氢由于密度小、易泄漏、易燃易爆且在船上不易储存和输运，很难直接应用于现有的船用发动机。为了从理论上研究氢在船用低速二冲程发动机上应用的可行性，探究了不同边界条件对氢燃料发动机燃烧特性影响。纯氢发动机模型为压燃且为高压直喷，结果表明：在不改变原机压缩比情况下，改变喷油正时、喷油持续期和进气温度后，纯氢燃料可以在大缸径船舶低速机上压燃燃烧，且峰值缸压随喷油时刻的滞后而降低，随着喷油持续期的提升纯氢发动机峰值缸压升高，而不同进气温度的改变对纯氢的燃烧影响相对较小。

柴油机的动力性和经济性是评价柴油机性能优劣的指标之一，同时随着“双碳”战略的提出和排放法规的日益严格，本文依据典型机型5X-52的主要设计参数，利用GT-POWER软件建立了一维稳态仿真运算模型，利用试验数据对模型进行验证。在此基础上，搭建了四缸低速二冲程柴油机（4X-52）模型并完成了模型仿真验证，研究了压缩比、行程缸径比、进排气集管容积等结构参数对于柴油机性能参数的影响，分析了喷油正时、排气阀正时、扫气压力等可调参数对柴油机性能参数的影响，以及低工况时辅助风机对柴油机性能的提升。研究发现较低的压缩比无法提供较大的压缩压力和平均有效压力，压缩比过大，会导致最高爆发压力和最高燃烧温度过高；行程缸径比过大，会使残余废弃系数升高，排放不达标，行程缸径比太小，会增大柴油机的机械负荷；进排气集管容积由于一维模型的限制，对柴油机影响较小。喷油正时间接决定了最高爆发压力，需按照缸压限制进行选取；排气阀关闭正时对柴油机的影响要大于排气阀开启时刻，优化排气阀正时，可显著降低油耗；扫气压力过大，不利于燃烧，压力过小，废气有较多残余，影响动力输出；低工况时，辅助风机能显著提高柴油机的动力性能同时减低油耗。研究结构参数与可调参数对柴油机性能的影响在柴油机的开发设计过程中具有工程价值，给船舶动力的提升和能耗的降低提供了方向

作为传递燃烧压力的关键部件，活塞销同销座孔、小头孔相互配合、接触并相对运动，共同构成了销-孔三元摆动摩擦副。其长期工作在高温、高载、低速、乏油等恶劣工况下，显著影响着整机可靠性。针对销-孔摆动副的建模涉及润滑、动力学、传热等多个物理场，并存在复杂的耦合行为，但目前相关建模理论及方法研究仍十分缺乏。本研究对此进行了梳理和总结，提出了综合考虑热变形、滑油特性、摩擦生热等多场耦合行为，建立及求解润滑销-孔摆动副仿真模型的新方法。进一步地，基于SRV5实验台，从真实发动机取样，搭建了可模拟多场工况的润滑销-孔摆动副测试系统，并在该系统上将本文所提建模方法进行了应用，实验结果表明仿真模型具有良好的精度。研究还对三维柔性活塞销的动力学及摩擦学特性进行了表征, 并通过参数分析给出了温度、载荷、频率对摆动副润滑特性的影响规律，可为销-孔摆动副的摩擦学设计提供有益参考。

在1到40bar气压下，研究了纳秒重复脉冲表面介质阻挡放电（NRP-SDBD）中丝状放电和流注放电等离子体对NH3/O2/N2混合气的辅助点火效应。初步开发和校准了等离子体动力学简化机理，以减轻SDBD放电建模的计算负荷，对放电电流进行了很好的预测，并在零维求解器中进行了等离子体辅助点火（PAI）模拟，从等离子体动力学和化学动力学的角度分析了等离子体辅助NH3/O2/N2混合气点火的机理。在容积为0.74L的定容弹中，通过高速摄影，实现了50ns分辨率的放电过程和点火过程的拍摄。通过放电电流曲线和层流火焰速度来验证计算结果。结果表明，气压的升高既影响了放电的强度，也影响了放电的形态，从而影响等离子体辅助点火的效果，在气压大于10bar后，等离子体将难以辅助NH3/O2/N2混合气点火。

为研究不同缸套温度分布对活塞环-缸套传热性能的影响，采用不可压缩格子玻尔兹曼方法（LBM）建立缸套-活塞环传热模型，针对不同轴向缸套温度进行连续变化温度边界条件处理，并且基于非平衡外推的方法来构建活塞环复杂边界，使用了标准的热LBM方法计算了缸套-活塞环瞬态传热模型交界处的温度分布，并将交界处的温度分布做为初始条件带入到活塞环润滑模型。论文中设置了5组不同的缸套温度范围（室温、60-70℃、70-80℃、90-100℃、100-110℃），在润滑油粘度、曲轴转速不变的条件下，研究油膜厚度方向的温度分布。结果表明，缸套外侧的温度分布对摩擦过程中缸套-活塞环交界处（T5)的温度分布有影响，且随缸套外侧温度分布的升高而升高。油膜厚度方向的温度分布也会随着T5的温度分布的升高而升高，当T5温度高于80℃，油膜厚度方向的温度分布急剧升高。

