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页岩气开发热潮带来新一轮的能源革命,天然气发动机也不断受到人们的研究与关注。由于其自身燃料特性,天然气发动机也存在热效率偏低、NOx排放较高等问题。因此针对天然气发动机燃烧与排放性能的优化研究具有重要的现实意义。本文在一台四缸增压天然气发动机上对稀燃式天然气发动机燃烧与排放控制进行了试验研究。首先探究了天然气发动机的当量比对其燃烧与排放的影响,通过降低天然气发动机的当量比以优化天然气发动机的排放及经济性能;进而在稀薄燃烧的基础上采用了废气再循环技术(EGR)进一步降低天然气发动机的NOx排放,并详细研究了EGR主要组分(CO2、N2)对天然气发动机性能的影响;随后又采取进气歧管多点电控喷射氢气改善废气再循环天然气发动机燃烧与排放性能,同时结合氧化后处理优化天然气发动机排放性能。进而,形成了稀薄燃烧、废气再循环(EGR)、进气歧管多点电控喷射氢气和氧化后处理协同优化天然气发动机燃烧与排放性能的控制策略。对天然气发动机当量比的研究表明:采用稀薄燃烧模式,使天然气发动机缸内最大压力、最大燃烧温度、最大放热率降低,滞燃期及燃烧持续期变长,发动机的热效率有所提高且NOx排放大幅降低,但CO和HC排放升高。同时研究发现,天然气发动机的颗粒排放较低,颗粒物数浓度和背景空气的颗粒物数浓度在同一个数量级。针对稀薄燃烧控制NOx排放的潜力有限,本文配合废气再循环(EGR)优化天然气发动机的NOx排放,研究表明:少量EGR可以在保持热效率基本不变的同时降低NOX排放和CO排放,但HC排放有所增加、循环变动变大;加入大量EGR时,NOX排放大幅降低,但热效率降低、HC排放及循环变动大幅升高。进而研究了EGR中的主要组分(CO2和N2)对天然气发动机燃烧排放的影响规律,并与惰性稀释气体(Ar)的影响进行对比。研究发现,CO2对发动机燃烧与排放性能的影响最为明显,N2次之,Ar最弱。随着进气氧浓度的降低,CO2、N2及Ar都使NOX排放大幅降低、HC排放不断升高,而CO排放呈现先降低后升高的趋势。CO2和N2使发动机热效率显著降低,而Ar在降低NOX排放的同时能维持热效率基本不变,其热效率随着进气氧浓度的降低呈先轻微上升后缓慢下降的趋势。进一步采用进气歧管多点电控喷射氢气的策略改善EGR天然气发动机的燃烧稳定性和HC排放问题。研究表明:进气歧管氢气喷射可以改善废气再循环天然气发动机的燃烧特性,发动机的最大压力、最高燃烧温度、最大压力升高率、放热率最大值以及热效率升高,滞燃期及燃烧持续期缩短,循环变动减弱,HC排放降低,CO基本保持不变,但NOx排放略有升高。并通过氧化后处理装置控制CO排放和部分非甲烷HC排放。