以S1100 小功率非道路柴油机为研究对象，提出从机内和机外净化两方面对其进行排放控制方案优化并试验．机内净化从油、气混合和燃烧的“数量、时间、空间”关系分析，给出低排放燃烧过程的技术路线，通过进/排气道流道结构的优化提高气道的流量系数，增加进气量，增大过量空气系数使燃烧完善；通过供油提前角改变控制NOx 排放值，通过燃烧室形状结构设计、控制压缩余隙等减少无效燃烧空间和优化喷油嘴喷油油束在燃烧室的空间分布，改善空间油、气混合均匀性，实现快速燃烧．优化燃烧过程使柴油机性能改善、排放减少，柴油机初次排放试验结果已低于国Ⅲ排放标准限值．用安装氧化催化器(DOC)的一体式净化消声器，进一步降低CO、HC 和PM 排放，整机的CO、HC＋NOx和PM 排放试验结果分别为0.38、5.63 和0.41g/(kW·h)，所占第三阶段对应排放限值分数分别为6.91%、75.07%和68.33%，使用有效寿命期内有较大的劣化余量，S1100 柴油机能满足国Ⅲ排放标准的要求．

基于OpenFOAM，采用简化耦合的多相流模型(S-CLSVOF)对液滴破碎进行了数值模拟研究．自适应网格加密(AMR)技术的应用提高了界面捕捉能力，同时减低了计算成本．基于该数值方法，首先考察了We 数对液滴拽力系数和破碎形态的影响．结果表明：We 数并不影响变形初期的拽力系数；随着We 数增加，破碎液滴依次呈现帽状、帽状/液网及帽状/液丝结构．其次，研究了宽Ohnesorge 数(0.001～2.000)范围内的袋式破碎临界We 数，并基于模拟结果和Rayleigh-Taylor 不稳定性，改进了袋式破碎临界We 数的理论预测模型．最后，考察了液滴对相互作用下的破碎，结果表明，回流区的竞争/融合分别抑制/促进液滴对的变形与破碎．

基于大涡模拟方法对超临界喷射进行数值分析，使用真实气体状态方程SRK 计算流体的热物性和输运特性．研究对象是定容弹内低温液氮超临界喷射，假定初始入口条件不变，重点考察了不同环境压力对超临界喷雾特性的影响．结果表明：由于射流流体与周围流体之间存在较大密度比，射流表面形成显著的密度分层，并起到限制射流流体向径向扩展的作用．随着环境压力的提高，由于射流和周围环境的密度比降低，射流表面不稳定增加，比较容易形成不稳定涡，从而更有利于射流与周围气体的混合，因而液核长度也比较短，表明随着压力的增大，射流与周围气体的混合效果更好．进一步分析发现，环境压力对热物性和输运特性的影响较大，而对湍动能和速度场的影响不大．

基于射流不稳定性理论系统研究了一个圆柱形可压缩气流喷入有限厚度的幂律流体的时间模式不稳定性．在对幂律流体本构方程线性近似的基础上，推导了表征轴对称模式幂律流体气流雾化射流不稳定性的色散方程．通过数值计算，分析了液相雷诺数、韦伯数、气/液密度比和速度比、气流马赫数以及幂律指数对于剪切变稀流体与剪切变稠流体两种情形气流雾化射流的不稳定性影响．结果表明：无论是剪切变稀情形还是剪切变稠情形，液体的黏性力总是抑制其不稳定性，减小幂律指数均可促进幂律流体气流雾化射流的不稳定性．随着气流速度的不断增大，由气/液相互运动导致的剪切波逐渐主导幂律流体气流雾化射流的不稳定性与破碎过程．当液相的参数保持不变，增大气流密度、气流速度以及气流可压缩性均可有效地促进幂律流体气流射流的破碎．空气动力是促进幂律流体射流破碎的有效措施．同时，对于一个小韦伯数，表面张力促进气体射流不稳定性；而随着韦伯数增大到临界值后，表面张力将会逐渐抑制其不稳定性．

