天然气具备的储备量较高、辛烷值高、燃烧产物相对清洁、着火界限宽等特点决定了天然气是一种潜力巨大,成本相对低廉,同时适应当今市场的可靠代用燃料。为做到更好的满足已经普及的国Ⅵ排放法规和“双碳”目标,天然气发动机在市场中已占据了一定份额,但是传统的进气道喷射天然气发动机存在着节流损失等问题,导致发动机功率相较于原机有15%左右的功率损失,因此为了保证发动机的动力性,柴油引燃直喷天然气发动机成为当今内燃机研究的优秀选择。对于双燃料发动机而言,柴油和天然气以不同比例喷射对发动机的影响较大,为了探究替代率对发动机的具体影响,本文在常发CF-18M单缸柴油机的基础上改装天然气直喷系统,并使用d SPACE平台开发快速控制原型,通过其完备的软硬件环境进行高压天然气喷射的开放式控制工作,搭建柴油引燃直喷天然气发动机试验平台。本文选择在保证进气温度、进气流量、柴油和天然气喷射提前角等其他边界条件保持不变的前提下通过控制柴油油门开度和天然气喷射脉宽的方式进行试验研究。受天然气喷嘴流量较低导致的后燃现象以及缸内温度等限制因素综合考虑选取10%、15%、20%柴油油门开度下,3-10ms天然气喷射脉宽以及25%、30%、35%、40%柴油油门开度下,3-8ms天然气喷射脉宽的试验方案,来探究替代率对发动机动力性、经济性、燃烧过程和排放性能等方面的影响。在试验过程中首先发现,对于天然气直喷方式而言,由于喷射压力很高导致的缸内湍流强度大,普通的火花塞或较低的柴油喷油量不足以使得天然气充分燃烧,会导致发动机工作极不稳定的现象,经过测试,本文搭建的试验平台在油门开度高于8%,即柴油流量为0.4kg/h时发动机可以稳定可靠的工作。主要研究结果表明:从动力性角度考虑,替代率发生变化对发动机所能达到的峰值转矩影响并不明显,在燃烧角度看主要是由于缸压峰值未发生明显变化,这充分证明了直喷天然气发动机动力性的巨大潜力;柴油喷油量和天然气喷射量的增加均会加快燃烧速率,使燃烧相位前移,在较高的油门开度和替代率情况下由于缸内空气量限制因素会使燃烧持续期大大缩短,燃烧终点大大提前;天然气替代率的增加会导致放热率曲线出现“双峰趋势”,且第二放热率峰值会随之上升,柴油量的增加可以使第二放热率峰值相位前移,在大油门开度和高天然气替代率的情况下可以恢复单放热率峰值;受天然气与空气的混合程度和柴油与天然气的混合程度影响,随着柴油量和天然气替代率的增加均会使有效热效率呈现升高后降低的趋势,在低油门开度和较高天然气替代率存在最佳经济工况点;CO、THC、NOX排放均会随着天然气替代率的增加而剧烈增加,可以通过加大油门开度使排放性能得到改善,但是会伴随着排气温度略有上升。