以某非道路高压共轨柴油机的活塞-缸套摩擦副为研究对象，基于密封与摩擦性能相关理论，搭建了活塞环组动力学模型和裙部弹性流体动力润滑模型，研究了缸套失圆变形特征对活塞动力学及活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响。基于预补偿设计原理和热机耦合作用下的缸套失圆变形结果，提出了五种具有不同型线的缸套预补偿设计方案，研究了不同缸套预补偿设计方案对活塞动力学及活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响。并基于以上研究结果，选取椭圆-纺锤复合形方案进一步分析了活塞设计参数分别对活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响研究。结果表明，在五种预补偿方案中，椭圆-纺锤复合形方案能够明显改善活塞-缸套摩擦副密封与摩擦性能，使用椭圆-纺锤复合形缸套后的发动机机油消耗量平均值为3.16 g/h，与原机方案相比减小了2.46 %。在一个工作循环内的窜气量平均值均为10.79 L/min，相较于原机方案减小了5.76 %。与原机方案相比，椭圆-纺锤复合形方案在一个工作循环内使环组总摩擦损失平均值降低了0.013 kW。

本文针对高强化柴油机活塞的稳态传热路径展开研究，旨在揭示不同热源温度下传热分布规律。通过搭建稳态试验台，采用42CrMo材料平顶活塞，分别在673K和773K热源温度下开展20分钟稳态试验，结合热电偶测温与ANSYS仿真标定，分析了忽略冷却水和润滑油影响的传热路径特征。试验结果表明，仿真与实测温度误差低于5%，验证了模型的可靠性。传热路径可分为六类：活塞-火力岸-缸套、活塞-空气、活塞-活塞环-缸套、活塞-活塞环-活塞、活塞-环岸-缸套及活塞-裙部-缸套。其中，火力岸-缸套路径占主导，而活塞环组与裙部传热占比随温度升高显著降低。温度提升导致活塞-空气传热比例增加，推测与缸内气体流动复杂性增强有关。并且分析与传统凹坑活塞相比，平顶设计及较长的火力岸结构导致更多热量通过火力岸传递，而非活塞环组。本研究对设计结构更为复杂的高强化发动机的活塞提供了重要参考。

针对传统安全分析方法对氢燃料电池发动机系统的动态安全风险分析的困难性，提出功能共振分析（Functional Resonance Analysis Method, FRAM）与有限状态机网络（Finite State Machines Network, FSMN）的集成方法。通过分析某型氢燃料电池发动机系统在机械、化学与控制维度的失效机理，构建其FRAM功能网络模型，结合FSMN建立设备状态转移规则，动态推演多组件失效的级联效应。该方法创新性地构建了功能网络与状态机网络的映射架构，通过事件驱动机制实现半自动化推演。基于模型推测出了多种潜在的失效传播路径，并选择了三个具有代表性的失效传播过程，解析了机械、化学、控制等多领域失效因子的耦合，揭示传统分析方法难以捕捉的隐性共振机制。相较于传统方法，FRAM-FSMN有较高的级联失效路径的识别效率，覆盖了难以捕捉的耦合失效风险，通过推演案例分析并通过基于模糊评价矩阵的量化评估方法计算验证，结果表明，氢氧互窜（综合危害值5.16）、电池管理系统失效（综合危害值4.98）和膜电极破裂（综合危害值4.92）为前三大高风险失效模式，该方法可为氢燃料电池发动机系统的冗余设计、控制策略优化和安全标准制定提供理论支撑。

本文中对比例放大喷孔中的空化脱落现象进行了实验和数值模拟研究，使用了欧拉-拉格朗日方法对气相结 构进行模拟，对于宏观结构，汽液交接面使用宏观的方法捕捉，而微观的离散气泡使用拉格朗日方法进行捕捉。通 过和实验对比，表明了VOF-DBM 多尺度方法有更好的一致性，更好的捕捉了其脱落特征以及脱落频率。结果表 明，空化数为2.04时，此时空化初生，空化数为1.64时，在整个周期中出现了两次脱落，第一次脱落是由于回射 流导致的，第二次空化脱落是由于回射流和凝结激波共同作用下导致的，空化数为1.39时，一个周期中同样出现 了两次脱落，第一次脱落是由于回射流和凝结激波共同作用下导致的，第二次脱落是由于回射流和压力波动的共 同作用下导致的。

引燃柴油燃烧为天然气燃烧过程提供加热效应与化学动力学效应，氢气的引入可改善整体燃烧过程，但不同掺氢比下引燃柴油两种效应的变化规律尚不明确。为解耦氢气氛围下引燃柴油两种效应，本研究通过数值模拟结合化学惰性化方法与分段变组份方法展开详细研究。基于一台六缸增压中冷柴油/天然气双燃料重型发动机展开研究。结果表明：随着掺氢比增加，引燃柴油化学动力学效应呈减弱趋势，加热效应相反变化趋势。氢气的燃烧抑制了引燃柴油生成的高活性中间产物，此为化学动力学效应减弱的原因。当掺氢比增加时，引燃柴油重要中间产物甲醛分布与浓度均呈现降低趋势，缸内放热区域与高温区域均呈现扩大趋势。

