高热效率和高功率密度是特种车用发动机的重要追求。柴油机热效率高但功率密度提升困难,燃气轮机功率密度高但热效率低。本文针对一种新型的能集合柴油机和燃气轮机优点以满足未来动力系统对高功率密度和部分负荷低油耗要求的“涡轮活塞组合发动机”展开研究。涡轮活塞组合发动机(Diesel Brayton Combined Cycle Engine)由一台增压中冷柴油机和一台燃气轮机组合而成,通过4个电磁阀可以根据车辆不同工况需求改变柴油机和燃气轮机的进排气回路,从而实现柴油机单独工作、燃气轮机单独工作和柴燃联合工作等三种工作模式。本文对涡轮活塞组合发动机的各个工作模式进行了理论循环分析,推导了各工作模式下的理论循环热效率和比功算式,分析了柴油机压缩比、压力升高比、预膨胀比、空气流量分配系数和燃气轮机压气机压比、环管燃烧室增温比等因素对理论循环的影响。选取了一款柴油机和一款燃气轮机组成了涡轮活塞组合发动机样机,建立了GT-Power仿真模型,分析了排气背压、引气阀直径、引气管径对柴油机性能的影响,分析了采用降低柴油机转速或减小引气阀开度来限制柴油机引气量的方法对组合发动机性能的影响,估算了组合发动机功率密度和比油耗。在Matlab/Simulink环境下,基于容积惯性法和实验数据MAP图搭建了组合发动机动态仿真模型,对组合发动机的稳态工作点和工作模式切换过程中的动态特性进行了仿真分析。针对组合发动机台架,设计了组合发动机控制系统结构,使用Labview搭建了上位机控制程序,提出了工作模式选择及工作模式切换过程中的控制策略,为进行组合发动机样机实验做好了必要的准备。