本文基于解耦物理-化学表征（Decoupling Physical-Chemical Surrogate（DPCS））模型建立了匹配柴油理化特性的表征燃料优化器以高效地配制柴油表征燃料。同时将DPCS模型和常用表征模型的预测结果进行了验证，包括发动机的燃烧和排放特性。结果表明，该方法配制的表征燃料准确地再现了实验结果，并且反映出物理表征成分蒸馏特性对燃料蒸发的影响。另外，通过数值模拟的方法探讨了不同柴油间着火和排放的差异。对比发现，化学表征燃料中的高活性成分（正癸烷）主导燃料的着火特性，而着火相位进一步影响燃料的排放特性。

爆震是限制汽油机性能的一个主要因素。本文根据末端混合气体自燃机理，探索了在不同转速、燃料的情况下汽油机冷却水温度对爆震的影响，得到最佳的冷却液温度。本文在GT-POWER软件中建立了四缸汽油机仿真模型，并嵌入爆震预测燃烧模块，设置了不同的转速，采用了普通汽油和乙醇汽油，通过传热计算得到不同冷却液温度下的缸壁温度，并输入到GT-POWER软件中，实现了不同燃料与不同转速的对比。最终得到以下结论：在不同的燃料、工况中，控制冷却液温度越低，四缸汽油机发生爆震的可能性越小。

相变储热(latent thermal energy storage，LTES)因为较高的储热密度以及广泛的应用前景被国内外专家学者所关注。当前研究通常侧重稳态热源下的储热过程，而没有考虑到现实生活中大量的热源是以非稳态的形式存在的。本文研究了横置管壳式相变换热器在非稳态热源下翅片布局和数量对换热器储热过程的影响。结果表明，在下半部分相变材料内垂直方向上布置翅片可以比增加翅片个数更能有效的缩短相变材料的完全熔化化时间。翅片可以强化熔化过程中液态相变材料中的自然对流，进而加快热量的储存。然而，当热源处于较低区间时，相变材料向热源放热，此时翅片会加剧热量的损失。合理的翅片布局，可以平衡甚至削弱由于热源处于低温区间相变材料放热的影响，对储热量提升有积极的作用。

为改善柴油机的油气混合性能，提出了一种V型交叉孔喷嘴，每个孔由一对子孔合并而成。本文利用VOF-LES，将喷嘴内部流动直接耦合到相应的射流上，研究了喷嘴内部流动和初始阶段的油气混合过程。数值计算结果表明，圆柱孔喷嘴在150MPa的喷射压力下会出现空化，空化从孔的进口向出口发展，而交叉孔喷嘴几乎不出现或出现少量空化，后者只出现在带扰动区的交叉孔喷嘴中。此外，V型交叉孔喷嘴的内冲击效应对射流表面的不稳定性有很大的影响，从而促进了液体射流的破碎。另外设置盲孔作为扰动区，能够提高喷嘴出口附近的湍流强度。

以改善燃油喷雾湿壁提高内燃机燃烧的可控性，降低HC、CO的排放为目的，对柴油液滴撞击不同润湿性的铝合金表面后的形态发展及蒸发特性进行了试验研究。结果表明，在较高的壁面温度条件下，激光刻蚀的凸包凹槽结构及乳突状结构增强疏油性的能力优于化学刻蚀的凸台凹坑结构及针状结构。液滴撞壁后经历铺展-回缩-再铺展的振荡状态，表面疏油性越强，液滴的铺展因子越小，反弹因子越大。壁面温度对液滴撞壁后的发展行为有较大影响。当壁面温度低于液滴的Leidenfrost温度时，随着壁面温度的升高，柴油液滴的粘度、表面张力降低，液滴在不同润湿性表面的气相扩散宽度、扩散高度、扩散面积均增加。

