预燃室适用于大口径天然气发动机，特别在采用稀燃策略时，能提高发动机的点火稳定性和燃烧速度。本文采用纹影法和火焰自发光法，研究了喷嘴孔直径、预燃室容积、预混合气体当量比和环境条件对定容室着火及燃烧过程的影响。实验结果表明，当喷嘴孔直径小于一定值时，火焰会发生猝灭。随着喷嘴孔直径的增大，射流着火正时提前，着火位置向下。当着火点位于主燃烧室中心时，主燃烧室内的火焰传播速率和混合气燃烧速率均达到最大值。增大预燃室体积会导致主燃烧室射流出现时间延迟，但燃烧混合气越多，分布范围越广，着火能量越大，火焰传播速度越快。由于着火室内当量比的降低，导致预混气体燃烧速度变慢，着火能力减弱，着火正时延迟。提高预燃室燃料/空气当量比，可提高着火能力，提前点火正时，扩大稀燃极限。当预混气体压力增大时，预燃室的着火能力增强。

从二十世纪七十年代以来，燃烧化学反应机理的规模和精度稳步提高。从简单、单一组分燃料到不断增多的复杂燃料混合物，其火焰前锋传播和自点火特性均可得到精确模拟。基于上述化学反应动力学模型，可实现对复杂多维燃烧系统的分析。出于空气处理和其他系统级别问题的考虑，零维模型仍是一种重要的发动机系统开发工具。但是，其在应用于燃烧模拟时存在局限，因此常同时采用多维模型以分析发动机系统结构对燃烧过程的影响。 当使用独立发动机循环模拟时，通常使用简单的经验式点火模型，该模型可用于观察发动机在运行工况下发生自点火的倾向。本研究的主要工作内容即应用天然气燃烧反应机理来发展简化的自点火模型，从而使其适用于零维模型的模拟。研究目标包括基于反应动力学进行预测，使商业循环模拟易于实现，同时缩短计算时间。 本文的主要研究思路是，发展简化的天然气燃烧反应机理模型，在此基础上确定与自点火特性最相关的反应。该方法在化学计量比及稀燃汽油发动机中采用，其准确性得到广泛验证。在本文中，该方法被扩展用于柴油引燃的天然气发动机上。 根据天然气发动机及双燃料（天然气和柴油）发动机的燃烧过程，本研究同时验证了已发表文献中的一些简化反应动力学机理。这些机理中规模最小的包括53个组分和325个反应，规模最大包括293组分和1593个反应。在本文所采用的双燃料发动机中，柴油作为引燃物被喷入天然气/空气预混可燃混和气内。当柴油燃烧时，火焰前锋会向天然气/空气混合气传播，从而使其发生自点火。将简化的燃烧反应机理耦合于零维模型的计算脚本中，其目的在于识别与自点火最相关的反应。当找到灵敏度最高的反应时，即可确定与其相关的一系列对自点火敏感的反应包。 通过试验可测得发动机在一系列工况下的自点火特性。相应GT-Power模型添加了对应简化燃烧反应机理的脚本并经过仔细调试。研究表明，该模型可准确预测宽工况范围内的自点火特性。另外，该机理模型同时被拓展用于高速和中速柴油引燃天然气发动机，并在本文中展示了相应的对比结果。 本文旨在预测末端天然气/空气混合气在一定范围的转速、载荷、稀释比、当量比和替代率下的自点火。研究表明，该模型在CA50附近两曲轴转角内的预测效果很好。同时，每次验证均各自对比了相应的爆震和非爆震工况。其中，非爆震工况均可准确预测，而爆震时刻的预测值比试验值提前2个曲轴转角。

本文建立了大型二冲程双燃料船用发动机的CFD模型，研究了预燃室设计参数对燃烧特性和火焰传播特性的影响。众所周知，自着火和火焰传播均是燃烧过程的一部分,因此采用简化的正庚烷/甲烷机制加上G-equation模型用来预测两个过程,并且对各种湍流燃烧模型用来预测双燃料船用发动机燃烧的可行性进行了探讨。结果表明,预燃室喷嘴导向的火焰喷射方向明显影响主燃烧室的燃烧过程,由于高速火焰贯穿距的存在，有预燃室的机器可以观测到更广泛的点火区域,这是因为主燃室的滞燃期更短，放热率更快。但是，为了防止燃烧过程的恶化，要避免火焰射流撞壁。并且，观测结果表明，化学动力学控制的自着火和火焰传播控制的燃烧过程的放热特性有很大的不同，因为放热率受到G- equation中火焰单元模型模型常数的强烈影响:在G-equation模型中，用固定的层流修正项可以观察到光滑且厚的火焰结构，而用湍流修正项的G-equation模型或结合化学动力学机制的湍流模型可以得到更薄更皱的火焰。

