日渐严格的油耗和排放法规对内燃机性能提出了更高的要求。作为可再生的柴油替代燃料,生物含氧燃料不仅可以缓解能源短缺局势,还可以明显降低内燃机碳烟排放。因此,有必要研究生物含氧燃料在内燃机上的燃烧过程和碳烟生成机理。碳烟的生成过程非常复杂,涉及到了气相化学反应动力学和颗粒动力学两方面,因此,柴油机碳烟生成过程模拟是一项非常有挑战性的工作。CFD耦合化学反应动力学的模拟方法是理解生物含氧燃料缸内燃烧过程和碳烟生成机理的有效手段。在柴油机燃烧过程模拟中,准确、可靠的化学反应机理能够更准确地描述燃料的着火和燃烧过程。因此,发展柴油机多组分表征反应机理、生物含氧燃料反应机理和碳烟生成机理有利于更好的研究和理解柴油和含氧燃料的燃烧和碳烟生成过程。本文构建了柴油多组分表征燃料反应机理、丙酮-正丁醇-乙醇（Acetone-Butanol-Ethanol,简称ABE）反应机理、C₁-C₅醇类反应机理和多环芳香烃（PAHs）生成机理,并利用CFD耦合化学反应动力学方法对柴油和含氧燃料的燃烧和碳烟生成过程进行了多维数值模拟研究。本文主要工作如下:（1）基于开源程序KIVA-3V和CANTERA,建立了CFD耦合化学反应动力学多维数值模拟平台,并被应用于本文柴油和生物含氧燃料缸内燃烧过程多维数值模拟分析。（2）构建了包含PAHs生成和氧化的柴油多组分表征燃料（Toluene reference fuel,TRF）简化机理和ABE简化机理,并耦合得到了TRF-ABE-PAH简化机理,共包含98种组分和456步化学反应。通过与滞燃期、预混火焰组分浓度、射流搅拌反应器氧化、缸内直喷燃烧等试验数据的验证,结果表明,简化机理能够较准确地预测各燃料滞燃期、重要组分浓度以及发动机燃烧和排放特性,因此简化机理可用来开展柴油和含氧燃料的燃烧和排放特性模拟研究。（3）利用构建的简化机理模拟研究了TRF-ABE混合燃料的着火特性。结果发现,混合燃料的滞燃期在不同的温度区间表现出不同的变化规律。在高温区,混合燃料的滞燃期随ABE比例的增加而小幅缩短;在中温区,滞燃期变化比较平缓;在低温区,滞燃期存在负温度系数区,且随着ABE比例的增加而逐渐减弱。压力对滞燃期的影响较大,随着压力的升高,滞燃期在较宽的温度范围内显著缩短,在中高温区变化尤其明显。（4）利用构建的简化机理模拟研究了TRF-ABE混合燃料层流火焰中PAHs的生成过程。随着ABE比例的增加,PAHs浓度逐渐降低,A₁是所有燃料中最丰富的芳香烃组分,A₂、A₃和A₄的变化趋势与A₁相似,其峰值浓度依次降低,且位置依次推后。OH、O和H自由基浓度均随着ABE比例的增加而升高,峰值浓度位置保持不变。甲苯的摩尔分数因ABE的掺混而明显降低,在主反应区,TRF层流火焰中的甲苯浓度依然最高,从而其生成的A₁也最多。（5）构建了一个包含甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇等C₁-C₅醇类氧化反应的TRF-醇-PAH简化机理,共包含184种组分和784步化学反应。通过与滞燃期、预混火焰组分浓度和缸内直喷燃烧等试验数据进行对比验证,简化机理在较宽工况范围内可以准确描述燃料着火和燃烧特性,预测的柴油与醇类燃料在发动机中的燃烧和排放特性与试验结果吻合较好。（6）基于柴油和ABE定容燃烧弹试验,建立了CFD模型并耦合简化机理模拟研究了柴油-ABE混合燃料的燃烧和碳烟生成过程。结果表明:ABE掺混比例增加,燃烧压力和放热率峰值减小,火焰浮起高度增加,缸内当量比降低,PAHs和碳烟生成量减少;初始环境温度降低,PAHs和碳烟的生成和氧化同时受到抑制,碳烟生成量减少;初始环境氧浓度降低,PAHs和碳烟的生成速率增大,而OH质量减少,碳烟生成量增加。（7）基于柴油和ABE缸内直喷试验,建立了CFD模型并耦合简化机理模拟研究了柴油-ABE混合燃料缸内直喷燃烧和排放特性。结果表明:ABE掺混比例增加,缸内当量比降低,油气混合更均匀,燃烧更充分,OH峰值质量增大,PAHs和碳烟生成量降少,NO_X排放增加;喷油定时提前,缸压和放热率峰值增大,OH峰值质量增大,PAHs和碳烟生成量降少,NO_X排放增加;EGR率增加,缸内混合气变稀,化学反应速率降低,OH浓度减小,PAHs和碳烟生成量增加,NO_X排放降低。