基于三维CFD数值模型，模拟研究了燃烧室结构、天然气喷嘴与水平方向夹角α对高压直喷（high-pressure direct injection, HPDI）天然气发动机混合、燃烧过程、气态排放物及soot生成机理的影响。结果表明：相比敞口和缩口型，直口型燃烧室利于提高燃烧强度并降低CO排放、soot前驱物的生成及最终soot排放，且改善了指示热效率（indicated thermal efficiency, ITE）；较大（5.5mm）或较小（3.5mm）的挤流区高度均不利于涡旋结构的产生，ITE、CO及soot排放恶化；敞口及直口燃烧室下，α较大时（20°），涡旋结构扩大，缸内气流运动增强，产生了更高的放热率峰值；敞口燃烧室下，较大的α可显著提升ITE且大幅降低了soot前驱物的生成及最终soot排放；直口燃烧室下，较大的α不利于soot排放改善。综合考虑燃烧及排放，选用敞口燃烧室且喷射夹角α=20°为最佳结构方案。

柴油机喷油过程对热效率和排放有着十分重要的影响。本文以喷油器喷油速率（Rate of Injection，ROI）的实验数据为基础，对轨压和喷油信号脉宽即激励时间（Energizing Time，ET）对共轨喷油系统的ROI影响进行了研究，发现喷油过程分为4-6阶段，快速启阀阶段、缓慢启阀阶段、阀门全开阶段、阀门波动阶段，缓慢闭阀阶段和快速闭阀阶段，但第3、4阶段可能不存在，在此基础上建立了新的基于轨压和ET信号的ROI预测模型，结果表明，预测的喷油量和峰值喷油速率与实验数据相比，相对误差均小于2.5%，证明ROI模型具有较高的准确度。

为了响应船机市场对纯天然气发动机的需求，中国石油集团济柴动力有限公司研发了C6190型船用电控多点喷射天然气发动机，该天然气发动机采用进气歧管多点喷射技术。设计阶段依据中国船级社《船舶应用天然气燃料规范》内相应要求，试验阶段依据《GB15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》内相应要求。通过试验测得数据并根据加权系数计算得NOX比排放值eBNOX=4.98g/kwh，碳氢化合物比排放值eBHC=0.46g/kwh，CO比排放值eBCO=2.89g/kwh，均满足《GB15097-2016》第二阶段规定的排放限值要求。所以此款发动机可以作为船用主推应用于内河航运船舶。

为了应对气候变暖，减少温室气体排放，实现 2060 年“碳中和”目标，改变汽车燃料的传统模式，使用不含C元素的清洁能源迫在眉睫。氢和氨的化学式不含C元素，燃烧不会释放CO2，一直被认为是未来传统燃料的替代品。氢具有能量大，易燃烧等特点，但储存和运输成本高，易发生回火，爆震等异常燃烧，导致氢作为发动机燃料没有被大量使用；相比于氢，氨稳定性更好，且运输成本和储存成本低，但氨的点火能量高，火焰传播速度慢，且易发生失火现象，阻碍了发展。结合氢氨燃料的燃料性质，使用双燃料掺杂燃烧，不仅能解决单一燃料作为发动机燃料燃烧的缺点，同时对于发动机的动力性，经济性以及排放性都有很大提升，对于实现 2060 年“碳中和”目标具有重大意义。

针对高压共轨系统供油蓄压过程与燃油喷射过程的匹配方法，进行了高压共轨系统中供油频率与喷油频率的匹配设计研究，建立了高压共轨系统数学模型，运用液压流体仿真软件AMESiｍ构建高压共轨系统仿真计算模型；结合试验数据，验证了高压共轨系统燃油热模型的有效性。通过分析共轨系统供油频率与喷油频率匹配共轨管容积最优解，发现供油频率和喷油频率与共轨管容积最优解呈正相关，六柱塞泵十二喷油器模型容积最优解为170ml，终了喷油压力为1891.5bar，平均喷油量为652.9mm3。当共轨管容积增大时，建压过程的激增区时间增长，终点燃油压力降低，缓增区压力波动增大，稳压过程压力波动减小；随着共轨管容积的增大，喷油器持续喷油量先上升后下降，峰值在共轨管容积最优解时取得。近泵端喷油器上升段变化幅度小于远泵端喷油器，下降段变化与之相反。