内燃机进气管压力波动导致离心式压气机出口呈现脉动状态。本文对脉动背压下离心压气机的性能进行了试验研究，分析了压气机在不同脉动工况下的非定常性能。结果表明，该压气机的瞬态性能呈现围绕稳态性能的迟滞环，压气机脉动周期平均效率在最高附近明显低于稳态背压工况，在25 kRPM和35 kRPM转速时，压气机最高效率分别降低约7%和3%，平均压比降低约2-3%。然而，脉动背压对大流量工况的效率影响较弱。基于试验数据，由瞬态压比-质量流量迟滞环大小作为衡量脉动背压条件下离心压气机非定常性的准则，并提出压气机性能非定常性与脉动背压频率、幅度及压气机特性曲线斜率呈对数正相关的模型。得出压气机的不稳定性与脉动参数及稳定特性的关系为log⁡Ω∝k1 log⁡(St⋅M)+k2 logS。

利用便携式排放测试系统（portable emission testing system， PEMS）分别对4辆典型重型柴油车和4辆典型重型液化天然气（liquefied natural gas， LNG）车开展实际道路排放测试，并利用功基窗口法与行程平均法分析其实际道路NO_x、CO、CO₂和颗粒数量（particulate number， PN）排放特性。结果表明：排放后处理技术路线能够有效控制国六重型柴油车在实际道路工况下的NO_x、CO和PN排放；但LNG车的CO排放存在超排放限值的风险，部分LNG车存在NO_x排放超过限值的现象，而PN排放则存在较大不确定性，部分LNG车的PN排放较高。在碳排放方面，LNG车实际道路CO₂比排放较柴油车降低6%~18%，有较为明显的减碳优势。

基于一种大缸径船舶发动机模型，使用元素标记法研究了氨氢混合燃烧下不同负荷与不同掺氢比条件下的氮氧化物生成特性与空间分布特征。仿真结果表明， 氨氢混合燃烧具有超高NO排放、较高NO2排放的特点，热力型NOx随掺氢比提高而增加，燃料型NOx则相反，在掺氢比0.12、负荷100%条件下，两种类型的NO浓度均在3000ppm以上；负荷降低，混合气更接近理论空燃比，缸内燃烧更迅速、温度更高，造成热力型NOx浓度随负荷降低而升高，但由于混合气变浓造成NH3浓度增加，NH3对NOx的还原作用被增强，主要在火焰传播区域附近生成的燃料型NOx浓度下降

可变涡轮截面增压器(VGT)可以改善高压比增压器与柴油机的匹配性能，提高柴油机部分负荷特性，改善柴油机低速瞬态响应能力。相比可变涡轮截面增压器(VGT)采用单一增压压力为控制目标，通过合理的喷嘴环控制策略，优化柴油机各转速工况下增压匹配效率点，可实现全负荷下的燃油经济性提升。本文在一台中速机车柴油机上，进行柴油机各个工况点下不同VGT喷嘴环位置的试验研究，研究表明，在不同的转速工况下，存在不同的最优VGT喷嘴环位置，使柴油机的油耗最低。通过多个工况点的优化试验，最终获得一条最优的开启VGT喷嘴环的目标增压压力脉谱。

甲醇是富有潜力的碳中性燃料，其在大功率机车、船舶和发电机组等领域具有良好的应用前景。由于甲醇能量替代率高，燃烧稳定，在大缸径发动机上采用甲醇/柴油高压双燃料模式是最具潜力的应用方式。针对一台大缸径机车发动机甲醇/柴油高压双燃料模式下的燃烧和排放特性进行了全面分析，并对双燃料喷射策略进行了优化。结果表明：相比纯柴油模式，双燃料燃烧模式具备更快的扩散燃烧速率，燃烧持续期缩短了3.7CA，且较低的燃烧温度可以减小传热损失，在发动机爆压限制下可以获得更高的指示热效率。双燃料燃烧模式在降低NOx、Soot、CO排放具备显著优势，而HC排放略有增加。柴油先于甲醇喷射策略下的燃烧和排放性能优于甲醇先于柴油喷射策略。柴油先于甲醇喷射策略下存在性能最佳的喷射间隔，甲醇先于柴油喷射策略随着喷射间隔的增大存在压力升高率边界和失火边界。当柴油喷射正时为-16CA ATDC和甲醇喷射正时为-12CA ATDC时，综合性能最佳。