船舶能效指数和污染物排放是衡量船舶动力系统性能的主要指标，燃用低碳清洁燃料是船舶节能减排的重要手段，天然气因为清洁的燃烧特性成为船舶发动机替代燃料的研究热点，微量柴油引燃天然气发动机(MPII-DFE ， Micro Pilot Induced Ignition Dual Fuel Engine)是天然气作为船舶动力的主要应用形式之一。MPII-DFE具有多种燃料模式以及多种燃烧模式且燃烧过程复杂，存在时滞特性、非线性特性并且对过量空气系数的敏感等特点。本文针对微引燃双燃料发动机性能优化和运行控制问题，采用建模仿真和实验研究相结合的研究方法，从MPII-DFE燃烧过程和运行特性的角度，深入分析控制参数对MPII-DFE燃烧过程和性能的影响规律，研究MPII-DFE性能优化方法和运行控制策略并设计开发控制系统，为实现MPII-DFE全工况范围高性能运行控制提供方法和理论支撑。
　　为了探寻MPII-DFE全工况经济性和排放性的优化方法，通过实验研究方法，探索了不同燃烧模式下控制参数对燃烧过程及发动机性能影响，研究了部分预混压燃(PPCI)燃烧模式向高负荷工况拓展的限制条件，并进一步分析限制条件下的发动机运行参数限制。研究高负荷DDF燃烧模式控制参数设置依据。实验结果表明，λ作为PPCI燃烧模式向高负荷拓展的运行参数限制依据。当λ大于1.63时使用PPCI燃烧模式提升混合气燃烧速度，当λ小于1.63时使用柴油双燃料(DDF)加进气节流燃烧模式改善经济性。
　　为了实现MPII-DFE多种燃料模式以及多种燃烧模式协同控制，研究基于扭矩的MPII-DFE管理策略，为了实现扭矩燃料量转化，深入研究MPII-DFE指示热效率建模，采用归类分析和两阶段建模法，分别建立控制参数-燃烧过程特性参数模型和燃烧过程特性参数-指示热效率模型。结果表明控制参数可以分为三类，主喷正时、预喷正时、预喷油量和轨压影响燃烧相位，预喷油量和过量空气系数影响燃烧速度，引燃油量影响燃烧重心。按照控制参数分类，分解指示热效率方程，分别计算每类参数的影响因子并计算热效率模型，指示热效率预测精度94%，基于指示热效率模型实现基于扭矩的MPII-DFE管理。
　　针对MPII-DFE瞬态动力不足和稳态转速波动大的问题，从燃烧过程和发动机系统构成的角度深入分析MPII-DFE运行特性，研究瞬态和稳态扭矩跟踪控制策略。研究结果表明，转速瞬态动力性和稳态转速波动的根本原因在于燃气的扭矩响应延迟特性，通过引燃油喷射补偿策略加速扭矩响应，设计了稳态工况燃烧相位微调以及瞬态工况燃烧相位和燃烧重心补偿控制策略，并进一步基于进气管充排模型设计燃料模式切换过程最小气量策略和引燃油跟随等待策略，优化MPII-DFE转速闭环控制性能。发动机运行控制仿真结果表明，设计的转速闭环控制策略稳态转速波动率由±4r/min减小为±3r/min，突卸负荷瞬态转速偏差由-40r/min变为-29r/min。
　　为了补偿运行环境改变带来的开环过量空气系数控制偏差，设计基于模型的过量空气系数闭环控制策略，研究自适应滑模控制算法改善节气门位置闭环跟踪性能，并通过仿真和实验验证对比分析传统滑模控制算法、自适应滑模控制算法和过零检测滑模控制算法的控制性能，结果表明过零检测滑模控制算法能够提高节气门位置闭环控制响应速度和控制精度，提高过量空气系数控制精度。
　　基于设计的燃烧过程控制策略及运行控制策略，设计开发MPII-DFE控制系统，设计基于CAN总线的船用MPII-DFE分布式控制系统硬件架构和基于开放系统互联参考模型(OSI模型)的软件架构，划分软件层次，并详细设计基础软件。基于设计的控制系统开展实验台架和实船实验验证，通过启动实验、稳态调速性能实验和瞬态调速性能实验、燃料模式切换实验以及排放性经济性测试实验验证开发的控制系统性能。实验结果表明，燃料模式切换瞬态调速率3.73%，稳定时间2s，满足一级精度(GB/T 3475-2008)调速性能指标要求，双燃料模式稳态转速波动率0.33%，瞬态调速率6.6%，调速性能满足二级精度调速性能指标要求。排放测试结果表明，NOX+NMHC排放为5.6395g/kW.h，CO排放为3.9425g/kW.h，满足GB10597-2016规定的船机排气污染物第二阶段排放限值的要求，同时大幅度降低中低负荷燃油消耗率。