当前,人类面临着严峻的能源危机与环境污染问题,对诸多动力系统提出了高效清洁且能量密度高的要求。汪克尔发动机作为一种旋转式内燃机具有结构简单、空间占比小、燃料适应性强和功重比高等先天优势,同样需要顺应趋势满足这一要求。汪克尔发动机目前主要应用于军用无人机领域,随着新能源汽车的兴起,它在民用电动汽车增程器领域也具有应用潜力,这也促使基于汪克尔发动机技术的新能源动力系统成为了研究热点。然而,汪克尔发动机的燃烧室狭长,工作时存在火焰传播速度慢、火焰容易淬熄以及燃烧不稳定等问题,致使采用传统燃烧技术的样机难以满足市场的高标准。因此,为了向民用电动汽车增程器等领域进行应用拓展,针对其燃烧特性开展一系列深入的研究和新技术开发工作至关重要。此外,考虑到我国汪克尔发动机研究开发水平明显落后于国外发达国家,抓住时机攻克关键核心技术具有重要的战略意义。因此,为剖析汪克尔发动机缸内燃烧过程并提升其性能,针对其燃烧过程、新型燃烧模式和多燃料燃烧特性等方面开展了系统的研究工作。同时,考虑到柴油汪克尔发动机具有燃油消耗率低、热效率高和安全性能好等特点,重点关注了柴油汪克尔发动机燃烧特性及其新型燃烧模式的探究,采用实验测试和数值模拟相结合的方法深入地研究了柴油汪克尔发动机工作过程中缸内关键场量的变化规律。首先搭建了柴油汪克尔发动机运行工况下的定容燃烧弹实验台,随后建立了耦合化学反应动力学的柴油汪克尔发动机三维动态仿真模型,接着提出了一种面向柴油汪克尔发动机的新型气/液双燃料燃烧模式,最后探究了若干关键因素对不同燃烧模式下发动机燃烧和排放特性的影响规律。取得了如下具有学术价值和实际意义的研究成果:(1)成功搭建了柴油汪克尔发动机运行工况下的喷雾特性实验台,获取了样机缸内环境工况下燃料的基础喷雾特性。研究了环境压力、喷射压力和喷射脉宽等重要因子对柴油喷雾特性的影响规律,实验结果表明环境压力的影响程度最大。为后续仿真平台建立提供了有用的基础实验数据,也明确了为避免高喷射压力下贯穿距过大导致燃料撞击转子壁面,燃烧组织过程中应选择合适的中低喷射压力和喷射时刻。(2)完成了柴油汪克尔发动机三维动态仿真模型的建立,并进行了层层递进式的模型验证,基于获取的实验数据评估了模型的可靠性。随后获得了柴油汪克尔发动机缸内流动和燃烧过程中的关键信息。仿真结果表明,在引燃时刻缸内的燃料分布和引燃火花塞周边的燃料浓度对燃烧过程具有重要的影响,燃烧室中前部分层分布的柴油成为主要燃烧反应区,充分利用火焰向前转播的规律可实现燃烧区域可控。(3)针对柴油汪克尔发动机的喷射和引燃策略进行了优化,提升了柴油汪克尔发动机的燃烧效率。优化喷射策略的研究结果表明,采用前后引燃火花塞时,引燃时刻燃料应位于前后引燃火花塞之间并且更多燃料集中在后引燃火花塞周边较好;推迟喷射时刻,引燃时刻燃料分布更集中。优化引燃策略的研究结果表明,双引燃火花塞方案下发动机燃烧性能明显优于单引燃火花塞,引燃火花塞集中对称布置更有利于燃烧效率的提升;推迟引燃时刻,由于缸内燃料分布整体差别不大,压力峰值变化较小。(4)提出了一种新颖的天然气-柴油燃烧模式,分析了双燃料汪克尔发动机的燃烧和排放特性。混合气形成过程中天然气变化规律易受缸内气流运动的影响,柴油分布则主要由碰壁位置和单向气流共同决定。引燃时刻,天然气分布在整个燃烧室内,而柴油则集中在燃烧室中前部。增加天然气比例,天然气分布区域变化较小,但柴油则明显变窄,得益于气体燃料良好的扩散特性、较宽的可燃极限和成功着火后较快的火焰传播速度,双燃料模式下发动机的燃烧和排放性能明显提升。(5)探究了不同运行参数对天然气-柴油汪克尔发动机性能的影响规律。推迟双燃料喷射时刻混合气均变浓,燃烧压力整体上升且燃烧速率加快,但过浓的混合气导致污染物增多。同样在双燃料燃烧模式下,双引燃火花塞的燃烧性能明显优于单引燃火花塞,改变引燃位置和引燃时刻,着火燃烧时引燃火花塞周边的天然气分布变化不大,但柴油分布差异明显;燃烧开始后引燃火花塞附近分布更多的混合气有利于后续燃烧,并且天然气燃烧过程的改善对整体燃烧效率的提升起主导作用。本文为柴油汪克尔发动机性能提升提供了理论指导,同时为拓展应用其他液体燃料和气/液新型燃烧模式在汪克尔发动机上的应用提供了借鉴意义,也为汪克尔发动机新技术开发提供了思路。