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%。

氢能被认为是未来有希望的替代燃料。事实证明，直喷式（DI）氢发动机可提供大功率同时避免异常燃烧。涡轮增压直喷氢发动机可通过稀薄燃烧实现大负荷、高效率、低排放。本文研究了增压直喷氢内燃机点火角对性能NOx排放和燃烧特性的影响。结果表明，随着点火正时的延迟，氢发动机的制动平均有效压力从8.7 bar降至7.82 bar。延迟点火会增加排气的能量，导致进气压力升高20kPa。 NOx排放对点火正时很敏感，从2125变为几乎零排放。通过延迟点火减少NOx排放将牺牲一些热效率，随着点火正时从3°CA延迟到-21°CA，最大放热速率增加了一倍，从42 J /°CA上升到84J /°CA 。当燃烧中心（燃料燃烧量为50％）减速时，燃烧持续时间会延长，爆震风险会降低，但是变异系数会增加，有效值会降低约4％。涡轮增压直喷发动机的最佳AI50应设置为6°CA〜9°CA，此时具有较高的有效热效率（35％）和较低的NOx排放量（92 ppm）。

航运业脱碳需求日益紧迫的背景下，替代燃料技术对实现中长期减排目标至关重要。基于不同燃料的内燃机效率差异，构建全生命周期综合评价模型，量化16种船用低碳燃料路径情景下（涵盖化石燃料、生物燃料和电力合成燃料）船舶运营阶段的环境影响。以HFO船舶为基准情景，分别从温室效应、健康损害和生态风险对比了替代燃料的减排贡献，其中E-氨、E-甲醇和E-氢在气候缓解效益最为显著，碳排放降幅超80%，具备长期清洁能源应用潜力。LNG和生物燃料具备过渡价值，可作为短期解决方案。氨燃料具有明显减碳潜力，但需提高N2O控制技术以避免因温室气体全球变暖潜势引发的气候抵消效应。

基于发动机气缸压力信号特征甄别的失火诊断存在特征提取繁琐、判据各机型通用性差等缺点，无法满足船舶机舱智能化与无人化的发展需求，开发快速、高效、准确与普适性强的算法模型进行诊断优势越发凸显。本文提出基于图像识别技术对多缸发动机气缸压力异常进行识别，实现发动机单缸失火故障的快速、准确失火诊断。采集某船用发动机的气缸压力信号，并处理形成规范化正常态和故障态气缸压力图片，构建气缸压力图像数据库；划分训练集和测试集，分别使用SVM、CNN和VGG-16构建气缸压力图像识别模型，并对发动机单缸失火故障的诊断性能进行比较。结果表明：所有图像识别算法均能实现专家级的快速失火诊断与定位，单缸失火诊断准确率达100%。SVM和CNN模型实现了完美的精度/召回率/F1分数（1.0），然而，VGG-16模型表现较差（F1分数：0.13）。此外，CNN 模型的大小最小，SVM 模型训练时间最短。

燃料的蒸发特性对于燃料在发动机缸内的燃烧特性有着决定性影响。研究在经典蒸发喷雾工况Spray A下，使用十二烷作为柴油的表征燃料，对甲醇、柴油单燃料喷雾和甲醇-柴油混合燃料喷雾进行了大涡模拟，研究燃料种类以及各组分掺混比对于蒸发喷雾特性的影响。结果显示，对于单燃料喷雾，前中期二者的气态贯穿距接近，差值保持在2%以内；在液态贯穿距方面甲醇始终超过十二烷，保持在25%~60%范围内。对于混合燃料喷雾，随着甲醇占比的提高，其对柴油组分的蒸发抑制效果愈加明显，甲醇质量分数达到0.75时气态十二烷的局部最大质量分数已小于0.04。

通过可视化实验手段，研究了空气辅助喷射系统中不同撞壁距离对喷雾特性以及附壁油膜生成特性的影响。基于背光成像与折射率匹配法，探究撞壁距离（30 mm、40 mm、50 mm）对空气辅助喷射系统喷雾形态及附壁油膜生成特性的影响。结果表明：撞壁距离对燃油液滴蒸发速率影响较小，但对喷雾撞壁后与环境的混合影响较大，撞壁距离为30 mm时的喷雾面积最大值较撞壁距离50 mm 工况减小37%；撞壁距离减小使油膜厚度、面积和体积均增大，撞壁距离30 mm工况油膜体积较40 mm增大68%，厚油膜（油膜厚度>2 μm）区域占比提高15%，蒸发时间延长超过一倍，而50 mm工况以薄油膜（油膜厚度<1 μm）为主，蒸发速率显著提升。此外，对比了正癸烷与RP-3航空煤油在不同撞壁距离下的附壁油膜生成特性。实验数据表明，正癸烷无法准确表征航空煤油在撞壁工况下的油膜动力学行为。

贵金属催化剂的老化失活是柴油氧化催化剂（DOC）面临的关键挑战。本研究利用非热等离子体（NTP）技术研究老化DOC的再生。结合铂（Pt）催化剂在DOC上的催化氧化性能测试，并通过EDS、和XPS分析，评价了NTP再生的效果。NTP在低于210°C（低于DOC的最高工作温度和Pt催化剂的失活温度）的温度下有效地降解DOC内的积碳。再生过程中，Pt催化剂的BET面积增加了39.06%，平均粒径减小了28.5%，相对碳含量下降了60.9%，相对氧含量增加了。NTP促进Pt的深度氧化，形成PtO（0.22 nm）和PtO2（0.11 nm）的氧化层，提高了CO氧化的催化效率。NTP成功地再生了DOC，恢复了因老化失活而损失的性能，提高了Pt催化剂的低温活性、稳定性和耐高温性能。

为响应“双碳”目标，以一艘柴油机驱动的内河巡逻船为研究对象，将其改造为甲醇-电动机混合动力系统（醇电混合动力系统）。基于CHG234V8MPI甲醇机的台架试验数据，在Simulink中搭建混合动力系统模型，并设计基于规则的能量管理控制策略。仿真结果表明：在典型工况下，与传统柴油机驱动相比，甲醇机驱动具有一定的节能效果和明显的减排优势，而结合了电动机的醇电混合动力系统则可以显著降低燃料消耗和污染物的排放，进而为基于低碳燃料发动机的混合动力系统在内河船舶的绿色化改造方面提供了可行的技术方案。