来自能源和环境问题的双重压力促使内燃机节能减排理论和技术不断发展。高效率、低碳、低有害排放是未来先进发动机的共同目标。采用低碳型替代燃料结合先进燃烧技术是内燃机实现节能减排目标的有效途径之一。天然气燃料是极具发展潜力的内燃机低碳型替代燃料。本文采用先进数值模拟及优化方法对天然气/柴油双燃料发动机的燃烧、排放和性能进行了综合性研究。首先,基于三维计算流体动学(CFD)模拟平台对天然气/柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性进行了参数化研究。分别研究并对比了两种燃烧策略,柴油引燃(DPI)燃烧方式和活性控制压燃(RCCI)方式下发动机燃烧、排放和性能特性。在深入理解喷油参数和进气参数的影响后,对天然气/柴油双燃料发动机的控制性进行了讨论。然后,结合微种群遗传算法程序及CFD模拟程序构建了遗传算法数值优化平台。基于遗传算法优化平台,在中速,低中高负荷下对天然气/柴油双燃料发动机燃烧进行了优化,探索了在多工况范围同时获得高效率清洁燃烧的可能性。结果表明,通过优化两次喷油时刻、喷油压力、首次喷油比例,预混能量比例、废气再循环(EGR)比例可以使发动机获得高效率清洁的燃烧。在不超过最大爆压和最大压升率的前提下,三个工况在最优点均可获得高于45%的热效率,且氮氧化物(NOx)排放低于设定的限值0.4 g/kW.h(欧Ⅵ重型柴油机标准)。特别是中低负荷采用的EGR率非常低,NOx排放距限值还有余量;表明在这些工况可以不引入EGR,这将有利于发动机的瞬态控制和循环控制。同时,通过参数化分析优化结果发现,在中负荷获得高效率燃烧的前提下,喷射参数可以存在较宽的变化范围。此外,采用遗传算法数值优化平台进一步评估了柴油喷射策略和活塞形状对发动机燃烧及性能的影响。另外,为探索进一步改善发动机热效率的可能性,研究了压缩比对发动机性能的影响。结果表明,通过优化喷油时刻、喷油压力、预混能量比例和EGR比例四个参数,在中低负荷工况,采用柴油单次喷射策略即可获得高于45%的指示热效率同时满足NOx限值;而高负荷工况在满足排放限值和最大爆压限值的约束下,发动机仅可获得35.5%的热效率。在高负荷工况,要想获得较高的热效率和较低的未燃碳氢(HC)和一氧化碳(CO)排放,至少应采用柴油两次喷射获得更理想的缸内活性分布来改善燃烧过程。对于活塞形状的影响,在工况条件(进气压力、温度、转速、当量柴油量)固定的情况下,获得高效低排放燃烧所需要的预混能量比例和EGR比例不随活塞形状的改变而受到影响。最优情况下,不同活塞配置的发动机组织的缸内气流及混合气制备有所差异,缸内着火和燃烧的细节发展不同,但是整体呈现的燃烧宏观特性是接近的,燃烧相位及燃烧持续期相当。不同活塞配置的发动机热效率的差异主要来源于传热损失的差异。在中负荷工况,增大压缩比对天然气/柴油双燃料发动机热效率有略微改善作用;随着压缩比的增加,改善作用削弱。这是出于对NOx排放、最大压力升高率、传热损失控制的需要,压缩比对热效率的改善潜力在一定程度上被限制。通过增大压缩比来改善天然气/柴油双燃料发动机热效率的技术策略并不合适,需要探索其它改进热效率的方法。最后,通过CFD模拟数值研究了天然气组分对天然气/柴油双燃料燃烧的影响。结果显示,随着甲烷值的降低,滞燃期增加但是燃烧持续期缩短。对于RCCI燃烧,滞燃期的推迟趋势强于DPI燃烧,但是对燃烧持续期的影响却弱于DPI燃烧。为了理解两种燃烧模式对天然气组分变化呈现的着火和燃烧特性的差异,进行了零维滞燃期计算和温度敏感性分析。对于排放的影响,随着甲烷值的降低,DPI燃烧模式的HC和CO排放降低;而对于RCCI燃烧,HC和CO排放对甲烷值的变化不敏感。无论是对于DPI燃烧还是RCCI燃烧,NOx排放物对燃烧相位呈现出强烈的依赖性而非天然气组分。整体上,想要控制DPI燃烧,甲烷值应与其它控制参数一同考虑;而要控制RCCI燃烧,更多的注意应该放在其它的控制参数。采用RCCI燃烧模式的发动机性能对天然气组分的变化不敏感,因此对不同来源的天然气具有更好的适应性。