火焰温度是体现燃烧性能的重要指标之一，对研究燃烧机理、提高内燃机性能、降低排放污染物生成具有重要意义。本文基于内窥可视化技术搭建了船用中高速柴油机试验系统，研究推进特性下大缸径柴油机燃烧火焰瞬态温度场和碳烟浓度场的时空变化规律。研究发现：20%和25%负荷的燃烧温度和KL因子远远超过其他负荷。50%负荷喷油量增大，过量空气系数减小，混合时间短，柴油未完全燃烧，火焰平均温度较低。25%负荷的NOX排放比50%负荷的高，与计算的25%负荷的高温火焰面积比50%略大的结果一致，同时25%负荷的烟度比50%负荷的大，与计算的25%负荷下的平均KL因子大于50%负荷的结果一致，证明了全文计算结果的合理性。

当前在能量转换装置中，由于液氨燃烧不会产生温室气体的排放，因此液氨作为燃料展示出了非常有吸引力的前景。然而，由于其独特的物理性质，液氨的雾化和相变特性与普通碳氢燃料有很大不同，这使得使用流行的欧拉-拉格朗日框架来精确模拟广泛环境条件下的氨喷雾非常具有挑战性。为此，首先考虑液滴的非球形效应模拟氨喷雾液滴的阻力和相变特性，因为氨喷雾液滴具有低表面张力。其次，建立了一个新的雾化模型来预测闪沸引起的热破碎，其中液滴内气泡的成核和生长用最新的理论来模拟。采用大涡模拟(LES)的湍流闭合模型进行了模拟，并与典型的非闪蒸和闪蒸条件下的实验数据进行了验证。结果表明，新模型与非闪蒸和闪蒸条件下的测量结果吻合较好。

零碳排放是未来内燃机发展的主流趋势。内燃机需要不断超越现有的工作原理，特别是探索新的燃烧方式。双燃料燃烧是减少碳排放、实现清洁燃烧的好方法。然而，传统的内燃机受到其结构的限制，限制了其性能的提高。对置活塞二冲程（OP2S）柴油发动机是一种具有高度结构可调性的潜在动力系统。因此，本工作试图将甲醇/柴油双燃料应用于OP2S发动机，以探索未来高效清洁的燃烧模式。本文建立了OP2S柴油机的一维仿真模型，并对模型进行了校核验证。主要研究了不同甲醇含量下进排气口高度冲程比对OP2S柴油机动力性能、燃油经济性、扫气性能和排放性能的影响。结果表明：OP2S柴油机的性能被两个转捩点划分为3个区域;第二区域为最佳性能区，进气口高冲程比为0.056~0.122，排气口高冲程比为0.078~0.1。OP2S柴油机的扫气性能和排放性能均存在“trade-off”关系。甲醇含量增加会促进指示热效率的增加和指示功率的降低。甲醇含量增加会促进扫气效率的增加和捕获率的降低。

首先分析基于模型预测控制方法实现船用双燃料发动机RCCI燃烧模式转速闭环控制的研究，并针对此设计模型预测控制器和BP神经网络预测模型用以预测柴油机动态变化。针对实际约束条件，基于状态空间方程，使用二次规划方法进行求解。在Matlab/Simulink环境下进行的仿真实验中，怠速启动情况下，发动机转速调节超调量极小，稳态转速波动小于目标值的1%。变载荷工况下，与PID控制器相比，其瞬时调速率降低3-4%，稳定时间缩短约4s。有效提高了系统的响应速度和鲁棒性。

燃料喷嘴内部流动过程直接或间接的影响了燃料与缸内空气的混合情况，进而影响发动机燃烧性能。因此，使用FLUENT流体仿真软件开展对氨燃料流动特性的研究。基于多相流模型建立氨燃料喷嘴内流模型，结合可视化实验平台完成模型验证。通过改变喷射压力、环境压力以及喷射策略对比研究了氨燃料和柴油燃料的喷嘴内部流动特性。发现更大的喷射压力促进了喷嘴内部燃料流速、空化体积分数的增大，同时燃料温度的增加也促进了空化的产生，而背压的增大则会对此产生一定的抑制作用。此外，当采用预主喷射策略时，由于主喷开始喷嘴内部存在较多气泡，使喷射前期喷孔内部燃油流速及实际喷射量降低。

