摘要：在内燃机的燃烧过程中，主要由射流的雾化驱动的空气与燃油的混合起到了重要的作用，最终控制污染物的产生。优化燃油的喷射和雾化质量是提高内燃机的燃油经济性和降低其排放的最有效途径之一。燃油缸内射流经一般经历初次破碎和二次破碎两个过程。而更好的初次破碎被认为能够提供更好的雾化质量和二次破碎，从而形成更好的空气/燃油混合物。含有微气泡的燃油被认为可以通过微气泡的爆炸或者坍塌来影响燃油的初次破碎，从而获得更好的燃油破碎。 然而，内燃机喷射压力的不断增大，以及微气泡难以在射流中进行观察。这要求我们充分了解燃油射流破碎机理，透彻理解含微气泡燃油破碎的起源及对后续射流破碎的影响。所以本研究的重点是采用高速显微镜成像技术和CFD数值模拟相结合，研究了不同喷射压力和初始条件下的燃油的初次破碎和微气泡在燃油喷射过程中的发展变化及对初次破碎的影响。 本研究首先利用结合长工作距离显微镜的高速摄影技术，分析船用柴油机单孔喷油器出口处后2mm范围内柴油的初级破碎。利用三维仿真软件fluent的VOF(Volume of Fluid)模型和K-ω模型对柴油喷射进行了三维数值仿真，验证了喷雾模型模拟近场喷雾的有效性。在此基础上进一步分析残余燃油的初次破碎及微气泡对初次破碎的影响。结果表明：随着针阀开启，腔内压力不断上升，但因为船机喷油器响应时间慢，在整个近场燃油初次破碎研究过程中，喷油压力远低于目标压力，燃油在喷孔流动缓慢，“蘑菇头”的初步形成由这种层流状态导致，这也说明了高喷射压力状态下，“蘑菇头”迅速消失是因为层流状态过快结束。此外，残余燃油在新鲜燃油的推动下，逐渐向前运动。新鲜燃油中心处速度高，当到达压力腔与喷嘴处时，在节流效果的影响下，速度再起加快，残余燃油开始呈现被逐步穿刺现象。部分残余燃油未被推出喷嘴，而是分布在腔体及喷嘴的壁面处，随后被新鲜燃油携带流出。此外，微气泡随新鲜燃油在喷嘴内运动中，呈现被压缩坍塌的效果，加剧了燃油快速破碎，但并未观察到微气泡爆炸的现象。

基于带有点火室的可视化定容燃烧弹实验平台，运用纹影摄影法研究了燃烧模式、环境温度、汽油能量百分比和氨当量比对射流和氨燃烧过程的影响规律。结果表明，相比于氨/汽油双燃料预混燃烧模式，汽油点火室射流引燃模式能够提升主燃室的峰值压力，显著缩短氨的点火延迟和燃烧持续期，并且其汽油喷射量不足前者的1/20。随着初始温度（450、500和550K）升高，主燃室的峰值压力逐渐升高，点火延迟和燃烧持续期分别缩短18.7%和26.8%。另一方面，高汽油能量占比会恶化点火室内的燃烧过程，从而降低射流速度和点火能力。当汽油能量占比为1.0%时，其射流引燃性能最好，峰值压力达到4.96MPa，燃烧持续期为70.4ms，较2.0%条件缩短15.4%。此外，氨稀薄燃烧会显著降低燃烧速度。相比于氨当量比为0.6和0.8，1.0时氨的燃烧表现最好。上述结果可为氨燃料发动机的开发提供参考依据。

由于部分氧化重整（POX）过程不需要水蒸气发生和过热装置，使得其具有体积小巧、安装空间紧凑等优点，但其产氢率较低。而将阳极废气循环（AOGR）与部分氧化重整结合是改善氢产率的一个有效方法。因此，本文通过仿真设计了三种耦合部分氧化重整的中温SOFC系统，并具体研究了阳极废气循环率对这三种系统的影响，以期尽可能提高电效率以适用于车载辅助电源或便携式移动电源。 本文的研究结果表明，提高阳极废气循环率有利于提高电效率，但也会造成电池热负荷增大和极化损失增加等问题。特别是在阳极废气循环率较高的情况下，由于重整反应逐渐由放热转变为吸热，使得排气中的热能更多地转化为燃料的化学能，进而导致后燃烧器的能量供应不足。然而通过将三种电池系统的仿真数据对比发现，在重整器的上游不使用燃烧器尾气对空气和燃料预热而仅以小部分甲烷燃烧的方式维持入口温度，有效解决了这一问题，并在三种系统中的电效率最高，达到50.6%。综上所述，SOFC-POX系统可以通过适当改变AOGR率和设计合理的外围系统等方法，不断优化以达到与耦合蒸汽重整的SOFC系统相同水平的电效率，拓宽了SOFC的应用场景。 关键词：阳极废气循环；部分氧化重整；固体氧化物燃料电池；电效率

