天然气作为传统碳基石化燃料汽、柴油的替代燃料,以其资源丰富、价格低廉、燃烧清洁而被广泛应用。点燃式天然气发动机主要包括当量燃烧天然气发动机和稀薄燃烧天然气发动机两种。其中稀燃天然气发动机因相对较高的热效率和较低的NOx排放而受到关注。但稀燃天然气发动机为了获得更低的NOx排放往往需要燃烧更稀的混合气,这使得发动机循环变动上升,燃烧稳定性下降,失去了热效率高的优势。当稀燃天然气发动机合理组织缸内混合气分层后,发动机可在更高的过量空气系数下运转,在保证热效率的同时带来更好的NOx排放控制潜力。研究选取一台六缸电控、增压、多点喷射天然气发动机,分别建立了试验测控平台和基于STAR-CD的数值模拟平台。针对1450 r/min,25%负荷,开展了缸内混合气浓度分布对稀燃天然气发动机性能影响的试验及数值模拟研究。研究过程中,通过改变天然气喷射时刻,喷射方向及喷孔数目,进而改变了缸内混合气浓度分布。研究结果表明:1、天然气发动机缸内混合气浓度的轴向分布在进气下止点时就已经形成,进气压缩阶段主要是发生径向上浓度的混合。在进气过程中,先进入气缸内的天然气较多的沉积在燃烧室底部,后进入气缸的天然气较多的聚集在气缸中上部。2、在一定范围内,天然气喷射时刻推迟,压缩后期缸内混合气浓度呈现上浓下稀的分布,火花塞电极处天然气浓度较高,利于燃烧初期火核形成,滞燃期相应缩短,发动机CA10和CA50均呈现前移趋势,燃烧定容性增强,燃料经济型性提高,但相应的NOx排放也升高。若天然气喷射时刻过于推迟,燃料消耗率会出现上升趋势,这主要由于压缩负功和缸内稀薄区域无法完全燃烧造成的;天然气喷射时刻前移,缸内混合气浓度呈现上稀下浓的分布,火花塞电极处天然气浓度较低,不利于初期火核形成,滞燃期延长,CA10、CA50后移,燃烧质量恶化,NOx排放降低,燃料消耗率升高。3、天然气喷射方向的变化影响混合气进入缸内的时间,对缸内混合气浓度分布产生影响。竖直向上喷射天然气,天然气进入缸内时间会出现一定滞后;竖直向下喷射天然气,天然气在气道内驻留时间较短。因此,相同喷射时刻下,向上喷射天然气,点火时刻火花塞附近浓度更高,CA10和CA50提前,燃料经济性略好,NOx排放较高。4、对于试验工况,两种喷射方向下均有其最适边界参数,同时兼顾NOx排放和燃料经济性。对于向上喷射天然气,采用燃气335°CA BTDC喷射和27°CA BTDC点火进行优化。对于向下喷射天然气,宜采用天然气喷射时刻295°CA BTDC和23°CA BTDC点火的时刻进行优化。5、天然气喷孔数目试验中发动机最高爆发压力和放热率峰值三孔最高,双孔次之,单孔最低;CA10和CA50均随着喷孔数目的增加而逐渐前移。此外,三孔喷射时NOx排放最高,单孔喷射排放最低;单孔喷射天然气时发动机燃料消耗率略高于其它两种情况。