摘要：自由活塞式发动机发电机结构紧凑，部件简单，压缩比灵活，指示效率潜力巨大，在混合动力电动汽车中具有广阔的应用前景。为了使FPEG模拟与实验更加一致，实验设计的准确性受到关注。为了确保清除过程的真实性，本文将清除过程完全由活塞运动而不是简单的参数设置主导。通过结合Matlab和AVL Boost仿真，本文比较了在不同压缩比和不同运动频率下两种清除设置之间的差异。结果表明，在不同压缩比的条件下，两条扫气曲线会引起模拟结果的明显差异。仅在注意点工作条件的情况下获得的扫气曲线将在模拟中使用后使性能更高。当扫气曲线更符合活塞运动规律时，得到的结果表明，输送比和传热损失将减小。气缸中的最大压力将减小，这更倾向于实际情况。

为提升发动机的燃油经济性、摩擦学性能和密封可靠性以及提出了活塞环系统性设计与优化的方法进而改良活塞环的设计与制造。针对参与缸内燃烧的关键活塞组件（活塞、活塞环、缸套），构建了活塞环运动学与动力学性能分析模型，并加以实验验证了该模型的精确度，然后，在此模型的基础上，进行多个因素的显著性分析并结合曲面响应法建立了基于窜气量的非线性规划数学模型，最后采用遗传算法对其进行优化。通过对比分析原始发动机与优化后发动机的相关性能，优化后的结果表明：发动机活塞环组间窜气量平均值最大降低了28.1%，最大降幅值达到88.2%；活塞环组底侧间隙端面燃气通流流量改善更为显著，其中第一道气环的评估指标平均值降低了82.6%，最大降幅值为99.8%，第二道气环的评估指标平均值降低了53%，最大降幅值为62%；油环的评估指标平均值降低了26.9%，最大降幅为46.8%；发动机活塞环组的摩擦损失功也有明显的改善，相比较原始值最大降幅为25.3%。

随着排放法规的加严和发动机排气温度的降低，目前的国六后处理系统可能无法满足下一阶段法规要求。本文对后处理系统的发展趋势进行了讨论。前置SCR被认为是一种具有前景的后处理技术，在冷起动时较国六后处理系统有较好的低温NOx排放控制效果。针对前置SCR系统中的前置SCR可能出现的问题进行了分析并进行了发动机台架试验验证。结果表明：前置SCR在HC中毒、端面堵塞等问题上，可以通过催化剂的调整来避免。因此前置SCR系统是一套可行的、可靠性较高的后处理系统。

基于文献试验数据通过GT-Power仿真软件分别建立了Cu/SSZ-13分子筛催化剂单、双和三吸附位NH3吸附模型，研究了空速、温度及水热老化对NH3存储性能的影响。对比不同模型仿真结果，发现三吸附位模型因区分了不同吸附位对NH3存储性能的差异，可以较好地预测NH3存储过程中反应器出口NH3浓度变化且预测效果最好。基于验证好的三吸附位NH3吸附模型预测空速、温度及水热老化对NH3存储性能的影响，结果表明：NH3-TPD过程空速越大，等温吸附和等温脱附过程越迅速，升温脱附过程NH3的脱附峰值越低，NH3存储量越小；温度越高，NH3存储量越低。催化剂经700℃（100h）水热老化后Cu2+吸附位数量增加，[Cu(OH)]+吸附位和B酸位数量减少，升温脱附过程NH3的低温脱附峰值升高，高温脱附峰值降低。

涡轮增压内燃机在动力性、经济性和排放性能方面都优于自然吸气内燃机。然而，增压内燃机存在增压迟滞现象。这就提出了在涡轮增压器的研发阶段独立于内燃机的瞬态响应性测试需求。本文提出了一个无需预估涡轮增压器动态性能的瞬态响应性评价指标，并给出了相应的测试方法。不同运行工况的试验结果表明，所提出的评价指标和测试方法能够反映增压器相关性能对于其瞬态响应性的影响。这种方法可以用来独立于内燃机在不同的涡轮增压器之间进行瞬态响应性比较。

