自主搭建了三维粒子图像测速(3D-PIV)系统，在内燃机气道稳流试验台上测试气道流动特性．首先通过直管道流动试验以及 2D-PIV 试验验证了该 3D-PIV 系统测试结果的可靠性，随后测量了稳态试验条件下缸内流场形态，进而分析了气道的滚流强度，并与在气道稳流试验台上测得的滚流强度进行了对比．此外，研究了不同翻板位置对气道滚流强度的影响，结果表明：在气道稳流试验台上测得的滚流强度随气门升程增加呈逐渐上升趋势，而由 3DPIV 测得的滚流强度呈现非单调变化的特点，且在数值上高于气道试验台测量结果．使用 3D-PIV 可以更准确地测量滚流强度，有效地避免模拟缸套带来的摩擦损失．关闭翻板可以显著增大滚流强度，尤其在气门升程超过 5mm之后．

在汽油机中掺烧少量氢气，能够利用氢气点火能量低、火焰传播速度快的优势提高混合气的燃烧速度，降低CO 和 HC 排放．而缸内直喷氢气可以通过调整喷氢时刻，使氢气富集在火花塞附近，引燃混合气，实现稀薄混合气的快速燃烧，进而提高混合气的做功能力．在 1800r/min、过量空气系数为 1.5 的稀燃工况下，选取了 75、90、105、120 和 135°CA BTDC 5 种喷氢时刻，研究了喷氢时刻对缸内直喷掺氢汽油机燃烧及排放的影响．结果表明：掺烧 10%能量分数的氢气时，在 105°CA BTDC 下氢气富集作用最好、动力性最强，缸压峰值最多提高 16.2%，热效率最多提高 2.1%，但 NOx 平均升高 17.3%；在 120°CA BTDC 和 135°CA BTDC 下氢气扩散使得混合气均匀程度提高，HC 和 CO 排放均处于最低水平，分别最多降低 38.5%和 44.4%．

为探究柴油机分段喷射及涡流改善燃油经济性的潜力和机理，在单缸机上进行了有、无进气涡流时不同分段喷射策略的试验，5%预喷比例、10°CA 间隔工况的燃油消耗率比单次喷射降低 6.1g/(kW·h)，NOx 排放增加200×10^(-6)(体积分数)；有、无涡流对比试验中，在过量空气系数为 1.6 时，加入涡流比为 1.0 的涡流，燃油消耗率仍降低 2.0g/(kW·h)，NOx 排放增加 120×10^(-6)．内窥镜试验利用 KL 因子表征碳烟浓度，上止点后 16°CA，单次喷射工况 KL 因子为 1.22，分段喷射工况 KL 因子为 0.75，有涡流分段喷射工况 KL 因子为 0.21．仿真分析表明，小预喷、短间隔分段喷射和适当进气涡流的加入，均使得主喷油束可以利用预喷产生的热氛围且不被其束缚，从而改善燃油经济性，降低缸内碳烟浓度．

通过一台改装的直列双缸柴油机，将进气由空气改为比热比更高的氩气和氧气的混合气，研究了氩-氧氛围下天然气的缸内燃烧特性．结果表明：氩-氧氛围下发动机获得了较高的热效率，且热效率随氩气比例的升高而提高，在化学当量比下的试验工况中，当进气中氩比例为 82%时，指示热效率最高达到了 47.8%，相比空气氛围相对提高近 33%．相比于空气氛围，氩-氧氛围下天然气的着火延迟期缩短，燃烧更为迅速，缸内压力峰值更高．需要选择合适的进气氩比例和点火时刻以降低燃烧的粗暴性．氩-氧氛围下氩气比例为 75%时缸内易出现爆震，当提高进气氩气比例至 82%时，能有效避免爆震发生．

基于纹影法对 0.5、1.0 和 1.5MPa 共 3 种气源压力条件下燃气射流诱导激波的特征参数随时间的变化规律进行研究．结果表明：高压脉冲燃气喷射过程存在明显的状态变化，且实际喷射持续期明显大于控制脉宽．随气源压力增加，喷孔入口压力的上升时间增加，处于稳态的时间减小，燃气喷射的瞬态性增强，电磁阀关闭后的低压喷射时间长、减压慢．总体上，从气源到喷孔出口，燃气压力能到动能的转化效率小于 50%，3 种气源压力下，出口雷诺数分布在 0.5×10^(5)～2.5×10^(5) 内，与柴油相比，甲烷射流的主动混合能力弱，被动混合能力强．随气源压力增加，马赫盘的宽度增加，进而使射流近场锥角增大，对燃气的湍流混合及空间分布起促进作用．

