为了保护全球环境，天然气发动机在船舶工业领域开始受到重视。此外，从能源紧缺的角度出发，它们也被用于燃气热电联产系统。由于具有较高的热效率和突出的排放性能，预燃室式气体燃料发动机常作为船舶发动机和燃气热电联产系统的动力来源。对于稀燃混合气，该类型发动机拥有更稳定的燃烧状态及更高的热效率，即利用预燃室中火花点火系统产生的热气流作为主燃烧的引燃装置。对于后续降低油耗的目标，降低发动机的热损失十分必要。但对具有预燃室的气体燃料发动机来说，其主燃室内的热传导机制尚不明确，因此难以有效实现热损失的减少。目前针对柴油机存在一些直接测量热损失的案例，但几乎没有针对含预燃室气体燃料发动机的研究。因此，为掌握预燃室式气体燃料发动机的热损失现象，本文直接测量了某单缸机燃烧室壁面的热流密度分布。其中，主要的测量点均安装于活塞上。这是因为火焰通过直接指向活塞的热流传播使活塞成为热损失的主要来源。测量点沿热流方向放置，同时在不同气流间放置以便于比较。此外，本研究通过测量缸盖和缸套表面的热流分布来确定近壁面的热损失，并利用置于壁面的同轴热电偶测量燃烧室壁面的瞬态温度。为了引出活塞表面同轴型热点耦的电缆，本研究采用了与曲轴箱连接的联动系统。同时以实时测得的燃烧室壁面温度为边界条件，通过求解非稳态热传导方程得到瞬态热流分布。在此基础上，利用测量得到的瞬态热流分布即可直接得到发动机燃烧室壁面不同时刻的热通量。另外，基于测量结果计算燃烧室壁面的总热损失，即可确定产生热损失的主要部位。

随着传统化石燃料短缺程度的不断提高和空气污染不断加剧，内燃机的燃油消耗标准和排放法规变得越来越严格。在过去的几十年中，世界各地的研究人员和工程师一直致力于通过使用天然气和氢气来提高燃料转化效率和减少废气排放，因为它们的碳/氢比较低，而且没有燃料蒸发。天然气的高辛烷值使发动机具有很好的抗爆震性能，使其能够在更高的压缩比下工作，从而进一步提高功率输出和热效率。本文采用商用一维仿真软件GT-Power对一台燃用甲烷和氢气混合气的重型稀燃点燃式发动机喷油策略耦合EGR进行研究。与进气道喷射和缸内直喷早喷相比，缸内直喷晚喷的体积效率明显提高。即使是在相同的EGR率的情况下，缸内直喷晚喷的燃烧效率和指示效率都会提高。但是，采用缸内直喷晚喷策略后，缸内温度明显升高，最终会导致氮氧化物排放量增加。

天然气作为一种燃料在发动机中广泛应用。发动机的设计和燃料成分可能会随着应用的不同而发生显著的变化。对现有设计的修改和燃料质量的修改会导致各种异常燃烧发生。 识别燃烧模式是开发解决方案的第一步。燃烧模式的识别需要特定的仪器，可以安装在现场或实验室。典型的仪表包括气缸压力、温度或速度测量，需要长期监测，以捕获不经常发生的燃烧模式。因此必须分析大量数据。 在确定所有异常燃烧模式后，下一步就是找出根本原因。鉴于实际发动机的尺寸和成本，这一步适宜在实验室完成，因为实验室环境可以提供稳定的工作条件和先进的仪器。但这方面迫使整个开发过程在现场进行，使用有限的仪器对操作条件进行有限的控制。 开发、安装和操作这类复杂的现场数据采集系统有较大难度，包括对危险位置的采集、现有控制系统的集成，以及远程传输大量数据。对这些大型数据集进行后续分析以识别异常燃烧模式是一项复杂的任务，需要非标准燃烧分析技术来检测这些异常值。本文将试图解决这些数据采集设计、运行和分析中的一些问题，以成功地识别、量化和解决异常燃烧问题。

