尽管与同水平的柴油机相比，固定式天然气发动机的污染物排放很少，但其仍然是发动机制造商关注的主要发展问题。当消费者要求高能量密度、低油耗及低安装成本时，社会却致力于降低整体污染物排放以保持当地的空气质量水平。对于采用稀薄燃烧技术和开式燃烧室的发动机，NOx的形成过程相对简单，即主要由温度和可燃混和气的组成决定。但对采用稀薄燃烧技术且含预燃室的发动机，由于可燃混和气在预燃室与主燃室间存在分层，且不同燃烧室内的温度分布和混合气构成均存在差异，相应NOx的形成过程则更为复杂。先前的研究结果表明，对于预燃室式发动机，绝大多数的NOx在预燃室内形成，特别是发动机在稀燃极限附近运行且主燃室内的空燃比为2.0左右时。为更深入了解预燃室内NOx的形成过程，本论文同时采用理论和试验的方法进行研究。本文从根本上分析了控制NOx生成的物理和化学机制。其中，作者改进的一维模型在某种程度上可从物理和化学机制上准确反映主燃室和预燃室的分层情况。本文利用该模型模拟了NOx排放，并与宽工况范围内整机NOx排放和不同曲轴转角下预燃室内的NOx排放试验结果进行了对比。同时，本文还详细介绍了利用高速气体取样阀精确测量预燃室中气体成分随曲轴转角变化的方法。本文的试验和讨论结果为中速天然气发动机预燃室对总NOx的影响提供了清晰的理论解释。

随着排放法规越来越严格，燃油品质要求也会日益提高。由于不同种类燃料理化特性的差异，通常不能简单的直接应用于现有的燃烧系统。燃油品质会影响发动机材料的选择和发动机校准和优化的限制，同时也会影响发动机排放、动力输出和驾驶性能。目前，该研究是另外一个更大项目的一部分，其目标是在不改变或少量改变发动机结构的情况下，提高发动机燃料使用的灵活性。本研究主要是阐释不同特性的燃料是如何影响燃烧过程，特别是滞燃期和缸内燃烧过程。Herzog采用PAC十六烷点火延迟510分析仪对9种船用和电厂的燃料的着火特性进行了研究。测量得出的十六烷值也用EN15195（IQT）方法进行了验证。研究的燃料分为四组：第一组-低硫轻质燃油和基准燃油、第二组-商业替代燃油、第三组-可再生替代燃油和第四组-含可再生燃料的混合燃油。CID510分析仪的结果表明，一些可再生替代燃料的点火性能比一些已经商业化的替代燃料好。包含可再生燃料在内的一些替代燃料适用于压燃式发动机，比如说基准燃料。相比之下，有的燃油在压燃式发动机中使用时具有较长的滞燃期，发动机的启动和停止必须采用燃油品质更佳的燃油。

由于缺乏对火焰里碳烟生成和氧化过程的定量描述，因此很难预测柴油燃烧碳烟排放。因此，本文将通过试验，研究了不同环境条件及喷射条件对柴油射流火焰中碳烟生成及氧化特性的影响。为了详细观察这一现象，在高压定容弹内生成柴油射流火焰，通过双色法分析火焰温度和碳烟浓度。定容弹内的高温高压条件通过氢气、氧气和空气的混合气燃烧实现，且燃烧后混合气中氧气含量处于预想值。氢气燃烧后，当定容弹内环境气体压力达到预想值时进行喷射，喷雾燃烧随即被记录下来。本次试验用的喷油系统是由作者自己设计的电控蓄油腔式的喷油系统。喷雾燃烧通过彩色高速相机拍摄，2色法用来计算火焰中温度和碳烟的二维分布。本文主要研究参数为环境气体密度及喷孔直径。试验结果表明，火焰中碳烟的分布可分为两个区域，一个处于喷雾前端漩涡区，另一个处于喷雾内部的锥形区。因此，碳烟的生成和氧化特性必须针对两个区域分别讨论。在喷射刚开始时，火焰在喷雾前端的漩涡区迅速发展碳烟也随之在该处迅速发展，然而在最初的燃烧过后，火焰开始处于一个准稳态过程且前端漩涡处不再出现明亮的碳烟区。因此，喷雾前端漩涡处的碳烟生成和氧化可以认为是一个瞬时现象。与之相反的是，喷雾内部锥形区内，火焰开始处于准稳态开始时与燃烧结束前的碳烟分布基本相当。因此可以认为火焰内部锥形区域内的碳烟生成和氧化是相对稳定的。从这些试验现象可以看出，不同试验条件下准稳态火焰中的明亮火焰的长度可以区分开来，且决定火焰长度的控制参数为油气混合质量及火焰前端位置，在非燃烧条件下火焰长度可以通过当量比较好地预测出。

