生物柴油是一种重要的可再生能源。发动机燃用生物柴油及其与柴油的调合燃料，CO、HC、PM的排放量较燃用柴油均有不同程度的降低，但NOx的排放量有所升高。论文从燃料特性、燃烧过程、化学反应动力学等方面，采用高速摄影和数值模拟的方法，对生物柴油NOx的生成规律和影响因素、NOx生成的化学反应动力学过程、影响NOx生成的关键自由基和基元反应进行了系统的理论分析和试验研究，揭示了生物柴油NOx的生成机理。在此基础上，提出了降低NOx排放的控制方法和措施。　　 采用基于BP算法的多层前馈神经网络与正交试验相结合的方法，优化了生物柴油的制备工艺，采用不同原料配制了生物柴油。运用色谱/质谱联用仪、粘度计等油品检测仪器和设备，测量了生物柴油的主要组分和油品参数。采用高速摄影，拍摄了生物柴油在常温常压下和发动机缸内的喷雾历程。运用CFD软件模拟了缸内温度场、氧浓度场、随油品参数的变化规律。采用闭式均相反应器模型，考察了燃料分子结构对NOx生成的影响。根据试验和模拟的结果，结合NOx生成的基本理论，阐明了十六烷值、密度、粘度、弹性模量、含氧量、碘值、不饱和双键及其位置、氧化安定性等因素对NOx生成的影响规律。研究表明，生物柴油中含有大量的不饱和脂肪酸甲酯，主要是油酸甲酯、亚油酸甲酯和棕榈酸甲酯。生物柴油较高的碘值、组分中含有不饱和双键、较大的密度和弹性模量、较高的含氧量均会导致NOx升高，较高的十六烷值、较大的粘度和较差的氧化稳定性在一定程度上能抑制NOx的生成。　　 在常温常压下进行了不同配比的生物柴油-柴油调合燃料的燃烧试验，在盖顿(A. G． Gaydon)和伍法德(H． G． Wolfhard)提出的火焰温度、绝热火焰温度等火焰特征参数的基础上，提出了相对火焰温度、平均火焰温度、分层火焰温度、高温点数量、温度最大差值等评价指标，对火焰的温度特征参数进行细化和定量，从火焰学的角度研究了常温常压下火焰温度特征参数随燃料调合比例的变化规律。研究结果表明：随着生物柴油调合比例的增大，外焰温度、高温点数量、高温区域所占比例、温度最大差值、相对平均火焰温度均增大，为NOx的生成提供了高温环境。　　 根据柴油机缸内热NOx生成的理论，提出了生物柴油缸内燃烧火焰的评价指标和计算方法，这些指标有：NOx生成区域的火焰面积SNO、火焰面积变化速率υNO、火焰面积平均变化速率υ(MN)o、温度区域持续期ΦNO、火焰面积出现效率ηNO。采用高速摄影的方法，拍摄了柴油机燃用不同配比生物柴油-柴油调合燃料的缸内燃烧过程，系统的分析了缸内火焰特征参数随生物柴油调合比例的变化规律。研究结果表明，随着生物柴油调合比例的增大，SNO区域的出现时刻和消失时刻提前，SNO的峰值、υ NO、υo、ηNO不断增大，ΦNo逐渐缩短，说明随着生物柴油调合比例的增大，缸内出现了有利于NOx生成的环境。　　 改进了美国Cornell大学Fisher教授提出的生物柴油氧化的化学反应机理，构建了适合计算生物柴油NOx生成的机理。根据脂肪酸甲酯分子结构的特点，提出了研究甲酸甲酯中氧原子的迁移演变历程的假设。借助闭式均相反应器模型，跟踪燃烧过程中燃料中的氧、空气中的氧、氮的迁移演变路径，模拟了燃烧过程中含氮自由基、含氧自由基的生成过程，计算了多步分类NOx生成机理中各基元反应的敏感性、中间产物以及NOx生成的前驱体物质的生成速率，阐明了生物柴油中的氧原子对燃烧过程的作用机理，揭示了NOx的生成历程。研究结果表明，OH、H、HO2和CH3是NOx生成过程中的重要中间产物，生物柴油中的“RC(C=O)OCH3”促进了这些物质的生成。　　 建立了4102Q柴油机燃烧室的计算网格模型，根据生物柴油的理化特性和油品参数，修正了WAVE油滴破碎模型、Shell着火模型、扩展的Zeldovich NO生成模型等模型，运用修正的模型研究了喷油器和发动机结构参数、EGR率对燃烧温度和NOx浓度的影响规律，研究结果表明，NOx排放和缸内燃烧温度峰值随喷雾锥角、喷油提前角的增大而增大，随喷孔直径、EGR率的增大而减小。　　 根据NOx的生成规律和影响因素，从燃料改质角度提出了两种NOx排放的控制方法和措施，即运用过氧化反应和添加抗氧化剂对生物柴油进行改质。测量了改质前后生物柴油的主要油品参数，系统分析了两种方法抑制NOx排放的原理。运用台架试验的方法，在高压共轨柴油机上，对比分析了燃用改质前后的生物柴油对NOx排放的影响规律，研究结果表明，两种方法对NOx排放均有一定的抑制作用，在低负荷下，过氧化反应降低NOx排放的效果较好，在中、高负荷，抗氧化剂的作用更明显。