石油等不可再生化石燃料日益减少并面临枯竭，以石油为基础的现代交通燃料体系支撑的人类物质文明正受到严重威胁。开发石油替代产品，减缓石油消耗增长，已成为我国能源开发战略的重中之重。目前研究与应用比较成熟的替代燃料主要是乙醇汽油，我国市场出售的乙醇汽油掺混的是无水乙醇(99.2%以上乙醇度)，但是每吨含水乙醇(95%乙醇度)在生产成本上要比无水乙醇低1000元左右，因此含水乙醇具有更明显的经济效益。缸内直喷汽油机(GDI)以其冷启动性能好、经济性好、响应速度快等优点，已成为汽油机未来发展的主流。因此，为了充分发挥汽油缸内直喷技术的优势，利用含水乙醇的经济效益，实现能源替代的可持续发展目标，本文从含水乙醇汽油化学反应动力学机理、CFD数值模拟、发动机台架试验等三个方面研究含水乙醇汽油直喷发动机的燃烧特性。主要研究工作如下：
　　(1)引入“半解耦”简化机理的方法，在总结分析现有乙醇反应机理的基础上，构建了具有64种物质、194个基元反应的乙醇汽油机理，并在不同的工况下进行了验证，具有较好的准确性。利用该乙醇汽油机理对不同含水量的乙醇燃烧进行模拟，模拟值与试验值相差较小，扩展了乙醇汽油机理对含水乙醇的适用性。
　　(2)研究了水对乙醇燃烧反应的影响。随着含水量的升高，层流燃烧速度下降，着火延迟期上升，火焰结构中HO2、H2O2、CH3、OH、O、H等活性基团浓度下降，水对乙醇的燃烧具有较强的抑制作用。水对乙醇燃烧的物理影响占主导地位，物理因素对层流燃烧速度的影响超过91%，对着火延迟期超过83%。
　　(3)利用发动机试验台架，在一台2.0L涡轮增压GDI发动机上，研究不同含水乙醇比例对发动机燃烧和排放的影响。结果表明，不同负荷下，随着含水乙醇量的增加，着火延迟期增加，燃烧持续期减小，缸压峰值升高，缸压峰值时刻提前，CA50时刻提前，放热峰值时刻提前。含水乙醇的添加能改善GDI发动机燃烧特性。E10W的等效油耗最低。含水乙醇的添加使CO排放减小，HC排放减小，NOx排放上升。
　　(4)运用CFD软件CONVERGE，耦合验证过的乙醇汽油燃烧反应机理，建立缸内直喷发动机工作过程模型，进行燃用汽油(E0)、含水乙醇汽油(E20W)的缸内燃烧分析。缸内燃烧过程情况分析显示，OH、Soot、CO、NOx、O2、当量比、温度之间的对应关系与现有研究且验证的发动机缸内各个参数的对应关系一致，进一步验证了乙醇汽油燃烧机理宏观趋势上的准确性。
　　(5)对燃用含水乙醇汽油(E20W)进行喷射参数优化，改变单次喷射的喷油时刻，随着喷油时刻的推迟，燃油碰壁量减小，燃油蒸发率、缸内最高温度、NOx排放先上升后下降，CA50时刻、Soot排放先减小后增加，综合分析单次喷射时刻-270℃A时最优。改变二次喷油的时刻和喷油比例，相比占总喷油量50%的二次喷射，二次喷射占比25%的混合气均匀性好、燃油碰壁多，对Soot排放的改善大；二次喷射占比25%、二次喷射时刻-130℃A最优。
　　(6)对分层稀燃模式进行了探索。模拟了当量比0.66(过量空气系数1.5)的分层稀薄燃烧，喷射时刻在-120°~-100℃A之间时，喷射的油束与缸内气流配合较好，能在火花塞周围形成混合气分层，火焰传播形状较为规则，-110℃A喷射的分层效果最好。分层燃烧能降低缸内燃烧温度，使NOx下降明显，Soot、HC、CO排放上升。
　　构建的含水乙醇汽油燃烧机理为模拟计算提供了理论基础，CFD模拟和台架试验有助于含水乙醇汽油的实际应用。本文的研究有利于更好地推广含水乙醇汽油。