人类社会日益增长的石化燃料需求造成了世界范围内的能源短缺、环境污染问题,为了解决这一日益加剧的矛盾,积极开发和利用绿色、清洁、高效的可再生能源,持续降低内燃机排放成为当前能源与环境领域的一个重要的课题,生物柴油在柴油机上的应用研究日趋重要。由于生物柴油中脂肪酸甲酯的分子结构,如碳链长度、双键数目、饱和程度等对燃料的十六烷值、粘度、低温流动性和氧化安定性等性能起着决定作用,进而影响柴油机的喷射雾化、燃烧和排放特性,因此本文从生物柴油微观分子结构方面入手,开展了柴油机燃用生物柴油的喷射过程、燃烧和性能研究。首先针对电控高压共轨系统,利用AVL-HYDSIM软件搭建了喷射过程模型,研究了石化柴油、月桂酸甲酯(C12:0)、硬脂酸甲酯(C18:0)、油酸甲酯(C18:1M)和油酸乙酯(C18:1E)等不同分子结构的脂肪酸甲酯的喷射过程,主要包括碳链长度、双键个数和饱和程度等对喷射过程的影响。研究结果表明,利用模型计算的值与试验值相吻合。石化柴油、月桂酸甲酯和硬脂酸甲酯三种燃料的喷油速率曲线形状相似,喷油始点差别不大,三种燃料的喷油终点依次延后;最大喷油速率依次增大;循环喷油量依次增加;循环喷射能量先减小再增加。短碳链的月桂酸甲酯的循环喷油量和循环喷射能量均低于长碳链的硬脂酸甲酯。硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯三种燃料的最大喷油速率曲线波动形状也相似,喷油始点和喷油终点依次提前;喷油终点差别更明显;最大喷油速率、循环喷油量均先降低再增加;循环喷射能量依次降低。在燃油喷射过程的研究基础上,进一步利用AVL-BOOST软件建立了直列六缸增压中冷柴油机的整机计算模型,分别对发动机燃用月桂油酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯燃料进行了研究。研究结果表明,当碳链长度由12增加为18时,硬脂酸甲酯的缸内压力曲线、温度曲线相位均比月桂酸甲酯提前,压力峰值升高,石化柴油的缸内压力曲线相位最后,压力峰值最高。月桂酸甲酯和硬脂酸甲酯的压力升高率曲线最大幅值相近,均明显小于石化柴油的最大幅值,燃烧柔和。石化柴油、月桂酸甲酯和硬脂酸甲酯的最高缸内温度依次升高,随着曲轴转角的变化,差别变得明显。与月桂酸甲酯相比,碳链长度增加,硬脂酸甲酯的燃烧持续期变长,燃烧靠后,后燃增加,排气温度增加,排气压力降低,有效燃油消耗率增加,NO_x排放降低。月桂酸甲酯的NO_x排放均高于石化柴油,而硬酯酸甲酯的NO_x排放略低于石化柴油。与包含一个双键的油酸甲酯相比,分子结构中不包含双键的硬脂酸甲酯的缸内压力曲线相位略早,两者的峰值相近,油酸乙酯的相位略早,缸内压力峰值较低。硬酯酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯的压力升高率最大幅值相近,燃烧粗暴程度相似;三者的缸内温度曲线相位依次延后,最高缸内温度依次降低,随着曲轴转角的变化,差别变得明显。硬脂酸甲酯、油酸甲酯和油酸乙酯的燃烧持续期依次缩短,后燃减少,排气温度降低,排气压力均依次增加,有效燃油消耗降低。对于三种燃料而言,油酸甲酯的NO_x排放最高,其次为硬酯酸甲酯,油酸乙酯的NO_x排放最低。进一步将脂肪酸甲酯碳链长度较长、不饱和程度高的菜籽油生物柴油RME,碳链长度较短、不饱和程度较低的棕榈油生物柴油PME和碳链长度居中、不饱和程度较高的大豆油生物柴油SME分别与石化柴油混合,进行发动机性能研究,考察混合比例、发动机工况、生物柴油种类等对发动机缸内燃烧特性、有效燃油消耗率、排气温度和NO_x排放特性的影响规律,并与燃用石化柴油的发动机性能进行了对比。研究结果表明,随着混合燃料中菜籽油比例的增加,缸内压力峰值依次降低,峰值相位依次提前;最高缸内温度略降低,压力升高率最大幅值逐渐变小,燃烧变柔和;而有效燃油消耗率、排气温度和NO_x排放均依次增加。石化柴油中分别掺混大豆油和棕榈油,掺混比例对缸内燃烧、油耗率、排温和NO_x排放等性能的影响与掺混菜籽油的影响规律相似,但影响的程度不同。缸内压力峰值和压力升高率最大幅值由高到低依次为石化柴油、RME40、SME40和PME40;而最高缸内温度由高到低却依次为石化柴油、PME40、RME40和SME40。无论在石化柴油中掺混菜籽油、大豆油还是棕榈油,掺混后有效燃油消耗率、排气温度均增加,而且掺混大豆油时油耗增加率、排气温度变化率均最高,掺混棕榈油和菜籽油后油耗增加率、排温变化率相对较低,最大扭矩工况与额定工况的油耗变化率情况类似。在石化柴油中添加RME、SME和PME均使发动机的NO_x排放升高,其中添加PME使发动机的NO_x排放增加率最大,添加SME的NO_x排放增加率最小,添加RME的NO_x排放增加率居中。