随着汽车工业的发展和人口的大量增长,汽车保有量越来越大,能源危机和环境污染都引起了人们的重点关注,能源短缺危机和环境问题的日益加重迫使人们投入大量人力财力来寻找一个可替代的清洁能源来作为内燃机的替代燃料,摆脱对原油的依赖。天然气便是一种很有发展潜力的内燃机替代能源,它与汽油、柴油这些传统统内燃机燃料相比具有氢碳比高,燃烧热值高等优点,但由于其火焰传播慢,热效率低等缺点,导致其多年来并未受到市场的青睐。人们对天然气发动机的研究还大多停留在柴油机或汽油机的改造与调参,并未从其物理化学性质,内燃机设计参数和运行参数综合考虑其各个变量的规律,为天然气发动机的节能减排工作留下很多的挖掘空间。为弥补上述对天然气发动机研究的不足,本研究采用试验结合CFD多维模型仿真的方法从三种不同的策略改进缸内天然气的燃烧速度,并对天然气发动机燃烧、排放性能进行了综合性研究,提升热效率,增加节能减排的潜力。首先对一台稀燃天然气发动机进行了改造,在原有的天然气供给系统的基础上增加一套供气系统,用于除天然气外的其他气体的掺混,并按照试验规范对发动机开展了不同转速,不同负荷和两种不同燃料和掺混的稳态试验,测量并计算了各个工况的燃烧特征参数和排放性能,得到了不同纯度天然气、不同掺氢分数,不同二氧化碳分数的发动机燃烧和排放性能的变化规律,分析其差异的原因和影响。然后,对不同组分天然气混合气一维层流火焰进行了模拟,通过层流火焰结构的分析,层流火焰速度的计算,影响层流火焰速度的化学反应动力学基元反应的敏感性提取,探究了CO2稀释、H2掺混以及天然气中甲烷和乙烷、丙烷、正丁烷比例不同对层流火焰速度的影响。此外,建立了包括详细的进气口和排气口的三维（3D）全尺寸燃烧室,并使用三维建模技术对原始燃烧室进行了设计和调整,对不同的燃烧室,双火花塞点火模式进行了仿真模拟。最后对本文所用的三种提高燃烧速度策略对发动机燃烧和排放性能的影响进行了对比分析,选择了双火花塞点火的燃烧方式,并针对其Nox排放,分别模拟了4种不同EGR比的工况,以EGR限制燃烧放热率,平衡NOx排放和燃油经济性。论文的研究结果表明:（1）与经过提纯的液态甲烷气（LMG）相比,液化天然气（LNG）的燃烧速度较快,但差异都出现在小负荷工况,随转速和负荷提升,燃烧速度间的差异越来越小。由于LNG纯度问题在大负荷下发动机会由于爆震推迟点火提前角,降低热效率。在排放方面,由于LNG燃烧速度较快,燃烧温度较高,NOx排放水平略高于LMG,并且随着负荷的增加而加大。HC方面LNG和LMG没有明显差异,LNG在某些工况下HC排放稍大于LMG。（2）掺氢可以大大增加天然气发动机的混合气的燃烧速度,随着氢气体积分数的增加,50%燃烧曲轴角提前,10%-90%燃烧持续期缩短,有效热效率上升,NOx排放提升迅速,而HC排放量随氢气体积分数的增加而下降。燃烧混合气中二氧化碳的体积分数的增加减缓了燃烧速度,也使得发动机NOx排放大大降低。（3）在甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷四种烷烃中,相同外部条件下,乙烷的层流火焰速度最高,甲烷的层流火焰速度最低,丙烷和正丁烷的层流火焰速度相差很小。当甲烷分别和乙烷、丙烷和正丁烷掺混时,随着甲烷摩尔分数的降低,乙烷对混合气的层流火焰速度提升最为明显。并且在甲烷-乙烷混合气中,在乙烷摩尔分数小于40%时,层流火焰速度提升最为显著,并且其斜率随乙烷摩尔分数的增加而降低,在大于40%时,层流火焰速度随乙烷摩尔分数接近线性增长。（4）甲烷中掺混氢气可以增加反应中的自由基,增加反应温度从而提高层流火焰速度,甲烷中掺混二氧化碳降低了反应的速度,抑制了R31反应的进行,降低了反应中自由基的浓度,从而降低了层流火焰的速度。（5）加氢、改造燃烧室和双火花塞模式都能有效的提高气缸内天然气混合气的燃烧速率,提高热效率,其中加氢方式提高了点火到10%的持续期、50%燃烧曲轴角位置,而改造燃烧室增加缸内湍流强度对中期火焰传播速度有更大影响,加氢方式具有最高的指示热效率,但也有最高的NOx排放量。总的来说双火花塞点火模式参数调节方便,易于控制。使用双火花塞配合EGR的优化燃烧策略可以在提高燃烧速度的情况下有效降低NOx排放。通过本文的研究,对比了解决天然气提高燃烧速度的多种方式,深入研究了天然气中不同组分对其燃烧速度的影响机理,并对比了三种方式,提出了双火花塞配合EGR的改进策略。为深入理解发动机热功转换提供了很好的研究方式,为天然气发动机提出了一条高效、清洁的升级优化路线以及应对日益严格的排放法规提供了指导方向,并为天然气快速燃烧系统的设计开发提供了技术指导与数据支撑。