天然气是清洁能源，随着大量页岩气、煤层气等非常规油气资源的发现，天然气来源变得日益丰富，天然气配套设施也日趋完善，同时随着燃油价格的日益高涨，天然气在车用领域的市场需求也越来越大，天然气作为主要燃料逐步在汽车上大规模应用。
天然气发动机主要分为两大类，一类是点燃式的纯天然气发动机，另一类是柴油引燃天然气的双燃料发动机。
点燃式发动机：点燃式天然气发动机技术就是类似汽油机的工作方式，用火花塞引燃天然气混合气，其供气方式可以分为进气道内供给天然气和燃烧室内直接供给天然气，进气道供气还可分为单点供给天然气和多点供给天然气，多点供气就是在每缸的进气道单独供给，单点供气就是在进气总管供给天然气。单点供气类似于汽油机的进气道单点喷射，各缸会出现抢气导致的工作不均匀现象，因此在大型多缸天然气发动机上，多采用多点供气方式。
双燃料发动机：这类发动机大都是有柴油机改装设计，形式上会保留原柴油机上的所有装置和功能，在此基形式础上加装燃气供给装置，气、油控制和切换装置。这种发动机以天然气作为主要燃料，由压缩柴油着火引燃天然气混合气，这种发动机即可以作为纯柴油发动机使用，也可以作为天然气柴油双燃料使用，并可自主控制替代率。
车用双燃料发动机从上世纪70年代就已经在国外出现，但是在本世纪初才开始大量进入国内市场，在1997 年—2003 年经历了较快的发展，但是由于投入市场的机械式双燃料发动机的性能稳定性和可靠性存在很多问题，给市场造成了较大的影响。后来，点燃式天然气发动机随着电控系统技术的发展而快速发展，双燃料发动机逐渐被取代，目前市场上虽然有双燃料发动机产品但市场占有率很低。
随着国内外排放法规的越来越严苛，纯天然气发动机采用稀燃方式难以满足国VI 法规要求，必须采用当量比燃烧才能满足法规要求，这样势必会增加燃料消耗，不仅市场不易接受，也难以满足CO2排放法规的要求。纯天然气发动机受制于燃烧方式的影响，发动机的动力性差、热效率低、排温高的缺点难以克服，市场对发动机的动力性、经济性、可靠性等要求越来越高，双燃料发动机的优势开始显现，尤其是既能使用双燃料又能使用柴油的灵活燃料发动机更受欢迎。
2017年前三季度国内天然气供应充足，天然气价格较低，天然气发动机销量大增。而在第四季度，由于居民用气需求量增大等因素，天然气价格的大幅上涨，天然气卡车用户加不到天然气或加不起天然气，导致天然气车辆销量大幅下降。此时灵活燃料车辆的优势就体现出来了，用户可以自由选择燃料，天然气价格高可以选择用柴油，天然气价格低可以考虑用天然气-柴油双燃料模式，灵活燃料发动机可以减少燃料的价格波动造成的发动机使用成本高的风险，灵活燃料双燃料发动机比较符合市场需求。
点燃式发动机在国V 阶段及国V 之前普遍采用稀燃+ 柴油氧化型催化器( DOC) 的技术路线使之达到排放要求。国V 排放法规NOx限值为2 g /( kW·h) ，甲烷( CH4) 排放限值为1.1 g /( kW·h)瞬态循环( ETC) ，发动机的试验循环为稳态循环( ESC) 和ETC，中高负荷工况点所占的权重比较大，发动机的排温相对高，后处理的效率也相对高，采用稀燃+ DOC 技术路线的发动机能够达到国V 排放的要求。
