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正丁醇是具有发展潜力的内燃机生物替代燃料。均质充量压缩着火(HCCI)方式是提升传统汽油机热效率的有效方案。将正丁醇应用于HCCI发动机是缓解能源供需紧张的重要措施。本文利用负气门重叠角策略，在单缸四冲程发动机上研究了平均指示有效压力(IMEP)≤0.3MPa，当量空燃比条件下正丁醇/乙醇-汽油HCCI发动机燃烧特性和排放规律，并研究了不同推迟着火时刻方式对正丁醇HCCI发动机燃烧特性的影响。此外，本文还通过化学反应动力学方法研究了在高废气稀释条件下正丁醇与异辛烷的低温燃烧关键控制机理。得出以下主要结论：
燃用正丁醇/乙醇-汽油混合燃料的发动机可以在HCCI燃烧模式下稳定运行，其着火时刻与醇类燃料种类以及掺混比例有关。在转速、气门相位和升程相同以及当量空燃比下，随着正丁醇/乙醇掺混比增加，HCCI发动机着火时刻提前，燃烧持续期缩短，压力升高率增大，指示热效率下降，IMEP减少。掺混比相同时，使用正丁醇-汽油时的HCCI发动机着火时刻比使用乙醇-汽油时的更早，燃烧持续期更短，指示热效率与IMEP更低。当内部废气再循环率(IEGR)>38%时，随着IEGR增加，使用汽油时的HCCI发动机着火时刻推迟，但是使用正丁醇与乙醇时的着火时刻提前。在混合燃料含氧量相同时，混合燃料中正丁醇质量分数高于乙醇质量分数，正丁醇-汽油比乙醇-汽油更易于着火，使得燃烧持续期缩短。
醇类-汽油燃料种类和掺混比还会影响HCCI发动机的排放特征。随着正丁醇掺混比增加，HCCI发动机氮氧化合物排放减少。转速为1500rpm时，随着正丁醇/乙醇掺混比增加，HCCI发动机的甲醛排放、乙醛排放、乙烯排放、甲烷排放逐渐增加，但芳香烃排放会急剧减少。使用乙醇-汽油时HCCI发动机的丙烯排放下降，但使用正丁醇-汽油时的丙烯排放会增加。体积掺混比相同时，使用正丁醇-汽油时的HCCI发动机乙醛和甲烷排放低于使用乙醇-汽油时的，但是使用正丁醇-汽油时的甲醛、乙烯、芳香烃排放分别高于使用乙醇-汽油时的。
减小有效压缩比和空气稀释两种方法均可推迟正丁醇HCCI发动机着火时刻，降低最大压升率，并改善指示热效率。在1500rpm，循环燃油量为11.3mg时，使用两种方式将着火时刻由-6.8℃AATDC推迟到3.3℃AATDC，使用空气稀释法时HCCI发动机的燃烧持续期更长，最大压升率下降更快，指示热效率更高。但是使用空气稀释方式推迟着火时刻会导致正丁醇HCCI发动机循环波动上升，燃烧不稳定性增加，限制其持续推迟着火时刻。
IEGR、燃料分子结构以及进气门关闭时刻缸内温度(TIVC)均会影响HCCI发动机低温燃烧过程。模拟研究发现，TIVC为535K、IEGR为0%时，正丁醇HCCI 发动机着火时刻早于异辛烷，IEGR由0%增加到50%，异辛烷着火时刻推迟幅度大于正丁醇。在低温阶段，正丁醇的主要脱氢产物α-羟丁基通过加氧反应生成正丁醛与HO2?，该反应会抑制OH?低温链分支反应，但是会促进正丁醇生成HO2?并累积H2O2;异辛烷分子中的伯碳原子和支链结构增加了加氧反应和异构反应活化能，既抑制OH?低温链分支反应，也不利于生成HO2?和累积H2O2。正丁醇生成H2O2的峰值浓度是异辛烷的6.24倍。温度超过1000K，H2O2生成OH?链分支反应加速，导致正丁醇的着火时刻早于异辛烷。残余废气中的H2O会促进H2O2分解生成OH?，正丁醇在低温阶段易于累积H2O2，有利于其在高内部废气稀释条件下生成OH?，并导致残余废气对正丁醇HCCI发动机着火时刻的抑制作用显著小于异辛烷。在TIVC为555K、575K与595K下，残余废气对正丁醇与异辛烷着火时刻抑制作用具有类似趋势。
