天然气作为一种最清洁的化石燃料,同时也是一种极具发展前景的发动机气体替代燃料。天然气中含有少量长链碳氢化合物中产生碳烟的C-C键,使得天然气燃烧碳烟排放很少;天然气的绝热火焰温度低于柴油,可降低NOx排放。直喷天然气发动机可以有效提高容积效率并能够降低未燃HC排放以及爆震可能性。为优化缸内直喷天然气发动机中混合气形成过程,本文通过数值模拟的方法研究天然气缸内直喷混合过程,并对柴油引燃天然气缸内直喷发动机的混合和燃烧过程进行研究。首先从自由射流、撞壁射流以及涡旋结构发展角度研究了气体燃料缸内直喷在直口、缩口和敞口三种燃烧室形状中不同撞壁条件对混合气形成过程的影响,并在此基础上设计了适用于气体燃料缸内直喷混合气形成的新型燃烧室,最后对喷气压力、定时和持续期对混合气形成过程的影响进行研究。研究发现,采用较小的喷射夹角可以改善射流撞壁过程,提高混合气形成质量。三种形状燃烧室中,缩口燃烧室中气体燃料混合速率最慢,混合气不均匀度最高,且在强挤流的作用下进入余隙容积的气体燃料更多;直口燃烧室中的天然气/空气混合气不均匀度高于敞口燃烧室;敞口燃烧室混合速率低于直口燃烧室。以气体射流缸内直喷混合过程研究为基础改进设计的新型燃烧室(SACC),通过降低射流撞壁的动量损失、附壁射流提前脱壁以及“蘑菇形”涡旋结构能够提高气体燃料与空气混合速率,大大增加形成可燃混合气的燃料比例,并能提高混合气的均匀性。喷气定时过早会造成燃烧室内形成过多的过稀混合气,并且随着喷气定时的提前最佳喷气压力降低。在对天然气缸内直喷混合气形成过程研究的基础上,采用四喷嘴结构对柴油引燃天然气缸内燃烧过程进行了研究。研究发现,喷气定时过于提前时(-80 deg CA.ATDC)会造成大量天然气进入余隙容积,使得柴油着火位置天然气/空气混合气过稀,燃烧室内失火严重,HC排放剧烈增加。混合气形成过程中一定的分层有利于降低HC排放并提高热效率。