面对能源的消耗、环境的污染、日益严格的排放法规和新能源汽车的冲击,如何实现高效清洁燃烧成为内燃机发展的首要问题。探索机内净化措施,优化燃烧过程,实现同时降低油耗、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的新型燃烧模式,降低对后处理的依赖,始终是内燃机发展的方向。本文在国家自然科学基金项目“基于燃料氧与环境氧复合作用机制的分层活化可控压燃内燃机瞬态燃烧及颗粒物生成机理研究”的支持下,基于燃料理化特性与燃烧边界条件协同控制的思想,燃用柴油及其与正丁醇的混合燃料,研究了燃料理化特性与发动机燃烧过程及污染物排放的相关性,明确了不同缸内氧浓度分布形式下,燃油喷射参数对含氧混合燃料燃烧与排放的影响与差异。利用统计的方法,分析了燃油喷射参数对含氧燃料NOx排放与排气烟度的作用效果。将多目标粒子群优化算法引入燃油喷射参数优化问题中,以揭示燃油喷射参数降低NOx排放与烟度的潜力,并提出了合理的燃油喷射策略。本文基于燃油喷射控制系统与模拟增压系统实现发动机进气流量与组分、燃油喷射参数的主动控制和柔性调节;以燃烧分析仪为核心,组建燃烧采集分析与排放测试系统,实现对缸内燃烧状况与污染物排放的在线分析与实时记录,避免了排放数据采集的人为误差,提高了试验的可重复性与数据的准确性,为本文试验研究提供了稳定可靠的基础。研究结果表明:1.燃料理化特性是影响燃烧及排放的重要因素。发动机燃用柴油与含氧混合燃料B15和B30,由于含氧混合燃料B15、B30十六烷值的降低及汽化潜热的增大使得滞燃期延长,预混燃烧比例增大,排气烟度显著降低(60%以上),且NOx排放仅在进气氧浓度较为充足时有所增加。核态微粒和总微粒数量浓度有所增加,积聚态微粒数量浓度明显减少。2.在缸内氧浓度均质分布形式下,采用单段喷射,燃油喷射压力与正时对柴油-正丁醇含氧混合燃料B15的燃烧及排放影响显著。提高燃油喷射压力,使缸内混合气过浓区域明显减少,消光烟度明显降低,NOx处于较高排放水平,几乎呈直线增长,核态微粒数量浓度增加,积聚态微粒数量浓度明显减少。随喷射正时提前,CA50明显前移,NOx明显升高,消光烟度有所降低,核态微粒增加,积聚态微粒减少。因此,在缸内氧浓度均质分布形式下,为同时降低NOx和微粒排放,含氧混合燃料B15不宜采用较高的燃油喷射压力和较早的喷射正时。3.在缸内氧浓度分层分布形式下,采用单段喷射,喷射压力与正时对B15的燃烧及排放影响效果减弱。随着喷射压力的提高,缸压峰值与缸内温度无明显变化,NOx升高缓慢,降烟效果逐渐减弱,但相比于缸内氧浓度均质分布仍具有较低的NOx和积聚态微粒排放水平。随喷射正时提前,CA50明显提前,NOx逐渐升高,消光烟度显著降低,与氧浓度均质分布相比,NOx和总微粒排放处于较低的水平;仅在过晚的喷射正时下,缸内氧浓度分层形式的消光烟度高于均质。因此,在缸内氧浓度分层形式下,可以适当提高燃油喷射压力、提前喷射正时以进一步降低消光烟度。4.在缸内氧浓度均质与分层分布形式下,燃用含氧混合燃料B15,采用两段喷射,主预喷间隔和预喷油量对NOx排放和消光烟度影响显著。随着主预喷间隔增加,NOx排放与核态微粒数量浓度增加,消光烟度与积聚态微粒明显降低;随预喷油量增加,NOx排放与消光烟度均有所增加。缸内氧浓度均质与分层形式下的NOx排放区别不大,缸内氧浓度分层形式下的消光烟度普遍略低于均质。因此,对于含氧混合燃料B15而言,采用两段喷射时,适合采用较小的预喷油量和适中的主预喷间隔。5.针对含氧混合燃料B15,利用统计的方法分析结果表明:燃油喷射参数对NOx与烟度影响效果显著。主喷正时、喷射压力与预喷油量对NOx排放影响较大。主喷正时、喷射压力、主预喷间隔对烟度具有明显影响。6.基于含氧燃料喷射参数的多目标优化结果表明,在缸内氧浓度分层形式下,燃用含氧混合燃料B15时,采用带有预喷的两段喷射在同时降低NOx排放和消光烟度方面具有巨大潜力。选取燃油喷射压力、主喷正时、主预喷间隔、预喷油量作为试验因素,设计正交试验,根据试验数据对NOx和消光烟度建立回归模型,采用多目标粒子群优化算法发掘通过优化燃油喷射参数综合降低NOx和烟度的潜力。喷射压力110MPa,主喷正时-5.6°CA ATDC,预喷油量9.4%,主预喷间隔17.7°CA,能使得发动机在1400r/min,50%负荷下,NOx降低至476ppm,烟度降低至1.0%,相比于原机同等负荷下,在缸内平均氧浓度为20.7%时燃用柴油,分别降低26.2%和9.1%,并保持油耗率未明显恶化。