随着能源危机和环境污染问题的日益严峻,车用新型生物替代燃料的开发越发紧迫。其中柴油替代燃料,因柴油用车保有量随公路运输业的快速发展逐年增多但排放特别是碳烟排放较高,而更为迫切。当前,丁醇因燃料特性接近于柴油,并且可以同时降低碳烟和NOx排放,已经得到广泛的认可。但生物丁醇因制取过程分离和提纯成本过高而失去了市场竞争力。ABE生物发酵技术中,丁醇(最终产物)是由丙酮-丁醇-乙醇(ABE)三种可燃物质的混合液(中间产物)进一步分离和提纯获得的。为了提高燃料市场竞争力,本文提出将该中间产物ABE直接作为柴油替代物。并且发现,ABE比丁醇和柴油具有更好的互溶性和对水的兼容性,同时还可以通过调整发酵菌种类型、发酵环境控制ABE的组分比例。为了获取ABE及相关燃料未来应用于柴油机燃烧所需的基础信息,本文基于激光诊断技术在预燃加热式定容燃烧弹上对燃油的喷雾及燃烧过程进行了较为详尽的研究。实验系统由定容燃烧弹、高速摄像机、铜蒸汽激光器、信号同步器、光学滤镜、反光板及燃烧压力采集系统等组成,可获得喷雾过程的米氏散射图像,燃烧过程的火焰自然发光图像、CH*化学发光图像、碳烟图像,及燃烧放热过程。此外,可通过调整初始进气组分比例、压力及喷油时刻,控制喷雾燃烧的环境温度和氧浓度。本文测试的环境温度分别为700K、800K、900K、1000K、1100K、1200K,以代表低温燃烧模式和传统燃烧模式,环境氧浓度分别为11%、16%、21%,以代表实际发动机运行中的高、中、低EGR率。ABE概念由生物丁醇生产过程衍生而来,ABE组分比例可以改变且与柴油在理化特性上存在巨大差异,因此本文研究了ABE与正丁醇差异、丁醇同分异构体、ABE组分变化、ABE掺混比变化等对燃料喷雾燃烧的影响。得出的主要结论如下:所有被测燃料随着喷雾环境条件的变化会表现出一些一般规律,如,随着环境温度及环境氧浓度的降低,燃烧相位均推迟,放热速率分别升高和降低,燃烧持续期分别缩短和略微增长,喷雾尺寸均增大,火焰举升高度均升高,瞬时火焰强度均降低。并且,各被测燃料在高环境温度时表现出与柴油较为接近的喷雾燃烧特性和火焰发光特性,而随着环境温度的降低不同燃料逐渐表现出差异。四种丁醇同分异构体与柴油的混合物总体上表现出较为相似的燃烧放热及火焰发光特性,正丁醇/柴油混合物在高温下的燃烧放热速率曲线与其它三种丁醇/柴油混合物几乎重合,而当温度低至800K时,正丁醇表现出对环境氧浓度变化更强的敏感性。纯ABE与纯正丁醇的喷雾与燃烧特性较为相似,但由于ABE雾化及挥发特性更好汽化潜热更高,表现出比纯正丁醇更小的喷雾图像尺寸,但在低环境温度下其燃烧相位推迟更多,同时因为氧含量和火焰举升高度的优势使其表现出比正丁醇更大的碳烟排放降低潜力。ABE组分比例的变化可以显著影响混合液的燃烧特性,提高ABE/柴油混合物中丙酮含量,可以实现在低环境温度下与柴油极为相似的燃烧相位和放热速率曲线,并且表现出良好的碳烟排放降低和热效率增加的潜力。ABE掺混比例亦可以对混合物的喷雾燃烧特性产生较大影响,ABE存在一个介于20%和50%的临界比例,一旦大于该比例混合液将可以获得一个较好的喷雾蒸发特性,小于该比例则仍表现出与柴油相类似的喷雾蒸发特性。其中,ABE50因在喷雾、蒸发特性变化与汽化潜热变化中取得了较好的平衡,而获得了比其它比例混合液与柴油更为接近的燃烧特性。对给定某一燃料火焰举升高度与着火延迟期变化趋势一致,这与其它文献的结果相同,但对不同类型燃料,火焰的举升高度随着ABE掺混比例的增加而升高,与总体着火延迟期的变化趋势并不一致,可推测火焰举升高度与着火延迟期中的化学准备部分关系更加密切,化学准备时间越长,火焰举升高度越高。同时发现,随着火焰举升高度的升高,增加了空气卷吸和油气混合强度,降低燃烧区域的混合气浓度,从而降低了火焰强度提高了碳烟降低潜力。总体上,ABE与正丁醇具有较为相似的燃烧特性,可以一定程度的借鉴已有的丁醇研究经验,并表现出更强的碳烟排放降低和热效率提高潜力,同时通过调整ABE的组分比例和掺混比例可以有效优化ABE/柴油混合液的燃烧特性。