在能源危机和环境污染的双重压力下,世界各国针对机动车制定了愈来愈严格的油耗和排放法规。内燃机作为当前车辆行驶的主要动力源,其性能开发及优化直接影响了整车的燃油经济性和排放性能。对置活塞对置气缸二冲程发动机(Opposite piston and opposite cylinder two-stroke engine,简称OPOC发动机)简化了气门阀系和气缸盖,结构简单,重量小,具有良好的平衡性。同时,OPOC发动机具有较高的升功率和功率密度,相比传统内燃机具有更高的动力性,且OPOC发动机的低摩擦和传热损失特性可有效改善发动机及整车的燃油经济性。与传统内燃机相比,OPOC发动机具有更大的节能减排潜力,因此得到了国内外专家学者的广泛研究。本文提出一种统计学方法与仿真手段相结合的发动机正向开发手段,对OPOC发动机一维整机性能进行了优化;采用CFD模拟仿真技术,对OPOC发动机扫气系统进行了性能仿真对比;采用试验手段研究了OPOC发动机的喷雾特性,最终确定了OPOC发动机的基本控制参数、扫气系统以及喷孔直径设置。基于所开发的OPOC发动机设计其匹配混合动力系统构架,并对混动构型以及控制策略进行了优化,以实现整车在行驶工况下的能耗改善。本文主要研究工作内容包括:针对传统发动机正向开发方法时间成本高的问题,本文提出了一种基于统计学方法的发动机正向开发方法,通过DoE(Design of Experiments)设计试验方案,筛选目标的关键影响因素,基于响应面法建立目标预测模型,实现参数优化,大大缩短优化时间。本文首先基于某四冲程发动机转矩进行验证,结果表明,其转矩主要与50%燃烧位置点、进、排气阀正时有关,经优化后全转速工况转矩平均提升率达4.62%。基于OPOC发动机结构及活塞运动规律建立了一维整机性能仿真模型,优化了最大功率转速工况下转矩,结果表明OPOC发动机转矩主要与进、排气口正时偏移量、中冷器出口容积、排气歧管长度、直径和涡前排气管长度有关,经多参数优化后转矩提升了2%。为改善OPOC发动机扫气性能,本文采用了气口-气口式扫气方案,选取非均匀式进气腔结构为基础设计方案,基于一维仿真优化结果建立了六种扫气系统模型,通过Converge计算分析了进气道数量、涡流直径和活塞顶部形状设计对OPOC发动机扫气性能的影响,结果发现,较少的进气口数目和较大的涡流直径增强了缸内涡流运动,但同时容易造成气缸中心轴线区域形成废气集中区域,导致缸内残余废气系数增加;燃烧室设计同样对缸内涡流强度具有影响。分析了不同扫气方案下缸内残余废气系数和废气比的变化规律,并以缸内残余废气系数为评价指标,确定了最优扫气系统设计方案。为保证OPOC发动机具有良好的油气混合和燃烧性能,针对OPOC发动机的喷雾性能展开了试验和仿真研究。首先基于定容燃烧室展开了喷雾试验研究,分析了喷雾宏观特性参数随喷孔直径、燃油喷射压力以及燃烧室环境密度的变化规律,分析结果表明喷孔直径为110μm时,发动机具有最佳喷雾特性。随后,为对发动机喷雾特性进行更深入的研究,本文采用Kiva软件进行了三维模拟仿真,并基于前期喷雾试验结果,结合统计学方法,建立了索特平均直径和燃油喷雾锥角关于喷孔直径、燃油喷射压力和燃烧室环境密度的数学模型,验证结果表明所建立的预测模型具有较高的精度,可用于预测不同工况下的喷雾特性参数。为充分发挥OPOC发动机高效优势,本文基于某传统燃油车进行了混合动力系统设计,以本文所研究优化的OPOC发动机作为传统动力源。在对比分析了不同混动系统构型的基础上,选取P2构型作为混合动力汽车基础构型,并建立了混合动力整车仿真模型,对NEDC(New European Driving Cycle)循环工况下混合动力总成的工作特性进行了研究,对比分析了不同速比方案下的整车燃油经济性差异和原因,同时基于遗传算法对换挡策略和控制策略进行了仿真优化,进一步优化了发动机和电机的工作特性,以改善其整车燃油经济性。最后,本文针对P2构型混合动力系统所存在的局限性,提出一种P1+P2的新型混合动力构型,对比分析了不同构型最优控制策略下的整车燃油经济性,结果表明,与P2构型优化结果相比,P1+P2混动系统的NEDC循环油耗降低了35.9g,节油效果达7.3%。通过本文的研究,解决了发动机在正向开发过程中开发时间过长和成本过高等难题,并为OPOC发动机扫气系统性能优化提供了方案指导。此外,喷雾特性参数预测模型的建立解决了喷雾燃烧仿真过程中参数设置过于依赖工程经验的问题,降低了仿真难度。同时,本文对混合动力系统构型及控制策略的优化对于改善混合动力汽车在实际道路工况下的整车燃油经济性具有一定指导意义。