当量燃烧是指发动机缸内燃料和空气按化学当量比燃烧。它匹配三元催化器可实现极低的排放污染物,但对于商用车点燃式天然气发动机,存在发动机热负荷很大、可靠性差难题。论文依托国家高技术研究发展计划（863计划）课题和重庆市重点产业共性关键技术创新专项重点研发项目等项目,以某柴油机为基础机型,开发满足国六排放的天然气发动机,针对当量燃烧天然气发动机的关键技术特别是热负荷过大难题和排放性能进行深入研究,选题具有理论意义和工程实用价值。针对开发的商用汽车天然气发动机初始样机方案,建立发动机热力学开发及仿真的Boost模型和Fire模型,对天然气发动机的性能、排放进行了仿真预测,分析了压缩比、配气相位对发动机扭矩、燃气消耗率、HC、NOx排放的影响和燃烧室形状对发动机的动力性、放热率的影响。在此基础上对发动机缸盖、活塞、凸轮轴重叠角及点火系统、供气系统进行了设计和优化。对活塞温度场进行了仿真分析,并与实际测量结果进行了对比,验证了模型的准确性。为解决无EGR当量燃烧发动机的热负荷大的行业难题,对活塞进行了机油冷却腔结构优化设计,缸盖采用双层水套结构,大幅提升了冷却效率。进行了天然气发动机电控单元ECU软件和硬件开发。硬件方面,采用模块化硬件设计思路,对电源模块、微处理模块、信号采集处理、功率驱动、通讯接口等模块进行详细设计,为当量燃烧控制策略的实现提供基础。在壳体方面进行了加强筋散热设计,在接插件衔接处进行了密封槽设计,提高了ECU散热和防水性能。软件方面,构建了天然气发动机闭环电控系统,可以实现对空气进气量、天然气喷射量、点火提前角等的精确控制和调整。算法上采用基于孔板流量方程进行空气量预估,配合进气歧管的压力传感器实测值对充气模型的虚拟歧管压力进行闭环修正,并考虑了CNG惰性气体在歧管压力的分压作用,确保了进气量的精确测量;通过线性氧传感器闭环确保瞬态空燃比控制窗口在催化器最佳转化效率窗口内,实现了暖机排放接近为零的目标。对天然气发动机专用三元催化器载体进行了小样模拟试验,分析讨论了催化器的起燃特性、高效转换窗口、NH3的产生因素。试验表明不同空速对CH4和NOx的起燃温度影响较大,对CO的起燃温度影响相对CH4和NOx小。对于前级催化剂,不管是新鲜还是老化催化剂,在相同贵金属含量下,Pt/Pd/Rh方案的催化剂性能优于Pd/Rh方案,包括起燃性能和λ窗口性能。在起燃测试过程中,NH3生成温度区间在150-300℃之间,催化剂经老化后,NH3的生成峰值向高温方向偏移。进行了当量燃烧天然气发动机的标定和性能试验。分析了点火提前角对发动机最高爆发压力的影响和对排放的影响。进行了天然气发动机的排放试验、可靠性试验,结果表明在无EGR的条件下,经过活塞和缸盖的结构创新设计,天然气发动机不会发生爆震,可以可靠地运行。排放试验结果与国六排放限值相比,发动机的CO、NMHC、CH4、NOx、PM、PN、NH3排放量分别是限值的16.13%、3.38%、10.38%、28.11%、12.5%、25.17%、58.70%,达到国内先进水平。进行了三元催化器的发动机台架匹配试验,在热启动条件下,对CO、CH4、NOx的转换效率分别达到98.06%、97.05%和98.84%。开展了国六新增排放物NH3的试验研究,结果表明:WHTC循环试验时,天然气发动机原始排气中没有NH3,三元催化器会产生NH3排放,最高可以达到近400ppm。冷起动试验的NH3排放低于热起动试验。NH3排放随着天然气空燃比减稀而减小,采用微浓目标空燃比+ASC后处理策略,可满足国六法规新增NH3的排放要求。