考虑到同心轴针式双燃料喷射器制造成本高、控制难度大，本文设计了新型喷射系统，在缸盖上分别布置2个单孔柴油喷嘴和2个单孔天然气喷嘴以实现双燃料缸内直喷。文章设计了2种布置方案：左右对称布置和中心对称布置，并基于CONVERGE软件分析和讨论了2种布置方案下喷嘴间距离对发动机燃烧及排放性能的影响。研究结果表明，双燃料喷射器之间的距离直接影响引燃柴油火焰与天然气射流的相对位置，进而影响柴油对天然气的引燃效果。因此，为了提高双燃料发动机的燃烧和排放性能，有必要合理设计柴油喷嘴及天然气喷嘴位置布局。在2种布置方案下，放热率曲线随喷嘴间距离变化趋势相似。采用中心对称布置方案，燃料分布及高温区域分布更均匀。左右对称布置下燃料聚集，易发生富燃现象。喷嘴间距离越短，2种布置方案下燃烧特性差异越明显。对比燃烧参数可以发现，采用中心对称方案有利于燃料充分稳定燃烧，可以获得更好的动力性和发动机热效率，可以降低soot排放，但是NOx排放会大大增加。中心对称布置下，喷嘴间距离对NOx排放的影响更明显。对比之下，当采用中心对称布置且天然气喷嘴间距离为90√2 mm时，IMEP最高，soot排放最低，NOx排放水平和爆发压力相对适中。也就是说，采用中心对称方案并合理布置喷嘴间距离可以获得良好的发动机燃烧及排放性能。

为实现低NOx排放和高循环热效率，在工业气体燃料发动机中常采用有火花塞点火系统的预燃室。 通常，由于预燃室中的混合气接近化学计量比工况，在预燃室内产生的NOx相当高。对采用稀薄燃烧技术的气体燃料发动机，约75%的NOx都产自预燃室。 为了抑制NOx排放而减少进入预燃室内的气体时，会由于预燃室内初始燃烧不稳定而引起气缸压力波动，如平均有效压力和最大燃烧压力的变动。 造成该现象的原因之一是在稀燃工况下的燃烧速率非常低，而提高燃速需要解决许多问题。 近年来，等离子体辅助点火系统的概念被提出并得到发展。即使在稀燃工况，等离子体也可产生稳定和快速的燃烧。本论文重点关注被称为“活性点火系统”的等离子体辅助燃烧系统的概念。 为了构建活性点火系统，除了传统火花塞和点火线圈作为一次点火系统外，还需要二级点火线圈和波形发生器产生的高频磁场。其中，一次点火系统可完全采用传统的点火系统而不做任何改变。 在一次放电时给二级点火垫圈加载高频电压，即可使等离子体维持更长时间。 由于等离子体辅助活性点火系统的存在，一次点火产生的火焰核心可以更快的扩展，同时燃速也会更高。最终，实现稀燃气体环境下的稳定燃烧。 本论文展示了包含其他点火系统的活性点火系统的测量结果。

