活塞在发动机动力缸的几何位置受活塞缩高、缸垫、曲轴、连杆、缸体高度零部件制造及安装公差的影响。而活塞的几何位置公差会影响发动机的压缩比（CR）及活塞和喷嘴的相对位置。从而影响发动机的性能。本研究对某一试验样机的额定工况，基于台架实测的缸内压力曲线和发动机性能数据缸内最大压力（PCP）、平均指示油耗（GISFC）、平均指示氮氧排放和平均指示碳烟排放（GISPM）对三维燃烧CFD模型模型进行标定，以此分析活塞几何位置公差对发动机性能的影响。结果表明：GISFC随着CR从18.8增加到20.8而降低约1.2%。而PCP和GISNOx随之增加，其中PCP增加约15bar。随后该研究亦分析了在活塞的几何位置公差变化范围内同时引入喷嘴的的制造及安装公差（喷油角度及喷嘴伸出高度）对发动机性能的影响。结果表明：和活塞几何位置公差相比，喷嘴公差对GISFC和PCP影响很小。

含氧燃料具有实现高效清洁燃烧的巨大潜力和广阔的应用前景。本研究使用正丁醇/柴油共混物，基于对燃料的理化性质和燃烧边界条件的协调控制，探讨了分段喷射策略对燃烧和排放特性的影响。此外，通过改变EGR气体的引入方式使得缸内组分不均匀分布从而形成EGR分层，最终优化了燃烧过程并产生了更理想的排放结果并寻求了一种先进的缸内净化技术。实验结果表明，与单次喷射相比，分段喷射策略可以减少NOx排放，并且较小的预喷射量可以保持较低的不透光烟度，但积聚态微粒明显增加。随着喷射间隔的延长，NOx排放量呈上升趋势，而碳烟排放量则明显减少。预喷射比例的增加导致明显的低温放热，并且可以观察到明显的两阶段放热。预喷射比例的增加使NOx逐渐增加，不透光烟度在15％的预喷射比例时达到最低点。采用适当的分段喷射参数并结合EGR​​分层可以显着减少NOx，同时改善不透光烟度和积聚态微粒的数量。

To further increase the total thermal efficiency of truck diesel engine, Organic Rankine Cycle (ORC) system model based on bench test has been built for simulation. A simple ORC system with recuperator is analyzed and the influence of expander and recuperator on the ORC system scheme is evaluated. Several working fluids are selected for system scheme optimization, and the high efficiency scroll expander and the high expand ratio piston expander are both considered in the schemes. Comprehensive optimization of recuperator and expander shows that recuperator benefits from the large temperature difference created by large expansion ratio or low expander efficiency, yet the efficiency increase of recuperator is insignificant with wet fluids. Cyclopentane ORC system coupled with piston expander can achieve 8.81kW output for conventional diesel engine waste heat recovery, which is 75.5% of the ideal expander output without utilizing high efficiency expander; while coupled with scroll expander, the system can recover 5.58kW energy from high efficiency engine exhaust, which is 66.3% of the ideal expander output without high evaporation temperature. However, minor optimization of system scheme is inadequate for high efficiency diesel engine waste heat recovery, high quality heat exchangers are required to further improve ORC system power output.

基于DPF过滤和再生性能试验台，研究了不同炭黑颗粒担载量和不同颗粒沉积分布下DPF出口的颗粒排放和高温过滤特性。利用气溶胶发生器（Palas-rgb1000）将炭黑颗粒引入DPF入口，用Nanometer 3粒子仪测量DPF入口和出口的颗粒浓度，获得DPF的过滤特性。前期研究发现，在没有来流炭黑颗粒的情况下，沉积颗粒的DPF在加热过程中在出口处存在明显的颗粒排放峰，颗粒浓度增加1-2个数量级。而本文主要研究稳态温度条件下DPF的高温过滤特性。研究结果表明，DPF可以减小颗粒的入口脉动范围，随着温度的升高，大颗粒在出口颗粒中的比例增大，颗粒的粒径分布范围减小。颗粒担载量对DPF的过滤有正、负两方面的影响，且DPF具有最佳的颗粒担载量，使得其综合过滤效率最大。沉积过渡段的加入可以使DPF通道中沉积的颗粒均匀，但同时会降低DPF的过滤效率。

Compared to the 4-stroke engines, 2-stroke engines have the advantage of higher power density due to their doubled firing frequency. In order to improve the power output in the traditional 4-stroke diesel engines, running in 2-stroke operation was proposed. In this study 2-stroke operation in a single cylinder poppet valve diesel engine was investigated. In the meanwhile, 2-stroke scavenging process with the traditional poppet valves was analyzed. The 1-D and 3-D CFD simulation were carried out to improve the scavenging efficiency and trapping ratio of 2-stroke operation. The effects of valve timings and operating parameters, such as EVO, intake pressure, and so on, on 2-stroke operation were studied. In addition, an online scavenging efficiency measurement based on CO2 concentration variations in the cylinder was demonstrated. According to its cycle-resolved measurement results, the simulation models were verified. The results show that by advancing the timing of the exhaust valve open, the cylinder pressure during intake process was reduced, and thus less back flow to the intake port led to the increase in scavenging efficiency and trapping ratio. The increase in the exhaust valve opening duration not only effectively improved the scavenging process, but also caused the increase in short-circuiting and thus the reduction in trapping ratio due to the longer valve opening overlap. The effects of exhaust valve lift were quite similar to that of the exhaust valve duration. Finally, with the original 4-stroke engine intake/exhaust port structures, by optimizing the scavenging system, the air flow rate was reduced by 27.1% at the engine rated operating condition (120kW @ 3000rpm), while the scavenging efficiency increased by 0.8-2% and trapping ratio increased by 2.6-3.6%.