双燃料发动机通常由主燃烧室（MCC）、预燃室（PCC）或扫气预燃室内的火花塞点燃。由于具有较高的点火能量，船用双燃料发动机一般采用扫气预燃室的点燃模式。为研究扫气预燃室的设计策略，本研究对一台典型船用低速双燃料发动机进行参数化研究。假设MCC和发动机边界条件都保持不变，本工作关注PCC的结构参数，包括体积比，管口长/直径比和引导燃油喷射方向对扫气效率、甲烷逃逸、峰值压力、累计放热量（AHR）、指示功率、平均有效压力（IMEP）、指示燃气消耗（ISGC）、氮氧化物排放的影响。有研究指出，高温时由MCC进入PCC的燃气会增加氮氧化物的排放，因此，在本文中同时研究了回流现象。 本研究基于传统计算流体力学软件（CFD）STAR-CD实现，相关数值模型经过试验数据验证。本文的研究成果展示了PCC结构设计参数对发动机特性的影响，并将为低速双燃料发动机的开发提供理论支持。

对于预混的奥拓循环天然气发动机而言，缸内润滑油滴的自燃是导致缸内预混混合气被提前点燃的主要原因之一，这是最具威胁的异常燃烧。了解润滑油自动点火机理对于避免这种异常燃烧非常重要。润滑油碳数（16～50）高于汽油和柴油，因此它的蒸发和点火特性与液体燃料有显著差异。为了描述比液体燃料含有更多较重组分的润滑油的蒸发和点火特性，开发了一种一维多组分模型，该模型考虑了液相的有限热传导和有限质量扩散、气相的多组分扩散、液滴界面处的真实气液平衡，并在蒸发模型的基础上增加了考虑全局反应的瞬态模型来预测化学点火延迟。然后，建立固体的热辐射吸收模型，来分析润滑油液滴中钙基添加和铁屑对润滑油自燃延迟的影响。对于钙基添加的润滑油，发现小油滴可以忽略热辐射的影响。随着液滴的增大和温度的降低，热辐射影响越明显。但是，对于含铁屑的润滑油，新油可以忽略热辐射的影响。随着燃料的使用，铁含量增加，热辐射的影响变得显著。最后，基于天然气发动机缸内实际的瞬态压力和温度，分析了润滑油的自燃特性。

日趋严格的排放法规及低价的天然气导致双燃料发动机成为大发动机市场一个极具吸引力的选择。双燃料发动机如此引人注意，是因为它们在气体模式下排放（CO2、NOx、SOx和颗粒物）低，可以在不采用高额的后处理系统的情况下满足排放法规要求，同时，可以根据需要在天然气与柴油燃料之间柔性切换。然而，与传统柴油机相比，双燃料机的功率密度与热效率低，这是因为,为了防止异常燃烧（敲缸和早燃）及预混燃烧主导导致的燃烧不稳定，必须采用较低压缩比。 尽管在过去已经做出了很多努力提高双燃料燃烧发动机性能，但双燃料燃烧过程仍没有很好的被理解，特别是中速发动机。双燃料发动机的燃烧是通过少量柴油（通常占额定负荷能量的0.5~2%）微喷引燃的，其在一个较长的滞燃期后自动着火。一旦柴油着火，它会引起同步的稀薄均质油气混合物燃烧。这个同步的燃烧过程高度复杂，包含自点火化学、预混湍流火焰传播及两者之间的转化，很难被理解。因此，有必要找出双燃料燃烧不同的运行与控制参数之间的关系，以提高发动机性能。 本文关注现代重工工业的一款H35DF双燃料中速发动机的燃烧过程分析。基于一个经验燃烧模型，对不同工况下的发动机的试验性能数据进行分析。运行参数变化包括微预喷正时、微预喷持续期、微预喷压力、燃烧室及压缩比。该模型用于提高对变工况观察到的变化的理解。最终，采了用双韦伯函数对燃烧放热过程进行数学表达。对每一个试验数据进行单独分析，以获得适用于韦伯函数的放热率。韦伯参数作为目标值，发动机参数作为输入值，以找到适当的相关性。利用线性方法建立相关关系。用这个相关性预测的韦伯参数足够准确。本文建立的燃烧模型较好的预测了双燃料燃烧现象。双燃料燃烧模型研究了多个参数对双燃料燃烧放热率的影响，可以用于发动机性能的优化。

