自18世纪第一次工业革命以来,人类见证了飞速发展的科技给生活带来的无穷妙处,也逐渐对化石燃料产生过度依赖,如今化石燃料的极端消耗正将人类推向危险的处境。因为原油作为一种不可再生化石燃料,与现代工业、军事、生活等等密切相关,目前由于原油问题已引发了数次大规模战争。为了在能源日益枯竭的未来而不至让悲剧继续上演,学者们多年来致力于探索合适的代用燃料。而生物柴油由于制作简单、原料丰富、可直接用于柴油机等诸多优点获得众多学者青睐。近年来关于生物柴油的实验研究颇多,但是学者们对生物柴油燃烧领域的认识依旧存在一定的局限,这主要是因为数值模拟缺少合适的燃烧机理而难以进行。随着学者们对生物柴油详细燃烧机理的研究,可用于柴油机模拟的简化燃烧机理也随之呈现,但是这些简化燃烧机理却无法深入研究脂肪酸甲酯(Fatty acid methyl esters,FAMEs)组份比例对于燃烧的影响。理由有三点。第一,部分简化燃烧机理以固定比例或单一组份代替所有生物柴油。第二,几乎所有的燃烧机理都缺少生物柴油中的一种重要的C=C双键组份"亚油酸甲酯(Methyl linoleate,ML)"。第三,缺少Soot预测功能。为此,本课题以国家自然科学基金项目"微粒捕集器过滤体复合再生与多场协同机理及其优化研究(51176045)"和新加坡教育部项目"Development of an ultralight diesel engine for UAVs application(R-265-000-529-112)" 为依托,从上述三点为突破口展开了 一系列的研究。以下即为本文主要工作与创新点:(1)首次构建了一个包含ML的生物柴油四组份简化燃烧机理。该机理共有106个反应物和263个化学反应,并通过着火延迟计算、反射激波管实验和发动机实验进行了机理验证。结果表明该机理可预测不同组份比例(即不同FAMEs比例)的生物柴油在柴油机中的燃烧过程与 NOx排放趋势,并且该简化燃烧机理比不含ML的简化燃烧机理的相关预测结果更为精确。(2)探索FAMEs比例对生物柴油燃烧与排放特性的影响。从缸压、累积热释放、热释放率、指示功率、NOx排放多个角度详细研究了四种典型生物柴油的燃烧与排放特性。结果发现,生物柴油各组份的化学着火延迟和粘度对于燃烧过程都有重要影响。虽然较高的饱和度的确缩短了生物柴油的化学着火延迟时间,但是较高含量的棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯或是油酸甲酯(一种单双键不饱和组份)都将导致较差的燃料雾化蒸发效果。而高含量的ML和亚麻酸甲酯(Methyl linolenate,MLE)虽然有利于燃料雾化蒸发,但却会导致NOx排放增加,并且NOx排放与课题研究的几种生物柴油的C/H/O比例并无太大关系。这说明,饱和度对于生物柴油燃烧过程的影响并非简单而直接,在选用生物柴油燃料时应当权衡各组份的比例。(3)将Soot反应路径耦合入新构建的简化燃烧机II。Soot作为柴油机的另一种主要排放物,目前大多数简化燃烧机理却无法对其生成及排放趋势进行预测。本课题基于一详细的n-heptane燃烧机理与经典的HACA(H abstraction&C2H2 addition)机制向上述简化燃烧机理中添加Soot相关的反应路径。最终的简化燃烧机理包含134个反应物和475个化学反应,并使用着火延迟计算,定容燃烧弹实验和发动机实验进行验证。验证表明,再度构建的简化燃烧机理能够较好的预测各组份的着火延迟以及定容燃烧弹中的火焰浮起长度、Soot分布趋势,并与此前构建的简化燃烧机理在柴油机中预测的缸压、热释放率和NOx排放趋势无明显区别,而柴油机中的Soot生成趋势也符合理论情况。故在此基础上使用再度构建的简化燃烧机理预测了上述四种典型生物柴油在2400rpm/10%、50%和100%载荷条件下的Soot生成趋势。结果发现,所使用的燃烧室由于内测壁面具有"凸凸起"结构,容易在底部堆积Soot,这一现象在50%载荷下尤为明显,而高粘度的生物柴油则更易堆积Soot。(4)使用耦合有Soot反应的简化燃烧机理进行变参数研究。预测并详细分析了改变压缩比、喷油提前角、排气再循环(Exhaust gas recirculation,EGR)率和燃烧室形状对于蓖麻油甲酯在2400rpm/10%、50%和100%载荷条件下燃烧排放特性的影响。结果表明提高压缩比、提前喷油能够使得缸压上升,着火提前,但是可能使得柴油机工作粗暴,并且NOx排放增加,而指示功率和Soot排放趋势在不同载荷条件下有所不同。增加EGR率使得缸压下降,着火时间不变,指示功率下降,NOx排放大幅下降,Soot排放增加。另外,设计燃烧室时避免燃烧室内出现可堆积Soot的结构则能明显减少50%和100%载荷条件下的Soot排放,但是燃烧室喉长的影响不容忽略,喉长较长虽然能够使100%载荷条件下发动机循环一个周期产生更高的指示功率,但是燃烧时间随之延长也使得100%载荷条件下的NOx排放急剧增加,并且较长的喉长会使得10%载荷条件下出现极差的燃油雾化蒸发现象。新构建的两个简化燃烧机理都能准确预测各种FAMEs比例的生物柴油燃烧特性,但是耦合Soot反应后,柴油机工作相关的计算时间大幅延长。对于四种生物柴油的详细研究可为燃油选择提供有力的参考依据,而柴油机变参数研究也可为生物柴油发动机的优化设计提供一定的参考价值。