天然气是最清洁的化石燃料,储量比较丰富,废气中的污染物排放相对较少,价格相比汽油和柴油也更加的便宜。在越来越严格的排放标准下,发展天然气发动机有助于满足国家制定的排放标准。但是天然气发动机也存在动力性下降以及火焰传播慢的问题,为了提升发动机的动力性、改善天然气火焰传播慢的问题,更好地满足排放法规,需要对发动机的运行参数以及燃烧过程进行分析。本文的研究对象是一款天然气发动机,该发动机的由一款柴油机改装而来。本文在发动机台架试验的基础上建立了其一维和三维的数值仿真模型,对发动机的动力性、排放以及燃烧过程进行了仿真分析以应用于国六排放天然气发动机的实际开发中。在台架试验的基础上,本文创建了发动机工作过程与燃烧过程的数值仿真模型并进行了验证,对各模块参数的设定进行了探讨,分析了天然气发动机的参数对性能、排放以及燃烧过程的影响。在WHTC循环试验的基础上,分析了该发动机冷起动试验与热起动试验时的排放特性。基于一维模型,对点火提前角、空燃比、配气相位以及压缩比的影响进行了仿真分析,结果表明适当减小发动机点火提前角可以改善发动机的性能以及排放。选取这几个参数为试验因子进行了基于试验设计和响应面模型的多目标优化,在保证发动机动力性和经济性的基础上降低发动机的排放。利用试验设计产生的结果建立了对应的响应面模型,利用~2系数对响应面模型的精度进行了评价,在拟合多项式的基础上对各试验因子的影响程度进行了分析。最后利用多目标遗传算法进行了参数寻优,得到了该发动机外特性工况下优化后的点火提前角、空燃比、配气相位以及压缩比。优化后发动机的外特性工况下扭矩最多提高了3.28%,燃气消耗率减少了2.12%,NOx排放减小了30.81%,HC排放减小了23.39%,并且改善了CO和NOx排放的相对浓度,有利于NOx的还原。基于三维模型对该发动机的燃烧过程进行了分析,分析了燃烧室内挤流产生的过程以及影响。并对不同形状活塞的影响进行了仿真分析,结果表明平底直口活塞可以增加活塞顶部的挤压区面积,进而增大挤流强度、提高火焰传播速度。