面对全球的能源危机和环境污染问题,汽车排放法规越来越严格,内燃机燃烧是实现高效低污染的根本。而各种清洁替代燃料的应用则是另外一个重要途径。生物柴油作为清洁的可再生能源,在发动机上无需改动即可直接应用,而目前被广为研究的一代脂肪酸甲酯生物柴油,因稳定性差、对发动机腐蚀严重等诸多弊端,在国内始终没能进入车用市场,而加氢催化二代生物柴油以其完全不同的分子结构组成所带来的良好的稳定性、着火燃烧和排放性能成为非常有潜力的一种车用替代燃料开始被关注。本文针对正构烷烃结构的加氢催化二代生物柴油,从采用先进的可视化激光测试技术对其喷雾、着火、燃烧和碳烟生成过程开展系统、深入的研究到其在柴油机上的具体应用,为加快推进该种新型生物柴油在发动机上的应用提供理论基础和实验依据。本文在能够模拟传统柴油机活塞运行到上止点时缸内高温、高压环境的可视化定容燃烧弹实验系统上成功搭建了喷雾、燃烧及碳烟测试的可视化光路系统。采用先进的光学诊断技术首次实现了加氢催化二代生物柴油/柴油的混合燃油喷雾和燃烧特性随时间和空间变化的联合测量和分析。针对现有碳烟测试方法复杂和测试精度偏低的问题,提出了应用高频背景散光探究三维空间碳烟分布的新方法。全文主要研究工作和创新成果如下:1)基于燃烧条件下的火焰浮起长度和着火延迟期,确定了每组试验的最佳重复次数和最佳喷油之间的时间间隔,保证了试验所得数据的稳定性和可靠性。在此基础上,开展了混合燃油的喷雾、燃烧和碳烟生成过程的研究。2)结合自然光、激光Mie散射法和纹影法开展混合燃油喷雾特性的可视化试验。研究结果表明,喷雾液相长度的发展主要受燃油质量流量和卷吸的环境气体量的影响,随着混合燃油中加氢催化二代生物柴油比例增加,混合燃油液相长度减小;喷雾气相贯穿距主要受燃油喷射速率和蒸发速率共同影响,在低喷射压力下,环境温度不影响喷雾气相贯穿距的发展,而随着喷射压力的升高,这种影响开始出现并增强,混合燃油中加氢催化生物柴油的添加比例基本不影响气相贯穿距的发展。3)采用自然火焰发光法及平面激光诱导荧光PLIF法开展了混合燃油燃烧特性的可视化研究。研究结果表明,随环境温度升高,含氧量增加以及燃油十六烷值的增加均导致着火延迟期的缩短和火焰浮起长度的减小;而随着燃油喷射压力增加,着火延迟期缩短,但火焰浮起长度增加;在高喷油压力下,火焰浮起长度长于喷雾液相长度,燃油蒸发过程与燃烧过程的相互影响较小;而低喷射压力下,火焰浮起长度短于喷雾液相长度,液相长度末端被扩散火焰所包围,燃烧过程与燃油蒸发过程有着较强的相互关联和影响;随着加氢催化生物柴油比例的增加,燃烧过程中的高温反应区面积增大。4)对混合燃油碳烟生成过程的研究表明,喷射压力越高,碳烟初始出现时刻越早,出现位置离喷嘴距离越远,KL峰值越低,即碳烟生成量越少;环境中含氧量越多以及环境温度越高,初始碳烟出现时刻越早,KL峰值越低高;在同样工况条件下,B0燃油KL峰值要大于B50燃油。5)通过对加氢催化二代生物柴油喷雾、着火、燃烧和碳烟生成的系统研究,建立了混合燃油液相长度、气相贯穿距、着火延迟期和火焰浮起长度的经验公式,为加氢催化二代生物柴油喷雾模型发展和燃烧机理完善提供了实验依据,具有重要的学术价值。同时,在发动机台架上开展了油耗排放试验,推动了加氢催化二代生物柴油在柴油机上的应用,研究工作具有重要的工程应用价值。