大力神计划是大发动机技术研发领域中最大的国际性计划，从2004年持续到2018年，包含4个单独连贯的阶段，总经费超过1亿欧元，共计86个单位参与。该计划主要经费由欧盟提供，当然其中也包含瑞士政府。 两个主要的发动机制造厂曼与瓦锡兰，在2002年开始构想这一共同的愿景：开展旨在提高发动机效率（降低油耗及CO2排放）、降低气体及颗粒排放、提升柴油机可靠性等船用发动机新技术的研究。 在2004年，完整的大力神-A工程开始。这是大力神研发计划的第一阶段，包含热力学过程、燃烧过程、后处理、材料及控制等多个领域的研究。大力神-B是计划的第二阶段，从2008年到2011年，第一阶段研究后有潜力的技术被保留下来进一步深入研究。大力神-C工程（2012年～2015年）是大力神计划的第三阶段，包括来自于前一阶段中技术的分组与整合。大力神-2工程（2015年～2018年）是建立在大力神计划基础上的，目标是发动机的柔性可调和全生命周期的优化。 本文描述了大力神4个连续的研发计划的演进与关系。在大力神计划的14年期间，这些目标与技术挑战和海洋工业不断变化的要求有关，并考虑到了不断发展的商用和法律框架。 本文还给出了：4个阶段成果的概览、已经在未来发动机研究中应用的先进技术和工具和先进的工程结果，其中的很多技术已经被集成到了新发动机上且已投入市场。

随着排放法规越来越严苛，如2020年IMO对硫排放的限制及IMO Tier3对NOx排放的限制等，致使发动机生产厂商和使用者必须根据应用场合和当地法规在不同燃料和排气后处理之间做出最佳选择。这意味着，当使用不同特性的燃料时对于燃油喷射系统的要求很高。多次喷射技术在车机上经常使用以减少污染物生成。目前，类似于EN590的轻柴油有关的预喷-后喷应用研究已广泛开展。本文研究重油多次喷射对大缸径柴油机的影响并与轻柴油对比。 本文试验研究在一台单缸机（1 VDS 18/15）上进行。共轨系统配备一个带蓄油腔的喷油器以减少压力波动。将高粘度的重油在输油管中加热使其粘度达到10cSt。保持工况不变，调整预喷-后喷的持续期及喷射间隔，分别采用柴油和重油进行对比试验。通过缸压传感器获得的缸压曲线，基于燃烧室的0维模型获得放热率，通过放热率分析获得对燃烧的影响。每工况设置条件下均进行排放测试且与输出功对应，其中采用排气分析仪来分析排气中的气态排放物（CO，CO2，O2，NOx，THC）以及soot排放（FSN）。 发动机测试结果表明，在50%负荷以下，采用重油时NOx排放比柴油增加2倍，因为着火延迟增加导致预混燃烧比例增加。在25%时，采用不同预喷正时和预喷持续期，NOx排放最高可减少25%（柴油）、43%（重油）。采用重油时，相对轻柴油烟度通常明显较高，而采用后喷时，烟度能减少76%（柴油）和33%（重油）。此外，采用单次喷射结合预喷和后喷可实现IMO Tier2 排放限制标准。还发现，采用多次喷射时油耗可以降低1.6%（柴油）。