为了提高搭载涡轮复合柴油机的长途商用车的节能潜力，对涡轮增压器、动力涡轮和发动机在典型发动机工况下的匹配特性进行了分析和优化。首先，利用GT-POWER建立了重型柴油机的仿真模型，并用实验数据进行了验证。其次，在仿真和实验的基础上，分析了与固定几何涡轮(FGT)、可变几何涡轮(VGT)和废栅涡轮(WGT)匹配的涡轮复合发动机的性能。结果表明，在不同的发动机转速下，涡轮的最佳尺寸是不同的。因此，FGT不能在所有速度条件下获得最佳燃油经济性。VGT和WGT可以根据发动机转速调节两级涡轮之间的能量分布，从而降低燃油消耗。WGT由于其成本低、可靠性高，是一种较好的选择。第三，研究了动力涡轮与发动机曲轴传动比和燃油喷射正时对发动机性能的影响。选择了22的最佳传动比。在ESC循环工况下，未进行正时调整的涡轮复合发动机的燃油消耗和NOx排放分别降低了1.2%和10.2%。优化燃油喷射，燃油经济性提高1.6%，而NOx排放保持原机水平。最后，涡轮复合发动机被安装在长途商用车辆上进行道路测试。在实际路试工况下，燃油经济性提高了2.54%。

本文通过蒸发和非蒸发的spray A工况评估了五种亚格子弥散方法在喷雾大涡模拟中的表现。弥散模型可预测亚格子弥散速度，该速度在计算气、液相对速度时尤为重要。本文提出利用Kolmogorov微尺度来调整随机弥散速度的方差和湍流相关时间。结果显示弥散模型的缺失会导致蒸发喷雾中液态贯穿距离的过度预测。本文所提出的湍流相关时间可使大涡模拟在细网格和粗网格条件下都能准确预测气态贯穿距离。在非蒸发喷雾中，本文所提出的方法使得喷嘴附近区域中的液相喷雾呈现合理的圆锥形，而非细长的线状。在喷雾的下游，添加基于Kolmogorov微尺度的湍流动能可以更好地捕获小尺度的弥散效应，更好地预测下游喷雾形态。

本文基于定容燃烧室实验平台，研究了不同点火方案下甲烷/乙烷/空气混合物的预混燃烧特性。研究了不同点火方式对常温和常压下燃烧压力和火焰传播图像的影响。研究了乙烷含量和点火间隔时间对高温(500K)和高压(3bar)下燃烧压力信号和离子电流信号的影响。结果表明，双火花点火可以加快燃烧速度，提高燃烧压力和升压速率。当两个火花塞同时点燃时，两火焰的前锋面相互抑制。随着双火花点火间隔时间的增大，两火焰前锋逐渐变为相互诱导作用。随着点火间隔时间和乙烷含量的增加，燃烧压力振荡最大值增大，但对压力振荡起始时间影响不大。当压力振荡发生时，离子电流信号出现明显的突然上升阶段。不同点火间隔和燃料成分下离子电流信号与燃烧压力振荡信号具有明显的相关性。

丁醇作为生物燃料在能源安全和减少温室气体排放方面具有潜在的优势。正丁醇的添加不仅可以减少尾气排放，对于后处理氧化反应也有潜在的影响。本次研究基于四缸柴油机，在不同负荷和喷油压力下，研究了50%正丁醇掺混柴油燃料对碳烟形貌和纳米结构的影响。结果表明，随着发动机负荷的增加，纯柴油B00和正丁醇掺混B50燃料产生的碳烟颗粒氧化活性降低。所收集碳烟呈现较大粒径和低分形维数的形貌特征。而且碳烟颗粒纳米结构更加有序，呈现条纹长度更长、较低曲率、层间距更小的特点。燃油喷射压力的增加使得碳烟形貌向平均粒径更小，但纳米结构更有序的方向发展。正丁醇的加入能够显著的降低高负荷工况下的碳烟平均粒径，以及显著改变不同喷油压力下碳烟纳观结构参数。结果表明掺混正丁醇后使得生成碳烟颗粒具有更高的氧化活性。

本文通过一系列二维模拟，研究了各种参数对新型多级加速预燃室性能的影响。在单级加速预燃室、两级加速预燃室和三级加速预燃室中，分别研究了孔径、障碍物位置等参数的影响。研究发现，在单级加速预燃室中，孔径和预燃室容积都能显著影响预燃室性能。而在两级加速预燃室中，由于孔径改变导致的预燃室火焰面积的变化，使得孔径的影响被减弱。此外，障碍物的位置对两级加速度预燃室的相对孔径的影响更大，且更远的障碍物位置能实现更好的加速效果。与单级加速预燃室相比，两级加速预燃室都具有更好的性能，因为障碍物会在预燃室内产生湍流，并促进火焰的加速。在三级加速预燃室中，由于障碍物间湍流火焰的形成受到限制，补偿效果进一步增强，这也导致了三级加速预燃室的性能提升较小。同时，本文还发现预燃室的长度尺度会影响火焰的加速。只要相邻障碍物之间的距离足够大，湍流火焰的形成不再受到限制，三级加速预燃室也可以获得良好的性能。