在本研究中，大涡模拟（LES）技术被用来研究引燃喷油量对双燃料发动机（DF）着火过程的影响，即在发动机相关工况下在稀甲烷-空气混合气中注入少量高反应活性柴油替代燃料（正十二烷）的过程。经过足够的物理混合和化学诱导，该高活性燃料会发生自点火并释放足够的能量，从而引燃周围的甲烷-空气混合气。该点火系统成为商业气体燃料发动机中共电极点火系统和预燃室点火系统的替代选择。 本研究的主要目的在于提高关于DF着火延迟对引燃喷油量敏感性的认识。通过数值模拟及单缸机试验，本研究发现引燃喷油量存在一个阈值，低于该阈值后相应着火延迟将逐渐变大。着火延迟对如此小的引燃喷油量存在这么高的敏感度是由于引燃喷油量浓度的高稀释率及后续湍流化学的交叉作用。本研究采用一级高分辨率（62.5mm）大涡模拟，重点关注DF点火系统并结合实际发动机的结构配置讨论相关混合和化学问题。 喷雾参数参考发动机燃烧网络（ECN）在类发动机工况条件下的喷雾A设置，该模型为DF的计算提供了一个特征良好的算例。特别是在环境温度为900K、压力为6MPa、单位摩尔浓度为15%且喷射压力为150MPa的工况。基于高精度试验数据，该ECN喷雾A算例可广泛验证该数值模型，如液体和气体渗透、空间燃料浓度、着火延迟和低温燃烧特性（如甲醛监测）。 本研究对十组不同柴油引燃喷油量的工况进行了大涡模拟，得出以下结论： 1） 试验和LES模拟结果都表明，引燃喷油量存在一个阈值，当小于该阈值后，随着其数值的降低，体系着火延迟逐渐增大。 2） 详细数值模拟结果表明，着火过程在富燃工况更易发生（特指柴油）。 3） 减少引燃喷油量会引起双燃料混和气的过度稀释，从而从化学角度抑制了点火。 4） 在点火时刻附近存在2种不同的着火模式：引燃喷油量较少时，富燃和稀燃的放热相同；当引燃喷油量较多时，放热全部来自富燃混和气。

当前随着双燃料发动机技术的发展，带来了一系列复杂的问题，这些问题无法仅依靠试验和测试技术解决。需要利用仿真的技术手段，建立一个快速且准确的仿真模型。出于这个目的，WinGD和Gamma公司合作开发了一种新型预燃室点燃气体发动机的仿真方法。这种仿真的主要目的是采用现有的燃烧预测模型来模拟大缸径二冲程双燃料发动机的燃烧过程。此外，其还需要表征预燃室点燃、缸内流动、火焰扩散、气体组分、压力和温度等物理现象对燃烧过程的影响。 本文基于WinGD的一台测试发动机的测试数据和几何结构信息，建立了缸压分析模型，用于研究主燃和预燃室燃烧，并拟合出放热率曲线。此后进行了燃烧模型的的选取与标定。燃烧模型的调整考虑了在极稀条件下的低层流火焰速度，充量分层，主燃烧室对预喷的正确反应等问题。 除了上述提及的燃烧模型，同时采用了GT-POWER软件中最新型的预燃室模型，在本文中揭示了未来潜在模型的发展方向，特别是对于预燃室预喷和混合气卷吸模型。本项研究的成果已经被部分应用于GT-POWER软件中，所以WinGD和Gamma公司在未来将会继续研究此项技术，例如在预燃室模型中预测核心部件温度时采用有限元分析的方法。

