质子交换膜燃料电池由于其无运动部件、噪音小和排放低的特点，在水下动力源领域备受青睐。随着工作环境越来越复杂，水下质子交换膜燃料电池需要同时满足水上或水下工作的要求。合理的阴极流场板结构能够弥补PEMFC在水上与水下工作时不同阴极氧化剂带来电池输出性能的差异。该研究利用PEM燃料电池三+一维(3D+1D) 模型在商用级别尺寸下进行了数值模拟，选用活化面积为350cm-2的电池作为计算域。首先在阳极计量比均为2.0的工况下，研究了两种工作模式下，流场沟脊比和阴极流道高度对电池输出性能的影响。随后在沟脊比不变的情况下，改变了阴阳极流场的类型并加入挡块与渐缩结构，探究了流场类型与特征结构对两种模式下电池输出性能的影响。结果表明，两种模式下燃料电池的输出性能随沟脊比变化呈现相反趋势，渐缩和挡块等特征结构的引入能够提高PEMFC在两种模式下的输出性能。此外，还探究了两种工作模式下的最佳的阴极计量比分别为1.5（水下模式）和2.0（水上模式），为水下燃料电池的流场设计及工况设置提供了一定指导。

在点燃式甲醇发动机中，通过重整甲醇生成的合成气作为一种有前景的低成本助燃剂引起了极大的关注。然而，很少有化学反应机理去预测氢气-甲醇混合物和合成气-甲醇混合物的基础燃烧特性。为了探究氢气、合成气对甲醇基础燃烧特性（点火延迟时间和层流燃烧速度）的影响，通过简化详细反应机理（Burke. et al 2016），并且基于已发表实验数据对其关键反应参数进行优化，开发了一个包括39种物质和193基元反应的化学反应机理。.该机理能够很好地预测氢气-甲醇和合成气-甲醇混合物的点火延迟时间、层流燃烧速度和关键物质的演化，仿真验证结果如图1-3所示。然后利用开发的反应机理系统地比较了氢气、合成气（H2：CO=2:1）分别对甲醇燃烧的点火延迟时间和层流燃烧速度的影响差异。结果表明，随氢气、合成掺比的提高，点火延迟时间都之增加，合成气中的CO导致了后者的点火延迟时间比前者略长（如图4所示），有利于减弱发动机末端混合气的自燃趋势，从而抑制爆震，上述现象利用反应路径分析和敏感性分析方法被详细解释。另外，随着氢气、合成气掺比的增加，层流燃烧速度相应增大，由于CO的作用，合成气-甲醇的层流燃烧速度始终略低于相同比例的氢-甲醇的火焰传播速度（如图5所示）。当添加比例一定时，随着当量比的增大，表示层流燃烧速度增幅的系数δ先减小，然后增大到峰值，在极富燃料条件下逐渐降低，并利用敏感性分析方法深入分析其原因（如图6所示）。在相同掺比条件下，合成气-甲醇混合物的CH2O总是小于氢气-甲醇混合物，而且，它们的差异着掺比增加逐渐扩大，这表明CO对CH2O的生成具有较好的抑制作用。

The present paper gives an overview over the research on internal combustion engines and powertrains carried out in the frame of International Federation for Promotion of Mechanism and Machine Science (IFToMM), more specifically – in its Technical Committee (TC) for Engines and Powertrains [1]. As we know, the “green” emission standards nowadays become the strongest factor affecting engine manufacturers worldwide. As a result, we see a massive drift towards vehicle electrification, especially in the automotive industry. In parallel, however, research and development on much cleaner internal combustion engines continues as well, primarily due to the use of alternative fuels, but also through improved design and control of the combustion process. Besides that, some of the emission and efficiency issues can be successfully solved using hybrid drives. Another alternative solution is the use of turbo generators (gas turbines), used both in transportation and in power generation. For all these increasingly diversified powertrain types it is still crucial to consider dynamics and vibrations, tribology, FEM, CFD, thermodynamics, etc., which affect efficiency, reliability, acoustics and NVH. The advanced technology (including the engineering software) being applied the intelligent way during the design, simulation, testing, and manufacturing of the engines and their components, allows to reach a satisfactory quality with a relatively high performance, thus assuring reasonable costs of the engineering processes. Being formed in 2018, the TC for Engines and Powertrains has been actively involved in research work and dissemination of its results by presentation at scientific events and by preparing publications. Most of the research topics of that kind are presented in the multi-subject book [2]. Recently, together with the other technical committees of IFToMM, a conference on sustainable development was organized [3]. The present paper will give more information on the chapters of the mentioned references, as well as on the other engine-related publications authored by the members of the TC for Engines and Powertrains of IFToMM. References [1] Technical Committee for Engines and Powertrains, IFToMM: https://iftomm-world.org/committees/technical-committee-for-engines-and-powertrains/ [2] Advances in Engine and Powertrain Research and Technology, Springer, 2022: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-91869-9 [3] Proceedings of the 2nd Workshop IFToMM for Sustainable Development Goals (I4SDG), Springer, 2023: https://doi.org/10.1007/978-3-031-32439-0