国际海事组织要求，到2050年，海上船舶每年温室气体排放量降至现有水平的一半，生物燃油作为一种碳中性燃料，有可能成为潜在的船用燃料。 作者长期以来一直使用缸径230mm的中高速试验发动机研究各种生物燃料的燃烧特性。如后文所述，此发动机配备了专用的燃油喷射系统。作者在2019 CIMAC论文中报告了最近使用来自印度尼西亚的生物燃料进行试验的研究结果： 棕榈油制脂肪酸甲酯（FAME）； 粗棕榈油（CPO）； 将每种燃料与船用柴油（MDO）混合，研究了混合比例对燃烧和废气排放的影响。 在FAME燃料特性试验中，选择30%FAME+70%MDO、50%FAME+50%MDO、100%MDO作为对照组进行试验，试验时所有燃料不进行加热。相比MDO试验组，使用FAME 燃料的试验组具有更好的点火特性，并且在所有工况下，两者的燃烧特性相同。 在CPO燃料特性试验中，选择与FAME试验组相同的混合比例进行试验，但是与FAME燃料试验不同的是，CPO试验组中的燃料需要进行加热以获得合适的喷射黏度。与FAME试验结果不同的是，纯CPO在低负荷运行时表现出一定的难燃性。这可能是因为CPO在低负荷时，在低空气温度下具有较差的蒸发和点火特性。 为了恢复CPO在低负荷时不良的燃烧特性，作者开发了一种独特的“混合式”燃油喷射系统。这个系统就是在原来通过凸轮驱动博世型燃油泵的基础上，加上一个小型共轨（CR）系统。发动机运行时，生物燃油的主喷还是由原来的博世油泵进行，CR系统仅用于生物燃料预喷。由于采用了CR系统，可以自由设定预喷正时和持续时间。利用该系统进行的试验表明，少量的预喷可以明显改善CPO在低负荷下的燃烧特性。 整篇论文不仅仅是研究了燃料燃烧特性，还讨论了一些其他方面的问题，比如过滤器的堵塞和混合燃料经过长时间贮存后从MDO中分离生物燃料等。对于船用柴油机来说，加热和过滤等一些问题对FAME河CPO安全使用都是必要的。 由于生物燃料不含硫，因此可以实现零硫排放。但是，氮氧化物的排放在一定程度上高于传统燃料。生物燃料中含有氧原子，可以促进燃烧，从而增加氮氧化物的生成。 本文尝试了一种独特的降低氮氧化物的方法。将模拟沼气导入发动机的进气管，并与上述液体生物燃料（FAME）同时燃烧。 本试验以甲烷与二氧化碳的比例为60%至40%混合制备模拟沼气。沼气采用预混合稀燃方式燃烧，只排放少量的氮氧化物。另一方面，由于沼气混合和液体生物燃料燃烧，进气氧气减少，降低了氮氧化物含量。增加沼气量也可以改善烟气。 使用生物燃料可以减少所有的排放，二氧化碳，硫氧化物，氮氧化物和颗粒物。但在同时使用生物燃料和沼气的情况下，沼气必须作为极稀的混合气燃烧。另外，应该讨论一些减少“甲烷滑”的措施。

为了保护全球环境，天然气发动机在船舶工业领域开始受到重视。此外，从能源紧缺的角度出发，它们也被用于燃气热电联产系统。由于具有较高的热效率和突出的排放性能，预燃室式气体燃料发动机常作为船舶发动机和燃气热电联产系统的动力来源。对于稀燃混合气，该类型发动机拥有更稳定的燃烧状态及更高的热效率，即利用预燃室中火花点火系统产生的热气流作为主燃烧的引燃装置。对于后续降低油耗的目标，降低发动机的热损失十分必要。但对具有预燃室的气体燃料发动机来说，其主燃室内的热传导机制尚不明确，因此难以有效实现热损失的减少。目前针对柴油机存在一些直接测量热损失的案例，但几乎没有针对含预燃室气体燃料发动机的研究。因此，为掌握预燃室式气体燃料发动机的热损失现象，本文直接测量了某单缸机燃烧室壁面的热流密度分布。其中，主要的测量点均安装于活塞上。这是因为火焰通过直接指向活塞的热流传播使活塞成为热损失的主要来源。测量点沿热流方向放置，同时在不同气流间放置以便于比较。此外，本研究通过测量缸盖和缸套表面的热流分布来确定近壁面的热损失，并利用置于壁面的同轴热电偶测量燃烧室壁面的瞬态温度。为了引出活塞表面同轴型热点耦的电缆，本研究采用了与曲轴箱连接的联动系统。同时以实时测得的燃烧室壁面温度为边界条件，通过求解非稳态热传导方程得到瞬态热流分布。在此基础上，利用测量得到的瞬态热流分布即可直接得到发动机燃烧室壁面不同时刻的热通量。另外，基于测量结果计算燃烧室壁面的总热损失，即可确定产生热损失的主要部位。

