天然气的浓燃改质燃烧是利用发动机的部分气缸运行在浓燃工况,将此改质缸的含有氢气（H₂）和一氧化碳（CO）的尾气以废气再循环（EGR）的形式导入进气系统进行二次燃烧的一种新型燃烧技术。本文以研究天然气改质燃烧的基础燃烧特性、探索其应用于发动机的最优燃烧策略为目标,对涉及的改质天然气的着火过程、火焰传播过程以及发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究,利用数值模拟解析了天然气浓燃改质燃烧的机理。首先,在快速压缩机上研究了改质天然气的着火燃烧特性。发现天然气浓燃时,燃烧产物中CO和H₂的量随改质当量比增加线性增加,两者的摩尔比例接近1.0¹.2。H₂对天然气的着火促进作用明显,缩短了着火延迟时间,而CO对天然气的着火延迟时间基本无影响。对着火延迟时间的敏感性分析显示,H₂对着火的促进作用主要与自由基H基和OH基生成增多、化学反应H+O₂=O+OH速率加快有关。改质天然气中H₂和CO的存在,使得火焰传播速度加快,燃烧极限得到拓展。同时,测量了不同组分的改质天然气的火焰传播速度,建立了高温高压、弱湍流强度下天然气浓燃时火焰传播速度与燃空当量比的定量关系式。基于原理性单缸机研究了浓燃改质燃烧模式条件下改质缸和非改质缸的燃烧和排放特性,揭示了H₂/CO掺入量和发动机参数如EGR率、压缩比等影响燃烧的规律和机理。H₂/CO能够加快火焰传播速度,提高缸内燃烧温度,有效降低碳氢排放。H₂/CO增加了天然气发动机的爆震倾向和强度,主要原因在于其对火焰传播速度的加速作用。通过对改质当量比、EGR率、点火策略和压缩比等发动机参数的优化,在改质缸的热效率损失有限的条件下,非改质缸内指示热效率可提高8¹2%左右。为了降低改质缸的功率损失,提出了正庚烷/天然气预混压燃改质的新型浓燃改质燃烧方法。相比于火花点燃式的浓燃改质燃烧,指示热效率提高30%以上。为解析天然气浓燃改质燃烧机理,首先使用直接关系图谱法和温度敏感性分析的方法对天然气详细化学反应机理进行简化和改进,建立的改质天然气化学动力学模型在温度范围850¹200 K内能够更好地预测改质天然气的着火燃烧特性。将该化学反应动力学模型进一步耦合发动机三维流动模型,进行了改质天然气燃烧过程和排放物生成的模拟,研究其燃烧机理,并提出进一步改善改质燃烧的技术方案。另外,通过对正庚烷/天然气压燃改质的燃烧过程的数值模拟,解析了压燃改质燃烧模式能够显著提高热效率和拓宽改质当量比范围的机理。