提高内燃机（ICE）的制动热效率（BTE）仍然是减少交通部门燃料消耗和温室气体（GHG）排放的关键目标。本文深入分析了北美市场汽油发动机技术的最新进展，特别关注乙醇和先进生物燃料混合作为BTE改进推动者的作用。发动机设计和分子燃料定制的进化进步都被评估为提高系统效率的协同策略。整合了来自大量文献和行业研究的实验和模拟数据，提供了一个全面的视角，并概述了该领域未来进一步发展的前景。

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。

本文以-10#柴油为基准，采购国内外不同标准的多种燃油（国内-50#车柴、RP3航空煤油以及国外俄罗斯、泰国和哈萨克斯坦三个国家的市售柴油），开展了不同起动转速和燃油方案的单缸机起动试验，通过分析缸内多循环的燃烧状态，明确了燃油理化特性对起动过程蒸发及着火的影响规律。研究结果显示，国内三种燃油目测清澈透明，哈萨克斯坦市售欧Ⅳ柴油偏黄绿色，俄罗斯市售欧Ⅴ柴油呈淡黄色，泰国市售B10生物柴油颜色偏灰紫色，燃油宏观理化指标之间存在不同的相关性。燃油馏程中馏出率为10%及以下的回收温度和蒸发吸热量相关性最强；组分中，芳烃中的单环芳烃对蒸发吸热量影响较大，其次是环烷烃中的多环烷烃。-10#基准油、欧Ⅳ柴油、B10生物柴油在相同条件下成功起动，首着火循环缸压呈现“双子峰”，着火滞燃期较长，最高燃烧压力低，呈现出滞后燃烧状态；欧Ⅴ柴油、-50#车柴和航煤由于成功起动时回水温度升高10℃，缸内压缩阶段蒸发吸热量减少，对应的缸压呈现“子母峰”，滞燃期缩短，由于燃油较轻，着火时的可燃混合气数量多，着火之后会急剧燃烧，导致缸内压力迅速升高，缸内做功能力增强，平均指示压力也较大。

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。