在目前海事部门对排放立法的讨论日益激烈的背景下，所谓的双燃料发动机概念是一种既能减少空气污染物又能同时保持高效率的可行办法。为了使这种燃烧过程得到最佳的利用，对喷油、混合气的形成和点火特性的深入了解必不可少。 共轨预喷喷油器是混合气形成和着火特性的一个重要方面。喷油器(卡车适用大小)的主要任务是喷入微预喷量的柴油进入燃烧室,促使均匀的天然气空气混合物的着火。喷油器在气缸盖内的位置至关重要。根据喷油器的位置，必须调整喷油器的外形，才能达到最大的燃烧室容积，从而实现最佳的燃烧性能。为此，本文对中速四冲程发动机进行了对比研究，考察了不同的喷油器位置，从而确定最佳位置。 本研究的主题是深受微预喷影响的着火和燃烧特性。描述燃烧特性的标准是燃烧中心和持续时间。其他重要参数包括爆震强度和失火——它们对燃烧稳定性、效率优化、燃料消耗和尾气排放都有重要影响。本文对氮氧化物的排放和甲烷的排放做了重点分析，因为它们都受到排放法规的限制，而且对温室效应有重大影响。 罗斯托克大学活塞机和内燃机研究所在喷射和混合气形成领域具有很强的专业知识，因为它配备了用于大口径喷油器的光学室和各种相同缸径的发动机试验台。因此，可以对喷射系统进行深入的描述，并可以解释在实际发动机上所测得的效果。 本文针对所研究的课题确定了最优实验结果，并提出了双燃料燃烧过程研究的展望。

随着页岩气的不断开发，将页岩气应用于气体发动机的要求持续增长。与传统管道气体相比，页岩气的组成更为复杂，这将导致非预混燃烧气体燃料发动机中的不正常燃烧，如爆震和提前点火。预测和避免非正常燃烧可以改善气体发动机的可靠性并提高热效率。然而，对类似页岩气般组成复杂的气体燃料，可预测其在发动机中非正常燃烧的方法仍未得到开发。因此，与传统燃料相比，复杂燃料在发动机中的燃烧特性得不到充分评估。 因此，本文分析了燃料组分构成和混合比例对着火延迟的影响，并对利用着火延迟预测复杂燃料在发动机中发生爆震可能性的预测方法进行了介绍。 本文中复杂气体的着火延迟通过快速压缩机（RCM）测得。结果表明，与传统燃料相比，复杂气体的着火延迟与甲烷数间的相关性较小。其中，正戊烷对缩短其着火延迟具有最显著的影响。另外，丙烷和丁烷在缩短着火延迟方面表现出相同的趋势。这意味着这些碳氢化合物将会增加发动机发生爆震的可能性。另一方面，尽管一般情况下甲烷数下降会使着火延迟减小，但乙烷的添加却会使混和气的着火延迟增大。这一现象可在低温工况且燃料包含一定比例的C3H8或大分子碳氢化合物时观察到。因此，本文利用化学反应动力学分析方法，研究了乙烷对燃料着火延迟的影响。在低温工况，对包含大分子碳氢化合物的燃料，反应路径分析结果表明，增加乙烷会减少H2O2的生成，这会引起着火延迟增大。因此，包含乙烷的复杂气体会降低发动机发生爆震的可能性。 利用试验结果和化学反应动力学分析数据，本文构建了相应的预测模型。通过输入气体燃料的化学组成和构成比例，以及温度、压力和当量比等参数，即可用预测模型计算相应工况的着火延迟。基于阿伦尼乌斯公式和对数据的多元回归分析，本研究得到了相应的拟合方程，从而实现对模拟和试验结果间偏差的修正。由于RCM测量工况范围的限制，燃料在高温高压时的着火延迟均由该拟合公式计算得到。考虑复杂气体的组成及温度压力当量比等工况参数，经深度学习本文采用神经网络预测燃料的着火延迟。该计算模型可准确计算燃料的着火延迟，并通过Livengood-Wu积分实现对爆震可能性的预测。

