生物柴油是一种优良的可再生的柴油替代燃料，是国内外热点研究的代用燃料之一。但是由于生物柴油的原料来源多样性，导致其理化特性与石化柴油存在显著的差异，而物性的差异就可能引起燃料在蒸发雾化特性和自燃特性上的差异。另外，虽然生物柴油会带来发动机常规排放特性的改善(NOx除外)，但是目前法规未进行限制的有害排放物特性则可能存在不同，这些也是目前亟待解决的问题。同时，排放法规的进一步严格，更加先进的技术得以在柴油机上应用。若要进一步扩展生物柴油的应用，在先进柴油机上的应用研究也是必不可少的。本文结合“国家高技术研究发展计划（863计划）项目——生物柴油组分及汽车匹配技术研发（2006AA11A1A2）”，针对生物柴油的基础喷雾燃烧特性、发动机缸内的燃烧特性以及常规和非常规排放特性进行了研究，主要工作内容及结论如下:　　 1.生物柴油喷雾特性研究　　 为了研究生物柴油与柴油喷雾特性的差异，搭建了燃料的喷雾特性试验台。在大气环境下，对不同喷雾参数条件下的生物柴油与柴油的喷雾特性进行了研究。试验结果表明，随着喷射压力的增大，生物柴油的喷雾贯穿距增大，但是喷雾锥角变化不大。同时喷孔直径和启喷压力对生物柴油喷雾特性的影响与柴油的规律基本一致。生物柴油和0号柴油喷雾特性结果比较表明，生物柴油具有较大的喷雾贯穿距，增加范围在3％～14％之间，生物柴油的喷雾锥角比柴油减小的范围在23％～54％。导致生物柴油和柴油喷雾特性的差异是源于二者物性参数的差别，其中生物柴油较大的密度是引起其喷雾贯穿距较大的主要因素，而较高的黏度、表面张力和较差的挥发性则是喷雾锥角较小的主要影响因素。　　 2.可控活化热氛围中生物柴油的基础燃烧与排放特性试验研究　　 在可控活化热氛围燃烧器上对生物柴油的自燃特性和火焰内气体排放进行了研究。较高十六烷值的大豆油甲酯(SME)的滞燃期比柴油约短10％，而与柴油十六烷值相当的地沟油甲酯(WOME)的滞燃期则比柴油约长5％。生物柴油混合燃料的滞燃期随着混合比的增加呈先减小后增大的趋势，这是较高十六烷值引起的化学滞燃期的降低和较差的雾化蒸发特性引起的物理滞燃期的增加共同作用的结果。同时表明在着火自燃特性上，化学特性（高十六烷值）对着火提前的影响高于物理特性（高黏度）对雾化不利的影响。纯生物柴油及其高混合比燃料的自燃点位置更接近喷嘴口，同时分布也更加宽广。纯生物柴油的燃烧持续期约为柴油的一半。柴油与生物柴油的静态火焰比较图表明，随着混合比例的增加，火焰内的温度存在明显不同，呈现逐步降低的趋势。对火焰内的气体排放的抽样测试表明气体分布明显呈现对称性，总HC排放随着混合比的增加逐步降低，B20的HC浓度降低范围11.7％～22.4％，B50为11.1％～35.7％，SME为7％～38.9％，WOME为12.5％～42％。而生物柴油燃料的NO排放略低于柴油，这可能与燃料燃烧火焰温度较低有关。　　 3.基于机械泵系统的单缸柴油机上燃用生物柴油的燃烧与排放特性研究　　 在由传统泵-管-嘴为供油系统的单缸水冷柴油机上对生物柴油燃料的排放特性和燃烧特性进行了研究，同时考察了热EGR对生物柴油燃烧和排放特性的影响。与柴油相比，SME平均引起6.4％的NOx排放的增加，而WOME则为9.7％。但不透光烟度排放和CO气体排放则降低，烟度最大降低20％，两种生物柴油对烟度排放的影响比较接近。生物柴油的比油耗明显高于柴油，混合燃料的比油耗的变化基本与燃料的混合比例成正比。