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碳烟是柴油机排放微粒的主要组成部分,常占微粒总量的50%-80%之多,碳粒是燃料在缺氧的条件下燃烧时形成的。细微或超细微的纳米级碳烟颗粒由于直径较小,故能长期悬浮于大气中而不沉降,碳粒上吸附的可溶性有机物、HC和硫酸盐等对人体有危害,特别是HC中含有大部分的多环芳香烃,具有致癌作用。因此,详细的了解碳烟颗粒的形成过程是十分必要的。本文结合柴油机燃烧过程中碳烟颗粒前驱物形成的复杂化学反应机理,采用多步碳烟模型对碳烟颗粒的形成过程进行数值模拟,其中包含颗粒成核、颗粒碰撞凝结、表面生长、表面氧化、PAHs直接沉积等过程,针对多环芳香烃PAHs分子对碳粒表面生长的贡献作用,本文增加了多环芳香烃(PAHs)直接沉积在碳粒表面引起的表面生长模型,完善并发展了多步碳烟颗粒物计算模型。计算中首次采用与柴油组分非常接近的高碳正十四烷(C14H30)作为燃料,实现了多步碳烟颗粒模型与正十四烷燃料复杂化学反应机理的耦合以及其他计算模型("Shell"自着火模型、RNG k-s湍流模型,RT-KH燃油破碎雾化模型)的耦合,计算结果揭示了碳烟颗粒尺寸分布与形成、发展演变过程。单缸柴油机实验台架上建立尾气分流稀释通道,采用低压撞击器(LPI)对排气颗粒进行粒径和质量的测量；并通过废气分析仪测量排气中的NO, HC, CO2、CO等气态污染物；同时,实时监测缸内燃烧过程中压力和放热率随曲轴转角的变化规律。详细研究了发动机运行工况对碳烟颗粒排放物尺寸分布与生成过程的影响规律,实验测量验证了计算模拟结果。计算模拟结果表明：碳烟的生成规律和质量与碳烟前驱物-萘、联乙炔有着直接的关系；PAHs-苯乙烯、苯乙炔直接沉积在碳烟颗粒表面可增加碳烟颗粒的质量；随着燃烧的进行,大数量的小直径碳烟颗粒的形成是由于碳烟前驱物不断裂解成碳烟颗粒核的结果；小数量的大直径颗粒是由于碳烟颗粒核的凝结、表面生长和PAHs沉积作用的结果。通过实验很好的验证了模拟的准确性。试验测量结果表明：在相同转速、不同扭矩的工况下,随着扭矩的增加,滞燃期缩短,缸内爆压增大,出现的时间相对推后,并且气态排放物(CO2、CO、NO、HC)的质量和碳烟排放的质量随扭矩的增加而增大,碳烟质量明显向大粒径范围移动,即碳烟颗粒由碳核模态分布向累积模态转化；通过对相同转速的不同扭矩和相同扭矩的不同转速工况下的碳烟质量进行对比,发现扭矩对碳烟质量的影响较大。