氢气作为一种符合当下“碳达峰”“碳中和”双碳发展战略的清洁燃料近年来受到了越来越多的关注。其具有热值高、可燃点火能量低的理化特性，实际应用中易发生回火、自燃爆震等异常燃烧现象。本文基于converge仿真软件搭建12压缩比的氢气预混三维燃烧仿真模型，针对不同EGR率、混合气当量比进行了仿真研究，旨在探究不同因素对氢气末端自燃的影响。结果表明EGR的引入抑制了爆震的发生与强度；预混氢气的自燃多发生于狭缝，活塞坑内末端等处；混合气当量比对于氢气燃烧速度有较大的影响。为进一步的设计优化工作提供了参考与支撑。

为提升发动机的燃油经济性、摩擦学性能和密封可靠性以及提出了活塞环系统性设计与优化的方法进而改良活塞环的设计与制造。针对参与缸内燃烧的关键活塞组件（活塞、活塞环、缸套），构建了活塞环运动学与动力学性能分析模型，并加以实验验证了该模型的精确度，然后，在此模型的基础上，进行多个因素的显著性分析并结合曲面响应法建立了基于窜气量的非线性规划数学模型，最后采用遗传算法对其进行优化。通过对比分析原始发动机与优化后发动机的相关性能，优化后的结果表明：发动机活塞环组间窜气量平均值最大降低了28.1%，最大降幅值达到88.2%；活塞环组底侧间隙端面燃气通流流量改善更为显著，其中第一道气环的评估指标平均值降低了82.6%，最大降幅值为99.8%，第二道气环的评估指标平均值降低了53%，最大降幅值为62%；油环的评估指标平均值降低了26.9%，最大降幅为46.8%；发动机活塞环组的摩擦损失功也有明显的改善，相比较原始值最大降幅为25.3%。

基于超临界二氧化碳（SCO2）工质真实物性，在CFX软件中建立了超临界二氧化碳涡轮三维计算的数值模型，进行了泄漏涡特性分析并开展了流动控制方法研究。结果表明：涡轮中主要的流动损失来自于动叶，动叶损失占比是喷嘴损失的两倍以上；动叶叶顶间隙变大0.1mm，涡轮的效率平均降低1%；泄漏涡随着弦长增加影响范围显著增大，造成明显的熵增；在泄漏涡与下通道涡的共同影响下，涡轮叶片吸力面出现了大尺度流动分离，引起了较高的流动损失；针对叶片吸力面主要由泄漏涡引起的流动分离进行了叶型优化，优化后流场得到一定程度的改善，效率相较于优化前提升了0.49%。

为进一步提高甲醇/柴油双燃料发动机经济性、改善其非常规污染物排放，基于实验室自主开发的甲醇/柴油双燃料发动机燃油供给及一体化控制系统及试验台架，研究了不同运行工况下甲醇替代率、排气再循环（Exhaust gas recir-culation，EGR）率对发动机经济性、CO2及未燃甲醇、甲醛等非常规污染物排放的影响规律，评估了国六稳态试验循环（World harmonized transient cycle, WHSC）下氧化型催化转化器（Diesel oxidation catalyst, DOC）对非常规污染物的催化转化效果。结果表明：最大转矩转速1600 r/min、中高负荷下（＞60%负荷），运行甲醇/柴油双燃料模式可显著改善发动机燃油经济性；最大功率转速2600 r/min、不同负荷下，双燃料模式下当量有效燃油消耗率均低于纯柴油模式。不同负荷工况下，未燃甲醇和甲醛排放量均随甲醇替代率的增大而逐渐升高，随负荷的升高而降低。CO2排放体积浓度随甲醇替代率的增大而逐渐降低，随负荷的增加而增多。RCCI模式下，在中高负荷时适当增加甲醇替代率以及EGR率、在高负荷工况采用高比例甲醇替代率并降低EGR率均可进一步提升发动机的经济性，引入EGR可以降低未燃甲醇和甲醛排放。国六WHSC稳态测试循环下，DOC对未燃甲醇和甲醛的平均催化转化效率分别为87%、82%，安装DOC可以有效降低甲醇/柴油双燃料RCCI发动机的非常规污染物排放，拓展双燃料模式高效清洁运行边界。

在发动机运行工况下，机油经喷油嘴喷入环形空腔，冷却机油伴随着喷射时卷吸的空气及腔内原有的空气，在油腔内部形成了复杂的气液两相流，与油腔壁面形成周期性瞬态导热和周向对流换热，最终达到冷却活塞的目的。为了进一步研究不同空间角内冷油腔的壁面换热情况，分别对500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min等转速下油腔的稳态换热系数（Steady-state heat transfer coefficient，SHTC）和瞬态换热系数（Instantaneous heat transfer coefficient，IHTC）以及机油的分布特性进行研究，并分析了不同空间角内冷油腔周向和轴向区域换热的不均匀性。由于转速为1000 r/min下不同空间角模型流动换热的差异较明显，因此着重分析了该转速下油腔换热的差异。