碳中和技术方案成为中国乃至世界重点关注课题,采用天然气替代柴油和汽油作为动力燃料成为降低碳排放的有效手段之一。随着天然气加注基础设施迅速扩张和天然气发动机技术的进步,天然气发动机将在船舶、道路运输和发电等领域迎来更多的机遇。对于天然气发动机,稀释燃烧有利于提高热效率并降低NOx排放。然而,随着稀释度的提高,火焰传播速度降低,循环波动增加,易出现部分燃烧甚至失火等现象,需要通过优化缸内流场加速火焰传播。然而,火花塞附近强流场对点火过程带来挑战。因此,对于天然气发动机,先进点火技术的构建尤为重要。对于激光点火、电晕点火、微波助燃点火等新型点火技术,由于可靠性和成本等问题,仍难以普及应用。因此,依托现有的火花放电点火技术,进行点火特性和机理研究具有重要价值。本文基于多线圈构建灵活放电技术,实现放电功率和持续期的灵活调节。基于此技术,针对天然气或甲烷和空气的稀薄混合气,在点火特性和机理两方面开展研究工作。对于点火机理,本文主要针对火花放电击穿过程、短化与再击穿现象和等离子体温度开展研究。对于点火特性,本文通过定容燃烧弹、快速压缩膨胀机和天然气发动机研究灵活放电技术对点火过程的影响。其中,对于定容燃烧弹和快速压缩膨胀机构建的可视化测试环境,主要包含三方面研究:不同点火能对点火过程影响;近似点火能下不同放电功率和放电持续期对点火过程影响;单次放电、多次放电和连续放电等不同策略对点火过程影响。此外,本文通过天然气发动机台架探究了不同放电策略对稀燃极限的影响。对于线圈串并联,结果表明,线圈串联可以增加放电持续期,线圈并联可以增加放电功率。基于线圈并联,可实现多次放电、连续放电等灵活放电策略。基于此,本文首先开展火花放电机理研究,包括击穿过程、短化与再击穿现象和等离子体温度三部分:（1）对于击穿过程,结论表明:线圈并联轻微增加击穿电压,但并不明显,同时线圈并联加速预击穿过程并明显增加击穿电流,而线圈串联对击穿电压和击穿电流几乎没有影响;击穿电压和击穿电流与环境密度和电极间隙呈非线性关系;击穿电压和电流受气体组分影响,然而,在发动机运行的燃料浓度范围内,燃料组分和浓度对击穿电压影响较小;最终,本文提出一个以环境压力、环境温度和火花塞间隙为变量的击穿电压数学模型,适用于更宽的环境密度范围。（2）对于短化与再击穿现象,结论表明:提高放电功率可以抑制短化与再击穿现象;增加火花塞电极间隙有利于抑制短化和再击穿现象,增加等离子体通道长度;通过采用锥型电极,可以在气流作用下有效增加等离子体通道的根部距离,从而增加等离子体长度。（3）对于等离子体温度,本文构建了光谱测温技术,进行火花放电等离子体振动和旋转温度的测量,结论表明:在常压下,等离子体处于非热平衡状态,旋转温度处于1400-2600K之间,振动温度处于3700-4300K之间;振动温度和旋转温度随着放电功率的提高而增加,通过改变点火能量和点火策略,可以有效控制等离子体温度;旋转温度随着压力的提高而增加,随着压力的提升,加速等离子体进入热平衡状态;气体组分较大程度影响等离子体温度;旋转温度随着电极间隙的增加而增加,同时最高的旋转温度位于电极间隙中心处,而中心电极附近的旋转温度高于地极附近的旋转温度。在灵活放电点火特性方面,主要包括定容弹燃烧弹、快速压缩膨胀机和多缸天然气发动机测试三部分:（1）对于在定容燃烧弹中的静态燃烧,在稀燃边界前,不同放电持续期、放电功率和放电策略对点火过程没有显著影响,一旦火核可以顺利形成,提高点火能只能轻微加速火焰传播;然而,当处于稀燃边界时,多次放电相比连续放电和单次放电具有更高的点火成功率。（2）对于在快速压缩膨胀机流场环境下的燃烧过程,提高点火能有利于初期火核的发展,加长放电周期相比加大放电功率更有优势;对于连续放电和多次放电,连续放电更有利于初期大火核的形成,同时,连续放电更有利于拓展稀燃边界。（3）最后,本文在多缸天然气发动机中进行不同点火策略对点火和燃烧过程影响的验证试验;在70%电负荷下,相比单线圈单次放电,灵活放电策略可以将稀燃边界从1.51提高到1.61;在90%电负荷下,将稀燃边界从1.66提高到1.69;此外,在本文的多缸机性能基础上,多次放电有利于提高燃烧相位的稳定性,长周期连续放电次之。