随着排放法规的日益严格,当量比燃烧成为国六天然气发动机的主流燃烧技术。不过,天然气的燃烧温度高,当量比燃烧会导致缸内热负荷和排气温度高。较高的缸内热负荷会增加天然气发动机发生爆震的几率,高排温也会对其排放后处理系统造成危害。因此,有必要采取措施来消除当量比燃烧带来的上述问题。本文首先通过定容燃烧弹实验和CHEMKIN数值计算的方式,研究了不同水稀释度、不同预热温度、不同稀释组分下水蒸气对天然气当量比燃烧层流火焰特性的影响规律,并对比了水蒸气的物理作用和化学作用对火焰速度的影响,为天然气发动机模型提供了基础燃烧速度数据和燃烧机理模型。之后,基于1.5TGDI天然气发动机模型使用AVL Fire软件计算了进气道喷水对天然气发动机燃烧及排放的影响规律。主要研究了不同水稀释度、不同点火提前角、不同喷水持续期和不同喷水锥角下水蒸气对天然气发动机缸内温度、缸内压力、放热率、缸内湍动能、NO排放、CO排放和颗粒物排放的影响规律。其中,不同水稀释度和不同点火提前角采用单点喷水,不同喷水持续期和不同喷水锥角采用双点喷水。基于定容弹实验研究获得:层流火焰速度随着水稀释度的升高呈现出线性下降的规律,水蒸气降低火焰速度可分为物理作用和化学作用,且物理作用大于化学作用。不同稀释组分对天然气火焰传播速度的影响不同,在同一稀释度下,不同稀释气体对火焰速度的影响大小为CO₂>H₂O>N₂。基元反应R41、R1和R43敏感性系数绝对值越小,层流火焰传播速度越大。H和OH自由基峰值浓度越高,层流火焰速度值也就越大。相同水稀释度下预热温度越高,绝热火焰温度愈高,层流火焰速度也愈大。基于天然气发动机模型获得:相同点火提前角不同水稀释度时,随着水稀释度的升高缸内水蒸气含量升高,发动机的作功能力降低,缸内热负荷降低。喷水后的缸内平均湍动能比不喷水低。水稀释度愈高,NO排放愈低,CO排放愈高,颗粒物排放先升高后降低。相同水稀释度不同点火提前角时,点火提前角12°CA可以保持发动机作功能力并有效降低发动机热负荷,NO排放最低,颗粒物排放较低,CO排放最高,需进一步降低CO排放。相同水稀释度、相同点火提前角和不同喷水持续期时,喷水持续期5ms比3ms的缸内平均湍动能高,CO排放和颗粒物排放低。相同水稀释度、相同点火提前角和不同喷水锥角时:喷水锥角30°保持发动机作功能力效果更好。喷水锥角30°比45°的缸内平均湍动能低,CO排放低。相同条件下,双点喷水比单点喷水的CO排放明显降低。