微爆雾化是实现燃油高效清洁燃烧的新技术途径之一，然而微爆诱发机制是制约该技术广泛应用的关键。因此本文采用高速摄影法，在挂滴式液滴蒸发试验装置上研究了微乳化甲醇柴油液滴的蒸发和微爆特性。结果表明，液滴初始体积基本不影响各阶段蒸发时间占比和液滴蒸发速率，而甲醇含量增加膨胀时间和波动时间显著增加，同时蒸发速率也显著速率加快。液滴初始体积与甲醇含量的增加均会导致膨胀比和微爆次数增加，当甲醇含量超过10%以后，膨胀比呈指数级增加。随着甲醇含量的减少和液滴初始体积的减小，液滴发生微爆的次数逐渐减小。在背景温度500℃下，存在一个使微乳化甲醇柴油液滴诱发微爆的最小液滴初始体积Vmin和最少甲醇含量ωmin。微爆强度与液滴膨胀特性和微爆次数紧密相关，因此重新定义微爆强度I=∑_(i=1)^n▒β_i⁄〖∆T〗_i ，进而评估分析液滴初始体积与甲醇含量对液滴微爆转捩特性的影响，最终探明诱发液滴微爆的临界参数。

随着船用柴油机向高强度、大功率方向发展，活塞作为柴油机的核心部件，其承受的热负荷和机械负荷也在不断提高。以某船用柴油机活塞为研究对象，对其进行温度场和热机耦合应力场分析。然后在高周疲劳分析理论的基础上，对活塞的疲劳强度进行评估。首先，结合仿真发现危险部位位于内腔上侧圆角过渡处和活塞顶面中心区域，该位置主要由于应力幅值过大而导致安全系数过低。其次，针对危险部位，进行结构改进，包括改变活塞支撑筋的位置、销孔顶部支撑结构厚度和内腔上侧圆角过渡处的大小。最后，考虑到油腔结构改变对冷却效果的影响，对泄油道结构做出了调整。结果表明，将活塞支撑筋移动到销座1/2处的位置，且相应地增大销孔顶部支撑结构厚度和支撑筋与内腔顶面的圆角过渡处，能够有效提升活塞顶面的承载能力，减小危险部位的应力幅值，安全系数得到了极大提升。改进后的活塞满足设计要求，可为今后船用柴油机活塞结构设计提供参考。

近年来，日益严格的排放标准及低碳政策的实施，促使传统的化石能源向绿色环保的可再生能源转变。天然气具有较高的辛烷值，较强的稀燃能力以及环保特性（含碳量低）被认为是一种理想的船用发动机替代燃料。采用柴油引燃的天然气高压直喷技术是目前先进的天然气燃烧技术之一，可以在保证柴油机效率的前提下，降低NOx、PM和CO2的排放。引燃柴油与天然气之间的相互作用，直接影响了柴油的雾化、蒸发、扩散、滞燃期与空气混合等。进而接影响了天然气预混燃烧的水平，决定了缸内放热率、压力及排放。目前，对引燃柴油与天然气间的相互作用的研究主要关于柴油/天然气/空气混合气的形成对及其对着火延迟的影响，研究发现天然气能够快速稀释或隔离空气，降低混合气中空气的比例，进而增加点火延迟。引燃柴油喷雾与天然气射流过程环形涡间的相互作用也会影响着火，但是对环形涡的研究甚少机理尚不清楚，因此本研究主要分析不同柴油入射角下涡流结构对着火及火焰发展的影响。 在射流发展和着火阶段，引入了Q准则以分析相邻燃料射流的相互作用。Q准则能够提供详细的等涡面结构，不同的Q值对应着不同的等涡面，Q越小，等涡面越大。研究发现，柴油环形涡会在天然气环形涡的推动下沿喷雾方向向下游移动，两个涡的接触位置速度矢量的方向不同，这导致射流发展的过程中两个涡会相互抑。当倾角由5度增加至25度，在靠近活塞方向上涡流轴心间距离减小抑制作用增强，柴油环形涡的尺寸减小会导致高温着火延迟。当引燃柴油倾角大于25度后，在强抑制的作用下柴油环形涡和天然气环形涡会在靠近活塞方向融合成一个大尺寸涡，并使得引燃柴油的高温着火提前，这表明大尺寸的环形涡有利于引燃柴油的高温着火。 在火焰发展阶段，增大倾角会使得着火点向靠近活塞方向移动，并增强天然气对引燃柴油的贯穿，使得火焰前缘向下游扩散需要追赶天然气射流，不利于火焰的发展。火焰充分发展后，引燃柴油喷射方向对燃烧的影响更多的体现在火焰的形态上。在相同的天然气喷射条件下，火焰形态并不会因为引燃柴油喷射的停止而快速趋于一致，这表明引燃柴油喷射方向对火焰形态的影响有持久性。增大引燃柴油的倾角会使火焰整体向活塞方向移动火焰与缸盖的接触时间会延后，增加了火焰与空气的接触面积，进而提高混合控制燃烧阶段天然气的燃烧强度及放热率。

