压燃式发动机具有良好的动力性和经济性,但NO_x和碳烟排放较高。通过燃用含氧燃料、优化喷油参数、引入EGR分层等方法,并借助先进的光学测试技术,多角度深入研究影响发动机燃烧和排放过程的核心问题,对实现压燃式发动机高效清洁燃烧具有重要意义。本文搭建了定容弹喷雾特性试验平台和光学发动机试验平台。借助高速摄像法综合研究燃料特性、喷油参数以及EGR分层对压燃式发动机喷雾特性、燃烧和碳烟排放过程的影响。主要研究内容分为三部分:1)制取煤基F-T合成柴油及其分别掺混5%碳酸二甲酯(D05)、10%碳酸二甲酯(D10)和15%正丁醇(B15)共四种燃料,在定容弹试验平台上进行燃料喷雾特性试验研究,分析燃料特性对贯穿距离、喷雾锥角和喷雾面积等喷雾特性参数的影响。2)在光学发动机中试验研究喷油参数及燃料特性对于燃烧与火焰发展历程的影响规律。从特定燃烧时刻、不同曲轴转角、火焰面积和红色单通道火焰图像四个角度分析不同条件下的燃烧过程。揭示燃料含氧量及含氧官能团对燃烧特性的影响规律。3)利用双色法对燃烧火焰图像进行数值解析计算研究燃料特性、EGR率和EGR分层方式对燃烧过程温度场以及碳烟KL因子的影响,探究缸内燃烧过程中燃料氧组分和环境氧组分对燃烧及排放的复合协同作用机理。主要研究结论如下:1)定容弹喷雾特性试验结果表明,贯穿距离、近场锥角、远场锥角和喷雾面积均随喷油压力的增大而增大,适当提高喷油压力能够改善燃料雾化混合过程。F-T合成柴油中掺混含氧燃料DMC能够改善燃料雾化效果;由于正丁醇黏度大,F-T合成柴油掺混15%正丁醇后,混合燃料雾化混合效果变差。2)喷油参数对火焰发展规律影响的试验结果表明,随着喷油压力增大,亮点状火焰减少,大面积的片状火焰增多,燃烧迅速,但滞燃期变化不大;随着喷油提前角的增加,着火滞燃期略有延长,着火点数量减少,火焰亮度降低,火焰面积几乎不变;随着喷油脉宽的增加滞燃期不变而燃烧持续期有所增加,着火点增多,火焰面积及火焰亮度增大,燃烧更加剧烈。3)不同燃料燃烧特性试验研究结果表明,随着DMC掺混比例的增加,燃料含氧量增加,燃烧滞燃期略有延长,速燃期燃烧加剧,后燃期燃烧平缓,燃烧压力峰值降低,着火点数量增多且更均匀地分布于气缸之中,R通道值降低,集中高亮火焰转变为更均匀的低温火焰。相同含氧量不同含氧官能团的D05和B15含氧混合燃料燃烧过程的区别是B15后燃期燃烧过程更平缓,火焰面积较大且火焰亮度较暗。F-T合成柴油掺混含氧燃料后可以降低燃烧过程中碳烟生成量。4)EGR对不同燃料燃烧火焰发展历程的双色法研究结果表明,随着DMC掺混比例的提高,燃料含氧量增加,缸内燃烧温度逐渐降低,火焰温度梯度减小。燃烧过程中碳烟生成量随DMC掺混比例增加而减少。掺混相同含氧量的正丁醇和DMC相比,B15燃料的碳烟生成量较低。随着EGR率的增加,燃烧温度逐渐降低。燃用含氧燃料后EGR的引入能够在一定程度上降低燃烧温度及NO_x排放,同时对碳烟排放影响不大。五种EGR分层方式下火焰温度从高到低排序为均质EGR>螺旋导管分层>螺旋分层>切向导管分层>切向分层。五种分层形式的碳烟排放量的大小与温度场的高低相吻合。5)含氧燃料和EGR分层的协同作用能够同时降低NO_x和碳烟排放。燃用含氧燃料能够降低燃烧过程碳烟生成量,采用螺旋进气道EGR分层方式形成中间浓四周稀的径向分层有利于降低NO_x生成量同时对碳烟生成量影响较小。