天然气是清洁的代用燃料,但传统进气道喷射的压缩天然气发动机在动力输出方面还存在缺陷。缸内直喷技术的应用不仅消除了其进气总量少的缺点,还能实现混合气浓度分层,利于燃烧模式的调整,具有提高发动机动力性和排放性的潜质。因而在对天然气缸内直喷发动机的研究工作开展之前,掌握其缸内混合过程的规律是必要的。本文采用了数值模拟的方法,分析了近喷口网格尺寸对射流参数及不同时刻缸内不同位置下CH₄的质量分数的影响,最终得出适用于计算模型的近喷口网格尺寸为喷口直径的1/16;对比了两种边界条件对射流的影响,得出边界条件对喷管出口焓值影响较大,对射流穿透性有较大影响。同时,利用定容燃烧弹实验平台,对天然气的射流穿透性和射流撞击燃烧室顶面后的沿壁面的穿透程度进行了对比。最后,文中研究了不同喷射参数、燃烧室形状、涡流及滚流比、喷孔数及其夹角对混合气形成过程的影响。结果表明:喷孔直径过小与过大,浓混合气均偏向燃烧室壁面,而过大的喷孔导致气流的动量较低,燃烧室壁面附近的混合气更难以稀释,可燃混合气的总量受到影响;喷射持续期越长,扩散性越好,可燃混合气形成越快,但燃烧室壁面和活塞顶面附近混合气浓度较高;当喷射持续期过长,射流形态受到影响,混合气形成速度会发生波动;喷射起始时刻越晚,CH₄的喷入缸内后可燃混合气形成速率越快,但受到混合时间的影响,燃烧室壁面附近高浓度CH₄稀释较差,可燃混合气形成也将受到影响;燃烧室形状影响CH₄的扩散,使高浓度CH₄易形成累积,影响可燃混合气的形成。敞口燃烧室影响了喷射结束后气流在缸内的运动情况,使高浓度CH₄更靠近燃烧室轴线;缩口燃烧室改变部分气体的运动方向,使高浓度CH₄较敞口燃烧室下更靠近燃烧室轴线;盆型燃烧室严重影响燃烧室壁面附近高浓度CH₄的稀释,因而其浓区更靠近燃烧室壁面;涡流可阻碍CH₄在燃烧室径向方向上的扩散,使高浓度CH₄集中在燃烧室轴线附近,但在一定程度上降低了可燃混合气形成速率;滚流可较大地提高可燃混合气的形成,并且在足够大的滚流下,高浓度CH₄可分布在燃烧室中心;不同喷孔数及喷孔夹角导致了CH₄混合过程的明显差异,增加喷孔将导致射流动能降低,并且在一定喷孔角度内,由于增加喷孔后每个喷孔截面积减小,欠膨胀射流形态可能相互干涉;合理调整喷射角度可控制射流撞击燃烧室壁面后分别流向燃烧室顶面和活塞顶面的流量,增加CH₄与空气接触面,提高可燃混合气形成速率,并且有益于在燃烧室轴线附近获得较浓的混合气分层。