在国际社会对内燃机节能减排呼声日益高涨的背景下,高效清洁内燃机燃烧新技术始终是国内外关注的热点。随着以均质压燃、低温燃烧为代表的新一代内燃机燃烧技术研究的深入,人们发现燃用高挥发性、低活性(高辛烷值)燃料的低温燃烧模式可以在保持高热效率的同时实现低排放。本研究在不同燃烧边界条件下针对低活性燃料低温燃烧技术开展了系统的研究。废气再循环(EGR)、进气增压和进气冷却系统的工作状态是决定低活性燃料低温燃烧燃烧边界条件的重要因素,因此先进的空气系统是实现高效清洁燃烧的前提和基础。本研究首先针对两级增压系统设计和控制参数以及复合EGR控制策略等开展研究,创新提出了基于可变截面两级增压(VGT+FGT)和复合EGR的先进空气系统设计和匹配原则。研究表明,两级增压系统的级间冷却强度、各级增压器等熵效率和压比分配是影响发动机泵气损失和热效率的主要因素。采用级间冷却(ISC)能够明显提高两级增压总效率和增压压力并改善燃油经济性。压比分配应根据级间冷却强度和各级增压器效率进行设计和调整,VGT+FGT两级增压能够在不同工况优化废气能量和压比分配,提高发动机有效热效率。对EGR策略的研究表明,EGR策略与发动机运行工况、氮氧化物(NOx)原始排放控制和增压器匹配有关,高压EGR适合高转速工况,低压EGR适合低转速大负荷工况,在中等转速工况或超低NOx原始排放控制条件下则需要采用复合EGR。对EGR与可变截面增压器(VGT)协同控制策略的研究表明,泵气损失高的工况应在采用高压EGR全开基础上优化VGT关度和低压EGR阀开度;而泵气损失低的工况宜采用低压EGR,利用VGT优化提高增压器效率。据此,作者提出了VGT+FGT两级增压、ISC和复合EGR组成的先进空气系统,作为低活性燃料低温燃烧试验研究的空气系统方案。针对全工况开展了汽油压燃低温燃烧(GCI)性能和排放控制策略的试验研究,探讨了不同NOx原始排放控制目标对GCI高效清洁运行燃烧控制策略的影响。研究表明,GCI在低转速工况燃油经济性好、有害排放明显低于柴油低温燃烧,因此低转速化是GCI在重型商用发动机上应用的一个技术方向。随着发动机负荷或转速的增加,汽油的高挥发性和低活性特性对油气混合、燃烧和排放的影响变小。在高速高负荷工况,采用较早时刻喷油并提高喷油压力的策略有利于提高燃油经济性,并且相对柴油燃料可大幅降低有害排放。小油量预喷射能够有效降低有效比油耗(BSFC)、有害排放和最大压力升高率(MPRR),并改善中低负荷工况燃烧效率和燃烧稳定性。当不限制NOx原始排放时,GCI适合采用低轨压两次喷油策略结合较早燃烧相位(CA50相位),NOx原始排放为5 g/kW-h时燃油经济性最好,最高有效热效率达到44%。最后,作者研究了燃料理化特性对低温燃烧性能和排放影响的规律,以及燃烧边界条件对低活性含氧燃料低温燃烧高效清洁燃烧控制策略的影响。研究表明,燃料组分稀释作用对降低soot的贡献随稀释比增加而增大、随发动机负荷升高而降低。在中低负荷工况,燃料低活性对降低soot排放的影响更大,在高负荷工况,稀释作用对降低soot排放的作用更显著。在柴油中掺混80%正丁醇的DB80燃料使用大流量喷油器能够提高燃烧速率、降低soot排放和BSFC。对于高转速高负荷工况,即使在原始排放满足欧VI限值时,DB80仍能保持较好的燃油经济性,比柴油燃料燃油消耗率最高改善2%。随着发动机NOx原始排放降低,低活性含氧燃料相对柴油的燃油经济性改善越明显。柴油正丁醇混合燃料实现清洁燃烧的最佳正丁醇比例与发动机运行工况和NOx原始排放控制目标密切相关。在满负荷工况,DB80混合燃料的NOx和soot比排放可分别降低到0.5 g/kW-h和0.01 g/kW-h,在SCR转化效率为95%时即可满足未来超低NOx排放法规限值(0.027g/kWh)的要求,因此低活性含氧燃料可大大降低满足未来超低排放法规的技术难度。