采用活塞式二冲程发动机的小型无人机在空中飞行时，飞行高度变化和空中风向、风力的变化会影响发动机的进气压力，对发动机的换气过程和螺旋桨特性产生影响，改变进气燃空当量比的同时，影响无人机的动力性能。而小型无人机由于其自身重量限制，无法携带氧传感器或高频压力传感器等设备，同时发动机通常采用地面预设MAP对控制边界进行调控，因此无法应对发动机进气压力的瞬态变化。提出了一种基于进气估计模型的小型活塞式二冲程发动机进气量控制方法，通过建立能够反映进气压力边界对发动机进气量影响的机理模型，并构建了计算达到目标螺旋桨动力所需的发动机进气量及对应的节气门开度的简化流程，结合基于进气量和转速的发动机点火和喷油量协同控制，构建了发动机转速的前馈控制方法。该方法与PI反馈调节相结合，在无人机匀速爬升工况下转速控制平均误差降低了89%，转速阶跃工况下转速控制平均误差降低了81%。

柴油机缸盖螺栓是密封缸体-缸盖的重要紧固件，承受着巨大的爆发压力，为了验证柴油机钢质缸盖螺栓-铝缸体内螺纹连接副的可靠性和选择合适的螺纹旋合长度，设计了一套模拟铝合金缸体内螺纹孔不同旋合长度的试件进行拧紧过程螺栓伸长量测试试验，在试验中短旋合长度的内螺纹孔螺纹发生断裂，根据试验建立螺栓拧紧过程动力学有限元模型，开展了拧紧过程中旋合长度对内螺纹孔受力和变形研究，研究表明，拧紧过程中内螺纹压根和沟底承受的应力较大，旋合长度过短会使得螺纹承受的应力和变形增大，增加失效风险，旋合长度过长则对可靠性提升没有帮助。

内河船舶燃料电池动力系统主要以质子交换膜燃料电池为发电核心，辅以加湿器，循环泵等辅助部件进行发电推动船舶航行，是一种清洁高效的动力源。本文通过Aspen仿真软件建立了船舶燃料电池动力系统模型，探究了不同工作参数对系统性能和不同极化过程的影响。结果表明供气压力以及温度对燃料电池的性能都有所影响，同时电池性能也会随着阴极供气湿度的增加有所提升，但是在阴极湿度超过饱和蒸汽压的80%之后，性能提升不再明显，甚至可能会存在“水淹”现象的发生。

为打造绿色矿山、绿色港口，响应国家节能减排要求，以及为客户降本增收，新能源装载机发展前景十分广阔。本文针对7T级装载机，通过对整车构型分析、整车参数分析、动力性分析计算选型、经济性工况分析、增程器及电池选配分析，设计开发出一款增程式串联混合动力装载机。最后结合整机计算分析出节油率及运营成本。经核算验证，该款混动装载机满足动力性设计需求，增程器系统功率及电池系统大小选配合适，满足常规工况下的能量及功率平衡。相对传统车油耗大幅降低，节油较高，能够有效降低年运营成本，帮客户实现快速回本及增加经济收益，符合节能减排绿色发展的需求。

为了研究船用柴油机缸盖热失效问题，开展了“四孔平板”缩尺试样的热疲劳加速试验，建立了基于Chaboche组合硬化材料模型和改进Ostergren塑性能量损伤模型的仿真方法，研究了塑性变形、热疲劳开裂的热失效行为和机理。研究表明：仿真预测具有较高精度，圆孔失圆变形预测最大误差不超过10.5%，并准确预测了裂纹的产生；缩尺试样受到循环变化的温度梯度影响，导致整体结构热弯曲变形失配，产生局部非对称的拉压应力引发了塑性变形；随着循环次数增加发生应力松弛，塑性变形呈现先快后慢的非线性减少趋势；冷却阶段的拉伸塑性应变能和应力三轴度增加，引发了圆孔鼻梁高应力区开裂损坏。研究为船用柴油机缸盖的热失效分析和优化设计提供了有价值的参考。