随着对内燃机超高效率和近零排放的不断追求,迫切需要人们准确掌握实际燃料在发动机缸内的精准物理化学过程。但实际柴油组分十分复杂,一般包含上百种甚至上千种组分,且组分及其比例均存在不确定性。针对实际柴油组分的复杂性、波动性,采用有限组分且比例确定的混合物构建合理的柴油模型燃料,使其理化性质、应用性能与实际柴油相同或接近,对柴油燃烧基础理论研究以及实际应用研究均有重要意义。目前已有的柴油模型燃料构建方法更多是从燃料本身的物理化学特性以及官能团和碳原子分布角度出发,无法真正反映柴油在实际发动机的运行性能。基于上述观点,本文立足于实际柴油理化性质以及柴油在发动机中的燃烧和排放性质,提出构建柴油模型燃料的新方法。本文首先测量与分析了柴油中的主要碳族组分及其质量分数;在此基础上,在柴油中添加高比例模型燃料的主要候选单体（包括四种直链烷烃、三种支链烷烃、两种环烷烃、四种芳香烃）,从而调制柴油的物理化学特性,精确计算和测量混合燃料的密度、黏度、表面张力、十六烷指数、馏程曲线等主要理化参数。为了尽可能探明每一种成分的理化特性参数对发动机性能与排放的影响,在一台改造的单缸发动机上开展了发动机试验,并且针对每一种燃料在同一工况下分别进行了相同喷射时刻以及相同着火时刻（CA10）的两组试验。通过对实际柴油理化性质的测定以及柴油添加不同模型燃料组分在发动机上的燃烧排放性质,本文以实际柴油密度、表面张力、不饱和度以及十六烷指数为关键参数,提出构建柴油模型燃料数学模型,并分别构建三组分、五组分以及七组分柴油模型燃料。考虑到实际发动机运行过程中参数的多样性（包括负荷、喷油策略、废气再循环等）以及实际柴油组分的复杂性,本文进一步在不同发动机运行工况对模型燃料进行验证。研究结果表明:本文所构建的多组分模型燃料均可以精确复现实际发动机不同负荷条件下缸内燃烧过程;在排放特性方面,氮氧化物的吻合非常好,CO在中等负荷下与柴油存在较小的偏差。在全负荷范围内,五组分模型燃料各种气态排放物的累计偏差最小;三组分、五组分模型燃料在较宽的直喷正时条件下均能准确再现柴油燃烧过程;在不同直喷正时条件下,模型燃料与柴油CO、NOx排放均十分接近,五组分模型燃料HC排放及颗粒物总数目排放较三组分模型燃料更接近柴油;采用两段喷射模式时,模型燃料能再现缸内柴油早喷引起的低温放热现象。在预喷时刻较早时,模型燃料CO排放较柴油高,且这种差异随着预喷时刻的推迟而降低。模型燃料HC排放在不同预喷时刻下均较柴油高,NOx排放与柴油在不同预喷时刻条件下均十分接近。在预喷时刻较早时,模型燃料由于产生大量核膜态颗粒物,导致颗粒物总数目较柴油高,随着预喷时刻的推迟,颗粒物总数目与柴油大致相同;在EGR率低于60%时,模型燃料与柴油缸内压力曲线和燃烧历程均十分吻合,但EGR率为60%时,模型燃料燃烧相位较柴油推迟约0.5oCA。与之对应的是,CO排放在低EGR率时与柴油十分接近,但当EGR率达到60%时,模型燃料CO排放高于柴油。在不同EGR率条件下,模型燃料HC排放均略高于柴油,NOx排放与柴油十分接近;模型燃料中分别添加甲基壬基甲酮、菲时,在中小负荷下CO略有升高,添加氯代十二烷、1-十四烯会改善颗粒物排放,添加甲基壬基甲酮对颗粒物总数目排放影响不大,添加三环芳香烃菲会导致颗粒物排放急剧增大。预混合压缩燃烧模式（Premixed Charge Compression ignition:PCCI）采用高EGR率结合缸内多段喷射的可燃混合气组织模式,燃料的反应活性对预喷柴油的缸内活化过程以及主喷柴油的燃烧滞燃期都具有重要影响;燃料的挥发性对缓解缸内预喷柴油的碰壁以及燃油在缸内整体分布规律十分关键。因此,在前文构建模型燃料的基础上,进一步通过调制五组分柴油模型燃料的成分及其比例,分别控制燃料的十六烷值和挥发性,对比研究了PCCI模式下燃料十六烷值及挥发性对燃烧和排放的影响。