稀燃技术是实现船舶天然气发动机高效率和低排放的有效技术路径，但过稀混合气不完全燃烧或失火导致的循环变动，成为制约发动机稀燃边界扩展和性能提升的主要障碍。如果燃烧循环变动被消除，在消耗相同燃料的情况下发动机输出更高的功率，因此对燃烧循环变动特征辨识、预测和控制一直是内燃机领域研究的重点和难点。本文主要利用非线性动力学理论与基于小波模变换最大值多重分形分析方法，对火花点火稀燃天然气发动机燃烧循环波动特性进行了系统的辨识。
　　首先，利用经典统计分析方法与三维CFD仿真，研究了指示平均有效压力(IMEP )时间序列的统计特征和燃烧循环变动产生机理，结果发现：低负荷、稀混合气条件下，IMEP时间序波动及其统计特征对气体喷射正时(GIT)和点火提前角(SAA)变化更为敏感。随着GIT的增加，IMEP逐渐下降、偏态(Skewness)而单调增加，并实现从负偏态向正偏态的转换，较高的峰态(Kurtosis)表明燃烧循环变动具有明显的超高斯分布特征。不同的GIT会导致歧管喷射天然气发动机缸内混合气产生不同程度的浓度分层，点火时刻火花塞附近局部混合气浓度过稀是导致循环变动增加的主要原因。SAA取中间值时，IMEP波动幅度较小，IMEP的值较大，Skewness和Kurtosis较高，此时发动机做功能力较强。
　　然后，基于非线性动力学理论，利用相空间重构、重现图(RP)计算和重现量化分析(RQA)等方法，对燃烧系统非线性动力学特征等进行了系统的辨识，结果表明：燃烧稳定性及功率输出与燃烧系统吸引子的结构是否具有圆形、倒三角还是分叉结构无关，而取决于燃烧系统吸引子状态点在相空间中分布的疏密程度、位置以及离散点的数量。在此基础上，提出一种基于权重因子渐近优化的重现半径确定方法，分别从对角线和竖直方向对燃烧循环变动的重现特征进行辨识，研究发现：中低负荷下、不同混合气浓度下，随着GIT和SAA增加，燃烧循环变动经历了准周期-混沌-准周期-混沌、混沌-准周期-混沌以及准周期-混沌的转换，而较稳定燃烧导致高的系统复杂性和低层片状态。
　　最后，为了进一步从时域和频域方面实现燃烧系统主要波动特征和多重分形特征，利用小波变换和分形理论，研究了时域频域空间内能量谱结构特征和IMEP时间序列奇异谱，结果表明：对于本文研究的所有负荷、点火和喷气条件下，环循环变动都具有多周期、间歇性波动特征，GIT和SAA的改变会导致WPS中周期带分布和持续时间的频繁变化。利用奇异谱的宽度?h定量分析了燃烧循环变动的分形特征，结果表明：对于所有研究的情况，燃烧系统都表现出多重分形特征。低负荷下随着GIT的增加，?h先增加后降低，而中等负荷下?h先降低后增加；中低负荷下，?h都是随着SAA的增加而先增加后降低；奇异谱曲线峰值对应的h值都小于0.5，说明燃烧循环变动是反相关过程。总的来说，较低燃烧循环变动导致增加的多重分形复杂性。
　　本文研究结果对于理解稀燃天然气发动机燃烧循环变动复杂的非线性动力学行为、揭示燃烧系统吸引子轨线状态的相关性、模式转换和间歇性波动等特性、以及为进一步实现燃烧预测和闭环控制提供理论支撑和基础研究数据，具有重要的理论和现实意义。