通过基于Python语言环境下的Cantera软件工具程序库实现船舶低速机仿真模型的建立，并与合适的氢氨燃料化学反应动力学模型相耦合，标定验证后进行模拟仿真研究，对氨燃料船舶低速机压燃临界条件、燃烧特性和排放性能进行详细的研究分析，并总结规律。研究发现，纯氨燃料压燃对进气温度和压缩比要求苛刻，通过添加氢可以改善氨在压燃模式时对进气温度、压缩比等的要求。经过多次探索性仿真研究，最终总结出氢氨燃料压燃特性规律，并从热效率和排放角度分析，得到合适的氢氨燃料预混方案。

使用可再生能源制取的氨气和氢气作为发动机燃料，是实现零碳动力的有效途径之一。基于仿真模拟和实验研究相结合的方式，重点探索重型发动机低负荷工况氨氢比例和当量比对性能、燃烧和排放的影响。针对六组不同氨氢比例，分别对应不同当量比进行实验研究并辅助仿真模拟进行分析解释。研究发现：随着氢气占比的增加，发动机指示热效率先增加后减小；在实验的氢气占比3.5%-20%之间，混合燃料基本呈现出氢气的燃料特性，在稀燃时呈现更高的热效率，且氢气含量越高，可稀燃能力越强。燃烧持续期会随着氢气占比增大而缩短，随着当量比增大先减小后增大。随着氢气占比增大，NOx排放增加，N2O排放减小。NOx排放量随当量比增大呈现出先增大后减小的趋势，最大值出现在PHI=0.8附近。N2O排放随着当量比增加而减小。针对重型发动机低负荷工况，综合考虑性能及排放，建议选择当量比0.6-0.7之间，氢气质量占比为7.5%，热效率可大于37.3%，NOx排放小于21.12g/kwh，N2O排放小于0.74g/kwh。此研究成果可以为零碳动力研发提供参考。

本文使用格子玻尔兹曼方法计算润滑状态下经过粗糙表面的流体流场，根据Patir和 Cheng提出的平均雷诺方程及定义，获得压力流量因子和剪切流量因子。对常规模型（正弦壁面）进行了验证，结果良好吻合，并进一步计算了真实形貌下的流量因子。结果表明，格子玻尔兹曼方法可以有效计算经过粗糙表面的流体流场，获得流量因子，从而准确分析活塞环-缸套润滑。

基于CONVERGE搭建二冲程自由活塞发动机气口-气门式直流扫气系统三维计算流体力学换气过程仿真模型，以提高换气性能为目的，针对扫气口结构、排气门正时等关键因素对换气过程不同阶段、缸内流动和废气分布、扫气效率、充气效率等换气性能指标的影响规律进行计算研究。研究结果表明：通过引入气口切角合理组织扫气气流涡旋运动能够有效改善扫气过程废气轴向分层分布，显著提高扫气效率；通过采用可变非对称排气正时控制自由排气和过后充气阶段时间能够有效改善废气回流现象，显著提高进气量和新鲜充量捕获能力。

微粒捕集器是解决柴油机微粒污染问题最有效的控制手段，利用排气热管理技术提高排温实现DPF再生是DPF应用的关键技术。以某六缸高增压柴油机为研究对象，自主研制全可变液压气门机构，该机构能够实现排气门在进气冲程二次开启，即在进气过程实现进排气门同时开启，实现内部EGR功能。通过柴油机试验台架深入研究了内部EGR对柴油机中等负荷下排气热管理性能和燃油经济性能的影响，分析讨论了含氧高温废气回流对缸内燃烧性能的影响，并通过优化匹配喷油策略等措施改善燃烧性能和降低泵气损失。研究结果表明：在内部EGR作用下，部分高温含氧废气回流，名义空气流量减少，在保持燃油消耗率基本不变的前提下，排气温度得到大幅度提升；通过进一步优化，使燃烧重心前移，在放热峰值接近上止点时实现油耗率最低。在柴油机转速1200r/min、有效平均压力1.156Mpa的工况下，通过内部EGR等优化措施,名义空气流量由886kg/h降至514kg/h，降幅42%，排气温度由308℃升至512℃，温升高达204℃,基本达到了柴油机在50%负荷工况时实现DPF再生的条件；与原机节流阀方案相比，在空气流量接近相同时，燃油消耗率得到大幅度降低，最大降幅达10.15%。