研究结果表明:在相同直喷正时下,燃料十六烷值对燃烧相位起主导作用;低十六烷值燃料有助于抑制PCCI模式下预喷燃料的过早燃烧,且随着直喷燃料十六烷值的降低,燃烧持续期不断缩短,放热更集中,但会导致较高的压力升高率;排放方面,降低直喷燃料十六烷值会导致CO、HC排放增大,直喷不同十六烷值燃料颗粒物粒径峰值大小关系不固定,但降低燃料十六烷值对抑制粒径大于20nm颗粒物排放效果显著。单喷策略下,提高燃料挥发性可降低CO排放;在预喷比较低时,改善燃油的挥发性可有效降低预喷柴油导致的较高CO排放,但随着预喷比的增大,提高燃油挥发性对CO排放改善作用被弱化;在预喷时刻较早时,燃料挥发性对CO排放改善作用明显,但预喷时刻晚于40oCA,提高燃料挥发性对CO排放的抑制能力下降;在不同的预喷时刻下,提高燃料的挥发性均使得粒径介于20nm至200nm的颗粒物数目浓度降低。通过归一化分析发现,提高燃油挥发性在不同的喷油控制条件下均能改善CO、HC排放及指示油耗,降低燃料十六烷值会导致CO、HC排放及指示油耗升高;在试验工况条件下,通过调整喷油策略,可实现低NOx、低油耗工况,其中在保证NOx排放低于200ppm前提下,提高燃油挥发性更具降低指示油耗潜力,在优化喷油策略的基础上,通过调制燃料理化性质可使得指示油耗低于180g/kWh。化学反应动力学控制压缩燃烧模式（Reactivity Control Compression Ignition:RCCI）由于采用气道喷射加缸内直喷的双喷油策略,对燃油种类的适应性更好,成为国际研究热点。本文基于提出的柴油模型燃料并结合三组分汽油模型燃料（TRF）,通过调制柴油模型燃料十六烷值、汽油模型燃料辛烷值,系统的研究RCCI模式气道喷射燃料反应活性、直喷燃料反应活性以及缸内混合气反应活性（气道喷射燃料比例）对燃烧过程的影响。主要结论如下:气道喷射高辛烷值燃料时,缸内直喷燃料十六烷值对RCCI模式燃烧相位起主导作用;随着气道喷射燃料辛烷值降低,燃烧相位不断提前,燃烧持续期逐渐缩短。在低预混合率下,随着气道喷辛烷值的增大,CO排放逐渐降低;在预混合率为0.6时,辛烷值在80左右时,CO排放最低,辛烷值的升高及降低,均会使得CO排放升高;在预混合率较高时,随着辛烷值的增大,CO排放不断增大。HC排放与气道燃料辛烷值、缸内直喷燃料十六烷值间关系复杂,在低预混合率时,HC排放在低RON低CN区域排放较高,随着RON的降低、CN的增大,HC排放逐渐降低;在预混合率为0.6、0.8时,分别存在一个高HC排放区域,在该区域的两侧,HC排放逐渐降低。预混合率的增大可有效抑制NOx排放及颗粒物排放,且使得颗粒物几何平均直径下降;通过系统研究直喷燃料十六烷值、气道喷射燃料辛烷值以及预混合率,发现在有效着火范围内,预混合率0.8、CN30配合TRF70时,NOx排放较低。非常规排放方面,RCCI模式烃类氧化物排放和烯炔烃排放主要受预混合率控制,在低预混合率时,烃类氧化物排放较低,随着预混合率的增大,烃类氧化物排放不断增大,且在燃烧恶化区域,烃类氧化物排放急剧增大。RCCI模式指示油耗随着预混合率的增大有下降的趋势。在预混合率为0.4、0.6时,指示油耗随着缸内燃料反应活性增大而不断降低;在预混合率0.8时,气道喷TRF70结合缸内直喷CN30,指示油耗降至185g/kWh,且此时NOx排放也低至250ppm,据此提出气道喷低辛烷值燃料（Low RON fuel）、缸内直喷低十六烷值燃料（Low CN fuel）的LLRCCI模式。与DI、PCCI模式对比发现,LLRCCI模式NOx排放最低,且能改善DI模式颗粒物排放,指示油耗介于DI模式与PCCI模式之间,但LLRCCI模式HC、CO及有害非常规排放较高。