为保证发动机的排放和负荷能够满足要求的同时，减少燃油消耗。在75%负荷工况下，对一个船用柴油机的燃烧系统进行优化。首先基于热力学和喷雾燃烧理论获得最佳热效率所需的目标放热率，确定喷孔直径、喷油开始时刻和喷油持续期，然后使用三维数值模拟仿真数据以燃烧室结构和喷油夹角作为输入，油耗、爆压、压升率、Soot、NOx作为输出搭建机器学习模型并结合遗传算法对燃烧室进行搜索优化。结果表明，优化后的燃烧系统增强了缸内空气利用改善了混合控制燃烧效果，从而提高了燃油效率。在满足排放和负荷的要求下，燃油消耗较基线情况减少了14.2%。

能量㶲是系统相较环境具备的最大做功能力，发动机缸内燃烧：化学反应，传热，传质和湍流耗散会引发其损失。研究结果发现喷雾燃烧过程中主要的㶲损失来自于化学反应占总损失的56.34%，其次传热造成的㶲损失占42.56%，传质和湍流耗散带来的㶲损失小于2%，因此喷雾燃烧是化学反应和传热㶲损失为主的燃烧过程。从当量比和温度分层角度分析，当量比1.0-2.0损失占比46.8%，温度1000-2000K损失占比66.3%为两种分层下的主要损失源，然而当量比1.0-2.0和0.5-1.0段释放的单位体积机械㶲(缸内温度压力不平衡包含的㶲)相同，这意味这当量比1.0-2.0释放相同机械㶲需要损失更多的㶲，因此改变混合气分层结构促进混合气向当量比小于1.0的区域混合有利于提高机械㶲。

针对某型号双燃料发动机，在燃烧系统的设计和开发过程中，运用CONVERGE v2.3.6软件进行双燃料模式3D-CFD燃烧模拟，采用ω1型燃烧室对四种不同版本的微喷喷油器进行评估确定用于试验台开发的版本，并以选定的最优的微喷喷油器对ω1型和ω2型两种燃烧室进行评估，以匹配最佳燃烧室结构。模拟分析结果表明：相同喷射速度（HFR）下，ω2型燃烧室的燃料消耗率比ω1型燃烧室低2.5%；在给定的HFR条件下，喷孔较少的喷油器表现出更好的燃烧性能；喷孔数量为3、喷射速度（HFR）为760 cm3/min、喷雾锥角为140°的微喷喷油器匹配ω2型燃烧室能获得较好的动力性、经济性和排放性。

结合柴油机尾气组分，采用固定床反应器研究了水和催化剂对碳黑氧化时气体排放特性的影响，结果表明：温度升高、氧浓度增加与加入催化剂均会促进碳黑氧化，且加入催化剂CeO2或Pt/Al2O3可使CO2排放大量增加，CO排放几乎为0，前者对CO2促进效果更加明显。水蒸气加入会使气体排放降低，氧化效率下降，碳黑氧化受到抑制，对CO的抑制效果更明显；且抑制作用在21%氧浓度下更强。当水浓度由0%增加至9%，气体排放先下降后上升，3%水浓度时抑制效果最强。此外，研究发现水的存在对碳黑氧化过程中CO2的选择性有积极作用，CO2与CO总排放比值随水浓度升高而逐渐增加。

基于柴油机台架，采用排气颗粒粒径谱分析仪（EEPS 3090），研究了不同启动工况时不同碳载量以及不同载体温度情况下催化型柴油机颗粒捕集器（catalytic diesel particle filter，CDPF）的过滤特性。结果表明：CDPF受启动工况、碳载量和温度的影响。冷启动工况下，CDPF对大于50 nm的颗粒物过滤效果明显；而热启动工况下，CDPF对小于50 nm的颗粒物过滤效果更好。碳载量越高，过滤效率越高。相较于冷启动，热启动工况的过滤效率更高。CDPF载体温度对过滤效率有明显影响，载体温度越高，过滤效率越高。随载体温度的上升，CDPF出口会有50 nm以下的颗粒物产生，使得CDPF的过滤效率为负值，进一步增加载体温度，50 nm以下的颗粒物排放逐渐减少。

