本文从燃料设计的角度来探讨对现有柴油机的燃烧特性和排放特性的改善潜力,同时在新建立的HCCI燃烧研究平台上对发动机实现新型高效超低排放的HCCI燃烧模式进行了研究,分析了HCCI燃烧的着火时刻和燃烧速率的控制规律.根据燃料设计概念,选用多种含氧燃料与柴油以不同比例互溶互混,改变燃料的输运参数和化学特性.以不同比例的甲缩醛/柴油混合燃料为研究对象,采用激光相位多普勒技术,测试了混合燃料在一定喷射压力下的喷雾特征,揭示了甲缩醛/柴油混合燃料喷雾的粒径和速度分布规律.为了考察燃料理化特性对柴油机燃烧和排放特性的影响,在一台高速多缸柴油机上进行了实验研究,重点评价了混合燃料的氧含量对柴油机的性能影响.本文在乙醇柴油混合燃料中加入适当比例的十六烷值改进剂,成功的解决了中低负荷下的CO和HC排放升高的问题.由于HCCI燃烧受化学动力学控制,因此研究碳氢燃料,特别是基础燃料(正庚烷和异辛烷)的氧化机理相当重要.本文采用数值模拟方法,研究了正庚烷和异辛烷在相同当量比、不同进气温度下HCCI燃烧过程中第一阶段着火、第二阶段着火、负温度系数区(NTC)的典型特点,以及反应物、一些重要的中间产物和最终生成物的历程.进一步在发动机上对正庚烷、RON25、RON50、RON75、RON90和异辛烷在不同负荷下的HCCI燃烧特性和排放特性进行了试验研究.系统地分析了燃料辛烷值对第一阶段反应的着火时刻、压力升高量和温度升高量、累计放热量和第二阶段反应的着火时刻、燃烧持续期的影响.研究发现燃料第一阶段反应对第二阶段着火时刻有显著的影响.针对高辛烷值燃料不容易压燃的缺点,本文在RON90燃料和异辛烷中加入一定比例的过氧化二叔丁基(DTBP),达到了控制高辛烷值燃料着火时刻、提高燃烧效率、降低排放的目的.在燃料设计对燃料物理化学特性改善,以及各种基础燃料的HCCI燃烧和排放特征的研究基础上,对柴油、25％、50％、75％DMM/柴油和纯DMM采用气口喷射方式进行HCCI燃烧研究.通过柴油和DMM的混合,HCCI燃烧的运转范围向低转速、高负荷范围得到拓展,在大负荷下的较高Nox排放采用大比例的冷却EGR而降低到很低的水平.根据本文研究结果,提出了针对HCCI着火和燃烧速率控制的燃料设计基本原则.