随着能源危机的加剧和环境污染的恶化,寻找替代燃料已迫在眉睫。天然气因其燃烧清洁且资源丰富,被认为是最有应用前景的车用替代燃料之一。然而,由于天然气体积能量密度低,燃烧速度慢等特性,使得天然气发动机也存在动力性不足,热效率偏低等问题。优化并改善天然气发动机的燃烧排放性能对于缓解我国能源、环境问题有着重要的意义。本文在一台四缸涡轮增压火花塞点燃稀燃式天然气发动机上结合缸内热化学燃料重整（TFR）对天然气发动机性能展开了如下研究:第一,研究了天然气重整模式下的TFR稀燃天然气发动机性能;第二,通过改用甲醇替代天然气作为加浓燃料,实现了发动机的性能优化;第三,在甲醇加浓重整的基础上,探究了重整缸当量比对TFR稀燃天然气发动机性能的影响;第四,研究了点火正时的改变对TFR稀燃天然气发动机性能的影响规律。在以上研究的基础上,最终成功实现了TFR稀燃天然气发动机的重整燃料、当量比和点火正时协同优化。研究表明,在TFR模式下,通过重整缸产生的大量的H₂和CO可以加快火焰传播速度、拓宽稀燃极限、增大缸内压力和燃烧放热率、缩短火焰发展期和快速燃烧期、提高稳定性和热效率、同时减少NOx和HC排放。不过,天然气燃料的TFR存在重整反应不够彻底,恶化重整缸的稳定性等缺点。针对天然气TFR的不足,本文尝试通过甲醇替代天然气作为加浓燃料来改善这一问题。研究发现,改用甲醇加浓后,重整过程中H₂和CO产量显著增加,发动机热效率提高,且NOx和HC排放减少,明显改善了重整缸的燃烧稳定性。进一步在甲醇加浓重整模式下,深入研究了重整缸当量比Φ_TFR对TFR天然气发动机性能的影响。研究表明,随着Φ_TFR的增大,重整气中H₂和CO浓度显著升高,发动机燃烧性能改善,稳定性增强,热效率增加,且在保持NOx和CO排放基本不变的前提下降低HC排放。研究了重整缸点火正时ST_TFR和传统缸点火正时ST_N对TFR天然气发动机性能的影响。随着ST_TFR的提前,重整缸内燃烧过程改善,H₂和CO浓度有所增加,发动机有效热效率显著提高,CO排放基本不变,而小负荷下NOx和HC排放减少,但大负荷下基本不变。随着ST_N的提前,重整过程无明显变化,发动机燃烧过程改善,稳定性增强,有效热效率增加,HC和CO排放变化不大,NOx排放有所升高。最后开展了重整燃料、当量比和点火正时多策略协同优化TFR稀燃天然气发动机性能的试验。试验结果表明,重整燃料、当量比和点火正时的协同优化策略,能够同时降低发动机NOx排放和燃料消耗率。由此表明TFR策略是实现天然气发动机高效低排的有效措施。