对于点燃式天然气发动机，GB17691—2005 国VI 排放法规规定世界统一瞬态试验循环( WHTC)NOx排放限值为0． 46 g /( kW·h) ，CH4排放限值为0． 5 g /( kW·h) ，远小于国V 排放限值，并且国VI 的WHTC 测试循环限值为冷启动循环和热启动循环的加权综合限值，冷启动排温较低，对后处理的要求更高，如果按照国VI 排放法规，采用稀燃难以满足要求，必须采用当量比燃烧+ 废气再循环( EGＲ) + 三元催化( TWC) 的技术路线才能满足严苛的国VI 排放法规。天然气发动机燃烧清洁无颗粒物( PM) 排放，采用相对简单高效的三元催化器可以解决发动机的排放问题，这些优点是柴油机不可比拟的。
虽然采取当量比燃烧的天然气发动机能够达到国VI 排放要求，但是天然气发动机还存在一些问题成为制约其进一步发展的重要障碍: 由于天然气燃料的火焰传播速度相对较慢，燃烧持续期较长，热效率相对较低；点燃式天然气发动机的排温较高，最高可以达到700～750 ℃，对发动机的可靠性影响很大；点燃式天然气发动机主要采用进气系统喷射的方
式，发动机的充气效率比直喷发动机降低约10%，导致其动力性不足，与柴油机相同排量的发动机最大扭矩达不到柴油机的扭矩水平；另外，难以满足发动机用户对灵活燃料的需求。
国VI 排放法规中双燃料发动机排放限值和测量方法与柴油机基本相同，但是针对双燃料发动机的CH4排放做了严格的规定，CH4的最高限值为500 mg /( kW·h) ，如果平均气体能量比低于68%，ETC 中的总碳氢( THC) 限值随着气体能量比而降低。由于CH4主要由后处理系统中的DOC 来氧化，这对DOC 要求很高，CH4排放处理是双燃料发动机开发中的难点。
天然气-柴油双燃料发动机是采用柴油引燃气的燃烧方式，实现稀燃，提升天然气的燃烧速度，发动机的动力性和经济性达到了柴油机的水平，NOx和PM 排放显著低于柴油机，CO2排放可以大幅度降低，但是CH4排放较高。
技术路线
目前天然气－柴油双燃料发动机主要有2种主要技术路线，一种是进气系统喷射双燃料发动机，在进气系统中喷射天然气，缸内直喷柴油引燃混合气，发动机改动较小，适合双燃料和柴油2种模式，即灵活燃料模式; 另一种是缸内直喷双燃料发动机，该技术天然气和柴油共用一个喷油器直接喷入缸内，由柴油引燃天然气，发动机的响应较快，动力性和热效率达到与柴油机相当水平，CH4排放相对较低。下面分别详细介绍2种技术路线。
进气系统喷射分为单点喷射和多点喷射：单点喷射即天然气喷入进气总管，与空气混合后进入缸内由柴油引燃；多点喷射即天然气喷入发动机气道内，在进气冲程进入缸内，由柴油引燃。
2种喷射方式在缸内的工作过程基本相同，主要差别在于进气混合过程。单点喷射方式可以在天然气喷射后增加混和器促进空气和天然气的混合，混合相对均匀，但是喷气位置距离气缸相对较远，响应相对较慢，而多点喷射方式是燃料喷入气道内，在进气冲程之前无法充分混合，只能在进气和压缩冲程与空气混合，另外发动机在中高负荷时，如果天然气的喷射量较大，气道的空间有限，喷射的燃料有可能从气道中逸出进入别的气缸，导致发动机的各缸均匀性变差，重型发动机天然气喷射器多点喷射在发动机上也很难布置。
进气系统喷射双燃料发动机目前有一些技术问题有待解决：1、 CH4排放高；2、 发动机喷油嘴头部温度高；3、 在高负荷容易产生爆震。
天然气缸内直喷技术的主要代表是Westport 公司，BOSCH 公司也在开展相关研究。Westport 公司双燃料直喷简称HPDI，BOSCH 公司双燃料直喷系统简称NGDI 。2 种技术的燃料喷射系统不同，但燃烧方式基本相同。下面分别介绍缸内直喷双燃料2种技术。
