国Ⅵ排放标准将柴油机排放设定在一个极低的限值，进一步节能减排的难度空前提高，因此含氧燃料的应用得到了共同的关注。在目前被大量研究的含氧燃料中，聚甲氧基二甲醚（PODE）因其十六烷值和含氧量高等优点，无疑是最具潜力的。PODE的物化特性与柴油有所不同，因此本文开展了PODE/柴油混合燃料的喷嘴内部空化流动、喷雾宏观和微观、发动机缸内燃烧及其排放特性的试验和数值计算研究。针对目前空化和喷雾初级破碎过程数值计算模型存在的问题，对相关模型进行了优化和拓展研究，并结合现代柴油机高压喷雾燃烧多维燃烧模型，建立了喷嘴内部空化流动、喷雾、燃烧模型耦合的PODE/柴油发动机燃烧模型，并研究了不同PODE掺混比例、喷油提前角和废气再循环率（EGR）对发动机燃烧和排放性能的影响，获得了PODE/柴油混合燃料发动机的最佳工作匹配参数。本文的主要研究工作和结论有：
（一）开发了基于均相成核理论的空化模型。利用经典均相成核理论，对液态工质中气泡成核过程进行了理论分析和推导，并从统计学的角度获得计算单元内气泡成核数量，避免了现有空化模型在气泡成核部分的理论欠缺和计算误差。模型还定义了表征实际液态工质内部气泡大小分布情况的当量气泡半径参量，解决了气泡半径设为可调参数的不确定性误差，使模型贴近实际情况，适用范围更广。模型还利用亨利定律和分压定律，分别计算不同类型溶解气体对气泡内压力的影响，克服了以往溶解气质量分数设为定值的缺陷，拓展了模型的工质适用范围。通过对比发现，本文空化模型较其他模型计算准确度更高，鲁棒性更好，适用范围更广。
（二）基于本文空化模型，完成了喷嘴内部流动特性的数值模拟研究。研究发现：随着PODE掺混比例的增加，喷嘴内部空化区域略微增大。随着喷孔直径的减小，出口流量减小，但0.15　mm孔径喷嘴流量系数比0.12　mm和0.18　mm喷嘴更高。喷孔入口圆角半径越大，出口流量越大，出口流速越小。当针阀提升至一定位置后喷嘴内部流动趋于稳态，并将保持稳态直至针阀落座前附近位置。提高针阀升程，喷嘴准稳态出口流量先增大随后稳定不变。随着喷射压力的增大，准稳态临界位置先提前随后稳定不变。随着背压的增大，临界位置基本不变。
（三）完成了PODE/柴油掺混燃料的喷雾宏观特性试验研究。试验结果表明：贯穿距受喷射压力和喷孔直径影响较大，受PODE掺混比例影响较弱。喷射油压越大，贯穿距越大；喷孔直径越大，贯穿距越大。喷雾锥角基本不受喷孔直径和喷射压力的影响。对于所有工况，喷雾锥角均稳定在17~19°范围内。经过大量数据实测发现，PODE掺混比例低于50%时，随着PODE掺混比例的增加，喷雾平均锥角略有增加，但受PODE密度高的物性特点，纯PODE的平均喷雾锥角是最小的，且随着喷孔直径减小，这一特点更加明显。喷雾投影面积受喷射压力影响明显，基本不受PODE掺混比例和喷孔直径的影响。喷射压力越大，喷雾投影面积越大，雾化区域也越大。
（四）完成了PODE/柴油掺混燃料的喷雾微观特性试验研究。试验结果表明：PODE能有效改善柴油喷雾的雾化质量，并保证液滴尺寸保持在相对稳定的范围。PODE掺混比例越大，液滴索特平均直径越小，但相对尺寸范围较稳定。在喷雾边缘区域，喷雾液滴径向液滴尺寸分布差异明显，轴向无明显差异。大液滴具有更大的惯性能，喷雾发展时能输运到更为边缘位置，因而径向外缘液滴尺寸更大。PODE的添加对喷雾液滴尺寸空间分布无明显影响，但PODE掺混比例越高，径向上液滴数量越少。减小喷孔直径并不一定总能提高雾化质量，0.15　mm喷嘴喷雾索特平均直径要比0.12　mm和0.18　mm都小。当喷孔直径减小到一定值后，继续减小喷孔直径，反而会使喷雾雾化质量恶化。
（五）提出了异步化处理单步长父液滴初始化过程的喷雾模拟计算策略。基于欧拉-拉格朗日方法改进了初级破碎过程父液滴初始化方法，按照喷嘴出口截面流动特性参数的不同进行计算单元划分，并按照不同单元的质量占比进行单步长喷射质量分配和父液滴初始化，各单元每步质量损失在下一次迭代中进行补偿，各单元相互没有质量补偿。通过对比发现，本文方法在喷雾贯穿距和形状预测上较传统方法准确度更高，在索特平均直径预测上准确度较传统方法显著提高。通过数值模拟发现，随着入口圆角半径的增加，索特平均直径呈现先降后增的趋势，0.03　mm圆角半径喷嘴索特平均直径最小。
（六）开展了PODE/柴油掺混燃料的电控高压共轨发动机试验和数值模拟研究。建立并校验了PODE掺混燃料发动机缸内燃烧过程多维数值计算模型，校验发现本文模型能准确计算不同PODE掺混比例燃料的缸内压力变化，并能相对准确地预测NOx排放数值和碳烟排放变化趋势。研究发现：低负荷工况下，随着PODE掺混比例的增加，滞燃期缩短，缸内峰值压力时刻略微提前但大小无明显变化。高负荷工况下，缸内温度较高，滞燃期对缸内燃烧过程影响减弱，且PODE热值较低，随着PODE掺混比例的增加，峰值压力略微降低，缸内温度略微增高。PODE能有效改善燃烧过程，自带氧特点可有效降低碳烟排放，但NOx排放增加。随着喷油提前角的提前，滞燃期变长，喷雾蒸发量更多，缸内峰值压力增大且提前，缸内温度明显增高，碳烟排放降低，NOx排放先增后降，喷油时刻在710~715°CA范围时排放性能最佳。随着EGR率的增大，滞燃期变长，缸内平均压力和峰值压力减小，缸内温度降低，碳烟排放明显增加，NOx排放显著降低，其中EGR率在14%~20%范围时排放性能最佳。