双燃料发动机采用天然气与柴油燃料，在低排放应用上很有吸引力，有助于同时降低NOx和CO2排放。然而，为进一步减少温室气体排放，在包含部分负荷等实际运行条件下提高热效率、降低未燃甲烷十分重要。在采用天然气、柴油机作为燃料的中速四冲程双燃料机中，预混微喷引燃是作为常规的气体运行模式所选择的燃烧策略。天然气通过进气道供应，在气缸内形成稀薄预混合气，在缸内被少量的直喷柴油点燃。然而，在这套系统中，受到火焰传播速度的限值，热效率提高受到制约。稀燃导致燃烧速度降低、等容度下降。同时，稀燃温度低导致未燃甲烷排放恶化。另一方面，预混合压燃（PCCI）是被公认的能够实现高热效率、低排放的燃烧模式。在PCCI燃烧模式下，在缸内形成的稀薄预混合气在高温高压条件下发生自点火，且为缸内多点着火，因此，燃烧持续期短，等容度提高。另外，稀薄预混燃烧导致燃烧温度低，缸内空燃比浓区少，能够降低NOx与碳烟排放。本文研究的双燃料机，在部分负荷条件下采用两阶段柴油早喷实现双燃料-预混合压燃（DF-PCCI）燃烧模式。采用某中速四冲程单缸机作为试验对象，缸径260mm。为了更好的理解DF-PCCI燃烧模式，该机的过量空气系数、喷油正时、喷油量和喷射压力等均可变。此外，为了将这种先进的燃烧策略能够实际应用到双燃料机中，研究了DF-PCCI燃烧模式的可用运行范围。结果表明，在E3模式下，与传统的微喷引燃模式相比，采用较早的两阶段柴油机预喷DF-PCCI燃烧模式，热效率提高2%、未燃碳氢下降49.4%。同时，还得到了DF-PCCI燃烧模式的可行运行范围。综上所述，采用DF-PCCI燃烧能够实现高热效率、低排放，为今后的双燃料发动机的发展奠定了基础。

随着排放法规的日渐严苛，近年来,气体机受到越来越多的关注。气体机可以在不采用任何排气后处理装置的情况下，满足法规要求，所以无论对于推进还是发电，气体机均有较大的潜力。在中速机方面，采用先进的点火技术可以实现很好的热力学工作过程组织。在相同的排放水平下，气体机可以达到较高的热效率，所以可以将气体机应用到商业化市场中。 双燃料机开发主要源自不同的市场应用下燃料适应性的需求。双燃料机可提供在气体模式失效情况下的备份模式，且可以适应不同的燃料、市场及法规等。在如此广的用途下，双燃料机的研究将是系统的课题，而非一种特定模式下的燃烧过程。 本文研究范围包括，在相同的排放水平下，用气体代替一部分的柴油燃料（气体替代率约为0～90%），以及在柴油只作为微喷引燃用燃料（柴油微喷量为总燃料能量的1%～5%）的发动机的相关设计。通过本文的设计，可以达到更低的排放水平。因此，Caterpillar Motoren GmbH & CoKG公司一直致力于优化这种燃烧过程以将其推广到市场应用。优化结果表明，在柴油微喷引燃式下的双燃料机具有很好的燃料适应性，且可以输出较高的功率、具有较低的排放，在全工况下均具有较高的热效率。 相比较单一模式的柴油机，将气体模式（柴油微喷引燃）和纯柴油模式整合到一套热力学系统可能会受到很多额外的限制。发动机设计时，将在发动机是气体模式下运行还是气体机可以切换到柴油模式两种方案之间做权衡。一般对于船用柴油机，柴油模式作为主推动力时使用，而进港后可切换到排放更低的气体模式，作为主推时，气体模式只在跛行工况使用。通过微喷引燃燃烧过程的优化可减少甚至克服这些明确的限制。 目前对于纯气体机的点火方式多采用火花塞点火式，这种方式下的燃烧过程并不适用于柴油微喷引燃式。减少引燃用燃料量可以在不采用任何排气后处理的情况下满足排放法规要求，但会导致燃烧滞燃期增长，所以在不同模式下的点燃过程及火焰传播过程将很大程度依赖于局部空燃比、温度及化学组分。 中速气体机的性能很大程度上取决于点火系统。因此微喷喷嘴是微喷引燃式发动机的关键零部件，需要对其进行优化以实现所需的喷雾状态，以保证发动机在稀薄燃烧的情况下可以稳定可靠的点火并迅速放热。 本文介绍了Caterpillar 在双燃料机方面的构想，以及微喷引燃式发动机在热力学过程研究中的各因素之间的权衡关系。目的在于开拓未来微喷引燃式双燃料发动机用于主推和发电用途市场，实现减少环境污染及用户利益最大化。