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在能源短缺与环境污染问题日益严重的背景之下，内燃机节能减排成为内燃机行业发展的必由之路。传统内燃机无法同时兼顾热效率提升与排放降低使得下一代内燃机研发步履维艰，采用低碳清洁燃料以及新型燃烧模式的发动机应运而生。柴油甲醇组合燃烧(Diesel Methanol Compound Combustion, DMCC)模式就是新型燃烧方式中的典型代表。前期研究表明，该燃烧模式不仅能实现热效率的大幅提升，而且能够同时降低NOx和soot排放。但是该种燃烧模式的高效燃烧区域较小，整体排放水平较难达到国VI排放法规。因此，拓展DMCC发动机运行边界，实现全工况高效清洁燃烧，是该种燃烧模式急需解决的问题。
本文在一台加装了DMCC系统的增压中冷电控柴油机开展了运行边界探究的研究。采用试验与模拟研究相结合的研究方法，基于对DMCC发动机燃烧特点的认识，拓展了DMDF(Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF)燃烧模式的运行边界，提出了抑制甲醇缸内异常燃烧的措施，最后基于对DMCC发动机实现高效清洁燃烧原因的分析，总结出DMCC发动机实现主要运行范围高效清洁燃烧的机理。本文得出的主要结论如下：
(1)发现了DMDF存在的几种典型燃烧模式。依照燃烧时序以及放热率曲线形状划分，DMDF可以划分为四种典型的燃烧模式。(1)柴油与预混甲醇混合气同时燃烧型的DMDFmode1，其对应的放热率曲线形状呈现n型；(2)柴油引燃预混甲醇的可控快速燃烧型的DMDFmode2，其对应的放热率曲线形状呈现m型；(3)甲醇混合气先于柴油着火型的DMDFmode3，其对应的放热率曲线呈现M型；(4)与传统柴油机燃烧型式类似的DMDFmode4，其放热率曲线呈现h型。研究发现，DMDFmode1和DMDFmode2能够实现高效清洁燃烧，是DMDF燃烧优化的方向。
(2)阐明了抑制甲醇缸内早燃的具体措施。混合气温度是甲醇发生自燃的关键因素，通过控制缸内的温度可以有效避免甲醇缸内早燃。EGR能够实现对甲醇早燃的抑制，其原因主要是由于EGR含有高热容的CO2和H2O，降低了缸内的燃烧温度。氧浓度的改变对甲醇的燃烧几乎没有影响。甲醇自燃另一个重要的影响因素是当量比。随当量比增加，甲醇的着火时刻提前，放热率峰值增大，累计放热量也增加，从而使缸压明显增加。通过控制缸内甲醇当量比可以确保发动机处于安全设计极限。
(3)有效地拓展了DMCC发动机的运行边界。拓展后的运行边界相比于原运行边界消除了爆震区和低效区，扩大了高效区的面积。研究发现，新的运行条件下，限制DMCC发动机运行边界拓展的主要原因变为失火以及燃烧效率低。拓展后DMDF模式运行边界点与同等边界条件纯柴油模式点相比而言，不仅能明显提高大部分工况的热效率，而且能实现同时降低NOx和soot排放。研究结果显示soot排放的降幅远高于NOx排放的降幅，最高降幅高达99.38%，对应NOx排放最高降幅为33.33%。
(4)发现了DMDF模式热效率高于纯柴油模式是多因素同时发挥作用的结果。首先有效输出功的增加。由于甲醇气化吸热能够降低进气充量的温度从而减小压缩负功，使得DMDF模式的有效输出功要高于纯柴油模式；其次是减少散热损失，甲醇雾化吸热会降低冷却水和机体温度，从而减少散热损失；然后是减少了排气损失。DMDF模式下发动机的排气温度明显低于纯柴油模式，这使得排气带走的热量减少。这些因素同时发挥作用使得DMDF模式的有效热效率明显高于纯柴油模式。