随着传统化石燃料短缺程度的不断提高和空气污染不断加剧，内燃机的燃油消耗标准和排放法规变得越来越严格。在过去的几十年中，世界各地的研究人员和工程师一直致力于通过使用天然气和氢气来提高燃料转化效率和减少废气排放，因为它们的碳/氢比较低，而且没有燃料蒸发。天然气的高辛烷值使发动机具有很好的抗爆震性能，使其能够在更高的压缩比下工作，从而进一步提高功率输出和热效率。本文采用商用一维仿真软件GT-Power对一台燃用甲烷和氢气混合气的重型稀燃点燃式发动机喷油策略耦合EGR进行研究。与进气道喷射和缸内直喷早喷相比，缸内直喷晚喷的体积效率明显提高。即使是在相同的EGR率的情况下，缸内直喷晚喷的燃烧效率和指示效率都会提高。但是，采用缸内直喷晚喷策略后，缸内温度明显升高，最终会导致氮氧化物排放量增加。

天然气作为一种燃料在发动机中广泛应用。发动机的设计和燃料成分可能会随着应用的不同而发生显著的变化。对现有设计的修改和燃料质量的修改会导致各种异常燃烧发生。 识别燃烧模式是开发解决方案的第一步。燃烧模式的识别需要特定的仪器，可以安装在现场或实验室。典型的仪表包括气缸压力、温度或速度测量，需要长期监测，以捕获不经常发生的燃烧模式。因此必须分析大量数据。 在确定所有异常燃烧模式后，下一步就是找出根本原因。鉴于实际发动机的尺寸和成本，这一步适宜在实验室完成，因为实验室环境可以提供稳定的工作条件和先进的仪器。但这方面迫使整个开发过程在现场进行，使用有限的仪器对操作条件进行有限的控制。 开发、安装和操作这类复杂的现场数据采集系统有较大难度，包括对危险位置的采集、现有控制系统的集成，以及远程传输大量数据。对这些大型数据集进行后续分析以识别异常燃烧模式是一项复杂的任务，需要非标准燃烧分析技术来检测这些异常值。本文将试图解决这些数据采集设计、运行和分析中的一些问题，以成功地识别、量化和解决异常燃烧问题。

在本研究中，大涡模拟（LES）技术被用来研究引燃喷油量对双燃料发动机（DF）着火过程的影响，即在发动机相关工况下在稀甲烷-空气混合气中注入少量高反应活性柴油替代燃料（正十二烷）的过程。经过足够的物理混合和化学诱导，该高活性燃料会发生自点火并释放足够的能量，从而引燃周围的甲烷-空气混合气。该点火系统成为商业气体燃料发动机中共电极点火系统和预燃室点火系统的替代选择。 本研究的主要目的在于提高关于DF着火延迟对引燃喷油量敏感性的认识。通过数值模拟及单缸机试验，本研究发现引燃喷油量存在一个阈值，低于该阈值后相应着火延迟将逐渐变大。着火延迟对如此小的引燃喷油量存在这么高的敏感度是由于引燃喷油量浓度的高稀释率及后续湍流化学的交叉作用。本研究采用一级高分辨率（62.5mm）大涡模拟，重点关注DF点火系统并结合实际发动机的结构配置讨论相关混合和化学问题。 喷雾参数参考发动机燃烧网络（ECN）在类发动机工况条件下的喷雾A设置，该模型为DF的计算提供了一个特征良好的算例。特别是在环境温度为900K、压力为6MPa、单位摩尔浓度为15%且喷射压力为150MPa的工况。基于高精度试验数据，该ECN喷雾A算例可广泛验证该数值模型，如液体和气体渗透、空间燃料浓度、着火延迟和低温燃烧特性（如甲醛监测）。 本研究对十组不同柴油引燃喷油量的工况进行了大涡模拟，得出以下结论： 1） 试验和LES模拟结果都表明，引燃喷油量存在一个阈值，当小于该阈值后，随着其数值的降低，体系着火延迟逐渐增大。 2） 详细数值模拟结果表明，着火过程在富燃工况更易发生（特指柴油）。 3） 减少引燃喷油量会引起双燃料混和气的过度稀释，从而从化学角度抑制了点火。 4） 在点火时刻附近存在2种不同的着火模式：引燃喷油量较少时，富燃和稀燃的放热相同；当引燃喷油量较多时，放热全部来自富燃混和气。