针对IMO提出的EEDI指标要求，如何降低船舶低速柴油机能耗并减少排放，一直是广大学者最重要的关注点。当前，船用低速柴油机热效率已接近50%，但仍有将近四分之一的燃油能量被柴油机废气带走。如果能够充分利用这部分余热，可以进一步提高柴油机系统整体热效率，降低船舶营运成本。传统低速机将各缸高温炙热废气和直流扫气空气统一混流到集气箱，具有较大的传热损失，不利于废气能量的梯级回收利用。本文提出了一种船用低速柴油机废气分流方法，通过设计低速机废气分流系统，建立一整套考虑完备的低速机排气能量回收模型，开展模型仿真与优化，研究分流系统对排气热动力参数及排放的影响规律。依据废气能量品位和热动力参数特征，控制高温分流阀与低温分流阀的开启关闭相位，实现废气能量分流输出。废气分流方法既兼顾了船舶低速柴油机机内燃烧性能，又最大程度满足了余热系统对废气热品位的需求，是实现船舶动力减排增效的有效关键路径之一。在新的EEDI背景下，该方法可提升船舶低速机整机能效，为我国船舶动力系统提供有效、可行的余热回收理论支撑与技术方案。

为了实现在压燃式发动机上的甲醇高替代率和高热效率燃烧，提出了甲醇柴油预混合扩散燃烧模式（Diesel methanol premixed diffusion combustion: DMPDC）。在一台单缸改装后的甲醇柴油双直喷发动机上，进行了不同甲醇预喷射正时和预喷射比例对发动机燃烧和排放性能的影响研究。研究结果表明：DMPDC模式的性能与发动机负荷具有明显的相关性。DMPDC模式在50%负荷条件以下，其指示热效率（Indicated thermal efficiency: ITE）都是低于甲醇柴油扩散燃烧模式（Diesel methanol diffusion combustion: DMDC）；75%负荷时，DMPDC模式可以与DMDC模式的ITE相当；100%负荷时，DMPDC模式相对DMDC模式的ITE提升了5%。DMPDC模式具有最佳的甲醇预喷射正时和预喷射比例，甲醇预喷射正时为-60 ~-50 °CA ATDC，预喷射比例为7.4%~19.7%时，ITE可以达到约55%。在最佳ITE的条件下，相对DMDC模式，DMPDC模式中甲醇的预喷射导致预混合燃烧比例增加，燃烧速率提高，其燃烧持续期明显缩短，热效率提升。而DMPDC模式的NOx排放仅提高了20%~30%，THC排放几乎相当，CO排放增加约50%。因此，DMPDC模式是甲醇柴油双直喷发动机实现高效清洁燃烧更为有效的方案。

高辛烷值的含氧燃料，包括醇类、呋喃类、醚类和酯类燃料，可用作汽油燃料的辛烷值抗爆添加剂。本文系统地评估了这些含氧燃料对汽油燃料的辛烷值响应。设计了含有异辛烷、正庚烷、甲苯、二异丁烯和环戊烷不同典型烃类组分构成辛烷值相同的汽油模型燃料。利用标准CFR发动机测量了含有含氧燃料抗爆剂的汽油模型燃料的研究法辛烷值和马达法辛烷值。结果表明，含氧燃料抗爆剂对汽油模型燃料的辛烷值提升效果并不一样，2-甲基呋喃对模型燃料RON提升效果最大，乙醇对模型燃料MON提升效果最高，而异丙醚和碳酸二甲酯则分别对模型燃料RON和MON提升效果最弱。值得注意的是，含氧燃料添加剂对含有甲苯和二异丁烯成分的汽油型燃料辛烷值的提升效果减弱，表明含氧添加剂和芳香烃和烯烃之间存在拮抗作用。在含氧抗爆添加剂中，乙醇与甲苯组分在RON和MON工况下具有很强的拮抗作用，苯甲醚和二异丁烯在RON工况下与二异丁烯具有很强的拮抗作用，2-甲基呋喃与二异丁烯在MON工况下有很强的拮抗作用。

