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自人类第一次工业以来,迅速发展的科技给人类社会带来了翻天覆地的变化。同时,随着社会文明的进步,也进一步加大了人类社会对石化燃料的依赖,但由于石化燃料资源日益枯竭,能源问题也将成为人类生存和发展的一大难题。因为石油是一种不可再生资源,与人类交通、军事、工业、生活等密不可分。为了缓解世界的能源问题,各国学者和专家都在努力探索合适的替代能源。而生物柴油不仅原材料丰富、可再生、制作工艺简单,而且可以直接在柴油机缸内清洁燃烧等优点得到了越来越多专家和学者的青睐。近年来,国内外关于柴油机生物柴油燃料和各种添加剂的研究颇多,但是添加剂的种类繁多,而且学者们对生物柴油的相关认识仍然还存在一定的局限性。从现在的研究现状来看,主要集中在不同比例生物柴油与柴油掺混的实验研究。在柴油机领域,目前生物柴油对柴油机冷起动性能影响方面的研究还很少,不同燃油添加剂对生物柴油喷射、雾化和燃烧性能等方面的研究也都甚少。另外,国内外的研究并没有从系统的角度来分析柴油机各输入参数对柴油机输出参数的影响程度。为此,本文以国家自然科学基金项目（51676066和51776062）为依托,从上述内容为突破口开展相应的数值模拟研究和实验研究。本文主要研究工作和创新点如下:（1）首次建立了一个改进的柴油机冷起动热力学模型,并通过实验对仿真结果进行了实验验证。该模型分别考虑了气体泄漏率、热损失和气缸余隙容积对柴油机冷起动过程的影响,并采用熵增和?理论深度分析了不同条件下柴油机冷起动过程中熵增和?的变化情况。结果表明,当压缩气体的绝热指数（k=cp/cv）等于1.34时,改进的冷起动热力学模型预测的着火温度值更接近实验值;该模型可以精确地预测柴油机压缩温度和压缩压力,并分析柴油机各热力学参数对输出参数的影响程度。同样表明熵增和?理论能有效地对柴油机热力系统进行评估。（2）建立了两级神经网络模型,研究了不同转速和当量比工况下柴油机各输入参数（柴油机喷油压力,废气再循环（Exhaust gas recirculation,EGR）,燃油喷油量,喷油定时,燃油喷油持续角,柴油机压缩比,进气压力,进气温度）对柴油机动力和排放特性的影响程度。结果表明,高的进气压力和低的排气压力可以促进燃油的完全燃烧,改善柴油机燃烧和提高柴油机输出转矩。在整个工况下,循环喷油量是影响柴油机动力和排放特性的主要因素之一。EGR和喷油定时两个因素对NOx的排放影响最明显,增大EGR和减小喷油定时都会明显地增加NOx的排放。另外,增加压缩比和进气压力都有利于燃油的完全燃烧,减少碳烟（Soot）的排放和增加柴油机的转矩;如果增加EGR,Soot的排放会增加。在高转速时,柴油机压缩比和进气压力对转矩的影响仅次于燃油喷油量;在低当量比的情况下,进气压力对其性能的影响并不明显。然而,在低负荷时,柴油机的燃油喷油量起着非常重要的作用,但是进气压力对油耗的影响不是很明显。（3）研究了不同脂肪酸甲酯（Fatty acid methyl ester,FAME）比例的生物柴油对柴油机燃烧和排放的影响。从热释放率、缸压、油耗、指示功率、CO、NOx、HC排放等多角度分析了大豆油甲酯、菜籽油甲酯、棉籽油甲酯和葵花籽油甲酯四种生物柴油对柴油机动力、燃烧和排放特性的影响。结果发现,柴油机着火延时是化学延时和物理延时共同影响的结果,生物柴油的运动粘度是影响着火延时的一个重要因素;其中随着C18:1、C18:0和C16:0的增加,着火延迟推迟。较高的运动粘度不利于改善燃料-空气的混合、蒸发和燃烧;燃料饱和度越高,化学着火延迟时间越短。与柴油相比,由于生物柴油较低的低热值和高的粘度,生物柴油的动力性能较差。在低负荷时生物柴油增加了柴油机CO和HC的排放量,但在中、高负荷时降低了CO和HC排放。然而,在中、高负荷时生物柴油却增加了NOx的排放。（4）采用ChemkinⅡ代码与AVL-Fire 2013相耦合的方法,研究了不同比例的水-生物柴油乳化混合燃料和纯生物柴油的喷射、雾化和燃烧过程特性。结果表明,水添加剂在燃烧过程中产生的微爆现象可以使燃油浓度场分布地更均匀,从而改善燃油的喷射和燃烧特性。随着水添加剂含量的增加,水-生物柴油乳化混合燃料的着火延时增加;水添加剂可以有效地减少CO和NOx的排放,其中含4%水含量的水-生物柴油乳化混合燃料的动力特性和排放特性最好。但由于水-生物柴油乳化混合燃料中氧原子的增加,会导致水-生物柴油乳化混合燃料中CO2排放量略有增加。（5）研究了90ppm CeO2纳米颗粒的水-生物柴油-柴油混合燃料对柴油机动力特性和排放特性的影响。从热释放率、缸压、油耗、指示功率、CO、NOx、HC排放等多角度分析了柴油机E3运行工况下金属纳米颗粒对柴油机动力、燃烧和排放特性的影响。结果发现,CeO2纳米颗粒可以改善柴油机的缸内燃烧,降低柴油机油耗和提高柴油机热效率。另外,CeO2纳米颗粒可作为一种金属催化剂有效地氧化缸内生成的HC和Soot,使得燃烧更加充分,从而减少柴油机的HC、NOx、PM和CO排放。