在柴油机怠速和小负荷工况下，排气热管理是实现柴油机选择性催化还原（SCR）高效转化的关键技术。利用自主研制的全可变液压气门系统（FHVVS）实现了排气门开启次数可变，即常规工作模式时在排气冲程单次开启，排气热管理工作模式时在排气冲程及进气冲程两次开启。通过在一台六缸重型柴油机上进行试验，深入研究了基于排气门二次开启的热管理策略对柴油机进排气过程、燃烧稳定性、排气温度和燃油经济性的影响，并与采用进气节流阀的TVA策略进行对比。研究结果表明：EVRO策略能够缩小进排气压差，显著降低泵气损失，在1200r/min空载工况时的平均泵气损失压力比原机未采取热管理措施时最大降低33.7%；EVRO策略能够提高低进气流量时的燃烧稳定性，拓展柴油机的最小进气流量下限，可实现800r/min空载工况、14%最大进气流量时的稳定燃烧；EVRO策略能够大幅提高排气温度，800r/min空载工况的排气温度可以由未采取热管理措施时的114.7℃上升至225℃；EVRO策略在排气热管理中具有明显的燃油经济性优势，与相同进气流量时的TVA策略相比，在800r/min、10%负荷工况下，燃油消耗量的最大降幅为16.4%。

本文采用物理-化学半解耦的方法确定多组分柴油组分构成，通过解耦法构建精确紧凑的化学反应动力学模型，构建适用不同燃油的多组分柴油表征模型。以目标燃油的各项理化特性为目标，借助优化算法对该表征模型各组分比例进行优化，结果表明构建的多组分柴油表征模型能够准确描述不同类型柴油的着火和燃烧特性，证明该表征模型具有较广的适用范围和较高的预测精度。以发动机热效率和氮氧化物为优化目标，以燃油理化特性为优化参数（通过调整表征模型各组分比例实现）开展优化研究，以实现两项性能指标同步提升。为了揭示各组分对发动机性能的影响，本文利用敏感性分析和相关性分析对优化数据分析。研究发现各表征组分在缸内呈次序性先后蒸发和燃烧，其中具有较长支链的组分（正十八烷、庚基环己烷）有助于提升燃料的整体活性，利于着火和燃烧的进行。与之相反，活性较低的异构烷烃和芳香烃组分不利于着火。多环烷烃和芳香烃能够降低燃烧速度，进而恶化燃烧效率和发动机热效率。尽管七甲基壬烷和芳香烃活性均较低，导致燃料着火延迟，但七甲基壬烷对燃烧效率影响较小。本研究为揭示燃油与发动机相互作用机理以及未来高性能燃油开发提供理论基础和有效工具，帮助发动机实现更加清洁高效燃烧。

本文采购了国内不同牌号市售柴油、煤制油、RP-3航空煤油以及国外包括俄罗斯、泰国和哈萨克斯坦三个国家的不同柴油标准市售柴油等多种燃油。基于GB19147-2016《车用柴油（Ⅵ）》规定的试验方法，开展了不同燃油的详细理化特性检测，包括：宏观理化特征参数和微观组分分布。通过对比不同燃油的链烷烃、环烷烃以及芳香烃等主要碳族组成的比例，并结合馏程、十六烷值、密度等宏观理化特征参数的变化趋势，明确国内燃油与国外典型国家市售柴油的主要理化特性差异。