共轨喷油器的喷油量、持续期及喷油稳定性的性能参数是喷油器的主要考核指标。其中喷油量、持续期可通过性能仿真分析工具进行预测设计，而喷油稳定性大多是通过不断的产品积累进行经验设计。本文通过试验进行了不同针阀升程下的喷油稳定性的变化规律对比，试验表明：最大针阀升程由0.5mm提升至0.7mm时，相同油量下喷油稳定性用标准差表示由1.02mm3提高至2.55mm3。进一步应用仿真手段分析了喷油稳定性的主要影响因素。

对置活塞二冲程柴油机（Opposed-Piston Two-Stroke Engine, OP2S）由于其功率密度高、平衡性好、热效率潜力高等特点，在如今对柴油机高强化、轻量化的需求背景下正在获得越来越多国内外研究机构的重视，尤其使用在辅机、无人机等小型特种装备上。OP2S 取消了发动机气缸盖结构，从而减少了缸内传热损失，发动机可有更高的指示热效率。正是由于此种结构方式，OP2S 喷油器被安装在气缸缸套上，燃油由气缸圆周方向沿径向喷入气缸中心，喷嘴附近燃油较少，油嘴附近空气难以利用，燃烧持续时间长，后燃现象严重。本文设计开发适用于对置活塞发动机的新型燃烧室，将双卷流的设计理念应用到燃烧室结构中，采用两次旋转形成燃烧室廓形。从理论上找出控制燃烧室廓形的最小独立变量，进行参数化设计，为后续燃烧室结构参数对燃烧性能影响研究奠定基础。利用三维仿真软件CONVERGE分别对普通凹坑型燃烧室和双卷流型燃烧室进行计算。计算结果结果表明：采用双卷流燃烧室可以解决喷嘴附近缺油现象，提高空气利用率；双卷流燃烧室改善油气混合均匀度，大幅度缩短燃烧出续期，导致缸内平均温度提高，热效率提升；油束撞击弧脊后可以缩短滞燃期，进而降低预混阶段形成的可燃混合气，同时使缸内最高爆发压力降低。

随着IMO温室气体减排战略的实施，船舶甲烷逃逸近年来备受船舶温室气体减排领域关注。本文对船舶双燃料发动机燃气模式下的排气成分特点及甲烷逃逸浓度范围进行了介绍，对船舶发动机国内、外甲烷逃逸法规和甲烷实时检测方法进行了阐述。目前船舶甲烷排放法规尚未对船舶甲烷逃逸提出实时监测的要求，但甲烷逃逸实时测量为准确测算船舶温室气体排放提供了试验依据。本文针对两种常用的甲烷测量方法，即：氢火焰离子化检测器（HFID）和非分光红外（NDIR）测量方法，分别选取了CAI700 MHFID碳氢分析仪和Horiba VA5011甲烷分析仪作为研究对象，在低速双燃料发动机排气引流试验台开展甲烷浓度测量试验，对两种分析仪的甲烷测试数据进行对比。研究结果表明两种测量方法甲烷测试结果基本一致，为船舶实施甲烷逃逸实时测量提供参考。

以大功率特种柴油发电模块为研究对象，重点开展了稳态性能和瞬态特性仿真研究，基于MATLAB/Simulink进行程序开发和仿真模型搭建，完成了动态过程的仿真计算和控制程序开发，该模型可以模拟计算特种环境条件下柴油机及发电模块的稳态性能，也可以仿真特种柴油发电模块在突加突卸工况时的瞬态调速特性。基于App Designer设计工具进行了界面开发，界面交互性良好，能脱离原开发环境进行程序打包，实现独立运行。开展了相关试验和验证研究，结果表明程序具有较好的仿真精度，可用于柴油发电模块特性分析和性能预测仿真研究。