柴油机热效率高、经济性好,广泛应用于交通运输、工程机械、农业机械等领域,但它排出的颗粒物是造成环境污染的一种主要污染源。目前颗粒捕集器被公认为是柴油机排放微粒后处理的最有效方式。柴油机采用颗粒捕集器可以有效减少颗粒物的排放,随着车辆运行里程的增加,颗粒捕集器内的微粒不断沉积造成排气背压逐渐增加,导致发动机性能恶化,因此必须对颗粒捕集器定期地进行再生。燃油添加剂颗粒捕集器催化再生,通过添加燃油添加剂使得颗粒物起燃温度大幅度降低,在柴油机正常排温时就能实现颗粒捕集器再生,具有较高的实际应用价值。本文选取有机铁基金属添加剂配制铁基燃油添加剂（Fe-Fuel Borne Catalyst,Fe-FBC）燃油,研究其对柴油机经济性和排放性能的影响,探明有添加剂时排气微粒的理化特性,为后续燃油添加剂颗粒捕集器的再生研究提供试验和理论依据;在经典微粒氧化Bissett-Konstandopoulos模型基础上考虑颗粒比表面积的变化和抑制因子的影响,改进颗粒捕集器中碳烟氧化动力学模型,在FLUENT平台上建立了颗粒捕集器采用燃油添加剂催化再生的数值模型,探索颗粒捕集器采用燃油添加剂催化再生特性以及再生反应机理,为实现颗粒捕集器的被动再生过程和改善颗粒捕集器再生性能提供技术指导。研究工作和主要结论如下:（1）选取有机铁基金属添加剂,配制得到Fe100、Fe200、Fe300和Fe400四种Fe-FBC燃油样品。在测试台架上研究各比例燃油添加剂/柴油混合燃料对柴油机的经济性和排放性能的影响,试验表明,Fe-FBC燃油的有效燃油消耗率相比基准柴油要低,热效率要高,且低负荷时更加明显。柴油机的氮氧化合物与烟度排放随着铁基燃油添加剂浓度的增加而降低,高负荷时下降趋势更加明显。铁基燃油添加剂燃油的一氧化碳和碳氢化合物排放量均低于基准柴油。根据不同比例Fe-FBC燃油对有效燃油消耗率、有效热效率、氮氧化合物、烟度、一氧化碳和碳氢化合物排放的影响,发现Fe-FBC优化添加比例为Fe300。采用微孔均匀沉积冲击器和废气排放颗粒物粒径谱仪研究分析了Fe300燃油与基准柴油碳烟颗粒质量粒径和数量粒径的分布情况。研究发现,基准柴油和Fe300燃油碳烟颗粒质量浓度都呈现出单峰对数正态分布的特定。与基准柴油碳烟颗粒相比,Fe300燃油碳烟颗粒的总质量浓度降低了20.58%,90%以上的Fe300碳烟颗粒集中在积聚模态下。基准柴油和Fe300燃油碳烟颗粒在额定工况下的质量中位径分别为0.426μm和0.374μm,基准柴油和Fe300燃油碳烟颗粒数量浓度呈对数双峰分布。与基准柴油颗粒相比,Fe300燃油碳烟颗粒粒径向着小粒径方向偏移,基准柴油和Fe300燃油碳烟颗粒的数量中位径分别为50.7 nm和39.1nm。（2）采用扫描电镜、透射电子显微镜对柴油机额定工况下燃用基准柴油和Fe300燃油碳烟颗粒物微观形貌、内部结构进行定性与定量分析,使用分形理论分析计算碳烟颗粒的无序度,并用Digital Micrograph对碳烟颗粒的微晶尺寸、层面间距和微晶曲率进行测量分析。分析结果表明,Fe300燃油碳烟颗粒的微观形貌相比基准柴油粒径减小,多呈枝状链状结构,比表面积增大,颗粒数量变多;透射电子显微镜图像中Fe300燃油碳烟颗粒相比于基准柴油有明显的孤核颗粒存在;高分辨率透射电子显微镜图像中可以看到Fe300燃油碳烟颗粒具有明显的铁晶格;与基准柴油相比,Fe300燃油碳烟颗粒的计盒维数有所降低,层面间距增大,微晶尺寸减小,微晶曲率增大,基本碳粒子结构碳层的石墨化程度降低,氧化活性增强。（3）利用热重分析技术对柴油机额定工况下燃用基准柴油和Fe300燃油的碳烟颗粒物的热重曲线分析起始氧化温度、自发燃烧温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度,采用Coats-Redfern积分法分析碳烟颗粒物的热解动力学参数,利用单颗粒燃烧模拟分析颗粒物燃烧特性。结果表明,Fe300燃油碳烟颗粒中可溶性有机物含量增加,失重速率峰值温度向低温区移动;与基准柴油颗粒相比,Fe300燃油碳烟颗粒的起始氧化温度、自发燃烧温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度均有所降低;柴油碳烟颗粒活化能高于Fe300燃油碳烟颗粒。（4）Bissett-Konstandopoulos模型在分析颗粒捕集器再生的碳烟氧化动力学模型时假定颗粒的比表面积不随着碳烟氧化转化率变化而变化,实际上碳烟颗粒的比表面积在颗粒捕集器再生过程中是不断变化的。由于化学吸附作用形成了一个会抑制碳烟颗粒氧化反应的半经验的抑制因子。在Bissett-Konstandopoulos模型的基础上,考虑碳烟颗粒反应过程中比表面积、抑制因子的变化对碳烟氧化反应动力学模型进行改进。采用FLUENT软件结合用户自定义函数（User Defined Functions,UDF）对颗粒捕集器再生过程进行数值模拟计算。并通过数值模拟与实验验证了FLUENT结合UDF模拟颗粒捕集器再生过程的有效性。（5）基于新的碳烟氧化动力学模型,采用FLUENT软件结合UDF的数值模拟方法,对柴油机颗粒捕集器的再生开展了数值研究。并对采用不同碳烟颗粒（柴油和Fe300燃油）的颗粒捕集器再生模拟结果进行对比分析,揭示了结构参数（过滤体壁面厚度、长度和通道宽度）和运行参数（来流氧气体积分数、质量流速和沉积层厚度）对颗粒捕集器采用铁基燃油添加剂催化再生过程的影响规律。研究表明,颗粒捕集器中间段的碳烟颗粒最先反应完全,然后从中间向两端反应;壁面最大温度随时间变化的曲线可以分为加热段、急剧燃烧段和缓慢燃烧段。柴油颗粒由于活化能高于Fe300燃油颗粒,碳烟开始氧化反应的温度升高,反应速率降低,再生时间变长。随着过滤体壁面厚度增厚,过滤体长度增长,过滤体通道宽度减小,最高壁面温度降低,且出现最高壁面温度的时间推迟;总体碳烟质量残留比率减小得缓慢,再生效率下降。