天然气作为清洁能源已成为车用替代燃料的首选,研究和开发天然气发动机对于缓解能源危机和改善环境问题具有重要意义。但由于天然气燃料本身的特性,大缸径天然气发动机还存在火焰传播距离长、燃烧速度慢、失火率高、热效率低等问题,而问题的关键在于提高火焰传播速度。因此,研究天然气的燃烧特性以及实现天然气发动机的快速燃烧已经成为一个重要课题,其中双火花塞点火能够缩短火焰传播距离,加快燃烧速度,从而改善发动机的整体性能。所以,本文采用双火花塞点火技术,以试验测试和计算机仿真研究为手段,通过理论分析、台架试验、数字建模、仿真优化等方法,对大缸径天然气发动机燃烧特性及降低排放的技术措施开展了研究,以实现发动机的动力性、经济性和排放性能的有效改善。为深入研究天然气燃料的燃烧特性,本文利用定容燃烧弹模拟高温高压的缸内燃烧环境,设计了一套适用于双火花塞点火的可视化试验平台,建立了试验台架。通过改变燃空当量比、点火方式、初始压力与温度等参数,利用高速摄像机和压力传感器采集了燃烧图像和压力数据,并结合数字图像处理技术编写了MATLAB图像处理程序,运用双色法表征了燃烧温度场的分布状态,试验研究了单一初始参数下双点火对火焰传播过程、燃烧压力、压力升高率、放热率、燃烧期、温度场等天然气燃烧特性的影响。结果表明:(1)不同点火方式下,与单点火相比,同步双点火缩短了火焰传播距离,加快了燃烧速率,提高了燃烧压力及放热率,火焰发展期和主燃烧期缩短,显著提高了天然气的燃烧热效率,对稀混合气效果尤为明显,而异步双点火对于稀混合气实现快速燃烧作用更加积极;(2)不同初始压力下,随着初始压力的增大,可燃混合气的浓度增加,火焰传播速度下降,火焰传播面积增长速度减慢,最大燃烧压力和放热率逐渐增大,火焰发展期和主燃烧期延长,初始压力的提高减缓了燃烧速度;(3)不同初始温度下,随着初始温度的增大,火焰传播速度加快,火焰传播面积的增长速度加快,最大燃烧压力和放热率逐渐升高,火焰发展期和主燃烧期缩短,温度的升高促进了燃烧,使热效率升高,但过高也会导致爆燃现象发生;(4)不同燃空当量比下,在化学当量比附近火焰传播速度最快,达到的燃烧压力峰值和放热率最大,火焰发展期和主燃烧期最短;过稀或过浓的混合气均会降低火焰传播速度,减缓火焰传播面积的增长速度,延长火焰发展期和主燃烧期。为全面研究双点火对大缸径天然气发动机燃烧过程的影响,本文利用CATIA、AVL FIRE等三维软件建立了发动机的仿真模型,准确设置了初始条件和边界条件,完成了模型校验。在转速为1400r/min、当量比为0.7、全负荷工况下,提出了双火花塞位置、点火方式、点火能量、点火策略等参数的优化策略,通过模拟计算,研究分析了这些参数对双火花塞点火天然气发动机缸内燃烧特性和排放特性的影响,为今后双火花塞在实际车辆上的应用提供了基础研究参考。结果表明:(1)针对以燃烧室中心对称分布的三种双火花塞布置方案(D1、D2、D3),D2布置方案时的火焰前锋面传播速度更快,缸内燃烧压力相对较高,燃烧持续期更短,燃烧后期NO_X排放更小,故确定为最佳布置方案;(2)针对不同的点火能量,点火能量为60mJ时,缸内工质燃烧速度最快,燃烧放热率最大,动力性和燃油经济性最好,故确定为最佳点火能量。(3)针对不同点火时刻的同步、异步点火,同步点火706-706°CA、异步点火706-704°CA时,最大燃烧压力均出现在上止点后在12-15°CA范围内,指示功率和热效率较高,动力性和经济性也较好;而异步点火706-704°CA表现出较大的功率和热效率以及较低的燃油消耗率,故确定为最佳点火策略。为有效控制双火花塞大缸径天然气发动机的排放,本文通过双火花塞耦合EGR技术来降低NOx排放,模拟分析了不同EGR率对发动机缸内燃烧特性和排放特性的影响。结果表明:当EGR率在0-10%之间时,发动机的缸内压力、放热率、平均反应速率变化幅度较小,但平均温度和NOx排放降低明显;当EGR率大于10%时,发动机的缸内压力、放热率、平均反应速率、平均温度和NOx排放均降低,指示功率和热效率也随之降低,燃油消耗率增加;当EGR率为10.5%时,NOx排放目标值与单点火基本相同,其他性能都优于单点火;当EGR率为11.8%时,发动机的功率、热效率、燃油消耗率与单点火基本持平,但NOx目标值比单点火降低26.3%。因此,当EGR率在10.5-11.8%之间,双点火发动机的性能均优于单点火。该技术方法为满足今后更加严格的排放标准,提供了基础理论参考和技术支持。若以最大程度提高发动机的动力性和经济性为目标,最佳EGR率为10.5%,此时双点火与单点火具有相同的NOx排放目标值,对比分析单、双点火模式下的发动机性能,结果表明:相比于单点火,双火花塞点火模式下发动机的动力性和经济性得到显著提高。综上,双火花塞技术可以有效改善大缸径天然气发动机的动力性、经济性和排放性能。