本研究从燃料含氧量、与柴油互溶性、物性参数以及燃料分子结构等角度出发,选择了二甲氧基甲烷(DMM)、碳酸二甲酯(DMC)、己二酸二乙酯(DEA)、生物柴油和乙醇等五种有代表性的含氧化合物作为柴油含氧添加剂。系统地开展了柴油/二甲氧基甲烷、柴油/碳酸二甲酯、柴油/己二酸二乙酯、柴油/生物柴油、柴油/生物柴油/乙醇等多种柴油/含氧化合物混合燃料的燃烧、气体和微粒排放研究。此外,对柴油/二甲氧基甲烷混合燃料结合废气再循环系统(EGR)以及柴油掺混不同种类含氧燃料结合柴油氧化催化转化器(DOC)的燃烧、气体和微粒排放进行了研究,力图阐明具有相同含氧量的不同种类含氧燃料燃烧与排放的个性和共性特征,特别是对降低发动机排气微粒质量和数量浓度的作用。为优化柴油机掺混合适种类和比例的含氧燃料提供理论和实验基础。　　本研究的主要结论和创新点有:　　1.开展了柴油掺混不同比例二甲氧基甲烷(DMM)结合废气再循环系统(EGR)和柴油催化氧化器(DOC)的燃烧和排放特性研究。结果表明,柴油掺混DMM后可有效降低CO排放、碳烟及微粒数量浓度,NOx无明显的上升,HC排放随着DMM的增加有所上升。与纯柴油相比,柴油/DMM混合燃料的缸内峰值压力和放热率增加、峰值压力和放热率出现的曲轴转角滞后;与此同时,预混燃烧量增加,扩散燃烧量减小,预混燃烧放热率曲线峰值增大,扩散燃烧速度加快,发动机燃用含氧燃料后的累积放热率曲线斜率更大,燃烧等容度较好;柴油机掺混 DMM使燃烧得到改善,热效率有所提高,当量柴油有效燃油消耗率降低。采用废气再循环系统(EGR)可以显著降低 NOx排放,但同时会引起CO、HC、碳烟和微粒排放的上升。随着EGR率的增加,柴油机的最大爆发压力和峰值放热率下降,最大爆发压力出现的位置略微后移。EGR的使用必须综合考虑以上因素,在低、中负荷时可以使用较大的EGR率以减少NOx排放,而在大负荷时考虑使用较小的EGR率来达到气体和微粒排放水平一个较好的折中。柴油催化转化器(DOC)在较为宽广的工况范围内可以显著降低CO和THC排放,特别是在高负荷下效果明显。在部分负荷下采用大比例EGR率,高负荷下采用较小比例EGR率,试验用自然吸气式小型直喷柴油机燃用50％DMM并结合DOC是一种可以满足较为严格排放标准的可行方式。　　2.开展了柴油机掺烧碳酸二甲脂混合燃料后的燃烧、气体及微粒排放特性研究。试验结果表明:DMC可以导致较长的滞燃期,从而使得预混燃烧期内的缸内燃烧压力和燃烧放热率明显增加,与此同时扩散燃烧期和总燃烧期明显缩短。随着DMC添加比的增加,油耗升高,有效热效率在高负荷时略有增加;CO、NO2、甲醛以及SOF在微粒中的质量比增加,NOx和NO排放出现波动,而HC、乙醛、乙烯、乙炔、丙烯和1,3-丁二烯等气体排放呈现下降的趋势;苯、甲苯和二甲苯在低负荷时波动,在中高负荷时呈现下降的趋势。尾气中的碳烟排放、微粒质量和数量浓度随着DMC的添加明显降低,颗粒物几何平均直径向小粒径方向移动;虽然粒径小于50和100nm的颗粒物数量随着DMC的增加而减少,但是这些颗粒物在总的微粒数量中的比例逐渐增加。柴油氧化催化转化器可以有效降低各种气体的排放。微粒经过DOC后,微粒的质量和数量浓度可以进一步降低,而几何平均直径向大尺寸方向移动,说明DOC对降低小微粒的作用更明显。　　3.研究了柴油掺烧己二酸二乙酯混合燃料后的燃烧、气体及微粒排放特性。结果表明:DEA导致了较长的滞燃期,使得滞燃期内可燃混合气增加,造成预混燃烧放热率和压力升高率峰值增加,燃烧速率增加使得扩散燃烧期和总燃烧期明显缩短。随着DEA掺混量的增加,有效燃油消耗率增加,热效率在发动机高负荷时略有升高;CO、HC、NO2、甲醛、乙醛以及SOF在微粒中的质量比增加,NOx和NO排放出现波动,而乙烯、乙炔、丙烯、1,3-丁二烯、微粒质量和总数量浓度等呈现下降的趋势;苯、甲苯和二甲苯随着DEA掺混比的增加在低负荷时波动,在中高负荷时呈现下降的趋势。颗粒物粒径小于50和100nm的颗粒物数量随着DEA的增加而减少,但它们在总的微粒数量中的比例逐渐增加,此外,颗粒物尺寸向小粒径方向移动。