柴油机的燃烧和排放始终伴随着碳烟破碎过程,因而开展相关的研究具有重要的理论价值和实际意义。由于柴油机的燃烧情况极其复杂,很难针对单一因素对碳烟破碎行为的影响进行研究。因此,本文选择易于控制的McKenna预混火焰燃烧器作为实验平台,在甲烷和氧气中添加不同热扩散速率的惰性气体氦气和氩气,实现两种工况稀燃火焰的温度差异。此外,柴油机碳烟通过气溶胶发生器离散到无碳烟生成的稀燃预混火焰中,从而将碳烟的生成和氧化分离开,进而研究氧化诱导引起的碳烟破碎行为。利用热泳取样和毛细管取样系统采集碳烟样品,结合场发射透射电子显微镜、粒径谱仪、拉曼光谱仪和热重分析仪,研究稀燃火焰中柴油机碳烟的破碎行为。主要的研究内容和结论如下:在氦气和氩气两种稀燃火焰中,随火焰高度的增加碳烟颗粒数浓度随粒径的变化规律为:单峰分布→双峰分布→双峰消失,核态颗粒数浓度的峰值粒径在6.98nm～16.5nm之间。在氦气和氩气稀燃火焰中,火焰高度分别为4mm和6mm时核态颗粒数浓度上升,说明在此火焰高度处碳烟发生破碎。随火焰高度的继续增加,核态颗粒数浓度呈现先增大后减小的趋势,火焰高度为14 mm处达到峰值。火焰温度降低导致在较早的时间内发生碳烟破碎,且破碎持续时间较长,破碎产生的核态颗粒数浓度更高。此现象说明较低火焰温度可以促进碳烟的破碎。基于图像分析技术,建立了氧气向碳烟基本粒子内部扩散路径的计算方法,旨在分析内部氧化对碳烟破碎的影响。随着火焰高度的增加,评价内部氧化倾向性的有效因子呈现增大的趋势,氧气更容易扩散到碳烟基本粒子的内部,导致其破碎的可能性增加。破碎后碳烟微晶长度减小,层间距和微晶曲率增大,石墨化程度降低,碳烟颗粒由更无序的微晶片层组成。此外,碳烟表观活化能减小,氧化活性增加,利于碳烟的氧化消除。