开发高效率、低排放天然气发动机是内燃机产业高质量发展的重要一环。与汽油相比,天然气着火温度高、火焰传播速度低。通过组织稀燃可在提升天然气发动机燃烧热效率的同时减少氮氧化物排放,并且稀燃温度低,有利于降低爆震倾向,允许提高发动机压缩比和有效平均压力。但是,稀薄燃烧也面临点火难、燃烧速度慢、循环变动大等亟待攻克的挑战。预燃室射流点火技术通过大面积多点分布式点火,提高了稀混合气点火可靠性并加快混合气燃烧速度,从而改善天然气发动机稀燃特性、拓宽稀燃界限。强化预燃室射流点火能量、提高射流点火稳定性有助于进一步提升天然气发动机稀燃性能。本文以预燃室天然气发动机为研究对象,以提高预燃室射流点火能量、改善发动机稀薄燃烧工况燃烧循环变动为目标。基于热力单缸机试验分析了发动机燃烧循环变动与预燃室射流能量的相关性,研究了辅助燃料喷射和点火正时对射流能量的影响。采用三维CFD数值仿真技术对比分析了被动预燃室和主动预燃室点火性能的差异,研究了预燃室内火花塞点火位置及预燃室喷氢助燃对射流能量的影响,主要研究工作及结论如下:1)搭建了单缸190天然气发动机试验平台,开发了预燃室辅助燃料喷射装置。基于单缸机试验对预燃室天然气发动机燃烧放热特性进行测试分析,研究了预燃室射流能量对发动机燃烧循环变动的影响规律,开展了预燃室燃烧特性参数与主燃烧室最高燃烧压力及其相位的相关性分析。结果表明,提高射流能量和稳定性,主燃烧室稀混合气燃烧速度加快,发动机燃烧稳定性增强。预燃室最高燃烧压力及相位可用于表征预燃室燃烧循环变动,并能反映各循环间射流能量和射流点火时刻的变动,与主燃烧室最高燃烧压力及其相位具有中等以上相关性。随预燃室射流能量提高,预燃室燃烧循环变动对主燃烧室燃烧循环变动的贡献增大,有利于降低缸内燃烧对燃烧初始条件的敏感性。2)提出了一种点火时刻预燃室混合气燃料体积分数的估算方法,基于单缸预燃室天然气发动机试验,分析了预燃室辅助燃料喷射结束时刻和点火正时对发动机性能的影响。固定点火正时于20℃ABTDC,相比于进气冲程中期结束喷射,将辅助燃料喷射结束时刻推迟至压缩冲程初期,点火时预燃室混合气浓度增大,预燃室燃烧速度加快,提高了射流点火能量与稳定性。在进气压力为0.18MPa,过量空气系数为1.9工况下,使发动机IMEP循环波动系数降低至1.36%,IMEP提高5%;在进气压力为0.223 MPa,过量空气系数为2.0工况下,发动机IMEP循环波动系数降低至1.56%,IMEP提高3%。调整点火正时,一方面影响点火前流入预燃室的主燃烧室稀混合气量,另一方面影响两燃烧室内混合气的热力状态以及主燃烧室燃烧相位。试验结果表明,固定辅助燃料喷射结束时刻于进气冲程后期,推迟点火正时,当燃烧相位CA50位于上止点后5℃A范围内,燃烧持续期CA5-90不超过30℃A时,IMEP保持相对稳定,IMEP循环波动系数在4%以下,NOx和CO排放降低。继续推迟点火,使主燃烧室燃烧相位CA50后移到上止点后10℃A,CA5-90超过30℃A,IMEP循环波动系数增大至接近10%限值,IMEP下降近5%,发动机燃烧稳定性和动力性下降。3)搭建了预燃室天然气发动机数值仿真模型,对稀薄燃烧条件下被动式和主动式预燃室射流点火系统的运行进行了全面分析。被动预燃室由于连接通道节流效应整体换气量较小,主动预燃室通过辅助燃料喷射可实现有效扫气与加浓。压缩冲程中主燃烧室稀混合气来流受预燃室结构引导,在预燃室内形成绕预燃室横轴线的压缩滚流,预燃室内混合气浓度分布受控于压缩滚流特征。稀燃条件下主燃烧室燃烧火焰在连接通道轴线方向上的传播主要由射流动量驱动,而在垂直于轴线方向上的传播则归因于射流卷吸与湍流火焰传播的耦合作用。4)基于数值仿真探究了预燃室内火花塞点火位置及辅助喷氢对射流强度以及发动机性能的影响。将点火源定位于预燃室颈部区到导流区的出口处,点火源靠近连接通道,缩短了热射流喷射延迟时间;此外,点火位置处混合气浓度有利于初始火核形成与发展,同时向上运动的压缩气流促进火焰核向预燃室上部传播,火焰前锋面裹挟更多混合气参与预燃室燃烧。因此,预燃室燃烧放热量增加,射流点火能量增强,从而促进了主燃烧室稀混合气迅速燃烧。对比了被动预燃室、主动预燃室辅助喷射甲烷以及辅助喷氢三种预燃室点火方式下,预燃室燃烧过程、射流特性以及主燃烧室燃烧放热速率的变化。结果表明,辅助喷氢能够强化预燃室混合气活性自由基相关反应、提升预燃室燃烧速度,随着喷氢量增多,射流喷射速度加快,热射流温度上升,射流点火能量提高。因此,使主燃烧室稀混合气燃烧放热速率加快,燃烧持续期缩短,拓宽发动机稀燃极限。