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面对当前日益严重的能源危机和环境污染状况,寻找清洁发动机代用燃料成为当务之急。天然气以其丰富的资源和良好的排放特性在世界范围内得到了广泛的重视和应用。本文在对压缩天然气(CNG)发动机的研究现状及发展趋势研究的基础上,开展了基于小缸径汽油机的低压缸内直喷单一燃料CNG发动机的设计和燃烧性能试验研究工作。本文的主要内容包括:1.基于156FMI小缸径汽油机,开发研制了低压缸内直喷单一燃料CNG发动机,并在试验台架上成功实现了CNG的缸内直接喷射和发动机的正常运转。研制工作主要包括CNG低压直接喷射及供气系统的设计,燃烧室结构的设计,可变能量的高能点火系统的设计和CNG直喷控制系统的设计。2.开发并建立了CNG直喷发动机参数标定系统及实时燃烧分析系统。该系统可以在实时调整和标定缸内直喷CNG发动机重要控制参数的同时,实时采集和分析发动机燃烧压力等特性参数,通过计算模型可以得到气缸压力示功图、压力升高率、放热率和累积放热率等反映发动机燃烧性能的主要参数。3.开展了低压缸内直喷CNG发动机燃烧性能的试验研究。并就缸内直喷CNG发动机过量空气系数、喷气时刻、点火提前角及点火能量等重要参数对燃烧性能的影响规律进行了分析研究。结果表明:(1)本文所设计的低压缸内直喷CNG发动机能够实现稀燃。随着过量空气系数的增大,CNG直喷发动机燃烧循环变动增大,燃烧性能变差。稀燃极限在λ=1.3附近,此时燃烧恶化,燃烧循环变动急剧增大、发动机不能正常工作。(2)喷气时刻对低压缸内直喷CNG发动机的燃烧性能有很大影响,对于一定的工况存在最佳喷气时刻,此时发动机燃烧最稳定,燃烧性能最佳。(3)随着点火的提前,最大缸内压力、最大压力升高率及放热率迅速增加,所对应的燃烧相位提前,但平均指示压力存在先增大后减小的趋势。(4)增大点火能量有助于改善CNG发动机的燃烧状况,提高燃烧稳定性。但当点火能量增大到一定程度后,继续提高点火能量对发动机燃烧性能的影响不再明显。