天然气双燃料发动机的热效率显著高于目前已大量应用的火花点火天然气发动机,但还存在着技术瓶颈尚未解决。小负荷下,天然气与空气的混合气较稀,在引燃燃料量较少的情况下不完全燃烧现象十分严重;大负荷下,天然气预混合气易粗暴燃烧,压升率较高。这些问题导致了天然气替代率受限,使得天然气双燃料技术尚未实现产业化应用。本文主要通过台架试验和数值模拟的方法针对天然气双燃料发动机的技术瓶颈展开研究。针对国六排放法规中90%天然气替代率的要求,利用原理性单缸机对不同工况下的燃烧控制策略开展了试验研究。结果表明,在小负荷采用节气门增加燃空当量比,可以显著改善因预混合气过稀所导致的燃烧不完全问题,使用热废气再循环(EGR)技术可以显著降低NOx排放和泵气损失。中高负荷下以控制压升率为首要目标时,应采用均质混合气引燃(HCII)策略;以达到最高热效率为首要目标时,应采用活性控制压燃(RCCI)策略。研究还发现,天然气双燃料发动机可以在极低的引燃燃料喷射压力(20MPa)下同时实现较低的颗粒物和NOx排放。为了进一步改善天然气双燃料发动机的燃烧和排放特性,提出了用更高十六烷值的聚甲氧基二甲醚(PODE)引燃天然气的方案。对PODE和正庚烷掺混燃料基础着火特性的研究表明,PODE可以显著改善正庚烷的着火性,降低临界压缩比。随PODE掺混比例的增加,燃料总着火延迟和物理着火延迟时间显著缩短,化学着火延迟时间变化不明显,说明PODE对低温反应的促进作用在缩短着火延迟的过程中起到了主导作用。发动机试验结果表明,相比柴油,PODE引燃天然气可以实现更高的燃烧效率和指示热效率,显著降低THC、CO、NOx和Soot排放。为了深入解析天然气双燃料发动机的燃烧过程,构建了适用于柴油/PODE-天然气双燃料燃烧数值模拟的三维数值模型。模拟结果表明,相比于正庚烷,PODE掺混燃料在燃烧开始阶段可以直接引燃更多的甲烷预混合气,有利于THC和CO排放的降低。研究还揭示了小负荷下天然气双燃料发动机燃烧不完全现象较为严重的机理,即引燃燃料和预混天然气燃烧所需的有利条件之间存在着矛盾。为解决这一问题,针对性的提出了火花助燃结合低压喷射策略的解决方案。在不增加发动机成本的前提下,可以极大改善天然气双燃料发动机的燃烧特性,在小负荷下达到接近100%的燃烧效率。