随着燃油经济性和排放法规的日益严格,发展高效清洁船用气体发动机技术成为世界船舶发动机行业的研究热点。稀燃技术能够有效提高燃料燃烧效率,降低NO_X的排放,因此成为满足TIERⅢ排放法规要求的技术措施。但是随着混合气变稀,燃烧循环变动增加,特别是接近稀燃边界时失火和部分燃烧的现象导致发动机性能恶化,研究天然气发动机燃烧过程及其动力学行为,揭示边界条件对燃烧稳定性的影响规律,确定关键影响因素并加以有效控制,对于扩展天然气发动机稀燃边界、改善经济性和降低排放具有重要的现实意义。本文在完成船用电控多点喷射天然气发动机结构改造和控制系统设计的基础上,采用试验研究和混沌理论相结合的方法,针对船舶天然气发动机在稀燃条件下燃烧稳定性及控制技术开展了深入研究,揭示了边界参数对稀燃条件下发动机燃烧稳定性的影响规律,确定了关键影响因素,并通过基于空燃比闭环、缸内燃烧闭环反馈和延迟自反馈等控制策略,实现了发动机稀燃稳定性控制,论文进行了如下几个方面的研究工作:首先,通过模块化设计方法完成了天然气发动机节气门驱动控制模块、燃气喷射控制模块和点火控制模块软的硬件设计,在船舶发动机推进特性曲线上选取了典型工况点,研究了空燃比、燃气喷射正时、点火正时对发动机稀燃稳定性影响规律,为改善初始火核形成的稳定性,进一步提出了双阶段耦合放电点火系统设计及控制方法,并通过仿真和试验的方式研究了双阶段点火系统放电特性及其对燃烧稳定性的影响,结果表明:转速一定时最佳点火正时随λ（过量空气系数）的增大而增加;低速小负荷时随着喷射正时的增加,循环变动系数先增加后降低;随着转速和负荷的增加,喷气正时的影响降低,稀燃边界主要受到空燃比和点火条件控制,通过控制双阶段放电的时刻和放电间隔能够有效扩展稀燃边界,当λ=1.85时,与单次放电相比,循环变动系数从15.7%降低到5.21%。然后,基于混沌理论和非线性动力学数据分析方法对稀燃天然气发动机燃烧过程进行了分析,通过对不同发动机运行条件下燃烧系统运动轨线进行相空间重构和最大Lyapunov指数（Largest Lyapunov Exponent,LLE）计算和分析,揭示了边界参数对天然气发动机燃烧系统的动力学特性的影响规律,结果表明:当混合气较浓时,燃烧系统表现出准周期行为,但是随着λ逐渐接近稀燃边界、低速小负荷下喷射提前角（IAA）接近上止点后60oCA或点火提前角（SAA）过低时,燃烧系统吸引子较松弛,LLE大于0且呈现出增加的趋势,表明燃烧系统对初始条件的敏感性增加,燃烧系统表现出明显的混沌特征。最后,针对缸内燃烧特征参数呈现低频振荡现象,采用燃烧闭环和延迟自反馈的混沌控制策略对燃烧稳定性进行控制,并和空燃比闭环控制策略做了对比,研究表明,相对于空燃比闭环控制策,基于IMEP与φ_pmax及IMEP与P_max联合燃烧控制方法,能够有效提高稀燃工况下天然气发动机的燃烧稳定性,而基于延迟自反馈的混沌控制策略,进一步改善了λ>1.6时燃烧稳定性。