柴油/甲醇二元燃料燃烧作为一种清洁、高效的新型燃烧模式,在实践中已得到较为广泛的应用,并被国家工信部纳入内燃机替代燃料的主要应用方式之一。随着该燃烧模式的应用对象、区域以及运行环境逐步扩展,提高甲醇替代率、降低柴油替换比(替换柴油的甲醇量)和降低污染物排放的需求越来越明显。为此,需要进一步深化对柴油/甲醇二元燃料燃烧这种新型燃烧模式的认识,进一步完善、发展二元燃料燃烧理论。定容燃烧弹平台及其可视化技术是了解着火和燃烧的重要工具,为了详细了解柴油/甲醇二元燃料的着火和燃烧特性,本研究首先研制了定容燃烧弹光学平台、燃烧产物取样平台、PDPA喷雾试验台,并利用这些平台对柴油/甲醇二元燃料燃油雾化、着火和燃烧过程以及颗粒物理化特性进行了全面的研究。论文具体研究工作和主要结论如下:(一)研制了可实现传统CI和PCCI燃烧模式的定容燃烧弹光学平台,实现了燃烧过程的光学测试和缸内压力变化等参数的同步采集。在此平台的基础上,结合智能时间延迟系统、瞬间淬熄装置和尾气采样装置,进一步开发了定容燃烧弹燃耗产物取样系统,实现了喷油压力、喷油定时、喷油量、采样时刻和淬熄时刻的灵活可靠控制。(二)基于定容燃烧弹光学平台,系统研究了甲醇预混量、环境温度、喷油压力等对柴油/甲醇二元燃料燃烧火焰结构、火焰浮起长度、燃烧特性、滞燃期以及自然发光亮度等的影响。研究结果表明:(1)空气、甲醇两种热氛围下,火焰的浮起长度均呈先降低、保持稳定、再升高的趋势。与空气热氛围相比,甲醇热氛围下的滞燃期、火焰浮起长度变长,火焰结构下游呈现较多的褶皱,预混燃烧比例增加,对应的自然发光亮度降低,碳烟排放减少,且随着甲醇当量比浓度的增加而更加显著。(2)在初始温度为840–920 K的范围内,与空气热氛围相比,甲醇氛围下的滞燃期和火焰浮起长度均较长,且对温度变化更加敏感。随着初始温度的进一步提高,两种热氛围下滞燃期、火焰浮起长度和火焰发光亮度SINL、TINL的差别逐渐变小,当温度达到960 K时,可忽略不计。(3)初始温度是柴油/甲醇二元燃料燃烧的关键因素,其主要影响了低温反应阶段柴油和甲醇之间的化学反应动力学作用,在低温条件下甲醇将活跃的OH转换成不活跃的H2O2,抑制了着火,随着温度的提高,这种抑制作用逐渐减弱并消失。(4)提高燃油喷射压力,可大幅降低喷雾平均索特直径。沿着喷雾发展的方向,SMD逐渐变小;在径向方向呈现轴线中心大,轴线附近小,喷雾边缘位置略有增大的趋势。(5)在空气热氛围和低喷射压力下,液束被包围在鞘状的扩散火焰中,在火焰中出现“冷核”,空气卷吸作用被限制,对碳烟生成极其有利。(6)随着喷射压力的提高,燃油雾化变好,两种热氛围下滞燃期逐渐变短,且变化量逐渐降低。在高的燃油喷射压力下,燃油雾化决定的物理滞燃期减弱,化学反应动力学决定的化学滞燃期占据了很大的作用。以上结果与前期通过数学模型获得结果十分一致。(三)运用粒度仪、场透射电镜和拉曼分析技术,研究了微粒粒数、粒径、颗粒物的微观结构和石墨化程度等方面的特征,研究结果表明:(1)与柴油模式相比,柴油/甲醇二元燃料燃烧模式下颗粒物粒数有明显的减少趋势,并且粒径分布有变小的趋势,颗粒物分形维数由1.519提高到了1.617,提高了碳粒子分布的紧密程度。(2)二元燃料燃烧模式下,颗粒物微晶尺寸变小(从0.905 nm减少到0.835 nm),层间距和曲率呈增大的趋势(层间距由0.365 nm增大到0.376 nm,曲率由1.263增大到1.335),其对应的石墨化程度降低,氧化活性强,更容易被氧化。(3)采用5谱带拟合方法对柴油、柴油/甲醇两种模式下产生颗粒的拉曼光谱分峰拟合,ID1/IG的值分别为3.27、3.54,ID1/IG值变大,碳团簇含量表征R3的值分别为0.65、0.74,颗粒碳结构无序化程度增大。说明甲醇参与燃烧,燃烧颗粒中碳团簇成分含量升高,石墨化程度降低,有利于增强颗粒的氧化活性,增加了颗粒在形成过程中被氧化的概率,这也是预混甲醇后降低颗粒物排放的一个重要原因。