天然气以其丰富的储量、便宜的价格以及优越的燃烧性能被公认为最有潜力的内燃机替代燃料之一,国内外都开始重点研发天然气发动机。不同状态天然气性质相差极大,其缸内直喷燃烧对发动机性能影响较大,但是,受技术条件的限制,现阶段无论CNG还是LNG发动机本质上都是采用气态喷射,难以实现其他状态下的天然气直喷。通过数值模拟的方法探究不同状态天然气缸内高压直喷对发动机性能的影响具有重要意义。本文基于德国MAN公司的L 21/31船用中速柴油机,利用AVL＿FIRE软件建立了柴油引燃天然气缸内高压直喷数值仿真模型,在验证模型可靠性的前提下,确定了不同状态天然气作为直喷燃料时的发动机运行范围并探讨了柴油/天然气喷射间隔角对其影响。在此基础上,进一步研究了柴油喷射正时和喷油量对柴油引燃天然气缸内高压直喷发动机燃烧、排放以及动力性能的影响规律,并对比分析了采用不同状态天然气缸内直喷对发动机的影响特点,希望为以后柴油引燃天然气缸内直喷发动机的改装优化提供理论指导。通过数值模拟分析得出以下结论:1)柴油引燃天然气缸内高压直喷燃烧正常运行范围很广,通过逐渐逼近的方法,从0%开始逐渐增加引燃柴油量,发现对于气态、液态天然气缸内高压直喷燃烧,其着火边界分别为引燃柴油量0.4%和0.5%。引燃柴油量大于着火边界时,缸内燃烧始终为正常燃烧,无爆震、部分燃烧现象。2)液态天然气缸内直喷时,柴油和液态天然气喷射间隔大于4°CA时,着火边界(最低引燃柴油量)不随喷射间隔角变化,小于4°CA时,着火边界(最低引燃柴油量)随喷射间隔角减小而增大;气态天然气缸内直喷时,着火边界(最低引燃柴油量)不受柴油和天然气喷射间隔角变化影响3)引燃柴油和天然气喷射间隔保持不变,仅改变天然气喷射状态(液态、气态、气液两相),引燃柴油喷射时刻的改变对发动机性能影响具有相同的规律:缸内平均压力、温度的峰值随着引燃柴油喷射时刻的延后而降低,对应出现时刻逐渐推迟,NO_x的生成量随着高温区的缩小而降低,从而使得NO_x排放不断降低,并且改装后双燃料发动机的指示功率随着喷射时刻的延后而不断减小,动力性能随之降低,但是均能满足动力性要求。4)引燃柴油和天然气喷射时刻保持不变,改变天然气喷射状态(液态、气态、气液两相),10%内引燃柴油量的变化对发动机性能影响具有相同的规律:缸内平均压力、温度的峰值随着引燃柴油量的增加略有降低,出现时刻稍稍延后,但是变化都不大,但是NO_x的生成量随着引燃柴油量的增加而随之提高,导致NO_x的排放增加,但是NO_x排放量依然较低,双燃料发动机的功率随着引燃柴油量的增加有所波动,但波动幅度很小,均能满足动力性能要求。5)同一工况下,随着天然气燃料气液比例的不断增大,缸内平均压力峰值不断增大,从纯液态天然气到气液比例为1:1时,缸内压力峰值提高了10%,提升较为明显,而当气液比例继续增大,直至纯气态喷射时,缸内压力峰值仅仅提高了2.5%,影响很小,同时不同气液比例下,缸内压力峰值出现时刻均在732°CA左右1°CA范围内;缸内平均温度峰值则随气液比例的增大而增大,出现时刻不断提前,均较为明显。NO_x的排放却随着气液比例的增加出现了先减小后增大的情况,相同条件下,1:1气液混合天然气直喷比纯液态和纯气态直喷NO_x排放分别降低了83.3%和71.4%,降低排放效果更好。