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内燃机的发展已经历100多年,并为人类做出巨大贡献。随着能源与环境问题的日益突出,寻找高效、清洁的内燃机替代能源已刻不容缓。对我国而言,天然气储量丰富、价格便宜、燃烧理化特性良好,且天然气发动机有害气体CO2、NOX、HC排放相比传统汽、柴油发动机优势明显;天然气发动机在功率上有所下降,但在部分行业,如城市公交、出租车以及港口牵引车方面拥有巨大优势,因此用天然气发动机替代部分汽柴油发动机切实可行。本文基于中国重汽集团与西华大学合作项目“MT07天然气发动机国Ⅳ升国Ⅴ技术开发”,以内置EGR发动机MT07为试验对象,选配天然气控制系统关键零部件,在匹配不同增压器的基础上,对点火提前角、燃空比进行标定,完成国五开发目标。利用Pro/E、FIRE软件建立MT07发动机燃烧模型,确定模拟工况转速1400rpm、负荷100%,设置初始条件、边界条件,并选择合适的湍流、燃烧、点火模型,最后验证模型可靠性。利用模型模拟研究燃烧室形状、点火提前角和燃空比对发动机缸内燃烧过程的影响。结果表明挤气面积越大的燃烧室获得更大的缸内平均湍动能和高流速区域,但这对缩短燃烧滞燃期帮助不大,对加快急燃期效果明显;增大点火角度和燃空比都有助于燃烧重心前移,提高发动机输出功率,同时提高缸内温度和压力,恶化NOX排放。在此基础上研究稀薄燃烧结合EGR和当量燃烧结合EGR的燃烧模式,结果发现当量燃烧结合EGR相比于稀薄燃烧结合EGR的燃烧模式可以在改善天然气对发动机排放的前提下增大输出功率,且当量燃烧结合EGR的燃烧模式排放和动力性能优于稀燃结合EGR的方式。本文在研究天然气发动机技术发展及其效果的基础上,提出达到国Ⅴ排放法规的技术方案:稀燃、增压中冷、单缸独立高能点火、CFV(持续流)、宽域氧传感器形成闭环控制以及氧化催化器(DOC)。设计以稳态(ESC)排放优化为基础,实现瞬态(ETC)排放为目的的试验方案。ESC排放优化针对点火提前角和燃空比,研究其对天然气发动机动力、排放性能的影响,为发动机面工况匹配合适的点火提前角和燃空比map图。试验发现,大部分工况点内置EGR作用下天然气发动机稀燃极限燃空比上升;NOX排放随着点火提前角的增大呈现先升后降,随燃空比减小而降低的趋势;CH4排放随点火提前角的增大呈现先降后升,随燃空比减小先降后升的趋势;在中高负荷、大负荷工况点(75%、100%)为达到国五排放,功率损失是6%,在低负荷、中等负荷工况点(25%、50%),功率损失高达14%。