传统柴油机排放高,污染大,无法满足日益严格的排放法规。天然气因其燃烧清洁、储量丰富等特点,适合作为传统柴油机替代燃料。本文基于L23/30型船用柴油机开展研究,将其改造为天然气进气方式不同的两种柴油引燃天然气双燃料发动机,对原发动机燃烧室结构及喷射器布置进行重新设计,针对天然气进气道喷射柴油引燃双燃料发动机和双燃料缸内直喷发动机分别开展不同燃烧室形状与不同喷射器布置下的发动机燃烧及排放模拟研究,从而提出对双燃料发动机燃烧室形状及喷射器布置的优化方案。基于CH₄的GRI3.0机理与NC₇H₁₆的Valeri机理构建了柴油-天然气双燃料燃烧机理,建立了耦合化学反应动力学机理的三维CFD仿真模型,并对所选用的喷雾模型、燃烧模型及排放模型的有效性进行试验数据验证,利用计算流体仿真软件CONVERGE开展双燃料缸内燃烧及排放特性数值模拟研究。对于天然气进气道喷射柴油引燃双燃料发动机,柴油与天然气理化性质差异大,原柴油发动机燃烧室结构对于天然气燃烧并不完全适用,本文在原燃烧室结构基础上通过改变其喉口直径、深度比、挤气形状,分析和比较双燃料燃烧性能的变化。研究发现:大缸径发动机缸内湍动能较低,气流运动较弱,不利于天然气火焰传播。缩口型燃烧室结构有利于在喉口处形成小尺度涡,减小喉口直径,挤流强度提高,挤流区及近壁面处湍动能增强,火焰传播速率加快,指示热效率提高,但当喉口直径缩小到一定程度,会出现爆燃现象。凸台的存在可以占据中央气流死区,提高天然气燃烧效率,但深度比越小,缸内湍动能耗散越快,燃烧重心滞后。将燃烧室侧壁面设计成凹凸结构,有利于在壁面棱角处形成微涡流,十字形燃烧室棱角最大,涡流持续时间最长,缸内湍动能始终高于八边形及米字形燃烧室,八边形燃烧室内气流运动最弱。进气道喷射天然气会导致充量系数下降,发动机功率降低,为规避这一弊端,本文开展了双燃料直喷发动机燃烧过程研究。提出采用燃烧室顶部布置四个喷射器（双天然气喷射器与双柴油喷射器）,设计了中心对称和左右对称两种喷射器布置方案,并基于这两种布置方式分别探究油、气喷射器相对距离对发动机燃烧及排放特性的影响。研究结果表明:喷射器相对距离影响柴油火核与天然气射流的相对位置,进而影响对天然气的引燃效果。中心对称和左右对称两种布置方案下缸内燃料浓度分布差异大,喷射器相对距离变化对燃烧过程的影响也不同。左右对称布置下,燃料集中分布于缸内半边区域,火焰传播速率慢,后燃现象严重,soot排放高,增大喷射器相对距离,有利于改善富燃情况。中心对称布置下,天然气射流撞壁后受涡流作用火焰沿顺时针方向传播,燃料分布于整个气缸,增大喷射器相对距离,火焰传播距离增大,燃烧持续期延长。对比两种方案发现,采用中心对称布置可以改善缸内混合气分布和火焰传播,获得更高的IMEP,燃烧重心更靠近上止点,燃烧过程等容度高,有助于改善发动机动力性能,提高燃烧热效率,但NOx排放增加。对于本文研究的发动机机型,采用中心对称布置方式,且油、气喷射器相对距离为90mm时,发动机燃烧及排放性能较佳。相对距离过大或过小都会导致更高的最大压力升高率和声响强度,燃烧粗暴。