汽车工业的快速发展造成能源的大量消耗，同时也造成环境污染以及全球温室效应的加剧。汽车能源向多元化、清洁、低碳燃料转型是未来汽车工业发展的必然趋势，而天然气以其资源丰富、价格便宜、燃烧完全、排放优良等诸多优点成为替代石油燃料的绿色燃料之一。由于天然气发动机较相同排量的汽油机存在动力性不足、热效率偏低以及NOx排放较高等问题，因此采取必要的措施，并对其结构及参数进行优化，对恢复天然气发动机动力性能，提高其经济性能并降低排放有重要意义。本文以一改装的小排量天然气发动机为研究对象，进行了该发动机性能的仿真研究，旨在提高其动力性能、经济性能并降低排放。　　首先利用GT-Power建立了JL465Q5天然气发动机工作过程一维仿真模型，并利用试验数据对模型进行验证，确保了模型的准确性。在此基础上，对天然气发动机的工作过程进行了仿真计算，并与原汽油机进行了性能对比，结果表明：在所有转速范围内，原汽油机在改燃天然气后动力性能和经济性能均有不同程度的下降。　　为了恢复天然气发动机的动力性能，根据发动机的强化程度要求，对压缩比进行了优化计算，并利用国产某型号的涡轮增压器在稀燃工况下与天然气发动机进行了匹配。增压后，发动机的动力性能和经济性能均有一定幅度的提高。由于增压后原汽油机的进气系统、点火提前角Map和配气相位已不适用于与增压发动机，为了进一步提高天然气发动机的性能，对增压后的天然气发动机进行了分别以充量系数和转矩为目标的进气系统、配气相位及点火提前角优化计算，获得了发动机充气性能及输出转矩最佳时的进气系统结构参数、进排气相位及点火提前角Map。此外，提出了将Miller循环方式应用于增压稀燃发动机的技术路线并进行了部分负荷及全工况范围的仿真计算，计算结果表明：在绝大多数工况下，特别是在低速大负荷及高转速工况下，采用Miller循环可有效降低发动机的BSFC以及NOx的排放。