随着汽车行业的迅猛发展,汽车尾气对环境的污染日益严重,天然气作为替代燃料是减小石油需求、缓解环境污染的重要途径。由于各地区天然气成分不一样,其抗爆性也不一样,所以不得不以较低的抗爆性来设计发动机的压缩比,避免出现爆震燃烧,这限制了天然气发动机增加压缩比,影响其经济性能的改善。据此,本文在探索天然气发动机爆震评价指标的基础上,研究了不同甲烷浓度(即99%甲烷和93%甲烷)对压缩比增加的影响;进一步通过在天然气中添加正丁烷,来研究不同正丁烷成分天然气的抗爆性能及影响程度。研究主要内容和结果如下:(1)研究了点燃式发动机的爆震评价指标,在对比分析不同转速、负荷工况和不同压缩比天然气发动机的燃烧和爆震基础上,总结了点燃式天然气发动机的爆震强度和频率评价指标。即单个循环的爆震强度≥0.3MPa,则认为该循环为爆震循环;当爆震概率指数≥10%时,此工况为爆震工况。(2)研究了不同转速、负荷和压缩比下,天然气中的甲烷浓度对天然气发动机燃烧过程、抗爆性及经济、排放性能的影响。燃用低甲烷浓度的天然气,其中的高碳烷烃含量较高,导致抗爆性能降低,容易引起天然气发动机的爆震等不正常燃烧。研究发现,燃用低甲烷浓度的天然气,在压缩比为14的高速工况(即2000r/min时),和压缩比为16的低速工况(即1000r/min时),均出现了爆震燃烧,爆震概率指数都远远大于10%,压力升高率也明显要比燃用高甲烷浓度的天然气大很多。同时发现,上述工况的尾气NOx排放量会显著地增加;而燃用高甲烷浓度天然气的NOx的排放量明显较低;通过调节点火提前角发现,高甲烷浓度的天然气发生爆震对应的点火提前角更早,这也显示了它更好的抗爆性能。(3)研究了天然气中高碳烷烃正丁烷浓度对天然气发动机燃烧过程、抗爆性及经济、排放性能的影响。随着正丁烷浓度的增大,最大爆发压力升高,放热速率加快,燃烧重心更靠近上止点,燃烧持续期缩短;当正丁烷浓度增大到出现爆震燃烧时,指示热效率和平均指示压力明显降低。相同转速下,随着正丁烷浓度增大,发动机爆震倾向增加;随着转速升高,出现爆震燃烧的正丁烷浓度越小。本研究对实现天然气发动机高效低排放燃烧具有一定的理论意义和实际价值。