以柴油机为代表的压燃式发动机,由于其高效性、可靠性和耐久性,成为当今车辆和动力机械的主要动力源之一。然而,对柴油和化石燃料的过度依赖也导致能源危机、全球环境恶化和人类疾病等一系列问题的产生。碳烟作为柴油机的主要排放物之一,是大气中可吸入颗粒物的主要来源。尽管在这方面开展了大量的研究,但柴油机碳烟生成机理研究和机内净化技术仍存在众多难点。同时,丙酮/丁醇/乙醇混合物(Acetone-Butanol-Ethanol,简称ABE)作为生物丁醇的上游产物,得到日益广泛的关注,但关于其燃烧和碳烟生成机理的研究尚不成熟。正是基于以上考虑,本文采用试验与数值模拟相结合的方法,开展了柴油和ABE碳烟形成机理的研究。在试验研究方面,本文分别基于定容弹和某乘用车柴油机开展了两组试验。定容弹试验中,在不同初始温度(800K、900K、1000K)和氧浓度(21%、16%、11%)工况下,采用前置消光法对柴油和ABE燃烧过程的碳烟瞬时质量和空间分布进行了测量。与此同时,在柴油机试验中,对不同EGR率下(0%、15%、30%、45%、55%、60%)的稳态碳烟排放进行了测量。在数值模拟方面,本文提出了一个通用的ABE现象学碳烟模型,并通过定容弹多工况下的实验结果进行了验证。同时,根据质量守恒原理以及碳烟表面氧化和表面生长的竞争关系,建立了碳烟表面氧化对碳烟数密度的修正模型,据此对原9步法柴油碳烟模型的改进,并应用于ABE碳烟模型中。此外,对比了改进前后柴油碳烟模型的颗粒尺寸预测结果,以及改进后的模型与Hiroyasu-Nagle/Strickland模型(即HNS模型)、Fusco模型在碳烟预测精度和趋势方面的差异。为进一步研究柴油和ABE的碳烟形成机理以及初始温度、氧浓度、EGR率的影响规律,本文基于KIVA耦合上述碳烟模型,对柴油和ABE在试验工况下的喷雾燃烧过程进行多维数值模拟,并对比分析了两种燃料碳烟生成过程的差异和原因。研究结果表明:(1)经试验标定后,本文提出的ABE现象学碳烟模型以及改进后的柴油碳烟模型能在广泛的工况范围内准确预测碳烟生成趋势。(2)当燃烧区域存在强氧化作用时,表面氧化对碳烟数密度的修正模型能更切实际地预测碳烟数和颗粒平均尺寸,同时避免产生数值错误。此外,与HNS模型和Fusco模型相比,改进后的柴油碳烟模型能更准确地反映EGR对柴油机碳烟排放的影响趋势。(3)在定容弹中,初始温度降低延长了滞燃期,燃烧模式由扩散燃烧向预混燃烧转变。同时,高温、富油区域发生缩减,碳烟生成机理受到强烈抑制,使得柴油和ABE碳烟生成量单调减少。环境氧浓度由21%降至16%,柴油和ABE的碳烟生成趋势均增大,但氧浓度的影响机制存在差异:柴油碳烟生成量增加的原因在于碳烟氧化机理受到抑制的同时,生成机理得到助长。对ABE而言,碳烟生成机理和氧化机理同时受到抑制,但氧化速率下降更快。在11%氧浓度下,ABE碳烟生成量开始减少,此时碳烟生成机理的抑制占据主导作用。(4)在柴油机中,EGR对碳烟排放的影响呈现阶段式变化。少量EGR降低了燃烧温度,碳烟生成机理受到抑制,有助于降低碳烟排放。随着EGR率的增大,碳烟氧化反应同时受到抑制,碳烟排放降低减缓,甚至略微上升。当EGR率增大到一定程度,燃烧温度降低使燃烧避开了碳烟主要生成区,此时碳烟排放达到最低;在此基础上继续增加EGR率,将导致燃烧开始恶化,碳烟生成量和最终排放迅速增加。(5)受分子结构和官能团的影响,ABE裂解过程中乙炔的生成量远低于柴油;同时,ABE燃油分子中的氧促进了OH自由基的生成,加快了碳烟氧化反应速率。因此,ABE的碳烟生成趋势总体上低于柴油。本文建立了通用的ABE碳烟预测模型,进一步完善了原柴油碳烟模型(9步模型),并进行了不同燃烧装置以及多工况下的试验验证,为深入揭示碳烟生成机理以及改善碳烟排放提供了理论依据和现实指导。同时,实验和模拟结果有助于了解ABE的燃烧和碳烟生成特性,为其将来作为柴油替代燃料的研究应用打下基础。