天然气具有价格低廉、储量丰富、抗爆性好的优点,且燃烧产生较少的颗粒物和二氧化碳排放,是代替汽油柴油广泛使用的最佳选择。在稀薄条件下,天然气燃烧热损失更少,热效率更高,氮氧化物排放也更少。然而天然气火焰传播速度较慢,相对较难点燃,在稀薄条件下尤为明显。湍流射流点火（TJI）是一种有效的燃烧增强技术,不但可以提供更高的点火能量,还可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现天然气稀燃条件下稳定着火的有效手段。因此,本文以天然气主要成分甲烷为燃料,进行湍流射流点火燃烧特性的相关研究,并寻求提高预燃室性能、优化TJI燃烧特性的方法。首先,本文基于定容燃烧弹试验平台,进行了不同出口孔径与内部结构预燃室的湍流射流点火试验,试验结果表明:随着预燃室孔径减小,射流火焰速度提高,燃烧压力上升,但过小的孔径会导致点火机理发生变化,不利于稀薄条件下天然气的燃烧;主动式预燃室可以拓展稀燃极限,提高稀燃条件下的火焰传播速度和燃烧压力,而在预燃室中以氢气作为燃料可以使射流火焰速度成倍增长,稀燃极限大幅提高,进一步增强燃烧。适当的多级加速结构可以显著提高预燃室性能,产生更强的湍流,增强火焰动力性能,提高放热率。其次,基于上述多级加速预燃室,本文在一台点燃式单缸发动机中进行了TJI对发动机动力性能、排放性能及燃烧特性影响的相关试验研究。使用TJI点火有效拓展了发动机中甲烷稀燃极限,并使燃烧滞燃期和燃烧持续期更短,放热率更高。过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且氮氧化物排放也几乎为0。由于TJI在大负荷时的当量燃烧下和小负荷时的过稀燃烧工况下油耗较高,通过在大负荷时进行进气增压,小负荷时减小节气门将燃烧工况维持在过量空气系数1.5附近,大幅降低了发动机油耗。最后,在上述单缸机中以氢气为预燃室燃料,稀薄甲烷/空气混合气作为主燃烧室燃料,开展氢气辅助射流点火燃烧特性研究。通过与甲烷TJI发动机燃烧特性对比,氢气辅助射流点火可以进一步拓展稀燃极限,缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。本文在定容燃烧弹及单缸发动机上开展了一系列甲烷预燃室射流点火燃烧试验研究,对天然气发动机应用预燃室射流点火系统具有一定指导意义。