(5)提出了DMCC发动机实现高效清洁燃烧的途径。DMDF燃烧模式下，柴油以接近预混的方式燃烧，而甲醇是以均质压燃的方式燃烧，近均质预混燃烧方式为DMDF实现高效清洁燃烧提供了基础，而真正实现的关键在于控制好双燃料的燃烧过程。另外，DMDF模式下高比例甲醇替代是实现柴油预混燃烧的关键。高替代率下引燃甲醇的柴油都将以预混的方式燃烧，有效减少了扩散燃烧的过程。再者，温度是甲醇燃烧方式转变的关键。提高缸内温度能有效提高甲醇的燃烧效率，与此同时预混甲醇活性的提升也能有效地提高甲醇燃烧效率。
本文在一台加装了DMCC系统的增压中冷电控柴油机开展了运行边界探究的研究。采用试验与模拟研究相结合的研究方法，基于对DMCC发动机燃烧特点的认识，拓展了DMDF(Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF)燃烧模式的运行边界，提出了抑制甲醇缸内异常燃烧的措施，最后基于对DMCC发动机实现高效清洁燃烧原因的分析，总结出DMCC发动机实现主要运行范围高效清洁燃烧的机理。本文得出的主要结论如下：
(1)发现了DMDF存在的几种典型燃烧模式。依照燃烧时序以及放热率曲线形状划分，DMDF可以划分为四种典型的燃烧模式。(1)柴油与预混甲醇混合气同时燃烧型的DMDFmode1，其对应的放热率曲线形状呈现n型；(2)柴油引燃预混甲醇的可控快速燃烧型的DMDFmode2，其对应的放热率曲线形状呈现m型；(3)甲醇混合气先于柴油着火型的DMDFmode3，其对应的放热率曲线呈现M型；(4)与传统柴油机燃烧型式类似的DMDFmode4，其放热率曲线呈现h型。研究发现，DMDFmode1和DMDFmode2能够实现高效清洁燃烧，是DMDF燃烧优化的方向。
(2)阐明了抑制甲醇缸内早燃的具体措施。混合气温度是甲醇发生自燃的关键因素，通过控制缸内的温度可以有效避免甲醇缸内早燃。EGR能够实现对甲醇早燃的抑制，其原因主要是由于EGR含有高热容的CO2和H2O，降低了缸内的燃烧温度。氧浓度的改变对甲醇的燃烧几乎没有影响。甲醇自燃另一个重要的影响因素是当量比。随当量比增加，甲醇的着火时刻提前，放热率峰值增大，累计放热量也增加，从而使缸压明显增加。通过控制缸内甲醇当量比可以确保发动机处于安全设计极限。
(3)有效地拓展了DMCC发动机的运行边界。拓展后的运行边界相比于原运行边界消除了爆震区和低效区，扩大了高效区的面积。研究发现，新的运行条件下，限制DMCC发动机运行边界拓展的主要原因变为失火以及燃烧效率低。拓展后DMDF模式运行边界点与同等边界条件纯柴油模式点相比而言，不仅能明显提高大部分工况的热效率，而且能实现同时降低NOx和soot排放。研究结果显示soot排放的降幅远高于NOx排放的降幅，最高降幅高达99.38%，对应NOx排放最高降幅为33.33%。
(4)发现了DMDF模式热效率高于纯柴油模式是多因素同时发挥作用的结果。首先有效输出功的增加。由于甲醇气化吸热能够降低进气充量的温度从而减小压缩负功，使得DMDF模式的有效输出功要高于纯柴油模式；其次是减少散热损失，甲醇雾化吸热会降低冷却水和机体温度，从而减少散热损失；然后是减少了排气损失。DMDF模式下发动机的排气温度明显低于纯柴油模式，这使得排气带走的热量减少。这些因素同时发挥作用使得DMDF模式的有效热效率明显高于纯柴油模式。
(5)提出了DMCC发动机实现高效清洁燃烧的途径。DMDF燃烧模式下，柴油以接近预混的方式燃烧，而甲醇是以均质压燃的方式燃烧，近均质预混燃烧方式为DMDF实现高效清洁燃烧提供了基础，而真正实现的关键在于控制好双燃料的燃烧过程。另外，DMDF模式下高比例甲醇替代是实现柴油预混燃烧的关键。高替代率下引燃甲醇的柴油都将以预混的方式燃烧，有效减少了扩散燃烧的过程。再者，温度是甲醇燃烧方式转变的关键。提高缸内温度能有效提高甲醇的燃烧效率，与此同时预混甲醇活性的提升也能有效地提高甲醇燃烧效率。