经济的高速发展使得汽车市场的需求也高速增长；同时，在可持续发展、节能减排呼声日益高涨的今天，越来越多的国内外汽车专家及企业都在研究节能、环保的新能源发动机。目前研发的代用燃料发动机中，天然气发动机的市场潜力最大。本文根据国内外对天然气发动机技术的研究及开发经验，提出了FR340N天然气发动机的研究开发方案，应用AVL FIRE软件对发动机燃烧室结构尺寸进行了设计及仿真，并搭建了台架试验，对开发完成的发动机进行了实验，实验结果表明该天然气发动机满足开发要求。本文首先对本课题研究背景、意义和目的进行了综述，介绍了天然气发动机及汽车的发展历程和目前发动机技术的研究现状和技术特点，并对天然气发动机和柴油发动机的性能进行了对比。通过研究国内外的天然气发动机技术，结合FR340N发动机的开发目标对原发动机的燃气供给系统、进气系统(进、排气门及阀座)、燃烧系统（燃烧室）进行了优化设计；对天然气发动机的电控系统原理及技术方案进行了研究，本课题采用的增压稀燃、高能独立点火、电控调压燃料控制等技术，有效提高了FR340N发动机的动力性和经济性。本文通过对天然气发动机涡流比、燃烧时气体流动的特性及各参数对发动机性能的影响进行研究，使用FIRE软件中的拟序火焰模型（Coherent Flame Model）对发动机的燃烧室结构进行了优化设计，设计了三种燃烧室尺寸，通过对比缸内平均压力、放热率、湍动能及NOx的排放，选用方案Ⅱ作为本课题的发动机燃烧室尺寸。本文搭建了试验台架，对开发完成的FR340N发动机进行了台架试验，对发动机的动力性、排放性、经济性进行了标定，实验得知开发的FR340N天然气发动机的性能和可靠性达到开发目标，满足国Ⅳ排放标准。本文探索和总结的重型柴油机改天然气发动机的流程、方法和经验，为改装发动机的开发提供了一定的参考。