针对内燃机缸盖鼻梁区严重的热负荷问题，以一款高强化增压水冷式柴油机为研究对象，借助内窥式高速摄像技术，搭建了缸盖水腔内鼻梁区沸腾换热试验系统．在不同柴油机运行工况下分别获得了不同进口过冷度及进口流速下沸腾气泡演化行为图像．图像分析结果表明：在标定工况下，随着冷却液过冷度的下降，沸腾气泡数量增多，尺寸增长加快，气泡滑移速度增加；在最大转矩工况下，沸腾气泡当量直径比低速大负荷工况时增大20%左右，气泡滑移速度比低速大负荷工况时提高近2 倍．

利用量纲为1 的基础关联式，考虑活塞内冷油腔结构、两相流的物理特性和局部流动特性对传热系数的影响，分析不同缸径活塞在不同发动机转速时内冷油腔内流体的流动特性，建立对流换热系数的预测模型．结果表明：雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随发动机转速的增加而增大；在发动机转速相同时，随着内燃机活塞缸径的增加，内冷油腔内流体的雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随之增大．通过对比数值模拟和硬度塞试验测试结果可知，对流换热系数预测模型可有效预测内冷油腔的传热系数，能为内冷油腔的设计提供一定的理论依据．

针对目前机械零部件接触关系建模普遍采用光滑表面，而没有考虑表面粗糙度影响的问题，基于各向异性分形几何理论的热弹塑性法向接触力学模型，以多参数为自变量，建立了粗糙表面热弹塑性接触扩展分形模型．从常物性和变物性两方面，分别计算得到内燃机缸盖-缸垫结合部法向负荷理论值，并与缸盖-缸垫-机体-螺栓四体三维热弹性接触有限元简化模型计算得到的仿真值进行比较和分析．结果表明：在靠近两排气门间的缸口处，是否考虑材料变物性对计算结果有较大影响；零部件接触表面粗糙度对法向负荷等接触状态具有影响，目前常用的光滑表面有限元建模计算所得结果与实际情况存在偏差．

进行了消声单元压力损失流场数值计算，通过试验验证了计算方法的准确性．对比了不同边界条件下的湍动能分布特征，提出了湍流分布特征系数，建立了关于湍动能、密度和湍流分布特征系数的消声器压力损失模型，通过不同类型消声单元和不同气流进口速度验证了模型，以穿孔管消声单元为例建立了压力损失模型，并讨论了主要结构参数对压力损失的影响．结果表明：对不同结构参数消声单元压力损失模型计算的相对误差不超过8%，不同气流速度下模型计算相对误差不超过7%；穿孔管消声单元压力损失随穿孔率、穿孔部分长度的增大而减低，随腔体直径的增大而增加，穿孔直径则对压力损失几乎没影响．

在高强化柴油机活塞销材料(20CrMo)上沉积了CrN 涂层，采用球-盘试验对比研究了20CrMo 基材上沉积CrN 涂层前后与Si3N4球配副的摩擦学性能差异．在干摩擦条件下，考察了室温、300、500、700 和900℃等温度下两种配副的摩擦系数和磨损率．在基础油PAO6 润滑条件下，考察了不同运行速度和负荷对两种配副的摩擦性能的影响．同时，对PAO6 和发动机用油5W40 润滑下的摩擦性能进行了比较，结果表明：20CrMo 基材沉积CrN 涂层后的高温磨损机理发生了改变，其抗磨性能显著增强．在PAO6 润滑下，基材沉积CrN 涂层后降低了负荷对摩擦系数的影响．在5W40 润滑下，CrN 涂层的应用明显改善了高速重载工况下的摩擦学性能．

基于3种单值条件燃烧相似性规则，阐明了柴油机喷雾混合气形成过程相似性的理论依据。采用Bosch长管法和高速阴影法，试验研究了两款不同喷孔直径喷油器的喷油速率与非蒸发喷雾混合气形成过程的相似性。试验结果显示，基于3种单值条件相似规则的正规化喷油速率和喷雾贯穿距都可以相似，维持喷射压力相同的压力规则的喷雾锥角相似程度最高。当采用减小喷射压力的单值条件相似规则时，会导致小喷孔喷雾锥角和过量空气系数减小。