在实际应用中，选择性催化还原(SCR)系统中尿素水溶液的不完全分解容易导致在喷嘴、混合器和壁面等处形成沉积物，不仅降低 NOx 转化效率，还会增加排气背压，影响发动机动力性能．采用数值模拟的方法对 SCR 系统内化学反应和流动过程进行研究，建立了 SCR 反应动力学模型，该模型能够较为准确地预测转化器出口各气体组分随时间的变化规律．将验证后的动力学模型和三维流动模型相耦合，考察 SCR 反应器内部化学反应和流动过程，并模拟了混合器对温度场、浓度场和壁膜的影响．结果表明：混合器能够显著提高催化器前流动及气体浓度均匀性，并有助于降低尿素沉积物生成风险．

基于量子化学原理的密度泛函理论(DFT)，构建了 Pt(111)面 3×3×3 的周期平板模型，研究 NO、O2 及二者的共吸附机理，并运用电子运动的分态密度，解释了原子间的成键原理．计算结果表明：NO 吸附在 Pt(111)面的面心立方位(fcc)、体心立方位(hcp)、桥位(bridge)与顶位(top)活性位时，在 fcc 位的吸附构型最稳定，吸附态NO(ads)的 N—O 键长为 0.121nm，吸附能为 179.79kJ/mol．水平吸附在 TBT(top-bridge-top)位的 O2，在解离为 O*的过程中，O—O 键长由气相 0.139nm 拉伸到过渡态时的 0.192nm．O—O 分子键断裂后，两个 O 原子分别滑移到 2个相邻 fcc 位形成活性 O*．NO 与 O2 共吸附生成 NO2 和 O*时，络合过渡态 OONO*的 O—ONO 键长为 0.227nm，O—ONO 键断裂后，ONO 构型转化为 NO2，另一个 O 则滑移到 fcc 位产生 O*．当排气温度大于 600K 后，由于NO 氧化的逆向反应速率系数急剧增大，这将导致 NO2 浓度逐渐降低．基于 DFT 计算的反应动力学参数，开展 Pt 催 化氧化排气 NO 的化学反应动力学计算，计算结果能与试验数据较好吻合．

针对柴油机在高原行驶存在功率下降的问题，提出一种采用燃气涡轮增压系统恢复高原柴油机功率的解决方案，该系统由燃烧室、压气机、涡轮、点火装置、喷油器和控制系统等组成，燃气涡轮增压系统的压气机分别对燃烧室和原柴油机供气，因而该系统同时需要两种不同压比的空气，为此专门设计了一个双压比压气机，并通过试验验证双压比压气机能够满足上述要求．以某柴油机为例进行计算分析，得到了初步的设计和工作参数，结果表明：采用燃气涡轮增压系统能够恢复柴油机在高原的行驶功率，为后续的样机研制提供了依据．

在一台汽油缸内直喷光学发动机上，设计并应用了全场可视的下置式活塞视窗，进行了高速摄影研究．为了实现燃烧室全场可视的目标，活塞视窗须采用曲面设计，曲面设计会造成图像的变形．研究了活塞视窗实现全场可视的条件，讨论了全场可视的设计准则；采用近轴平行光线计算了图像的理论畸变，并尝试优化视窗曲面型线，减轻图像的理论畸变；最后通过试验标定，采用了空间坐标变换的方法对图像进行了矫正，并将矫正前、后的图像与热力学数据进行拟合，结果表明：矫正后的图像与热力学数据的相关性有显著的提高．

针对经典 RPI(rensselaer polytechnic institute)沸腾换热模型中激冷项热流密度子模型适用性和精度问题，结合内燃机典型的冷却工况，以欧拉两相流模型为基础，引入激冷项修正系数，开展冷却水腔内沸腾换热数值模拟，分析了激冷项修正系数对沸腾换热的影响规律．结果表明：随着激冷项修正系数的增加，激冷项热流密度呈线性增加的趋势．当进口流速为 1m/s、进口温度为 95℃以及激冷项修正系数为 0.4 时，总热流密度计算值与试验值误差在5%以内．通过多次试算获得各个工况下的激冷项修正系数值，据此建立激冷项修正系数拟合公式．将该拟合关联式应用于实际缸盖沸腾传热计算，结果表明：在排气门鼻梁和喷油器孔等发生沸腾换热的区域修正后的计算温度值比未修正的情况要更接近实测值，其误差最大下降了 4.61%，而在未发生沸腾的区域，两者与试验值的误差变化不大．