随着降碳浪潮，船用天然气发动机开始应用在航运业中。与传统燃油模式相比，液化天然气用作船舶燃料可以减少20%的碳排放。然而，天然气工况下的高热、干燥、爆震等特性，使得排气阀磨损失效更为常见。排气阀作为天然气发动机的关重件，其磨损情况影响整机运行的经济性和可靠性。微动磨损，作为排气阀磨损失效的重要形式，存在隐蔽性高，危害性大的特点，然而长期被忽视，目前针对性的研究有限。近年来针对小型柴油机排气阀的研究表明，降低微动磨损可以大幅提升其使用寿命。针对大型船用天然气发动机的研究尚有待开展。基于上述背景，结合ABAQUS仿真软件与UMESHMOTION子程序所建立的排气阀-阀座磨损的三维有限元仿真模型，综合考虑了配气机构动力学与热力学的影响，对排气阀微动磨损现象展开了多物理场耦合的仿真。首先，基于弹性变形理论，确定了接触表面的接触压力和相对滑移距离；然后，结合适用于有限元模型的微动磨损理论模型，计算论文接触结点的磨损深度，并与已发表的实验结果进行了对比。最后，探索了微动磨损的分布规律，讨论了温度场和接触参数对微动磨损的影响。研究结果表明，气阀-阀座接触面处于部分滑移状态，同时存在黏着区和滑移区，符合微动磨损的表现形式。接触参数对气阀-阀座系统磨损存在显著影响，接触面压力较小时，磨损现象不明显。更高的温度会导致气阀产生更大的变形，磨损情况也更加严重，在发生滑移的区域内，磨损深度随半径的增加而减少。

激波管相较其它基础燃烧反应器，能够在较宽的热力学边界内实现对基础燃烧特性的探究。为了模拟内燃机工作环境参数，提出了一种适用于高温高压激波管的光学视窗定位方法。首先，基于激波动力学原理建立了激波管中的诊断时间计算模型。其次，通过对激波管内部工况的等效转化，提出了平衡试验压力和光学视窗位置的定位方法，并通过激波管中的压力-时间历程实验验证了该方法的可靠性。最后，展示了该方法在不同激波管中用于定位单/多个光学视窗位置的多功能性。结果表明，通过调整光学视窗位置及大小，所提出的定位方法能够有效增强激波管的试验压力，从而复现了内燃机的工作环境参数。

流场结构优化是提高质子交换膜燃料电池的性能有效手段，而大尺寸流场板的优化对仿真的效率有着较高的要求。该文章提出了一种基于特征结构的大尺寸流场板优化方法，并对比了不同的特征结构提取方式。利用该方法，在波浪平行流场上设计了一种具有流道局部挡块结构的优化流场，并分析了挡块的位置、间隔和排布方式对流场性能的影响。通过对比不同流场的关键信息和物理场分布，得出了最佳的流道挡块的添加方式。结果表明，特征结构能够在一定程度上反映大尺寸流场板的传质规律，并显著提高流场仿真和优化的效率；在波浪平行流场中，将挡块添加在波浪的平直段、错位相邻并且非等距的布置在流道中能够带来更好的分布均匀性和电池性能；优化后的波浪平行流场较未添加挡块的流场，电池的净功率提高9.26%。

“双碳”背景下，氨作为无碳燃料受到广泛关注。本文在定容可视化实验平台上采用背光法和纹影法，研究了环境条件对液氨喷雾宏观特性的影响，论证了光流算法在液氨喷雾速度场定性分析上的适用性，分析了高温高压下的液氨、柴油和聚甲氧基二甲醚（PODEn）在喷雾特性上的区别，并通过三维仿真方法解析高温高压下液氨、柴油喷雾结构差异。结果表明，提高环境压力会抑制喷雾扩散过程，液氨喷雾对环境温度的变化非常敏感，环境温度升高，液相喷雾明显缩短，当环境温度为700K时，液氨的气相喷雾面积占总喷雾面积的比例可以达到96%。高温高压下，氨的液相喷雾面积明显小于柴油和PODEn，液相贯穿距相较于柴油的液相贯穿距能缩短近60%以上，氨的气相喷雾贯穿距相较柴油也会更小，但气相喷雾面积大于柴油。仿真结果发现，高温高压工况下氨的液相前端处存在一个低温区，该位置的温度与环境温度相差达400K左右。

