结合高压直喷（HPDI）技术,天然气发动机可以有效提高热效率和改善排放。高压直喷天然气发动机以天然气为主燃料、柴油为引燃燃料,而天然气受产地、生产厂家及生产技术的不同,气体组分比例存在区别,发动机的燃烧和排放特性也受此影响。针对这一问题,本课题研究了天然气组分和正丁醇/柴油引燃燃料对高压直喷天然气发动机燃烧和排放特性的影响。首先,基于DRGEP机理简化和构建方法,对Aramco Mech 1.3详细机理进行简化得到天然气表征燃料机理,以该机理为主,整合正庚烷氧化机理、正丁醇氧化机理、PAH生成和生长机理及NOx机理,得到包含112种组分和577个基元反应的柴油-正丁醇-天然气-PAH简化动力学机理模型。第二,为了深入了解高压直喷天然气发动机燃烧过程,基于三维仿真模型、SAGE详细化学求解器及本文开发的简化动力学模型,建立了高压直喷天然气发动机的三维工作过程模型,该模型能够可靠地预测高压直喷天然气发动机的工作过程和排放结果。第三,针对发动机性能受天然气组分影响的问题,研究了天然气中乙烷、丙烷或氮气组分添加比例对高压直喷天然气发动机燃烧和排放特性的影响。发现在低、中、较高负荷工况下,氮气添加比例增加可以缩短滞燃期,使燃烧相位延迟,改善CO、NOx和碳烟排放;而向天然气中添加乙烷或丙烷后,燃烧参数、CO、NOx和碳烟排放则表现出了强烈地负荷依赖性。第四,为了进一步改善高压直喷天然气发动机燃烧和排放特性,本课题提出了正丁醇/柴油混合燃料引燃天然气的方案。研究发现,在低、中负荷工况下,正丁醇/柴油混合燃料可以显著延长滞燃期,缩短燃烧持续期,改善CO和NOx排放,但燃烧较为粗暴,最大爆发压力升高;在较高负荷工况下,正丁醇/柴油混合燃料可以改善燃烧过程、CO和NOx排放;碳烟排放仅在中等负荷工况下得到了明显改善。最后,基于本课题开展的研究,可以发现,采用较高的氮气添加比例（10%-20%）以及低乙烷和丙烷添加比例（5%、10%）的天然气燃料可以改善燃烧,使NOx排放不明显升高的同时改善碳烟排放;在中等负荷工况下,采用正丁醇/柴油混合燃料引燃天然气,可以改善高压直喷天然气发动机的燃烧过程,降低CO、NOx和碳烟排放,同时减弱NOx和碳烟的trade-off关系。