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。

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。

氨燃料凭借无碳、低成本、来源广、便于存储和运输等优势成为未来碳中和内燃机的主要燃料。本文通过氨气预混、柴油直喷模式的单缸柴油机研究过量空气系数对氨-柴双燃料发动机燃烧和排放特性的影响，在不同氨能替代率边界条件下，探究过量空气系数耦合其他参数对发动机动力性、经济性的影响。试验结果表明，过量空气系数（λ）对发动机性能的影响具有显著的负荷依赖性：在低负荷工况下，增大λ可显著改善氨燃料的燃烧效率，提升缸压和热效率；而在高负荷工况下，过大的λ会导致混合气过度稀释，降低燃烧温度和压力，使燃烧相位滞后。研究还发现，λ的优化存在最佳范围，过低或过高均会降低发动机的IMEP和热效率。在排放方面，增大λ能有效降低CO₂排放，但对N₂O生成的影响较为复杂，同时未燃氨排放主要受替代率控制而对λ变化不敏感。

氢发动机作为零碳清洁动力的核心装备之一，已成为能源革命的关键技术载体。本文基于一台缸内直喷的四缸火花点火氢燃料发动机台架，对1500r/min条件下进气条件、喷氢压力、喷氢时刻对氢发动机燃烧及排放性能的影响进行了研究。结果显示，节流式进气可有效增强缸内的湍流运动，在中小负荷工况下具有提高氢发动机燃烧性能的优势；在4-8MPa喷氢压力范围内，喷氢压力的增大可提升燃烧性能，其中4-6MPa范围内提升效果更为显著，但较高的喷氢压力会导致排放增加；喷氢正时提前会使平均指示压力和NOx排放降低，合适的喷氢正时利于实现良好混合气分布；过量空气系数升高可有效降低NOx排放，但过度的稀燃会大幅削弱燃烧稳定性。

氢气作为具有高火焰传播速度的代用燃料，其燃烧特性对混合气分布及缸内流动高度敏感。为拓展缸内直喷氢气发动机喷射压力适用范围，探究通过优化喷射器喷嘴结构对燃烧过程调控的有效性，对比了三孔和五孔喷射器在1.0-1.5 MPa喷射压力下对低压缸内直喷氢发动机燃烧过程的影响。发现五孔喷射器能实现更靠前的燃烧相位、更低的循环变动和更高的热效率，但NOx排放增加。当喷射的压力降低时，燃烧过程对喷射器喷嘴设计参数变化的敏感性降低。在1.2 MPa喷射压力下，五孔喷射器的有效热效率达到36.43%。

互连肋影响高和稳定的细胞性能。碳沉积被认为是对二氧化碳电解的固体氧化物细胞（SOCs）稳定的一个挑战。本文基于计算流体动力学软件，建立了阴极负载平面固体氧化物电解电池（h2o/co2共电解）的三维模型。仿真结果与实验电流-电压（I-V）曲线的一致性良好，证明了该三维模型的有效性。基于一组标准的模型参数，通过改变肋的宽度来检测单元格的性能。结果表明，细胞输出强烈地依赖于肋骨宽度，而一个合适的肋骨宽度的选择对于实现SOEC堆栈的潜力是重要的。预测结果表明，在阴极活性区下方、电解质和反应物气体出口附近出现了容易发生碳沉积的区域。随着互连肋变小，气体浓度和电流密度利润均匀，碳配置变小。