发动机是将燃料的化学能转化为机械能的装置，是交通运输工具最重要的动力源。随着全球经济的高速发展，对货物运输和旅客出行的需求大幅上升，交通运输消耗的石油量也逐年增加。近年来，尽管电动车等新能源交通工具取得了快速发展，但是从当前世界能源消费结构以及对未来能源消费的预测来看，未来相当长的一段时间内，从石油中提炼得到的汽油、柴油和航空煤油等传统碳氢燃料仍将是交通运输领域的主要能源。为了满足未来低碳交通的要求，发动机需要在提高热效率的同时进一步降低有害物的排放。这就需要清楚认知传统碳氢燃料的燃烧特性，以便更加合理精确地控制和组织其在发动机燃烧室内的燃烧过程。鉴于商用运输燃料成分的复杂性，在实际应用时通常采用构建具有相似理化性质的替代物模型的方法来进行模拟计算研究。芳香烃是运输燃料的主要成分之一，是构建发动机燃料替代物模型必不可少的组分。因此，研究芳香烃燃料的基础燃烧特性，明晰不同结构官能团对芳香烃燃料燃烧特性的影响，对于替代物模型的构建具有重要意义。目前已有文献中缺乏系统性针对不同分子结构芳香烃着火延迟期的化学反应动力学对比研究，对层流火焰速度的研究主要集中在具有不同烷基支链结构的烷基苯类燃料上，且实验工况与发动机燃烧室内实际工作状况仍有一定差距，数据并不完善。
本文在国家自然科学基金的资助下　，选择具有相同碳原子数但不同官能团的芳香烃燃料：乙苯和苯乙烯进行对比研究，在宽广工况下测量了两种燃料的着火延迟期和层流火焰速度；在CFR（Coorperative　Fuel　Research）燃烧装置的HCCI（Homogeneous　Charge　Compression　Ignition）燃烧模式下获得了燃料的临界压缩比和放热率，研究了掺混正庚烷对这两种燃料临界压缩比和放热率的影响；分析了苯环上不同支链结构对燃料燃烧特性的影响。取得的主要研究结果和创新点如下：
（1）在宽广的工况下测量了苯乙烯的着火延迟期，为化学反应动力学机理的构建和验证提供了基础燃烧数据。采用多元线性回归法，获得了苯乙烯着火延迟期与温度、压力、当量比、燃料摩尔分数等实验条件的Arrhenius关系式。对比乙苯着火延迟期，在较高温度区间，苯乙烯着火延迟期更短；在较低温度下，乙苯更易着火。根据着火延迟期实验数据，在现有芳香烃化学反应动力学基础上，改进了包含苯乙烯、乙苯的化学反应动力学机理。采用改进机理，结合反应路径和敏感性分析，从化学反应动力学角度阐明了苯乙烯和乙苯着火延迟期差异的原因。研究表明，不同温度区间内两种燃料主要消耗路径的差异是造成其着火延迟期差异的主要原因。高温区间，乙苯主要通过燃料单分子分解反应生成更多的具有共轭稳定结构的苄基，导致乙苯着火延迟期更长。低温区间乙苯主要通过脱氢反应消耗，苄基自由基生成明显减少。苯乙烯着火过程中的苄基主要是由苯乙烯燃料分子与氧气的氧化分解反应生成，受温度影响较小。在低温区间，苯乙烯着火过程中的苄基浓度更高，呈现更长的着火延迟期。
（2）获得了苯乙烯层流火焰速度，采用多元线性回归法拟合得到了苯乙烯层流火焰速度关于初始温度、混合气当量比的拟合关系式。对比乙苯层流火焰速度，苯乙烯具有更高的层流火焰速度。研究了输运因素、热物性和化学反应动力学因素对苯乙烯和乙苯层流火焰速度的影响，结果表明化学反应动力学因素是引起两种燃料层流火焰速度差异的主要原因。采用本文改进的化学反应动力学机理，通过路径分析、敏感性分析和火焰结构分析，揭示了造成苯乙烯、乙苯层流火焰速度差异的原因。分析结果表明，浓混合气中的燃料分子浓度高，乙苯分子分解生成苄基的反应在乙苯消耗路径中占比更高，乙苯火焰中苄基浓度更高，苄基与H原子的加成反应对乙苯火焰传播的抑制作用更强，导致乙苯层流火焰速度较慢。稀混合气中的燃料分子浓度较低，乙苯单分子分解反应占比显著减小，乙苯火焰中苄基浓度降低，对乙苯火焰传播抑制作用减弱。乙苯主要通过苄基位脱氢生成1-苯乙基的反应消耗，该反应对乙苯火焰的传播有较强的抑制作用。浓混合气的富氧环境促进苯乙烯火焰中苄基的生成，苄基对苯乙烯火焰的传播有着较强的抑制作用。乙苯火焰中的1-苯乙基浓度高于苯乙烯火焰中的苄基浓度，因此1-苯乙基对乙苯火焰传播的抑制作用更强。苯基氧化生成邻苯醌的反应对两种燃料火焰的传播都有较强的促进作用。苯乙烯火焰中邻苯醌浓度更高，对苯乙烯层流火焰促进作用更强。
（3）在CFR燃烧装置上，获得了HCCI燃烧模式下苯乙烯、乙苯的放热特性和临界压缩比。结果表明，苯乙烯、乙苯拥有相似的放热速率，均呈现单一的高温放热，乙苯具有更小的临界压缩比。研究了掺混正庚烷对苯乙烯、乙苯着火以及放热特性的影响。掺混正庚烷后，混合燃料的临界压缩比显著降低且大小相近。混合燃料呈现典型的高低温两阶段放热。分析了燃料的HCCI燃烧过程，结果显示混合燃料的低温放热是由正庚烷的强低温氧化活性引起的。低温氧化反应中，正庚烷通过脱氢、氧化和异构化等一系列反应生成氢过氧化酮化合物，氢过氧化酮化合物进一步分解成甲醛。这一系列反应生成的OH自由基促进了其他氧化反应的进行，形成低温放热。正庚烷在低温氧化反应中生成的小分子自由基，被苯乙烯和乙苯分子以相似的速率所消耗，促进了苯乙烯、乙苯的分解，导致混合燃料临界压缩比的减小。分析了高温放热时刻OH自由基的生成和消耗，揭示了掺混正庚烷对混合燃料高温放热的影响。混合燃料高温放热初始时刻OH自由基的生成和消耗路径为小分子自由基之间的反应，这些反应拥有相似的反应速率，两种混合燃料燃烧过程中OH自由基累积速率相似，导致两种混合燃料具有相近的高温放热初始相位。因此，在构建包含正庚烷和芳香烃燃料的替代物模型时，可忽略芳香烃燃料自着火特性的影响，该结论对实际燃料替代物模型的构建具有重要的指导意义。