活塞组-气缸套的润滑摩擦直接影响内燃机的动力性、经济性和可靠性。由于活塞组-气缸套的润滑摩擦环境极为复杂,伴随高温、重载、变速等不利于润滑的因素,使其处于流体润滑、薄膜润滑、边界润滑共存的混合润滑状态。由纳米颗粒与基础油组成的纳米润滑油,具有改善润滑摩擦和强化换热的双重优势,非常适用于活塞组-气缸套的润滑和冷却。不同润滑状态下,纳米颗粒改善润滑摩擦的热物理机制尚不完全清楚,传统的研究方法无法将这几种润滑状态分开进行研究。分子动力学(MD)方法可以模拟不同的润滑状态和工作状态,有效地从微观角度揭示润滑摩擦的机理,并能够准确地描述纳米流体的结构特点,因此可以采用MD方法对各润滑状态下,纳米润滑油改善润滑摩擦的热物理机制分别进行深入研究。本文根据活塞组-气缸套的润滑状态分别建立了流体润滑、薄膜润滑和边界润滑模拟模型,采用MD方法对比分析了基础油和纳米润滑油润滑摩擦特性的不同,给出了各润滑状态下纳米颗粒所发挥的作用,最后对纳米流体强化换热与润滑摩擦的耦合作用机制做了进一步研究。本文的主要研究内容如下：(1)流体润滑状态下,分别研究了光滑表面和非平表面条件下,纳米颗粒对润滑膜剪切流动特性的影响。研究发现,纳米颗粒通过影响流体的微观结构使得润滑膜的承载能力有所增大；沉积到凹坑内的纳米颗粒对摩擦表面起到了填充作用,降低了摩擦阻力；除了沉积到凹坑内的纳米颗粒,润滑膜中其他位置的纳米颗粒均增大了摩擦阻力；不管是基础流体还是纳米流体,随着温度的上升,润滑膜的承载能力下降。(2)薄膜润滑状态下,主要分析了纳米流体与基础流体润滑摩擦特性的不同。研究发现,随着载荷的增加,基础流体和纳米流体润滑膜均由液态转变为“类固态”,但纳米流体的转变压力高于基础流体；纳米颗粒通过提高润滑膜的转变压力,使得摩擦力能够在较宽的载荷范围内维持在较低的水平；纳米流体在较高的载荷下表现出减摩效果的物理机制为：纳米流体较高的液固转变压力、纳米颗粒的无规则运动以及体积效应。(3)边界润滑状态下,分别研究了软质Cu和硬质金刚石纳米颗粒对边界润滑膜承载能力的影响。研究发现纳米润滑油的承载能力显著高于基础油,并且随着载荷的增加,这种增强效果更加明显。纳米颗粒提高边界润滑膜承载能力的物理机制主要有三点：一是纳米颗粒周围致密的吸附层使得润滑剂分子排列得更加紧密有序,提高了边界膜的强度；二是随着载荷的增加,油膜结构逐渐转变为“上壁面吸附层-颗粒周围吸附层-纳米颗粒-下壁面吸附层”这种特殊形式,该形式大大提高了边界膜的强度：三是随着载荷的进一步增加,在边界膜破裂前,纳米颗粒就已经开始为边界膜提供良好的支撑作用。(4)发生凸峰接触时,文中研究了软质Cu、硬质金刚石和Si02纳米颗粒对凸峰接触润滑摩擦特性的影响,主要考察了纳米颗粒与摩擦副间的协同作用关系,以及纳米颗粒对摩擦副机械特性的影响。研究证实了软质纳米颗粒在摩擦表面间形成了固体润滑膜,模拟结果表明这层固体润滑膜有效承担了摩擦副间的剪切作用,降低了摩擦副的塑性变形、内部缺陷和温度分布；硬质纳米颗粒有效地避免了摩擦表面的直接接触,并具有“滚动轴承”和“抛光”效果,摩擦副的温度和缺陷结构大大降低；不管是硬质还是软质纳米颗粒,纳米颗粒改善凸峰接触润滑摩擦特性的效果随着温度的上升变得更加明显。当相对滑动速度较高时,摩擦界面附近出现了“转移层”,纳米颗粒进入“转移层”,失去了抗磨减摩效果。(5)通过研究纳米颗粒对流动特性的影响,以及纳米流体流动与换热的耦合作用,进一步明确了纳米流体的强化换热机理,最后对纳米流体强化换热与润滑摩擦的耦合作用机制进行了阐述。结果表明：纳米流体的速度脉动相对于基础流体增强,纳米颗粒与连续相间存在速度滑移；纳米颗粒微运动和导热系数增加对纳米流体对流换热性能提高的贡献比例相当；纳米流体的强化换热特性有助于改善活塞组-气缸套的摩擦磨损。