞布置于燃烧室中间较进排气门附近具有更强的动力性，且不易发生爆震，此外，火花塞距离燃烧室顶部越近，发动机动力性越强，而爆震趋势明显下降，因此，焦炉气发动机火花塞布置于燃烧室顶部；发动机压缩比对各项性能影响巨大，需综合考虑动力性、排放性与爆震特性对其进行优化设计。⑸焦炉气发动机性能优化研究。采用多目标优化算法，综合考虑发动机动力性、排放性与爆震特性，对焦炉气发动机的点火提前角与压缩比进行优化设计，结果表明：该优化算法在点火提前角的优化中具有较高的准确性与可行性。此外，根据该算法，焦炉气发动机最佳压缩比为10.7。