天然气发动机因其环保节能而受到重视。但现有天然气发动机多数为双燃料发动机，结构复杂，工作可靠性低。课题针对这一实际情况，改造柴油发动机为天然气单燃料发动机。研究目的是开发成本低，工作可靠，适用在用柴油车改造的设计方案。设计方案为机械式点火正时系统。自行设计分电器装置和齿轮皮带式点火正时系统，改造南充4102柴油发动机为点燃式天然气单燃料发动机。为了改善排放效果，增加了空燃比电控系统，闭环控制空燃比。研究了压缩比与天然气发动机动力性的关系，计算分析天然气发动机在不同压缩比下的动力性。通过台架试验及计算，比较分析改造后天然气发动机的工作性能。经过理论分析和试验验证，用齿轮─皮带点火正时系统。该系统工作可靠，成本低，改造方便，适合于在用柴油机改造天然气发动机应用，开发了一条在用车改造天然气单燃料发动机的新路。空燃比的闭环控制输入信号是节气门位置传感器和排气氧传感器，经过ECU计算处理后，向步进电机发出控制指令，利用步进电机的脉冲方向和步长改变向汽缸内的供气量，形成对空燃比的闭环控制。通过此装置，天然气发动机排放特性得到提高。课题研究了改造天然气发动机的压缩比取值。通过试验验证，确定了在保证发动机可靠运行的情况下，改造后天然气发动机能够保持较高动力性的压缩比取值。课题研究了在不同的工况下，改造后天然气发动机CH、CO、NOx、CO2排放特性，并与原机进行了比较。改造后天然气发动机排放符合国家标准，符合中国国家当前对汽车尾气的排放要求。本文可作为天然气单燃料发动机改造技术或开发技术研究的参考。