缸内燃烧特性分析的结果表明，从压力升高率、燃烧放热率和累积放热量上，都可以明显看到生物柴油着火提前的现象。但生物柴油的燃烧放热率峰值低于基准柴油，这与生物柴油滞燃期短和较差的蒸发雾化特性导致预混合阶段混合气量较少有关。采用10％的废气再循环(EGR)后，生物柴油的NOx排放已经低于柴油的基准NOx排放（无EGR）。同时烟度和油耗几乎不受影响。EGR率的变化对两种生物柴油的燃烧放热率峰值基本不产生影响，这主要是因为生物柴油自身含氧弥补了EGR引起的进气缺氧的不足，保证了燃烧的正常进行。　　 4.生物柴油在共轨柴油机上的适应性与优化匹配研究　　 在国Ⅲ共轨柴油机上对生物柴油混合燃料进行了适应性和优化匹配研究。随着燃料混合比例的增加，外特性点的输出功率下降。B20的功率平均下降为0.8％，B100为7.6％。B20的比油耗平均增加为2.2％，B100为13.1％。生物柴油混合燃料的NOx排放随着混合比例的增加而增加，尤其对高比例混合燃料更加明显，纯生物柴油最大增加幅度达到了30％。这主要是由于喷射提前和燃料的滞燃期短共同引起的燃烧提前，同时分子内氧促进燃烧，最终引起燃烧温度增加的结果。随着混合比例的增加，两级氧化催化器后NOx排放中NO2比例从6％增加到30％，这是由于燃用生物柴油后有利于氧化催化器对NO的氧化。CO排放基本随着燃料混合比的增加逐步降低。烟度排放随着燃料混合比的增加，明显呈线性下降趋势。B20的烟度变化范围为-20％～-4％，B100为-86％～-62％。在不改变此国Ⅲ共轨柴油机任何参数的前提下，考虑混合燃料对发动机动力性、经济性和排放特性的影响不超过1.0％，源自地沟油的生物柴油混合燃料的最大混合比例为10％。　　 5.共轨柴油机燃用生物柴油的非常规气体和颗粒物排放特性研究　　 在国Ⅲ共轨柴油机上对生物柴油的非常规排放特性进行了研究。柴油机的温室气体排放主要为CO2气体，其他温室气体只占到总量的1％左右。在外特性工况和负荷特性下，SO2浓度随着生物柴油混合比的增加逐步降低，SO2浓度基本都低于50×10-6。外特性工况下，生物柴油混合燃料的乙醛排放明显低于基准柴油，而且基本上随着混合比的增加而降低。B10的乙醛排放已经不超过柴油的50％。柴油机燃用生物柴油后的颗粒粒径分布呈现双态分布:核态和聚集态，基本以50nm为分界线。当生物柴油混合比小于60％时，在较高负荷下，混合燃料的颗粒粒径分布呈现双态分布，而纯生物柴油只有聚集态。在小负荷工况下，所有燃料均为单一的聚集态分布。但是生物柴油混合燃料明显可以降低聚集态颗粒的数量，这是由于含氧燃料抑制了碳烟的生成。聚集态颗粒计算质量的变化与滤纸烟度的变化趋势非常一致，这不仅表明颗粒计算质量可以用来表征含氧燃料的氧化作用，而且表明碳烟是聚集态颗粒的主要成分。采用排除法对生物柴油核态颗粒的成分进行了分析，结果表明此共轨柴油机（匹配氧化催化器）燃用生物柴油后的核态颗粒物的成分主要为硫化物。作者认为，核态纳米颗粒的形成机理如下:燃料的硫成分在缸内燃烧生成SO2后，在高效氧化催化器的氧化下转化为SO3，而SO3与排气管中的水分结合形成硫酸，其在一定的稀释取样测试条件下凝结为核态纳米颗粒。所以针对生物柴油混合燃料，只有燃料的硫成分降低到一定的限值之后，才能避免核态纳米颗粒的形成。而纯生物柴油的无硫和超低硫含量特性，有利于降低纳米级核态粒子排放，改善颗粒排放特性。