为了研究甲醇替代率和废气再循环（EGR）结合柴油氧化催化器（DOC）对F-T（Fischer-Tropsch）柴油/甲醇双燃料发动机燃烧和排放的影响，对一台4缸高压共轨柴油机进行改造，增加一套进气歧管甲醇喷射系统和高压冷EGR系统，在排气管中安装柴油氧化转换器。在2000r/min和75%负荷下进行试验，主要关注排放参数。试验结果表明：随着甲醇替代率（MSR）的增大，CO、NO2、甲醇、甲醛和Soot排放增加，NO和NOx排放降低。加装DOC后，CO、NO2、甲醇和甲醛排放大幅下降，NO排放基本不变，NOx和Soot略微升高。EGR结合DOC后，随着EGR的增大，CO、NO、NO2、NOx、MEOH、HCHO排放减少。

基于相平衡的发动机喷雾模型在模拟跨/超临界发动机喷雾过程方面取得了很大的进展，但传统的相平衡算法采用迭代格式来求解复杂非线性方程，在效率和稳定性方面存在缺陷。传统算法的效率较低，限制了仿真中可以考虑的细节量，而不稳定性可能导致非物理结果甚至仿真发散。在这项工作中，开发了一种基于人工神经网络(ANN)的方法，作为传统算法的潜在替代应用于发动机喷雾模型，以实现快速和稳健的相平衡计算。构建三个人工神经网络，分别为TPn-ANN、HPn-ANN和AMT-ANN。后两种模型结合TPN-ANN可分别应用于传热传质流动和绝热混合问题，实现对相平衡温度、相稳定性和相分裂的预测。目前的工作表明，神经网络方法导致显著的效率提高，同时保持与传统算法几乎相同的精度。高保真正十二烷喷雾模拟的执行时间分析表明，传统的相平衡计算大约占用70%的总计算时间，而目前提出的人工神经网络方法可以将这部分时间减少到可以忽略的水平。

为研究预燃室安装位置对四冲程点燃式航空重油活塞发动机缸内燃烧影响规律，建立了不同预燃室安装位置的燃烧室CFD模型；研究预燃室安装位置的变化对预燃室进气过程、主燃室火焰传播过程的影响规律。结果表明：合理的选择预燃室安装位置，可以使气流在喷孔附近形成高速气流，促进预燃室排出内部的残余废气，增加压缩终了时预燃室内部的新鲜工质质量，获得更好的燃烧加速效果；同时，射流进入主燃室的过程中，还可以增大射流在主燃室内部的贯穿距离，从而加速主燃室内混合气的燃烧速度

为了研究液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程，本研究搭建单液滴撞壁的光学观测系统，采用激光诱导荧光法研究单液滴撞击不同黏度薄液膜的过程。试验中采用无水乙醇作为入射液滴，丙三醇水溶液作为壁面液膜，观测液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程，根据其破碎过程的特点分为三类：飞溅破碎、孔洞破碎和混合破碎。对每种破碎类型的特性，破碎机理及破碎后形成的二次液滴的直径和空间分布做定性描述，在混合型的破碎过程中，出现直径较大的二次液滴的现象较多，研究表明孔洞破碎和飞溅破碎的双重作用导致了大液滴的出现。液膜黏度和入射液滴韦伯数对冠状结构破碎形式有显著影响，随着液膜黏度的降低和液滴韦伯数的增大，冠状结构破碎过程由不破碎向飞溅破碎、孔洞破碎和混合破碎演变。根据试验数据，建立冠状结构不同破碎状态的临界数模型。

为了提高柴油机微粒过滤器（DPF）在碳烟捕集过程中的整体性能，提出了基于响应面模型的DPF捕集性能多目标优化方法。首先，在对DPF物理数学模型进行分析的基础上，利用GT-POWER建立DPF捕集模型,并通过发动机台架试验验证了仿真模型的可靠性。然后以最大压降和初始过滤效率为优化目标，孔隙率、孔直径、过滤体长度、壁厚和通道直径五个结构参数为优化变量，基于Box-Behnken实验设计构建DPF捕集性能二阶响应面模型，并对每个响应进行了诊断分析（ANOVA），分析结果表明，构建的响应面能够准确反映DPF捕集性能响应规律，具有较高准确性。同时，对响应面回归方程进行方差分析（ANOVA），分析结果表明，所选的五个结构参数对DPF捕集效率都有显著影响，孔隙率、过滤体长度、壁厚和通道直径四个结构参数对DPF压降有显著影响。最后，使用Design Expert软件中Optimization模块进行多目标寻优，并利用仿真模型对多目标优化结果进行了验证。结果表明，优化后的DPF压降对比优化前下降51.34%，优化后的DPF初始过滤效率趋近于100%。