柴油机排出的碳烟颗粒物对人体健康和大气环境带来了严重的危害，其危害程度不仅取决于碳烟的生成质量，更与碳烟颗粒本身的属性密切相关，如颗粒的形貌特征、传输和光学特性，而这些属性则是由颗粒的微观结构和尺寸分布所决定。碳烟的形成经历了从气相分子到固相颗粒的转变，是极其复杂的物理化学过程，在当前阶段对其认识还很不完善。对碳烟及其碳烟前驱物的生成过程进行深入研究，可以掌握其生长演变规律，从源头上找寻抑制碳烟生成的途径。本文基于理论和试验相结合的研究方法，从碳烟生成的气相环境角度，分析影响碳烟颗粒数量浓度和尺寸分布的关键因素，对碳烟颗粒动力学的演变历程进行详细研究。　　论文首先构建了碳烟颗粒动力学演变过程的数学模型及基于矩方法和蒙特卡洛方法的数值模型，把该数值模型应用到一维层流预混火焰，获得了不同火焰高度下碳烟颗粒的尺寸分布规律，考察了绿色燃料氢气和含氧燃料乙醇的添加对碳烟颗粒尺寸分布的影响。结果表明，氢气的添加通过改变火焰温度、稀释效应以及化学抑制作用来改变碳烟生成的气相前驱物浓度，进而影响颗粒的生长规律，降低碳烟的生成；乙醇的添加加快了碳烟颗粒的氧化反应，使得大颗粒数目降低，小颗粒数目增加，颗粒尺寸分布的峰值向小颗粒方向移动。　　其次，论文综合分析了目前柴油机碳烟计算模型存在着缸内碳烟生成质量、颗粒数量以及碳烟生成区域不能同时达到精度要求这一缺陷，构建了新的八步碳烟模型。与目前存在的碳烟计算模型相比，八步碳烟模型采用了新的成核组分，增加了PAHs分子在碳烟表面的沉积，完善了颗粒的氧化反应计算；论文构建了正庚烷-甲苯-PAHs的化学反应机理，用来预测缸内PAHs分子的生成规律和柴油的燃烧过程。采用上述化学反应机理，并把构建的碳烟模型耦合到三维CFD软件Kiva-3v中进行计算，获得了缸内碳烟生成的详细信息，通过与试验值对比显示了所构建模型的可靠性和准确性。　　最后，论文对柴油机碳烟颗粒物的尺寸分布和形貌特征进行了试验研究。论文采用DMS500颗粒分析仪对柴油机尾气中碳烟颗粒的尺寸分布进行测量，获得了不同转速和不同负荷下尺寸分布的相关特征；论文同时考察了喷油时刻和EGR对碳烟尺寸分布的影响；进一步考察了柴油中掺混含氧燃料乙醇对其碳烟尺寸分布的影响，结果表明乙醇的添加使得柴油机排出的碳烟大颗粒数目减少，小颗粒数目增加；通过对排气总管中的碳烟颗粒进行电镜观测，分析了碳烟颗粒的内部结构和形貌特征，并计算获得了颗粒的分形维数等相关信息。　　论文通过理论和试验相结合的研究方法，对柴油机碳烟颗粒形成的物理化学过程有了更深入的了解，探讨了从一维层流到三维湍流不同火焰结构下颗粒的尺寸演变规律，对于降低碳氢燃料的颗粒物排放和改善空气环境有着重要的理论和实际意义。