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为了满足日益严格的排放法规和燃油经济性要求,并减轻排气后处理器的负担,近年来,开发具有“均质压燃(HCCI),低温燃烧(LTC)”特点的发动机燃烧新技术的研究十分活跃。HCCI被认为是传统压燃和点燃式内燃机最具潜力的替代燃烧方式,并已成为国际内燃机界竞相研究的前沿科学问题。然而,常规柴油饱和蒸汽压较低、液体粘度和表面张力较大、喷雾雾化性能较差,致使其直接应用于HCCI发动机尚存在均质混合气制备十分困难的问题。因此,预混合气制备是柴油机实现同时降低NOx和碳烟排放的准均质预混合燃烧方式的主攻关键技术。在国家重点基础研究发展计划项目(2007CB210001)的支持下,本文提出了燃油在高压油泵后进行高温预热以在缸内快速形成可燃混合气的技术方案。本文利用先进的光学可视化诊断技术、发动机台架实验和数值模拟计算研究,开展了燃油热强化对直喷式柴油机喷雾雾化、混合气形成和燃烧过程影响的基础研究,深刻揭示了高温燃油促进喷雾雾化,高效、快速制备准均质可燃混合气的作用机理；借助于燃油热强化与不同喷油策略以及燃烧边界条件的优化匹配,实现了直喷式柴油机的高效清洁燃烧。本文的研究成果为实现柴油喷雾强化混合过程以适应现代内燃机均质压燃燃烧模式的需要提供了一条新的技术途径。本文的研究内容和所取得的成果主要有以下几个方面：就国内外研究机构对HCCI发动机试验与数值模拟研究的现状进行了综述,全面分析了目前推广应用HCCI燃烧方式存在的一些技术瓶颈问题。通过重点分析了解“瞬态”条件下燃烧边界条件与燃料设计协同控制关键技术问题的最新研究进展,认识到在控制HCCI燃烧过程的诸多方法中,燃料理化特性的差异对HCCI预制混合气的制备及其燃烧过程的影响值得加以深入探究。针对常规柴油饱和蒸汽压较低、液体粘度和表面张力较大、喷雾雾化性能较差、以及因滞燃期短所导致的柴油均质预混合气制备时间受限等难题,首次开展了柴油热强化以在缸内快速形成可燃混合气的机理探索性研究。根据CFD多维模型与详细化学反应机理耦合计算的需要,建立了燃料热物性参数与燃烧反应机理的数据库。以多维CFD程序KIVA-3V为平台,在其中加入了过热油滴两区蒸发模型、PaSR湍流燃烧模型以及Hyroyasu-Nagle碳烟排放模型,建立了探索柴油热强化改善喷雾雾化混合和燃烧过程机理的数值模拟平台,完成了相关应用程序的调试及模型参数的调整,改进和完善了三维数值计算程序。藉此对早喷条件下不同喷油始点、预喷射策略及喷射燃油温度对缸内混合气充量浓度和温度不均匀性的影响进行了计算研究。研究表明：燃油温度对喷雾的蒸发混合过程有重要的影响,温度越高缸内的浓度及温度分布就越均匀,缸内居于预喷射平均当量比附近的混合气体积就越大,且高温燃油能有效地解决早喷燃油“湿壁”问题。在高温燃油喷射条件下,预喷射次数的变化对缸内混合气形成的影响趋于减弱。结合台架实验受试发动机的结构与运转参数的实际,利用激光粒度仪,率先对定容室内柴油热强化温度对其喷雾场微观特性的影响进行了实验观测研究。研究结果表明：随着燃油喷射温度的升高,液滴沿轴向和径向的SMD均减小,且不同位置SMD的差异减小。在实验研究的基础上,就燃油热强化对定容室喷雾的宏观及微观特性的影响进行了数值模拟研究。结果表明：燃油温度对喷雾宏观及微观特性具有重要影响,随着喷射燃油温度的升高,喷雾液相和气相贯穿距缩短,燃油温度愈高则其对液相贯穿距的影响更为显著；喷雾的SMD随燃油温度的升高而减小：喷雾的气相体积随燃油温度的升高而迅速增大。与此同时,燃油温度升高对喷雾体内当量比的分布影响明显,浓混合气所占的比重随着燃油温度的升高而增加,当燃油温度达530k时,气相混合气中燃空当量比大于2的油气质量约占所蒸发油气总质量的70%。实验与计算结果均表明,柴油热强化有利于改善唢雾的雾化、蒸发和混合气形成过程。以受试柴油机ZS195为研究对象,构建了柴油热强化改善喷雾雾化混合和燃烧过程的专用实验台架,开发了高压油管燃油加热控制系统。针对燃油热强化后其热物性参数的变化,进行了预热柴油经高压燃油泵柱塞套间隙的泄漏撮测量试验,分析了预热柴油热物性对燃油喷射特性和高压燃油泵泄漏量的影响。实验表明，采用直接诶加热高压油管的方式,温度越高燃油泵的泄漏率越大,转速越低,燃油泵的泄漏量亦越大；但即使在燃油强化温度达513k、发动机转速为1000转/分条件下,燃油泄漏率也仅为1.2%。结合燃油热强化技术措施,研究了原机及换装多孔喷嘴配合模拟EGR技术(进气添加二氧化碳)对发动机燃烧和排放特性的影响。研究表明,燃油预热温度对发动机燃烧与排放的影响程度与发动机负荷、喷油特性参数、EGR等燃烧边界条件密切相关。借助于超多孔喷油嘴以及合适的燃油喷射温度、喷油时间、进气添加少量C02等技术措施,能够改善直喷柴油机喷雾混合与燃烧过程。对于实际发动机存在着一个改善燃油经济性的最佳燃油温度范围,在此温度范围内,可兼顾发动机的燃油经济性与低排放性能。应用改进的KIVA-3V程序,就ZS195柴油机燃油高温热强化及不同喷射策略实现DI,PCCI-DI和PCCI三种燃烧模式进行了数值模拟研究,探讨了主、预喷射定时,预喷比例及EGR对混合气形成,燃烧和排放的影响。结果表明：对于DI燃烧模式的中等负荷工况,仅通过燃油早喷即可达到同时降低NOx和碳烟排放的目的；而在高负荷工况,NOx排放显著增加,且单纯利用早喷策略,发动机的IMEP降低明显。对于PCCI-DI燃烧模式,预喷射始点越靠后,主喷射始点时刻缸内预喷射燃油的分别越不均匀,且这种不均匀性导致缸内过早出现局部高温反应区,从而导致着火始点提前；预喷射始点为65BTDC,主喷射终点为5～10BTDC时,能在较宽的预喷射范围内同时获得较低的排放和较好的燃油经济性。对于进气添加二氧化碳的PCCI燃烧模式,在预喷射始点为65BTDC时,主喷时刻在较大的范围内变化,发动机都能获得较低的排放和较好的燃油经济性。三种燃烧模式对比可知,单纯采用早喷策略对发动机经济性的负面影响明显；采用PCCI-DI燃烧模式,经济性得到改善,部分排放物大幅减少,但中等负荷时CO排放增加明显,而高负荷时NOx排放明显增加；高负荷下采用PCCI燃烧模式,发动机在碳烟,NOx和CO均大幅下降的同时,其燃油经济性也能得到一定程度的改善。