柴油氧化催化转化器可以有效降低常规和非法规气体的排放。微粒经过DOC后质量和数量浓度可以进一步降低,而几何平均直径向大尺寸方向移动。　　4.通过研究柴油掺烧生物混合燃料后的燃烧、气体及微粒排放,发现生物柴油导致燃烧始点提前。随着生物柴油掺混量的增加,混合燃料的缸内峰值燃烧压力逐渐升高,瞬时放热率和压力升高率除了柴油在中高负荷时出现峰值外,混合燃料的瞬时放热率和压力升高率逐渐上升。随着生物柴油的添加,滞燃期略有缩短,预混燃烧期、扩散燃烧期以及总燃烧期在中低负荷时略有增加,而在高负荷时基本不变。随着生物柴油掺混量的增加,有效燃油消耗率增加,热效率在发动机中高负荷时逐渐上升;CO、NO2、甲醛、乙醛、乙烯、乙炔、丙烯和1,3-丁二烯等气体排放增加;NOx排放出现波动;HC、甲苯、二甲苯和微粒质量浓度随着生物柴油掺混比的增加明显降低;苯排放在发动机中高负荷时呈现下降的趋势,而在较低负荷区则呈现波动的现象。微粒数量浓度在发动机中低负荷时随着生物柴油的添加逐渐升高,而随着发动机负荷的进一步增大呈现降低的趋势。同柴油相比,生物柴油掺混比较小的两种混合燃料的几何平均直径变化不大,而掺混比较大的混合燃料和纯生物柴油的几何平均直径明显减小。在所有发动机工况下,混合燃料的PN<50nm和PN<100nm颗粒物总数占总微粒数的百分比都呈现上升的趋势。柴油氧化催化转化器可以有效降低大多数常规和非常规气体的排放。　　5.通过开展对柴油掺烧生物柴油和乙醇混合燃料后的燃烧和排放特性研究发现,随着燃料中乙醇含量的增加,燃烧滞燃期逐渐延长,其中DBE5的滞燃期略小于柴油,其余两种混合燃料的滞燃期大于柴油。滞燃期的延长使得滞燃期内可燃混合气增加,造成预混燃烧放热率和压力升高率峰值增加,扩散燃烧期和总燃烧期明显缩短。随着乙醇掺混量的增加,有效燃油消耗率增加,有效热效率在发动机中、高负荷时略有升高;CO、HC、NO2、甲醛、乙醛和二甲苯的排放增加,而乙烯、乙炔、丙烯、1,3-丁二烯、苯、微粒质量浓度和数量浓度呈现下降的趋势;甲苯随着乙醇含量的增加在低负荷时略有升高,在中高负荷时有所下降,NOx排放在发动机高负荷时略有下降。颗粒物粒径小于50和100nm的颗粒物数量随着乙醇含量的增加而减少,但它们在总的微粒数量中的比例逐渐增加,颗粒物尺寸向小粒径方向移动;。柴油氧化催化转化器可以有效降低常规和非法规气体的排放。微粒经过 DOC后质量和数量浓度可以进一步降低,而几何平均直径向大尺寸方向移动。　　6.通过对相同含氧量下不同种类含氧燃料的燃烧、气体及微粒排放特性对比,发现相同含氧量下,由于四种含氧燃料的十六烷值不同导致了燃烧始点有较大的不同。缸内燃烧压力、瞬时放热率和压力升高率峰值基本上随着滞燃期的延长而增大,依次为DB、DMC、DEA和DBE。由于混合燃料滞燃期、低热值和汽化潜热的综合影响,同柴油相比,含氧燃料的BSFC增加、BTE在发动机高负荷时有所提高。相同含氧量下,DBE的CO和HC排放最高而DB的CO和HC排放最低。中高负荷时,NOx排放最高的为DMC,最低的为DBE。不同种类的含氧燃料由于分子结构和物性参数的不同,从而对应着不同的颗粒物排放降低效果,其中含有羟基(醇类)的分子对颗粒物排放降低效果最高,DEA的降低效果最差,DMC和DB介于二者之间。选用不同种类的含氧燃料时要综合考虑与柴油的互溶性、燃料本身的氧含量高低以及物性参数等因素,从而确定合适的含氧燃料种类和添加比例。　　7.应用Fire软件对柴油机的燃烧过程进行了多维数值模拟,模拟结果显示柴油机缸内压力计算结果与试验数据有较好的一致性。通过对缸内温度场的分析,发现随着燃烧的进行,缸内温度不断升高直到燃气温度在最高燃烧压力出现不久后到达峰值。此后,随着活塞的不断下移,已燃气体不断膨胀,燃烧室温度逐渐降低。缸内 NOx和Soot质量分数的分布图表明,NOx生成依赖缸内温度场的分布,温度高的区域NOx浓度越高,温度低的区域NOx浓度相对越低。Soot先导物在燃烧之初就开始生成,随后在扩散燃烧中急剧增加和不断氧化,总的趋势是Soot质量分数呈现先增后减的趋势。缸内温度和氧浓度随着EGR率的增加而下降,与此同时NOx排放显著降低。