随着船用柴油机指标的越来越高，缸内零部件的热负荷将越来越高，柴油机的可靠性将面临越来越高的考验，船用柴油机缸内热负荷设计不合理容易导致如活塞、气缸盖、气缸套等受热零部件开裂失效，严重时甚至拉缸，直接影响柴油机的可靠性。通常是通过对冷却系统的结构及参数进行优化来降低热负荷风险，但缸内燃烧作为产热源，是零部件热负荷情况的根本来源。通过燃烧系统参数优化设计，可以对柴油机缸内热负荷进行合理分配，从而提高柴油机的可靠性。 本文通过缸内喷雾及燃烧三维仿真计算及相关试验，研究不同燃烧系统参数对缸内零部件热负荷的影响规律，首先通过单缸机试验进行缸内零部件关键点的温度场测试，包括缸盖鼻梁区、排气阀、活塞顶面及缸套等。得到不同燃烧系统下的温度场试验结果，同时进行缸内CFD仿真计算分析，尝试在温度场测试结果与仿真结果之间建立联系，并明确热负荷燃烧仿真评价参数。 基于定义后的燃烧热负荷评价参数，通过仿真方法，详细分析了不同燃烧系统参数对热负荷的影响。主要研究了活塞顶及喷孔两方面燃烧系统参数对缸盖、缸套及活塞3个缸内零部件热负荷的影响。研究结果表明，在活塞顶参数中，口径比较敞口角对零部件热负荷的影响较大；在喷孔参数中，相较其他参数，喷油夹角对缸内热负荷分布具有重要影响；对缸盖及缸套热负荷影响最大的是喷油夹角，对活塞热负荷影响最大的是活塞顶口径比。本文研究为实际柴油机的热负荷设计及优化奠定基础。

随着船用发动机排放法规越来越严苛，迫切需求发展高效率、清洁燃烧技术，尤其是能够实现Tier III标准的低NOx排放燃烧技术。本文针对油-气混合气对一台配备两个对置喷油器的二冲程船用柴油机燃烧及排放影响开展研究，本研究基于CFD仿真软件Converge，其中燃油分布通过改变喷射角度实现，气体流动通过改变换气口几何形状改变。缸内混合、燃烧过程通过一个全面的图片呈现，并分析了水平涡流和滚流情况。结果表明，在涡流区，适当的涡流比可使混合气更均匀，有利于减少燃油消耗率，但NOx排放减少不明显；喷射角度对燃油消耗率的影响不是单调的，与涡流平面角度大约10°左右时，可最大化利用缸内空气，而喷射越顺应涡流，NOx排放越少。另一方面，喷射方向与滚流平面的角度也对油气混合有重要影响，喷射方向与活塞顶面呈15°夹角时，可以实现最佳的燃烧和排放。此外，为了同时提升油耗和NOx排放，换气口和喷射角度需同时调整，结果表明通过优化油气混合可在不恶化油耗的前提下有相当大的潜力减少NOx排放。

为满足更加严格的排放法规，以及降低运行费用的需求，天然气-柴油双燃料发动机在船舶推进与电站领域的应用越来越多。先进的燃烧技术，例如双燃料气体替代技术、低温燃烧技术、HCCI、RCCI等，已经显示出同时满足高效率和低排放的潜力。然而，由于气缸最大爆压与燃烧速率的限制，其不能应用于高负荷工况。为了解决DFGS与RCCI技术应用在高负荷工况中所面临的问题，本文开发了一种适用于灵活燃料发动机不同负荷下的多阶段可控燃烧策略。基于缸压的燃烧反馈技术和实时的燃烧控制技术是实现多阶段可控燃烧技术的重要措施，其可以在有限时间内通过多次喷射与进气道喷气技术塑造燃烧速率。本文揭示了气柴双燃料发动机采用降低排放RCCI技术的研究方向，同时提出了一种克服RCCI技术无法在高负荷工况运用的多阶段可控燃烧策略。