随着化石燃料价格的升高和排放法规的日益严格,替代燃料技术得到了快速发展。油田钻井作业中,传统上使用柴油机提供动力。近年来,我国开展了使用天然气发动机作为油田钻井动力机械的试验,在试验中发现天然气发动机具有运行平稳、噪声低、排放少、燃料费用低等优点,但是瞬态响应性能差,无法适应钻井作业负荷多变的工况。为此,本文以12V190型天然气发动机为例,研究影响其瞬态响应性能的因素,并提出改进方案。首先利用试验数据建立了12V190型天然气发动机的仿真模型,并在其基础上建立了两种分别采用MPC增压系统和脉冲增压系统的双增压器仿真模型。利用双增压器仿真模型研究了增压器惯量、排气系统型式和进排气管道容积对发动机突加载性能的影响,采用双增压器后MPC方案的转速波动率降低至7.38%,转速恢复时间缩短到了4.73s;将脉冲增压方案的转速波动率降低至6.46%,恢复时间缩短到了4.03s。利用双增压器仿真模型研究了进气道补充燃气对突加载性能的影响,发现使用进气道多点喷射可以有效提高发动机的响应性能,在500kW加载工况下实现转速波动率3.77%,转速恢复时间3.51s。研究了发动机负载转动惯量、气门重叠角对突加载性能的影响,发现提高发动机负载转动惯量可以降低转速波动率,但会导致转速恢复时间增加;气门重叠角减小会造成进气恶化,转速波动率增大。对节气门PID控制器和多点喷射阀控制器的PID参数进行了优化,MPC方案实现了转速波动率为7.08%,恢复时间4.69s;脉冲增压方案实现了转速波动率6.08%,恢复时间3.95s。进气道喷射补燃方案实现了转速波动率3.07%,转速恢复时间3.29s。最后,联合采用脉冲增压系统、进气道多点喷射并增加发动机负载转动惯量提高发动机的瞬态响应能力,实现了转速最大波动率为3.00%,转速恢复时间为3.31s。