柴油机强化程度的提高对冷却效率提出了愈发严苛的要求。高效的换热方法、合理的冷却结构和先进的控制策略是提高柴油机冷却效率的重要手段。过冷沸腾传热作为一种应用广泛的高效率换热方式,在发动机冷却系统中有很好的应用潜力。因此,开展基于过冷沸腾传热的柴油机冷却系统热力特性研究具有明确的科学意义和工程应用价值。基于过冷沸腾传热机理建立包括曳力、升力、虚拟质量力、湍流离散力、壁面润滑力、气泡脱离直径、气泡脱离频率、气泡核点密度、界面传热系数、界面浓度和气泡直径等子模型的多相流模型和柴油机流-固耦合仿真模型,模拟发动机过冷沸腾现象,并通过柴油机缸盖火力面测温结果进行验证。模拟结果显示,冷却液流量在控制冷却通道温度上起主要作用,局部结构的不对称导致整机对称位置上冷却表现的差异,冷却通道的充分连通有助于减少局部过热,适当增加出入口数量有利于气相合理分布,使冷却液流动均匀和并增强换热。针对气泡直径与气相体积分数分布不一致的现象,对气泡直径子模型进行改进。将气泡直径等效成初始气泡脱离直径和传热生长、碰撞、流体冲击三个直径变化量的合成,三个直径变化量基于气泡位置、气泡增长率、界面面积浓度、相间力和气体粘性力的计算并通过C语言编程进行全局信息搜索得到。完成模型验证后,结合预估发动机冷却液流动路径,对柴油机冷却通道内气泡形成过程进行了预测和分析。开展柴油机冷却系统对整机热力特性和排放影响的实验研究,设计由3个转速、4种喷油量、6种冷却液流量构成的72组实验。为着重考察特定进气量下不同冷却液流量对柴油机热力特性的影响,进行包含3种进气量和3种冷却液流量的9组实验。基于实验结果,讨论了在不同转速、喷油量和进气量下冷却液流量对柴油机冷却液温差、冷却功率、进排气温差、发动机功率、燃气温度、燃气压力以及CO、CO₂、HC、NO_x、O₂和碳烟排放的影响。针对发动机工作循环中的热力变化,进行工作循环内冷却系统与缸内燃烧系统的动态耦合效应研究。采用总包反应机制简化燃烧过程,构建一维热平衡方程,并采用多相流过冷沸腾模拟冷却液流动。通过编程实现缸内温度、传热系数和壁面温度的信息交换,实现一维燃烧和三维冷却的耦合仿真,并通过功率、缸内压力和气缸盖的火力面温度的实验数据进行模型验证。分析不同冷却条件对发动机瞬态性能的影响,并基于缸盖瞬态温度场,进行缸盖应力、应变和寿命预测。