排入大气中的纳米级尺寸的超细颗粒物质量虽然只占总排放量的约10%,但数量占总数量浓度的90%,呈现典型的弥散性,这些数量浓度较高的可吸入超细颗粒物长期悬浮于大气中而不沉降,对人类身体健康的危害非常大,而最主要的碳烟颗粒物污染源是柴油发动机。因此,研究柴油燃料燃烧过程中碳烟颗粒物的排放特性和尺寸分布的演化机理对深入理解碳烟颗粒的生成规律和控制碳烟排放具有重大的理论和现实意义。首先,本文提出了一种详细碳烟模型,包括详细的化学反应机理与唯象的半经验碳烟模型,气相化学动力学部分采用的是正庚烷和甲苯混合燃料的详细化学反应机理,颗粒动力学部分,考虑了颗粒成核、表面反应、凝并、氧化和PAH沉积效应对碳烟颗粒成长过程和尺寸分布的影响作用。通过与光学发动机和单缸柴油机试验数据的对比验证碳烟模型的有效性和准确性,对柴油燃料燃烧的碳烟生成特性进行了研究和分析。结果表明：在燃烧初期碳烟颗粒物的数密度和尺寸显著增加,在燃烧后期逐渐收敛于某一稳定值；燃烧初期,烃燃料裂解聚合形成大数量的小直径碳烟颗粒；燃烧中期,缸内存在较大数量的大直径碳烟颗粒；在燃烧后期,缸内碳烟颗粒尺寸分布范围趋于稳定,颗粒数浓度最大的分布范围在5-20nm之间。其次,基于颗粒群平衡模拟的理论方法,建立描述柴油燃料碳烟颗粒群尺寸分布函数演变过程的颗粒群平衡方程,将已有的详细化学反应机理和基于颗粒群平衡理论的碳烟模型进行耦合,建立直接模拟Monte Carlo算法的数值计算平台,求解颗粒群平衡方程,获得柴油燃料燃烧过程中碳烟颗粒群尺寸分布函数的时空演变过程详细信息。结果表明：在燃烧反应的初期颗粒成核开始发生,其反应速率随反应时间的增长呈先增长后缓慢下降的趋势；C2H2吸附和芘分子的凝结反应速率同样是随燃烧反应的继续先增长后缓慢下降,C2H2吸附的反应速率较大,促进了颗粒的生长和较大颗粒的生成；OH的氧化速率随反应时间的增长呈先增加后逐渐下降的趋势。第三,采用激光诱导炽光法和高速摄影技术,在高温高压定容燃烧弹试验台架上对柴油燃料燃烧过程中碳烟颗粒生成的实时分布进行测量,研究在不同初始环境压力、温度和燃油喷射压力下油气的混合和燃烧特性对碳烟生成的影响规律。结果表明：环境温度和密度增高,其对应的平均LⅡ信号强度较强,即碳烟体积分数较大；在相同初始环境温度和压力条件下,随着燃油喷射压力的升高,平均LⅡ信号强度逐渐减小,即对应的碳烟生成量逐渐减少。以一台涡轮增压重型柴油机为研究对象,研究包括EGR率、预喷油正时、预喷油量比例和后喷正时对燃烧、排放和经济性能的影响,同时,采用内窥镜技术对柴油机缸内的火焰图像进行采集,并且通过双色法计算得到碳烟颗粒场分布图像。结果表明：随着EGR率的增大,预混燃烧反应变弱,主喷燃油的燃烧着火时刻逐渐延迟,生成的碳烟颗粒较多；预喷正时较大时碳烟颗粒生成较少,预喷燃烧特征是出现不发光火焰；在预喷油量较大的工况下,可见明显的预喷燃烧火焰,不同预喷油量工况下碳烟浓度较高的区域均集中在喷束下游的中心区域,此区域同时也是燃料富集区,碳烟浓度分布沿着燃烧室凹坑边缘向底部区域发展,碳烟浓度呈逐渐减少的趋势。