燃用正丁醇/乙醇-汽油混合燃料的发动机可以在HCCI燃烧模式下稳定运行，其着火时刻与醇类燃料种类以及掺混比例有关。在转速、气门相位和升程相同以及当量空燃比下，随着正丁醇/乙醇掺混比增加，HCCI发动机着火时刻提前，燃烧持续期缩短，压力升高率增大，指示热效率下降，IMEP减少。掺混比相同时，使用正丁醇-汽油时的HCCI发动机着火时刻比使用乙醇-汽油时的更早，燃烧持续期更短，指示热效率与IMEP更低。当内部废气再循环率(IEGR)>38%时，随着IEGR增加，使用汽油时的HCCI发动机着火时刻推迟，但是使用正丁醇与乙醇时的着火时刻提前。在混合燃料含氧量相同时，混合燃料中正丁醇质量分数高于乙醇质量分数，正丁醇-汽油比乙醇-汽油更易于着火，使得燃烧持续期缩短。
醇类-汽油燃料种类和掺混比还会影响HCCI发动机的排放特征。随着正丁醇掺混比增加，HCCI发动机氮氧化合物排放减少。转速为1500rpm时，随着正丁醇/乙醇掺混比增加，HCCI发动机的甲醛排放、乙醛排放、乙烯排放、甲烷排放逐渐增加，但芳香烃排放会急剧减少。使用乙醇-汽油时HCCI发动机的丙烯排放下降，但使用正丁醇-汽油时的丙烯排放会增加。体积掺混比相同时，使用正丁醇-汽油时的HCCI发动机乙醛和甲烷排放低于使用乙醇-汽油时的，但是使用正丁醇-汽油时的甲醛、乙烯、芳香烃排放分别高于使用乙醇-汽油时的。
减小有效压缩比和空气稀释两种方法均可推迟正丁醇HCCI发动机着火时刻，降低最大压升率，并改善指示热效率。在1500rpm，循环燃油量为11.3mg时，使用两种方式将着火时刻由-6.8℃AATDC推迟到3.3℃AATDC，使用空气稀释法时HCCI发动机的燃烧持续期更长，最大压升率下降更快，指示热效率更高。但是使用空气稀释方式推迟着火时刻会导致正丁醇HCCI发动机循环波动上升，燃烧不稳定性增加，限制其持续推迟着火时刻。
IEGR、燃料分子结构以及进气门关闭时刻缸内温度(TIVC)均会影响HCCI发动机低温燃烧过程。模拟研究发现，TIVC为535K、IEGR为0%时，正丁醇HCCI 发动机着火时刻早于异辛烷，IEGR由0%增加到50%，异辛烷着火时刻推迟幅度大于正丁醇。在低温阶段，正丁醇的主要脱氢产物α-羟丁基通过加氧反应生成正丁醛与HO2?，该反应会抑制OH?低温链分支反应，但是会促进正丁醇生成HO2?并累积H2O2;异辛烷分子中的伯碳原子和支链结构增加了加氧反应和异构反应活化能，既抑制OH?低温链分支反应，也不利于生成HO2?和累积H2O2。正丁醇生成H2O2的峰值浓度是异辛烷的6.24倍。温度超过1000K，H2O2生成OH?链分支反应加速，导致正丁醇的着火时刻早于异辛烷。残余废气中的H2O会促进H2O2分解生成OH?，正丁醇在低温阶段易于累积H2O2，有利于其在高内部废气稀释条件下生成OH?，并导致残余废气对正丁醇HCCI发动机着火时刻的抑制作用显著小于异辛烷。在TIVC为555K、575K与595K下，残余废气对正丁醇与异辛烷着火时刻抑制作用具有类似趋势。