面对日益严重的能源安全和环境污染问题,发动机均质压燃(HCCI)燃烧新技术的研究受到越来越多的关注。均质压燃燃烧具有高效,超低NOx和Soot排放的特点,但仍然面临着着火与燃烧控制及运行负荷范围狭小的问题,这是制约其工程应用的主要因素。为此本文基于燃料设计的理念,探索了通过控制燃料性质来优化HCCI发动机燃烧、拓展运行负荷范围的新途径。本文首先搭建了基于优化动力过程(OKP)的四缸汽油HCCI发动机试验台架。应用基于温度控制的发动机SI/HCCI运行模式切换策略,实现了汽油HCCI发动机以废气换热器加热进气方式的运行。在此基础上,通过汽油均质压燃与火花点燃运行模式的比较,深入研究了汽油HCCI燃烧的特点。研究表明,较低的新鲜空气进气量及缸间变动是限制多缸汽油HCCI发动机运行负荷范围拓展的重要因素。应用进气增压和提高压缩比的措施增加进气量,拓展了汽油HCCI运行的负荷范围,但仍难以满足工程应用的需要。根据燃料设计的理念,提出了应用汽油、正庚烷双燃料实时控制优化发动机HCCI燃烧,进一步拓展HCCI发动机运行负荷范围的新方法,研究了双燃料对HCCI发动机运行的影响规律。研究表明,应用双燃料实时控制策略,可以有效地降低HCCI发动机运行对进气及冷却液温度的要求,提高了循环进气量。应用双燃料喷射降低了进气温度,缩小各缸散热损失的差异,从而减小多缸HCCI发动机的缸间变动。进气温度和EGR率对HCCI燃烧的影响存在临界值。当进气温度或EGR率处于临界值时,HCCI燃烧热效率最高,且循环变动、最大压升率、排放均处于较低水平。随着燃料中正庚烷比例的升高,临界进气温度降低,临界EGR率升高。利用双燃料结合进气增压、EGR、进气温度控制、冷却液温度控制等措施可以有效地拓展HCCI发动机运行负荷范围、降低燃油消耗率与污染物排放。综合优化后,HCCI发动机负荷上限可达9.3bar,输出扭矩86N?m,接近原SI发动机同转速最大扭矩的70%。与SI原机相比,在28.5 N?m/1600rpm工况下,双燃料HCCI发动机BSFC降低20.8%,NOx排放降低99.9%;在60 N?m/1600rpm工况下,BSFC降低16.7%,NOx排放降低99.4%。根据双燃料HCCI发动机低负荷运行的规律,提出了基于实时控制的燃料设计实现发动机SI/HCCI运行模式切换的策略,并进行了试验研究。研究表明,基于燃料设计的发动机模式切换可以大幅缩短切换周期,在极短的时间内(约10个发动机循环)实现发动机运行模式的切换。基于燃料性质的发动机模式切换有效地降低了切换过程对发动机运行工况的要求,实现了怠速工况下的运行模式切换,解决了HCCI发动机的冷启动问题。火花点火对拓展HCCI发动机运行负荷范围具有一定的意义。本文分别研究了燃料性质与EGR对火花点火辅助HCCI发动机的影响。研究表明,火花点火对HCCI燃烧的影响与燃烧阶段有关,低温反应阶段的火花点火,有助于降低循环变动及压升率,但会造成CO排放的增加;高温反应阶段的火花点火可以提高HCCI发动机热效率,但会对循环变动及压升率造成不利影响。