排气热管理与高效SCR技术是达到严苛排放法规的重要技术手段。本文探究了温度与空速对紧耦合SCR与主SCR的影响。研究表明，350℃时紧耦合SCR与主SCR的NOx转化效率最高，空速对紧耦合SCR的影响大于主SCR，同时在高空速条件下在紧耦合SCR下游观察到NOx排放波动。通过排气热管理优化，中小负荷的排气温度提升约21℃，原机NOx排放由4.53 g/kW·h降低至2.63 g/kW·h，同时紧耦合SCR与主SCR在热态FTP循环的初始温度分别提升30℃和20℃。通过前后尿素喷射比例优化，尿素补充喷射策略以及基于氨传感器的尿素喷射修正，FTP循环下的加权NOx排放低于0.027g/kW·h，满足加油超低排放法规限值要求。

转速的控制效果对柴油机运行品质有重要影响，但面临多种不确定性因素的干扰。例如，对于发动机-变速箱耦合系统，整个转动惯量受到变速箱大小和传动比的影响，而负载转矩也是未知的。为了提高系统的抗扰性能并简化标定，本演技提出了一种复合抗扰控制算法。首先，基于面向控制的发动机转速动态模型设计了扩展状态观测器，用于实时估计和补偿负载转矩。再次，为了提高性能，运用两个转动惯量在线估计方法，包括极值搜索(ES)和递推最小二乘（RLS）来尝试和评估仿真。结果表明，采用转动惯量学习算法后，在负载扭矩突变的情况下，最大转速偏差比无转动惯量在线学习时降低39%。与ES相比，RLS比ES收敛更快(62秒比300秒)，但在惯性估计精度较低，且对模型不确定性更敏感。

为确保大功率内燃机的效率和可靠性、提高活塞环-缸套系统的润滑性能，以磁流体为润滑剂开展了摩擦学实验。本研究首先制备了Fe3O4磁纳米颗粒，详细描述了其微观形貌和磁学特性。随后，基于球盘摩擦副，在往复运动机上开展了一系列摩擦学实验，探讨了磁流体的抗磨减摩能力。最后，根据斯特里贝克曲线，研究了ICE中活塞环-缸体系统中磁流体的润滑规律，并总结了其作用机理。结果表明，磁流体具有优异的抗磨损和抗摩擦能力，在磁场作用下其润滑性能的改善效果更为显着，在特定情况下可高达26.2％。研究表明，磁流体可以延迟活塞环-缸套系统中从混合润滑过渡到边界润滑的时间节点，从而提高发动机的可靠性。

空化流动在许多应用领域得到了广泛的研究。本文旨在比较三种湍流模型模拟空化流动的结果;一种是新近发展起来的VLES (very Large eddy simulation)模型，另一种是SST k-omega湍流模型，最后一种是LES (Large eddy simulation)模型，包括WALE (Wall- adaptive local eddy viscosity)模型。VLES模型是一种基于局部网格分辨率和局部湍流尺度信息的自适应湍流建模方法。在u型节流阀喷嘴和实验喷油器喷嘴上对所有模型进行了比较。研究表明，VLES模型可以比SST k-omega模型提供更准确的空化结果，甚至不输给LES模型。基于一系列不同分辨率网格的结果表明，VLES模型可以提供相对粗糙网格上空化流动的可接受性预测。

基于Spray A试验数据在开源计算流体软件OpenFOAM环境下耦合欧拉喷雾模型和非稳态火焰面进度变量燃烧模型，分别对非燃烧和燃烧工况下的正十二烷喷射雾化与湍流燃烧过程进行建模，并分析了正十二烷三种不同骨架化学反应机理的计算结果。结果表明：该耦合模型能够准确预测喷雾浓度场和速度场的空间分布以及准稳态时刻的火焰结构；滞燃期、火焰浮起长度和碳烟前驱物的预测对化学反应机理非常敏感；五种机理中，仅Yao的滞燃期和火焰浮起长度均与试验最为吻合。