基于SJTU175氨柴双燃料船舶单缸机实验平台，开展了氨能占比＞80%条件下柴油/氨燃料喷射正时、转速及进排气压差对氨柴双燃料燃烧与排放特性的影响研究。结果表明，适当提前柴油喷射正时有助于提高热效率，而氨燃料过早喷射则导致热效率降低，增加未燃NH3和N2O排放，存在实现最佳热效率以及较低未燃氨和N2O排放的氨喷射窗口。降低发动机转速有助于改善热效率、氨逃逸及NOx排放。增大进排气压差导致大量未燃氨排放。合理控制进气压力、柴油和氨燃料喷射正时可实现氨能占比94%的安定运行。

凸轮副是船用配气机构的核心部件，常运行于高温重载环境下，其润滑条件苛刻，磨损问题频发。本文以某船用配气凸轮-滚轮副为研究对象，建立了凸轮副弹流-混合润滑分析模型，以及耦合润滑特性的磨损预测模型。获取了配气凸轮副混合弹流润滑状态变化，分析了配气凸轮副关键位置处磨损状态，并进行相关磨损试验验证其准确性。结果表明，受到表面微观粗糙度影响，配气凸轮副瞬时膜厚及压力呈现出强烈的三维随机分布，甚至出现零膜厚位置，其接触润滑状态恶化；当表面均方根粗糙度达到0.6μm时，在凸轮基本段内接触面积比较大，导致表面微凸体直接接触概率增大，容易产生磨损；在整个凸轮轮廓上，其接触滑滚比较大处（反向运动位置），磨损体积最大达0.5mm3，表面轮廓磨损最为严重。本文所建立耦合混合润滑状态的磨损分析模型，可为船用配气凸轮副磨损预测及低摩擦设计提供理论指导。

点火喷雾引燃是通过火花塞与喷油器的协同作用，利用火花塞点燃尾喷燃料的喷雾，形成射流火焰，引燃缸内超稀薄预混合气的一种新型引燃方式。本文基于一台缸内直喷汽油机，在CONVERGE中建立了三维仿真模型，研究了点火喷雾引燃方式对超稀薄燃烧的影响。在全局当量比为0.50 的超稀薄环境下，研究了尾喷比例对发动机燃烧与排放特性的影响规律。结果表明：尾喷比例的降低会缩小射流火焰的引燃面积，但会提升预混合气的燃烧速度；在20%尾喷比例下，尽管其射流火焰面积较小，滞燃期相对25%尾喷比例有所增大，但由于预混合气当量比的增大，火焰传播速度加快，燃烧持续期有所缩短；而当尾喷比例降低至15%时，前期射流火焰面积较小，引燃缸内稀薄混合气比例较低，燃烧持续期延长，燃烧效率有所降低；在排放方面，尾喷比例的降低减缓了前期射流引燃燃烧速度，可降低NOx排放。

通过耦合多维仿真KIVA-3V与非支配排序遗传算法（NSGA-II），针对甲醇/柴油缸内双直喷发动机的进气参数、喷油参数和喷嘴布置开展协同优化，旨在同步提升发动机燃油经济性、氮氧化物排放和运行稳定性。分别对初始温度、甲醇比例、柴油喷油时刻和甲醇喷油时刻四个参数进行小幅人为扰动，模拟实际运行中的参数波动，通过计算优化算例燃烧相位(CA50)和指示平均有效压力(IMEP)的平均变化幅度评估优化算例的运行稳定性。优化结果表明，CA50是影响运行稳定性的关键因素，将其控制在上止点附近时，发动机可以获得更好的整体性能表现。降低甲醇比例和提高初始温度能够提前着火点，缩短燃烧持续期，不仅提高发动机燃油经济性，还能够改善发动机氮氧化物(NOx)排放和运行稳定性。由于两种燃油喷雾的相互作用，需要将甲醇喷油时刻推迟到-30 °CA ATDC之后，可以减弱甲醇对柴油低温反应的影响，提高运行稳定性。提前柴油喷油时刻有助于减小局部高温区域，从而有效控制NOx排放。改变喷雾夹角会影响两种燃油的空间相互作用，从而影响发动机着火时刻、燃烧持续期和燃烧效率。优化结果表明，将柴油油束喷射到活塞唇处不仅可以增强燃空混合，还可以充分引燃甲醇，同步提升发动机经济性、排放以及运行稳定性。