生物柴油作为清洁可再生燃料,可以与石化柴油以任意比例调合使用形成生物柴油调合燃料,在柴油机上直接应用。柴油机燃用生物柴油调合燃料可以改善燃烧过程,降低颗粒物排放,但NOx排放有所增加,结合废气再循环技术(Exhaust gas recirculation, EGR),可以达到同时降低NOx和颗粒物排放的目的。采用生物柴油调合燃料,改变了燃料的理化特性;采用EGR技术,改变了缸内的燃烧环境;燃料特性与燃烧环境的改变影响了颗粒物的形成,颗粒物的形貌、结构等状态特征也会发生改变。全文共分为七章,围绕生物柴油调合燃料缸内废气氛围颗粒物的形成过程与状态特征,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,重点针对缸内碳烟前驱体的形成过程、燃烧过程中的碳烟生成特性以及排放颗粒物的形貌、结构、石墨化程度、氧化活性等状态特征开展了研究工作。建立了生物柴油-柴油耦合化学动力学模型,揭示了燃烧过程中的活性自由基、乙炔、芳香烃等碳烟前驱体的形成与衍变规律;基于自然发光法,提出了碳烟生成量的评价参数,探讨了生物柴油与EGR对碳烟生成与氧化的作用机制;通过颗粒的形貌分析,提出了表征颗粒轮廓复杂程度的评价指标;研究了生物柴油调合燃料颗粒表面官能团与氧化活性的变化规律,并揭示了两者之间的相互关系。针对不同燃烧阶段的碳烟生成规律,在定容燃烧弹上,采用高速摄影,开展了废气氛围下的柴油(B0)以及生物柴油调合燃料(B20、B50)的火焰发展过程与碳烟生成特性研究,采用燃烧火焰综合亮度作为碳烟生成量的评价参数,探讨了生物柴油与EGR对碳烟生成与氧化的作用机制,结果表明,采用生物柴油调合燃料,在火焰浮起长度处的氧卷吸量高于柴油,能够提高颗粒在燃烧后期的氧化速率,减少碳烟排放量;采用EGR技术,对碳烟的生成与氧化均起到抑制作用,扩散燃烧后期,燃烧火焰综合亮度下降速率随废气浓度的增加而逐渐减小,表明燃烧后期碳烟的氧化速率降低是导致其排放量增加的主要原因。搭建了柴油机性能试验台架,测量了排放污染物,同时对燃烧过程进行了分析,重点考察了生物柴油掺混比、EGR率对颗粒排放数量浓度的影响。结果表明,颗粒的数量浓度粒径分布特征为双峰对数分布;相同工况下,随生物柴油掺混比的增加,小负荷工况下的核态颗粒数量明显增加,大负荷下的聚积态颗粒减少,与B0相比,燃用B20、B50在25%负荷下的核态颗粒数量浓度峰值分别增加了16.6%、82.8%,在75%负荷下的聚积态颗粒数量浓度峰值分别减小了 33.5%、80.3%;采用EGR技术,小负荷下的核态颗粒数量浓度峰值降低,大负荷下的聚积态颗粒数量浓度峰值显著升高,颗粒的平均粒径增大。开展了生物柴油调合燃料在废气氛围下的碳烟形成过程研究,构建了包含芳香烃与碳烟形成的生物柴油-柴油混合燃料耦合化学动力学模型,分析了生物柴油掺混比与EGR率对燃烧过程中的活性自由基、乙炔、芳香烃以及碳烟生成规律的影响。结果表明,采用生物柴油调合燃料会促使缸内OH自由基生成始点提前,诱导火焰提前产生,碳烟前驱体乙炔的质量分数减小,抑制了芳香烃的形成与生长,导致芳香烃苯与芘的生成量减小,碳烟质量分数逐渐降低。随EGR率的增加,OH自由基的生成量减小而乙炔的生成量有所增加,对应的生成始点都发生后移;苯和芘的生成时刻滞后,生成量明显增加,导致碳烟的质量分数逐渐增加;采用EGR技术,碳烟生成与消耗达到平衡所需的时间有所延长。针对生物柴油调合燃料颗粒物的状态特征,采用电镜、X射线小角散射等试验方法,分析了颗粒群的形貌、颗粒的粒径分布、基本碳粒子的微观结构,提出了以计盒维数作为表征颗粒轮廓复杂程度的评价指标。结果表明,颗粒群整体呈团簇状结构,粒径范围集中在20nm～80nm之间。颗粒的计盒维数随生物柴油掺混比的增加而增大,随EGR率的增加而减小,表明采用生物柴油调合燃料,提高了颗粒间的团簇程度,采用EGR技术会导致颗粒间的团簇程度降低。颗粒基本碳粒子结构呈指纹状的球形碳层结构;随生物柴油掺混比的增加,基本碳粒子的层面间距、弯曲度减小,微晶尺寸略有增加;随EGR率的增加,基本碳粒子的层面间距、弯曲度逐渐增大,微晶尺寸逐渐减小。生物柴油调合燃料在废气氛围条件下会形成团簇体积较大、表面较为粗糙的颗粒。采用拉曼光谱技术,分析了生物柴油调合燃料颗粒的化学异相性、石墨化程度等参数的变化规律,结果表明,随生物柴油掺混比与EGR率的增加,半高宽逐渐增大,颗粒的化学异相性增强;颗粒的ID1/IG比值随生物柴油掺混比的增加而逐渐减小,ID3/IG比值略有增大,采用生物柴油调合燃料有助于提高颗粒的石墨化程度,而对颗粒中的无定型碳含量影响较小;颗粒的ID1/IG、ID3/IG比值随EGR率的增加逐渐增大,采用EGR技术,颗粒的石墨化程度降低,颗粒中的无定型碳含量增加。为揭示生物柴油调合燃料颗粒表面官能团与氧化活性之间的相互关系,采用软X射线近边吸收光谱、热重分析仪等测试技术,分析了颗粒表面官能团的分布规律,探讨了颗粒氧化特征参数的变化规律。结果表明,柴油机颗粒表面含氧官能团(C-OH、C=O)、脂肪族C-H官能团的含量随生物柴油掺混比以及EGR率的增加而逐渐增加。生物柴油调合燃料缸内废气氛围颗粒的氧化活性表观活化能介于54.25kJ/mol～87.17kJ/mol之间。随生物柴油掺混比以及EGR率的增加,颗粒的活化能逐渐减小,表明采用生物柴油调合燃料和EGR技术均会提高颗粒的氧化活性,两者共同作用能进一步减少颗粒燃尽所需的能量。颗粒的活化能随着颗粒表面脂肪族C-H官能团以及含氧官能团含量的增加而逐渐降低。与脂肪族C-H官能团相比,含氧官能团对颗粒的活化能影响更大,是提高颗粒氧化活性的主要因素。