能源危机与环境污染是内燃机发展所面临并亟需解决的两大问题。高效清洁的新型燃烧技术与替代燃料相结合为内燃机的节能、减排提供了新的技术路线。本文以合成气为替代燃料,基于反应活性控制压燃(RCCI)模式,探究了合成气/柴油RCCI发动机在节能、减排方面的应用潜力。结合KIVA-3V程序与遗传算法(NSGA-Ⅱ)对合成气/柴油RCCI发动机的运行参数进行了全面优化,系统地探究了关键运行参数对燃烧和排放性能的影响,并在宽负荷工况下提出了优化控制策略以实现发动机高效、清洁、稳定的运行。采用NSGA-Ⅱ对不同型号的合成气/柴油RCCI发动机以及合成气/二甲醚RCCI发动机进行了性能优化,对比分析了发动机缸径尺寸、活塞形状以及直喷燃油属性对于RCCI性能的影响,同时深入分析了优化控制策略的选取机制。基于二甲醚重整制备合成气技术,提出了单一燃料的合成气RCCI发动机系统概念。通过三维流体力学计算软件COMSOL Multiphysics建立了二甲醚重整反应器的数值模型,并与合成气/二甲醚RCCI发动机的数值计算相耦合,从而对该发动机系统的性能表现进行了全方面的评估。(1)为探讨合成气RCCI发动机的应用潜力,详细讨论了在中等转速和低负荷下,合成气组分、合成气预混比、初始进气温度以及合成气内部H2/CO 比例对合成气/柴油RCCI发动机(发动机A)燃烧和排放性能的影响。通过采用较高H2比例的合成气、较高的预混比以及适当的初始温度,可以实现合成气RCCI发动机的高效、清洁燃烧。合成气的预混稀薄燃烧能够有效降低燃烧温度,有助于抑制氮氧化物(NOx)排放物的生成,并从根源上大幅降低了大分子烃类燃料燃烧带来的碳烟(soot)排放。此外,预混比与初始温度的调节能够有效控制发动机的燃烧相位(CA50),但声响强度(RI)限制了初始温度的调节范围。通过优化合成气内H2/CO 比例能够改善燃油效率和NOx排放,同时将RI控制在合理范围内。(2)以改善燃油经济性、降低NOx排放和RI作为优化目标,针对不同负荷下的合成气/柴油RCCI发动机(发动机A)进行了优化计算。优化结果表明,高预混比以及较早的预喷燃油时刻是实现合成气/柴油RCCI低温预混燃烧的关键。采用双次喷油策略并结合较晚的主喷油时刻能够改善低负荷(指示平均有效压力,IMEP=0.47 MPa)燃烧效率并降低中、高负荷(IMEP=0.77和1.67 MPa)的RI。随着负荷的提升,需要降低初始进气温度,提高初始进气压力并且采用更高的废气再循环(EGR)率来实现对发动机RI的控制。通过对运行参数的优化,可以实现合成气/柴油在宽泛负荷范围下的高效、稳定燃烧,从而实现等效指示燃油消耗率(EISFC)、RI和NOx排放的协同共优。此外,为衡量合成气组分中稀释气体对RCCI燃烧过程的影响,提出了稀释系数C作为衡量依据。根据不同负荷下的优化结果并参考合成气的现实制备工艺,构建了一个可实现合成气/柴油RCCI在宽负荷下高效、清洁燃烧的合成气组分,其中H2/CO 比例为75%,稀释系数C为0.8。(3)为拓展合成气RCCI的应用范围,对比分析了低负荷下不同机型(发动机A与发动机B)以及不同直喷燃油(二甲醚与柴油)的合成气RCCI优化结果,探讨了合成气RCCI在不同应用环境下的潜力并提出了相应控制策略。当发动机缸径和活塞形状发生改变时,应采用不同的供油策略与之相匹配。其中,预混比和喷油压力主要受缸径大小的影响,而喷油方式(单喷或是双喷)则参照活塞形状的变化。缸径的减小应采用更高的初始进气温度和压力,而合成气优化组分则基本不受发动机缸径与活塞形状变化的影响。此外,通过合成气/二甲醚以及合成气/柴油RCCI优化(发动机C)的对比分析发现,二甲醚相比柴油更高的十六烷值和更优异的蒸发特性,导致高预混比下缸内高活性区域的聚集。由于合成气/二甲醚RCCI的着火均始于活塞中心区域并随后向缸壁传递,其需要较高的H2比例推迟二甲醚的着火时刻并且拓宽预混合成气的着火极限,从而保证近壁面处预混合成气的充分燃烧。相比合成气/柴油RCCI,二甲醚与合成气的配合能够在更宽泛的预混比下实现高效、清洁的RCCI燃烧模式,具有突出的应用潜力。(4)采用COMSOL Multiphysics和KIVA-3V程序分别对二甲醚重整反应器与合成气/二甲醚RCCI发动机进行了数值计算并加以耦合。该发动机系统中,二甲醚重整所需能量由发动机尾气提供,而重整反应器出口产物直接作为发动机的预混燃料。相比二甲醚CDC与PCCI等燃烧模式,该发动机系统在RI和NOx方面具有显著优势,解决了二甲醚燃烧过快、局部温度过高等问题。同时,先进的燃烧模式与尾气能量的回收同时改善了发动机系统的燃油经济性,而通过尾气能量回收所改善的热效率在1～2%左右。为进一步改善该发动机系统整体燃烧和排放性能,进入重整反应器的预混二甲醚比例应保持在70%左右,而重整制取的合成气中H2能量占比应保证在30%左右。