单一燃料天然气发动机完全脱离了柴油和汽油，是解决当今能源问题和环境污染问题的一个有效手段。在天然气发动机性能研究方面，电子控制技术是未来的主要方向，其中良好的燃气喷射控制系统及空燃比控制策略能够实现空燃比的精确控制，提高发动机经济性、动力性和排放性。本文进行了天然气发动机实验平台的设计与搭建，将2135G柴油机改造为单一燃料天然气发动机，并自主设计了燃气喷射控制系统，硬件电路以MC9S12XEP100微控制器为核心，包括信号采集电路，宽域氧传感器、喷射器、电子节气门驱动电路以及通讯电路，其中宽域氧传感器能够实现空燃比信号的连续采集，将其作为反馈单元，完成空燃比的闭环控制。PID控制算法简单而实用，拥有良好的稳定性能，所以本文采用PID算法作为燃气喷射系统的核心控制策略。这种控制算法存在两种缺陷：发动机在不同工况下PID参数不一致，如果分段设置PID参数增加了复杂度；由于天然气发动机系统中存在由传感器、滤波器和气体传输等引起的延迟因素，使得控制滞后。对于前者，本文采用了模糊算法，形成模糊自整定PID控制策略，对于后者，本文在控制前端加上了基于速度密度法的前馈控制，及时响应工况变化，最终形成基于前馈的模糊自整定PID控制策略。在本文的最后部分，进行了天然气发动机启动过程实验，基于空燃比闭环控制的稳态和瞬态实验以及喷射相关因素对燃烧过程影响的实验，由于实验条件的限制，无法体现出模糊自整定PID的优势，在进行实验闭环控制验证的时候，采用了基于前馈的PID的控制策略，实验表明，在稳态工况下，采用本文设计的燃气喷射系统能够将空燃比精确稳定在目标空燃比附近，在瞬态工况下，节气门出现变化后，燃气喷射系统会根据实际空燃比调整燃气喷射量，在短时间内将空燃比调回目标值。此外，本文通过实验分析了喷射系统相关因素对天然气发动机燃烧过程的影响，结果表明，空燃比和节气门开度对燃烧过程有较大影响，而喷射提前角对燃烧过程几乎没有影响。