HPDI 技术是基于Philip Hill 博士在20 世纪80年代早期的研究成果发展起来的，该技术采用高压直喷燃料系统，在压缩上止点前用5%的柴油喷入气缸作为引燃剂， 95%的天然气以30 MPa 的压力喷入到火焰中成为主燃料燃烧做功。HPDI 发动机使用液化天然气( LNG) 作为车用燃料，其主要燃料供给部件为插入瓶体的往复式低温高压柱塞泵，为高压直喷喷油器提供30 MPa 的天然气喷射压力，无需改变压缩比，无需增加节流阀和额外点火装置，对原有柴油发动机结构改动小，能够在保持原柴油机热效率高、动力性好的同时，降低排放和节省燃料成本，总体性能优于点燃式天然气发动机和柴油机。
与HPDI 技术不同的是，BOSCH 的NGDI 燃料喷射系统的高压泵放在LNG 燃料箱外，这样做可以避免高压燃料泵在工作时产生热量，加热LNG 燃料导致燃料中产生气泡。LNG 高压燃料泵由高压柴油泵驱动柴油产生的压力来驱动，产生高达50 MPa高压，再经过热交换器和压力调节阀进入气轨内，然后经天然气和柴油集成一体喷油器喷入缸内燃烧。
采用NGDI 技术的发动机功率可达到367 kW，替代率达到95%，排放能够达到欧VI，发动机的动力性与柴油机相当，总的CO2排放可以降低20%。
总的来说，HPDI 和NGDI 发动机的动力性和经济性达到柴油机的水平，发动机的CO2排放最高可降低20%以上，发动机能够满足国VI 排放法规; 发动机的零部件可与柴油机通用，发动机本体改动较小，主要不同的地方是燃料供给喷射系统和控制系统; 发动机的成本稍高于天然气发动机，但是在市场接受的范围之内。
HPDI让天然气机和柴油机一样完美
缸内高压直喷（HPDI）系统顾名思义，就是依靠高压来迫使燃料进入已经充满空气的燃烧室，但是它取消了火花塞这一部件，其点火方式与柴油机的燃油喷系统一样。
HPDI技术解析图
HPDI原理图
可是没有火花塞怎么点火呢？它的工作原理是在发动机压缩冲程完成时，活塞达到上止点前，将5%的柴油首先喷入气缸内作为“液体火花塞”，柴油与缸内的高压高温空气混合后迅速燃烧，然后迅速将另外95%的天然气以30MPa的压力喷入火焰中，此时喷入的天然气以分层稀薄燃烧为主，氧含量充足，燃烧速度加快；同时，通过混合器“质调节”的方式能够适应发动机负荷的变化，可以大大改善传统天然气发动机的在中低负荷时性能不良的情况。
HPDI技术有2大关键技术，其一便是它那独特的高压共轨喷嘴技术，可独立喷射燃油和天然气，如此一来，既取消掉了天然气发动机的预混合室，也避免了天然气高压产生爆震的风险。另一关键技术便是缸内直喷发动机控制单元(ECU)，该系统可不是简单的控制天然气喷射量就足以了，要知道发动机在低负荷和高负荷下天然气的喷射量也是不同的，而且气体的喷射定时对天然气发动机的燃烧速率和排放都有很大影响，缩短喷射时刻与点火时刻可以明显缩短燃烧期。所以ECU不仅要准确判断喷气时刻，更要精准控制喷气时长。
其实早在2012年，潍柴联合西港已经推出了国内首台采用高压直喷技术的天然气发动机。当时为了检验实际运行中HPDI发动机的性能与燃油经济性，该款发动机还特地在山东省进行实地测试。在相同载荷、相同实验项目、相同路面、相同驾驶员的条件下，HPDI发动机与柴油机相比，动力相当，百公里成本下降了约25%-34%；与普通气体机相比，成本节约了15%，并且动力性强劲，较高挡位爬坡也更加容易。
2012年潍柴发布国内首台缸内直喷天然气发动机
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