柴油机排气颗粒是造成大气雾霾的主要因素之一。我国第五阶段的汽车排放标准,不仅对颗粒物的质量提出了要求,对排放的颗粒物数量也提出了严格的限制。柴油机的颗粒是燃料不完全燃烧的产物,经过颗粒的成核化学过程和碰撞与凝并等物理过程,形成由碳烟和可溶有机组分(SOF)组成的柴油机颗粒。颗粒成核后,在缸内高温高压环境中,颗粒间的碰撞与凝并对颗粒的尺寸分布和状态特征等产生了重要影响。论文以柴油机缸内的颗粒运动为研究对象,对颗粒的碰撞与凝并过程及特征进行了研究。分析颗粒的碰撞与凝并的影响因素,提出碰撞与凝并的条件与评价指标。建立碰撞与凝并过程模型,探讨颗粒粒径、初始相对速度等参数对碰撞效率、碰撞频率、凝并时间等评价指标的影响。主要研究工作和结论如下:基于相似理论,采用可视化方法,搭建柴油机颗粒碰撞再现装置,再现了186F柴油机颗粒的碰撞现象,对不同活塞位置的颗粒碰撞过程进行研究,分析了颗粒碰撞的行为特征。试验结果表明,模拟颗粒的碰撞特征为“靠近—接触—分离或凝并”;在颗粒数量不变的情况下,随着活塞下行,颗粒数密度减小,颗粒碰撞的概率降低。搭建柴油机台架,采用颗粒分级采样装置,采集了186F柴油机标定工况的排气颗粒,运用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)分别拍摄颗粒群的平面和空间形貌,分析颗粒凝并的影响因素。试验结果表明,在凝并的颗粒中,随着单个颗粒尺寸的增加、颗粒数量增多,颗粒群的尺寸提高。开展了柴油机颗粒碰撞条件与碰撞过程变化规律的研究。基于粒径正态分布规律,研究了柴油机颗粒碰撞效率。基于柴油机颗粒的受力分析,建立了柴油机颗粒碰撞运动微分方程,探讨了等粒径和非等粒径颗粒的碰撞过程,分析了颗粒初始相对速度、碰撞入射角、粒径差对碰撞压缩距离、碰撞频率等指标的影响。结果表明,柴油机颗粒的平均粒径为20nm,标准差为3nm时,柴油机颗粒的碰撞效率较低,约为10%。随着颗粒碰撞入射角的增加,最大压缩距离增大;碰撞的最大压缩距离随着初始相对速度的增加而逐渐增大;颗粒的粒径差越大,颗粒的最大压缩距离越宽,碰撞颗粒的形变越明显;随着碰撞颗粒的粒径差增加,颗粒的碰撞频率明显增大。根据颗粒凝并物理过程的特点,建立柴油机颗粒凝并速率模型,对凝并过程进行仿真,分析了颗粒粒径、恢复系数、凝并特征时间等对凝并效率、凝并临界速度、凝并时间和颗粒剩余表面积的影响。结果表明,颗粒恢复系数为0.026时,凝并效率约为50.1%,能够实现较高效的凝并。凝并特征时间相同时,颗粒粒径越大,凝并时间越长;当颗粒粒径范围为5nm~12.6nm时,凝并时间对凝并特征时间的变化较敏感;不同凝并特征时间下,随着颗粒在缸内驻留时间的增加,剩余表面积以先急后缓的趋势逐渐减小。颗粒的碰撞与凝并过程对颗粒的尺度、形貌有很大的影响,通过研究,可以看出,提高颗粒间的粒径差能提高发生碰撞的颗粒数量;提高颗粒碰撞入射角、相对速度、颗粒间粒径差能促进碰撞颗粒的凝并,降低颗粒数量;减小颗粒的粒径能够降低颗粒凝并的时间。