基于排放远程在线监控系统，选取4个品牌共80台典型国六车用重型柴油机的运行、排放监控数据，基于排气温度建立了DPF再生状态识别算法，研究了DPF工作和再生状态的压差、温度特征及对NOx排放和油耗的影响，还探索了健康和故障DPF在压差、温度特征差异及对排放及油耗的影响。结果表明：结合远程在线监控技术可以实现对国六车用重型柴油机不同工况下整机和DPF运行特征进行动态跟踪；DPF再生状态下，DPF上下游压差显著上升，随着负荷降低柴油机油耗增加趋势明显扩大，整机NOx排放水平显著提高，高NOx排放事件主要发生在再生状态下；DPF再生后，由于高温对DPF和SCR载体涂层表面颗粒物的清除作用，DPF上下游压差明显下降、NOx转化率显著上升；DPF压差始终保持在较高水平的发动机样本，由于DPF和SCR载体涂层表面颗粒物清除困难，其油耗、NOx排放水平均明显高于DPF正常工作的发动机样本。研究结果表明，优化再生阶段燃油后喷射和SCR系统尿素喷射系统控制策略以及低硫燃料加注监管是未来进一步降低车用重型柴油机排放水平的关键。

摘要：在内燃机的燃烧过程中，主要由射流的雾化驱动的空气与燃油的混合起到了重要的作用，最终控制污染物的产生。优化燃油的喷射和雾化质量是提高内燃机的燃油经济性和降低其排放的最有效途径之一。燃油缸内射流经一般经历初次破碎和二次破碎两个过程。而更好的初次破碎被认为能够提供更好的雾化质量和二次破碎，从而形成更好的空气/燃油混合物。含有微气泡的燃油被认为可以通过微气泡的爆炸或者坍塌来影响燃油的初次破碎，从而获得更好的燃油破碎。 然而，内燃机喷射压力的不断增大，以及微气泡难以在射流中进行观察。这要求我们充分了解燃油射流破碎机理，透彻理解含微气泡燃油破碎的起源及对后续射流破碎的影响。所以本研究的重点是采用高速显微镜成像技术和CFD数值模拟相结合，研究了不同喷射压力和初始条件下的燃油的初次破碎和微气泡在燃油喷射过程中的发展变化及对初次破碎的影响。 本研究首先利用结合长工作距离显微镜的高速摄影技术，分析船用柴油机单孔喷油器出口处后2mm范围内柴油的初级破碎。利用三维仿真软件fluent的VOF(Volume of Fluid)模型和K-ω模型对柴油喷射进行了三维数值仿真，验证了喷雾模型模拟近场喷雾的有效性。在此基础上进一步分析残余燃油的初次破碎及微气泡对初次破碎的影响。结果表明：随着针阀开启，腔内压力不断上升，但因为船机喷油器响应时间慢，在整个近场燃油初次破碎研究过程中，喷油压力远低于目标压力，燃油在喷孔流动缓慢，“蘑菇头”的初步形成由这种层流状态导致，这也说明了高喷射压力状态下，“蘑菇头”迅速消失是因为层流状态过快结束。此外，残余燃油在新鲜燃油的推动下，逐渐向前运动。新鲜燃油中心处速度高，当到达压力腔与喷嘴处时，在节流效果的影响下，速度再起加快，残余燃油开始呈现被逐步穿刺现象。部分残余燃油未被推出喷嘴，而是分布在腔体及喷嘴的壁面处，随后被新鲜燃油携带流出。此外，微气泡随新鲜燃油在喷嘴内运动中，呈现被压缩坍塌的效果，加剧了燃油快速破碎，但并未观察到微气泡爆炸的现象。

基于带有点火室的可视化定容燃烧弹实验平台，运用纹影摄影法研究了燃烧模式、环境温度、汽油能量百分比和氨当量比对射流和氨燃烧过程的影响规律。结果表明，相比于氨/汽油双燃料预混燃烧模式，汽油点火室射流引燃模式能够提升主燃室的峰值压力，显著缩短氨的点火延迟和燃烧持续期，并且其汽油喷射量不足前者的1/20。随着初始温度（450、500和550K）升高，主燃室的峰值压力逐渐升高，点火延迟和燃烧持续期分别缩短18.7%和26.8%。另一方面，高汽油能量占比会恶化点火室内的燃烧过程，从而降低射流速度和点火能力。当汽油能量占比为1.0%时，其射流引燃性能最好，峰值压力达到4.96MPa，燃烧持续期为70.4ms，较2.0%条件缩短15.4%。此外，氨稀薄燃烧会显著降低燃烧速度。相比于氨当量比为0.6和0.8，1.0时氨的燃烧表现最好。上述结果可为氨燃料发动机的开发提供参考依据。