为提高船用低速机电控喷油器在低负荷工况下的喷射稳定性，通过MOSO-DNN算法对喷油器结构参数进行多目标优化设计。通过AMESim软件平台建立了仿真模型，并验证了模型的准确性，定义喷油量相对偏差作为喷射稳定性的评价指标，对比探讨了压力波动对低负荷工况下喷油器工作稳定性的影响，通过量化分析确定了影响喷油器喷油量的关键结构参数，并提出了多目标蛇优化算法与深度神经网络代理模型结合的多目标优化方法，对关键结构参数进行多目标优化。结果表明：喷油器在低负荷工况工作时，其针阀更易受到压力波动的影响，进而导致喷射稳定性差；基于量化分析得到的关键参数，结合试验设计方法构建了喷油量相对偏差的深度神经网络预测代理模型，代理模型的R2达到95%，具有良好的预测能力，在此基础上结合多目标蛇优化算法对关键结构参数进行优化后，喷油器在两种目标轨压工作时的喷射稳定性得到良好提升，其中轨压为60MPa下的最大喷油量相对偏差从23.27%下降至8.16%，轨压为120MPa下的最大喷油量相对偏差从11.19%下降至7.37%。

为研究甲醇燃料在内燃机喷油器喷嘴内部的流动特性及近场喷雾演变规律，本研究自主搭建了高压燃油喷射及雾化可视化试验系统，结合开发的背光均光成像技术，成功解决了甲醇燃料与透明喷嘴材料间的光折射率匹配难题。基于该平台探究了不同喷孔直径下甲醇燃料的瞬态流动特征与喷雾宏观特性。结果表明：针阀开启过程中，喷孔内几何空化快速初生并演化为超空化流态，同时伴随喷嘴压力室内持续发展的线空化现象及空泡团簇汇聚运动。完整的喷射周期可分为四个特征阶段：喷射初期、稳定喷射期、针阀落座期和尾喷阶段，其中针阀开启与落座两阶段的空化剧烈波动导致喷雾锥角显著增大。研究发现喷嘴锥角与针阀运动存在相位迟滞效应，且喷孔直径与线空化强度呈非线性关系，当孔径处于合适大小时，喷孔入口与针阀、压力室构成的流道可引致空化强度达到峰值。同时，较小孔径喷嘴在出口区域产生更强的剪切效应，这种流体扰动加速了甲醇尾喷阶段细长液丝的断裂过程，从而导致小孔径喷嘴尾喷持续时间缩短。

本研究基于定容弹模型，结合实验与大涡模拟（LES），系统探究液氨/二甲醚（A40D60）混合燃料在亚/跨临界压力下的喷雾特性及其影响规律。通过对比不同环境温度（300–600 K）、背压（0.2–1.2 MPa）及燃油温度（300–350 K）下的喷雾，揭示了跨临界状态对燃料蒸发与扩散的核心调控机制。结果表明：跨临界高温显著促进燃料蒸发与气化，抑制液相贯穿并缩小喷雾面积，其效应远超亚临界闪沸；第二类跨临界条件下（燃油温度350 K、环境温度450 K），混合燃料喷雾特性明显区别于亚临界状态，跨临界喷射优化了喷雾动力学性能，表明燃油温度提升可有效促进喷雾扩散与混合。研究结果为氨/二甲醚混合燃料喷雾动力学建模及压燃式发动机燃烧优化提供了理论依据，助力低碳燃料技术开发与“双碳”目标实现。

控制柴油机缸内空气流动能够显著改善燃油与空气的混合效果，从而提升燃烧效率并降低污染物排放。本研究搭建了一套进气稳流试验台，以装备螺旋/切向双进气道的4气门柴油机为研究对象，深入探究了基于最大气门升程的气门升程差异策略对缸内流动和燃烧过程的影响。研究结果显示，相较于螺旋/切向双进气道在最大气门升程下的表现，该策略可使流量系数最高提升14.3%，涡流比最高提升11.0%。这一策略能够更高效地利用缸内空间，有效减少进气道之间气流的相互干扰及能量损失，进而促进燃油与空气的均匀混合，显著提高燃烧效率，其中放热率最高可增加8.1%。本研究为优化柴油机性能及排放控制提供了新的思路，对设计高效环保柴油机具有重要的技术参考价值。

氨燃料是内燃机实现碳减排的潜在手段之一，但其点火困难且燃烧缓慢的特性限制了氨在内燃机中的直接应用。利用氢燃料助燃，结合主动射流点火技术，可有效改善氨内燃机的着火稳定性和燃烧效率。采用实验结合仿真计算的方法，对一台13L主动预燃室射流点火的氨燃料发动机进行了数值模拟，分析其缸内流动、混合气形成及燃烧特性。研究结果显示，预燃室内换气过程分三个阶段：前两个阶段（-130°CA ATDC前）废气再循环（EGR）率变化微弱，第三阶段（-130°CA ATDC后）氢气喷射后EGR率迅速降至3-4%。燃烧过程呈现双阶段特征：射流火焰控制阶段湍动能较大，燃烧速率快，峰值压力高；而氨化学反应主导的后期阶段，湍动能减弱使燃烧速率降低，燃烧持续期长，导致指示热效率低。增大主燃室内涡流比，可以有效的缩短燃烧持续期，提高热效率。