随着各国对船机发动机排放问题的日益重视,船机开始面临越来越严格的排放法规限制。研究表明,目前应用于船机上最具潜能的氮氧化物减排技术路线是燃用柴油-天然气的双燃料技术。对于低速二冲程发动机来说,根据天然气喷入时刻不同,可以将双燃料发动机分为天然气高压喷射和低压喷射两类,二者各有优缺点。其中低压喷射天然气发动机具有更好的排放性能,但是受制于稀燃和爆震界限其经济性和动力性略低于前者。国内外大量研究表明预燃室系统能有效拓展稀燃和爆震界限,但是这些研究大多基于中小型中高速发动机,而在大缸径低速船机中,预燃室系统结构本身以及其对主燃烧室燃烧的作用机制和影响趋势还有待进一步探索。因此本文采用数值模拟的方法,系统的针对预燃室系统的关键参数之一的预燃室通孔结构参数的影响,以及对预燃室内部燃烧对主燃烧室燃烧特性的影响趋势做了探索。本文首先建立了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的天然气发动机的三维CFD模型,并对选用的多种子模型进行了适应性分析,最终完成了整个模型的标定和验证。随后结合国内外针对各种机型预燃室系统的研究,总结出参数设计的规律,并根据相关设计准则设计了多种不同通孔结构的预燃室系统方案,计算比较分析了不同方案预燃室系统的流动、火焰射流及燃烧排放特性。结果表明,使火焰射流发生一定角度碰撞或者使火焰射流以较小角度错开的两种通孔结构具有较好的综合性能,而火焰射流与壁面接触或者直接射向活塞顶面会使燃烧性能下降,造成发动机动力性的降低。基于上述研究,确定了一种较优的预燃室方案,在此基础上研究了包括喷油策略和EGR引入等在内的控制策略对预燃室及主燃室燃烧特性及排放性能的影响。结果表明:预燃室内的柴油分层度影响预燃室内的燃烧速率,增加预喷射能降低柴油分层度,控制燃烧反应和放热速率,降低预燃室内氮氧化物生成,但与此同时也会使预燃室对主燃室内的扰动减弱,减缓主燃室内的燃烧速率。在整个燃烧室(预燃室+主燃室)内引入EGR虽然可以大幅降低排放,但是在天然气稀薄燃烧工况下,超过15%的EGR率对整机动力性和经济性产生显著的负面影响;只在预燃室内引入EGR则可在较高EGR比例条件下(≥20%),保持动力性和经济性不变,且可以有效降低预燃室及整缸内最终的NO_x排放,因而具有更好的应用前景。