由于柴油发动机具有优异的热效率、坚固性和承受高机械负荷的能力，长期以来一直是重型车辆和各个工业领域的主要动力来源[[1], [2], [3]]。然而，燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）[4]和颗粒物（PM）[5]的排放已成为环境管理中的主要问题，尤其是在全球“双碳”战略背景下。因此，开发清洁、高效、可再生的替代燃料已成为可持续工业发展的紧迫任务。目前，诸如醇类[[6], [7], [8]]、醚类[[9], [10], [11]]和酯类[[12], [13], [14]]等可再生燃料正逐渐受到重视。富含氧的醇基燃料，包括甲醇和乙醇，因其较高的氧含量有助于更充分的燃烧并减少烟尘生成而受到关注。特别是在资源丰富的地区，乙醇展现出巨大潜力。然而，其较低的十六烷值、较差的润滑性和材料兼容性问题仍限制了其实际应用。醚基燃料，如聚氧甲基醚（PODE）[15,16]和二甲醚（DME）[[17], [18], [19]]，具有非常高的十六烷值、几乎无烟的燃烧特性和极低的硫含量，使其成为超清洁燃料的有吸引力的选择。不过，低粘度、较差的润滑性以及对专用燃料系统的需求等挑战限制了它们的广泛应用。酯基燃料也在不断研究中，以解决生物柴油的某些局限性。其中，生物柴油[[20], [21], [22]]作为一种可再生酯类燃料，有潜力部分或完全替代传统柴油，同时减少碳排放并推动能源转型。
在全球迈向碳中和的背景下，第二代生物柴油——氢化处理植物油（HVO）作为一种有前景的替代品脱颖而出，具有显著的实际应用优势。HVO通过甘油三酯的氢化从多种原料（如非食用植物油、动物脂肪和废弃食用油）中制备，从而避免了与食品安全相关的问题。该产品是一种纯烃化合物，具有优异的低温流动性和氧化稳定性（延长储存寿命），有效克服了第一代生物柴油（脂肪酸甲酯，FAME）的固有缺点。此外，HVO的较高十六烷值使得燃烧更加完全和清洁，显著降低了NOx、PM和CO的排放。重要的是，HVO可以直接替代石油柴油，因为它与现有的压缩点火发动机和分配系统完全兼容，无需进行技术调整。据Millo[24]的研究，使用纯HVO运行的轻型柴油发动机比使用B5燃料的CO2排放量降低了约85%，CO和HC排放量分别减少了40%以上和50%以上。此外，HVO的雾化特性与B5柴油相似，与Cheng[25]的研究结果一致。Bortel[26]在车辆发动机中评估了纯柴油、纯HVO以及30% HVO+70%柴油混合物的效果，发现HVO显著降低了CO和HC的生成，对NOx和颗粒物（PN）排放的影响较小。值得注意的是，添加30% HVO的效果与使用100% HVO的效果相当。相比之下，传统生物柴油的动态粘度较高，可能会影响燃料雾化和质量分解，从而降低燃烧效率并可能在发动机中形成碳沉积[27]。Bohl[28]研究了HVO及其混合物的喷雾和燃烧特性，并将其与矿物柴油进行了比较。结果表明，使用纯HVO对动力损失影响很小，燃油消耗率（BSFC）可降低2.3%。随着HVO混合比例的增加，颗粒物排放量减少了14%。
PODE作为一种新兴的含氧替代燃料，具有显著的应用优势。PODE具有较高的十六烷值和近50%的氧含量，表现出良好的燃烧特性，并显著抑制了烟尘生成[[29], [30], [31]]。这一特性特别有助于降低柴油发动机的PM排放，从而解决了柴油车辆排放控制的关键问题。低聚合度（n < 5）的PODE具有较低的挥发性和云点[32,33]。研究表明，将PODE与柴油混合可以有效降低燃料的云点和粘度[34]。因此，将PODE与生物柴油结合使用可以互补物理特性，同时增强减排潜力。Liu和Wang[35]研究了含有15%和25%（体积比）PODE的柴油混合物对燃烧过程和排放特性的影响，发现加入PODE显著改善了NOx和烟尘的平衡。尽管制动热效率（BTE）有所下降，但HC和CO的排放量同时减少。此外，在低负荷和中负荷条件下，PODE混合使用可以降低峰值热释放率（HRR）。在后续研究中，Liu[36]进一步研究了含有15% PODE的生物柴油/PODE混合物（B85P15）在直喷柴油发动机中的表现。在高负荷下，B85P15和B100（纯生物柴油）的扩散燃烧HRR低于D100（纯柴油）。此外，B85P15的总燃烧时间缩短了5曲轴角度（°CA），并在整个负荷范围内实现了最高的指示热效率（ITE）。Li[37]在自然吸气单缸发动机中比较了柴油、生物柴油和BP15混合物（15% PODE和85%生物柴油，体积比）的性能，发现在高EGR条件下，三种燃料的NOx排放均受到显著影响。特别是在使用B100和BP15时，传统的NOx和烟尘排放平衡被打破，NOx和烟尘排放分别降至0.4 g/kW·h和0.01 g/kW·h以下，表明EGR比例对生物柴油-PODE混合物的影响显著。Liu[38]评估了PODE3-4/柴油混合物（10%-30%体积比）在轻型和重型直喷柴油发动机中的性能，发现20% PODE混合物（P20）在轻型发动机中表现最佳，烟尘排放量低于纯柴油和P10，NOx排放量也略低于P30。在重型发动机中也获得了类似的结果。Zhang[39]研究了S70P30、S70P15E15和D100对柴油发动机燃烧和排放特性的影响，发现与D100相比，S70P30和S70P15E15的BSFC分别提高了6.7%和5.1%，NOx排放量分别增加了19.0%和11.3%，而烟尘排放量分别减少了91.1%和89.7%。
初始压力、初始温度和废气再循环（EGR）比例的变化显著影响柴油发动机的燃烧行为和排放特性[[40], [41], [42]]。提高初始压力可以增加进气密度和充气量，从而提高动力输出和燃油经济性；然而，也可能加剧NOx排放。初始温度的升高会降低空气密度，减弱增压效果，同时提高燃烧温度，从而促进NOx的生成。相反，过低的初始温度会阻碍空气-燃料混合，导致PM和一氧化碳（CO）排放增加。增加EGR比例可以有效抑制燃烧温度并显著降低NOx排放。然而，过高的EGR水平会降低燃烧效率，导致烟尘、未燃碳氢化合物（UHC）和燃油消耗量增加。因此，协调优化初始压力、初始温度和EGR比例对于在日益严格的排放法规下实现高效清洁的柴油燃烧至关重要。尽管当前许多研究强调新型替代燃料的应用，但高生产成本、储存和运输困难以及与现有系统的兼容性等问题仍未解决。因此，传统柴油仍在实际使用中占据主导地位。
以往的研究主要集中在柴油/生物柴油和柴油/PODE混合燃料在柴油发动机中的应用。然而，关于传统柴油/HVO/PODE三元混合燃料的研究相对较少。本研究采用数值模拟方法，旨在探讨这种混合燃料在不同初始压力、初始温度和EGR比例下的燃烧和排放性能，找出最佳参数组合，以进一步优化柴油发动机的性能，从而解决这种混合燃料在柴油发动机中的适用性问题。本文的结果有助于推动柴油/HVO/PODE混合燃料在柴油发动机中的实际应用，促进柴油发动机的绿色发展。
