推广使用天然气发动机有利于降低内燃机的排气污染,实现能源多元化确保国家能源安全。为改善现有点燃式天然气发动机存在的热效率低、功率密度低的缺点,研究开发新型燃烧系统是天然气发动机面临的科学问题。本文在总结和分析国内外天然气压缩着火燃烧过程研究结果的基础上,提出了一种分隔室式天然气燃烧系统,研究开发了具有低散热结构的压缩着火天然气发动机。提出利用缸内混合气浓度分层和温度分层,有效地缓解了中高负荷时预混合压燃存在的敲缸现象,并研究了电热塞温度、进气加热温度、隔热效果、高压供气定时及高低压供气比例对燃烧过程的影响。本文介绍了作者进行的如下研究工作:研究设计了电控天然气复合供气系统。该系统在进气管处设置低压喷射阀,副室内设置高压喷射阀,在电控单元的控制下可以实现单独低压供气和高、低压复合供气两种供气方式,控制时钟频率为0.5℃A,因此该供气系统具有控制精度高、工作方式灵活的特点。设计开发了低散热分隔室式燃烧系统并研究了天然气压缩着火起动性能。试验结果表明,增加通道直径、提高辅助加热温度有利于实现着火起动。低压供气方式的起动性能优于复合供气方式。针对预混合压缩着火燃烧过程出现的失火和敲缸,研究了在分隔室式燃烧系统中利用缸内温度分层对失火和敲缸的影响。试验结果表明,提高电热塞温度和进气加热温度有助于避免失火现象的发生。采用大尺寸通道和活塞顶不隔热的措施有助于扩大燃烧室内温度分层,对提高副室着火性能,降低主室燃烧速度有利。在通道直径d=14mm活塞顶不隔热的条件下,转速1000r/min时最大输出功率可扩展到原机功率的42%。在分隔室式燃烧系统中,利用天然气复合供气方式研究了主副燃烧室混合气浓度分层对天然气压缩着火燃烧过程和发动机功率输出的影响。试验结果表明,适当减小通道直径、增加高压供气比例及减小高压供气提前角均有利于提高缸内混合气分层效果,实现主副燃烧室的两阶段着火燃烧,推迟了主室内着火时刻,降低燃烧速度,有效地克服了中高负荷时的燃烧敲缸。在通道直径d=8mm转速1200r/min时达到原机功率的83%,转速1400r/min时达到原机功率的73%,同时NOx排放较直喷压燃式有所降低。