基于燃料设计进行燃料改良是实现汽车发动机高效清洁燃烧的有效技术途径。本文采用台架试验、可视化平台和数值模拟相结合的方法,研究了不同生物质含氧燃料的组份耦合对柴油机燃烧和排放的影响,提出一种最有利于节能减排的新型含氧混合燃料的设计方案。首先,基于发动机台架试验,研究了不同工况条件下不同掺混比及不同来源生物柴油的颗粒物排放特性和微观形貌;分析了不同喷油策略下戊醇燃料在压燃式发动机上的适应性,发现燃用戊醇能同时降低NO_x和soot;对比研究了不同含氧混合燃料的燃烧和排放特性,明确了燃料改良的方向。生物柴油着火性好,但粘度大、沸点高不易雾化;而戊醇易挥发、汽化潜热大、含氧高且雾化质量好,利用两种燃料理化特性的优势互补,本文提出了一种新型生物柴油-戊醇-柴油的混合燃料,并通过试验证实了这种含氧燃料既有良好的雾化和着火特性,又能在NO_x排放无明显变化的前提下有效降低碳烟排放,并使发动机保持较高的热效率。其次,利用高速摄影、相位多普勒粒子测试技术和激光诱导炽光法等可视化方法在定容弹和光学发动机上研究了不同含氧燃料的喷雾和碳烟生成特性。喷雾试验结果表明:在不同温度、压力条件下,燃料添加戊醇后液相贯穿距缩短,喷雾锥角增大,油滴粒径减小,证实了采用生物柴油-戊醇-柴油混合燃料能够改善燃油的雾化质量。定容弹和光学发动机中的碳烟浓度测试结果表明:随着戊醇掺混比例增加,火焰浮起长度增大,峰值碳烟浓度降低;与生物柴油或戊醇与柴油混合的二组份燃料相比,生物柴油-戊醇-柴油混合燃料具有最佳的降低碳烟效果。最后,基于KIVA-CHEMKIN计算平台,发展了生物柴油多组份替代燃料反应机理耦合多步法碳烟模型的动力学模型,解析了不同掺混比、不同饱和度生物柴油的燃烧和排放特性,准确预测了生物柴油的含氧量和饱和度对碳烟生成质量的影响。结果表明:改善局部燃空当量比降低了碳烟生成量、和较高OH浓度促进碳烟氧化是生物柴油降低碳烟排放的两大因素,且降低碳烟的效果与生物柴油的掺混比例和饱和度呈正相关。同时构建了包含51组份、152步反应的戊醇简化反应机理,利用滞燃期、主要组份浓度、层流火焰速度等基础燃烧试验数据进行了验证;并与KIVA程序耦合,预测了戊醇HCCI燃烧的着火和燃烧特性,说明所发展简化反应机理的可靠性和适应性,对于今后将该研究扩展至正庚烷-生物柴油-戊醇的反应机理,以及预测不同组份配比含氧燃料的碳烟生成特性具有重要意义。