发展详细准确的碳烟生成机理对柴油机碳烟排放控制具有十分重要的理论意义和实用价值。构建包含柴油所有组分的详细动力学机理是不现实的,而采用替代燃料来表征柴油的某些重要组分是当前一个行之有效的方法。本文通过CFD耦合化学动力学的数值模拟与试验研究相结合的方法,开展柴油替代燃料碳烟生成机理的研究。本文首先搭建KIVA-CHEMKIN数值模拟平台,采用块结构化网格生成技术对三维模型进行离散化处理,利用余隙-侧隙容积法对网格模型进行压缩比补偿,并在实际发动机工况下对其进行了可行性验证。随后采用“半解耦”思想构建了一个包含111种组分和542个反应的正庚烷-丁基苯-多环芳香烃(BRF-PAH)柴油多组分替代模型,并提出了一个最敏感反应的评价体系。丁基苯子机理则通过DRGEP、敏感性分析和反应路径分析等方法简化得到。基于滞燃期的敏感性系数图对该模型的关键动力学参数进行优化调整。验证结果表明:优化后的动力学模型在滞燃期、层流火焰速度、组分浓度和HCCI发动机等方面均能够与试验结果吻合较好。尤其在碳烟前驱物乙炔(C2H2)、苯(A1)和茚(IND)等方面表现出了良好的预测性能。在一台四缸高速柴油机上开展四种不同柴油替代燃料的DICI试验,对比研究不同燃料的燃烧和排放性能表现情况,并对碳烟粒径分布进行了分析。结果表明:甲苯或丁基苯的加入都会使混合燃料的滞燃期延长,但掺混相同比例丁基苯对滞燃期的影响明显比甲苯弱;TRF20(20%甲苯+80%正庚烷)和BRF30(30%丁基苯+70%正庚烷)的滞燃期都与柴油接近,且在燃烧和排放性能方面基本相似,均可作为柴油的替代燃料;在碳烟粒径分布方面,BRF30的粒径分布明显不同于TRF20,其在发动机常用工况下与柴油更加接近,尤其是核态颗粒。为了进一步阐明不同替代燃料的碳烟生成机理,采用CFD计算程序耦合BRF-PAH简化机理进行不同柴油替代燃料缸内直喷燃烧与碳烟排放的多维数值模拟计算。结果表明:预测结果能够与试验结果保持一致;丁基苯或甲苯的添加促进了 PAH和碳烟的生成,同时也改善了燃油混合过程从而减少碳烟生成,因此,最终碳烟生成情况取决于上述两种过程的竞争结果;从碳烟粒径和数密度的空间分布来看,BRF30比TRF20更易产生小颗粒,且BRF30能够更好表现柴油的粒径分布情况。综上所述,丁基苯比甲苯更适合作为柴油中芳香烃的表征组分。此外,本文机理很容易拓展到更为完善的柴油多组分替代燃料简化机理中,对实现PAHs和碳烟排放的准确预测具有十分重要的意义。